[Из песочницы] Бюджетное устройство на базе Arduino для незрячих (open hardware)14.05.2015 15:03

Несколько лет назад поставил перед собой задачу разработать комплекс недорогих устройств, позволяющий незрячим людям лучше адаптироваться к окружающему нас миру. На сегодняшний день мне вместе с командой единомышленников удалось реализовать несколько проектов.

В этой статье хочу рассказать об ультразвуковой насадке на трость и ультразвуковом брелоке — полноценных устройствах, которые собираются из недорогих доступных модулей.Ультразвуковой насадка на трость и ультразвуковом брелок — устройства для незрячих людей, которые предупреждают о препятствиях, находящихся выше уровня, на котором их можно обнаружить с помощью обычной трости. Такими препятствиями могут быть автомобили с высокой посадкой, шлагбаумы, высокие заборы. Ультразвуковая насадка крепится на обычную трость, а ультразвуковой брелок вешается на шею или носится в руке, как фонарик.

Работа устройств основана на отражении ультразвуковых волн от препятствий. Измеряя разницу во времени между моментом генерации импульса и моментом приёма отражённого эхо-сигнала, можно определить расстояние до препятствия.

Для разработки устройств необходимо подобрать датчик для измерения расстояния, плату управления и сигнализатор, подобрать элементы питания, способ их зарядки и подходящие корпуса.

Ультразвуковой датчикДля измерения расстояния до препятствия были протестированы два устройства: Arduino-совместимый ультразвуковой модуль HC-SR04 Автомобильный парктроник HO 3800 Оба устройства работают по схожему принципу. Отличия заключаются в диаграмме направленности датчиков, максимальной дальности определения препятствий и конструктивном исполнении.Сравнение параметров датчиков: Параметр HC-SR04 HO 3800 Максимальная дальность, м 4 2,5 Напряжение питания, В 5 5 Количество датчиков в одном устройстве 1 4 Вывод информации аналоговый цифровой В ходе испытаний выяснилось, что модули HC-SR04 обладают несколько худшей способностью обнаруживать препятствия и работать в сложных климатических условиях (холод).Оба датчика, несмотря на их различия, можно использовать в ультразвуковой насадке на трость в качестве средства измерения расстояния до препятствия, поэтому основным параметром при выборе датчика для нас стала цена. Мы остановились на более дешёвом датчике HC-SR04.

Плата управления В качестве платы управления выбрана платформа Arduino. В нашем случае наиболее применимы платы миниатюрных версий: Arduino Mini, Arduino Nano или Arduino Pro Mini. В общем случае может быть использован любой другой контроллер, предоставляющий аналогичные возможности.Элементы питания Для обеспечения устройства питанием целесообразно использовать литий-ионные (Li-ion) или никель-металл-гидридные (Ni-Mh) аккумуляторные элементы.При эксплуатации в нормальных климатических условиях имеет смысл применить Li-ion аккумуляторы, имеющие по сравнению с Ni-Mh следующие преимущества:

простота реализации схемы зарядки наличие готовых модулей заряда большее выходное напряжение многообразие габаритных размеров и ёмкостей При низких температурах предпочтительнее использовать Ni-Mh аккумуляторы.Напряжения на выходе одного Ni-Mh аккумулятора (1,0 -1,4 В) недостаточно для работы устройства. Для получения напряжения 5 В (необходимого для работы как Arduino, так и паркторника) кроме аккумуляторов будем использовать повышающий DC-DC преобразователь.

Для работы выбранных нами DC-DC преобразователей необходимо обеспечить входное напряжение 0,9–6,0 В. Для получения требуемого выходного напряжения можно было бы воспользоваться одним Ni-Mh элементом напряжением 1,2 вольт. Однако с уменьшением входного напряжения уменьшается и нагрузочная способность преобразователя, поэтому для стабильной работы устройства желательно подавать на вход преобразователя не менее 2 В (два Ni-Mh элемента по 1,2 В или один Li-ion элемент напряжением 3,7 В). Отметим, что существуют DC-DC преобразователи, для работы которых недостаточно входного напряжения 1,2 В.

Зарядка аккумуляторов Для Li-ion аккумуляторов существует множество готовых недорогих модулей с индикацией окончания заряда.В случае с Ni-Mh аккумуляторами всё сложнее. Готовых встраиваемых решений на рынке в данный момент мы не нашли. Для зарядки Ni-Mh аккумуляторов можно использовать специализированные внешние зарядные устройства или же создать собственную схему зарядки.

Один из способов зарядить Ni-Mh элемент — последовательное соединение c аккумулятором двух линейных стабилизаторов LM317 (или аналогичных): первый — в режиме ограничения тока, второй — в режиме ограничения напряжения.

Входное напряжение такой схемы составляет 7,0–7,5 В. При отсутствии охлаждения стабилизаторов превышать это напряжение не рекомендуется. Напряжение на каждом Ni-Mh аккумуляторе во время зарядки должно быть около 1, 45 В (напряжение полностью заряженного Ni-Mh элемента). Во избежание перегрева и выхода из строя микросхем, ток зарядки аккумуляторов не должен превышать 100 мА и может быть увеличен до 200 мА при использовании соответствующих радиаторов.

Преимущество такой схемы зарядки заключается в отсутствии необходимости контролировать состояние зарядки: при достижении нужного напряжения на элементе ток автоматически упадёт до безопасного минимума.

Сигнализатор В зависимости от выбора канала предупреждения (слуховой или тактильный) выбирается исполнительное устройство — зуммер или вибро-мотор. Кроме того, можно комбинировать оба способа оповещения, предоставив пользователю возможность переключения между ними.В ходе тестирования прототипов мы выяснили, что удобнее всего передавать информацию о близости препятствия через вибрацию, т.к. в этом случае не занимается очень важный для незрячего человека аудио канал. Поэтому все разработанные и собранные нами изделия используют вибрацию для предупреждения о препятствии. Интенсивность вибрации пропорциональна расстоянию до препятствия.

Корпус Нам не удалось подобрать удобный корпус для ультразвуковой насадки на трость среди массово выпускаемых корпусов. Для проведения испытаний устройства мы использовали напечатанный на 3D-принтере корпус из ABS-пластика. Для печати корпуса на 3D-принтере нами была разработана следующая 3D-модель:

Результат испытаний опытных образцов В процессе разработки было собрано более 12 вариантов изделия. Каждое новое изделие устраняло недостатки предыдущих: в процессе разработки мы уменьшили габариты и вес изделия, подобрали ультразвуковой датчик, удовлетворяющий нас как по цене, так и по техническим характеристикам, отказались от использования аудио канала и оптимизировали алгоритм работы устройств. Совместно с незрячими (Бортников П.В., Шалинцев В. А.) были проведены испытания всех собранных изделий. В результате нами был получен конечный образец.Ниже приведены принципиальная электрическая схема разработанного устройства:

В разобранном виде ультразвуковой брелок на шею выглядят следующим образом:

Все использованные при сборке компоненты, кроме распечатанного на 3D-принтере корпуса для насадки на трость, были куплены через AliExpress:

Ультразвуковой датчик HC-SR04. Плата управления Adruino Pro Mini. Аккумуляторная батарея 3.7 V 300 mAh. Преобразователь напряжения 0.9V ~ 5V to 5V 600 mA. Модуль зарядки AC/DC 220V to 5 V 1 A. Зарядное устройство LA-520W. Сигнализатор: вибро-моторчик для мобильного телефона 4×10mm DC 3V. Кнопка PB-22E60. Корпус Gainta G1906 (для брелока). Транзистор: bss138/bcr108 или оптрон CPC1230N. Внешний вид и цены (с учётом доставки из Китая) компонентов, используемых для сборки ультразвуковой насадки на трость, приведены на рисунке:

Из используемых при сборке компонентов наибольший вклад в стоимость устройства вносит корпус, напечатанный на 3D-принтере.

Внешний вид и цены (с учётом доставки из Китая) компонентов, используемых для сборки ультразвукового брелока, приведены на рисунке:

В дальнейшем можно разработать крепление к корпусу Gainta G1906 и использовать устройство с таким корпусом в качестве насадки на трость.

Одним из способов снижения себестоимости устройств является экономия на оплате труда и стоимости доставки компонентов устройств в Россию за счёт развёртывания производства непосредственно в Китае.

Разработанные нами устройства имеет следующие характеристики:

Характеристика Значение Дальность обнаружения препятствий 1,5 метра Среднее время работы на одном заряде 8 часов Количество уровней вибрации 3 (1,5 м/1,0 м/0,7 м) Способ зарядки mini usb После проведения предварительных испытаний устройств, мы были вынуждены ограничить дальность обнаружения препятствий до 1,5 метров, для того чтобы не было лишних срабатываний при использовании устройств в потоке людей. При непрерывном изменении уровня вибрации сложнее определить приближение препятствия, поэтому по результатам предварительных испытаний мы остановились на трёх уровнях вибрации.Внешний вид ультразвуковой насадки на трость:

Внешний вид брелока на шею:

3D-модель ультразвуковой насадки на трость и исходный код прошивки для Adruino доступны для загрузки по ссылке.

Наши планы Для производства небольшой партии изделий, необходимой для проведения финальных испытаний на большой выборке незрячих людей, мы начали сбор средств на краудфандинговой площадке Indiegogo.По окончании разработки на сайте проекта будет выложена вся необходимая информация для организации производства ультразвуковых насадок на трость и ультразвуковых брелоков (описание проекта, конструкторская документация, программный код).

В будущем мы планируем наладить массовое производство устройств для незрячих. Для снижения себестоимости и конечной цены устройств будем пробовать размещать производство в Китае.