Haptic cho ngi mù

"Mắt thần" cho ng i mù là dự án dành cho ng i mù c a Thầy Nguyễn Bá Hải - giảng viên Trung tâm bồi d ỡng giáo viên và đào tạo nhân lực công nghệ cao, ĐH S phạm kỹ thuật TP.HCM.

Ng i mù chỉ cần đeo thiết b vào đầu, không cần dùng gậy vẫn không b va chạm vào ng i, vật cản.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 53 - HVTH: Trần Xuân Trình Tất cả nh hai “mắt thần” gắn trên thiết b . Khi gặp vật cản tr ớc mặt,cảm biến sẽ gửi tín hiệu v cho máy tính từ đó máy tính, máy tính xử lý và đ a ra tín hiệu đi u khi n cho một motor sẽ rung và giúp ng i mù tránh đ ợc vật cản. Vật cản càng gần thì độ rung càng mạnh. Phạm vi quan sát c a “mắt thần” từ 30 – 300m.

Hình 2.31: Các cô chú trong hội ng i mù Th Đ c đang thử nghiệm chiếc nón "mắt thần"

2.2.1.5 ng d ng haptic trong công ngh thông tin

Nghành công nghệ thông tin là nghành ng dụng rất nhi u nh : điện thoại cảm ng, máy tính bảng cảm ng.v.v.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 54 - HVTH: Trần Xuân Trình Trong những năm tới, công nghệ cảm ng sẽ xuất hiện trên màn hình khổng lồ, thẻ tín dụng thay vì chỉ có ch yếu trên điện thoại, tablet nh hiện nay.

Trong video đ ợc chia sẻ trên website Youku, smartphone hay máy tính bảng còn có khả năng chiếu hình 3Dra không gian tạo thành màn hình lớn.

Hình 2.33: Ng i phụ nữ có th trả l i mail ngay trong nhà tắm

Tr ớc đó, vào tháng 2/2012, công ty Corning Incorporated cũng chia sẻ video với kỹ xảo đồ h a gi ng nh phim viễn t ng nói v sự phát tri n và muôn mặt ng dụng c a màn hình cảm ng trong những năm tới. (Theo: http://vnexpress.net/gl/vi- tinh/giai-tri/2012/05/video-cong-nghe-cam-ung-tran-ngap-the-gioi-tuong-lai/)

2.3 Gi i thi u ph n m m LabVIEW 2.3.1 LabVIEW là gì 2.3.1 LabVIEW là gì

LabVIEW là một phần m m lập trình Graphic (lập trình G hay ngôn ngữ đồ h a) trực quan dễ sử dụng.

Labview đ ợc dùng nhi u trong phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa h c kĩ thuật nh : tự động hóa, đi u khi n, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh.v.v.

Các ng dụng c a LabVIEW có th đ ợc tóm tắt nh sau:

Thu thập tín hiệu từ các thiết b bên ngoài nh cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận t c động cơ .v.v.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 55 - HVTH: Trần Xuân Trình Giao tiếp với các thiết b ngoại vi thông qua các chuẩn giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet. Đ đi u khi n nh ng thiết b những nơi con ng i không th làm việc đ ợc.

2.3.2 ng d ng LabVIEW trong th c t

Mô ph ng và xử lí các tín hiệu thu nhận đ ợc đ phục vụ các mục đích nghiên c u hay mục đích c a hệ th ng mà ng i lập trình mong mu n.

Xây dựng các giao diện ng i dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhi u so với các ngôn ngữ lập trình khác nh Visual Basic, Matlab,…

Cho phép thực hiện các thuật toán đi u khi n nh PID, Logic m ( Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các ch c năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.

Cho phép kết hợp với nhi u ngôn ngữ lập trình truy n th ng nh C, C++,

Matlab

Hình 2.34: Khảnăng kết hợp các phần c ng c a LabVIEW

Nh trên hình ta thấy dùng Card LabVIEW ta có th giao tiếp với : motor, webcam, các cảm biến… Chúng ta có th kết n i các thiết b này thông qua các card

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 56 - HVTH: Trần Xuân Trình gắn với cổng USB, PCI. Ta cũng có th thực hiện giao tiếp n i tiếp các thiết b này với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232, RS485… Nh trên hình vẽ ta thấy một loạt các ng dụng, một ví dụ là chúng ta có th sử dụng card LabVIEW đ giao tiếp với webcam, từđó có th đi u đ ợc các thiết b từ xa (ô tô chẳng hạn).

LabView hầu nh có mặt trong tất cả các lĩnh vực khoa h c công nghệ nh : Robot công nghiệp,Robot y khoa, Robot không gian, Robot di động, ô tô, máy bay đi u khi n từ xa, robot gi ng ng i,đi u khi n t ơng tác ổn đ nh.v.v.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 57 - HVTH: Trần Xuân Trình

Hình 2.36: Đại h c Virginia Tech, Hoa kỳphát tri n Robot gi ng ng i sử dụng LabVIEW

Hình 2.37: Phát tri n máy bay không ng i lái

2.3.2 L p trình v i LabVIEW

Đ làm việc với phần m m LabVIEW ta thao tác trên 2 cửa sổ là Front Panel và Block Diagram. Hai cửa sổ này sẽ xuất hiện sau khi ta kh i động phần m m LabVIEW.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 58 - HVTH: Trần Xuân Trình

Hình 2.38 : Cửa sổ Front Panel

Cửa sổ Front Panel hay còn g i là giao diện ng i dùng. C a sổnày dùng đ kh i tạo các Control (Input) và các Indicator (ouput). Nghĩa là trên cửa sổ này ta có th thiết lập các thông s đầu vào c a một ng dụng nào đó và có th thấy đ ợc kết quả khảo sát hay tính toán c a ng dụng đó (tham khảo trong phần phụ lục).

Hình 2.39: Cửa sổ Block Diagram

Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng đ ng i lập trình kh i tạo, viết các thuật toán cho ng dụng c a mình. Đó bao gồm các hàm toán h c (cộng, trừ, nhân, chia, đạo hàm, tích phân, ma trận.v.v.), các hàm lặp (while loop), các hàm tạo trễ.v.v Nghĩa là trên cửa sổ Block Diagram ch a những thuật toán giải quyết các bài toán ng dụng mà

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 59 - HVTH: Trần Xuân Trình ng i lập trình kh i tạo và có th đi u khi n và hi n th kết quả trên cửa sổ Front Panel.

Các hàm tính toán có liên quan trong c a sổ Block Diagram đ ợc n i với nhau bằng dây dẫn theo ki u truy n tín hiệu. Đây cũng là một lợi đi m c a LabVIEW so với các phần m m khác tính trực quan và dễ làm việc.

Các hàm thông dụng khi lập trình với LabVIEW ( tham khảo phụ lục A).

2.4 Thu t toán PID và ng d ng vƠo đi u khi n đ ng c DC2.4.1 Khái ni m v thu t toán PID 2.4.1 Khái ni m v thu t toán PID

Bộđi u khi n PID (viết tắt c a: Proportional–Integral–Derivative Controller) là một trong những bộ đi u khi n phổ biến và quan tr ng nhất trong các thiết b và hệ th ng công nghiệp từ đĩa CD tới vận t c xe ô tô đ u đ ợc thực hiện b i các thuật toán PID.

Thuật toán PID nh sau:

0 ( ) . ( ) ^t ( ) ( ) p i d de t u K e t K e t d t K dt  



U : hiệu điện thế Kp : đô ̣ lợi tố̉ lê ̣, thông sô điêu chố̉nh Ki : đô ̣ lợi tốch phân Kd : độ lợi vi phân

e : sai sô t : thơi gian (hiê ̣n ta ̣i)

Thuật toán này dùng đi u khi n các hệ th ng vật lý nh động cơ DC, hệ th ng lái tựđộng trên robot, ô tô, lò nhiệt, vv.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 60 - HVTH: Trần Xuân Trình

Hình 2.40: Sơ đồđi u khi n động cơ DC theo thuật toán PID

Bộ đi u khi n này hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá tr sai lệch c a một tín hiệu đang đ ợc đi u khi n sao cho sai lệch này bằng không. Bộ PID có ba thành phần: proportional - tỷ lệ, integral - tích phân, và derivative - đạo hàm), ba thành phần này đ u có vai trò đ a sai lệch v không. Tín hiệu phản hồi (feedback signal) th ng là tín hiệu thực đ ợc đo bằng cảm biến. Giá tr sai lệch là hiệu c a tín hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu phản hồi.

2.4.2 Đi u khi n vịtrí đ ng c bằng thu t toán PID

Thuật toán PID đ ợc ng dụng vào trong LabVIEW có th dùng đ đi u khi n động cơ DC theo sơ đồ sau:

Hình 2.41: Thuật toán đi u khi n động cơ DC theo v trí bằng PID Cảm biến đo giá tr thực Bộđi u khi n PID Bộ vào/ra (I/O) ^Bộ khuếch đại + e

u

u

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 61 - HVTH: Trần Xuân Trình Đâu tiên ta có giá tr đặt ( là giá tr mà ng i đi u đi u khi n mong mu n) đ ợc đ a vào bộ PID. Bộ đi u khi n PID sẽ đ a ra giá tr sai lệch e d ới dạng điện áp. Giá tr điện áp này đ ợc đ a ra cổng giao tiếp với ngoại vi sau đó tín hiệu này sẽđ ợc đ a ra bộ khuếch đại tín hiệu điện áp. Tín hiệu khuếch đại này sẽ đ ợc đ a tới đ i t ợng đi u khi n.

Việc lập trình đi u khi n v trí động cơ DC sẽ đ ợc thực hiện qua 3 khâu P, khâu PI, khâu PID (tham khảo phần phụ lục B).

2.5 Lí thuy t đi u khi n t xa 2.5.1 Gi i thi u v m ng không dây 2.5.1 Gi i thi u v m ng không dây

Hình 2.42: Mạng wireless cấu hình theo mô hình ad-hoc

Wireless LAN (Wireless Local Area Network) là mạng nội bộ, kết n i các máy tính với nhau thông qua sóng vô tuyến (radio wares). Tận dụng những lợi thế sẵn có c a hệ th ng mạng nội bộ có dây, wireless LAN giúp ng i dùng di động với các thiết b nh laptop, thiết b cầm tay PDA… d dàng truy cập tài nguyên trong mạng nội và Internet mà không cần đến dây cáp mạng.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 62 - HVTH: Trần Xuân Trình

Hình2.43: Mạng wireless cấu hình theo mô hình Access point

Trong phạm vi gia đình, mạng wireless có th đ ợc cấu hình theo một trong hai mô hình sau: ad-hoc (hay còn g i là peer-to-peer) hoặc access point. Mỗi mô hình hoạt động theo cách riêng và thích hợp với những đi u kiện tri n khai khác nhau.

Trong phạm vi doanh nghiệp, mạng wireless có th đ ợc tri n khai theo mô hình domain (client/server), trong đó gồm có các máy ch đóng vai trò nh Domain Controller, DNS Server, Web Server… và các máy trạm

Hình 2.44: Mạng wireless cấu hình theo mô hình doanh nghiệp

Converter quang

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 63 - HVTH: Trần Xuân Trình

2.5.2 Tiêu chuẩn m ng không dây hi n nay

Vì mạng không dây sử dụng tầng s sóng vô tuyến đ truy n tín hiệu, nên mạng không dây ch u sựảnh h ng c a các sóng từkhác, nh là sóng AM/FM. Bang chuy n giao thông tin (FCC) đư nghiên c u và tìm cách khắc phục lỗi này. Trong th tr ng mạng không dây hiện nay có một s chuẩn riêng đ ợc sàn l c và đ ợc xác nhận b i Viện các kỹs điện và điện tử (IEEE), Hoa Kỳ.

Những chuẩn này đ ợc tạo b i một nhóm ng i đại diện cho nhi u công ty khác nhau, bao gồm những viện sĩ, th ơng gia, sĩ quan,và chính ph . Vì những chuẩn này thiết lập v phía IEEE có th sẽ chạm phải sự phát tri n c a công nghệ, những chuẩn này có th mất vài năm đ tạo ra và đ ợc chấp nhận. Nhà sản xuất khuyến khích chúng ta phê bình hoặc đánh giá các chuẩn này trong th i gian nó đang đ ợc tri n khai đ cho ra một sản phẩm hoàn hảo.

Hình 2.45: Một s chuẩn thông dụng 2.5.3 Kỹ thu t truy n tín hi u trong m ng không dây

Chuẩn 802.11 đ nh nghĩa một s ph ơng th c và kỹ thuật truy n khác nhau cho mạng nội bộ không dây. Chuẩn này bao gồm cả kỹ thuật RF(Radio Requency) và

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 64 - HVTH: Trần Xuân Trình IR(Infra Red).Các kỹ thuật truy n dùng trong mạng không dây dựa trên nguyên lý trải phổ, thay vì truy n trên một tần s dễ b nhiễu và mất mát dữ liệu thì chúng ta truy n tín hiệu trên nhi u tần s song song hoặc luân phiên.

Hình 2.46: Các kỹ thuật dùng trong chuẩn 802.11

Kỹ thuật trải phổ đ ợc dùng rất nhi u trong mạng không dây vì kỹ thuật này ch ng nhiễu và bảo mật t t. Các kỹ thuật truy n tín hiệu dùng trong 802.11:

- Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS). - Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS). - Kỹ thuật truy n song song các sóng mang có tần s trực giao với nhau (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM).

Các thiết b không dây hiện nay trên th tr ng hầu hết đ u sử dụng kỹ thuật truy n tín hiệu DSSS

2.5.3.1 DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum

DSSS là kỹ thuật cho phép tín hiệu truy n đi đ ợc trải trên nhi u tần s hoạt động đồng th i nhằm giảm đến m c t i thi u sự nhiễu và mất mát dữ liệu. Tín hiệu ban đầu đ ợc kết hợp với một tín hiệu hệ th ng (tín hiệu này g i là chipping code) tr ớc khi truy n trên môi tr ng sóng.

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 65 - HVTH: Trần Xuân Trình Tín hiệu đ ợc trải trên 7 hoặc 11 tần tùy theo chi u dài c a chipping code. Theo tổ ch c FFC (Federal Communications Commission) quy đ nh băng tần hoạt động c a DSSS là 900 MHz (902 - 928MHz) và 2.4GHz (2.4 - 2.483GHz).

Dữ liệu dạng bit c a ng i dùng tại máy g i kết hợp với giá tr chip code (trong hình trên thì chi u dài chip code là 7 bit) c a hệ th ng với phép toán XOR, Kết quảđạt đ ợc là 7 bit sẽ đ ợc truy n trên 7 tần s khác nhau. Khi đến máy nhận các bit này cũng sẽ kết hợp với chip code với phép toán XOR, nếu s bit 1 trong kết quả nhận đ ợc nhi u hơn s bit 0 thì dữ liệu đ ợc nhận là bit 1, ng ợc lại dữ liệu nhận đ ợc là bit 0. Với cách hoạt động trên kỹ thuật DSSS có độ bảo mật cao vì các máy nhận dữ liệu phải biết tr ớc chip code, đồng th i khi có tác nhân làm nhiễu một phần c a dãy tần thì hệ th ng vẫn hoạt động t t.

2.5.3.2 CSMA/CA

Tại tầng con MAC c a tầng Data Link, 802.11b dùng kỹ thuật cảm sóng đa truy cập tránh đụng độ CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance)

User data

7 ( hoặc 11-chip) Trải mã

Cắt truy n

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 66 - HVTH: Trần Xuân Trình đ khắc phục tình trạng đụng độ do các máy trạm cùng truy n tín hiệu tại một th i đi m.

Hình 2.48: Kỹ thuật CSMA/CA

Máy trạm không dây (Wireless Station 1) mu n truy n tín hiệu lên mạng thì phải lắng nghe xem có máy trạm nào đang truy n trên mạng không, bằng cách g i một tín hiệu LBT (Listen Before Talk). Nếu môi tr ng truy n không dây đang b sử dụng thì máy trạm này đợi một khoảng th i gian ngẫu nhiên, sau đó tiếp tục lắng nghe. Do th i gian đợi là ngẫu nhiên nên các máy trạm đang đợi sẽ g i dữ liệu lại tín hiệu vào những th i đi m khác nhau (tránh đ ợc đụng độ). Nếu máy trạm 1 lắng nghe không thấy máy trạm nào khác truy n tín hiệu thì máy trạm này bắt đầu truy n Data Frame. Bên máy nhận, sau khi nhận hoàn tất dữ liệu, máy này sẽ g i một tín hiệu ACK (acknowledgment signal) đến máy trạm 1 đ thông báo quá trình truy n nhận dữ liệu đư thành công.

2.5.3.3 RTS/CTS

Hình 2.49: Mô ph ng mạng không dây Máy trạm 1

Wireless

Máy trạm 2 Wireless

GVHD: TS. Nguyễn Bá Hải - 67 - HVTH: Trần Xuân Trình Trong hình trên chúng ta quan sát thấy: máy 1 nhìn thấy máy 2, máy 2 nhìn thấy máy 1 và máy 3, máy 3 chỉ nhìn thấy máy 2. Tóm lại máy 1 không nhìn thấy máy 3. Vấn đ Node ẩn xuất hiện trong mạng kết n i một đi m đến nhi u đi m (point to multi- point network), vấn đ này cũng xuất hiện khi mạng có nhi u hơn 3 node. Trong môi tr ng CSMA/CA thì máy trạm 1 và máy trạm 3 truy n nhận dữ liệu rất t t nh ng máy