Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

iv
TÓM TT
Đề tài “Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phương pháp tái tạo cảm giác
xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa” đợc thực hiện ti Trng Đi học S phm
Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí εinh dới sự hớng dẫn khoa học ca Tiến sĩ Nguyễn
Bá Hi.Trong đề tài này, tác gi đã thực hiện tổng hợp và phân tích các công trình
nghiên cu đã công bố trong và ngoài nớc có liên quan tới vấn đề cần nghiên cu,
phân tích các tơng tác xúc giác giữa ngi điều khiển và ô tô trong trng hợp
điều khiển ô tô trực tiếp. Trên cơ s đó, tác gi trình bày các phơng pháp tái to
cm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa. Để chng minh cho những kết qu đã
tìm đợc trong quá trình phân tích và nghiên cu, tác gi đã sử dng một bộ thí
nghiệm to cm giác xúc giác và tiến hành ba thí nghiệm để tái to cm giác xúc
giác về áp suất (cng, mềm), rung, nhiệt độ cho ngi điều khiển ô tô.Qua kết qu
thí nghiệm đt đợc, tác gi đã chng minh đợc những lý thuyết đã tìm thấy trong
quá trình nghiên cu và rút ra kết luận về các phơng pháp tái to cm giác xúc giác
trong điều khiển ô tô từ xa.
ABSTRACT
This research is done at University of Technical Education Ho Chi Minh
City under the scientific guidance of Dr. Nguyen Ba Hai.In this study, the author
has made synthesis and analysis of researches published by domestic and
international journals and conferences related to haptic interactions between the
operator and vehicle. From this basis, the authors present methods to recreate the
sense of touch in vehicle teleoperation. To demonstrate the results found during
analysis and research, the authors have used experiments to create the sense of
touch, and conducted three experiments to reproduce the tactile sensation of
pressure (hard, soft), vibration, and temperature. Experimental results have shown
that the theory was found in the research is significant to reproduce the senses of
haptic feedback for human operators.

v
MC LC

Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học i
Li cam đoan ii
Cm t iii
Tóm tắt iv
Mc lc v
Danh sách các từ viết tắt x
Danh sách các hình xi
Danh sách các bng xv
Chng 1: TNG QUAN 1
1.1 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu 1
1.2 Các nghiên cu trong nc vƠ ngoƠi nc 3
1.2.1 Nghiên cu trong nớc 3
1.2.2 Nghiên cu ngoài nớc 6
1.3 Mc đích ca đ tài 10
1.4 Gii hn ca đ tài 10
1.5 Phng pháp nghiên cu 10
Chng 2: C S Lụ THUYT 12
2.1 Tng quan v tng tác ngi và xe 12
2.2 Cm giác là gì? 13
2.2.1 Khái niệm 13
2.2.2 Các loi cm giác 14
2.3 Vai trò ca các giác quan trong điu khin xe trực tip 15
vi
2.4 Xúc giác là gì? 17
2.4.1 Khái niệm 17
2.4.2 Cơ chế to cm giác xúc giác 18
2.4.3 Những cm giác xúc giác mà tay ngi có thể cm nhận đợc khi tơng tác
với một vật thể 22

2.4.3.1 Cm giác về chuyển động ngang (thô, nhám) 22
2.4.3.2 Cm giác về áp suất (cng, mềm ) 22
2.4.3.3 Cm giác về nhiệt độ 23
2.4.3.4 Cm giác về trọng lợng 23
2.4.3.5 Cm giác về đng biên, thể tích 24
2.4.3.6 Cm giác về sc bén đng biên 24
2.4.4 Vai trò ca xúc giác 25
2.4.4.1 Vai trò ca xúc giác trong hot động ca con ngi 25
2.4.4.2 Vai trò ca xúc giác trong lái xe trực tiếp 27
2.5 Xúc giác trên xe là gì? 28
2.5.1 Khái niệm 28
2.5.2 Một số cm giác xúc giác mà con ngi cm nhận đợc khi điều khiển xe 28
2.5.2.1 Tơng tác với vô lăng 28
2.5.2.2 Tơng tác với bàn đp ga 28
2.5.2.3 Tơng tác với bàn đp phanh 29
2.5.2.4 Tơng tác với cần sang số 30
2.5.2.5 Tơng tác với ghế ngồi 30
2.5.2.6 Tơng tác với nút nhấn 31
2.6 Gii thiu công ngh Haptics 32
2.7 Các ng dng ca công ngh Haptics 34
2.7.1 Các ng dng với haptics trên ô tô 34
vii
2.7.2 ng dng haptics trong y học 35
2.7.3 Haptic cho ngi mù 37
2.7.4 ng dng haptics trong quân sự 38
2.7.5 ng dng trong công nghiệp 38
2.7.6 ng dng haptics trong giáo dc 39
2.7.8 ng dng haptic trong công nghệ thông tin 40
2.8 Lực phn hi t môi trng lên robot di đng dựa trên phng pháp Logic
m 41

2.8.1 Tổng quan về điều khiển từ xa robot di động 41
2.8.2 Lực phn hồi từ môi trng 42
2.8.3 Quy tắc m trong việc biểu diễn lực phn hồi 43
2.8.4 Phân tích ổn định ca hệ thống điều khiển từ xa robot di động 45
2.8.5 Haptics trong điều khiển từ xa robot di động 50
2.8.5.1 Sự tơng tác o giữa ngi điều khiển, khối lợng o và môi trng 53
2.8.5.2 Lực o to ra bi môi trng 53
2.8.5.3 Tơng tác với ngi điều khiển 55
2.9 To cm giác lái cho h thống SBW bằng phng pháp sử dng cm bin
dòng đin. 57
2.9.1 Giới thiệu hệ thống SBW 57
2.9.2Tái to cm giác lái bằng phơng pháp đo dựa trên cng độ dòng điện 58
2.9.2.1Hot động ca phơng pháp dựa trên cm biến dòng 58
2.10 Gii thiu phần mm LabVIEW 62
2.10.1 LabVIEW là gì 62
2.10.2 ng dng LabVIEW trong thực tế 62
2.10.3 Lập trình với LabVIEW 64
2.11 Thut toán PID và ng dng vƠo điu khin đng c DC 65
viii
2.11.1 Khái niệm về thuật toán PID 65
2.11.2 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán PID 66
Chng 3: CÁC PHNG PHÁP TÁI TO CM GIÁC XÚC GIÁC TRÊN Ô
TÔ 68
3.1 Phân loi phng pháp tái to cm giác xúc giác trên ô tô 68
3.2 Tái to cm giác xúc giác áp suất (cng, mm) 68
3.3 Tái to cm giác xúc giác rung xóc cho ngi điu khin ô tô 71
3.4 Tái to cm giác xúc giác nhit đ cho ngi điu khin ô tô 74
Chng 4: THÍ NGHIM VÀ KT QU NGHIÊN CU 77
4.1 Thí nghim 77
4.1.1 Giới thiệu mô hình thí nghiệm 77

4.1.2 Thí nghiệm to cm giác xúc giác áp suất (cng, mềm) 79
4.1.3 Thí nghiệm to cm giác xúc giác rung 80
4.1.4 Thí nghiệm to cm giác xúc giác nhiệt độ (nóng, lnh) 82
4.2 Kt qu thí nghim 84
4.2.1 Kết qu thí nghiệm to cm giác xúc giác áp suất 84
4.2.2 Kết qu thí nghiệm to cm giác xúc giác nhiệt độ 85
Chng 5: KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN 87
5.1 Kt lun 87
5.2 Hng phát trin 87
TÀI LIU THAM KHO 89
PH LC 91
Ph lc A: Mt số khối (hàm thc) ph bin trong LabVIEW 91
A1 Cấu trúc một số vòng lặp 91
A2 Một số hàm Delay thi gian 93
A3 Cách lấy các hàm tính toán và so sánh 95
ix
Ph lc B: Kt qu lp trình PID cho đng c DC vi LabVIEW 96
B1 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu P 96
B2 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PI 98
B3 Điều khiển vị trí động cơ DC bằng khâu PID 99


x
DANH SÁCH CÁC T VIT TT

DC ( Direct Current) :Dòng điện một chiều
IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) :Kỹ sư điện và điện tử
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation
Engineering Workbench) :Ngôn ngữ lập trình đồ họa

PDA (Personal Digital Asistant) :Thiết bị hỗ trợ cá nhân
PID (Proportional–Integral–Derivative) :Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân
SW (Switch) :Công tắc
USB (Universal Serial Bus) :Chuẩn kết nối tuần tự
VCC :Nguồn 5V lấy từ USB
XBW (X-by-Wire) :Hệ thống điều khiển bằng dây
SBW (Steering – By – Wire) :Hệ thống lái bằng dây
RW (Road – Wheel) :Bánh xe
HW (Hand – Wheel) :Vô lăng
LAN (Wireless Local Area Network) :Mng nội bộ
PCI (Peripheral Component Interconnect) :Chuẩn để truyền dữ liệu giữa các
thiết bị ngoi vi đến bo mch chủ.

xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 2.1: Các giác quan bên ngoài ca con ngi 14
Hình 2.2: Cấu trúc da 18
Hình 2.3: Đng truyền xúc giác qua da 21
Hình 2.4: Cm giác chuyển động ngang 22
Hình 2.5: Cm giác về áp suất 23
Hình 2.6: Cm giác về nhiệt độ 23
Hình 2.7: Cm giác về trọng lợng 24
Hình 2.8: Cm giác đng biên 24
Hình 2.9: Cm nhận sc bén đng biên 25
Hình 2.10: Tơng tác với vô lăng 28
Hình 2.11: Tơng tác với bàn đp ga 29
Hình 2.12: Tơng tác với bàn đp phanh 30
Hình 2.13: Tơng tác với cần sang số 30

Hình 2.14: Tơng tác với ghế ngồi 31
Hình 2.15: Tơng tác với nút nhấn 32
Hình 2.16: Tơng tác với thế giới o 33
Hình 2.17: Cơ cấu Haptic một bậc tự do 34
Hình 2.18: Giao diện Haptics dùng trong điều khiển xe từ xa 35
Hình 2.19: Bng điều khiển bằng xúc giác iDrive Touch ca BεW 35
Hình 2.20: Tơng tác với hình nh ba chiều thông qua cánh tay robot 36
Hình 2.21:Tơng tác với hình nh 3D để phẫu thuật từ xa 37
Hình 2.22:Tiến sĩ Garnette Sutherland đang giới thiệu neuroArm ti Đi học
Calgary 37
xii
Hình 2.23:Một ngi mù trong hội ngi mù Th Đc đang thử nghiệm chiếc nón
mắt thần 38
Hình 2.24: Sử dng haptics để lắp ráp bom ht nhân 38
Hình 2.25: ng dng haptics điều khiển robot từ xa 39
Hình 2.26: Thực hành lái máy xúc trong môi trng thực tế o 39
Hình 2.27: Axon Logic ra mắt chiếc tablet Haptics 40
Hình 2.28: Công nghệ phn hồi xúc giác trên điện thoi màn hình cm ng 41
Hình 2.29: Thiết bị ch và robot di động 41
Hình 2.30: Sơ đồ biểu diễn lực phn hồi dựa trên thông tin phm vi vật cn 43
Hình 2.31: Robot di động trong không gian hot động rộng và hẹp 43
Hình 2.32: Cấu trúc điều khiển từ xa robot di động với phơng pháp đề xuất biểu
diễn lực phn hồi 44
Hình 2.33: Sơ đồ tổng quát hệ thống điểu khiển robot di động từ xa với lực phn
hồi 47
Hình 2.34: Kết qu mô phỏng cho hệ thống điều khiển từ xa với hằng số và hệ số
phn hồi thay đổi 49
Hình 2.35: Tổng quan hệ thống điều khiển từ xa robot di động 50
Hình 2.36: Sự tơng tác o với vật cn 50
Hình 2.37: Sơ đồ ca chiến lợc điều khiển robot từ xa 51

Hình 2.38: Sự chuyển đổi vận tốc ẋ ca khối lợng thành vận tốc điểm đặt 52
Hình 2.39: Mô hình ca sự tơng tác giữa ngi vận hành, khối lợng o và môi
trng 53
Hình 2.40: Vị trí ca thiết bị Haptics và sự tính toán ca ẋtrong khung tham chiếu
Robot di động 56
Hình 2.41: Mô hình động lực học hệ thống SBW 57
Hình 2.42: Sơ đồ kết nối cm biến dòng 60
Hình 2.43: Kh năng kết hợp các phần cng ca δabVIEW 63
xiii
Hình 2.44: Các lĩnh vực ng dng ca δabVIEW 63
Hình 2.45: Một robot dới nớc (Spider) đợc phát triển dựa trên lập trình
LabVIEW 64
Hình 2.46: Cửa sổ Front Panel 64
Hình 2.47: Cửa sổ Block Diagram 65
Hình 2.48: Sơ đồ điều khiển động cơ DC theo thuật toán PID 66
Hình 2.49: Thuật toán điều khiển động cơ DC theo vị trí bằng PID 66
Hình 3.1: Mô hình tính toán phn hồi lực 69
Hình 3.2: Sự rung do lực quán tính ly tâm 72
Hình 3.3: Cơ cấu báo nguy áp suất dầu bôi trơn 73
Hình 3.4: Cơ cấu báo nguy nhiệt độ nớc làm mát động cơ 74
Hình 3.5: Mô hình phơng pháp tái to nhiệt 75
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm to cm giác xúc giác: áp suất, nhiệt
độ, rung 77
Hình 4.2: Mô hình thí nghiệm to cm giác xúc giác áp suất, rung, nhiệt độ 79
Hình 4.3: δu đồ thuật toán lập trình to cm giác xúc giác áp suất 79
Hình 4.4: Giao diện điều khiển to cm giác áp suất 80
Hình 4.5: δu đồ thuật toán lập trình to cm giác xúc giác rung 81
Hình 4.6: Giao diện thí nghiệm to cm giác xúc giác rung 81
Hình 4.7: δu đồ thuật toán lập trình to cm giác xúc giác nhiệt độ 82
Hình 4.8: Giao diện điều khiển to cm giác xúc giác nhiệt độ 83

Hình 4.9: Chơng trình lập trình mô hình thí nghiệm 83
Hình 4.10: Đáp ng ca lực F và dòng i theo góc α 84
Hình 4.11: Đồ thị nhiệt độ ca bộ to nhiệt theo thi gian t 85
Hình 4.12: Biên độ rung theo thi gian 86
Hình A1.1: Lấy vòng lặp 91
xiv
Hình A1.2: Khối While δoop 91
Hình A1.3: Khối Case Structure 92
Hình A1.4: Khối Flat Sequence 92
Hình A1.5: Khối While δoop 93
Hình A2.1: Cách lấy hàm delay thi gian 93
Hình A2.2: Khối Flat Sequence 94
Hình A2.3: Hàm While Until Next ms Multiple 94
Hình A3.1: Các hàm tính toán trong LabVIEW 95
Hình A3.2: Các hàm so sánh trong LabVIEW 95
Hình B1.1: Kết qu lập trình P control cho động cơ DC 96
Hình B1.2:Sơ đồ khối chơng trình điều khiển P control 96
Hình B1.3: Giao diện ngi dùng điều khiển P cho động cơ DC 97
Hình B1.4: Đáp ng ca vị trí động cơ DC 97
Hình B2.1: Điều khiển khâu PI vị trí động cơ DC 99
Hình B2.2: Điều khiển khâu PID vị trí động cơ DC 100



xv
DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 4.1: Các linh kiện điện và điện tử sử dng trong mô hình thí nghiệm 78

1
Chng 1
TNG QUAN

1.1 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu
Ngày nay, công nghệ thông tin và phần mềm đã phát triển mnh mẽ và
không ngừng vơn tới những đỉnh cao ca khoa học. Những thành tựu đã đt đợc
ca nó góp phần rất lớn vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong đi sống cũng nh
trong kỹ thuật, giúp cho việc điều khiển các thiết bị kỹ thuật dễ dàng và chính xác
hơn. Quan trọng hơn, đó là việc điều khiển từ xa giúp cho con ngi điều khiển các
thiết bị, phơng tiện thực hiện các nhiệm v nguy hiểm mà con ngi không thể
trực tiếp tham gia, ví d nh hot động dò phá bom mìn, làm sch các nhà máy ht
nhân, lắp ráp chế to bom ht nhân…Bên cnh đó, sự phát triển mnh mẽ ca công
nghệ điện tử đã can thiệp rất nhiều vào các hệ thống trên ô tô và dần dần thay thế
các chi tiết cơ khí vốn cồng kềnh, dễ h hỏng, giúp cho ô tô ngày càng thông minh
hơn. Ví d, công nghệ điều khiển bớm ga bằng điện tử đã thay thế dây cáp nối từ
bàn đp ga xuống tr ga, hay hệ thống lái không trc lái đã bỏ đi đợc trc lái và
làm cho không gian cabin rộng hơn to điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế nội thất.
Ngoài ra, ngành công nghiệp ô tô cũng kế thừa một thành tựu quan trọng ca công
nghệ điện tử, truyền thông đó là kỹ thuật điều khiển từ xa.
Trong việc điều khiển ô tô từ xa, ngi điều khiển không trực tiếp điều khiển
chiếc xe mà phi thông qua giao diện ngi dùng. Do đó, cm giác khi điều khiển
xe thông qua giao diện ngi dùng sẽ có rất nhiều hn chế nh không cm nhận
đợc các lực tác động từ môi trng lên chiếc xe mà ta đang điều khiển nh sự rung

lắc khi xe đi vào đng mấp mô, không cm nhận đợc lực quán tính khi phanh hay
khi tăng, gim tốc độ đột ngột, tầm nhìn bị hn chế, nhiệt độ môi trng xe đang
làm việc. Chúng ta cũng dễ nhận thấy là khi thay thế các chi tiết cơ khí trong một số
hệ thống thì cm giác khi điều khiển sẽ không giống nh khi ta trực tiếp điều khiển,
dẫn đến hiệu qu điều khiển sẽ không cao. Để nâng cao hiệu qu điều khiển từ xa ô

2
tô thì cần có một công nghệ mà phi tái to một phần hay toàn bộ trng thái đang
hot động ca chiếc xe hay cm giác khi gián tiếp tơng tác với hệ thống ca xe,
làm cho ngi điều khiển có cm giác nh khi trực tiếp điều khiển xe, nghĩa là cần
phi có sự phn hồi thông tin từ chiếc xe đến ngi điều khiển hay tơng tác giữa
ngi và xe hoặc là tơng tác giữa ngi điều khiển và các thiết bị trên ô tô.
Thông tin phn hồi này có thể là hình nh, âm thanh, lực tác động…Trong số
các thông tin phn hồi đó, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cu thông tin phn hồi xúc
giác bi vì thông tin này chiếm vị trí quan trọng các các thông tin nh hình nh, âm
thanh.
Một trong những công nghệ có thể tái to đợc cm giác xúc giác này chính
là công nghệ Haptics. Có thể nói, công nghệ Haptics là công nghệ ca ô tô trong
tơng lai mà thế giới đang hớng tới. Nghiên cu ng dng công nghệ Haptisc trên
ô tô sẽ giúp cho việc điều khiển ô tô từ xa chính xác hơn. Hơn nữa, công nghệ tái
to cm giác xúc giác cũng góp phần quan trọng về các mặt nh:
+ Về kinh tế xã hội: Việc nghiên cu công nghệ tái to cm giác xúc giác
thành công sẽ giúp cho Việt Nam không bị lệ thuộc vào việc mua công nghệ này từ
nớc ngoài mà chúng ta sẽ là ngi làm ch công nghệ này trong tơng lai không
xa, do đó sẽ gim đợc chi phí cho xã hội.
+ Về khoa học kỹ thuật: Nó giúp cho các ngành y học, công nghiệp chế to
lắp ráp phát triển lên một bậc cao. Ví d nh nó có thể giúp cho các bác sĩ tiến hành
phẫu thuật từ xa một cách chính xác mà không cần phi trực tiếp đến phòng mổ,
điều này rất thuận tiện trong những trng hợp khẩn cấp mà bác sĩ phẩu thuật 
cách xa bệnh nhân c ngàn cây số. Hay trong việc lắp ráp các thiết bị mang tính chất

nguy hiểm, nó sẽ giúp cho chúng ta thực hiện công việc này từ xa tơng đối chính
xác mà không cần phi trực tiếp làm việc trong những môi trng nguy hiểm này.
+ Về giáo dc: Chúng ta có thể ng dng công nghệ tái to xúc giác vào mc
đích đào to, huấn luyện. Ví d, ta có thể to ra một mô hình cabin ô tô trên đó có
gắn các thiết bị cần thiết cho việc điều khiển ô tô nh: vô lăng, ghế ngồi, bàn đp

3
ga, bàn đp phanh, bàn đp ly hợp, cần số và một màn hình quan sát mô phỏng ô tô
và môi trng hot động ca nó. Ca bin này sẽ cho ngi tập lái cm giác gần
giốngnh đang ngồi trên ca bin thật ca ô tô. Do đó, ta có thể ngồi tập lái trên cabin
này trớc khi tập lái trên ô tô thật nhằm tiết kiệm nhiên liệu, gim chi phí đào to,
gim ô nhiễm môi trng, tránh những ri ro do thao tác thiếu chính xác ca những
ngi mới tập lái ô tô.
Vì những lỦ do trên mà tác gi quyết định chọn đề tài “Nghiên cu và phát
trin lý thuyt phng pháp tái to cm giác xúc giác trong điu khin ô tô t
xa” để thực hiện đề tài cao học.
1.2 Các nghiên cu trong nc vƠ ngoƠi nc
1.2.1 Nghiên cu trong nc
δiên quan đến vấn đề tái to cm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa,
hiện đã có nhiều công trình nghiên cu ca các sinh viên, kỹ s trong các trng
Đi học ti Việt Nam đã công bố. Sau đây là một số công trình tiêu biểu:
Đề tài “Điều khiển phương tiện từ xa với mô hình xe thực tế” và đề tài
Điều khiển xe ba bánh từ xa có phản hồi cảm giác lái” ca Nguyễn Trng
Giang, Lê Thanh Phong , hớng dẫn bi TS. Nguyễn Bá Hi, đã nghiên cuhaiđề
tài thành công trong việc điều khiển xe qua sóng wifi trong khuôn viên trng Đi
học S phm Kỹ thuật Tp.HCε.
Đề tài “Hệ thống lái gián tiếp điện tử (Steer-by-wire)” ca KS. Chu Văn
Sinh dới sự hớng dẫn ca TS. Nguyễn Bá Hi. Trong đề tài này, nhóm nghiên
cu đã to ra hệ thống lái không trc lái (lái gián tiếp) cho xe quân sự. Cm giác lái
đợc tái to theo phơng pháp đơn gin là lực ca một lò xo o.

Đề tài “Nghiên cứu giao diện haptics phục vụ điều khiển phương tiện từ
xa”, đề tài nghiên cu khoa học trọng điểm trng Đi học S phm Kỹ thuật
Tp.HCM do TS Nguyễn Bá Hi ch trì. Đề tài đã nghiên cu và chế to thành công
với các cm giác xúc giác  3 trc ca cơ cấu điều khiển (hai joystick đơn và một
vô lăng).

4
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế giao diện Haptics điều khiển xe ôtô từ xa qua
mạng wifi” ca Nguyễn Thành Tuyên và δê Thiện Tịnh, Đi học S phm Kỹ thuật
TP.HCM, 2011.
- Đề tài mô t cách thc to cm giác lái thông qua điều khiển xe từ xa.
- Nghiên cu thuật toán PID điều khiển cm giác lái cho giao diện
Haptics.
- Thực hiện phơng pháp truyền nhận dữ liệu thông qua mng nội bộ
- Hn chế ca đề tài là cha to ra cm giác xác thực và điều khiển thông
qua mng khác nhau.
Đề tài “Nghiên cứu và phát triến hệ thống điều khiển ga phục vụ điều
khiển ô tô từ xa” thông qua mạng 3G” ca Trần Xuân Trình đợc thực hiện ti
phòng nghiên cu ca trung tâm bồi dỡng giáo viên và đào to nhân lực công nghệ
cao Trng Đi Học S Phm dới sự hớng dẫn ca TS.Nguyễn Bá Hi,
2012.Trong đề tài này, ngi thực hiện đã thực hiện đợc các công viêc nh sau:
- Thiết kế đợc cơ cấu điều khiển ga.
- Lập trình điều khiển đợc hệ thống ga điều khiển từ xa qua mng 3G.
- Đo đc đợc độ trễ ca tín hiệu khi truyền qua mng thông qua mng 3G.
- Đo đợc độ đáp ng về sự tăng tốc ca xe khi truyền qua mng.
- So sánh độ đáp ng giữa viêc điều khiển trực tiếp và điều khiển từ xa
qua.
Hn chế ca đề tài :
- Đề tài chì có thể điều khiển ga gián tiếp trên một chiếc xe ch 4 ngi,
và chỉ đt vận tốc tối đa 30km/h.

- Xe mang tính chất thí nghiệm nên cha thể chy ra lộ mà chỉ đợc thử
nghiệm trong khuôn viên trng.
- Xe chỉ có thể điều khiển đợc trong vòng bán kính 100m.
- Do tốc độ truyền dữ liệu qua mng có một độ trễ nhất định nên cơ cấu
đợc điều khiển sẽ có một độ trễ nhất định so với thực tế.

5
Đề tài “Nghiên cứu và phát triển hệ thống lái không trục lái phục vụ điều
khiển xe quân sự từ xa” ca Nguyễn Nh Xuân Phúc đợc hớng dẫn bi TS.
Nguyễn Bá Hi, 2012.Trong đề tài này, tác gi đã gii quyết đợc các vấn đề sau:
- Thiết kế chuyển đổi hệ thống lái thng sang hệ thống lái SBW cho xe
quân sự
- Thiết kế phần cng và xây dựng phần mềm cho vô lăng điều khiển để tái
to cm giác lái xác thực trên vô lăng điều khiển hệ thống lái SBW dựa trên phơng
pháp đo dòng điện trực tiếp (sử dng phần mềm δabVIEW)
- Đánh giá kết qu thực nghiệm và so sánh các u nhợc điểm ca hệ thống
lái thng với hệ thống lái không trc lái
- Đo đợc thi gian trễ ca hệ thống lái không trc lái điều khiển từ xa qua
thiết bị Wifi.
- Tác gi đã chuyển đổi từ hệ thống lái thng sang hệ thống lái SBW điều
khiển từ xa trên một chiếc xe thật.
Đề tài “Nghiên cứu và phát triển hệ thống chuyển số gián tiếp phục vụ
điều khiển ô tô từ xa” ca Nguyễn Thanh εinh dới sự hớng dẫn ca TS. Nguyễn
Bá Hi,2012.
- Đề tài này tập trung vào việc phát triển một hệ thống chuyển số gián tiếp
(Shift – By – Wire) dựa trên cơ s động cơ điện và đo thi gian chênh lệch giữa hệ
thống điều khiển và hệ thống điều khiển gián tiếp từ xa.
- Hệ thống bao gồm một động cơ điện một chiều để dẫn động cần chuyển số
và các công tắc hành trình để xác định vị trí số, dùng card giao tiếp và mch khuếch
đi đợc lập trình điều khiển thông qua phần mềm δabVIEW. Hệ thống cơ bn vẫn

giữ nguyên kết cấu ban đầu, tác gi thiết kế hệ thống mới gắn song song với hệ
thống hiện ti đợc điều khiển thông qua nút nhấn tích hợp trên vô lăng hoặc điều
khiển từ xa thông qua mng không dây 3G. Do đó, có thể điều khiển  ba chế độ:
trực tiếp, gián tiếp và điều khiển từ xa. Nghiên cu này đợc chng minh bằng kết
qu thực nghiệm trên một xe quân sự bốn chỗ đợc ci to từ xe sân golf.

6
- Hn chế ca đề tài là kết cấu cơ khí cha đt đợc độ thẩm mĩ cũng nh độ
chính xác cao. Cha lập trình đợc chế độ dự phòng khi có sự cố. Hệ thống chỉ mới
ng dng trong thử nghiệm.
1.2.2 Nghiên cu ngoƠi nc
Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu “Direct Current Measurement Based Steer
– By – Wire System For Realistic Driving Feeling”, Industrial Electronics IEEE
(ISIE 2009).Đề tài đã nghiên cu các vấn đề sau:
- Nghiên cu phơng pháp to cm giác lái bằng phơng pháp đo dòng và so
sánh với các phơng pháp to cm giác khác.
- Trong quá trình to cm giác lái tác gi đư đề xuất các công thc phn hồi
cm giác lên ngi điều khiển.
- Trong đề tài còn hiển thị kết qu thực nghiệm cho việc to cm giác lái bao
gồm các đồ thị: đáp ng góc lái và góc bánh xe, không tiếp xúc mặt đng, có tiếp
xúc mặt đng, nh hng ca mô – men trợ lực.
Terrence Fong, Francois Conti, Sesbastien Grange, Charles Baur“Novel
interfaces for remote driving: gesture, haptic and PDA”, The Robotics Institute,
Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania 15213 USA.
- Đề tài đã giới thiệu 3 giao diện mới để điều khiển từ xa, trong đó có giao
diện haptics sử dng để gii quyết vấn đề phn hồi lực đến ngi điều khiển thông
qua thiết bị HapticDriver.
- Thiết bị bao gồm một robot di động đợc trang bị bộ cm biến khong
cách,một giao diện đồ họa và thiết bị haptics Delta. Nhóm nghiên cu này đã thử
nghiệm thiết bị HapticDriver ti một triển lãm thơng mi bằng cách để cho một số

ngi sử dng thiết bị này điều khiển một robot di động trong một con đng có
nhiều vật cn trong hai trng hợp: chỉ có phn hồi hình nh từ camera đợc gắn
trên robot di động mà không có thông tin phn hồi xúc giác và trng hợp th 2 là
có thêm thông tin phn hồi xúc giác. Qua việc thử nghiệm này, nhóm nghiên cu
thấy rằng nếu chỉ có thông tin phn hồi hình nh thì ngi điều khiển không đt
đợc kết qu tốt trong việc điều khiển robot di động từ xa so với trng hợp có

7
thêm thông tin phn hồi xúc giác, nghĩa là trong trng hợp th 2 thì ngi điều
khiển dễ dàng điều khiển robot di động về đúng mc tiêu với số lần robot di động
va chm với vật cn là rất ít so với trng hợp th nhất. Tuy nhiên, thiết bị vẫn còn
hn chế là chỉ cung câp thông tin về lực phn hồi 2D, tc là ngi điều khiển chỉ
phát hiện có vật cn ch không biết đợc đặc điểm môi trng hot động xung
quanh ca robot di động nh địa hình lồi lõm.
Nicola Diolaiti, Claudio Melchiorri “Haptics tele-operation of a mobile
robot” DEIS -Dept. of Electronics, Computer Science and Systems University of
Bologna – Italy.
- Nghiên cu đã trình bày về việc sử dng một giao diện haptics để tăng sự
cm nhận về vùng hot động ca robot di động. Đặc biệt một lực tơng tác o đợc
tính trên cơ s lực cn xung quanh chiếc xe để ngăn chặn các tiếp xúc nguy
hiểm.Ngoài ra, nghiên cu cũng trình bày một số thử nghiệm xác nhận rằng việc
tăng cng cm giác môi trng xung quanh chiếc xe sẽ làm gim sự va chm với
những chớng ngi vật. Chiếc xe đợc mô hình hóa nh một khối lợng o đợc
tác động bi ngi điều khiển và môi trng. Sự tơng tác o đợc mô phỏng bằng
liên kết với lực ca một lò xo o.
- Ngoài ra, một giao diện haptics với các thông tin phn hồi lực đã đợc sử
dng để điều khiển từ xa robot di động.
- Trong hệ thống trên, lực tơng tác o đợc tính toán dựa trên biểu đồ vị trí
đợc gửi đến giao diện haptic. Nhợc điểm ca hệ thống đó là thi gian trễ trong
quá trình điều khiển cha đợc khắc phc.

Dirk Odenthal, Tilman Bunte, Heinz-Dieter Heitzer, Christoph Eicker 
trung tâm không gian vũ tr Đc, 2002. “Nghiên cứu tạo cảm giác lái trên hệ
thống lái bằng dây giống như lái trợ lực”
- Đề tài tập trung thiết kế điều khiển hệ thống SBW có chc năng giống nh
hệ thống thng.
- Đề tài này trình bày về tỷ số truyền trong hệ thống lái bằng dây, sự ổn định

8
hệ thống lái và giao diện Haptics điều khiển phn hồi thông tin mặt đng.
- So sánh các hệ thống trợ lực bằng điện và thuỷ lực, từ đó đề ra phơng pháp
áp dng trên hệ thống SBW.
- Từ các nghiên cu trong đề tài tác gi đư đề xuất các phơng pháp điều khiển
phn hồi thông tin cm giác xúc giác thông qua cơ cấu điều khiển cổng ch và cổng
nô.
Yong Gu Ji, Kwangil Lee, Wonil Hwang “Haptic perceptions in the vehicle
seat”, Department of Information and Industrial Engineering, Yonsei University,
Seoul, Korea.
- Nghiên cu đã chỉ rõ vai trò giao diện haptics hoặc rung động xúc giác trong ghế
lái xe bằng cách thông qua 4 thực nghiệm: Cng độ thích hợp ca rung động;
Khong cách không gian tối thiểu có thể nhận ra sự rung động; Vị trí thích hợp và
hớng rung động; Nhịp điệu thích hợp ca rung động. Nghiên cu này đợc tiến
hành với 20 ngi tham gia lái xe trong môi trng mô phỏng. Những môi trng
này bao gồm một ghế xe thực tế, các bộ chấp hành to rung động (nh là mô tơ lệch
tâm) và một màn hình cho thấy cnh đng trong khi lái xe. Nghiên cu này đề
xuât tần số thích hợp khong 26 Hz đến 34 Hz, vị trí (lòng ghế hoặc sau lng), thi
gian ca rung động khong 3 – 5 s.
Sangyoo Lee, Gaurav. Sukhatme, Gerard Joungyun Kim, Park Chan-mo
“Haptic Control of a mobileRobot: A User Study”, Virtual Reality Laboratory,
Department of Computer Science and Engineering , Pohang University of Science
and Technology.

- Trong nghiên cu này, cm biến đợc sử dng trên robot để đo lng thông
tin phm vi ca vật cn, một chiến lợc chuyển thông tin này thành lực và phn hồi
đến tay ngi điều khiển thông qua giao diện haptics. Thông tin hình nh đợc cung
cấp từ một camera gắn phía trớc robot. Thí nghiệm cho thấy thông tin phn hồi ci
thiện đáng kể việc điều khiển robot: tăng khong cách tối thiểu từ robot đến vật cn,
gim va chm và thi gian điều khiển không gia tăng đáng kể.
Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu“Haptic interface for intuitive teleoperation

9
of wheeled and tracked vehicles”, World Haptics Conference (WHC), 2011 IEEE ,
Page(s): 107 – 112.
- Đề tài đã giới thiệu một giao diện haptics dùng để điều khiển các loi xe có
bánh và xe bánh xích.
- Với giao đề xuất có 3 bậc tự do, mỗi bậc tự do có trang bị một biến tr, giao
diện là hình dng ca vô lăng. Ngi điều khiển có thể thay đổi các tín hiệu nh tốc
độ, chân gas, tiến, lùi…Khi chúng ta điều khiển giao diện bằng trực giác, điều này
làm thay đổi vị trí, góc lái, tốc độ, rẽ trái, rẽ phi…Cm giác này truyền trực tiếp
lên vô lăng đến tay ngi lái nh một cm giác – xúc giác.
- Tùy theo mc đích điều khiển mà trong giao diện có các trng thái điều khiển
khác nhau. Ngi điều khiển bằng trực giác có thể thay đổi góc lái biến tr tay lái
bên phi và thay đổi tốc độ xe bằng tay lái bên trái.
Sungjae Hwang, Jung-hee Ryu “The Haptic Steering Wheel: Vibro-tactile
base Navigation for the Driving Enviroment”, Pervasive Computing and
Workshops (PERCOM Workshop), 2010 8
th
IEEE International, pages: 660 – 665.
- Đề tài đã đề xuất một bộ to xúc giác rung gắn trên vô lăng có tên là “The
Haptic Wheel” để hiển thị thông tin xúc giác nh rẽ trái, rẽ phi. Giao diện này cho
phép ngi sử dng có đợc thông tin thông qua việc tiếp xúc vật lỦ ca lòng bàn
tay ca tài xế với vô lăng haptics để giúp cho tài xế điều khiển hớng chuyển động

ca xe.
- u điểm ca giao diện đề xuất là sử dng chính vô lăng làm thông tin phn
hồi. εột trong những lợi thế ca thông tin xúc giác phn hồi trên vô lăng là ngi
điều khiển có đợc thông tin liên tc từ nó do trong quá trình điều khiển ngi lái
luôn cầm vô lăng. Hơn nữa, lòng bàn tay là nơi dễ thu nhận xúc giác do không phi
tiếp xúc qua các đối tợng khác nh quần áo hay giày dép. Nhợc điểm trong việc
sử dng vô lăng làm thông tin phn hồi xúc giác là nó bị giới hn trong việc gửi tín
hiệu cnh báo do sự không ổn định tự nhiên trong lúc cầm vô lăng, ví d ngi lái
có thể chỉ cầm một tay trên vô lăng hoặc chỉ nắm nhẹ vô lăng . Do đó, khó để phân
chia việc phát tín hiệu xúc giác cho hai nửa ca vô lăng.

10
1.3 Mc đích ca đ tài
Mc đích ca đề tài là nghiên cu một số cm giác xúc giác cơ bn ca
ngi điều khiển xe cm nhận đợc khi trực tiếp điều khiển xe, từ đó nghiên cu
phơng pháp tái to cm giác xúc giác đó trong việc điều khiển ô tô từ xa nhằm đa
ra những gii pháp giúp cho việc điều khiển ô tô từ xa chính xác hơn, an toàn hơn.
Cơ s khoa học để thực hiện đề tài là sử dng lỦ thuyết về cm giác xúc giác
ca con ngi và lực phn hồi trong điều khiển từ xa để tìm thuật toán nhằm tái to
cm giác xúc giác điều khiển ô tô từ xa.
1.4 Gii hn ca đ tài
Đề tài tập trung tổng hợp tài liệu, phân tích và đa ra các kết luận về các
phơng pháp tái to cm giác xúc giác trên xe. Vì xúc giác trên xe là rất đa dng và
phc tp nên đề tài này chỉ nghiên cu phơng pháp tái to một số cm giác xúc
giác cơ bn mà ngi lái cm nhận đợc trong khi điều khiển xe dựa trên sự phân
loi cm giác xúc giác.
Đề tài này cũng đợc thí nghiệm trên một mô hình to cm giác xúc giác để
kho sát và chng minh các kết luận đã tìm thấy trong quá trình phân tích và nghiên
cu.
Do kinh phí và trình độ có hn nên đề tài này chỉ mới dừng li  mc độ

nghiên cu và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, cha nghiên cu ng dng các
xúc giác trên ô tô thật. Các tín hiệu dùng điều khiển là những tín hiệu gi lập.
1.5 Phng pháp nghiên cu
- Thu thập dữ liệu từ các công trình nghiên cu trong và ngoài nớc.
- Nghiên cu cm giác xúc giác trong điều khiển ô tô trực tiếp, sau đó nghiên
cu phơng pháp tái to cm giác xúc giác đó trong điều khiển ô tô từ xa.
- Thiết kế và chế to một mô hình đơn gin để làm thí nghiệm tái to các cm
giác xúc giác trên xe.
- Làm thí nghiệm với mô hình đã chế to và đánh giá kết qu, so sánh kết qu
với lỦ thuyết đã nghiên cu.

11
- Hiệu chỉnh sau thí nghiệm để tìm các yếu tố cần thiết và quan trọng nhằm tái
to cm giác xúc giác.


12
Chng 2
C S Lụ THUYT

2.1 Tng quan v tng tác ngi và xe
Tơng tác giữa ngi và xe là một phần, một nhánh trong lĩnh vực tơng tác
giữa ngi và máy nói chung. Mc đích ch yếu ca tơng tác giữa ngi và máy
là làm cho máy móc có thể hiểu đợc Ủ muốn ca con ngi để hot động đúng
theo ý muốn ca con ngi. Đồng thi, máy móc cũng phn hồi các thông tin cần
thiết li cho con ngi để kịp thi tác động đến quá trình điều khiển máy.
Ví d: tơng tác giữa ngi dùng và máy tính cá nhân (PC) là thông qua các thiết bị
xuất nhập nh:
+ Phần nhập vào: bàn phím (keyboard), chuột (mouse), bng vẽ, …
+ Phần xuất ra: loa (speaker), màn hình (monitor)…

Về mặt bn chất thông tin ca tơng tác, có thể chia tơng tác giữa ngi và
máy ra hai loi:
+ Tơng tác truyền lực
+ Tơng tác truyền thông tin
Về mặt hình thc ca tơng tác, có thể chia tơng tác giữa ngi và máy ra ba
loi:
+ Tơng tác bằng cử chỉ, vận động ca tay, chân
+ Tơng tác bằng li nói
+ Tơng tác bằng Ủ nghĩ
Về mặt tiếp xúc, có thể chia tơng tác giữa ngi và máy thành hai loi:
+Tơng tác tiếp xúc cơ học
+Tơng tác không tiếp xúc cơ học
Về mặt giao diện – thiết bị, có thể chia tơng tác ra 4 loi nh sau:

13
+ Tơng tác kiểu cổ điển: dùng cần gt, nút bấm, bàn đp,… làm đầu vào,
dùng đồng hồ, vch chia, đèn báo,… làm đầu ra.
+ Tơng tác bằng giọng nói: dùng micro thu giọng nói ca ngi làm đầu vào,
giọng nói phát ra từ loa làm đầu ra.
+ Tơng tác bằng cử chỉ: dùng cử chỉ các bộ phận trên thân thể con ngi làm
đầu vào, dùng màn hình, đèn hiệu, âm thanh phát ra từ loa làm đầu ra.
+ Tơng tác bằng suy nghĩ: dùng sóng não con ngi để làm tín hiệu đầu vào,
và dùng các thiết bị xuất tín hiệu đã biết làm đầu ra (màn hình, loa, …).
Nhìn chung, con ngi tơng tác và cm giác với thế giới xung quanh nói
chung và với ô tô nói riêng thông qua các giác quan ca họ. Đối với từng tơng tác
c thể thì vai trò ca các giác quan là không giống nhau. Để tìm hiểu vai trò ca các
giác quan trong quá trình điều khiển ô tô từ xa thì trớc hết cần tìm hiểu vai trò ca
các giác quan trong quá trình điều khiển ô tô trực tiếp, từ đó ta xem xét giác quan
nào là quan trọng trong điều khiển ô tô từ xa và tìm cách tái to chúng. εuốn làm
đợc điều này, trớc hết cần tìm hiểu các khái niệm sau đây.

2.2 Cm giác là gì?
2.2.1 Khái nim
Cm giác là một quá trình tâm lý phn ánh từng thuộc tính riêng lẻ ca sự vật
và hiện tợng đang trực tiếp tác động vào giác quan ca ta.
Ví d: Ta đặt vào lòng bàn tay xoè ra ca ngi bn một vật bất kì với yêu cầu
trớc đó ngi bn phi nhắm mắt, bàn tay không đợc nắm hay s bóp thì chắc
chắn ngi bn không biết đích xác đó là vật gì, mà chỉ có thể biết đơc vật đó
nặng hay nhẹ, nóng hay lnh…nghĩa là ngi bn mới chỉ phn ánh đợc từng
thuộc tính bề ngoài ca sự vật đó nh cm giác. Quá trình cm giác gồm 3 khâu:
- Kích thích xuất hiện và tác động vào cơ quan th cm
- Xuất hiện xung thần kinh đợc truyền theo dây thần kinh tới não
- Vùng thần kinh cm giác tơng ng với vỏ não hot động to ra cm giác
Ngoài ra, con ngi còn có những cm giác từ các kích thích xuất hiện chính