Hệ thống cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPLớp kỹ sư chất lượng cao tin học công nghiệpChương trình kỹ sư chất lượng cao Việt Pháp Viện Điện Đại học Bách Khoa Hà Nội
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CẢNH BÁO VA CHẠM CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM NGUYỄN VĂN TIẾN Tien.nv153783@sis.hust.edu.vn NGÀNH CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Công Phương Bộ môn: Viện: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Điện Chữ ký GVHD Hình 1.1 "Chiếc nón kỳ diệu" TS Nguyễn Duy Hải Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 6/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Nguyễn Văn Tiến Mã số sinh viên: 20153783 Khóa K60 – Lớp: Kỹ sư chất lượng cao Tin học công nghiệp Viện: Điện Ngành: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Đầu đề thiết kế/ Tên đề tài Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm Các số liệu ban đầu Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào việc hỗ trợ người khuyết tật ngày phổ biến quan trọng Đề tài tiến hành thiết kế thiết bị hỗ trợ người khiếm thị Các nội dung tính tốn, thiết kế Tìm hiểu nguyên lý hoạt động siêu âm Thiết kế chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Công Phương Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 25/02/2020 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/06/2020 Ngày… tháng … năm … CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Quãng thời gian năm Bách Khoa chặng đường dài với học quý báu nhiều kỷ niệm đáng nhớ Đối với em, thiếu giúp đỡ nhà trường, thầy cơ, bạn bè gia đình có lẽ em khơng thể có ngày hơm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy, cơ, người bạn gia đình suốt thời gian học đại học vừa qua Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Công Phương- môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền đạt kiến thức, nhắc nhở, bảo tạo điều kiện cho em suốt trình em thực đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, giảng viên môn Kỹ thuật đo tin học cơng nghiệp nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể gia đình ln tạo điều kiện sinh hoạt tốt cho TĨM TẮT ĐỒ ÁN Cùng với phát triển khơng ngừng khoa học công nghệ Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật, tự động hóa vào thiết bị hỗ trợ người khuyết tật vấn đề cấp thiết Qua khảo sát tìm hiểu thiết bị sản xuất thị trường, em nhận thấy cần thiết việc nghiên cứu thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị Vì em định thực đề tài « Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm » Đồ án gồm chương chính: Chương 1: Mở đầu Nêu lên tính cấp thiết đề tài tình hình nghiên cứu nước nước liên quan đến đề tài Chương 2: Sóng siêu âm ứng dụng Nêu khái niệm sóng siêu âm, thơng số sóng siêu âm ứng dụng sóng siêu âm đời sống Chương 3: Cảm biến siêu âm Trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm nói chung module cảm biến siêu âm HC-SR04 Chương 4: Phân tích thiết kế thiết bị Phân tích đối tượng sử dụng thiết bị toán thực tế Đặc biệt yêu cầu thiết bị đưa giải pháp để đáp ứng yêu cầu Chương 5: Thử nghiệm đánh giá kết Chương 6: Kết luận hướng phát triển Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv DANH MỤC HÌNH VẼ viii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài/ lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước nước liên quan đến đề tài 1.3.1 Trong nước 1.3.2 Ngoài nước 1.4 Kết luận CHƯƠNG 2: SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Khái niệm sóng siêu âm 2.1.1 Bản chất vật lý âm 2.1.2 Các đặc trưng vật lý âm 2.1.3 Các đặc trưng sinh lí âm – Mối liên hệ với đặc trưng vật lý âm 2.2 Phân loại sóng 11 2.3 Tương tác siêu âm với vật thể 12 2.3.1 Phản xạ 2.3.2 Tán xạ 2.3.3 Sự khúc xạ 2.3.4 Nhiễu xạ 2.3.5 Sự hấp thụ 2.3.6 Độ suy giảm 2.4 Ứng dụng sóng siêu âm 16 2.4.1 Ứng dụng sóng siêu âm y tế 2.4.2 Ứng dụng siêu âm công nghiệp nông nghiệp 2.5 Kết luận 18 CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM 19 3.1 Nguyên lý hoạt động 19 3.1.1 3.2 Hiện tượng áp điện Đầu dò cảm biến siêu âm 23 3.2.1 Cấu trúc đầu dò siêu âm 3.2.2 Tần số lặp lại xung 3.2.3 Chu kỳ lặp xung 3.3 Cấu tạo đầu dò cảm biến 40KHz 25 3.3.1 Đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm 3.3.2 Tổng quan đầu dò 3.3.3 Cấu trúc bên đầu dị cảm biến siêu âm 3.4 Các thơng số đầu dò cảm biến siêu âm 29 3.4.1 Cường độ 3.4.2 Công suất 3.4.3 Trường siêu âm 3.4.4 Độ phân giải đầu dò 3.5 Lựa chọn đầu dò 32 3.6 Module cảm biến siêu âm HC-SR04 33 3.6.1 3.7 Giới thiệu Kết luận 36 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 37 4.1 Phân tích tập tính người khiếm thị 37 4.1.1 Định nghĩa người khiếm thị 4.1.2 Hoạt động nạo người khiếm thị 4.2 Bài tốn, phân tích u cầu 40 4.2.1 Bài toán 4.2.2 Phân tích yêu cầu 4.2.3 Phân tích chức 4.3 Lựa chọn thiết bị 41 4.3.1 Vi xử lý trung tâm 4.3.2 Lựa chọn Pin 4.4 Thiết kế 43 4.4.1 Cấu tạo thiết bị 4.4.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 4.4.3 Sơ đồ mạch nguyên lý 4.4.4 Sơ đồ mạch in 4.5 Kết luận 53 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54 5.1 Sai số tượng cần hiệu chỉnh cho cảm biến 54 5.2 Kịch thử nghiệm thiết bị 60 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 6.1 Kết luận: 62 6.2 Hướng phát triển: 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 'Chiếc nón kỳ diệu" TS Nguyễn Duy Hải [4] Hình Thiết bị "PBNT nhóm sinh viên trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên Hình Chó robot thử nghiệm dẫn đường [5] Hình Sản phẩm sáng tạo NAVI [6] Hình Các dải tần âm [7] Hình 2 Biểu diễn dạng sóng [7] 10 Hình Sóng dọc [7] 11 Hình Sóng ngang [7] 12 Hình Sự phản xạ [7] 12 Hình Sự khúc xạ ci>ct [7] 14 Hình Sự khúc xạ ci 𝜃2thì hạn chế giao thoa búp sóng hai cảm biến siêu âm Điều chứng tỏ hạn chế sai số lặp + Tính tốn góc đặt cảm biến để hạn chế sai số lặp 54 Hình Tính tốn góc đặt cảm biến [13] Ta có : 𝐴𝑟𝑐 (𝑑 ) = 𝐿𝑒𝑛(𝜃 ) = 𝑑 ∗ 22,5 𝜋 (𝑐𝑚) 180 10 10 (𝑐𝑚) + sin(𝜃 ) tan(𝜃 ) Điều kiện để giảm thiểu sai số lặp hai cảm biến : 𝐿𝑒𝑛(𝜃) 𝐴𝑟𝑐(𝑑) < 10 Trong đó, d chiều dài búp sóng 𝜃 góc hợp pháp tuyến búp sóng b) Sai số Crosstalk [14] + Khái niệm : Hiện tượng crosstalk tượng mà cảm biến siêu âm ghi nhận tín hiệu phản xạ trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác sau q trình sóng siêu âm truyền phản xạ qua bề mặt quay lại cảm biến siêu âm cách khơng mong muốn Hình Sai số Crosstalk [14] 55 + Có hai trường hợp xảy xa tượng đọc chéo (Crosstalk): • Nhiễu mơi trường từ cảm biến siêu âm khác: Loại tiếng ồn thường nhiễu loạn rời rạc Nó có khả xảy có nhiều thiết bị có cảm biến siêu âm hoạt động môi trường Trong trường hợp này, tượng nhiễu xảy khoảng cách lên đến 20m) • Nhiễu bên từ cảm biến siêu âm thiết bị, cảm biến nhận sóng siêu âm phát cảm biến khác + Hình (5.4a) cho thấy đường dẫn trực tiếp quan trọng, thiết bị gần tường Do tính đối xứng hình (5.4a), hai cảm biến gắn nhãn y Trong trường hợp, cảm biến y phát tín hiệu sau cảm biến x, cảm biến y chờ tín hiệu phản hồi vào thời điểm tín hiệu phản hồi từu cảm biến x đến cảm biến y Do đó, việc độc từ cảm biến y dẫn đến số lỗi, phụ thuộc vào chênh lệch thời gian giữa lần phát cảm biến x y + Hình (5.4b): Cảm biến x phát sóng siêu âm, bị phản xạ qua tường Giả sử tường mịn, tín hiệu phản hồi đến cảm biến y sau qua khoảng cách L=l1+l2+l3+l4 Nếu thời điểm này, cảm biến y đợi tín hiệu phản hồi thì hiểu tín hiệu tín hiệu phản hồi + Phương pháp sửa lỗi crosstalk: Có hai phương pháp để loại bỏ nhiễu crosstalk Phương pháp đầu tiên, so sánh lần đọc liên tiếp Tuy nhiên phương pháp loại bỏ nhiễu ngồi hệ thống Để loại bỏ lỗi hệ thống nhiễu xuyên âm gây ra, đưa cách sửa lỗi gọi so sánh với độ trễ xen kẽ • Phương pháp 1: So sánh lần đọc liên tiếp cảm biến Sự khác biệt hai lần đọc liên tiếp, TA, nhỏ kết đọc từ phép đo chuẩn xác (tức là, khơng có nhiễu xun âm) Khơng thể giả sử TA=0 độ phân giải rời rạc hệ thống cảm biến Các nguồn gây nhiễu thường khơng đồng hóa với khoảng thời gian phát tín hiệu cảm biến siêu âm khó có khả khó có khả lần đọc sai lệch cho kết giống với lần đo trước, cho dù lần đọc trước lần đo xác 56 hay bị nhiễu Do đó, so sánh lần đo liên tiếp xác định lần đo sai nhiễu bên ngồi sau từ chối kết đo Mặc dù so sánh lần liên tiếp cách hiệu để loại bỏ kết đo bị sai lệch nhiễu khơng phù hợp để giảm nhiễu xun âm Bởi vì, nhiễu xun âm khơng xảy ngẫu nhiên, thấy hình Ví dụ, cảm biến y ln phát tín hiệu khoảng thời gian cố định (Tlag) sau cảm biến x, cảm biến y liên tục tạo lần đo sai gần giống Terr Quá trình lặp lại điều kiện không gian mơi trường thay đổi nhiều (ví dụ dịch chuyển cảm biến) Để giải vấn đề này, ta có sơ đồ thời gian hình (5.5) Cảm biến x phát tín hiệu sau đường dẫn quan thiết lập dán nhãn t0 Cảm biến y phát tín hiệu sau khoảng thời gian tùy ý Tlag Đối với cấu hình hình 5.4b, sóng siêu âm truyền qua đường tới hạn L thời gian Tl n( lần phát xung thứ n, với n=0,1,…) dẫn đến sai số đọc Terr,n, cảm biến y Cảm biến x nhận tín hiệu sau khoảng thời gian Techo,n Chúng ta giả sử Techo,nvà Tl,n thay đổi không đáng kể lần đọc liên tiếp Để đơn giản hóa, ta giả sử Tl, n ≅ Tl,n-1 Techo,n ≅ Techo,n-1 với n Giả thiết hợp lý quan tâm đến việc so sánh lần đọc liên tiếp khác nhiều với lượng nhỏ TA Hình 5 Sơ đồ thời gian khơng có wait-tmes [14] Nếu cảm biến kích hoạt sau nhận tín hiệu phản hồi đầu tiên, diễn tả thời gian xảy nhiễu xuyên âm (tct) sau Đối với cảm biến x: 57 tct(n)= (n-1) Techo+Tl, n (n=1,2, …) PT5 Đối với cảm biến y : tct(n)=Tlag+∑𝑛−1 𝑚=0 𝑇𝑒𝑟𝑟 (𝑚) (n= 1,2, … m= 0,1, …) PT5 Việc đọc sai nhiễu xuyên âm ký hiệu Terr,0 cho cơng thức (hình 5.5): Terr,0=Tl,0-Tlag PT5 Viết lại công thức (PT5.2): tct(n) = Tlag + Terr,0+∑𝑛−1 𝑚=1 𝑇𝑒𝑟𝑟 (𝑚) PT5 Thay công thức (PT5.3) vào công thức (PT5.4) ta được: tct(n)= Tl,0 + ∑𝑛−1 𝑚=1 𝑇𝑒𝑟𝑟 (𝑚) PT5 Từ (PT5.5) (PT5.1) ta có : (n-1) Techo = Tl,0 – Tl,1 + ∑𝑛−1 𝑚=1 𝑇𝑒𝑟𝑟 (𝑚) PT5 Giả sử : Tl, n ≅ Tl, n-1 ± TA, ta có (n - 1) Techo= ± (n-1) TA+∑𝑛−1 𝑚=1 𝑇𝑒𝑟𝑟 (𝑚) PT5 (n - 1) (Techo ± TA )= ∑𝑛−1 𝑚=1 𝑇𝑒𝑟𝑟 (𝑚) PT5 Hoặc : Phương trình (PT5.8) với n khi: Terr = Techo ± TA PT5 Do đó, tồn đường dẫn cảm biến x cảm biến y, cảm biến y trước tiên tạo lần đọc sai Terr,0 sau liên tục tạo kết đọc sai gần giống Vì phương pháp so sánh lần đọc liên tiếp coi lần đọc gần hợp lệ, khơng thể xác định loại bỏ lỗi xuyên âm • Phương pháp 2: So sánh với độ trễ xen kẽ Để khắc phục phương pháp 1, có biện pháp bổ sung: độ trễ xen kẽ (Twait), trước cảm biến kích hoạt (Hình 5.6) 58 Hình Sơ đồ thời gian có xen kẽ wait-times [14] Đối với cảm biến i, Twait độ cao hai giá trị ai, bi bi nhỏ, theo thứ tự vài mili giây Bất kỳ cảm biến i kích hoạt sau nhận tín hiệu sau chờ độ trễ ngắn Ti, wait Sau lần phát tín hiệu, Ti, wait chuyển đổi Ti, wait, a Ti, wait, b Ta có biểu thức sau đây: Terr,0=Tx, wait, a + TL,0 – Ty, wait, a - Tlag (n=0) PT5 10 Terr, n = Tx, wait, b- Ty, wait, b + Techo, n (n=1,3,5, …) PT5 11 Terr, n+1 = Tx, wait, a – Ty, wait, a +Techo, n+1 (n= 2,4,6, …) PT5 12 Tránh nhiễu xuyên âm ta từ chối cách đọc khác với TA lớn so với trước đó: |Terr, n+1 – Terr, n| > TA PT5 13 Từ (PT5.11), (PT5.12) (PT5.13) ta có : ||Tx, wait, a – Ty, wait, a | - |Tx, wait, b – Ty, wait, b|| - |Techo, n+1 - Techo, n| > TA PT5 14 Vì tín hiệu phản hồi hợp pháp liên tiếp khác không TA, từ cơng thức (PT5.14) ta có: ||Tx, wait, a - Ty, wait, a| - |Tx, wait, b – Ty, wait, b|| > 2TA PT5 15 59 5.2 Kịch thử nghiệm thiết bị • Sơ đồ phân bố thiết bị phịng Với kịch giúp người mù phịng với mơ hình Người mù phòng với mục địch đến vị trí bàn ghế, WC, bàn ăn, … Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế mơ hình phịng Hình Sơ đồ mơ hình phịng Trong phịng làm việc bao gồm: phịng làm việc (bao gồm vị trí bàn làm việc), phịng vệ sinh (WC) Mục đích: Người mù lại văn phịng mà khơng bị va chạm gây chấn thương • Sơ đồ phân bố chướng ngại vật phố Với kịch giúp người mù phố với mơ hình Người mù vỉa hè với mục đích tránh vật cản xung quang để không bị va chạm dẫn đến chấn thương 60 Hình Hình ảnh tuyến phố thực tế Trên hè phố bao gồm: Mọi người vỉa hè, hàng quán, cối, xe máy, xe đạp, … Mục đích: Người mù lại hè phố mà khơng va chạm với chướng ngại vật 61 6.1 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận: Trong khuôn khổ đề tài, em thiết kế: + Thiết kế thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị + Chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị theo mục đích thiết kế đề 6.2 Hướng phát triển: Hiện thiết bị trình nghiên cứu thử nghiệm tương lai hồn thiện hệ thống: a) Thiết bị có tích hợp thêm tính định vị b) Thiết bị có thêm chức nhắn tin thơng báo trạng thái cho người nhà người bảo trợ người khiếm thị qua sóng điện thoại c) Tích hợp sạc khơng dây cho thiết bị 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] "Newsroom," October 2019 [Online] Available: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/blindness-and-visualimpairment?fbclid=IwAR2pQFj5q_43LAXrFhdDgcfDPSdZi1l61XMfmrWXzZ_n1uMevklc8nxMpo# Truy câp:06/2020 [2] [Online] Available: https://vi.wikipedia.org/wiki/Ng%C6%B0%E1%BB%9Di_khi%E1%BA%B Fm_th%E1%BB%8B Truy câp:06/2020 [3] K Mai, "Thời sự," 10 10 2019 [Online] Available: https://suckhoedoisong.vn/khoang-2-trieu-nguoi-mu-va-thi-luc-kem-1-3nguoi-ngheo-khong-co-tien-dieu-tri-tim-lai-anh-sang-n164407.html Truy câp:06/2020 [4] H Nhung, 02 05 2012 [Online] Available: https://tuoitre.vn/chiec-non-kydieu-cho-nguoi-khiem-thi-489775.htm Truy câp:06/2020 [5] H Đức, "Khoa học," 20 11 2011 [Online] Available: https://vnexpress.net/cho-robot-dan-duong-cho-nguoi-khiem-thi2210924.html Truy câp:06/2020 [6] T Bình, "Khoa học," 25 03 2011 [Online] Available: https://vietnamnet.vn/vn/khoa-hoc/thiet-bi-canh-bao-nguy-hiem-cho-nguoikhiem-thi-13762.html Truy câp:06/2020 [7] T N V S K T A V TS Nguyễn ĐỨc Thuận, Cơ sở kỹ thuật siêu âm, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 [8] N V Kính and N Đ Lâm, Siêu âm nguyên lý ứng dụng, Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2004 [9] A Bhatt, "Insight – Learn the Working of Ultrasonic Sensors," 20 October 2011 [Online] Available: https://www.engineersgarage.com/insight/insightlearn-the-working-of-ultrasonic-sensors/ Truy câp:06/2020 [10] "Datasheet HCSR04" [11] "Datasheet STM32F030R8T6" [12] "Electronics," 08 August 2011 [Online] Available: http://grathio.com/2011/08/meet-the-tacit-project-its-sonar-for-the-blind/ Truy câp:06/2020 63 [13] Đ Hiệp [Online] Available: https://www.academia.edu/24071574/Ultrasonic_sensors_Ultrasonic_sensors Truy câp:06/2020 [14] H a L C a S a R J Borenstein, Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning, 1996 64 ... tới Tiến sĩ Nguyễn Công Phương- môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền đạt kiến thức, nhắc nhở, bảo tạo điều kiện cho em suốt trình em thực đồ án tốt nghiệp. .. - Điện áp làm việc: 5VDC - Dòng điện làm việc