Ультразвуковая трость для незрячих и слабовидящих

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ультразвуковая трость для незрячих и слабовидящих

Введение

ультразвуковой трость незрячий технический

Актуальность темы: Основным органом чувств, через который человек получает большую часть информации об окружающем мире, является зрение. Поэтому потеря зрения для человека - это настоящая трагедия. К сожалению, современный уровень развития медицины далеко не всегда может помочь такому больному. В один момент человек превращается в инвалида не способного выполнять многие действия, которые кажутся здоровому человеку совершенно обыденными. Одной из важнейших проблем незрячего или слабовидящего человека является ориентация в пространстве. Основным техническим средством для ориентации в пространстве незрячему служит белую тактильная трость. Этот предмет претерпел не слишком значительные изменения с древнейших времен. На современном уровне развития техники можно дополнить обычную тактильную трость ультразвуковым локатором, который посылает неслышимые человеческим ухом ультразвуковые импульсы. По времени прихода отраженного от препятствия сигнала устройство определяет расстояние до препятствий по ходу следования пользователя. Информация о препятствии передается при помощи звуковых импульсов или тактильно, посредством вибросигнала. Далее будем называть такой локатор ультразвуковой тростью.

Представленные на рынке модели ультразвуковых тростей отличаются весьма высокой ценой, которая лежит в диапазоне от 8 000 до 20 000 рублей [1-3], что делает приобретение подобного прибора затруднительным для социально незащищенных слоев населения. Поэтому создание функционально аналогичного, но существенно более дешевого устройства является актуальным.

Цель: Целью настоящей работы является конструирование простой и дешевой модели ультразвуковой трости.

Задача: Для достижения поставленной цели следует спроектировать и разработать ультразвуковую трость на базе готовых электронных модулей вычислительной платформы Arduino.

Представленный на рынке модельный ряд ультразвуковых тростей весьма невелик в сравнении с другими устройствами бытовой электроники. Высокую цену и бедный модельный ряд можно объяснить в первую очередь тем, что крупным компаниям, ведущим массовое производство бытовой электроники, может быть не выгодно производить приборы необходимые относительно узкому кругу людей. При этом на современном уровне развития электроники ультразвуковая трость представляет собой достаточно простое устройство, даже самый простой мобильный телефон гораздо сложнее.

Описанные выше обстоятельства делают возможным и целесообразным самостоятельное изготовление подобных приборов силами отдельных радиолюбителей, кружков научно-технического творчества и небольших научных коллективов [4-5].

С технической стороны основой для самодельной ультразвуковой трости может стать аппаратная вычислительная платформа Arduino и совместимые с ней устройства [6-8]. Arduino обладает большим числом достоинств: относительная простота, невысокая стоимость, универсальность. Типичный представитель данной платформы, Arduino UNO, представляет собой небольшую печатную плату, на которой установлен микроконтроллер ATMega328. Этот микроконтроллер работает на частоте 16 МГц, имеет 32 КБ флэш-памяти для программ и 2 КБ оперативной памяти. На сегодняшний день это очень скромные показатели, однако, микроконтроллер может управлять работой прибора бытовой электроники типа телевизора, стиральной машины, кондиционера и т.д. и т.п. Для таких целей высокие вычислительные возможности не очень важны, а важна невысокая стоимость и простота. Arduino вполне соответствует этим критериям. Фактически в среде западных любителей электроники аппаратная платформа Arduino стала стандартом для разработки всевозможных устройств от простейшего термостата до беспилотных летательных аппаратов. Arduino не требуется специальный программатор, плату можно непосредственно подключить к компьютеру, программное обеспечение для работы можно легально скачать на сайте производителя [9]. Обычно микроконтроллеры программируют на языке низкого уровня. Это требует от программиста детального знания аппаратной части микроконтроллера. При этом системы команд различных микроконтроллеров несовместимы, так что для переноса программы на другую платформу ее приходится переписывать заново. Arduino программируется на языке высокого уровня Wiring, который мало отличается от широко известного языка программирования C++. Для начала работы с Arduino фактически достаточно знания основ программирования - в рамках школьного курса информатики. В ультразвуковой трости предпочтительно использовать не сравнительно большую и сложную, а значит и дорогую Arduino UNO, а более дешевые и миниатюрные платы ArdinoNano и ArdinoMini.

Кроме модуля Arduino UNO, в конструкции ультразвуковой трости использован ультразвуковой локатор для измерения расстояния HC-SR04 [10], способный измерять расстояние в диапазоне 2-400 см.

1. Техническое описание конструкции ультразвуковой трости

Конструктивно ультразвуковая трость основана на плате Arduino UNO, вместо которого можно без существенных изменений конструкции использовать ArdinoNano, ArdinoMini или их аналоги. Устройство собрано по схеме, показанной на рисунке 1.

Ультразвуковой локатор HC-SR04 получает питание от платы Arduino. Вывод Trig, на который подается импульс в начале цикла работы, подключен к 12 цифровому порту Arduino. Вывод Echo, длительность ответного импульса на котором отражает расстояние до препятствия, подключен к 13 цифровому порту. Датчик имеет следующие характеристики: напряжение питания: 5В, ток покоя 2 мA, эффективный угол <15°, диапазон измерения расстояния: 2-400 см, разрешение: 0.3 см, рабочая частота 40 кГц. [10].

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема ультразвуковой трости

Пьезокерамический звукоизлучатель BF1, типа ЗП-1 подсоединен к 5 цифровому порту. Пьезокерамический звукоизлучатель может быть любого типа без встроенного генератора. Цифровой порт номер 6 используется для подключения маломощного вибромотора M1, типа DC CORELESS 1.5-2.5V. Вибромотор можно заменить на любой аналогичный, способный работать при напряжении 5 В и токе 20-30 мА. Кнопка переключения режимов работы, типа PBS-10B-2 или любая аналогичная кнопка без фиксации. Резистор R1 сопротивлением 10 кОм, типа МЛТ - 0,125. Питание устройства осуществляется от батареи 6LF22 «Крона».

В память микроконтроллера загружается следующая программа.

 // Ультразвуковой локатор с выходом на пьезокерамический излучатель и вибромотор

int vibro_motor=6; // порт подключения вибромотора

int signal=0; // переменная для хранения интенсивности работы вибромотора

int zvuk=5; // порт подключения звукоизлучателя

int knopka=8; // порт кнопки

int k=0; // состояние кнопки переключения режимов

int r=0; // начальный режим работы, вибрационная индикация

#include «Ultrasonic.h»

 // Trig - 12, Echo - 13

Ultrasonic ultrasonic (12, 13);

void setup()

{

pinMode (knopka, INPUT);

}

void loop()

{

float dist_cm = ultrasonic. Ranging(CM); // измерение расстояния if (dist_cm < 400) // отсечка ошибочных значений

{

k = digitalRead(knopka); // проверка состояния кнопки

signal=-dist_cm*200/400+255; // Обработка сигнала

 // (чем ближе препятствие, тем интенсивнее сигнал)

if (k==HIGH) // кнопка нажата изменение режима

{

if (! r>0)

{

r=HIGH;

}

else

{

r=0;

}

delay(100);

}

if (r==HIGH) // звук

{

tone (zvuk, (signal));

analogWrite (vibro_motor, 0); // отключение вибромотора

}

else // вибрация

{

noTone(zvuk); // отключение звука

analogWrite (vibro_motor, signal);

}

}

delay(100);

Для работы с датчиком HC-SR04 используется специализированная библиотека «Ultrasonic.h», в которой прописаны основные операции работы с данным устройством [11]. Данное программное обеспечение распространяется свободно. Представленная программа работает следующим образом, в начале цикла происходит измерение расстояния ультразвуковым локатором, команда ultrasonic. Ranging возвращает расстояние до препятствия в сантиметрах. Затем программа опрашивает кнопку выбора режима работы (по умолчанию используется виброрежим). Расстояние до препятствия конвертируется в коэффициент заполнения сигнала в режиме широтно-импульсной модуляции signal=-dist_cm*200/400+255. Преобразование осуществляется таким образом, чтобы при расстоянии около 400 см интенсивность сигнала была минимальна, а на малом расстоянии приближалась к максимальному значению. Затем в зависимости от состояния кнопки выбирается режим отображения информации, либо с помощью вибросигнала, либо с помощью звукового сигнала изменяемой частоты. После задержки в 0,1 с весь алгоритм работы повторяется.

Используя данное устройство можно ориентироваться в пространстве, направляя трость в ту или иную сторону, при этом интенсивность вибросигнала будет отображать расстояние до препятствия. В случае если препятствий на расстоянии до 4 м не обнаружено вибросигнал будет иметь минимальную интенсивность. При использовании звукового режима индикации, расстояние до препятствия отображается изменением частоты звуковых колебаний. Если расстояние до препятствия велико, то частота звуковых колебаний составляет несколько десятков герц, с приближением препятствия частота возрастает до 250 Гц.

2. Технико-экономическое обоснование производства ультразвуковой трости

Целесообразность проектирования и производства устройства во многом определяется экономическими факторами, для этого проведем технико-экономическое обоснование производства ультразвуковой трости.

Затраты на техническую подготовку производства складываются из затрат на проектирование изделия и технологических процессов. При производстве используется стандартная оснастка. Затраты на проектирование изделия, технологических процессов представлены в таблице 1.

Нормативно-технические показатели выбраны по данным экспериментального производства аналогичных по сложности изделий ЗАО «Научприбор». Расчеты приведены для программы выпуска изделия 100 штук.

Таблица 1. Затраты на проектирование изделия и технологических процессов

В таблице 2 представлены затраты на основные блоки и узлы, входящие в комплекс.

Таблица 2. Стоимость комплектующих изделий

Затраты на сырьё и основные материалы представлены в таблице 3.

Таблица 3. Затраты на сырьё и основные материалы

Тарифная заработная плата производственных рабочих представлена в таблице 4.

Таблица 4. Затраты на оплату производственных рабочих

Для определения себестоимости изделия составим калькуляцию, которая приведена в таблице 5.

Таблица 5. Себестоимость проектируемого изделия

Расчет цены проектируемого изделия по методу «Средние издержки плюс прибыль» приведен в таблице 6

Таблица 6. Цена проектируемого изделия

Текущие затраты потребителя представляют собой затраты, связанные с эксплуатацией прибора, определяются степенью эксплуатации электронной трости. В связи с этим возникает необходимость регулярной замены аккумуляторов питания. Средняя стоимость аккумуляторной батареи 6LF22 «Крона» составляет 120 руб. В год необходимо 12 штук, общей стоимостью 1 440 руб.

Проведенный расчет показывает, что даже в условиях мелкосерийного производства данная модель ультразвуковой трости будет иметь конечную отпускную цену существенно ниже аналогов. Существенное снижение производственных издержек достигается путем использования унифицированных электронных модулей платы Arduino UNO (Arduino Nano) и ультразвукового дальномера HC-SR04. Благодаря этому из производственного процесса исключаются все операции, связанные с изготовлением печатных плат. Это способствует удешевлению устройства, а также снижает требования к производственной базе, на которой можно развернуть производство ультразвуковой трости.

Заключение

ультразвуковой трость незрячий технический

В данной работе приведено техническое описание модели ультразвуковой трости, изготовленной на основе стандартных электронных модулей аппаратной платформы Arduino. За счет применения готовых электронных модулей можно сильно удешевить и упростить производство, что даст снижение отпускной цены изделия до восьми раз по сравнению с аналогами. Такое значительное снижение цены делает данное устройство гораздо более доступным для потребителя.

В целом, количество людей, для которых может быть актуально приобретение данного устройства не очень велико, так Орловская региональная организация Всероссийского общества слепых объединяет 1805 человек [12], а в целом Всероссийское общество слепых насчитывает 214 тыс. человек [13]. Таким образом, общая база потенциальных потребителей для ультразвуковых тростей не сопоставимо меньше, чем, число потребителей, которым необходимы компьютеры, сотовые телефоны и другие, широко распространенные приборы бытовой электроники. Отсюда следует тот факт, что для крупных производителей электроники ориентированных на крупносерийное производство выпускать ультразвуковые трости может быть не выгодно, что приводит к очень высокой конечной цене представленных на рынке устройств.

Простота производства предложенной модели ультразвуковой трости требует наличия самой простой производственной базы. Фактически для изготовления небольшой партии устройств достаточно производственных возможностей школьной мастерской. Следовательно, любой небольшой коллектив единомышленников может обеспечить данными приборами свой регион с минимумом затрат. При этом подобное электронное производство может занять такую рыночную нишу, в которой ему не придется вести заведомо проигрышную конкуренцию с большим числом крупных фирм.

Список использованных источников

1). http://www.smartaids.ru/sighting_loss/84/

2). http://rosopeka.ru/good3430.html

3). http:// слышувижу. рф/product/ultrazvukovoj-fonar-sonar-5uf-v1/

4) http://forblind.org/ru/? cat=6

5) http://www.voenmeh.ru/univercity/eoz/spas

6) Холостов К. Не удивляйтесь: робот - это просто. Журнал Левша №7 2012 г. с. 12-14

7) Холостов К. Не удивляйтесь: робот - это просто. Журнал Левша №8 2012 г. с. 12-14

8) Блум Д. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 336 с.

9) https://www.arduino.cc/en/Main/Software

10) http://robocraft.ru/blog/electronics/772.html

11) https://code.google.com/archive/p/robocraft/

12) http://www.orel.ru/~vos/

13) http://www.vos.org.ru/index.php? option=com_content&view=article&id=56&Itemid=215

Размещено на Allbest.ru