PROJETO APDV - Auxilio Para Deficientes Visual NA FEBRACE 2019

ARTIGO PROJETO ÓCULOS PARA CEGO

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APDV - Auxílio Para Deficientes Visuais

Isaque Lima Almeida, Carlos Henrique Praxedes Monteiro, Marina Queiroz Sena, Weslley Lioba Caldas (Coorientador), José Gleisson da Costa Germano(Orientador), Sandro Costa Mesquita (Coorientador)

I. INTRODUÇÃO

Atualmente a tecnologia tem cada vez mais servido como ferramenta para facilitar a locomoção humana. Dentre os diversos campos estudados, a locomoção de pessoas com deficiência visual tem sofrido inúmeros avanços tecnológicos, como bengalas sônicas, robôs guias dentre outros.

Apesar disso, alternativas baratas e acessíveis ainda se fazem necessárias para diminuir o impacto causado pelos problemas visuais. Neste contexto, dispositivos de detecção de obstáculos como o Annuitiwalk e Vibeye, ganharam a atenção do público com propostas semelhantes de fornecer ao seu usuário dispositivos baratos que consigam identificar obstáculos por meio de ondas ultrassônicas não audíveis aos seres humanos.

Ambos funcionam de forma semelhante com dispositivos acoplados a cima da cintura e conectados a uma pulseira vibratória que indica quando um objeto é detectado por meio de vibrações. Vale ressaltar, no entanto, que até o momento nenhum destes projetos conta com um sistema de segurança contra a possibilidade de inclinação de seu usuário, isto é, quando o individuo esta com a cabeça muito para baixo ou para cima, ou mesmo para esquerda ou direita.

Neste trabalho propomos o Auxílio Para Deficientes Visuais

(APDV), que de forma semelhantes aos trabalhos anteriores dispõe-se a utilizar um sensor ultrassônico, capaz de detectar obstáculos imediatamente a frente de seu usuário, e alertando por meio de uma pulseira vibratória. O APDV ainda conta com um sistema capaz ajustar a detecção levando em conta o ângulo em que o dispositivo está em relação ao solo e ao seu usuário.

II. OBJETIVO E QUESTÃO PROBLEMA

Conforme dados do IBGE de 2015, cerca de 3,6% da população brasileira sofre com algum tipo de deficiência visual (VEILLELA, 2015). Dentre estes, cerca de 16% tem problemas para realizar tarefas do cotidiano como ir ao trabalho, escola e etc. Uma vez que locomover-se em ambientes com obstáculos como, por exemplo ruas, terminais de ônibus e praças, é uma das principais dificuldades para a população com deficiência visual, formas de minimizar esse

problema são necessárias.

Em 2014 o grupo de pesquisa pernambucano desenvolveu o protótipo de óculos inteligente Annuitwalk, que consistia em um sensor ultrassônico acoplado em uns óculos, capaz de detectar obstáculos acima da altura da cintura (ANNUITWALK, 2014). Tal proposta foi feita, visando para trabalhar em conjunto com a bengala, em que o usuário teria conhecimento de possíveis obstáculos a baixo da cintura, porém não teria conhecimento algum sobre obstáculos acima da cintura como postes, e cabines telefônicas, ver Figura 1. Dessa forma, caso um obstáculo fosse detectado o Annuitwalk avisaria o usuário, que poderia desviar do mesmo. De forma semelhante um grupo de pesquisadores desenvolveu o VibEye, como um dispositivo que pode ser anexado em qualquer vestimenta acima da cintura, também com o intuito de detectar obstáculos (VIBEYE, 2017).

Apesar de ser um grande avanço tecnológico no aspecto de acessibilidade, muitos problemas ainda não foram solucionados. Deve-se levar em conta que a melhor distância da detecção de um obstáculo qualquer é variável, dependendo da localização e angulação do sensor, bem como da estatura de seu usuário. Vamos supor, por exemplo, que um usuário qualquer inclinasse o dispositivo de detecção em questão para baixo ou para cima, certamente a distância de medição não sairia da forma mais eficaz, uma vez que ambos os projetos Annuitwalk e VibEye, foram construídos de forma que seus sensores estejam retos em relação ao solo.

Neste trabalho propomos o uso de óculos dotados de um dispositivo capaz de detectar objetos acima da altura da cintura, por meio de pulsos sonoros que leva em conta a disposição e inclinação do mesmo em relação ao seu usuário, fornecendo assim uma melhor experiência aos seus usuários e solucionando o problema da angulação dos dispositivos.

III. DESCRIÇÃO DE MATERIAIS E MÉTODOS

Nesta seção descreveremos o funcionamento do sensoriamento, bem como sua programação e principais diferenças em relação aos projetos concorrentes.

O APDV é composto por óculos, que contam com um sensor ultrassônico HC-SR04 acoplado na parte superior, contendo também uma pulseira vibradora, que indica ao usuário a que distância existem obstáculos a serem evitados.

Ambos, os óculos e a pulseira, contam com um módulo

MPU6050 capaz de fornecer a localização dos eixos X,Y e Z em relação ao solo, e com isso é possível descobrir a inclinação do APDV, ajustando as distâncias relativas dos obstáculos.

A. Módulo de Sensoriamento

O APDV contém um modulo ultrassônico HC-SR04, capaz de medir distâncias entre 2cm a 4m. O mesmo encontrasse disposto a frente dos óculos, de tal forma que detecte a presença de obstáculos imediatamente a frente de seu usuário, com altura acima da cintura.

O HC-SR04, funciona de forma semelhante ao sensoriamento do morcego. Conforme as especificações técnicas da produtora do sensor, enviasse um pulso de 10 µs que indicará o início da transmissão, para então enviar mais 8 ciclos de pulsos em uma faixa de 40kHz (inaudível para humanos).

Após isso, o sensor aguarda o retorno desses pulsos, caso algum deles tenha sido refletido por algum objeto, e a partir da diferença de tempo do pulso de saída (trigger) e do de retorno (echo) é possível calcular a distância entre o sensor e o objeto que refletiu o pulso.

Caso um obstáculo seja detectado, isto é, esteja a uma determinada distância do usuário, um alerta será emitido enviando uma vibração na pulseira. A distância correta relativa, isto é, se o objeto esta longe ou perto, será automaticamente calculada dependendo do ângulo em que se encontra o APDV na cabeça do usuário.

Existem ao todo, 3 níveis de distância que informam ao seu usuário uma noção relativa do quão perto se está do objeto. Quando um objeto entra na faixa de distâncias fornecidas na Tabela 1, um sinal vibratório é emitido para a pulseira, e na medida que o usuário se aproximar do objeto, maior será a frequência em que a pulseira fibra, dessa forma é possível ter uma noção de progresso, fornecendo ao usuário um maior entendimento do que está a sua frente.

Note, no entanto, que se o usuário estiver andando com o rosto inclinado para baixo, esses valores poderão não refletir a real necessidade da aplicação que é de desviar de obstáculos, uma vez que tal inclinação pode resultar na medição incorreta do sensor que não mais estará olhando para obstáculos exatamente na altura do rosto do usuário, mas sim em um local um pouco mais baixo, em alguns casos mais críticos pode acontecer de o usuário estar bastante inclinado ao ponto de comprometer o funcionamento dos sistemas de detecção padrões (Annuitwalk e VibEye)por não estar mais olhando a cima da altura da cintura.

Mais à frente veremos que os valores da Tabela 1, podem ser modificados dependendo da inclinação do rosto do usuário ao utilizamos um giroscópio que capta os eixos X,Y e Z do rosto do usuário em relação ao chão. Emitindo alertas quando a inclinação for muito grande, ou simplesmente ajustando as distâncias relativas automaticamente.

B. Cálculo da distância e ângulo.

A principal diferença do APDV, para com as soluções citadas anteriormente, é a possibilidade de uma medição mais exata e interativa. Uma vez que no estado de normalidade uma pessoa pode espontaneamente ou mesmo involuntariamente flexionar seu pescoço, então automaticamente a angulação do sensor em relação ao chão, que pode ser vista na Figura 2, será ajustada de forma a indicar isso ao usuário caso seja necessário, ou simplesmente fazer os calculos matemátcios necessários para detector obstáculos a frente do usuário, mesmo que o mesmo esteja com o rosto inclinado.

Um exemplo bem prático disso, seria um individuo em frente a uma porta e com o rosto para baixo, sem dúvidas a distância dele a porta não mudaria, porém, a distância medida pelo sensor sim.

FIGURA 2 – EIXOS DO MPU6050.

Para mitigar esse problema o APDV usa um módulo de acelerômetro e giroscópio MPU6050 capaz de captar as coordenadas X,Y e Z do sensor em relação ao chão, sendo, portanto, possível saber para que direção o sensor ultrassônico aponta. Com isso, é possível saber também se o usuário em questão posiciona seu rosto para direita ou para esquerda, o que em desfocaria a direção do sensor e logicamente sua utilidade.

TABELA 2 – EIXOS DO GIROSCÒPIO.

O Eixo Y do modulo MPU6050, permite saber a inclinação em que se encontra o rosto do usuário no sentido cima/baixo, dessa forma podemos alterar as distâncias da Tabela 1, de tal forma que se ajustem melhor as necessidade de seu usuário.

FIGURA 3 – INCLINAÇÃO DO APDV EM RELAÇÃO AO SOLO.

A modificação dos valores das distâncias relativas se dará da seguinte forma: coletasse o valor do sensor ultrassônico HC-SR04, coletasse o ângulo α do eixo Y fornecido pelo sensor MPU6050 e, então, aplicam-se as seguintes regras baseadas no cosseno do ângulo do eixo Y:

DISTÂNCIA BAIXA= 20/cos α (1)

DISTÂNCIA MÈDIA= 80/cos α (2)

DISTÂNCIA ALTA = 120/cos α (3)

A real intenção de modificar os valores padrões das distâncias relativas, é a de fornecer uma medida plausível para a real necessidade do usuário que é a de ser alertado de obstáculos, uma vez que distâncias fixas, podem ser muito pequenas ou muito grandes em diferentes situações. Observe novamente o exemplo do caso em que um indivíduo encontrasse em frente a uma porta, vamos supor que 60 cm seja uma distância razoável entre seu rosto e a porta. Infelizmente, caso o indivíduo esteja com a cabeça um pouco inclinada para baixo, o valor da medição do sensor não correspondera a real distância entre o individuo e a porta, pois a base do sensor não estará em linha reta com a porta, utilizando, porém, as regras 1, 2 e 3 para ajustar as distâncias relativas, fará com que saibamos se a porta esta de fato, perto ou longe do usuário, pois levamos em conta a inclinação do ângulo do sensor.

Outro aspecto importante fornecido pelo APDV se dá na análise do eixo Z. Caso a angulação esteja muito grande, indica que o usuário está com o rosto virado para esquerda ou para a direita, isso pode ser feito simplesmente coletando o ângulo β do eixo Z e comparando-o com a Tabela 3

TABELA 3 – ANGULAÇÃO

Caso o usuário desvie bastante de forma que a inclinação comprometa a função do APDV, o mesmo enviará um sinal vibratório descrito na seção C, em que a frequência se dará pelo seguinte equação:

Frequência= |β - 90|rpm (4)

Conforme a equação 4 quanto maior o desvio, maior a frequência de vibração. Essa vibração é mais lenta propositalmente para que o usuário não se confunda com a detecção de um obstáculo, que se sobrepujará em caso de conflito, ou seja, caso o usuário esteja com o rosto inclinado para a esquerda (ver Figura 4) e o APDV detecte um obstáculo, o sinal a ser emitido será o de detecção do obstáculo.

O cálculo do ângulo só é possível graças a um outro sensor giroscópio, preso na pulseira que fornece a medida do eixo Z em relação ao corpo do usuário. Para saber o ângulo correto, basta subtrair os valores coletados pelo sensor nos óculos pelos coletados na pulseira.

FIGURA 4 – ANGULAÇÂO NO EIXO Z

C. Pulseira vibratória

Seguindo uma abordagem semelhante a outros dispositivos de auxilio para deficientes visuais, o APDV conta com uma pulseira vibratória, cuja finalidade é alertar o usuário de que Dento da pulseira existe um motor, e para cada faixa de distância relativa, uma frequência de vibração em rotações por minuto é adotada. Com diferentes frequências o usuário pode identificar a distância relativa a qual se encontra do objeto.

Fonte: Produção nossa.

Além disso, a pulseira conta com seu próprio módulo acelerômetro, que permite calcular para que direção o usuário inclina seu rosto no eixo Z.

IV. RESULTADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

O APDV foi testado com 10 voluntários de Beberibe, portadores de deficiência visual total ou parcial. Nestes testes levamos em conta a funcionalidade do APDV bem indicações de possíveis melhorias. Para tal dividimos os testes em 3 categorias: Inclinação do APDV no eixo Z, Inclinação do APDV no eixo Y e APDV como um todo.

Aparamente a diferença de frequência é suficiente para distinguir os sinais. O fato de não existirem diferenças nos sinais de aviso de desvio à direita e desvio à esquerda, também não influenciou em nada, uma vez que a noção de localização espacial de uma pessoa com deficiência visual ainda existe e pode ser trabalhada (MENDONÇA, 2008).

C. APDV overall.

Nesta seção busca-se, avaliar o APDV de forma geral, sendo assim, aspectos como usabilidade e eficiência devem ser avaliados. Conforme a Tabela 6, podemos verificar alguns dos principais questionamentos.

A. Inclinação do APDV no eixo Y

Os voluntários foram questionados sobre a eficácia a funcionalidade da detecção de obstáculos. De maneira geral foram feitas 3 perguntas conforme a tabela 5, nela também se encontra as respostas fornecidas pelos voluntários.

TABELA 5 – FUNCIONALIDADE DO EIXO Y.

Dar a liberdade para o indivíduo andar como bem

entender, sem a necessidade de manter-se de um determinado jeito para que o dispositivo funcione, é, sem dúvida, uma característica única e de suma importância que o APDV tem a oferecer. A maioria dos voluntários não precisou se preocupar em manter uma posição ou se preocupar em não fazer inclinações muito grandes, em outras palavras, podem andar do jeito que preferirem, sem que a percepção das distâncias seja drasticamente afetada.

Dar a liberdade para o indivíduo andar como bem

C. APDV overall.

O principal objetivo do APDV é ser usável. O fato do APDV ser possivelmente usado fora da pesquisa ficou unânime entre os voluntários. Apesar disso, alguns problemas ainda devem ser levados em contas, um delas é a própria necessidade de uma pulseira como relatado por alguns dos usuários, que dificulta a usabilidade da aplicação.

V. CONCLUSÕES

O APDV é uma poderosa ferramenta no auxílio de pessoas portadoras de deficiência visual, dando continuidade a outros projetos semelhantes como Annuitwalk e VibEye, porém com funcionalidades que podem vir a serem somadas e agregar valor. De forma clara, o sistema de variação das distâncias se mostrou eficaz o que encoraja novas pesquisas nesse rumo.

Como trabalhos futuros, pretende-se ampliar os testes com um maior número de pessoas, bem como verificar novas funcionalidades com o eixo X ainda não implementadas e incorporar geolocalização.

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