Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics

v

TÓM TT

Đề tài:
ắNghiên cu và đ xut
giiăphápăđiu khin xe t xa
trongătrng hp không phn hi hình nh
da trên công ngh hapticsẰ
đc nghiên cu ti Trng Đi Hc S Phm Kỹ Thut Tp. HCM. Thi gian thực
hiện từ 02/2013 đn 08/2013 là mt trong nhng nghiên cu và gii pháp đầu tiên
trên th giới đc trình bày trong lun văn này.
Đim mới ca đề tài là quá trình xây dựng thut toán dẫn đng cho xe tránh
các chớng ngi vt và chuyn hớng đúng dựa trên tín hiệu duy nhất là xúc giác.
Từ đó, ngi lái s điều khin xe đn đc mc tiêu bằng cách s dng mt giao
diện haptics. Với mô hình hệ thống điều khin xe từ xa s dng mt giao diện điều
khin phn hồi xúc giác, b thu GPS, cm bin khong cách và thit b truyền d
liệu không dây có băng thông thấp. Các thông tin này đc x lý, lp trình bằng
phần mềm LabVIEW và tơng tác với ngi điều khin thông qua giao diện điều
khin phn hồi xúc giác. Kt qu, ngi lái đư điều khin xe đi đn đc mc tiêu
trong trng hp không phn hồi hình nh. Nghiên cu này đư đc kim tra, so
sánh kt qu với 18 lần thực nghiệm ti khuôn viên trng Đi Hc S Phm Kỹ
Thut Tp. HCM với ba trng hp: 1- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh. 2-
Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và haptics. 3- Trng hp đặc biệt, điều
khin xe từ xa ch có haptics (không có hình nh).
Việc thực nghiệm thành công trng hp 3 đư to ra bớc ngoặt và cơ s ch
to các phơng tiện tham dò, kho sát, v.v., đi đn đc nhng vùng không có hoặc
thiu ánh sáng và thiu hình nh do đng truyền băng thông thấp gây ra.


vi

ABSTRACT

This research
ắA study of haptic technology-based vehicle teleoperation
without vision feedbackẰ
is done at The University of Technical Education in HCM city. It started in february
and finished in august, 2013. A novel haptics-based control method of vehicle
teleoperation without vision feedback is proposed in this research.
The main contributions of this study are the control strategies to produce haptic
feedback to a human operator. Therefrom the teleoperator drive vehicle go to the
target using a haptic interface. The vehicle teleoperation system using a haptic
interface, a GPS receiver, a distance sensor and a wireless router with low
bandwidth. This signals are processed and programmed by the LabVIEW software
and interact with a human operator by the haptics interface. As a result, the operator
drove the vehicle moved on the target without vision feeback. This study has been
tested and compared with results of experiment 18 experiments at the campus of
University of Technical Education. There are three main control methods are used
in experiments includy: 1 - Vehicle teleoperation with vision feedback. 2 - Vehicle
teleoperation with vision feedback and haptics feedback. 3 - Vehicle teleoperation
with only haptic feedback (no vision).
The results has show that the proposed solution can help the operator navigate
the vehicle with only haptic feedback. This is a significant contributions to the new
reseach direction of low vision vehicle teleoperation.




vii

MC LC
Trang tựa TRANG
Quyt đnh giao đề tài
Xác nhn ca cán b hớng dẫn
Lý lch khoa hc ii
Li cam đoan iii
Cm t iv
Tóm tt v
Abstract vi
Mc lc vii
Danh sách các ch vit tt x
Danh sách các hình xi
Danh sách các bng xiii


Chngă1. TNG QUAN 1
1.1 Tng quan chung v lƿnhăvc nghiên cu 1
1.2 Mcăđíchăcaăđ tài 3
1.3 Nhim v caăđ tài và gii hnăđ tài 4
1.3.1 Nhiệm v ca đề tài 4
1.3.2 Giới hn ca đề tài 4
1.4 Phng pháp nghiên cu 4


Chngă2. CăS LÝ THUYT 5
2.1ăCăs lý thuyt cm giác xúc giác 5
2.1.1 Haptics 5
2.1.2 Giao diện haptics và ng dng 8
2.2. Gii thiuăcácăphngăphápăđiu khin xe t xa 10

2.2.1 Phơng pháp điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh 10
2.2.2 Phơng pháp điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và xúc giác 12
viii

2.3ăĐng lc hcăhapticsăvƠăđiu khinăphngătin t xa 15
2.3.1 Khái quát hệ thống điều khin phơng tiện từ xa 15
2.3.2 Đng lực hc haptics trong điều khin phơng tiện từ xa 15
2.3.3 Mối quan hệ gia đng lực hc haptics và tín hiệu điện t 17
2.4ăĐng hc xe ba bánh 20
2.4.1 Mô hình xe ba bánh 20
2.4.2 Đng hc xe ba bánh khi kéo 22
2.4.3 Đng hc xe ba bánh khi đẩy 23
2.5ăĐng lc hc xe ba bánh 24
2.5.1 Đng lực hc xe ba bánh khi kéo 25
2.5.2 Đng lực hc xe ba bánh khi đẩy 26
2.6 H thngăđnh v toàn cầu GPS 28
2.6.1 Giới thiệu 28
2.6.2 Cấu trúc hệ thống đnh v toàn cầu GPS 28
2.6.3 Đnh v tuyệt đối và đnh v tơng đối 29
2.6.4 Nguyên nhân sai số 32
2.6.5 B thu GPS Holux GR ậ 213 33
2.7 Phần mn LabVIEW 34
2.7.1 LabVIEW 34
2.7.2 ng dng LabVIEW trong thực t 35
2.7.3 Lp trình với LabVIEW 36
2.8 Thut toán PID và PWM 37


Chngă3. Đ XUT GIIăPHỄPăĐIU KHIN XE T XA BNG CÔNG
NGH HAPTICS

TRONGăTRNG HP KHÔNG PHN HI HÌNH NH
39
3.1 Tng quan v các giiăphápăđiu khin xe t xa không phn hi hình nh 39
3.1.1 Phơng pháp bn đồ đng đi 40
3.1.2 Phơng pháp chia ô 41
3.1.3 Phơng pháp trng th năng 42
ix

3.1.4 Phơng pháp v trí tăng dần 45
3.2.ăPhơnătíchăvƠăđ xut giiăphápăđiu khin xe t xa tránh vt cn và tìm
đngăđn mc tiêu bng công ngh haptics trongătrng hp không phn hi
hình nh 46
3.2.1 Tổng quan về gii pháp tránh vt cn và tìm đng đn mc tiêu 46
3.2.2 Thut toán tránh vt cn và tìm đng đn mc tiêu 50

Chngă4. THC NGHIM VÀ KT QU NGHIÊN CU 53
4.1ăSăđ tng quan và nguyên lý hotăđng h thng thc nghim 53
4.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 53
4.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hot đng hệ thống 54
4.2ăCácătrng hp thc nghim 57
4.3ăPhngătin thc nghim 57
4.3.1 Mô hình xe ba bánh 57
4.3.2 Giao diện điều khin và thut toán to phn hồi xúc giác 59
4.3.3 Các thit b khác 61
4.4ăMôiătrng thc nghim 62
4.5 Thc nghim và kt qu 63
4.5.1 Kim tra hệ thống thực nghiệm 63
4.5.2 Trng hp thực nghiệm 1 64
4.5.3 Trng hp thực nghiệm 2 66
4.5.4 Trng hp thực nghiệm 3 68

4.6ăSoăsánhăvƠăđánhăgiáăkt qu thc nghim 70


Chngă5. KT LUN 73
5.1 Kt lun 73
5.2 Hng phát trinăđ tài 74

TÀI LIU THAM KHO 75
Ph lc 77
x

DANH SÁCH CÁC CH VIT TT

DHA : Direct Haptic Aid ậ H tr xúc giác trực tip.
IHA : Indirect Haptic Aid ậ H tr xúc giác gián tip.
TCP/IP : Transfer Control Protocol/Internet Protocol ậ B giao thc kim soát
truyền ti và giao thc internet.
UDP : User Datagram Protocol ậ Giao thc truyền ti d liệu gia các
ngi dùng.
RS-232 : Recommended Standard-232 ậ Chuẩn giao tip nối tip gia thit b
ngoi vi với máy tính.
LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench ậ Phần
mềm lp trình ngôn ng đồ ha.
PID : Propotional Integral Derivative ậ B điều khin vi tích phân tỷ lệ.
PWM : Pulse Width Modulation ậ B điều ch đ rng xung.
AMP : Amplifier ậ B khuch đi.
DC : Direct Current ậ Dòng điện mt chiều.
AC : Alternating current ậ Dòng điện xoay chiều.
GPS : Global Positioning System ậ Hệ thống đnh v toàn cầu.
WGS84 : World Geodetic Spheroid 1984 ậ Hệ thống ta đ trc đa năm 1984.

WAAS : Wide Area Augmentation System ậ Hệ thống giãn rng vùng.
DGPS : Differential Global Positioning System ậ Hệ thống đnh v toàn cầu
vi sai.
INS : Inertial Navigation System ậ Hệ thống dẫn đng quán tính.






xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khin ô tô từ xa 8
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh 10
Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát ca mt camera và góc quan sát kt hp hai cameras
11
Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và xúc giác 12
Hình 2.5: V trí lp đặt cm bin khong cách trên phơng tiện từ xa 13
Hình 2.6: Nguyên lý đo khong cách 13
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khin phơng tiện từ xa 15
Hình 2.8: Mô hình đng lực hc ca thit b ch/nô 15
Hình 2.9: Sơ đồ đng lực hc haptics trong điều khin phơng tiện từ xa 17
Hình 2.10: Mô hình chuyn đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện 17
Hình 2.11: Sơ đồ điều khin từ xa với hai cổng kt nối 18
Hình 2.12: Mô hình giao diện haptics trong điều khin phơng tiện từ xa 19
Hình 2.13: Mô hình xe ba bánh 20

Hình 2.14: Mô hình đng hc ca bánh xe 21
Hình 2.15: Mô hình đơn gin xe ba bánh trong hai trng hp kéo và đẩy 21
Hình 2.16: Sơ đồ đng hc xe ba bánh khi kéo 22
Hình 2.17: Sơ đồ đng hc xe ba bánh khi đẩy 23
Hình 2.18: Mô hình đng lực hc xe ba bánh 24
Hình 2.19: Quỹ đo các vệ tinh và cấu trúc hệ thống đnh v toàn cầu GPS 29
Hình 2.20: Các lĩnh vực ng dng ca LabVIEW 35
Hình 2.21: Mã nguồn vit bằng LabVIEW 36
H̀nhă2.22: Sơ đô điêu khiê
̉
n thuâ
̣
t toa

n PID 37
Hình 2.23: Sơ đồ xung điện áp thut toán PWM 38
Hình 3.1: Phơng pháp đồ th trực quan và phơng pháp sơ đồ Voronoi 40
xii

Hình 3.2: Phơng pháp chia ô chính xác và phơng pháp chia ô gần đúng 41
Hình 3.3: Trng th năng và trng lực đẩy biu din dới dng biu đồ đim 42
Hình 3.4: Tổng hp lực o tác đng lên xe 44
Hình 3.5: Minh ha phơng pháp đnh v tăng dần 45
Hình 3.6: Trng lực o và đng di chuyn ca xe 47
Hình 3.7: Sơ đồ khong cách từ xe đn mc tiêu 48
Hình 3.8: Đng di chuyn ca xe khi gặp mt vt cn và gặp nhiều vt cn 49
Hình 3.9: Lu đồ thut tránh vt cn và tìm đng đn mc tiêu 50
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khin xe từ xa 53
Hình 4.2: Cấu trúc mô hình hệ thống điều khin xe từ xa bằng công nghệ haptics 54
Hình 4.3: Mô hình xe ba bánh 57

Hình 4.4: Giao diện điều khin phn hồi xúc giác 59
Hình 4.5: Cấu trúc giao diện điều khin phn hồi xúc giác 60
Hình 4.6: Sơ đồ điều khin to xúc giác trên vòng đeo tay và vành tay lái 60
Hình 4.7: Sơ đồ môi trng thực nghiệm 62
Hình 4.8: Giao diện thu thp số liệu và đồ th bằng LabVIEW trong trng hp 1
64
Hình 4.9: Giao diện thu thp số liệu và đồ th bằng LabVIEW trong trng hp 2
66
Hình 4.10: Đng đi ca xe trong trng hp 3 v bằng LabVIEW 68
Hình 4.11: Biu đồ kt qu thi gian, quưng đng xe di chuyn đn mc tiêu và số
lần xe gặp vt cn trong 3 trng hp thực nghiệm 70
Hình 4.12: Biu đồ các kt qu thi gian xe di chuyn đn mc tiêu trong trng
hp 1 và trng hp 2 72





xiii

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 2.1: Các dng cm nhn về trng thái vt th. 6
Bng 2.2: Các ng dng công nghệ haptics 9
Bng 2.3: Mt ví d tin nhn b thu GPS Holux GR ậ 213. 33
Bng 3.1: Nhiệm v ngi lái điều khin xe đn mc tiêu trong trng hp không
phn hồi hình nh 46
Bng 3.2: Thông số kỳ vng các tín hiệu điều khin 52
Bng 4.1: Thông số kỳ vng các tín hiệu điều khin trong thực nghiệm 56

Bng 4.2: Bng các trng hp thực nghiệm 57
Bng 4.3: Đặc tính kỹ thut ca mô hình xe ba bánh 58
Bng 4.4: Danh sách các thit b khác h tr trong quá trình thực nghiệm 61
Bng 4.5: Số liệu kim tra chất lng hệ thống thực nghiệm 63
Bng 4.6: Số liệu thu thp trong thực nghiệm trng hp 1 65
Bng 4.7: Số liệu thu thp trong thực nghiệm trng hp 2 67
Bng 4.8: Số liệu thu thp trong thực nghiệm trng hp 3 69










1

Chngă1
TNG QUAN

1.1 Tng quan chung v lƿnhăvc nghiên cu
Chúng ta đang sống trong th kỷ 21, th kỷ ca nền tri thc và nền khoa hc kỹ
thut vt bt. Trong th kỷ này, khoa hc công nghệ cao đư và đang dần khẳng
đnh v trí ca mình trong tất c các mặt ca đi sống con ngi. Với tốc đ phát
trin nhanh chóng ca các ngành khoa hc kỹ thut, ngành kỹ thut điều khin
phơng tiện từ xa đang có nhng bớc đt phá mới thông qua ng dng công nghệ
haptics (công nghệ phn hồi xúc giác). Việc ng dng công nghệ này không nhng
giúp cho con ngi điều khin các phơng tiện từ xa thực hiện các nhiệm v đặc

biệt khó khăn, nguy him, đc hi trong các môi trng công nghiệp, y hc, quân
sự, hàng không vũ tr, v.v., mà còn năng cao kh năng tơng tác gia con ngi và
phơng tiện từ xa đt hiệu qu thit thực. Đặc biệt, công nghệ haptics đư và đang
xuất hiện trong nhiều hệ thống trên xe, trong đó ng dng công nghệ haptics vào hệ
thống điều khin xe từ xa là đề tài nghiên cu mang tính thi đi.
Nicola Diolaiti và Claudio Melchiorri [01] đư trình bày việc s dng mt giao
diện haptics đ năng cao kh năng cm nhn ca ngi điều khin với môi trng
làm việc ca phơng tiện từ xa, bằng cách s dng mt hệ thống tơng tác o đc
tính dựa trên lực cn xung quanh tác dng lên phơng tiện đ ngăn chặn các tip
xúc nguy him. Sự th đng ca toàn b hệ thống đc bo tồn. Do đó, sự tơng
tác o đc đm bo. Khong cách từ các chớng ngi vt đc đo bằng máy quét
laser gn kt trên phơng tiện, đ s dng tính toán lực phn hồi lên giao diện
haptics.
Stephen Hughes, Ian Oakley, Andy Brady và Sile O’Modhrain [02] đư đa ra
mt hệ thống tính toán gia tốc ca xe, từ đó to tín hiệu đng lực hc tác đng lên
ngi điều khin dới dng thông tin xúc giác, bằng cách so sánh các biu đồ đng
hc ca xe đư đc cài đặt trớc với biu đồ mà hệ thống tính toán đc. Hệ thống
này đc thit k đ h tr vn hành, kim soát vn tốc xe từ xa.
2

M. Rank, Z. Shi, H. J. Muller và S. Hirche [03] đư nghiên cu các vấn đề gây ra
thi gian tr thông tin phn hồi xúc giác trong điều khin phơng tiện từ xa. Trong
nghiên cu này, nhóm tác gi đư thực hiện thí nghiệm to môi trng xúc giác dới
dng lực tác đng lên ngi điều khin trên ngỡng phát hiện sự chm tr thông tin
xúc giác và kt qu nghiên cu đư xác đnh đc nguyên nhân gây ra sự chm tr
thông tin phn hồi xúc giác ph thuc rất lớn vào đ lớn ca tần số và biên đ
chuyn đng.
J.H. Ryu [04], [05], [06] đư nghiên cu, phát trin đng lực hc haptic và xây
dựng phơng pháp điều khin phơng tiện từ xa bằng haptics. Các nghiên cu ca
tác gi, trình bày các phơng trình đng lực hc haptics với mô hình điều khin đa

khâu, đa khớp và đa bc tự do. Xây dựng các thut toán chuyn đổi tín hiệu haptics
thành tín hiệu điện t và ngc li.
Samantha M. C. Alaimo, Lorenzo Pollini, Jean-Pierre Bresciani và Heinrich H.
Bulthoff [07] đư nghiên cu và thực nghiệm so sánh, đánh giá hiệu qu hai phơng
pháp điều khin phơng tiện từ xa, điều khin phn hồi xúc giác trực tip (DHA) và
điều khin phn hồi xúc giác gián tip (IHA). Kt qu nghiên cu đư xác đnh đc
hiệu qu điều khin IHA rất cao, đây là bớc ngoặt mới cho công nghệ điều khin
phơng tiện từ xa trong tơng lai.
B.H. Nguyen, J.H. Ryu [08] đư nghiên cu và ch to giao diện điều khin xe từ
xa với 3 bc tự do kim soát và cm nhn xúc giác các hot đng tin, lùi, r trái, r
phi, đặc biệt giao diện điều khin này phn hồi đc cm giác quay vòng ca xe.
B.H. Nguyen, J.H. Ryu [09] đư nghiên cu phơng pháp tái to cm giác lái
(xúc giác) ca xe từ xa trong hệ thống lái không trc lái (SBW), bằng cách s dng
dòng điện đo trực tip từ cơ cấu chấp hành. Nghiên cu này có gii pháp đơn gin,
chi phí thấp và sự ổn đnh hệ thống lái đc ci thiện.
Trần Xuân Trình và Nguyn Bá Hi [10] đư nghiên cu, phát trin và thit k,
thực nghiệm hệ thống ga trong điều khin ô tô từ xa. Nghiên cu đư đánh giá đc
mc đ đáp ng về sự tăng tốc ca xe và đo đc đc thi gian tr khi truyền qua
mng 3G.
3

Nguyn Thanh Minh và Nguyn Bá Hi [11] đư nghiên cu, phát trin hệ thống
chuyn số gián tip trong điều khin ô tô từ xa bằng cách s dng đông cơ DC đ
dẫn đng cần chuyn số và các công tc hành trình đ xác đnh v trí số. Nghiên cu
này đư đc kim chng bằng kt qu thực nghiệm trên mt xe quân sự bốn ch
đc ci to từ xe sân golf.
Nguyn Trng Giang, Lê Thanh Phong và Nguyn Bá Hi [12] đư nghiên cu
phơng pháp to cm giác lái trong điều khin xe ba bánh từ xa bằng cách to cm
giác lực thông qua hệ thống tơng tác lò xo o.
Nguyn Thanh Nh Phúc và Nguyn Bái Hi [13] đư nghiên cu, phát trin hệ

thống lái không trc lái có phn hồi cm giác lái (xúc giác) trong điều khin xe quân
sự từ xa, bằng cách đo dòng điện trực tip trên cơ cấu chấp hành. Kt qu nghiên
cu đư đc kim chng bằng kt qu thực nghiệm trên mt chic xe tht.
Bên cnh nhng thành tựu đư đt đc ca các công trình nghiên cu trong và
ngoài nớc về hệ thống điều khin phơng tiện từ xa nói chung hay hệ thống điều
khin xe từ xa nói riêng thì còn nhiều mặt hn ch. Trong đó, vấn đề điều khin xe
từ xa trong môi trng hot đng ca xe từ xa không có hoặc thiu ánh sáng hay
thiu hình nh do đng truyền băng thông thấp gây ra là mt bài toán rất khó cha
có li gii đáp hoàn ho. Vì vy, đề tài:
ắNghiênăcuăvƠăđ xut
giiăphápăđiu khin xe t xa
trongătrng hp không phn hi hình nh
da trên công ngh hapticsẰ
là vấn đề nghiên cu tht sự cần thit.
1.2 Mcăđíchăcaăđ tài
Gii bài toán điều khin xe từ xa trong trng hp không phn hồi hình nh do
môi trng không có hoặc thiu ánh sáng hoặc thiu hình nh do đng truyền băng
thông thấp gây ra. Nhằm hoàn thiện hệ thống điều khin xe từ xa trong trng hp
không phn hồi hình nh.
Nghiên cu này làm cơ s ng dng cho nhiều lĩnh vực nh giám sát, kho sát,
dò tìm, v.v. Đặc biệt h tr cho ngi khim th trong điều khin xe.
4

1.3 Nhim v caăđ tài và gii hnăđ tài
1.3.1 Nhim v caăđ tài
Tìm hiu và nghiên cu các phơng pháp điều khin xe từ xa.
Nghiên cu lý thuyt GPS và thu thp x lý tín hiệu ta đ GPS trong phần
mềm LabVIEW.
Xây dựng thut toán điều khin xe từ xa đi đn mc tiêu trong trng hp
không phn hồi hình nh và thut toán to cm giác xúc giác cho ngi điều khin

khi xe lệch hớng mc tiêu, xe gặp vt cn và xe đư đn mc tiêu.
Thit k, thi công giao diện haptics.
Thực nghiệm và đánh giá kt qu trong ba trng hp:
- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh.
- Điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và phn hồi xúc giác.
- Điều khin xe từ xa ch có phn hồi xúc giác (không có hình nh).
So sánh các kt qu nghiên cu với các công trình nghiên cu đư thu thp đc.
1.3.2 GiiăhnăcaăđătƠiăăăăă
Do điều kiện đa lý khu vực thực nghiệm, điều kiện kinh t, trình đ có hn và
tính mới m ca đề tài nên:
- Đề tài tp trung nghiên cu, thực nghiệm điều khin xe từ xa đi đn mc
tiêu với mô hình xe ba bánh, các chớng ngi vt có hình dng đơn gin cố đnh,
mặt đng xe chuyn đng tơng đối bằng phẳng và diện tích khu vực xe hot đng
nhỏ.
- Cm giác xúc giác trên giao điện điều khin cha xác thực vì giới hn bi
mô hình.
- Đ chính xác ta đ GPS tơng đối lớn vì th nghiệm trong vùng cha có
sự h tr hệ thống GPS  phm vi cc b (Local).
1.4 Phngăphápănghiênăcu
Thu thp d liệu và chn lc về các công trình nghiên cu trong và ngoài nớc
có liên quan.
Th nghiệm và đánh giá kt qu từ thực nghiệm.
So sánh đánh giá với các công trình đư nghiên cu.
5

Chngă2
CăS LÝ THUYT

2.1 Căs lý thuyt cm giác xúc giác
2.1.1 Haptics

Haptics:/'hap-tiks/ xuất hiện vào thp kỷ 90 ca th kỷ 19 là mt từ gốc Hy lp
ắHaptesthai” đ ch cm giác xúc giác (sense of touch). Haptics bao gồm cm giác
lực tác đng (cng, mềm), cm giác về bề mặt (thô, nhám, sc, trơn, v.v.) cm giác
về chuyn đng mà con ngi có th cm nhn thông qua tip xúc, cầm, nm, s,
v.v. ( xem Bảng 2.1).
Công nghệ haptics là công nghệ tái to li các cm giác xúc giác toàn b hay
mt phần cm giác xúc giác ca con ngi khi tip xúc với thit b. Công nghệ
haptics ch yu mang li 2 loi cm giác tip xúc:
- Cm giác về lực (force feedback) mang li cho con ngi cm giác về lực
tác đng, nhằm tái to sự hiện diện ca sự vt thông qua lực tác đng ca nó với t
cách đối tng trong th giới o với con ngi.
- Cm giác xúc giác (tactile) mang li các cm giác chi tit hơn về bề mặt ca
vt, tái to các đặc tính thô, nhám, trơn, v.v.
Trên thực t không có sự khác biệt rõ ràng trong cách phân loi này, nhng sự
khác biệt ch nằm  cách thực thi chúng. Cm giác lực thông thng đc thực hiện
thông qua việc điều khin mt cơ cấu chấp hành s tái to cm giác về lực qua tác
đng với con ngi. Cơ cấu chấp hành có th bao gồm các đng cơ điện, đng cơ
khí nén, v.v. Cm giác xúc giác thông thng đc to ra bi mt trng tĩnh điện.
Bằng cách s dng mt lớp ph trên bề mặt thit b cho phép gi các khích thích
nhẹ lên đầu ngón tay, làm cho ngi dùng cm giác đc các thao tác, cm nhn
đc các bề mặt đối tng. Mt trng điện từ áp dng lên bề mặt đối tng (màn
hình, v.v.), tơng tác với ti trng tự nhiên trên đầu ngón tay. Hai lực điện cùng dấu
đẩy nhau, hai lực điện trái dấu hút nhau. Bằng cách điều bin trng điện ti từng
pixel, chúng ta có th tái to xúc giác mt cách chính xác.
6

Bngă2.1: Các dng cm nhn về trng thái vt th
TT
Dng cm nhn về trng thái vt th
Hình minh ha

1
Cm giác về trng lực hay cm giác vt th nặng, nhẹ
khi con ngi khuân vác, xách mang, chống đỡ vt
th. Lực tơng tác gia vt th với con ngi tính bi
công thc:
F = P + F
A

Trong đó:
F là lực tơng tác gia ngi với vt th
P là trng lng ca vt th
F
A
là lực đẩy Archimedes
2
Cm giác về áp suất hay cm giác đ cng, mềm ca
vt th ph thuc vào đặc tính đàn hồi ca vt. Lực
tác dng lên ngi khi ấn, bẻ, bóp, véo, tựa vào vt
th có th đc xác đnh gần đúng theo đnh lut
Hooke:
F = kx
Trong đó:
F là lực đàn hồi
k là hệ số đàn hồi
x là đ bin dng
Đnh lut này chính xác với nhng vt th có hình
dng lò xo đơn gin. Với nhng vt th nh
ming cao su hay chất dẻo thì sự ph thuc gia lực
đàn hồi vào bin dng s rất phc tp.
3

Cm giác về sc bén ca đng biên hay cm giác về
đ góc cnh ca vt th khi cơ th ngi tip xúc (s,
chm, v.v.) với đng biên vt th. Nó ph thuc vào
hình dng bề cnh ca vt.
ứ F
P
F
A

7

4
Cm giác về chuyn đng ngang hay cm giác về đ
thô nhám, nhẵn mn bề mặt ca vt th. Cm giác này
gây ra do sự ma sát gia cơ th ngi với vt th.
Lực ma sát có th đc tính xấp x theo công thc:
F
ms
= F
0

Trong đó:
F
ms
là lực ma sát gây ra cm giác chuyn
đng ngang
 là hệ số ma sát gia hai bề mặt tip xúc
F
0
là lực tác dng lên bề mặt vt th

5
Cm giác về đng biên th tích hay cm giác về
kích thớc, th tích ca vt th. Cm giác này có
đc thông qua sự cầm, nm hoặc s, chm toàn b
bề mặt bên trong, bên ngoài ca vt th. Từ đó, con
ngi có th nhn bit đc hình dng, kích thớc,
th tích ca vt.
6
Cm giác về nhiệt đ hay cm giác sự nóng, lnh ca
vt th. Cm giác này sinh ra khi con ngi s, chm
hoặc tơng tác  cự ly gần với vt th. Cm giác vt
th nóng hay lnh là giá tr chênh lệch nhiệt đ gia
cơ th ngi với nhiệt đ vt th.


F
ms

8

2.1.2 Giao din haptics và ng dng
Giao diện haptics là nhng hệ cơ điện t cho phép con ngi cm nhn đc
các đặc tính vt lý ca đối tng hay vt th trong môi trng o hoặc môi trng
cách xa v trí ca ngi tơng tác đối tng.

Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khin ô tô từ xa
Thit b haptics đem đn cho ngi s dng nhng cm giác khi s hoặc cầm
nm, nh cm giác về lực, về sự rung đng, về sự mềm mi hay khô cng ca vt
liệu, về sự nóng hay lnh ca môi trng, về hình nh và âm thanh, v.v. Thit b
haptics có th giao tip với máy tính và các thit b khác đ cung cấp thông tin về v

trí và lực.
Công nghệ haptics cũng nh nhng giao diện haptics ca nó có nhiều ng dng
 nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm các hệ thống h tr bi máy tính, tự đng
khám phá và giám sát các môi trng đc hi hoặc nơi mà con ngi khó có th đặt
chân tới. Đồng thi, ng dng phổ bin trong hệ tay máy hoặc robot có kích thớc
micro/nano, lĩnh vực công nghệ ô tô, giáo dc, y hc và nhiều lĩnh vực khác. (xem
Bảng 2.2)
Vô lăng
Giao diện haptics
9

Bng 2.2: Các ng dng công nghệ haptics
TT
Lĩnh vực
Kh năng ng dng
Hình nh minh ha
1
Công
nghệ ô tô
Hệ thống lái không
trc lái (SBW)

(Nguồn: Theo Nguyn Bái Hi, Jee
Hwan Ryu, IFOST 2009) [14]
2
Robotics
Hệ thống phn hồi
cm giác và phn
hồi thông tin có tự
ch

(Nguồn: Theo
sponsored-article-haptics)
3
Hàng
không vũ
tr
Robot khám phá,
kho sát hành tinh
sao hỏa, mặt trăng.

(Nguồn: Theo marsrover.nasa.gov)
4
Giáo dc
Hệ thống đào to
thực hành lái xe ô tô,
xe nâng, xe cẩu, v.v.

(Nguồn: Theo www.5dt.com)
5
Y hc
Hệ thống thit b
phẫu thut Da Vinci

(Nguồn: Theo )
10

2.2. Gii thiuăcácăphngăphápăđiu khin xe t xa
2.2.1 Phngăphápăđiuăkhinăxe tăxaăcóăphnăhiăh̀nhănhă
Trong phơng pháp này, nhng hình nh về môi trng làm việc ca xe từ xa

đc truyền về giao diện điều khin thông qua thit b thu phát hình nh cho phép
ngi điều khin quan sát khung cnh làm việc ca xe từ xa bằng mt thng trên
màn hình máy tính và thực hiện các thao tác điều khin ngay ti v trí ngi điều
khin ngồi.

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh
Giao diện điều khin cách xe mt khong cách từ vài trăm (m) đn hàng ngàn
(km) hoặc xa hơn na. Thông tin đc truyền vô tuyn (không dây) hoặc hu tuyn
(có dây). Nh hình 2.2 bao gồm 3 khối chc năng sau:
- Khối x lý hình nh và giao diện điều khin: Ngi điều khin quyt đnh
thực hiện các lệnh điều khin xe từ xa dựa trên thông tin th giác khi quan sát hình
nh trên màn hình máy tính. Vì lý do này, hình nh hin th phi đt yêu cầu trực
quan nhng thực t hình nh truyền về luôn tr với mt đơn v thi gian nhất đnh
do nhiều nguyên nhân nh tốc đ x lý máy tính, loi kênh truyền thông tin, v.v.
Thêm vào đó, việc thu hình (xem Hình 2.3) và x lý hình nh kt hp gia các
cameras gặp nhiều hn ch, gây ra hình nh phn hồi không trung thực do môi
trng thiu ánh sáng, góc đt camera và sự rung ca camera. Do đó nh hng đn
việc điều khin phơng tiện từ xa s không chính xác.
- Khối kênh truyền thông tin: Có chc năng thu phát các gói d liệu theo
nhng giao thc nh TCP/IP, UDP, v.v. [15]. Tốc đ truyền d liệu  các kênh
truyền thông tin ph thuc rất nhiều vào băng thông ca kênh truyền đó. Từ đó ta
nhn thấy rằng đ truyền d liệu hình nh từ xa với tốc đ cao ta phi chn kênh
Màn hình
máy tính
Giao diện điều khin
Xe và môi trng tơng tác
Ngi điều
khin
Môi
trng

tơng
tác

Xe
Kênh truyền
thông tin
Camera
11

truyền có băng thông lớn nhằm gim thiu thi gian tr và mất mát d liệu do
đng truyền băng thông thấp gây ra. Điều này làm tăng chi phí cho hệ thống
- Khối xe từ xa và thit b thu hình: Xe từ xa hot đng trong môi trng rất
xa mà con ngi không th nhìn thấy rõ. Vì vy, các thông tin về môi trng hot
đng ca phơng tiện s đc thit b thu hình ghi nhn bi mt hoặc nhiều
cameras.
Vấn đề th nhất đặt ra, góc quan sát ca camera có giới hn từ 3
0
đn 110
0
nhỏ
hơn nhiều so với góc quan sát ca hai mt ngi (180
0
) [16]. Đ góc quan sát ca
camera đc rng hơn chúng ta s dng hai hoặc nhiều cameras kt hp, nhng
ngc li dung lng hình nh từ hệ thống camera tăng lên rất cao, làm nh hng
đn chất lng hình nh phn hồi trên màn hình hin th. Góc quan sát các cameras
kt hp lúc này đc biu din bi sơ đồ hình 2.3.

Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát ca mt camera (a) và góc quan sát kt hp hai
cameras (b)

Trong hình 2.3 trên, góc quan sát kt hp hai cameras đc tính bi công thc:



(2.1)
L
Camera
Camera
f
2


1


2


1


1

L/2
L/2
f
1

(b)
(a)

B
Camera

2
= 2 tan
1

L
2f
1
+
1
tan(90
0


1
2
)

12

Trong đó:

1
là góc quan sát camera

2
là góc quan sát kt hp hai cameras
f

1
là tiêu cự ống kính camera
f
2
là tiêu cự o
L là khong cách lp đặt gia hai cameras
Vấn đề th hai là vùng không gian mà cameras không quan sát đc trên
hớng di chuyn ca xe hay còn gi là vùng mù. Nh hình 2.3, (B) là vùng mù. Đây
chính là mt trong nhng nhc đim lớn nhất ca phơng pháp này khi các vt cn
xuất hiện gần phơng tiện.
2.2.2 Phngăphápăđiuăkhinăxe tăxaăcóăphnăhiăh̀nhănhăvƠăxúcăgiác
Tơng tự phơng pháp đư nêu trên. Đim đt phá ca phơng pháp này là s
dng công nghệ phn hồi xúc giác (haptics) giúp ngi điều khin cm nhn đc
sự tơng tác gia xe từ xa với môi trng hot đng ca nó và gần nh chân thực
thông qua giao diện phn hồi xúc giác.

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khin xe từ xa có phn hồi hình nh và xúc giác
Hệ thống cm bin bao gồm mt hoặc nhiều loi cm bin nh: Cm bin
khong cách, cm bin tốc đ, cm bin áp suất, cm bin nhiệt đ, v.v. [17]. Các
loi thông tin này đc gi đn giao diện điều khin qua kênh truyền thông tin, sau
đó nó s đc tái to và phn hồi lên giao diện haptics. Từ giao diện này, ngi
điều khin s cm nhn đc sự tơng tác gia xe từ xa với môi trng hot đng
ca nó, hay nói cách khác ngi điều khin s có cm giác nh đang điều khin xe
trực tip.
Màn hình
máy tính
Giao diện điều khin
Xe và môi trng tơng tác
Phn hồi
xúc giác

Kênh truyền
thông tin
Môi
trng
tơng
tác

Xe
Camera
Cm bin
Ngi
điều
khin
13

Hơn na, phơng pháp này s khc phc đc nhc đim ca phơng pháp
điều khin phơng tiện từ xa ch có phn hồi hình nh khi vt cn xuất hiện trong
vùng mù ca hệ thống cameras nh đư phân tích trong mc 2.2.1.

Hình 2.5: V trí lp đặt cm bin khong cách trên phơng tiện từ xa
Cm bin đc lp đặt ti vùng mù ca hai cameras nh hình 2.5, khi đó cm
bin phát hiện vt cn và đo khong cách vt cn dựa trên góc phn x ca chùm tia
hồng ngoi từ vt cn (xem Hình 2.6).

Hình 2.6: Nguyên lý đo khong cách
Vt cn xa
L
2



1


2

B
phát
Thấu kính
L
Vt cn gần
d
c2

d
c1

L
1

d
B
thu
Cm bin
khong cách

1


1

L
L/2
L/2
f
Camera
Camera
B
Vt cn
d
ci

14

Tùy vào khong cách ca vt, góc φ
i
(i =1, 2, n) ca tam giác đo s thay đổi
tơng ng từng giá tr L
i
trên b thu. Từ đó, xác đnh khong cách tới vt cn cần
đo d
ci
dựa theo công thc về hệ thc lng trong tam giác:

d
ci
+ d
d
ci
=
L

i
L

Suy ra:

Trong đó:
d
ci
là dãy khong cách vt cn (i =1, 2, n)
L = const là khong cách gia 2 thấu kính
L
i
là nhng giá tr tơng ng với từng góc phn x ca tia hồng ngoi từ
vt cn về b thu (i =1, 2, n)
d

= const là hệ số đo
Khi khong cách vt cn  xa thì cách đo này không hiệu qu vì φ
i
gim về
không rất nhanh nên các tia phn x từ nhng vt cn tp trung ti vùng lân cn ca
mt đim thu. Đ đo đc khong cách vt cn  xa ngi ta dùng cm bin siêu
âm. Sóng này truyền đi trong không khí với vn tốc khong 343 m/s. Nu mt cm
bin phát ra mt sóng và thu về các sóng phn x đồng thi, đo đc khong thi
gian từ lúc phát đi đn lúc thu về thì ta xác đnh đc quưng đng mà sóng truyền
di truyền đi trong không gian. Quưng đng truyền đi ca sóng s bằng 2 lần
khong cách từ cm bin đn vt cn theo hớng phát ca sóng siêu âm. Khong
cách từ phơng tiện đn vt cn đc tính bi công thc:

Trong đó:

d
ci
là khong cách từ cm bin đn vt cn
v là vn tốc ca sóng
t
i
là thi gian sóng từ lúc phát đi đn lúc thu về
i = 1, 2, 3, …, n
d
ci
= v
t
i
2

(2.3)
d
ci
=
d
L
i
L
1

(2.2)
15

2.3ăĐng lc hc haptics và điu khin phngătin t xa
2.3.1ăKháiăquátăhăthngăđiuăkhin phngătinătăxa

Hệ thống điều khin phơng tiện từ xa bao gồm hệ thống máy tính và nhng hệ
cơ khí cho phép con ngi vn hành, di chuyn, cm giác đc hot đng ca
phơng tiện và thực hiện các thao tác điều khin nhng đối tng  khong cách
xa.

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khin phơng tiện từ xa
Nh hình 2.7, khi ngi điều khin tác dng lực f
m
vào thit b haptics, nó s
chuyn đng 1 đon 
m
thì tơng ng với lực f
s
và đon dch chuyn 
s
ca
phơng tiện từ xa.
2.3.2ăĐng lc hc haptics trongăđiu khinăphngătin t xa

Hình 2.8: Mô hình đng lực hc ca thit b ch/nô (Nguồn: Theo Jee Hwan Ryu,
bài 5, phần Teleoperation and haptics)
Master (ch)
Slave (nô)
f
op

k
op

f

m

m
m

b
op

m
op


m




b
m

b
s

m
s

m
e





f
s

k
e

b
e




Ngi điều khin
Môi trng tơng tác
Đối tng điều khin
Đối tng b điều khin
Kênh truyền thông tin
f
m


m


S

f
S

16

Đng lực hc ca thit b master và slave đc biu din bằng các phơng trình
sau:
Master: m
m

m
+ b
m

m
= 
m
+ f
m
(2.4)
Salve: m
s

s
+ b
s

s
= 
s
f
s

(2.5)
Trong đó:

m
: Đ dch chuyn master
b
s
: Hệ số gim xóc slave

s
: Đ dch chuyn slave
f
m
: Lực tác dng trên master
m
m
: Hệ số khối lng master
f
s
: Lực tác dng trên slave
m
s
: Hệ số khối lng slave

m
: Lực dch chuyn master
b
m
: Hệ số gim xóc master


s
: Lực dch chuyn slave
Đng lực hc tơng tác gia môi trng với slave đc tuyn tính hóa nh sau:
f
s
= m
e

s
+ b
e

s
+ k
e

s
(2.6)
Trong đó:
m
e
: Hệ số khối lng ca môi trng
b
e
: Hệ số gim xóc ca môi trng
k
e
: Hệ số cng ca môi trng
Sự dch chuyn ca đối tng đc th hiện bi 


. Bi vì gi đnh cho thit b
slave gn cng hoặc nm chặt vào môi trng đây cũng là cách mà slave có th di
chuyn và vn hành đối tng. Đng lực hc ca ngi điều khin đc biu din
bi hệ thống lò xo ậ van điều tit ậ khối lng.
f
op
f
m
= m
op

m
+ b
op

m
+ k
op

m
(2.7)
Trong đó:
m
op
: Hệ số khối lng tác dng ngi điều khin
f
op
: Lực tác đng ca ngi điều khin
b
op

: Hệ số gim xóc tác dng ngi điều khin
k
op
: Hệ số cng tác dng ngi điều khin