(Đề tài NCKH) Thiết kế bộ điều khiển Haptic phản hồi lực vận hành Robot di động từ xa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAPTIC PHẢN HỒI LỰC VẬN HÀNH
ROBOT DI ĐỘNG TỪ XA
SV2021-39

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật
SV thực hiện: Hoàng Hưng

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 17151A – Khoa Điện-Điện tử

Năm thứ: 4 / Số năm đào tạo: 4

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện

TP Hồ Chí Minh, 10/2021
ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................xi
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................................xi
2. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................xi
3. Mục tiêu đề tài .......................................................................................................xi
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... xii
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... xii
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................1
1.1 Cấu trúc robot di động Car-like ............................................................................1
1.2 Lý thuyết cảm biến siêu âm ..................................................................................2
1.2.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm ..........................................................................2
1.2.2 Cách thức hoạt động ......................................................................................2
1.2.3 Ưu nhược điểm .............................................................................................. 2
1.3 Lý thuyết giao tiếp UART.....................................................................................3
1.3.1 Khái niệm .......................................................................................................3
1.3.2 Cách thức hoạt động ......................................................................................3
1.3.3 Ưu nhược điểm .............................................................................................. 4
1.4 Lý thuyết giao tiếp bằng chuẩn Zigbee sử dụng sóng RF .....................................5
1.4.1 Khái niệm .......................................................................................................5
1.4.2 Cách thức hoạt động của sóng RF .................................................................5
1.4.3 Ưu nhược điểm của chuẩn truyền Zigbee ......................................................6
1.5 Tổng quan điều khiển Haptic ................................................................................6
1.5.1 Các dạng điều khiển Haptic ...........................................................................6
1.5.2 Phân loại thiết bị điều khiển Haptic ............................................................... 6
1.5.3 Lựa chọn thiết bị điều khiển Haptic .............................................................. 9
iii


1.6 Lý thuyết bộ điều khiển PID .................................................................................9

1.7 Lý thuyết trường thế năng đẩy ............................................................................10
CHƯƠNG 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .....................................................................12
2.1 Thiết kế hệ thống .................................................................................................12
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống .....................................................................................12
2.1.2 Thi cơng mơ hình robot di động Car-like ....................................................12
2.1.3 Thiết kế thiết bị điều khiển Haptic – Joysitck 2-DOF .................................16
2.1.4 Thiết kế giao diện người dùng .....................................................................19
2.2 Động học thuận robot di động Car-like .............................................................. 21
2.3 Lập trình phần mềm điều khiển xe ......................................................................23
2.3.1 Lưu đồ ..........................................................................................................23
2.3.2 Tính tốn thơng số về giao tiếp....................................................................26
2.4 Động học tay cầm điều khiển Haptic ..................................................................27
2.4.1 Động học thuận ............................................................................................ 27
2.4.2 Động học nghịch ..........................................................................................29
2.5 Phản hồi lực Haptic dựa trên lý thuyết trường thế năng .....................................29
2.6 Thiết kế chương trình mơ phỏng Haptic trên Matlab-Simulink .........................30
2.6.1 Khối điều khiển Haptic cho Joystick ...........................................................31
2.6.2 Khối mơ hình Simscape của Joystick ..........................................................33
2.6.3 Khối điều khiển robot từ tín hiệu Joystick...................................................34
2.6.4 Khối mơ hình robot di động Car-like ..........................................................36
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...........................................................................38
3.1 Kết quả mô phỏng phản hồi lực Haptic trên Matlab Simulink ...........................38
3.1.1 Mô phỏng vật cản đối diện xe......................................................................38
3.1.2 Mô phỏng vật cản bên hông xe ....................................................................41
3.2 Kết quả thực nghiệm chương trình điều khiển robot qua giao diện người dùng 46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................48
Kết luận .....................................................................................................................48
Kiến nghị ...................................................................................................................48
iv

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 49
PHỤ LỤC ......................................................................................................................51
Chương trình tay cầm điều khiển và robot di động Car-like ....................................51
Chương trình giao diện người dùng ..........................................................................51
MINH CHỨNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI .........................................................................52

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các thiết bị điều khiển Haptic dạng Joystick theo bậc tự do ...........................6
Bảng 1.2 Ảnh hưởng hệ thống khi thay đổi mỗi thông số độc lập ................................ 10
Bảng 2.1 Danh sách các thiết bị trong mơ hình robot di động Car-like ........................13
Bảng 2.2 Danh sách các thiết bị trong mơ hình robot Joystick 2-DOF.........................18

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu hình của robot di động Car-like ................................................................ 1
Hình 1.2 Sơ đồ thời gian hoạt động của cảm biến siêu âm .............................................2
Hình 1.3 Giao tiếp UART ............................................................................................... 3
Hình 1.4 Cách thức hoạt động của giao tiếp UART........................................................3
Hình 1.5 Gói dữ liệu trong UART...................................................................................4
Hình 1.6 Cách thức hoạt động của sóng RF ....................................................................5
Hình 1.7 Thiết bị Haptic 1-DOF......................................................................................7
Hình 1.8 Thiết bị Haptic 2-DOF......................................................................................7
Hình 1.9 Thiết bị Haptic 3-DOF – Delta.3 ......................................................................7
Hình 1.10 Thiết bị Haptic 4-DOF....................................................................................8

Hình 1.11 Thiết bị Haptic 5-DOF....................................................................................8
Hình 1.12 Thiết bị Haptic 6-DOF – PHANTOM OMNI ................................................8
Hình 1.13 Thiết bị Haptic 7-DOF – MOOG ...................................................................8
Hình 1.14 Cấu trúc bộ điều khiển PID ............................................................................9
Hình 1.15 Trường thế năng đẩy.....................................................................................11
Hình 2.1 Minh họa điều khiển Haptic ...........................................................................12
Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối robot di động Car-like ............................................................. 12
Hình 2.3 Mơ hình thực tế của robot Car-like ................................................................ 15
Hình 2.4 (a) Bệ đỡ cho Joystick và (b) Liên kết số 1 của các trục động cơ ..................16
Hình 2.5 (a) Liên kết số 2 của các trục động cơ và (b) Trục tay cầm được kết nối ......16
Hình 2.6 Bản vẽ thiết kế hồn chỉnh Joystick – 2-DOF ................................................17
Hình 2.7 Sơ đồ đấu nối cho Joystick .............................................................................17
Hình 2.8 (a) Hộp điều khiển chưa hoàn thiện và (b) Tay cầm Joystick chưa hồn thiện
.......................................................................................................................................19
Hình 2.9 Giao diện kết nối ............................................................................................ 20
Hình 2.10 Giao diện robot di động Car-like ..................................................................20
Hình 2.11 Giao diện tay cầm điều khiển .......................................................................21
Hình 2.12 (a) Lưu đồ điều khiển động cơ, (b) Lưu đồ thu thập dữ liệu cảm biến ........23
Hình 2.13 (a) Lưu đồ điều khiển servo, (b) Lưu đồ truyền dữ liệu ............................... 23
Hình 2.14 (a) Lưu đồ nhận dữ liệu, (b) Lưu đồ hàm truyền dữ liệu lên cổng com .......24
Hình 2.15 Lưu đồ hàm ngắt nhận dữ liệu ......................................................................24
Hình 2.16 (a) Hàm chính giao diện người dùng, (b) Hàm con gửi dữ liệu ...................25
Hình 2.17 (a) Hàm con nhận dữ liệu, xuất file txt, (b) Hàm con điều chỉnh Joytstick .25
Hình 2.18 Sơ đồ khối giao tiếp trong hệ thống ............................................................. 26
vii


Hình 2.19 Hệ trục tọa độ của tay cầm điều khiển trong mặt phẳng Oxy ......................27
Hình 2.20 Hệ trục tọa của tay cầm điều khiển trong khơng gian Oxyz ........................28
Hình 2.21 Sơ đồ kết nối trong Matlab-Simulink ...........................................................30

Hình 2.22 Khối điều khiển Haptic .................................................................................31
Hình 2.23 Bên trong khối điều khiển Haptic - hai bộ PID mỗi trục ............................. 32
Hình 2.24 Bên trong khối điều khiển Haptic - Khối thay đổi độ cứng lị xo ảo – chỉnh
lực phản hồi ...................................................................................................................33
Hình 2.25 Mơ hình Joystick ..........................................................................................34
Hình 2.26 Bên trong khối mơ hình Joystick - Simscape Multibody ............................. 34
Hình 2.27 Khối điều khiển robot ...................................................................................35
Hình 2.28 Bên trong khối điều khiển robot ...................................................................35
Hình 2.29 Vùng vơ hiệu cho tín hiệu điều khiển nhỏ....................................................36
Hình 2.30 Khối mơ hình robot di động Car-like ...........................................................36
Hình 2.31 Động học thuận robot di động Car-like ........................................................37
Hình 2.32 Khối cảm biến siêu âm phát hiện vật cản .....................................................37
Hình 3.1 Mơ hình mơ phỏng điều khiển Haptic ............................................................ 38
Hình 3.2 Góc người điều khiển mong muốn .................................................................39
Hình 3.3 Quỹ đạo dự tính của xe ...................................................................................39
Hình 3.4 Quỹ đạo của xe khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ..................................40
Hình 3.5 Tọa độ trục x của xe theo thời gian khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ...40
Hình 3.6 Tín hiệu khoảng cách sonar trả về khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b).....40
Hình 3.7 Vận tốc xe khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b)..........................................40
Hình 3.8 Độ cứng lị xo ảo K P thay đổi khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ..........41
Hình 3.9 Tín hiệu đặt, điều khiển, đáp ứng trên trục x khi không Haptic và có Hapti 41
Hình 3.10 Góc người điều khiển mong muốn ............................................................... 42
Hình 3.11 Quỹ đạo dự tính của xe .................................................................................42
Hình 3.12 Quỹ đạo của xe khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ................................ 43
Hình 3.13 Vị trí của xe theo thời gian khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ..............43
Hình 3.14 Tín hiệu cảm biến trả về khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ..................44
Hình 3.15 Tín hiệu điều khiển xe khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) .....................44
Hình 3.16 Độ cứng lị xo ảo K P thay đổi khi khơng Haptic (a) và có Haptic (b) ........44
Hình 3.17 Tín hiệu đặt, điều khiển, đáp ứng trên trục x khi khơng Haptic và có Haptic45
Hình 3.18 Tín hiệu đặt, điều khiển, đáp ứng trên trục y khi khơng Haptic và có Haptic45

Hình 3.19 Giao diện kết nối với cổng com ...................................................................46
Hình 3.20 Giao diện tay cầm điều khiển khi thay đổi vận tốc và góc lái......................46
Hình 3.21 Giao diện robot di động khi thay đổi vận tốc và góc lái .............................. 47
viii


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển Haptic phản hồi lực vận hành Robot di động
- Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Hưng
Mã số SV: 17151211
- Lớp: 17151A
Khoa: Điện – điện tử
- Thành viên đề tài:
Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Trần Anh Khoa

17151215

17151B

Điện – điện tử

2

Trần Lam Nhật Thái

17151261

17151B

Điện – điện tử

- Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
2. Mục tiêu đề tài:
- Thiết kế và thi công tay cầm điều khiển phản hồi lực Haptic.
- Thi cơng mơ hình robot di động phát hiện vật cản.
- Thiết kế chương trình điều khiển robot di động từ xa và thu thập dữ liệu.
- Mô phỏng thiết bị điều khiển Haptic.
- Viết bài báo khoa học.
3. Tính mới và sáng tạo:
Khả năng phản hồi lực trên thiết bị điều khiển chưa được áp dụng, nghiên cứu
nhiều ở Việt Nam. Việc điều khiển phản hồi lực Haptic là một cách hữu hiệu để cải thiện
chất lượng điều khiển trong các môi trường mà tầm nhìn camera bị giới hạn và giúp
người điều khiển phản ứng nhanh hơn.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Thiết bị điều khiển Haptic phản hồi lực.

- Mơ hình robot di động phát hiện cản.
- Chương trình điều khiển từ xa và thu thập dữ liệu.
- Mơ hình mơ phỏng phản hồi lực Haptic trên Matlab Simulink.
- Viết được một bài báo cho hội nghị quốc tế
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
Đề tài có tiềm năng để kế thừa và phát triển, tích hợp trên nhiều đối tượng, hệ
thống điều khiển trực tiếp từ xa.
ix


6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Nhóm đã có một bài báo khoa học được trình bày và đăng tại Hội nghị quốc tế
“2021 International Conference on System Science and Engineering” (ICSSE).
Mã DOI: 10.1109/ICSSE52999.2021.9538414
Ngày 14 tháng 10 năm 2021
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Hồng Hưng
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày 14 tháng 10 năm 2021
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

TS. Trần Đức Thiện

x


MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Trên thế giới, lĩnh vực điều khiển bằng thiết bị Haptic đã được nghiên cứu từ lâu.
Trong lĩnh vực điều khiển robot di động nói riêng, với cơng việc phá bom, nếu chỉ sử
dụng bộ điều khiển từ xa sử dụng camera để quan sát, sẽ có rủi ro rất cao người điều
khiển thao tác sai lầm dẫn đến quả bom phát nổ, gây thiệt hại cho robot, nhờ vào việc
tích hợp thêm Haptic [1], người điều khiển có thể thực hiện thao tác phá bom chính xác
hơn nhờ khả năng phản hồi lực và âm thanh môi trường xung quanh robot; với cơng việc
điều khiển máy xúc [2], thiết bị Haptic cịn được dùng để huấn luyện người dùng máy
xúc quen với các thao tác trong môi trường ảo, giảm thiểu chi phí và thời gian huấn
luyện hơn so với việc sử dụng máy xúc thực để luyện tập. Với các lĩnh vực khác như
trong môi trường thực tế ảo, Haptic được sử dụng để cải thiện khả năng tương tác với
vật thể ảo [3]; được sử dụng để cải thiện khả năng điều khiển robot phẫu thuật trong lĩnh
vực y khoa [4]; được sử dụng để tạo môi trường ảo huấn luyện phi công trong lĩnh vực
hàng không [5];… Những dẫn chứng trên cho thấy thế giới đã đi rất xa trong việc tận
dụng những lợi ích của việc điều khiển Haptic đem lại.
Ở nước ta hiện tại, về lĩnh vực nghiên cứu và điều khiển bằng thiết bị Haptic, đã
có một số nghiên cứu nhưng không phải cho robot di động mà ứng dụng cho điều khiển
cánh tay máy từ xa [6], hay chỉ mang tính phản hồi rung Haptic từ cảm biến trên kính
đeo để hỗ trợ người mù [7]. Các nghiên cứu này còn nhỏ lẻ, chưa được biết đến rộng rãi
để mọi người có thể nhìn thấy tiềm năng của việc điều khiển Haptic.

2. Lý do chọn đề tài
Dựa trên những gì nhóm đã tìm hiểu về tình hình nghiên cứu lĩnh vực Haptic trên
thế giới [1-5] và ở Việt Nam [6-7], nhóm nhận thấy việc nghiên cứu và điều khiển robot
di động bằng Haptic là một vấn đề cấp thiết và quan trọng bởi những ưu điểm đem lại.

Trên thế giới đã sử dụng và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực, nhưng ở nước ta tuy có những
nghiên cứu về Haptic nhưng chủ yếu cịn mang tính ứng dụng, vẫn chưa đủ chuyên sâu,
đủ để tạo nền tảng phát triển hơn nữa. Điều này cho thấy lĩnh vực điều khiển Haptic nói
chung và điều khiển Haptic cho robot di động từ xa nói riêng là cịn mới, có tiềm năng
để nghiên cứu và phát triển. Đó là lý do nhóm chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế bộ điều
khiển Haptic phản hồi lực vận hành robot di động từ xa”.

3. Mục tiêu đề tài
- Thiết kế và thi công tay cầm điều khiển phản hồi lực Haptic.
xi


- Thi cơng mơ hình robot di động phát hiện vật cản.
- Thiết kế chương trình điều khiển robot di động từ xa và thu thập dữ liệu.
- Mô phỏng thiết bị điều khiển Haptic.
- Viết bài báo khoa học.

4. Phương pháp nghiên cứu
-

Tổng quan và chọn dạng thiết bị Haptic phù hợp mục tiêu đề tài.
Mô phỏng thiết bị điều khiển từ xa cho robot di động.
Tích hợp phản hồi lực Haptic vào thiết bị điều khiển trên mô phỏng.

-

Thi công thiết bị điều khiển Haptic từ xa và mơ hình robot di động.
Thực nghiệm và đánh giá hiệu quả của điều khiển Haptic phản hồi lực cho robot

-

di động.
Viết báo cáo tổng kết.

-

Viết bài báo khoa học.

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng robot di động sử dụng là robot Car-like.
Đề tài không thiết kế cơ cấu cơ khí cho mơ hình robot Car-like.
Đề tài chỉ thiết kế và thi công thiết bị điều khiển Haptic đơn giản.

-

Robot di động Car-like chỉ được di chuyển thẳng, quẹo trái, quẹo phải.

-

Cảm biến siêu âm được dùng phát hiện tương đối một vật cản tại một thời điểm.
Chỉ sử dụng phản hồi lực trên thiết bị điều khiển Haptic.
Giao tiếp giữa thiết bị điều khiển và robot Car-like bằng chuẩn Zigbee sử dụng

-

sóng RF.
Chỉ sử dụng bo STM32F407 và các mô đun đơn giản để điều khiển xe, Joystick.

xii


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Cấu trúc robot di động Car-like
Một mơ hình robot giống xe điển hình đã được trình bày trong Hình 1.1. Robot
di động Car-like có cấu hình gồm bốn bánh xe, hai bánh trước để điều hướng, hai bánh
sau để truyền động. Khi truyền động và điều hướng, hai bánh trước luôn song song với
nhau, hai bánh sau cũng song song và cố định vào thân xe. Điều hướng như vậy gây nên
hiện tượng trượt trên bánh sau. Robot không thể di chuyển ngang tại chỗ mà phải điều
hướng với tâm xoay I là điểm giao giữa bánh xe trong phía trước (theo hướng xoay) với
trục của bánh sau, bán kính tối đa  tùy thuộc vào cấu hình cơ khí của hai bánh trước.
Cấu trúc robot di động Car-like cũng được nhóm trình bày trong bài báo của nhóm [8].

Hình 1.1 Cấu hình của robot di động Car-like
Ngoài ra robot di động Car-like bị ràng buộc Nonholonomic [9]. Ràng buộc
Nonholonomic được định nghĩa là ràng buộc có chứa đạo hàm theo thời gian của các
biến trong hệ thống và khơng thể tích phân để loại bỏ các biến đạo hàm theo thời gian
đó. Ràng buộc xảy ra khi số biến đầu vào của hệ thống nhỏ hơn số bậc tự do [9]. Trong
robot di động Car-like, có hai ràng buộc Nonholonomic cho mỗi cặp bánh.

− xG sin  + yG cos = 0

(1.1)

− xP sin ( +  ) + yP cos ( +  ) = 0

(1.2)

Trong đó G là điểm giữa của trục hai bánh sau, P là điểm giữa trục hai bánh trước,

 là góc lệch giữa thân xe và trục Ox,  là góc lệch giữa bánh trước so với thân xe.
1


1.2 Lý thuyết cảm biến siêu âm
1.2.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm
Là loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm phát ra từ đầu cảm biến tác động lên mặt
phẳng như nước, tấm kính, vạch tường,… và thu sóng phản xạ, từ đó sẽ xác định được
khoảng cách từ đầu cảm biến đến mặt phẳng.
1.2.2 Cách thức hoạt động

Hình 1.2 Sơ đồ thời gian hoạt động của cảm biến siêu âm
Sơ đồ thời gian hoạt động của cảm biến siêu âm được mơ ta trong Hình 1.2. Một
xung 10us sẽ được đưa đến chân trigger, sau đó cảm biến sẽ phát ra một chùm sóng siêu
âm 8 chu kỳ ở tần số 40KHz từ bộ phát và nâng chân echo lên mức cao. Sóng siêu âm
phản xạ khi gặp vật cản, trong khi đó chân echo sẽ được kéo lên mức cao đến khi bộ thu
của cảm biến nhận lại được sóng siêu âm sẽ kéo về mức thấp. Thời gian chân echo ở
mức cao sẽ được quy đổi ra khoảng cách từ cảm biến đến vật cản [10].
Công thức tính khoảng cách:
1
L = TC
2

(1.3)

Trong đó L là khoảng cách từ cảm biến đến vật cản, T là thời gian ở mức cao của
chân echo, C là vận tốc âm thanh.
1.2.3 Ưu nhược điểm
Ưu điểm:
+ Nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ sử dụng

+ Giá thành rẻ, phổ biến
2


Nhược điểm:
+ Không đo được vật cản ở khoảng cách xa
+ Góc qt của cảm biến nhỏ
+ Độ chính xác không cao
1.3 Lý thuyết giao tiếp UART
1.3.1 Khái niệm
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) là giao thức truyền nhận
dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. Bất đồng bộ có nghĩa là khơng có tín hiệu để đồng bộ hóa
đầu ra của các bit từ UART truyền đến việc lấy mẫu các bit ở UART nhận. Nó là giao
thức truyền thơng giữa thiết bị và thiết bị được sử dụng nhiều nhất.
Giao tiếp UART truyền nhận thông qua hai đường dây được thể hiện trong Hình
1.3. Trong đó Tx là truyền và Rx là nhận. Tốc độ truyền (Baudrate) là thước đo tốc độ
truyền dữ liệu, được biểu thị bằng bit trên giây (bps). Các baudrate tiêu chuẩn như 4800
bps, 9600 bps, 115200 bps,… [11].

Hình 1.3 Giao tiếp UART
1.3.2 Cách thức hoạt động

Hình 1.4 Cách thức hoạt động của giao tiếp UART
Cách thức hoạt động được minh họa trong Hình 1.4. Giao tiếp UART là giao tiếp
nối tiếp được chuyển đổi từ giao tiếp song song. Dữ liệu được truyền từ vi điều khiển
dưới dạng giao tiếp song song thông qua bus dữ liệu đến UART 1. Sau khi dữ liệu đến
với UART 1, một bit Start, một bit Stop và một bit chẵn lẻ sẽ được thêm vào tạo ra gói
dữ liệu. Gói dữ liệu sẽ được chuyển và xuất ra từng bit ở chân Tx để truyền đi dưới dạng
3

nối tiếp. Chân Rx của UART 2 sẽ nhận dữ liệu theo từng bit từ gói dữ liệu. Sau đó dữ
liệu sẽ được loại bỏ các bit Start, Stop, chẵn lẻ và chuyển đổi thành dạng dữ liệu song
song. Cuối cùng dữ liệu song song được chuyển qua bus dữ liệu đến với vi điều khiển.

Hình 1.5 Gói dữ liệu trong UART
Gói dữ liệu trong UART được trình bày trong Hình 1.5 bao gồm:
- Start Bit:
• Ở đầu gói dữ liệu.
• Đường truyền dữ liệu thơng thường sẽ ở mức cao khi khơng hoạt động.
• Khi bắt đầu truyền dữ liệu: UART kéo đường dữ liệu xuống mức thấp.
- Stop Bit:
• Được đặt ở phần cuối gói dữ liệu.
• Dài 2 bit nhưng thơng thường chỉ sử dụng 1 bit.
• Để kết thúc gói dữ liệu, UART giữ đường dữ liệu ở mức điện áp cao.
- Parity Bit: kiểm tra dữ liệu truyền.
- Data bit: 5-9 bits (9 bits khi khơng có parity bit, 8 bits khi khơng parity bit).
1.3.3 Ưu nhược điểm
Về ưu điểm:
- Chỉ sử dụng hai dây để truyền nhận dữ liệu.
- Khơng cần tín hiệu CLK.
- Có bit chẵn lẻ để kiểm tra lỗi.
- Cấu trúc của gói dữ liệu có thể thay đổi.
- Phương pháp truyển đơn giản, giá thành thấp.
Về nhược điểm:
- Khung dữ liệu bị giới hạn, tối đa là 9 bit dữ liệu.
- Khơng phù hợp với các hệ thống địi hỏi nhiều chủ, tớ.
- Tốc độ truyền nhận của mỗi UART phải nằm trong khoảng 10% của nhau.
4

1.4 Lý thuyết giao tiếp bằng chuẩn Zigbee sử dụng sóng RF
1.4.1 Khái niệm
Zigbee là cơng nghệ khơng dây được phát triển như một tiêu chuẩn tồn cầu sử
dụng tín hiệu vô tuyến kỹ thuật số năng lượng thấp cho các mạng khu vực cá nhân.
Zigbee là một dạng truyền thông zigzac kiểu tổ ong, cho phép thiết lập các lớp khác
nhau mà từ đó thiết bị của các hãng có thể nhận biết ra nhau và tự kết nối với nhau dễ
dàng.
Zigbee hoạt động ở một trong ba dải tần số:
- Dải 868 MHz – Châu Âu và Nhật: chỉ có một kênh, tốc độ truyền thấp 20 kb/s.
- Dải 915 MHz – Bắc Mỹ: có 10 kênh, tốc độ truyền khoảng 40 kb/s.
- Dải 2.4 GHz – các nước cịn lại: có tới 16 kênh, tốc độ truyền tải cao 250 kb/s.
Sóng RF (Radio Frequency) hay cịn được gọi là sóng siêu âm vơ tuyến điện là
loại sóng được ứng dụng nhiều trong radio, truyền thanh, truyền hình để truyền tải phát
sóng hình ảnh, âm thanh. Sóng RF lan truyền trong khơng gian, khơng khí như một làn
sóng điện từ, có tần số trong khoảng từ 3kHz đến 300gHz.
1.4.2 Cách thức hoạt động của sóng RF

Hình 1.6 Cách thức hoạt động của sóng RF
Cách thức hoạt động được minh họa ở Hình 1.6. Ở khối phát tín hiệu thơng tin ở
tần số thấp là tín hiệu cần truyền đi được đưa đến mã hóa kết hợp với tín hiệu sóng mang
tần số cao. Sau khi mã hóa tín hiệu sẽ được khuếch đại để bức xạ ra không gian. Tín
hiệu truyền trong khơng gian theo một tần số nhất định, sau đó sẽ được khối thu tín hiệu
5


thu được nhờ cộng hưởng. Tín hiệu khi đó đã bị suy giảm do khoảng cách truyền, vì vậy
sẽ đưa qua bộ khuếch đại để đạt được tần số mong muốn. Tín hiệu tiếp tục đưa qua bộ
giải mã để loại bỏ tín hiệu sóng mang tần số cao. Tín hiệu thông tin thu được tiếp tục
được khuếch đại lên đủ mức giao tiếp để đến đầu ra [12].

1.4.3 Ưu nhược điểm của chuẩn truyền Zigbee
Về ưu điểm:
- Cấu trúc mạng linh hoạt
- Số lượng nút lớn khoảng 65000 nút
- Mức tiêu thụ điện năng thấp
- Thiết lập đơn giản và dễ dàng
- Chi phí thấp
Về nhược điểm:
- Phạm vi tần số có thể truy cập bằng cơng nghệ hiện có bị hạn chế
- Bảo mật khơng an tồn như wifi
1.5 Tổng quan điều khiển Haptic
1.5.1 Các dạng điều khiển Haptic
Thiết bị Haptic phản hồi lực có hai dạng điều khiển được áp dụng:
- Impedance Control: tín hiệu vào là vị trí điểm đầu cuối mà người điều khiển tác
động, tín hiệu ra là lực để điều khiển vị trí điểm đầu cuối. Dạng này thường được sử
dụng cho các thiết bị Haptic đơn giản, ít bậc tự do.
- Admittance Control: tín hiệu vào là lực của người điều khiển tác động lên điểm
đầu cuối, tín hiệu ra là vị trí điểm đầu cuối. Dạng này thường được sử dụng cho các thiết
bị Haptic phức tạp, nhiều bậc tự do và mang lại cảm giác phản hồi lực chính xác hơn.
1.5.2 Phân loại thiết bị điều khiển Haptic
Có nhiều cách để phân loại thiết bị điều khiển Haptic, từ phân loại theo bộ phận
cơ thể con người mà thiết bị điều khiển được gắn lên [13], tới phân loại kiểu xúc giác
mà con người cảm nhận được [14].
Để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu và đối tượng robot di động điều khiển, nhóm
sẽ phân loại thiết bị điều khiển Haptic dạng tay cầm Joystick xếp theo bậc tự do – Degree
Of Freedom (DOF) của thiết bị và đưa ra các thông số trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các thiết bị điều khiển Haptic dạng Joystick theo bậc tự do

6

Thiết bị điều khiển Haptic

Mơ tả

Số liên kết cơ khí: 1
Không gian làm việc: 5 cm
Loại kết cấu: Nối tiếp
Mô hình điều khiển: Impedance
Lực tối đa: 10 N
Ứng dụng: Kit dạy học, giải trí, thực
tế ảo
Hình 1.7 Thiết bị Haptic 1-DOF [15]

Số liên kết cơ khí: 5
Khơng gian làm việc: 17.6x17.6 cm
Loại kết cấu: Song song
Mơ hình điều khiển: Impedance
Lực tối đa: 20 N
Ứng dụng: Tay cầm chơi game, điều
khiển từ xa, thực tế ảo.
Hình 1.8 Thiết bị Haptic 2-DOF [16]

Số liên kết cơ khí: 12
Khơng gian làm việc: 40x40x26 cm
Loại kết cấu: Song song
Mơ hình điều khiển: Impedance
Lực tối đa: 20 N
Ứng dụng: Điều khiển từ xa, thực tế
ảo

Hình 1.9 Thiết bị Haptic 3-DOF
– Delta.3 [17]

7


Số liên kết cơ khí: 12
Khơng gian làm việc: 40.6x40.6x8.9
cm, 90°
Loại kết cấu: Nối tiếp và song song
Mơ hình điều khiển: Impedance
Lực tối đa: 45.3 N
Ứng dụng: Thực tế ảo, CAD,…

Hình 1.10 Thiết bị Haptic 4-DOF [18]

Khơng gian làm việc: 150x150x0 cm
Loại kết cấu: Nối tiếp
Mơ hình điều khiển: Impedance
Lực tối đa: 1.7 N
Ứng dụng: Thực tế ảo, huấn luyện,
CAD,…

Hình 1.11 Thiết bị Haptic 5-DOF [19]

Số liên kết cơ khí: 8
Không gian làm việc: 16x12x7 cm,
360°x360°x180°
Loại kết cấu: Nối tiếp
Mô hình điều khiển: Impedance

Lực tối đa: 3.3 N
Ứng dụng: Thực tế ảo, điều khiển từ
xa, CAD, huấn luyện, giải trí,…

Hình 1.12 Thiết bị Haptic 6-DOF
– PHANTOM OMNI [20]

Số liên kết cơ khí: 36
Khơng gian làm việc: 7x6x6 cm,
270°x200°x130°
Loại kết cấu: Nối tiếp và song song
Mơ hình điều khiển: Admittance
Lực tối đa: 10 N
Ứng dụng: Thực tế ảo, điều khiển từ
xa, CAD, phẫu thuật, …

Hình 1.13 Thiết bị Haptic 7-DOF
– MOOG [21]
8


1.5.3 Lựa chọn thiết bị điều khiển Haptic
Dựa vào Bảng 1.1, nhận thấy để điều khiển mơ hình robot di động Car-like chỉ
di chuyển về phía trước, quẹo trái, quẹo phải, cũng như mong muốn đơn giản trong việc
thiết kế và dễ thi cơng, nhóm quyết định chọn thiết bị điều khiển Haptic dạng Joystick
với 2 bậc tự do có cấu tạo gần giống Hình 1.8. Dạng điều khiển Haptic của nhóm sẽ là
“Impedance Control” tức tính tốn vị trí tay cầm Joystick để xuất lực phản hồi cho người
điều khiển khi có vật cản.
1.6 Lý thuyết bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển Proportional Integral Derivative – PID [22] là một bộ điều khiển

đơn giản, dễ dùng nên rất thông dụng, được sử dụng nhiều trong thực tế để điều khiểu
các hệ thống. Bộ điều khiển PID, trong Hình 1.14, gồm ba thơng số để điều chỉnh tín
hiệu điều khiển: K P , K I , K D .

Hình 1.14 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Tùy theo đặc tính của hệ thống mà mỗi thông số được lựa chọn phù hợp:
- Độ lợi khâu tỉ lệ K P có giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó khi sai số
càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Nếu giá trị độ lợi khâu tỉ lệ K P quá lớn sẽ đến quá trình
mất ổn định và dao động. Ngoài ra, độ lợi khâu tỉ lệ K P giống như độ cứng của một lò
xo ảo khi kéo rời khỏi vị trí cân bằng.
- Độ lợi khâu tích phân K I có giá trị càng lớn sẽ giúp khử sai số tích lũy trong
quá khứ tính bằng khâu vi phân càng nhanh, đổi lại là khả năng mất ổn định càng lớn.
Khi K I quá lớn, dẫn tới tín hiệu có vọt lố và bắt đầu xảy ra hiện tượng dao động, việc
bù trừ tín hiệu sai số tích lũy giữa hai phần âm dương dẫn đến ảnh hưởng của khâu tích
phân bị giảm đáng kể, tăng thời gian xác lập của hệ thống.

9


- Độ lợi khâu vi phân K D có giá trị càng lớn sẽ càng giúp giảm ảnh hưởng hệ
thống khi tín hiệu sai số thay đổi quá nhanh, bù lại sẽ tăng thời gian xác lập và mất tính
ổn định khi K D quá lớn.
Ảnh hưởng các thông số đánh giá hệ thống khi thay đổi các thông số bộ điều
khiển PID được biểu diễn trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Ảnh hưởng hệ thống khi thay đổi mỗi thông số độc lập
Thông số Thời gian lên

Độ vọt lố

Thời gian xác lập

Sai số xác lập

KP

Giảm

Tăng

Tăng ít

Giảm

KI

Giảm ít

Tăng

Tăng

Giảm nhiều

KD

Giảm ít

Giảm

Giảm

Thay đổi ít

1.7 Lý thuyết trường thế năng đẩy
Trường thế năng là một trong những phương pháp cơ bản và phổ biến có thể giúp
robot di động tránh vật cản [23] ngay cả biết trước hay không biết trước, hiệu quả với
cả vật cản tĩnh và vật cản di động. Nhóm đã thử và đánh giá hiệu quả của trường thế
năng trong việc cải thiện vấn đề quy hoạch đường đi cho robot di động [8].
Mục đích của trường thế năng là giúp robot di chuyển từ vùng có trường thế năng
cao tới vùng thế năng thấp, bằng cách tính ra lực và hướng tác động của trường thế năng
lên robot với môi trường xung quanh. Từng vật cản robot phát hiện trong q trình di
chuyển được xem là nơi có trường thế năng cao. Điều này giúp robot tránh việc va chạm
với vật cản.
Trường thế năng được cấu tạo từ trường thế năng hút tạo ra từ điểm đích U att ( Z )
và trường thế năng đẩy tạo ra từ vật cản ở gần U rep ( Z ) . Vì mục tiêu đề tài nên chỉ sử
dụng trường thế năng đẩy.
Trường thế năng đẩy của vật cản được tính như sau:
2
1
 1
1 
 k 
− 
U rep ( Z ) =  2 rep   ( Z ) 0 

0

10

,  ( Z )  0

,  ( Z )  0

(1.4)


Trong đó krep là hằng số khuếch đại của U rep ( Z ) ,  ( Z ) là khoảng cách giữa vị
trí Z đang xét với vị trí vật cản gần nhất, 0 là độ rộng vùng ảnh hưởng của vật cản.
Hình 1.15 minh họa trường thế năng đẩy của một bản đồ cho trước.

Hình 1.15 Trường thế năng đẩy
Theo như công thức (1.4), khi khoảng cách của robot càng gần với vật cản

 ( Z ) →  0 , thì trường thế năng đẩy càng lớn theo hàm bậc 2 và ngược lại. Như vậy,
trường thế năng đẩy của vật cản như một ngọn núi ngăn cho robot khơng tiến tới được
vì dốc lên, buộc robot phải tránh xa vật cản như trong mô tả trường thế năng đẩy của
một bản đồ biết trước. Lực đẩy từ trường thế năng do vật cản gần nhất tác động lên robot
theo hàm suy giảm độ dốc của công thức (1.4):

Frep ( Z ) = −U rep ( Z )
  1
 ( Z )
1 
1
−  . 2
.
,  ( Z )  0
krep 
=    ( Z ) 0   ( Z ) Z

,  ( Z )  0

0

11

(1.5)


CHƯƠNG 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.1 Thiết kế hệ thống
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống gồm hai phần:
- Thiết bị điều khiển Haptic đóng vai trị “chủ”.
- Robot di động Car-like đóng vai trị “tớ”.
Hình 2.1 là sơ đồ minh họa hệ thống điều khiển Haptic hoạt động. Người điều
khiển sẽ sử dụng Joystick để điều khiển vận tốc, góc lái cho robot di động được điều
khiển từ xa. Trong q trình robot di động trong mơi trường, nhờ vào cảm biến siêu âm
sẽ có thể phát hiện vật cản, từ đó tính tốn được lực cần phản hồi về cho Joystick chấp
hành, qua đó người điều khiển có thể cảm nhận được lực cản ảo của vật cản nhờ lực trên
Joystick.

Hình 2.1 Minh họa điều khiển Haptic
2.1.2 Thi cơng mơ hình robot di động Car-like

Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối robot di động Car-like
12


Sơ đồ đấu nối robot di động Car-like được trình bày trong Hình 2.2. Mơ hình
robot di động Car-like sử dụng hai nguồn chính đều từ pin là nguồn 12V và nguồn 5V.
Nguồn 12V cung cấp cho driver L298N để điều khiển động cơ. Nguồn 5V cung cấp cho

Stm32f407, rc servo, mạch giao tiếp không dây và 5 cảm biến siêu âm. Vi điều khiển
Stm32f407 là vi điều khiển chính được kết nối đến các mô-đun để điều khiển đồng thời
thu thập dữ liệu.
Các thiết bị có trong mơ hình được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Danh sách các thiết bị trong mơ hình robot di động Car-like
STT

Tên thiết bị

1

Khung xe
robot RC

Hình ảnh

Số
lượng

1

4WD

Đặc điểm
Khung xe có dạng mơ hình
robot di động Car-like, gồm 4
bánh: 2 bánh sau truyền động,
2 bánh trước điều hướng.
+ Chip: ARM Cortex-M4F

2

STM32F407
Discovery

1

+ Flash: 1 MB
+ RAM: 192 KB
+ Nguồn cấp: 5V
+ Điện áp: 12VDC
+ Công suất: 4W

3

Động cơ
GA25

1

+ Tốc độ tối đa có tải: 140
rpm
+ Bộ giảm tốc hệ số: 34:1
+ Encoder: 11 xung 2 kênh
+ Điện áp: 4.8 ~ 7.2V

4

Động cơ Rc
servo

MG996R

1

+ Dòng: 500 ~ 900mA
+ Mô men xoắn: 9.4kg/cm
(4.8V), 11kg/cm (6V)

13


+ Điện áp: 5 ~ 30V
5

Mạch cầu
H: L298N

1

+ Công suất tối đa: 25W
+ Dòng tối đa: 2A
+ Điện áp logic: 5VDC

+ Điện áp: 3.3 đến 5.5 VDC

6

Mạch thu
phát RF
Zigbee

cc2530

+ Dòng tiêu thụ: <30mA
1

+ Chuẩn truyền sóng: Zigbee
+ Tần số: 2.4GHz
+ Giao thức kết nối: UART
+ Điện áp: 5VDC
+ Dòng tiêu thụ: 10~40mA

7

+ Góc quét:<15 độ

Cảm biến
siêu âm
US015

5

+ Tần số phát sóng: 40Khz
+ Khoảng cách đo được:
2~700cm (tốt nhất < 100cm)
+ Sai số: 0.3cm
+ Kiểu pin: 18650.

8

Pin Sạc

18650 3.7V
2200mAh
3A

3

+ Điện áp trung bình 3.7V,
sạc đầy 4.2V.
+ Dung lượng: 2200mAh.
+ Dịng xả: 3A
+ Kiểu pin: 18650

9

Pin Sạc
Panasonic
IRC 18650

2

+ Điện áp trung bình 3.7V,
sạc đầy 4.2V
+ Dung lượng: 4200mAh
+ Dòng xả: 5A

14