NGHIÊN cứu, THIẾT kế, CHẾ tạo mô HÌNH ROBOT điều KHIỂN từ XA BẰNG GIỌNG nói

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG GIỌNG NÓI Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Văn Chương Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp Phan Hữu Lâm 1151083798 : 52K - ĐTVT Nghệ An, 2016 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS Lê Văn Chương tận tình hướng dẫn định hướng cho em thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài cách tốt Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông nhiệt tình, tận tụy dạy dỗ, cung cấp cho em kiến thức vững suốt năm học qua Thời gian thực đồ án có hạn nên em cố gắng để hoàn thành đồ án cách tốt không tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy cô khoa tận tình bảo góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe thành công nhiều nghiệp giáo dục cao quý Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA .9 CHƯƠNG 29 HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ DỊCH VỤ GOOGLE VOICE 29 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 45 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG GIỌNG NÓI 45 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đồ án nghiên cứu hệ thống điều khiển từ xa Bluetooth, kiến thức board mạch Arduino để thiết kế, chế tạo mô hình Robot Nghiên cứu hệ điều hành android để từ thiết kế phần mềm điều khiển giọng nói smartphone ứng dụng vào điều khiển mô hình Robot từ xa giọng nói thông qua kết nối Bluetooth ABSTRACT The thesis research about the Bluetooth remote control system, the basics knowledge of Arduino circuit for designing and manufacturing the Robot model Researching about the android operating system in order to design remote control software by voice on smartphone applying to Robot model remote controll by voice via Bluetooth MỞ ĐẦU Ngày nay, hệ thống Robot đóng vai trò quan trọng việc phát triển tiến khoa học kỹ thuật công nghệ Robot ứng dụng rộng rãi quân sự, công nghiệp nông nghiệp để thay người làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm Bên cạnh đó, công nghệ nhận dạng giọng nói phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi Google voice, Via voice,… việc điều khiển từ xa giọng nói ứng dụng nhiều sống Xuất phát từ nhận định nên em chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình Robot điều khiển từ xa giọng nói” làm đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển từ xa Chương 2: Hệ điều hành Android dịch vụ Google voice Chương 3: Thiết kế, chế tạo mô hình Robot điều khiển từ xa giọng nói Mặc dù có nhiều cố gắng, nhiên thời gian điều kiện thực nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót cách trình bày phần thể mong thầy, cô bạn góp ý bổ sung thêm để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ an, ngày 23 tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực Phan Hữu Lâm DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Hình 3.4 Tên bảng Các phiên Bluetooth Các phiên hệ điều hành Android Một vài thông số board mạch Arduino Uno R3 Thông số kỹ thuật ATMEGA328 Giá trị motor tương ứng với chức Đặc điểm kỹ thuật module Bluetooth HC05 Trang 16 31 47 48 49 51 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ERD IOT PIN MAC AMA PMA ACL SCO FHSS TS FEC BEC LMP NLP I/O DC RX TX PWM Từ đầy đủ Enhanced data rate Internet of things Persional identification Number Nghĩa Tốc độ liệu nâng cao Số nhận dạng cá nhân Kiểm soát truy cập phương tiện Media Access Control truyền thông Active Member Address Thành viên địa Packed Member Address Đóng gói thành viên địa Asynchronous connectionless Kết nối không đồng Synchronous connection-oriented Kết nối đồng có hướng Frequency Hopping Spectrum Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số Timeslot Khe thời gian Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp Backward Error Control Kiểm soát lỗi ngược Link Manament Protocol Giao thức quản lý liên kết Natural Language Processing Xử lý ngôn ngữ tựnhiên Input/Output Vào/Ra Direct Current Một chiều Receiver Thu Transmitter Phát Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Hệ thống điều khiển từ xa hệ thống cho phép ta điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa Ví dụ hệ thống điều khiển vô tuyến, hệ thống điều khiển tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa Bluetooth, hệ thống điều khiển từ xa cáp quang, dây dẫn Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm: - Thiết bị phát: Biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức phát đi, thiết kế em sử dụng thiết bị phát thiết bị phát điện thoại Android - Đường truyền: Đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu Trong thiết kế em sử dụng Bluetooth - Thiết bị thu: Nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua trình biến đồi, biến dịch để tái lại lệnh điều khiển đưa đến thiết bị thi hành Trong thiết kế em thiết bị thu module Bluetooth HC05 Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Nhiệm vụ hệ thống điều khiển từ xa: - Phát tín hiệu điều khiển - Sản sinh xung hình thành xung cần thiết - Tổ hợp xung thành mã - Tổ hợp xung thành mã - Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau nhận mã phải biến đổi mã nhận thành lệnh điều khiển đưa đến thiết bị đồng thời kiểm tra xác mã nhận 1.1.1 Một số vấn đề hệ thống điều khiển từ xa Do hệ thống điều khiển từ xa có đường truyền dẫn xa nên ta phải nghiên cứu kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu truyền xác nhanh chóng theo yêu cầu sau: 1.1.1.1 Kết cấu tin tức Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ nhiều đến đến kết cấu tin tức Nội dung kết cấu tin tức có hai phần: Về lượng chất Về lượng cách biến lượng điều khiển lượng điều khiển thành loại xung cho phù hợp, xung cần áp dụng phương pháp cho phù hợp, xung cần áp dụng phương pháp để hợp thành tin tức, để có dung lượng lớn tốc độ truyền nhanh 1.1.1.2 Về kết cấu hệ thống Để đảm bảo yêu cầu kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có yêu cầu sau: - Tốc độ làm việc nhanh - Kết cấu phải đơn giản - Thiết bị phải an toàn, tin cậy Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu cao hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại, đồng thời đảm bảo độ xác phạm vi cho phép 1.1.2 Phương pháp mã hóa điều khiển từ xa Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc truyền thông tin liên tục rời rạc hóa tin tức thường phải biến đổi thông qua phép biến đổi thành số (thường nhị phân) mã hóa phát từ thiết bị phát Ở thiết bị thu, tín hiệu phải thông qua phép biến đổi ngược lại với phép biến đổi trên: giải mã, liên tục hóa,… 1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.2.1 Điều khiển từ xa tia hồng ngoại Hầu hết thiết bị gia đình sử dụng loại điều khiển từ xa hồng ngoại tivi, điều hòa, quạt,… - Tia hồng ngoại: Là ánh sáng nhìn thấy mắt thường, tia hồng ngoại có vận tốc truyền vận tốc ánh sáng Tia hồng ngoại truyền nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộng rãi công nghiệp Lượng thông tin đạt tới 3Mbit/s 10 tính chỗ cần nhập văn Từ iOS trước tính không hỗ trợ tiếng Việt, phải lên iOS có Google bắt đầu hỗ trợ nhập liệu tiếng Việt cho Android khoảng năm trước Ngoài ra, Apple, Google có cung cấp hàm API giúp ứng dụng lập trình viên biết nói với vài dòng mã nguồn 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG GIỌNG NÓI 3.1 PHÂN TÍCH VÀ XÁC ĐỊNH YÊU CẦU THIẾT KẾ Mục đích đề tài thiết kế, chế tạo mô hình robot điều khiển từ xa giọng nói Hệ thống cho phép người dùng điều khiển Robot giọng nói Smartphone android thông qua giao tiếp Bluetooth Yêu cầu thiết kế: - Thiết kế phần cứng: + Mô hình Robot nhận giá trị từ module Bluetooth, xử lý xuất điều khiển động Robot - Thiết kế phần mềm: + Thực gửi liệu thông qua Bluetooth + Phần mềm có giao diện thân thiện, dễ sử dụng 3.2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT Hình 3.1 Sơ đồ chức Robot Điều khiển Robot từ xa giọng nói thực chức sau: - Điều khiển Robot smartphone android thông qua giao tiếp Bluetooth - Phần mềm điều khiển android phương thức: Điều khiển giọng nói - Robot thực chức năng: Di chuyển chức theo ý người dùng như: Tiến, lùi, trái, phải, dừng 45 3.2.1 Thiết kế phần cứng Sơ đồ khối Robot: Hình 3.2 Sơ đồ khối robot 3.2.1.1 Khối xử lý Khối xử lý sử dụng board mạch Arduino Uno R3 có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ module Bluetooth, xử lý xuất liệu cho module Driver động Hình 3.3 Board mạch Arduino Uno R3 46 Bảng 3.1 Một vài thông số board mạch Arduino Uno R3 Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash SRAM EEPROM ATmega328 họ bit 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16 MHz khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu.Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào, tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: - chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân - Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải bit (giá trị từ → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() - Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức thông thường, chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác - Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10 bit 47 - ATMEGA328 Hình 3.4 Hình ảnh sơ đồ chân ATMEGA328 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật ATMEGA328 Thông số Đặc điểm Kiến trúc ARM 8bit Điện áp hoạt động Xung nhịp lớn Bộ nhớ chương 1.8 – 5.5V 20MHz trình Bộ nhớ Flash 32KB Có khả ghi 10.000 lần Dung lượng 1KB Có thể ghi 100.000 lần Hỗ trỡ Bộ nhớ EEPROM bootloader, có khả tự ghi vào nhớ chương trình cho chip mà không cần mạch nạp Bộ nhớ RAM 2KB Số timer timer gồm timer bit timer 16 bit Số kênh xung PWM kênh (1 timer kênh) Sơ đồ khối ATMEGA328 48 Hình 3.5 Sơ đồ khối ATMEGA328 3.2.1.2 Khối nguồn Mạch sử dụng nguồn Pin 5V để cấp cho động DC nguồn pin 6V để cung cấp cho Arduino Đồng thời Arduino có chân nguồn 3,3V sử dụng để cung cấp nguồn cho module Bluetooth 3.2.1.3 Module điều khiển động Robot sử dụng module điều khiển động L298 để điều khiển động DC Module có chức nhận tín hiệu điều khiển từ khối vi xử lý, thực điều khiển Robot theo chức tương ứng với lệnh điều khiển Bảng 3.3 Giá trị motor tương ứng với chức Chức Motor phải Giá trị motor Motor phải Motor trái Chân Tiến HIGH Lùi LOW Trái HIGH Phải LOW Dừng LOW IC L298: IC tích hợp Motor trái Chân Chân Chân LOW HIGH LOW HIGH LOW HIGH LOW LOW LOW LOW HIGH LOW LOW LOW LOW nguyên khối gồm mạch cầu H bên Với điện áp làm tăng công suất đầu từ 5V - 47V, dòng lên đến 4A, L298 phù hợp ứng dụng công suất nhỏ động DC,… 49 Hình 3.6 Sơ đồ chân IC L298 - Chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5,7,10,12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển - Chân OUTPUT: OUT1, OU2, OUT3, OUT4 nối với chân 2,3,13,14 L298 Các chân nối với động - Chân ENA ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H không hoạt động - ENA=0: động không hoạt động - ENA=1: Khi IN1=1, IN2=0 động quay thuận - Khi IN1=0, IN2=1 động quay nghịch Sơ đồ nguyên lý L298: Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý IC L298 3.2.1.4 Module Bluetooth HC05 Khối có nhiệm vụ thiết lập kết nhận tín hiệu từ điện thoại android qua Bluetooth, thực giải mã gửi tín hiệu tới Arduino 50 Hình 3.8 Module Bluetooth HC05 Bảng 3.4 Đặc điểm kỹ thuật module Bluetooth HC05 Thông số Chuẩn Bluetooth Điện áp hoạt động Chế độ hoạt động Kích thước Tần số Tốc độ Bảo mật Giao tiếp Baud rate Nhiệt độ làm việc Độ nhạy Công suất truyền Pincode Kết nối Đặc điểm V2.0+EDR 3.3VDC/30mA Master, Slave, Loopback 28mm x 15mm x 2.35 mm 2.4 GHz ISM band Asynchronous: 2.1Mbs (Max)/160kbps Synchronous: 1Mbps/1Mbps Authentication and encryption Bluetooth serial port Hỗ trợ tốc độ baud: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800 -20 ~ 75 độ C -80dBm +4dBm Mặc định “1234” Tự động kết nối với pincode mặc định Tự động reconnect 30 phút bị đứt kết nối Cơ chế hoạt động: Module có chế độ làm việc (có thể chọn chế độ làm làm việc (có thể lựa chọn chế độ làm việc cách thay đổi trạng thái chân 34 KEY): - Tự động kết nối - Đáp ứng theo lệnh: làm việc chế độ này, gửi lệnh AT để giao tiếp với module Modul HC05 nhận chức năng: Master, Slave, Loopback (có thể lựa chọn chức lệnh AT) Giao tiếp với module giao tiếp nối tiếp không đồng qua đường RX TX, sử dụng PC với chuẩn RS232 dòng vi điều khiển để 51 giao tiếp Bằng cách thay đổi trạng thái chân 34 (KEY), cấu hình chế độ hoạt động cho module: - Để module làm việc chế độ kết nối tự động: KEY phải trạng thái Floating (trạng thái không kết nối) - Để module làm việc chế độ đáp ứng theo lệnh: KEY = ‘0’ (kết nối xuống đất) Cấp nguồn cho module chuyển KEY = ‘1’ (kết nối lên VCC) lúc sử dụng lệnh AT để giao tiếp 3.2.2 Thiết kế phần mềm android 3.2.2.1 Sơ đồ thuật toán Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán phần mềm android 3.2.2.2 Giao diện ứng dụng 52 Hình 3.10 Icon ứng dụng Hình 3.11 Dò tìm thiết bị Hình 3.12 Giao diện điều khiển 3.3 CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 53 Sơ đồ thuật toán điều khiển robot Hình 3.13 Sơ đồ thuật toán cho phần cứng Sản phẩm sau thiết kế, chế tạo mô hình Robot: Hình 3.14 Mô hình Robot KẾT LUẬN 54 - Đã đạt kết quả: + Kiến thức công nghệ truyền thông không dây Bluetooth điều khiển từ xa Bluetooth, kiến trúc tập lệnh board mạch Arduino Uno R3 xây dựng chương trình điều khiển dùng board mạch, hệ điều hành android thiết kế phần mềm điều khiển giọng nói hệ điều hành android + Chế tạo thử nghiệm thành công mô hình Robot điều khiển giọng nói điện thoại android qua Bluetooth với khoảng cách tầm mét, hoạt động ổn định theo yêu cầu đặt - Hạn chế đề tài + Kết cấu Robot thiết kế đơn giản, chưa tích hợp nhiều tính dừng lại mức điều khiển chức + Tính điều khiển giọng nói sử dụng dịch vụ Google voice thường bị can nhiễu tiếng ồn bên làm cho Google voice nhận dạng giọng nói dẫn tới điều khiển Robot bị trễ thời gian + Chưa phản hồi lại cố Robot gặp vấn đề - Hướng phát triển đề tài Qua đề tài tìm hiểu thiết kế này, em đạt số kết định Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu thực tế thiết kế phát triền thêm nhiều hướng như: + Phát triển thêm nhiều chức cho Robot như: quay, truyền hình ảnh, đo nhiệt độ, độ ẩm, góc nghiêng… Ngoài phát triển thêm chức để nghiên cứu chế tạo lĩnh vực robot, lĩnh vực quân rà phá bom mìn,… + Nghiên cứu, tính toán tối ưu khả xử lý, tính linh hoạt, xác cho Robot + Có thể áp dụng sử dụng nhiều phương pháp khác để điều khiển, điều khiển qua wifi,… + Tối ưu ứng dụng hệ điều hành android, phản hồi cố Robot ứng dụng android TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 [1] Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất giáo dục, 1997 [2] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 [3] http://arduino.vn/ truy cập lần cuối ngày 27/04/2016 [4] https://vi.wikipedia.org/wiki/Android truy cập lần cuối ngày 05/05/2016 [5] http://ai2.appinventor.mit.edu/ truy cập lần cuối vào ngày 13/05/2016 56 PHỤ LỤC Code lập trình cho board mạch arduino Uno R3: #include #define inA1 //Định nghĩa chân in1 động A #define inA2 //Định nghĩa chân in2 động A #define inB1 //Định nghĩa chân in3 động B #define inB2 //Định nghĩa chân in4 động B SoftwareSerial BT(0, 1); String readvoice; void setup() { BT.begin(9600); Serial.begin(9600); pinMode(6, OUTPUT); pinMode(7, OUTPUT); pinMode(8, OUTPUT); pinMode(9, OUTPUT); } // -// void loop() { while (BT.available()){ //Kiểm tra có byte đọc delay(10); char c = BT.read(); readvoice += c; // } if (readvoice.length() > 0) { Serial.println(readvoice); // // if(readvoice == "go on") { digitalWrite(6, HIGH); digitalWrite (7, LOW); digitalWrite(8,HIGH); digitalWrite(9,LOW); delay(100); } 57 else if(readvoice == "reverse") { digitalWrite(6, LOW); digitalWrite(7, HIGH); digitalWrite(8, LOW); digitalWrite(9,HIGH); delay(100); } else if (readvoice == "right") { digitalWrite (6,LOW); digitalWrite (7,LOW); digitalWrite (8,HIGH); digitalWrite (9,LOW); delay (100); } else if ( readvoice == "left") { digitalWrite (6, HIGH); digitalWrite (7, LOW); digitalWrite (8, LOW); digitalWrite (9, LOW); delay (100); } else if (readvoice == "stop") { digitalWrite (6, LOW); digitalWrite (7, LOW); digitalWrite (8, LOW); digitalWrite (9, LOW); delay (100); } readvoice="";}} // 58 ... ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG GIỌNG NÓI 45 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đồ án nghiên cứu hệ thống điều khiển từ xa Bluetooth, kiến thức board mạch Arduino để thiết kế, chế tạo mô hình Robot Nghiên cứu hệ điều. .. modulation Điều chế độ rộng xung CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Hệ thống điều khiển từ xa hệ thống cho phép ta điều khiển thiết bị từ khoảng... THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA .9 CHƯƠNG 29 HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ DỊCH VỤ GOOGLE VOICE 29 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 45 ĐIỀU