Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật và tự động hóa, robot đang dần chuyển dịch từ môi trường công nghiệp sang đời sống gia đình và trường học, đảm nhận vai trò hỗ trợ chăm sóc và giáo dục trẻ em. Tại Việt Nam, việc chuẩn bị nguồn nhân lực công nghệ thông qua việc cho trẻ tiếp cận khoa học kỹ thuật từ sớm là định hướng quan trọng. Tuy nhiên, việc trẻ nhỏ tiếp xúc sớm với các thiết bị thông minh như điện thoại di động thường tiềm ẩn nguy cơ sử dụng thụ động, chơi trò chơi giải trí thiếu kiểm soát, dẫn đến giảm tương tác xã hội và nguy cơ tự kỷ. Nhằm giải quyết vấn đề này, đề tài "Thiết kế robot hỗ trợ trẻ em học tập" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình robot di động kết hợp ứng dụng trên điện thoại thông minh, giúp trẻ mầm non từ 2 đến 5 tuổi "chơi mà học, học mà chơi", phát triển tư duy, ngôn ngữ và kỹ năng nhận thức dưới sự kiểm soát thời gian của phụ huynh.

Đồ án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu tổng quan về các module phần cứng bao gồm Arduino, Shield L293D, Bluetooth, cảm biến siêu âm và động cơ Servo.
  2. Viết chương trình điều khiển và giao tiếp giữa các module Arduino, Shield, cảm biến, Bluetooth và Servo.
  3. Viết chương trình ứng dụng học tập và giải trí trên điện thoại thông minh sử dụng môi trường Android Studio.
  4. Thiết lập giao tiếp không dây giữa vi xử lý Arduino và ứng dụng trên điện thoại di động thông qua module Bluetooth.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 9 nội dung công việc:

  1. Tìm hiểu ưu điểm và nhược điểm của mô hình robot trong giáo dục trẻ mầm non.
  2. Đề xuất giải pháp khắc phục, thiết kế mô hình cơ khí và các khối điều khiển chức năng phù hợp.
  3. Thiết kế và thi công mạch giao tiếp giữa Arduino Uno R3, Motor Driver Shield L293D, Servo SG90 và cảm biến siêu âm SRF-04.
  4. Thiết kế và thi công mạch giao tiếp giữa module Bluetooth HC-05 và ứng dụng điện thoại.
  5. Xây dựng chương trình điều khiển cho Arduino, Shield L293D, Servo SG90, cảm biến SRF-04 và Bluetooth bằng phần mềm Arduino IDE.
  6. Lập trình ứng dụng giáo dục trên hệ điều hành Android bằng công cụ Android Studio.
  7. Lắp ráp hoàn chỉnh các khối phần cứng và tiến hành thử nghiệm vận hành hệ thống.
  8. Kiểm tra, phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi kỹ thuật phát sinh.
  9. Tổng hợp kết quả và hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống robot di động tự hành kết hợp ứng dụng giáo dục tương tác đa phương tiện trên nền tảng Android.
  • Không gian và thời gian thực hiện: Đề tài được thực hiện 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, trong thời gian từ ngày 20/03/2018 đến ngày 12/07/2018.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống sử dụng 4 động cơ DC điều khiển bánh xe di chuyển; vi điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 kết hợp Motor Driver Shield L293D; động cơ Servo SG90 điều khiển góc quét cho cảm biến siêu âm SRF-04; giao tiếp không dây chuẩn Bluetooth SPP qua module HC-05; ứng dụng di động được xây dựng bằng Android Studio hướng đến nhóm đối tượng trẻ em từ 2 đến 5 tuổi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở khoa học về phát triển tâm sinh lý trẻ em và các nền tảng kỹ thuật công nghệ thông tin, điện tử nhúng:

1. Đặc điểm phát triển của trẻ em lứa tuổi 2 – 5 tuổi:

  • Phát triển thể chất: Tốc độ phát triển chiều cao được ước lượng theo công thức $X = 75\text{ cm} + 5\text{ cm} \times (N - 1)$ (với $N$ là số tuổi lớn hơn 1). Cân nặng được theo dõi theo biểu đồ Percentile hoặc công thức ước lượng lâm sàng dựa trên số tháng tuổi. Vòng đầu trẻ đến 5 tuổi đạt khoảng 45 – 50 cm theo tương quan $PC = T/2 + 10$ (với $PC$ là đường kính vòng đầu, $T$ là chiều cao lúc 1 tuổi).
  • Phát triển tâm lý và ngôn ngữ: Giai đoạn 3 – 5 tuổi là thời kỳ tiếp nhận các kỹ năng nền tảng. Theo nhà giáo dục A.S. Makarenko, giáo dục trước 5 tuổi chiếm tới 90% chất lượng của toàn bộ quá trình giáo dục. Trẻ ở độ tuổi này hoàn thiện khả năng vận động tinh (cầm bút, cắt kéo), nhận biết mặt chữ, hình khối, khái niệm kích thước và dễ dàng tiếp nhận song ngữ (tiếng Việt và tiếng Anh) qua hình ảnh trực quan và âm thanh sinh động.

2. Nền tảng hệ điều hành Android: Hệ điều hành mã nguồn mở trên nền nhân Linux với kiến trúc 4 lớp chính:

  • Linux Kernel: Quản lý phần cứng, trình điều khiển (camera, bàn phím, màn hình).
  • Libraries & Android Runtime: Chứa các thư viện hệ thống C/C++ (WebKit, SQLite, OpenGL ES) và máy ảo Dalvik Virtual Machine (DVM) tối ưu hóa việc thực thi ứng dụng Java.
  • Application Framework: Cung cấp các dịch vụ cấp cao như Activity Manager, Content Providers, Resource Manager, Notifications Manager và View System.
  • Applications: Lớp ứng dụng người dùng chạy trên thiết bị.

3. Chuẩn truyền thông không dây Bluetooth: Công nghệ truyền thông vô tuyến tầm ngắn (10m – 100m) trên băng tần miễn phí ISM 2.4 – 2.48 GHz. Quy trình thiết lập kết nối trải qua 3 giai đoạn: Inquiry (truy vấn tìm thiết bị), Paging (tạo liên kết dựa trên địa chỉ phần cứng 48-bit BD_ADDR) và Connection (truyền nhận dữ liệu nối tiếp theo giao thức SPP).

4. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển động cơ DC: Phương pháp điều chỉnh điện áp trung bình đặt lên động cơ thông qua việc thay đổi hệ số công tác $D$ (duty cycle) của chuỗi xung vuông chu kỳ $T$: $$U_d = U_{max} \times \frac{t_0}{T} = U_{max} \times D$$ Trong đó: $U_d$ là điện áp trung bình ra tải, $U_{max}$ là điện áp nguồn cung cấp, $t_0$ là thời gian xung ở mức cao.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích – tổng hợp tài liệu chuyên ngành về vi điều khiển, mạch công suất và kiến trúc phần mềm Android.
  • Phương pháp tính toán, thiết kế kỹ thuật phần cứng: ước lượng phân bố không gian, lựa chọn vật liệu, tính toán tổng khối lượng tải và cân đối công suất nguồn cấp.
  • Phương pháp lập trình nhúng và phát triển ứng dụng di động: xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tránh vật cản trên Arduino IDE và lập trình giao diện người dùng trên Android Studio.
  • Phương pháp thực nghiệm: lắp ráp mô hình thực tế, đo đạc điện áp, dòng tiêu thụ và kiểm thử hoạt động phối hợp giữa robot và ứng dụng di động.

Nguồn dữ liệu: Các tài liệu y học phát triển trẻ em, giáo trình lập trình Android cơ bản (Đại học Quốc gia TP.HCM), cùng datasheet kỹ thuật từ nhà sản xuất của các linh kiện ATmega328, L293D, 74HC595, HC-05, SRF-04 và SG90.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module tích hợp giữa phần cứng robot di động và phần mềm điều khiển trên điện thoại thông minh:

Khối chức năng Thành phần linh kiện / Module Chức năng kỹ thuật chính
Khối điều khiển Board mạch Arduino Uno R3 (MCU ATmega328) Xử lý dữ liệu cảm biến, nhận tín hiệu Bluetooth, xuất lệnh điều khiển động cơ
Khối động cơ Motor Driver Shield L293D (2 IC L293D, 1 IC 74HC595) + 4 Động cơ DC giảm tốc V1 Khuếch đại công suất, điều khiển 4 bánh xe chạy tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải (tỉ số truyền 1:48, moment 0.8 kg.cm)
Khối cảm biến Cảm biến siêu âm SRF-04 + Động cơ Servo SG90 Phát hiện vật cản trong phạm vi 3 – 300 cm, Servo hỗ trợ quay quét góc $0^\circ - 180^\circ$
Khối giao tiếp Module Bluetooth HC-05 (chuẩn UART) Cầu nối truyền nhận dữ liệu không dây giữa vi điều khiển và ứng dụng Android
Khối nguồn 3 cell pin Lithium-ion 18650 Shuangdi 3.7V 3000mAh Mắc nối tiếp cung cấp điện áp $\approx 11.1\text{V} - 12\text{V}$ cho Arduino và mạch cầu H
Thiết bị hiển thị Điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android Chạy ứng dụng học tập, phát âm thanh bài học và gửi lệnh dừng/chạy cho robot

1. Tính toán tải trọng và kích thước cơ khí: Khung robot được gia công từ vật liệu mica chịu nhiệt đến $80^\circ\text{C}$, kích thước tổng thể $24\text{ cm} \times 18\text{ cm}$, thiết kế không gian khép kín bảo vệ bo mạch và có giá đỡ điện thoại. Bảng phân bố khối lượng linh kiện được xác định như sau:

Thành phần linh kiện Khối lượng (gam)
Khung mô hình mica 100,0
Board mạch Arduino Uno R3 25,0
Cảm biến SRF-04, Servo SG90 và gá đỡ 11,3
Motor Driver Shield L293D và module HC-05 52,0
Điện thoại thông minh 141,0
Ốc vít và dây dẫn nối mạch 10,0
4 Động cơ DC giảm tốc ($50\text{g} \times 4$) 200,0
3 Pin Lithium-ion 18650 ($34\text{g} \times 3$) 102,0
Tổng khối lượng toàn hệ thống 650,3

2. Tính toán điện áp và dòng tiêu thụ: Hệ thống sử dụng nguồn cấp 12V từ bộ 3 pin 18650 đưa vào Jack DC của Arduino (qua IC hạ áp 5V cấp cho cảm biến, servo, bluetooth) và cấp trực tiếp cho chân nguồn công suất của Motor Driver Shield:

Thiết bị / Module Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ
Board Arduino Uno R3 $5\text{V} - 12\text{V}$ 15 mA
Cảm biến siêu âm SRF-04 5V 50 mA
Module Bluetooth HC-05 3.3V – 5V 50 mA
Motor Driver Shield L293D $5\text{V} - 36\text{V}$ 70 mA
Động cơ Servo SG90 5V 550 mA
4 Động cơ DC giảm tốc $3\text{V} - 12\text{V}$ 560 mA ($140\text{ mA} \times 4$)
Tổng dòng tiêu thụ cực đại — 1.295 A

3. Nguyên lý đo khoảng cách của cảm biến siêu âm: Vi điều khiển phát một xung mức cao thời gian $10,\mu\text{s}$ tới chân TRIG của SRF-04, module phát ra 8 chu kỳ sóng siêu âm tần số $40\text{ kHz}$. Sau thời gian chờ $100,\mu\text{s}$, chân ECHO được kéo lên mức cao. Khi nhận sóng phản xạ từ vật cản, chân ECHO hạ xuống mức thấp. Khoảng cách $s$ được tính theo thời gian duy trì mức cao $t$ của chân ECHO và vận tốc âm thanh trong không khí $v = 340\text{ m/s} = 0.034\text{ cm/}\mu\text{s}$: $$s = \frac{t \times v}{2} = \frac{t \times 0.034}{2}$$

4. Thiết kế ứng dụng Android "Bé Học Mẫu Giáo": Ứng dụng được xây dựng trên Android Studio với 13 màn hình chức năng:

  • Màn hình 1: Giao diện khởi động với các nút "Bắt đầu" và "Thoát".
  • Màn hình 2: Danh mục điều hướng lựa chọn 3 nhóm nội dung (Học tập, Luyện tập, Kể chuyện).
  • Màn hình 3, 4, 5: Chuyên mục học chữ cái, hỗ trợ lựa chọn tiếng Việt hoặc tiếng Anh, có danh sách trượt hình ảnh và phát âm chuẩn từng ký tự.
  • Màn hình 6, 7, 8: Chuyên mục học hình dạng cơ bản (vuông, tròn, tam giác...), học số đếm (từ 0 đến 39) và học nhận biết các con vật quen thuộc có âm thanh song ngữ.
  • Màn hình 9, 10, 11, 12: Chuyên mục luyện tập tương tác (chữ, số, hình dạng, con vật) với các câu hỏi trực quan, nút chuyển câu "Next" và "Previous".
  • Màn hình 13: Chuyên mục giải trí "Nghe truyện cổ tích" tích hợp 10 tệp âm thanh truyện cổ tích và lịch sử dân gian kèm các nút phát và tạm dừng (Play/Stop).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp và tự động hóa. Tác giả đặt vấn đề về sự cần thiết phải chuẩn bị nền tảng giáo dục STEM cho trẻ nhỏ bằng phương pháp trực quan sinh động. Chương này xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, 9 nội dung công việc triển khai, các giới hạn kỹ thuật phần cứng và phần mềm, cùng bố cục tổng thể gồm 6 chương của quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở khoa học liên ngành làm nền tảng cho việc thiết kế:

  • Tổng hợp các chỉ số phát triển thể chất (chiều cao, cân nặng, vòng đầu) và tâm sinh lý của trẻ em từ 2 đến 5 tuổi, phân tích cơ chế tương tác có kịch bản và phi ngôn ngữ giữa trẻ và robot.
  • Trình bày lịch sử phát triển, đặc điểm ưu/nhược điểm, các phiên bản và cấu trúc 4 lớp của hệ điều hành Android cùng vai trò của máy ảo Dalvik.
  • Giới thiệu chuẩn truyền thông vô tuyến Bluetooth, dải tần số 2.4 GHz, cấu trúc địa chỉ 48-bit BD_ADDR và các bước thiết lập kết nối Inquiry – Paging – Connection.
  • Trình bày nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) ứng dụng trong điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ một chiều (DC).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào các bước tính toán và thiết kế kỹ thuật chi tiết:

  • Xây dựng sơ đồ kết nối tổng quát và sơ đồ khối chức năng của hệ thống robot di động.
  • Tính toán kích thước khung vỏ mica ($24\text{ cm} \times 18\text{ cm}$) dựa trên tổng khối lượng linh kiện ($650.3\text{g}$).
  • Lựa chọn động cơ DC giảm tốc V1 (tỉ số 1:48, moment 0.8 kg.cm), mạch cầu H Motor Driver Shield L293D tương thích chân cắm Arduino Uno R3.
  • Tính toán thông số khối cảm biến SRF-04 kết hợp Servo SG90 quay quét $0^\circ - 180^\circ$, mạch Bluetooth HC-05 và bộ nguồn 3 pin 18650 cung cấp dòng điện 1.295A.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế giao diện đồ họa 13 màn hình cho ứng dụng di động "Bé Học Mẫu Giáo".

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình gia công cơ khí, lắp ráp mạch điện và lập trình phần mềm:

  • Chế tạo khung vỏ mica, lắp gá động cơ DC, bánh xe đường kính 65mm và gắn giá đỡ Servo cho cảm biến siêu âm.
  • Kết nối chân tín hiệu giữa Arduino Uno R3 với Motor Driver Shield L293D, chân UART (TX, RX) với module HC-05 và chân A0, A1 với SRF-04.
  • Xây dựng các lưu đồ thuật toán điều khiển trên Arduino IDE: chương trình chính thu thập dữ liệu siêu âm, chương trình con so sánh khoảng cách an toàn, chương trình dò hướng bằng Servo và chương trình rẽ trái/phải để tránh vật cản.
  • Triển khai viết mã nguồn cho ứng dụng Android trên Android Studio, tích hợp phát âm thanh và xử lý sự kiện giao diện.

Chương 5: Kết quả – Nhận xét – Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện:

  • Kết quả phần cứng: Robot hoàn chỉnh với kích thước nhỏ gọn, cơ cấu chuyển động 4 bánh hoạt động ổn định, hệ thống cảm biến siêu âm phát hiện vật cản chính xác và thực hiện chuyển hướng né tránh thành công.
  • Kết quả phần mềm: Ứng dụng Android kết nối Bluetooth thông suốt với robot, thực hiện đầy đủ các chức năng học chữ cái (Anh - Việt), học số (0 - 39), nhận biết hình khối, con vật, các bài luyện tập trắc nghiệm và phát 10 câu chuyện cổ tích.
  • Nhận xét – Đánh giá: Hệ thống vận hành đúng mục tiêu thiết kế ban đầu; tuy nhiên việc xử lý né vật cản ở các góc hẹp phức tạp vẫn cần tiếp tục tối ưu hóa thời gian quét của Servo.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án, khẳng định việc làm chủ công nghệ thiết kế hệ thống nhúng và lập trình ứng dụng Android giáo dục. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm hoàn thiện sản phẩm trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật cụ thể đạt được:

  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình robot 4 bánh bằng mica có kích thước $24\text{ cm} \times 18\text{ cm}$, tổng khối lượng $650.3\text{g}$, tích hợp an toàn toàn bộ vi điều khiển, mạch công suất, cảm biến và pin bên trong thân xe.
  • Ứng dụng thành công vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp Motor Driver Shield L293D (2 IC L293D và 1 IC 74HC595) điều khiển độc lập 4 động cơ DC giảm tốc (tỉ số truyền 1:48) và 1 động cơ Servo SG90.
  • Cảm biến siêu âm SRF-04 kết hợp Servo quét góc từ $0^\circ$ đến $180^\circ$, phát hiện vật cản chính xác trong dải đo $3\text{ cm} - 300\text{ cm}$ theo thuật toán đo thời gian xung phản xạ với vận tốc $340\text{ m/s}$.
  • Thiết lập giao tiếp không dây ổn định qua module Bluetooth HC-05 ở tốc độ baud 38400 bps, dải tần 2.4 GHz, cho phép truyền tín hiệu điều khiển trạng thái di chuyển và dừng giữa điện thoại và robot.
  • Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng "Bé Học Mẫu Giáo" trên nền tảng Android với 13 giao diện trực quan, bao gồm 4 danh mục học tập phát âm song ngữ Anh - Việt, 4 danh mục luyện tập câu hỏi trắc nghiệm và 10 tệp âm thanh truyện cổ tích dân gian.
  • Khối nguồn gồm 3 pin Lithium-ion 18650 dung lượng 3000mAh cung cấp điện áp xấp xỉ 12V, đáp ứng tốt tổng dòng tiêu thụ toàn mạch ở mức 1.295A.

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất:

  • Đề xuất mô hình thiết bị giáo dục mầm non tích hợp "vừa chơi vừa học", kết hợp chuyển động cơ học gây sự chú ý với các bài giảng tương tác trên màn hình cảm ứng, giúp giảm thiểu việc trẻ sử dụng điện thoại thụ động.
  • Kiến nghị tích hợp phần mềm kiểm soát thời gian học tập và chơi đùa của trẻ để phụ huynh dễ dàng quản lý sinh hoạt hàng ngày.

3. Đóng góp của đề tài:

  • Cung cấp một giải pháp thiết kế hệ thống robot giáo dục tự hành giá thành thấp, sử dụng các linh kiện phần cứng mã nguồn mở phổ biến và công nghệ lập trình di động tiêu chuẩn.
  • Đóng góp tài liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về quy trình tích hợp giữa hệ thống điều khiển nhúng thời gian thực (Arduino) và ứng dụng di động đa phương tiện (Android) phục vụ mục đích sư phạm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài:

  • Cảm biến siêu âm SRF-04 là cảm biến đơn điểm gắn trên Servo xoay, dẫn đến thời gian quét góc xung quanh cần một khoảng trễ nhất định, làm hạn chế tốc độ phản ứng khi robot di chuyển trong môi trường có nhiều vật cản động.
  • Hệ thống di chuyển bằng 4 bánh động cơ DC thông thường, chưa có cảm biến đo tốc độ (encoder) để điều khiển bám quỹ đạo chính xác hoặc phản hồi vị trí thực tế.
  • Khả năng tương tác thông minh còn phụ thuộc vào ứng dụng trên điện thoại đặt kèm, robot chưa được trang bị mạch xử lý âm thanh độc lập hay công nghệ nhận diện giọng nói trực tiếp trên vi điều khiển.

2. Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nâng cấp phần cứng cơ khí và chuyển động, nghiên cứu ứng dụng động cơ có tích hợp encoder để kiểm soát hành trình chính xác hơn.
  • Tích hợp thêm các cảm biến tiên tiến (cảm biến hồng ngoại, camera xử lý ảnh) nhằm nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện chướng ngại vật và nhận diện khuôn mặt.
  • Bổ sung công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) cho phép robot giao tiếp giọng nói hai chiều trực tiếp với trẻ em.
  • Mở rộng kho nội dung bài học, phát triển thêm các chủ đề kỹ năng sống, toán học tư duy và ngữ pháp nâng cao trên ứng dụng di động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thực tiễn cho nhiều đối tượng:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử và Công nghệ Thông tin: Có thể tham khảo phương pháp tính toán tải trọng, tính toán công suất nguồn pin, sơ đồ kết nối chân giữa Arduino Uno R3 với Motor Driver Shield L293D, module Bluetooth HC-05 và cảm biến siêu âm SRF-04.
  • Người nghiên cứu phát triển thiết bị giáo dục STEM mầm non: Tham khảo quy trình thiết kế giao diện đồ họa cho trẻ từ 2 đến 5 tuổi trên Android Studio, kết hợp âm thanh song ngữ và thuật toán điều khiển cơ cấu chấp hành tự hành.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Bảng tính toán chi tiết điện áp, dòng tiêu thụ của từng module phần cứng (Chương 3) và các lưu đồ thuật toán điều khiển quét góc, so sánh khoảng cách né vật cản (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Robot sử dụng những khối phần cứng trung tâm nào để điều khiển chuyển động và giao tiếp?
Robot sử dụng vi điều khiển ATmega328 trên board Arduino Uno R3 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp Motor Driver Shield L293D (chứa 2 IC cầu H L293D và IC logic 74HC595) để điều khiển 4 động cơ DC giảm tốc V1. Việc giao tiếp không dây với điện thoại được thực hiện qua module Bluetooth HC-05 chuẩn UART ở tốc độ baud 38400.

2. Tổng khối lượng của mô hình robot là bao nhiêu và hệ thống nguồn được thiết kế như thế nào?
Tổng khối lượng tính toán của toàn bộ hệ thống là $650.3\text{ gam}$ (bao gồm cả khung mica, các module mạch, động cơ, pin và điện thoại). Khối nguồn sử dụng 3 cell pin sạc Lithium-ion 18650 Shuangdi 3.7V dung lượng 3000mAh mắc nối tiếp, cung cấp điện áp $\approx 11.1\text{V} - 12\text{V}$ đáp ứng mức tiêu thụ dòng điện tổng cực đại là $1.295\text{ A}$.

3. Nguyên lý và công thức tính khoảng cách tránh vật cản của cảm biến siêu âm SRF-04 được thực hiện ra sao?
Vi điều khiển kích hoạt chân TRIG bằng một xung mức cao $10,\mu\text{s}$ để phát sóng siêu âm $40\text{ kHz}$ với vận tốc $340\text{ m/s}$ ($0.034\text{ cm/}\mu\text{s}$). Khoảng cách $s$ tới vật cản được tính dựa trên thời gian xung phản hồi $t$ tại chân ECHO theo công thức $s = (t \times 0.034) / 2$. Động cơ Servo SG90 điều khiển quay cảm biến từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ để mở rộng góc quan sát hai bên trước khi đưa ra quyết định rẽ hướng.

4. Ứng dụng "Bé Học Mẫu Giáo" trên hệ điều hành Android cung cấp những nội dung học tập và giải trí cụ thể nào?
Ứng dụng gồm 13 màn hình giao diện, cung cấp 3 phân hệ chính:

  • Học tập: Bé học chữ cái (tiếng Việt và tiếng Anh có phát âm), học hình dạng, học số đếm từ 0 đến 39 và học nhận biết các con vật quen thuộc.
  • Luyện tập: 4 phần câu hỏi trắc nghiệm tương tác cho chữ cái, hình dạng, chữ số và con vật với các nút điều hướng chuyển tiếp.
  • Giải trí: Chuyên mục nghe kể 10 câu chuyện cổ tích và lịch sử dân gian bằng âm thanh tích hợp sẵn các nút phát/dừng.

5. Cơ chế phối hợp hoạt động giữa việc di chuyển của xe và ứng dụng học tập trên điện thoại diễn ra như thế nào?
Khi cấp nguồn, robot tự động di chuyển tự do và tự động tránh chướng ngại vật nhờ cảm biến siêu âm, đồng thời ứng dụng trên điện thoại phát nhạc và giọng nói vui nhộn. Khi trẻ hoặc phụ huynh tương tác chọn bài học trên ứng dụng, điện thoại sẽ gửi tín hiệu qua Bluetooth HC-05 để vi điều khiển dừng các động cơ DC, chuyển hệ thống sang chế độ học tập tĩnh trên màn hình cảm ứng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế robot hỗ trợ trẻ em học tập" của sinh viên Nguyễn Quốc Thái và Nguyễn Phước Tài đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt thiết kế cơ khí, thi công phần cứng nhúng và lập trình ứng dụng di động. Hệ thống tích hợp thành công vi điều khiển Arduino Uno R3, Motor Driver Shield L293D, cảm biến siêu âm SRF-04 quét góc bằng Servo SG90 và giao tiếp Bluetooth HC-05 với ứng dụng Android "Bé Học Mẫu Giáo". Đây là một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh về giải pháp công nghệ giáo dục mầm non, tạo tiền đề thuận lợi cho các nghiên cứu phát triển robot tương tác thông minh ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong tương lai.