(Luận văn thạc sĩ) 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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN QUANG SANG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE
TỪ XA TRONG TRƯỜNG HỢP KHƠNG PHẢN HỒI
HÌNH ẢNH DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ HAPTIC

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546

S KC 0 0 4 0 6 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN QUANG SANG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT
GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA
TRONG TRƢỜNG HỢP KHƠNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH
DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ HAPTIC

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 602546

Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN BÁ HẢI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

i


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN QUANG SANG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/09/1982

Nơi sinh: Tây Ninh

Quê quán: Bến Tre

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Tổ 8 ấp Tua hai, Đồng khởi, Châu thành, Tây Ninh
Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Nghề số 8 (BQP), đường Bùi Huy Hịa, Kp
3, phường Long Bình Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai
Điện thoại đơn vị: 0613.930.082

Điện thoại riêng: 0933.137.400

Fax: 0613.937.379

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 08/2004 đến 08/ 2006

Nơi học: Trường Trung Cấp Nghề Tây ninh
Ngành học: Sửa chữa ô tô
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 09/ 2010

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ khí động lực
Tên đồ án tốt nghiệp: “Viết chuyên đề về đầu kéo Detroit Diesel”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 07/2010, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Giảng viên hướng dẫn: Bùi Quang Dũng
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ
07/2011
đến nay

Nơi cơng tác

Công việc đảm nhiệm

Trường cao đẳng nghề số 8
(BQP) Tp. Biên hịa, T. Đồng nai

ii

Giảng viên khoa cơ khí động lực


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 30 tháng 9 năm 2013
Ký tên

iii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học ..........................................................................................................ii
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii
Cảm tạ ........................................................................................................................ iv

Tóm tắt ........................................................................................................................ v
Abstract ...................................................................................................................... vi
Mục lục ......................................................................................................................vii
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................... x
Danh sách các hình..................................................................................................... xi
Danh sách các bảng ................................................................................................. xiii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ......................................................... 1
1.2 Mục đích của đề tài ............................................................................................. 3
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài .............................................................. 4
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài............................................................................................ 4
1.3.2 Giới hạn của đề tài ............................................................................................. 4
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................... 4
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 5
2.1 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác ...................................................................... 5
2.1.1 Haptics................................................................................................................ 5
2.1.2 Giao diện haptics và ứng dụng ........................................................................... 8
2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển xe từ xa .......................................... 10
2.2.1 Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh .................................. 10
2.2.2 Phương pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác ............... 12
vii


2.3 Động lực học haptics và điều khiển phƣơng tiện từ xa .................................. 15
2.3.1 Khái quát hệ thống điều khiển phương tiện từ xa ............................................ 15
2.3.2 Động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa ............................... 15
2.3.3 Mối quan hệ giữa động lực học haptics và tín hiệu điện tử ............................. 17
2.4 Động học xe ba bánh ......................................................................................... 20
2.4.1 Mơ hình xe ba bánh .......................................................................................... 20
2.4.2 Động học xe ba bánh khi kéo ........................................................................... 22

2.4.3 Động học xe ba bánh khi đẩy ........................................................................... 23
2.5 Động lực học xe ba bánh ................................................................................... 24
2.5.1 Động lực học xe ba bánh khi kéo ..................................................................... 25
2.5.2 Động lực học xe ba bánh khi đẩy ..................................................................... 26
2.6 Hệ thống định vị toàn cầu GPS ........................................................................ 28
2.6.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 28
2.6.2 Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS .......................................................... 28
2.6.3 Định vị tuyệt đối và định vị tương đối ............................................................. 29
2.6.4 Nguyên nhân sai số .......................................................................................... 32
2.6.5 Bộ thu GPS Holux GR – 213 ........................................................................... 33
2.7 Phần mền LabVIEW......................................................................................... 34
2.7.1 LabVIEW ......................................................................................................... 34
2.7.2 Ứng dụng LabVIEW trong thực tế.................................................................. 35
2.7.3 Lập trình với LabVIEW .................................................................................. 36
2.8 Thuật toán PID và PWM .................................................................................. 37
Chƣơng 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TỪ XA BẰNG CÔNG
NGHỆ HAPTICS TRONG TRƢỜNG HỢP KHÔNG PHẢN HỒI HÌNH ẢNH
................................................................................................................................... 39
3.1 Tổng quan về các giải pháp điều khiển xe từ xa khơng phản hồi hình ảnh 39
3.1.1 Phương pháp bản đồ đường đi ......................................................................... 40
3.1.2 Phương pháp chia ô .......................................................................................... 41
3.1.3 Phương pháp trường thế năng .......................................................................... 42
viii


3.1.4 Phương pháp vị trí tăng dần ............................................................................. 45
3.2. Phân tích và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa tránh vật cản và tìm
đƣờng đến mục tiêu bằng cơng nghệ haptics trong trƣờng hợp khơng phản hồi
hình ảnh.................................................................................................................... 46
3.2.1 Tổng quan về giải pháp tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu .................. 46

3.2.2 Thuật tốn tránh vật cản và tìm đường đến mục tiêu ....................................... 50

Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................ 53
4.1 Sơ đồ tổng quan và nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm .................. 53
4.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống ................................................................................. 53
4.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động hệ thống....................................................... 54
4.2 Các trƣờng hợp thực nghiệm ........................................................................... 57
4.3 Phƣơng tiện thực nghiệm ................................................................................. 57
4.3.1 Mơ hình xe ba bánh .......................................................................................... 57
4.3.2 Giao diện điều khiển và thuật toán tạo phản hồi xúc giác ............................... 59
4.3.3 Các thiết bị khác ............................................................................................... 61
4.4 Môi trƣờng thực nghiệm................................................................................... 62
4.5 Thực nghiệm và kết quả ................................................................................... 63
4.5.1 Kiểm tra hệ thống thực nghiệm ........................................................................ 63
4.5.2 Trường hợp thực nghiệm 1............................................................................... 64
4.5.3 Trường hợp thực nghiệm 2............................................................................... 66
4.5.4 Trường hợp thực nghiệm 3............................................................................... 68
4.6 So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm ...................................................... 70
Chƣơng 5. KẾT LUẬN ........................................................................................... 73
5.1 Kết luận .............................................................................................................. 73
5.2 Hƣớng phát triển đề tài .................................................................................... 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 75
Phụ lục ...................................................................................................................... 77
ix


Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Chúng ta đang sống trong thế kỷ 21, thế kỷ của nền tri thức và nền khoa học kỹ
thuật vượt bật. Trong thế kỷ này, khoa học công nghệ cao đã và đang dần khẳng
định vị trí của mình trong tất cả các mặt của đời sống con người. Với tốc độ phát
triển nhanh chóng của các ngành khoa học kỹ thuật, ngành kỹ thuật điều khiển
phương tiện từ xa đang có những bước đột phá mới thơng qua ứng dụng công nghệ
haptics (công nghệ phản hồi xúc giác). Việc ứng dụng công nghệ này không những
giúp cho con người điều khiển các phương tiện từ xa thực hiện các nhiệm vụ đặc
biệt khó khăn, nguy hiểm, độc hại trong các môi trường công nghiệp, y học, quân
sự, hàng không vũ trụ, v.v., mà còn năng cao khả năng tương tác giữa con người và
phương tiện từ xa đạt hiệu quả thiết thực. Đặc biệt, công nghệ haptics đã và đang
xuất hiện trong nhiều hệ thống trên xe, trong đó ứng dụng công nghệ haptics vào hệ
thống điều khiển xe từ xa là đề tài nghiên cứu mang tính thời đại.
Nicola Diolaiti và Claudio Melchiorri [01] đã trình bày việc sử dụng một giao
diện haptics để năng cao khả năng cảm nhận của người điều khiển với môi trường
làm việc của phương tiện từ xa, bằng cách sử dụng một hệ thống tương tác ảo được
tính dựa trên lực cản xung quanh tác dụng lên phương tiện để ngăn chặn các tiếp
xúc nguy hiểm. Sự thụ động của toàn bộ hệ thống được bảo tồn. Do đó, sự tương
tác ảo được đảm bảo. Khoảng cách từ các chướng ngại vật được đo bằng máy quét
laser gắn kết trên phương tiện, để sử dụng tính tốn lực phản hồi lên giao diện
haptics.
Stephen Hughes, Ian Oakley, Andy Brady và Sile O’Modhrain [02] đã đưa ra
một hệ thống tính tốn gia tốc của xe, từ đó tạo tín hiệu động lực học tác động lên
người điều khiển dưới dạng thông tin xúc giác, bằng cách so sánh các biểu đồ động
học của xe đã được cài đặt trước với biểu đồ mà hệ thống tính tốn được. Hệ thống
này được thiết kế để hỗ trợ vận hành, kiểm soát vận tốc xe từ xa.

1

M. Rank, Z. Shi, H. J. Muller và S. Hirche [03] đã nghiên cứu các vấn đề gây ra
thời gian trễ thông tin phản hồi xúc giác trong điều khiển phương tiện từ xa. Trong
nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thực hiện thí nghiệm tạo mơi trường xúc giác dưới
dạng lực tác động lên người điều khiển trên ngưỡng phát hiện sự chậm trễ thông tin
xúc giác và kết quả nghiên cứu đã xác định được nguyên nhân gây ra sự chậm trễ
thông tin phản hồi xúc giác phụ thuộc rất lớn vào độ lớn của tần số và biên độ
chuyển động.
J.H. Ryu [04], [05], [06] đã nghiên cứu, phát triển động lực học haptic và xây
dựng phương pháp điều khiển phương tiện từ xa bằng haptics. Các nghiên cứu của
tác giả, trình bày các phương trình động lực học haptics với mơ hình điều khiển đa
khâu, đa khớp và đa bậc tự do. Xây dựng các thuật toán chuyển đổi tín hiệu haptics
thành tín hiệu điện tử và ngược lại.
Samantha M. C. Alaimo, Lorenzo Pollini, Jean-Pierre Bresciani và Heinrich H.
Bulthoff [07] đã nghiên cứu và thực nghiệm so sánh, đánh giá hiệu quả hai phương
pháp điều khiển phương tiện từ xa, điều khiển phản hồi xúc giác trực tiếp (DHA) và
điều khiển phản hồi xúc giác gián tiếp (IHA). Kết quả nghiên cứu đã xác định được
hiệu quả điều khiển IHA rất cao, đây là bước ngoặt mới cho công nghệ điều khiển
phương tiện từ xa trong tương lai.
B.H. Nguyen, J.H. Ryu [08] đã nghiên cứu và chế tạo giao diện điều khiển xe từ
xa với 3 bậc tự do kiểm soát và cảm nhận xúc giác các hoạt động tiến, lùi, rẽ trái, rẽ
phải, đặc biệt giao diện điều khiển này phản hồi được cảm giác quay vòng của xe.
B.H. Nguyen, J.H. Ryu [09] đã nghiên cứu phương pháp tái tạo cảm giác lái
(xúc giác) của xe từ xa trong hệ thống lái không trục lái (SBW), bằng cách sử dụng
dòng điện đo trực tiếp từ cơ cấu chấp hành. Nghiên cứu này có giải pháp đơn giản,
chi phí thấp và sự ổn định hệ thống lái được cải thiện.
Trần Xuân Trình và Nguyễn Bá Hải [10] đã nghiên cứu, phát triển và thiết kế,
thực nghiệm hệ thống ga trong điều khiển ô tô từ xa. Nghiên cứu đã đánh giá được
mức độ đáp ứng về sự tăng tốc của xe và đo đạc được thời gian trễ khi truyền qua
mạng 3G.

2


Nguyễn Thanh Minh và Nguyễn Bá Hải [11] đã nghiên cứu, phát triển hệ thống
chuyển số gián tiếp trong điều khiển ô tô từ xa bằng cách sử dụng đông cơ DC để
dẫn động cần chuyển số và các công tắc hành trình để xác định vị trí số. Nghiên cứu
này đã được kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm trên một xe quân sự bốn chỗ
được cải tạo từ xe sân golf.
Nguyễn Trường Giang, Lê Thanh Phong và Nguyễn Bá Hải [12] đã nghiên cứu
phương pháp tạo cảm giác lái trong điều khiển xe ba bánh từ xa bằng cách tạo cảm
giác lực thông qua hệ thống tương tác lò xo ảo.
Nguyễn Thanh Như Phúc và Nguyễn Bái Hải [13] đã nghiên cứu, phát triển hệ
thống lái không trục lái có phản hồi cảm giác lái (xúc giác) trong điều khiển xe quân
sự từ xa, bằng cách đo dòng điện trực tiếp trên cơ cấu chấp hành. Kết quả nghiên
cứu đã được kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm trên một chiếc xe thật.
Bên cạnh những thành tựu đã đạt được của các cơng trình nghiên cứu trong và
ngồi nước về hệ thống điều khiển phương tiện từ xa nói chung hay hệ thống điều
khiển xe từ xa nói riêng thì cịn nhiều mặt hạn chế. Trong đó, vấn đề điều khiển xe
từ xa trong môi trường hoạt động của xe từ xa khơng có hoặc thiếu ánh sáng hay
thiếu hình ảnh do đường truyền băng thơng thấp gây ra là một bài tốn rất khó chưa
có lời giải đáp hồn hảo. Vì vậy, đề tài:
“Nghiên cứu và đề xuất
giải pháp điều khiển xe từ xa
trong trƣờng hợp không phản hồi hình ảnh
dựa trên cơng nghệ haptics”
là vấn đề nghiên cứu thật sự cần thiết.
1.2 Mục đích của đề tài
Giải bài toán điều khiển xe từ xa trong trường hợp khơng phản hồi hình ảnh do
mơi trường khơng có hoặc thiếu ánh sáng hoặc thiếu hình ảnh do đường truyền băng
thơng thấp gây ra. Nhằm hồn thiện hệ thống điều khiển xe từ xa trong trường hợp

không phản hồi hình ảnh.
Nghiên cứu này làm cơ sở ứng dụng cho nhiều lĩnh vực như giám sát, khảo sát,
dị tìm, v.v. Đặc biệt hỗ trợ cho người khiếm thị trong điều khiển xe.
3


1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển xe từ xa.
Nghiên cứu lý thuyết GPS và thu thập xử lý tín hiệu tọa độ GPS trong phần
mềm LabVIEW.
Xây dựng thuật toán điều khiển xe từ xa đi đến mục tiêu trong trường hợp
không phản hồi hình ảnh và thuật tốn tạo cảm giác xúc giác cho người điều khiển
khi xe lệch hướng mục tiêu, xe gặp vật cản và xe đã đến mục tiêu.
Thiết kế, thi công giao diện haptics.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả trong ba trường hợp:
- Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh.
- Điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và phản hồi xúc giác.
- Điều khiển xe từ xa chỉ có phản hồi xúc giác (khơng có hình ảnh).
So sánh các kết quả nghiên cứu với các cơng trình nghiên cứu đã thu thập được.
1.3.2 Giới hạn của đề tài
Do điều kiện địa lý khu vực thực nghiệm, điều kiện kinh tế, trình độ có hạn và
tính mới mẽ của đề tài nên:
- Đề tài tập trung nghiên cứu, thực nghiệm điều khiển xe từ xa đi đến mục
tiêu với mơ hình xe ba bánh, các chướng ngại vật có hình dạng đơn giản cố định,
mặt đường xe chuyển động tương đối bằng phẳng và diện tích khu vực xe hoạt động
nhỏ.
- Cảm giác xúc giác trên giao điện điều khiển chưa xác thực vì giới hạn bởi
mơ hình.
- Độ chính xác tọa độ GPS tương đối lớn vì thử nghiệm trong vùng chưa có

sự hỗ trợ hệ thống GPS ở phạm vi cục bộ (Local).
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Thu thập dữ liệu và chọn lọc về các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước
có liên quan.
Thử nghiệm và đánh giá kết quả từ thực nghiệm.
So sánh đánh giá với các cơng trình đã nghiên cứu.
4


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở lý thuyết cảm giác xúc giác
2.1.1 Haptics
Haptics:/'hap-tiks/ xuất hiện vào thập kỷ 90 của thế kỷ 19 là một từ gốc Hy lạp
“Haptesthai” để chỉ cảm giác xúc giác (sense of touch). Haptics bao gồm cảm giác
lực tác động (cứng, mềm), cảm giác về bề mặt (thô, nhám, sắc, trơn, v.v.) cảm giác
về chuyển động mà con người có thể cảm nhận thơng qua tiếp xúc, cầm, nắm, sờ,
v.v. ( xem Bảng 2.1).
Công nghệ haptics là công nghệ tái tạo lại các cảm giác xúc giác toàn bộ hay
một phần cảm giác xúc giác của con người khi tiếp xúc với thiết bị. Công nghệ
haptics chủ yếu mang lại 2 loại cảm giác tiếp xúc:
- Cảm giác về lực (force feedback) mang lại cho con người cảm giác về lực
tác động, nhằm tái tạo sự hiện diện của sự vật thông qua lực tác động của nó với tư
cách đối tượng trong thế giới ảo với con người.
- Cảm giác xúc giác (tactile) mang lại các cảm giác chi tiết hơn về bề mặt của
vật, tái tạo các đặc tính thơ, nhám, trơn, v.v.
Trên thực tế khơng có sự khác biệt rõ ràng trong cách phân loại này, nhưng sự
khác biệt chỉ nằm ở cách thực thi chúng. Cảm giác lực thông thường được thực hiện
thông qua việc điều khiển một cơ cấu chấp hành sẽ tái tạo cảm giác về lực qua tác

động với con người. Cơ cấu chấp hành có thể bao gồm các động cơ điện, động cơ
khí nén, v.v. Cảm giác xúc giác thông thường được tạo ra bởi một trường tĩnh điện.
Bằng cách sử dụng một lớp phủ trên bề mặt thiết bị cho phép gửi các khích thích
nhẹ lên đầu ngón tay, làm cho người dùng cảm giác được các thao tác, cảm nhận
được các bề mặt đối tượng. Một trường điện từ áp dụng lên bề mặt đối tượng (màn
hình, v.v.), tương tác với tải trọng tự nhiên trên đầu ngón tay. Hai lực điện cùng dấu
đẩy nhau, hai lực điện trái dấu hút nhau. Bằng cách điều biến trường điện tại từng
pixel, chúng ta có thể tái tạo xúc giác một cách chính xác.

5


Bảng 2.1: Các dạng cảm nhận về trạng thái vật thể
TT

Dạng cảm nhận về trạng thái vật thể

Hình minh họa

Cảm giác về trọng lực hay cảm giác vật thể nặng, nhẹ
khi con người khuân vác, xách mang, chống đỡ vật
thể. Lực tương tác giữa vật thể với con người tính bởi
cơng thức:

P
F = P + FA

1
Trong đó:

F là lực tương tác giữa người với vật thể
P là trọng lượng của vật thể
FA là lực đẩy Archimedes
Cảm giác về áp suất hay cảm giác độ cứng, mềm của
vật thể phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi của vật. Lực
tác dụng lên người khi ấn, bẻ, bóp, véo, tựa vào vật
thể có thể được xác định gần đúng theo định luật
Hooke:
−F

F = −kx
2

Trong đó:
F là lực đàn hồi
k là hệ số đàn hồi
x là độ biến dạng
Định luật này chính xác với những vật thể có hình
dạng lị xo đơn giản. Với những vật thể như
miếng cao su hay chất dẻo thì sự phụ thuộc giữa lực
đàn hồi vào biến dạng sẽ rất phức tạp.
Cảm giác về sức bén của đường biên hay cảm giác về

3

độ góc cạnh của vật thể khi cơ thể người tiếp xúc (sờ,
chạm, v.v.) với đường biên vật thể. Nó phụ thuộc vào
hình dạng bề cạnh của vật.

6

FA


Cảm giác về chuyển động ngang hay cảm giác về độ
thô nhám, nhẵn mịn bề mặt của vật thể. Cảm giác này
gây ra do sự ma sát giữa cơ thể người với vật thể.
Lực ma sát có thể được tính xấp xỉ theo cơng thức:
4

Fms = μF0
Trong đó:
Fms là lực ma sát gây ra cảm giác chuyển
động ngang
μ là hệ số ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc
F0 là lực tác dụng lên bề mặt vật thể
Cảm giác về đường biên thể tích hay cảm giác về
kích thước, thể tích của vật thể. Cảm giác này có

5

được thơng qua sự cầm, nắm hoặc sờ, chạm toàn bộ
bề mặt bên trong, bên ngồi của vật thể. Từ đó, con
người có thể nhận biết được hình dạng, kích thước,
thể tích của vật.
Cảm giác về nhiệt độ hay cảm giác sự nóng, lạnh của
vật thể. Cảm giác này sinh ra khi con người sờ, chạm

6

hoặc tương tác ở cự ly gần với vật thể. Cảm giác vật
thể nóng hay lạnh là giá trị chênh lệch nhiệt độ giữa
cơ thể người với nhiệt độ vật thể.

7

Fms


2.1.2 Giao diện haptics và ứng dụng
Giao diện haptics là những hệ cơ điện tử cho phép con người cảm nhận được
các đặc tính vật lý của đối tượng hay vật thể trong môi trường ảo hoặc môi trường
cách xa vị trí của người tương tác đối tượng.

Giao diện haptics

Vơ lăng

Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khiển ơ tơ từ xa
Thiết bị haptics đem đến cho người sử dụng những cảm giác khi sờ hoặc cầm
nắm, như cảm giác về lực, về sự rung động, về sự mềm mại hay khơ cứng của vật
liệu, về sự nóng hay lạnh của mơi trường, về hình ảnh và âm thanh, v.v. Thiết bị
haptics có thể giao tiếp với máy tính và các thiết bị khác để cung cấp thông tin về vị
trí và lực.
Cơng nghệ haptics cũng như những giao diện haptics của nó có nhiều ứng dụng
ở nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm các hệ thống hỗ trợ bởi máy tính, tự động
khám phá và giám sát các mơi trường độc hại hoặc nơi mà con người khó có thể đặt
chân tới. Đồng thời, ứng dụng phổ biến trong hệ tay máy hoặc robot có kích thước
micro/nano, lĩnh vực công nghệ ô tô, giáo dục, y học và nhiều lĩnh vực khác. (xem
Bảng 2.2)

8


Bảng 2.2: Các ứng dụng công nghệ haptics
TT Lĩnh vực Khả năng ứng dụng

1

Cơng
nghệ ơ tơ

Hình ảnh minh họa

Hệ thống lái không
trục lái (SBW)
(Nguồn: Theo Nguyễn Bái Hải, Jee
Hwan Ryu, IFOST 2009) [14]
Hệ thống phản hồi

2

Robotics

cảm giác và phản
hồi thông tin có tự
(Nguồn: Theo />
chủ

sponsored-article-haptics)

Hàng
3

khơng vũ
trụ

Robot

khám

phá,

khảo sát hành tinh
sao hỏa, mặt trăng.
(Nguồn: Theo marsrover.nasa.gov)

Hệ thống đào tạo
4

Giáo dục

thực hành lái xe ô tô,
xe nâng, xe cẩu, v.v.
(Nguồn: Theo www.5dt.com)

5

Y học

Hệ thống thiết bị

phẫu thuật Da Vinci
(Nguồn: Theo )

9


2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp điều khiển xe từ xa
2.2.1 Phƣơng pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh
Trong phương pháp này, những hình ảnh về môi trường làm việc của xe từ xa
được truyền về giao diện điều khiển thông qua thiết bị thu phát hình ảnh cho phép
người điều khiển quan sát khung cảnh làm việc của xe từ xa bằng mắt thường trên
màn hình máy tính và thực hiện các thao tác điều khiển ngay tại vị trí người điều
khiển ngồi.
Camera

Người điều
khiển

Màn hình
máy tính

Mơi
trường

Kênh truyền
thơng tin

Xe

tương

tác

Giao diện điều khiển

Xe và mơi trường tương tác

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh
Giao diện điều khiển cách xe một khoảng cách từ vài trăm (m) đến hàng ngàn
(km) hoặc xa hơn nữa. Thông tin được truyền vô tuyến (khơng dây) hoặc hữu tuyến
(có dây). Như hình 2.2 bao gồm 3 khối chức năng sau:
- Khối xử lý hình ảnh và giao diện điều khiển: Người điều khiển quyết định
thực hiện các lệnh điều khiển xe từ xa dựa trên thơng tin thị giác khi quan sát hình
ảnh trên màn hình máy tính. Vì lý do này, hình ảnh hiển thị phải đạt yêu cầu trực
quan nhưng thực tế hình ảnh truyền về ln trễ với một đơn vị thời gian nhất định
do nhiều nguyên nhân như tốc độ xử lý máy tính, loại kênh truyền thơng tin, v.v.
Thêm vào đó, việc thu hình (xem Hình 2.3) và xử lý hình ảnh kết hợp giữa các
cameras gặp nhiều hạn chế, gây ra hình ảnh phản hồi khơng trung thực do mơi
trường thiếu ánh sáng, góc đạt camera và sự rung của camera. Do đó ảnh hưởng đến
việc điều khiển phương tiện từ xa sẽ khơng chính xác.
- Khối kênh truyền thơng tin: Có chức năng thu phát các gói dữ liệu theo
những giao thức như TCP/IP, UDP, v.v. [15]. Tốc độ truyền dữ liệu ở các kênh
truyền thông tin phụ thuộc rất nhiều vào băng thông của kênh truyền đó. Từ đó ta
nhận thấy rằng để truyền dữ liệu hình ảnh từ xa với tốc độ cao ta phải chọn kênh
10


truyền có băng thơng lớn nhằm giảm thiểu thời gian trễ và mất mát dữ liệu do
đường truyền băng thông thấp gây ra. Điều này làm tăng chi phí cho hệ thống
- Khối xe từ xa và thiết bị thu hình: Xe từ xa hoạt động trong mơi trường rất
xa mà con người khơng thể nhìn thấy rõ. Vì vậy, các thông tin về môi trường hoạt

động của phương tiện sẽ được thiết bị thu hình ghi nhận bởi một hoặc nhiều
cameras.
Vấn đề thứ nhất đặt ra, góc quan sát của camera có giới hạn từ 30 đến 1100 nhỏ
hơn nhiều so với góc quan sát của hai mắt người (1800) [16]. Để góc quan sát của
camera được rộng hơn chúng ta sử dụng hai hoặc nhiều cameras kết hợp, nhưng
ngược lại dung lượng hình ảnh từ hệ thống camera tăng lên rất cao, làm ảnh hưởng
đến chất lượng hình ảnh phản hồi trên màn hình hiển thị. Góc quan sát các cameras
kết hợp lúc này được biểu diễn bởi sơ đồ hình 2.3.
𝛼2

𝛼1

Camera

Camera
(a)

𝛼1

B

𝛼1

f1

L/2

L/2

(b)

f2

Camera

L
Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát của một camera (a) và góc quan sát kết hợp hai
cameras (b)
Trong hình 2.3 trên, góc quan sát kết hợp hai cameras được tính bởi cơng thức:
α2 = 2 tan−1

L
1
+
2f1 tan(900 − α1 )
2

11

(2.1)


Trong đó:
α1 là góc quan sát camera
α2 là góc quan sát kết hợp hai cameras
f 1 là tiêu cự ống kính camera
f 2 là tiêu cự ảo
L là khoảng cách lắp đặt giữa hai cameras
Vấn đề thứ hai là vùng không gian mà cameras không quan sát được trên
hướng di chuyển của xe hay còn gọi là vùng mù. Như hình 2.3, (B) là vùng mù. Đây

chính là một trong những nhược điểm lớn nhất của phương pháp này khi các vật cản
xuất hiện gần phương tiện.
2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác
Tương tự phương pháp đã nêu trên. Điểm đột phá của phương pháp này là sử
dụng công nghệ phản hồi xúc giác (haptics) giúp người điều khiển cảm nhận được
sự tương tác giữa xe từ xa với môi trường hoạt động của nó và gần như chân thực
thơng qua giao diện phản hồi xúc giác.
Người
điều
khiển

Camera
Cảm biến
Màn hình
máy tính

Kênh truyền
thơng tin

Phản hồi
xúc giác

Xe

Môi
trường
tương
tác

Giao diện điều khiển

Xe và môi trường tương tác

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển xe từ xa có phản hồi hình ảnh và xúc giác
Hệ thống cảm biến bao gồm một hoặc nhiều loại cảm biến như: Cảm biến
khoảng cách, cảm biến tốc độ, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, v.v. [17]. Các
loại thông tin này được gửi đến giao diện điều khiển qua kênh truyền thơng tin, sau
đó nó sẽ được tái tạo và phản hồi lên giao diện haptics. Từ giao diện này, người
điều khiển sẽ cảm nhận được sự tương tác giữa xe từ xa với mơi trường hoạt động
của nó, hay nói cách khác người điều khiển sẽ có cảm giác như đang điều khiển xe
trực tiếp.

12


Hơn nữa, phương pháp này sẽ khắc phục được nhược điểm của phương pháp
điều khiển phương tiện từ xa chỉ có phản hồi hình ảnh khi vật cản xuất hiện trong
vùng mù của hệ thống cameras như đã phân tích trong mục 2.2.1.

B

𝛼1

𝛼1

f

dci
Vật cản
Camera

L/2

Camera

L/2

Cảm biến
khoảng cách

L

Hình 2.5: Vị trí lắp đặt cảm biến khoảng cách trên phương tiện từ xa
Cảm biến được lắp đặt tại vùng mù của hai cameras như hình 2.5, khi đó cảm
biến phát hiện vật cản và đo khoảng cách vật cản dựa trên góc phản xạ của chùm tia
hồng ngoại từ vật cản (xem Hình 2.6).
dc2
d

dc1

Bộ
phát

L2

L1

L

𝜑2

𝜑1

Vật cản gần
Bộ
thu

Thấu kính

Hình 2.6: Ngun lý đo khoảng cách

13

Vật cản xa


Tùy vào khoảng cách của vật, góc φi (i =1, 2,..n) của tam giác đo sẽ thay đổi
tương ứng từng giá trị Li trên bộ thu. Từ đó, xác định khoảng cách tới vật cản cần
đo dci dựa theo công thức về hệ thức lượng trong tam giác:
dci + d
Li
=
dci
L
Suy ra:
dci =

d
Li

−1
L

(2.2)

Trong đó:
dci là dãy khoảng cách vật cản (i =1, 2,..n)
L = const là khoảng cách giữa 2 thấu kính
Li là những giá trị tương ứng với từng góc phản xạ của tia hồng ngoại từ
vật cản về bộ thu (i =1, 2,..n)
d = const là hệ số đo
Khi khoảng cách vật cản ở xa thì cách đo này khơng hiệu quả vì φi giảm về
khơng rất nhanh nên các tia phản xạ từ những vật cản tập trung tại vùng lân cận của
một điểm thu. Để đo được khoảng cách vật cản ở xa người ta dùng cảm biến siêu
âm. Sóng này truyền đi trong khơng khí với vận tốc khoảng 343 m/s. Nếu một cảm
biến phát ra một sóng và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời
gian từ lúc phát đi đến lúc thu về thì ta xác định được quãng đường mà sóng truyền
di truyền đi trong khơng gian. Qng đường truyền đi của sóng sẽ bằng 2 lần
khoảng cách từ cảm biến đến vật cản theo hướng phát của sóng siêu âm. Khoảng
cách từ phương tiện đến vật cản được tính bởi cơng thức:
dci = v

ti
2

Trong đó:
dci là khoảng cách từ cảm biến đến vật cản
v là vận tốc của sóng
ti là thời gian sóng từ lúc phát đi đến lúc thu về
i = 1, 2, 3, …, n

14

(2.3)


2.3 Động lực học haptics và điều khiển phƣơng tiện từ xa
2.3.1 Khái quát hệ thống điều khiển phƣơng tiện từ xa
Hệ thống điều khiển phương tiện từ xa bao gồm hệ thống máy tính và những hệ
cơ khí cho phép con người vận hành, di chuyển, cảm giác được hoạt động của
phương tiện và thực hiện các thao tác điều khiển những đối tượng ở khoảng cách
xa.
𝑥m

𝑥S

fS
fm
Kênh truyền thông tin

Đối tượng điều khiển

Đối tượng bị điều khiển

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển phương tiện từ xa
Như hình 2.7, khi người điều khiển tác dụng lực fm vào thiết bị haptics, nó sẽ
chuyển động 1 đoạn 𝑥m thì tương ứng với lực fs và đoạn dịch chuyển 𝑥s của
phương tiện từ xa.
2.3.2 Động lực học haptics trong điều khiển phƣơng tiện từ xa
Người điều khiển

Master (chủ)

Slave (nô)

bm

fop

bs

fs

fm
k op

bop

ke

mm

mop

Môi trường tương tác

ms

𝜏𝑠

τm

𝑥𝑚

me
be
𝑥𝑠

Hình 2.8: Mơ hình động lực học của thiết bị chủ/nô (Nguồn: Theo Jee Hwan Ryu,
bài 5, phần Teleoperation and haptics)
15


Động lực học của thiết bị master và slave được biểu diễn bằng các phương trình
sau:
Master: mm 𝑥m + bm 𝑥m = τm + fm
Salve:

(2.4)

ms 𝑥s + bs 𝑥s = τs − fs

(2.5)

Trong đó:
𝑥m : Độ dịch chuyển master

bs : Hệ số giảm xóc slave

𝑥s : Độ dịch chuyển slave

fm : Lực tác dụng trên master

mm : Hệ số khối lượng master

fs : Lực tác dụng trên slave

ms : Hệ số khối lượng slave

τm : Lực dịch chuyển master

bm : Hệ số giảm xóc master
τs : Lực dịch chuyển slave
Động lực học tương tác giữa môi trường với slave được tuyến tính hóa như sau:
fs = me 𝑥s + be 𝑥s + k e 𝑥s

(2.6)

Trong đó:
me : Hệ số khối lượng của mơi trường
be : Hệ số giảm xóc của môi trường
k e : Hệ số cứng của môi trường
Sự dịch chuyển của đối tượng được thể hiện bởi 𝑥𝑠 . Bởi vì giả định cho thiết bị
slave gắn cứng hoặc nắm chặt vào môi trường đây cũng là cách mà slave có thể di
chuyển và vận hành đối tượng. Động lực học của người điều khiển được biểu diễn
bởi hệ thống lò xo – van điều tiết – khối lượng.
fop − fm = mop 𝑥m + bop 𝑥m + k op 𝑥m
Trong đó:
mop : Hệ số khối lượng tác dụng người điều khiển
fop : Lực tác động của người điều khiển
bop : Hệ số giảm xóc tác dụng người điều khiển
k op : Hệ số cứng tác dụng người điều khiển

16

(2.7)


𝑓𝑜𝑝
me s2 + be s + k e
𝑥𝑠

𝑥𝑚

fs
1
2
ms s + bs s

+

+

−

mop s2 + bop s + k op

fm

τs

1

2
mm s + bm s

+

τm

+

+

Sơ đồ động lực học
người điều khiển và master

Sơ đồ động lực học
mơi trường và slave

Hình 2.9: Sơ đồ động lực học haptics trong điều khiển phương tiện từ xa
2.3.3 Mối quan hệ giữa động lực học haptics và tín hiệu điện tử
Chuyển đổi từ tín hiệu mơi trường bởi hệ thống cơ khí thành tín hiệu điện. Ta
có thể thay thế V  F , i  𝑥 .
Từ F = m 𝑥 + b𝑥 + k𝑥 Suy ra: V = m

di
dt

+ bi + k

t
0

idt

(2.8)

Tham số m, b, k tương ứng với các tham số điện: m  L, b  R, k 
k

1
C

L
R

F

V

m

C
b
Hình 2.10: Mơ hình chuyển đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện
Ta có hai phương trình theo qui luật:
điện cũng theo qui luật:

V=0,

F=0,

𝑥 = 0, tương ứng với tín hiệu

i = 0.

Hệ thống hoạt động từ xa có hai điểm liên kết vì vậy ta có hai circuit-port như sau:

17


Người điều khiển

Master
bm

fop

Môi trường tương tác

Slave
bs

fs

fm
k op

bop

ke

mm

mop

ms

me

τs

τm

be

𝑥𝑚

𝑥𝑠

Is

Im
Zop
Vop

Môi trường tương tác

2 – port Network

Người điều khiển

+

+
Vm

Zm

Zs

Vs

Ze
−

−

Hình 2.11: Sơ đồ điều khiển từ xa với hai cổng kết nối (2- port Networt)
Mối liên hệ giữa tín hiệu điện và cơ khí:
- Tốc độ của cơ cấu master 𝑥𝑚  dòng điện Im
- Tốc độ của cơ cấu slave −𝑥𝑠  dòng điện Is
- Lực tác động của người điều khiển fop  điện áp Vop
- Lực tác dụng tại bề mặt master fm  điện áp Vm
- Lực tác dụng tại bề mặt slave fs  điện áp Vs
Quan hệ giữa các lực tác dụng và điện áp được miêu tả bởi một ma trận (P) :
Phương trình mạch điện: y = P (u)
Tất cả các biểu đồ mạch điện thỏa mãn phương trình sau:
y T u= fm vm − fs vs

(2.9)

Mơ hình hệ thống điện và haptics (xem Hình 2.10).

18