Articolul de cercetare original

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Citații
  • Valori
  • Licențierea
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF

Abstract

În întreaga lume există 285 de milioane de persoane cu deficiențe de vedere, dintre care 39 de milioane sunt complet orbi și 246 de milioane au o vedere slabă (1). Bastoanele lungi și câinii călăuzitori sunt instrumente de mobilitate faimoase pentru ei. Din păcate, acestea nu își pot proteja capul și corpul superior de coliziuni, cum ar fi cu indicatoare stradale, stâlpi de autobuz, ferestre deschise, ramuri de copaci și garduri, în special în mediile urbane. Diferite tehnologii de detectare, inclusiv sistemul de poziționare globală (GPS), lasere, camere și unde ultrasonice au fost utilizate în cercetare și produse comerciale pentru a rezolva problemele menționate anterior (2).

articolul

Au existat câteva abordări care utilizează GPS-ul pentru localizarea și navigarea persoanelor cu deficiențe de vedere în mediile urbane. Sistemul de navigație bazat pe GPS (3) este un produs comercial care utilizează semnale prin satelit pentru a localiza un utilizator într-o rază aproximativă de 20 m. Acest dispozitiv nu este potrivit pentru medii interioare, deoarece ratele ridicate de pierdere a semnalului și precizia redusă pot prezenta situații periculoase pentru persoanele cu deficiențe de vedere. Prioritățile bazate pe hartă pentru abordarea de localizare (4) generează semnale de la receptoare GPS de locație fixă, iar un receptor mobil este utilizat pentru a corecta poziția dispozitivului. Cu toate acestea, acest serviciu GPS nu este disponibil în toate zonele și nu poate oferi informații despre obstacolele din fața persoanelor cu deficiențe de vedere.

Un instrument pentru detectarea distanței și descoperirea mediului (5), tehnica laser îmbunătățește siguranța (6), iar LaserCane (7) folosește tehnici de măsurare a distanței laser. Această detectare are o acoperire limitată, care este periculoasă din cauza punctelor oarbe. Sistemul de detectare și avertizare a obstacolelor prin abordarea feedback-ului acustic (8) prezintă un sistem de vizualizare a camerei stereo pentru a detecta obstacolele potențiale în scenarii 3D interioare și exterioare. În special, folosește un feedback audio stereo cu frecvențe diferite pentru a reprezenta prezența obstacolelor. În ciuda performanțelor raportate, acest dispozitiv trebuie îmbunătățit, astfel încât componentele principale să se încadreze într-un dispozitiv mai mic.

Dispozitivele de detectare cu ultrasunete pot fi clasificate în două tipuri: un feedback audio și un feedback tactil. Exemple de dispozitive cu feedback audio cu ultrasunete sunt Echolocation (9), Navbelt (10) și proiectul de la Florida International University (FIU) (11). Dezavantajul acestor dispozitive de feedback audio este că utilizatorii cu deficiențe de vedere nu pot accesa simțul auditiv în scenariile urbane. În ceea ce privește abordarea prin feedback tactil, Guidecane (12) are o detectare limitată la sol și obstacole laterale. În ceea ce privește dezavantajele CyARM (13), utilizatorul trebuie întotdeauna să îl țină pentru a scana mediul, iar dispozitivul este prea greu. În ceea ce privește mânerul tactil (14, 15), acest dispozitiv utilizează patru senzori cu ultrasunete pentru a detecta obstacolele către partea din față, stânga, dreapta și partea inferioară a mâinii utilizatorului. Tablourile tactile 4 × 4 reprezintă diferite poziții de obstacol. Pentru a-i asigura eficacitatea, rezultatele arată că este necesară o instruire excesivă a utilizatorilor.

În plus față de aceste dispozitive bazate pe cercetare, au fost puse la dispoziție unele produse comerciale, dar cu costuri ridicate. Miniguidă (16) este un dispozitiv mic care reprezintă feedback-ul printr-un mic motor vibrator sau o priză pentru căști; dispozitivul are un preț de aproximativ 330 USD. K-Sonar Cane (17) este un dispozitiv atașat la bastonul alb; prețul său este de aproximativ 700 USD. LaserCane (18) folosește trei senzori laser pentru a detecta obstacolele pentru înălțimea capului, drept și în jos. Acest dispozitiv are un preț de 3.000 USD.

Având în vedere limitările dezvoltărilor anterioare, acest articol prezintă iSonar - un dispozitiv de avertizare a obstacolelor pentru evitarea coliziunii capului și a corpului superior. Funcționarea sa se bazează pe un transmițător de impulsuri cu ultrasunete. Prin utilizarea feedback-ului tactil, aceasta reprezintă distanța de coliziune, dar nu blochează simțul auditiv al utilizatorului. Caracteristicile cheie ale iSonar includ performanțe ridicate, costuri reduse, hardware miniaturizat, reîncărcabil și ușor de purtat.

Metodă

Cerințe privind specificațiile

În cadrul acestei cercetări, cerințele utilizatorilor sunt colectate direct de la Asociația Nevăzătorilor din Thailanda. Factorii cheie ai cerințelor includ întârzierea, portabilitatea, ușurința în utilizare și costul redus. Mai exact, dispozitivul trebuie să răspundă la obstacole. O viteză de mers tipică a persoanelor cu deficiențe de vedere este de aproximativ 1 m pe secundă și necesită un timp de reacție de 1,5 s. Distanța maximă pentru detectare nu trebuie să depășească 1,5 m pentru evitarea unei coliziuni. Portabilitatea este un alt factor esențial. Este neplăcut pentru persoanele cu deficiențe de vedere să țină întotdeauna un dispozitiv. Dispozitivul ar trebui să fie conceput pentru a fi purtat sau atașat la o parte a corpului utilizatorului, precum și capacitatea de a utiliza dispozitivul împreună cu bastoanele sau mijloacele de sprijin pentru mobilitate. Cu toate acestea, ar trebui să fie un dispozitiv mic, ușor, cu o formă ergonomică, astfel încât utilizatorul cu deficiențe de vedere să îl poată transporta mult timp. A treia cerință cheie este ca utilizatorul să prefere un dispozitiv prietenos. Dispozitivul ar trebui să fie ușor de învățat și de utilizat, iar bateria acestuia ar trebui să rețină încărcarea timp de cel puțin o săptămână. Ultima cerință cheie este ca produsul să aibă un preț rezonabil.

Descrierea abordării

Abordarea noastră este împărțită în trei părți principale. Prima parte este detectorul de obstacole care utilizează un traductor cu ultrasunete pentru a detecta obiecte în fața unui utilizator. Și pentru a doua parte, care este unitatea principală de control cu ​​design software încorporat, se utilizează un microcontroler pentru a calcula distanța obstacolelor, a controla vibrațiile motorului și a verifica starea bateriei. Ultima parte este implementarea dispozitivului care prezintă designul nostru hardware, componentele principale și specificațiile dispozitivului.

Detector de obstacole

Reflecția undelor sonore cu un traductor cu ultrasunete este utilizată în tehnica noastră de detectare a obstacolelor. Transmițătorul cu ultrasunete eliberează o explozie de unde sonore ultrasonice către aer și primește un ecou corespunzător (19). Amplitudinea ecoului depinde și de suprafața materialului reflectant și de absorbția sunetului. Distanța dintre traductor și obiect poate fi calculată prin timpul de ecou de reflexie și viteza sunetului în aer, așa cum se arată în ecuațiile (1) și (2): 1 V sunet (m/s) = 331,3 + (0,606 × T (° c)) 1

Unde V sunet este viteza sunetului în metri pe secundă, T (° c) este temperatura din aer în grade Celsius. Prin urmare, fiecare schimbare de temperatură de 1 ° C este egală cu o schimbare de aproximativ 60 cm/s a ​​vitezei sunetului. 2 D m = V s o u n d (m/s) × t (s) 2 2

Cu conditia ca D (m) este distanța dintre suprafața traductorului cu ultrasunete și obstacolul în metri, t (s) este timpul necesar pentru ca explozia cu ultrasunete să parcurgă distanța de la transmițător la obiect și înapoi la receptor în a doua unitate. Presupunând că viteza sunetului în aer este de 345 m/s la temperatura camerei, timpul necesar pentru unda sonoră de reflexie este de 8,7 ms, deoarece distanța dintre suprafața dispozitivului și obstacol este de 150 cm. Diagrama de măsurare a distanței este prezentată în Figura 1.