Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, cộng đồng người khiếm thị đối mặt với nhiều rào cản trong việc định hướng di chuyển và thực hiện các sinh hoạt thường nhật. Các phương tiện trợ giúp truyền thống như gậy dẫn đường hoặc sự trợ giúp trực tiếp từ người thân còn bộc lộ nhiều hạn chế về phạm vi bao quát không gian. Một số giải pháp công nghệ đã được phát triển trước đó, tiêu biểu như thiết bị kính "Mắt Thần" của Tiến sĩ Nguyễn Bá Hải hay các dạng vòng đeo tay thông minh, chủ yếu áp dụng cơ chế cảnh báo bằng rung phản hồi. Nhằm mở rộng khả năng nhận biết chướng ngại vật theo phương đứng (từ đầu đến chân) và cung cấp thông tin cảnh báo bằng giọng nói tiếng Việt trực quan, đề tài "Đai đeo hỗ trợ người khiếm thị" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án là thiết kế, chế tạo một thiết bị đai đeo hoàn chỉnh tích hợp cảm biến hồng ngoại GP2Y0A710K0F kết hợp cơ cấu động cơ Servo MG90S để quét và phát hiện vật cản trong khoảng cách an toàn tối thiểu 1,2 m (1200 mm), đồng thời nhận diện được địa hình cầu thang (hướng lên và hướng xuống). Hệ thống sử dụng module DFPlayer Mini để phát âm thanh cảnh báo đã thiết lập sẵn qua loa ngoài công suất nhỏ hoặc tai nghe.

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 11 nội dung được xác định cụ thể trong văn bản:

  1. Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu đã thực hiện trước đó.
  2. Tìm hiểu phương pháp xác định góc quét nhằm tính toán khoảng cách từ điểm cố định đến vị trí bất kỳ.
  3. Nghiên cứu đặc tính và thông số kỹ thuật của các linh kiện phần cứng trong hệ thống.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm và các khối chức năng.
  5. Thi công, gia công lắp ráp mô hình phần cứng đai đeo.
  6. Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh cho vi điều khiển.
  7. Thực nghiệm đo đạc và quan sát kết quả hoạt động trên mô hình thực tế.
  8. Điều chỉnh các thông số thuật toán nhằm tối ưu hóa độ chính xác của hệ thống.
  9. Hoàn thiện chương trình điều khiển nhúng.
  10. Nhận xét, đánh giá kết quả hoạt động và hoàn thiện sản phẩm.
  11. Hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhúng hỗ trợ di chuyển cá nhân cho người khiếm thị. Phạm vi nghiên cứu kỹ thuật tập trung vào dải đo khoảng cách hiệu dụng từ 1,0 m đến 5,5 m của cảm biến GP2Y0A710K0F, điều khiển chuyển động quét góc của động cơ servo và xử lý âm thanh cảnh báo. Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 25/09/2017 đến ngày 16/01/2018 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên việc ứng dụng hệ thống nhúng vi điều khiển kết hợp với các mô hình tính toán hình học lượng giác, kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) và giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ (UART).

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Hệ thống sử dụng các phép tính lượng giác để tự động cấu hình vùng quét theo thể trạng của từng người dùng:

  • Thiết lập chiều cao ban đầu: Khi cảm biến đặt ở góc nghiêng cố định $\alpha = 50^\circ$, khoảng cách đo được từ đai đeo xuống mặt đất là $S$. Khoảng cách thẳng đứng từ đai đeo xuống đất ($h_1$) và từ đai đeo lên đỉnh đầu ($h_2$) được xác định theo công thức: $$h_1 = \cos(50^\circ) \times S$$ $$h_2 = \frac{2}{3} \times h_1$$
  • Xác định góc quét giới hạn: Dựa trên khoảng cách an toàn cần cảnh báo $L = 1200\text{ mm}$, hệ thống tính toán góc quét nhỏ nhất ($\text{Góc min}$) và góc quét lớn nhất ($\text{Góc max}$): $$\text{Góc min} = \arctan\left(\frac{1200}{h_1}\right)$$
  • Thuật toán quét tuần tự: Bước dịch chuyển góc giữa hai lần quét liên tiếp được ấn định là $i = 2^\circ$. Nếu hiệu số $A = \text{Góc max} - \text{Góc min}$ là số chẵn, dải góc quét là $[\text{Góc min}; \text{Góc max}]$; nếu $A$ lẻ, dải góc là $[\text{Góc min}; \text{Góc max} - 1]$. Khoảng cách mẫu chuẩn $S_i$ tại góc quét $i$ tương ứng với $L = 1200\text{ mm}$ được tính và lưu vào mảng bộ nhớ: $$S_i = \frac{h_1}{\cos(i)}$$
Thuật toán phân biệt trạng thái vật cản và địa hình:

Phương pháp nghiên cứu và chuẩn truyền thông

  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Được tạo bằng bộ định thời của vi điều khiển ATmega328P để phát xung điều khiển chính xác góc quay trục động cơ Servo MG90S.
  • Chuẩn truyền thông UART: Sử dụng chế độ truyền nhận bất đồng bộ (khung truyền: Start bit, 8 bit dữ liệu, Stop bit) để vi điều khiển truyền tập lệnh nhị phân điều khiển sang module phát âm thanh DFPlayer Mini. Dãy mã lệnh điều khiển phát thư mục và tập tin âm thanh có cấu trúc định dạng chuẩn: 7E FF 06 03 00 01 01 01 01 EF.
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Datasheet kỹ thuật của cảm biến GP2Y0A710K0F (Sharp), vi điều khiển ATmega328P (Arduino Nano), module âm thanh DFPlayer Mini, mạch khuếch đại PAM8403, động cơ Servo MG90S; dữ liệu thực nghiệm kích thước bậc thang thực tế và các mẫu giọng đọc tiếng Việt được chuyển đổi từ công cụ Sound of Text (Google Voice).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phần cứng dạng module hóa, tích hợp trên một khung đai đeo cơ khí nhỏ gọn.

Kiến trúc hệ thống

Sơ đồ khối của thiết bị bao gồm 5 khối chức năng chính:

  1. Khối nguồn: Sử dụng mạch sạc dự phòng 4 cell nâng áp từ 3,7V lên 5V (dòng tải thực tế tối đa 1,5A), tích hợp mạch sạc cổng Micro USB (dòng nạp 1A), mạch bảo vệ tự ngắt khi điện áp cell pin xuống dưới 2,6V. Nguồn năng lượng lưu trữ gồm 4 pin Lithium 18650 mắc song song.
  2. Khối điều khiển: Sử dụng bo mạch Arduino Nano tích hợp vi điều khiển ATmega328P, tiếp nhận dữ liệu analog từ cảm biến, tính toán thuật toán, phát xung PWM điều khiển góc servo và giao tiếp UART với khối âm thanh. Bộ nhớ EEPROM 1 KB tích hợp được dùng để lưu trữ vĩnh viễn các thông số chiều cao $h_1, h_2$ và góc quét của người dùng.
  3. Khối cảm biến: Cảm biến quang hồng ngoại GP2Y0A710K0F hoạt động ở bước sóng $\lambda = 870 \pm 70\text{ nm}$, tích hợp diode phát IRED, mảng cảm biến vị trí PSD và mạch xử lý tín hiệu analog đưa về chân A0 của Arduino Nano với chu kỳ trích xuất tín hiệu $21,5 \pm 3,7\text{ ms}$.
  4. Khối động cơ: Động cơ Servo MG90S có hệ thống bánh răng kim loại, nhận tín hiệu điều khiển PWM từ chân D9 của vi điều khiển để kéo cảm biến quay quét từ trên xuống dưới và ngược lại với tốc độ phản ứng 0,08 s/60° (ở nguồn 6V).
  5. Khối âm thanh: Module DFPlayer Mini tiếp nhận tín hiệu điều khiển qua hai chân D10 (TX), D11 (RX) có gắn thêm 2 điện trở $1\text{ k}\Omega$ để triệt tiêu can nhiễu đường truyền. Tín hiệu âm thanh ngõ ra DAC được đưa qua mạch khuếch đại PAM8403 (công suất ra loa 3W) và kết nối chuyển mạch với cổng giắc tai nghe (Female Audio Jack 3,5 mm) để tự động ngắt loa ngoài khi người dùng cắm tai nghe.
Linh kiện / Khối chức năng Thông số kỹ thuật chính từ văn bản Vai trò trong hệ thống
Arduino Nano ATmega328P (8-bit, 16 MHz), 5V DC, 32 KB Flash, 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM, 8 chân Analog, 14 chân Digital (6 chân PWM) Mạch xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu cảm biến, chạy thuật toán và điều khiển ngoại vi
GP2Y0A710K0F Điện áp 4,5V – 5,5V, dòng 30 mA, dải đo 100 cm – 550 cm, ngõ ra Analog, thời gian đáp ứng $21,5 \pm 3,7\text{ ms}$, $\lambda = 870\text{ nm}$ Đo khoảng cách phía trước, phát hiện vật cản và bậc thang
DFPlayer Mini MP3 Tần số lấy mẫu 8 / 11,1 / 48 kHz (24-bit DAC), hỗ trợ thẻ nhớ TF tối đa 32 GB (FAT16/FAT32), 6 mức âm lượng (0–30) Lưu trữ và phát các đoạn thông báo âm thanh tiếng Việt đã lập trình
PAM8403 Điện áp hoạt động 2,5V – 5,5V, ngõ ra khuếch đại công suất 3W Khuếch đại tín hiệu âm thanh phát ra loa ngoài
Servo MG90S Điện áp 4,8V – 6V, kích thước $23 \times 12,2 \times 29\text{ mm}$, trọng lượng 13,4 g, tốc độ 0,08 s/60° (ở 6V), bánh răng kim loại Kéo cảm biến thay đổi góc quét tuần tự từ trên xuống dưới
Pin Lithium 18650 4 cell mắc song song, điện áp danh định 3,7V, dung lượng 1100 mAh/cell, dòng xả liên tục 2A, kích thước $18 \times 65\text{ mm}$ Cung cấp nguồn năng lượng di động cho toàn bộ hệ thống

Quy trình triển khai phần mềm

Chương trình nhúng được biên dịch trên môi trường Arduino IDE. Quá trình hoạt động gồm 2 nhánh chính:

  • Nhánh cấu hình (Setup Mode): Kích hoạt thông qua nút nhấn SETUP trên thiết bị. Cảm biến định vị ở góc $50^\circ$, đo khoảng cách $S$, tính toán $h_1, h_2$, suy ra $\text{Góc min}, \text{Góc max}$ và bảng khoảng cách chuẩn $S_i$, sau đó ghi dữ liệu cấu hình vào EEPROM.
  • Nhánh vận hành (Main Loop): Động cơ servo điều khiển cảm biến quét góc tăng dần từ $\text{Góc min}$ đến $\text{Góc max}$ với bước $2^\circ$ rồi quay ngược lại. Tại mỗi vị trí góc, tín hiệu analog được đọc qua chân A0 để chuyển đổi khoảng cách thực tế, so sánh với mảng mẫu $S_i$ để phát hiện vật cản ($\le 1200\text{ mm}$), cầu thang hướng lên hoặc cầu thang hướng xuống, từ đó gửi lệnh UART kích hoạt phát tệp âm thanh tương ứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chƣơng 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ khó khăn thực tế của người khiếm thị ở Việt Nam trong việc di chuyển độc lập. Tác giả phân tích các giải pháp trợ giúp trước đó như kính "Mắt Thần" (báo rung) để đề xuất hướng tiếp cận mới: sử dụng đai đeo quét vật cản từ đầu đến chân bằng cảm biến quang và cảnh báo bằng âm thanh tiếng Việt. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh có khả năng phát hiện vật cản tối thiểu $1,2\text{ m}$ và nhận biết cầu thang; liệt kê 11 nội dung nghiên cứu chi tiết; chỉ ra phạm vi giới hạn của cảm biến GP2Y0A710K0F (hoạt động chính xác trong dải $1\text{ m} - 5,5\text{ m}$, dưới $1\text{ m}$ không chính xác) cùng giới hạn về thời lượng pin 18650.

Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết và nguyên lý làm việc của các chuẩn giao tiếp cùng linh kiện sử dụng trong đồ án:

  • Phân tích nguyên lý truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART, cấu trúc khung truyền (Start bit, Data bit, Parity bit, Stop bit) và tốc độ Baud.
  • Xây dựng phương pháp tính lượng giác để xác định thông số cơ thể người dùng ($h_1, h_2$), tính toán góc quét cực trị ($\text{Góc min}, \text{Góc max}$) với khoảng cách an toàn $L = 1200\text{ mm}$, và thiết lập công thức khoảng cách chuẩn $S_i = h_1 / \cos(i)$.
  • Trình bày giải thuật nhận diện vật cản (tần số sai lệch 8 lần), cầu thang lên (tần số 6 lần, $\Delta = 200 - 350\text{ mm}$) và cầu thang xuống (khoảng cách đo lệch $\approx 600\text{ mm}$ ở góc $\le 60^\circ$ với tần số 2-3 lần).
  • Trình bày khái niệm, ứng dụng của phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) trong điều khiển vị trí động cơ.
  • Giới thiệu chi tiết thông số phần cứng: vi điều khiển ATmega328P (Arduino Nano), bộ nhớ EEPROM 1 KB, cảm biến GP2Y0A710K0F (bước sóng $\lambda = 870\text{ nm}$, thời gian đáp ứng $21,5\text{ ms}$, đường đặc tuyến điện áp ngõ ra), module DFPlayer Mini (quy trình tạo file MP3 giọng Google qua trang Sound of Text, chuyển đổi lệnh hex giao tiếp), mạch khuếch đại PAM8403 và động cơ Servo MG90S.

Chƣơng 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 đi sâu vào thiết kế kỹ thuật chi tiết của 5 khối chức năng theo sơ đồ khối hệ thống:

  • Thiết kế khối nguồn: Tính toán dòng tiêu thụ cho từng thành phần (Arduino Nano: $500\text{ mA}$ ở chân 5V và $50\text{ mA}$ ở chân 3,3V; cảm biến GP2Y0A710K0F: $30\text{ mA}$; DFPlayer Mini ở chế độ nghỉ: $20\text{ mA}$); lựa chọn mạch sạc dự phòng Xiaomi 4 cell tích hợp tăng áp lên 5V (tối đa 1,5A) và mạch bảo vệ cắt xả ở 2,6V kết hợp 4 pin Lithium 18650 mắc song song ($1100\text{ mAh}$/cell).
  • Thiết kế khối điều khiển: Lựa chọn Arduino Nano nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn hơn gần 2 lần so với Arduino Uno, chi phí thấp và có sẵn 8 chân Analog.
  • Thiết kế khối cảm biến: Kết nối chân ngõ ra analog $V_0$ của GP2Y0A710K0F vào chân A0 của Arduino Nano.
  • Thiết kế khối âm thanh: Kết nối UART giữa DFPlayer Mini và chân D10, D11 của vi điều khiển qua trở $1\text{ k}\Omega$; kết hợp mạch PAM8403 ra loa 3W và mạch giắc chuyển đổi tai nghe female 3,5 mm tự ngắt loa khi cắm giắc.
  • Thiết kế khối động cơ: Nối chân điều khiển PWM của Servo MG90S vào chân D9 của vi điều khiển.
  • Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh và cấu hình lưu trữ thông số người dùng trong EEPROM.

Chƣơng 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế của đồ án:

  • Thiết kế bản vẽ mạch in PCB và bố trí linh kiện 3D cho hệ thống điều khiển.
  • Thi công, hàn gắn linh kiện thực tế và đấu nối cổng cấp nguồn Mini USB.
  • Gia công đóng gói hộp mô hình đai đeo cơ khí (kích thước chi tiết các mặt bên trái, phải, dưới và bố trí cụm servo - cảm biến phía trước).
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho toàn bộ hệ thống phần mềm trên Arduino IDE, bao gồm: lưu đồ khối xử lý chính, chương trình con hiệu chuẩn (setup đai đeo), chương trình con đo khoảng cách thực tế (mm), và chương trình con điều khiển servo quét tuần tự góc $2^\circ$.
  • Soạn thảo tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình thao tác chuẩn thông qua công tắc nguồn cùng nút nhấn hiệu chuẩn (SETUP).

Chƣơng 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 trình bày sản phẩm phần cứng đai đeo sau khi chế tạo hoàn thiện, tiến hành thực nghiệm đo đạc và đánh giá mức độ đáp ứng:

  • Đánh giá khả năng hoạt động đồng bộ giữa cơ cấu quét của động cơ servo và tốc độ đọc dữ liệu từ cảm biến hồng ngoại.
  • Kiểm tra tính ổn định của mạch nguồn sạc pin dự phòng khi cung cấp dòng liên tục cho toàn bộ hệ thống.
  • Đánh giá độ chính xác trong việc phát hiện vật cản ở cự ly an toàn $1,2\text{ m}$ và khả năng phân biệt hình học bậc thang theo các ngưỡng sai số $\Delta$ đã cài đặt.

Chƣơng 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, chỉ ra những điểm còn tồn tại của hệ thống và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cấp thiết bị trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình đai đeo hỗ trợ người khiếm thị hoàn chỉnh về cả phần cứng, cơ khí vỏ hộp và phần mềm điều khiển nhúng.
  • Hệ thống thực hiện quét tự động theo phương đứng nhờ Servo MG90S với bước nhảy góc $2^\circ$, xác định được vật cản ở cự ly an toàn tối thiểu $1,2\text{ m}$ ($1200\text{ mm}$) dựa trên chu kỳ lấy mẫu $21,5 \pm 3,7\text{ ms}$ của cảm biến GP2Y0A710K0F.
  • Nhận dạng được địa hình cầu thang hướng lên (với kích thước bậc thực tế $300 \times 150\text{ mm}$ thông qua sai số khoảng cách $\Delta = 200 - 350\text{ mm}$) và cầu thang hướng xuống (khoảng cách đo lệch $\approx 600\text{ mm}$ ở góc quét $\le 60^\circ$).
  • Tích hợp thành công bộ nhớ EEPROM 1 KB trên Arduino Nano để lưu giữ thông số chiều cao người dùng, loại bỏ thao tác cấu hình lặp lại khi khởi động lại thiết bị.
  • Cung cấp hai cơ chế phát âm thanh cảnh báo bằng giọng nói tiếng Việt: loa ngoài 3W thông qua mạch khuếch đại PAM8403 và cổng tai nghe 3,5 mm tự ngắt loa.
Tiêu chí kỹ thuật Kết quả đạt được theo văn bản
Phạm vi cảnh báo an toàn ($L$) Tối thiểu $1,2\text{ m}$ ($1200\text{ mm}$)
Dải đo của cảm biến GP2Y0A710K0F $1,0\text{ m} - 5,5\text{ m}$ (ngõ ra Analog $V_0$)
Thời gian trích xuất mẫu cảm biến $21,5 \pm 3,7\text{ ms}$
Bước quét góc của động cơ Servo $i = 2^\circ$ (dải quét $[\text{Góc min}; \text{Góc max}]$)
Nhận diện cầu thang hướng lên Dải sai số khoảng cách $\Delta = 200\text{ mm} - 350\text{ mm}$, tần số 6 lần
Nhận diện cầu thang hướng xuống Khoảng cách đo lệch $\approx 600\text{ mm}$ tại góc $\le 60^\circ$, tần số 2–3 lần
Công suất âm thanh cảnh báo Loa ngoài 3W (qua PAM8403) và cổng tai nghe 3,5 mm
Nguồn cấp hệ thống 5V DC (mạch sạc tăng áp Xiaomi, bảo vệ ngắt ở 2,6V, 4 cell pin 18650)

Đóng góp của đề tài

  • Khác với các thiết bị cảnh báo dạng rung phản hồi như kính "Mắt Thần" hay vòng đeo tay, đề tài cung cấp thông tin dẫn đường chi tiết bằng âm thanh giọng nói tiếng Việt trực tiếp, giúp người khiếm thị nắm bắt chính xác loại chướng ngại vật trước mặt.
  • Đề xuất giải thuật tự động tính toán góc quét và bảng khoảng cách mẫu theo chiều cao thực tế của người dùng thông qua phép đo lượng giác ban đầu ở góc cố định $50^\circ$, giúp đai đeo có tính thích nghi cá nhân hóa cao mà không cần lập trình lại vi điều khiển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Văn bản đồ án nêu rõ các hạn chế kỹ thuật hiện tại của hệ thống:

  • Cảm biến GP2Y0A710K0F có vùng mù dưới $1\text{ m}$ (chỉ hoạt động chính xác trong khoảng từ $1\text{ m}$ đến $5,5\text{ m}$; ở khoảng cách dưới $1\text{ m}$, cảm biến hoạt động không chính xác và trả về giá trị tối thiểu khoảng $1002\text{ mm}$).
  • Cảm biến hồng ngoại nhạy cảm với ánh sáng môi trường, có thể bị đo sai khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời gay gắt hoặc nguồn sáng từ đèn chứa khí trơ (đèn hóa học).
  • Thời gian hoạt động liên tục của thiết bị còn ngắn do sử dụng loại pin Lithium 18650 có dung lượng thấp ($1100\text{ mAh}$/cell).
  • Đồ án sử dụng bo mạch phát triển Arduino Nano có sẵn nhằm tiết kiệm thời gian thi công thay vì thiết kế một bo mạch vi điều khiển chuyên dụng tối ưu diện tích.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp nguồn pin lưu trữ có dung lượng lớn hơn để kéo dài thời gian sử dụng thực tế.
  • Tích hợp thêm các loại cảm biến khác (như cảm biến siêu âm) để bù đắp điểm mù khoảng cách dưới $1\text{ m}$ của cảm biến hồng ngoại.
  • Thiết kế bo mạch vi điều khiển tích hợp nguyên khối để giảm kích thước và trọng lượng của mô hình đai đeo.
  • Nghiên cứu tích hợp thêm module định vị toàn cầu GPS và truyền thông di động GSM để mở rộng tính năng hỗ trợ tìm đường và gửi cảnh báo khẩn cấp.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên, kỹ sư và học viên thuộc các ngành:

  • Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông & Kỹ thuật Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu thiết kế hệ thống nhúng với vi điều khiển ATmega328P, kỹ thuật điều khiển động cơ servo bằng xung PWM chính xác và thiết kế mạch in PCB giao tiếp nhiều ngoại vi.
  • Kỹ thuật Y sinh & Công nghệ Thiết bị Hỗ trợ: Cung cấp mô hình tham khảo về giải pháp công nghệ trợ giúp người khuyết tật, cấu trúc cơ khí đai đeo mang trên người và phương thức giao tiếp thông tin người - máy qua âm thanh.
  • Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Hữu ích trong việc nghiên cứu thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến analog, giải thuật nhận diện mẫu hình học không gian (phân biệt vật cản và bậc thang) và kỹ thuật cấu hình lưu trữ tham số vào bộ nhớ EEPROM không bay hơi.

Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật cao nhất trong báo cáo gồm: phương pháp tính toán lượng giác quét góc tự thích ứng (Chương 2), sơ đồ nguyên lý ghép nối mạch âm thanh DFPlayer Mini - PAM8403 - Jack tai nghe chống nhiễu (Chương 3), và hệ thống lưu đồ giải thuật phân nhánh quét tuần tự trên Arduino IDE (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán của đai đeo xác định chiều cao người dùng và góc quét của servo như thế nào?

Khi người dùng bấm nút SETUP, cảm biến được đưa về góc cố định $\alpha = 50^\circ$ để đo khoảng cách $S$ xuống mặt đất. Hệ thống tính chiều cao từ đai đeo xuống đất $h_1 = \cos(50^\circ) \times S$ và chiều cao từ đai đeo lên đỉnh đầu $h_2 = \frac{2}{3} h_1$. Từ các thông số này và khoảng cách an toàn định mức $L = 1200\text{ mm}$, vi điều khiển tính góc quét cận dưới $\text{Góc min} = \arctan(1200 / h_1)$ cùng góc quét cận trên $\text{Góc max}$. Toàn bộ các giá trị cấu hình này được ghi vào bộ nhớ EEPROM 1 KB của Arduino Nano để sử dụng cho các lần quét tự động.

2. Hệ thống phân biệt vật cản thông thường và bậc cầu thang dựa trên những đặc điểm tín hiệu nào?

  • Vật cản: Khi quét từ góc thấp lên góc cao, khoảng cách đo thực tế giảm dần và nhỏ hơn khoảng cách mẫu chuẩn $S_i$; nếu trạng thái này lặp lại với tần số khoảng 8 lần trong một chu kỳ quét thì kết luận có vật cản phía trước trong phạm vi $1,2\text{ m}$.
  • Cầu thang hướng lên: Khi quét từ thấp lên cao, khoảng cách đo tăng dần; xuất hiện điểm bất thường liên tiếp khoảng 6 lần và hiệu khoảng cách giữa điểm bất thường cuối trừ điểm đầu ($\Delta$) nằm trong dải $200\text{ mm} - 350\text{ mm}$ (phù hợp kích thước bậc thang thực tế $300 \times 150\text{ mm}$).
  • Cầu thang hướng xuống: Tại góc quét thấp ($\le 60^\circ$), khoảng cách đo lớn bất thường ($\approx 600\text{ mm}$ so với mẫu chuẩn) lặp lại từ 2 đến 3 lần trong chu kỳ.

3. Mạch âm thanh được thiết kế ra sao để hỗ trợ cả loa ngoài lẫn tai nghe và chống nhiễu tín hiệu?

Mạch sử dụng module DFPlayer Mini kết nối với chân D10, D11 của Arduino Nano thông qua 2 điện trở $1\text{ k}\Omega$ trên các đường truyền RX, TX nhằm giảm can nhiễu UART. Tín hiệu âm thanh ngõ ra DAC_R và DAC_L được đấu nối với các chân tiếp điểm của giắc cắm Female Audio 3,5 mm trước khi đi vào ngõ vào R_in, L_in của mạch khuếch đại PAM8403 (công suất loa 3W). Cơ chế chuyển mạch cơ khí trên giắc cắm đảm bảo khi cắm tai nghe thì tín hiệu sang mạch khuếch đại loa ngoài tự động ngắt hoàn toàn và ngược lại.

4. Cảm biến GP2Y0A710K0F có những đặc tính kỹ thuật gì và tại sao cần lưu ý về môi trường hoạt động?

Cảm biến GP2Y0A710K0F là cảm biến quang hồng ngoại hoạt động ở bước sóng $\lambda = 870 \pm 70\text{ nm}$, dải đo từ $100\text{ cm}$ đến $550\text{ cm}$, ngõ ra tín hiệu analog với thời gian đáp ứng $21,5 \pm 3,7\text{ ms}$, điện áp hoạt động 4,5V – 5,5V và dòng tiêu thụ $30\text{ mA}$. Do hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát chùm tia hồng ngoại và định vị điểm rơi trên mảng PSD, cảm biến hoạt động không chính xác ở cự ly dưới $1\text{ m}$ (trả về giá trị cố định $1002\text{ mm}$) và có thể bị sai lệch nếu bị chiếu trực tiếp bởi ánh sáng mặt trời mạnh hoặc đèn chiếu sáng chứa khí trơ.

5. Khối nguồn của đai đeo được thiết kế với các cơ chế bảo vệ nào cho pin Lithium 18650?

Khối nguồn sử dụng mạch quản lý pin 4 cell tích hợp ba tính năng: mạch sạc cổng Micro USB với dòng nạp $1\text{ A}$, mạch tăng áp DC-DC từ $3,7\text{ V}$ lên $5\text{ V}$ với dòng tải tối đa thực tế $1,5\text{ A}$, và mạch bảo vệ pin tự động ngắt kết nối tải khi điện áp cell pin sụt xuống dưới $2,6\text{ V}$ nhằm tránh hiện tượng xả cạn gây hư hỏng cell pin Lithium 18650.

Kết luận

Đồ án "Đai đeo hỗ trợ người khiếm thị" đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh một hệ thống nhúng trợ giúp di chuyển cá nhân dựa trên vi điều khiển Arduino Nano, cảm biến quang GP2Y0A710K0F, động cơ Servo MG90S và module phát âm thanh DFPlayer Mini. Hệ thống đã giải quyết thành công bài toán quét không gian theo phương đứng, tự động hiệu chuẩn dải góc quét theo thể trạng người dùng và nhận dạng chính xác vật cản trong cự ly an toàn $1,2\text{ m}$ cùng địa hình cầu thang lên/xuống. Dù còn một số hạn chế về dải đo dưới $1\text{ m}$ của cảm biến quang và dung lượng pin lưu trữ, kết quả nghiên cứu đã cung cấp một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng thực tiễn cao và mở ra hướng phát triển tích hợp đa cảm biến cho các thiết bị hỗ trợ người khiếm thị.