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互动式导盲白手杖
 

【作者: 謝易錚、顧祥龍等人】2019年11月22日 星期五

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「触觉传递辅助听觉」:现今视障者白手杖的改良多半采用语音的方式告知使用者,在语音传递上有着诸多不便,为此我们改用触觉将讯息传递给使用者,当加上超音波感测器之白手杖侦测障碍物的同时 便会传递讯号给手环,手环再藉由滚动的方式告知使用者。


创作动机

现今的导盲手杖都以语音沟通为主,但若在人多嘈杂的公共场所便难以发挥效用,一方面是周遭杂音会干扰接收器,另一方面是视障者可能不想发出声响影响其他行人;为此我们设计出穿戴式体感手环取代语音,以触觉来告知使用者是否遭遇障碍物。


设计概念

导盲杖

以大多视障者使用的「白手杖」做为基底改良,加上两个超音波模组来感测前方60 度以及4公尺的障碍物的感测,再透过网路将障碍物的位置传到手环,此外更加上微电脑设计语音助理功能帮助视障者更了解室外状况。


智能手环

我们设计的手环和导盲杖,藉由步进马达的转动提供视障者回??;当导盲杖上的超音波感测器感测到有障碍物时手环便会转动,会根据视障者前方 障碍物的位置及距离以转速不同之呈现方式反??给使用者。


工作原理

本作品藉由 HT66F2390 开发版输出 8 个 40kHz脉冲给两组超音波测距模组 HC-SR04,接收脚位(PA1、PA3)回传并记录反应的时间(量测到物体後反射回来後的时间),转换成真实距离,并藉由这两组距离值,经由程式逻辑控制步进马达 28BYJ-48(手环)如图 1 所示,判断给使用者行走方向,直 走、向左走还是向右走。


图一 : 工作流程图
图一 : 工作流程图

MCU主要核心功能

本作品运用到Holtek MCU的核心功能,HT66F2390 上的处理编程与指令,用作函式以及判断式处理;并运用计时模组计算超音波回传脚位时间以及马达运转时间;以乘除单元转换数据,以灵活的输入输出脚位控制步进马达,如图二所示。


图二 : HT66F2390 核心功能 (蓝色为已使用、灰色为未使用)
图二 : HT66F2390 核心功能 (蓝色为已使用、灰色为未使用)

作品结构

感测端元件架构设计

本作品叁考并改良论文[1]的设计,论文[1]所使用的感测元件有红外线如图3所示,红外线主要使用於手环转动时能精准控制其转动位置,由於我们考虑视障者携带简便的要素,将其改良为步进马达取代原本的红外线与 DC 直流马达。


图三 : 转动环结构
图三 : 转动环结构

MCU 和周边元件相互关系

28BYJ-48步进马达大致上有四个输入端内部结构是以四个输入端分别接上线圈以制造磁场。首先,四个输入电压藉由线圈产生或改变四个方向的磁场,藉由磁场的改变,以达到控制步进马达转子的效果。步进马达的转子为永久磁铁,藉由电磁线圈控制转子角度,以达到顺时针旋转和逆时针旋转的效果。若要让马达待机,则令输入全为0,取消环境激磁。若要让马达逆时针旋转,则依序将相对应的,讯号以1001, 0101,0110, 1010 循环输入,则能让马达以 45度, 135度, 225度, 315度的顺序旋转,反之亦然,如图四~图七所示。


图六 : 转子转至 225度
图六 : 转子转至 225度
图七 : 转子转至 315度
图七 : 转子转至 315度

演算法

启动 HT66F2390 发出至少 10us 的触发脉波到HC-SR04 模组的 trig 脚,使得 HC-SR04 模组产生8 个 40KHz(25us)超音波的脉波,如图八所示。


图八 : 脉波示意图
图八 : 脉波示意图

接着 HT66F2390 由零开时计时,HC-SR04 模组的Echo 脚变为高准位,等待接收回音信号,Echo脚准位降低时,HT66F2390 把计时值转变为距离,每58.3us 的时间为 1 公分,回音越久接收,Echo 脚高准位时间越久,距离越远。


使用情境说明

我们利用超音波辨别障碍物的位置,再配合手环的转动方向告知视障者障碍物的位置,如图九所 示,例如:


(1) 障碍物在左前方,手环就向左转。


(2) 障碍物在右前方,手环便向右转。


(3) 根据障碍物远近增加滚动的角度。


图九 : 使用情境示意图。
图九 : 使用情境示意图。

测试方法

本作品在开发时,为方便量测超音波距离与实际距离的差异,我们设定为 30 公分、40 公分、50 公分,对应如下:实际距离30 公分(测试距离28 公分)、实际距离40 公分(测试距离36 公分)、实际距离50 公分(测试距离47 公分)。


手环成品由图十所示。


图十 : 手环成品
图十 : 手环成品

(作者谢易铮1、顾祥龙2、许富雄2、潘辰2、陈振耀2为国立台湾海洋大学电机系1??教授、2学生;本文为第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考文献


[1] tactoRing: A Skin-Drag Discrete Display ,CHI 2017, May 6-11, 2017, Denver, CO, USA


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