TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HỖ

TRỢ NGƯỜI MÙ SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HÙNG-KTYS-K53

NGỤY PHAN TÍN-KTYS-K53

NGUYỄN HỮU THẮNG-KTSY-K53

Giảng viên hướng dẫn: Th.S NGUYỄN THU VÂN

Hà Nội, 6-2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------------------------------------------------

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

---------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209

Ngụy Phan Tín 20082681

Nguyễn Hữu Thắng 20082470

Khoá: K53

Viện: Điện tử - Viễn thông

Ngành: Kỹ thuật y sinh

1. Đầu đề đồ án: ………………………………………………………………………………………………………………………..….……

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

……………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

………………………………………………………………………………………………………………..….……………

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

……………………………………………………………………………………………………………………..……….…

……………………………………………………………………………………………………….

2. Họ tên giảng viên hướng dẫn………………………………………………………..…………………… 3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án ………………………………………………….…………… 4. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………

Ngày tháng năm

Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209

Ngụy phan Tín 20082681

Nguyễn Hữu Thắng 20082470

Ngành: Kỹ thuật y sinh Khoá: K53

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện: ................................................................................................................................ .......

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................ ...........................................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................................................ .......................................

............................................................................................ .......................................................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

......................................................................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện: ............................................................................................................................................................................................ .......

............................................................................................................................ .......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

................................................................................................................................................................................ ...................

................................................................................................................ ...................................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

.................................................................................................................................................................... ...............................

.................................................................................................... ...............................................................................................

..........................................................................

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

5

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đời

sống xã hội là một xu hướng thiết yếu, đã và đang được các bộ ngành cũng như các

cơ quan nhà nước quan tâm và chú trọng phát triển. 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.

Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất lượng sản xuất mà còn giúp

nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân về mặt sức khỏe và tinh thần, đặc biệt

đối với những người khuyết tật không gặp may mắn trong cuộc sống. Một trong

những đối tượng được quan tâm đó là những người bị khiếm thị. Những đối tượng

này do bị các tật về mặt hoặc vì một lý do nào đó mắt không nhìn được nên việc

sinh hoạt giao tiếp với xã hội rất khó khăn. Bằng việc sử dụng các công nghệ hiện

đại như siêu âm, laser, các phương pháp cấy ghép giác mạc ... những người khiếm

thị đã có được nhiều cơ hội hòa nhập với cộng đồng hơn.

Trong các công nghệ hiện nay thì công nghệ sử dụng sóng siêu âm để dẫn đường

được sử dụng khá phổ biến. Do có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền

thống và một số các phương pháp khác hiện nay. Ngoài ra sóng siêu âm cũng rất an

toàn với người sử dụng và mọi người xung quanh. Từ đó nhóm chúng em đã đưa ra

ý tưởng thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”.

Dưới sự hướng dẫn tận tình của Th.S Nguyễn Thu Vân cùng sự đoàn kết cố gắng

của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án với đề tài “ Thiết bị hỗ trợ người

khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”.

Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, chúng em đã đạt được một số kết

quả khả quan trong quá trình triển khai và thực hiện đồ án. Mặc dù vậy, do còn

thiếu sót về mặt kiến thức thực tế cũng như hạn chế về các linh kiện cần thiết nên

nhóm chúng em không tránh khỏi thiếu sót cũng như một số mục tiêu chưa hoàn

thành. Vì vậy nhóm chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy

cô giáo và bạn bè.

6

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Th.S Nguyễn Thu Vân

cùng toàn thể gia đình bạn vè đã hỗ trợ nhóm chúng em trong quá trình nghiên cứu.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hùng

Ngụy Phan Tín

Nguyễn Hữu Thắng

`

7

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

“Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”

Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có khả năng lan truyền trong môi trường rắn,

lỏng, khí. Sóng siêu âm sẽ được phát ra từ một đầu cảm biến, sau khi va chạm với

các vật cản sẽ được thu nhận lại và xử lý để đưa ra những cảnh bảo chỉ dẫn cho

người khiếm thị. Thiết bị sẽ gồm bốn phần cơ bản:

- Đầu cảm biến thu và phát sóng siêu âm

- Khối điều khiển và xử lý tín hiệu siêu âm

- Khối cảnh báo khi có vật cản trên đường di chuyển

- Khối vỏ bảo vệ và gắn thiết bị lên cơ thể người khiếm thị

Thiết bị hỗ trợ sẽ được gắn lên cánh tay của người khiếm thị. Khi người khiếm thị

di chuyển, thiết bị sẽ liên tục phát ra các sóng siêu âm trong phạm vi đã xác định,

thu nhận các sóng âm phản hồi về. Sau đó khối điều khiển và xử lý sẽ tính toán các

thông tin về vị trí, tốc độ của các vật cản phía trước. Từ đó khối cảnh báo sẽ đưa ra

các cảnh báo dẫn đường với người khiếm thị để tránh các vật cản trên đường đi.

Đồ án trình bày quá trình nhóm tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn của thiết

bị bao gồm 4 chương:

Chương 1: Khái niệm về siêu âm và các ứng dụng

Trình bày về các khái niệm cơ bản cần biết về sóng siêu âm, các tính chất vật

lý của sóng siêu âm và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tế.

Chương 2: Cảm biến siêu âm

Trình bày một cách cơ bản về cấu tạo của một cảm biến siêu âm, các thông

số cần quan tâm của một cảm biến siêu âm, nêu cấu tạo và các chế độ hoạt

động của siêu âm HC-SR04 được sử dụng trong đồ án.

Chương 3: Phân tích và thiết kế

Trình bày về một số đặc điểm đặc trưng của đối tượng sử dụng thiết bị, phân

tích các bài toán thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế thiết bị.

Sau đó, dựa trên các phân tích đưa ra được các giải pháp thiết kế, chế tạo để

giải quyết các bài toán thực tế.

8

Chương 4: Kết quả đạt được và thử nghiệm

Trình bày về quá trình thử nghiệm thiết bị trong thực tế, đánh giá kết quả thu

được, từ đó rút ra các kết luận, đánh giá tổng kết quá trình triển khai thực

hiện đề tài.

9

ABSTRACT

“Research and design a equipmentassisting sightless person using ultrasonic”

Ultrasonic wave is a form of mechanical waves, can propagate in solid, liquid and

gas. Ultrasonic waves are emitted from a sensor head, after colliding with the

obstacle will be collected and processed to give the warning instructions for blind

people. The equipment will consist of four basic parts:

- The ultrasonic wave transmitter and receiver

- The ultrasonic signal controlling and processingblock

- Warning block when there are obstacle on the move

- Protective shell, attaching the device to the body blind

Assistant equipment will be attached to the arm of the blind. When blind people

move, the device will continuously emit ultrasonic waves in the specified range and

receive the feedback wave. Then the controller and processor block will calculate

information on position, speed of the obstacles ahead. From thatit will give a

statement to warn the blinds to avoid obstacles along the way.

The thesis reports the process of group learning, designing and testing practicality

of the device consists of 4 chapters:

Chapter 1: the concept of ultrasound and its applications

Presentation of the basic concepts you need to know about sonar, the physical

properties of ultrasonic wave and application in fact.

Chapter 2: Ultrasonic sensors

Presenting a fundamental way about the texture of an ultrasonic sensor, the need of

an ultrasonic sensor, articulated structure and mode of operation of HC-SR04

ultrasound is used in blueprints.

Chapter 3: Analysis and design

Presentation on some of the characteristics of using objects, analysis of the actual

problem, the necessary requirements for the design of the equipment. Then, based

10

on the analysis of given designing and buliding solutionsto solve the actual

problem.

Chapter 4: Test and results achieved

Presentation on the process of testing the device in fact, reviews the results

obtained, from which to draw conclusions, the evaluation of the process of

implementing the subject.

11

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ........................................................................................................ 7

ABSTRACT ................................................................................................................... 9

MỤC LỤC .................................................................................................................... 11

DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 16

MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 17

CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG ..................... 22

1.1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm .................................................................. 22

1.1.1. Âm thanh .............................................................................................. 22

1.1.2. Sóng âm................................................................................................. 23

1.1.3. Sóng siêu âm ......................................................................................... 28

1.2. Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường ............................................. 29

1.2.1. Phương trình sóng ................................................................................ 29

1.2.2. Phản xạ ................................................................................................. 31

1.2.3. Tán xạ ................................................................................................... 32

1.2.4. Hấp thụ ................................................................................................. 33

1.2.5. Sự suy giảm ........................................................................................... 34

1.2.6. Một số môi trường cụ thể ..................................................................... 36

1.3. Ứng dụng siêu âm trong y tế ......................................................................... 39

1.4. Kết luận .......................................................................................................... 40

CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM ..................................................................... 42

2.1. Phần tử áp điện và hiệu ứng áp điện ........................................................... 42

2.1.1. Phần tử áp điện..................................................................................... 42

2.1.2. Hiệu ứng áp điện .................................................................................. 43

2.1.3. Ứng dụng của hiệu ứng áp điện .......................................................... 44

2.2. Đầu dó cảm biến ............................................................................................ 45

2.2.1. Thành phần cơ bản .............................................................................. 45

12

2.2.2. Phân loại ............................................................................................... 46

2.3. Cấu tạo một đầu dò cảm biến 40kHz ........................................................... 49

2.3.1. Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm .................................................... 49

2.3.2. Tổng quan đầu dò ................................................................................. 50

2.3.3. Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến ............................................ 51

2.4. Đặc tính của đầu dò cảm biến ...................................................................... 54

2.4.1. Cường độ ............................................................................................... 54

2.4.2. Trường siêu âm .................................................................................... 54

2.4.3. Độ phân giải ngang, dọc ...................................................................... 59

2.5. Module cảm biến SR04.................................................................................. 61

2.5.1. Cấu tạo và đặc tính của module cảm biến HC - SR04 ....................... 61

2.6. Kết luận .......................................................................................................... 65

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ....................................... 66

3.1. Phân tích tập tính của người khiếm thị ....................................................... 66

3.1.1. Định nghĩa người khiếm thị ................................................................ 66

3.1.2. Hoạt động não bộ của người khiếm thị ............................................... 67

3.2. Phân tích các bài toán thực tế....................................................................... 71

3.2.1. Phát hiện vật thể bằng sóng siêu âm ................................................... 71

3.2.2. Cảnh báo ............................................................................................... 73

3.2.3. Xử lý tín hiệu ........................................................................................ 74

3.1.4 Năng lượng ........................................................................................... 75

3.2.4. Nguyên liệu chế tạo .............................................................................. 76

3.3. Thiết kế ........................................................................................................... 76

3.3.1. Cấu tạo thiết bị ...................................................................................... 76

3.3.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị ...................................................... 78

3.3.3. Sơ đồ giải thuật ..................................................................................... 78

3.3.4. Sơ đồ mạch nguyên lý .......................................................................... 82

3.3.5. Sơ đồ mạch in ....................................................................................... 85

3.4. Kết luận .......................................................................................................... 86

CHƯƠNG 4. TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............... 87

4.1. Những kết quả đạt được trên thực tế .......................................................... 87

13

4.1.1. Kiểm tra các thông số cảm biến ........................................................... 87

4.1.2. Kiểm tra năng lượng ............................................................................ 95

4.2. Những khó khăn gặp phải............................................................................. 96

4.2.1. Các lỗi đặc trưng chưa xử lý triệt để ................................................... 96

4.2.2. Các phương pháp xử lý lỗi ................................................................... 99

4.3. Kết luận và định hướng phát triển tương lai ............................................ 105

4.3.1. Phân tích tính khả dụng của thiết bị ................................................. 105

4.3.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 107

Phụ Lục ký hiệu toán học ......................................................................................... 108

14

DANH MỤC HÌNH VẼ

nh . ậy siêu âm ................................................................................................ 18

nh . ính hỗ trợ người khiếm thị ....................................................................... 19

nh . m thanh tạo ra khi đánh trống ................................................................. 22

nh . ác ải tần số âm thanh ............................................................................ 23

nh . iểu diễn dạng sóng ................................................................................... 24

nh . nh ảnh minh họa sóng dọc và sóng ngang ............................................. 26

nh . h n oại sóng âm theo tần số, dải tần số của siêu âm ............................. 27

nh . ự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang .............................. 29

nh . Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng .......................... 31

nh . ng tới đến bề mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng âm khác

nhau sẽ xảy ra hai hiện tượng: khúc xạ và phản xạ .................................................. 32

nh . Đồ thị biểu diễn độ suy hao theo trục z ...................................................... 36

nh . Giản đồ thể hiên sự suy giảm cường độ âm theo khoảng cách với từng

tần số ......................................................................................................................... 36

nh . đồ của chùm tia siêu âm trong c thể người với các môi trường c độ

trở kháng khác nhau. ................................................................................................. 39

nh . h n bố cực từ trong vật chất đ n tinh thể và đa tinh thể ........................ 42

nh . ự phân cực trong vật liệu gốm và tạo ra hiệu ứng áp điện ...................... 43

nh . Ví dụ về hiệu ứng áp điện ........................................................................... 44

nh . Các chế độ ao động khác nhau có thể xảy ra với tinh thể gốm áp điện .. 45

nh . ấu trúc cảm biến siêu âm hở [5] ............................................................. 47

nh . Mô phỏng quá trình rung [5] ..................................................................... 47

nh . ấu trúc cảm biến siêu âm kín [5] ............................................................. 48

nh . ấu trúc cảm biến siêu âm tần số cao [5] ................................................. 48

nh . ột cặp đầu dò siêu âm thu và phát .......................................................... 50

nh . ặt sau của cảm biến siêu âm ................................................................. 50

nh . Cảm biến sau khi tháo lớp ưới phía trên ................................................ 51

nh . Lớp vỏ kim loại và cấu trúc bên trong cảm biến ..................................... 51

nh . Cấu trúc bên trong của cảm biến ............................................................. 52

nh . Đế cách điện và dây dẫn của cảm biến .................................................... 52

nh . Khối tạo ao động của cảm biến ............................................................. 53

nh . Đồ thị phía trên: trường sóng liên tục của cảm biến mảng vành khuyên

có bán kính r và góc phân kì ∅. Đồ thị phía ưới: iên độ cường độ đã được chuẩn

hóa dọc theo trục đối xứng của cảm biến phía trên ở tần số trung tâm là 5Mhz và

bán kính 7mm. ........................................................................................................... 56

nh . Trường siêu âm của cảm biến .................................................................. 61

nh . Module cảm biến siêu âm HC-SR04 ........................................................ 62

nh . iản đồ thời gian chế độ 1 ....................................................................... 62

nh . iản đồ thời gian chế độ 2 ....................................................................... 63

15

nh . ướng chùm sóng siêu âm của cảm biến HC-SR04 ................................ 65

nh . iểu đồ tỉ lệ tiếp nhận thông tin bằng giác quan ở người b nh thường ..... 67

nh . iểu đồ tiếp nhận thông tin mới ở người; a) người b nh thường; b) người

khiếm thị .................................................................................................................... 68

nh 3.3 Biểu đồ tiếp nhận thông tin ở người khiếm thị khi sử dụng sóng siêu âm . 70

nh . nh ảnh mô tả hoạt động của thiết bị ....................................................... 72

nh . nh ảnh mô tả vật cản chuyển động về phía thiết bị ................................ 73

nh . in ạc Lipo 500 mAh ................................................................................ 75

nh . ỏ ngoài thiết bị ........................................................................................ 77

nh . ị trí đặt các khối thiết bị ........................................................................... 77

nh . đồ nguyên lý hoạt động ......................................................................... 78

nh . đồ thuật toán và các hàm xử lý ngắt ................................................... 80

nh . Độ rộng xung theo các chế độ hoạt động ................................................ 81

H nh . Điều chế động rộng xung để điều khiển động c ..................................... 81

nh . đồ nguyên lý khối nguồn ..................................................................... 82

nh . đồ nguyên lý khối xử lý ....................................................................... 83

nh . đồ nguyên lý khối cảm biến ................................................................. 84

nh . đồ nguyên lý khối cảnh báo rung ........................................................ 84

nh . Tín hiệu đo đượckhi sử dụng bộ thu để thu nhận tín hiệu ......................... 87

nh . Tín hiệu đo được khi sử dụng bộ phát để thu ............................................. 88

nh . Đo tín hiệu thu được ở cả bộ phát và thu ở chế độ hiển thị đồng thời của

oscillator; với tín hiệu đường bao bên ngoài là của bộ thu. ..................................... 88

nh 4.4 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 20cm – thang đo m / iv ..... 89

nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 40cm– thang đo m / iv ...... 90

nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 60cm – thang đo m / iv .... 90

nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 70cm– thang đo m / iv ...... 91

nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 4m – thang đo m / iv ........... 91

nh . ường độ âm tại một điểm trong không gian ............................................ 94

nh . Trường siêu âm của module cảm biến HC-SR04 [5] ............................... 94

nh . Hình ảnh mô tả nhiễu lặp khi sử dụng ba cảm biến siêu âm ................... 97

nh . Hình ảnh mô tả lỗi tán xạ bề mặt ............................................................. 98

nh . Hình ảnh mô tả lỗi đọc chéo .................................................................... 99

nh . Hình ảnh o ánh hai cách đặt góc giữa hai cảm biến .......................... 100

nh . Tính toán góc giữa hai cảm biến............................................................ 100

nh . Sự xuất hiện của đọc chéo [17].............................................................. 101

nh . Lưu đồ cách đọc tín hiệu ........................................................................ 102

nh . Thuật toán loại bỏ tín hiệu đọc chéo ...................................................... 103

16

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng . iên độ tín hiệu sóng siêu âm tại các tần số khác nhau ........................... 92

Bảng . iên độ tín hiệu sóng siêu âm phản xạ tại các bề mặt vật liệu khác nhau

................................................................................................................................... 92

Bảng 4.3 Bảng kết quả dải khoảng cách thu phát ng iêu m tư ng ứng với các

kích thước vậtt thể khác nhau ................................................................................... 93

Bảng 4.4 Bảng kết quả dải khoảng cách thu phát sóng siêu âm với các góc phát

khác nhau .................................................................................................................. 93

17

MỞ ĐẦU

Trong thực tế hiện nay, do điều kiện môi trường thay đổi cũng như nhận thức còn

yếu kém của con người về vấn đề giữ gìn sức khỏe, bảo vệ an toàn cho bản

thântrước những mối nguy hại trong cuộc sống, con người rất dễ gặp phải các vấn

đề về sức khỏe. Sự suy giảm về mặt sức khỏe ảnh hưởng một cách trực tiếp hoặc

gián tiếp đến các hoạt động sinh hoạt bình thường của một cá nhân.

Một trong các vấn đề sức khỏe nổi cộm mà con người gặp phải là các vấn đề về

mắt. Trên thực tế có rất nhiều bệnh làm suy giảm thị lực của con người cũng như

làm hỏng hẳn thị lực. Trong đồ án này, nhóm chúng em quan tâm đến nhóm người

bị suy giảm thị lực nặng được xét vào nhóm bị “mù lòa”. Theo khái niệm của WHO

năm 1992, một người được gọi là khiếm thị khi chức năng thị giác của người đó bị

giảm nặng, thậm chí ngay cả khi đã được điều trị và điều chỉnh tật khúc xạ tốt nhất

nhưng thị lực ở mắt tốt chỉ ở mức dưới 6/18 (0,33) cho đến còn phân biệt sáng tối

và hoặc thị trường bị thu hẹp dưới 100 kể từ điểm định thị [14].

Theo ước tính Việt Nam hiện có khoảng 2 triệu người khiếm thị (năm 2011) [18].

Vì vậy, phục hồi chức năng (PHCN) cho người khiếm thị đóng vai trò quan trọng

trong công tác chống mù lòa, hướng tới thực hiện mục tiêu toàn cầu “Thị giác 2020

- Quyền được nhìn thấy” [13].

Khiếm thị có thể do rất nhiều bệnh lý hay những bất bình thường của con mắt gây

ra. Một số nguyên nhân thường gặp như: bệnh cận thị cao, sẹo giác mạc, đục thể

thủy tinh, bệnh võng mặc sắc tố, bệnh võng mạc đái tháo đường, bệnh thoái hóa

hoàng điểm, bệnh glôcôm, bệnh bạch tạng… Tùy thuộc vào mức độ của bệnh có thể

gây khiếm thị ở mức độ nhẹ, vừa, nặng và rất nặng.

Ở nước ta hiện nay, các thiết bị hỗ trợ người khiếm thị còn rất khiêm tốn sơ sài,

chưa được quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển đúng mức. Trong khi đó, với

một người khiếm thị việc sinh hoạt cá nhân rất khó khăn, đặc biệt khi những người

khiếm thị muốn đi ra ngoài để giao tiếp làm việc. Chính vì vậy nhóm chúng em đã

quyết định chọn đề tài thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị” với mong muốn

18

góp chút sức để giúp đỡ những người kém may mắn có thể cải thiện bớt khó khăn

trong việc hòa nhập với xã hội.

Các biện pháp hỗ trợ

Người mù và người khiếm thị được xếp chung vào nhóm bệnh nhân “mù lòa”

(visually impaired) hay còn gọi là suy giảm thị lực, các bệnh nhân này chỉ có số ít

được thành công với các ca phẫu thuật mắt, còn phần lớn là không khỏi hoặc chịu

biến chứng sau các ca phẫu thuật. Do đó các biện pháp được đặt ra để thay đổi tình

trạng thị giác cho bệnh nhân mà thực chất là dùng các thiết bị để thay thế cho chức

năng của măt, hoặc là các loại kính đặc biệt để cải thiện sức nhìn. Ngoài các phương

pháp truyền thống như gậy hay chó dẫn đường, hiện nay, các nhà nghiên cứu đã và

đang đưa ra rất nhiều thiết bị sử dụng công nghệ cao như siêu âm, camera lập thể,

mắt sinh học…

Một số biện pháp hỗ trợ người mù đã và đang được nghiên cứu hiện nay:

nh 0.1 Gậy siêu âm

- Gậy siêu âm. Hai cảm biến siêu âm được gắn trên đầu gậy sẽ bắn ra những

tia siêu âm rất mạnh, rất lớn đến nỗi nếu nghe thấy, con người có thể bị điếc.

Tuy nhiên do tần số của nó cực cao nên không gây hại đến tế bào thính giác.

19

Siêu âm phát ra được phản hồi trở lại khi gặp bất kỳ vật cản mềm hay cứng

nào dù đó là những chiếc lá trên cành cây, quần áo trên người, hoặc một tấm

màn, hay các vật thể như bàn, ghế… Những nút cảm ứng trên cán gậy sẽ

rung lên khi thiết bị cảm biến phát hiện có vật cản ở phía trước. Mức độ rung

mạnh hay nhẹ tùy thuộc vào khoảng cách từ gậy đến vật cản. Nhờ đó, người

khiếm thị dùng gậy siêu âm có thể dễ dàng tự đi lại một mình và tránh được

mọi thứ xung quanh. Tuy nhiên, phần lớn người sử dụng có thể phải mất vài

tháng để làm quen với chiếc gậy siêu âm. Còn theo các nhà phát triển, thiết

bị hiện đại này sẽ mang lại cho người mù một thế giới hoàn toàn mới về cảm

giác. Hiện nay, các nhà khoa học cho biết phiên bản mới có nhiều cải tiến và

cho độ chính xác cao hơn.

nh 0.2 Kính hỗ trợ người khiếm thị

- Kính hỗ trợ người khiếm thị: Sử dụng camera lập thể nhỏ xíu được lắp trên

gọng, máy chiếu sẽ phóng những hình ảnh vật thể được đơn giản hóa lên

phần tròng kính, và hình sẽ càng sáng hơn khi tiến gần đến chướng ngại vật

ở phía trước. Công nghệ được tích hợp vào kính có thể mở rộng thêm chức

năng, như đọc sách báo thông qua tai nghe, hoặc quét mã vạch để hiển thị giá

cả từng mặt hàng. Tiến sĩ Stephen Hicks của Đại học Oxford, người phát

minh loại kính trên, dự kiến sẽ cho ra mắt trong vòng 2 năm nữa.

20

- Mắt sinh học: Mắt sinh học đã được nghiên cứu từ rất lâu trước đây. Vào

năm 1929, nhà thần kinh học người Đức Otfird Foerster dùng điện kích thích

vỏ não thị giác của người mù tình nguyện. Kết quả: họ "thấy" được các điểm

sáng nhỏ. Cho đến năm 1968, Giles S. Brindley ở Đại học Cambridge cấy 80

điện cực dưới lớp da đầu một phụ nữ mù 52 tuổi. Khi mở dòng điện, bà ta

thấy được các chấm sáng. Sau nhiều năm nghiên cứu, phương pháp đã có

bước nhảy đột biến Arman Tanguay và đồng nghiệp Noelle Stiles tiến hành

thí nghiệm đầu tiên cấy một camera kỹ thuật số vào mắt, thay thế thấu kính

tự nhiên của con chó bằng thấu kính thủy tinh và một bộ cảm ứng vào năm

2004. Phải đến năm 2010 các camera kỹ thuật số đầu tiên mới được ứng

dụng cơ thể người mù kết nối với vật cấy võng mạc mang 256 điện cực trong

cuộc nghiên cứu của dự án USC. Các nhà nghiên cứu dự đoán đến năm 2014

sẽ chế tạo được vật cấy mang 1000 điện cực cho phép những người tình

nguyện thí nghiệm nhận rõ mặt người và đọc được cỡ chữ khoảng 2,5 cm.

Trong các nghiên cứu gần đây, vật cấy được chế tạo bằng muối bạc hay

sillicon mắc đầy điện cực vào một trong võng mạc của người tình nguyện.

Một camera kỹ thuật số lắp trên kính râm sẽ cung cấp các hình ảnh không

dây đến vật cấy này và các điện cực sẽ kích thích các dây thần kinh võng

mạc để sản sinh ra cảm giác trước ánh sáng trong não. Kết quả thu được rất

khả quan, các tình nguyện viên có thể phân biệt được sáng tối và một số đồ

vật có hình dạng khác nhau.

Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi rất cao. Mỗi một phương pháp đều có

ưu nhược điểm và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển, khắc phục các

nhược điểm. Với năng lực của nhóm cũng như độ lớn của đề tài, nhóm chúng em

quyết định sử dụng phương pháp siêu âm để thiết kế thiết bị hỗ trợ người khiếm thị.

Mục tiêu của nhóm hướng tới là thiết kế một sản phẩm có tính ứng dụng trong thực

tế, có thể hỗ trợ những người khiếm thị dễ dàng hơn trong các hoạt động sinh hoạt

hằng ngày.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

21

Với ý tưởng sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách, kết hợp với hệ thống cảnh

báo để trợ giúp những người mù lòa trong việc phát hiện vật cản, thực hiện bằng

cách sử dụng các transducer thu và phát sóng siêu âm, phân tích khoảng cách và

phản hồi đầu ra bằng xung động cơ học được đặt trên cơ thể của người sử dụng, với

khoảng cách càng gần, xung động càng mạnh. Cụ thể trong đồ án này, nhóm chúng

em sẽ thiết kế và chế tạo một thiết bị đặt ở tay được gắn trên người khiếm thị dưới

dạng một chiếc găng tay. Thiết bị này có những ưu điểm sau:

- Có thể coi là một hệ thống khôi phục giác quan, nối dài các giác quan của

người khiếm thị, để họ có thể tự tin hơn trong việc di chuyển và hành động.

- Giúp người khiếm thị tự do hơn, khi có thể giải phóng cả hai tay, không phải

phụ thuộc vào gậy, hoặc là chó dẫn đường.

- Giá thành rẻ, an toàn cho người sử dụng, máy móc và các sinh vật sống.

Không bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời, điều khiển từ xa, camera an ninh, các

bề mặt hấp thụ ánh sáng… (như hồng ngoại)

- Sử dụng cho mọi trường hợp bệnh nhân suy giảm thị lực, có thể ứng dụng

cho các ngành như định vị - dẫn đường, các ngành công nghiệp, quân sự…

Thiết bị sẽ là một sản phẩm lý tưởng với mức giá không quá đắt giúp cho người

khiếm thị có thể hòa nhập với cộng đồng, cũng như tiện lợi hơn trong những sinh

hoạt hàng ngày.

22

CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG

1.1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm

1.1.1. Âm thanh

Âm thanh là cảm giác cảm nhận được bằng thính giác, là năng lượng cơ học truyền

đi bởi sóng áp suất trong một môi trường vật chất.

Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự lan truyền của sóng âm

thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất.

1.1.1.1. Nguồn âm

Âm thanh được sinh ra từ các vật rung động. Âm thanh phát sinh từ nhiều nguồn thí

dụ như tiếng nói người, tiếng súc vật kêu, tiếng trống, tiếng đàn từ các nhạc cụ . Khi

thổi sáo, khi đánh trống hay khi hai cái ly chạm nhau đều cho một “tiếng” hay một

“âm”. Nói chung, “Tiếng” phát sinh khi có va chạm giữa hai vật. Tiếng cao hay

thấp tùy thuộc vào sự va chạm mạnh hay nhẹ.

nh 1.1 Âm thanh tạo ra khi đánh trống

Khi thổi sáo thì nghe được một tiếng thanh, khi đánh trống thì nghe được một tiếng

trầm. Tiếng thanh hay trầm tùy thuộc vào vật liệu và môi trường không gian của

vật. Trong các nhạc cụ, âm thanh "thanh" hay "trầm" phụ thuộc vào kích thước vật

23

thể như chiều dài, không gian (như sáo, kèn) và cấu tạo (dây thanh mảnh hay dây

to)... Thí dụ âm thoa cho tiếng thanh hay trầm phụ thuộc vào độ dài âm thoa.

1.1.1.2. Bản chất vật lý âm thanh

Các nghiên cứu về âm thanh cho thấy âm thanh nghe được là âm thanh trong dải tần

số 16Hz - 20KHz. Âm thanh có dải tần cao hơn 20KHz gọi là Siêu âm. Âm thanh

thấp hơn 16 Hz gọi Hạ âm.

nh 1.2 Các dải tần số âm thanh

Âm thanh không tồn tại trong chân không. Thí nghiệm cho thấy chuông sẽ không

kêu khi nằm trong môi trường không có không khí.

Âm thanh cần vật chất để di truyền. Âm thanh di truyền qua mọi vật ở ba trạng thái

rắn, lỏng, và khí. Âm thanh dễ truyền trong vật rắn tới vật lỏng tới vật Khí.

Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho các phân tử không khí co lại hay

giãn nở ra tạo ra các cột không khí co giản. Âm thanh di chuyển qua không khí dưới

dạng sóng dọc có vận tốc bằng tích của bước sóng với tần Số sóng:

Vận tốc của âm thanh di chuyển thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường

vật chất. Vận tốc âm thanh ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn đo được bằng 340m/s.

1.1.2. Sóng âm

Sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao

động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng, có vận tốc cố định trong

môi trường.

24

Về bản chất, âm thanh là một sóng cơ học, nhanh và thường không tạo ra những

thay đổi nhìn thấy trong môi trường. Âm thanh được đặc trưng bởi tần số, bước

sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh).

1.1.2.1. Đại lượng đặc trưng của sóng âm

Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn

thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất

còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.

nh 1.3 Biểu diễn dạng sóng

Hình bên trên là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn

thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất

còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.

Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

- Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn. Đơn vị thường

được tính bằng đơn vị đo thời gian( s, ms...)

- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất.

- Tần số (f) là số chu kỳ giao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz.

25

- Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau

khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy

bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.

- Tốc độ sóng âm (c) là quãng đường mà chùm tia siêu âm đi được trong 1

đơn vị thời gian, thường được đo bằng m/s. Tốc độ sóng âm không phụ

thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi

trường truyền âm. Những môi trường có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi

lớn siêu âm truyền tốc độ cao và ngược lại những môi trường có mật độ

phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ. Giữa tốc độ truyền âm, bước sóng và tần số

có mối liên hệ qua phương trình sau:

- Năng lượng sóng âm (P) biểu thị mức năng lượng mà chùm tia siêu âm

truyền vào cơ thể. Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm

chẩn đoán để đảm bảo an toàn các máy thường phát với mức năng lượng

thấp vào khoảng 1mw đến 10mw. Tuy nhiên trong các kiểu siêu âm thì

siêu âm Doppler thường có mức năng lượng cao hơn. Ở các máy siêu âm

hiện đại người sử dụng có thể chủ động thay đổi mức phát năng lượng để

nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ

em.

- Cường độ sóng âm là mức năng lượng do sóng âm tạo nên trên 1 đơn vị

diện tích. Thường được đo bằng đơn vị W/cm2. Cường độ sóng âm sẽ

suy giảm dần trên đường truyền nhng tần số của nó không thay đổi.

Người ta còn tính cường độ sóng âm tương đối đo bằng dB. Khác với

cường độ sóng âm, đại lượng này là một giá trị tương đối, nó cho biết sự

khác nhau về cường độ siêu âm tại 2 vị trí trong không gian.

(

)

: Cường độ siêu âm tại một điểm bất kỳ

: Cường độ siêu âm ban đầu

26

1.1.2.2. Phân loại sóng âm

Theo phư ng ao động

- Sóng dọc (lan truyền trong chất rắn, lỏng, khí): Sóng dọc là sóng mà

phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng. Sóng

dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó

truyền được trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí.

Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc.

- Sóng ngang ( truyền tốt trong chất rắn): Sóng ngang là sóng mà phương

dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng. Sóng

ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng. Tính

chất này chỉ có ở vật rắn.

nh 1.4 Hình ảnh minh họa sóng dọc và sóng ngang

Theo tần số âm: sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính.

- Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16

Hz. Ví dụ: sóng địa chấn.

- Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

27

- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz. Các nguồn sóng siêu âm có trong

tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng …

Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz. Sóng siêu

âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu

âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz.

nh 1.5 Phân loại sóng âm theo tần số, dải tần số của siêu âm

1.1.2.3. Ứng dụng của sóng âm

Ứng ụng trong thông tin

Âm thanh nghe được nằm trong dải tần 20Hz - 20 KHz được dùng trong thông tin

để truyền dẫn âm thanh từ nơi phát đến nơi nhận trên một quảng đường gần hay xa.

Thực nghiệm cho thấy, âm thanh trong dải tần 20Hz - 20 KHz dễ mất năng lượng

khi truyền qua không khí nên không thể truyền đi xa hơn 3m. Để truyền âm thanh đi

xa hơn, sóng âm thanh phải được trộn với một sóng dẫn có tần số cao MHz - GHz

cho ra một sóng phát thanh AM, FM hay PM.

- Sóng AM

Sóng AM là một loại sóng trộn của hai sóng, sóng âm và sóng dẫn, có cường độ

sóng dẫn thay đổi theo cường độ sóng âm. Sóng AM thích hợp cho việc truyền

dẫn thông tin trên quãng đường gần hay ngắn trong phạm vi địa phương.

28

- Sóng FM

Sóng FM là một loại sóng trộn của hai sóng, sóng âm và sóng dẫn, có cùng

cường độ nhưng khác tần số. Sóng FM thích hợp cho việc truyền dẫn thông tin

trên quãng đường dài hay xa trong phạm vi trong hay ngoài nước.

Sóng FM cho một tiếng trong rõ hơn sóng AM và có khả năng truyền đi xa hơn

sóng AM. Vậy, có thể tạo một hệ thông tin viễn thông qua hệ thống điện tử.

Ứng dụng trong thăm ò

Sóng âm còn được dùng trong kỹ thuật thăm dò để tìm vị trí một vật. Sóng âm khi

bị một vận cản sẽ bị phản xạ. Sóng phản xạ cho biết vị trí của một vật.

Quãng đường = Vận tốc x Thời gian

1.1.3. Sóng siêu âm

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được.

Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ 20000 Hz.

Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng nghe được bởi tai

người (thường vào khoảng 20 Hz) là hạ âm.

Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường lan

truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ gần

bằng tốc độ âm thanh. Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi tần số cao hơn, bước

sóng của siêu âm thường ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Nhờ bước sóng ngắn,

độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước

cỡ centimet hoặc milimet. Do đó siêu âm được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

y khoa (siêu âm y khoa) hoặc chụp ảnh bên trong các cấu trúc cơ khí trong kiểm tra

không phá hủy. Nhờ khả năng không bị nhận biết được bởi người, sóng siêu âm còn

được dùng trong các ứng dụng quan trắc khác, như để đo khoảng cách hay vận tốc.

Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng siêu âm khác như làm sạch bằng siêu âm, hàn siêu

âm, ứng dụng siêu âm trong hóa học, sinh học, ...

29

Siêu âm có thể được tạo ra từ một số loại loa, từ dao động của tinh thể áp điện.

Trong tự nhiên, nhiều loài động vật có thể tạo ra hoặc cảm nhận được siêu âm, ví dụ

như dơi là loài có thị giác kém phát triển nhưng tạo ra và cảm nhận siêu âm để xác

định các vật thể trong không gian xung quanh.

1.2. Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường

1.2.1. Phương trình sóng

Khi sóng siêu âm truyền qua mô sống, năng lượng và động lượng của nó sẽ truyền

vào mô. Sẽ không có sự chuyển khối tại bất kì điểm nào trong môi trường trừ khi

điều này gây ra bởi sự chuyển động lượng. Khi sóng siêu âm truyền qua mô hay

môi trường, áp suất môi trường sẽ tăng lên. Sự dao động của các phần tử chất dẫn

đến sự thay đổi áp suất và tạo ra sóng áp suất truyền trong môi trường vật chất làm

cho các phân tử kế cận dịch chuyển lần lượt.

Các phần tử này có thể dịch chuyển qua lại theo những hướng song song nhau

(sóng dọc) hay vuông góc với phương truyền sóng (sóng ngang).

nh 1.6 Sự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang

Chúng ta sẽ xem xét trường hợp thứ nhất, giả sử có một thể tích nguyên tố của

phần tử vật chất có thể xem như một chất lỏng không nhớt (không thể tạo ra

30

sóng trượt). Khi tác dụng một lực làm dịch chuyển một đoạn theo trục

z.

Một gradient:

được tạo ra dọc theo khối thể tích đó. Giả sử rằng khối thể tích đó đủ nhỏ để động

lượng đo được trong môi trường đó là hằng số, ta có thể biểu diễn tuyến tính như

sau:

Theo định luật Hooke :

với K là hệ số đàn hồi, lấy đạo hàm 2 vế theo z, ta có:

với c : vận tốc âm thanh.

√

√

với là mật độ môi trường, và là hệ số nén của môi trường.

31

nh 1.7 Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng

Sóng áp suất p(t,z) được tạo ra do sự dịch chuyển của các phần tử môi trường

( ) [ ( )]

Trong đó là biên độ âm cực đại. Mối tương quan giữa tốc độ truyền và sóng áp

suất được mô tả theo phương trình sau:

với Z là trở kháng âm của môi trường, được tính bằng công thức:

Cường độ âm:

1.2.2. Phản xạ

32

nh 1.8 Sóng tới đến bề mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau

sẽ xảy ra hai hiện tượng: khúc xạ và phản xạ

hệ số phản xạ:

i: góc tới (incident wave).

t: góc truyền qua (transmitted wave) .

hệ số truyền qua:

1.2.3. Tán xạ

Trường tán xạ ngược (scattered back) tác động lên đầu dò tạo nên hình ảnh siêu

âm cấu trúc bên trong của các bộ phận trên ảnh. Sự tán xạ này xảy ra do các mặt

phân cách nhỏ (nhỏ hơn khoảng vài bước sóng). Khi chùm tia siêu âm truyền vào

33

trong cơ thể tác động lên các mặt phân cách , mỗi mặt phân cách chịu tác động lại

hoạt động như một nguồn âm mới và âm được phản xạ theo tất cả các hướng. Sự tán

xạ do các phân tử nhỏ, có kích thước thẳng nhỏ hơn bước sóng gọi là tán xạ

Rayleigh. Tán xạ có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào tần số ( ) rất hữu dụng trong

việc mô tả đặc tính mô.

1.2.4. Hấp thụ

Trong quá trình sóng siêu âm đi qua các tổ chức của cơ thể, năng lượng của nó giảm

dần, sở dĩ như vậy là do một phần đã bị phản xạ trở lại, một phần do tương tác với

môi trường chuyển thành nhiệt năng và gây biến đổi cấu trúc của môi trường. Nếu

ta gọi P(d) là biên độ áp âm ở vị trí d, P(0) là biên độ áp âm ban đầu thì:

( ) ( )

α: Hệ số suy giảm siêu âm.

f: tần số sóng siêu âm.

d: khoảng cách đo so với ban đầu.

Theo phương trình trên ta thấy sự suy giảm của năng lượng siêu âm tỷ lệ thuận với

khoảng cách thăm dò, hệ số hấp phụ siêu âm của tổ chức và tần số đầu dò, đây là

một khó khăn cho việc phát triển kỹ thuật siêu âm vì với tần số cao hình ảnh sẽ có

độ nét cao, nhưng độ xuyên sâu kém nên không thể thăm dò được các vị trí ở xa đầu

dò.

Từ đây chúng ta có khái niệm khoảng cách giảm năng lượng 1/2, là khoảng cách mà

chùm tia siêu âm đi được nhưng năng lượng đã bị giảm đi một nửa so với ban đầu.

Năng lượng của chùm tia siêu âm khi tương tác với cơ quan, tổ chức của cơ thể tạo

ra hai hiện tượng:

- Một phần năng lượng này sẽ tạo thành nhiệt, có tác dụng làm nóng tổ

chức mà nó đi qua, tuy nhiên do công suất phát của các máy siêu âm chẩn

đoán rất thấp nên hiện tượng tăng nhiệt độ tại chỗ rất nhỏ, không đáng kể

và không thể đo được (điều này thấy rõ hơn nhiều với các máy siêu âm

34

điều trị sử dụng trong khoa vật lý trị liệu phục hồi chức năng do sử dụng

công suất lớn hơn).

- Tác dụng tạo bọt, hay còn gọi là tạo hốc. Tác dụng này phụ thuộc vào tần số

sóng âm, năng lượng của chùm tia siêu âm và cả tính chất hội tụ của chùm

tia, cũng như tính chất của môi trường truyền âm. Siêu âm có thể tạo ra các

vi bọt có kích thước nhỏ cỡ µm trong các tổ chức, ở mức độ nặng hơn các vi

bọt có thể phá vỡ các tế bào, tuy nhiên tác động này trong thăm khám siêu

âm không rõ ràng và cũng chưa được nghiên cứu đầy đủ.

Hay có thể nói, các tác động sinh học của siêu âm là có thực, tuy nhiên, theo viện

nghiên cứu siêu âm trong y học của Hoa kỳ (AIUM- American Institude of

Ultrasound in Medicine), nếu sử dụng siêu âm tần số thấp với cường độ

<100mW/cm2. Hoặc khi tích cường độ và thời gian xuyên âm < 50Joules/cm2

(J/cm2 = W/cm2x sec.) thì không có hậu quả sinh học.

1.2.5. Sự suy giảm

Tất cả các dạng tương tác: phản xạ, tán xạ, khúc xạ, hấp thụ… đều làm ảnh hưởng

đến cường độ chum siêu âm. Sự hấp thụ năng lượng là quá trình làm suy giảm chum

tia siêu âm nhiều nhất và năng lượng bị hấp thụ này thường chuyển thành nhiệt

năng (có ích trong vật lý trị liệu). Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan đến tần số

chùm tia, tính nhớt, và thời gian hồi phục của môi trường.

Thời gian hồi phục của môi trường: nếu một vật liệu có thời gian hồi phục

ngắn thì các phân tử quay trở về vị trí ban đầu trước khi có chùm tia siêu âm

tiếp theo tác động vào. Nếu thời gian hồi phục dài, các phân tử có thể đang

trở về vị trí ban đầu thì lại có một đợt sóng tác động vào vì thế cần nhiều

năng lượng hơn để dừng và chuyển hướng các phân tử và nó tạo ra nhiệt

nhiều hơn (hấp thụ).

Độ nhớt: khả năng của các phân tử chuyển động qua một phân tử khác. Độ

nhớt cao hạn chế lớn dòng chảy cần phải thắng lực ma sát bởi các phân tử

chuyển động.

35

Tần số: cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ trong mối quan hệ với cả độ nhớt và

thời gian hồi phục. Nếu tần số tăng, các phân tử dao động nhiều hơn do đó

tao ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo của ma sát (độ nhớt), thời gian

cho các phân tử quay lại trạng thái ban đầu trong thời gian hồi phục ít hơn.

Các phân tử sẽ tiếp tục chuyển động, cần nhiều năng lượng hơn để dừng và

định hướng lại chúng, dẫn đến hấp thụ năng lượng nhiều hơn. Tốc độ hấp thụ

liên quan đến tần số, tần số tăng gấp đôi, tốc độ hấp thụ của các phân tử cũng

tăng gấp đôi.

(

)

với là hệ số nhớt động học, chỉ số nhớt trượt của môi trường.

nghiệm của phương trình trên:

( ) ( ) [ ( )]

với là hệ số suy giảm

(

)

từ đó suy ra cường độ của chùm siêu âm:

( )

( ) [ ( )]

⟨ ⟩ ( )

36

nh 1.9 Đồ thị biểu diễn độ suy hao theo trục z

nh 1.10 Giản đồ thể hiên sự suy giảm cường độ âm theo khoảng cách với từng tần số

1.2.6. Một số môi trường cụ thể

Trong môi trường đồng nhất

Là môi trường có cấu trúc giống nhau, đặc trưng cho mỗi một môi trường là một hệ

số mật độ môi trường (ρ). Khi chiếu một chùm tia siêu âm vào một môi trường

37

đồng nhất, nó sẽ xuyên qua với một năng lượng giảm dần cho tới khi hết năng

lượng. Sở dĩ có sự suy giảm năng lượng trên đường truyền là do có sự tương tác

giữa siêu âm và các phần tử nhỏ của cơ thể gây ra hiệu ứng toả nhiệt và tạo vi bọt,

tuy nhiên do siêu âm chẩn đoán sử dụng công suất thấp nên chúng ta không cảm

thấy sự tăng nhiệt độ này trong quá trình thăm khám. Mỗi một môi trường có hệ số

hấp phụ siêu âm (α) khác nhau, nên mức độ suy giảm siêu âm cũng khác nhau.

Ngoài ra độ suy giảm siêu âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường và tần số

của chùm tia siêu âm, khi tần số càng cao mức độ suy giảm càng nhanh nên độ

xuyên sâu càng kém. Trong siêu âm hệ số (α) thường được tính bằng đơn vị dB/ cm

ở tần số 1MHz. Trong thực hành lâm sàng mức độ suy giảm siêu âm còn cao hơn

nữa vì thông thường chúng ta sử dụng đầu dò có tần số lớn hơn 1 MHz, tuy nhiên

nếu nói chính xác mối quan hệ giữa tần số và hệ số hấp phụ không hoàn toàn tuyến

tính, nhưng trong giải tần số của siêu âm chẩn đoán thông thường, chúng ta có thể

coi gần như tuyến tính nghĩa là khi tần số tăng lên 2MHz thì hệ số hấp phụ tăng lên

gần gấp đôi. Do đó muốn nâng cao độ xuyên sâu để thăm khám các bộ phận ở xa

đầu dò người ta buộc phải giảm tần số nguồn phát hoặc tăng năng lượng của chùm

tia siêu âm, nhưng để đảm bảo tính an toàn cho bệnh nhân điều kiện thứ 2 thường

không thể thực hiện được.

Trong môi trường không đồng nhất

Cơ thể người là một môi trường không đồng nhất, bao gồm nhiều thành phần vật

chất có cấu trúc khác nhau. Khi chùm tia siêu âm truyền tới biên giới của hai môi

trường có độ trở kháng âm khác nhau, một phần sẽ đi theo hướng ban đầu và tiếp

tục đi vào môi trường tiếp theo, một phần sẽ bị phản xạ trở lại, mức độ phản xạ

nhiều hay ít phụ thuộc vào độ chênh lệch trở kháng giữa hai môi trường. Trở kháng

âm (z) là một đại lượng vật lý biểu thị cho khả năng cản trở của môi trường, chống

lại không cho siêu âm xuyên qua, nó phụ thuộc vào mật độ và tốc độ truyền âm của

môi trường:

38

ρ: mật độ môi trường

c: tốc độ siêu âm trong cơ thể

Z: Độ trở kháng rayl (kg/m2/sX 10-6)

Khi sóng siêu âm truyền tới mặt phân cách giữa hai môi trường có độ trở kháng âm

khác nhau, phần năng lượng của chùm tia siêu âm phản xạ trở về tỷ lệ thuận với độ

chênh lệch trở kháng giữa 2 môi trường. Và chúng được đặc trưng bằng một đại

lượng gọi là hệ số phản xạ R. Để đơn giản chúng ta xét trường hợp đặc biệt khi

chùm tia vuông góc với mặt phẳng phân cách của các bộ phận cần thăm dò.

[( )

( )]

Với : Độ trở kháng âm môi trường 1

: Độ trở kháng âm môi trường 2

Ngược lại với độ trở kháng là độ truyền âm qua hai môi trường có cấu trúc khác

nhau. Người ta tính hệ số truyền âm qua hai môi trường theo công thức sau:

( )

PT: Hệ số truyền qua (Percentage transmitted) (%)

Những ví dụ mà chúng ta mô tả trên là xét trong điều kiện chùm tia siêu âm vuông

góc với bề mặt phân cách các môi trường truyền âm có độ trở kháng khác nhau.

Nhưng trên thực tế phức tạp hơn và ta có hiện tượng phản xạ toàn phần hoặc hiện -

ượng sóng âm chỉ trượt trên bề mặt phân cách hai môi trường, hiện tượng này hay

gặp khi trên đường đi của chùm tia siêu âm có các cấu trúc hình cầu.

Ngoài ra khi mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trường không phẳng thì ngoài hiện

tượng phản xạ và xuyên qua còn có hiện tượng tán xạ siêu âm, lúc này có một phần

rất nhỏ sóng siêu âm đi theo các hướng khác nhau và chỉ có rất ít các sóng này trở

39

về được đầu dò. Hiện tượng tán xạ siêu âm thường gặp khi siêu âm gặp các cấu trúc

nhỏ có đường kính nhỏ hơn bớc sóng (ϕ<<λ).

nh 1.11 đồ của chùm tia iêu m trong c thể người với các môi trường c độ trở

kháng khác nhau.

1.3. Ứng dụng siêu âm trong y tế

Các ứng dụng của siêu âm diều trị trong y học được chấp nhận và lợi ích của tác

dụng siêu âm sinh học được sử dụng nhiều năm qua. Cường độ siêu âm thấp khoảng

1 MHz được áp dụng rộng rãi kể từ thập niên 1950 cho vật lý trị liệu trong viêm gân

và viêm bao hoạt dịch. Trong thập niên 1980, sóng gây sốc ở biên độ áp lực cao

(high pressure amplitude shock waves) bắt đầu được dùng trong tán sỏi thận và

nhanh chóng được lựa chọn điều trị thường xuyên nhất thay cho phương pháp phẫu

thuật truyền thống. Sử dụng năng lương siêu âm trị liệu tiếp tục mở rộng, và được

chấp nhận trong tất cả các ứng dụng điều trị bằng tác động sinh học siêu âm, chuẩn

hóa, định liều, bảo đảm lơi ích tối ưu về tỷ lệ rủi ro cho bệnh nhân.

Siêu âm không chỉ là một phương thức chuẩn đoán hình ảnh mà còn là một phương

thức điều trị mà trong đó năng lượng được gửi trong mô để tạo ra các tác dụng sinh

học. Ứng dụng y học siêu âm cho trị liệu bắt đầu được khám phá từ thập niên 1930.

Các ứng dụng ban đầu đã cố sử dụng các cơ chế làm nóng mô (tissue heating) cho

nhiều bệnh khác nhau. Qua các thập niên sau, những tiến bộ khoa học cho phép cải

40

tiến phương pháp điều trị hiệu quả bệnh Meniere, bằng cách hủy dây thần kinh tiền

đình (vestibular) và bệnh Parkinson bằng cách dùng siêu âm tập trung (focused

US) để huỷ mô não khu trú. Vào những năm 1970, siêu âm điều trị được thành lập

cho vật lý trị liệu và nghiên cứu tiếp tục với các ứng dụng khó khăn hơn trong phẫu

thuật thần kinh và cho điều trị ung thư. Sau đó, siêu âm điều trị đã phát triển nhanh

chóng, với một loạt các phương pháp mà đến nay vẫn còn sử dụng. Các ứng dụng

mạnh của siêu âm điều trị hiệu quả cũng mang lại các tác dụng sinh học rủi ro ngoại

ý bất lợi, dẫn đến chấn thương nghiêm trọng, thậm chí đe dọa mạng sống bệnh

nhân. Vì vậy, việc chuẩn hóa, định liều (dosimetry)và giảm thiểu nguy cơ tác dụng

phụ phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo một kết quả tối ưu cho bệnh nhân.

Mục đích của phần này là phác thảo ngắn về sự phát triển gần đây của các ứng dụng

siêu âm điều trị và các thiết bị chuyên ngành đã được chấp thuận cho sử dụng, cùng

với cân nhắc an toàn có liên quan. Các ứng dụng điều trị của siêu âm có thể được sử

dụng lâm sàng sau khi được tổ chức FDA (Food and Drug Administration) của

chính phủ Mỹ phê cho tiếp thị các thiết bị điều trị thích hợp.Cơ sở cơ bản của năng

lượng và các cơ chế qua trung gian siêu âm cho các hiệu ứng sinh học được thảo

luận, theo sau thảo luận về các phương pháp siêu âm điều trị bằng cách sử dụng

nhiệt, bao gồm vật lý trị liệu, nhiệt độ cao và siêu âm tập trung cường

độ cao (HIFU), sau đó các ứng dụng không nhiệt đã được xem xét và nghiên cứu

phát triển với các thiết bị siêu âm với tần số kHz. Một số phương pháp trị liệu siêu

âm mới vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu bao gồm thẩm thấu qua da (skin

permeabilization) để phân phối thuốc và siêu âm xung cường độ thấp, có thể làm

sớm lành xương gãy, phương pháp vi bọt (microbubble) mới hoặc phương pháp

điều trị bằng cách tạo hốc (cavitation).Những nghiên cứu khám phá sâu hơn nữa về

vật lý và sinh học của sóng siêu âm sẽ dẫn đến các phương pháp điều trị và ứng

dụng mới mang tính đột phá trong y học.

1.4. Kết luận

Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu rõ các tính chất cơ bản của sóng siêu âm

như cường độ âm, tần số, vận tốc âm, đặc biệt là tính chất phản xạ của sóng âm

41

trong môi trường không đồng chất. Đây là chính chất quan trọng của sóng siêu âm

được sử dụng trong đề tài nghiên cứu này để chế tạo thiết bị hỗ trợ người khiếm thị.

Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo và phương thức hoạt động của

cảm biến siêu âm nói chung, và tìm hiểu sơ qua về một số loại cảm biến trong thực

tế.

42

CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Đầu dò cảm biến siêu âm có nhiệm vụ phát chùm tia siêu âm và thu nhận chùm tia

siêu âm phản xạ quay về. Dựa trên nguyên lý áp điện của Pierre Curie và Paul Curie

phát minh năm 1880 người ta có thể chế tạo được các đầu dò siêu âm đáp ứng được

các yêu cầu trên.

2.1. Phần tử áp điện và hiệu ứng áp điện

2.1.1. Phần tử áp điện

Phần tử áp điện là một chất có khả năng tạo ra điện tích khi bị tác dụng bởi một ứng

suất cơ học (bị ép hoặc kéo). Ngược lại, một biến dạng cơ học (co hoặc mở rộng)

được tạo ra khi phần tử bị một điện trường tác động. Hiệu ứng này được hình thành

trong các tinh thể không có tâm đối xứng. Để giải thích điều này, chúng ta phải đi từ

các phân tử cá tao nên tinh thể. Mỗi phân tử đều có sự phân cực, một đầu tích điện

dương và đầu kia tích điện âm, và được gọi là lưỡng cực. Đây là kết quả do các

nguyên tử tạo nên phân tử và cách các phân tử được hình thành. Trên trục cực là

một đường tưởng tưởng chạy qua trung tâm của các hai cực phân tử. Trong một đơn

tinh thể, đơn trục cực của tất cả các lưỡng cực đều nằm theo một hướng. Tinh thể

được cho là đối xứng nếu bạn cắt tinh thể ở bất kỳ điểm nào, các trục cực của cả hai

phần sẽ nằm cùng một hướng như lúc đầu. Trong một đa tinh thể, có những khu vực

khác nhau mà tại đó tồn tại các trục cực khác hướng với các trục còn lại. Đó gọi là

phân tử bất đối xứng.

nh 2.1 Phân bố cực từ trong vật chất đ n tinh thể và đa tinh thể

43

2.1.2. Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch: Khi nén và dãn tinh thể thạch anh theo một

phương nhất định thì trên bề mặt của tinh thể theo phương vuông góc với lực kéo,

dãn sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và một dòng điện được tạo thành, chiều

của dòng điện thay đổi theo lực kéo hoặc dãn. Ngược lại khi cho một dòng điện

xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần số

dòng điện và tạo thành dao động cơ học. như vậy hiệu ứng áp điện rất thích hợp để

chế tạo đầu dò siêu âm.

Để tạo ra hiệu ứng áp điện, đa tinh thể được làm nóng dưới tác dụng của một điện

trường mạnh. Nhiệt làm các phân tử di chuyển tự do hơn và lực điện trường của

lưỡng cực trong tinh thể mạnh lên và khiến các cực từ sắp xếp theo cùng một

hướng.

nh 2.2 Sự phân cực trong vật liệu gốm và tạo ra hiệu ứng áp điện

44

nh 2.3 Ví dụ về hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện có thể được quan sát thấy trong tinh thể. Hình 2.3 minh họa hiệu

ứng áp điện, hình 2.3a cho thấy vật liệu áp điện mà không có ứng suất hoặc tích

điện. Nếu vật liệu được nén, sau đó một điện áp của các cực tương tự như điện áp

phân cực sẽ xuất hiện giữa các điện cực (b). Nếu kéo dài, một điện áp phân cực

ngược lại sẽ xuất hiện (c). Ngược lại, nếu điện áp được áp dụng các vật liệu sẽ làm

biến dạng. Một điện áp với các cực đối diện như điện áp phân cực sẽ gây ra sự mở

rộng của vật chất, (d), và một điện áp cùng với các cực sẽ gây ra các vật chất để nén

(e). Sử dụng một tín hiệu xoay chiều sau đó thì nguyên liệu sẽ dao động ở cùng một

tần số tín hiệu (f).

2.1.3. Ứng dụng của hiệu ứng áp điện

Tinh thể áp điện uốn cong theo những cách khác nhau ở tần số khác nhau. Uốn này

được gọi là chế độ dao động. Tinh thể có thể được thực hiện thành các hình dạng

khác nhau để đạt được chế độ dao động khác nhau. Để thực hiện nhỏ, hiệu quả về

chi phí, và hiệu quả hoạt động cho mỗi sản phẩm cao, một số phương thức đã được

phát triển để hoạt động trên một số dải tần số. Các chế độ này cho phép chúng ta

45

làm cho sản phẩm làm việc trong phạm vi kHz thấp lên đến khoảng MHz. Hình 4

cho thấy các chế độ dao động và tần số mà họ có thể làm việc.

Một nhóm quan trọng của vật liệu áp điện là gốm áp điện. Người ta sử dụng những

chế độ dao động và gốm sứ khác nhau để làm cho nhiều sản phẩm hữu ích, chẳng

hạn như cộng hưởng đồ, bộ lọc dải, bộ tách sóng, bẫy gốm, bộ lọc sóng âm bề mặt,

và chuông… như trong hình 2.4

nh 2.4 Các chế độ ao động khác nhau có thể xảy ra với tinh thể gốm áp điện

2.2. Đầu dò cảm biến

2.2.1. Thành phần cơ bản

Chấn tử tạo ao động: thành phần cơ bản của đầu dò siêu âm là các chấn tử.

Mỗi chấn tử bao gồm 1 tinh thể được nối với dòng điện xoay chiều. Khi cho

dòng điện chạy qua tinh thể áp điện. Chiều dày của các tinh thể càng mỏng

tần số càng cao. Vì các tinh thể thạch anh, PVDF (polyvinylidene difluoride)

46

có những hạn chế về mặt kỹ thuật nên ngày nay nhiều vật liệu mới như các

muối titanat (bari titanat, PZT-lead ziriconi titanat…) được sử dụng trong

công nghệ chế tạo đầu dò , cho phép tạo ra những đầu dò có tần số theo yêu

cầu sử dụng. Đồng thời trước kia mỗi đầu dò chỉ phát 1 tần số cố định, ngày

nay bằng công nghệ mới người ta có thể sản xuất những đầu dò đa tần, bằng

cách cắt các tinh thể thành những mảnh rất nhỏ tứ 100- 200 µm, sau đó ngăn

cách chúng bằng một loại vật liệu tổng hợp có độ trở kháng thấp, những đầu

dò kiểu mới có thể phát với các tần số khác nhau trên một dải rộng 2-4 MHz,

thậm chí 3-17MHz...

Tần số cộng hưởng đặc trưng cho hiệu năng chuyển hóa năng lượng điện

thành năng lượng sóng âm và ngược lại. Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào

độ dày l của lớp vật liệu, lớp vật liệu càng mỏng thì tần số cộng hưởng càng

lớn và ngược lại.

Lớp vật liệu đệm (Backing material): trong siêu âm hình ảnh, đầu dò phát

một hệ thống xung siêu âm ngắn (có thể là 1 chu kỳ) sau đó là một khoảng

lặng để tín hiệu dội trở về (nhận) trước khi chùm khác phát đi. Lý tưởng là

vật liệu đệm có thể hấp thụ hết năng lượng, trừ một chu kỳ sóng được tạo ra

từ mặt trước của đầu dò. Để truyền năng lượng lớn nhất (từ tinh thể đến vật

liệu hỗ trợ) vật liệu đệm cần có trở kháng âm giống hệt với tinh thể. Phần sau

của lớp backing được vát xiên để ngăn chặn sự phản xạ năng lượng âm vào

tinh thể.

2.2.2. Phân loại

Đầu dò cảm biến siêu âm hở

47

nh 2.5 Cấu trúc cảm biến siêu âm hở [5]

Như minh hoạ trong sơ đồ cấu trúc một đầu dò cảm biến siêu âm, một bộ rung tích

hợp được gắn cố định lên đế. Bộ rung tích hợp này bao gồm một bộ cộng hưởng và

một bộ rung mà được cấu tạo từ một phiến kim loại và một phiến gốm áp điện. Bộ

cộng hưởng có hình nón để tăng hiệu quả việc phát sóng siêu âm bằng cơ chế rung,

đồng thời để tăng hiệu quả tập trung sóng siêu âm ở trung tâm của bộ rung.

nh 2.6 Mô phỏng quá trình rung [5]

Hình 2.6 Mô tả lại quá trình mô phỏng hữu hạn các rung động của bộ rung tích hợp.

Đầu dò cảm biến siêu âm kín

48

nh 2.7 Cấu trúc cảm biến siêu âm kín [5]

Bộ cảm biến siêu âm để sử dụng ngoài trời được đóng gói kín để bảo vệ khỏi sương,

mưa và bụi. Thành phần gốm áp điện được gắn phía trong trên đỉnh của vỏ hợp kim.

Đường dẫn của vỏ được bọc lớp vỏ nhựa.

Cảm biến siêu âm tần số cao

nh 2.8 Cấu trúc cảm biến siêu âm tần số cao [5]

Để sử dụng trong robot công nghiệp, độ chính xác phải đạt đến mức 1mm và độ

nhạy phát xạ cao. Do độ cong rung của bộ rung thông thường không có đặc điểm

49

thực tế để có thể thu được ở tần số cao hơn 70kHz, và do đó, chế độ rung dọc theo

chiều dày của lớp vật liệu gốm áp điện được sử dụng để thăm dò cấu trúc ở tần số

cao.Trong trường hợp này, phối hợp trở kháng âm giữa gốm áp điện và không khí

reaast quan trọng.Trở kháng âm của gốm áp điện là 2.6×10.7 , trong khi đó

của không khí là 4.3×10.2 . Sự chênh lệch gấp 5 lần này gây ra tổn hao lớn

trên bề mặt phát xạ rung động của gốm áp điện.

Phối hợp trở kháng âm với không khí được thực hiện bằng cách ghép thêm một lớp

vật liệu đặc biệt với gốm áp điện, được gọi là lớp phối hợp trở kháng âm.

Cấu trúc này cho phép các cảm biến siêu âm có thể làm việc trong các tần số lên

đến vài trăm kHz.

2.3. Cấu tạo một đầu dò cảm biến 40kHz

2.3.1. Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm

Cảm biến siêu âm là các thiết bị sử dụng các biến đổi năng lượng điện – cơ để đo

khoảng cách từ các cảm biến đến đối tượng quan tâm. Sóng siêu âm là sóng cơ dọc,

truyền trong môi trường vật chất như một chuỗi các quá trình nén và giãn dọc theo

hướng lan truyền. Ngoài việc đo đạc khoảng cách, họ cũng được sử dụng trong

kiểm tra các vật liệu liệu bằng siêu âm (để phát hiện các vết nứt, bong bóng khí, và

các lỗ hổng trong các sản phẩm), phát hiện đối tượng, phát hiện vị trí, con chuột

siêu âm…

Các cảm biến được phân loại thành hai loại dựa theo hiện tượng làm việc của

chúng: cảm biến áp điện và cảm biến tĩnh điện. Ở đây chúng ta xem xét đến các bộ

cảm biến siêu âm sử dụng nguyên tắc áp điện. Bộ cảm biến siêu âm sử dụng một vật

liệu áp điện để tạo ra những con sóng siêu âm.

50

2.3.2. Tổng quan đầu dò

nh 2.9 Một cặp đầu dò siêu âm thu và phát

Một cảm biến siêu âm trong thực tế bao gồm cặp truyền và nhận được nhúng với

nhau thành một đầu dò đơn hoặc tách ra thành một cặp đầu dò thu phát.

nh 2.10 Mặt sau của cảm biến siêu âm

Hình ảnh trên hiển thị mặt sau của các bộ cảm biến siêu âm, cho ta biết đâu là cảm

biến thu đâu là cảm biến phát dựa ssvào kí hiệu “T” và “R”, chỉ số 40 cho biết cặp

cảm biến này làm việc ở tần số 40kHz. Cấu trúc bên trong của cả hai cảm biến gần

như tương tự nhau, có hai chân tín hiệu truyền dẫn tín hiệu điện đến và trả về từ các

cảm biến.

51

2.3.3. Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến

Lớp vỏ bên ngoài

nh 2.11 Cảm biến sau khi tháo lớp ưới phía trên

nh 2.12 Lớp vỏ kim loại và cấu trúc bên trong cảm biến

Lớp lưới kim loại phía trên và vỏ kim loại có tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi bụi,

mưa và sương.

52

hối tạo ao động và cộng hưởng

nh 2.13 Cấu trúc bên trong của cảm biến

Sau khi bỏ lớp lưới phía trên chúng ta có thể thấy cấu tạo bên trong của cảm biến.

Lớp vật liệu áp điện, vật liệu đêm và nón kim loại là những thành phần chính của

cảm biến được gắn keo lên đế cách điện. Lớp vật liệu kim loại hình nón trên đỉnh là

bộ cộng hưởng được dùng để năng cao hiệu quả thu phát sóng siêu. Khối vật liệu

hình tròn là khối rung tạo ra sóng siêu âm, được cấu tạo từ lớp vật liệu áp điện và

lớp vật liệu đệm. Khối cộng hưởng được hàn lên trên khối rung.

D y ẫn

nh 2.14 Đế cách điện và dây dẫn của cảm biến

53

Đĩa tạo dao động được nối với mạch ngoài qua hai dâydẫn. Hai dây dẫn này nằm

sau khối vật liệu đệm, có nhiệm vụ triệt tiêu dao động quán tính của vật liệu gốm áp

điện sau khi đã tạo ra các xung sóng siêu âm. Như trên hình minh hoạ, có sự khác

biệt nhỏ trong cấu trúc cảm biến thu và cảm biến nhận tương ứng.

hối tạo ao động

nh 2.15 Khối tạo ao động của cảm biến

Khối tạo dao động bao gồm một đĩa vật liệu tạo ra từ các vật liệu gốm áp điện được

gắn cố định vào một đĩa kim loại. Vật liệu gốm áp điện chuyển đổi các tín hiệu

điện để tạo ra các sóng siêu âm và ngược lại. Khi điện áp được áp vào hai phía của

vật liệu gốm áp điện, lớp vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng theo các mức điện áp và

tần số. Đĩa gốm áp điện có hình tròn trong bộ phát và hình vuông trong bộ nhận để

tạo ra dao động một cách hiệu quả.

hư ng thức hoạt động

Bộ phát sóng siêu âm sử dụng một tinh thể gốm áp điện gắn liền với một tấm kim

loại hình nón. Khi đưa một điện áp vào lớp vật liệu gốm áp điện, lớp vật liệu này sẽ

rung với quá hai quá trình nén và giãn diễn ra liên tục. Do đó theo tính chất áp điện,

sóng siêu âm được tạo ra và lan truyền thẳng do bộ cộng hướng hình nón.

Bộ thu sóng siêu hoạt động trên nguyên lý ngược lại. Khi sóng siêu âm đập vào bộ

cộng hưởng sẽ gây ra sự rung động trên khối rung được gắn với nó (tấm kim loại).

Lớp vật liệu áp điện dính trên khối rung sẽ rung theo, từ đó một dòng điện được

54

sinh ra do tính cho chất của vật liệu gốm áp điện. Dòng điện này được đưa ra mạch

ngoài nhờ hai dây dẫn.

2.4. Đặc tính của đầu dò cảm biến

2.4.1. Cường độ

Cường độ chùm sóng siêu âm

( )

( )

Trong đó

( ) ( )

Với ( ) là nghiệm của phương trình Bessel, Jinc(x) còn được gọi là hệ số định

hướng (directivity).

Độ hội tụ: độ phân giải ngang (điều quan trọng nhất trong siêu âm chẩn đoán) có thể

cải thiện bằng sự hội tụ (focusing) tinh thể đầu dò. Sự hội tụ giới hạn độ sâu trường

gần hiệu dụng do chùm tia phân kỳ nhanh chóng vượt qua vùng hội tụ.

Vùng hội tụ đựơc định nghĩa là vùng mà cường độ có giá trị trong khoảng giảm 3dB

so với cực đại dọc theo trục đầu dò.Vùng hội tụ gần mặt đầu dò hơn so với độ sâu

trường gần không hội tụ với các đầu dò có cùng tần số và đường kính.Vùng hội tụ

có thể không đối xứng quanh điểm hội tụ(là điểm có cường độ cực đại), chùm tia

hẹp nhất tại điểm hội tụ, cường độ chùm siêu âm tại điểm hội tụ lớn hơn so với

cường độ của đầu dò không hội tụ có cùng đường kính do mặt cắt ngang của chùm

tia của đầu dò hội tụ nhỏ hơn so với đầu không hội tụ. Độ lớn cường độ được tạo ra

bởi hội tụ có thể cao tới hệ số 100.

2.4.2. Trường siêu âm

Sóng liên tục

55

Chúng ta sẽ xem xét đầu dò có cấu trúc đơn giản nhất, nguồn âm được tạo ra từ

những khe tròn đơn. Khi đó, theo nguyên lý Huygen, ta có được sự giao thoa của

những nguồn đơn trên đầu dò

Vùng cực đại:

( )

( )

Vùng cực tiểu:

vị trí cổ chùm:

Vì r >> nên

Dựa vào phổ quan sát được, ta thấy cường độ chùm tia không đồng nhất ở vùng

trường gần (không phân kỳ) và đồng nhất ở vùng trường xa (phân kỳ).

56

nh 2.16 Đồ thị phía trên: trường sóng liên tục của cảm biến mảng vành khuyên có bán

kính r và góc phân kì ∅. Đồ thị phía ưới: iên độ cường độ đã được chuẩn hóa dọc theo

trục đối xứng của cảm biến phía trên ở tần số trung tâm là 5Mhz và bán kính 7mm.

Trường gần (near field): đối với đầu dò không hội tụ, độ sâu trường gần D

(khoảng cách mà trường gần đi vào trong cơ thể) :

f: tần số đầu dò

d: đường kính đầu dò

c: vận tốc âm trong môi trường

: bước sóng chùm siêu âm

57

Công thức trên chỉ ra rằng độ sâu trường gần tăng nhanh chóng khi đường kính đầu

dò tăng.

Khi tăng tần số độ sâu trường gần tăng. Trên lý thuyết, khi tăng tần số, vùng phân

giải ngang tốt nhất được mở rộng nhưng trong thực tế, tần số càng cao bị hấp thụ

càng mạnh khi truyền qua mô và do vậy, các cấu trúc ở sâu khó thấy được do các

sóng phản xạ quá yếu.

Trường xa (far field): tại đây chùm tia bắt đầu bị phân kỳ (đối với đầu dò

không hội tụ).

Góc mở:

(

)

Công thức trên cho thấy khi tần số tăng góc phân tán sẽ nhỏ đi,cũng vậy khi đường

kính tăng thì chùm tia phân tán.

Độ phân giải ngang giảm giá trị ở vùng trường xa do sự phân tán của chùm tia. Nếu

có thể, vùng quét quan tâm nên hạn chế ở vùng trường gần.

Trường áp suất dạng xung - trường xung echo

Sóng phản xạ có thể coi là sóng cầu trong trường hợp sóng truyền qua bị tán xạ

ngược (back-scattered) và khoảng cách giữa phần mô gây tán xạ ngược (back-

scatterers) đầu dò là lớn. Hay khi sử dụng cùng thíêt bị đầu dò cho cả truyền qua và

ghi nhận, có cùng đáp ứng xung, ta có thể mô tả được qua trình tạo và ghi nhận của

trường tán xạ. Do đó, người ta có thể biểu diễn toán học dạng sóng phản xạ như sau:

( ) ( ) ( )

với p(x,y,z) là đáp ứng xung hệ thống

f(x,y,z) là tính chất âm của cấu trúc mô.

58

Trong đó

( ) ( ) ( ) ( )

Px(x) Hướng trục dọc.

Py(y) Hướng trục ngang.

Pz(z) Hướng trục sâu .

Tín hiệu r(x,y,z) gọi là tín hiệu thô, đây không phải là tín hiệu hiển thị lên màn hình

máy siêu âm.

Theo nguyên lý Huygen, giả sử sóng truyền thẳng thì đáp ứng xung của từng tinh

thể có thể cộng gộp lại

( ) ∑ ( )

N: số tinh thể đầu dò.

Pj(x,y,z) : hàm truyền của từng tinh thể.

Pa(x,y,z) : hàm truyền của toàn bộ hệ thống đầu dò tại vị trí (x,y,z).

Nếu tinh thể có kích thước nhỏ và khoảng cách đầu dò đến trường điểm lớn, thì

những tinh thể đầu dò nầy có thể coi là hàm Dirac:

| ( )| |

(

)

(

)

|

K: số sóng

d: khoảng cách từ đầu dò đến trường điểm

D: khoảng cách giữa 2 tinh thể kế cận.

59

: góc tán xạ.

Búp chính của chùm tia ở vị trí nhưng vẫn còn có những vị trí có cường độ

cực đại nữa :

(

)

n=1, 2, 3 …

điều này chứng tỏ rằng tín hiệu thu nhận cũng bị ảnh hưởng bởi các tán xạ lân cận

vùng quan sát. Những đáp ứng tự nhiên này là những tín hiệu không mong muốn.

Cường độ chùm tia phụ này thường thấp hơn từ 60-100dB so với chùm siêu âm

chính. Tuy nhiên nếu hiển thị ở cường độ lớn thì các tia phụ này có thể tạo ra ảnh

giả. Có thể hạn chế tác chùm tia phụ này bằng gắn các tinh thể này ở khỏang cách

nhỏ hơn 1 bước sóng.

2.4.3. Độ phân giải ngang, dọc

Độ phân giải của đầu dò là khoảng cách gần nhất giữa 2 cấu trúc cạnh nhau mà trên

màn hình chúng ta vẫn còn phân biệt được. như vậy có thể nói độ phân giải càng

cao khả năng quan sát chi tiết các cấu trúc càng rõ nét, chính vì thế độ phân giải là

một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng máy siêu âm. người ta phân biệt độ

phân giải ra làm 3 loại: Độ phân giải theo chiều dọc là khả năng phân biệt 2 vật theo

chiều của chùm tia (theo chiều trên-dưới của màn hình). Độ phân giải ngang là khả

năng phân biệt theo chiều ngang (chiều phải-trái của màn hình). Độ phân theo chiều

dày (chiều vuông góc với mặt phẳng cắt, vì thực tế mặt cắt siêu âm không phải là

một mặt phẳng, mà có độ dày nhất định). Độ phân giải phụ thuộc rất nhiều vào tần

số của đầu dò, vị trí của cấu trúc đang nghiên cứu thuộc trường gần hay xa của đầu

dò.

Độ ph n giải ngang

Như đã đề cập, những kiểu đầu dò khác nhau cũng như sự tương thích khác nhau

cần được xem xét phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

60

Sóng liên tục: hiệu quả sử dụng chùm siêu âm(điều trị, Doppler)

Sóng xung: chất lượng hình ảnh hiển thị.

Hệ số chất lượng

B: băng thong của xung tại vị trí -3dB

f0 : tần số trung tâm.

Q: tỉ lệ nghịch với băng thông

Q cao: xung dài, hay liên tục

Q thấp: xung ngắn có độ phân giải ngang cao.

Độ phân giải ngang:

Độ ph n giải ọc( atera re o ution)

Độ phân giải dọc thường ảnh hưởng bởi các thấu kính hơn là bản chất của xung siêu

âm.

61

nh 2.17 Trường siêu âm của cảm biến

2.5. Module cảm biến SR04

2.5.1. Cấu tạo và đặc tính của module cảm biến HC - SR04

Giới thiệu

Cảm biến HC – SR04 là một module có khả năng đo lường không tiếp xúc

khoảng cách từ 2cm – 400 cm, với độ chính xác lên đến 3mm. Các module

bao gồm bộ phát, bộ thu và mạch điều khiển. Nguyên tắc hoạt động cơ bản

của module:

- Cấp một 1 xung kích hoạt mức cao có độ rông 10 us lên chân IO.

- Module tự đọng gửi tám xung với tần số 40 kHz và phát hiện các xung

dội lại.

- Nếu tín hiệu dội lại, chân IO sẽ được kéo lên mức 1, độ rộng của mức

một trên chân IO tương ứng với thời gian từ khi gửi đi đến lúc tín hiệu

siêu âm trở về. Và từ đó có thể xác định được khoảng cách:

Khoảng cách kiểm tra bằng độ rộng xung mức cao nhân với vận tốc âm

thanh (340 m/s) chia cho hai.

62

nh 2.18 Module cảm biến siêu âm HC-SR04

Chế độ 1: kích hoạt và phản hồi tách biệt

nh 2.19 Giản đồ thời gian chế độ 1

Từ giản đồ ta nhận thấy, để cho hc-sr04 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ

rộng lớn hơn bằng 10uS trên chân Tri. Sau khi nhận được xung từ chân Tri thì hc-

sr04 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì

hc-sr04 sẽ kéo chân echo lên mức 1, độ rộng của mức 1 trên chân echo tương ứng

với khoản cách của vật cản với hc-sr04, nếu ko có vật cản thì nó sẽ được trả về mức

0 sau 30ms. Đặc biệt là hc-sr04 chỉ có thể nhận xung trên chân Tri tối đa là 20Hz,

cho nên việc kích xung trên chân Tri phải phù hợp thì hc-sr04 mới hoạt động chính

xác.

63

Chế độ 2: kích hoạt và phản hồi cùng 1 chân

Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và

được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế

độ này, chân chế độ kết nối vào chân mát. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng

một chân với tín hiệu kích hoạt. HC-SR04 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến

700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt. Lệnh PULSIN được tìm ra và được

dùng phổ biến hiện nay để điều khiển tự động.

nh 2.20 Giản đồ thời gian chế độ 2

Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, chỉ cần sử dụng PULSOUT và

PULSIN trên cùng một chân, như sau:

HC-SR04 PIN 15 ‘sử dụng chân 15 cho cả hai và kích hoạt echo.

Range VAR Word ‘xác định phạm vi biến 16 bit

HC-SR04 = 0 ‘bắt đầu bằng chân thấp.

PULSOUT HC-SR04, 5 ‘đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS).

PULSIN HC-SR04, 1, Range ‘echo đo thời gian

Range = Range/58 ‘để chuyển đổi sang cm (chia 148 cho inch)

Tính toán khoảng cách

64

Giản đồ định thời HC-SR04 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ. Chúng ta chỉ cần

cung cấp một đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách.

Các HC-SR04 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao

dòng phản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2). Sau đó chờ phản hồi, và ngay

sau khi phát hiện mạch sẽ giảm các dòng phản hồi lại. Dòng phản hồi là một xung

có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng. Bằng cách đo xung, ta hoàn

toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimet hoặc bất cứ điều gì khác.

Nếu không phát hiện gì cả HC-SR04 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau

khoảng 30ms.

SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoảng cách. Nếu độ rộng của pulse

được đo trong hiệu S, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm, hoặc chia

cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch.

( )

( )

HC-SR04 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây.

Bạn nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi HC-SR04 phát hiện một

đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn. Điều này là để đảm bảo các siêu âm

“beep” đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp.

Độ rộng chùm sóng siêu âm

Độ rộng chùm sóng không dễ dàng thay đổi. Chùm sóng của HC-SR04 có dạng

hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là

cố định. Chùm sóng của cảm biến được sử dụng trên HC-SR04, lấy từ bảng dữ liệu

nhà sản xuất, sẽ được biểu diễn bên dưới.

65

nh 2.21 ướng chùm sóng siêu âm của cảm biến HC-SR04

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn cung cấp: 5 V DC

- Dòng điện hoạt động: <2 mA

- Dòng điện làm việc: 15mA

- Góc hiệu lực: <15 °

- Khoảng cách giới hạn: 2 cm - 400 cm / 1 "- 13ft

- Độ phân giải: 0,3 cm

- Góc đo: 30 °

- Độ rộng xung kích hoạt đầu vào: 10u S

- Kích thước: 45m m x 20m m x 15m m

2.6. Kết luận

Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu một các cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt

động của cảm biến siêu âm nói chung và một số loại cảm biến hay sử dụng trong

thực tế nói riêng. Và chúng ta cũng đã biết được một số thông số đặc trưng, chế độ

làm việc của module cảm biến HC-SR04 được sử dụng trong đồ án này.

Sau đây, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu sơ lược về đối tượng sử dụng thiết bị, các bài

toán thực tế và các phương pháp giải quyết để đưa ra bản thiết kế sản phẩm.

66

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ

3.1. Phân tích tập tính của người khiếm thị

3.1.1. Định nghĩa người khiếm thị

Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), người khiếm thị là người sau khi được điều trị

hoặc điều chỉnh khúc xạ mà thị lực bên mắt tốt vẫn còn từ dưới 3/10 đến trên mức

không nhận thức được sáng tối, và bệnh nhân vẫn còn khả năng tận dụng thị lực này

để lên kế hoạch và thực thi các hoạt động hàng ngày. Trong ngôn ngữ thường ngày

để nói tránh người ta gọi người mù là người khiếm thị nhưng thực ra hai khái niệm

này khác nhau, người mù hoàn toàn không có khả năng nhận thức sáng tối. Để chỉ

chung người khiếm thị và người mù người ta dùng thuật ngữ người mù lòa (visually

impaired) mà đôi khi còn có tên khác là người suy giảm thị lực.

Ở nước ta, chưa có định nghĩa chính thức về tiêu chuẩn mù. Nhưng bản thân tiêu

chuẩn giám định y khoa về các di chứng vết thương dẫn đến tổn thương cơ quan thị

giác, có quy định xếp loại như sau [13]:

- Chấn thương khoét bỏ hai nhãn cầu không lắp được mắt giả, tổn

thương 97%

- Mù tuyệt đối hai mắt ( thị lực sáng tối âm tính, tổn thương 91%

- Mù hai mắt thị lực từ sáng tối đến đếm ngón tay 3 cm, tổn thương 1%

đến 85%

- Một mắt khoét bỏ nhãn cầu, một mắt mù, tổn thương 87%

- Thị lực của mắt tốt hơn trong hai mắt từ đếm ngón tay 3cm đến dưới

1/20, tổn thương 76 đến 80%.

Đối chiếu với bảng giám định y khoa của nước ta, những người mắt kém thuộc vào

hai loại sau đây [13]:

- Thị lực của mắt tốt hơn trong hai mắt từ 1/20 đến 1/10, tổng thương 71

đến 75%

- Thị lực của mắt tốt hơn trong hai mắt từ 1/10 đến 2/10, tổn thương 61

đến 70%

67

Trong phạm vi đồ án, nhóm nghiên cứu hướng đến các đối tượng bị tổn thương thị

giác lớn, được coi là mù.

3.1.2. Hoạt động não bộ của người khiếm thị

Cấu tạo của não bộ [7]

- Thùy chẩm (Occipital lobe): chứa trung tâm thị giác, đóng vai trò

quan trọng trong phân tích các tính hiệu thị giác nhận được từ mắt.

- Thùy đỉnh (Parietal lobe): là vùng não điều khiển cảm giác, khả năng

nhận thức mùi vị, đồ vật, phối hợp tay mắt và một số nhận thức thị

giác (khả năng hiểu những gì đang nhìn thấy).

- Thùy trán (Frontal lobe): là vùng điều khiển khả năng phán đoán, suy

luận, nhận biết, xây dựng, tưởng tương, biểu đạt ngôn ngữ và hình

ảnh.

Ta có thể thấy hầu như toàn bộ não bộ hoạt động khi nhận thông tin được cung cấp

từ hệ thống thị giác.

nh 3.1 Biểu đồ tỉ lệ tiếp nhận thông tin bằng giác quan ở người b nh thường

Hoạt động của não bộ

Khi có một đối tượng xuất hiện trước mắt người bình thường, thùy chẩmsẽ nhận

thông tin từ đầu vào thị giác, xử lý thông tin về hình dạng. Sau đó thông tin từ thùy

chẩm sẽ được truyền đến thùy thái dương để kiểm tra “thư viện bộ nhớ”, đối chiếu

ý nghĩa, từ ngữ, con số, điểm mốc, khuôn mặt, màu sắc… từ đó đưa ra các lệnh điều

khiển hành động. Như vậy, với một người bình thường, thị giác có vai trò quan

68

trọng trong việc phân tích, đánh giá sự vật, cũng như điều khiển các hoạt động vận

động của cơ thể.

So sánh hoạt động tiếp nhận thông tin giữa người b nh thường và người

khiếm thị [13]

Chúng ta thống nhất định nghĩa người bình thường là người có đủ cả 5 giác quan,

với các giác quan, trí tuệ và thể lực trong tình trạng bình thường, còn người mù là

người do mất hoặc tổn thương nghiêm trọng giác quan nhìn nên chỉ còn lại 4 giác

quan (xúc giác, thính giác, khứu giác và vị giác) và với điều kiện 4 thị giác còn lại

đó, trí tuệ thể lực trong tình trạng bình thường. Do đặc điểm như trên nên sự khác

nhau chủ yếu ở người bình thường và người mù đó là:

- Người bình thường là người nhận thức và hoạt động dựa trên cả 5 giác quan,

nhưng chủ yếu là dựa vào mắt nhìn .

- Người mù là người nhận thức và hoạt động dựa trên 4 giác quan nhưng chủ

yếu dựa trên xúc giác và thính giác.

nh 3.2 Biểu đồ tiếp nhận thông tin mới ở người; a) người b nh thường; b)

người khiếm thị

(a) (b)

69

Từ sự khác nhau chủ yếu về hoạt động giác quan này dẫn đến sự khác nhau trên

nhiều mặt như: hoạt động của trí tuệ, thể lực…

Đối với người mù rõ ràng là lượng thông tin, cảm xúc tiếp nhận qua thị giác là bằng

không. Lượng thông tin cảm xúc qua vị giác, nhất là qua khứu giác, sau khi bị mù

có thể tăng hơn, nhưng mức tăng không đáng kể. Toàn bộ thông tin cảm xúc cần

thiết cho nhận thức, hành động của người mù dựa chủ yếu vào xúc giác và thính

giác. Nếu lượng thông tin xúc giác nhiều, chất lượng tốt, người ta mù sẽ nhận thức

và hành động tốt và ngược lại. Như đã nói ở trên vai trò của các giác quan không

phải chỉ có tiếp nhận thông tin và cảm xúc (chức năng cảm xúc) mà còn làm nhiệm

vụ theo dõi, dám sát thể lực trong việc thực hiện các hành động theo sự chỉ huy,

điều khiển của trí óc (chức năng động lực hay hành động). Đối với người bình

thường việc theo dõi, giám sát cũng do thị giác đảm nhiệm là chủ yếu, khi bị mù

việc theo dõi, giám sát này cũng do xúc giác và thính giác đảm nhiệm. Đó là sự

khác nhau chủ yếu giữa người bình thường và người mù.

Họat động giác quan của người khiếm thị

Ta thấy sau khi bị mù các giác quan còn lại tuy không tinh, nhậy hơn, nhưng hoạt

động phải tăng cường hơn nhiều, nỗ lực hơn nhiều. Nó không thể bị tàn lụi mà càng

trở nên phát triển, rèn luyện tốt hơn. Đây là cách hiểu đúng hơn, khách quan khoa

học về sự bù đắp giác quan ở người mù. Sự bù đắp này thể hiện với cả 4 giác quan

còn lại nhưng tập trung chủ yếu ở giác quan xúc giác, thính giác.

Có thể thấy rằng ở người bình thường các giác quan vị giác, khứu giác, xúc giác,

thính giác chỉ là phụ, là bổ xung và hoàn thiện cho giác quan thị giác. Còn ở người

mù, tất cả các giác quan còn lại của họ hỗ trợ cho nhau, quan trọng như nhau, tuy

theo tuần tự nhưng đều là do bản chất và tính chất của sự vật: nếu sự vật phát ra âm

thanh thì thính giác sẽ tham gia trước, nếu phát ra mùi hương thì khứu giác sẽ vào

cuộc. Nhưng bao giờ cũng kết thúc bởi xúc giác, có thể nói với người mù, chưa sờ

được vật thì coi như là chưa thấy gì.

Vai trò thay thế của xúc giác siêu âm

70

Nội dung đồ án chỉ hướng đến các trường hợp người khiếm thị chỉ bị thiếu thị giác,

còn tất cả các giác quan khác, nhất là xúc giác vẫn trong trạng thái bình thường. Đối

tượng tốt nhất mà đồ án hướng tới là những bệnh nhân bị suy giảm thị lực sớm,

hoặc vẫn còn trong độ tuổi lao động, đó là độ tuổi các giác quan còn nhạy bén, trí óc

còn minh mẫn và hơn nữa là còn nhiều thời gian và sức lực để luyện tập.

nh 3.3 Biểu đồ tiếp nhận thông tin ở người khiếm thị khi sử dụng sóng siêu âm

Như đã nói ở trên, “nhìn là sờ mó ở xa, còn sờ mó là nhìn gần” do đó phạm vi sờ

mó của tay chỉ có thể giới hạn khoảng cách rất ngắn, muốn tiếp nhận thông tin xa

hơn thì người mù hoàn toàn phải dựa vào thính giác và khứu giác. Nhưng đối với

các vật đứng yên, không mùi, không phát ra âm thanh sẽ rất khó khăn cho người mù

71

để nhận biết. Ngoài ra những giác quan thính giác, khứu giác phụ thuộc rất nhiều

vào sự thay đổi của các yếu tố bên như gió, tiếng ồn… Chính vì vậy, nhóm đã

quyết định sử dụng sóng siêu âm để nối dài khả năng xúc giác của người khiếm thị.

Với một thiết bị xúc giác siêu âm có tầm hoạt động từ 4m trở xuống, tuy không thể

so sánh với thị giác (lên tới 10 km trong điều kiện thuận lợi) nhưng cũng đã nối dài

được xúc giác cơ bản của người khiếm thị. Như vậy, nó có thể góp phần hỡ trợ tăng

khả năng nhận biết của người khiếm thị.

3.2. Phân tích các bài toán thực tế

3.2.1. Phát hiện vật thể bằng sóng siêu âm

Mô hình tương tác giữa thiết bị và môi trường xung quanh

Mục tiêu thiết kế của nhóm là chế tạo ra một thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ người

khiếm thị dò đường bằng cách phát ra chuỗi xung siêu âm với tần số 40kHz được

phát ra từ đầu phát đến các vật cản và phản xạ lại về đầu thu. Tín hiệu trả về được

đưa qua bộ xử lý thông tin, sau đó bộ xử lý sẽ phân tích và đưa ra các cảnh báo với

người sử dụng thông qua các thuật toán đã được lập trình.

Từ phân tích thực tế, nhóm nghiên cứu đã đưa ra hai bài toán thực tế cơ bản cần giải

quyết đó là phát hiện vật cản đứng yên và vật cản chuyển động về phía người khiếm

thị và từ đó đưa ra các cảnh báo phù hợp với từng trường hợp.

Vật đứng yên, người chuyển động về phía vật

Do vận tốc của người mù đi bộ (0.5 -1 m/s) là rất nhỏ so với vận tốc của chùm tia

siêu âm (340m/s), mà khoảng trễ giữa hai lần phát xung là 30ms nên trong khoảng

thời gian 1s ta có thể coi vật đứng yên và người cũng yên. Khoảng cách giữa người

và vật cản được tính bằng công thức:

Trong đó:

V: là vận tốc của chùm sóng

72

T: thời gian từ lúc chùm tia được phát đi và phản hồi về

Khi khoảng cách giữa người khiếm thị đến vật cản trong khoảng giới hạn đã được

xác định trước dựa vào đánh giá thức tế, thiết bị cần phải đưa ra cảnh báo với người

sử dụng, mức độ cảnh báo thay đổi theo khoảng cách giữa thiết bị và vật cản.

nh 3.4 Hình ảnh mô tả hoạt động của thiết bị

Vật chuyển động, người chuyển động

Khi có vật cản chuyển động tiến về phía người khiếm thị, thiết bị cần đưa ra cảnh

báo khi tốc của vật cản quá nhanh vượt qua một ngưỡng xác định, thông thường là

tốc độ trung bình của một người đi bộ (khoảng 5m/s).

Trong trường hợp này bài toán chỉ xét đến vật cản có tốc độ vượt qua ngưỡng 5m/s

và người khiếm thị có vận tộc khoảng 0.5m/s, do vậy bài toán được quy về trục tọa

độ với người khiếm thị là gốc tọa độ tĩnh và vật cản chuyển động về phía gốctọa độ.

Vì vận tốc của vật cản và người đi bộ là rất nhỏ so với vận tốc của chùm sóng siêu

73

âm nên nhóm quyết định không sử dụng hiệu ứng Doppler để tính vận tộc của vật

chuyển động. Khi đó vận tốc của vật cả được xác định bằng quãng đường vật cản đi

được giữa hai lần phát chùm sóng siêu âm.

Trong đó , lần lượt là khoảng cách giữa thiết bị đến vật cản trong hai lần phát

xung; là khoảng thời gian giữa hai lần phát xung.

nh 3.5 Hình ảnh mô tả vật cản chuyển động về phía thiết bị

3.2.2. Cảnh báo

Cảnh báo là vấn đề quan trọng nhất trong giới hạn của đề tài đồ án này. Cảnh báo

chính xác và hiệu quả là mục tiêu của nhóm khi thiết kế và phát triển sản phẩm. Sau

khi phân tích các trường hợp thực tế nhómĐối với một người khiếm thị, tín hiệu

cảnh báo có thể là âm thanh, hình ảnh hoặc xúc giác.

Âm thanh: Khi phát hiện vật cản, thiết bị có thể phát ra âm thanh cảnh báo

bằng tiếp beep to dần hoặc số lần beep tăng lên khi càng gần vật cản, hay

thông báo bằng giọng nói cho người mù để cảnh báo.

Hình ảnh: Ngày nay với sự hiện đại của công nghệ, một số thiết bị đã được

nghiên cứu và chế tạo để có thể đưa ra một số cảnh báo về hình ảnh vào

trong mắt người mù như: khi thấy vật cản sẽ xuất hiện điểm sáng trong võng

mặt… nhưng các thiết bị này khá tinh vi, phức tạp, có giá thành cao.

74

Xúc giác: Cảnh báo sẽ được thực hiện dưới dạng rung hoặc sức ép vào tay

khi có vật cản, vật cản càng lại gần thì độ rung và lực ép càng mạnh.

Nhóm đã quyết định sử dụng cảnh báo xúc giác dưới dạng rung sau khi phân tích

các ưu nhược điểm của các phương pháp:

- Cảnh báo bằng âm thanh có thể dẫn tới sự ô nhiễm và ảnh hưởng thần

kinh: trong hoàn cảnh người khiếm thị, ho có các giác quan khác như xúc

giác, thính giác nhạy cảm hơn người bình thường. Nên nếu bị làm phiền

quá nhiều bởi các âm thanh cảnh báo, sẽ dẫn đến hậu quả không tốt cho

hệ thống thần kinh và sức khỏe. Ngoài ra, khi tham gia giao thông, tín

hiệu cảnh báo có thể bị nhiễu do sự ô nhiễm âm thanh do các phương tiện

tham gia giao thông cũng như từ các nguồn khác gây ra. Cũng có thể sẽ

xảy ra trường hợp tín hiệu cảnh báo làm người khiếm thị bị mất phương

vị khi xác định các vật cản phát ra âm thanh.

- Cảnh báo bằng hình ảnh là phương pháp mà nhiều thiết bị tiên tiến trên

thế giới đang dùng, khi các thiết bị này có thể khiến cho hình ảnh đi

thẳng vào võng mạc người khiếm thị, tạo nên cam giác “nhìn thấy” cho

họ. Tất nhiên các thiết bị này cực kỳ tinh vi, đắt đỏ và không phải người

khiếm thị cũng có võng mạc phù hợp với phương pháp này.

3.2.3. Xử lý tín hiệu

Yêu cầu của khối xử lý là cần nhanh và chính xác để đáp ứng được tốc độ truyền tín

hiệu về của khối cảm biến từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời.

Tín hiệu siêu âm phản hồi về sẽ được cảm biến thu nhận lại truyền đến khối xử lý.

Tại đây vi xử lý sẽ sử dụng các thuật toán để xác định khoảng cách từ thiết bị đến

vật cản, xác định vận tốc của các vật cản di chuyển. Từ đó sẽ đưa ra yêu cầu cảnh

báo khi vật cản xuất hiện trong phạm vi cảnh báo đã xác định hoặc khi vật cản có

vận tốc quá lớn tiến về phía người khiếm thị.

Về mặt lý thuyết, khối xử lý tín hiệu phải giải quyết một số bài toán về vấn đề xác

định khoảng cách, đo vận tốc và phải hạn chế được sai số khoảng cách do crosstalk

gây ra, giảm thiểu khoảng thời gian trễ do tốc độ xử lý của bộ vi xử lý bị hạn chế.

75

3.1.4 Năng lượng

Vấn đề năng lượng đối với bất kỳ một sản phẩm điện tử nào ứng dụng trong thực tế

đều rất quan trọng. Đặc biệt với một sản phẩm có tính di động như thiết bị hỗ trợ

người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm, các giải pháp về năng lượng cần được đặt

lên hàng đầu.

Yêu cầu năng lượng cơ bản của một thiết bị di động đó là thời gian sử dụng đủ lâu

phù hợp với yêu cầu công việc của thiết bị cũng như đủ gọn nhẹ khi di chuyển trong

điều kiện không có nguồn điện cung cấp từ mạng lưới. Để đáp ứng các yêu cầu đó,

nhóm chúng em đã quyết định sử dụng pin để làm nguồn cung cấp năng lượng

chính cho thiết bị. Ngoài việc thỏa mãn các yêu cầu trên, giải pháp này còn rất an

toàn cho người sử dụng, hiếm khi cháy nổ lại dễ dàng thay thế, hoặc sạc lại (đối với

các loại pin sạc).

Về mặt thiết kế, do thiết bị hỗ trợ sử dụng động cơ rung, tiêu tốn khá nhiều năng

lượng, vì vậy nguồn cấp phải đủ lớn để khởi động cũng như duy trì hoạt động của

động cơ rung. Sau khi phân tích và tìm hiểu, nhóm đã quyết định đưa vào thử

nghiệm LIPO 500mAh, có khả năng sạc lại được.

nh 3.6 Pin sạc Lipo 500 mAh

76

3.2.4. Nguyên liệu chế tạo

Ngoài các thành phần mạch cứng, thì thiết bị cần có lớp bảo vệ bên ngoài. Lớp bảo

vệ này vừa có tác dụng bảo vệ mạch vừa có tác dụng gắn cố định lên một vị trí xác

định nào đó trên cơ thể người dùng.

Vỏ bọc bên ngoài thiết bị cần phải thỏa mãn các yêu cầu về mặt hình thức: gọn

gàng, nhẹ, bền và có tính thẩm mỹ.

3.3. Thiết kế

3.3.1. Cấu tạo thiết bị

Để xác định vật cản bằng cảm biến siêu âm, chúng ta cần phải xác định một vị trí

tiện lợi, hiệu quả trên người sử dụng. Theo nghiên cứu và tìm hiểu của nhóm, thiết

bị cảm biến siêu âm có thể gắn trên một số vị trí gậy, trên đầu hoặc tay của người

khiếm thị. Sau những phân tích và tranh luận, nhóm đã thống nhất quyết định gắn

cảm biến siêu âm vào găng tay đặt trên tay của người sử dụng. Một số ưu điểm của

phương pháp đặt này đó là :

- Một thiết bị đặt ở tay giống như một chiếc găng vừa ít gây ảnh hướng đến

hành động, vừa linh hoạt hơn trong việc cảnh báo, khi phần lớn các vật

thể nguy hiểm đều nằm tầm ngang thắt lưng.

- Việc phát hiện và cảnh báo các vật thể có kích thước nhỏ chính xác hơn

nhiều so với các vị trí còn lại, nhất là khi người sử dụng muốn tìm kiếm,

cầm nắm, dò đường.

- Hợp thẩm mỹ. Rất khó để che đi các thiết bị khi chúng được lắp đặt trên

đầu, hoặc ở thắt lưng. Ngoài ra các thiệt bị được lắp đặt ở chân sẽ gặp

nhiều rủi ro, do chân là vật thường xuyên va chạm với các vật xung

quanh.

- Tay là nơi có độ nhạy cảm vừa phải, không gây ảnh hưởng đến thần kinh,

hay là sức khỏe như ở đầu và thắt lưng.

- Sự quen thuộc khi sử dụng, phần lớn người khiếm thị đều tin tưởng vào

đôi tay của mình hơn bất cứ bộ phận nào trên cơ thể.

77

nh 3.7 Vỏ ngoài thiết bị

nh 3.8 Vị trí đặt các khối thiết bị

78

Thiết bị được bảo vệ bằng một lớp vỏ bằng vải, có tác dụng che mưa, nắng, bụi và

quan trọng là gắn khối thiết bị cảm biến siêu âm lên tay người khiếm thị, giống như

một chiếc găng tay. Ba bộ cảm biến siêu âm được xếp theo ba hướng, hợp với nhau

một góc 300 để tạo ra một góc mở phát hiện khoảng 120

0. Khối xử lý và nguồn

được lắp trên mu bàn tay, ba bộ cảnh báo rung sẽ được lắp tương ứng với ba hướng

của cảm biến siêu âm, được áp sát vào mu bàn tay để tạo cảm giác rung với người

khiếm thị.

Pin sạc được nối dây ra ngoài, thuận tiện cho người sử dụng có thể sạc lại pin khi

cần thiết. Găng tay được thiết kế giúp người khiếm thị có thể tháo lắp dễ dàng khi

sử dụng.

3.3.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị

nh 3.9 đồ nguyên lý hoạt động

3.3.3. Sơ đồ giải thuật

Giải thuật chung

Quá trình khởi tạo: Vi điều khiển (MCU) thiết lập các thông số cần thiết liên quan

đến cấu hình hoạt động cơ bản của vi điều khiển (chế độ dao động-OSC, chế độ

ngắt-interrupt …), tiếp đó các biến toàn cục, bộ định thời (timer), cổng truyền (I/O

port) … để kết thúc quá trình khởi tạo, MCU đọc trong EEPROM giá trị lưu trữ chế

độ hoạt động của thiết bị trong lần khởi động này và ghi đè vào đó chế độ hoạt động

79

trong lần hoạt động kế tiếp (do EEPROM là bộ nhớ không bay hơi nên giá trị ghi đè

vào sẽ được lưu trữ lại chờ được đọc ở lần khởi động kế tiếp). Giá trị đọc được này

sẽ ánh xạ đến một bảng config_table lưu trữ khoảng cách đo cực đại, cực tiểu, giá

trị quy định thời gian trễ giữa 2 lần phát của hai cảm biến kế tiếp nhau (mặc định là

20ms), các cờ cho phép cảnh báo nếu phát hiện vật thể chuyển động lại gần quá

nhanh.

Bộ định thời Timer0 có tác dụng định thời thời gian phát giữa 2 lần phát của 2 cảm

biến kế tiếp nhau, khi có ngắt xảy ra, nó sẽ thiết lập cờ được phép lấy giá trị lên 1.

Bộ định thời Timer1 được sử dụng như 1 đồng hồ tham chiếu khoảng thời gian

xung siêu âm lan truyền trong không khí.

Bộ định thời Timer 2 được sử dụng để tạo độ rộng xung (PWM) ra các chân động

cơ (motor) cảnh báo tương ứng với cảm biến.

Quá trình lựa chọn cảm biến hoạt động dựa trên cơ chế thẻ bài, cảm biến nào nhận

được thẻ bài sẽ được phép lấy khoảng cách, tính toán và ra lệnh cho chân PWM

tương ứng, sau khi kết thúc một chu kì hoạt động nó sẽ chuyển thẻ bài sang cho

cảm biến kế tiếp.

Hàm lọc (filter) có tác dụng loại bỏ đi các giá trị bất thường thu về từ cảm biến,

bằng cách so sánh với giá trị đo gần nhất, nó có thể loại bỏ đi các giá trị đơn lẻ tăng

lên hoặc giảm xuống một cách bất thường xảy ra một cách ngẫu nhiên do lỗi cảm

biến hoặc nhiễu (phần lọc nhiễu này sẽ được nói rõ hơn ở các mục phía sau).

Do đặc thù của thiết bị nên sẽ không có chế độ chờ hoặc sleepmode, thiết bị chỉ

được bật khi người sử dụng bật nút cấp nguồn và dừng hoạt động khi tắt.

80

Bắt đầu

Khởi tạo

Token_access=0;Sensor++;

If(sensor==3)sensor=0;Pre_range[sensor] = Range[sensor]Range[sensor]=Get_range(sensor);

If(token_acess)

Filter(Range[sensor],pre_range[sensor]);Set_PWM(range[sensor],motor_pin[sensor]);

1

0

POWER_OFF

Kết thúc

Timer0_interrupt_handle()

Token_access = 1;Set_timer0 tràn sau

20ms;

Timer2_interrupt_handle()

Xuất tín hiệu PWM ra động cơ

Các hàm xử lý ngắt

nh 3.10 đồ thuật toán và các hàm xử lý ngắt

Giải thuật điều khiển báo hiệu bằng động c W [12]

Lấy một tần số chuẩn

trong đó là khoảng cách lớn nhất cần báo hiệu, v là vận tốc âm thanh trong

môi trường không khí. Ở đây T chính là độ rộng xung của sườn dương khi động cơ

chạy 100%.

Thay đổi độ rộng xung bằng cách thay đổi tỷ số mức 0 và mức 1 của tần số chuẩn

trên:

81

Với là độ rộng sườn dương, là điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, là

điện áp cần để điều khiển động cơ theo tốc độ mong muốn.

nh 3.11 Độ rộng xung theo các chế độ hoạt động

nh 3.12 Điều chế động rộng xung để điều khiển động c

20% độ rộng xung

40% độ rộng xung

90% độ rộng xung

82

Do điện áp điều khiển động cơ là tuyến tính theo điện áp của tín hiệu nhận được ở

đầu thu tức là tỉ lệ nghịch với khoảng cách (càng gần càng rung mạnh), nên ta có

biểu thức:

Với là khoảng cách từ đầu dò đến vật cản.

3.3.4. Sơ đồ mạch nguyên lý

Khối nguồn

Nguồn cấp sử dụng pin Lipo 500mAh có hiệu điện thế trung bình khoảng 7.4V,

được đưa vào mạch nguồn, qua hai IC LM2576 để hạ điện áp xuống điện áp hoạt

động của vi điều khiển là 3.3V và của động cơ rung là 5V.

nh 3.13 đồ nguyên lý khối nguồn

Khối xử lý

83

Khối xử lý sử dụng vi điều khiển PIC18F26k20. Khối xử lý sẽ thu nhận tín hiệu từ

khối cảm biến đưa về, từ đó thông qua việc tính toán khoảng cách và vận tốc của

vật cản để đưa ra các lệnh điều khiển đến khối cảnh báo.

nh 3.14 đồ nguyên lý khối xử lý

Khối cảm biến

84

nh 3.15 đồ nguyên lý khối cảm biến

Khối cảm biến sử dụng ba module cảm biến siêu âm HC-SR04 gắn theo 3 phương

khác nhau, được điều khiển bởi một vi điều khiển PIC18f26k20, phát ra các chuỗi

xung siêu âm tần số 40kHz. Các xung siêu âm có độ dài xung 20ms, sẽ được phát

lần lượt từ ba bộ phát siêu âm, thời gian trễ giữa hai lần phát siêu âm của hai cảm

biến cạnh nhau là 50ms.

Khối cảnh báo

nh 3.16 đồ nguyên lý khối cảnh báo rung

Khối cảnh báo rung gồm ba động cơ lệch trục, khi có tín hiệu điều khiển từ khối xử

lý, các động cơ này sẽ quay với tốc độ tỉ lệ với khoảng cách giữ thiết bị và vật cản.

85

Khi khoảng cách càng gần cường rung càng lớn. Trong trường hợp, vật cản có tốc

độ di chuyển bất thường quá lớn so với tốc độ giới hạn, cả ba bộ rung sẽ rung đồng

thời với cường độ mạnh để cảnh báo người khiếm thị.

3.3.5. Sơ đồ mạch in

3.3.5.1. Mạch điều khiển

86

3.3.5.2. Mạch nguồn

3.3.5.3. Mô phỏng 3D toàn mạch

3.4. Kết luận

Qua chương này, chúng ta đã có thể hiểu một cách khái quát định nghĩa về người

khiếm thị và các tập tính của họ trong sinh hoạt hằng ngày, từ đó đưa ra các bài toán

thực tế cùng các phương pháp thiết kế, chế tạo thiết bị để giải quyết các bài toán đó.

Chương tiếp theo chúng ta sẽ kiểm tra thực nghiệm thiết bị trong thực tế, đưa ra các

nhận xét đánh giá về các kết quả đạt được và định hướng phát triển trong tương lai.

87

CHƯƠNG 4. TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

4.1. Những kết quả đạt được trên thực tế

4.1.1. Kiểm tra các thông số cảm biến

Đo đạc thực tế và so sánh sự khác biệt của transmitter và receiver

Để so sánh tín hiệu thu được từ bộ phát đến bộ thu và từ bộ phát đến bộ phát, nhóm

đã sử dụng hai cặp đầu dò thu - phát và phát - phát, kết nối với oscillator để hiện thị

kết quả đo được lên màn hình, từ đó đưa ra các nhận xét, đánh giá một cách trực

quan nhất. Các kết quả đo được hiện thị từ hình 4.1 đến hình 4.3

nh 4.1 Tín hiệu đo đượckhi sử dụng bộ thu để thu nhận tín hiệu

88

nh 4.2 Tín hiệu đo được khi sử dụng bộ phát để thu

nh 4.3 Đo tín hiệu thu được ở cả bộ phát và thu ở chế độ hiển thị đồng thời của

oscillator; với tín hiệu đường bao bên ngoài là của bộ thu.

Như vậy từ ba hình trên chúng ta có thể thấy, tín hiệu thu được từ bộ thu có biên độ

và trường thu lớn hơn rất nhiều so với tín hiệu khi thu bằng bộ phát. Từ đó chúng ta

89

có thể kết luận rằng do cấu trúc của đầu phát và thu có sự khác nhau nên mỗi một

loại đầu cảm biến chỉ có một chức năng cụ thể và chỉ ứng dụng cho chức năng đó.

Khảo sát tín hiệu thu nhận bằng cảm biến thu ở các khoảng cách khác nhau

từ 20cm-4m.

Biên độ tín hiệu sóng siêu âm từ bộ phát đến bộ thu được kiểm tra tại các khoảng

cách khác nhau để có thể xác định được vị trí mà sóng siêu âm có biên độ lớn nhất,

có lợi cho việc thu phát sóng siêu âm. Các kết quả thực nghiệm được thể hiện trong

các hình từ hình 4.4 đến hình 4.8.

nh 4.4 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 20cm – thang đo m / iv

90

nh 4.5 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 40cm– thang đo m / iv

nh 4.6 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 60cm – thang đo m / iv

91

nh 4.7 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 70cm– thang đo m / iv

nh 4.8 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 4m – thang đo m / iv

Từ các hình trên, chúng ta thấy rằng biên độ sóng siêu âm thu được giảm theo

khoảng cách, và lớn nhất ở khoảng 40cm.

Kiểm tra tín hiệu siêu âm tại các tần số khác nhau tại khoảng cách 20cm

92

Sử dụng oscillator và bộ phát xung vuông có thể thay đổi tần số để kiểm tra tần số

hoạt động của cảm biến siêu âm.Lần lượt thay đổi tần số lấy tần số 40kHz là trung

tâm, đại lượng biên độ sóng siêu âm của các dải tần sẽ đươc hiển thị trên oscillator

và cho kết quả dưới bảng sau:

F (kHz) 30 36 37 38 39 40 41 42 43 44 50

A (mA) 2 2.4 3.6 7.6 15 60 22 5.2 3.2 2.4 2

Bảng 4.1 iên độ tín hiệu sóng siêu âm tại các tần số khác nhau

Nhìn kết quả ở bảng trên, chúng ta có thể đưa ra kết luận, tần số quanh tần số trung

tâm 40kHz là tần số của biên độ sóng âm cao nhất; các tần số khác tín hiệu thu được

là rất nhỏ.

Kiểm tra tín hiệu sóng siêu âm phản xạ tại các vật liệu khác nhau

Để kiểm tra tín hiệu sóng siêu âm phản xạ tại các vật liệu các khau, nhóm đã tiến

hành đo đạc tín hiệu sóng siêu âm phản hồi trở về ở tần số cố định f=40 kHz, với

khoảng cách phát và thu D=20cm.

Các bề mặt vật liệu sẽ lần lượt được đưa vào vị trí đã xác định, đầu thu nhận tín

hiệu thu sóng siêu âm phản xạ về tại các bề mặt vật liệu khác nhau.

D=20(cm) Nhựa Giấy Tường Da Kim loại Sứ

A(mV) 48 42 46 18 52 60

Bảng 4.2 iên độ tín hiệu sóng siêu âm phản xạ tại các bề mặt vật liệu khác nhau

Sau khi quan sát bảng trên có thể đưa ra kết luận rằng: với các vật liệu như nhựa,

giấy, tường, kim loại, sứ… tín hiệu phản hồi lại đạt gần 100%, xác định vật thể rõ

ràng.Còn với các vật liệu như da, len, vải… tín hiệu bị hấp thụ nhiều, xác định vật

thể khó khăn hơn

Kiểm tra kích thước vật thể mà cảm biến siêu âm có thể phát hiện

93

Đường kính (cm) 0.2 0.8 100

Khoảng cách (cm) 2-24.5 0.2-43 0.2-400

Vật thể Móc áo Bút bi Tường

Bảng 4.3 Bảng kết quả dải khoảng cách thu phát ng iêu m tư ng ứng với các kích

thước vậtt thể khác nhau

Từ bảng trên, chúng ta có thể kết luận rằng, bộ module cảm biến siêu âm HC-SR04

có thể phát hiện được các vật có kích thước khá nhỏ cỡ vài mm với khoảng cách

gần dưới 50cm, và những vật có kích thước cỡ vài cm trở lên có khoảng cách phát

hiện lên đến vài m. Với những vật có kích thước quá nhỏ dưới 0.2cm, độ phản xạ là

rất thấp, thiết bị không thể phát hiện ra được.

Kiểm tra độ phản xạ sóng siêu âm tại các góc khác nhau

Góc 90 60 30

Khoảng cách 0.2-83 2-59 5-36

Bảng 4.4 Bảng kết quả dải khoảng cách thu phát sóng siêu âm với các góc phát

khác nhau

Sau khi tiến hành đo đạc và thử nghiệm, nhóm tháy rằng thiết bị có thể phát hiện tốt

các bề mặt vật cản nghiêng với các góc nghiêng lớn, nhưng tín hiệu phản xạ là tốt

nhất với góc phát xung là 900 hướng đến mặt vật cản.

Tính toán cường độ âm của thiết bị

- Mức áp lực âm:

(

)

Với là áp suất âm tại ngưỡng nghe 20 μPa

Tại 40 kHz, mức hấp thụ của tín hiệu trong không khí là 0.2 dB mỗi foot (tức là 1.2

db/100m) , với mức áp lực âm là 110 thì áp suất tạo ra ở nguồn âm là :

(

) ( ) (

)

- Cường độ âm tại một điểm trong không gian

94

nh 4.9 ường độ âm tại một điểm trong không gian

( )

(

)

- Bài toán cường độ âm với HC-SR04:

nh 4.10 Trường siêu âm của module cảm biến HC-SR04 [5]

Xét tại r = 40cm

95

tại r = 10cm

Với

(

)

IL = 10log(

) = -12 dB/cm = 1.2 dB/100m

Cường độ âm tại các khoảng cách tại 20 độ C

- Tại 50cm : I=

=

(

)

( ) = 526.23 W/ = 0.052623

W/ =147 dB/ min => 2.45 dB/s

Với kết quả tính toán được, chúng ta thấy rằng với mức cường độ âm do thiết bị

sinh ra là an toàn. Và với tầnsố 40kHz sẽ không gây ảnh hưởng đến tai trẻ nhỏ và

động vật.

4.1.2. Kiểm tra năng lượng

Để đảm báo thiết bị có thể hoạt động tốt, nhóm đã tiến hành đo và thử nghiệm thời

gian sử dụng của pin. Pin được tiến hành thử nghiệm là pin Lipo có dung lượng

500mAh, hiệu điện thế trung bình là 7.4V.

Chúng ta cần phân tích các khối đơn vị tiêu hao năng lượng:

- 3 cảm biến HC-SR04 phát luân phiên: nguồn làm việc 5V, dòng tiêu thụ

2mA.

- Vi xử lý PIC18F24K20 với điện áp khi hoạt động là 3.3V, dòng tiêu thụ

rất nhỏ, cơ vài µA

- IC khóa dữ liệu đầu ra 74HC573: dòng tiêu thụ < 1 µA khi

Chế độ ngủ đông < 80 µA

Điện áp hoạt động 5V

- Ba động cơ rung:10~12mm 3V mobile phone vibration motor: có điện áp

hoạt động3V, dòng duy trì 70 mA, tốc độ vòng quay lên đến 13500 rpm

96

Sau khi tính toán và kiểm tra thực nghiệm, kết quả cho thấy thiết bị có thể hoạt

động liên tục trong hơn 2h đồng hồ với ba động cơ quay với vận tốc tối đa liên tục.

Nhưng trong thực tế, không phải lúc nào cả ba động cơ cũng quay liên tục với vận

tốc tối đa Như vậy thời lượng sử dụng thiết bị trong thực tế có thể cao hơn nhiều lần

2h đồng hồ.

4.2. Những khó khăn gặp phải

Trong thời gian nhóm thực hiện đồ án, ngoài những thuận lợi và sự giúp đỡ tận tình

của giáo viên hướng dẫn, nhóm cũng đã gặp không ít khó khăn để hoàn thiện sản

phẩm.

Đầu tiên đó là hạn chế về các linh kiện điện tử ở nước ta, nhiều linh kiện không có

sẵn phải đặt mua ở nước ngoài hoặc sử dụng linh kiện thay thế, có chất lượng không

tốt bằng. Mặt khác, các tài liệu nghiên cứu về lý thuyết, các tính chất, ứng dụng của

siêu âm trong nước không nhiều, đặc biệt là các nghiên cứu về ứng dụng của siêu

âm trong thực tế còn khá hạn chế.

Trong cả quá trình thiết kế chế tạo, các vấn đề kiểm tra tính chất cảm biến, kiểm tra

trường siêu âm còn nhiều khó khăn do không đủ các thiết bị hỗ trợ để tín hành đo

đạc, tính toán thực nghiệm. Và đặc biệt, khi sử dụng đầu dò sóng siêu âm để thu

phát có một số lỗi không thể tránh khỏi và rất khó để loại bỏ đó là lỗi sai số lặp, lỗi

do nhiễu đọc chéo, tán xạ

4.2.1. Các lỗi đặc trưng chưa xử lý triệt để

Sai số lặp

Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường, trong đó có cả cảm

biến siêu âm. Đây là sai số khi dùng nhiều cảm biến để xác định vật, khi mà búp

sóng của các cảm biến giao nhau. Tạo nên sai số lặp.

97

nh 4.11 Hình ảnh mô tả nhiễu lặp khi sử dụng ba cảm biến siêu âm

Lỗi tán xạ bề mặt (forecasting)

Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến. Do nguyên

lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc với

bềmặt chướng ngại vật cần đo. Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ là

phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới. Các chùm tia phản

xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn. Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm

biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này. Kết quả, thông

số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn.

Ngoài ra, vì góc mở rộng, nên không chỉ sai về nhận dạng vịtrí chướng ngại vật, mà

khoảng cách ghi nhận cũng bị sai lệch. Tuy vậy, sai số này không đáng kể như sai

số do hiện tượng đọc chéo gây ra. Vì sai số này là sai sốcó thể quản lý được, trong

khi đó, sai số do hiện tượng đọc chéo không thể quản lý được. Sau đây chúng ta sẽ

tìm hiểu về hiện tượng đọc chéo và phương pháp xử lý hiện tượng đọc chéo.

98

nh 4.12 Hình ảnh mô tả lỗi tán xạ bề mặt

Hiện tượng đọc chéo (Crosstalk)

Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín

hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu

âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách không mong

muốn.

Hiện tượng đọc chéo có thể phân loại thành hai loại chính:

- Loại 1 là hiện tượng nhiều robot hoạt động trong cùng một môi trường,

và cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia một

cách trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc do sóng siêu âm di chuyển trong

không gian sau một thời gian ngẫu nhiên nào đó quay trở lại cảm biến.

- Loại 2 là hiện tượng cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến

siêu âm kia trên cùng robot sau quá trình phản xạ.

Cần phải phân biệt hai quá trình đọc chéo này, bởi vì ta thấy rằng, đối với hiện

tượng đọc chéo loại một, rõ ràng, sóng siêu âm sai lệch là ngẫu nhiên, không dự

99

đoán được. Tuy nhiên, vì tính ngẫu nhiên này, việc xử lý nhiễu (tín hiệu sai từ cảm

biến khác) trở nên dễ dàng hơn (bằng cách loại bỏ những giá trị xuất hiện ngẫu

nhiên có độ lớn gấp nhiều lần các giá trị khác). Trong khi đó, tín hiệu sai khi hai

cảm biến gắn trên cùng robot, và gặp một chướng ngại vật có khả năng gây ra hiện

tượng đọc chéo, thì dường nhưcác kết quả ghi nhận sẽ khiến cho cảm biến nhận

không thể nào phân biệt được đâu là nhiễu, đâu là tín hiệu của bản thân nó phát ra

(do các giá trị đúng và giá trị nhiễu gần như là giống nhau về mặt giá trị).

nh 4.13 Hình ảnh mô tả lỗi đọc chéo

4.2.2. Các phương pháp xử lý lỗi

Xử lý sai số lặp

Cách dễ dàng nhất để giảm thiểu sai số lặp là xử lý góc đặt giữa các cảm biến. Với

tiếp tuyến của búp sóng của hai cảm biến vuông góc, thì số điểm giao nhau của

chúng sẽ ít nhất, tức là sai số lặp sẽ bé nhất.

100

nh 4.14 Hình ảnh o ánh hai cách đặt góc giữa hai cảm biến

Cách tính toán góc đặt cảm biến để loại bỏ sai số lặp:

nh 4.15 Tính toán góc giữa hai cảm biến

Độ dài cung tròn của búp siêu âm:

101

( )

( )

Độ dài vùng giao điểm của hai búp siêu âm và vật thể:

( )

( )

Trong đó: d là chiều dài búp siêu âm, θ là góc hợp bởi hai búp siêu âm (hai pháp

tuyến).

Điều kiện để loại bỏ sai số lặp:

( )

( )

Hay là vật thể sẽ rơi vào khoảng 1/10 cung tròn. Góc điều chỉnh được là góc θ

Xử lý sai số o đọc chéo (Crosstalk)

Trong hiện tượng đọc chéo loại 1, nếu cho rằng các đường đọc chéo cóthể hình

thành một cách ngẫu nhiên và không thểxác định trước, ta thấy rằng hoàn toàn có

thể dùng phương pháp lặp, đọc nhiều lần đểnhận ra được tín hiệu lần đầu ghi nhận

được là tín hiệu nhiễu. Như vậy, việc đọc cảm biến nhiều lần cho phép ta loại bỏ

các đường đọc chéo ngẫu nhiên. Tuy vậy, với loại 2, không có sự phân biệt giữa

đường đọc chéo lần thứ hai và lần thứ ba, như hình:

nh 4.16 Sự xuất hiện của đọc chéo [17]

102

Borenstein chỉ ra phương pháp đọc như hình sau, đảm bảo cho kết quả đọc tốt và

phát hiện đường đọc chéo khi nó xuất hiện. Trong đó, thay vì dùng những khoảng

thời gian giống nhau để chờ giữa các lần đọc, chúng ta thay đổi các giá trị thời gian

chờnày sau mỗi chu kỳ đọc. Như vậy, nếu kết quả các lần đọc liên tiếp của cảm biến

thu là khác nhau và lệch nhiều hơn sai số lặp cho phép thì chắc chắn có ít nhất một

đường đọc chéo xảy ra.

nh 4.17 Lưu đồ cách đọc tín hiệu

Tại lần đọc thứ n+1 sẽ lấy kết quả tại lần đọc thứ n để tính. Như vậy nếu xảy ra hiện

tượng đọc chéo, thì loại ngay kết quả đọc thứ n. Kết quả đọc của lần đọc thứ n+1 sẽ

được lấy để tính tiếp cho lần đọc thứ n+2.

Như vậy rõ ràng, không có kết quả đúng và chỉ khi nào kết quả n và n+1 khẳng định

là đúng thì lúc đó ta mới khẳng định rằng n là đúng, rồi lại lấy n+1 tính tiếp cho

n+2...

103

nh 4.18 Thuật toán loại bỏ tín hiệu đọc chéo

Chứng minh và chính xác hóa công thức:

Giả sử cảm biến phát sẽ phát lại ngay khi cảm biến thu cùng dãy của nó nhận được

sóng phản xạ, chúng ta có thể tính thời gian xảy ra hiện tượng crosstalk như sau:

104

Đối với x

( ) ( )

Đối với y

( ) ∑ ( )

Khi xảy ra hiện tượng crosstalk, ta tính được thời gian lần đầu cảm biến sẽ ghi nhận

là :

Thay vào phương trình thứ 2 ta có :

( ) ∑ ( )

Tại thời điểm sảy ra đọc chéo, ta có:

( ) ∑ ( )

Nếu sai số của mỗi lần đọc của cảm biến là thì ta có:

( )( ) ∑ ( )

)

Phương trình trên đúng với mọi m khi và chỉ khi :

Điều này cho thấy thời gian thu nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm đúng ngay từ

lần phát thu đầu tiên, và các lần thu phát sau gần đúng bằng lần thu phát trước.

Nhưvậy, chúng ta biết chắc không có hiện tượng đọc chéo xảy ra. Nếu không ta

phải khẳng định được rằng có hiện tượng đọc chéo.

105

Theo như cách trình bày trên hình thuật toán xử lý, vấn đề đặt ra là xác định a và b

đối với mỗi cảm biến. Theo như trình bày ở hình thuật toán xử lý, nếu chúng ta đặt

lần lượt thời gian chờ sau mỗi lần phát thay đổi, thì chúng ta sẽ có:

( )

( )

Khi sảy ra hiện tượng đọc chéo, ta có :

| |

|| | | || | |

Suy ra,

|| | | ||

Trong đó, được xem là 3% khoảng cách đo lớn nhất. Ở đây với cảm biết HC-

SR04, chúng ta có giới hạn khoảng cách đo và chu kỳ đo là 50 ms.

4.3. Kết luận và định hướng phát triển tương lai

4.3.1. Phân tích tính khả dụng của thiết bị

Sau khi tiến hành các kiểm tra, đo đạc các thông số kỹ thuật của thiết bị, nhóm thấy

rằng thiết bị hoàn toàn có thể phát hiện được các vật có kích thước nhỏ như bút, dây

phơi quần áo, các thanh sắt thép, dây điện… với khoảng cách đủ lớn để có thể đưa

ra cảnh báo đối với người khiếm thị. Thiết bị có thể sử dụng trên mọi bề mặt vật

liệu cũng như các mặt phẳng nghiêng. Về mặt cảnh báo, thiết bị có tính khả thi cao

trong việc hỗ trợ, giúp đỡ người khiếm thị phát hiện các vật cản trên đường di

chuyển.

106

Về mặt linh động và tiện lợi, thiết bị có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tháo rời khi

không sử dụng; có thời gian sử dụng pin đủ dài cho một hành trình của người bộ

trong thực tế, đơn giản, tiện dụng khi sạc pin. Thiết bị được gắn lên tay người, giúp

cho việc điều khiển linh động, có thể thực hiện các thao tác quét để xác định các vật

cản ở các độ cao và phương vị khác nhau; các cảnh báo đưa ra được cảm nhận rõ

ràng, dễ dàng phán đoán các vị trí của vật cản.

Ngoài những ưu điểm trên, thiết bị còn gặp một số nhược điểm cần được giải quyết:

vấn đề phát hiện hố, bậc thang có độ cao lớn, thời gian đáp ứng chưa nhanh và một

số các bài toán thực tế khác.

4.3.2. Hướng phát triển tương lai

Hiện nay, do hạn chế về mặt thời gian cũng như công nghệ và linh kiện nên sản

phẩm chưa thực sự hoàn thiện, chưa đáp ứng được đầy đủ các bài toán do yêu cầu

thực tế đặt ra, chính vì vậy trong tương lai nhóm sẽ tiếp tục cải tiến thiết bị, tìm giải

pháp để đáp ứng các yêu cầu trong thực tế, hạn chế các nhược điểm của thiết bị,

tăng khả năng cảnh báo, thời gian sử dụng thiết bị… Mong muốn của nhóm là có

thể đưa sản phẩm vào ứng dụng trong thực tế, giúp hỗ trợ người khiếm thị trong

việc sinh hoạt hằng ngày bằng một thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, chi phí thấp.

107

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Essientials of ultrasound Physics – James A.Zagzebski, PhD.

[2] http://www.engineersgarage.com/insight/how-ultrasonic-sensors-

work?page=1

[3] Datasheet PIC18f26k20

[4] http://grathio.com/2011/08/meet-the-tacit-project-its-sonar-for-the-blind/

[5] Ultrasonic sensors, Murata, Manufacturing Co., Ltd.

[6] Objects Localization and Differentiation Using Ultrasonic Sensor - Bogdan

Kreczmer.

[7] Cortical/Cerebral Visual Impairment - Barry S. Kran, OD, FAAO & Darick

W. Wright, MA, COMS, CLVT & D. Luisa Mayer, PhD. Med.

[8] Đo khoảng cách và xác định vị trí vật thể bằng phương pháp siêu âm - Trần

ThịThủy, Nguyễn Quang Thắng, Đinh Sơn Thạch.

[9] Siêu âm dò đường cho người khiếm thị - Dương Hoàng Yến

[10] Ultrasound and Human – Computer Interaction – S2T Group - Danang

university of technology.

[11] http://tinyrc.com/qfm/racing/dls/microspec.htm

[12] Điều khiển động cơ DC servo (PID).

http://www.hocavr.com/index.php/vi/app/dcservo

[13] Khả năng của người mù – Lê Hồng Thủy,

http://hoangkim.net.vn/bai-viet/180/kha-nang-cua-nguoi-mu.html

[14] http://www.wikipedia.org/

[15] Nguyễn Đức Thuận, Nguyễn Vũ Sơn, Trần Anh Vũ – “Cơ sở kỹ thuật siêu

âm”, NXB Khoa Học & Kỹ Thuật, 2003.

[16] BRIAN EVANLEGISTA, ANTONY GRANT, JAMES QUESENBERRY,

MATTHEWS MOLINETS, Final report on “Intelligent Automotive Obstacle

Detection System”, Michigan State University, 2001.

[17] J. BORENSTEIN, H. R. EVERETT, and L. FENG, “Where am I? –Sensors

and Methods for Mobile Robot Positioning”, Technical report, Michigan

University, 1996.

[18] http://www.cand.com.vn/vi-VN/khcn/2013/1/188951.cand

108

Phụ Lục ký hiệu toán học