Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo số liệu thống kê từ Tổng cục Thống kê và UNICEF công bố ngày 11/01/2019, Việt Nam có hơn 7% dân số từ 2 tuổi trở lên (tương đương khoảng 6,2 triệu người) là người khuyết tật. Ngoài ra, có 13% dân số (gần 12 triệu người) sống chung trong các hộ gia đình có người khuyết tật. Các dạng khuyết tật được phân loại thành 6 nhóm chính: khuyết tật vận động (tay, chân); khuyết tật nghe, nói; khuyết tật nhìn; khuyết tật thần kinh, tâm thần; khuyết tật trí tuệ; và các dạng khuyết tật khác. Trong bối cảnh cơ sở hạ tầng giao thông và công cộng dành cho người khuyết tật tại Việt Nam còn hạn chế, xe lăn là phương tiện thiết yếu giúp người suy giảm chức năng vận động tự chủ trong sinh hoạt và di chuyển.

Tuy nhiên, đối với những người khuyết tật nặng bị liệt chi trên hoặc suy giảm khả năng điều khiển tay, các loại xe lăn điện sử dụng cần gạt tay (joystick) truyền thống không đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Một số công trình nghiên cứu trước đây (như nghiên cứu "Gyro-Accelerometer based Control of an Intelligent Wheelchair" của nhóm tác giả Rafia Hassani, Mohamed Boumehraz, Maroua Hamzi, Zineb Habba công bố năm 2018, hoặc các đề tài của sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng, Trường Đại học Giao thông Vận tải) đã tiếp cận hướng điều khiển bằng cử động đầu, nhưng còn tồn tại các hạn chế: kết cấu điều khiển cồng kềnh, tính thẩm mỹ chưa cao, sử dụng quá nhiều cảm biến siêu âm gây nhiễu và vướng víu.

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc" được thực hiện bởi sinh viên Võ Ngọc Tiến và Lâm Minh Cảnh (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, chuyên ngành Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Ngô Bá Việt (tháng 12/2019).

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế bộ thu nhận và xử lý tín hiệu cử chỉ đầu dựa trên vi điều khiển Arduino Pro Mini và module cảm biến gia tốc/con quay hồi chuyển MPU-6050.
  2. Thiết kế khối điều khiển động cơ đặt trên khung xe sử dụng vi điều khiển Arduino Nano, giao tiếp không dây với bộ phát qua chuẩn Bluetooth.
  3. Tích hợp hệ thống cảm biến khoảng cách laser Time-of-Flight (ToF) VL53L0X ở phía trước và phía sau xe kết hợp động cơ RC Servo SG90 để phát hiện vật cản và tự động dừng xe, đảm bảo an toàn cho người dùng.

Nhiệm vụ nghiên cứu được chia thành 6 nội dung cụ thể:

  1. Nội dung 1: Tìm hiểu cách thức hoạt động của các module phần cứng liên quan.
  2. Nội dung 2: Nghiên cứu thuật toán xử lý tín hiệu từ cảm biến gia tốc MPU-6050.
  3. Nội dung 3: Xây dựng giải pháp truyền tín hiệu giao tiếp không dây giữa bộ cảm biến MPU-6050 và bộ điều khiển động cơ.
  4. Nội dung 4: Thiết kế giải pháp thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến khoảng cách laser VL53L0X để phát hiện vật cản.
  5. Nội dung 5: Hoàn thiện hệ thống điều khiển, thi công lắp ráp và tiến hành chạy thử nghiệm thực tế trên xe lăn điện, bổ sung các giải pháp an toàn.
  6. Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực hiện mô hình.

Phạm vi và giới hạn của đề tài:

  • Bộ phát tín hiệu đeo đầu sử dụng nguồn pin sạc 5V DC.
  • Bộ điều khiển động cơ sử dụng nguồn ắc quy 24V DC cấp cho 2 động cơ điện DC 24V (dòng tải định mức 15A).
  • Khoảng cách truyền thông không dây giữa module Bluetooth HC-05 (Master) và HC-06 (Slave) giới hạn trong phạm vi 10 mét.
  • Cảm biến laser VL53L0X có khoảng cách đo tối thiểu 2 cm. Khoảng cách đo trong nhà đạt từ 80 cm đến trên 200 cm (tùy màu nền); khoảng cách đo ngoài trời đạt từ 50 cm đến 80 cm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điện tử, vi cơ điện tử, truyền thông số và hệ thống nhúng:

  • Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems): Công nghệ chế tạo tích hợp các cấu trúc cơ học và mạch điện tử trên chip nền silic vi mô, mang lại độ bền cơ học cao (độ bền kéo silic đạt $6 \times 10^9\text{ N/m}^2$, khối lượng riêng $2,3\text{ g/cm}^3$), kích thước nhỏ và tiêu thụ năng lượng thấp.
  • Đơn vị đo lường quán tính (IMU - Inertial Measurement Unit): Cấu trúc kết hợp giữa cảm biến gia tốc 3 trục (Accelerometer) dựa trên hiệu ứng áp điện/điện dung và con quay hồi chuyển 3 trục (Gyroscope) dựa trên nguyên lý bảo toàn mô-men động lượng và hiệu ứng Coriolis, cho phép xác định gia tốc chuyển động và vận tốc góc trong không gian 3 chiều.
  • Cấu trúc thanh ghi và xử lý tín hiệu MPU-6050: Sử dụng chip MPU-6050 tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit và bộ xử lý chuyển động số DMP (Digital Motion Processor). Tốc độ lấy mẫu được xác lập thông qua thanh ghi phân chia tỷ lệ lấy mẫu (Thanh ghi 25 - SMPLRT_DIV) theo công thức: $$\text{Tỷ lệ mẫu} = \frac{\text{Tỷ lệ đầu ra Gyroscope}}{1 + \text{SMPLRT_DIV}}$$ Cấu hình thang đo được điều khiển qua Thanh ghi 27 (GYRO_CONFIG với các mức $\pm 250^\circ/\text{s}$, $\pm 500^\circ/\text{s}$, $\pm 1000^\circ/\text{s}$, $\pm 2000^\circ/\text{s}$) và Thanh ghi 28 (ACCEL_CONFIG với các mức $\pm 2\text{g}$, $\pm 4\text{g}$, $\pm 8\text{g}$, $\pm 16\text{g}$). Dữ liệu đo được truy xuất từ các thanh ghi 59–64 (gia tốc) và 67–72 (con quay hồi chuyển).
  • Chuẩn truyền thông công nghiệp và vi điều khiển:
    • Chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) với các khung truyền dữ liệu bắt đầu, dừng và kiểm tra bit.
    • Chuẩn truyền thông liên mạch I²C (Inter-Integrated Circuit) sử dụng hai đường tín hiệu SDA (Serial Data) và SCL (Serial Clock), hoạt động ở chế độ Fast Mode 400 kHz.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng là phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm chế tạo mẫu thử (hardware prototyping) và thử nghiệm thực địa. Tác giả tiến hành tính toán công suất, lập sơ đồ nguyên lý phần cứng, gia công mạch in, lập trình nhúng trên môi trường Arduino IDE và đo kiểm thực tế các trạng thái chuyển động của đầu người điều khiển và phản ứng phanh của xe trước các loại chướng ngại vật.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển xe lăn điện được chia thành hai khối chức năng chính tương tác qua mạng không dây Bluetooth:

[ Khối phát tín hiệu (Headset) ]
 Cảm biến MPU-6050 ---> Arduino Pro Mini ---> Bluetooth HC-05 (Master)
 (Nguồn Pin 5V DC)

                 ~~~ Sóng Bluetooth 2.4 GHz ~~~

[ Khối chấp hành & Cảm biến trên xe ]
 Bluetooth HC-06 (Slave) ---> Arduino Nano ---> Cầu H BTS7960 (x2) ---> 2 Động cơ DC 24V
                                    ^
                                    |
 Cảm biến ToF VL53L0X (Trước/Sau) + Servo SG90
 (Khối nguồn: Acquy 24VDC ---> Mạch hạ áp LM2596 ---> Nguồn 5V DC vi điều khiển)

1. Thiết kế phần cứng

  • Khối xử lý tín hiệu điều khiển (Bộ đeo đầu): Gồm module MPU-6050 kết nối với Arduino Pro Mini (vi điều khiển ATmega328P, 14 chân I/O số, 8 ngõ vào analog, bộ nhớ Flash 32 KB) qua giao tiếp I²C. Dữ liệu góc nghiêng sau khi xử lý được truyền đến module Bluetooth HC-05 (cấu hình Master, chuẩn Bluetooth V2.0+EDR, tần số 2.4 GHz). Toàn bộ khối này được cấp nguồn bằng pin sạc 5V DC và đóng gói dạng tai nghe (headset) ôm sát đầu người sử dụng.
  • Khối điều khiển động cơ và chấp hành (Gắn trên thân xe): Gồm vi điều khiển Arduino Nano V3.0 nhận tín hiệu từ module Bluetooth HC-06 (cấu hình Slave, tốc độ baud mặc định 9600 bps). Arduino Nano xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) đến 2 module mạch cầu H BTS7960 (dòng tải tối đa 43A, tần số điều khiển PWM tối đa 25 kHz) để điều khiển tốc độ và chiều quay của 2 động cơ điện DC 24V độc lập ở hai bánh xe.
  • Khối phát hiện vật cản và an toàn: Sử dụng cảm biến laser ToF VL53L0X (phát tia laser VCSEL 940 nm vô hại cho mắt) đặt ở phía trước và phía sau xe. Cảm biến phía trước được gắn trên động cơ RC Servo SG90 để quét góc phát hiện vật thể.
  • Khối chuyển đổi nguồn: Nguồn chính từ bộ ắc quy 24V DC của xe lăn cấp trực tiếp cho 2 module BTS7960 và được hạ áp xuống 5V DC thông qua mạch giảm áp xung DC-DC LM2596 (dòng điện đầu ra tối đa 3A, hiệu suất chuyển đổi 92%) để cấp nguồn cho Arduino Nano, cảm biến VL53L0X, module Bluetooth và Servo.
Thiết bị / Module Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
MPU-6050 6 trục (3 trục Accel + 3 trục Gyro), ADC 16-bit, giao tiếp I²C Thu nhận cử chỉ nghiêng, ngửa, cúi và xoay đầu của người dùng
Arduino Pro Mini Vi điều khiển ATmega328P, 16 MHz, 32 KB Flash, 2 KB SRAM Đọc giá trị cảm biến MPU-6050, tính toán góc và gửi lệnh qua UART
Bluetooth HC-05 / HC-06 Chuẩn V2.0+EDR, băng tần 2.4 GHz, tầm hoạt động $\le 10\text{ m}$ Truyền nhận tín hiệu điều khiển không dây giữa tai nghe và xe
Arduino Nano V3.0 Vi điều khiển ATmega328P, tích hợp nạp USB Mini-B Nhận lệnh điều khiển, đọc cảm biến khoảng cách, xuất xung PWM
Driver BTS7960 Cầu H đôi, dải điện áp 6–27V, dòng tải 43A (tải trở) / 15A (tải cảm) Điều khiển đảo chiều và thay đổi tốc độ 2 động cơ DC 24V
Cảm biến VL53L0X Laser VCSEL 940 nm Time-of-Flight, tầm đo 2–200 cm, chuẩn I²C Đo khoảng cách phát hiện vật cản phía trước và phía sau xe
Mạch hạ áp LM2596 Điện áp vào 3–30V, ra 1.5–30V (chỉnh 5V), dòng tải 3A, hiệu suất 92% Hạ áp từ ắc quy 24V xuống 5V ổn định cho hệ thống điều khiển

2. Thuật toán và phần mềm điều khiển

Chương trình điều khiển được viết trên Arduino IDE với các lưu đồ giải thuật chuyên biệt:

  • Lưu đồ khối phát tín hiệu (Headset): Sau khi khởi động, hệ thống thiết lập các giá trị bù (offset) ban đầu cho MPU-6050 để loại bỏ sai số vị trí trung hòa của đầu. Vi điều khiển liên tục đọc giá trị gia tốc các trục $X, Y, Z$ và vận tốc góc từ các thanh ghi qua I²C; so sánh với các ngưỡng cài đặt để phân loại cử chỉ (cúi đầu, ngửa đầu, nghiêng trái, nghiêng phải, quay đầu trái, quay đầu phải); sau đó đóng gói thành ký tự điều khiển truyền qua Bluetooth.
  • Lưu đồ khối nhận và điều khiển động cơ: Arduino Nano liên tục nhận gói tin từ Bluetooth HC-06 kết hợp đọc dữ liệu khoảng cách từ cảm biến VL53L0X trước/sau. Nếu khoảng cách đo được lớn hơn ngưỡng an toàn, hệ thống xuất tín hiệu PWM tương ứng đến hai kênh BTS7960 để điều khiển xe chạy thẳng, rẽ trái, rẽ phải hoặc lùi. Nếu cảm biến phát hiện vật cản dưới khoảng cách an toàn, hệ thống kích hoạt chế độ ngắt dừng xe khẩn cấp nhằm ngăn chặn va chạm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của đề tài dựa trên số liệu về người khuyết tật tại Việt Nam và nhu cầu hỗ trợ di chuyển. Tác giả tổng quan các công trình nghiên cứu xe lăn điện trong và ngoài nước; phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống điều khiển bằng cử chỉ hiện hữu; từ đó xác định mục tiêu, 6 nội dung nghiên cứu, các thông số giới hạn và bố cục toàn văn của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nền tảng lý thuyết kỹ thuật về công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) và đơn vị đo quán tính (IMU). Tác giả phân tích sâu cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân và hệ thống thanh ghi của module cảm biến MPU-6050 (thanh ghi tỷ lệ lấy mẫu 25, thanh ghi cấu hình con quay 27, thanh ghi cấu hình gia tốc kế 28, các thanh ghi đọc giá trị đo 59–64 và 67–72). Chương này cũng cung cấp thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Pro Mini, Arduino Nano, module truyền thông Bluetooth HC-05/HC-06, module cầu H BTS7960, cảm biến laser ToF VL53L0X, động cơ servo SG90, mạch giảm áp LM2596 và hai giao thức truyền thông UART, I²C.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày việc tính toán, thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống và các sơ đồ nguyên lý chi tiết:

  • Thiết kế khối xử lý tín hiệu MPU-6050 tích hợp bộ vi điều khiển Pro Mini.
  • Thiết kế khối điều khiển động cơ với 2 driver BTS7960 điều khiển 2 động cơ xe lăn DC 24V.
  • Thiết kế mạch kết nối cảm biến khoảng cách laser VL53L0X và động cơ Servo SG90 quét góc phát hiện vật cản.
  • Thiết kế khối cấp nguồn từ bộ ắc quy 24V DC và mạch giảm áp hạ xuống 5V DC.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình thi công thực tế và lập trình hệ thống:

  • Quy trình lắp ráp, kiểm tra khối nguồn và gia công đóng gói thiết bị phát tín hiệu MPU-6050 gắn trên tai nghe.
  • Thi công hộp bảo vệ chứa bo mạch điều khiển trung tâm, driver BTS7960 và các cọc đấu dây gắn trên thân xe lăn.
  • Lắp đặt giá đỡ 2 cảm biến laser VL53L0X và cơ cấu servo ở đầu và đuôi xe.
  • Xây dựng chi tiết hệ thống lưu đồ giải thuật: chương trình đọc/xử lý tín hiệu cảm biến MPU-6050, thuật toán thiết lập giá trị offset, lưu đồ truyền nhận dữ liệu, chương trình con đọc khoảng cách laser và lưu đồ điều khiển động cơ bằng PWM.
  • Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng xe lăn điện theo bảng các quy ước cử động đầu.

Chương 5: Kết quả – Nhận xét – Đánh giá

Chương 5 trình bày các hình ảnh thực tế của sản phẩm hoàn thiện (tai nghe điều khiển, hộp điều khiển động cơ, xe lăn hoàn chỉnh) và kết quả thử nghiệm thực tế theo từng kịch bản vận hành:

  • Thử nghiệm điều khiển hướng di chuyển bằng cử chỉ đầu: cúi đầu điều khiển xe đi tới; ngước đầu khi xe đang chạy để dừng; nghiêng đầu sang trái/phải để rẽ hướng; ngửa đầu ra sau hoặc quay đầu ra sau để lùi xe.
  • Thử nghiệm chức năng tự động dừng xe an toàn khi gặp chướng ngại vật: xe dừng chính xác khi tiến gần đến bức tường, bàn máy tính, người đi bộ và khi lùi gặp chướng ngại vật phía sau.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án so với mục tiêu ban đầu; nêu rõ những ưu điểm về tính tiện dụng, an toàn, gọn gàng và giá thành chế tạo; đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển và hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm

Mô hình thực tế của đề tài đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh thiết bị phát tín hiệu nhỏ gọn tích hợp trực tiếp vào tai nghe đeo đầu, sử dụng pin sạc 5V DC tiện lợi cho người dùng.
  • Hệ thống truyền dữ liệu không dây qua Bluetooth HC-05 và HC-06 hoạt động ổn định trong phạm vi 10 mét, đảm bảo độ trễ thấp giữa thao tác cử chỉ đầu và đáp ứng của động cơ.
  • Xe lăn điện đáp ứng chính xác 5 trạng thái vận hành cơ bản thông qua bảng quy ước cử chỉ đầu:
Cử động đầu của người dùng Lệnh điều khiển tương ứng của hệ thống
Cúi đầu về phía trước Xe chuyển động tiến thẳng về phía trước
Ngước đầu lên vị trí cân bằng Xe dừng chuyển động khi đang tiến
Nghiêng đầu sang bên trái Xe thực hiện quay/rẽ sang hướng trái
Nghiêng đầu sang bên phải Xe thực hiện quay/rẽ sang hướng phải
Ngửa đầu ra sau hoặc quay đầu ra sau Xe chuyển động lùi về phía sau
  • Hệ thống an toàn tích hợp cảm biến laser VL53L0X hoạt động hiệu quả trong các thử nghiệm thực tế: tự động phát hiện và ngắt động cơ dừng xe ngay lập tức khi phát hiện vật cản phía trước (bức tường, tủ máy tính, người đi bộ) và phía sau trong phạm vi khoảng cách an toàn.

2. Đóng góp của đề tài

So với các giải pháp xe lăn điện điều khiển bằng đầu trước đây:

  • Khắc phục được nhược điểm cồng kềnh, mất thẩm mỹ nhờ thiết kế bộ thu nhận tín hiệu MPU-6050 tích hợp gọn gàng trong tai nghe, tạo sự thoải mái và tự nhiên cho người khuyết tật khi tham gia sinh hoạt cộng đồng.
  • Thay thế hệ thống cảm biến siêu âm cồng kềnh, góc mở rộng dễ gây nhiễu bằng cảm biến khoảng cách laser ToF VL53L0X kích thước siêu nhỏ ($4,4 \times 2,4 \times 1\text{ mm}$), mang lại độ chính xác cao và khả năng phản hồi dừng xe nhanh.
  • Chi phí linh kiện thấp nhờ ứng dụng các dòng vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Pro Mini và Arduino Nano, mở ra tiềm năng sản xuất các bộ kit hỗ trợ giá rẻ cho người khuyết tật tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các dữ kiện được tác giả trình bày trong tài liệu, đề tài còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Cảm biến khoảng cách laser VL53L0X bị suy giảm tầm đo khi thay đổi điều kiện môi trường và màu sắc vật thể (khoảng cách đo ngoài trời bị giảm xuống còn 50–80 cm so với mức 80–200 cm trong nhà).
  • Bộ phát tín hiệu đeo đầu phụ thuộc vào dung lượng của khối pin sạc 5V DC rời; phạm vi kết nối không dây bị giới hạn trong bán kính 10 mét do sử dụng chuẩn Bluetooth cổ điển (v2.0).
  • Hệ thống đòi hỏi người dùng phải giữ ổn định tư thế đầu ban đầu để thiết lập giá trị offset, các cử chỉ chuyển động cần tương đối dứt khoát để hệ thống nhận dạng chính xác ngưỡng góc.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Bổ sung các thuật toán lọc số nâng cao (như bộ lọc bù hoặc bộ lọc Kalman) để triệt tiêu hiện tượng trôi dữ liệu (drift) và nâng cao độ mượt mà khi xử lý tín hiệu góc từ MPU-6050.
  • Nâng cấp cảm biến khoảng cách có khả năng hoạt động ổn định dưới ánh sáng mặt trời mạnh và mở rộng tầm quét chướng ngại vật xung quanh xe.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa cơ cấu cơ khí của khung xe lăn, tích hợp quản lý năng lượng thông minh và hiển thị dung lượng pin/trạng thái hệ thống lên màn hình LED hoặc ứng dụng di động.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống nhúng điều khiển thiết bị y tế/phục hồi chức năng sử dụng cảm biến quán tính MEMS.
  • Các kỹ sư thiết kế phần cứng và lập trình nhúng: Có thể khai thác trực tiếp sơ đồ nguyên lý ghép nối module MPU-6050 qua chuẩn I²C, cấu hình hệ thống thanh ghi nội của cảm biến, giải pháp điều khiển động cơ DC công suất lớn bằng cầu H BTS7960, và phương pháp ứng dụng cảm biến khoảng cách Time-of-Flight VL53L0X trong các ứng dụng robot di động tự hành hoặc tránh vật cản.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những linh kiện chính nào để thu nhận cử chỉ đầu và điều khiển động cơ xe lăn?
Hệ thống sử dụng module cảm biến quán tính 6 trục MPU-6050 kết nối với vi điều khiển Arduino Pro Mini để thu nhận cử chỉ đầu (gắn trên tai nghe). Tín hiệu được truyền không dây qua cặp module Bluetooth HC-05 (phát) và HC-06 (nhận) đến vi điều khiển Arduino Nano để điều khiển 2 động cơ điện DC 24V thông qua 2 mạch cầu H BTS7960.

2. Người dùng điều khiển các trạng thái chuyển động của xe lăn bằng các cử động đầu cụ thể nào?
Người dùng cúi đầu về phía trước để xe chạy thẳng; ngước đầu về vị trí bình thường để dừng xe; nghiêng đầu sang trái hoặc sang phải để rẽ hướng tương ứng; ngửa đầu ra sau hoặc quay đầu ra sau để điều khiển xe lùi.

3. Khối an toàn phát hiện vật cản của xe lăn hoạt động dựa trên cảm biến nào và có giới hạn đo ra sao?
Khối an toàn sử dụng cảm biến khoảng cách laser Time-of-Flight VL53L0X gắn phía trước (kết hợp động cơ RC Servo SG90) và phía sau xe. Khoảng cách đo tối thiểu là 2 cm. Trong nhà, cảm biến đo được từ 80 cm đến trên 200 cm (tùy màu nền trắng hay màu khác); ngoài trời, tầm đo đạt từ 50 cm đến 80 cm.

4. Module MPU-6050 được cấu hình các thang đo nào trong hệ thống?
MPU-6050 tích hợp ADC 16-bit, cho phép cấu hình thang đo vận tốc góc của con quay hồi chuyển (Gyroscope) qua thanh ghi 27 ở các mức $\pm 250^\circ/\text{s}$, $\pm 500^\circ/\text{s}$, $\pm 1000^\circ/\text{s}$, $\pm 2000^\circ/\text{s}$; và cấu hình thang đo của gia tốc kế (Accelerometer) qua thanh ghi 28 ở các mức $\pm 2\text{g}$, $\pm 4\text{g}$, $\pm 8\text{g}$, $\pm 16\text{g}$.

5. Nguồn điện cấp cho hệ thống được thiết kế như thế nào giữa bộ phát và bộ thu trên xe?
Bộ phát tín hiệu điều khiển trên tai nghe sử dụng nguồn pin sạc 5V DC độc lập. Bộ điều khiển động cơ trên thân xe sử dụng nguồn từ khối ắc quy 24V DC của xe lăn cấp trực tiếp cho động cơ qua driver BTS7960, đồng thời qua mạch giảm áp DC-DC LM2596 để hạ áp xuống 5V DC cấp cho Arduino Nano và các cảm biến.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo một hệ thống trợ giúp di chuyển không dây dành cho người khuyết tật vận động. Bằng cách tích hợp cảm biến quán tính MPU-6050 dạng tai nghe thẩm mỹ, giao tiếp Bluetooth và hệ thống phanh an toàn với cảm biến laser VL53L0X, công trình đã hiện thực hóa giải pháp điều khiển xe lăn chính xác qua cử chỉ đầu. Đồ án cung cấp tài liệu thiết kế phần cứng, thuật toán xử lý tín hiệu và số liệu thực nghiệm đầy đủ, đóng góp một giải pháp công nghệ kỹ thuật y sinh khả thi và giàu ý nghĩa thực tiễn.