Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế xe lăn tự định vị bằng bản đồ 2D - ĐH SPKT TPHCM

Đồ án chi tiết về thiết kế và thi công xe lăn tự định vị trong nhà bằng bản đồ 2D, sử dụng Arduino để điều khiển và có chức năng tránh vật cản.

• Tác giả: Lê Trung Nghĩa
• Người hướng dẫn: ThS. Ngô Bá Việt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công xe lăn trong nhà tự định vị và đến đích dựa vào bản đồ 2D
• Loại tài liệu: Đề tài tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Xe Lăn Tự Định Vị

Xe lăn tự định vị trong nhà là một giải pháp công nghệ tiên tiến kết hợp hệ thống định vị tự động và lập trình điều khiển thông minh. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, nhằm thiết kế và thi công một mô hình xe lăn tự động có khả năng di chuyển và tìm đường tới đích dựa vào bản đồ 2D được lập trình sẵn. Hệ thống sử dụng kit Arduino DUE làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với các cảm biến siêu âm HC-SR05 để phát hiện chướng ngại vật và tránh va chạm. Công nghệ này có ứng dụng thực tiễn trong logistics, y tế, và các lĩnh vực tự động hóa. Đồ án không chỉ giới hạn ở lý thuyết mà còn thi công và kiểm thử thực tế, với giao diện cảm ứng LCD Nextion cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hoạt động của xe lăn một cách dễ dàng và trực quan.

1.1. Mục Tiêu Và Ý Nghĩa Của Đồ Án

Mục tiêu chính là thiết kế xe lăn tự định vị có thể hoạt động trong môi trường nội thất. Đồ án kết hợp các kỹ năng về điện tử công nghiệp, lập trình vi điều khiển, và xử lý tín hiệu cảm biến. Ý nghĩa của dự án nằm ở việc chứng minh khả năng áp dụng công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo cơ bản vào các thiết bị tự động hóa thực tế.

1.2. Đối Tượng Và Phạm Vi Ứng Dụng

Xe lăn tự định vị có thể ứng dụng trong hệ thống vận chuyển tự động, các bệnh viện và nhà dưỡng lão, hoặc các nhà xưởng tự động. Phạm vi hoạt động được giới hạn trong không gian nội thất đã được lập bản đồ, với khả năng tránh cất cản và điều chỉnh quỹ đạo khi gặp vật cản trong quá trình di chuyển.

II. Phương Pháp Định Vị Và Điều Khiển Xe Lăn

Hệ thống định vị và điều khiển xe lăn sử dụng phương pháp lập bản đồ 2D kết hợp với thuật toán định vị tự động. Khi xe lăn được khởi động, nó sẽ tải bản đồ môi trường từ bộ nhớ và xác định vị trí hiện tại của mình dựa vào các thông số encoder ghi lại từ bánh xe. Cảm biến siêu âm HC-SR05 được sử dụng để phát hiện chướng ngại vật xung quanh xe lăn và điều chỉnh quỹ đạo để tránh va chạm. Hệ thống sử dụng module điều khiển động cơ BTS7960 để điều khiển tốc độ và hướng di chuyển của hai bánh xe độc lập. Arduino DUE xử lý tất cả thông tin từ cảm biến, tính toán con đường tối ưu, và gửi lệnh điều khiển đến các động cơ DC. Giao diện LCD cảm ứng Nextion cho phép người dùng xem trực tiếp quỹ đạo di chuyển và theo dõi trạng thái hoạt động của xe lăn.

2.1. Phương Pháp Vẽ Quỹ Đạo Dựa Trên Bản Đồ 2D

Quỹ đạo di chuyển của xe lăn được lập trình dựa trên bản đồ 2D được số hóa trước. Hệ thống tính toán khoảng cách Euclidean giữa vị trí hiện tại và điểm đích, sau đó xác định hướng di chuyển tối ưu. Khi gặp vật cản, thuật toán tránh cất cản sẽ kích hoạt để điều chỉnh quỹ đạo mà vẫn hướng tới đích cuối cùng.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Tránh Chướng Ngại Vật

Cảm biến siêu âm HC-SR05 được lắp đặt phía trước xe lăn để phát hiện vật cản trong bán kính 2-400cm. Khi phát hiện vật cản ở khoảng cách nhỏ hơn ngưỡng an toàn, xe lăn sẽ dừng lại, lùi lại hoặc quay sang hướng khác. Hệ thống này cho phép xe lăn hoạt động an toàn trong các môi trường động với vật cản bất ngờ.

III. Thành Phần Phần Cứng Và Thiết Kế Hệ Thống

Xe lăn tự định vị được xây dựng dựa trên các module phần cứng chuyên biệt. Arduino DUE đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm với khả năng tính toán mạnh mẽ và hỗ trợ lập trình C/C++. Module DC-DC XL4005 được sử dụng để chuyển đổi và ổn định điện áp từ pin dự phòng (18650) đủ 5V để cấp điện cho các module. Module điều khiển động cơ BTS7960 43A cho phép điều khiển hai động cơ DC độc lập với tốc độ và hướng khác nhau, tạo nên khả năng quay linh hoạt của xe lăn. Cảm biến siêu âm HC-SR05 cung cấp dữ liệu khoảng cách cho hệ thống xử lý tránh cất cản. Giao diện LCD cảm ứng Nextion cho phép hiển thị thông tin trực tiếp và nhận lệnh từ người dùng. Sơ đồ nguyên lý nối dây được thiết kế cẩn thận để đảm bảo giao tiếp chuẩn UART giữa các module và cấp đủ điện năng cho toàn bộ hệ thống.

3.1. Kit Arduino DUE Và Các Module Điều Khiển

Kit Arduino DUE là bộ vi điều khiển dựa trên kiến trúc ARM Cortex-M3 với tốc độ xử lý 84MHz, đủ để xử lý nhiều tác vụ song song như đọc cảm biến, tính toán quỹ đạo, và điều khiển động cơ. Module BTS7960 cung cấp dòng điều khiển lên 43A, đủ mạnh cho hai động cơ DC độc lập. Kết hợp với encoder gắn trên trục bánh xe, hệ thống có thể theo dõi vị trí chính xác của xe lăn.

3.2. Cảm Biến Siêu Âm Và Hệ Thống Phát Hiện Vật Cản

HC-SR05 hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ sóng âm để đo khoảng cách đến vật cản. Sensor này được lắp đặt ở phía trước xe lăn để quét vùng di chuyển phía trước. Dữ liệu từ cảm biến được Arduino DUE xử lý theo thời gian thực, cho phép xe lăn phản ứng nhanh với các chướng ngại vật bất ngờ.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá Hiệu Năng

Sau khi hoàn thành thi công, đồ án đã được kiểm thử trong các tình huống thực tế khác nhau. Kết quả thử nghiệm cho thấy xe lăn có thể di chuyển theo bản đồ 2D được lập trình sẵn với độ chính xác cao. Trong trường hợp không có vật cản, xe lăn chạy theo quỹ đạo dự kiến mà không lệch hướng đáng kể. Khi phát hiện vật cản, hệ thống tránh cất cản thành công và tiếp tục hướng tới điểm đích mà không cần tạo vòng lặp vô hạn. Giao diện LCD cảm ứng hiển thị thông tin chính xác về vị trí hiện tại, tốc độ, và trạng thái hoạt động. Tuy nhiên, độ chính xác định vị phụ thuộc vào chất lượng encoder và điều kiện bề mặt sàn. Đồ án chứng minh rằng công nghệ xe tự hành có thể được ứng dụng thành công trong các môi trường nội thất được kiểm soát tốt.

4.1. Kết Quả Điều Khiển Trong Môi Trường Không Có Vật Cản

Thử nghiệm ban đầu cho thấy xe lăn chạy thẳng với tốc độ ổn định khi không có vật cản phía trước. Quỹ đạo được vẽ trên giao diện LCD đạt độ chính xác 95% so với bản đồ lập trình. Việc căn chỉnh thông số bánh xe (đường kính, chiều dài cơ sở) giúp giảm lỗi tích lũy khi xe lăn di chuyển trên khoảng cách dài.

4.2. Đánh Giá Khả Năng Tránh Cất Cản Và Tiếp Tục Nhiệm Vụ

Kết quả kiểm thử với vật cản cho thấy xe lăn phản ứng trong vòng 50-100ms khi HC-SR05 phát hiện chướng ngại vật. Hệ thống điều chỉnh quỹ đạo mà không phải quay lại hoặc tìm đường mới hoàn toàn. Điều này chứng minh thuật toán tránh cất cản hoạt động hiệu quả và xe lăn có thể hoạt động độc lập trong các môi trường động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này giới thiệu các phương pháp điều khiển xe lăn đến đích, Phương pháp vẽ quỹ đạo đường đi xe lăn dựa vào thông tin đọc được từ các cảm biến, giới thiệu về kit Arduino, giới thiệu về cảm biến chuyển động Encoder, giới thiệu Module đổi nguồn hạ áp Buck DC-DC, giới thiệu về Module điều khiển động cơ, giới thiệu về động cơ DC, giới thiều về màn hình LCD cảm ứng Nextion, giới thiệu về cảm biển siêu âm HC-SR05. Chương 3: Thiết kế và tính toán  Phân tích, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ phần cứng.  Thiết kế giao diện trên LCD cảm ứng Nextion và gửi dữ liệu qua Arduino.

 Thiết kế chương trình nhận dữ liệu và điều khiển xe lăn trên Arduino. Chương 4: Thi công hệ thống  Xây dựng chương trình hoàn chỉnh, các thuật toán, các lưu đồ, các chương trình được sử dụng.  Lắp ráp và chạy chương trình. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, quy trình thao tác.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Nêu các kết quả đạt được khi thực hiện chương trình, phân tích, nhận xét, đánh giá kết quả thực thi được. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Tóm tắt những kết quả đạt được, những hạn chế và nêu lên các hướng phát triển trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐẾN ĐÍCH Để điều khiển xe lăn di chuyển được đến đích, cần phải biết được tọa độ vị trí hiện tại của xe và đích đến cùng nằm trong một hê quy chiếu, từ đó khai thác sự sai biệt giữa 2 điểm tọa độ để thiết lập phương pháp dẫn đường theo dõi, điều khiển được xe di chuyển đến đích.

Có những phương pháp dẫn đường phổ biến, đó là đặt cuộn dây cảm ứng hoặc nam châm xuống sàn nhà, kẻ vạch dò line, đánh dấu bằng đèn hiệu,mã vạch nhưng bị hạn chế khả năng di chuyển vì xe bị giới hạn trong phạm vi ảnh hưởng của thiết bị đánh dấu bên ngoài. Tuy nhiên vẫn có phương pháp giải quyết những giới hạn đó. Dẫn đường bằng dự tính (dead reckoning), dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, thời gian , tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự tính vị trí của phương tiện. Độ chính xác của phương pháp này tùy thuộc nhiều vào ảnh hưởng của ngoại cảnh như độ trơn trượt của mặt phẳng di chuyển, địa hình gồ ghề[4].

Dẫn đường bằng sóng điện vô tuyến (radio navigation) sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến từ một trạm phát cố định đã biết vị trí tọa độ, tại trạm thu sóng, máy sẽ tính toán thời gian , phương vị, khoảng cách đến trạm phát cho ra kết quả là vị trí của trạm thu sóng, chính là nơi cần định vị. Phương pháp này chính là tiền thân của hệ thống GPS[5]. Dẫn đường quán tính (inertial navigation) dựa vào vị trí,vận tốc đã biết của phương tiện, từ đó, đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tìm ra vị trí của phương tiện. Đây là phương pháp duy nhất không dựa vào thiết bị đánh dấu bên ngoài.

Phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của sóng điện vô tuyến, không sử dụng được trong những khu vực mất sóng thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc phục được. Tuy nhiên, sau một thời gian, do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, dẫn đường quán tính sẽ xuất hiện sai lệch trong việc xác định vị trí, nếu không có sự điều chỉnh[6].2 PHƯƠNG PHÁP VẼ QUỸ ĐẠO ĐƯỜNG ĐI CỦA XE LĂN Hiện nay để vẽ đường đi của xe lăn có rât nhiều phương pháp như phương pháp dead-reckoning, phướng pháp đường cột mốc chủ động, định vị sử dụng bản đồ. Phương pháp đường cột mốc chủ động là sử dụng phép đo 3 cạnh tam giác xác BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT định vị trí vật thể dựa trên khoảng cách đo được tới cột mốc biết trước.

Trong hệ thống dẫn đường sử dụng phép đo này thông thường có ít nhất là 3 trạm phát đặt tại các vị trí biết trước ngoài môi trường và 1 trạm nhận đặt trên rô bốt. Hoặc ngược lại có 1 trạm phát đặt trên rô bốt và các trạm nhận đặt ngoài môi trường. Sử dụng thông tin về thời gian truyền của chùm tia hệ thống sẽ tính toán khoảng cách giữa các trạm phát cố định và trạm nhận đặt trên robot. GPS (Global Positionings Systems) - hệ thống định vị toàn cầu hoặc hệ thống cột mốc sử dụng cảm biến siêu âm là các ví dụ khi sử dụng phép đo 3 cạnh tam giác.1: Phương pháp đường cột mốc chủ động.

Phương pháp định vị sử dụng bản đồ sử dụng các cảm biến được trang bị để tạo ra một bản đồ cục bộ môi trường xung quanh. Bản đồ này sau đó so sánh với bản đồ toàn cục lưu trữ sẵn trong bộ nhớ. Nếu tương ứng, rô bốt sẽ tính toán vị trí và góc hướng thực tế của nó trong môi trường[7].2 : Phương pháp sử dụng bản đồ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp dead-reckoning dựa trên phương trình đơn giản và thực hiện được một cách dễ dàng, sử dụng dữ liệu từ bộ mã hoá số vòng quay bánh xe. Dead- reckoning dựa trên nguyên tắc là chuyển đổi số vòng quay bánh xe thành độ dịch tuyến tính tương ứng của rô bốt. Nguyên tắc này chỉ đúng với giá trị giới hạn. Có một vài lý do dẫn đến sự không chính xác trong việc chuyển từ số gia vòng quay bánh xe sang chuyển động tuyến tính.

Tất cả các nguồn sai số này được chia thành 2 nhóm: sai số hệ thống và sai số không hệ thống. Để giảm sai số dead-reckoning cần phải tăng độ chính xác động học cũng như kích thước tới hạn[8]. Tất cả phương pháp trên dùng phần mềm Matlab và Microsoft Excel là công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc theo dõi và ghi lại dữ liệu chuyển động của xe. Cụ thể phần mềm Matlab có khả năng đọc và lưu các giá trị mà Arduino in ra qua cổng Serial theo thời gian, và lưu lại thành từng mảng dưới dạng file.

Giúp cho việc theo dõi, sửa chữa, đánh giá được dễ dàng nhanh chóng hơn.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Giới thiệu về kit Arduino DUE Đề tài dùng kit Arduino DUE được sử dụng nhân ARM 32bit cortexM3 cho số ngoại vi, các chuẩn giao tiếp và số chân nhiều nhất, bộ nhớ rất lớn (512KB), nếu có những ứng dụng cần mở rộng thêm nhiều chân, nhiều ngoại vi thì đây là một sự lựa chọn đáng giá, để sử dụng trình biên dịch có thể nạp chương trình được cho board Arduino Due cần sử dụng trình biên dịch Arduino IDE 1.5 trở lên hoặc bản 1. Vì board Arduino Due chạy nhân ARM Atmel SA3MX8E, nên bị hạn chế điện áp vào của các chân I/O là 3. Nhưng các Shield Arduino đa phần là sử dụng I/O là 5V nên việc kết nối với Arduino Due phức tạp hơn một chút. Đa số các Shield thiết kế chuẩn theo Arduino Uno nên phải cẩn thận khi sử dụng shield với Arduino Due.3 : Board Arduino DUE.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 : Sơ đồ và chức năng chân Arduino DUE. Một vài thông số của Arduino DUE:  Microcontroller AT91SAM3X8E.  Analog Input Pins 12.

 Analog Output Pins 2 (DAC).  Total DC Output Current on all I/O lines 130 mA.  DC Current for 3.  DC Current for 5V Pin 800 mA.

 Flash Memory 512 KB all available for the user applications.  Clock Speed 84 MHz. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giao tiếp UART trong Arduino Due: Khái niệm giao tiếp UART: UART là chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) dùng để truyền nhận dữ liệu giữa 2 hệ thống và không có phân biết chủ- tớ, giữa các hệ thống là ngang cấp nhau.

Chuẩn UART gồm một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu. Để truyền dữ liệu giữa 2 hệ thống với nhau thì cả hai hệ thống phải tự tạo xung clock (CK) có cùng tần số.5 : Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART. Nguyên lý hoạt động: Khi ở trạng thái chờ, mức điện áp của thiết bị truyền ở mức 1 (high). Khi bắt đầu truyền dữ liệu, START bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho thiết bị nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra.

Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7. Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để bộ nhận kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền. Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị nhận rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền (Frame) nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu.6 : Nguyên lý hoạt động chuẩn UART.

Giao tiếp UART trong Arduino DUE: Trên Arduino DUE có hổ trợ một chuẩn giao tiếp UART đó là 4 chân D0 (RX) dùng để nhận dữ liệu chuẩn TTL và D1(TX) dùng để truyền dữ liệu chuẩn TTL.2 Encoder Encoder là loại cảm biến vị trí, đưa ra thông tin về góc quay dưới dạng số mà không cần bộ ADC. Encoder có cấu tạo gồm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục động cơ.  Một đèn led làm nguồn phát sáng và 1 mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng.

 Mạch khuếch đại tín hiệu.7 : Cấu tạo của Encoder. Trên đĩa có các lỗ người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay chỗ có đèn led sẽ chiếu xuyên qua còn phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một mắt thu, cứ mỗi lần mắt thu nhận đc tín hiệu từ đèn led thì encoder trả về một xung.8 : Nguyên lý hoạt động Encoder. Encoder được chia làm 2 loại là encoder tuyệt đối và encoder tương đối.

Encoder tuyệt đối có tín hiệu trả về từ encoder cho biết chính xác vị trí của encoder mà người dùng không cần sử lí gì thêm. Encoder tương đối chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ nên thường có thêm một lỗ định vị.