Xây Dựng Giao Diện Thân Thiện Điều Khiển Ô Tô Từ Xa.pdf

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM HỮU NGHĨA

XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN
ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ, MÁY KÉO - 605246

S KC 0 0 4 0 3 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM HỮU NGHĨA

XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ
TỪ XA

NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ Ơ TƠ MÁY KÉO - 605246
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN BÁ HẢI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: PHẠM HỮU NGHĨA
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 12-7-1983
Nơi sinh: An Giang
Quê quán: An Giang
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 88 Cư Xá Lam Sơn P.17 Gò Vấp TPHCM
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
Email:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 9/2001 đến 02/2006
Nơi học (trường, thành phố): TP. Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ Khí Động Lực

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: THIẾT KẾ GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ
GIẢNG DẠY MƠN HỌC TÍNH TỐN THIẾT KẾ Ô TÔ
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 02/2006
Người hướng dẫn: Ths. TRẦN ĐÌNH Q
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2006

Công ty Western Ford

Kỹ thuật viên Điện-Điện Lạnh

2008

Công ty Citi Ford

Cố vấn dịch vụ

2011

Cao đẳng nghề KTCN TPHCM

Giáo viên

i

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 06 tháng 9 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii


iii


LỜI CẢM ƠN
Trải qua 5 tháng nghiên cứu và tiến hành thực hiện đề tài này tôi đã gặp rất nhiều
khó khăn. Nếu khơng có sự giúp đỡ và hỗ trợ từ nhiều phía trong suốt thời gian qua thì
có lẽ tơi đã khơng thể hồn thành tốt được đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt
chân thành đến:
 TS. Nguyễn Bá Hải là người đã trực tiếp hướng dẫn, tư vấn và hỗ trợ tôi
giải quyết được rất nhiều vấn đề khó khăn trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
 Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu nhà trường,
Phòng Đào Tạo và Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tối đa cho tơi hồn thành tốt được luận văn này.
 Cảm ơn Trung tâm nghiên cứu và ứng dụng Học Để Làm đã giúp đỡ cho
tôi các thiết bị phần cứng và tư vấn thuật toán trong quá trình thực hiện đề tài.
 Cảm ơn gia đình và các đồng nghiệp đã khơng ngừng động viên, khích lệ
tinh thần và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong thời gian qua.
TP.HCM, ngày 06 tháng 9 năm 2013

PHẠM HỮU NGHĨA.

iii


iv


XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô
TÔ TỪ XA
Tóm tắt
Cơng nghệ điều khiển xe từ xa khơng ngừng phát triển và được ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực. Ngoài các trang thiết bị phần cứng và phần mềm phải mạnh,
thuật tốn tối ưu thì bên cạnh đó một giao diện điều khiển thân thiện với các thao tác
của con người cũng sẽ góp phần nâng cao được hiệu quả cho q trình điều khiển xe
từ xa. Chính vì vậy đề tài này đưa ra một giao diện đề xuất khác với các kiểu giao diện
thông thường trước đó, giúp cho người điều khiển cảm nhận được rõ như đang điều
khiển xe trực tiếp.
Sau 5 tháng nghiên cứu, tác giả đã thiết kế chế tạo thành công giao diện mới
điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có phản hồi cảm giác lái sát thực. Khi điều
khiển xe từ xa qua mạng khơng dây, các tín hiệu về tốc độ xe, góc quay rẽ trái, phải và
tín hiệu từ cảm biến khoảng cách gắn trên thân xe sẽ được phản hồi về phía giao diện.
Từ các tín hiệu này bộ xử lý sẽ tính tốn tạo ra các phản hồi lực tương ứng lên giao
diện giúp cho người điều khiển cảm nhận rõ hoạt động của xe. Qua quá trình thiết kế
chế tạo và thực nghiệm, giao diện đề xuất trong đề tài đã cho thấy hiệu quả cao hơn so
với kiểu giao diện điều khiển thông thường.
Cùng một quãng đường cho trước, giao diện đề xuất giúp xe rút ngắn được thời
gian di chuyển và số lần va chạm chướng ngại vật ít hơn so với giao diện thông
thường. Các cảm biến khoảng cách gắn trên xe cịn có tác dụng cảnh báo người lái khi
xe ở gần vật cản. Do đó có thể hạn chế được các rủi ro về va chạm trong trường hợp

người điều khiển khơng quan sát thấy vật cản.
Ngồi ra các phản hồi lực theo góc lái và vận tốc xe của giao diện đề xuất cũng
giúp tăng cao hiệu quả điều khiển xe so với các giao diện thông thường khơng có phản
hồi cảm giác lái.

iv


v


Abstract
Technology for vehicle teleoperation is progressed continuously and applied
widely in many fields. In addition to the hardware and software equipments have to be
powerful and the optimal algorithms, an intuitive control interface with the human
manipulations will contribute to enhance the effecacy for the teleoperation process.
Therefore this thesis proposed an interface different from the ordinary interfaces
before to support the operator for the effective feeling as driving directly.
After five months for researching, the author designed and made the new
teleoperation interface by a wireless network with the intuitive steering force feedback
successfully. When take a teleoperation by a wireless network, the signal of the vehicle
speed and turn-left, turn- right angle and distance sensor mounted on the vehicle will
be returned to the interface. From this signals, the processor will calculate the force
feedback generated corresponding to the interface to enable the operator get the
effective feeling of vehicle's operating. Through the process of designing,
manufacturing and testing, the proposed interface themes showed higher efficiency
than the conventional normal console.
Along a given distance, the proposed interface shortened the moving time and
the number of collisions less obstacles than the conventional interface. The distance
sensor mounted on the vehicle also work to alert the driver when the vehicle near

obstructions. Therefore it could limit the risk of the collision in case of the driver is not
observed the obstructions.
In addition, the force feedback for steering angle and vehicle speed signals of
the proposed interface also increase the efficiency compared with the conventional
interfaces without feeling steering feedback.

iv


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

v

Thuật ngữ, ký hiệu viết tắt

vi

Danh sách các hình

vii

Danh sách các bảng và biểu đồ

viii

Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1

1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu

1

1.1.1. Giới thiệu

1

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

3

1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngồi nước

4

1.2.

Lý do chọn đề tài

7

1.3.

Mục đích nghiên cứu

7

1.4.

Nhiệm vụ nghiên cứu

8

1.5.

Đối tƣợng nghiên cứu

8

1.6.

Điểm mới của đề tài

8

1.7.

Giới hạn của đề tài

9

1.8.

Phƣơng pháp nghiên cứu

9

v


1.9.

Kế hoạch thực hiện

9

vi

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN

THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA

11

2.1. Điều khiển từ xa

11

2.1.1. Điều khiển từ xa là gì?

11

2.1.2. Các thành phần cơ bản trong điều khiển từ xa

11

2.2. Thiết kế giao diện

12

2.2.1. Giao diện đồ họa

12

2.2.2. Tiêu chuẩn và phương án thiết kế

14

2.2.3. Tương tác thông tin phản hồi từ hệ thống

15

2.2.4. Thiết kế ngõ vào và dòng lệnh

16

2.2.5. Cho phép xử lý linh hoạt

17

2.2.6. Làm việc với các vấn đề về lỗi, sửa lỗi và an toàn

18

2.3. Phân loại giao diện điều khiển từ xa

19

2.3.1. Phân loại

19

2.3.2. Giao diện Haptic

21

2.3.2.1.

Chức năng giao diện Haptic

22

2.3.2.2.

Các ứng dụng của giao diện Haptic

22

2.3.3. Khảo sát một số giao diện điều khiển từ xa

26

2.3.3.1.

Khảo sát giao diện loại 2 với tay điều khiển Joystick

26

2.3.3.2.

Khảo sát giao diện loại 3 điều khiển giám sát xe từ xa

30

2.3.3.3.

Khảo sát giao diện loại 4 điều khiển xe từ xa có phản hồi Haptic

33

v


2.4. Thuật toán tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển từ xa
2.4.1.

Khái niệm về cảm giác xúc giác trong điều khiển từ xa

vi

36
36


2.4.2.

Hệ thống lái điều khiển từ xa

37

2.4.3.

Các phương pháp tái tạo cảm giác lái

41

2.4.3.1. Đề xuất phương pháp dựa trên động học chuyển động lái

41

2.4.3.2. Đề xuất phương pháp dựa trên biểu đồ mô men lái

41

2.4.3.3. Đề xuất phương pháp dựa trên cảm biến mô men xoắn

43

2.4.3.4. Đề xuất phương pháp dựa trên cường độ dòng điện.

44

2.4.3.4.1. Giới thiệu phương pháp đo dòng điện

44

2.4.3.4.2. Sự tái tạo cảm giác lái

49

2.4.3.4.3. Điều khiển tự do vơ lăng

51

2.5. Ngơn ngữ lập trình LabVIEW

51

2.5.1.

Giới thiệu

51

2.5.2.

Lập trình với LabVIEW

54

2.5.3.

Lý thuyết điều khiển PID

58

2.5.4.

Giao thức TCP/IP

61

Chƣơng 3. XÂY DỰNG GIAO DIỆN THÂN THIỆN ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ
TỪ XA

63

3.1. Tổng quan về giao diện đề xuất trong đề tài

63

3.2. Yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật khi thiết kế

64

3.3. Thiết kế phần cơ khí

65

3.3.1.

Mơ hình xe điều khiển từ xa

65

3.3.2.

Mơ hình giao diện đề xuất

66

3.3.2.1.

Thiết kế cơ bản

66

3.3.2.2.

Hoàn chỉnh

69

v


3.4. Thiết kế phần mạch điện
3.4.1.

72

Giao diện điều khiển phía vô lăng

vi

72


3.4.1.1.

Sơ đồ khối

72

3.4.1.2.

Sơ đồ mạch điện

73

3.4.2.

Xe mơ hình

78

3.4.2.1.

Sơ đồ khối

78

3.4.2.2.

Sơ đồ mạch điện

78

3.5. Thiết kế thuật toán điều khiển từ xa

80

3.5.1.

Thuật tốn tái tạo cảm giác lái trên vơ lăng

80

3.5.2.

Thuật tốn trên xe mơ hình

85

Chƣơng 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

87

4.1. Thực nghiệm

87

4.2. Kết quả

88

4.2.1. Kết quả thực nghiệm đối với giao diện ở trường hợp 1

88

4.2.2. Kết quả thực nghiệm đối với giao diện ở trường hợp 2

89

Chƣơng 5 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

91

5.1. Kết luận

91

5.2. Hạn chế

91

5.3. Hƣớng phát triển đề tài

92

Tài liệu tham khảo

93

v


vi


THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Robot: là một loại máy có thể thực hiện những cơng việc một cách tự động bằng sự
điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.
Haptics: từ gốc Hy Lạp chỉ các cảm giác xúc giác.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench): phần

mềm máy tính được phát triển bởi hãng National Instrument, Hoa Kỳ.
Camera: thiết bị điện tử dùng để ghi hình.
Cabin: buồng lái bên trong xe.
DC (Direct Current): động cơ điện một chiều.
PID (Proportional Integral Derivative): bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ.
HDL 9090: mạch giao tiếp máy tính Học Để Làm 9090.
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol): chuẩn giao thức điều
khiển truyền dữ liệu.
Modem (Modulator and Demodulator): thiết bị điều chế sóng tín hiệu tương tự để
mã hóa thành dữ liệu số và ngược lại.
Wireless LAN: mạng giao tiếp dữ liệu nội bộ khơng dây.
Wifi: sóng thu phát khơng dây.
3G (Third-generation Technology): công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3.
Menu: danh sách các tùy chọn chức năng điều khiển.
Multi-media: các định dạng hình ảnh, âm thanh.
DOF (Degrees Of Freedom): bậc tự do của một cơ cấu.
Joystick: thiết bị điều khiển cầm tay.
PWM (Pulse Width Modulated): phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng
của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
A\V (Audio\Video): bộ thu phát hình ảnh, âm thanh.
Bluetooth: cơng nghệ cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị không cần dây và cáp.
Encoder: thiết bị chuyển đổi vị trí góc quay thành tín hiệu tương tự hoặc số.
Drive By Wire: điều khiển lái bằng điện tử.
UDP (User Datagram Protocol): giao thức cốt lõi của chuẩn giao tiếp TCP/IP.
RW (Road Wheel): bánh xe.
HW (Hand Wheel): vô lăng lái.

vi

Motor: động cơ điện.
ACS712: mạch đo dòng.

vii


USB (Univeral Serial Bus): chuẩn kết nối các thiết bị điện tử.
PCI (Peripheral Component Interconnect): chuẩn truyền dữ liệu giữa các thiết bị
ngoại vi đến bo mạch chủ.
Ethernet: công nghệ truyền tải dựa trên khung dữ liệu dành cho mạng nội bộ.
Webcam: thiết bị thu phát hình ảnh.
VI (Virtual Instrument): thiết bị ảo trong phần mềm LabVIEW.
SubVI: là một VI được sử dụng trong một VI khác.
Server: phía máy chủ.
Client: phía máy trạm, máy chấp hành.

vi


vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 1.1: Xe khơng người lái Guardium
1
Hình 1.2: Robot thăm dị sao hỏa Curiosity
2
Hình 1.3: Giao diện haptics được đề xuất

5
Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển từ xa
12
Hình 2.2: Giao diện điều khiển từ xa có hiển thị định vị
13
Hình 2.3: Giao diện điều khiển trang bị laptop và giao tiếp âm thanh
20
Hình 2.4: Thiết bị Haptic Handshake hỗ trợ giao diện điều khiển chính
23
Hình 2.5: Giao diện trị chơi bắn súng có thiết bị Haptic
24
Hình 2.6: Mô phỏng cánh tay 3D với giao diện Haptic 6-DOF
24
Hình 2.7: Mơ phỏng liên kết phân tử trong y học
25
Hình 2.8: Trang bị iDrive trên BMW series 7
26
Hình 2.9: Giao diện Joystick
27
Hình 2.10: Cơ chế hoạt động Joystick
28
Hình 2.11: Hoạt động điều khiển từ xa
29
Hình 2.12: Giao diện giám sát
30
Hình 2.13: Hoạt động của giao diện giám sát
33
Hình 2.14: Sơ đồ khối cấu tạo giao diện PHANTOM có phản hồi xúc giác
34
Hình 2.15: Sơ đồ hoạt động giao diện PHANTOM

35
Hình 2.16: Các cảm nhận Haptic
37
Hình 2.17: Sơ đồ khối hệ thống lái điều khiển từ xa qua mạng không dây
38
Hình 2.18: Sơ đồ động lực học hệ thống phía HW và RW
40
Hình 2.19: Sơ đồ điều khiển biểu đồ mơ men xoắn
42
Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển cảm biến mơ men xoắn
44
Hình 2.21: Sơ đồ tái tạo cảm giác lái dùng cảm biến dịng
45
Hình 2.22: Sơ đồ kết nối của cảm biến dịng
48
Hình 2.23: Mối liên hệ giữa điện áp và dịng điện trong cảm biến ACS712
48
Hình 2.24: Kiểm sốt nhiệt độ bằng ngơn ngữ lập trình LabVIEW
53
Hình 2.25: LabVIEW giao tiếp với phần cứng thiết bị
54
Hình 2.26: Giao diện làm việc chính của LabVIEW
56

vii


Hình 2.27: Tool Palette và Controls Palette
Hình 2.28: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Hình 2.29: Giá trị đặt, giá trị đo được và diện tích sai lệch

viii

57
59
61


Hình 2.30: Sơ đồ truyền và nhận tín hiệu giữa vơ lăng và xe
Hình 3.1: Giao diện đề xuất điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây có
phản hồi cảm giác lái
Hình 3.2: Xe ba bánh sử dụng trong điều khiển từ xa
Hình 3.3: Mơ phỏng hình dạng 3D giao diện đề xuất
Hình 3.4: Thơng số cơ bản
Hình 3.5: Phần khung sườn
Hình 3.6: Phần vơ lăng
Hình 3.7: Phần cơ cấu điều khiển vận tốc
Hình 3.8: Sơ đồ khối mạch điện trên vơ lăng
Hình 3.9: Sơ đồ nối dây mạch điện trên vơ lăng
Hình 3.10: Động cơ DC điều khiển rẽ trái phải
Hình 3.11: Động cơ DC điều khiển tiến lùi
Hình 3.12: Mạch cơng suất điều khiển động cơ trái phải
Hình 3.13: Mạch cơng suất điều khiển động cơ tiến lùi
Hình 3.14: Sơ đồ chân mạch cơng suất
Hình 3.15: Mạch giao tiếp máy tính HDL USB 9090
Hình 3.16: Sơ đồ khối mạch điện trên xe 3 bánh
Hình 3.17: Sơ đồ nối dây mạch điện trên xe 3 bánh
Hình 3.18: Lưu đồ thuật tốn tái tạo cảm giác lái
Hình 3.19: Chiều các mơ men
Hình 3.20: Lưu đồ thuật tốn điều khiển vơ lăng tự trả về vị trí cân bằng

Hình 3.21: Lưu đồ thuật tốn điều khiển xe mơ hình
Hình 4.1: Thực nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng khơng dây
có phản hồi cảm giác lái sát thực

vii

62
63
66
67
68
69
70
71
73
74
75
75
76
76
77
77
78
79
81
84
85
86
88