Многофункциональная индивидуально адаптивная трость-поводырь для людей с ограниченными возможностями по зрению

Выполнил: Курбацкий Павел Игоревич 52331@list.ru (МОУ ДОД «Центр детского (юношеского) научно-технического творчества», г. Армавир, Краснодарский край)

Научный руководитель: педагог дополнительного образования Шишкин Евгений Маленович, почётный работник общего образования Российской Федерации, заведующий лабораторией радиоэлектроники МОУ ДОД ЦД(ю)НТТ).



Павел Курбацкий – ученик 11-го класса, любимый предмет физика и информатика. Любимый учитель: Негибова Галина Викторовна (учитель обществознания).
Евгений Маленович Шишкин – педагог МОУ ДОД ЦД(ю)НТ. Педагогическое кредо: больше дела, меньше слов! Окончил АГПИ. Среди его учеников много лауреатов и победителей выставок и конференций различного масштаба. На досуге занимается разработкой «интересных радио-штучек» и выкладывает на общее обозрение народу в Интернет.

Работа была представлена на Всероссийском научно-техническом конкурсе школьников старших классов стран СНГ «Учёные будущего» (www.intel.festivalnauki.ru), проведённом в рамках II Всероссийского Фестиваля науки-2012 г. МГУ им. М.В. Ломоносова, правительством Москвы и корпорацией Intel, удостоена диплома первой степени (секция «Техника и инженерные науки») и рекомендована для представления в мае 2013 г. на Международной научно-инженерной ярмарке Intel International Science and Engineering Fair (Intel® ISEF) в г. Феникс, США.

2013 г.

Многофункциональный индивидуально адаптивный робот- поводырь предназначен для:

1. 
   Сканирования окружающего пространства и определения наличия препятствий
   

− препятствия типа «лестница» на расстоянии..……………. до 1,5 м;

− препятствия типа «человек» на расстоянии ………………. до 1 м.

2. 
   Информационного сопровождения человека с ограниченными возможностями по зрению при движении по маршруту в населённом пункте.
   
3. 
   Определения вектора движения на заранее заданную координату − до 500 точек.
   

1. 
   Звуковое оповещение о точном времени и дате (по запросу).
   
2. 
   Звуковое оповещение о температуре окружающей среды (по запросу).
   
3. 
   Проблесковый маячок, активируемый при прохождении через проезжую часть дороги.
   
4. 
   USB-порт для связи с ПК.
   
5. 
   Возможность обновления ПО через Интернет.
   
6. 
   Возможность учёта при изготовлении индивидуальных особенностей инвалида.
   
7. 
   Возможность воспроизведения аудиоинструкции (по запросу).
   

1. 
   Точность позиционирования в пространстве …………… не хуже 15 м.
   
2. 
   Вес устройства ……………………………………………. не более 450 г.
   
3. 
   Время работы при полном заряде батареи ……………... не менее 8 ч.
   

Блок схема устройства

Робот состоит из трёх связанных между собой электронных модулей.

Модуль М0 – центральный, выполнен на микроконтроллере Atmega 128L и включает в себя стык USB с преобразованием в COM port для микроконтроллера, переходник под SD-MMC объёмом 2 ГБ, импульсный радиопередатчик «тихой» связи робот-человек, включающий в себя субмодуль GPS EB3531, оснащённый выносной активной антеной GPS-диапазона; субмодуль часов реального времени DS1307; выносной датчик температуры на микросхеме DS18B20, предупреждающий к тому же о возможном обледенении.

Модуль М1 – модуль ультразвуковой локации, включающий в себя вибрационный индикатор наличия препятствия. За основу взято устройство Parktronic System.

Модуль М2 – модуль клавиатуры, обеспечивающий управление работой прибора в целом. Микроконтроллер Atmega128L (8-разрядный КМОП микроконтроллер) на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счёт выполнения большинства инструкций за один машинный цикл Atmega128 достигает производительности 1 млн операций в секунду (1 МГц), что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Из основных свойств микроконтроллера нас заинтересовали:

а) наличие двух независимых аппаратных портов U(S)ART;

б) относительно большая оперативная память;

в) значительный резерв памяти программ, позволяющий дописывать новые программные модули для совершенствования изделия;

г) достаточное кол-во входов АЦП;

д) возможность работы с удвоенной скоростью по SPI;

е) низкое энергопотребление и совместимость по питанию с SDcard и GPS;

ж) возможность работы с boot-loader позволяет пользователям без физического предоставления прибора разработчику обновлять программное обеспечение и наращивать функциональность при новых разработках через USB-порт, при наличии персонального компьютера и Интернета.
Программное обеспечение написано на языке программирования BASIC в программной среде BASCOM-AVR и обеспечивает:

1. Приём первичных данных от:

а) коммутируемого трехканального модуля ультразвуковой локации;

б) датчика температуры;

в) модуля спутниковой навигации;

г) часов-календаря реального времени;

д) микрофонного усилителя;

е) резисторного делителя напряжения основной батареи.

а) о дальности до препятствий, по направлению движения, в трех уровнях по высоте;

б) об удалении и азимуте до географических объектов, ранее введённых пользователем в виде голосовых меток;

в) о времени и дате (корректируемых по сигналам от спутников системы GPS);

г) о температуре окружающей среды;

д) об уровне заряда батареи и аварийном предупреждении о разряде.

3. Сохранение в энергонезависимой памяти и SD-карте пользовательской голосовой метки и соответствующих ей текущих географических координат.

4. Поддержание интерфейса с ПК посредством USB для редактирования содержимого памяти пользователя и дистанционного (Интернет) обновления программного обеспечения (в дальнейшем планируется написать программную оболочку для ПК).

Общий вид трости-поводыря (а – с полным функционалом; б – только с УЗ-сканером и проблесковыми маячками) и в – комплектующие промышленного образца (сейчас на этапе освоения в производстве)

Внизу слева – плата сонара (ультр. сканера), справа плата с микроконтроллером, GPS, часами реального времени и т.д. Третяя плата (небольшая слева над платой сонара) это плата пульта управления устройства.

К основной плате (главному модулю) подключается клавиатура-джойстик, миниатюрный динамический громкоговоритель, активная антенна GPS, цифровой датчик температуры и модуль ультразвукового сканирования сонара. Модуль ультразвукового сканирования (внизу слева на фото) размещён на двухсторонней плате размером 140  20 мм, также выполненную с применением фоторезистивной плёнки.

Контроллер последовательно, через мультиплексор HS4052 отправляет короткие пакеты импульсов частотой 40 кГц на 3 ультразвуковые приёмо-передающих головки. После отправки импульсов процессор включает внутренний таймер в ожидании приёма сигнала. Отражённая от препятствия ультразвуковая посылка принимается датчиком и через усилитель-формирователь на операционном усилителе приходит на порт микроконтроллера. После приёма импульса процессор останавливает таймер, считывает его показания и переводит временной интервал между отсылкой и возвратом импульсов в расстояние с точностью 1 см. Мультиплексор циклично переключается процессором для работы со следующим каналом (из 3–х).

В зависимости от плотности воздуха и других факторов сантиметровый отсчёт является условным, кроме того, информативно избыточным для избранной задачи. Поэтому при дальнейшей обработке данных значения округляются до «условного шага» 40 см.

На третьей печатной плате размером 50  20 мм собран сигнальный проблесковый маячок. Это абсолютно автономное устройство на микроконтроллере PIC12F683 с питанием только от общей силовой батареи. Используется при переходе проезжей части или в других случаях при необходимости обозначить своё местоположение с помощью световых сигналов. Проблесковый маячок подключается к своему источнику питания парой магнит-геркон, если трость отклоняется от вертикального положения. При запуске микропроцессор начинает поочередно включать через транзисторные ключи группы красных светодиодов, расположенные на поверхности трости.

Использование в приборе двух микроконтроллеров обусловлено необходимостью использования проблесковых сигналов даже при полном отключении центрального процессора. Через время, достаточное для перехода проезжей части дороги (1,5 мин), устройство отключается во избежание разряда аккумулятора трости при хранении или в других ситуациях, когда она окажется в положении включения проблесковых огней.

1. 
   Коряков С. Термометр с функцией таймера или управления термостатом // Радио. 2003. № 10. С. 26.
   

2. 
   И. Никитин. Многофункциональная система распределенного отображения информации // Радио. 2008. № 10. С. 21.
   

3. 
   Заец Н.И. Управление термодатчиками типа DS18x20. В изд «Радиолюбительские конструкции на PIC-микроконтроллерах». М.: СОЛОН-Пресс, 2006.
   

4. 
   8-bit Atmel Microcontroller with 128KBytes In-System Programmable Flash ATmega128(L). 2011 Atmel Corporation.
   

5. 
   LM4861 1.1W Audio Power Amplifier with Shutdown Mode. National Semiconductor,February 2003.
   

6. 
   FT232R USB UART IC Datasheet Version 2.09. Clearance No.: FTDI# 38
   

7. 
   8-Pin Flash-Based 8-Bit CMOS Microcontrollers with nanoWatt Technology. 2003 Microchip Technology Inc.
   

8. 
   PICmicro™ Mid-Range MCU Family Reference Manual. 1997 Microchip Technology Inc.
   

Этапы работы над тростью показаны ниже. Пришлось разрабатывать не только схемную и программную части, но и всю механическую часть.