Đồ án thiết kế xe cho người tàn tật

MỤC LỤC

1

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH

2

2


DANH MỤC BẢNG

3

3


MỞ ĐẦU
Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đời
sống xã hội. Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất lượng sản xuất mà
còn 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 tác
cao 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 bị
bao gồm 3 chương:
• Chương 1: Tổng quan về hệ thống.
Trình bày, giới thiệu về mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật, từ đó lựa chọn mô
hình 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 kiện
chế tạo sản phẩm.
• Chương 3: Hoàn thiện hệ thống.
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 quả
nhất định. Mặc dù vậy do thiếu sót về mặt kiết thức cũng như thiết bị cũng như hạn
chế về linh kiện thiết nên em không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô giáo và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn!

4

4


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 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”.

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 có
trong 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 vào
thực tế để xây dựng và phát triển hướng trong tương lai để hoàn thiện sản phẩm đạt
chất 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 hay
bằng 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:
5

5

Hình 1.1 Xe lăn đẩy tay
• Xe lăn đẩy tay: Là một sản phẩm thủ công dành cho những người khuyết tật, khỏe
mạnh, có thể tự vận hành xe và điều khiển xe. Ưu điểm của xe đẩy dạng tay là người
sử dụng có thể tự vận hành được, nhẹ, có thể mang đi xa. Tuy nhiên, xe này không nên
sử dụng đối với những người cao tuổi vì người dùng phải vận động từ thắt lưng đến
hai tay, chính vì vậy sẽ rất mệt trong quá trình sử dụng. Ngoài ra tình trạng xước tay
khi vận hành xe là rất phổ biến, ảnh hưởng đến sức khỏe.

6

6


Hình 1.2 Xe lăn điện
•

Xe lăn điện: Là sản phẩm kết hợp giữa lăn tay truyền thống và hệ thống động cơ ác
quy hiện đại, giúp cho người dùng dễ dàng điều khiển mà không tốn sức như điều
khiển xe lăn tay. Tuy nhiên, nó vẫn có những mặt hạn chế như phụ thuộc vào nguồn
năng lượng điện, độ linh hoạt chưa thực sự tốt.

Hình 1.3 Xe lăn điều khiển bằng giọng nói
•

Xe lăn điều khiển bằng giọng nói: Thay vì phải dùng tay để điều khiển thì người ngồi
chỉ việc ra lệnh cho chiếc xe “tiến, lùi, trái, phải..” bằng giọng nói của mình. Chiếc xe
sẽ tự động nhận dạng giọng nói và thực hiện theo. Sản phẩm có độ cơ động cao, không
7

7


cần dùng sức để vận hành xe, người dùng có thể thoải mái điều khiển xe mà không lo
về các trở ngại bên khác. Đây là một sáng chế về xe lăn điện cho người tàn tật độc đáo
nhất hiện nay. Tuy nhiên sản phẩm vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu nên vẫn
còn nhiều nhược điểm như người sử dụng phải phát âm chuẩn so với giọng nói điều
khiển ban đầu. Mặc dù vậy, xe lăn điều khiển bằng giọng nói vẫn được 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 có
những ưu nhược điểm riêng và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển, khắc
phục nhược điểm. Với năng lực của bản thân cũng như độ lớn của đề tài, em quyết
định sử dụng phương pháp xe lăn điều khiển bằng giọng nói để nghiên cứu và thực
hiện thiết kế. Mục tiêu của em hướng tới thiết kế một sản phẩm có tính ứng dụng trong
thực 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: Module
nhận dạng giọng nói VR3, cảm biến âm thanh CN07 để nhận lệnh điều khiển, Arduino
Uno R3 làm bộ vi xử lý trung tâm, thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động trong hệ
thống và Module L298, động cơ giảm tốc DC được sử dụng để điều khiển động cơ mô
hình 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 hệ
thống xe hỗ trợ cho người tàn tật sử dụng công nghệ nhận dạng giọng nói. Trong
chương 2 em sẽ đi sâu vào phân tích và thiết kế mô phỏng hệ thống x trên, tìm hiểu và
lựa chọn linh kiện phù hợp.

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Yêu cầu hệ thống
• Khối nhận dạng giọng nói phải đảm bảo độ chính xác cao, khi có yêu cầu lệnh
từ người sử dụng phải nhận dạng chuẩn, không bị nhầm lẫn lệnh điều khiển.
8

8


• Hệ thống có kết cấu chắc chắn, độ bền cao, dễ dàng khắc phục khi có hỏng hóc
xảy ra.
• Giá thành của sản phẩm không quá cao.
• 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 cơ
cấu 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.
 Nguồn adapter: Kích thước nhỏ gọn, chi tiết phần cứng chắc chắn, chất lượng hoàn
thiện cao. Tuy nhiên, cần phải có nguồn 220V để chuyển đổi về nguồn DC nên không
thuận tiện cho việc lắp đặt trên mô hình xe.

9

9


Hình 2.2 Nguồn adapter
 Pin DC: Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và lắp đặt trên các thiết bị yêu cầu sự cơ
động.

Hình 2.3 Nguồn pin DC
 Từ đó, em chọn phương án sử dụng nguồn Pin DC để đảm bảo tính cơ động cao của xe
mô hình.
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.
 Cảm biến âm thanh CN07: Được sử dụng để phát hiện âm thanh, tiếng động xung

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

10

10


Hình 2.4 Cảm biến âm thanh CN07
Thông số kỹ thuật:
• Phát hiện cường độ âm thanh của môi trường xung quanh: cảm biến này chỉ
xác định xem kích thước, không nhận ra âm thanh cụ thể hoặc âm thanh âm
•
•
•
•

thanh tần số.
Điện áp hoạt động: DC 3.3V- 5V
Tín hiệu đầu ra: tín hiệu số ( 0 và 1 cao và thấp).
Có lỗ bắt vít.
Kích thước: 3.4cm* 1.6cm

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.
 Module nhận dạng giọng nói Voice Recognition Module V3 [1]: Mạch nhận dạng
giọng nói VR3 là một module nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng, nó hỗ trợ lên đến 80 câu
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 có sẵn
trên Board.

11

11


Hình 2.5 Module nhận dạng giọng nói VR3
Đặc tính:
• Hỗ trợ tối đa 80 lệnh bằng giọng nói, với mỗi 1500ms một giọng nói (hoặc một
đến hai từ nói).
• Thư viện hỗ trợ trên nền tảng Arduino.
• Điều khiển dễ dàng: UART/GPIO
• Người dùng kiểm soát chung Pin Output
Thông số kỹ thuật:
•

•
•
•

Điện áp: 5V
Dòng tiêu thụ: <40mA
Giao tiếp: 5V TTL level for UART interface and GPIO
Các chân tín hiệu: 3.5mm mono-channel microphone connector + microphone

pin interface
• Kích thước: 31mm x 50mm
• 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)
 Mô hình xe lăn hỗ trợ cho người tàn tật yêu cầu về độ chính xác cao, do đó em lựa
chọn module nhận dạng giọng nói để nhận lệnh điều khiển cho mô hình.

12

12


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.
 Arduino Uno R3 [6]: Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng và 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

• Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit
• Điện áp hoạt động : 5V (chỉ được cấp qua cổng USB)
• Điện áp hoạt động có thể cấp cho V-in: 7-12V
• Nguồn tối đa: 6-20V
• Số chân digital: 14 (trong đó có 6 chân PWM)
• Số chân analog: 6
• Dòng tối đa mỗi chân I/O: 30 mA
• Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
• SRAM: 2KB
• EEPROM: 1KB
• Tần số hoạt động:16 MHz
• Kích thước: 53.3x68.6mm
• Trọng lượng: 25g
Sơ đồ chân

13

13


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.
• Không cần mạch nạp riêng biệt khi sử dụng nạp chương trình.
• 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

14

14


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.
 Module L298 [7]
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 Uno

R3, Arduino Leonardo, Arduino Mega 2560, giúp bạn có thể sử dụng và điều khiển
một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Mạch điều khiển động cơ L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa
2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5V
cho các module khác.

Hình 2.8 Module điều khiển động cơ L298

15

15


Thông số kỹ thuật:
• Driver: L298 tích hợp 2 mạch cầu H
• Điện áp điều khiển: +5V ~ +35V
• Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A
• Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5V ~ +7V
• Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
• Công suất hao phí: 20W
Sơ đồ nguyên lý L298:
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp
làm tăng công suất đầu ra từ 5-47V, dòng lên đến 4A, nó rất thích hợp trong ứng dụng
điều khiển động cơ DC công suất nhỏ.

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý L298
 Động cơ giảm tốc DC: Là động điều khiển trực tiếp, DC motor là động cơ một 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 phù hợp yêu
cầu hệ thống.

16

16


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 tắt
một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ.

Hình 2.10 Động cơ giảm tốc DC
Thông số kỹ thuật [8]
• Điện áp hoạt động: 3-12V
• Dòng điện tiêu thụ: 110-200mA
• Số vòng/1 phút: 125 vòng/ 1 phút tại 3V DC và 208 vòng/ 1 phút tại 5V DC
 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 của động cơ
DC.
2.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống

17

17


Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống
2.2.3 Thiết kế chương trình phần mềm
2.2.3.1 Môi trường lập trình
Phần mềm lập trình
Để lập trình được cho các board Arduino, cần phải có một công cụ gọi là

Intergrated Development Environment (IDE). Công cụ này được đội ngũ kĩ sư của
Arduino phát triển và có thể chạy trên Windows , MAC OS X và Linux.
Truy cập địa chỉ để tải phần mềm
chương 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}

18

18


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

19

19


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 tích

giọng nói và dựa vào lệnh đã yêu cầu ban đầu, xuất tín hiệu điều khiển đưa đến khối
20

20


điều khiển trung tâm. Khối xỷ lý trung tâm xử lý tín hiệu điều khiển nhận được, đưa
các 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 hệ
thống, xây dựng chương trình cho hệ thống mô hình xe hỗ trợ cho người tàn tật. Sang
chương 3 em sẽ trình bày các bước thiết kế mô hình và thiết kế sản phẩm hoàn chỉnh.

21

21


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 và
-

GND của Arduino Uno.
Nối dây Arduino Uno R3với Module VR3:
ARUDINO
5V

2

VOICE RECOGNITION MODULE V3

3

RX

GND

GND

5V
TX

Bảng 1: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module VR3
-

Nối dây Arduino Uno R3 với Module L298:
ARDUINO

L298

4

IN1

5

IN2

6

IN3

7

IN4

9

ENA

10

ENB

GND

GND

Bảng 2: Ghép nối Arduino Uno R3 với Module L298

22

22


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

23

23


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

24

24


• 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 nói
không nhận được lệnh của người sử dụng. Đèn báo tín hiệu trên module nhận dạng
giọng nói không báo có tín hiệu.

Hình 3.6 Sản phẩm kiểm tra bị lỗi

25

25