tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ TÌM HIỂU SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS Hồ Hữu Hậu Nguyễn Thị Tuyết Giao Mã số SV: 1117585 Lớp: Sư phạm Vật lý- Công nghệ Khoá: 37 Cần Thơ, năm 2015 LỜI CẢM ƠN Hoàn thành luận văn xin chân thành cảm ơn quý thầy (cô) Khoa Sư phạm Bộ môn Sư phạm Vật lý cung cấp cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt thời gian học tập rèn luyện trường Đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Hồ Hữu Hậu tận tình bảo định hướng hướng dẫn thực thành công đề tài luận văn Và muốn gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè người thân động viên, giúp đỡ hoàn thành luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng hạn chế kiến thức nên tránh khỏi thiếu sót Kính mong đóng góp ý kiến quý thầy (cô) bạn Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Thị Tuyết Giao LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu trước Mọi tham khảo, trích dẫn rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày 16 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Tuyết Giao MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài 2.Mục đích đề tài 3.Giới hạn đề tài 4.Phương pháp nghiên cứu 5.Các bước thực PHẦN NỘI DUNG Chương 1: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM 1.1 Sóng âm 1.1.1 Khái niệm sóng âm 1.1.2 Sự hình thành sóng âm môi trường 1.1.3 Các đại lượng đặc trưng sóng âm 1.2 Các đặc trưng sóng âm 1.2.1 Đặc trưng vật lý 1.2.2 Đặc trưng sinh lý 1.3 Tính chất sóng âm 1.4 Một số tương tác siêu âm môi trường 1.4.1 Phản xạ khúc xạ 1.4.2 Tán xạ 1.4.3 Nhiễu xạ 1.4.4 Sự giao thoa 1.4.5 Sự hấp thụ độ suy giảm 10 1.5 Kết luận 10 Chương 2: CẢM BIẾN SIÊU ÂM 11 2.1 Giới thiệu chung cảm biến siêu âm 11 2.2 Hiệu ứng áp điện tượng từ giảo 11 2.2.1 Hiệu ứng áp điện 11 2.2.2 Hiện tượng từ giảo 15 2.3 Nguyên lý hoạt động 16 2.3.1 Nguồn phát sóng siêu âm 16 2.3.2 Nguồn thu sóng siêu âm 17 2.4 Tầm quét cảm biến siêu âm nguyên lý TOF (Time Of Flight) 18 2.4.1 Tầm quét cảm biến siêu âm 18 2.4.2 Nguyên lý TOF (Time Of Flight) 18 2.5 Ưu điểm nhược điểm cảm biến 19 2.6 Cảm biến siêu âm MA40B8R/S 19 2.7 Thông số số loại cảm biến siêu âm SRF 21 i 2.8 Các sai số nhiễu phổ biến cảm biến siêu âm 21 2.8.1 Sai số lặp 21 2.8.2 Hiện tượng Forecasting 21 2.8.3 Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) 22 2.8.4 Ảnh hưởng trường gần trường xa 23 2.9 Kết luận 24 Chương 3: KHIẾM THỊ 25 3.1 Giới thiệu 25 3.2 Nguyên nhân dẫn đến khiếm thị Người khiếm thị cần gì? 26 3.3 Tình hình khiếm thị giới Việt Nam 26 3.4 Kết luận 27 Chương 4: MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SRF05 VỚI VI ĐIỀU KHIỂN 89C51 28 4.1 Sơ đồ khối cho hệ thống 28 4.2 Mô tả nguyên lý hoạt động cho thiết bị 28 4.3 Vi điều khiển 89C51 28 4.4 Mạch tạo nguồn 5V cung cấp cho VĐK 31 4.5 LED đơn 31 4.6 LED chữ số chung anốt 32 4.7 Tranzitor NPN C1815 33 4.8 Module đo khoảng cách SRF05 34 4.8.1 Giới thiệu 34 4.8.2 Hoạt động phát nhận phản hồi sóng âm SRF05 34 4.8.3 Bảng thông số kỹ thuật 36 4.8.4 Miêu tả chân theo chế độ hoạt động 36 4.9 Kết luận 40 Chương 5: THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ 41 5.1 Ý tưởng thiết bị sử dụng siêu âm dò đường cho người khiếm thị 41 5.2 Thực trạng thiết bị nghiên cứu sử dụng toàn giới 42 5.2.1 Thiết bị siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Swich TM 1700 David T.Batarseh, Đại học bang Mississippi (được nghiên cứu sử dụng năm 1997) 42 5.2.2 Thiết bị chống va chạm vật cản Timothy S.Lane Martyn J.C.Berry, Đại học bang New York Buffalo 44 5.2.3 Gậy BAT ‘K’ sonar 45 5.2.4 Gậy BATOONG MAGIC-WATERS 45 5.2.5 Nhẫn EYERING 46 5.2.6 Một số thiết bị khác nghiên cứu sử dụng 47 5.3 Kết luận 47 PHẦN KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 ii Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, khoa học công nghệ tiến đời sống người nâng cao Khoa học công nghệ phát triển không ngừng để phục vụ cho nhu cầu người: người bình thường, người khuyết tật có người khiếm thị Sự phát triển khoa học công nghệ trợ giúp người khiếm thị nhiều công việc thường ngày: phần mềm trình đọc hình giúp cho người khiếm thị sử dụng máy vi tính truy cập internet, thiết bị đeo đọc chữ giúp họ đọc sách báo, xây dựng thư viện sách nói phục vụ nhu cầu thông tin giải trí cho họ,…và đặc biệt việc tìm đường cho người khiếm thị Thiết bị siêu âm dò đường cho người khiếm thị không mới, nghiên cứu đưa vào sử dụng nhiều số nước giới Thiết bị hoạt động dựa nguyên lý phát thu tín hiệu cảm biến siêu âm.Trong y học ngày nay, siêu âm ứng dụng rộng rãi như: Chuẩn đoán siêu âm, siêu âm trị liệu, dao mổ siêu âm,…và y học siêu âm đươc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác công nghiệp Trong đề tài này, cảm biến siêu âm dùng với mục đích nhận biết vật cản khoảng cách vật cản Trên giời có số thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sản xuất hầu hết áp dụng ứng dụng công nghệ siêu âm dò tìm vật cản Hiện nay, tỉ lệ người khiếm thị nước ta chiếm khoảng 5%, họ gặp khó khăn lớn việc lại ngày Vì vậy, thiết bị dò đường cho người khiếm thị nước ta cần thiết Chính điều đó, sinh viên chuyên ngành sư phạm Vật lí – Công nghệ, nhận thức rõ tầm quan trọng muốn nâng cao kiến thức học nên định chọn đề tài: “Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị” MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Để góp phần nhỏ vào lĩnh vực khoa học kỹ thuật hỗ trợ người khuyết tật, dựa ý tưởng có việc cải thiện lại cho người khiếm thị, dưa thiết bị nghiên cứu đưa vào sử dụng số nước giới tình hình thực tế Việt Nam, nên đề tài xây dựng với mục đích nghiên cứu ứng dụng thiết bị siêu âm dò đường cho người khiếm thị tiến đến thiết kế mô hình thiết bị có khả ứng dụng cao GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Do giới hạn thời gian,nguồn tài liệu kiến thức nên nghiên cứu về: - Âm siêu âm - Cảm biến siêu âm - Khiếm thị - Mạch đo khoảng cách dùng cảm biến SRF05 với vi điều khiển 89C51 - Thiết bị sử dụng siêu âm dò đường cho người khiếm thị PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tổng hợp phân tích nguồn tài liệu liên quan đến đề tài SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt đề tài Bước 2: Xây dựng đề cương Bước 3: Thu thập, tìm kiếm tài liệu có liên quan đến đề tài Bước 4: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài Bước 5: Nộp cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến chỉnh sửa Bước 6: Hoàn chỉnh luận văn báo cáo SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu PHẦN NỘI DUNG Chương 1: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM 1.1 SÓNG ÂM 1.1.1 Khái niệm sóng âm Âm dao động học (biến đổi vị trí qua lại) phân tử, nguyên tử hay hạt làm nên vật chất lan truyền vật chất sóng Âm thanh, giống nhiều sóng, đặc trưng tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh) Đối với thính giác người, âm thường dao động dải tần số từ khoảng 20 Hz đến khoảng 20 kHz phân tử không khí lan truyền không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ kích thích não Tuy nhiên âm định nghĩa rộng hơn, tuỳ vào ứng dụng, bao gồm tần số cao hay thấp tần số mà tai người nghe thấy, không lan truyền không khí, mà vật liệu Trong định nghĩa rộng này, âm sóng học theo lưỡng tính sóng hạtcủa vật chất, sóng coi dòng lan truyền hạt phonon, hạt lượng tử âm [8] Siêu âm âm có tần số cao tần số tối đa mà tai người nghe thấy Tần số tối đa tuỳ vào người, thông thường vào cỡ 20000 Hz Ngược lại với siêu âm, âm có tần số thấp ngưỡng nghe tai người (thường vào khoảng 20 Hz) hạ âm Siêu âm lan truyền nhiều môi trường tương tự môi trường lan truyền âm thanh, không khí, chất lỏng rắn, với tốc độ tốc độ âm Do tốc độ lan truyền, có tần số cao hơn, bước sóng siêu âm ngắn bước sóng âm Nhờ bước sóng ngắn, độ phân giải ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt vật thể kích thước cỡ centimét milimét [5] Do siêu âm ứng dụng chẩn đoán hình ảnh y khoa (siêu âm y khoa) chụp ảnh bên cấu trúc khí kiểm tra không phá hủy [16] Siêu âm tạo từ số loại loa, từ dao động tinh thể áp điện Trong tự nhiên, nhiều loài động vật tạo cảm nhận siêu âm, ví dụ dơi loài có thị giác phát triển tạo cảm nhận siêu âm để xác định vật thể không gian xung quanh [16] Cá voi, cá heo dùng siêu âm để liên lạc định vị đối tượng xung quanh Một số loài cá voi trắng vùng Amazon tự chỉnh cường độ phát, bắt mồi dùng siêu âm mạnh để gây tê liệt cá [16] Âm thanh, siêu âm, hạ âm có thuộc tính sóng âm Hình 1.1: Dải tần số ứng với siêu âm ứng dụng [16] Về phương diện vật lý, âm nghe hay không nghe khác chất Chúng khác phương diện sinh lý tai ta SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Âm truyền theo tia gọi tia âm Thực nghiệm chứng tỏ tia âm bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ hấp thụ tia sáng Khi tia âm truyền qua hai môi trường có vận tốc truyền âm khác mặt phân cách hai môi trường, phần tia âm bị phản xạ, phần bị khúc xạ (Hình 1.2) Góc phản xạ góc tới Còn góc khúc xạ lớn hay nhỏ góc tới tùy thuộc vào vận tốc truyền âm hai môi trường Khi tia âm truyền từ môi trường có vận tốc lớn sang môi trường có vận tốc nhỏ góc khúc xạ nhỏ góc tới (n1 < n2 ) (Hình 1.2a) ngược lại (Hình 1.2b) [9] i’ i r i i’ r Hình 1.2: Sự phản xạ khúc xạ âm 1.1.2 Sự hình thành sóng âm môi trường Trong môi trường rắn, lỏng, khí phần tử môi trường liên kết chặt chẽ với tạo thành môi trường đàn hồi, phần tử môi trường có vị trí cân bền Khi ta tác động lực lên phần tử môi trường lực liên kết mà phần tử chung quanh, mặt kéo phần tử vị trí cân bằng, mặt khác chịu lực tác động thực dao động [5] Hiện tượng tiếp tục xảy phần tử khác môi trường Những dao động lan truyền môi trường đàn hồi tạo thành sóng đàn hồi (hay sóng cơ) Do vị trí môi trường trạng thái bình thường có mật độ phân tử ρ áp suất P cố định Khi có phần tử môi trường dao động mật độ áp suất vị trí thay đổi Như chất lan truyền dao động lan truyền mật độ khối áp suất P [5] Hình 1.3: Sự hình thành sóng âm môi trường [5] Bản chất sóng âm sóng học tuân theo quy luật sóng Như ta biết sóng phân loại theo phương dao động có loại: sóng ngang sóng dọc SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu  Sóng ngang: sóng mà phương dao động phần tử môi trường vuông góc với tia sóng, sóng xuất môi trường có tính đàn hồi hình dạng, có vật rắn [5] Hình 1.4: Sóng ngang [5]  Sóng dọc: sóng mà phương dao động phần tử môi trường trùng với tia sóng, sóng xuất môi trường chịu biến dạng thể tích, sóng truyền môi trường rắn, lỏng khí [5] Hình 1.5: Sóng dọc [5] 1.1.3 Các đại lượng đặc trưng sóng âm Hình 1.6: Biểu diễn sóng âm theo thời gian [5] Chu kỳ T (m/s): khoảng thời gian sóng siêu âm thực trình nén dãn hay gọi dao động [5] – Tần số f (Hz): số chu giây Mối liên hệ: T = 1/f = v/λ (1.1) Sóng âm chia thành vùng tần số  Sóng âm có tần số cực thấp gọi vùng hạ âm (infrasound) có tần số f < 16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn  Sóng âm có tần số nghe (audible sound) có: f =16-20kHz – SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Hình 4.9: Phát nhận phản hồi sóng âm SRF05 [2] + Một số đặc điểm khác cảm biến siêu âm SRF05: Hình 4.10: Mức độ sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo đối tượng góc phản xạ [2] Một đối tượng mềm cho tín hiệu phản hồi yếu phản hồi Một đối tượng góc cân đối chuyển thành tín hiệu phản chiếu chiều cho cảm biến nhận + Vùng phát cảm biến SRF05 - Nếu ngưỡng để phát đối tượng đặt gần với cảm biến, đối tượng đường bị va chạm điểm mù Nếu ngưỡng đặt khoảng cách lớn từ cảm biến đối tượng phát mà đường va chạm [2] Hình 4.11: Tầm phát cảm biến siêu âm SRF05 [2] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 35 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị - GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Các vùng phát SRF05 nằm khoảng mét chiều rộng từ bên sang bên không mét chiều dài Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm điểm mù đạt phát chiều rộng lớn cự ly gần thêm cải tiến cách thêm đơn vị SRF05 bổ sung gắn kết hai đơn vị hướng phía trước Thiết lập có khu vực mà hai khu vực phát chồng chéo lên Hình 4.12: Các vùng hoạt động cảm biến SRF05 [2] Các vùng hoạt động cảm biến SRF05 tạo góc chung 30 o Vùng chung đươc phân biệt phần tín hiệu trái phải phần cản 4.8.3 Bảng thông số kỹ thuật Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm SRF05 [2] 4.8.4 Miêu tả chân theo chế độ hoạt động SRF05 phát triển từ SRF04, thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, giảm bớt chi phí SRF05 hoàn toàn tương thích với SRF04 Khoảng cách đo tăng từ mét lên đến mét Mode - SRF04 compatible - Separate Trigger and Echo Ở chế độ SRF05 sử dụng chân để kích hoạt phản hồi tương tự SRF04 Do đó, tất chương trình điển hình cho SRF04 làm việc với SRF05 Để sử dụng chế độ ta không nối chân Mode – SRF05 có điện trở chân Nguyên lí: Để cảm biến SRF05 hoạt động ta kích hoạt xung 10μs chân trigger Khi đó, SRF05 phát liên tục chu kì sóng siêu âm tần số 40Khz, đồng thời kéo chân Echo lên mức cao SRF05 chờ sóng phản xạ về, nhận sóng phản xạ, chân Echo kéo mức thấp Nếu không nhận sóng phản xạ về, sau 30ms chân Echo tự động kéo mức thấp [15] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 36 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Hình 4.12: SRF05 hoạt động mode [15] Mode - Single pin for both Trigger and Echo Chế độ sử dụng chân cho tín hiệu kích hoạt lẫn phản hồi, thiết kế để tiết kiệm chân cho mục đích điều khiển nhúng [15] Để sử dụng chế độ này, nối chân Mode với chân 0V Ground Tín hiệu phản hồi xuất chân với tín hiệu kích hoạt SRF05 không kéo dòng phản hồi lên mức cao 700uS sau kết thúc tín hiệu kích hoạt Hình 4.13: SRF05 hoạt động mode [15] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 37 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu +Các thiết lập khác chân Chân đóng nhãn "programming pins" sử dụng lần trình sản xuất để lập trình cho nhớ Flash chip PIC16F630 [15] Các chương trình PIC16F630 pins sử dụng cho chức khác SRF05, nên chắn không kết nối với chân này, không làm gián đoạn hoạt động mô-đun +Thay đổi chùm tia độ rộng chùm Chùm tia SRF05 có dạng hình nón với độ rộng chùm hàm diện tích mặt cảm biến cố định Chùm tia cảm biến sử dụng SRF05 biểu diễn bên dưới: Hình 4.14: Chùm tia SRF05 [15] Trên thực tế cách đơn giản để giảm thay đổi độ rộng chùm tia phát SRF05 +Áp dụng tính toán khoảng cách Trong nội dung luận văn, SRF05 sử dụng mode Vi xử lý 8051 cung cấp xung rộng tối thiểu 10us để kích hoạt dò khoảng cách SRF05 phát chu kì sóng siêu âm tần số 40kHz kéo xung phản hồi (echo line) lên mức cao Sau đó, đợi tín hiệu phản hồi về, xác định tín hiệu, SRF05 kéo xung phản hồi mức thấp Như vậy, độ rộng xung phản hồi tỉ lệ với khoảng cách đến vật cản Bằng cách đo độ rộng xung ta tính khoảng cách Nếu không xác định vật cản trước mặt, SRF05 tự động kéo xung phản hồi mức thấp sau khoảng 30mS Nếu độ rộng xung phản hồi tính theo uS, khoảng cách theo cm tính theo công thức: dis tan ce  SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao US (cm) 58 Trang 38 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống: U1 7805 VI VO GND ECHO TRIG R1 R2 330 330 9V D1 SFR05 MODE BAT1 GND Q1 LED-BLUE NPN Vcc D2 Q2 NPN LED-BLUE U2 19 C3 10u 18 R6 10k 29 30 31 C1 XTAL1 XTAL2 RST PSEN ALE EA P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 39 38 37 36 35 34 33 32 R3 R4 R5 330 330 330 Q3 Q4 Q5 NPN NPN NPN 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 AT89C51 PACKAGE=DIL40 CLOCK=12MHz 22p X1 C2 CRYSTAL 22p Hình 4.15: Mô Proteus sơ đồ nguyên lý làm việc thiết bị [18] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 39 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Hình 4.16: Xây dựng lưu đồ thuật toán [18] 4.9 KẾT LUẬN Chương trình bày trình thực luận văn, xây dựng lưu đồ thuật toán kết đạt Hoàn thành sơ đồ nguyên lý làm việc thiết bị SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 40 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ 5.1 Ý TƯỞNG VỀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ Waters, nhà động vật học Đại học Leeds Anh, nảy ý tưởng quan sát dơi tìm thức ăn Cổ họng dơi phát sóng siêu âm mạnh, thoát qua miệng lỗ mũi Khi gặp phải vật thể, sóng siêu âm liền phản xạ trở lại, tai dơi nghe âm phản hồi, nên dơi phán đoán khoảng cách kích cỡ to nhỏ vật thể [3] Tương tự, ta dùng cảm biến có khả tạo sóng siêu âm có tần số khoảng từ 40kHz đến 80Hz vào môi trường xung quanh Sóng lan truyền gặp vật cản phản hồi trở lại [3] Thu nhận tín hiệu phản hồi này, dựa vận tốc lan truyền sóng âm môi trường biết, thời gian từ phát sóng đến nhận sóng phản hồi t, số lượng sóng phản hồi về, ta dùng thuật toán xử lý cho biết khoảng cách kích thước vật cản Tín hiệu sau xử lý tính toán chuyển sang dạng âm nghe được, hay dạng rung động học cảm nhận để giao tiếp với sử dụng Tuy nhiên, với việc xác định vị trí tín hiệu phản hồi, để mô tả vị trí vật cản cách xác, cần đảm bảo hai điều kiện sau đây: Sóng siêu âm phải truyền thẳng tới mặt phân cách (hướng vuông góc với mặt phân cách) quay trở đầu dò theo đường truyền thẳng Vận tốc truyền âm môi trường không đổi trình truyền Hình 4.16: Sơ đồ khối sở thiết bị [3] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 41 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Vì cảm biến siêu âm thường có tầm quét góc mở nhỏ khoảng 30 , nên để nhân biết xác vị trí vật cản ta sẽ:  Tăng số lượng cảm biến siêu âm, cần bố trí cảm biến hợp lý để có độ phân giải ngang xác vật cản Do tín hiệu sóng cảm biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên tín hiệu trả bị ảnh hưởng lẫn nhau, việc bố trí cảm biến hợp lí giảm nhược điểm cảm biến siêu âm Giả sử có cảm biến siêu âm bố trí sau: Hình 4.17: Bố trí cảm biến [3]  Khi vị trí vật cản xác định dựa vào giao điểm cung tròn giới hạn tầm đọc cảm biến  Hoặc cho cảm biến xoay quanh trục theo chu kỳ để có góc quét lớn 5.2 THỰC TRẠNG VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐANG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG TRÊN TOÀN THẾ GIỚI 5.2.1 Thiết bị siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Swich TM 1700 David T.Batarseh, Đại học bang Mississippi (được nghiên cứu sử dụng năm 1997) Thiết bị có cấu tạo cảm biến Sona Switch TM 1700, biến đổi AD654 máy nghe Cảm biến phát thu nhận sóng siêu âm để xác định khoảng cách từ cảm biến đến vật cản Cách thức hoạt động thiết bị: Cảm biến phát thu nhận sóng phản hồi, tín hiệu ngõ cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thay đổi khoảng từ 5V đến xấp xỉ 0V, ứng với khoảng cách vật cản thay đổi từ 1,5 feet đến 12 feet Sau đó, khối AD654 nhận tín hiệu chiều không đổi từ ngõ cảm biến chuyển sang xung vuông xoay chiều, theo biểu thức sau [2]: Frequencyout( AD654)  SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Vin 10( R1  R2 )CT (5.1) Trang 42 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Hình 4.18: Mạch xử lý [2] Nghĩa khối AD654 có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện sang tín hiệu âm nghe Theo biểu thức trên, tần số âm phát thay đổi khoảng 0Hz (ứng với khoảng cách lớn 12 feet) đến 20Hz ( Ứng với khoảng cách vật nhỏ 1,5 feet) Với trường hợp đặt hố sâu trước mặt có kèm mạch đóng ngắt Khi không nhận tín hiệu phản hồi mạch ngắt tín hiệu chiều không đổi từ cảm biến nối cho AD654 vào tín hiệu áp vào 5V, tạo tần số âm nghe 20Hz báo động cho người sử dụng họ đến gần hố khoảng feet [2] Khi người sử dụng trở nên quen dần với âm có tần số khác dễ dàng xác định vật cản trước mặt Hình 4.19: Thiết bị siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Swich SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao TM 1700 [2] Trang 43 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Thiết bị dùng nguồn cung cấp có áp 15V 650mA thiết kế mũ bảo hộ thông thường, với cảm biến đặt trước mặt, tai nghe nối với máy đặt thắt lưng Giá 510 USD 5.2.2 Thiết bị chống va chạm vật cản Timothy S.Lane Martyn J.C.Berry, Đại học bang New York Buffalo Thiết bị chia làm phần chính: Cảm biến siêu âm (với góc mở cảm biến 30 ) mạch vi xử lý Vị trí đặt đầu dò siêu âm phải đảm bảo nhiệm vụ vừa phát tín hiệu thu nhận xung phản hồi Tín hiệu phát với tần số cao nghe thấy, giữ khoảng nửa mét, mức áp 400V đặt vào đầu dò khoảng thời gian phát xung Vì vậy, đầu dò siêu âm bọc tinh vi, cẩn thận lớp vỏ bọc làm pollyethylene có tỷ trọng cao, không dẫn nhiệt-điện Lớp vỏ bọc dày khoảng inch gắn với giải buộc đầu có độ đàn hồi Mạch chi tiết (mạch điều khiển) đặt riêng biệt với vi xử lý, thiết kế hộp đeo thắt lưng Cảm biến siêu âm mạch xử lý gắn với cáp phono công suất cao 0.25inch [4] Hình 4.20: Thiết bị chống va chạm vật cản [4] Thiết bị thiết kế tương thích với số dạng tai nghe khác với lỗ chấu cắm đa Chỉnh mức độ âm tai nghe điều khiển điện trở riêng biệt Lỗ chấu cắm 0.25 inch cho nguồn nạp Người dùng chọc lựa chế độ hoạt động khác Giá 226USD [4] Hình 4.21: Thiết bị người sử dụng [4] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 44 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu 5.2.3 Gậy BAT ‘K’ sonar Hình 4.22: Gậy BAT ‘K’ sonar [19] Tác giả: Leslie Kay(New Zealand) Năm: 1993-2003 'K' Sonar hoạt động giống đèn pin bình thường ngoại trừ việc phát chùm âm thay ánh sáng [19] Là thiết bị cải tiến gần nên gọn nhẹ tiện dụng nhiều Nó có khả phát xung siêu âm Tiếp đó, nhận sóng phản xạ lại từ vật thể, lập nên đồ chiều vật cản xung quanh, bán kính 3m Thông tin từ đồ gửi tới miếng đệm rung tay cầm gậy, chúng rung nhẹ để cảnh báo cho người sử dụng tránh đụng phải trần nhà thấp hướng dẫn tránh vật cản đường Những tín hiệu nhanh mạnh có nghĩa vật cản gần Thiết bị gửi 60.000 xung sóng âm giây có khả nhận sóng dội yếu Rất dễ sử dụng, cần tập với thiết bị 30 phút 5.2.4 Gậy BATOONG MAGIC-WATERS Hình 4.23: Gậy BATOONG MAGIC-WATERS [3] Tác giả: Dean Waters- Đaị học Leeds (Anh Quốc) Năm sản xuất: 2003-3004 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 45 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Thiết bị nhẹ cân phát âm cao nên tai người dò được, đồng thời thu sóng dội lại để "vẽ đồ" chiều chướng ngại vật cách xa tới 3m Một số nút gắn tay cầm rung nhẹ để báo cho người sử dụng tránh trần nhà thấp vật thể chặn đường họ Cho tới nay, có 25 người khiếm thị Anh, Đức, Canada Australia dùng thử nghiệm batoong định vị Trước sử dụng, người huấn luyện 30 phút Nhóm nghiên cứu Waters thiết kế hệ thống đủ nhỏ để gắn lên gậy màu trắng Hệ thống phát 60.000 xung âm giây thu tiếng dội yếu miếng đệm rung động tay cầm giúp người mù cảm nhận sức mạnh sóng phản xạ siêu âm [3] Nút rung mạnh nhanh có nghĩa chướng ngại vật gần Gậy định vị sản xuất đại trà vào cuối năm Giá thành ước tính 635USD 5.2.5 Nhẫn EYERING Hình 4.24: Nhẫn EYERING [3] Tác giả: Các nhà nghiên cứu thuộc Học viện Công nghệ Massachusetts –Hoa kỳ (MIT) Năm sản xuất: 2012 Thông tin khác: Thiết bị EyeRing bao gồm nhẫn gắn máy quay nhỏ, điện thoại di động tai nghe không dây [3] Người khiếm thị đường cần đeo nhẫn vào ngón tay, vào vật trước mặt ấn nút nhẫn Máy quay chụp ảnh, chuyển tín hiệu đến điện thoại di động để xử lý thông tin Chiếc điện thoại biến thông tin thành lời thoại, chuyển đến tai nghe không dây EyeRing thông báo khoảng cách chướng ngại vật phía trước cho người khiếm thị, nhận dạng màu sắc, giá trị đồng tiền Hiện chuyên gia MIT thử nghiệm EyeRing với điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android Google iOS Apple MIT khẳng định tương lai EyeRing trở thành “hướng dẫn viên du lịch” người khiếm thị SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 46 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu 5.2.6 Một số thiết bị khác nghiên cứu sử dụng Hình 4.25: The Sonic Torch Được nghiên cứu từ năm 1959 [4] Hình 4.26: The Biaural Sonic Glasses Được nghiên cứu từ 1965, thiết bị cải tiến “Sonic Torch” [4] Hình 4.27: The Trisensor sản xuất từ năm 1993 [4] 5.3 KẾT LUẬN Chương đưa nguồn ý tưởng hình thành đề tài, khả ứng dụng đề tài Trên thực tế, đề tài không mới, nghiên cứu, ứng dụng nhiều số nước SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 47 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu PHẦN KẾT LUẬN So với mục tiêu ban đầu đề luận văn hoàn thành nội dung sau:  Tìm hiểu lý thuyết siêu âm, cảm biến siêu âm  Nguyên lý hoạt động cảm biến đo khoảng cách SRF05, áp dụng linh kiện vi xử lý 8051, IC ổn áp 7805, tranzitor NPN,… vào thực tế  Tìm hiểu số đề tài thực nước  Đưa lưu đồ thuật toán cho thiết bị  Đánh giá kết nhận Cụ thể từ việc tham khảo đề tài thực nước lựa chọn cách thức tiến hành thực mô hình thiết bị, cách thức chuyển thành tín hiệu giao tiếp với người sử dụng Bên cạnh có hạn chế sóng siêu âm để đánh giá xác khoảng cách vật cản, xung phát cần phương vuông góc với bề mặt vật cản quay trở theo phương đó, gần trục tầm quét cảm biến cho kết xác Vì vậy, vấn đề đặt bố trí cảm biến Cần đặt cảm biến vị trí quét hầu hết vật cản Vì vậy, mô hình thiết bị dự kiến nên bố trí cảm biến gậy cầm tay vì:  Đây vị trí quét vùng có nhiều vật cản  Dựa thói quen cũ người khiếm thị thường cầm gậy di chuyển Đối với người mù, việc di chuyển đường thường gặp nhiều trở ngại Rác, cành gẫy bên lề đường hay bậc cửa trở thành mối nguy hiểm tiềm tàng, họ sử dụng gậy bình thường Thiết bị siêu âm dò đường dành cho người khiếm thị giúp người mù tự tin độc lập sống hàng ngày Thay đơn giản tránh vật thể, giúp họ điều hướng cách tự tin lại nhà di chuyển đường phố Vì kiến thức chuyên ngành nhiều hạn chế nên đề tài dừng lại mức độ tìm hiểu chưa sâu Tuy nhiên đề tài hay, gần gũi cần thiết đời sống xã hội Sau thực đề tài biết thêm nhiều kiến thức ứng dụng vật lý sống sở phục vụ công việc giảng dạy tương lai SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 48 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Phan Sỹ An Lý sinh y học NXB Y học Hà Nội, 2005 [2] David T.Batarseh An ultrasonic ranging system for the blind Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 1997 [3] MuRata Piezoeelictric Ceramic Sensor (PIEZOTITE) – Ultrasonic Sensors [4] HANS P MORAVEC, “Sensor Fusion in Certain Grid for Mobiles Robots” [5] Nguyễn Thị Thanh Phương, Nguyễn Phước Bảo Quân Nguyên Lí Và Cơ Sở Kỹ Thuật Của Siêu Âm Chẩn Đoán Nhà Xuất Bản Y Học, 1999 [6] Ts Nguyễn Đức Thuận, Ts Nguyễn Vũ Sơn, ThS Trần Anh Vũ Cơ sở kỹ thuật siêu âm NXB Khoa học Kỹ thuật, 2003 [7] Website http://picvietnam.com/Crosstalk [8] Website http://vi.wikipedia.org/wiki/%C3%82m_thanh [9] Website http://websrv1.ctu.edu.vn/coursewares/khoahoc/conhietdc/chuong7.htm [10] Website http://codientu.org/threads/7340/ [11] Website http://forum.pcbviet.com/thread/ic-on-ap-ho-78xx-va-79xx.42/ [12] Website http://codientu.org/thread/9754/ [13] Website http://vi.wikipedia.org/wiki/Nhi%E1%BB%85u_x%E1%BA%A1 [14] Website http://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%E1%BA%A3n_x%E1%BA%A1 [15] Website http://www.robot-electronic.co.uk/htm/srf05tech.htm [16] Website http://vi.wikipedia.org/wiki/Si%C3%AAu_%C3%A2m [17] Website http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/dien-quang/335-su-giao-thoa-anh-sang [18] Website http://www.vidieukhien.com/hoc-vi-dieu-khien/107-so-luoc-ve-vi-dieukhien [19] Website http://www.ksonar.com/how-ksonar-works.ph [20] Website http://lib.ussh.vnu.edu.vn/jspui/handle/123456789/2640 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 49 [...]... độ âm (a2) Biên độ âm càng lớn, âm càng mạnh Đơn vị của cường độ âm là J/m2s hay W/m2 [5] - Độ to của âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương diện sinh lý Vì tai người chỉ nghe được những âm có tần số từ 20 Hz đến 20.000 Hz nên độ to của SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 6 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu âm chỉ có ý nghĩa trong khoảng tần số đó Vebe Phesne đã tìm. .. ở cảm biến siêu âm Những lý thuyết này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về đề tài, cũng như một số vấn đề cần giải quyết và vận dụng SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 24 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu CHƯƠNG 3: KHIẾM THỊ 3.1 GIỚI THIỆU Khiếm thị hay còn gọi là triệu chứng mất khả năng cảm nhận thị giác một phần hoặc hoàn toàn (mù, đui) Người khiếm thị là người sau khi... Những lý thuyết này sẽ đưa ra cái nhìn toàn diện về đề tài SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 10 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN SIÊU ÂM 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tuỳ theo công dụng như để nhận biết trong khoảng cách... cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại Hình 2.11 Mạch thu sóng siêu âm [5] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 17 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Nguyên lý hoạt động của mạch thu sóng siêu âm: Người ta dùng bộ cảm biến thu sóng siêu âm B, tín hiệu được thu vào, mạch dùng... để cấp cho bộ cảm biến phát ra sóng siêu âm [5] Vậy mỗi khi nhấn nút S, mạch dao động được cấp nguồn, nó sẽ tạo ra tín hiệu đa hài có tần số khoảng 40KHz, tín hiệu này sẽ được B chuyển đổi ra sóng siêu âm và phát ra ngoài (dĩ nhiên, chúng ta sẽ không nghe thấy sóng âm này) SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 16 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu  Nguồn phát siêu âm dựa... kích thước của cảm biến siêu âm MA40B8R/S [2] – Các thông số kỹ thuật: Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm MA40B8R/S [2] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 19 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị – GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Tầm phát hiện của cảm biến: Hình 2.15 : Tầm phát hiện của cảm biến siêu âm MA40B8R/S [2] Dựa vào tầm phát hiện của cảm biến, ta thấy sóng âm phát đi mạnh nhất ở... lớn làm chệch hướng chùm siêu 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 [14] Hình 1.7: Phản xạ khuếch tán [14] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 8 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu... sóng siêu âm và được lan truyền trong môi trường Vậy, một áp điện được đặt vào tinh thể áp điện sẽ tạo ra sóng siêu âm được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch [5] Khi các sóng siêu âm phản hồi về, quay trở lại tinh thể và tạo ra các tín hiệu điện, để từ đó ta có thể thu nhận và xử lý, thì được gọi là hiệu ứng áp điện thuận SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 14 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị. .. sẽ làm ảnh hưởng tín hiệu nhận về, có lẫn tín hiệu nhiễu [2] Hình 2.16: Phổ tần số cảm biến siêu âm MA40B8R/S [2] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 20 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu 2.7 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF Bảng 2.3: Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF [3] *: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến **: Số vang ghi lại bởi cảm biến... một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc do sóng siêu âm di chuyển trong không gian sau một thời gian ngẫu nhiên nào đó quay trở lại cảm biến [7] Loại 2 là hiện tượng cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia trên cùng thiết bị sau quá trình phản xạ [7] SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 22 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu Hình 2.19 : Hiện tượng ... Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 40 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ 5.1 Ý TƯỞNG VỀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU... nhân dẫn tới khiếm thị, ý nghĩa thiết bị người khiếm thị tình hình thực tế người khiếm thị giới Việt Nam SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang 27 Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD:... SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Giao Trang Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị GVHD: ThS Hồ Hữu Hậu PHẦN NỘI DUNG Chương 1: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM 1.1 SÓNG ÂM 1.1.1 Khái niệm sóng âm Âm dao động