- CẢI THIỆN THIẾT BỊ HỖ TRỢ NGƯỜI KHIẾM THỊ ĐIỀU HƯỚNG DI CHUYỂN DÙNG SÓNG SIÊU ÂM. - Ngày nhận bài Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị đi đường dùng sóng siêu âm và cảnh báo chướng ngại vật bằng tiếng Việt đã được nhóm nghiên cứu triển khai từ năm 2012. - Tuy nhiên, thực tế sử dụng cho thấy thiết bị vẫn còn tình trạng cảnh báo sai, do giải thuật kiểm soát cảm biến siêu âm còn hạn chế. - Nghiên cứu này tập trung cải thiện giải thuật để khắc phục tình trạng cảnh báo giả. - Phần cứng của thiết bị được kế thừa lại, với vi điều khiển 89C2051, các mô-đun cảm biến siêu âm SRF05 và mô-đun cảnh báo tiếng Việt dùng chip ISD1420. - Phần mềm hệ thống trên vi điều khiển được tích hợp thêm hàm bù sai số cảm biến dùng giải thuật bình phương tối thiểu Levenberg-Marquardt. - Thử nghiệm cho thấy, giải thuật cải tiến có thể đo khoảng cách chướng ngại vật với tỷ lệ chính xác đạt hơn 96%, trong dãy khoảng hữu dụng từ 30 đến 90 cm. - Đồng thời thực nghiệm thiết bị tại Hội người mù Thành phố Cần Thơ và Hội người mù huyện Đức Hòa, tỉnh Long An cho thấy, thiết bị đáp ứng được sự mong đợi của cộng đồng người khiếm thị, cũng như mang lại nhiều hi vọng cho họ về một sản phẩm hữu ích giá rẻ.. - Người khiếm thị Siêu âm. - Thiết bị hỗ trợ đi đường. - Tuy nhiên, thị trường cho thiết bị này giới hạn, nên các nhà đầu tư không mấy quan tâm. - Đó có thể là lý do cơ bản mà mắt kính MT2FX vốn được đánh giá là có nhiều tiềm năng, nhưng sau khi kết thúc dự án nghiên cứu [8], thiết bị này gần như đã bị quên lãng.. - Các nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm để định vị chướng ngại vật [9]-[11], có thể là giải pháp phù hợp để chế tạo thiết bị hỗ trợ người khiếm thị một cách đơn giản và rẻ tiền. - Trong đó, nghiên cứu trong [9] mới dừng lại ở mức độ mô hình kiểm chứng giải thuật trong phòng thí nghiệm. - Quá trình thử nghiệm cho thấy, với giá thành chế tạo rẻ, người khiếm thị dễ tiếp cận, nhưng thiết bị này thỉnh thoảng lại “cảnh báo giả” hoặc “cảnh báo quá xa”, làm cho người sử dụng khó di chuyển. - Nguyên nhân của hiện tượng này là do thiết bị [11] sử dụng mô- đun cảm biến siêu âm phổ thông SRF05, thực tế khảo sát (vì nhà sản xuất không cung cấp sơ đồ đặc tuyến của mô-đun này) cho thấy dãy đo tuyến tính của mô-đun cảm biến nằm trong khoảng từ ~0,5m đến ~1,5m, trong khi yêu cầu ứng dụng của thiết bị trong khoảng từ 0,3m đến 0,9m.. - Tức là cảm biến luôn vận hành trong tầm đo phi tuyến của nó, nên kết quả thu được có sai số.. - Ngoài ra, giải thuật đọc cảm biến trong [11] không có khả năng loại trừ được mẫu nhiễu có giá trị lớn bất thường so với mẫu dữ liệu trước đó, cũng góp phần gây ra cảnh báo giả.. - Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện giải thuật kiểm soát các mô-đun cảm biến siêu âm SRF05, nhằm mục tiêu cải thiện thiết bị hiện có của nhóm, để nâng cao độ tin cậy cảnh báo, dựa theo ý kiến phản hồi của người dùng. - Phần cứng của thiết bị [11] cơ bản được kế thừa lại, tuy nhiên, phần mềm hệ thống sẽ được nâng cấp tính năng khắc phục sai số cho các cảm biến siêu âm. - Để thực hiện được yêu cầu này, các thí nghiệm thu thập dữ liệu đo khoảng cách của cảm biến được thiết lập, để so sánh với dữ liệu khoảng cách tương ứng, được đo thủ công bằng thước, nhằm đánh giá sai số. - Giải thuật bình phương tối thiểu Levenberg-Marquardt [12] được áp dụng để xây dựng hàm bù sai số cho cảm biến. - Ngoài ra, giải thuật đọc cảm biến còn so sánh mẫu đọc hiện tại với mẫu đọc trước đó, để phát hiện mẫu nhiễu có giá trị bất thường để loại bỏ.. - Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau, mục 2 giới thiệu sơ lược về phần cứng, phần mềm của thiết bị, cũng như giải thuật cải thiện sai số cảm biến được bổ sung. - Như đã đề cập, phần cứng thiết bị được kế thừa từ một nghiên cứu trước đây của nhóm, đã được giới thiệu trong khuôn khổ Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 (VCM2012). - Do vậy, phần này chỉ trình bày một số điểm cơ bản về phần cứng và phần mềm, để tiện theo dõi, chi tiết về thiết bị xin xem thêm tại [11]. - phục hiện tượng “cảnh báo giả” và/hoặc “cảnh báo quá xa” theo phản hồi của người dùng, thông qua việc nhận dạng mô hình sai số và cải tiến giải thuật đọc cảm biến.. - Thiết bị cần có khả năng cảnh báo bằng tiếng Việt để người khiếm thị nhận biết vật cản bên trái, bên phải và phía trước, lúc họ đeo thiết bị ở thắt lưng và di chuyển. - Từ yêu cầu đó, các tiêu chí kỹ thuật của thiết bị gồm: (i) Gọn nhẹ, dùng pin, giá rẻ. - (ii) Phát hiện chướng ngại vật phía trước, bên trái và bên phải người sử dụng, ở khoảng cách phù hợp. - (iii) Cảnh báo chướng ngại vật bằng tiếng Việt với các âm tương ứng là “trái”, “phải” và “trước”, dùng headphone. - (iv) Hạn chế tối đa tình trạng “cảnh báo giả” hoặc “cảnh báo quá xa” làm cho người khiếm thị khó di chuyển.. - Phần cứng của thiết bị [11] gồm 3 khối chức năng cơ bản sau: (i) Khối điều khiển trung tâm dùng Atmel 89C2051 kiểm soát toàn bộ thiết bị, có thể nạp lại chương trình dễ dàng. - Bằng cách đo độ rộng xung phản hồi, ta có thể để tính khoảng cách từ SRF05 đến vật phản xạ. - SRF05 xác lập xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách [13], theo (1), trong đó, W là độ rộng xung phản xạ (µs). - L là khoảng cách từ SRF05 đến vật phản xạ (cm).. - Các chức năng của cảm biến siêu âm SRF05. - Khối cảnh báo bằng âm thanh sử dụng chip ISD1420. - ISD1420 được sử dụng để phát 3 âm thanh cảnh báo , gồm “trái”, “phải” và “trước” [11].. - Vi điều khiển AT89C2051 được sử dụng để quản lý toàn bộ hoạt động của thiết bị. - Phần mềm hệ thống sẽ thăm dò cảm biến sau mỗi chu kỳ lấy mẫu. - Tại thời điểm thăm dò, cảm biến siêu âm SRF05 sẽ được kích hoạt. - Sau đó, cảm biến sẽ phát một chuỗi siêu âm tần số 40KHz. - Nếu cảm biến nhận được sóng phản xạ, AT89C2051 sẽ kích hoạt chip ISD1420 phát âm cảnh báo tương ứng. - Ngược lại, nếu SRF05 không nhận được sóng phản xạ, AT89C2051 sẽ dò đến cảm biến kế tiếp. - Quá trình được lặp lại suốt thời gian hoạt động của thiết bị. - Trường hợp có nhiều cảm biến đồng thời nhận được sóng phản xạ, bộ xử lý sẽ ưu tiên cảnh báo vật cản ở gần thiết bị nhất [11].. - Việc xác định khoảng cách phù hợp để cảnh báo đã được thử sai nhiều lần theo góp ý của Hội người mù thành phố Cần Thơ. - nghiên cứu này dùng một hình hộp có kích thước 5x5x5 cm đặt trong tầm quan sát của thiết bị, để xác định phạm vi phủ sóng của 3 cảm biến. - Kết quả khảo sát cho thấy, tầm hoạt động của thiết bị như trên Hình 2. - Di chuyển vật cản trong khoảng 30 cm đến 90 cm, trong vùng mặt phẳng 180 o , để xác định tầm hoạt động của bộ cảm biến. - Đồng thời, thiết bị cũng kịp thời cảnh báo các chướng ngại vật ở khoảng cách 80-90 cm, tương ứng ở bên trái, bên phải và phía trước của người khiếm thị [11].. - Tầm hoạt động của thiết bị. - Tuy nhiên, do SRF05 là loại cảm biến phổ thông, rẻ tiền nên việc đọc sóng âm phản xạ từ vật cản thỉnh thoảng bị sai. - Kết quả cho thấy, dãy đo tuyến tính của mô-đun cảm biến nằm trong khoảng từ ~0,5 m đến ~1,5 m. - Trong khi đó, yêu cầu ứng dụng của thiết bị cần đọc sóng phản xạ trong khoảng từ 0,3 m đến 0,9 m. - Tức là các mô-đun cảm biến phải vận hành trong tầm đo phi tuyến của nó. - Ngoài ra, giải thuật đọc cảm biến trong [11] không có khả năng loại trừ được mẫu nhiễu có giá trị lớn bất thường so với mẫu dữ liệu trước đó, cũng góp phần gây ra cảnh báo giả. - Nhiệm vụ cơ bản của nghiên cứu này là cải tiến phần mềm hệ thống bằng cách tích hợp thêm giải thuật bù sai số và phát hiện mẫu nhiễu có giá trị lớn bất thường.. - Kiểm soát cảm biến siêu âm 2.4.1. - Thực tế cho thấy, người khiếm thị di chuyển rất chậm, cho nên có thể xem cảm biến siêu âm hoạt động trong trạng thái tĩnh. - Để có thể nhận dạng được hàm quan hệ giữa giá trị khoảng cách đọc từ cảm biến và giá trị khoảng cách chuẩn, mô hình thí nghiệm được bố trí như Hình 3. - (ii)sau đó, vi điều khiển sẽ kích hoạt mô-đun cảm biến SRF05 để đo khoảng cách x i từ vật thể đến cảm biến.. - Biểu diễn 2 véc-tơ dữ liệu (x, y) trên Hình 4, ta thấy khoảng cách đo được bằng cảm biến x i bị sai lệch so với khoảng cách đo thủ công bằng thước y i . - Như vậy, khoảng cách đo bằng cảm biến cần phải được hiệu chuẩn theo giá trị đo bằng thước, để khắc phục sai số của SRF05.. - Dữ liệu khoảng cách được đo đạc Hình 5. - Kiểm chứng hàm bù sai số cảm biến. - Giải thuật bù sai số cảm biến. - Mục tiêu của việc bù sai số cảm biến SRF05 là xây dựng hàm quan hệ:. - Nhiệm vụ của giải thuật bình phương tối thiểu là tìm véc-tơ tham số p của hàm ˆf. - Giải thuật Levenberg-Marquardt [12] cập nhật (8) theo:. - Giải thuật bình phương tối thiểu Levenberg-Marquardt được MATLAB tích hợp vào Curve Fitting Toolbox [16]. - Từ kết quả này, phần mềm thiết bị được cải tiến lại như sau: Ứng với mỗi giá trị cảm biến SRF05 đo được là x thì vi điều khiển sẽ hiểu khoảng cách ước lượng là y, sau khi cập nhật giá trị x vào hàm (11).. - Số lượng cảm biến: 03. - Khoảng cách cảm biến trước: 30-90. - Khoảng cách cảm biến trái, phải: 30-80 cm. - Kích thước thiết bị: 30x50x120 cm. - Lưu đồ giải thuật tính toán hàm e x Hình 7. - Giải thuật loại mẫu nhiễu. - Việc loại mẫu nhiễu có giá trị lớn bất thường được thực hiện bằng một giải thuật rất đơn giản, như (12). - Trong đó, s(k) là giá trị khoảng cách đo được ở thời điểm hiện tại và s(k-1) là giá trị khoảng cách đo được ở thời điểm lấy mẫu trước đó.. - Sản phẩm mẫu của nghiên cứu này là thiết bị hỗ trợ người khiếm thị đi đường được chế tạo như Hình 7, được kế thừa từ [11], đồng thời được cải tiến các giải thuật kiểm soát cảm biến siêu âm, để hạn chế hiện tượng cảnh báo giả của nó. - Kết quả thử nghiệm độ chính xác của cảm biến sau khi được cải tiến giải thuật, được tiến hành như thí nghiệm Hình 3. - Với dãy khoảng cách đo từ 30 cm đến 90 cm (theo yêu cầu của thiết bị), cho kết quả ở Bảng 2. - Từ kết quả này ta thấy, cảm biến sau cải tiến đạt tỷ lệ chính xác hơn 96%. - Tuy nhiên, do hạn chế về điều kiện triển khai nghiên cứu, nên các cảm biến hiện vẫn đang được xử lý trong điều kiện tĩnh, chưa thể triển khai được trạng thái động, mà ở đó cả cảm biến và vật cản đều di chuyển.. - Thiết bị này đã được kiểm nghiệm trên 3 hội viên tình nguyện thuộc Hội người mù thành phố Cần Thơ (Hình 8). - Sau khi cải tiến, thiết bị tiếp tục được kiểm nghiệm trên 3 hội viên Hội người mù huyện Đức Hòa, tỉnh Long An (Hình 9). - Kết quả thử nhiệm cho thấy, thiết bị phát hiện và cảnh báo kịp thời các chướng ngại vật phía trước, bên trái và bên phải, hỗ trợ hiệu quả cho quá trình di chuyển của người khiếm thị (xin quét mã QR-Code Hình 10 để xem clip thực nghiệm thiết bị).. - Theo tính toán và thực tế chế tạo, thiết bị này có giá dưới 1,5 triệu đồng. - Các tính năng kỹ thuật của thiết bị Số lần. - Khoảng cách (cm) Tỷ lệ đúng Chuẩn Đo (trung bình). - Nghiên cứu này tập trung cải thiện phần mềm kiểm soát cảm biến siêu âm cho thiết bị hỗ trợ người khiếm thị đi đường do nhóm đã xây dựng trước đó, để khắc phụ hiện tượng cảnh báo giả.. - Giải thuật bình phương tối thiểu Levenberg-Marquardt được sử dụng để nhận dạng hàm quan hệ giữa giá trị khoảng cách đọc được bằng cảm biến và giá trị tiêu chuẩn. - Ngoài ra, giải thuật loại trừ mẫu nhiễu có giá trị lớn bất thường cũng được áp dụng, bằng cách so với mẫu dữ liệu trước đó. - Thiết bị sau cải tiến có thể phát hiện và cảnh báo chướng ngại vật ở khoảng cách từ 30 đến 90 cm bằng sóng siêu âm, trong phạm vi 150 o phía trước thiết bị. - Tỷ lệ chính xác của cảm biến sau cải tiến đạt trên 96%, trong điều kiện phòng thí nghiệm. - Thiết bị cũng được thực nghiệm tại Hội người mù thành phố Cần Thơ và Hội người mù huyện Đức Hòa tỉnh Long An. - Kết quả thực nghiệm cho thấy, thiết bị đã đáp ứng được sự mong đợi của cộng đồng người khiếm thị, với những ưu điểm sau: (i) nhỏ gọn, dùng pin và có thể đeo quanh thắt lưng. - (ii) cảnh báo kịp thời chướng ngại vật phía trước, bên trái và bên phải người sử dụng bằng tiếng Việt
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt