Razvoj pametne palice za slepe in slabovidne osebe z uporabo mikrokrmilnika ARM
Avtor: Matija Sušec
Mentor: Matej Rojc
Stopnja: Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika, Smer elektronika
Datum: Maj, 2021
DKUM: MATIJA SUŠEC
Povzetek
Cilj magistrske naloge je razviti in izdelati pametno palico za slepe in slabovidne osebe z uporabo mikrokrmilnika na podlagi ARM arhitekture. Z uporabo ultrazvočne metode merjenja razdalje zaznavamo ovire pred pametno palico. Elektronski kompas omogoča lažjo orijentacijo za slepe ali slabovidne osebe v prostoru. Vgrajeni algoritem za kompenzacijo motenj trdega in mehkega železa pa omogoča njegovo večjo natančnost. Globalni sistem pozicioniranja smo uporabili z namenom zajemanja na tistih problematičnih lokacij, pri katerih se slepa ali slabovidna oseba zaradi motenj ne more zanašati na elektronski kompas. Na trgu obstaja več vrst pametnih palic. Te palice ponujajo zaznavo ovire v okolju preko ultrazvočne merilne tehnologije, pa tudi brezžično povezavo s pametnim telefonom in povezavo na splet. Preko zvočnih ali vibracijskih signalov tako lahko obveščajo slepo ali slabovidno osebo o ovirah.
Zasnova pametne palice
Pametno palico smo zasnovali z uporabo merjenja pospeška, jakosti magnetnega polja, razdalje preko ultrazvočne tehnologije in branja geografske lokacije preko GPS-sistema. Pridobljene podatke o geografski lokaciji shranjujemo na spominsko kartico. Palica se napaja preko baterije. Podatki o meritvah se prikazujejo na LCD-prikazovalniku, zaznava ovire in magnetnega severa pa sproža zvočni ali vibracijski signal. Vso potrebno realno-časovno procesiranje izvaja ARM-mikrokrmilnik. Elementi palice: palica za slepe, baterija 9V, senzor za merjenje jakosti magnetnega polja, senzor za merjenje pospeška, ultrazvočni senzor za merjenje razdalje, bluetooth modul za komunikacijo z zunanjim svetom, LCD-prikazovalnik, spominska kartica za shranjevanje podatkov, GPS-modul, stikala za upravljanje s sistemom, zvočnik in vibracijski motor, 32-bitni ARM-mikrokrmilnik. Zahteve za izdelavo pametne palice: nizka poraba električne energije, visoka zanesljivost, odpornost na zunanje dejavnike (temperatura, vlaga), lastnost merjenja razdalje z maksimalnim odstopanjem ± 5 mm od nominalne vrednosti, lastnost določanja magnetnega severa z odstopanjem od ± 25⁰, lastnost merjenja nagiba palice za kompenzacijo nagiba senzorja za merjenje jakosti magnetnega polja, lastnost kalibracije na magnetne motnje (metoda trdega železa), lastnost opozorila o oviri preko vibracij in lastnost opozorila o zaznavanju magnetnega severa preko zvočnih signalov.
Komponente pametne palice
Ultrazvočni modul HC-SR04 ponuja brezstično merjenje razdalje od 2 cm do 400 cm z natančnostjo do ± 3 mm. Modul vsebuje ultrazvočni oddajnik in ultrazvočni sprejemnik ter kontrolno enoto. Zaradi napajalne napetosti 5 V ima modul fleksibilno področje uporabe in relativno majhno porabo električnega toka, ki v času merjenja razdalje znaša približno 15 mA. Merjenje razdalje se izvaja pri frekvenci zvoka od 40 kHz. Pospeškometer ADXL345, zasnovan na MEMS-tehnologiji proizvajalca Analog Devices, je mali triosni pospeškometer, ultranizke porabe z visoko 13-bitno resolucijo in zmožnostjo merjenja amplitude pospeška do ± 16 g. Digitalni izhodni podatki iz vsake osi so sestavljeni iz dveh 8-bitnih nizov in tvorijo en 16-bitni podatek. Do podatkov se lahko dostopa preko SPI- (angl. Serial Peripheral Interface) ali preko I2C- (angl. Inter-Integrated Circuit) vmesnika. Magnetometer LIS3MDL proizvajalca ST-Microelectronics je triosni magnetometer ultranizke porabe in visokih zmožnosti s 16-bitno resolucijo. Magnetometer ima možnost izbire maksimalne amplitude, tj. področja merjenja jakosti magnetnega polja do ± 16 G in hitrosti vzorčenja do 80 Hz, in možnost povezave z zunanjim okoljem preko I2C- ali SPI-podatkovnega vodila. Neo-6 GPS-modul prinaša visoko zmogljivost in nizko porabo z uporabo u-blox6 tehnologije. Z zunanjim svetom lahko komunicira preko UART, USB, I2C- in SPI-podatkovnega vodila. Nizka napajalna napetost od 1.8 V do 3.0 V ponuja visoko stopnjo integracije v vgrajene sisteme. Razvojna plošča STM32 Nucleo-L053R8 z vgrajenim STM32L053R8 32-bitnim ARM-mikrokrmilnikom.
Rezultati
Za zaznavo ovire pred palico za slepe smo uporabili ultrazvočno metodo merjenja razdalje. Merjenje razdalje temelji na uporabi ultrazvočnega merilnega modula HC-SR04, detektorja spremembe logične ravni in 16-bitnega časovnika, vgrajenega v STM30L053 ARM-mikrokrmilnik. Merjenje časa, potrebnega, da ultrazvočni val prepotuje od senzorja do ovire in se potem odbije nazaj, izvajamo s pomočjo načina za zajem spremembe vhoda časovnika (angl. Timer Input Capture Mode). Način za zajem vhoda časovnika omogoča neprekinjeno obratovanje časovnika in zajem njegovih vrednosti, kadar se na namenskem vhodu mikrokrmilnika sproži zunanji prekinitveni signal. Vrednost časovnika se po sprožanju zunanje prekinitve shranjuje v CCxR- registre (angl. Capture/Compare registers). Za določanje usmerjenosti slepe osebe v prostoru smo sestavili elektronski kompas. Elektronski kompas temelji na uporabi LIS3MDL-magnetometra in ADXL345-pospeškometra. S pomočjo magnetometra opazujemo jakost Zemljinega magnetnega polja in tako določamo magnetni azimut. Jakost Zemljinega magnetnega polja se spreminja v odvisnosti od geografske lokacije in zajema jakost med 0,25 G in 0,60 G. Preko pospeškometra opazujemo, kako je magnetometer poravnan z zemeljskim površjem. Magnetometer in pospeškometer obratujeta v najbolj občutljivem merilnem območju. Merilno območje magnetometra je nastavljeno na ± 4 G in pospeškometra na ± 2 g.
Diskusija in rezultati
