Моделирование ультразвукового локатора на платформе Arduino для незрячих людей и людей с ослабленным зрением

Выполнил:
Курочкин М.А.

Научный руководитель:
Савина В.В.

Введение

По данным Всемирной организации здравоохранения, 180 миллионов людей сейчас в мире - инвалиды по зрению, из них 45 миллионов - слепые. В России сегодня - около 300 тысяч незрячих, и ежегодно рождается 4 процента слепых и слабовидящих детей. Одна из проблем незрячего или слабовидящего человека – ориентирование в пространстве. Одним из технических средств, позволяющих ему ориентироваться в пространстве, служит ультразвуковой локатор.

В литературе рассмотрены несколько видов современных электронных устройств для незрячих людей и людей с ослабленным зрением, например,  ультразвуковые фонарики «Сонар-5УФ», электронный компас «Пеленг-01», говорящие маячки «Поиск-02» и «Поиск-03», инфракрасный локатор с вибрационно-цифровой индикацией «Луч-01», ультразвуковая насадка на трость [2, 3, 8, 9, 10]. Все представленные устройства изготовлены заводским способом. В литературе описаны возможности создания ультразвукового локатора на платформе Arduino, но отсутствует информация о готовых решениях.

Недостаточность практической разработки вопроса обусловила выбор темы учебного проекта «Моделирование ультразвукового локатора на платформе Arduino для незрячих людей и людей с ослабленным зрением».

Объектом изучения является ультразвуковой локатор.

В качестве предмета выступает компьютерная программа для аппаратной платформы Arduino.

Целью исследования является изготовление ультразвукового локатора на платформе Arduino и проверка его работоспособности.

Для достижения этой цели нами решались следующие задачи:

• изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
• изготовление ультразвукового локатора, создание компьютерной программы для аппаратной платформы Arduino, проверка работоспособности локатора;
• обработка и анализ полученных материалов.

В ходе работы использовались следующие методы:

• теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы);
• эмпирические (наблюдения, беседы, моделирование, измерения);
• интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Новизной работы стала компьютерная программа для аппаратной платформы Arduino, управляющая работой ультразвукового локатора.

1. Обзор литературы

Анализ литературы позволил нам выделить разные виды технических средств, в том числе и современных электронных средств, используемых незрячими людьми и людьми с ослабленным зрением для пространственного ориентирования, например: ультразвуковые фонарики, говорящие маячки, инфракрасные локаторы с вибрационно-цифровой индикацией, ультразвуковые насадки на трость (Приложение 1).

Сравнительный анализ электронных средств для пространственного ориентирования и обоснование темы выбора.

Рассмотрим три локатора сравнительную таблицу 1.

Таблица 1. Сравнение существующих средств для пространственного ориентирования

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что электронные средства для пространственного ориентирования Луч-01 и REY обладают приблизительно одинаковой функциональностью.

Анализ литературы позволил выделить преимущества данных электронных средств.

Отличительными особенностями модели Сонар-5УФ является передача информации слепому пользователю о наличии препятствия посредством звуковых тональных сигналов через стандартный головной телефон или тактильно, посредством вибродатчика. Прибор может использоваться в виде и в виде броши (кулона). Подвешиваемой на шею посредством шнура регулируемой длины [8].

Отличительными особенностями модели Луч-01 являются небольшие размеры (легко умещается в ладони) и наличие регулировки чувствительности [3].

Отличительной особенностью модели REY является наличие специального режима ESCAPE позволяющего пользователю найти свой путь в большой толпе людей или найти входы и выходы в помещениях через дверные проёмы [10].

Отличительной особенностью модели Пеленг-01 является наличие электронных датчиков магнитного поля для определения направления геомагнитных линий. Прибор работает в 2 режимах: «поиск севера» и «удержание на курсе». В первом случае человек с прибором поворачивается вокруг своей оси (или поворачивает прибор, держа его в руках) и определяет направление на север по максимальной высоте непрерывного тонального сигнала. Во втором режиме прибор по нажатию кнопки управления запоминает текущую ориентацию по сторонам света и отслеживает дальнейшие отклонения от этого первоначально выбранного курса [9].

Электронные средства для пространственного ориентирования, созданные на платформе Arduino, не используются пользователями.

Выделим основные функции среди ультразвуковых локаторов: масса и дальность обнаружения препятствий.

Необходимо разработать ультразвуковой локатор, который будет обладать основными функциями, и отличаться от представленных моделей наличием платформы Arduino.

2. План работы

Работа над проектом проводилась на базе ГБОУ Школа № 1538 г. Москвы.

Форма участия ГБОУ Школа на № 1538:

• научное и организационное руководство;
• занятия в рамках проектной деятельности и уроков физики.

Команда проекта представлена в таблице 2.

Таблица 2. Команда проекта «Моделирование ультразвукового локатора»

Работа над проектом нами была разбита на три этапа:

• 1 Этап. Подготовительный. Сентябрь 2017 г.
• 2 Этап. Практический. Октябрь-ноябрь 2017 г.
• 3 Этап. Обобщающий. Декабрь 2017 г.

Дорожная карта проекта представлена в таблице 3.

Таблица 3. Дорожная карта проекта «Моделирование ультразвукового локатора»

3. Ресурсное обеспечение

Список использовавшихся ресурсов представлен в таблице 4.

Таблица 4. Ресурсное обеспечение проекта. «Моделирование стробоскопического эффекта»

4. Описание проектного решения

Изготовленный нами ультразвуковой локатор позволяет облегчить пространственную ориентацию людям с ослабленным зрением, предупреждая о препятствиях на пути их следования звуковыми сигналами разной высоты в зависимости от расстояния до преграды. Прибор подвешивается на груди пользователя с помощью ремешка регулируемой длины. Локатор предназначается для предупреждения незрячих людей и людей с ослабленным зрением о препятствии, находящемся от уровня колена до головы. Можно также держать его в руке как фонарик. Для измерения расстояний используется ультразвуковая локация. Ультразвуковой локатор излучает звуковые импульсы очень высокой, неслышимой человеческим ухом частоты. Расстояние до препятствия устройство определяет по задержке отраженного от препятствия сигнала относительно излученного. Обработка информации осуществляется платой Arduino. Информацию о препятствии в направлении действия локатора пользователь получает с помощью слышимых звуковых тональных сигналов динамика. Локатор предназначен для пространственной ориентации людей по улицам или в помещении.

На передней панели 1 корпуса локатора расположены тумблер включения питания 2 и ультразвуковой датчик (дальномер HC-SR04) 3, посылающий ультразвуковые волны на пути следования человека (рис. 1). Размеры пластмассового корпуса локатора составляют 140×70×50 мм. Масса локатора составляет 205 г. К корпусу локатора прикреплён ремешок регулируемой длины 4, позволяющий подвешивать локатор на груди пользователя.

См. продолжение статьи