Hệ thống cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm

Hệ thống cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPLớp kỹ sư chất lượng cao tin học công nghiệpChương trình kỹ sư chất lượng cao Việt Pháp Viện Điện Đại học Bách Khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CẢNH BÁO VA CHẠM CHO

NGƯỜI KHIẾM THỊ SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM

NGUYỄN VĂN TIẾN

Tien.nv153783@sis.hust.edu.vn

NGÀNH CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Công Phương

Bộ môn: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

Chữ ký của GVHD

Hình 1.1 "Chiếc nón kỳ diệu" của TS Nguyễn Duy Hải Chữ ký của GVHD

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Văn Tiến Mã số sinh viên: 20153783

Khóa K60 – Lớp: Kỹ sư chất lượng cao Tin học công nghiệp

Viện: Điện

Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1 Đầu đề thiết kế/ Tên đề tài

Nghiên cứu và chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm

2 Các số liệu ban đầu

Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào trong việc hỗ trợ người

khuyết tật ngày càng phổ biến và quan trọng Đề tài tiến hành thiết kế thiết bị

hỗ trợ người khiếm thị

3 Các nội dung tính toán, thiết kế

- Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của siêu âm

- Thiết kế và chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị

4 Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Công Phương

5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 25/02/2020

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/06/2020

Ngày… tháng … năm …

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Quãng thời gian 5 năm ở Bách Khoa là một chặng đường dài với những bài học quý báu và cùng nhiều kỷ niệm đáng nhớ Đối với em, nếu thiếu đi sự giúp đỡ của nhà trường, thầy cô, bạn bè và gia đình có lẽ em sẽ không thể có được ngày hôm nay Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, các cô, những người bạn và gia đình trong suốt thời gian học đại học vừa qua

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Công Phương- bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã truyền đạt kiến thức, nhắc nhở, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình em thực hiện đồ án tốt nghiệp

Em cũng xin chân thành cảm ơn các giảng viên trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, các giảng viên trong bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể gia đình đã luôn tạo điều kiện sinh hoạt tốt nhất cho con

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật, tự động hóa vào các thiết bị hỗ trợ người khuyết tật là vấn

đề cấp thiết hiện nay

Qua khảo sát và tìm hiểu các thiết bị đã được sản xuất trên thị trường, em nhận thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị Vì vậy em quyết định thực hiện đề tài « Nghiên cứu và chế tạo thiết bị cảnh báo va chạm cho người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm »

Đồ án gồm 6 chương chính:

Chương 1: Mở đầu

Nêu lên tính cấp thiết của đề tài và tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến đề tài

Chương 2: Sóng siêu âm và ứng dụng

Nêu khái niệm sóng siêu âm, các thông số của sóng siêu âm và ứng dụng của sóng siêu âm trong đời sống

Chương 3: Cảm biến siêu âm

Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm nói chung và module cảm biến siêu âm HC-SR04

Chương 4: Phân tích thiết kế thiết bị

Phân tích đối tượng sử dụng thiết bị và bài toán thực tế Đặc biệt là các yêu cầu đối với thiết bị và đưa ra các giải pháp để đáp ứng các yêu cầu trên

Chương 5: Thử nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài/ lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến đề tài 3

1.3.1 Trong nước   1.3.2 Ngoài nước   1.4 Kết luận 8

CHƯƠNG 2: SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG 9

2.1 Khái niệm sóng siêu âm 9

2.1.1 Bản chất vật lý âm thanh   2.1.2 Các đặc trưng vật lý của âm   2.1.3 Các đặc trưng sinh lí của âm – Mối liên hệ với các đặc trưng vật lý của âm  2.2 Phân loại sóng 11

2.3 Tương tác của siêu âm với vật thể 12

2.3.1 Phản xạ   2.3.2 Tán xạ   2.3.3 Sự khúc xạ   2.3.4 Nhiễu xạ   2.3.5 Sự hấp thụ   2.3.6 Độ suy giảm   2.4 Ứng dụng của sóng siêu âm 16

2.4.1 Ứng dụng của sóng siêu âm trong y tế   2.4.2 Ứng dụng của siêu âm trong công nghiệp và nông nghiệp   2.5 Kết luận 18

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM 19

3.2.1 Cấu trúc đầu dò siêu âm 3.2.2 Tần số lặp lại xung  3.2.3 Chu kỳ lặp xung  3.3 Cấu tạo đầu dò cảm biến 40KHz 253.3.1 Đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm  3.3.2 Tổng quan đầu dò  3.3.3 Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến siêu âm  3.4 Các thông số của đầu dò cảm biến siêu âm 293.4.1 Cường độ  3.4.2 Công suất 3.4.3 Trường siêu âm  3.4.4 Độ phân giải của đầu dò  3.5 Lựa chọn đầu dò 323.6 Module cảm biến siêu âm HC-SR04 333.6.1 Giới thiệu  3.7 Kết luận 36

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 37

4.1 Phân tích tập tính của người khiếm thị 374.1.1 Định nghĩa người khiếm thị  4.1.2 Hoạt động của nạo bộ của người khiếm thị  4.2 Bài toán, phân tích yêu cầu 404.2.1 Bài toán  4.2.2 Phân tích yêu cầu  4.2.3 Phân tích chức năng  4.3 Lựa chọn thiết bị 414.3.1 Vi xử lý trung tâm  4.3.2 Lựa chọn Pin  4.4 Thiết kế 434.4.1 Cấu tạo thiết bị  4.4.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống  4.4.3 Sơ đồ mạch nguyên lý  4.4.4 Sơ đồ mạch in  4.5 Kết luận 53

CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54

5.1 Sai số và những hiện tượng cần hiệu chỉnh cho cảm biến 54

5.2 Kịch bản thử nghiệm thiết bị 60

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62

6.1 Kết luận: 62

6.2 Hướng phát triển: 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 'Chiếc nón kỳ diệu" của TS Nguyễn Duy Hải [4] 4

Hình 1 2 Thiết bị "PBNT của nhóm sinh viên trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên 5

Hình 1 3 Chó robot đang được thử nghiệm dẫn đường [5] 6

Hình 1 4 Sản phẩm sáng tạo NAVI [6] 7

Hình 2 1 Các dải tần âm thanh [7] 9

Hình 2 2 Biểu diễn dạng sóng [7] 10

Hình 2 3 Sóng dọc [7] 11

Hình 2 4 Sóng ngang [7] 12

Hình 2 5 Sự phản xạ [7] 12

Hình 2 6 Sự khúc xạ khi ci>ct [7] 14

Hình 2 7 Sự khúc xạ khi ci<ct [7] 14

Hình 2 8 Sự mở rộng của chùm tia từ một nguồn nhỏ [7] 15

Hình 2 9 Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi qua lỗ nhỏ [7] 15

Hình 2 10 Nguyên lý đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm 17

Hình 3 1 Lực nén tác động trên ba bề mặt của một khối tinh thể [8] 20

Hình 3 2 Lực do trục σ2 [8] 21

Hình 3 3 Lực bề mặt σ4 [8] 21

Hình 3 4 Các loại biến dạng của mẫu tinh thể áp điện [8] a) Biến dạng theo chiều dài; b) Biến dạng theo chiều ngang; c) Lực cắt bề dày; d) Lực cắt bề mặt 22

Hình 3 5 Một số cách ghép cảm biến [8] 23

Hình 3 6 Cấu trúc đầu dò siêu âm [8] 23

Hình 3 7 Nguyên lý đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm [9] 25

Hình 3 8 Một cặp đầu dò thu phát [9] 26

Hình 3 9 Mặt sau của cặp đầu dò [9] 26

Hình 3 10 Bộ phận phát siêu âm [9] 27

Hình 3 11 Bộ phận thu siêu âm [9] 27

Hình 3 12 Bộ cộng hưởng và bộ rung của cảm biến [9] 28

Hình 3 13 Bộ tạo dao động của cảm biến [9] 28

Hình 3 14 Ảnh hưởng của đường kính đầu dò tới độ phân giải [7] 32

Hình 3 15 Ảnh hưởng của tần số đến độ phân giải ngang [7] 33

Hình 3 16 Cảm biến siêu âm HC-SR04 [10] 33

Hình 3 17 Chân kích hoạt và phản hồi tách biệt [10] 34

Hình 3 18 Chân kích hoạt và phản hồi cùng 1 chân [10] 35

Hình 3 19 Hướng chùm sóng siêu âm của cảm biến HC-SR04 [10] 36

Hình 4 1 Vi xử lý STM32F030R8T6 [11] 42

Hình 4 2 Pin Lipo 7,4 V 43

Hình 4 3 Cấu tạo thiết bị [12] 44

Hình 4 5 Khối chuyển đổi nguồn từ Pin(7,4V) xuống 5V 48

Hình 4 6 Khối chuyển nguồn 5V thành 3,3V 48

Hình 4 7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý 49

Hình 4 8 Khối cảm biến, cảnh báo 50

Hình 4 9 Khối xử lý (2D) 51

Hình 4 10 Khối xử lý (3D) 51

Hình 4 11 Khối cảnh báo (2D) 52

Hình 4 12 Khối cảnh báo (3D) 52

Hình 5 1 Hiện tượng sai số lặp [13] 54

Hình 5 2 Cách bố trí cảm biến để giảm thiểu sai số lặp [13] 54

Hình 5 3 Tính toán góc đặt cảm biến [13] 55

Hình 5 4 Sai số Crosstalk [14] 55

Hình 5 5 Sơ đồ thời gian không có wait-tmes [14] 57

Hình 5 6 Sơ đồ thời gian có xen kẽ wait-times [14] 59

Hình 5 7 Sơ đồ mô hình căn phòng 60

Hình 5 8 Hình ảnh một tuyến phố thực tế 61

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Trong chương này, em sẽ trình bày tính cấp thiết của đề tài Bên cạnh đó, xu hướng nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến đề tài nghiên cứu

1.1 Tính cấp thiết của đề tài/ lý do chọn đề tài

Theo thống kê mới nhất của WHO, hiện nay trên thế giới có khoảng 2.2 tỷ người bị suy giảm thị lực hoặc mù, trong đó ít nhất 1 tỷ người bị suy giảm thị lực

có thể được ngăn chặn hoặc chưa được giải quyết 1 tỷ người này bao gồm những người bị suy giảm thị lực ở mức độ trung bình hoặc nặng hoặc mù do tật khúc xạ không được điều trị (123.7 triệu), đục thủy tinh thể (62.5 triệu), tăng nhãn áp (6.9 triệu), mờ đục giác mạc (4.2 triệu), bệnh võng mạc tiểu đường (3 triệu) và bệnh mắt hột (2 triệu), cũng như suy giảm thị lực do cận thị không điều trị (826 triệu) Phần lớn những người bị suy giảm thị lực là trên 50 tuổi chiếm tỷ lệ 80% trong khi nhóm người này chiếm 20% dân số thế giới Cứ 5 giây thế giới có thêm một người

bị mù, và cứ 1 phút thế giới có thêm 1 trẻ bị mù 90% người mù sống ở các nước nghèo và đang phát triển với các điều kiện tiếp cận dịch vụ y tế khó khăn (Việt Nam được xếp trong nhóm các nước này) Ở các nước phát triển thì có đến 0.4% dân số bị khiếm thị và đang tăng lên 1% [1]

Xét về sự khác biệt trong khu vực, tỷ lệ suy giảm thị lực từ xa ở khu vực thu nhập thấp và trung bình được ước tính cao hơn bốn lần so với khu vực thu nhập cao Liên quan đến tầm nhìn gần, tỷ lệ suy giảm thị lực không suy giảm được ước tính là lớn hơn 80% ở Châu Phi, phía đông và trung tâm Châu Phi, trong khi tỷ lệ

so sánh ở các khu vực thu nhập cao ở Bắc Mỹ, Australasia, Tây Âu và Châu Thái Bình Dương được báo cáo là thấp hơn 10% [1]

Trên toàn cầu tật khúc xạ (43%) là nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm thị lực và đục thủy tinh thể (33%) là nguyên nhân hàng đầu gây ra mù lòa ở các nước trung bình và thu nhập thấp Vấn đề phòng tránh và chữa trị mù lòa từ lây đã được nhân loại quan tâm, con số người mù đã giảm đáng kể trong 20 năm qua

Trong nhóm trẻ, ước tính có khoảng 19 triệu trẻ em bị khiếm thị, trong số

và suy giảm thị lực chủ yếu là do dị tật bẩm sinh và lỗi khúc xạ chưa được sửa chữa Trong trường hợp đầu tiên, hầu hết các nguyên nhân nằm trong não chứ không phải là trong mắt trong khi nhóm nguyên nhân thứ hai, họ có những điều kiện mà có thể đã được ngăn chặn và chữa được nếu được chuẩn đoán sớm và được đeo kính hoặc phẫu thuật khúc xạ [2]

Tại Việt Nam hiện có khoảng 2 triệu người mù và thị lực kém, 1/3 trong số

đó là những người nghèo không có tiền điều trị mang lại ánh sáng Trên 80% tỷ lệ người mù ở Việt Nam có thể phòng, chữa được Các nguyên nhân gây mù chính hiện nay qua điều tra cho thấy đục thủy tinh thể vẫn là nguyên nhân chủ yếu (chiếm tới 66,1%), tiếp đó là các bệnh lý đáy mắt, bệnh glôcôm, tật khúc xạ, Bên cạnh

đó, công tác phòng chống mù lòa xuất hiện những thách thức mới như tỷ kệ mắc bệnh võng mạc ở trẻ em non, bệnh võng mạc do đái tháo đường, bệnh glôcôm cũng ngày càng tăng cao [3]

Đáng chú ý, tật khúc xạ (cận thị, viễn thị, loạn thị) đang ngày càng phổ biến trong thanh thiếu niên, với tỷ lệ mắc khoảng 15-20% ở học sinh nông thôn, 30-40% ở thành phố Nếu tính riêng nhóm trẻ từ 6-15 tuổi cả nước có khoảng gần 15 triệu em, với tỷ lệ mắc các tật khúc xạ khoảng 20%, thì Việt Nam ước tính gần 3 triệu em mắc tật khúc xạ cần chỉnh kính, trong đó có tới 2/3 bị cận thị [2]

Để giúp người mù có thể hòa nhập vào cuộc sống bình thường, đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện ở trong nước và trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu trên các lĩnh vực y học, điện tử, môi trường, xã hội về vấn đề này Đề tài của em cũng hướng tới trợ giúp người khiếm thị có thể sinh hoạt đi lại và hòa nhập cộng đồng

1.2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các ngành khoa học kỹ thuật nói chung và ngành điện- điện tử - y sinh nói riêng, cuộc sống của con người đã chuyển sang một thời đại mới- thời đại công nghệ hóa Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật

ở nước ta vào trong đời sống xã hội sẽ giúp cải thiện nâng cao chất lượng cuộc

sống của người dân, đẩy mạnh quá trình tiếp cận và bắt nhịp với xu hướng chung của thế giới

Cùng với đó, những người khiếm thị đã và đang có được cuộc sống thoải mái hơn và tiếp cận được với nhiều công nghệ hiện đại như siêu âm, laser, các phương pháp cấy ghép giác mạc,…những người khiếm thị đã có được nhiều cơ hộ hòa nhập với cộng đồng hơn

Ở Việt Nam, người mù đã và đang được xã hội và nhà nước quan tâm trong mọi lĩnh vực của đời sống và tạo điều kiện tốt nhất để được học tập, làm việc Mục tiêu cảu em hướng tới là thiết kế một sản phẩm có thể hỗ trợ người khiếm thị dễ dàng hơn trong các hoạt động sinh hoạt hàng ngày

Với ý tưởng sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách, kết hợp với hệ thống cảnh báo để trợ giúp người mù trong việc phát hiện các vật cản, thực hiện bằng cách sử dụng các đầu dò thu/phát sóng siêu âm, phân tích khoảng cách và phản hồi đầu ra bằng xung động cơ được gắn vào cơ thể người sử dụng, với khoảng cách càng gần thì xung động càng mạnh

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên

quan đến đề tài

1.3.1 Trong nước

• Thiết bị “SPKT EYE” với cảm biến Laser

TS Nguyễn Bá Hải, giảng viên trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã cùng với các học trò chế tạo chiếc nón “SPKT EYE” giúp cho người mù di chuyển

Bằng công nghệ chuyển thông tin thị giác thành thông tin xúc giác, khi cảm biến quét ngang vật, hệ thống sẽ xử lý và chuyển thành tín hiệu rung nhẹ trên nón

ở vị trí ngay giữa trán người dùng Khi người mù đến gần vật cản thì tín hiệu rung

sẽ mạnh hơn, và nếu không có vật cản tín hiệu rung sẽ tắt [4]

• Thiết bị dò đường “PBNT” với cảm biến siêu âm

Hình 1 1 'Chiếc nón kỳ diệu" của TS Nguyễn Duy Hải [4]

Thiết bị có tên “PBNT” sử dụng cảm biến siêu âm được gắn trên mô bàn tay, giúp người đi có thể dò tìm đường đi phía trước và tránh được vật cản nhờ vào tiếng

“bip” phát ra

Ưu điểm:

- Thiết bị nhỏ gọn được gắn trên mô bàn tay tiện lợi hơn cho việc dò đường

- Phát hiện được những vật cản ở khoảng cách xa

Hình 1 3 Chó robot đang được thử nghiệm dẫn đường [5]

Công ty NSK phối hợp cùng trường đại học truyền thông Electro của Nhật chế tạo một cô chó robot dẫn đường cho người khiế thị dựa trên cảm biến kinect của Microsoft

Thiết bị cảm ứng Kinect của Microsoft hiện được coi là chuẩn mực trong phần lớn các trang bị hỗ trợ cho người khiếm thị ra đời gần đây Chó robot dẫn đường cũng không ngoại lệ, được gắn bộ cảm biến để mô tả môi trường xung quanh và dẫn đường cho chủ nhân của mình

Khi chuyển động trên mặt phẳng, chó robot sử dụng bánh xe thay vì chân Nếu dùng hai chân sau con vật đặc biệt này có thể lên và xuống cầu thang Chân của robot cũng có gắn cảm biến để cảnh báo chướng ngại vật cho chủ nhân

Khi muốn chó dẫn đường, chỉ cần ấn tay vào tay cầm điều khiển, nó sẽ thông báo cho chủ nhân về môi trường xung quanh bằng một giọng nữ

Chó robot đang được nghiên cứu và phát triển, trong tương lai nó sẽ được

ra lệnh bằng giọng nói và gắn thêm thiết bị GPS để tăng độ chính xác khi dẫn đường [5]

Ưu điểm:

- Thiết bị được tích hợp cảm biến nên việc dò tìm đường đi cho người mù chính xác hơn

Nhược điểm:

- Kích thước cho robot quá lớn và cồng kềnh gây bất tiện cho người sử dụng

- Do di chuyển bằng bánh xe nên sẽ khó khăn khi đi trên các địa hình khác nhau

- Do tích hợp nhiều cảm biến nên việc tiêu thụ điện năng rất nhiều, và yêu cầu xử lý phức tạp [5]

• Hệ thống NAVI dành cho người mù [6]

NAVI (Navigational Aids for the visually Impaired) là sản phẩm sáng tạo của hai thạc sĩ Michael Zollner và Stephan Huber thuộc đại học Konstanz của Đức

Thiết bị được gắn trên đỉnh đầu của người mù thông qua một chiếc mũ cứng

và băng keo dán, hệ thống NAVI có thể giúp người mù xác định được các vật cản phía trước họ bằng cách phản hồi âm thanh và rung động trong phạm vi từ 0.5-5m,

để họ có thể tránh vật cản trong khi di chuyển

- Khi đặt ở đỉnh đầu sẽ làm hạn chế khả năng xử lý do các cử động của đầu

- Việc không giới hạn khoảng cách từ Kinect đến vật trong tầm nhìn 0.5-5m, nên một không gian rộng lớn sẽ xuất hiện nhiều chướng ngại vật ở xa không cần thiết, dẫn đến tốc độ xử lý chậm

1.4 Kết luận

Trong chương này em đã tìm hiểu được các tính cấp thiết của đề tài và một

số sản phẩm sản xuất trong nước và ngoài nước có liên quan đến đề tài

CHƯƠNG 2: SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG

Trong chương này, em sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản về sóng siêu âm và các ứng dụng của sóng siêu âm trong đời sống Đặc biệt, ứng dụng “Đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm” được ứng dụng trong đồ án này

2.1 Khái niệm sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên 20kHz) Sóng siêu âm là sóng âm có tần số cao hơn ngưỡng mà tai người nghe được Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz) Một số loài vật như dơi, ong có thể cảm nhận được siêu âm [7]

2.1.1 Bản chất vật lý âm thanh

Theo hình dưới, ta thấy dãy tần số của từng loại âm thanh như: hạ âm (dưới 20Hz), Âm thanh người nghe được (20Hz-20kHz), Siêu âm (20kHz-10GHz), Siêu thanh (lớn hơn 10GHz) [7]

Hình 2 1 Các dải tần âm thanh [7]

Chúng ta thường hay gọi sóng siêu âm, bản chất vật lý của sóng siêu âm là dạng âm thanh với tần số hoạt động từ 20kHz- 10GHz và tai người không nghe được âm thanh này Sóng siêu âm có thể lan truyền trong môi trường: khí, lỏng, rắn Thứ tự tăng dần khả năng truyền âm của các môi trường: khí lỏng rắn Trong cùng một môi trường lan truyền, sóng có tần số hoạt động càng cao thì bước sóng càng ngắn (Theo công thức λ= v/f; trong đó λ là bước sóng, v là vận tốc âm thanh,

f là tần số) [7]

2.1.2 Các đặc trưng vật lý của âm

- Tần số dao động của âm: f, số dao động trong 1s

- Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian; đơn vị W/m2 [7]

+ Giá trị nhỏ nhất của cường độ âm mà tai nghe thấy là ngưỡng nghe, ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số âm

+ Giá trị lớn nhất của cường độ âm mà tai nghe thấy là ngưỡng đau, ngưỡng đau phụ thuộc vào tần số âm

- Âm sắc: là đặc trưng của âm giúp ta phân biệt được các âm phát ra từ các nguồn khác nhau Âm sắc liên quan đến đồ thị dao động âm

+ Âm sắc phụ thuộc vào tần số và biên độ của các họa âm

2.2 Phân loại sóng

Sóng được chia làm hai loại cơ bản: sóng dọc và sóng ngang [7]

- Sóng dọc là sóng mà sự chuyển động các hạt dọc theo hướng truyền năng lượng sóng nghĩa là các hạt dao động về phía trước và sau theo cùng hướng với sóng đang dịch chuyển

- Sóng ngang là sóng mà sự dịch chuyển của các hạt vuông góc với hướng truyền năng lượng sóng Kết quả của sự dịch chuyển sóng do viên đá ném xuống mặt hồ là một ví dụ của sóng ngang

Hình 2 3 Sóng dọc [7]

Hình 2 4 Sóng ngang [7]

2.3 Tương tác của siêu âm với vật thể

2.3.1 Phản xạ

Hình 2 5 Sự phản xạ [7]

- Trở kháng âm Trong siêu âm, đại lượng tỷ lệ với động lượng là trở kháng

âm Z= p.c (p là tỉ khối) Đại lượng này là đơn vị đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi trường Nó tương tự như điện trở là mức độ hạn chế điện tích khi truyền qua một vật liệu Đơn vị: kg/m2/s hoặc g/cm2/s [7]

PT2 4

2.3.2 Tán xạ

Một tương tác quan trọng khác giữa siêu âm và vật thể là sự tán xạ, hoặc phản xạ không chính xác, tương ứng với việc đưa ra kết cấu trong của các bộ phận trên ảnh Sự tán xạ xảy ra do các mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn vài bước sóng Mỗi mặt phân cách hoạt động như là một nguồn âm mới, và âm được phản xạ theo tất

cả các hướng [7]

2.3.3 Sự khúc xạ

Nếu chùm siêu âm tới một mặt phân cách giữa hai môi trường với một góc

900, một phần sẽ bị phản xạ trở về môi trường ban đầu và phần còn lại sẽ được truyền vào môi trường thứ hai mà không đổi hướng Nếu chùm tia tới mặt phân cách ở một góc khác 900, phần được truyền qua sẽ bị khúc xạ hoặc bị bẻ cong khỏi hướng truyền thẳng [7]

Hình 2 6 Sự khúc xạ khi ci>ct [7]

Hình 2 7 Sự khúc xạ khi ci<ct [7]

Sự khúc xạ sóng âm tuân theo định luật Snell, liên quan tới góc truyền và tới vận tốc của âm thanh trong hai môi trường Luật Snell đưa ra công thức: 𝑆𝑖𝑛𝜃𝑖

𝑆𝑖𝑛𝜃 𝑡 =𝑐𝑖

𝑐 𝑡 trong đó, 𝜃𝑖 là góc tới; 𝜃𝑡 là góc truyền; ci là vận tốc âm trong môi trường tới; ct là vận tốc âm trong môi trường được truyền [7]

2.3.4 Nhiễu xạ

Nhiễu xạ gây ra chùm siêu âm bị phân ra hoặc trải ra khi các sóng ra xa khối nguồn âm Tốc độ phân kỳ tăng khi kích cỡ (đường kính) của nguồn âm giảm Nhiễu xạ cũng xảy ra sau khi chùm tia với mặt sóng phẳng đi qua khe hở nhỏ khoảng một bước sóng Bởi vì sóng bị chặn ở mọi nơi trừ ở vùng khe hở nên khe

hở hoạt động như một nguồn âm nhỏ và chùm tia phân kì một cách nhanh chóng [7]

Hình 2 8 Sự mở rộng của chùm tia từ một nguồn nhỏ [7]

2.3.5 Sự hấp thụ

Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường Mọi dạng tương tác (phản xạ, khúc xạ, tán xạ và phân kỳ) làm giảm cường độ chùm siêu âm bởi sự định hướng lại năng lượng của chùm Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng siêu âm được chuyển sang dạng năng lượng khác, chủ yếu là nhiệt Nó được dùng cho các ứng dụng y tế của siêu âm chữa bệnh (Vật lý trị liệu) [7]

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ Sự hấp thụ một chùm siêu âm liên quan tới tần số chùm tia, tới tính nhớt và thời gian hồi phục của môi trường Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phân tử quay trở lại vị trí ban đầu sau khi tôi tác dụng lực

Nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn, thì các phân tử quay trở về các

vị trí ban đầu trước khi đợt sóng tiếp theo đến Nếu nó có thời gian hồi phục dài, các phân tử có thể đang trở về vị trí ban đầu thì mặt sóng (nén) lại tác động vào chúng Cần nhiều năng lượng lớn để dừng và chuyển hướng các phân tử và nó tạo

ra nhiều nhiệt hơn (hấp thụ) [7]

Miêu tả toán học: Sự hấp thụ của chùm tia siêu âm tuân theo công thức hàm

số mũ: 𝐴 = 𝐴0𝑒−𝛼𝑧 trong đó, A là biên độ định của chùm tia tại khoảng cách z; A0

là biên độ đỉnh ban đầu của chùm tia; 𝛼 là hệ số hấp thụ; z là khoảng cách của chùm tia đã đi [7]

Sự suy giảm áp suất được tính bởi công thức:𝑝 = 𝑝0𝑒−𝛼𝑧

2.3.6 Độ suy giảm

Độ suy giảm bao gồm ảnh hưởng của cả tán xạ và hấp thụ trong đặc tính suy giảm biên độ khi sóng âm truyền qua môi trường Sự suy giảm được mô tả theo hàm mũ Ta có công thức: 𝐴 = 𝐴0𝑒−𝑎𝑧, trong đó a là độ suy giảm Hệ số suy giảm được tính bằng tổng hệ số tán xạ 𝛼𝑠 và hệ số hấp thụ 𝛼 ; a = 𝛼𝑠+ 𝛼 [7]

2.4 Ứng dụng của sóng siêu âm

2.4.1 Ứng dụng của sóng siêu âm trong y tế

• Siêu âm chẩn đoán

• Siêu âm trị liệu

2.4.2 Ứng dụng của siêu âm trong công nghiệp và nông nghiệp

• Dùng siêu âm để kiểm tra chất lượng sản phẩm

• Gia công vật liệu cứng bằng siêu âm

• Hàn bằng siêu âm

• Tăng nhanh quá trình sản xuất bằng siêu âm

• Sấy khô bằng siêu âm

• Siêu âm trong công nghiệp thực phẩm

• Siêu âm trong nông nghiệp

• Siêu âm trong nghiên cứu biển và đại dương

- Siêu âm và ngành địa chất biển

- Siêu âm với ngành cá biển

• Siêu âm trong nghiên cứu khoa học

- Đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm

Hình 2 10 Nguyên lý đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm

Vận tốc lan truyền sóng siêu âm trong không khí với các điều kiện môi trường cố định là không đổi, trung bình khoảng 343,2 m/s Sóng siêu âm được phát

đi từ cảm biến siêu âm theo phương thẳng tới vật thể cần xác định khoảng cách, khi đi tới bề mặt vật thể, sóng siêu âm bị phản xạ theo chiều ngược lại quay trở lại đầu thu siêu âm Như vậy sóng siêu âm đã đi được trong quãng đường bằng hai

𝑑 =𝑐 𝑡2Trong đó: d là khoảng cách cần xác định, đơn vị m

c là vận tốc lan truyền sóng siêu âm trong không khí trong điều kiện cố định, đơn vị m/s

t là khoảng thời gian từ lúc đầu phát đi sóng siêu âm tới khi đầu thu nhận tín hiệu sóng siêu âm phản xạ lại, đơn vị s

• Dùng siêu âm để tổng hợp các vật liệu mới

- Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ – polymer

- Tổng hợp vật liệu hệ hữu cơ – polymer: vinyl polymer

- Tổng hợp vật liệu sinh học

- Tổng hợp vật liệu vô cơ có cấu trúc nano

- Tổng hợp kim loại vô định hình, hợp kim, chất keo cấu trúc nano

2.5 Kết luận

Trong chương này em đã tìm hiểu được các đặc trưng của sóng siêu như: tần số dao động của âm, cường độ âm, vận tốc âm và đặc biệt là ứng dụng của sóng siêu âm trong đời sống

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Trong chương này, em sẽ trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm nói chung và module cảm biến siêu âm HC-SR04 nói riêng

3.1 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm sẽ phát ra một chùm sóng siêu âm và thu ngược về Sóng siêu

âm khi gặp vật cản sẽ tự phản xạ ngược về trong lúc thu về thì ta có được thời gian

từ khi phát đến lúc thu Qua đó trên tính toán vật lý ta sẽ có được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản Dựa trên nguyên lý áp điện của Pierre Curie và Paul Curie phát minh năm 1880 người ta có thể chế tạo các đầu dò siêu âm đáp ứng được yêu cầu trên Nguyên ly của phương pháp áp điện là biến năng lương điện thành năng lượng cơ, thông qua các vật áp điện Đó là phương pháp dùng khá phổ biến hiện nay để tạo ra nguồn phát thu siêu âm có công suất nói chung không lớn, tần số cao

3.1.1 Hiện tượng áp điện

Hiệu ứng áp điện bao gồm sự xuất hiện phân cực điện, hoặc sự thay đổi phân cực, đã hiện hữu sẵn trong vài chất điện môi trong thiên nhiên (thạch anh, tourmaline,…) hoặc nhân tạo (sulfate de lithium, quartz de synthèse,…) Các tinh thế này khi bị biến dạng dưới tác động của lực theo một phương thích hợp, sẽ dẫn đến sự di chuyển của các điện tích trái dấu nhau về tập trung ở hai bề mặt đối diện Như thế một hiệu điện áo được hình thành, tỉ lệ với lực áp dụng Một cảm biến cho phép đo các lực, các đại lượng vật lý khác nhau như áp suất, gia tốc, được gọi là cảm biến áp điện [8]

Đối với chất điện môi, khi áp một điện trường vào sẽ dẫn đến sự di chuyển của các điện tích Sự xuất hiện và thay đổi các mômen lưỡng cực sẽ kéo theo sự thay đổi kích thước tinh thể Nếu trong tinh thể chất điện môi có một tâm đối xứng thì hiện tượng xảy ra theo các phương, tỉ lệ bình phương điện trường và được gọi

là hiện tượng điện giảo Nếu mẫu tinh thể không có tâm đối xứng thì sẽ xảy ra hiệu ứng áp điện ngược, biên độ rất lơn so với hiệu ứng điện giảo, mẫu tinh thể, trong trường hợp này có sự pjaam cực ở mức độ lớn hiện hữu thường xuyên trong vật

điện đều là chất áp điện, nhưng không ngược lại vì chất quang hỏa điện có sự phân cực trước rất lớn [8]

Tóm lại, các tinh thể tùy theo các thành phần đối xứng của chúng, và các tính chất vật lý, có thể được phân loại như sau:

32 loại tinh thể:

- 21 loại không có tâm đối xứng, trong đó có loại 20 loại là chất áp điện gồm: + 10 loại không phải chất quang hỏa điện

+ 10 loại là chất quang hỏa điện

- 11 loại có tâm đối xứng

Trong môi trường chất áp điện, cường độ và dấu của hiệu ứng áp điện tùy thuộc :

- Hướng quan sát, tức vị trí đặt các bề mặt thu điện tích

- Phương của lực tác động

a) Những đại lượng cơ khí

Một cách tổng quát, những lực nén tác động là kết quả của tổ hợp các thành phần lực do trục về bề mặt Ta để ý thành phần 𝜎𝑖𝑗là thành phần lực trục i (i=x,y,z) của lực nén tác động trên đơn vị diện tích của bề mặt thẳng góc trục

j (j=x,y,z) trong khối vật liệu

Hình 3 1 Lực nén tác động trên ba bề mặt của một khối tinh thể [8]

Hình 3 2 Lực do trục σ2 [8]

Ta có : 𝜎𝑖𝑗 = 𝜎𝑗𝑖 và chú ý :

Thành phần dọc trục : 𝜎𝑥𝑥 → 𝜎1; 𝜎𝑦𝑦 → 𝜎2; 𝜎𝑧𝑧 → 𝜎3

Thành phần bề mặt : 𝜎𝑦𝑧 → 𝜎4; 𝜎𝑧𝑥 → 𝜎5; 𝜎𝑥𝑦 → 𝜎6

b) Một cách tổng quát, người ta diễn tả hiệu ứng áp điện bởi một ma trận các

hệ số với trường bằng 0, các lực ép (𝜎1→ 𝜎6) và các điện tích q thu được ở

bề mặt thẳng góc với trục Ox, Oy, Oz (hay trục 1,2,3)

Hình 3 3 Lực bề mặt σ4 [8]

Ta có :

𝑞2 = 𝑑21𝜎1+ 𝑑22𝜎2+ 𝑑23𝜎3+ ⋯ + 𝑑26𝜎6 PT3 2

𝑞1= 𝑑31𝜎1+ 𝑑32𝜎2+ 𝑑33𝜎3+ ⋯ + 𝑑36𝜎6 PT3 3 Hoặc đơn giản :

c) Cấu tạo cảm biến

Hình 3 4 Các loại biến dạng của mẫu tinh thể áp điện [8]

a) Biến dạng theo chiều dài; b) Biến dạng theo chiều ngang; c) Lực cắt bề

Hình 3 5 Một số cách ghép cảm biến [8]

a) Hai cảm biến ghép song song; b) Hai cảm biến ghép nối tiếp; c) Nhiều cảm biến ghép song song

3.2 Đầu dò cảm biến siêu âm

3.2.1 Cấu trúc đầu dò siêu âm

Hình 3 6 Cấu trúc đầu dò siêu âm [8]

Thành phần chính của một đầu dò là một tinh thể vật liệu áp điện với các điện cực ở các mặt đối diện để tạo ra cực thay đổi Các điện cực được tạo thành bởi lớp mạ mỏng bằng vàng hoặc bạc trên bề mặt tinh thể Để nâng cao sự truyền năng lượng đến và về từ bệnh nhân, lớp phối hợp được đặt ngay sau một trong các điện cực Sự rung tinh thể được loại bỏ nhờ vật liệu hỗ trợ nối tiếp bề mặt điện cực

ra khỏi bệnh nhân Toàn bộ tinh thể được lắp ghép, bao gồm các điện cực, lớp phối hợp và vật liệu hỗ trợ, được chứa trong một lớp vỏ cách điện (thường là loại nhựa nào đó) Lớp vỏ này cũng cung cấp sự hỗ trợ cấu trúc Một bộ cách âm, tạo bởi cao su hoặc bấc, ngăn sự truyền năng lượng siêu âm vào nó [8]

thì mục tiêu là phát ra năng lượng lớn nhất dưới dạng nhiệt (gây ra do hấp thụ) vào người bệnh nhân Điều này đạt được bằng cách phát ra một cách liên tục các sogs siêu âm từ đầu dò Công suất phát ra lớn nhất có được nếu dao động tự nhiên (cộng hưởng) xảy ra trong tinh thể, trong trường hợp này vật liệu đệm cần có trở kháng

âm khác với trở kháng âm tinh thể Phản xạ lớn nhất tại mặt phân cách tinh thể - vật liệu hỗ trợ gây nên tinh thể rung động tự nhiên Không khí thường được sử dụng là vật liệu đệm cho các đầu dò chữa bệnh Đối với tạo ảnh, đầu dò gửi chùm tia siêu âm ngắn (có thể là một chu kỳ) theo sau là một khoảng lặng để nghe tín hiệu dội trở về (dạng nhận) trước khi chùm khác phát đi Nó gọi là một hệ thống xung và sự thiết kế dựa trên nguyên tắc phạm vi tín hiệu dội Lý tưởng là vật liệu đệm có thể hấp thụ hết năng lượng, trừ một chu kì sóng được tạo ra từ mặt trước đầu dò Để truyền năng lượng lớn nhất (từ tinh thể tới vật liệu hỗ trợ), vật liệu đệm

có trở kháng âm giống hệt với tinh thể Hỗn hợp nhự epoxy và bột kim loại nặng được sử dụng làm vật liệu đệm trong các đầu dò chẩn đoán siêu âm để hạn chế xung siêu âm Phần sau của vật đệm được làm vát xiên để ngăn chặn sự phản xạ năng lượng âm vào tinh thể [8]

3.2.2 Tần số lặp lại xung

Số lần tinh thể rung hoặc được kích thích điện trong một giây gọi là tần số lặp lại xung (Pulse Repetition Frequency PRF) Do một đầu dò không thể gửi và nhận siêu âm cùng một lúc, nên tồn tại một giới hạn tương ứng với tốc dộ có thể được phát xung Tần số lập xung cực đại (PRFm) bị giới hạn bởi độ sâu cực đại (R) được lấy mẫu và vận tốc (c) của siêu âm trong môi trường, được cho bởi công thức: 𝑃𝑅𝐹𝑚 = 𝑐

2𝑅, trong đó thời gian (t) cần thiết cho sóng truyền vào độ sâu R được cho bởi công thức: R= c.t [7]

3.2.3 Chu kỳ lặp xung

Thời gian yêu cầu để truyền một sóng siêu âm và thời gian dành cho nghe tín hiệu dội về được gọi là chu kì lặp xung Nó bằng tỷ lệ nghịch của tần số lặp lại xung [7]

𝑃𝑅𝑃 = 1

𝑃𝑅𝐹

PT3 5

3.3 Cấu tạo đầu dò cảm biến 40KHz

3.3.1 Đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm

Hình 3 7 Nguyên lý đo khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm [9]

Vận tốc lan truyền sóng siêu âm trong không khí với các điều kiện môi trường cố định là không đổi, trung bình khoảng 343,2 m/s Sóng siêu âm được phát

đi từ cảm biến siêu âm theo phương thẳng tới vật thể cần xác định khoảng cách, khi đi tới bề mặt vật thể, sóng siêu âm bị phản xạ theo chiều ngược lại quay trở lại đầu thu siêu âm Như vậy sóng siêu âm đã đi được trong quãng đường bằng hai lần khoảng cách cần đo với vận tốc lan truyền âm thanh (khoảng 343,2 m/s) trong một khoảng thời gian t có thể đo lường được Do đó khoảng cách cần đo được tính theo công thức: [9]

𝑑 =𝑐 𝑡2

PT3 6

Trong đó: d là khoảng cách cần xác định, đơn vị m

c là vận tốc lan truyền sóng siêu âm trong không khí trong điều kiện cố định, đơn vị m/s

t là khoảng thời gian từ lúc đầu phát đi sóng siêu âm tới khi đầu thu nhận

3.3.2 Tổng quan đầu dò

Hình 3 8 Một cặp đầu dò thu phát [9]

Một cảm biến siêu âm bao gồm một đầu phát và một đầu thu có sẵn dưới dạng các đơn vị riêng biệt hoặc được gắn với nhau dưới dạng một đơn vị

Hình 3 9 Mặt sau của cặp đầu dò [9]

Ký hiệu ‘T’ và ‘R’ cho ta biết đâu là cảm biến thu và đâu là cảm biến phát

Số “40” có ý nghĩa là tần số hoạt động của cảm biến là 40 KHz Cấu trúc của cả hai gần như giống nhau, có hai dây dẫn để đưa và nhận tín hiệu điện đến và đi từ cảm biến [9]