(Luận văn thạc sĩ hcmute) thiết kế chế tạo bàn mô phỏng chuyển động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH TRỌNG ĐỨC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO
BÀN MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 5 1 8 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH TRỌNG ĐỨC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO
BÀN MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG

NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Hướng dẫn khoa học

PGS.TS. NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2017

Luan van


Luan van


Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC
Họ và Tên: Huỳnh Trọng Đức

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 27/01/1984

Nơi sinh : Phú Yên

Quê quán : Phú Yên

Dân tộc : Kinh

Địa chỉ liên lạc: Khu phố 4, phường Trảng Dài, Biên Hịa, Đồng Nai.
Điện thoại: 0938554800

Email:

II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO
Đại học
Hệ đào tạo: chính quy

Thời gian đào tạo: từ 2002 đến 2007

Nơi học (trường, thành phố) : Đại học Bách khoa TP.HCM
Ngành học: Kĩ Thuật Cơ Khí
Nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp : bảo vệ đồ án tốt nghiệp
07/2007 tại trường Đại học Bách khoa TP.HCM
Người hướng dẫn :TS.Trần Anh Sơn
Thạc sỹ
Hệ đào tạo: chính quy

Thời gian đào tạo: từ 05/2014 đến 04/2016

Nơi học (trường, thành phố) : Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí
Tên luận văn : Thiết kế chế tạo bàn mô phỏng chuyển động
Ngày & nơi bảo vệ luận văn tốt nghiệp 22/04/2017 tại trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn : PGS.TS. Nguyễn Trường Thịnh

i

Luan van

III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ 2007- 2010

Công ty TNHH T.A.T

Nhân viên kỹ thuật

Từ 2010 tới nay

Công ty TNHH Sơn Hà Phát

Nhân viên kỹ thuật

ii

Luan van


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 04 năm 2017
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Huỳnh Trọng Đức

iii

Luan van


LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu
tại trường. Cảm ơn quý Thầy, Cơ Phịng Đào tạo sau đại học và Khoa Cơ Khí Máy
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt, em xin bày
tỏ lịng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với Thầy PGS.TS. Nguyễn Trường
Thịnh đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Cảm ơn em Nguyễn Huỳnh Điệp, Nguyễn Đình Diêu và Vi Văn Sinh với sự giúp đỡ
của ba em trong việc thiết kế, chế tạo hệ thống thực tế ảo cũng như quá trình kiểm
tra thực nghiệm cho hệ thống. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên và truyền cảm hứng cho em hoàn thành tốt luận
văn này.

Huỳnh Trọng Đức

iv

Luan van

TÓM TẮT
Nghiên cứu này đề cập việc thiết kế và chế tạo hệ thống mô phỏng chuyển
động lái xe trong môi trường thực tế ảo, tập trung vào các chuyển động được tạo ra
bởi một nền tảng chuyển động hay cụ thể là giá đỡ chuyển động. Nghiên cứu được
thực hiện trong ba giai đoạn để đánh giá các chuyển động của hệ thống giống các
chuyển động thực tế trên ô tô như thế nào.
Giai đoạn 1 chính là thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí. Với yêu cầu giá đỡ
phải có khả năng giả lập đầy đủ các chuyển động của ô tô. Nên giá đỡ phải đảm bảo
đầy đủ các bậc tự do và vùng hoạt động giống như một chiếc ô tô. Để người lái xe
có thể cảm nhận đầy đủ các chuyển động của một chiếc ơ tơ thực tế địi hỏi thiết kế
phải xây dựng được bài toán động học động lực học, bên cạnh đó cịn phải đảm bảo
các hệ số an toàn cần thiết.
Giai đoạn 2 là thiết kế và xây dựng hệ thống điện. Các tín hiệu chuyển động
của ơ tô từ game sẽ được xử lý và điều khiển các động cơ. Sao cho các chuyển động
tạo được cảm giác thực. Đó là nhiệm vụ chính của hệ thống điện.
Giai đoạn 3 là quá trình kiểm tra các chuyển động của giá đỡ đáp ứng so với
các chuyển động của hình ảnh ơ tơ trong game. Ba yếu tố thực nghiệm độc lập đã
được thực hiện: yếu tố chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay theo chiều dọc và
chuyển động quay theo chiều ngang của xe. Quá trình tương tác giữa xe với các mặt
đường khác nhau cũng như quá trình tăng giảm tốc độ được khảo sát để đánh giá
cảm nhận của người lái xe.
Qua các kết quả kiểm tra đạt được cho thấy sự đáp ứng của hệ thống là rất tốt.
Tuy sai số còn lớn 5% - 7% nhưng dao động đều bám sát theo quỹ đạo chuyển động
yêu cầu. Và cảm nhận khảo sát người lái xe là tương đối tốt.

v

Luan van

ABSTRACT
This study addresses the design and manufacture of driving simulators in a
virtual reality environment, focusing on the motions created by a moving platform
or in particular a moving arm. The study was conducted in three phases to evaluate
the motions of the system that are similar to the actual motions in cars.
Stage 1 is the design and manufacture of mechanical systems. With the rack
required must be able to fully simulate the movement of the car. Should the racks be
full of degrees of freedom and a car-like operation. In order for the driver to feel the
full motion of a real car, the designer must be able to construct the dynamic kinetics
and must also ensure the necessary safety factor.
Stage 2 is the design and construction of electrical systems. The car's motion
signals from the game will be processed and controlled by the engine. Let the
movements create a real sense. That is the main task of the power system.
Stage 3 is the process of checking the movement of the rack against the
movement of the car in the game. Three independent experimental elements were
performed: translational motion, vertical rotation and horizontal rotation of the
vehicle. The process of interaction between vehicles with different pavements as
well as acceleration and deceleration was investigated to assess the driver's
perception.
Through the results of the test results show that the response of the system is
very good. Although the error is large 5% - 7% but the oscillation is always close to
the required trajectory. And feel the survey drivers is relatively good.

vi

Luan van


MỤC LỤC

Mục lục.................................................................................................. Trang
Quyết định giao đề tài
Giấy xác nhận của GVHD
Lý lịch khoa học .............................................................................................. i
Lời cam đoan................................................................................................. iii
Lời cảm ơn .................................................................................................... iv
Tóm tắt ............................................................................................................v
Abstract ......................................................................................................... vi
Mục lục ........................................................................................................ vii
Danh sách chữ viết tắt ................................................................................... xi
Danh mục các bảng ...................................................................................... xii
Danh mục các hình ...................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..........................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................1
1.2. Mục đích của đề tài ..................................................................................2
1.3. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................ 2
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài .....................................................................2
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................2
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................2
1.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................3
1.4.1. Cách tiếp cận ...............................................................................3
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................3
1.5. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ...............................................3
1.5.1 Cấu trúc của hệ thống mô phỏng ..................................................4
1.5.1.1. Phần mềm .........................................................................4
1.5.1.2. Phần cứng .........................................................................4
1.5.1.3. Các ứng dụng ....................................................................5
1.5.2. Đặc điểm của một hệ thống mô phỏng .........................................5
vii

Luan van


1.5.3. Ứng dụng hệ thống mô phỏng .....................................................5
1.5.4. Ưu nhược điểm hệ thống mô phỏng .............................................6
1.5.4.1. Ưu điểm ............................................................................6
1.5.4.2. Nhược điểm ......................................................................7
1.6. Lịch sử phát triển .....................................................................................7
1.7. Các nghiên cứu ở nước ngồi ...............................................................13
1.7.1. Mơ phỏng The University Of Leeds ..........................................13
1.7.2. Thiết kế nền tảng chuyển Mobile Machine Simulator ................15
Chương 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ........................................................17
2.1 Khảo sát dao động ô tô ...........................................................................17
2.1.1 Các chuyển động của ô tô ............................................................17
2.1.1.1 Tịnh tiến X .......................................................................18
2.1.1.2 Quay X ............................................................................18
2.1.1.3 Tịnh tiến Y .......................................................................19
2.1.1.4 Quay Y ............................................................................19
2.1.1.5 Tịnh tiến Z .......................................................................20
2.1.1.6 Quay Z .............................................................................20
2.2 Phương án thiết kế ..................................................................................21
2.2.1 Yêu cầu thiết kế .........................................................................21
2.2.2 Phương án 1 ..............................................................................22
2.2.3 Phương án 2 ..............................................................................23
2.2.4 Phương án 3 ..............................................................................23
2.2.5 Phương án 4 ..............................................................................24
2.2.6 Phương án 5 ..............................................................................25
2.2.7 Phương án 6 ..............................................................................26
2.3 Lựa chọn phương án ...............................................................................27
2.4 Thiết kế hình dạng cơ khí .......................................................................28

Chương 3. BÀI TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC..........................31
3.1 Xác định bậc tự do cơ cấu ......................................................................31

viii

Luan van


3.2 Bài toán động học thuận .........................................................................31
3.3 Bài toán động học ngược ........................................................................37
3.3.1 Tìm 11 , 12 ..................................................................................38
3.3.2 Tìm  21 ,  22 ..................................................................................39
3.3.3 Tìm 31 , 32 ..................................................................................39
3.4 Ma trận Jacobian ....................................................................................40
3.5 Vận tốc khớp ..........................................................................................44
3.6 Gia tốc khớp ...........................................................................................44
3.7 Động lực học ..........................................................................................46
Chương 4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................................................49
4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển ..................................................................49
4.2 Thuật tốn điều khiển ............................................................................. 50
4.3 Máy tính .................................................................................................52
4.4 PLC ........................................................................................................53
4.5 Main Program .........................................................................................53
4.6 Truyền thông giữa Game và Main Program ............................................53
4.7 Truyền thông giữa PLC và Main Program ..............................................53
4.7.1 Chuẩn giao tiếp Modbus RTU .....................................................54
4.7.1.1 Modbus ............................................................................54
4.7.1.2 Hoạt động của Modbus ...................................................54
4.7.1.3 Cấu trúc đoạn tin trong giao thức Modbus ........................55
4.7.1.4 Các thuộc tính của Modbus/ASCII và Modbus/RTU ........55

4.8 Game ......................................................................................................57

ix

Luan van


4.8.1. Unity 3D ....................................................................................57
4.8.2 Monodevelop ..............................................................................57
4.8.3 Các công đoạn thiết kế ................................................................58
4.8.3.1 Thiết kế đường đua ..........................................................58
4.8.3.2 Thiết kế xe đua .................................................................59
4.8.3.3 Tương tác giữa xe và đường đua ......................................60
4.9 Truyền dữ liệu từ phần mềm ...................................................................61
Chương 5. KIỂM TRA THỰC NGHIỆM .................................................62
5.1 Quy mô di chuyển của nền tảng trong chuyển động tịnh tiến có gia tốc ...63
5.1.1 Kịch bản lái xe theo chiều dọc .....................................................63
5.1.2 Kịch bản lái xe chiều ngang .........................................................66
5.2 Quy mô di chuyển của nền tảng chuyển động trong mặt nghiêng ............68
5.2.1 Kịch bản nghiêng dọc ..................................................................69
5.2.2 Kịch bản nghiêng ngang ..............................................................70
5.3 Đánh giá kết quả .....................................................................................71
5.4 Tóm lượt chương ....................................................................................71
Chương 6. KẾT LUẬN................................................................................72
6.1 Kết luận .................................................................................................72
6.2 Hướng phát triển đề tài ...........................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................73
PHỤ LỤC .....................................................................................................74

x

Luan van


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CAD :

Computer Aided Design

PLC :

Programmable Logic Controller

PC :

Personal Computer

SW :

Software

HW :

Hardware

VR :

Virtual reality : Thực tế ảo

PID :

Proportional Integral Derivative

xi

Luan van


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng .......................................................................................................... Trang
Bảng 1.1 Thông số động lực học của hệ thống mô phỏng Leads ....................... 15
Bảng 2.1 Yêu cầu thiết kế ................................................................................. 22
Bảng 2.2 Đánh giá các phương án .................................................................... 27
Bảng 2.3 Bảng kê chi tiết mơ hình cơ khí ......................................................... 30
Bảng 4.1 Cấu trúc Modbus RTU ...................................................................... 55
Bảng 4.2 So sánh thuộc tính 2 Modbus .............................................................. 55
Bảng 4.3 Các mã chức năng .............................................................................. 56

xii

Luan van


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình ......................................................................................................... Trang
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống mơ phỏng ........................................................... 4
Hình 1.2 Hệ thống mơ phỏng IKK và MARS ................................................... 9
Hình 1.3 Hệ thống mơ phỏng lái xe VTI ........................................................... 9
Hình 1.4 Hệ thống mơ phỏng lái xe TRL và JARI .......................................... 10
Hình 1.5 Hệ thống mô phỏng Renault's ULTIMATE, University of Leeds and

SHERPA2 ...................................................................................................... 11
Hình 1.6 Mơ phỏng hexapod “ngược” DLR and DESDEMONA ................... 12
Hình 1.7 Hệ thống mơ phỏng lái xe Toyota Driving ....................................... 13
Hình 1.8 Hệ thống mơ phỏng The University Of Leeds .................................. 14
Hình 1.9 Đặc điểm động học của hệ thống mơ phỏng Leads ........................... 15
Hình 1.10 Mơ hình Mobile Machine Simulator .............................................. 15
Hình 2.1 Mơ hình khảo sát dao động của ơ tơ ................................................. 18
Hình 2.2 Cao độ giữu bánh bên trái và bên phải ............................................. 19
Hình 2.3 Cao độ giữu bánh trước và bánh sau................................................. 20
Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống mơ phỏng ............................................................ 21
Hình 2.5 Sơ đồ kết cấu của phương án 1 ......................................................... 22
Hình 2.6 Sơ đồ kết cấu của phương án 2 ......................................................... 23
Hình 2.7 Sơ đồ kết cấu của phương án 3 ......................................................... 24
Hình 2.8 Sơ đồ kết cấu của phương án 4 ......................................................... 25
Hình 2.9 Sơ đồ kết cấu của phương án 5 ......................................................... 26
Hình 2.10 Sơ đồ kết cấu của phương án 6 ....................................................... 26
Hình 2.11 Phương án thiết kế ban đầu ............................................................. 28
Hình 2.12 Cải tiến tấm trên ............................................................................. 28
Hình 2.13 Cải tiến tấm dưới............................................................................ 29
Hình 2.14 Thiết kế cơ khí mơ hình thực nghiệm tay máy ................................. 30
Hình 3.1 Bài tốn thuận ................................................................................. 31
Hình 3.2 Hình chiếu cơ cấu ............................................................................ 34
xiii

Luan van


Hình 3.3 P1, P2, P3 theo trục Z ....................................................................... 35
Hình 3.4 Mơ hình động học ........................................................................... 41
Hình 3.5 Mơ hình động lực học ...................................................................... 46

Hình 4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển ............................................................. 49
Hình 4.2 Thuật tốn điều khiển ....................................................................... 51
Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển của máy tính ...................................................... 52
Hình 4.4 Cấu trúc truyền thơng giữa Game và Main Program.......................... 53
Hình 4.5 Giao thức Modbus ........................................................................... 54
Hình 4.6 Modbus RTU .................................................................................. 55
Hình 4.7 Modbus ASCII ................................................................................ 55
Hình 4.8 Mơi trường Unity 3D ...................................................................... 57
Hình 4.9 Đường đua cổ điển .......................................................................... 58
Hình 4.10 Đường đua .................................................................................... 59
Hình 4.11 Góc nhìn thứ 3 ............................................................................... 59
Hình 4.12 Góc nhìn thứ 1 .............................................................................. 60
Hình 4.13 Tạo va chạm giữa xe và đường đua ................................................ 60
Hình 4.14 Lấy dữ liệu từ Unity 3D ................................................................ 61
Hình 4.15 Sơ đồ truyền nhận .......................................................................... 61
Hình 5.1 Sơ đồ cơ cấu ................................................................................... 62
Hình 5.2 Hệ thống thí nghiệm........................................................................ 63
Hình 5.3 Bộ xử lý PLC .................................................................................. 64
Hình 5.4 Ảnh chụp màn hình lấy từ kịch bản dịch chuyển theo chiều dọc....... 66
Hình 5.5 Hành vi của xe (trái) và các tín hiệu lực thắng đầu vào được điều khiển
trước (bên phải) ............................................................................................... 67
Hình 5.6 Gia tốc tuyến tính theo chiều dọc(phải); góc quay Y, tốc độ quay Y(trái)
....................................................................................................................... 67
Hình 5.7 Góc quay quanh trục Y khi gia tốc thay đổi ..................................... 68
Hình 5.8 Ảnh chụp màn hình lấy từ kịch bản chuyển động tịnh tiến ngang ..... 68
Hình 5.9 Đầu ra gia tốc tuyến tính .................................................................. 69

xiv

Luan van

Hình 5.10 Đầu ra của mơ phỏng và Game cho xoay vịng quanh trục X.......... 70
Hình 5.11 Gia tốc theo chiều ngang của đầu ra Game và nền tảng mô phỏng . 70
Hình 5.12 Đoạn đường dốc trong kịch bản nghiêng xe dọc ............................. 71
Hình 5.13 Góc nghiêng xe và góc quay nền tảng trong kịch bản nghiêng xe dọc
........................................................................................................................ 72
Hình 5.14 Góc nghiêng xe và góc quay nền tảng trong kịch bản nghiêng xe ngang
........................................................................................................................ 73

xv

Luan van


Chương 1

TỔNG QUAN
Khi một người lái xe thì người đó cảm thấy có sự chuyển động. Vì khi xe
chuyển động thường sẽ có gia tốc, gia tốc này thay đổi thường xuyên cả về độ lớn
và hướng, do vậy người lái xe cảm thấy như có nhiều lực khác nhau tác động vào
người. Xe chạy nhanh hơn, những rung động trở nên nghiêm trọng hơn. Các dấu
hiệu chuyển động tác động vào người, tạo ra cảm giác chuyển động. Các dấu hiệu
này có thể được kích thích mà khơng thực sự lái xe, đó là hiện thực trong mơ
phỏng.
Các cơng cụ để đạt được điều này, là một hệ thống chuyển động. Hệ thống
chuyển động sẽ được điều khiển tự động bằng một hệ thống điều khiển. Quan hệ
tương tác giữa người lái, hệ thống chuyển động, hệ thống mô phỏng sẽ phải được
phối hợp với hệ thống điều khiển. Với sự phát triển của cơng nghệ máy tính, ngày
càng có nhiều thơng tin có thể được tích hợp trực tiếp trong bộ điều khiển. Sự kết

hợp giữa máy tính và hệ thống chuyển động có tính khả thi để tạo ra một hệ thống
mô phỏng chuyển động ghế ngồi của người tài xế là vấn đề của đề tài nghiên cứu
này.
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong q trình phát triển kinh tế, nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng
cao. Cũng như nhu cầu di chuyển đi lại bằng ơ tơ ngày càng nhiều. Vì vậy việc học
lái xe ô tô càng trở nên phổ biến. Tuy nhiên việc đào tạo gặp nhiều trở ngại như
việc lái xe địi hỏi phải có thầy dạy kèm sát bên cạnh, số giờ thực hành có hạn chế,
những nguy hiểm khi lái thực tế, học phí cao.
Bên cạnh đó, việc chạy theo lợi nhuận làm cho việc đào tạo kém chất lượng. Dẫn
đến những người chưa lái xe thành thạo mà vẫn có bằng lái. Khi xử lí các tình
huống bất ngờ dễ dẫn đến tai nạn giao thông, gây nguy hiểm cho bản thân và xã hội.

1

Luan van


Với những khó khăn trên, một hệ thống mơ phỏng lái xe trong môi trường
thực tế ảo sẽ giúp các học viên làm quen với việc lái xe. Với một mơ hình mà người
lái có thể thực hành giống như thực tế. Nhưng ở đây là môi trường thực tế ảo,khơng
gây nguy hiểm cho học viên và chi phí thấp.
Với sự cần thiết này, tác giả quyết định chọn đề tài thiết kế chế tạo hệ thống
mô phỏng chuyển động lái xe.
1.2. Mục đích của đề tài
 Tạo ra một hê thống có khả năng chuyển động giống một chiếc xe thực tế mà
người dùng có thể tương tác, điều khiển hay cảm nhận giống như ngồi trên một
chiếc xe thật.
 Cải tiến thử nghiệm các phương pháp điều khiển để giá đỡ hoạt động đáp ứng
được các yêu cầu đề ra.

 Kiểm tra các sự đáp ứng để điều chỉnh phương trình động học và động lực học
cũng như các phương pháp điều khiển.
1.3. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài
Đầu tiên việc chọn một phương án thiết kế dưới dạng mô hình phù hợp với đề
tài là nhiệm vụ cực kỳ quan trọng. Dựa vào mơ hình này sẽ xây dựng phương trình
động học và động lực học. Từ các phương trình này việc chọn lựa thơng số và thiết
kế một hệ thống cơ khí hồn chỉnh sẽ được thực hiện. Tiếp theo việc chế tạo hệ
thống giá đỡ được thực hiện dựa trên các thông số và bản vẽ thiết kế. Song song
thời gian này việc lắp ráp hệ thống điện và xây dựng phần mềm điều khiển được
tiến hành. Sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm sẽ được một hệ thống hoàn
chỉnh. Cuối cùng việc kiểm tra độ chính xác, điều chỉnh thiết kế để giảm sai số
được thực hiện.
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
Ứng dụng phương trình động học và động lực học vào điều khiển giá đỡ mơ
phỏng chuyển động. Giá đỡ là nền tảng, có thể tích hợp các chương trình mơ phỏng
lái xe khác nhau tùy mục đích sử dụng để chạy hệ thống này.

2

Luan van


1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ nghiên cứu việc điều khiển giá đỡ khơng xây dựng chương trình
mơ phỏng ứng dụng.
1.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.4.1. Cách tiếp cận
 Một mơ hình được xây dựng dựa trên các đặc điểm của cơ cấu mô phỏng
chuyển động lái xe trên cơ sở nền tảng của các nghiên cứu đã được công bố.

 Đánh giá, lựa chọn thiết kế dựa trên mục đích đề ra.
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp tham khảo lý thuyết
 Phương pháp kế thừa các cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện.
 Phương pháp kiểm tra đánh giá.
 Mô phỏng cơ cấu bằng phần mềm MATLAB
 Phương pháp thực nghiệm.
1.5. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Trong phần này các khía cạnh khác nhau của hệ thống mô phỏng lái xe sẽ
được thảo luận. Sau đó là cơ chế nhận thức chuyển động.Với sự nhấn mạnh vào khả
năng chuyển động, sự phát triển của các hệ thống này trong những năm qua sẽ được
đề cập sơ lược.
1.5.1. Cấu trúc của hệ thống mô phỏng
Một hệ thống mô phỏng tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW),
phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng. Trong đó 3 thành
phần chính và quan trọng nhất là phần mềm (SW), phần cứng (HW) và các ứng
dụng.

3

Luan van


Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống mơ phỏng
1.5.1.1. Phần mềm
Phần mềm luôn là linh hồn của hệ thống cũng như đối với bất cứ một hệ thống
máy tính hiện đại nào. Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngơn ngữ lập trình hay
phần mềm đồ họa nào để mơ hình hóa và mơ phỏng các đối tượng. Phần mềm nào
cũng phải bảo đảm 2 cơng dụng chính: tạo hình và mơ phỏng. Các đối tượng được
mơ hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mơ hình 3D (thiết kế

nhờ các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio,..). Sau đó phần mềm phải
có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng.
1.5.1.2. Phần cứng
Phần cứng của một hệ thống mơ phỏng bao gồm: Máy tính, các thiết bị đầu
vào (Input devices) và các thiết bị đầu ra (Output devices).
Các thiết bị đầu vào : có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào
hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay
hữu tuyến (wire-gloves) các camera quan sát hay là các nút nhấn bàn đạp.
Các thiết bị đầu ra : gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM,..) để nhìn
được đối tượng 2D, 3D. Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như
Hi-Fi, Surround,..). Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay,..) để tạo
xúc giác khi sờ, nắm đối tượng. Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực
tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,…

4

Luan van


1.5.1.3. Các ứng dụng
Là các chương trình chạy xe để người sử dụng có thể tương tác lên hệ thống
như là chương trình chạy xe leo địa hình, chạy xe đua, lái xe vượt sa hình…
1.5.2. Đặc điểm của một hệ thống mơ phỏng
Cơng nghệ mơ phỏng có thể được gói gọn trong 3 từ tiếng Anh bắt đầu bằng
chữ cái I (3I) bao gồm: Interactive (Tương tác) , Immersion (Đắm chìm),
Imagination (Tưởng tượng).
Một hệ thống thực mơ phỏng tốt sẽ được đánh giá bởi 3 chỉ tiêu:
 Tương tác thời gian thực: Động học thay đổi khi hình ảnh mô phỏng thay
đổi và ngược lại. Động học của hệ co khí phải bắt kịp thay đổi động học của hình
ảnh mơ phỏng.

 Mơ phỏng thời gian thực: ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết
được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức hình ảnh mơ phỏng.
Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và
bị thu hút bởi sự mô phỏng này.
 Cảm giác đắm chìm(Immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự
chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thơng tin từ người sử dụng hệ
thống mô phỏng. Người sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hịa lẫn
vào thế giới đó. Hệ thống cịn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động lên các
kênh cảm giác khác như thính giác, khướu giác. Người dùng khơng những nhìn thấy
đối tượng đồ họa, điều khiển (xoay, di chuyển..) được đối tượng mà cịn cảm thấy
chúng như có thật. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo những cảm giác
khác như ngửi, nếm trong thế giới ảo.
1.5.3. Ứng dụng hệ thống mô phỏng
 Mô phỏng kỹ thuật được sử dụng để đánh giá các đặc tính của một chiếc xe.
Trong sự phát triển của một chiếc xe mới, các mơ phỏng hiện đang được sử dụng
trong tồn bộ q trình thiết kế, để dự đốn các vấn đề và hỗ trợ trực quan. Với mô
phỏng, giảm thiểu trong việc chế tạo thử nghiệm. Hầu hết các mô phỏng kỹ thuật là
nền tảng cố định khơng có chuyển động qn tính vì vai trị chuyển động khơng

5

Luan van


phải ln ln quan trọng và cần thiết. ví dụ như khi chuyển động thẳng đều hệ
thống chuyển động không thay đổi gì.
 Mơ phỏng đào tạo được sử dụng để đào tạo thi bằng lái xe, cũng như rền
luyện các kỹ năng lái xe cơ bản (ví dụ như điều khiển bằng tay). Việc đào tạo kỹ
năng cơ bản là chủ yếu vì có nhiều sự khác biệt giữa mô phỏng và lái xe thật. Tiếp
cận hệ thống mô phỏng giúp học viên có nhiều thời gian thực hành hơn, chi phí rẻ

hơn.
 Mơ phỏng nghiên cứu thường được áp dụng cho điều tra cơ bản vào tương
tác giữa người và xe, nghiên cứu nhận thức của con người. Hệ thống chuyển động
như là kết quả đầu vào cảm giác.
1.5.4. Ưu nhược điểm hệ thống mô phỏng
1.5.4.1. Ưu điểm
 Chi phí giảm : Ưu điểm chính của mơ phỏng nghiên cứu là tính linh hoạt.
Có thể dễ dàng cấu hình lại để mơ phỏng một loạt các vấn đề nghiên cứu con người
cần. Chúng cho phép đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất của con người và chỉ ra vấn
đề tồn tại trong thiết kế hệ thống và hoạt động. Chúng đặc biệt hữu ích trong việc
lựa chọn một phương pháp tiếp cận hệ thống hữu hiệu từ nhiều lựa chọn thay thế và
đánh giá hiệu năng hệ thống trước khi chế tạo thử nghiệm thực địa. kịch bản mơ
phỏng khác nhau có thể được tạo ra để phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm cụ thể.
Đặc biệt, sự kích thích và các sự kiện bên ngồi là rẻ hơn đáng kể để thực hiện thử
nghiệm thực tế.
 Kiểm soát thử nghiệm và đo lường: Hệ thống mơ phỏng để có thể kiểm sốt
điều kiện thí nghiệm trên một phạm vi rộng lớn hơn và có thể dễ dàng thay đổi
những điều kiện khác nhau. Khả năng này có thể quan trọng về các đặc trưng thiết
kế thí nghiệm, chẳng hạn như cho phép lặp lại so sánh các điều kiện thí nghiệm
khác nhau. Tiêu chí biến có thể dễ dàng được làm sẵn có trong một mơ phỏng lái
xe. Biện pháp thực hiện có thể được dễ dàng với hệ thống máy tính kỹ thuật số có
thể xử lý dữ liệu, định dạng và lưu trữ dữ liệu.

6

Luan van