BÁO cáo NGHIÊN cứu KHOA học kĩ THUẬT GĂNG TAY hỗ TRỢ DI CHUYỂN DÙNG cảm BIẾN SÓNG âm CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ

GĂNG TAY HỖ TRỢ DI CHUYỂN DÙNG CẢM BIẾN SÓNG ÂM CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ Lĩnh vực dự thi:KT ĐIỆN & CƠ KHÍ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .5 PHẦN I.TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN PHẦN II.GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .7 II Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU PHẦN III.GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .9 I.GIẢ THUYẾT KHOA HỌC LÍ THUYẾT VỀ SĨNG SIÊU ÂM Hình 1.Dải tần số ứng với siêu âm số dải ứng dụng .10 Hình 2.Ngun lí hoạt động cảm biến hồng ngoại 10 Hình 3.Mạch cảm biến hồng ngoại 11 LÍ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN SÓNG SIÊU ÂM HC-SR 04 11 Hình Cảm biến siêu âm HC-sr04 11 Hình 5.Kích thước góc phát cảm biến sóng âm 12 Bảng Thông số kỹ thuật HC-sr04 12 LÍ THUYẾT VỀ PHẢN XẠ Ở NGƯỜI 13 LÍ THUYẾT VỀ CƠ CHẾ CẢNH BÁO 13 4a.LÍ THUYẾT VỀ MOTOR RUNG .14 Hình 6.Motor rung brushless .14 Hình 7.Các pha hoạt động động .15 Bảng Thông số kỹ thuật động rung .16 4b.LÍ THUYẾT HOẠT ĐỘNG CỦA BUZZER 17 Bảng Thông số kỹ thuật Buzzer .18 LÍ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PWM(Pulse Width Modulation) 19 Hình 10 Chu kỳ xung 20 LÍ THUYẾT VỀ ARDUINO 21 Bảng Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 22 Hình 11 Vi điều khiển ATmega 22 Hình 12 Chân analog digital 24 Hình 13 Arduino IDE 26 Bảng Thông số kỹ thuật Arduino Pro Mini 28 II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: .28 Hình 16.Các tiêu chí 29 PHẦN IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 I.NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT .30 II.NGHIÊN CỨU QUA THỰC NGHIỆM 30 III.KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 30 Trước làm sản phẩm: 30 Chế tạo mơ hình chạy thử nghiệm: 30 Phát triển nâng cấp: 30 PHẦN V.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 31 I.BẢN THỬ NGHIỆM: 31 Mạch điện-Mô hình: 31 Hình 17 Sơ đồ mạch điện thử .31 Bảng Bảng thể chân cắm 31 Lập trình: Bảng sketch lập trình 32 Hình 18 Sketch lập trình thử .32 Cơ chế hoạt động : 33 Hình 19.Mơ hình cấu tạo thử 33 Hình ảnh: 34 Hình 21.Bản thử đeo tay 35 II.BẢN NÂNG CẤP: .36 Mạch điện-Mô hình: 36 Hình 22 Sơ đồ mạch điện nâng cấp 36 Bảng Sơ đồ chân cắm sensor 36 Bảng Sơ đồ chân cắm motor,button buzzer 36 Lập trình:Bảng sketch lập trình .37 Hình 23 Sketch lập trình nâng cấp .37 Cơ chế hoạt động: 39 Hình 24 Mơ hình phần I thiết bị 39 Hình 25 Mơ hình phần II thiết bị 39 Hình 26 Mơ hình phần III thiết bị 40 Hình ảnh 41 Hình 27.Bản lắp ráp mạch nâng cấp thiết bị 41 III.THỬ NGHIỆM VỚI CÁC MOTOR RUNG DẠNG XU VÀ HEADPHONE 42 1.Motor rung dạng xu 42 Hình 28 So sánh dạng cấu tạo phổ biến motor rung loại quay motor rung hình xu 42 Hình 30.Coin vibration motor 44 2.Tai phone .45 Hình 31 Jack cắm tai phone 45 Hình 32 Tai phone 46 PHẦN VI.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 I.VỀ MƠ HÌNH(BẢN THỬ) 47 Bảng Hạn chế hướng khắc phục hạn chế mơ hình cũ 47 THẢO LUẬN 47 II.MƠ HÌNH (BẢN NÂNG CẤP) 48 SO SÁNH BẢN THỬ VÀ BẢN NÂNG CẤP 48 Bảng 10 So sánh thử nâng cấp 48 THẢO LUẬN 48 III.SO SÁNH GĂNG TAY VỚI CÁC PHƯƠNG THỨC KHÁC 49 Bảng 11.Tổng quan so sánh ưu-khuyết điểm phương thức 49 IV.CẢM BIẾN ÂM THANH 50 1.Các thử nghiệm cảm biến âm .50 Hình 33.Thí nghiệm với góc nghiêng gần 180° 52 Hình 34.Thí nghiệm với cảm biến âm 54 Hình 35.Thí nghiệm với cảm biến âm 55 2.Nâng cấp cảm biến HC-SR04 lên cảm biến HY-SRF05 .56 Hình 37.Kích thước chi tiết cảm biến HY-SRF05 57 Hình 38.Mặt prototype 58 Hình 39.Mặt prototype 59 Hình 40.Bản prototype đeo tay 60 PHẦN VII.KẾT LUẬN .61 I.KẾT LUẬN CHO CƠ CẤU HIỆN TẠI 61 II.HƯỚNG PHÁT TRIỂN .61 Hướng phát triển trước mắt: .61 PHẦN VIII.TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 I.TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 1.The Tacit project .62 Hình 41 Tactic project 62 2.HALO PROJECT 62 Hình 42 Halo project 62 II.PHẦN MỚI SO VỚI CÁC DỰ ÁN TRÊN 63 PHẦN IX.PHỤ LỤC 64 I.TỔNG KẾT GIÁ THÀNH 64 Bảng 12 Tổng kết giá thành nâng cấp 64 II.CÁC HIỂU BIẾT CƠ BẢN VỀ NGƯỜI KHIẾM THỊ 64 Hình 43 Tỉ lệ người khiếm thị so với khu vực giới .65 III/LIÊN KẾT NGOÀI 66 PHẦN I.TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN Cộng đồng người khiếm thị chiếm tỉ lệ không nhỏ xã hội lồi người Vì khiếm khuyết thể,họ gặp nhiều khó khăn hoạt động thường nhật,đặc biệt việc lại di chuyển,do khơng có khả nhìn để tránh vật cản Họ thường nhờ người thân hỗ trợ di chuyển,hoặc sử dụng gậy dị đường Như vơ bất tiện khó khăn Trên thị trường cho số thiết bị hỗ trợ người khiếm thị di chuyển,nhưng tính phổ thơng khơng cao với giá thành đắt đỏ Với mong muốn giúp đỡ người khiếm thị giảm bớt gánh nặng,nhóm hướng đến việc tạo sản phẩm hiệu quả,phù hợp với nhu cầu khả tài người dùng Găng tay hỗ trợ di chuyển dùng cảm biến sóng âm có ngun lí hoạt động dựa phương pháp “định vị hồi âm”,giúp người khiếm thị giải vấn đề nan giải việc lại Câu hỏi nghiên cứu: Làm để tạo thiết bị hoạt động hiệu quả,giảm bớt gánh nặng cho người khiếm thị di chuyển,dễ dàng sử dụng với giá thành phù hợp mà người tiêu dùng chi trả được? Lợi ích đem lại: Nhờ găng tay,người sử dụng xác định vật cản cách xác dễ dàng,hiệu hơn,từ giảm thiểu nguy hiểm việc tự lại,giúp người khiếm thị tự tin chủ động tự di chuyển Công việc thực hiện: Qua việc mô chế “nghe” loài dơi cảm biến sóng âm kết hợp với motor rung hệ thống âm đơn giản để cảnh báo,găng tay thiết bị thay gậy giúp người dùng nhận biết tránh vật cản di chuyển Chế tạo thử nghiệm găng tay hoạt động thành công PHẦN II.GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Cộng đồng người khiếm thị chiếm tỉ lệ không nhỏ xã hội.Thế giới có khoảng 285 triệu người khiếm thị nói chung [1] triệu người Việt Nam nói riêng[2].Phần lớn họ nước phát triển,và hầu hết gặp khó khăn tài Do khiếm khuyết thị giác(thị lực kém,quá mù hồn tồn),người khiếm thị gặp nhiều khó khăn việc lại.Cơng cụ giúp họ việc di chuyển tham gia lưu thông gậy.Tuy nhiên,cây gậy lại có tầm hoạt động khơng rộng,dễ vướng víu địa hình chật hẹp,có thể gây nguy hiểm cho thân người dùng người xung quanh,nhất nơi không quen thuộc.Gậy dị đường khơng dễ để mang lại di chuyển kích thước cồng kềnh nó,và khơng có gậy dường họ bị hạn chế hoàn toàn khả di chuyển Thực tế,đã có số thiết bị hỗ trợ người mù tránh vật cản cảm biến sóng âm như: -Sản phẩm kính thơng minh Tiến sỹ Stephen Hicks từ Đại học Oxford[3] -Haptic Feedback Device (project HALO)[4] -Haptic Feedback Vest[5] Tuy nhiên chúng có chung nhược điểm: -Giá thành cao,không khả thi cho việc sản xuất đại trà.Kính thơng minh có nhược điểm lớn khác:nó khơng hồn tồn giúp người mù có mắt mới,nó hiển thị hình ảnh định dạng đen trắng có tác dụng với người có thị lực bị bệnh,tức giúp cho người chưa bị hoàn toàn thị lực.Đối với người bị mù hoàn toàn từ nhỏ tai nạn lớn mà toàn thị lực sản phẩm gần hồn tồn thất bại.Chiếc áo vest có tương lai triển vọng hơn,tuy nhiên chúng chưa hoàn toàn đạt tiêu chí đề ra.Giá thành giảm lớn,công nghệ chế tạo rắc rối,sự cồng kềnh bất tiện khuyết điểm bỏ ngỏ Do đó,việc trang bị cho người khiếm thị thiết bị điều thực hiện,do chi phí phục vụ cho nhu cầu toàn người dùng số khổng lồ,tự thân họ đáp ứng vượt khả trợ cấp xã hội Vậy nên,việc tạo sản phẩm ứng dụng nguyên lí thu nhận-đo đạc sóng âm(hay cịn gọi phương pháp định vị hồi âm) với giá thành phải chăng,tính phổ thông cao,dễ sử dụng,hiệu tốt điều vơ thiết yếu Ý tưởng hình thành đề tài ứng dụng nguyên lí định vị hồi âm,với ví dụ điển hình lồi dơi chế nghe-tránh vật cản loài dơi Bước đầu ứng dụng motor rung điện thoại để làm thiết bị cảnh báo cho người dùng,có thể dễ dàng điều khiển,thay đổi cường độ rung theo ý muốn có giá thành rẻ,tính phổ thơng cao Đề tài gồm lớp sau: Thành phần Nội dung Cảm biến sóng siêu Một đầu cảm biến sóng âm phát sóng siêu âm ra,một âm-Đo đạc đầu thu nhận sóng siêu âm phản xạ lại Arduino Tiếp nhận liệu thu từ cảm biến,tính tốn gửi lệnh thực đến motor rung,còi Brushless vibration Nhận lệnh từ Arduino thực hành động rung/Phát âm mortor/Còi buzzer để cảnh báo người dùng Giao tiếp người dùng- Thông báo trạng thái(phương hướng,khoảng cách) vật cản Thông báo chế rung,âm Sau trình thực nghiệm,cơ cấu máy nâng cấp với coin vibration motor để tăng hiệu phản hồi xúc giác thay còi tai phone để tăng tiện dụng II Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU Nếu chế tạo hồn thiện thành cơng thiết bị giúp mở cánh cửa cho người khiếm thị,giúp họ dễ dàng việc di chuyển thực sinh hoạt thường nhật Khi việc lại đảm bảo,gánh nặng người khiếm thị giảm,sẽ giúp họ có nhiều hội cho hoạt động cá nhân khác,chẳng hạn tập trung vào việc cải thiện tài kinh tế Từ đây,người khiếm thị bớt tự ti,lo lắng hơn,dễ dàng việc gia nhập xã hội,hòa nhập cộng đồng,mở hội việc giao tiếp,tương tác với người khác,kết nối thân với người PHẦN III.GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU I.GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Bằng việc ứng dụng lí thuyết tính chất sóng siêu âm ứng dụng việc định vị,có thể tạo thiết bị có chế hoạt động giống với khả định vị loài dơi.Kết hợp với kiến thức khoa học phản xạ người chế cảnh báo cần xem xét thiết bị LÍ THUYẾT VỀ SĨNG SIÊU ÂM Siêu âm(hay cịn gọi sóng siêu âm) âm có tần số cao tần số tối đa mà tai người nghe thấy được(thường từ 20000 Hz trở lên) Sóng siêu âm có hai đặc tính quan trọng,thứ tính định hướng Do tần suất sóng siêu âm cao, bước sóng ngắn, truyền theo đường thẳng giống ánh sáng mà không giống số sóng âm có bước sóng tương đối dài truyền thơng qua mặt khác Sóng siêu âm va vào vật cản phản xạ trở lại, cách tiếp nhận phân tích sóng phản xạ, dự đoán phương hướng khoảng cách vật cản Do sóng siêu âm khơng dễ bị ảnh hưởng tác nhân bên ngồi nên ta tin tưởng vào kết đo thiết bị Trong giới tự nhiên, loài dơi dùng giác quan để phát sóng siêu âm, dùng tai để tiếp nhận sóng phản xạ để phân biệt vật cản, vật hang tối bay lượn thoải mái, bay bắt sâu nhỏ cách chuẩn xác Cơ chế di chuyển dơi: họng dơi phát sóng siêu âm mạnh, thơng qua miệng lỗ mũi phát ngồi Khi gặp vật thể, sóng siêu âm bị phản xạ trở lại, tai nghe hồi âm, liền phân biệt khoảng cách mức độ to nhỏ vật thể Các nhà khoa học gọi phương thức tìm vật thể theo hồi âm dơi “Định vị hồi âm” Siêu âm lan truyền nhiều mơi trường tương tự môi trường lan truyền âm thanh, không khí, chất lỏng rắn, với tốc độ gần tốc độ âm Trong mơi trường có cấu trúc đồng nhất,sóng âm lan truyền theo đường thẳng Trong mơi trường có cấu trúc khơng đồng nhất,một phần sóng âm phản hồi mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng âm tạo nên âm dội hay âm vang(echo),phần lại lan truyền theo hướng chùm sóng âm phát ra.(Sóng phản hồi thu nhận đầu dị cảm biến) Hình 1.Dải tần số ứng với siêu âm số dải ứng dụng Vì lại chọn chế sóng siêu âm để phát vật cản? Do tính chất nêu trên,có thể coi siêu âm phương pháp định vị chuẩn xác dễ dàng sử dụng,không cần công nghệ cao.Tuy nhiên khơng phải phương pháp nhất.Ngồi cịn có phương thức dùng cảm biến hồng ngoại để phát vật cản(ứng dụng xe điều khiển đồ chơi,mơ hình robot dị đường).Ngun lí cảm biến sau: mắt phát hồng ngoại phát sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại , mắt thu bình thường có nội trở lớn (khoảng vài trăm kilo ôm ) , mắt thu bị tia hồng ngoại chiếu vào nội trở giảm xuống ( khoảng vài chục ơm) Lợi dụng nguyên lý người ta chế tạo cảm biến IR Hình sau biểu diễn nguyên lý hoạt động cảm biến phát vật cản IR: Ghi nhớ vật cản vật cản có bề mặt sáng , bề mặt vật cản tối hấp thu tồn tia hồng ngoại mắt thu không nhận tia cảm biến coi khơng có vật cản phía trước Hình 2.Ngun lí hoạt động cảm biến hồng ngoại Không mạch cảm biến hồng ngoại khơng thể phát vật thể có tính chất gần đồng với môi trường,như thủy tinh khơng khí.Các phương thức khác khơng phổ biến bằng,khó ứng dụng vào thực tế nên ta khơng đề cập tới Hình sau mạch hồn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý : 10 ... khả tài người dùng Găng tay hỗ trợ di chuyển dùng cảm biến sóng âm có ngun lí hoạt động dựa phương pháp “định vị hồi âm? ??,giúp người khiếm thị giải vấn đề nan giải việc lại Câu hỏi nghiên cứu: Làm... lại,giúp người khiếm thị tự tin chủ động tự di chuyển Cơng việc thực hiện: Qua việc mô chế “nghe” lồi dơi cảm biến sóng âm kết hợp với motor rung hệ thống âm đơn giản để cảnh báo, găng tay thiết... bất tiện khó khăn Trên thị trường cho số thiết bị hỗ trợ người khiếm thị di chuyển, nhưng tính phổ thơng khơng cao với giá thành đắt đỏ Với mong muốn giúp đỡ người khiếm thị giảm bớt gánh nặng,nhóm