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

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 đ

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

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

M C L C

Quyết định giao đề tài

1.9 K ho ch th c hi n 9

Ch ng 2 C SỞ LÝ THUY T XÂY D NG GIAO DI N THÂN

2.2.3 Tương tác thông tin phản hồi từ hệ thống 15

2.2.6 Làm việc với các vấn đề về lỗi, sửa lỗi và an toàn 18

2.3.3 Khảo sát một số giao diện điều khiển từ xa 26 2.3.3.1 Khảo sát giao diện loại 2 với tay điều khiển Joystick 26 2.3.3.2 Khảo sát giao diện loại 3 điều khiển giám sát xe từ xa 30 2.3.3.3 Khảo sát giao diện loại 4 điều khiển xe từ xa có phản hồi Haptic 33

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 niệm về cảm giác xúc giác trong điều khiển từ xa 36

2.4.2 Hệ thống lái điều khiển từ xa 37

2.4.3.1 Đề xuất phương pháp dựa trên động học chuyển động lái 41 2.4.3.2 Đề xuất phương pháp dựa trên biểu đồ mô men lái 41 2.4.3.3 Đề xuất phương pháp dựa trên cảm biến mô men xoắn 43 2.4.3.4 Đề xuất phương pháp dựa trên cường độ dòng điện 44 2.4.3.4.1 Giới thiệu phương pháp đo dòng điện 44

3.4 Thi t k ph ần m ch đi n 72

3.5.1 Thuật toán tái tạo cảm giác lái trên vô lăng 80

THU T NG , Kụ HI U VI T T T

Robot: là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự

điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình

Haptics: từ gốc Hy Lạp chỉ các cảm giác xúc giác

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench): phần

mềm máy tính được phát triển bởi hưng National Instrument, Hoa Kỳ

Camera: thiết bị điện tử dùng để ghi hình

Cabin: buồng lái bên trong xe

DC (Direct Current): động cơ điện một chiều

PID (Proportional Integral Derivative): bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

HDL 9090: mạch giao tiếp máy tính Học Để Làm 9090

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol): chuẩn giao thức điều

khiển truyền dữ liệu

Modem (Modulator and Demodulator): thiết bị điều chế sóng tín hiệu tương tự để

mã hóa thành dữ liệu số và ngược lại

Wireless LAN: mạng giao tiếp dữ liệu nội bộ không dây

Wifi: sóng thu phát không dây

3G (Third-generation Technology): công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3

Menu: danh sách các tùy chọn chức năng điều khiển

Multi-media: các định dạng hình ảnh, âm thanh

DOF (Degrees Of Freedom): bậc tự do của một cơ cấu

Joystick: thiết bị điều khiển cầm tay

PWM (Pulse Width Modulated): phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng

của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

A\V (Audio\Video): bộ thu phát hình ảnh, âm thanh

Bluetooth: công nghệ cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị không cần dây và cáp

Encoder: thiết bị chuyển đổi vị trí góc quay thành tín hiệu tương tự hoặc số

Drive By Wire: điều khiển lái bằng điện tử

UDP (User Datagram Protocol): giao thức cốt lõi của chuẩn giao tiếp TCP/IP

RW (Road Wheel): bánh xe

HW (Hand Wheel): vô lăng lái

Motor: động cơ điện

ACS712: mạch đo dòng

USB (Univeral Serial Bus): chuẩn kết nối các thiết bị điện tử

PCI (Peripheral Component Interconnect): chuẩn truyền dữ liệu giữa các thiết bị

ngoại vi đến bo mạch chủ

Ethernet: công nghệ truyền tải dựa trên khung dữ liệu dành cho mạng nội bộ

Webcam: thiết bị thu phát hình ảnh

VI (Virtual Instrument): thiết bị ảo trong phần mềm LabVIEW

SubVI: là một VI được sử dụng trong một VI khác

Server: phía máy chủ

Client: phía máy trạm, máy chấp hành

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.2: Giao diện điều khiển từ xa có hiển thị định vị 13

Hình 2.3: Giao diện điều khiển trang bị laptop và giao tiếp âm thanh 20

Hình 2.4: Thiết bị Haptic Handshake hỗ trợ giao diện điều khiển chính 23

Hình 2.5: Giao diện trò chơi bắn súng có thiết bị Haptic 24

Hình 2.6: Mô phỏng cánh tay 3D với giao diện Haptic 6-DOF 24

Hình 2.14: Sơ đồ khối cấu tạo giao diện PHANTOM có phản hồi xúc giác 34

Hình 2.17: Sơ đồ khối hệ thống lái điều khiển từ xa qua mạng không dây 38

Hình 2.18: Sơ đồ động lực học hệ thống phía HW và RW 40

Hình 2.21: Sơ đồ tái tạo cảm giác lái dùng cảm biến dòng 45

Hình 2.23: Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện trong cảm biến ACS712 48

Hình 2.24: Kiểm soát nhiệt độ bằng ngôn ngữ lập trình LabVIEW 53

Hình 2.25: LabVIEW giao tiếp với phần cứng thiết bị 54

Hình 2.27: Tool Palette và Controls Palette 57

Hình 2.29: Giá trị đặt, giá trị đo được và diện tích sai lệch 61

Hình 2.30: Sơ đồ truyền và nhận tín hiệu giữa vô lăng và xe 62

Hình 3.1: Giao diện đề xuất điều khiển xe từ xa qua mạng không dây có

Hình 3.2: Xe ba bánh sử dụng trong điều khiển từ xa 66

Hình 3.3: Mô phỏng hình dạng 3D giao diện đề xuất 67

Hình 3.12: Mạch công suất điều khiển động cơ trái phải 76

Hình 3.13: Mạch công suất điều khiển động cơ tiến lùi 76

Hình 3.20: Lưu đồ thuật toán điều khiển vô lăng tự trả về vị trí cân bằng 85

Hình 4.1: Thực nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây

DANH SÁCH CÁC B NG VÀ BI U Đ

TRANG

B ng 2.1: Tiêu chuẩn thiết kế giao diện theo Shneiderman và Nielsen 14

B ng 3.5: Góc đánh lái α và vận tốc thực tế của xe vtt 82

B ng 4.1: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không

Bi u đ 4.1: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng

không dây không có phản hồi cảm giác xúc giác 89

B ng 4.2: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng không

Bi u đ 4.2: Kết quả thí nghiệm giao diện điều khiển xe từ xa qua mạng

xa, giúp con người thực hiện được nhiều nhiệm vụ phức tạp trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường xung quanh Chẳng hạn như các mẫu xe giám sát an ninh cho các tòa nhà, các robot do thám trong vùng độc hại đều là những ví dụ điển hình cho các lợi ích to lớn mà kỹ thuật điều khiển từ xa mang lại cho con người

Hình 1.1 Xe không người lái Guardium

Trên hình 1.1 là xe Guardium được coi như sản phẩm mang tính cách mạng trong lĩnh vực phát triển xe không người lái Được thiết kế bởi công ty GNIUS, Guardium trang

bị cho quân đội Israel thực hiện các nhiệm vụ được lập trình sẵn, ngoài ra còn có thể tự

phản ứng trước bất kỳ tình huống nào đó không có trong chương trình.Guardium là

một hệ thống không người lái điển hình, gồm có: xe, bộ phận điều khiển và chỉ huy, thiết bị thông tin liên lạc, hậu cần hỗ trợ Trên xe có gắn các camera quang điện hoặc

hồng ngoại, các thiết bị thu phát nhận lệnh điều khiển và các cơ cấp chấp hành khác

Hình 1.2Robot thăm dò sao hỏa Curiosity

Một sự kiện gần đây được mọi người biết đến đó là việc đưa thành công robot thăm dò

sự sống Curiostiy lên sao Hỏa của NASA thể hiện ở hình 1.2 Curiosity là một kiểu phương tiện điều khiển từ xa làm nhiệm vụ phân tích và tìm kiếm các dấu hiệu sự sống trên môi trường sao Hỏa, nhận lệnh điều khiển và phản hồi các thông tin thu thập được

với phía điều khiển từ trái đất Ngoài ra Curiosity cũng có khả năng tự vận hành để thích nghi với những tác động của môi trường xung quanh mà không có trong chương trình điều khiển

 Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo giao diện haptics điều khiển xe ô tô từ xa

qua m ạng wifi" [4] của nhóm sinh viên Nguyễn Thành Tuyên và Lê Thiện Tịnh,

trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Nguyễn Bá Hải đư hoàn thành vào tháng 12 năm 2011 Đề tài đư đạt được kết quả:

 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được giao diện haptics

 Điều khiển được mô hình xe ba bánh từ xa thông qua mạng không dây

 ng dụng giao diện haptics mới để điều khiển mô hình xe từ xa dùng trong thí nghiệm

 ng dụng phần mềm LabVIEW tạo ra được cảm giác cho giao diện haptics Tuy nhiên, ngoài những kết quả tích cực đạt được thì đề tài vẫn còn một số hạn chế như sau:

 Giao diện haptics này vẫn chưa tạo được cảm giác lái sát thực, điển hình là lực

va chạm của mặt đường lên tay lái, hoặc cảm giác quay tay lái khi vào cua

 Thời gian phản hồi thông tin từ người điều khiển đến xe qua băng thông wifi vẫn còn có độ trễ, do đó cảm giác lái chưa được như mong muốn

 Điều khiển xe từ xa chỉ áp dụng được cho mạng nội bộ

 Chưa nghiên cứu được chế độ dự phòng cho xe khi có sự cố mất tín hiệu điều khiển

 Đề tài "Nghiên cứu và xây dựng thuật toán tái tạo cảm giác lái sát thực phục

v ụ đào tạo lái xe" [5] của tác giả Phan Ngọc Trung thực hiện tại Đại học Sư Phạm Kỹ

Thuật TPHCM do tiến sĩ Nguyễn Bá Hải hướng dẫn đư hoàn thành vào tháng 4/2012

Đề tài đư đạt được một số kết quả:

 Xây dựng thuật toán để tái tạo cảm giác lái và hiện thực hóa môi trường đào tạo lái xe thực tế

 Mô phỏng môi trường 3D theo đúng sa hình tập lái xe của Việt Nam Mô phỏng

xe ô tô 3D, giao tiếp máy tính với mô hình xe thông qua ngôn ngữ lập trình LabVIEW

 Thiết kế và chế tạo mô hình tập lái xe ô tô (cabin điện tử) gồm phần khung mô hình có kích thước đủ lớn để giúp người ngồi tập lái thoải mái thao tác, có trang

bị chân ga, âm thanh, chân phanh và màn hình LCD kích thước lớn và sơ đồ điện điều khiển

 Vận hành thử nghiệm và cho các học viên tập lái tham gia lái thử và đánh giá

hiệu quả sơ bộ về sử dụng mô hình

 Đây là đề tài đầu tiên ở Việt Nam thực hiện thiết kế và chế tạo thử, với phần

mềm phù hợp với điều kiện trong nước, phiên bản phần mềm có thể nâng cấp

 Thiết kế và thi công thành công mô hình cabin điện tử, mô hình này có thể ứng

dụng trong thực tiễn và tạo tính thương mại cao

 Phần mềm còn có thể ứng dụng được trong lĩnh vực khác: giảng dạy y khoa, học lái máy bay, học lái xe quân sự, thử quần áo trong lĩnh vực thời trang

Đề tài vẫn còn một số hạn chế:

 Cabin điện tử chưa đạt được tính năng tối ưu như mong muốn

 Chưa đáp ứng được cho nhiều hạng xe và địa hình khác nhau

1.1.3 Tình Hình Nghiên C u Ngoài N c

 Nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Bá Hải và giáo sư Jee-Hwan Ryu: "A intuitive

interface for the teleoperation of wheeled and tracked vehicles" [6] tại Đại Học Công

Nghệ Và Giáo Dục Hàn Quốc, Cheonan, Hàn Quốc về giao diện cảm giác quay vòng sát thực điều khiển xe từ xa Nghiên cứu này đưa ra một giao diện đề xuất giúp người điều khiển không những điều khiển được chính xác điểm đến và vị trí của xe mà còn có

thể gia tốc được nhanh chóng hơn nhờ một bàn đạp gia tốc Giao diện điều khiển haptics được đề xuất trong nghiên cứu giúp cảm nhận được sát thực cảm giác lái dựa vào phương pháp cảm biến dòng

Hình 1.3Giao di ện haptics được đề xuất

 Cho phép người điều khiển có thể ở tại bất cứ nơi nào vẫn có cảm giác sát thực như đang điều khiển xe trên đường nhờ vào giao diện haptics đề xuất

 Giao diện cho phép kết nối được tất cả những tính năng khác nhau của xe, giúp cho những nhà phát triển hệ thống có thể tùy ý thay đổi theo mong muốn thiết

 Chỉ mới thực hiện trong điều kiện trên xe mô phỏng 3D

 Nghiên cứu của nhóm tác giả Oscar A Mar và Edgar A Martine: "A mobile

robots teleoperation interface" [7] thuộc Trung Tâm Robot Tự Hành Có Cảm Xúc,

Viện Kỹ Thuật Công Nghệ Đại Học Autonoma De Ciudad Juarez đề xuất một giao

diện điều khiển robot từ xa Giao diện này cung cấp cho người điều khiển các chức năng tương tác với robot từ xa Nó hiển thị hình ảnh và vị trí của robot, đồng thời cũng cho biết tình trạng của pin, bộ xử lý, bộ nhớ Bằng cách sử dụng kỹ thuật GTK2+, cách điều khiển robot này có framework chủ yếu có các ứng dụng xử lý cho các bản phân phối của hệ điều hành Linux Sử dụng ngôn ngữ C/C++ kết hợp với một số ứng

dụng có sẵn trong Linux giúp hệ thống xử lý rất linh hoạt và hiệu quả trong việc điều khiển robot từ xa

 Nghiên cứu của tác giả D.W.Hainsworth: "Teleoperation user interfaces for

mining robot" [8] thuộc tạp chí Thăm Dò Và Thám Hiểm CSIRO, Brisbane Qld 4069 Australia đề xuất giao diện điều khiển từ xa cho robot thăm dò Giao diện này ngoài

việc cung cấp các tính năng cho người điều khiển theo dõi và nhận biết hoạt động của robot, nó còn có thể giúp robot tự hành trong những trường hợp hạn chế về tầm quan sát bởi điều kiện thăm dò

 Kiểm soát nồng độ khí: Giao diện hiển thị được các thông số về nồng độ không khí, cho phép tự động dừng thăm dò nếu có khả năng những hỗn hợp cháy nổ có

thể hình thành bởi hoạt động khoan, cắt, thăm dò của robot

 Hiển thị được các thông số về độ sâu, tải trọng phát sinh

 Lưu lại nhật ký khai thác: rất cần thiết cho việc lập bản đồ địa chất khu vực hoặc các quyết định liên quan đến việc khai thác thực tế

Tuy nhiên giao diện vẫn tồn tại một số hạn chế:

 Chưa kiểm soát được thời gian thực

 Chưa ứng dụng được một giao diện haptic giúp người điều khiển kịp thời điều chỉnh một số hoạt động cần thiết cho robot, tăng tính an toàn và hiệu quả vận hành của robot

1.2.LÝ DO CH N Đ TÀI

Qua khảo sát tình hình phát triển của các kiểu giao diện điều khiển từ xa từ trước đến nay và sau khi tham khảo đánh giá một số nghiên cứu trong nước và trên thế giới có liên quan, việc phát triển một giao diện sát thực theo điều kiện vận hành của xe là điều

cần thiết

Luận văn này sẽ giải quyết những vấn đề:

 Xây dựng thuật toán tái tạo cảm giác lái sát thực giữa xe và tình trạng mặt đường

 Xây dựng thuật toán tái tạo cảm giác quay vòng sát thực khi ôm cua

 Xây dựng thuật toán điều khiển xe từ xa qua mạng không dây

 Thiết kế chế tạo giao diện haptic điều khiển xe từ xa

Đề tài này được ứng dụng để:

 Thực hiện giám sát an ninh cho các tòa nhà, công trình, khu nhà xưởng

 Thực hiện thăm dò trong vùng độc hại

 Giúp người điều khiển xe từ xa cảm nhận rõ ràng hơn về ảnh hưởng của mặt đường và cảm giác sát thực khi ôm cua như đang điều khiển thực sự, làm tăng

hiệu quả kiểm soát quá trình vận hành xe từ xa

 Có thể dùng kết hợp trong đào tạo lái xe dạng mô hình

1.3.M C ĐệCH NGHIểN C U

 Thiết kế chế tạo phần cơ khí giao diện haptic điều khiển xe từ xa đảm bảo được tính sát thực trong cảm giác lái và quay vòng như đang trực tiếp điều khiển trên đường nhằm đạt được sự tối ưu hóa hoạt động của xe

 Thiết kế được giao diện nhỏ gọn, thân thiện, dễ thao tác, dễ bảo trì bảo dưỡng

 Giao diện điều khiển có tính kế thừa và linh hoạt, dễ dàng nâng cấp thêm những tính năng mới phù hợp với các yêu cầu thực tế

 Thiết kế được giao diện điều khiển từ xa qua mạng không dây

1.4.NHI M V NGHIÊN C U

 Vận dụng lý thuyết cơ học chuyển động của ô tô và ứng dụng công nghệ Haptic

để đưa ra thuật toán phản hồi cảm giác lái và cảm giác quay vòng sát thực

 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển động cơ DC

 Nghiên cứu thuật toán PID điều khiển động cơ DC

 Tìm hiểu phần mềm LabVIEW để lập trình điều khiển.[1]

 Xây dựng thuật toán điều khiển xe từ xa qua mạng không dây

 Chế tạo phần cơ khí giao diện haptic điều khiển từ xa

 Thiết kế mạch điện điều khiển xe từ xa qua mạng không dây

 Thực nghiệm và ghi nhận kết quả đạt được

1.5 Đ I T NG NGHIÊN C U

 Giao diện haptic điều khiển xe từ xa qua mạng không dây

 Động cơ DC

 Thiết bị thu phát không dây

 Card giao tiếp máy tính HDL 9090

 Các cảm biến thu nhận phản hồi tín hiệu

 Giao diện tạo được cảm giác lái sát thực với tình trạng mặt đường và cảm giác quay vòng sát thực khi vào cua

 Giao diện điều khiển từ xa qua mạng không dây chuẩn TCP/IP

 Kết quả thực nghiệm được ghi nhận trong điều kiện chạy trên đường bê tông

 Xe được thực nghiệm trong phạm vi mạng không dây 100m

 Phần mềm lập trình được sử dụng trong đề tài này là LabVIEW, chưa thử nghiệm trên những ngôn ngữ khác

 Tính toán thiết kế mô hình trên máy tính

 Tham khảo tất cả các tài liệu nghiên cứu trong nước và quốc tế có liên quan

 Thí nghiệm nhiều lần và đánh giá tìm ra kết quả tối ưu

 Lựa chọn phần cứng và phần mềm phù hợp với kết quả nghiên cứu

1.9.K HO CH TH C HI N

 Nghiên cứu tài liệu để tìm ra ưu nhược điểm của các loại giao diện điều khiển từ

xa, từ đó lựa chọn các tính năng cần thiết cho giao diện haptic đề xuất

 Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình LabVIEW, công nghệ Haptic, lý thuyết cơ học chuyển động và dao động của ô tô, ứng dụng điều khiển từ xa qua mạng không dây

 Phác thảo mô hình trên máy tính

 Chế tạo mô hình, kiểm tra các chi tiết và thay đổi lại cho phù hợp với mong muốn

 Viết thuật toán tái tạo cảm giác lái sát thực

 Viết thuật toán tái tạo cảm giác quay vòng sát thực khi ôm cua

 Viết chương trình điều khiển động cơ DC giao tiếp giữa giao diện và xe

 Viết chương trình điều khiển xe từ xa qua mạng không dây chuẩn TCP/IP

 Thiết kế mạch điện điều khiển trên giao diện và xe

 Thực nghiệm và ghi nhận kết quả

Ch ng 2

C SỞ LÝ THUY T XÂY D NG GIAO DI N THÂN

2.1.K ỹ thu t đi u khi n t xa

2.1.1 K ỹ thu t đi u khi n t xa là gì?

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế từ công việc đư dẫn đến sự hình thành nhóm tương tác người và máy, chẳng hạn như thăm dò vùng độc hại, đo đạc địa chất, giám sát, kiểm tra an ninh Trong đó con người đóng vai trò điều khiển mọi hoạt động của hệ

thống máy từ xa Các nền tảng về cơ học , động học, điện tử và cả những yếu tố liên quan đến con người được nghiên cứu để ứng dụng cho các yêu cầu này Để thực hiện được hoạt động giao tiếp, điều khiển từ xa và phản hồi giữa người và máy thì kỹ thuật điều khiển từ xa được nghiên cứu và phát triển nhằmđáp ứng được các yêu cầu này

2.1.2 Các thành ph ần c b n trong h th ng đi u khi n t xa

Một điều khiển từ xa về cơ bản phải có đầy đủ các thành phần:

 Thiết bị phần cứng: phương tiện điều khiển từ xa, các camera quan sát hoặc cảm

biến có chức năng cung cấp thông tin về điều kiện môi trường xung quanh, giao

diện điều khiển, băng thông điều khiển như máy thu phát sóng radio tín hiệu

hoặc modem mạng không dây wireless LAN, 3G

 Phần mềm: các ngôn ngữ lập trình như C, Assembly, Apache HTTP web serverhoặc LabVIEW sẽ thực hiện việc giao tiếp giữa người điều khiển và phương tiện điều khiển từ xa

Trên hình 2.1 mô tả sơ đồ khối của một quá trình điều khiển từ xa

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển từ xa

Trong phạm vi đề tài này tác giả tập trung trình bày các yếu tố của một hệ thống điều khiển xe từ xa:

 Thực hiện các tương tác giữa người và xe

 Giao diện đồ họa

 Hiển thị được vị trí, điều kiện môi trường nơi xe đang vận hành

 Có đủ các chức năng điều khiển xe theo các hướng trong không gian

 Giúp người và xe giao tiếp qua mạng không dây nhưng vẫn đảm bảo được một

số cảm nhận sát thực như đang điều khiển trực tiếp

2.2.Thi t k giao di n

2.2.1.Giao di n đ h a

Giao diện được thiết kế phải đảm bảo được trước hết các hoạt động cơ bản của xe như tiến lùi, rẽ trái, rẽ phải Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ trễ thời gian từ thời điểm

gửi tín hiệu điều khiển đến xe để xử lý và chuyển thành chuyển động của xe cũng phải được tính toán đến Đặc điểm kỹ thuật cũng phải nhất quán cùng một hệ thống dữ liệu, trong trường hợp có sự thay đổi nâng cấp thêm một số tính năng mới của xe thì giao

diện vẫn có thể linh hoạt và thích nghi được Ngoài ra giao diện cho phép người dùng giám sát được một số thông số cơ bản bên trong hệ thống để kịp thời có những điều chỉnh thích hợp, do đó phải tích hợp các cảm biến là điều cần thiết

Một giao diện điều khiển từ xa điển hình được trình bày trên hình 2.2

Hình 2.2 Giao di ện điều khiển từ xa có hiển thị định vị

Qua khảo sát các giao diện thực tế thì một số thông số sau đây trên giao diện đồ họa

giữ vai trò quan trọng trong việc giao tiếp trao đổi thông tin giữa người điều khiển và

xe từ xa:

 Bản đồ định vị khu vực, bao gồm các cấu trúc xây dựng cũng như những thông tin cần thiết khác được sắp xếp theo lớp, có thể làm mờ từng lớp, làm biến mất

hoặc khóa một lớp lại giúp cho việc điều khiển xe được thuận tiện

 Thông tin về môi trường xung quanh nơi xe đang vận hành: hình ảnh, nhiệt độ

 Sự trực quan của các thực thể xung quanh: cảm giác Haptic, tầm nhìn

 Thông tin được các ghi chú hoặc dự báo các tình huống có thể xảy ra trong hoạt động điều khiển: khả năng dự phòng, khả năng tự hành của xe

 Theo dõi các thông số đầu vào từ cảm biến và các lệnh thực thi từ người điều khiển

Nhiều giao diện đồ họa khác nhau đư được phát triển, hiển thị 3D hoặc 2D có kèm hệ

thống định vị cho người điều khiển Trong đó phổ biến là định dạng 3D, từ đó các tính năng của giao diện được thiết kế dựa theo định dạng hiển thị này

2.2.2 Tiêu chu ẩn vƠ ph ng án thi t k

Tiêu chuẩn thiết kế dựa theo 8 quy tắc vàng do Shneiderman đề xuất [9] và 10 lựa chọn phương án thiết kế phổ biến do Nielsen phát triển [9] Cả hai nội dung này được trình bày trong bảng 2.1 bên dưới

B ảng 2.1 Tiêu chuẩn thiết kế giao diện theo Shneiderman và Nielsen

3 Do người điều khiển đề xuất

4 Đồng bộ và theo chuẩn chung

5 Cho phép xử lý được các lỗi đơn giản

6 Cho phép dễ dàng thay đổi lệnh

7 Hỗ trợ được các điều khiển bên trong

8 Giảm tải bộ nhớ tạm

5 Tránh được lỗi

6 Xác nhận được nhiều phản hồi

7 Linh hoạt, hiệu quả và dễ sử dụng

8 Giúp người dùng phát hiện, chuẩn đoán và sửa lỗi

9 Mang tính thẩm mỹ và đơn giản nhất

10 Hỗ trợ thông tin và dữ liệu

Các nguyên tắc liên quan thiết kế giao diện ảnh hưởng phần nào đến hiệu quả của hệ

thống Nếu giao diện không hợp lý hoặc thiếu nhiều tính năng phản hồi thông tin thì

hoạt động điều khiển từ xa dễ gặp trục trặc Giao diện càng trực quan và thân thiện với đầy đủ thông tin về điều kiện hoạt động của xe và môi trường xung quanh sẽ giúp người điều khiển dễ dàng đưa ra được các quyết định chính xác

từ phía người điều khiển có đang được thực thi hay không Khi đó thông tin phản hồi

từ giao diện sẽ cho người điều khiển biết rằng lệnh đư được hệ thống xác nhận và xử

lý Bằng cách này thì người sử dụng sẽ cập nhật được mọi thay đổi của hệ thống theo chiều ngược lại Vai trò này đặc biệt quan trọng trong trường hợp hoạt động điều khiển

bị gián đoạn, vì vậy có thể thiết lập thêm các dạng biểu tượng xuất hiện hoặc biến mất khi có một lệnh được thực hiện

 X lý nh ng ph n h i dài

Một số lệnh trong giao diện người điều khiển tạo ra những phản hồi gián tiếp

Chẳng hạn khi một đối tượng mới được thêm vào trong bản đồ định vị thì dữ liệu sẽ được chuyển đến hệ thống sau đó thêm nó vào mô hình chung từ trước, cập nhật lại mô hình và xuất trở ra bản đồ giao diện hiển thị cho người dùng Nếu chỉ là một đối tượng bình thường thì thời gian xử lý nhỏ, sự trễ tức là thời gian tính từ thời điểm gửi lệnh cho đến thời điểm xe bắt đầu thực thi lệnh và phản hồi lại cho người điều khiển chỉ mất

một khoảng thời gian không đáng kể Nhưng trong trường hợp người điều khiển tiếp

tục đưa ra một điều khiển khác trong khi xe chưa kịp cập nhật những thay đổi từ hệ thống thì dẫn đến tình trạng trễ xuất hiện, thậm chí có thể khiến xe bỏ qua một số lệnh được yêu cầu trước đó Sự trễ này có thể quan sát thấy được trong các thí nghiệm điều khiển từ xa qua mạng không dây Khi đó hoạt động điều khiển không thể đáp ứng một cách ngay lập tức làm cho hiệu quả làm việc của xe bị giảm

Do đó giao diện được thiết kế có một số tính năng hiển thị thông tin phản hồi chính xác giúp người điều khiển biết được tình trạng và mức độ hoạt động hiện hành

của xe, tránh trường hợp xảy ra trễ trong việc xử lý tín hiệu đầu vào từ phía người điều khiển Nếu có một lệnh nào đó không được thực thi thì giao diện cũng phải hiển thị cho người điều khiển biết được, điều này phù hợp với nguyên tắc thiết kế thứ 7 của Shneiderman, giúp người điều khiển cảm thấy không bị mất kiểm soát đối với các hoạt động của xe điều khiển từ xa

2.2.4 Thi t k ngõ vào và dòng l nh

 Cấu trúc tuần t cho chuỗi l nh và cho phép h y l nh b i ng i đi u khi n

Một loạt các hành động trên giao diện luôn có điểm bắt đầu, điểm giữa và điểm kết thúc Các trình tự khép kín và đều có thông tin phản hồi Ví dụ thêm một đối tượng vào môi trường làm việc của xe sẽ bắt đầu từ các lựa chọn tính năng, thuộc tính của đối

tượng đó như tên, hình, các thông số liên quan Cuối cùng đối tượng bổ sung hoàn tất với việc đóng hộp thoại và đối tượng được đưa vào danh sách và cập nhật trong hệ

thống Hoặc khi ra lệnh cho xe di chuyển theo một con đường mới, thì phải xác định vị trí của các điểm, từ nơi xe bắt đầu di chuyển cho đến các điểm giữa và cuối cùng là đích Lúc này luôn phải có chức năng hủy bỏ lệnh tại một trình tự nào đó, có thể là ở

giữa, gần đích hoặc thậm chí là khi xe bắt đầu di chuyển

 S d ng các c ch ki m soát t nhiên

Goodrich and Olsen[9] đề xuất cho phép người điều khiển thay vì phải thao tác thì có

thể lựa chọn các lệnh có sẵn trên giao diện Chẳng hạn như trong hoạt động giám sát xe

từ xa trên môi trường 3D, giao diện tương tác cho phép lựa chọn điều khiển một cách

trực tiếp Có thể nhấn chuột phải vào xe để xuất hiện một Menu lựa chọn các nhóm

lệnh có sẵn: chỉ định một con đường di chuyển, xoay đi một góc, đi lùi, di chuyển một khoảng cách nhất định Hoặc nhấn chuột phải vào một đối tượng trên giao diện 3D cho phép xuất hiện Menu chỉnh sửa các thuộc tính của đối tượng như sao chép, di chuyển, xóa

chọn các điều khiển theo Menu chức năng có sẵn hoặc chọn dùng các phím tắt Ví dụ

xe có thể được lựa chọn bằng cách nhấn trực tiếp vào hình ảnh hiển thị trên giao diện

3D, hoặc nhấn vào bảng điều khiển và lựa chọn tính năng điều khiển Lệnh điều khiển cũng có thể được xóa bằng phím tắt hoặc từ bảng điều khiển

2.2.6 Làm vi c v i các v ấn đ v lỗi, s a lỗi và an toàn

 Ngăn chặn lỗi

Giao diện được thiết kế liện hệ chặt chẽ với hoạt động của hệ thống, có khả năng ngăn chặn các trường hợp lỗi có thể xảy ra phù hợp với nguyên tắc vàng thứ 5

của Shneiderman và phương án thứ 5 của Nielsen Cấu trúc của giao diện đề xuất đảm

bảo được các lỗi trong quá trình thực thi điều khiển không ảnh hưởng đến các hoạt động khác của hệ thống Ví dụ khi có sự thay đổi bất ngờ của các thông số môi trường làm việc xung quanh xe dẫn tới một số hoạt động của xe có thể bị ngừng lại hoặc gián đoạn, nhưng xe vẫn hoạt động với các điều khiển trong chuỗi lệnh nhận được trước đó

Hoặc xe có thể tự phản ứng theo một cách khác để phù hợp theo những thay đổi bất ngờ từ thông số của môi trường xung quanh, miễn sao vẫn đảm bảo được hoạt động bình thường của các yêu cầu còn lại trong hệ thống

 Hỗ tr s a lỗi

Chức năng tự động hóa trong giao diện đồ họa giúp người điều khiển phát hiện các

lệnh sai và chuẩn bị cơ chế sửa lỗi Chẳng hạn như khi người dùng gửi một yêu cầu xe

di chuyển đến một vị trí không thể kết nối được sẽ có một thông báo lỗi hiển thị, phù

hợp với phương án thiết kế thứ 9 của Nielsen Đồng thời giao diện cũng có thể hiển thị các chỉ dẫn tiếp theo sau lỗi xuất hiện

 Cung cấp kh năng h y b l nh v a th c hi n

Một quyết định điều khiển không phù hợp có thể được hủy mà vẫn đảm bảo được thông tin dữ liệu hệ thống không bị ảnh hưởng, theo nguyên tắc vàng thứ 6 của Shneiderman và phương án thứ 3 của Nielsen Ví dụ xóa một đối tượng từ bản đồ hình

ảnh môi trường xung quanh nhưng vẫn có thể hồi phục lại được Lệnh xóa chỉ đưa đối tượng vào một danh sách tạm thời thay vì xóa bỏ hoàn toàn Điều này giúp cho người điều khiển có thể an tâm thao tác mà không sợ một quyết định nhầm lẫn nào đó có thể gây ra sự mất mát dữ liệu thông tin

2.3 Phân lo i giao di n đi u khi n t xa

hợp các cảm biến chuyển đổi thành dạng tín hiệu dữ liệu 3D hoặc hệ thống chiếu âm thanh nổi tạo nên sự hoàn thiện của giao diện điều khiển như trên hình 2.3