Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Thiết kế và thi công thiết bị nhận dạng chuyển động của đầu tích hợp cảm biến gia tốc cho việc điều khiển xe lăn

Chia sẻ: Trần Thị Tan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:103

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là Thiết kế và thì công xe lăn điều khiển bằng cử động của đầu dựa trên cảm biến gia tốc kết hợp với con quay hổi chuyển MPU6050, sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Nano kết hợp với module ESP8266 NodeMCU để điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Thiết kế và thi công thiết bị nhận dạng chuyển động của đầu tích hợp cảm biến gia tốc cho việc điều khiển xe lăn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẦU CÓ TÍCH HỢP CẢM BIẾN GIA TỐC CHO VIỆC ĐIỀU KHIỂN XE LĂN GVHD: ThS. TRẦN ĐĂNG KHOA SVTH1: HUỲNH NGỌC PHIÊN (15141235) SVTH2: PHẠM NGỌC QUỐC (15141260) TP. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2019
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẦU TÍCH HỢP CẢM BIẾN GIA TỐC CHO VIỆC ĐIỀU KHIỂN XE LĂN GVHD: ThS. TRẦN ĐĂNG KHOA SVTH1: HUỲNH NGỌC PHIÊN (15141235) SVTH2: PHẠM NGỌC QUỐC (15141260) TP. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2019
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NAM BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- TP. HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Ngọc Phiên MSSV: 15141235 Phạm Ngọc Quốc MSSV: 15141260 Chuyên ngành: KT thuật Điện tử truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 159410A I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẦU TÍCH HỢP CẢM BIẾN GIA TỐC CHO VIỆC ĐIỀU KHIỂN XE LĂN II. NHIỆM VỤ: 1. Các số liệu ban đầu: - Kích thước mô hình: Bộ điều khiển động cơ DC (chiều dài 16cm, chiều rộng 8cm, chiều cao 6cm), thiết bị nhận diện cử động đầu (tai nghe chụp tai SONY). - Thiết bị nhận diện cử động đầu bằng cảm biến gia tốc và con quay thiết kế trên tai nghe chụp tai SONY. - Bộ điều khiển động cơ DC 24VDC bằng cầu H nhận lệnh điều khiển từ thiết bị nhận diện cử động đầu bằng bluetooth. - Sử dụng 2 cảm biến hồng ngoại để phát hiện vật cản. - Arduino Nano được sử dùng làm bộ xử lý trung tâm cho cả bộ điều khiển động cơ và thiết bị nhận dạng chuyển động của đầu. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của cảm biến gia tốc, các cảm biến khác như khoảng cách, các chuẩn truyền như I2C, UART. ii
- Phân tích các tín hiệu từ cảm biến gia tốc để biết được các dữ liệu khi người dùng muốn đi sang trái, phải, tới, lui. Phân tích tín hiệu từ các cảm biến khác để nhận biết các trường hợp nguy hiểm cho người dùng trên xe lăn. - Từ các dữ liệu đã phân tích được từ cảm biến gia tốc tiến hành kết hợp với vi điều khiển trung tâm để lập trình điều khiển các hướng di chuyển của xe lăn. - Từ các dữ liệu thu được từ các cảm biến khác như lực, khoảng cách, v.v để thiết kế hệ thống cảnh báo và bảo đảm an toàn cho người sử dụng. - Kết hợp tất cả các phần là xe lăn, cảm biến, vi điều khiển và lập trình cho hệ thống. - Kết hợp điều khiển xe lăn bằng đầu và điều khiển xe lăn bằng ứng dụng di động thông qua wifi. - Tiến hành chạy thử nghiệm, chỉnh sửa và hoàn thiện thêm tính năng cho xe lăn. - Tiến hành nhận xét, đánh giá chung toàn hệ thống - Tiến hành viết báo cáo đề án - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/09/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/12/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trần Đăng Khoa CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NAM BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- TP. HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Ngọc Phiên Lớp: 159410A MSSV: 15141235 Họ tên sinh viên 2: Phạm Ngọc Quốc Lớp: 159410A MSSV: 15141260 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẦU TÍCH HỢP CẢM BIẾN GIA TỐC CHO VIỆC ĐIỀU KHIỂN XE LĂN Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD 1 - Liên hệ với GVHD nhận đề tài tốt nghiệp (02/09/2019 – 08/09/2019) 2 - Nộp đề cương chi tiết đề tài tốt nghiệp (09/09/2019 – 15/09/2019) 3 - Tìm hiểu về cảm biến gia tốc (accelerometer) (16/09/2019 – - Tìm hiểu về cảm biến con quay (gyroscope) 22/09/2019) - Tìm hiểu cách kết hợp gia tốc và con quay để tính góc quay 4 - Tìm hiểu về Arduino Nano (23/09/2019 – - Tìm hiểu về kết nối không dây qua Bluetooth 29/09/2019) 5 - Tiến hành mua đầy đủ linh kiện (30/09/2019 – - Xây dựng mô hình để thực hiện nghiên cứu 06/10/2019) 6 - Tiến hành lấy dữ liệu từ cảm biến gia tốc và con (07/10/2019 – quay dựa trên các cử động của đầu (quay trái, quay 13/10/2019) phải, gật trước, gật sau) - Tiến hành phân chia trường hợp từ dữ liệu thu được - Tiến hành lập trình cho Arduino Nano dựa trên các trường hợp của dữ liệu thu được 7 - Tiến hành thiết kế phần cứng cho thiết bị nhận diện (14/10/2019 – dạng chuyển động của dầu trên tai nghe chuụp tai 20/10/2019) - Tiến hành thí nghiệm thực tế bằng đầu, kết quả hiển thị trên serial port của Arduino và 4 LED đơn trượng trưng cho 4 hướng trái, phải, tiến, lùi. 8 - Thiết kế bộ điều khiển động cơ DC iv
(21/10/2019 – - Kết nối thiết bị nhận dạng chuyển động của đầu và 27/10/2019) bộ điều khiển động cơ DC bằng module bluetooth HC-05 9 - Lắp ráp, kết hợp xe lăn điện với bộ điều khiển động (28/10/2019 – cơ DC và thiết bị nhận dạng chuyển động của đầu 03/11/2019) - Tiến hành chạy thử nghiệm trên mô hình thực tế 10 - Chạy thực tế trên xe để nhận biết được sự khác biệt (04/11/2019 – lúc lấy dữ liệu không có chạy thực tế và lúc chạy thực 10/11/2019) tế - Tiến hành sửa lỗi code dựa trên 4 động tác (gật tới, gật lùi, quay trái, quay phải) - Nghiên cứu thiết kế thêm cảm biển phát hiện vật cản 11 - Chạy thực tế và tiếp tụ hoàn thiện phần lập trình cho (11/11/2019 – nhận biết dạng chuyển động của đầu (gật tới, gật lùi, 17/11/2019) quay trái, quay phải) - Chạy thử nghiệm cảm biến phát hiện vật cản - Sửa lỗi phần cứng và phần lập trình 12 - Tiến hành thiết kế điều khiển xe lăn bằng ứng dụng (18/11/2019 – di động thông qua wifi 24/11/2019) - Kết hợp điều khiển bằng ứng dụng di động và cử động của đầu trên cùng 1 thiết bị - Tiến hành chạy thử nghiệm xe lăn điện điều khiển bằng ứng dụng di động và sửa lỗi - Viết luận văn 13 - Chạy thử nghiệm toàn bộ xe lăn điện (15/11/2019 – - Viết luận văn 01/12/2019) 14 - Hoàn chỉnh, cân chỉnh toàn bộ xe lăn điện (phần (02/12/2019 – ứng và phần mềm) 08/12/2019) - Viết hoàn chỉnh luận văn 15 - Hoàn chỉnh luận văn (09/12/2019 – - Nộp luận văn 15/12/2019) - Phản biện 16 - Báo cáo trước hội đồng (16/12/2019 – 22/12/2019) GVHD (Ký và ghi rõ họ tên) v
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó và hiện tại. Người thực hiện đề tài Sinh viên 1 Sinh viên 2 Huỳnh Ngọc Phiên Phạm Ngọc Quốc vi
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Đăng Khoa – Giảng viên bộ môn Điện tử công nghiệp – y sinh, cùng các thầy cô khác trong bộ môn đã tạo điều kiện về kiến thức cũng như cơ sở vật chất trong quá trình chúng em thực hiện đề tài. Em cũng gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng thực hiện đề tài khác tại phòng lab y sinh đã chia sẻ trao đổi những kinh nghiệm kiến thức để nhóm có thể hoàn thiện đề tài. Cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh nhóm trong quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Sinh viên 1 Sinh viên 2 Huỳnh Ngọc Phiên Phạm Ngọc Quốc vii
MỤC LỤC TRANG BÌA……………………………………………………………………………i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...............................................................................ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................... iv LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... vi LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................vii MỤC LỤC ................................................................................................................... viii LIỆT KÊ HÌNH ............................................................................................................... x LIỆT KÊ BẢNG .......................................................................................................... xiii TÓM TẮT..................................................................................................................... xiv Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ: .................................................................................................. 1 1.2. MỤC TIÊU: ....................................................................................................... 2 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: ............................................................................. 2 1.4. GIỚI HẠN: ........................................................................................................ 3 1.5. BỐ CỤC: ............................................................................................................ 3 Chương 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...................................................................................... 4 2.1. Chuyển động của đầu trong không gian: ........................................................... 4 2.1.1. Phương hướng trong không gian:................................................................ 4 2.1.2. Chuyển động của đầu trong không gian 3 chiều: ........................................ 5 2.2. Gới thiệu phần cứng: .......................................................................................... 6 2.2.1. Cảm biến gia tốc: ........................................................................................ 6 2.2.2. Arduino Nano: ........................................................................................... 10 2.2.3. Module thu phát Wifi ESP8266 Node MCU: ........................................... 13 2.2.4. Mạch thu phát Bluetooth HC-05: .............................................................. 15 2.2.5. Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ): ................. 17 2.2.6. Động cơ Servo SG90: ............................................................................... 19 2.2.7. Cảm biến hồng ngoại Analog SHARP - GP2Y0A02YK0F ..................... 20 2.2.8. Pin Sạc Lipo 2000mAh 3.7V (LP803860): ............................................... 21 2.2.9. TP4056 Mạch Sạc Pin MiniUSB 1A: ....................................................... 23 2.2.10. Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A: ............................................................. 25 2.2.11. Chuẩn giáo tiếp I2C: ................................................................................. 26 viii
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...................................................................... 28 3.1. GIỚI THIỆU: ................................................................................................... 28 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG: .................................................... 28 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống: .................................................................... 28 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch: ....................................................................... 30 3.2.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống: .................................................... 39 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 41 4.1. GIỚI THIỆU: ................................................................................................... 41 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG: ................................................................................ 41 4.2.1. Thiết kế phần cứng cho hệ thống:................................................................. 41 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra: ...................................................................................... 43 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG: .............................................................................. 49 4.4.1. Lưu đồ giải thuật: ............................................................................................. 49 4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển: ......................................................... 53 4.4.2. Phần mềm điện thoại: ................................................................................... 57 4.5. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG: ............................................................................. 60 4.5.1. Lưu đồ lập trình mô phỏng: .......................................................................... 60 4.6. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG: ................................................. 61 4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng: .................................................................. 61 4.6.1. Quy trình thao tác: ........................................................................................ 61 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................ 63 5.1. KẾT QUẢ: ....................................................................................................... 63 5.2. NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ: .............................................................................. 71 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 73 6.1. KẾT LUẬN:..................................................................................................... 73 6.1.1. Đạt được: ................................................................................................... 73 6.1.2. Chưa đạt được: .......................................................................................... 73 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN:.................................................................................. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. PHỤ LỤC .......................................................................................................................... ix
LIỆT KÊ HÌNH Trang Hình 2.1. Góc quay của vector trên không gian 2 chiều................................................. 4 Hình 2.2. Góc Euler – miêu tả phương hướng trong không gian. .................................. 4 Hình 2.3. Biểu diễn roll, pitch và yaw trong không gian................................................ 5 Hình 2.4. Biểu diễn chuyển động của đầu bằng Roll, Pitch và Yaw. ............................. 5 Hình 2.5. Robot tự cân bằng ứng dụng cảm biến gia tốc ............................................... 5 Hình 2.6. Mô hình cảm biến gia tốc cơ bản .................................................................... 7 Hình 2.7. Con quay hồi chuyển ...................................................................................... 7 Hình 2.8. Hình ảnh thực tế của MPU6050 ..................................................................... 8 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến GY 521 sử dụng chip MPU6050 ................... 9 Hình 2.10. Hình ảnh thực tế của Arduino Nano V3.0 .................................................. 11 Hình 2.11. Mạch nguyên lí của module Arduino Nano V3.0 ....................................... 13 Hình 2.12. Input/Output Pins của Arduino Nano ......................................................... 13 Hình 2.13. Hình ảnh thực tế của NodeMCU ESP8266 ................................................ 15 Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lí PINOUT NodeMCU ESP8266 ......................................... 16 Hình 2.15. PINOUT của NodeMCU ............................................................................ 17 Hình 2.16. Hình ảnh thực tế của HC-05 ....................................................................... 18 Hình 2.17. Pinout của HC-05........................................................................................ 19 Hình 2.18. Hình ảnh thực tế của mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 ................... 20 Hình 2.19. Sơ đồ chân của BTS7960 ............................................................................ 21 Hình 2.20. Hình ảnh động cơ ServoSG90 .................................................................... 22 Hình 2.21. Cảm biến hồng ngoại Sharp ........................................................................ 23 Hình 2.22. Sơ đồ chân của cảm bến khoảng cách SHARP .......................................... 24 Hình 2.23. Hình ảnh thực tế của Pin sạc Lipo 2000mAh LP803860 ........................... 25 Hình 2.24. Hình ảnh thực tế của mạch sạc TP4056 ...................................................... 26 Hình 2.25. Sơ đồ nguyên lí của TP4066 ....................................................................... 28 Hình 2.26. Hình ảnh thực tế của mạch giảm áp LM2596 ............................................. 30 Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý của LM2596 ..................................................................... 30 Hình 2.28. Mô hình hoạt động của I2C ........................................................................ 31 Hình 3.1. Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống ......................................................................... 33 Hình 3.2. Sơ đồ kết nối MPU6050 với Arduino Nano ................................................. 35 x
Hình 3.3. Sơ đồ kết nối module HC-05 với Arduino Nano để phát Bluetooth. ........... 37 Hình 3.4. Sơ đồ kết nối cài đặt HC-05 .......................................................................... 37 Hình 3.5. Sơ đồ kết nối module sạc Pin và Pin LIPO................................................... 38 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lí nhận dạng chuyển động của đầu......................................... 39 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lí của khối nhận dữ liệu Bluetooth......................................... 40 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lí kết nối 2 cảm biến khoảng cách với Arduino Nano ........... 41 Hình 3.9. Mô hình kết hợp cảm biến khoảng cách và động cơ Servo để quét ............. 41 Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lí kết nối 2 động cơ servo với Arduino Nano ...................... 42 Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển động cơ DC ............................................. 42 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lí bộ điều khiển động cơ của xe lăn ..................................... 43 Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lí toàn mạch.......................................................................... 46 Hình 4.1. Sơ đồ vị trí linh kiện trên tai nghe chụp tai .................................................. 46 Hình 4.2. Sắp xếp linh kiện trong bộ điều khiển động cơ DC xe lăn ........................... 49 Hình 4.4. Hình ảnh Arduino Nano trên bộ điều khiển.................................................. 50 Hình 4.5. Hình ảnh BTS7960 trên bộ điều khiển động cơ ........................................... 50 Hình 4.6. Hình ảnh HC-05 trên bộ điều khiển .............................................................. 51 Hình 4.7. Khối bảm biến và điều hướng cảm biến ....................................................... 52 Hình 4.8. Hình ảnh bên hông của bộ điều khiển có input là USB. ............................... 52 Hình 4.9. Hình ảnh bên hông trái của bộ điều khiển có công tắc cấp nguồn cho các linh kiện trong bộ điều khiển tránh sự cố xảy ra .......................................................... 53 Hình 4.10. Hình ảnh Pin LIPO và mạch such TP4056 của nó một bên tai nghe. ....... 53 Hình 4.11. Hình ảnh của board Arduino Nano bên một phần của tai nghe. ................. 54 Hình 4.12. Hình ảnh của module HC05 một bên của tai nghe ..................................... 54 Hình 4.13. Hình ảnh NodeMCU bên trong tai nghe ..................................................... 55 Hình 4.13. Hình ảnh cảm biến MPU6050 được gắn trên tai nghe. .............................. 55 Hình 4.14. Hình ảnh tai nghe sau khi đã hang thiện ..................................................... 56 Hình 4.15. Lưu đồ thuật toán chung cho toàn bộ hệ thống .......................................... 57 Hình 4.16. Chương trình con điều khiển xe bằng đầu .................................................. 58 Hình 4.17. Lưu đồ chương trình con điều khiển bằng ứng dụng.................................. 59 Hình 4.18. Logo phần mềm ARDUINO IDE ............................................................... 60 Hình 4.19. Cách tải phần mềm ..................................................................................... 61 Hình 4.20. Giao diện Arduino IDE ............................................................................... 61 xi
Hình 4.21. Ứng dụng BLYNK...................................................................................... 63 Hình 4.22. Các bước tạo 1 project trong BLYNK ........................................................ 63 Hình 4.23. Cách thêm nút nhấn điều khiển. ................................................................. 64 Hình 4.24. Cách lấy Token ........................................................................................... 64 Hình 4.25. Giao diện ứng dụng trên di động ................................................................ 65 Hình 4.26. Lưu đồ thuật toán mô phỏng cảm biến ....................................................... 66 Hình 4.27. Mô phỏng chuyển động của cảm biến bằng Roll – Pitch -Yaw ................. 66 Hình 4.28. Lưu đồ các sử dụng xe lăn điều khiển. ....................................................... 70 Hình 5.1. Hình ảnh tai nghe nhận dạng chuyển động của đầu ..................................... 70 Hình 5.2. Module điều khiển động cơ DC của xe lăn .................................................. 70 Hình 5.3. Hình ảnh mặt sau của xe lăn ......................................................................... 71 Hình 5.4. Hình ảnh mặt trước của xe lăn ...................................................................... 71 Hình 5.5. Tín hiệu Roll và Pitch cảu ACCEL trước khi qua bộ lọc Complementary. . 72 Hình 5.6. Tín hiệu Roll và Pitch cảu GYRO trước khi qua bộ lọc Complementary. ... 73 Hình 5.7. Roll và Pitch sau khi qua bộ lọc Complementary. ........................................ 73 Hình 5.8. Dữ liệu cảm biến khi gật đầu về trước .......................................................... 74 Hình 5.9. Dữ liệu cảm biến khi ngửa đàu ra sau ........................................................... 74 Hình 5.10. Dữ liệu cảm biến khi quay đầu sang trái ..................................................... 75 Hình 5.11. Dữ liệu cảm biến khi quay đầu sang phải ................................................... 75 Hình 5.12. Khi ngủ gật sẽ có thông báo trên điện thoại di động và qua email ............. 76 Hình 5.13. Khi phát hiện vật cản xe tự động dừng lại .................................................. 76 xii
LIỆT KÊ BẢNG Trang Bảng 2.1. Các lệnh thông dụng HC-05 ......................................................................... 19 Bảng 2.2. Thông số RPROG và IBAT của TP4056 ..................................................... 28 Bảng 3.1. Thống kê dòng tải của thiết bị nhận dạng..................................................... 40 Bảng 3.2. Thống kê dòng tải của bộ điều khiển động cơ xe lăn ................................... 44 Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện ................................................................................ 47 Bảng 4.2. Thanh ghi reset và khởi tạo cảm biến ........................................................... 61 Bảng 4.3. Thanh ghi lưu giá trị của ACCEL ................................................................ 62 Bảng 4.4. Giá trị giới hạn của cảm biến ACCEL ......................................................... 62 Bảng 4.5. Giá trị giới hạn của cảm biến GYRO ........................................................... 62 Bảng 5.1. Thống kê kết quả điều khiển......................................................................... 72 xiii
TÓM TẮT Chúng ta đang sống trong thời đại mà các thiết bị, dụng cụ đã và đang được nghiên cứu, phát triển cho phép chúng hoạt động một cách tự động và thông minh hơn. Sự ra đời của xe lăn là bước ngoặc lớn đối với người khuyết tật, từ xe lăn chạy bằng sức người cho đến những chiếc xe lăn điện hiện đại hỗ trợ cho người dùng. Xe lăn điện ngày càng trở nên quan trọng như là một công nghệ hỗ trợ, thiết bị phục hồi sức khỏe và số lượng người tăng lên đáng kể. Hiện nay có nhiều loại xe lăn điện điều khiển như: xe lăn điện điều khiển bằng joystick, xe lăn điện điều khiển bằng giọng nói, xe lăn điện điều khiển qua ứng dụng di động. Trong đề tài này nhóm nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện điều khiển bằng các cử động của đầu để hướng đến những người khuyết tật, bệnh nhân không có khả năng sử dụng tay để điều khiển. Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện bằng các cử động của đầu” đã hoàn thành được phần điều khiển xe lăn điện bằng các cử động của đầu như quay trái, quay phải, gật về phía trước, gật về phía sau dựa trên cảm biến gia tốc (accelerometer) kết hợp với cảm biến con quay hồi chuyển (gyroscope). Ngoài phần điều khiển bằng đầu, xe lăn còn có thêm chức năng điều khiển được qua ứng dụng di động mã nguồn mở Blynk, có thể tự động thông báo cho người thân khi có sự cố như ngủ gật xảy ra, tự động dừng lại khi phát hiện vật cản phía trước và phía sau. xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ: Công nghệ ngày càng phát triển, nhất là trong thời kì của nên công nghiệp 4.0 thì mọi thứ đều được thực hiện một cách tự động, thông minh, nhanh chóng và tiện lợi cho người sử dụng. Theo số liệu thống kê năm 2019 thì có tới 7% dân số Việt Nam tương đương với 6.2 triệu người khuyết tật, trong số đó số người khuyết tật vận động chiếm đến 35% (Theo Zing.vn). Đi vào vấn đề liên quan đến sự di chuyển của các người khuyết tật, các bệnh nhân đang trong quá trình hồi phục chức năng cũng được đáp ứng rất chu đáo như sự xuất hiện của xe lăn điện, góp phần tiết kiệm được sức lực của người thân và cũng như bản thân người ngồi xe lăn. Hiện nay trên thị trường có phổ biến các loại xe lăn điều khiển bằng trục (joystick), ứng dụng di động…. Vấn đề đang tồn tại ở đây là những xe lăn điện hiện nay hầu hết đều chưa hướng đến những người tàn tật không có khả năng sử dụng tay để điều khiển. Một số phương pháp điều khiển xe lăn điện hiện nay như: Bộ điều khiển thường là một bên tay vịn của xe lăn có gắn thêm một số các nút điều khiển hướng cho phép người dùng có thể dùng tay để tinh chỉnh và điều khiển ở nhiều chế độ khác nhau. Trong một số trường hợp bộ điều khiển có thể được gắn ở phía sau để người phụ tá hỗ trợ thay vì người ngồi xe lăn. Xe lăn hỗ trợ bộ điều khiển này có thể được thiết kế để có thể sử dụng ở trong nhà mà ngoài trời [1]. Chúng ta có thể nhận thấy rằng trong cuộc sống hàng ngày cử chỉ là một trong những hành vi giao tiếp mà con người có thể dễ dàng sử dụng một cách dễ dàng, ví dụ như là cử chỉ của cánh tay, bàn tay, ngón tay đều được sử dụng. Điều khiển xe lăn bằng các cử chỉ của tay ứng dụng những hành động này vào trong việc điều khiển và áp dụng công nghệ xử lý ảnh để xử lý các cử chỉ của tay [2]. Vấn đề ở trên một là chưa hướng đến người khuyết tật cả tay chân và nếu có thì cũng đang nằm quá trình nghiên cứu hoàn thiện. Nhằm giải quyết vấn đề đó nhóm thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐẦU TÍCH HỢP CẢM BIẾN GIA TỐC CHO VIỆC ĐIỀU KHIỂN XE LĂN”. Mục tiêu hướng tới những người tàn tật, bệnh nhân không có khả năng điều khiển tay, xe lăn điện bây giờ có thể điều khiển được bằng những động tác của đầu người sử dụng, ngoài ra còn tích hợp thêm các tính năng khác để thuận tiện cho người sử dụng như điều khiển qua ứng dụng, cảnh báo nguye nghiểm… BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. MỤC TIÊU: Thiết kế và thì công xe lăn điều khiển bằng cử động của đầu dựa trên cảm biến gia tốc kết hợp với con quay hổi chuyển MPU6050, sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Nano kết hợp với module ESP8266 NodeMCU để điều khiển. Nghiên cứu thiết kế phần nhận dạng tín hiệu của đầu (gật tới, gật sau, quay sang trái, quay sang phải) bằng cảm biến kết hợp với Arduino Nano. Truyền dạng cử động của đầu dến bộ điều khiển động cơ để tiến hành điều khiển bằng Bluetooth. Thiết kế phần điều khiển xe lăn qua ứng dụng di động mã nguồn mở Blynk kết hợp với cảnh báo nếu gặp tình huống nghi hiển như ngủ gật, tự động phát hiện vật cản và dừng lại dựa trên cảm biến hông ngoại Sharp. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: • NỘI DUNG 1: Nghiên cứu, tìm hiểu về cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển (MPU6050), Arduino Nano, cảm biến hồng ngoài SHARP, NodeMCU, BLYNK. • NỘI DUNG 2: Thu thập dữ liệu chuyển động (gật tới, gật sau, quay trái, quay phải) của đầu dựa trên cảm biến gia tốc (accelerometer) và con quay hồi chuyển (gyroscope) được tích hợp trên MPU6050. • NỘI DUNG 3: Thiết kế giải thuật, lập trình cho Arduino Nano dựa trên các dữ liệu đã thu được từ cảm biến để điều hướng xe lăn. • NỘI DUNG 4: Thiết kế bộ điều khiển động cơ DC để nhận tín hiệu từ thiết bị nhận dạng chuyển động của đầu bằng Bluetooth để điều khiển xe lăn đã có sẵn 2 động cơ DC. • NỘI DUNG 5: Tích hợp thêm cảm biến khoảng cách nhận diện vật cản, ứng dụng cảnh báo nguy hiểm, kết hợp điều khiển xe lăn bằng ứng dụng di động Blynk. • NỘI DUNG 6: Kết hợp tất cả các phần nhận dạng tín hiệu, điều khiển, hệ thống an toàn vào trên cùng một xe lăn. Tiến hành chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh. • NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả thực hiện • NỘI DUNG 8: Viết báo cáo • NỘI DUNG 9: Bảo vệ đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.4. GIỚI HẠN: • Kích thước của thiết bị nhận dạng tín hiệu chuyển động của đầu: Được thiết kế, tích hợp trên tai nghe chụp tai thông thường, có thể căn chỉnh để vừa đầu • Kích thước bộ điều khiển động cơ DC: chiều cao 7cm, chiều dài 16cm, chiều rộng 8cm. • Cảm biến phát hiện vật cản (SHARP GP2Y0A02YK0F) có giới hạn 30cm – 150cm. • Xe lăn di chuyển 4 hướng: tới, lui, trái, phải. • Xe lăn phục vụ người dùng trong môi trường nền bằng phẳng không phải cầu thang và ghềnh dốc quá cao 1.5. BỐ CỤC: • Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục trình bày của đề tài • Chương 2: Cơ sở Lý Thuyết Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống. Giới thiệu khái quát về các thông số của cảm biến, ứng dụng được sử dụng trong đề tài. • Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Tính toán để lựa chọn các linh kiện phù hợp với hệ thống. Thiết kế sơ đồ khối và giải thích sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lí của hệ thống điều khiển. • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Phần này tiến hành quá trình thiết kế phần cứng cho các phần của hệ thông như thiết bị nhận dạng chuyển động, bộ điều khiển động cơ DC. Viết chương trình điều khiển cho Arduino, kết hợp ứng dụng di động vào để điều khiển xe lăn. • Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của bộ điều khiển xe lăn. Đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống điều khiển xe lăn bằng đầu. • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, kết luận hiệu quá của bộ điều khiển xe lăn trong thực tế, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1. Chuyển động của đầu trong không gian: 2.1.1. Phương hướng trong không gian: Trong hình học thì phương hướng, góc độ và dáng điệu của một vật (ví dụ một mặt phẳng, một vật thể rắn…) dùng để miêu tả không gian chứa vật đó. Trong đó thì phương hướng được đặt ra dựa trên hệ trục tọa độ. • Trong không gian 2 chiều: Trong không gian này thì phương hướng củ bất kỳ vật nào (vật rắn, mặt phẳng, vector…) được đo bởi một giá trị duy nhất là góc quay được tạo ra khi vật đó quay. Hình 2.1. Góc quay của vector trên không gian 2 chiều • Trong khôn gian 3 chiều: Vị trí và phương hướng trong không gian của một vật thể rắn được xác định như một vị trí và phương hướng của một khung tham chiếu trong một khung tham chiếu khác cố định với vật thể, tịnh tiến và quay. Ít nhất 3 giá trị độc lập là cần thiết để miêu tả phưoớng của khung hình cố định. Mặc dù một vật thể rắn có thể di chuyển tự do được gọi là 6 bậc của tự do [3]. Hình 2.2. Góc Euler – miêu tả phương hướng trong không gian. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1.2. Chuyển động của đầu trong không gian 3 chiều: Trong giới hạn của đề tài ta chỉ tìm hiểu về 3 góc được gọi là momen đảo lại, dọc-xuống, nghiêng hay còn được gọi lần lượt là roll, pitch, yaw. Hình 2.3. Biểu diễn Roll, Pitch và Yaw trong không gian Góc quay xung quanh trục*gọi là Pitch. Góc quay xung quanh trục Y gọi là Yaw. Góc quay xung quanh trục Z gọi là Roll. Hình 2.4. Biểu diễn chuyển động của đầu bằng Roll, Pitch và Yaw. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5