Электронный сонар-браслет для незрячих людей



Зрение ‒ неоценимый помощник при ориентировке и передвижении в пространстве. Зрение является дистантным органом чувств и позволяет опознать предмет, определить его местоположение в окружающем пространстве среди других объектов, определить расстояние до этого объекта. Люди, у которых зрение отсутствует, испытывают большие трудности при ориентировке и передвижении. По данным Минздрава России слепых и слабовидящих насчитывалось 218 тыс. человек, из них абсолютно слепых – 103 тыс. (данные на 2009 год) [4].Незрячие люди могут быть самостоятельными и независимыми. Эта мысль уже никого не удивляет. Быть независимыми, незрячим во многом помогают технические средства реабилитации. К техническим средствам реабилитации следует отнести всю ту технику, которая создается специально для слепых, зрячие в ней не нуждаются, а для слепых же имеет неоценимо большое значение.

Цель работы: создание электронного сонара-браслета для бесконтактного ориентирования незрячих людей в помещении.

Задачи:

1. Из различных источников изучить принцип эхолокации и ее применение животными, технические устройства для помощи слепым и слабовидящим;
2. Изучить зависимость скорости звука от температуры воздуха, оценить точность измерения используемого датчика при низких температурах;
3. Используя знания в области робототехники и учебный конструктор спроектировать, собрать экспериментальный образец установки;
4. С помощью ПО конструктора составить рабочий алгоритм программы;
5. Исходя из выводов по проделанной работе определить перспективы дальнейшего развития проекта.

Новизна и практическая значимость: Активное развитие вычислительной техники и информационных технологий не только открывает перед исследователями новые возможности в области построения искусственных интеллектуальных систем для помощи незрячим людям. Прототип устройства может быть использован для разработки реального прибора с большим функционалом и эргономичностью.

Материалы и методы исследования: В качестве рабочих деталей устройства электронного сонара-браслета был использован микрокомпьютер роботконструктора LEGOMindstormsEV3, ультразвуковой датчик, входящий в стандартную комплектацию конструктора; использованы текстильные материалы для удобного крепления прибора на запястье; для составления рабочего алгоритма программы использовано ПО LEGOMindstormsEV3.

Согласно поставленной цели и задачам в работе были применены следующие методы: метод гипотез (научное предположение об определении расстояний методом эхолокации, определение дальнейшей перспективы развития проекта); экспериментальный метод (проектирование и сборка экспериментального образца установки, составление рабочего алгоритма).

В своей работе мы брали ультразвуковой датчик, входящий в стандартный набор робототехнического конструктора.

В ультразвуковых датчиках, действующих по принципу эхолокации, расстояние до объекта рассчитывается на основании измерения времени между моментами посылки и приема звукового импульса и скорости звука в среде. Для газов формула скорости звука (c) выглядит так:

где: γ — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах; t — температура в градусах Цельсия; m — молекулярная масса; M — молярная масса.

По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Формула скорости звука в воздухе при давлении ~1атм:

C(t) = 331(1+ t / 273)

где t – температура в градусах Цельсия. Из зависимости видно, что скорость распространения звуковых волн снижается с понижением температуры воздуха.

Таким образом, мы вычислили скорость звука в помещении с температурой воздуха 20°С:

С(t)=331(1+20/273)=331+24,25=355,25 м/с

Зимой, при температуре -40°С скорость звука будет:

С(t)=331(1-40/273)=331-48,5=282,5 м/с

Используя данную формулу, мы построили график, который показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость скорости звука от температуры воздуха.

Как мы видим, скорость звука зимой и летом бывает разная. Поэтому при разработке эхолокационных устройств следует обратить внимание на климатические условия эксплуатации.

Чтобы оценить точность измерения используемого в работе датчика мы провели эксперимент. С помощью демонстрационной линейки измерили показания датчика в помещении (18°С) и на улице (45°С). Атмосферное давление 764 мм.рт.ст. Результаты измерений показаны на рисунке 2.

Из графика видно, что при комнатной температуре показания датчика более точные, сравнимы с показаниями демонстрационной линейки. На улице показания датчика не очень точные. Это объясняется тем, что при низких температурах скорость звука уменьшается.

Рисунок 2.Исследование показаний датчика в помещении и на улице.

Длина звуковой волны определяется из соотношения:

λ=c/f,

где: λ – длина волны; c – скорость звука; f – частота.

В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде заметно превышает длину волны звука, распространение звука происходит по законам геометрической акустики. Если же препятствия сравнимы с длиной волны (или меньше ее), существенную роль начинает играть дифракция волн, с которой связано и рассеяние звука. Данные явления следует учитывать при выборе датчика, особенно, для обнаружения мелких объектов и неровностей. Например, длина волны при скорости звука 355 м/с (20^о С, 1 атм) для частоты:

40 кГц – 8,6 мм.;

180 кГц – 1,9 мм.;

400 кГц – 0,86 мм.

Эквивалентна длине волны и разрешающая способность датчиков, указываемая многими производителями в спецификациях на изделия. В спецификации датчика частота и длина волны не указаны.

Нами был разработан прототип прибора, который называется «Электронный сонар-браслет». В работе использовали микрокомпьютер из робототехнического конструктора LEGOMinstormsEV3 и ультразвуковой датчик расстояния, который входит в стандартную комплектацию.

Принцип работы прибора достаточно простой (Рисунок 3). Датчик прибора излучает ультразвуковые волны, которые человеческое ухо неспособно воспринять. Отразившись от препятствия, волны возвращаются обратно в датчик. Прибор по времени, которое понадобилось для излучения и получения ультразвука высчитывает расстояние до препятствия. При расстояниях больше 1 м прибор сообщает «Путь свободен!», при расстояниях меньше 1 м прибор воспроизводит предупреждающее сообщение «Внимание, препятствие!».

Рисунок 3. Принцип работы прибора.

Основным достоинством прибора является то, что он носится на запястье как браслет, что по-нашему мнению, очень удобно – можно «направить» прибор в нужную нам сторону (Рисунок 4). Прибор заключен в удобный чехол с резинкой, чтобы защитить его от случайных повреждений и при необходимости без особых усилий снять.

Рисунок 4. Внешний вид устройства

Для составления рабочего алгоритма (рисунок 5) мы использовали Программное обеспечение для учащегося LEGOMINDSTORMSEducationEV3 StudentEdition. Среда разработки графическая, в ней достаточно быстро можно составить программу из готовых блоков.

Рисунок 5. Рабочий алгоритм работы прибора

Наша программа разделена на две подпрограммы. Первая подпрограмма начинает работать, когда мы нажимаем верхнюю кнопку на микрокомпьютере. При нажатии кнопки датчик расстояния начинает сравнивать свои текущие показания с «критическим» расстоянием (в нашем случае 100 см). При расстоянии >=100 воспроизводится аудиозапись «Путь свободен!», при расстоянии <=100 – «Внимание, препятствие!». После воспроизведения одного и этих двух аудиозаписей программа снова «ждет» когда мы нажмем на кнопку, после чего выполнение программы повторится. Вторая подпрограмма выводит значение датчика расстояния в сантиметрах по центру экрана. Для запуска данной подпрограммы не нужно нажимать какую-то кнопку не нужно.

В перспективе: сделать прибор более компактным; многофункциональным (добавить сообщения о конкретном расстоянии до препятствия, функцию определения цвета предмета); учитывать эксплуатацию при низких температурах; изучить вопрос смены звуковой формы взаимодействия прибора с пользователем на тактильную (например, вибровзаимодействие).

Литература:

1. Ващилко Елена. ИТ в здравоохранении [Электронный ресурс]: В помощь незрячим людям URL: http://www.lib.tsu.ru/win/produkzija/metodichka/6_6.html (Дата обращения: 21.11.2014);
2. Википедия [Электронный ресурс]: Эхолокация URL:http:// ru.wikipedia.org/wiki/Эхолокация (Дата обращения: 20.11.2014);
3. Глававтоматика. Ультразвуковые датчики в окружающей среде [Электронный ресурс] URL: http://snt.mega-sensor.ru/ (Дата обращения: 20.11.2014);
4. МедНовости. Инвалидность по зрению ежегодно получают 45 тысяч Россиян [Электронный ресурс] URL: medportal.ru/mednovosti/news/2009/10/07/blind/ (Дата обращения: 21.11.2014);
5. Морозов В. П. Занимательная биоакустика. Изд. 2-е, доп., перераб. — М.: Знание, 1987. — 208 с. + 32 с. вкл. — С. 30-36.

1