Siêu âm dò đường cho người khiếm thị

Siêu âm dò đường cho người khiếm thị

Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 1- CHÚ Ý Bạn đã download tài liệu này từ website www. bme.vn. Các bạn có quyền tự do sử dụng tài liệu này cho các mục đích học tập, nghiên cứu. Nếu bạn sử dụng những tài liệu này cho mục đích thương mại phải xin ý kiến của các tác giả. Nếu bạn khơng thể liên lạc trực tiếp với tác giả h ãy liên hệ với chúng tơi theo địa chỉ bmevn@bme.vn, chúng tơi sẽ giúp bạn. www.bme.v n Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 2- ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT Y SINH ---------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ SVTH: Dương Hoàng Yến Email : neymit21@yahoo.com GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch Tp.HCM, Tháng 01/2007 Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 3- Chương 1 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Thiết bò siêu âm dò đường cho người khiếm thò thì không quá mới, nó đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng khá nhiều ở một số nước trên thế giới. Tuy nhiên vẫ n chưa có thiết bò nào được nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam , trong khi nhu cầu về thiết bò ở Việt Nam là khá lớn. Trong phạm vi những kiến thức đã học, em đã chọn đề tài này, với mong muốn gợi lên một ý tưởng và tiến hành những bước đi ban đầu về thiết bò phục vụ người khiếm thò . Thiết bò hoạt độ ng dựa trên nguyên lý phát và thu tín hiệu của cảm biến siêu âm. Trong y học ngày nay, cụm từ “siêu âm” hầu như không còn xa lạ với mọi người. Siêu âm đã và đang được ứng dụng khá rộng rãi, như: chẩn đoán bằng siêu â m, siêu âm trò liệu, dao m ổ siêu âm… và ngoài y học, siêu âm cũng đượ c ứng dụng khá nhiều trong các lónh vực khác trong công nghiệp. Trong đề tài này , cảm biến siêu âm được dùng với mục đích nhậân biết vật cản và khoảng cách vật cản. Những nhiệm vụ chính của luận văn này là:  Tìm hiểu lý thuyết cơ sở về siêu âm, những đề tài có liên quan đến thiết bò đã được thực hiện trên thế giới.  Nghiên cứu về cảm biến siêu âm, lựa chọn cảm b iến siêu âm phù hợp mục đích thiết bò.  Thực hiện mạch xử lý phân giải dọc cho cảm biến, đánh giá những kết quả ban đầu. Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 4- Chương 2 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2.1 - LỜI NÓI ĐẦU : Khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển không ngừng qua các thời kỳ. Trong quá khứ là sự phát triển của công nghệ tự động hóa và năng lươ ïng hạt nhân. Ngày nay là sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ thông tin. Và trong một tương lai gần là sự chiếm lónh của Công nghệ sinh học, Công nghệ Nano, x a hơn nữa là Khoa học vũ trụ. Khoa học kỹ thuật p hát triển không ngừng là để ã phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống, nhằm đem lại nhữn g thuận lợi, tiện nghi, thoả i mái cho hoạt đ ộng hằng ngày của mỗi người , giúp cho việc chuyển giao thông tin đi xa và nhanh hơn, cũng n hư trong việc nghiên cứu, phòng ngừa và chống lại những căn bệnh của thế kỷ nhờ công ng hệ gen và sẽ tìm ra những “ vùng đất sự sống mới” … Khoa học phát triển đã thực sự hỗ trợ rất nhiều trong cuộc sống của mỗi chúng ta. Nhưng khoa học và ứng dụng của nó là dàønh cho tất cả mọi người. Vì vậy khoa học công nghệ không chỉ tiếp cận những người bình thường mà còn phải tiếp cận và hỗ trợ hơn nữa cho những người khuyết tật, những người vốn dó đã gặp rất nhiều thiệt thòi và khó khăn trong cuộc sống. Phải làm sao để tạo thuận lợi nhất cho họ, giúp họ có thể sinh hoa ït bình thường, hoà nhập cuộc sống cộng đồng là điều tối thiểu cần phải làm được, và điều tốt hơn là tạo điều kiện để cho họ có thể phát huy hết khả năng bản thân phục vụ trở lại cho lợi ích bản thân và lợi ích cộng đồng. Cụ thể như : việc chế tạo và cải tiến không ngừng các loại xe lăn, hay chi giả giúp cho người bò khiếm khuyết chi có thể tự di chuyển, và hơn nữa là có thể tham gia chơi thể thao (như thi đấu ParaGames); Hay các thie át bò trợ thính giúp cho người khiếm thính có thể dễ dàng hơn trong giao tiếp và cập nhật thông tin; Hay các phần mềm trình đọc màn hình giúp cho Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 5- người khiếm thò có thể sử dụng máy vi tính truy cập Internet, cũng như xây dựng các thư viện sách nói để phục vụ nhu cầu về thông tin và giải trí cho họ … Để góp phần nhỏ vào lónh vực khoa học kỹ thuật hỗ trợ người khuyết tật, dựa trên những ý tưởng đã có về việc cải thiện sự đi lại cho người k hiếm thò, dựa trên những thiết bò đang được nghiên cứu và đã đưa vào sử dụng ở một số nước trên thế giới và tình hình thực tế ở Việt Nam, nên luận văn này được hình thành với m ục đích nghiên cứu ứng dụng thiết bò siêu âm dò đường cho người khiếm thò và tiến đến thiết kế mô hình thiết bò có khả năng ứng dụng cao. 2.2 - KHIẾM THỊ LÀ GÌ? CÁC LOẠI KHIẾM THỊ ? NGƯỜI KHIẾM THỊ CẦN GÌ? [5 ] Thuật ngữ “khiếm thò” dùng để mô tả tình trạng thò lực không thểà điều chỉnh bằng kính thuốc hay phẫu thuật, bao gồm những người mắc bệnh thò lực chỉ còn một phần và những người bò mù hoàn toàn. Một số người khiếm thò khó nhìn thấy nh ững vật ngay trước mặt nhưng có thể nhìn thấy những vật trên sàn hoặc hai bên. Một số người ngược lại có thể thấy rõ những vật ngay trước mắt nhưng không thấy gì ở hai bên. Một số trường hợp bệnh lý có thể gây thò lự c chỉ nhìn lốm đốm từng vùng, một số khác gây ảnh hưởng đến khả năng nhận biết màu sắc. Cũng có một số người thì rất khó khăn khi gặp ánh nắng chói chang và một số khác thì không thể nhìn thấy gì khi ánh sáng yếu … Mu ø hoàn toàn có thể là hệ quả của các loại bệnh thò lực ghi nhận ở trên, cũng như từ các nguyên nhân khác như: tai nạn, võng mạc bò tách ra ở cả hai mắt và các bệnh khác. Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 6- Thoái hóa hoàng điểm Đục thủy tinh thể Ống thò giác Bệnh lý võng mạc do tiểu đường Hình 2.1 - Một số hình ảnh minh họa về khả năng nhìn của người khiếm thò ứng với vài bệnh thò lực phổ biến . Những người bò mất thò lực một cách đột ngột, đặc biệt là nếu họ đang học tập, nghiên cứu và làm việc thì họ vẫn mong muốn được tiếp tục công việc của mình, muốn được họ c, đọc, nghiên cứu hoặc giải trí. Nên họ sẽ học ngôn ngữ riêng là Braille hay Moon, và dùng sách nói, các chương trình đọc web chuyên dụng. Về khả năng đi lại, theo một bài báo từ trang web của Anh đưa ra một vài số liệu t hống kê: 32% người lớn khiếm thò nói rằng họ bò giới hạn rất nhiều trong việc đi lại ngoài đường, 26% nói rằng họ bò giới hạn hoàn toàn khả năng đi lại ngoài đường, 48% tương đối tự tin khi đi bộ một mình trong khu vực mà họ sinh sống. Rất ít Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 7- người khiếm thò dùng phương tiện hỗ trợ đi lại: 22% người khiếm thò từ 16 tuổi trở lên dùng gậy và 1% dùng chó dẫn đường. Từ đó ta có thể nhận thấy tình hình người khiếm thò ỡ Việt Nam thì còn khó kha ên hơn rất nhiều trong việc tự đi lại. 2.3 - TÌNH HÌNH THỰC TẾ VỀ N GƯỜI KHIẾM THỊ ƠÛ VIỆT NAM [5 ]: Theo thống kê của Viện Mắt Trung ương, nước ta có khoảng 900.000 người khiếm thò, trong đó có khoảng hơn 600.000 thuộc đối tượng m ù hoàn toàn, chiếm 1,20% dân số cả nước (theo kết quả điều tra về tình hình mù lòa năm 2002). Phần lớn người tàn tật nói chung sống cùng với gia đình, chiếm tỷ lệ 95,85%. Số người tàn tật sống độc thân chiếm 3,31%. Tỷ l ệ người tàn tật sống trong trại bảo trợ của nhà nước là 0,22% (tập trung chính ở 2 nhóm tuổi 15 -55 chiếm 54,17% và nhóm tuổi dưới 15 chiếm 28,85%). Người tàn tật sống lang thang là 0,62%. Về môi trường sống của người mù kh ông có số liệu thống kê chi tiết, nhưng tỷ lệ người mù trên tổng số người khuyết tật là 15,70%, nên dựa vào những số liệu đó ta cũng có thể ước tính được môi trường sống của họ. Vẫn còn khó khăn khi người tàn tật đi ra ngoài một mình, vì thành phố thiếu những đường đi và phương tiện giao thông có thiết kế đặc biệt dành cho người khuyết tật. Việt Nam chưa có cơ sở hạ tầng như là những lối đi trong công viên công cộng dành cho người k huyết tật và hệ thống giao thông hữu ích đề người khuyết tật có thể tự đi ra ngoài mà không cần nhiều đến sự trợ giúp của người nhà. Theo Vietnamnet về chương trình người khuyết tật tiếp cận các công trình công cộng, thì phần lớn các công trình đang xây dựng và sử dụng đều thiếu phương tiện và trang thiết bò, cũng như các giải pháp thiết kế tiếp cận sử dụng đối với người khuyết tật. Nó sẽ là rào cản hạn chế người khuyết tật hòa nhậ p cộng đồng, phát huy năng lực, đóng góp cho xã hội. 2.4 – Ý TƯƠÛNG VỀ THIẾT BỊ SƯÛ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ ( An Ultrasonic Rangefinder For The Blind) : Waters, một nhà động vật học tại Đại học Leeds của Anh, đã nảy ra ý tưởng này khi quan sát dơi tìm thức ăn. Cổ họng dơi có thể phát sóng siêu âm rất mạnh, thoát ra ngoàøi qua Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 8- miệng và lỗ mũi. Khi gặp phải vật thể, sóng siêu âm liền phản xạ trở lại, tai của dơi nghe được âm thanh phản hồi, nên dơi có thể phán đoán được khoảng cách và kích cỡ to nhỏ của vật thể. Tương tự, nếu ta dùng một cảm biến có khả năng tạo ra sóng siêu âm có tần số khoảng từ 40kHz đến 80kHz vào môi trường xung qua nh. Sóng sẽ lan truyền và khi gặp vật cản sẽ phản hồi trở lại. Hình 2.2 – Nguyên tắc của phạm vi tín hiệu dội. Khoảng cách với vật cản có thể được xác đònh bằng đo thời gian giữa xung phát và tín hiệu dội nhận được, giả thiết vận tốc truyền âm trong môi trường không đổi. Thu nhận tín hiệu phản hồi này, dựa trên vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường đã biết, thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận sóng phản hồi t , và s ố lượng sóng phản hồi về, ta dùng thuật toán xử lý sẽ cho biết khoảng cách và kích thước vật cản. Tín hiệu sau khi xử lý và tính toán sẽ được chuyển sang dạng âm thanh nghe được, hay dạng rung động cơ học có thể cảm nhận đượ c để giao tiếp với sử dụng. Tuy nhiên, với việc xác đònh vò trí bằng tín hiệu phản hồi, để mô tả được vò trí của vật cản một cách chính xác, thì cần đảm bảo hai điều kiện sau đây : Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 9- 1. Sóng siêu âm phải truyền thẳng tới m ặt phân cách (hướng vuông góc với mặt phân cách) và quay trở về đầu dò theo đường truyền thẳng. 2. Vận tốc truyền âm trong môi trường không đổi trong quá trình truyền. Hình 2.3 – Sơ đồ khối cơ sở của thiết bò Vì các cảm biến siêu âm thường có tầm quét lớn và góc mở nhỏ khoảng 30 o , nên để nhận biết đúng chính xác vò trí vật cản ta sẽ :  Tăng số lượng cảm biến siêu âm, và cần bố trí vò trí các cảm biến hợp lí để có độ phân giải ngang chính xác của vật cản. Do tín hiệu sóng của cảm biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên tín hiệu trả về bò ảnh hưởng lẫn nhau , nếu việc bố trí khối cảm biến hợp lí thì có thể giảm được nhược điểm này của cảm biến siêu âm. Giả sử như chúng ta có 2 cảm biến được bố trí như sau : Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn - 10- Hình 2.4 – Bố trí các cảm biến =>Khi đó vò trí của vật cản có thể được xác đònh d ựa vào giao điểm của 2 cung tròn giới hạn tầm đọc của 2 cảm biến.  Hoặc cho cảm biến xoay quanh trục theo chu kỳ để có góc quét là lớn hơn. 2.5 - THỰC TRẠNG VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐANG ĐƯC NGHIÊN CỨU VÀ SƯÛ DỤNG TRÊN THẾ GIỚI : 2.5.1 - Thiết bò siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Switch TM 1700 của David T.Batarseh, Đại học bang Mississippi (được nghiên cứu và ứng dụng năm 1997) [2]: Thiết bò có cấu tạo chính là cảm biến Sona Switch TM 1700, bộ biến đổi AD654 và máy nghe. Cảm biến này sẽ phát và thu nhận sóng siêu âm để xác đònh k hoảng cách từ cảm biến đến vật cản. Cách thức hoạt động của thiết bò : cảm biến sẽ phát và nhận sóng phản hồi, tín hiệu ngõ ra cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thay đổi trong khoảng từ 5V đến xấp xỉ 0V, ứng với khoảng cách vật cản thay đổi từ 1,5 feet đến hơn 12 feet. Sau đó, khối AD654 sẽ nhận tín hiệu một chiều không đổi từ ngõ ra của cảm biến và chuyển sang xung vuông xoay chiều, theo biểu thức sau: [...]... chu kỳ : f [ Hz ] 1 T [s] (3.1) Siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà con người không thể nghe thấy, chú ng là các sóng có tần số lớn hơn 20kHz Hạ âm là sóng cơ với tần số nhỏ hơn 20Hz, con người cũng không thể nghe được Âm thanh, siêu âm, hạ âm có cùng thuộc tính là sóng âm f < 20 Hz 20 Hz < f < 20.000 Hz f > 20.000 Hz Hạ âm Âm thanh Siêu âm Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe được... biến siêu âm, tính t oán và đưa ra giải thuật xử lý phân giải dọc cho cảm biến Từ đó, tiến tới hình thành mô hình cơ bản về thiết bò siêu âm dò đường cho người khiếm thò 4.1 – THỰC HIỆN MẠCH ĐIỀU KHIỂN : Hình 4.1 – Sơ đồ khối Yêu cầu đầ u tiên của thiết bò là sóng siêu âm phát ra có cường độ đủ mạnh để truyền đi trong không khí và nếu gặp vật cản sẽ phản hồi trở về nên cần khuếch đại công suất cho tín... âm thấp nên vận tốc truyền âm trong môi trường nhỏ hơn [1] 3.1.3 - Một số tương tác của siêu âm với môi trường mà ta cần quan tâm : 3.1.3.1 - Phản xạ : Tương tác chính được quan tâm trong siêu âm dò đường là phản xạ Nếu một chùm sóng âm được truyền mặt phân cách hai môi trường, một phầm âm bò phản xạ, còn một phần âm bò khúc xạ vào (truyền qua) môi trường thứ hai Chính nhờ các tia phản xạ trở về mà ta... cảm biến siêu âm : Sóng siêu âm phát ra và thu về cảm biến , một cách gián tiếp nó cho ta biết vò trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến Khi đó, dường như trên đoạn đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất kỳ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vò trí mà thông số trả về cảm biến ghi nhận được có một chướng ngại vật Vì thế tầm quét của cảm biến siêu âm có thể... cảm biến và nối cho AD654 tín hiệu áp vào là 5V, tạo tần số âm thanh nghe được là 20Hz sẽ báo động cho người sử dụng khi họ sắp đến gần hố trong khoảng 5 feet Khi người sử dụng trở nên quen dần với những âm thanh có tần số khác nhau sẽ dễ dàng xác đònh được vật cản trước mặt - 11- Luận văn tố t nghiệp www.bme.vn Hình 2.6 - Thiết bò siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Switch TM1700 Thiết bò dùng nguồn... được chia làm 2 phần chính : đ cảm biến siêu âm (với góc mở cảm biến là 30o) và mạch vi xử lý Vò trí đặt đầu dò siêu âm phải đảm bảo 2 nhiệm vụ vừa phát ra tín hiệu và thu nhận xung phản hồi Tín hiệu pha ùt ra với tần số cao không thể nghe thấy, được giữ trong khoảng nửa ms, một mức áp 400V được đặt vào mỗi đầu dò trong khoảng thời gian phát xung Vì vậy, đầu dò siêu âm được bọc tinh vi, cẩn thận và lớp... biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ các cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt và quay lại cảm biến một cách không mong muốn - 31- Luận văn tố t nghiệp www.bme.vn Hình 3.13 – Hiện tượng đọc chéo Hình 3.14 – Hiện tượng đọc chéo 3.3.3 – nh hưởng của trường gần và trường xa : Mục tiêu chung của hầu hết các thiết bò siêu âm là... hướng chùm si êu âm theo nhiều hướng Do mặt phân cách không phẳng, chùm siêu âm tới mặt phân cách với các góc tới khác nhau, tạo ra các góc phản xạ khác nhau Điều này sẽ làm mất sự kết hợp các chùm tia phản xạ, làm cho tín hiệu dội về đầu dò yếu đi.[1] Hình 3.3 – Phản xạ khuếch tán 2.1.3.2 - Nhiễu xạ : Nhiễu xạ gây ra chùm siêu âm bò phân ra hoặc trải ra khi chùm sóng ra khỏi nguồn âm Tốc độ phân kỳ... đối với người khiếm thò Trên thực tế, đề tài này không mới, vì nó đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng khá nhiều ở một số nước Tuy nhiên giá cả của nó là rất đắt Nên vấn đề đặt ra là khả năng tự nghiên cứu va ø chế tạo thiết bò trong nước với giá thành phù hợp hơn - 16- Luận văn tố t nghiệp www.bme.vn Chương 3 LÝ THUYẾT TIẾP CẬN 3.1 - ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM : 3.1.1 - Các khái niệm về sóng âm: Âm thanh... www.bme.vn Âm truyền theo những tia gọi là tia âm Thực nghiệm chứng tỏ tia âm cũng có thể bò phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ như tia sáng Khi tia âm truyền qua hai môi tr ường có vận tốc truyền âm khác nhau thì ở mặt phân cách hai môi trường, một phần tia âm bò phản xạ, một phần bò khúc xạ Góc phản xạ bằng góc tới Còn góc khúc xạ lớn hơn hay nhỏ hơn góc tới là tùy thuộc vào vận tốc truyền âm trong . bò siêu âm dò đường cho người khiếm thò và tiến đến thiết kế mô hình thiết bò có khả năng ứng dụng cao. 2.2 - KHIẾM THỊ LÀ GÌ? CÁC LOẠI KHIẾM THỊ ? NGƯỜI. với mọi người. Siêu âm đã và đang được ứng dụng khá rộng rãi, như: chẩn đoán bằng siêu â m, siêu âm trò liệu, dao m ổ siêu âm và ngoài y học, siêu âm cũng