Görme Engelliler çin Ultrasonik Beyaz Baston Tasarımı An Ultrasonic White Cane Design For Visually Impaired

Transkript

1 Görme Engelliler çin Ultrasonik Beyaz Baston Tasarımı An Ultrasonic White Cane Design For Visually Impaired Yüksel ÖZBAY 1,2 Gürkan B L C 2 1 Mevlana Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü, Konya 2 Selçuk Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü, Konya 1 yozbay@mevlana.edu.tr 2 yozbay@selcuk.edu.tr 2 gurkanbilici@hotmail.com Özet Bu çalı mada, görme engellilerin ba ımsızlık sembolü olan beyaz baston, ultrasonik sensörler ve elektronik donanım eklenmesi ile daha fonksiyonel hale getirilmi tir. Bu amaçla, beyaz bastonun alt ucuna; engeller ve çukurlardan sakınmak için iki adet ultrasonik sensör yerle tirilmi tir. Sensörlerden alınan bilgi PIC16F877 tarafından de erlendirilip belirli seviyeler için bir karakter atanmı tır. Bu karakter verici RF modülü ile alıcı devredeki alıcı RF modülüne gönderilmi tir. Alınan karakter, PIC16F877 deki kayıtlı karakterler ile kar ıla tırılır ve ses kayıt entegresindeki ilgili sesin kulaklıktan belli bir süre için duyulması sa lanmaktadır. Özellikle duymanın problem oldu u bazı durumlar için harici yükselteç de devreye eklenmi tir. Uygulamada, tasarlanan sistemden 3 cm ile 3 m arasında iyi sonuçlar elde edilmi tir. Abstract In this study, a white cane being the freedom symbol of visually impaired was developed functional with the addition of ultrasonic sensors and electronics devices. Thus, two sensors were placed on the bottom of the cane for avoiding barriers and holes. The knowledge obtained from the sensors has been evaluated in PIC16F877 device, and then a character has been assigned. This character has been sent to a RF receiver module on the receiver circuit from a RF transmitter module. A received character has been compared to the recorded characters in PIC16F877 device, and provided as a hearing message through a headphone-related voice, which was already recorded in the voice record chip. An external amplifier has also been added to the circuit for those situations particularly for hearing problems. In this application, good results have been obtained between 3 centimeters and 3 meters from the designed system. 1.Giri Görme engellilerin hareketi esnasında di er sıradan beyaz bastonlar gibi kullanılabilen elektronik destekli yapıya ultrasonik baston denir [1]. Baston, görme engellilerin ba ımsızla masını ve özgürle mesini simgele tiren en önemli araçtır. Basit bir de nekten evrimle erek baston haline gelen nesnenin beyaz baston olu unun öyküsü 20. yüzyılda ba lar yılında bir trafik kazası sonucu kör olan bir foto rafçı, çevredekilerin kendisinin kör oldu unu anlaması ve dikkat çekici olması için bastonunu beyaza boyayarak Londra sokaklarında dola maya ba lar. Bu deneyim o denli ba arılı olur ki, 1931'de Fransız Körler Örgütü, körlerin bastonunun beyaza boyanmasını ve beyaz baston adıyla simgele tirilmesini kararla tırır. Bu uygulama giderek yaygınla ır ve körlerin kullandı ı baston, beyaz baston olarak anılmaya ba lar. Her yıl 7-14 Ocak tarihlerinde resmi ve sivil çe itli kurulu lar yaptıkları etkinliklerle göz sa lı ının önemini vurgulamakta, görme özürlü ki ilerin bu durumdan kaynaklanan sorunlarına çözüm yolları tartı ılmaktadır [2]. Baston görme engellerin en önemli aracı, gözleri ve rehberidir. Görme engellilerin bastonsuz hareket etmesi hatta bir adım dahi atması onun için tehlike demektir. Görme engelli elindeki bastonuyla adımlarını daima ileri atar. Bir görme engellinin adımını yan tarafa atması ya da geriye atması onun için her zaman tehlikedir. Bu nedenle gidece i yöne döner ve elindeki bastonu ile aya ını basaca ı yeri kontrol eder ve adımını öyle atar. O, bastonunu her adımda kullanır ve bastonunun ucundan gelen sinyallere duyarlı davranır [3]. Baston kullanmadan gezen görme özürlülerin dü me, çarpma, yaralanma, sakatlanma gibi kazalarla kar ıla ma ihtimali, baston kullananlara göre çok daha yüksektir [4]. 2. Materyal Metot Bu çalı mada görme engelli bireyin bastonla dokunarak hareket etmesine ilave olarak engellerin veya nesnelerin temas etmeden algılanıp ki inin daha önceden uyarılması amacıyla baston ucuna iki adet ultrasonik sensör yerle tirilmi tir. Sensörlerden birisi baston eksenine paralel ve çukurları tespit amacıyla konulmu tur. Di er sensör ise baston eksenine dik ekilde ve kar ıdaki engelleri tespit amacıyla konulmu tur. Sistem iki kısımdan olu maktadır. Birinci kısımda bastona yerle tirilen ultrasonik sensörlerden gelen bilgi de erlendirilip Radyo Frekans (RF) verici modülü ile ikinci kısma gönderilmektedir. kinci kısımda ise, verici RF modülünden gelen sinyaller alınıp daha önceden kayıt edilmi konu ma seslerinin kulaklıkla kullanıcının duyması sa lanmı tır. Sistemin blok eması ekil-1 de görülmektedir. Sistemde kullanılan elemanların ucuz olmasına dikkat edilmi tir. 521

2 ekil-1 deki sistemde, ultrasonik sensörlerden gelen verilere göre verici devrede PIC denetleyicisinde mesafe hesabı yapılmakta ve daha sonra bu bilgiler RF ile kablosuz olarak alıcı tarafa gönderilmektedir. Alıcı kısımda önceden kayıt edilmi sesler PIC ile kontrol edilmekte ve seslerin kullanıcıya aktarılması kulaklık ile sa lanmaktadır ATX-34S RF Verici Modül Yüksek frekans kararlılı ına sahip olup çalı ma frekansı MHz. dir. Dü ük akım sarfiyatı ile pilli uygulamalar için idealdir. Uzaktan kontrol, güvenlik amaçlı alarm ve oyuncak sistemlerinde kullanılır. ekil-3 de ATX-34S RF verici modül görülmektedir. ATX-34S UHF data transmitter modül, kısa mesafe eri imli telsiz cihazlarının temel standartları ile kurma ve kullanma esasları hakkında yönetmeli in (TGM-STK-001) MHz. bandını kapsayacak ekilde tasarlanmı tır. ekil-3: ATX-34S RF verici modül ekil-1: Tasarlanan sistemin uygulama eması 2.1. BE102 Ultrasonik Sensör Ultrasonik sensörler ultrasonik ses dalgaları yayan ve bunların engellere çarpıp geri dönmesine kadar geçen süreyi hesaplayarak aradaki uzaklı ı belirleyebilen sensörlerdir. Ultrasonik uzaklık sensörü, piezoelektrik dönü türücüden gelen 40kHz ultrasonik sinyalin kısa darbelerini yayarak çalı maktadır. Ses enerjisinin küçük bir kısmı sensörün önündeki cisimlerden yansıyarak detektöre yani farklı bir piezoelektrik dönü türücüye gelir. Uygulama alanları olarak; yakla ım uygulamalarında, seviye ölçümünde, rulo dolu/bo ölçümü ve tel gerginli i ölçümünde, aralık (bo luk) ölçümünde vs. kullanılmaktadır. Bu çalı mada, 40 khz frekansında çalı an BE102 sensörden iki adet kullanılmı tır. Birincisi yatay mesafedeki engeller için, ikincisi ise dü ey mesafedeki çukurlar vs için dü ünülmü tür. BE102, 4cm'den 3 metreye kadar 2mm çözünürlükle ölçüm yapabilmektedir. Ultrasonik sinyal üretimi ve yansıma süresi ölçümü i lemci tarafından yapıldı ı için ana i lemciyi hassasiyet gerektiren bu i lemden kurtarır baud'da seri ileti im arabirimine sahiptir. ekil-2 de BE102 ultrasonik sensörü görülmektedir. BE102, ultrasonik alıcı, verici çevirgeçleri, bu çevirgeçleri süren ve sinyalini i leyen elektronik birimlerin tek kartta toplanmasından olu ur. Kart üzerindeki mikrodenetleyici, ultrasonik dalga yansımasının süresini ölçerek mesafe hesabı yapar. Bu sayede BE102, kullanıldı ı sistemi zaman hassas ölçümlerden ve hesaplardan kurtarır. ekil-2: BE102 Ultrasonik Sensör 2.3. ARX-34C RF Alıcı Modül ARX-34 UHF data alıcı modül, kısa mesafe eri imli telsiz cihazlarının temel standartları ile kurma ve kullanma esasları hakkında yönetmeli in (TGM-STK-001) MHz. bandını kapsayacak ekilde tasarlanmı tır. A a ıdaki ekilde ARX-34C RF alıcı modülü görülmektedir. ATX-34S RF verici modül ve ARX-34C RF alıcı modül kısa mesafeli uzaktan kontrol uygulamaları için dü ük fiyatı nedeniyle tercih edilmi tir. Modüller, anten haricinde herhangi bir RF eleman ihtiyacı olmadan PCB montajına uygun tasarlanmı tır. Basit bir kablo kullanılarak anten ba lantısı yapılabilir. ekil-4: ARX-34C RF alıcı modül 2.4. APR 9600 Ses Kayıt Entegresi APR9600 entegresi gerçek tek-çip ses kaydı, kalıcı depolama ve sn kayıttan çalma sa lar. APR 9600 ses kayıt entegresi, çoklu mesajlara hem rasgele hem de sıralı eri imi destekler. Örnekleme oranları kullanıcı tarafından seçilebilir. Kullanıcıya gerekli depolama süresini seçme ve tasarım imkânı sa lar. Tümle ik çıkı yükselteci mikrofon yükselteci ve otomatik kontrol kazancı (AGC) devreleri sistem tasarımını büyük ölçüde kolayla tırmı tır. APR 9600 ses kayıt entegresi, ta ınabilir ses kaydedicilerinde, oyuncaklarda ve di er birçok tüketici ve endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. 3. Sistemin Tasarımı ve Gerçekle tirilmesi Tasarlanan devrede 2 adet BE102 ultrasonik sensörü bulunmaktadır. Bu sensörlerden birisi kar ı taraftaki engelleri algılamak için di eri ise çukurları tespit amacıyla kullanılmaktadır. Sensörler ile PIC16F877 arasında seri haberle me protokolü ile bilgi alı veri i sa lanmaktadır. 522

3 Uzaklık hesabı BE102 modülünde bulunan i lemci tarafından yapılmakta ve uzaklık bilgisi seri haberle me yoluyla PIC16F877 e gönderilmektedir. Verici taraf devrenin program akı eması ekil-5 te, baston ucundaki ultrasonik devre ve vericisi ekil-6 da görülmektedir. Alıcı taraf devrenin program akı eması ekil-7 de, alıcı taraf devre eması ve alıcısı ise ekil-8 de verilmi tir. ekil-5 teki algoritmaya göre çukur algılama 15 cm den sonra önemli olmaktadır. Hem engel hem de çukur için belli aralıklar baz alınmı tır. Sensörlerden okunan mesafe bilgisi bu aralıklara denk dü üp dü medi i verici devresindeki PIC16F877 deki yazılımla kontrol edilmekte ve hangi aralı a dü üyorsa ona ait bir karakter verici RF modül vasıtasıyla alıcı devresindeki RF modüle gönderilmektedir. Alıcı devrede ise alınan bu karakter yine PIC yazılımında ara tırılmaktadır. Her bir karaktere kar ılık ses entegresinde önceden kayıt edilmi uyarı mesajı okutulmaktadır. Sensörlerden gelen uzaklık bilgileri verici devrede bulunan LCD de engel ve çukur olarak gösterilmektedir. Verici devresindeki PIC içindeki algoritma ile öncelikle çukur olup olmadı ı sorgulanmaktadır. Burada 15 cm den küçük çukurlar dikkate alınmayıp engellere bakılmaktadır. 15 cm büyüklü ü, adım atarken ciddi bir sorun olu turmayacak ve tek bir merdiven basama ından fazla büyük olmayacak ekilde bir yükseklik seçilmeye çalı ıldı. Ancak bu yükseklik uygulamada gelebilecek ele tirilere göre dü ürülmesi mümkündür. E er çukur seviyesi 15 cm yi a ıyorsa hem çukur hem de engeller sorgulanmakta ve belli aralık de erlerine belli karakterler atanmaktadır. Engeller ve çukurlar için aralık de erleriyle bunlara kar ılık dü en karakterler ekil-5 teki akı emasında görülmektedir. Verici devresindeki PIC16F877 yazılımıyla atanan karakterler verici RF modülü tarafından alıcı RF modülüne gönderilir. Alıcı devresinde alınan karakter buradaki mikrodenetleyicide önceden kayıtlı karakterler ile kar ıla tırılır. E le tirme sonucu bulunan karaktere ait sesin duyulma i lemi ses kayıt entegresi, yükselteç ve kulaklık ile yapılmaktadır. Besleme Devresi Ultrasonik devrenin beslemesi için 5 volt gerekmektedir. BE102 sensörlerinin çalı ma gerilimi 5 v ve sabit gerilim regülatörüne ihtiyaç duymaktadır. Ayrıca RF verici modülün (ATX-34S ) kararlı ekilde çalı abilmesi için sabit 5 volt gerilim regülatörü kullanılması gerekmektedir. Devredeki elemanlar pil ile çalı maya elveri ili oldu undan devrede 9v luk pil kullanılmı ve LM7805 entegresiyle 5v sabit gerilim elde edilmi tir. 4. Sonuçlar ki adet ultrasonik sensör ve PIC16F877 arasında seri haberle me kullanılarak engel ve çukura olan uzaklıklar hesaplanmaktadır. Hazırlanan algoritma ile uzaklıklara belirli karakterler atanmaktadır. Yine seri haberle me protokolü kullanılarak bu karakterlerin RF verici modülüne aktarılması gerçekle tirilmektedir. Alıcı kısım olarak adlandırılan ve çalı manın ses kısmını içeren bölümünde APR9600 ses kayıt entegresine 8 ayrı ses mesajı kaydedilmi tir. Bu mesajlarda, algoritma ile belirlenen sınır aralıkları belli aralıklarda sesli mesaj olarak çalınmaktadır. E er bastonun konumu de i ip algoritmadaki sınır aralı ı de i mi se çalınan sesli mesaj da de i ecek veya herhangi bir mesaj duyulmayacaktır. Bu mesajların RF alıcı modülüne gelen karakterler ile kar ıla tırılmasıyla ve belirli gecikmelerle kayıtlı seslerin çalınması sa lanmaktadır. Böylece, kulaklık ile görme engelli bireyin kayıtlı sesleri dinlemesi ve bu sayede hem önündeki çukurları hem de ilerideki engelleri rahatlıkla fark edebilmesi beyaz bastonu daha fonksiyonel hale getirmi tir. Ayrıca i itme problemi olanlar veya az i itenler için de harici ses kuvvetlendirici devre eklenmi tir. Projenin iki kısmında da besleme devrelerinde pil kullanılmaktadır. Bu pillerin uzun ömürlü ve arz edilebilir olmasına dikkat edilmesi gerekir. Gelece e dönük olarak, projede uzaklık hesabı yapılırken ki inin hızı da hesaba katılabilir. Yazılım geli tirilerek bu özellik eklenebilir. Böylece daha do ru sonuçlar elde edilebilecektir. Aynı mesafede belirli gecikmeyle aynı ses sürekli çalmaktadır. Bu gecikme süresi ve tekrarların bastonu kullanacak ki i tarafından ayarlanabilir olması çalı maya eklenebilir. Baston kullanmayı sevmeyen ki iler için ise ultrasonik devre ki inin üzerinde sabit durabilecek ekilde de yerle tirilebilir. Projede kullanılan sensörlerin ve devrelerin daha küçük boyutlarda ve IC tekni ine uygun tasarımı ve imalatı uygulamada daha fonksiyonel olacaktır. Piyasada ticari olarak bulunanların fiyatları $700-$800 civarındadır [5,6]. Bu çalı mada protorip olarak yapılan ultrasonik bastonun maliyeti ise $100 ı geçmemi tir. Bazı uygulamalarda ultrsanonic sensörler bastonun elle tutuldu u bölgeye yakın olup [7, 8], titre imle uyarı [7] ( ekil-9) veya kulaklıkla uyarı verebilen [8] tipleri vardır. Ultrasonik sensörlerin bastonun tutma yerine yakın olanlarda genelde sensör algılama mesafeleri ekil-10 da görüldü ü gibidir[7]. Literatürde; küçük, ta ınabilir, el feneri boyutlarında harici beslemesi ve kulaklıkla ses çıkı ı olan elektronik beyaz baston uygulamalar da vardır [9]. 5.Kaynaklar [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

4 ekil-5: Verici Taraf Akı Diyagramı ekil-6: Baston ucundaki ultrasonik devre ve vericisi ekil-7: Alıcı Taraf Akı Diyagramı 524

5 ekil-9: Literatürde, titre imli tip ultrasonic baston ekil-10: Literatürde, sensörlerin bastonun tutma yerine yakın olan uygulamalarda sensörlerin algılama mesafeleri. ekil-8: Alıcı Taraf Devre eması 525