Xây dựng giao diện thân thiện điều khiển ô tô từ xa

iv


iv

XỂY DNG GIAO DIN THỂN THIN ĐIU KHIN Ọ
TỌ T XA

Tóm tắt
Công nghệ điều khiển xe từ xa không 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 toán 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 quá 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 không 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 toán 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 còn 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 không quan sát thấy vật cản.
Ngoài 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 không có phản

hồi cảm giác lái.
v


iv

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.

v

MC LC
 TRANG

 i
 ii
 iii
 iv
 v
  vi
Danh sách các hình vii
Danh sách các bng và bi viii
Chng 1. TNG QUAN 1
1.1. Tng quan v tình hình nghiên cu 1
1.1.1. Gii thiu 1
1.1.2. Tình hình nghiên cc 3
1.1.3. Tình hình nghiên cc 4
1.2. Lý do chn đ tài 7
1.3. Mc đích nghiên cu 7
1.4. Nhim v nghiên cu 8
1.5. Đi tng nghiên cu 8
1.6. Đim mi ca đ tài 8
1.7. Gii hn ca đ tài 9
1.8. Phng pháp nghiên cu 9
vi

1.9. K hoch thc hin 9
v

Chng 2. C SỞ LÝ THUYT XÂY DNG GIAO DIN THÂN
THIN ĐIU KHIN Ô TÔ T XA 11
2.1. Điu khin t xa 11
u khin t xa là gì? 11
2.1.2. Các thành phu khin t xa 11
2.2. Thit k giao din 12
2.2.1. Giao di ha 12
2.2.2. Tiêu chung án thit k 14
n hi t h thng 15
2.2.4. Thit k ngõ vào và dòng lnh 16
2.2.5. Cho phép x lý linh hot 17
2.2.6. Làm vic vi các v v li, sa li và an toàn 18
2.3. Phân loi giao din điu khin t xa 19
2.3.1. Phân loi 19
2.3.2. Giao din Haptic 21
2.3.2.1. Chn Haptic 22
2.3.2.2. Các ng dng ca giao din Haptic 22
2.3.3. Kho sát mt s giao diu khin t xa 26
2.3.3.1. Kho sát giao din loi 2 vu khin Joystick 26
2.3.3.2. Kho sát giao din lou khin giám sát xe t xa 30
2.3.3.3. Kho sát giao din lou khin xe t xa có phn hi Haptic 33
vi

2.4. Thut toán tái to cm giác xúc giác trong điu khin t xa 36
2.4.1. Khái nim v cu khin t xa 36
v

2.4.2. H thu khin t xa 37
o cm giác lái 41
 xung hc chuyng lái 41
 xua trên bi mô men lái 41
 xua trên cm bin mô men xon 43
 xu n. 44
2.4.3.4.1. Gii thin 44
2.4.3.4.2. S tái to cm giác lái 49
2.4.3.4.3. u khin t  51
2.5. Ngôn ng lp trình LabVIEW 51
2.5.1. Gii thiu 51
2.5.2. Lp trình vi LabVIEW 54
2.5.3. Lý thuyu khin PID 58
2.5.4. Giao thc TCP/IP 61
Chng 3. XỂY DNG GIAO DIN THÂN THIN ĐIU KHIN Ô TÔ
T XA 63
3.1. Tng quan v giao din đ xuất trong đ tài 63
3.2. Yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thut khi thit k 64
3.3. Thit k phần c khí 65
3.3.1u khin t xa 65
3.3.2. Mô hình giao di xut 66
3.3.2.1. Thit k n 66
3.3.2.2. Hoàn chnh 69
vi

3.4. Thit k phần mch đin 72
3.4.1. Giao diu khi 72
v

 khi 72

 mn 73
3.4.2. Xe mô hình 78
 khi 78
 mn 78
3.5. Thit k thut toán điu khin t xa 80
3.5.1. Thut toán tái to c 80
3.5.2. Thut toán trên xe mô hình 85
Chng 4. KT QU THC NGHIM 87
4.1. Thc nghim 87
4.2. Kt qu 88
4.2.1. Kt qu thc nghii vi giao din  ng hp 1 88
4.2.2. Kt qu thc nghii vi giao din  ng hp 2 89
Chng 5 : KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN CA Đ TÀI 91
5.1. Kt lun 91
5.2. Hn ch 91
5.3. Hng phát trin đ tài 92
Tài liu tham kho 93








vi



vi

THUT NG, Kụ HIU VIT TT

Robot
 trình.
Haptics
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) 

Camera
Cabin
DC (Direct Current)
PID (Proportional Integral Derivative)
HDL 9090
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)   

Modem (Modulator and Demodulator):  
mã hóa thành  
Wireless LAN
Wifi: sóng thu phát không dây.
3G (Third-generation Technology)
Menu
Multi-media
DOF (Degrees Of Freedom)
Joystick
PWM (Pulse Width Modulated): phng pháp 
 áp ra.
A\V (Audio\Video)
Bluetooth
Encoder
Drive By Wire

UDP (User Datagram Protocol)
RW (Road Wheel): bánh xe.
HW (Hand Wheel)
vii

Motor
ACS712
vi

USB (Univeral Serial Bus)
PCI (Peripheral Component Interconnect)      

Ethernet
Webcam
VI (Virtual Instrument)
SubVI
Server
Client

vii



vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1: Xe không ng 1
Hình 1.2: Robot th 2
Hình 1.3:  5
Hình 2.1: S  12
Hình 2.2:  13
Hình 2.3:  20
Hình 2.4:  23
Hình 2.5:  24
Hình 2.6: -DOF 24
Hình 2.7:  25
Hình 2.8:  26
Hình 2.9:  27
Hình 2.10: C  28

Hình 2.11:  29
Hình 2.12:  30
Hình 2.13:  33
Hình 2.14: S  34
Hình 2.15: S  35
Hình 2.16:  37
Hình 2.17: S  38
Hình 2.18: S a HW và RW 40
Hình 2.19: S  42
Hình 2.20: S  44
Hình 2.21: S  45
Hình 2.22: S  48
Hình 2.23:  48
Hình 2.24:  53
Hình 2.25:  54
Hình 2.26:  56
viii

Hình 2.27: Tool Palette và Controls Palette 57
Hình 2.28: S  59
Hình 2.29: o  61
vii

Hình 2.30: S ng và xe 62
Hình 3.1: có
 63
Hình 3.2:  66
Hình 3.3:  67
Hình 3.4:   68
Hình 3.5:  69

Hình 3.6: ng 70
Hình 3.7:  u  71
Hình 3.8: S ng 73
Hình 3.9: S ng 74
Hình 3.10:  DC  75
Hình 3.11:  DC  75
Hình 3.12:    76
Hình 3.13:   76
Hình 3.14: S  77
Hình 3.15:  77
Hình 3.16: S  78
Hình 3.17: S  79
Hình 3.18: Lu  81
Hình 3.19:  84
Hình 3.20: Lu  85
Hình 3.21: Lu  86
Hình 4.1: Th
 88






viii



viii

DANH SÁCH CÁC BNG VÀ BIU Đ

BNG VÀ BIU Đ TRANG



TRANG
Bng 2.1:  14
Bng 2.2: C 50
Bng 3.1:  68
Bng 3.2:   69
Bng 3.3:   71
Bng 3.4:   72
Bng 3.5:  
tt
82
Bng 4.1: 
 88
Biu đ 4.1: 
c xúc giác 89
Bng 4.2: 
 90
Biu đ 4.2: 
 90

1

Chng 1
TNG QUAN

1.1.Tng quan v tình hình nghiên cu
1.1.1. Gii Thiu
Ngày nay k thuu khin t xa không ngng phát tric ng dng nhiu
trong công nghip, nghiên cu không gian và nhic khác. Nhng thành tt
c t  n t i hiu qu i vi các ng du khin t
   i thc hi c nhiu nhim v phc t  u kin khc
nghit cng xung quanh. Chng hu xe giám sát an ninh cho
các tòa nhà, các robc hu là nhng ví d n hình cho
các li ích to ln mà k thuu khin t xa mang li.

Hình 1.1 Xe không người lái Guardium
2

n phm mang tính cách m
vc phát tric thit k bi công ty GNIUS, Guardium trang
b i Israel thc hin các nhim v c lp trình sn, ngoài ra còn có th t
phn  c bt k tình hu    
mt h thi lái n hình, gm có: xe, b phu khin và ch huy,
thit b thông tin liên lc, hu cn h tr. Trên xe có gn hoc
hng ngoi, các thit b thu phát nhn lu khip chp hành khác.

Hình 1.2Robot thăm dò sao hỏa Curiosity
Mt s kin gc mi bi
s sng Curiostiy lên sao Ha ca NASA th hin  hình 1.2. Curiosity là mt kiu
u khin t xa làm nhim v phân tích và tìm kim các du hiu s sng
ng sao Ha, nhn lu khin và phn hi các thông tin thu thc
vu khin t t. Ngoài ra Curiosity   v
thích nghi vi nhng c
u khin.
3

1.1.2. Tình Hình Nghiên Cu Trong Nc
Thi gian qua ngành công ngh ô tô không ngi vi nhng ng dng k
thut mi trên nhiu h thng cu thành xe. T n khung gn, h
thng cnh báo, h thng tic ci tin không ngng. Nhng
c nhng yêu cu t thc t, các nghiên cu v thit k và phát trin mt giao din
u khin t c tin hành.
  tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo giao diện haptics điều khiển xe ô tô từ xa
qua mạng wifi" [4] ca nhóm sinh viên Nguyn Thành Tuyên và Lê Thin Tnh,
i hm K Thui s ng dn ca tin Bá
H c kt qu:
 Nghiên cu, thit k và ch tc giao din haptics.
 u khic mô hình xe ba bánh t xa thông qua mng không dây.
 ng dng giao din haptics m u khin mô hình xe t xa dùng trong thí
nghim.
 ng dng phn mm LabVIEW tc cm giác cho giao din haptics.
Tuy nhiên, ngoài nhng kt qu tích c tài vn còn mt s hn ch

 Giao din haptics này vc cm giác lái sát thn hình là lc
va chm ca mng lên tay lái, hoc cm giác quay tay lái khi vào cua.
 Thi gian phn hi thông tin t u khi

v trn.
 u khin xe t xa ch áp dc cho mng ni b.
 c ch  d phòng cho xe khi có s c mt tín hiu
khin.
4

  tài "Nghiên cứu và xây dựng thuật toán tái tạo cảm giác lái sát thực phục
vụ đào tạo lái xe" [5] ca tác gi Phan Ngc Trung thc hin ti hm K
Thut TPHCM do tin Bá Hng d
 c mt s kt qu:
 Xây dng thu tái to cm giác lái và hin tho
lái xe thc t.
 Mô phng 3D p lái xe ca Vit Nam. Mô phng
xe ô tô 3D, giao tip máy tính vi mô hình xe thông qua ngôn ng lp trình
LabVIEW.
 Thit k và ch to mô hình tn t) gm phn khung mô
 l i ngi tp lái thoi mái thao tác, có trang
b c l
u khin.
 Vn hành th nghim và cho các hc viên tp lái tham gia lái th 
hiu qu  v s dng mô hình.
  tài u tiên  Vit Nam thc hin thit k và ch to th, vi phn
mm phù hp vu kic, phiên bn phn mm có th nâng cp.
 Thit k n t, mô hình này có th ng
dng trong thc tin và t mi cao.
 Phn mm còn có th ng dc khác: ging dy y khoa, hc
lái máy bay, hc lái xe quân s, th quc thi trang
 tài vn còn mt s hn ch:
 n t n.
 c cho nhiu ha hình khác nhau.

1.1.3. Tình Hình Nghiên Cu Ngoài Nc
 Nghiên cu ca tin Bá H-Hwan Ryu: "A intuitive
interface for the teleoperation of wheeled and tracked vehicles" [6] ti Hc Công