❖ Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động DC24V
Công suất định mức 250W
Tốc độ chạy: 83 vòng/ phút
Dòng định mức 15.8A
43
3.5.4. Mạch hạ áp LM2596
Trong những dự án Arduino, để dự án được nhỏ gọn và tiết kiệm, ta có thể sử dụng board Arduino Pro Mini vì nó khá nhỏ gọn và giá thành thì rẻ. Nhưng Pro mini lại khơng có tích hợp mạch nguồn 3.3V và 5V, nên khó có thể cấp nguồn chuẩn 5V hay 3.3V cho các module hay cảm biến.
Mạch hạ áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dịng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 24V vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9V... như 5V hay 3.3V.
❖ Thông số kỹ thuật
Nguồn đầu vào từ 4V - 35V
Nguồn đầu ra: 1V - 30V
Dòng ra Max: 3A
Kích thước mạch : 53mm x 26mm
Đầu vào: INPUT +, INPUT-
Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT-
Hình 3. 20 Thơng số kỹ thuật mạch hạ áp LM2596
Hình 3.21 Module giảm áp LM2596
44
Khá đơn giản, ta chỉ cần cấp nguồn thô vào chân INPUT+, INPUT- rồi nhận nguồn ra từ chân OUTPUT+, OUTPUT-
Hình 3.22 Sơ đồ chân mạch hạ áp LM2596
Ta chỉnh điện áp đầu ra bằng cách vặn biến trở trên module... rồi lấy đồng hồ đo điện áp đầu ra, hiệu chỉnh sao cho phù hợp.
3.5.5. Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3
Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3 được sử dụng trong các ứng dụng nhận dạng, điều khiển bằng giọng nói, với khả năng ghi âm để nhận dạng lên đến 70 câu lệnh khác nhau, khả năng nhận dạng để thực thi 7 câu lênh cùng lúc, bất kỳ âm thanh nào cũng có thể được ghi âm để chuyển thành câu lệnh điều khiển, mạch có 2 ngõ ra xuất tín hiệu là các chân GPIO hoặc giao tiếp Serial UART rất dễ sử dụng, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển, nhận dạng giọng nói chuyên nghiệp.
3.5.5.1 Module nhận dạng giọng nói
45
❖ Thông số kĩ thuật
Điện áp sử dụng 4.5~5.5VDC
Dòng điện tiêu thụ <40mA
Giao tiếp: 5V TTL level for UART hoặc GPIOs.
Ngõ vào âm thanh Analog: Jack cắm 3,5mm
Độ chính xác 99%
Kích thước: 31 x 50mm.
Hỗ trợ thư viện Arduino
Tối đa 7 câu lệnh được thực hiện tại 1 thời điểm.
Hỗ trợ 70 câu lệnh khác nhau, độ dài 1500ms (nói 1 hoặc 2 từ).
Hình 3. 24 Thơng số kỹ thuật module VR3
3.5.5.2 Cách thức nhận diện giọng nói
Hệ thống nhận dạng giọng nói cơ bản:
Hình 3.25 Sơ đồ khối của hệ thống nhận dạng giọng nói
Một hệ thống nhận dạng thường bao gồm hai phần chính là huấn luyện (training) và nhận dạng (recognition) được thể hiện như trong hình. Trong đó “Rút trích đặc trưng” là quá trình đưa ra được những đặc trưng sau khi nhận được những thông tin từ tiền xử lí. “Huấn luyện” là q trình để hệ thống có thể “học” và “lưu trữ” những mẫu giọng được cung cấp, từ đó hình thành bộ từ vựng của hệ thống. Và quá trình “nhận dạng” là xem xét mẫu nào có trong bộ từ vựng đã được huấn luyện.
Huấn luyện (training) và nhận dạng (recognition)
46
❖ Huấn luyện:
Hình 3.26 Sơ đồ của quá trình huấn luyện
Tiếng nói của người cần nhận diện được thu thập và sử dụng để huấn luyện mơ hình. Tập các mơ hình của nhiều người nói cịn được gọi là cơ sở dữ liệu người nói.
❖ Nhận diện:
Hình 3.27 Sơ đồ của quá trình nhận dạng
Dữ liệu tiếng nói của một người dùng khơng rõ định danh được đưa vào hệ thống và so sánh có khớp hay khơng với cơ sở dữ liệu người nói
47
Cả hai pha đều có chung hai bước đầu. Bước đầu tiên là thu thập tiếng nói. Tiếng nói có thể được thu thập thơng qua micro và chuyển thành tín hiệu rời rạc – tín hiệu số (digital). Tuy nhiên dữ liệu này thơng thường sẽ bị nhiễu, do đó cần phải được tiền xử lý trước khi đưa vào pha bước thứ hai.
Ở bước thứ hai của khâu huấn luyện, thơng tin người nói sau khi đã được rút trích đặc trưng được mơ hình hóa (modeling) và lưu vào cơ sở dữ liệu.
Ở bước thứ ba của khâu nhận dạng, dữ liệu rút trích được so khớp với các dữ liệu trong cơ sở dữ liệu và đưa ra quyết định xem người đó là ai. Có thể thấy hai pha được thực hiện tách biệt nhau nhưng có liên quan rất gần với nhau, trong đó hai pha khó thực hiện nhất đó là rút trích đặc trưng và mơ hình hóa, so khớp dữ liệu.
Hình 3.28 Mơ phỏng cách thức biến giọng nói thành tín hiệu
3.5.6. Nguồn pin
Pin là một nguồn năng lượng điện được tạo ra bằng cách biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Từ khi được sáng chế lần đầu năm 1800 bởi Alessandro Volta, pin đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều đồ vật trong gia đình cũng như cho các ứng dụng cơng nghiệp. Có hai loại pin thường dùng:
• Pin sơ cấp (cịn gọi là pin khơ hay pin khơng sạc): pin dùng 1 lần, được thiết kế để sử dụng 1 lần sau đó vứt đi.
• Pin thứ cấp (cịn gọi là pin sạc): được thiết kế để nạp được nhiều lần.
Pin có 3 thành phần cơ bản: hai phần ở đầu và cuối được làm bằng các chất hoá học khác nhau (thường là kim loại), hay được gọi là cực dương và cực âm và chất điện phân tách hai thành phần này. Chất điện phân là một dung mơi hố học, cho
48
phép dòng điện chảy giữa cực dương và cực âm. Khi một thiết bị được kết nối với pin, một bóng đèn hoặc một mạch điện các phản ứng hoá học sẽ xảy ra trên các cực điện và tạo ra dòng chảy năng lượng điện đến thiết bị.
Hình 3.29 Nguồn tự tế dùng trên xe
❖ Các thông số:
Loại Pin Lithium-ion
Điện áp tiêu chuẩn 24V
Dung lượng pin 20Ah
Dòng xả tối đa liên tục 10A
Điện áp sạc 42V
Trọng lượng Pin 3.5kg
Tiêu chuẩn CE,RoHS, Msds chứng nhận
49
Chương 4
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Sơ đồ khối
4.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 4. 1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng các khối
- Khối nguồn: cung cấp nguồn ổn định cho toàn mạch hoạt động.
- Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối nhận dạng giọng nói và khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối cơng suất động cơ.
- Khối thu phát wifi: là cầu nối trung gian để nhận, gửi dữ liệu từ điện thoại và khối trung tâm để xử lí các hoạt đơng điều khiển
- Khối công suất điều khiển động cơ: nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm để điều khiển động cơ.
- Điện thoại Android: truyền, nhận dữ liệu qua lại với khối thu phát wifi.
- Khối nhận dạng giọng nói: Truyền dữ liệu đến khối điều khiển trung tâm để
50
4.1.2 Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối cơng suất động cơ.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều dịng vi điều khiển khác nhau như PIC, AVR, 8051, Raspberry, Arduino... Tất cả đều có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra nhưng nhóm chọn Arduino vì nó có những ưu điểm sau:
- Giá thành rẻ, dễ sử dụng, là module hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển AVR.
- Kích thước nhỏ gọn.
- Là dịng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều thư viện hổ trợ cho các module
chức năng khác nhau, trình biên dịch đơn giản, dễ sử dụng.
4.1.3 Khối thu phát Wifi
Chức năng của khối thu phát Wifi trong mơ hình này là để giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và điện thoại, là cầu nối trung gian để nhận dữ liệu từ điện thoại sau đó gửi tới khối trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển và nhận dữ liệu ngược lại từ khối trung tâm để hiện thị lên trên điện thoại. Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module Wifi hỗ trợ vi điều khiểu giao tiếp với thiết bị khác thông qua kết nối Wifi, một số module Wifi thường được sử dụng trong thực tế là: ESP8266-12E, module WiFi MT7687F IoT, ESP8266 NodeMCU,…
Tuy nhiên, dựa theo yêu cầu của đề tài thì module Wifi dùng để tạo điểm truy cập wifi (Wifi Access Point) cho phép các thiết bị khác kết nối, giao tiếp và điều khiển khiển nên nhóm thực hiện quyết định chọn module ESP8266 NodeMCU vì các lý do như: giá thành rẻ, tốc độ truyền phù hợp, dễ dàng tìm mua, sử dụng các mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phù hợp với khả năng của sinh viên.
Điện áp hoạt động của ESP8266 NodeMCU là 5V và dòng hoạt động là 300mA.
4.1.4 Khối nhận dạng giọng nói
Để mạch nhận dạng giọng nói VR3 hoạt động ta sử dụng mức điện áp cấp vào là 5V lấy từ khối giảm áp. Hai chân Tx và Rx của mạch nhận dạng giọng nói VR3 ta
51
kết nối chéo với hai chận Rx và Tx của ESP8266 như hình trên đề truyền dữ liệu qua lại với ESP8266.
Hình 4. 2 Sơ đồ kết nối VR3
4.1.5 Khối công suất điều khiển động cơ
Động cơ được chọn trong mơ hình là động cơ giảm tốc DC để điều khiển xe chạy tiến, lùi, xoay trái, xoay phải, điều chỉnh tốc độ nhanh chậm theo ý muốn.
Hình 4. 3 Khối công suất điều khiển động cơ
52
4.1.6 Khối nguồn
Khối nguồn có chức năng tạo dịng và áp ổn định cung cấp cho mạch
Hình 4. 4 Nguồn thực tế dùng cho xe lăn điện
❖ Các thông số:
Loại Pin Lithium-ion
Điện áp tiêu chuẩn 24V
Dung lượng pin 20Ah
Dòng xả tối đa liên tục 10A
Điện áp sạc 42V
Trọng lượng Pin 3.5kg
Tiêu chuẩn CE,RoHS, Msds chứng nhận
Bảng 4. 1 Thông số kỹ thuật của nguồn
❖ Công suất tiêu thụ:
•Dịng ESP8266 1 chân GPIO là 20mA, trong hệ thống này sử dụng 8 chân GPIO nên dòng sẽ là 160mA.
•Dịng module 1 chân là 40mA, sử dụng 2 chân nên số dịng là 80mA. •Do đó, có tổng dịng là 240mA.
53
•Cơng suất tiêu thụ của hệ thống là: P = U*I = 5 *0.24= 1.2 W
❖ Tính thời gian sử dụng của xe:
Thời gian sử dụng của ắc quy phụ thuộc vào dung lượng của ắc quy và công suất của tải theo công thức dưới đây:
t = (A * V * ƞ)/ P
•Trong đó:
t: là thời gian sử dụng của ắc quy (giờ)
A: Dung lượng của ắc quy (Ah) V: Điện áp ắc quy (VDC)
ƞ: Hệ số sử dụng của ắc quy (Accu) ≈ 0.8 P: công suất tải (W)
Thời gian sử dụng bình
Do xe được điều khiển với 2 tốc độ nên ở mỗi mức độ sẽ có 1 thời gian sử dụng khác nhau, qua thực nghiệm và tính tốn đã cho ra kết quả:
t= (20*24*0.8) / (1.2+10x2) = 18.1h
Tương tự như vậy ta có được thời gian sử dụng khi tăng tốc: t= (20*24*0.8) / (1.2+20x2) = 9.3h
54
4.2 Sơ đồ nguyên lý
4.2.1 Sơ đồ ngun lí của tồn hệ thống
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được thể hiện rõ trong Hình 4.4
55
4.2.2 Sơ đồ ngun lí của khối nhận diện giọng nói
Arduino lấy nguồn từ LM2596, sau đó cung cấp nguồn cho mạch nhận diện giọng nói VR3 và nhận tín hiệu từ VR3. Đối với mạch nhận diện giọng nói, cần phải học qua arduino để có thể nhận dạng tín hiệu.
Hình 4. 6 Sơ đồ nguyên lý của khối nhận diện giọng nói
4.2.3 Sơ đồ nguyên lí của khối điều khiển động cơ bằng Arduino
Arduino cấp nguồn cho 2 mạch điều khiển động cơ. Mạch điều khiển động cơ BTS7960 được kết nối với Arduino với 2 chức năng chính là dùng để điều khiển motor quay thuận hoặc nghịch. Các tín hiệu từ VR3 sẽ được Arduino xử lý và xuất ra để điểu khiển bts7960 trái và bts7960 phải
Chân L_EN và R_EN dùng để điều khiển tốc độ của động cơ Chiều chuyển động của motor:
Khi R_PWM=1 và L_PWM=0 thì motor quay theo chiều thuận Khi R_PWM=0 và L_PWM=1 thì motor quay theo chiều nghịch Khi R_PWM=0 và L_PWM=0 thì motor sẽ khơng quay
Hình 4. 7 Sơ đồ nguyên lí của khối điều khiển động cơ bằng Arduino
56
4.2.4 Sơ đồ nguyên lí của khối điều khiển động cơ bằng Esp8266
Cũng tương tự như Arduino, mạch thu phát wifi esp8266 cũng dùng để điều khiển các chân L_EN, R_EN, L_PWM và R_PWM
Nhờ nguồn cấp cho BTS7960 có sẵn từ Arduino, thì esp8266 sẽ khơng cần cấp VCC và GND và cách điều khiển BTS7960 cũng tương tự như Arduino
Hình 4. 8 Sơ đồ ngun lí của khối điều khiển động cơ bằng Esp8266
4.2.5 Sơ đồ ngun lí của khối nguồn động cơ
Hình 4. 9 Sơ đồ nguyên lí của khối nguồn động cơ
Với mạch điều khiển động cơ BTS7960 điều khiển các động cơ cần điện áp lớn thì nguồn pin 24V là nguồn thích hợp
Khi nhận tín hiệu từ L_EN, R_EN, L_PWM và R_PWM
Khi R_PWM=1 và L_PWM=0 thì M+sẽ được cấp nguồn dương (B+) và M- sẽ được cấp nguồn âm (B-), làm cho motor quay theo chiều thuận
Khi R_PWM=0 và L_PWM=1 thì M+sẽ được cấp nguồn dương (B-) và M- sẽ được cấp nguồn âm (B+), làm cho motor quay theo chiều nghịch
Khi R_PWM=0 và L_PWM=0 thì M+ và M- sẽ khơng nhận nguồn
57
Chương 5
THI CÔNG
5.1. Lập trình hệ thống
5.1.1 Lưu đồ giải thuật tồn hệ thống
Hình 5. 1 Lưu đồ giải thuật tồn hệ thống
Giải thích lưu đồ tồn hệ thống: Khi cấp điện hệ thống, chương trình bắt đầu chạy. Nguồn vào là các tín hiệu từ app (khi người dùng nhấn các phím điều hướng trên), các lệnh thoại từ giọng nói của người đọc.
58
Đầu tiên sẽ kiểm tra xem có bất kì giọng đọc nào khơng, nếu có thì sẽ tiếp tục kiểm tra là có đang nhấn app hay khơng. Nếu lúc đó cũng có tín hiệu từ app thì sẽ ưu tiên thực hiện lệnh của app, nếu khơng có tín hiệu từ app thì mới thực hiện lệnh của giọng nói.
Nếu đầu tiên thấy khơng có lệnh nào từ giọng nói, sẽ bắt đầu tiếp tục kiểm tra rằng app có tín hiệu điều khiển hay khơng, nếu có thì sẽ thực hiện lệnh nhận được từ app. Nếu khơng có lệnh từ cả app và của cả giọng nói thì sẽ quay lại từ đầu để thực hiện phần nói hoặc nhấn lại và đi kiểm tra tiếp tục.
59
5.1.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng App Blynk
Hình 5. 3 Lưu đồ giải thuật bằng App Blynk
Giải thích lưu đồ điều khiển bằng app:
Khi cấp nguồn cho hệ thống hoạt động, ta bắt đầu nhập tín hiệu đầu vào bằng cách nhấn đè nút bất kì mà ta muốn điều khiển của app trên màn hình điện thoại.
Khối kiểm tra phím điều hướng xe lăn: Khi có nhấn đè một trong các nút tới, lui, trái, phải (chỉ được nhấn một phím) thì lệnh đó sẽ kích hoạt tín hiệu điều khiển lên mức 1 và được gửi sang chương trình chính để điều khiển xe theo hướng đó. Khi bng phím ra hoặc chuyển hướng thì tín hiệu điều khiển sẽ quay về mức 0.
60
5.1.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng giọng nói
Hình 5. 4 Lưu đồ giải thuật toàn điều khiển bằng giọng nói
Giải thích lưu đồ điều khiển bằng giọng nói:
Khi cấp nguồn khởi động hệ thống thì ta bắt đầu đọc các lệnh thoại mà đã từng huấn luyện (nhanh, tới, lui, trái, phải, dừng) để nạp tín hiệu đầu vào
Đầu tiên, kiểm tra lệnh thoại nói "tới". Nếu có nhận dạng được lệnh "tới" này từ Module nhận dạng giọng nói thì sẽ xuất đi một tín hiệu để báo hiệu có lệnh tới và