Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật hiện đại phát triển nhanh chóng, các thiết bị tự động hóa gia dụng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ đời sống sinh hoạt. Robot hút bụi tự động là sản phẩm kết hợp giữa cơ cấu hút bụi và thuật toán điều khiển di chuyển thông minh, giúp làm sạch bụi bẩn và rác vụn trên sàn nhà một cách tự động.

Tại thị trường Việt Nam thời điểm năm 2017, các dòng robot hút bụi thương mại chủ yếu là sản phẩm nhập khẩu với giá thành rất cao. Tiêu biểu như dòng iRobot Roomba 980 có giá dao động từ 21 đến 23 triệu đồng, hay Dyson 360 Eye sử dụng công nghệ lực hút ly tâm Radial Root Cyclone có giá khoảng 26 triệu đồng. Mức chi phí đắt đỏ này khiến thiết bị chưa thể tiếp cận rộng rãi tới phần lớn người tiêu dùng trong nước. Đồng thời, số lượng công trình nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm về robot hút bụi tự động trong nước còn tương đối hạn chế.

Trước thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công robot hút bụi tự động" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình robot hút bụi tự động có kích thước nhỏ gọn, có khả năng tiếp cận và làm sạch bụi bẩn, mẩu rác vụn tại các vị trí khó tiếp cận như gầm giường, gầm ghế sofa, gầm bàn.
    • Xây dựng hệ thống điều khiển cho phép robot di chuyển theo hai thuật toán: ngẫu nhiên (random) và đường dích dắc (zigzag).
    • Tích hợp hệ thống cảm biến phát hiện và tránh chướng ngại vật, nhận diện mép sàn để chống rơi ngã tại các khu vực chênh lệch độ cao như cầu thang, mép bàn.
    • Xây dựng tính năng điều khiển từ xa qua giao tiếp không dây Bluetooth bằng ứng dụng trên điện thoại thông minh Android.

  2. Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu:

    • Nhiệm vụ 1: Thu thập và tìm hiểu các dòng robot hút bụi hiện có trên thị trường.
    • Nhiệm vụ 2: Đề xuất các giải pháp thiết kế hệ thống và mô hình robot hút bụi tự động.
    • Nhiệm vụ 3: Thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm và mạch điện tử.
    • Nhiệm vụ 4: Thiết kế mô hình 3D và thi công phần cứng cơ khí.
    • Nhiệm vụ 5: Thiết kế và lập trình điều khiển các chức năng nâng cao (tránh vật cản, chống rơi, điều khiển Bluetooth).
    • Nhiệm vụ 6: Thử nghiệm thực tế, thu thập kết quả và đánh giá mô hình.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng và phần mềm của robot hút bụi tự động, bao gồm vi điều khiển ATmega328P (kit Arduino Uno R3), hệ thống cảm biến (siêu âm, hồng ngoại, công tắc hành trình), mạch cầu H điều khiển động cơ DC servo giảm tốc và động cơ quạt hút.
    • Phạm vi không gian: Môi trường sàn nhà dân dụng nội thất, làm việc trên mặt phẳng và xử lý va chạm với các vật cản thông thường trong nhà.
    • Giới hạn thông số vật lý: Thân robot dạng hình tròn, đường kính 28 cm, chiều cao 10 cm; sử dụng 3 cảm biến siêu âm HC-SR04, 1 cảm biến hồng ngoại chống rơi, 6 công tắc hành trình chống va chạm, 1 module Bluetooth HC-05 và nguồn pin cấp điện chuyên dụng.
    • Thời gian thực hiện: Từ ngày 27/03/2017 đến ngày 20/07/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện tử, đo lường cảm biến và lý thuyết điều khiển tự động để xây dựng hệ thống:

  • Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng siêu âm (Time of Flight - TOF): Sóng siêu âm truyền trong không khí với vận tốc xấp xỉ $v = 343\text{ m/s}$. Bằng cách phát một chuỗi 8 xung tần số 40 kHz từ chân Trigger và đo thời gian tín hiệu phản xạ dội về chân Echo ($t$), khoảng cách $d$ đến vật cản được xác định theo công thức: $$d = \frac{v \cdot t}{2}$$ Trong vi điều khiển, khoảng cách tính bằng centimet bằng cách lấy thời gian đo (micro giây - $\mu\text{s}$) chia cho hằng số 58, hoặc tính bằng inch khi chia cho 148. Không gian quét của cảm biến siêu âm được mô hình hóa thành hình quạt với 3 vùng: vùng biên phát hiện chướng ngại vật, vùng an toàn bên trong và vùng mù/khuất sau vật thể.
  • Nguyên lý thu phát hồng ngoại: Sử dụng cặp LED phát - thu hồng ngoại. Khi gặp vật cản trong khoảng cách thiết lập, tia hồng ngoại phản xạ làm thay đổi nội trở của mắt thu quang học, thông qua mạch so sánh op-amp (IC LM393/LM358) với điện áp ngưỡng đặt bởi biến trở để xuất tín hiệu logic (0 hoặc 1) về vi điều khiển.
  • Lý thuyết điều khiển động cơ DC qua mạch cầu H và PWM: Sử dụng IC L298 tích hợp hai mạch cầu H toàn phần để điều khiển chiều quay (bằng việc đảo mức logic các ngõ vào In1-In4) và điều khiển tốc độ (bằng việc cấp xung PWM vào các chân EnA, EnB) cho 2 động cơ dẫn động độc lập.
  • Truyền thông nối tiếp không dây UART và tập lệnh AT: Sử dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ qua module Bluetooth HC-05 ở hai chế độ Master/Slave với tốc độ baud mặc định 9600 bps khi truyền nhận dữ liệu và 38400 bps khi nạp cấu hình lệnh AT.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật được triển khai qua các bước:

  1. Phương pháp khảo sát, phân tích và so sánh: Đánh giá ưu nhược điểm của các dạng chuyển động robot (bánh xe, bánh xích, chân bước) và các dòng máy thương phẩm (iRobot Roomba 980, Dyson 360 Eye) để chọn mô hình bánh xe dẫn hướng kết hợp 2 bánh truyền động độc lập.
  2. Phương pháp thiết kế mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế chính xác kích thước khung vỏ, khay chứa rác, vị trí gá đặt động cơ và góc quét của các cảm biến.
  3. Phương pháp thi công thực nghiệm: Thiết kế, gia công mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện, đấu nối hệ thống dây tín hiệu và kiểm tra từng khối mạch độc lập trước khi tích hợp tổng thể.
  4. Phương pháp lập trình nhúng và kiểm thử thực địa: Biên dịch chương trình điều khiển trên Arduino IDE, xây dựng giao diện ứng dụng di động trên nền tảng MIT App Inventor và tiến hành thử nghiệm các kịch bản chuyển động, né vật cản và chống rơi trên sàn thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống robot hút bụi tự động được tổ chức thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ với nhau:

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị chính Nhiệm vụ kỹ thuật
Khối điều khiển trung tâm Kit Arduino Uno R3 (ATmega328P) Tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến, xử lý thuật toán di chuyển (random, zigzag, né vật cản, chống rơi) và phát tín hiệu điều khiển động cơ, quạt hút.
Khối cảm biến 3 module HC-SR04, 1 module IR, 6 công tắc hành trình Đo khoảng cách trước/trái/phải, phát hiện va chạm vật lý trực tiếp quanh thân và nhận biết khoảng hụt độ cao dưới gầm.
Khối động cơ di chuyển 2 động cơ DC Servo GA37 V1 + Module L298N Truyền động cho 2 bánh xe độc lập, hỗ trợ điều chỉnh tốc độ qua PWM và đảo chiều quay để chuyển hướng linh hoạt.
Khối động cơ hút bụi Động cơ tích hợp cánh quạt 12V + khay chứa bụi Tạo áp suất hút không khí mang theo bụi bẩn, mẩu giấy vụn vào hộp chứa có màng chắn rác.
Khối truyền thông Bluetooth Module Bluetooth HC-05 Nhận tín hiệu điều khiển di chuyển từ smartphone Android trong bán kính khoảng 12 mét.
Khối nguồn Pin sạc Wild Scorpion (11.1V - 12V) + IC LM7805 Cung cấp nguồn công suất 12V cho động cơ, quạt hút và hạ áp 5V nuôi vi điều khiển, hệ thống cảm biến.

Sơ đồ phân bổ và ghép nối các chân I/O trên vi điều khiển Arduino Uno R3 được tính toán chi tiết với tổng số 21 chân chức năng:

Chân Arduino Uno R3 Linh kiện kết nối Chức năng chi tiết
Chân 0 (RX), 1 (TX) Module Bluetooth HC-05 (TXD, RXD) Giao tiếp UART nhận lệnh điều khiển không dây
Chân 4, 10 Cảm biến siêu âm HC-SR04 ở giữa Chân 4 (Echo 1), Chân 10 (Trig 1) đo khoảng cách phía trước
Chân A2, A3 Cảm biến siêu âm HC-SR04 bên trái Chân A2 (Echo 2), Chân A3 (Trig 2) đo khoảng cách bên trái
Chân A4, A5 Cảm biến siêu âm HC-SR04 bên phải Chân A4 (Echo 3), Chân A5 (Trig 3) đo khoảng cách bên phải
Chân Digital (I/O) Module thu phát hồng ngoại (dưới đáy) Nhận tín hiệu phát hiện mép sàn / chênh lệch độ cao
6 chân Digital 6 công tắc hành trình (quanh thân) Nhận tín hiệu tiếp xúc va chạm vật lý với vật cản
Chân 8, 9 Module L298N (IN1, IN2) Điều khiển chiều quay động cơ di chuyển thứ nhất
Chân 6, 7 Module L298N (IN3, IN4) Điều khiển chiều quay động cơ di chuyển thứ hai
Chân 10 (EnA), 5 (EnB) Module L298N (EnA, EnB) Cấp xung PWM điều chỉnh tốc độ hai động cơ di chuyển

Quy trình triển khai phần mềm bao gồm hai phần:

  • Chương trình nhúng trên vi điều khiển: Viết bằng C/C++ trên nền tảng Arduino IDE. Chương trình thực hiện khởi tạo ngoại vi, đọc liên tục trạng thái cảm biến hồng ngoại chống rơi (ưu tiên cao nhất), quét chu kỳ tín hiệu 3 cảm biến siêu âm và 6 công tắc hành trình để đưa ra quyết định chuyển hướng (lùi lại, rẽ trái hoặc rẽ phải dựa vào so sánh khoảng cách hai bên), đồng thời lắng nghe lệnh điều khiển từ cổng UART Bluetooth.
  • Giao diện ứng dụng di động: Được xây dựng bằng công cụ kéo thả khối lệnh MIT App Inventor, cho phép quét danh sách thiết bị Bluetooth, kết nối với địa chỉ MAC của HC-05 (nhập mã PIN 1234) và hiển thị các nút bấm điều hướng (Tiến, Lùi, Trái, Phải, Dừng) gửi các ký tự điều khiển tương ứng xuống robot.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này mở đầu bằng việc phân tích nhu cầu tự động hóa việc dọn dẹp vệ sinh nhà ở trong xã hội hiện đại. Tác giả chỉ ra sự chênh lệch lớn giữa nhu cầu thực tế và khả năng tiếp cận các dòng máy hút bụi thông minh nhập khẩu cao cấp (như iRobot Roomba 980, Dyson 360 Eye) do rào cản giá cả. Từ đó, đồ án xác lập 6 nội dung nghiên cứu trọng tâm nhằm chế tạo mô hình robot hút bụi tự động giá rẻ. Các giới hạn thông số kỹ thuật được định hình rõ ràng: thân hình tròn đường kính 28 cm, cao 10 cm, sử dụng 3 cảm biến siêu âm, 1 cảm biến hồng ngoại chống rơi, 6 công tắc hành trình và điều khiển qua vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp module Bluetooth HC-05.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết và quy trình phát triển một robot di động. Nội dung phân tích chi tiết ưu nhược điểm của các nền tảng di chuyển (bánh xe, bánh xích, chân bước, thiết bị bay, tàu lặn, cánh tay robot), làm rõ lý do lựa chọn nền tảng 2 bánh xe dẫn động kết hợp 1 bánh lái đa hướng vì tính gọn nhẹ, giá thành rẻ và dễ thi công. Tác giả khảo sát chi tiết cấu tạo các sản phẩm thương phẩm iRobot Roomba 980 và Dyson 360 Eye để đối chiếu. Phần cứng được giới thiệu sâu về thông số và nguyên lý hoạt động của từng linh kiện: cảm biến siêu âm HC-SR04 (tầm quét 2-500 cm, nguyên lý Time of Flight, góc phát sóng), module hồng ngoại LM393 (khoảng cách phát hiện 2-30 cm), công tắc hành trình cơ học, module Bluetooth HC-05 (tập lệnh AT, chế độ Master/Slave), vi điều khiển Arduino Uno R3 (chip ATmega328P, bộ nhớ 32KB Flash, 2KB SRAM, 1KB EEPROM, 14 chân Digital, 6 chân Analog), module công suất mạch cầu H L298N (dòng đỉnh 2A, công suất < 70W) và động cơ DC Servo giảm tốc GA37 V1 (tỉ số truyền 1:33, tốc độ trục chính 303 RPM, encoder từ tính 11 xung tạo 363 xung/vòng).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương này tập trung vào tính toán và thiết kế chi tiết 6 khối chức năng trong sơ đồ khối hệ thống. Tác giả tính toán các cổng giao tiếp, phân bổ 21 chân I/O trên Arduino Uno R3 để đáp ứng đủ số lượng cảm biến và thiết bị truyền động. Khối cảm biến được thiết kế kết hợp: 1 cảm biến siêu âm trung tâm đo khoảng cách phía trước, 2 cảm biến siêu âm hai bên hông để so sánh không gian trống giúp điều hướng tối ưu, 6 công tắc hành trình bố trí xung quanh thân để xử lý các góc va chạm cơ học mà sóng siêu âm bỏ sót, và 1 cảm biến hồng ngoại hướng xuống đáy để chống rơi. Khối di chuyển sử dụng 2 động cơ GA37 V1 điều khiển qua module L298N với bảo vệ chống dòng xả ngược bằng các diode xung. Khối hút bụi sử dụng động cơ quạt 12V hút mạnh gắn liền khay chứa rác. Toàn bộ kết cấu khung vỏ, mặt trên, mặt dưới, khay chứa bụi và vị trí bố trí module được mô hình hóa và kiểm tra ăn khớp 3D bằng phần mềm SolidWorks trước khi xuất bản vẽ thi công.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế, bao gồm gia công mạch in PCB hệ thống, lắp ráp cơ khí các cụm module (công tắc hành trình, bánh xe, khay chứa bụi, vị trí gá cảm biến siêu âm và hồng ngoại) và đóng gói mạch điều khiển lên thân robot. Chương này cũng hướng dẫn cài đặt môi trường Java Runtime Environment (JRE), trình biên dịch Arduino IDE, quy trình nạp code cho chip ATmega328P và xây dựng giao diện ứng dụng điều khiển qua Bluetooth bằng nền tảng MIT App Inventor. Đồng thời, tác giả xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng, lưu đồ thuật toán chính của hệ thống, lưu đồ cài đặt cảm biến siêu âm và quy trình 3 bước thao tác chuẩn: vận hành hoạt động, bảo trì định kỳ và vệ sinh khay chứa rác.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố hình ảnh thực tế của sản phẩm hoàn thiện và báo cáo kết quả thử nghiệm vận hành trong các điều kiện làm việc thực tế:

  • Robot vận hành ổn định các chế độ di chuyển theo thuật toán dích dắc và ngẫu nhiên.
  • Hệ thống cơ cấu hút bụi và quạt 12V hút sạch các mẫu giấy vụn và bụi bẩn trên đường đi.
  • Khi di chuyển tới sát tường hoặc gặp chướng ngại vật trong tầm phát hiện, cảm biến siêu âm gửi tín hiệu về vi điều khiển giúp robot tự động chuyển hướng.
  • Trong tình huống vật cản nằm ngoài góc quét của cảm biến siêu âm va vào thân, 6 công tắc hành trình kích hoạt tức thì giúp robot lùi lại và đổi hướng an toàn.
  • Khi hoạt động tại các khu vực chênh lệch độ cao (như mép bàn, bậc thềm), cảm biến hồng ngoại phía dưới đáy ngắt trạng thái phản xạ, kích hoạt lệnh dừng và quay đầu chống rơi hiệu quả.
  • Kết nối Bluetooth với smartphone thông qua app điều khiển phản hồi nhanh, nhận lệnh chính xác trong bán kính cho phép.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được của đồ án, khẳng định nhóm tác giả đã chế tạo thành công một mô hình robot hút bụi tự động hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu với chi phí linh kiện thấp. Bên cạnh đó, chương này thẳng thắn chỉ ra các điểm tồn tại về mặt phần cứng và thuật toán, đồng thời vạch ra các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Mô hình robot hút bụi tự động của đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật và đóng góp cụ thể:

  • Các kết quả thực nghiệm định lượng và tính năng thực tế:
    • Chế tạo thành công mô hình robot hình tròn kích thước chuẩn: đường kính 28 cm, chiều cao 10 cm, đảm bảo khả năng luồn lách vào các không gian thấp như gầm bàn, gầm ghế, gầm giường.
    • Tích hợp và điều khiển đồng bộ 21 đường I/O trên nền vi điều khiển Arduino Uno R3.
    • Hệ thống 3 cảm biến siêu âm HC-SR04 kết hợp đo đạc chính xác khoảng cách vật cản từ 2 cm đến 500 cm theo nguyên lý Time of Flight, xử lý thuật toán so sánh không gian hai bên để rẽ hướng tối ưu.
    • Hệ thống 6 công tắc hành trình xung quanh thân xe phản hồi cơ học chính xác khi xảy ra va chạm trực tiếp.
    • Cảm biến thu phát hồng ngoại LM393 đặt dưới đáy phản hồi nhanh trong cự ly 2–5 cm, ngăn chặn 100% nguy cơ rơi ngã tại các bậc chênh lệch độ cao.
    • Động cơ DC Servo giảm tốc GA37 V1 (tỉ số truyền 1:33, 303 RPM, encoder 363 xung/vòng) phối hợp mạch cầu H L298N giúp xe di chuyển êm, lực kéo khỏe, tốc độ chậm phù hợp để hút sạch bụi.
    • Kết nối không dây Bluetooth HC-05 với điện thoại thông minh Android hoạt động ổn định trong phạm vi bán kính 12 mét.
  • Giải pháp kỹ thuật đề xuất:
    • Đề xuất giải pháp phối hợp đa tầng cảm biến (siêu âm phía trước + công tắc hành trình tiếp xúc quanh thân + hồng ngoại chống rơi dưới đáy) nhằm giải quyết triệt để góc chết của từng loại cảm biến riêng lẻ nhưng vẫn tối ưu hóa giá thành linh kiện.
    • Ứng dụng công cụ thiết kế 3D SolidWorks kết hợp ứng dụng di động lập trình trên MIT App Inventor, tạo nên quy trình phát triển sản phẩm cơ điện tử khép kín từ thiết kế cơ khí, phần cứng mạch in đến phần mềm điều khiển.
  • Đóng góp của đề tài:
    • Cung cấp một tài liệu thiết kế kỹ thuật, thi công phần cứng và giải thuật điều khiển hoàn chỉnh cho mô hình robot hút bụi tự động nội địa.
    • Chứng minh tính khả thi của việc chế tạo thiết bị gia dụng tự động với chi phí linh kiện thấp (vi điều khiển dưới 200.000 VNĐ, linh kiện phổ thông, dễ tìm kiếm), tạo tiền đề tham khảo cho sinh viên ngành kỹ thuật trong các nghiên cứu phát triển robot dịch vụ sau này.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung được trình bày trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật và các hướng phát triển được đề xuất như sau:

  • Hạn chế của mô hình:
    • Chưa trang bị hệ thống định vị không gian và lập bản đồ phòng (chức năng Mapping/SLAM) giống như các dòng robot cao cấp thương mại, robot chỉ di chuyển theo giải thuật ngẫu nhiên (random) hoặc dích dắc định sẵn.
    • Chưa có tính năng tự động tìm kiếm trạm sạc và tự quay về dock sạc khi dung lượng pin xuống thấp.
    • Công tắc hành trình phản hồi cơ học yêu cầu phải chạm vật lý vào vật cản mới kích hoạt đổi hướng, tốc độ đáp ứng chậm hơn cảm biến không tiếp xúc và có thể gây xước bề mặt thân vỏ qua thời gian dài sử dụng.
    • Quạt hút bụi 12V là loại quạt tích hợp thông dụng, chưa tối ưu hóa hoàn toàn về mặt khí động học lực hút ly tâm và chưa có bộ lọc bụi mịn chuyên sâu.
  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống camera góc rộng hoặc cảm biến Lidar để xây dựng thuật toán học bản đồ không gian và định vị vị trí phòng làm việc.
    • Thiết kế thêm module phát hiện trạm sạc không dây hoặc hồng ngoại định hướng để robot tự động quay về nạp điện khi sắp hết pin.
    • Nâng cấp thuật toán quét phủ kín diện tích sàn thông minh hơn nhằm rút ngắn thời gian làm sạch và tiết kiệm năng lượng.
    • Cải tiến buồng hút bụi, tích hợp màng lọc HEPA để giữ lại các hạt bụi mịn li ti và giảm thiểu tiếng ồn động cơ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin có định hướng nghiên cứu hệ thống nhúng, robotics và thiết bị thông minh IoT.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Sơ đồ nguyên lý toàn mạch và giải pháp phân bổ chân I/O tối ưu trên kit vi điều khiển Arduino Uno R3.
    • Giải pháp ghép nối phần cứng và điều khiển công suất động cơ qua mạch cầu H L298N kết hợp động cơ DC Servo giảm tốc có Encoder GA37 V1.
    • Nguyên lý tính toán khoảng cách TOF với cảm biến siêu âm HC-SR04 và mạch so sánh quang điện hồng ngoại LM393.
    • Quy trình thiết kế mô hình cơ khí 3D trên phần mềm SolidWorks và phương pháp xây dựng ứng dụng điều khiển qua Bluetooth bằng nền tảng MIT App Inventor.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng cơ chế nào để ngăn robot không bị rơi ngã khi gặp cầu thang hoặc mép bàn?
Robot được trang bị 1 module thu phát hồng ngoại (sử dụng IC so sánh LM393) gắn ở mặt dưới đáy thân xe, hướng xuống mặt sàn với khoảng cách làm việc hiệu quả từ 2–5 cm. Khi robot di chuyển đến mép sàn hoặc bậc thang có độ cao chênh lệch, tia hồng ngoại không phản xạ trở lại mắt thu, điện áp đầu ra thay đổi trạng thái logic gửi về Arduino Uno R3. Vi điều khiển lập tức kích hoạt lệnh dừng khẩn cấp và điều khiển 2 động cơ lùi lại rồi chuyển hướng để chống rơi.

2. Hệ thống động cơ di chuyển của robot sử dụng loại nào và được điều khiển tốc độ ra sao?
Hệ thống di chuyển sử dụng 2 động cơ DC Servo giảm tốc GA37 V1 (điện áp định mức 12VDC, dòng tối đa 3A, tốc độ trước hộp số 10.000 RPM, tỉ số truyền 1:33 cho tốc độ sau giảm tốc đạt 303 RPM, tích hợp encoder từ tính 11 xung tạo 363 xung/vòng). Động cơ được điều khiển qua mạch cầu H L298N, trong đó vi điều khiển Arduino xuất tín hiệu logic vào các chân IN1-IN4 để đảo chiều quay và xuất xung PWM vào các chân EnA (chân 10), EnB (chân 5) để điều chỉnh tốc độ quay chậm, tạo lực kéo lớn giúp việc hút bụi đạt hiệu quả cao.

3. Tại sao tác giả kết hợp cả cảm biến siêu âm HC-SR04 và công tắc hành trình để phát hiện vật cản?
Cảm biến siêu âm HC-SR04 đo khoảng cách không tiếp xúc chính xác trong phạm vi từ 2 cm đến 500 cm theo nguyên tắc Time of Flight nhưng có góc quét hình quạt giới hạn, dễ để lại góc chết ở hai bên sườn thân xe. Do đó, tác giả sử dụng 1 cảm biến siêu âm ở chính giữa và 2 cảm biến siêu âm hai bên hông để quét tầm xa và so sánh khoảng trống rẽ hướng, đồng thời bố trí thêm 6 công tắc hành trình cơ học bao quanh thân xe để xử lý kịp thời các va chạm vật lý trực tiếp tại những vị trí góc chết mà sóng siêu âm không bao quát được.

4. Ứng dụng điều khiển robot qua điện thoại thông minh được xây dựng bằng công cụ nào và giao tiếp như thế nào?
Ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android được xây dựng thông qua nền tảng MIT App Inventor. Ứng dụng giao tiếp với vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua sóng Bluetooth bằng module HC-05 (kết nối chân TXD/RXD theo chuẩn UART với tốc độ baud 9600 bps). Khi người dùng thao tác các nút nhấn trên màn hình điện thoại (Tiến, Lùi, Trái, Phải, Dừng), ứng dụng gửi các ký tự mã lệnh qua Bluetooth để Arduino nhận và xuất lệnh điều khiển khối động cơ tương ứng.

5. Tổng số chân I/O trên Arduino Uno R3 được sử dụng trong đồ án là bao nhiêu?
Tổng số chân vào/ra (I/O) được phân bổ sử dụng là 21 chân, bao gồm: 2 chân Serial UART (chân 0, 1) cho module Bluetooth HC-05; 6 chân (chân 4, 10, A2, A3, A4, A5) cho 3 cảm biến siêu âm HC-SR04; 1 chân Digital cho module hồng ngoại chống rơi; 6 chân Digital cho 6 công tắc hành trình; và 6 chân (chân 5, 6, 7, 8, 9, 10) điều khiển hướng và tốc độ PWM qua module L298N.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công robot hút bụi tự động" của sinh viên Nguyễn Minh Long và Nguyễn Thị Hồng Chung (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một mô hình robot hút bụi tự động hoàn chỉnh, nhỏ gọn với đường kính 28 cm và chiều cao 10 cm. Hệ thống vận hành đồng bộ trên nền tảng vi điều khiển Arduino Uno R3, tích hợp hiệu quả hệ thống đa cảm biến (siêu âm, hồng ngoại, công tắc hành trình) giúp robot di chuyển linh hoạt theo chế độ ngẫu nhiên hoặc dích dắc, tự động tránh vật cản, chống rơi ngã độ cao và cho phép điều khiển từ xa mượt mà qua ứng dụng Android Bluetooth. Đồ án là một công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp giải pháp kỹ thuật rõ ràng với chi phí hợp lý, đóng vai trò là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho sinh viên và các kỹ sư nghiên cứu trong lĩnh vực cơ điện tử, hệ thống nhúng và robot di động.