Đề tài đã thực hiện thành công và đạt được kết quả khả quan như: xây dựng được một mô hình mobile robot hoàn chỉnh. Với code được lập trình bằng phần mềm Arduino. Xây dựng được một báo cáo hoàn chỉnh về các bước để thiết kế phần cứng lẫn phần mềm của một mobile robot điều khiển bằng giọng nói. Để làm tiền đề cho các khóa sau tìm hiểu phát triển để ứng dụng cao hơn trong thực tiễn.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM MOBILE ROBOT
ĐIỀU KHIỂN BẰNG GIỌNG NÓI
Họ và tên sinh viên: TRẦN QUỐC BỬU
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2012-2016
Trang 2Tháng 06 năm 2016
Trang 3THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM MOBILE ROBOT
ĐIỀU KHIỂN BẰNG GIỌNG NÓI
TÁC GIẢ
TRẦN QUỐC BỬU
Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử
Giáo viên hướng dẫn:
Th.S Nguyễn Tấn Phúc
Tháng 06 năm 2016
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.HồChí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em nhữngkiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ - Điện Tử đã giúp đỡchúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Tấn Phúc đã tậntình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp
Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét
và góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đãđộng viên, ủng hộ và luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trìnhhoàn thành luận văn
TPHCM, tháng 06 năm 2016Sinh viên thực hiện
TRẦN QUỐC BỬU
Trang 5TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm mô hình Mobile Robot điềukhiển bằng giọng nói” được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố HồChí Minh, thời gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2016
Đề tài đã thực hiện thành công và đạt được kết quả khả quan như: xây dựng đượcmột mô hình mobile robot hoàn chỉnh Với code được lập trình bằng phần mềmArduino
Xây dựng được một báo cáo hoàn chỉnh về các bước để thiết kế phần cứng lẫnphần mềm của một mobile robot điều khiển bằng giọng nói Để làm tiền đề cho cáckhóa sau tìm hiểu phát triển để ứng dụng cao hơn trong thực tiễn
Nội dung báo cáo được trình bày theo bố cục sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Phương pháp nghiên cứu
Chương 4: Kết quả và khảo nghiệm
Chương 5: Kết luận và đề nghị
Do thời gian thực hiện còn hạn chế, trình độ và kinh nghiệm có giới hạn nên đềtài còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quýthầy cô và các bạn để đề tài của em càng được hoàn thiện hơn
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT iii
MỤC LỤC iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii
MỤC LỤC HÌNH viii
MỤC LỤC BẢNG x
Chương 1 TỔNG QUAN 1
1.1 Lý do chọn đề tài 1
1.2 Mục tiêu đề tài 2
1.3 Nội dung đề tài 2
1.4 Vật dụng cần thiết trong quá trình thực hiện đề tài 3
1.4.1 Phần cứng 3
1.4.2 Phần mềm 4
1.5 Ý nghĩa khoa học 4
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
2.1 Vi điều khiển - Arduino 5
2.2 Module điều khiển động cơ L298 6
2.2.1 IC L298N 6
2.2.2 Module điều khiển động cơ L298 7
2.3 Module bluetooth HC-05 8
2.4 Động cơ DC 10
2.4.1 Cấu tạo 10
Trang 72.4.2 Nguyên lý hoạt động 10
2.4.3 Phương pháp điều khiển động cơ 11
2.4.4 Ứng dụng 14
2.5 Bộ truyền tín hiệu âm thanh 14
2.5.2 Một số chỉ tiêu kỹ thuật tai nghe Bluedio I4 15
2.6 Bộ truyền nhận tín hiệu hình ảnh 16
2.6.1 Giới thiệu 16
2.6.1 Các tính năng của phần mêm EpocCam View 17
2.7 Module giọng nói VR3 18
2.7.1 Giới thiệu 18
2.7.2 Thông số kỹ thuật 18
2.7.3 Huấn luyện VR3 20
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22
3.1 Thiết kế phần cứng 22
3.1.1 Kết cấu khung robot 22
3.1.2 Mạch nguyên lý phần cứng của robot 23
3.1.3 Sơ đồ nối dây của hệ thống 29
3.2 Thiết kế phần mềm 30
3.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ C 30
3.2.2 Phần mềm biên dịch 30
3.2.3 Phần mềm thiết kế giao diện điều khiển 30
3.3 Lưu đồ giải thuật 31
3.3.1 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển Mobile Robot 31
3.3.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng giọng nói 32
3.3.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng tay trên giao diện matlab 34
Trang 83.3.4 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh chụp trên giao diện matlab 35
3.4 Viết chương trình cho vi điều khiển Arduino 36
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ KHẢO NGHIỆM 37
4.1 Phần cứng 37
4.1.1 Main chính – Board Arduino Uno R3 37
4.1.2 Mạch cầu H 38
4.1.3 Bộ truyền nhận tính hiệu 38
4.1.4 Bộ truyền nhận tín hiệu giọng nói 39
4.1.5 Mô hình Mobile Robot sau khi hoàn thiện 40
4.1.6 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 41
4.2 Giao diện điều khiển 43
4.3 Khảo nghiệm 45
4.3.1 Thiết bị khảo nghiệm 45
4.3.2 Chạy khảo nghiệm Mobile Robot 45
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 50
5.1 Kết luận 50
5.2 Đề nghị 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
Phụ lục 53
Trang 9LCD: Liquid Crystal Display.
UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
GPIO: General Purpose Input Output
Wifi: Wireless Fidelity
Trang 10MỤC LỤC HÌNH
Hình 2.1: Board Arduino Uno R3 5
Hình 2.2: IC L298 6
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý module L298 7
Hình 2.4: Module Bluetooth HC-05 8
Hình 2.5: Sơ đồ chân module Bluetooth HC-05 9
Hình 2.6: Một số động cơ DC sử dụng trong robot 10
Hình 2.7: Nguyên lí hoạt động của động cơ DC 11
Hình 2.8: Đồ thị dạng xung điều chỉnh PWM 11
Hình 2.9: Nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung 12
Hình 2.10: Nguyên lý truyền động của hộp giảm tốc 14
Hình 2.11: Tai nghe Bluedio I4 dùng để truyền tín hiệu âm thanh 15
Hình 2.12: Nút POWER trên tai nghe Bluetooth 16
Hình 2.13: Giao diện khi khỏi động phần mềm EpocCam View 17
Hình 2.14: Voice Recongnition Module V3 18
Hình 2.15 : Phân tích và nhận dạng của một nhóm trong VR3 19
Hình 2.16: Giao diện Serial Monitor 2 0 Hình 2.17: Giao diện Serial Monitor sau khi huấn luyện thành công 21
Hình 3.1: Mô hình Mobile Robot trên phần mềm SolidWorks 22
Hình 3.2: Sơ đồ khối trong robot 23
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn chuyển đổi 5V DC 24
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý 26
Trang 11Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối công suất động cơ 27
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển từ xa 28
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối nhận dạng giọng nói 28
Hình 3.8: Sơ đồ nối dây cho toàn hệ thống mobile robot 29
Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật chương trình chính 31
Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng giọng nói 33
Hình 3.11: Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng tay trên giao diện matlab 34
Hình 3.12: Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý ảnh chụp về 36
Hình 4.1: Board Arduino Uno R3 trong Mobile Robot 37
Hình 4.2: Mạch cầu H 38
Hình 4.3: Module HC-05 38
Hình 4.4: Module giọng nói VR3 và tai nghe Bluetooth 39
Hình 4.5: Mô hình Mobile Robot thực tế 40
Hình 4.6: Nút nhấn phía sau robot 41
Hình 4.7: Giao diện matlab điều khiển trên máy tính 43
Hình 4.8: Giao diện chương trình con xử lý hình ảnh chụp về 44
Trang 12MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1: Nối dây giữa module Bluetooth với Arduino Uno: 9
Bảng 2.2: Nối dây module VR3 với Arduino Uno R3: 22
Bảng 4.1: Kết quả khảo nghiệm chế độ điều khiển từ xa của Mobile Robot 45
Bảng 4.2: Kết quả khảo nghiệm cho Mobile Robot đi thẳng 47
Bảng 4.3: Kết quả khảo nghiệm cho Mobile Robot đi lùi 47
Bảng 4.4: Kết quả khảo nghiệm cho Mobile Robot rẽ phải 48
Bảng 4.5: Kết quả khảo nghiệm cho Mobile Robot rẽ trái 48
Bảng 4.6: Kết quả khảo nghiệm cho Mobile Robot đứng lại 48
Trang 13Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Lý do chọn đề tài.
Dưới dự phát triển không ngừng về khoa học – công nghệ Đặc biệt là trong cácthiết bị tự động hoá phát triển mạnh mẽ Trước nhu cầu đó đòi hỏi ở kỹ sư Cơ điện tửphải liên tục nghiên cứu phát triển các thiết bị trong các lĩnh vực: đời sống hằng ngày,công nghiệp, y tế, quân sự,…Nhờ đó mà các kỹ sư đã sáng tạo ra các thiết bị, robotgiúp đỡ hoặc thay thế con người trong công việc nặng nhọc, nguy hiểm
Hằng ngày, con người giao tiếp với nhau thông qua hình thức phổ biến đó làgiọng nói, giọng nói hầu như ai cũng có Đặt câu hỏi: “tại sao ta không dùng giọng nói
để giao tiếp và điều khiển một Robot theo ý mình?” Để trả lời, các kỹ sư đã nghiêncứu và chế tạo nên module Voice Recognition Module V3 (module VR3) có thể giaotiếp được với Robot bằng sóng giọng nói Hiện nay module VR3 đã được sử dụngrộng rãi trên thế giới trong nhiều lĩnh vực như quân sự, y học và trong các hệ thống tựđộng thông minh để hạn chế công sức con người trong công việc
Đặc biệt trong quân sự, cần có một Mobile Robot có thể điều khiển được bằnggiọng nói dùng để dò thám, thu thập thông tin ở những nơi nguy hiểm, gỡ bỏ bommìn… nhằm đảm bảo tính an toàn cho các chiến sĩ, tính mạng con người Ngoài ra,nhờ vào tính nhỏ gọn, mô hình mobile robot có khả năng quan sát các đường nước thảilớn để tìm ra lỗi kỹ thuật, giúp con người có thể tránh những mối nguy hiểm khi vàokiểm tra
Mặt khác, nhằm nghiên cứu đóng góp một phần nhỏ trong sự phát triển của khoahọc - kỹ thuật, nâng cao trình độ kỹ thuật ở Việt Nam sánh đôi cùng với các nước pháttriển khác trên thế giới Đây là những lý do để em chọn thực hiện đề tài: “Thiết kế, chếtạo và khảo nghiệm mô hình Mobile Robot – điều khiển bằng giọng nói” với các tínhnăng điều khiển không dây bằng giọng nói, điều khiển từ xa bằng sóng Bluetooth, thunhận hình ảnh từ camera truyền về máy tính hiển thị qua giao diện matlab
Trang 141.2 Mục tiêu đề tài.
Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu và chế tạo ra một sản phẩm công nghệ cao
có thể làm học cụ trong ngành Cơ điện tử - một robot điều khiển không dây thông quagiọng nói, có ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống
Tìm hiểu cách sử dụng module điều khiển giọng nói VR3
Tìm hiểu, nghiên cứu lập trình vi điều khiển trên board Arduino Uno R3, mộtboard mạch vi xử lý khá mới ở Việt Nam, qua đó kết hợp với module giọng nói VR3
để xây dựng và điều khiển mô hình Mobile Robot Từ đó khảo nghiệm tính chính xáccủa module VR3 Cho thấy được thế mạnh của nó trong việc sử dụng giọng nói đểđiều khiển thiết bị
Nghiên cứu áp dụng công nghệ Bluetooth để điều khiển không dây cho mô hìnhMobile Robot, phát triển hơn về mặt điều khiển trong chuyên ngành Cơ điện tử
Áp dụng những lý thuyết đã học vào thực tế, phát huy thế mạnh của vi điều khiểnArduino vào trong thực tế để tạo ra sản phẩm
Cuối cùng thiết kế, chế tạo và hoàn thiện Mobile Robot có chức năng điều khiển
từ xa bằng giao diện matlab thông qua sóng Bluetooth với tính năng: đi tới, đi lùi, rẽtrái, rẽ phải và điều khiển không dây bằng giọng nói để có thể đáp ứng được nhu cầucho người sử dụng
1.3 Nội dung đề tài.
Tên đề tài thực hiện ”Thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm mô hình Mobile Robot điềukhiển bằng giọng nói”
Để thiết kế, chế tạo nên một mô hình Mobile Robot, điều khiển khiển bằng giọngnói thông qua sóng Bluetooth và máy tính là rất phức tạp và tốn kém Để đáp ứngđược yêu cầu đó cần phải có một lượng thời gian và kiến thức nhất định, bên cạnh đóvấn đề tài chính cũng là một yếu tố không kém phần quan trọng khi thực hiện
Với kiến thức nắm được trong những năm học tại trường, thời gian thực hiện cònhạn hẹp, tài chính hạn chế nên em chỉ hoàn thành Mobile Robot với một số tính năng
cơ bản Cụ thể công việc như sau:
Thiết kế, chế tạo mô hình Mobile Robot
Trang 15Điều khiển Mobile Robot di chuyển tới, lùi, rẽ trái,rẽ phải bằng giọng nói thôngqua micro máy tính và truyền bằng sóng Bluetooth.
Điều khiển Mobile Robot bằng tay trên giao diện matlab thông qua sóngBluetooth
Từ Mobile Robot gắn camera truyền hình ảnh về máy tính thông qua sóng wifi
để quan sát điều khiển và thu nhận hình ảnh về máy tính
Thiết kế giao diện matlab điều khiển Mobile Robot
Một số chỉ tiêu kỹ thuật cho mô hình Mobile Robot:
Môi trường điều khiển:
Mô hình có khả năng làm việc tốt ở nhiều môi trường nhưng đòi hỏi người điềukhiển phải ở trong khu vực hạn chế tiếng ồn giúp mô hình có thể nhận được tín hiệuđiều khiển đúng với tín hiệu lập trình trước
Độ chính xác trong quá trình điều khiển:
Mô hình sẽ hoạt động tốt nhất đối với người điều khiển là người đã huấn luyệncho nó Khi người khác ra lệnh thì tỉ lệ đáp ứng sẽ thấp hơn hoặc không đáp ứng
1.4 Vật dụng cần thiết trong quá trình thực hiện đề tài.
1.4.1 Phần cứng.
Phần cứng bao gồm:
Vi điều khiển board Arduino Uno R3
Module giọng nói VR3
Module Bluetooth HC-05
Module điều khiển động cơ L298
Tai nghe Bluetooth
Motor DC 12V
Cáp truyền âm thanh có 2 đầu là jack 3.5
Linh kiện điện tử khác như: dây cắm, jack 3.5, cáp UART, pin cell 4.2V
Khung xe: mica 3mm cắt theo bản vẽ (xem phụ lục), 2 bánh xe, 1 bánh đa hướng
ốc vít (5cm x 4, 3cm x 4, 1cm x 14, 0.5cm x 4) và đệm ốc
Dụng cụ hỗ trợ: mỏ hàn điện, chì hàn, nhựa thông, đồng hồ VOM, tua vít…
Trang 161.4.2 Phần mềm.
Để thực hiện đề tài, ngoài phần cúng cần sử dụng một số phần mềm lập trình vàgiao tiếp để điều khiển Mobile Robot sau đây:
Arduino 1.0.6 - Viết chương trình cho vi điều khiển Arduino Uno R3
SolidWorks 2015- Thiết kế mô hình Mobile Robot
Matlab R2014b – Thiết kế giao diện điều khiển và hiển thị camera
1.5 Ý nghĩa khoa học.
Mô hình Mobile Robot điều khiển bằng giọng nói và bluetooth thông quabluetooth giúp cho người dân Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung ứngdụng được khoa học kỹ thuật – công nghệ vào thực tiễn, hạn chế công sức con người,quan trọng hơn là đề cao trí tuệ con người ngày càng nâng cao, các thiết bị, máy mócngày càng được tân tiến, tối ưu hóa và tự động hóa hơn
Đề tài thiết kế, chế tạo Mobile Robot được điều khiển không dây bằng giọng nói
và điều khiển từ xa thông qua sóng Bluetooth thích hợp với công việc giám sát các hệthống, khu vực mà con người không thể vào hoặc nguy hiểm để thu nhận thông tin,hình ảnh
Nhằm đánh giá cao sự phát triển khoa học – kỹ thuật của Việt Nam không thua gìcác nước phát triển trên thế giới Riêng tại trường Đại học Nông Lâm TPHCM mặc dùMobile Robot điều khiển bằng giọng nói không còn xa lạ đối với các thầy cô trongkhoa cơ khí – công nghệ nhưng nó còn mới mẻ đối với các bạn sinh viện đang học tạitrường Chính vì thế đây là cơ hội mà nhà trường đã tạo điều kiện cho em nghiên cứu
đề tài này để tạo nền tảng cho những bạn khoá sau thuộc chuyên ngành cơ - điện tử, vàcác ngành khác có cơ sở nghiên cứu sâu và phát triển hơn nhằm tạo ra sản phẩm cóứng dụng vào thực tiễn cao, nâng cao trình độ khoa học kỹ thuật của Việt Nam nóichung và của trường Đại học Nông Lâm nói riêng
Trang 17Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Vi điều khiển - Arduino.
a: Mạch nguyên lý IC Atmega 328
b: Aruino Uno R3
Hình 2.1: Board Arduino Uno R3
Các thông số kỹ thuật của Aruino Uno R3:
Số chân vào/ra (I/O) dạng digital: 14 (6 chân là đầu ra PWM)
Các chân Digital và chân Analog:
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Có 2 mức điện
áp là 0V và 5V với dòng vào và ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều cócác điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328
Trang 18Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive– RX) dữ liệu TTL Serial
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM (giá trị 0 –
255 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite()
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) ngoài các chứcnăng thông thường ra còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết
bị khác
- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấmnút (Reset) sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khichân này được sử dụng, LED sẽ sáng
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) để đọc giá trị điện áp trong khoảng0V → 5V Ngoài ra, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác
2.2 Module điều khiển động cơ L298.
Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép hoặc không cho phép IC hoạt động, độc
Trang 19lập với các chân tín hiệu vào Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi mạch cầuđược nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần Nó
có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động điện thế thấp hơn
2.2.2 Module điều khiển động cơ L298.
Driver: L298 tích hợp hai mạch cầu H
Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
Trang 20Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 oC)
Nhiệt độ bảo quản: -25oC ~ +130oC
Các chân (1), (2), (13), (14) tương ứng với các chân ra (Out1), (Out2), (Out3),(Out4) được nối với động cơ DC hoặc động cơ stepper Cấp nguồn 12V cho chân (4),5V cho chân (6) Chân (7), (12) lần lượt là chân Enable A và Enable B của module.Chân (8), (9), (10), (11) lần lượt là chân IN1, IN2, IN3, IN4 của module Nối GNDcho chân (5)
Hình 2.4: Module Bluetooth HC-05.
Đặc điểm kỹ thuật
* Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động của UART 3.3V đến 5V
Dòng điện khi hoạt động: khi đang thực hiện kết nối với thiết bị khác là 30mA,sau khi đã kết nối với thiết bị khác và hoạt động truyền nhận bình thường là 8mA.Chuẩn kết nối UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,
57600, 115200
Kích thước của module chính: 28 mm x 13 mm x 2.25 mm
Dải tần sóng hoạt động: 2.4 GHz
Trang 21Chuẩn truyền Bluetooth: Bluetooth specification v2.0+EDRo
ạch
nguyên lý module HC-05
(b) Chân của Module HC-05
Hình 2.5: Sơ đồ chân module Bluetooth HC-05.
Module Bluetooth HC-05 có tổng cộng 6 chân và được kết nối với vi điều khiển(Board Arduino Uno R3) theo bảng 2.1
Bảng 2.1: Nối dây giữa module Bluetooth với Arduino Uno:
Bluetooth module Vi điều khiển
Trang 22kĩ thuật có các rãnh để đặt các phần tử cuộn dây vào, điện áp DC được cung cấp vàocuộn dây nhờ vào hệ thống chổi quét và vành khuyên.
Việc lựa chọn động cơ căn cứ vào các tiêu chí tốc độ, khả năng chịu tải, độ hãm,dòng, áp
2.4.2 Nguyên lý hoạt động.
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu,hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều,một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm
vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thôngthường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp
Trang 23Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động động cơ DC
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển độngquay
Pha 2: Rotor tiếp tục quay
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùngdấu, trở lại pha 1
2.4.3 Phương pháp điều khiển động cơ.
Phương pháp điều chỉnh PWM:
Phương pháp điều chỉnh PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra động cơ DChay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗixung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra
Hình 2.8: Đồ thị dạng xung điều chỉnh PWM.
Trang 24Trên là đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM Với độ rộng xung đầu ratương ứng và được tính bằng % Tùy thích do chúng ta điều khiển.
(a)(b)
a: Giảng đồ xung
b: Mạch nguyên lý điều chỉnh xung
Hình 2.9: Nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung.
Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển
và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM
Nguyên lý :
Trong khoảng thời gian 0 – t0 ta kích mức cao cho U1 mở toàn bộ điện áp nguồn
Ud được đưa ra động cơ DC Còn trong khoảng thời gian to - T ngưng kích mức caocho U1, ngắt nguồn cung cấp cho động cơ DC Với t0 thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽcung cấp toàn bộ, một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở) còn T là thời gian của cả sườn
âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải
Trang 251 max* ( ) max*
với là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM
Như vậy trên hình đồ thị dạng điều chế xung
Điện áp trùng bình trên tải sẽ là :
Hình 2.10: Nguyên lý truyền động của hộp giảm tốc.
Hộp giảm tốc có chức năng hãm tốc độ của vòng quay Thiết bị này là cơ cấutruyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi và được Sử dụng để kìmhãm vận tốc góc và tăng mômen xoắn Hộp giảm tốc được xem là bộ phận trung gian
ở giữa động cơ và bộ phận làm việc của máy
Cấu tạo hộp giảm tốc gồm các cặp bánh răng lớn nhỏ ăn khớp với nhau Thôngqua động tác truyền chuyển động giữa các cặp bánh răng, tốc độ cuối cùng mà hộpgiảm tốc cấp cho bộ phận làm việc của máy khác biệt so với tốc độ ban đầu của động
cơ khi đưa vào hộp giảm tốc Sự khác biệt đó phụ thuộc vào tỉ số truyền giữa các cặpbánh răng ăn khớp với nhau được chứa bên trong hộp giảm tốc Công thức tính tỉ sốtruyền:
Trang 262.4.4 Ứng dụng.
Động cơ DC có vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực và được ứng dụng rấtrộng rãi Động cơ DC được ứng dụng để điều khiển các cơ cấu chấp hành, được sửdụng nhiều trong các robot máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máybán hàng nhỏ, và các máy quét…
2.5 Bộ truyền tín hiệu âm thanh.
Bluetooth là một công nghệ cho phép truyền thông tin giữa các thiết bị với nhau
mà không cần cáp và dây dẫn.Bluetooth là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là cáchãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầucủa chuẩn này đối cho sản phẩm của mình
Những chỉ tiêu kỹ thuật này giúp bảo đảm cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth
Trong các sản phẩm Bluetooth, tai nghe Bluetooth là một sản phẩm công nghệhiện đại, giúp truyền và nhận tín hiệu giọng trực tiếp giữa các thiết bị khác nhau.Trong đề tài này, tôi sử dụng tai nghe Buetooth Bluedio I4 để truyền tín hiệu âmthanh từ máy tính đến Mobile Robot
Trang 27Hình 2.11: Tai nghe Bluedio I4 dùng để truyền tín hiệu âm thanh.
2.5.2 Một số chỉ tiêu kỹ thuật tai nghe Bluedio I4.
Thông số kỹ thuật
Chuẩn kết nối: Bluetooth 2.1
Khoảng cách truyền tín hiệu 12m
Kết nối tai nghe Bluetooth với máy tính
Ấn và giữ nút POWER trên tai nghe Bluetooth nằm bên trái robot khoảng 5 giâyđến khi đèn sáng liên tục
Trang 28Hình 2.12: Nút POWER trên tai nghe Bluetooth
Kết nối Bluetooth máy tính với tai nghe bằng cách mở trên máy tính theo hướngdẫn sau đây: Control Panel Hardware and Sound Add a device
Chờ vài giây sau đó chọn vào biểu tượng
Được cung cấp bởi Kinion Oy và được sử dụng rộng rãi Hiện nay phần mềm đã được hỗ trợ trên các hệ điều hành Mac, OS X
Trang 29Hình 2.13: Giao diện khi khỏi động phần mềm EpocCam View.
2.6.1 Các tính năng của phần mêm EpocCam View.
Các tính năng:
Video truyên trực tiếp và có chất lượng cao vào máy tính
Hoàn toàn thay thế Webcam USB, làm việc với tất cả các ứng dụng webcam cho phép
Hỗ trợ Windows 8
Kết nối tự động
Kết nối không dây hơn 10 mét
Tất cả dữ liệu được bảo mật bằng mã hoá mạnh mẽ để giữ thông tin video
Hỗ trợ Audio, sử dụng điện thoại như một micro không dây trong phiên bảng EpocCam View Pro
Ưu điểm:
Truyền hình ảnh về máy tính như 1 camera di dộng với khoảng cách tối đa hơn10m so với máy tính được truyền về Với khả năng như thế thì có thể gắng điện thoạivào mô hình và sử dụng như camera để quan sát Ưu điểm của phần mềm là chỉ cầnbất kỳ đâu có mạng wifi là có thể sử dụng điện thoại
Trang 302.7 Module giọng nói VR3.
2.7.1 Giới thiệu.
Voice Recongnition Module V3 (Module VR3) là mạch nhận và xử lý tín hiệudưới dạng âm thanh Hỗ trợ tất cả là 80 câu lệnh bằng giọng nói
Cách hoạt động của module VR3 cũng khá đơn giản Nó nhận tín hiệu sóng âm,
so sánh và xuất tín hiệu tới vi điều khiển
Nhờ vào tính năng này nên module VR3 được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật
Hình 2.14: Voice Recongnition Module V3.
2.7.2 Thông số kỹ thuật.
Trong module VR3, câu lệnh được lưu trữ trong một nhóm lớn như một thư viện.Bất kỳ âm thanh nào cũng được ghi lại như một câu lệnh Nó sẽ chia ra 7 vùng tươngứng với 7 câu lệnh Một số thứ tự không trùng lặp sẽ được gán cho mỗi vùng (0 6)nhóm chính gồm 7 câu lệnh thực hiện cùng lúc với nhau Khi nhận tín hiệu, VR3 sẽphân tích phổ giọng nói và lưu lại trong bộ nhớ
Lưu ý khi huấn luyện cho VR3 câu lệnh phải rỏ và dứt khoát, bộ nhớ sẽ đánh sốthứ tự (0 79), nên ghi chú riêng cho từng câu lệnh để tránh nhầm lẩn
VR3 cũng hổ trợ cho phần quản lý dòng lệnh theo nhóm ( mỗi nhóm tối đa 7dòng lệnh)
Trang 31Khi làm việc VR3 sẽ chạy những câu lệnh đã được huấn luyện vào bộ nhớ thihành.
Hình 2.15 : Phân tích và nhận dạng của một nhóm trong VR3.
Trong 1 khoảng thời gian có thể thi hành tối đa 7 mệnh lệnh
Được hổ trợ bởi thư viện Arduino
Dễ dàng sử dụng và tháo lắp với các chân nhận và xuất dữ liệu đã được tiêuchuẩn hóa, người dùng chỉ cần điều khiển những chân ra
Dễ điều khiển với chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)
Chuần giao tiếp UART và GPIO :
UART là viết tắt Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
UART đây là một trong những chuẩn giao tiếp phổ biến và dễ sử dụng, dùng đểtruyền nhận dữ liệu giữa 2 hay nhiều thiết bị khác nhau Là chuẩn truyền thông khôngđồng bộ (nghĩa là 2 thiết bị khi giao tiếp với nhau cần phải biết các thông số của khungtruyền như tốc độ, độ dài khung, số bit stop, bit parity…)
Trang 32Cổng GPIO ( General Purpose Input Output), GPIO chính là cửa ngõ để giao tiếpgiữa vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi khác.
2.7.3 Huấn luyện VR3.
Trước khi huấn luyện, chắn chắn đã cài đặt đầy đủ thư viện VR3 vào máy tính
Bảng 2.2: Kết nối VR3 với Arduino Uno R3:
Nhấn vào “Upload”, chờ cho Arduino đã upload xong
Mở “Serial Monitor” Chọn baud rate 115200 Chọn “Newline” hoặc “BothNL&CR” (Hình 2.15a)
(a)(a)(a)(a)
(a)(b)
a: Giao diện Serial
b: Giao diện Serial khi gửi ký tự “settings”
Hình 2.16: Giao diện Serial Monitor.
Trong Input Command, ghi ký tự “settings”, ấn ENTER hoặc nhấn nút “send” (Hình 2.16)
Trang 33Huấn luyện VR3 Gửi ký tự “sigtrain 0 On” từ Input command để huấn luyện câulệnh được đánh dấu là 0 (record 0).
Khi Serial Monitor hiển thị “Speak now” thì hãy nói câu lệnh điều khiển, có thể
là một từ bất kỳ, có ý nghĩa hay là từ “On” ở đây Sau đó Serial Monitor hiển thị
“Speak again”, thì cần phải lặp lại câu lệnh vừa rồi Nếu hai câu lệnh giống nhau,Serial Monitor sẽ hiển thị “Success”, và “record 0” đã được huấn luyện Nếu khônggiống nhau, quá trình huấn luyện sẽ không thành công và phải lặp lại quá trình này chođến khi hai câu lệnh giống nhau (Hình 2.16a)
(a)
(b)a: Giao diện khi huấn luyên thành công câu lệnh 1
b: Giao diện khi huấn luyên thành công câu lệnh 2
Hình 2.17: Giao diện Serial Monitor sau khi huấn luyện thành công.
Tương tự ta sẽ huấn luyện một câu lệnh khác Gửi “sigtrain 1 Off” được đánhdấu ở đây là “Off” Chọn từ để huấn luyện VR3 và cách huấn luyện như câu lệnh trên(hình 2.16b)
Gửi “load 0 1” từ Input command để tải 2 câu lệnh vừa train lên và nói thử 1 câulệnh để Serial Monitor có nhận ra lệnh không
Nếu muốn huấn luyện 180 dòng lệnh Có thể huấn luyện bằng cách “sigtrainX”, thay X bằng số thứ câu lệnh Ví dụ: sigtrain 0; sigtrain 1; sigtrain 2; sigtrain 3;… ;sigtrain 79
Trang 34Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU3.1 Thiết kế phần cứng.
3.1.1 Kết cấu khung robot.
Phần sàn và khung robot được làm bằng nhựa mica có chiều dày 3mm, chiềurộng 226mm, chiều dài 300mm, chiều cao từ mặt đất đến robot là 13mm tính đếnkhung dưới của robot Loại motor được dùng là loại động cơ DC 12V
+ Khi 2 bánh xe trái và phải quay cùng chiều thì robot tiến hoặc lùi
+ Khi bánh trái quay tiến và bánh phải quay lùi thì robot di chuyển sang phải
+ Khi bánh trái quay lùi và bánh phải quay tiến thì robot di chuyển sang trái
Thiết kế mô hình Mobile Robot trên phần mềm SolidWorks:
Hình 3.1: Mô hình Mobile Robot trên phần mềm SolidWorks.
Bản vẽ khung của Mobile Robot
Trang 35Bản vẽ được thiết kế bằng phần mềm SolidWorks (Xem phần phụ lục)
3.1.2 Mạch nguyên lý phần cứng của robot.
Sơ đồ khối của robot:
Hình 3.2: Sơ đồ khối trong robot.
Chức năng của các khối trong sơ đồ:
Khối nguồn: cung cấp nguồn cho Mobile Robot Nguồn được cung cấp ở đây là12V
Khối xử lý: có chức năng nhận, xử lý tín hiệu từ khối cảm biến và khối điềukhiển từ xa để điều khiển khối công suất động cơ
Khối nhận dạng giọng nói: Module VR3 có chức năng nhận và phân tích giọngnói để truyền tín hiệu về khối vi điều khiển
Khối điều khiển từ xa: truyền, nhận tín hiệu điều khiển khiển không dây cho khối
Trang 363.1.2.1 Khối nguồn.
Khối nguồn trong mô hình này được tích hợp trong module điều khiển động cơL298 Với chức năng chuyển đổi nguồn 12V ra nguồn 5V để cấp cho khối công suấtđộng cơ, khối từ xa, khối xử lý, khối nhận dạng giọng nói
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn chuyển đổi 5V DC.
Nguyên lý hoạt động:
Chân Vin của IC LM7805 được nối với tụ không phân cực 104 sẽ loại bỏ tín hiệuxoay chiều (xung nhiễu) Và tụ phân cực 470uF/25V tác dụng nắn dòng nguồn cho ổnđịnh hơn
Còn ở đầu ra chân Vout có led báo nguồn và tụ chống nhiễu và lọc nguồn
Tính giá trị của trở được nối với led báo:
R
mA