Đồ án thiết kế xe cho người tàn tật

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đang tác động đến các lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực điện tử đã tạo ra bước nhảy vọt vượt bậc trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, góp phần mang đến cuộc sống tốt đẹp hơn, đặc biệt là sức khỏe của con người. Với những kiến thức đã được học, em mong muốn “thiết kế mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật”, những con người không gặp may mắn trong cuộc sống. Hiện tại có rất nhiều công nghệ đã được áp dụng để chế tạo các sản phẩm xe thông mình như điều khiển qua bluetooth, điều khiển qua cử chỉ của con con người, điều khiển qua giọng nói.v.v. Công nghệ nhận dạng giọng nói là một giải pháp thích hợp. Nó cho phép người sử dụng có thể điều khiển theo khẩu lệnh của mình bằng những lệnh đã được cài đặt từ trước, từ đó người sử dụng có thể điều khiển một cách dễ dàng, linh hoạt, độ tin cậy cao. Trên cơ sở đó, em đã lựa chọn công nghệ nhận dạng giọng nói để thực hiện “thiết kế mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật”.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 5

1.1 Giới thiệu về hệ thống 5

1.2 Mục tiêu của đề tài 5

1.3 Giới hạn đề tài 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 5

1.5 Đề xuất 8

1.6 Nhận xét 8

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9

2.1 Yêu cầu hệ thống 9

2.2 Thiết kế hệ thống 9

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 9

2.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống 18

2.2.2 Thiết kế chương trình phần mềm 18

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 21

2.3 Nhận xét 21

CHƯƠNG 3 HOÀN THIỆN HỆ THỐNG 22

3.1 Các bước thực hiện 22

3.2 Kiểm tra và hiệu chỉnh 25

3.3 Kết quả 26

3.4 Nhận xét 26

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

PHỤ LỤC 29

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Xe lăn đẩy tay 6

Hình 1.2 Xe lăn điện 7

Hình 1.3 Xe lăn điều khiển bằng giọng nói 7

Hình 2.1 Sơ đồi khối của hệ thống 9

Hình 2.2 Nguồn adapter 10

Hình 2.3 Nguồn pin DC 10

Hình 2.4 Cảm biến âm thanh CN07 11

Hình 2.5 Module nhận dạng giọng nói VR3 12

Hình 2.6 Arduino Uno R3 13

Hình 2.7 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 14

Hình 2.8 Module điều khiển động cơ L298 15

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý L298 16

Hình 2.10 Động cơ giảm tốc DC 17

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý 18

Hình 2.12 Cấu trúc chương trình Arduino 19

Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán 20

Hình 3.1 Mạch 3D mô phỏng trên Proteus 7.8 23

Hình 3.2 Sản phẩm trong quá trình hoàn thiện 23

Hình 3.3 Hướng dẫn chọn Board Arduino 24

Hình 3.4 Hướng dẫn chọn cổng kết nối Arduino 24

Hình 3.5 Nạp code chương trình cho hệ thống 25

Hình 3.6 Sản phẩm kiểm tra bị lỗi 25

Hình 3.7 Sản phẩm đóng hộp 26

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module VR3 22Bảng 2: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module L298 22

MỞ ĐẦU

Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đờisống xã hội Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất lượng sản xuất màcòn giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân về mặt sức khỏe và tinh thần,đặc biệt đối với những người khuyết tật không gặp may mắn trong cuộc sống

Trong các công nghệ hiện đại thì công nghệ nhận dạng giọng nói để điều khiển xe

mô hình được sử dụng khá phổ biến Do có ưu điểm về tính thông minh và tương táccao so với phương pháp xe thủ công và các phương pháp khác hiện nay Xuất phát từ

nhu cầu thực tế, em chọn đề tài “Nghiên cứu và thiết kế mô hình xe hỗ trợ cho người

tàn tật” nhằm giúp đỡ những người tàn tật dễ dàng sinh hoạt, hòa nhập với xã hội hơn.

Đề tài trình bày quá trình em tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn của thiết bịbao gồm 3 chương:

Trình bày, giới thiệu về mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật, từ đó lựa chọn môhình phù hợp cho đề tài

 Chương 2: Phân tích và thiết kế hệ thống

Phân tích bài toán thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế mô hình.Sau đó dựa trên các phân tích đưa ra phương pháp thiết kế, lựa chọn linh kiệnchế tạo sản phẩm

Trình bày về quá trình thử nghiệm mô hình thực tế, đánh giá kết quả thu được

và đề ra hướng phát triển trong tương lai

Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, em đã đạt được một số kết quảnhất định Mặc dù vậy do thiếu sót về mặt kiết thức cũng như thiết bị cũng như hạnchế về linh kiện thiết nên em không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy em rất mongnhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô giáo và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu về hệ thống

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đang tác động đến các lĩnh vực, đặc biệt làlĩnh vực điện tử đã tạo ra bước nhảy vọt vượt bậc trong nhiều lĩnh vực của đời sống

xã hội, góp phần mang đến cuộc sống tốt đẹp hơn, đặc biệt là sức khỏe của con người

Với những kiến thức đã được học, em mong muốn “thiết kế mô hình xe hỗ trợ cho

người tàn tật”, những con người không gặp may mắn trong cuộc sống Hiện tại có rất

nhiều công nghệ đã được áp dụng để chế tạo các sản phẩm xe thông mình như điềukhiển qua bluetooth, điều khiển qua cử chỉ của con con người, điều khiển qua giọngnói.v.v

Công nghệ nhận dạng giọng nói là một giải pháp thích hợp Nó cho phép người sửdụng có thể điều khiển theo khẩu lệnh của mình bằng những lệnh đã được cài đặt từtrước, từ đó người sử dụng có thể điều khiển một cách dễ dàng, linh hoạt, độ tin cậy

cao Trên cơ sở đó, em đã lựa chọn công nghệ nhận dạng giọng nói để thực hiện “thiết

kế mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật”.

1.2 Mục tiêu của đề tài

Thiết kế “Mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật” thông minh, nhạy, tương tác linh

hoạt với người sử dụng, phù hợp với môi trường học tập Từ đây phát triển ý tưởng,đưa hệ thống vào thực tế

Từ đó thu được kiến thức về thiết kế, chế tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị cótrong hệ thống

1.3 Giới hạn đề tài

Việc xây dựng mô hình sao cho phù hợp với điều kiện nghiên cứu học tập, tùy vàothực tế để xây dựng và phát triển hướng trong tương lai để hoàn thiện sản phẩm đạtchất lượng cao, đáp ứng được nhu cầu sử dụng

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Trong thực tế hiện nay, ngoài phương pháp truyền thống như xe lăn bằng tay haybằng chân, một số phương pháp mới đã và đang được áp dụng như xe đẩy có động cơ,

xe lăn điện, xe lăn điều khiển bằng giọng nói

Một số phương pháp hỗ trợ người tàn tật đã và đang được nghiên cứu hiện nay:

Hình 1.1 Xe lăn đẩy tay

khỏe mạnh, có thể tự vận hành xe và điều khiển xe Ưu điểm của xe đẩy dạng tay làngười sử dụng có thể tự vận hành được, nhẹ, có thể mang đi xa Tuy nhiên, xe nàykhông nên sử dụng đối với những người cao tuổi vì người dùng phải vận động từ thắtlưng đến hai tay, chính vì vậy sẽ rất mệt trong quá trình sử dụng Ngoài ra tình trạngxước tay khi vận hành xe là rất phổ biến, ảnh hưởng đến sức khỏe

Hình 1.2 Xe lăn điện

cơ ác quy hiện đại, giúp cho người dùng dễ dàng điều khiển mà không tốn sức nhưđiều khiển xe lăn tay Tuy nhiên, nó vẫn có những mặt hạn chế như phụ thuộc vàonguồn năng lượng điện, độ linh hoạt chưa thực sự tốt

Hình 1.3 Xe lăn điều khiển bằng giọng nói

người ngồi chỉ việc ra lệnh cho chiếc xe “tiến, lùi, trái, phải ” bằng giọng nói củamình Chiếc xe sẽ tự động nhận dạng giọng nói và thực hiện theo Sản phẩm có độ cơ

xe mà không lo về các trở ngại bên khác Đây là một sáng chế về xe lăn điện chongười tàn tật độc đáo nhất hiện nay Tuy nhiên sản phẩm vẫn còn đang trong quá trìnhnghiên cứu nên vẫn còn nhiều nhược điểm như người sử dụng phải phát âm chuẩn sovới giọng nói điều khiển ban đầu Mặc dù vậy, xe lăn điều khiển bằng giọng nói vẫnđược đánh giá là sản phẩm công nghệ trong tương lai

1.5 Đề xuất

Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi khá cao Mỗi phương pháp đều cónhững ưu nhược điểm riêng và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển, khắcphục nhược điểm Với năng lực của bản thân cũng như độ lớn của đề tài, em quyếtđịnh sử dụng phương pháp xe lăn điều khiển bằng giọng nói để nghiên cứu và thựchiện thiết kế Mục tiêu của em hướng tới thiết kế một sản phẩm có tính ứng dụng trongthực tế, có thể hỗ trợ người tàn tật dễ dàng hơn trong việc sinh hoạt hằng ngày

Với những yêu cầu của đề tài đặt ra, em dự kiến lựa chọn linh kiện như: Modulenhận dạng giọng nói VR3, cảm biến âm thanh CN07 để nhận lệnh điều khiển, ArduinoUno R3 làm bộ vi xử lý trung tâm, thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động trong hệthống và Module L298, động cơ giảm tốc DC được sử dụng để điều khiển động cơ môhình xe

1.6 Nhận xét

Trong chương này em đã tìm hiểu về các hệ thống hỗ trợ cho người tàn tật hiện

nay, em nhận thấy hệ thống ” Xe lăn điều khiển bằng giọng nói” có nhiều ưu điểm

vượt trội về tính năng, độ linh hoạt so với các hệ thống khác Qua đó em đề xuất hệthống xe hỗ trợ cho người tàn tật sử dụng công nghệ nhận dạng giọng nói Trongchương 2 em sẽ đi sâu vào phân tích và thiết kế mô phỏng hệ thống x trên, tìm hiểu vàlựa chọn linh kiện phù hợp

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Yêu cầu hệ thống

từ người sử dụng phải nhận dạng chuẩn, không bị nhầm lẫn lệnh điều khiển

xảy ra

 Hệ thống thân thiện và an toàn với người sử dụng

Từ những yêu cầu trên, em đã lựa chọn thiết bị và xây dựng, thiết kế hệ thống mô hình

xe hỗ trợ cho người tật

2.2 Thiết kế hệ thống

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 4 khối: Khối nhận lệnh, khối điều khiển, khối cơcấu chấp hành và khối nguồn

Hình 2.1 Sơ đồi khối của hệ thống

Khối nguồn: Cung cấp cung cấp nguồn DC, đảm bảo hoạt động cho toàn bộ hệ thống.

hoàn thiện cao Tuy nhiên, cần phải có nguồn 220V để chuyển đổi về nguồn DC nênkhông thuận tiện cho việc lắp đặt trên mô hình xe

Khối nhận lệnh: Nhiệm vụ của khối là ghi âm giọng nói đã được cài lệnh từ trước,

nhận lệnh thu được rồi gửi đến khối xử lý dữ liệu để điều khiển thiết bị

xung quanh từ đó báo tín hiệu về và xuất ra chân tín hiệu

Hình 2.4 Cảm biến âm thanh CN07

Thông số kỹ thuật:

xác định xem kích thước, không nhận ra âm thanh cụ thể hoặc âm thanh âmthanh tần số

 Tín hiệu đầu ra: tín hiệu số ( 0 và 1 cao và thấp)

 Có lỗ bắt vít

Nhược điểm: Độ chính xác không cao, khả năng chống nhiễu thấp, dễ bị ảnh hưởng

bởi yếu tố môi trường, làm giảm chất lượng sản phẩm

dạng giọng nói VR3 là một module nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng, nó hỗ trợ lên đến 80câu lệnh được ghi và nhận tối đa 7 câu lệnh được sử dụng cùng một thời điểm Bất kì

âm thanh nào cũng được ghi như một câu lệnh, ta chỉ cần ghi âm giọng nói trước đó để

nó có thể nhận diện giọng nói đã được ghi âm Board này có 2 đường điều khiển hoặc

là ngõ ra serial, hoặc là các ngõ input Người dùng có thể thiết lập các chân ngõ ra cósẵn trên Board

Hình 2.5 Module nhận dạng giọng nói VR3

Đặc tính:

đến hai từ nói)

 Thư viện hỗ trợ trên nền tảng Arduino

Thông số kỹ thuật:

 Dòng tiêu thụ: <40mA

pin interface

 Độ chính xác: 99% (trong môi trường lý tưởng)

Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng với thư viện hỗ trợ, module đạt độ

chính xác cao (trong môi trường lý tưởng)

lựa chọn module nhận dạng giọng nói để nhận lệnh điều khiển cho mô hình

Khối vi xử lý: Là khối xử lý trung tâm, là bộ não của hệ thống có nhiệm vụ điều khiển

toàn bộ hoạt động của hệ thống

mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega, Aruidno Nano, Arduino Uno R3 Trong số đó Arduino Uno R3 là phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất

Hình 2.6 Arduino Uno R3

Thông số kỹ thuật

Hình 2.7 Sơ đồ chân Arduino Uno R3

 GND: Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno Khi các thiết bị sử dụng

nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

 5V: Cấp điện áp đầu ra 5V, dòng tối đa 500mA.

 3.3V: Cấp điện áp đầu ra 3.3V, dòng tối đa 50mA.

 Vin: Cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno.

 IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Uno có thể được đo

ở chân này

 RESET: Dùng để reset vi điều khiển của boad.

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial.

Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác qua 2 chân này

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0-1023 tương ứng 0-5V) bằng hàm analogWrite

 Chân giao tiếp SPI: 10, 11, 12, 13 Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân

này được sử dụng để truyền dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

 Chân 13: Led báo

Ưu điểm:

 Dễ tiếp cận, cộng đồng người sử dụng đông đảo trên khắp thế giới

 Dễ dàng lập trình và được hỗ trợ nhiều thư viện chuẩn hóa của các module

 Tích hợp các chuẩn giao tiếp cần thiết như Serial, ADC v.v

Nhược điểm : Kích thước lớn

Khối cơ cấu chấp hành: Khối có nhiệm vụ thực hiện các lệnh từ khối xử lý trung

tâm, thực hiện các yêu cầu đó

Là một shield mở rộng cho các board Arduino, dùng để điều khiển các lọa động

cơ DC, động cơ bước và động cơ servo Module điều khiển động cơ L293D được thiết

kế gọn gàng, đẹp mắt và tương thích hoàn toàn với vác board Arduino: Arduino UnoR3, Arduino Leonardo, Arduino Mega 2560, giúp bạn có thể sử dụng và điều khiểnmột cách dễ dàng và nhanh chóng

Mạch điều khiển động cơ L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5Vcho các module khác

Hình 2.8 Module điều khiển động cơ L298

Thông số kỹ thuật:

Sơ đồ nguyên lý L298:

IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong Với điện áplàm tăng công suất đầu ra từ 5-47V, dòng lên đến 4A, nó rất thích hợp trong ứng dụngđiều khiển động cơ DC công suất nhỏ

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý L298

chiều với cơ năng quay liên tục Ưu điểm của động cơ DC giá thành rẻ, điện áp sử

dụng phù hợp với nguồn cấp của hệ thống (5VDC-5A), mô-ment xoắn lớn, tốc độ phùhợp yêu cầu hệ thống.

Để thay đổi tốc độ của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung (ký hiệu

là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật tắt các xung điện

Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều khiển bằng cơ chế bật tắtmột mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ

 Do yêu cầu về điều khiển tốc độ cho mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật nên

em lựa chọn sử dụng động cơ giảm tốc DC và Module L298 để thay đổi tốc độ củađộng cơ DC

2.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống

Truy cập địa chỉ https://www.arduino.cc/en/Main/Software/ để tải phần mềmchương trình Arduino IDE

Cấu trúc chương trình

Cấu trúc của một chương trình phần mềm bao gồm 2 phần chính:

void setup() { // Khởi tạo hoặc thiết lập chức năng}

void loop() {// Chuơng trình chính xử lý}

Hình 2.12 Cấu trúc chương trình Arduino

Thư viện hỗ trợ

1 Thư viện hỗ trợ ghi âm giọng nói Voice Recoignition VR3 [2] [3] [4]

2 Thư viện hỗ trợ kết nối Serial Software [5]

2.2.3.2 Lưu đồ thuật toán

Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán

2.2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Khi khởi động hệ thống, khối nhận dạng giọng nói sẵn sàng nhận lệnh từ người

sử dụng Khi người sử dụng yêu cầu lệnh qua microphone, khối nhận lệnh sẽ phân tíchgiọng nói và dựa vào lệnh đã yêu cầu ban đầu, xuất tín hiệu điều khiển đưa đến khốiđiều khiển trung tâm Khối xỷ lý trung tâm xử lý tín hiệu điều khiển nhận được, đưacác lệnh điều khiển đến khối chấp hành

2.3 Nhận xét

Trong chương này em đã thực hiện tìm hiểu linh kiện, vẽ sơ đồ nguyên lý của hệthống, xây dựng chương trình cho hệ thống mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật Sangchương 3 em sẽ trình bày các bước thiết kế mô hình và thiết kế sản phẩm hoàn chỉnh

CHƯƠNG 3 HOÀN THIỆN HỆ THỐNG 3.1 Các bước thực hiện

Bước 1: Chế tạo

- Cấp nguồn 8V cho Arduino và L298 qua 2 chân V-in và GND

- Cấp nguồn 5V cho Module nhận dạng giọng nói VR3 qua chân 5V vàGND của Arduino Uno

- Nối dây Arduino Uno R3với Module VR3:

Bảng 1: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module VR3

- Nối dây Arduino Uno R3 với Module L298:

Hình 3.1 Mạch 3D mô phỏng trên Proteus 7.8

Bước 2: Hoàn thiện sản phẩm

Hình 3.2 Sản phẩm trong quá trình hoàn thiện

Bước 3: Kiểm thử

 Hoàn thiện phần cứng, cấp nguồn cho thiết bị chạy thử không xảy ra hiện tượng chập cháy.

 Tiến hành nạp chương trình điều khiển cho thiết bị:

 Bước 1: Chọn Tools -> board:”Arduino/Genuino uno’’

Hình 3.3 Hướng dẫn chọn Board Arduino

 Bước 2: Chọn Tools -> Port :”COM3”

Hình 3.4 Hướng dẫn chọn cổng kết nối Arduino

 Bước 3: Nạp chương trình bằng phần mềm Arduino IDE

Hình 3.5 Nạp code chương trình cho hệ thống

3.2 Kiểm tra và hiệu chỉnh

Sau khi nạp chương trình cho thiết bị xảy ra hiện tượng khối nhận lệnh giọng nóikhông nhận được lệnh của người sử dụng Đèn báo tín hiệu trên module nhận dạnggiọng nói không báo có tín hiệu

Hình 3.6 Sản phẩm kiểm tra bị lỗi