UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL – UNIJUI
BRUNO HANNEL MARASCA
PROTÓTIPO DE TECNOLOGIA ASSISTIVA PARA AUXÍLIO A
DEFICIENTES VISUAIS
Ijuí 2017
BRUNO HANNEL MARASCA
PROTÓTIPO DE TECNOLOGIA ASSISTIVA PARA AUXÍLIO A
DEFICIENTES VISUAIS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Mauro Fonseca Rodrigues
Ijuí 2017
BRUNO HANNEL MARASCA
PROTÓTIPO DE TECNOLOGIA ASSISTIVA PARA AUXÍLIO A
DEFICIENTES VISUAIS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 18 de dezembro de 2017.
Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria - Orientador Prof. Julio Cezar Oliveira Bolacell Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Julio Cezar Oliveira Bolacell Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ
Agradeço à minha família por toda a base e esforço que me deram para chegar aonde cheguei.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, por toda a base e apoio que me deram para cursar o ensino superior.
Aos meus professores, pelo vasto ensinamento que servirá como grande contribuição para a minha vida profissional.
Aos meus colegas, que sempre estiveram presentes ajudando uns aos outros. Ao meu orientador Mauro Fonseca Rodrigues, por todo o auxílio, paciência, prontidão, dedicação e apoio que foram fundamentais para a conclusão deste trabalho.
Sonhos determinam o que você quer. Ação determina o que você conquista.
RESUMO
MARASCA, Bruno Hannel. Protótipo de Tecnologia Assistiva para auxílio a deficientes visuais. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
O presente trabalho propõe a criação de um dispositivo com sensores ultrassônicos capaz de detectar obstáculos e objetos na rota do deficiente visual. O aviso ao usuário dar-se-á através de Buzzers com diferentes tons para distinguir a origem do obstáculo. Através de um sensor localizado mais abaixo, com a função de monitoramento do solo, é possível prever a presença de escadarias e buracos que possam causar quedas e fraturas. Com a evolução do projeto, dois módulos (GPS e GSM) foram adicionados ao dispositivo para a criação de um novo recurso. Trata-se de uma função destinada a condições de emergência, em situações onde o cego encontra-se perdido ou desorientado, por exemplo. Com o pressionar de um botão, o microcontrolador armazena as últimas coordenadas de latitude e longitude captadas pelo módulo GPS e as transforma em um link compatível com o serviço gratuito desenvolvido para visualização de mapas e imagens de satélites da terra denominado Maps, fornecido pela empresa estadunidense Google. Com a presença de um cartão MicroSim acoplado ao módulo GSM, é possível enviar uma mensagem de texto contendo a localização do usuário para o telefone de algum familiar ou pessoa de confiança cadastrado na linha de programação. O projeto visa garantir uma melhor qualidade de vida para pessoas cegas, auxiliando em sua rotina diária, a fim de evitar possíveis lesões, bem como fornecer assessoramento ao usuário em situações adversas ao seu cotidiano. O dispositivo foi desenvolvido na prática e, após diversos testes e modificações, apresentou resultados favoráveis em seu funcionamento.
Palavras-chave: Instrumentação. Tecnologia Assistiva. Engenharia Elétrica. Sensores.
ABSTRACT
MARASCA, Bruno Hannel. Protótipo de Tecnologia Assistiva para auxílio a deficientes visuais. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
The present work proposes the creation of a device with ultrasonic sensors capable of detecting obstacles and objects in the route of the visually impaired. The warning to the user will be through Buzzers with different shades to distinguish the origin of the obstacle. Through a sensor located below, with the function of monitoring the soil, it is possible to predict the presence of stairs and holes that can cause falls and fractures. With the evolution of the project, two modules (GPS and GSM) were added to the device to create a new feature. It is a function intended for emergency situations, in situations where the blind person is lost or disoriented, for example. With the press of a button, the microcontroller stores the latest latitude and longitude coordinates captured by the GPS module and converts them into a link compatible with the free service developed for viewing satellite maps and images of the earth denominated Maps, provided by the US Company Google. With the presence of a MicroSim card attached to the GSM module, it is possible to send a text message containing the user's location to the phone of some family member or trusted person registered in the programming line. The project aims to guarantee a better quality of life for blind people, assisting in their daily routine, in order to avoid possible injuries, as well as provide advice to the user in adverse situations to their daily life. The device was developed in practice and, after several tests and modifications, presented favorable results in its operation.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Exemplificação de sensores. ... 19
Figura 2 – Sistema de bengala inteligente. ... 23
Figura 3 – Diagrama de blocos do funcionamento. ... 24
Figura 4 – Dispositivo localizado na parte inferior. ... 25
Figura 5 – Dispositivo localizado na parte superior. ... 25
Figura 6 – Modelo real do projeto. ... 26
Figura 7 – Estrutura do projeto. ... 28
Figura 8 – Jaqueta de alta tecnologia. ... 29
Figura 9 – Sistema de coordenadas do sensor. ... 31
Figura 10 – Realização de testes com usuário. ... 32
Figura 11 – Dados obtidos de RGB-D do espaço frontal. ... 33
Figura 12 – Aplicação do modelo. ... 34
Figura 13 – Arduino Uno R3 com Atmega328/P. ... 37
Figura 14 – Sensor HC-SR04. ... 38
Figura 15 – Detecção de objeto com o sensor HC-SR04. ... 38
Figura 16 – Protótipo versão 01. ... 39
Figura 17 – Protótipo com 2 sensores. ... 40
Figura 18 – Fluxograma de funcionamento. ... 41
Figura 19 – Montagem provisória do protótipo. ... 42
Figura 20 – Esquema utilizado na detecção de modificações no solo. ... 43
Figura 21 – Módulo SIM800L. ... 45
Figura 22 – Divisor de tensão. ... 46
Figura 23 – Módulo GPS GY-NEO6MV2. ... 47
Figura 24 – Testes realizados com um suporte de alumínio. ... 48
Figura 25 – Placa para a união dos pinos dos sensores. ... 49
Figura 26 – Esquema do circuito desenvolvido com a ferramenta ISIS. ... 50
Figura 27 – Circuito importado para a ferramenta ARES. ... 51
Figura 28 – Resultado final da placa. ... 52
Figura 29 – Protótipo versão final. ... 53
Figura 30 – Exemplo do uso da função listen(). ... 57
Figura 31 – Diodo Zener. ... 58
Figura 32 – Mensagens de texto recebidas pela pessoa de confiança do usuário. ... 59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Tipos de sensores e suas vantagens e desvantagens. ... 21 Tabela 2 – Lista de preço dos componentes utilizados. ... 54 Tabela 3 – Aviso sonoro correspondente ao protótipo versão final. ... 55
LISTA DE SIGLAS
3D Terceira DimensãoGPS Global Positioning System
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IDE Integrated Development Environment
LED Light Emitting Diode
LIDAR Light Detection And Ranging
OMS Organização Mundial da Saúde OSF Obstacle Stereo Feedback
PID Proporcional, integral e Derivativo RANSAC Random Sample Consensus
RGB-D Red, Green, Blue and Depth
SIM Subscriber Identify Module
SMS Short Message Service
TA Tecnologia Assistiva USB Universal Serial Bus
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 OBJETIVO GERAL ... 14 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 14 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 14 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 15 2.1 VISÃO ... 15 2.2 DEFICIÊNCIA VISUAL ... 15 2.2.1 Ramo Histórico-Social ... 152.3 CONCEITUANDO A DEFICIÊNCIA VISUAL ... 16
2.3.1 Baixa visão ... 16
2.3.2 Cegueira ... 17
2.4 ELETRÔNICA ... 17
2.4.1 A Eletrônica no Século XIX ... 18
2.4.2 A Eletrônica no Século XX ... 18 2.5 SENSORES ... 18 2.5.1 Sensores analógicos ... 19 2.5.2 Sensores digitais ... 19 2.5.3 Sensores de proximidade ... 20 2.6 TRANSDUTORES ... 22 2.7 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22
2.7.1 Bengala inteligente para pessoas cegas ... 22
2.7.2 Sistema de navegação – caminhador inteligente ... 26
2.7.3 Vara de passeio eletrônica para deficientes visuais ... 27
2.7.4 Sistema eletrônico ultrassônico de navegação ... 28
2.7.5 Sistema com detecção 3D para auxílio a cegos ... 30
3 PROTÓTIPO DE SISTEMA AUXILIAR PARA DEFICIENTES VISUAIS . 36
3.1 REQUISITOS ... 36
3.2 PROTÓTIPO ... 36
3.2.1 Protótipo versão 1... 36
3.2.1.1 Arduino UNO + ATmega328/P ... 37
3.2.1.2 Sensor ultrassônico HC-SR04 ... 38 3.2.1.3 Montagem ... 39 3.2.2 Protótipo versão 2... 43 3.2.2.1 Altura do usuário ...44 3.2.3 Protótipo versão 3... 44 3.2.4 Protótipo versão 4... 46
3.2.4.1 Alterações no esquema de sensoriamento ...47
3.2.4.2 Placas de circuito impresso... 49
3.2.5 Versão final ... 52
3.2.5.1 Custo ...54
4 TESTES, DISCUSSÃO E RESULTADOS ... 55
4.1 AVISO AO USUÁRIO ... 55
4.2 SENSOR HC-SR04 ... 56
4.3 PORTAS SERIAIS ... 56
4.4 MÓDULO GSM ... 58
4.5 ALIMENTADOR POWER BANK... 58
4.6 ENVIO DO SMS ... 59
4.7 PINOS TRIGGER ... 61
4.8 SENSORIAMENTO VS EMERGÊNCIA ... 61
5 CONCLUSÃO... 62
1 INTRODUÇÃO
O Trabalho de Conclusão de Curso é uma oportunidade de realizar estudos teóricos ou práticos, que demonstrem o conhecimento acadêmico aprofundado em alguma área específica da formação adquirida. Nesse foco, optou-se pela criação e aplicação de um protótipo com sensores para o auxílio a deficientes visuais na detecção de obstáculos à sua proximidade, evitando possíveis lesões e fraturas.
Para realizar tal intento, fez-se necessário encontrar o tipo de sensor e controlador capaz de auxiliar na identificação e localização dos objetos/obstáculos presentes na rota de um deficiente visual, o alertando sobre o possível impacto.
A rotina de um deficiente visual não é nada fácil comparada com a de um ser humano com plena capacidade de enxergar. A todo instante há o risco de colidir com algum objeto, móvel e diversos outros empecilhos em ambiente externo. Utilizando um equipamento para detecção dos mesmos citados anteriormente, transmite-se mais segurança para o indivíduo com deficiência visual. Levando em conta a aplicabilidade dos sensores, é possível projetar um equipamento capaz de detectar esses obstáculos com precisão e eficiência necessárias para este propósito?
Segundo o Censo Demográfico IBGE 2010, mais de 500 mil pessoas sofrem de TOTAL deficiência visual no Brasil, e mais de seis milhões possuem grande dificuldade para enxergar. No desenvolvimento deste projeto, é levada em conta a preocupação com as dificuldades enfrentadas na rotina de um ser humano com deficiência visual.
De acordo com a OMS (Organização Mundial da Saúde), pesquisas realizadas revelam que em 2020, estima-se que haverá 75 milhões de pessoas cegas no mundo. São estatísticas preocupantes e que não podem ser ignoradas. Para isso, deve-se pensar na possibilidade de criação de novos dispositivos e equipamentos, fazendo uso da tecnologia presente no mundo atual, com o objetivo de auxiliar esses indivíduos a alcançar sua independência e acessibilidade.
A visão é um dos mais importantes sentidos para os seres humanos, não somente no que diz respeito ao cotidiano, mas para ser possível, de fato, uma vida mais completa. Para aqueles que não apresentam sintomas de deficiência visual, é
um tanto quanto difícil imaginar a vida sem o dom de enxergar: uma vida na qual não existem cores, movimentos, luzes e até mesmo olhares. O número de pessoas que vivem assim, consoante dados supracitados, é indiscutivelmente expressivo e preocupante. Acidentes domésticos, quedas, fraturas, lesões e hematomas são riscos muito propensos para quem não enxerga. Embora existam meios para auxiliar deficientes visuais, tais como bengalas, acessibilidade em calçadas, cães-guia, não é sempre que eles se demonstram opções satisfatórias para evitar os problemas transcritos acima. Um dispositivo inteligente pode ser de grande utilidade na vida destes cidadãos.
Através da pesquisa de diversos tipos de sensores, controladores e componentes, incluindo cálculos e testes em laboratório, far-se-á um comparativo para definir qual o projeto mais viável e eficaz para este quesito. A área da Eletrônica é fascinante no sentido da imensa quantidade de ideias que se pode por em prática; o limite torna-se a imaginação do ser humano, caminhando lado a lado com as novas tecnologias.
Um sensor é um dispositivo criado com a finalidade de responder a um estímulo físico/químico de maneira específica. Existem sensores de luz, calor, temperatura, som, magnéticos, de pressão, entre tantos outros. O tipo em específico que será abordado é o de captação de distâncias, sem um contato físico direto, tendo a possibilidade de ser construído de várias formas:
Através de raio laser – sendo refletido de um objeto ao sensor;
Acústico – utilizando o retorno das ondas ultrassônicas, que se propagam na velocidade do som;
Indutivos – detectando principalmente materiais metálicos;
Capacitivos – podendo detectar materiais não-metálicos;
Óticos – possuindo uma grande faixa de medição.
Dispositivos com sensores capazes de detectar os obstáculos presentes na rota do deficiente visual podem ser muito bem vindos quando se trata de alternativas para facilitar a locomoção. Para atender esses requisitos foram montados os objetivos da pesquisa.
1.1 OBJETIVO GERAL
Projetar e construir um equipamento destinado ao usuário portador de deficiência visual com a finalidade de detectar obstáculos, utilizando os conceitos e características de determinados sensores e componentes.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Revisar a bibliografia sobre sensores e detectores de objetos.
Revisar a bibliografia sobre tecnologia assistiva e meios para facilitar a locomoção de pessoas cegas.
Realizar testes com tipos de sistema com capacidade de detecção de objetos e/ou obstáculos.
Comparar diversos tipos de sensores e verificar o que mais se adequa ao proposto desejado.
Implementar o controle do sistema em microcontrolador.
Simular o circuito projetado.
Construir o projeto na prática.
Realizar testes de laboratório para o protótipo implementado.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Primeiramente, serão realizadas pesquisas em livros, artigos e websites para obter o devido conhecimento e embasamento teórico necessários para a elaboração deste trabalho. Em um segundo momento, o foco estará na construção do protótipo, com uma maior abordagem na prática, executando testes e procurando soluções para possíveis problemas que possam surgir, a fim de eliminá-los e garantir um correto funcionamento ao dispositivo.
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
Neste capítulo serão abordados tópicos importantes para a construção e elaboração do presente trabalho, os quais servirão como base para os estudos posteriores e para a finalização do mesmo.
2.1 VISÃO
A capacidade de ver e interpretar imagens visuais depende necessariamente da nossa função cerebral, capaz de receber, codificar, selecionar, armazenar e associar estas imagens a outras experiências anteriores. O nervo óptico e a retina (camada interna que reveste a câmara ocular) são responsáveis por interpretar a coloração dessas imagens, ambos precisam estar intactos para exercer esta função. A retina tem em sua formação células fotorreceptoras, que são responsáveis pela visão central e das cores, juntamente com os bastonetes, responsáveis pela visão periférica e adaptação em lugares com pouca iluminação (BRUNO e MOTA, 2001).
2.2 DEFICIÊNCIA VISUAL
Pessoas que possuem limitações ou que acabam perdendo por algum motivo as funções básicas na capacidade de enxergar são consideradas deficientes visuais. Antigamente estas pessoas estavam expostas a preconceitos que, felizmente, não fazem mais parte atualmente em nosso cotidiano.
2.2.1 Ramo Histórico-Social
A deficiência visual em sua história na humanidade é semelhante a todos os outros tipos de deficiências. Por consequência, na antiguidade, os indivíduos portadores de deficiência mental, física e sensorial eram vistos como deformados, aleijados, débeis e anormais. No período em que predominava o princípio da eugenia, termo criado em 1883 por Francis Galton (1822-1911), significando “bem nascido”, estas pessoas eram abandonadas ou eliminadas (BRUNO e MOTA, 2001). Porém, na Idade Média, através do apogeu do Cristianismo, estas mesmas
pessoas passaram a ser um alvo de proteção, caridade e compaixão, surgindo, assim, as primeiras instituições asilares com o intuito de dar assistência a pessoas com necessidades especiais (BRUNO e MOTA, 2001).
A título de curiosidade, abaixo pode-se ver exemplos de pessoas importantes na antiguidade que possuíam deficiência visual, nas diferentes áreas do conhecimento (BRUNO e MOTA, 2001):
Homero – para alguns uma figura lendária – teria sido o responsável pelo registro de fatos sociais que possibilitaram o levantamento da história do povo grego;
Didymus de Alexandria, Séc. IV d.C., professor de Filosofia, Teologia, Geometria e Astrologia – demonstração de uma inteligência milagrosa ao aprender com perfeição a geometria, uma área que necessita da visão para a sua interpretação;
Nicholas Saunderson (1682-1739) – um dos mais renomados cientistas cegos. Matemático, foi professor de Cambridge e membro da Royal Society;
John Gough, biólogo inglês – especialista na classificação de animais e plantas;
Leonardo Euler, matemático – Duas vezes premiado pela Academia de Ciências de Paris;
François Huber, zoólogo inglês, Séc. XVIII – tido como a maior autoridade sobre o comportamento das abelhas.
2.3 CONCEITUANDO A DEFICIÊNCIA VISUAL
Podemos caracterizar a deficiência visual através dos níveis de atenuação da doença, os quais serão abordados a seguir.
2.3.1 Baixa visão
diversos fatores para o acarretamento deste problema, como: baixa acuidade visual significativa, campo visual reduzido, limitação do desempenho visual através de alterações corticais e/ou de sensibilidade aos contrastes (BRUNO e MOTA, 2001).
Segundo o Conselho Internacional de Educação de Deficiência Visual – Organização Mundial de Saúde (OMS), o conceito de baixa visão é o comprometimento do funcionamento visual em ambos os olhos, até mesmo após o tratamento ou correção dos seguintes fatores:
Acuidade visual inferior a 0,3, até percepção de luz;
Campo visual inferior a 10º do seu ponto de fixação;
Capacidade de utilização da visão para planejar e executar tarefas.
2.3.2 Cegueira
Segundo Conde (2012), “A cegueira total ou simplesmente AMAUROSE, pressupõe completa perda de visão. A visão é nula, isto é, nem a percepção luminosa está presente.” Na visão pedagógica, cego é aquele que necessita de instrução em Braille (processo de escrita e leitura baseado em símbolos em relevo) ou através de softwares de leitura de textos (CONDE, 2012).
2.4 ELETRÔNICA
De acordo com Turner (1984), a Eletrônica é definida como o ramo da ciência e da tecnologia responsável por estudar os fenômenos de condução de eletricidade num vácuo, num gás, e nos semicondutores, e a utilização dos dispositivos baseados nestes fenômenos. British Standard 204: 1960-11029.
No ano de 1897, Sir J. J. Thomson havia confirmado a existência do elétron como uma carga negativa de eletricidade. No entanto, a expressão “Eletrônica” não foi aceita na Inglaterra durante muitos anos, apenas quando foi “importada” dos Estados Unidos da América, por volta de 1940. Porém, sua aceitação geral não foi obtida até depois da II Guerra Mundial. A palavra Eletrônica pode ser definida como um ramo da ciência elétrica. No caso, a esmagadora maioria dos componentes na
Engenharia Eletrônica, incluindo resistores, capacitores, indutores, etc., todos eles são constituídos inteiramente de dispositivos elétricos (TURNER, 1984).
2.4.1 A Eletrônica no Século XIX
Por mais que a Eletrônica tenha aparecido como uma atividade somente no século XX, os fenômenos fotoelétrico, termiônico, dos semicondutores e o da descarga em gases foram todos descobertos no século XIX. Porém, eles foram representados principalmente como curiosidades científicas, com poucas aplicações fora de laboratório (TURNER, 1984).
2.4.2 A Eletrônica no Século XX
O surgimento da Eletrônica deu-se através da radiocomunicação, embora, de início, ela não tenha sido de caráter reconhecidamente eletrônico. A eletrônica termiônica surgiu em 1904, quando Fleming usou uma das lâmpadas experimentais de Edison como um retificador de sinais de rádio. Em 1907, Dr. Lee de Forest havia anunciado uma válvula com um terceiro elétrodo. A mesma, segundo seu inventor, seria capaz de amplificar sinais fracos. No início, o funcionamento do tríodo não estava sendo completamente compreendido, aliado a um desempenho irregular. Em meados de 1913, surge o primeiro a patentear o oscilador a válvula. Já na I Guerra Mundial, surge o aceleramento do desenvolvimento da mesma, e potências de transmissão mais altas começaram a ser obtidas utilizando as válvulas em paralelo. O fim da I Guerra Mundial constituiu uma reviravolta na história da Eletrônica. Até então, a radiocomunicação era o único setor no qual havia tido aplicações de dispositivos eletrônicos, porém, a partir dali, a era da diversificação estava prestes a começar (TURNER, 1984).
2.5 SENSORES
A definição de sensor está associada à designação de dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente, podendo ser luminosa, térmica, cinética, e as relacionando com informações respectivas a uma grandeza que precisa ser medida, como temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição etc.,
conforme a Figura 1 (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
Ainda, de acordo com Thomazini e Albuquerque (2011), um sensor pode nem sempre ter as características elétricas necessárias para a utilização do mesmo em um sistema de controle. Geralmente o sinal de saída precisa ser manipulado antes da sua leitura no sistema de controle. Isto normalmente é realizado através de um circuito de interface para produção de um sinal para que seja lido pelo controlador.
Há casos em que a saída de um sensor, quando atuada por uma energia externa, possui um nível de tensão muito baixo, sendo necessária uma amplificação para elevar o nível do sinal para uma efetiva utilização. Na Figura 1, são representados alguns tipos de sensoriamento (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
Figura 1 – Exemplificação de sensores.
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2011, p. 16).
2.5.1 Sensores analógicos
Este tipo de sensor tem em sua saída qualquer valor de atribuição ao longo do tempo, não ultrapassando os limites da sua faixa de operação. Exemplos de algumas grandezas que possuem este comportamento são: distância, força, luminosidade, pressão, temperatura, velocidade, entre outros. São variáveis mensuradas por elementos sensíveis em sistemas com circuitos eletrônicos não digitais (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
2.5.2 Sensores digitais
nenhuma grandeza física capaz de assumir seus valores de saída ao longo do tempo, sendo eles interpretados apenas como zero ou um. Após a conversão destes valores pelo circuito eletrônico do transdutor, os mesmos podem ser mostrados ao sistema de controle (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
2.5.3 Sensores de proximidade
O princípio de funcionamento desta categoria se dá a partir da proximidade do sensor a determinado objeto. Os sensores do tipo indutivo detectam a alteração em um campo eletromagnético, sendo propícios para uma aplicação em objetos metálicos. Já os capacitivos detectam alterações em um campo eletrostático, sendo utilizados para objetos isolantes. Os do tipo ultrassônicos usam ondas acústicas e ecos, próprios para utilização em objetos de grandes proporções. Sensores do tipo fotoelétrico detectam variações de luz infravermelha recebida. Já os de efeito Hall são capazes de detectar alterações de campo magnético. A Tabela 1 apresenta as principais vantagens e desvantagens de cada tipo de equipamento (MORAES e CASTRUCCI, 2013).
Essas observações, caracterizando os tipos mais comuns de sensores capazes de serem utilizados, são importantes, nesse momento, para permitir uma visualização das possibilidades de cada tipo. O protótipo, a ser construído, deverá atender o número máximo de possibilidades de uso, sem colocar em risco a vida do seu usuário.
Pelo fato de existirem vários obstáculos não metálicos no ambiente em que o usuário se desloca rotineiramente, como móveis de madeira, árvores, muros, postes de concreto, o uso de sensores indutivos no projeto acaba sendo ineficiente. Os capacitivos são limitados pela faixa curta de medição, dificultando um aviso prévio ao usuário. Na Tabela 1, podemos ver detalhadamente as principais vantagens e desvantagens de cada tipo de sensor.
Tabela 1 – Tipos de sensores e suas vantagens e desvantagens.
SENSORES VANTAGENS DESVANTAGENS
Indutivos Resiste a ambientes severos
Muito previsível
Fácil instalação
Não depende da superfície do objeto
Limitação de distância
Detecta principalmente materiais metálicos
Sensível a interferências eletromagnéticas
Capacitivos Detecção através de algumas embalagens
Pode detectar materiais não-metálicos
Distâncias curtas de detecção
Muito sensível a mudanças ambientais
Não é seletivo em relação ao alvo
Óticos Pode ser usado com qualquer material
Faixa grande de medição
Resposta rápida
Pode retirar o ruído ambiente
Permite o uso de fibras ópticas
Lentes sujeitas à contaminação
Faixa afetada pela cor e refletividade do alvo
Mudança de ponto focal pode modificar o desempenho
Objetos brilhantes podem interferir
Ultrassônicos Pode medir distâncias longas
Pode ser usado para detectar muitos materiais
Resposta linear com a distância
Requerem um alvo com área mínima
Apresentam distâncias mínimas de trabalho
Resolução depende da frequência
Sensível a mudanças do ambiente
Não funciona com materiais de baixa densidade
Efeito Hall Fácil instalação
Resposta rápida
Baixo custo
Não é seletivo em relação ao alvo
Sensível a interferências eletromagnéticas
O alvo deve ter um ímã fixado Adaptado de: Moraes e Castrucci (2013, p. 49).
Testes iniciais serão realizados com o tipo ultrassônico por possuir uma quantidade maior de materiais que possam ser detectados pelo mesmo.
2.6 TRANSDUTORES
Denomina-se transdutor um dispositivo completo, contendo o sensor, capaz de transformar uma grandeza qualquer em outra para que possa ser utilizada em dispositivos de controle. O mesmo transforma uma grandeza física em um sinal que pode ser de tensão ou de corrente, para então ser interpretado pelo sistema de controle. (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
2.7 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Essa é uma área de muitas pesquisas e numerosas publicações. Muito antes do início da automação auxiliar as pessoas com necessidades especiais, já existiam bengalas, cadeiras de rodas e outros dispositivos (muitos mecânicos) que contribuíam decisivamente na inclusão desses indivíduos na vida em sociedade.
Nesta seção serão apresentados alguns estudos e publicações relevantes para o desenvolvimento deste trabalho.
2.7.1 Bengala inteligente para pessoas cegas
De acordo com Saaid, Mohammad e Ali (2016), as pessoas com deficiência visual são propensas a vários riscos cotidianos com obstáculos e objetos, podendo causar lesões ao indivíduo. Através de uma bengala inteligente disposta de sensores ultrassônicos, usados para medir a distância até o obstáculo, e de uma saída para fone de ouvido, utilizada para sonorizar e avisar ao utilizador os objetos à sua frente, isto seria capaz de facilitar a vida do deficiente visual. O aparelho tem uma detecção de 20 cm a 250 cm à sua frente, possui uma alimentação através de bateria recarregável e equipado com um controlador myRIO1900 para processar os sinais de entrada e saída.
O design de hardware e a implementação de algoritmos está relacionado aos aspectos em foco neste presente trabalho. O dispositivo é construído de forma portátil, podendo ser instalado em qualquer design de cano. Abaixo, podemos ver o projeto desenvolvido na prática. A Figura 2 mostra a estrutura física do dispositivo criado.
Figura 2 – Sistema de bengala inteligente.
Fonte: Saaid, Mohammad e Ali (2016, p. 226).
O princípio de funcionamento deste projeto pode ser transcrito da seguinte maneira: primeiramente, aperta-se o botão para inicializar o dispositivo. Na sequência, um loop é utilizado para ler as informações recebidas dos sensores. Caso não haja informações, o loop segue em funcionamento até o surgimento das mesmas. Quando algum obstáculo é detectado, o controlador calcula a distância do sensor até o objeto através da velocidade da onda sonora e avisa o usuário da distância entre ele e o objeto. As distâncias variadas são diferenciadas através do som na saída, quanto mais próximas ao usuário, maior frequência terá o som na saída. A Figura 3 mostra o princípio de funcionamento deste projeto (SAAID, MOHAMMAD e ALI, 2016).
Figura 3 – Diagrama de blocos do funcionamento.
Adaptado de: Saaid, Mohammad e Ali (2016, p. 227).
Testes foram realizados nas duas extremidades da bengala para analisar qual seria a melhor posição para o sensor. Os resultados mostram que, tanto na posição superior quanto inferior, para um ângulo de 45º, este tipo de sensor não é adequado, uma vez que o desvio da medição é muito distante comparado a outras configurações deste sensor. Para obstáculos medianos e altos, com o sensor localizado na parte inferior com um ângulo de 45º, os resultados alcançados foram muito próximos à distância real. No entanto, o seu desempenho para obstáculos baixos é insuficiente. Com o dispositivo localizado na parte inferior, torna-se mais propenso o contato com a poeira, areia e lama, podendo ficar alojados nos sensores e assim dificultando a sua medição. Nas Figuras 4 e 5 é possível visualizar a alocação do dispositivo de sensoriamento em diferentes posições (SAAID,
MOHAMMAD e ALI, 2016).
Figura 4 – Dispositivo localizado na parte inferior.
Adaptado de: Saaid, Mohammad e Ali (2016, p. 227).
Como alternativa, podemos fixar o dispositivo na parte superior da bengala. Para esta configuração, os obstáculos mais baixos registraram um desvio não superior a 12,5% comparado à distância real. Além disso, as medições obtidas foram quase constantes e, portanto, esta posição se torna a mais confiável para a aplicação do dispositivo (SAAID, MOHAMMAD e ALI, 2016).
Figura 5 – Dispositivo localizado na parte superior.
Adaptado de: Saaid, Mohammad e Ali (2016, p. 227).
Em termos gerais, o estudo foi desenvolvido com sucesso, analisando com êxito qual a melhor posição para a aplicação do dispositivo, alertando dos
obstáculos na rota dos usuários com deficiência visual (SAAID, MOHAMMAD e ALI, 2016).
2.7.2 Sistema de navegação – caminhador inteligente
O sistema criado para auxiliar deficientes visuais a partir de um caminhador inteligente pode ser visto na Figura 6.
Figura 6 – Modelo real do projeto.
Fonte: Wachajaet al. (2015, p. 6014).
Este projeto é um sistema pertence ao campo da navegação assistida por robôs, utilizando sistemas de alto nível para rastreamento do usuário ao longo de uma rota específica. É um projeto que vai além dos sistemas eletrônicos convencionais de locomoção para cegos. Todas as decisões são tomadas pelo sistema de forma autônoma, sem o usuário ter participação direta sobre elas. Segundo o autor, os usuários cegos preferem não receber orientações através de sinais de áudio, pelo fato do canal auditivo ser utilizado para uma grande quantidade de tarefas do cotidiano. Para o desenvolvimento do projeto, houve todo um estudo
anterior sobre como o ser humano reage com as mudanças no sinal de navegação. Foi usado dois sensores a laser: o primeiro, fixo em relação ao andador e assim calcula-se a posição e orientação do andador em relação ao tempo baseado nas medidas deste sensor. O segundo sensor é respectivamente inclinado através de um servo motor para detectar uma dimensão tridimensional ao seu redor. O módulo utilizado para o planejamento da rota é baseado no algoritmo de Dijkstra, considerando o mapa e seus obstáculos detectados. Para entendermos melhor o que é o algoritmo de Dijkstra, vejamos o seguinte exemplo prático: um viajante necessita deslocar-se de uma cidade a outra, dispondo de várias estradas para chegar ao seu destino. Utilizando este algoritmo, podemos descobrir qual das estradas oferece a menor distância. Normalmente, o mapa é criado através de uma localização simultânea e o algoritmo de mapeamento, mas o sistema também é capaz de lidar com o mapeamento, planejamento e processo de localização em paralelo. Neste caso, o planejador as regiões exploradas e estimula a descoberta de regiões inexploradas para estimar uma rota para o destino desejado (WACHAJA et al., 2015).
2.7.3 Vara de passeio eletrônica para deficientes visuais
De acordo com Chaurasia e Kavitha (2014), existem vários sistemas de orientação para auxiliar os deficientes visuais em sua rotina, como cães-guia ou uma bengala branca. Com o avanço da tecnologia, surgiram vários dispositivos e equipamentos capazes de facilitar a vida destes indivíduos. Como pode ser visto na Figura 6, este projeto foi desenvolvido com base em sensores a fim de detectar os obstáculos à frente do utilizador, estando equipado com sensores ultrassônicos para detectar objetos em uma escala de 20 cm a 350 cm e com sensores infravermelhos para a detecção de obstáculos mais próximos, como deformações no solo, variando entre 2 cm a 10 cm. Também estão acoplados sensores de vibração junto com um dispositivo usado para emitir um som de alerta. O microcontrolador utilizado é um ATmega328, acoplado em um Arduino. A estrutura do projeto pode ser vista na Figura 7.
Figura 7 – Estrutura do projeto.
Adaptado de: Chaurasia e Kavitha (2014, p. 2).
O sistema ainda conta com um interruptor GSM, designado a enviar mensagens de texto quando o usuário estiver em situações de emergência, uma espécie de “Help me”.
2.7.4 Sistema eletrônico ultrassônico de navegação
Uma empresa de Nova York, The Tactile Navigation Tools, está desenvolvendo uma jaqueta, capaz de alertar os usuários dos obstáculos com vibrações em diferentes partes do corpo, dependendo da localização dos mesmos. Porém, esta roupa de alta tecnologia não necessariamente terá o seu uso destinado a pessoas cegas, devido ao seu peso e a dificuldade de vesti-la.
Um novo projeto que será apresentado abaixo utiliza um microcontrolador ATmega328P, dois sensores ultrassônicos e dois motores de vibração servindo como saída do sistema. Um dos sensores é utilizado para detectar os objetos próximos ao usuário, e o outro detecta os objetos mais distantes. Todos estes componentes são incorporados usando uma linguagem de programação C. A jaqueta é ilustrada na Figura 8 (TUDOR, DOBRESCU, L. e DOBRESCU, D., 2015).
Figura 8 – Jaqueta de alta tecnologia.
Adaptado de: Tudor, Dobrescu, L. e Dobrescu, D. (2015, p. 1).
Para a utilização do sistema de compilação do Arduino, uma linguagem C++ foi implementada, com a finalidade de fazer correlações entre as informações dos sensores e o ambiente. O tempo entre a onda emitida e recebida é registrada em um temporizador, que é convertido em distância através da velocidade do som. Como é um projeto aberto a inovações, futuramente deseja-se implementar outros recursos, tais como (TUDOR, DOBRESCU, L. e DOBRESCU, D., 2015):
Processamento de imagem e vídeo;
O sensor ultrassônico poderá ser substituído pela tecnologia LIDAR, com uma medição de distância mais precisa e uma resposta mais rápida;
Controlador PID – proporcional, integral, derivativo – para minimizaçãodos erros existentes.
2.7.5 Sistema com detecção 3D para auxílio a cegos
Com o auxílio de um sensor de profundidade, o dispositivo denominado OSF – Obstacle Stereo Feedback (Retorno de obstáculos em modo estéreo) – detecta coordenadas 3D em forma de pontos no espaço e alerta o usuário através de uma saída sonora. Semelhante a outros sistemas virtuais acústicos, o OSF é capaz de criar um ambiente de som estéreo em 3D, mais eficaz que a utilização de outros tipos de sensores como sons, câmeras, etc. É um dispositivo que mantém as mãos e ouvidos livres, não interferindo na percepção de outros sons presentes no ambiente.A posição do obstáculo pode ser transcrita utilizando um vetor de três coordenadas: distância em relação ao usuário e direções na horizontal e na vertical do obstáculo. Estes pontos são detectados através de um sensor do tipo Kinect RGB-D – Red, Green, Blue and Depth (detecção das cores vermelho, verde, azul e da profundidade) (LI et al., 2015).
O sistema é implementado na plataforma do Sistema Operacional Robótico, disponível no Ubuntu. Utiliza-se um laptop para o processamento das informações, e um segundo como alto-falante e microfone. A necessidade de utilização de dois laptops se dá pelo fato de termos uma demanda muito alta de largura de banda para a execução do Kinect RGB-D em uma ASUS Xtion PRO, impossibilitando o uso de outros dispositivos no mesmo laptop. O modelo do Kinect é apresentado na Figura 9 (LI et al., 2015).
Figura 9 – Sistema de coordenadas do sensor.
Adaptado de: Li et al. (2015, p. 2308).
O usuário a seguir faz uso do dispositivo e, para sua locomoção, carrega o laptop em uma mochila como é mostrado a seguir. O sensor RGB-D detecta as informações de profundidade e converte em pontos 3D no espaço (LI et al., 2015). A Figura 10 ilustra o cenário criado para a detecção de obstáculos localizados na rota do deficiente visual.
Figura 10 – Realização de testes com usuário.
Fonte: Li et al. (2015, p. 2310).
Um grande empecilho para este projeto é a necessidade de transporte dos dois laptops durante todo o uso do dispositivo de detecção, devido ao grande processamento de imagens. Na Figura 11, podemos observar os dados iniciais obtidos pelo sensoriamento.
Figura 11 – Dados obtidos de RGB-D do espaço frontal.
Fonte: Li et al. (2015, p. 2310).
Através do algoritmo RANSAC – Random Sample Consensus (Consenso de Amostragem Aleatória, em uma tradução livre) capaz de montar modelos de forma robusta na presença de dados dentro e fora da área predefinida, obtém-se o resultado demonstrado na figura abaixo. Os pontos em verde correspondem aos dados dentro da área predefinida de locomoção no ambiente interno, a parte azul representa aos pontos fora da área predefinida e o ponto em vermelho representa o objeto mais próximo ao usuário. A Figura 12 ilustra o procedimento citado (LI et al., 2015).
Figura 12 – Aplicação do modelo.
Fonte: Li et al. (2015, p. 2311).
Depois de adquirir o ponto em vermelho, é possível ter a representação dele como um vetor de três coordenadas, com a possibilidade de integrá-lo ao sistema de áudio em 3D, para a percepção da localização do mesmo no espaço (LI et al., 2015).
2.7.6 Tecnologia Assistiva
“Para as pessoas sem deficiência a tecnologia torna as coisas mais fáceis. Para as pessoas com deficiência, a tecnologia torna as coisas possíveis” (RADABAUGH, 1993).
Tecnologia Assistiva - TA é um termo ainda novo, que é utilizado na identificação de recursos e serviços capazes de contribuir para auxiliar nas habilidades funcionais de pessoas, prejudicadas seja pela deficiência ou pelo envelhecimento, contribuindo para promover uma vida mais independente (BERSCH & TONOLLI, 2006).
Existem diferenças entre TA e demais tecnologias, como as aplicadas na medicina, por exemplo. Na área da saúde, o avanço da tecnologia pode auxiliar em
diagnósticos no tratamento de doenças, em execuções cirúrgicas e na reabilitação de movimentos, contribuindo com a força muscular e o equilíbrio. Entretanto, estes equipamentos são apenas tecnologias médicas ou de reabilitação e, portanto, não se encaixam no conceito de Tecnologia Assistiva (BERSCH, 2013).
Os recursos de tecnologia assistiva estão muito próximos do nosso dia-a-dia. Ora eles nos causam impacto devido à tecnologia que apresentam, ora passam quase despercebidos. Para exemplificar, podemos chamar de tecnologia assistiva uma bengala, utilizada por nossos avós para proporcionar conforto e segurança no momento de caminhar, bem como um aparelho de amplificação utilizado por uma pessoa com surdez moderada ou mesmo veículo adaptado para uma pessoa com deficiência (MANZINI, 2005, p.82).
Uma das características no uso da TA é desenvolver uma autonomia aos usuários. O aprendizado e a adaptação do usuário são cogitados como pontos essenciais para que não se realize o abandono do dispositivo e, consequentemente, a perda do investimento (BERSCH, 2013).
3 PROTÓTIPO DE SISTEMA AUXILIAR PARA DEFICIENTES
VISUAIS
O objetivo é criar um sistema capaz de detectar os obstáculos na rota de um deficiente visual. Utilidade e confiabilidade tornam-se uns dos pontos mais importantes na execução deste projeto. Para isso, a escolha dos componentes, placas e circuitos que serão empregados é de suma significância e deve atender a todos os requisitos apresentados.
3.1 REQUISITOS
Para o sistema funcionar adequadamente, deverá ser explícito e designado os tipos de sensores, atuadores e microcontroladores a serem utilizados. Em um primeiro momento, testes serão realizados utilizando a plataforma Arduino, contendo o microcontrolador ATmega328/P. Referente aos sensores será verificado se os ultrassônicos correspondem ou não à proposta do dispositivo no quesito eficiência, precisão, exatidão e viabilidade. No próximo item, dar-se-á início ao projeto.
3.2 PROTÓTIPO
Para desenvolver o protótipo serão utilizados os recursos da eletrônica que, através do avanço da tecnologia, obtiveram também uma grande evolução. Assim, é possível desenvolver um projeto com certa facilidade na questão de encontrar componentes e dispositivos que cumprem com o propósito desejado.
3.2.1 Protótipo versão 1
Este primeiro protótipo corresponde ao uso da plataforma Arduino composta com o microcontrolador ATmega328 em sincronia com o sensor ultrassônico HC-SR04. A alimentação será feita através de uma bateria recarregável Power Bank. O alerta ao usuário se dá através de um Buzzer – componente eletrônico que emite uma frequência sonora quando energizado. Os componentes utilizados e a montagem para testes iniciais são vistos a seguir.
3.2.1.1 Arduino UNO + ATmega328/P
De acordo com o desenvolvedor, Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardware e software fáceis de usar. As placas Arduino são capazes de ler entradas - luz em um sensor ou um dedo em um botão - e transformá-lo em uma saída - ativando um motor ou acendendo um LED. É possível enviar um conjunto de instruções para o microcontrolador utilizando a linguagem de programação do Arduino e o software Arduino (IDE), com a finalidade de processar todas as informações e compilá-las no hardware.
Ainda, de acordo com o desenvolvedor, o Arduino tem sido o cérebro de milhares de projetos ao longo dos anos, desde projetos simples até os mais complexos. O público-alvo se torna bastante variado: estudantes, programadores, profissionais e hobbistas desfrutam desta plataforma de código aberto, contribuindo e somando um grande conhecimento a novatos e especialistas.
De acordo com a Atmel (2016), o ATmega328/P é um microcontrolador de 8
bits1 de baixo consumo de energia, baseado na arquitetura AVR®2RISC3
aprimorada, é um dispositivo otimizado para, mesmo consumindo pouca energia, ter um grande processamento e rapidez. Na Figura 13, podemos ver a estrutura física do dispositivo destacado neste item.
Figura 13 – Arduino Uno R3 com Atmega328/P.
Fonte: (APRENDENDO FÍSICA, 2017).
1
Menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida.
2 Microcontrolador de chip único com uma arquitetura Harvard modificada de 8 bit. 3 Linha de arquitetura de processadores com um conjunto reduzido de instruções.
3.2.1.2 Sensor ultrassônico HC-SR04
O sensor ultrassônico HC-SR04 é capaz de medir distâncias de 2 centímetros a 4 metros, com ótima precisão e baixo preço. Sua alimentação deve ser realizada com 5 Volts em corrente contínua, possuindo uma corrente de operação igual a 2 mA e, portanto, podendo ser utilizado no Arduino. A forma física do sensor pode ser vista na Figura 14.
Figura 14 – Sensor HC-SR04.
Fonte: (O MECATRÔNICO, 2013).
O funcionamento deste sensor é baseado do envio de sinais ultrassônicos que, quando encontram um obstáculo, são refletidos e retornam ao sensor. A distância entre o objeto e o sensor é calculada através do tempo em que o sinal enviado leva para retornar. A Figura 15 ilustra o funcionamento do sensor.
Figura 15 – Detecção de objeto com o sensor HC-SR04.
3.2.1.3 Montagem
Em um primeiro momento, testes foram realizados em uma Protoboard, ferramenta de grande utilidade na montagem de circuitos eletrônicos pela não necessidade de solda dos componentes na ligação dos mesmos. O teste inicial pode ser visualizado na Figura 16.
Figura 16 – Protótipo versão 01.
Fonte: Autor.
Devido o sensor HC-SR04 possuir um ângulo de medição de 15º, a utilização de apenas um sensor torna-se pouco confiável na captação dos obstáculos. Como solução ao problema abrangendo a versão inicial, houve a implementação de um segundo sensor do mesmo tipo, que obteve uma grande melhora na área de captura dos obstáculos. Agora, o protótipo reconhece e diferencia obstáculos localizados mais à esquerda ou à direita na rota do usuário. O código necessitou de alterações para executar a integração com este novo sensor. O esquema pode ser visto na
Figura 17.
Figura 17 – Protótipo com 2 sensores.
Fonte: Autor.
Após os testes na Protoboard a fim de calibrar as distâncias favoráveis ao uso do aparelho em ambiente externo, os dispositivos foram acoplados em um cinto de couro, modelo padrão. O microcontrolador, a bateria para a alimentação do projeto e demais placas foram fixadas em uma caixa de acrílico. A Figura 18 mostra o fluxograma de funcionamento da parte de sensoriamento do projeto.
Figura 18 – Fluxograma de funcionamento.
Fonte: Autor.
Quando um obstáculo é detectado, o aviso ao usuário irá depender da distância em que ele se encontra do obstáculo. Quanto mais perto ele estiver, menor será o período entre um beep (aviso pulsante) e outro. Na Figura 19, podemos
observar a montagem inicial do protótipo para testes móveis. Figura 19 – Montagem provisória do protótipo.
Por se tratar de uma montagem provisória apenas para realização de testes, os sensores ultrassônicos foram fixados no cinto de couro através de abraçadeiras de nylon, bem como a sua caixa contendo todo o circuito e alimentação.
3.2.2 Protótipo versão 2
O ambiente externo é um local onde podem existir diversos empecilhos que dificultam o deslocamento diário dos seres humanos com deficiência visual. A presença de escadarias em locais públicos, comerciais e até residenciais torna-se um desafio para estas pessoas transitarem sem a ocorrência de quedas, que, dependendo da altura em questão, podem ser até fatais.
Um novo recurso adicionado ao protótipo será o reconhecimento de degraus para que o problema acima possa ser solucionado. O recurso consiste na inserção de um terceiro sensor ultrassônico do mesmo modelo aos anteriores, porém este instalado com um ângulo de 40º em relação ao solo. Em tese, o sensor há de captar sempre a mesma distância quando o usuário estiver caminhando, então, quando ocorrer medições de distâncias maiores, significa que há modificações no solo, que podem ser escadarias, buracos ou até mesmo abismos. Para uma melhor compreensão, o esquema será ilustrado na Figura 20.
Figura 20 – Esquema utilizado na detecção de modificações no solo.
Fonte: Autor.
A figura acima demonstra o funcionamento deste recurso, o traço em vermelho corresponde à distância do usuário ao solo, sempre a mesma em
superfícies regulares. Quando esta distância aumenta de forma brusca, sabemos que o cego deverá parar imediatamente e redobrar a sua atenção.
3.2.2.1 Altura do usuário
De fato, cada usuário possui uma altura “x” em metros. Este parâmetro modifica a confiabilidade do novo recurso, já que a distância entre a cintura do usuário até o solo será específica em cada pessoa. O código desenvolvido será capaz de detectar e armazenar esta distância quando o dispositivo for ligado e, em seguida, executar uma varredura automática a todo instante para verificar se há alterações neste valor tido como referência. Deve-se considerar uma margem de erro pelo fato do sensor não possuir uma precisão e exatidão de 100%. Por exemplo, um usuário de 1,79m de altura possui uma distância da sua cintura até o solo, considerando o ângulo de 40º, de 125 centímetros. Para valores maiores que 129 centímetros (utilizando uma margem de erro de 4 centímetros), o Buzzer é acionado de forma constante para que o deficiente visual saiba que deve parar e seguir em outra direção, ou então, caminhar vagarosamente até a detecção do primeiro degrau, sendo o caso de uma escadaria.
3.2.3 Protótipo versão 3
Posteriormente, o componente SIM800L foi adicionado ao projeto. Trata-se de um módulo GSM - Global System for Mobile Communications, que significa Sistema
Global para Comunicações Móveis. Ele consiste em um pequeno dispositivo que suporta um cartão SIM, do inglês Subscriber Identity Module – Módulo de
Identificação de Assinante, o mesmo usado em nossos aparelhos celulares para ligar para outro aparelho, armazenar números na agenda telefônica, mensagens de texto e outras informações.
Vinculado ao Arduino, o SIM800L é capaz de enviar uma mensagem de texto para um número de telefone inserido na linguagem de programação interpretada pelo microcontrolador. Assim, quando o usuário necessitar de ajuda (por estar possivelmente perdido), ele simplesmente pressiona um botão e automaticamente é enviado um SMS com uma mensagem de socorro ao telefone do familiar ou da pessoa de confiança cadastrada no módulo. Na Figura 21, podemos observar a
estrutura física do mesmo.
Figura 21 – Módulo SIM800L.
Fonte: (LinkSprite Playground, 2016).
Como o módulo necessita de uma tensão entre 3,7 e 4,2 Volts e uma corrente de 2000 mA disponível para o sucesso no envio do SMS, o mesmo não pode ser alimentado através das portas do Arduino, que transmitem no máximo 50 mA. Então, houve a necessidade do projeto de um divisor de tensão para ligá-lo à mesma bateria Power Bank que alimenta o Arduino. O esquema pode ser visualizado na Figura 22.
Figura 22 – Divisor de tensão.
Fonte: Autor.
A equação padrão do divisor de tensão pode ser vista abaixo: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 . 𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
Sabendo-se que a entrada Vin é 5 Volts e a saída Vout deve ser 4,2 Volts, obtém-se a seguinte relação entre R1 e R2:
𝑅2
𝑅1= 5,25 Estabelecendo que R1 seja 680 Ω, tem-se:
𝑅2 = 5,25 . 680 = 3570 ≅ 3,6 𝑘Ω
Assim, o módulo SIM800L pode ser alimentado em uma tensão de 4,2 Volts através do Power Bank.
3.2.4 Protótipo versão 4
Alertar uma pessoa de confiança do usuário por meio de uma mensagem de texto apenas com o conteúdo, por exemplo, “Socorro! Estou em perigo!” pode se transformar em um recurso pouco inteligente agregado ao projeto. Como solução, será acoplado um módulo GPS, do inglês Global Positioning System, que significa
Sistema de Posicionamento Global. Trata-se de um dispositivo que funcionará em conjunto com a plataforma Arduino, informando ao microcontrolador a localização do
usuário, enviando dados referentes a latitude e longitude. Quando o usuário estiver em perigo ou apenas perdido, o número de telefone do familiar cadastrado no código receberá um link compatível com a plataforma Google Maps, sendo necessário apenas um clique para localizar o deficiente visual através das coordenadas recebidas pelo microcontrolador. O familiar poderá visualizar, também, a data e hora referentes à aquisição das mesmas. Na Figura 23, podemos observar o aspecto físico do módulo.
Figura 23 – Módulo GPS GY-NEO6MV2.
Fonte: (Fritzing, 2016).
Trata-se de um módulo comumente utilizado em projetos para Arduino que contenham a finalidade de localização por ter um custo relativamente barato em relação aos outros, possuindo uma ótima precisão.
3.2.4.1 Alterações no esquema de sensoriamento
Em um primeiro momento, foram utilizados sensores para a detecção de obstáculos à esquerda e à direita na rota do usuário. Nesta nova versão, haverá uma alteração no posicionamento destes três sensores pertencentes ao projeto. O primeiro sensor continuará detectando obstáculos à frente, sendo fixado paralelamente ao corpo do usuário, o segundo fará o controle das deformações na superfície do solo e o terceiro será retirado da parte frontal (que até então estava localizado no mesmo sentido do primeiro sensor) e será inclinado com um ângulo de
45º para cima, detectando possíveis galhos de árvores, vigas, entre outros obstáculos que são perigosos na rotina do deficiente visual e não são detectados por uma bengala comum. O suporte de alumínio utilizado para testes pode ser visto na Figura 24.
Figura 24 – Testes realizados com um suporte de alumínio.
Fonte: Autor.
Primeiramente, o aviso ao usuário estava sendo realizado através de dois Buzzers passivos (modelo que necessita apenas energizá-lo para inibir o som) com diferentes amplitudes, um para determinar os obstáculos e outro responsável pelo aviso de modificações no nível do solo, como escadarias. Isto era possível conectando apenas um resistor em série a um dos Buzzers.
Em testes realizados utilizando Buzzers ativos - modelo que permite um ajuste da frequência a ser inibida (através da programação), houve um conflito entre a biblioteca NewPing, utilizada para os sensores ultrassônicos, e a função tone(), destinada a este modelo de Buzzer. Após pesquisas, o problema foi solucionado com a descoberta da biblioteca NewTone, que possui a mesma finalidade do recurso
tone(), mas que obteve compatibilidade com a NewPing.
3.2.4.2 Placas de circuito impresso
Para diminuir o número de fios e falhas do circuito, foram confeccionadas duas placas. A primeira, mais simples, destina-se à união dos fios provenientes dos sensores, pelo fato de que há três conexões comuns entre os sensores: a alimentação Vcc (sendo esta 5 Volts), o ponto Gnd – Terra e o pino Trigger (responsável pelo envio da onda de ultrassom que, caso seja refletida por algum objeto, será receptada pelo pino Echo). O pino Echo torna-se o único a ser diferenciado entre os sensores, para obter a distância dos obstáculos detectados por cada sensor em específico. Inicialmente, esta parte do circuito era composta por doze fios, quatro provenientes de cada sensor. Agora, tem-se um total de seis fios para os três sensores, diminuindo a totalidade inicial pela metade. O resultado pode ser visto abaixo, na Figura 25.
Figura 25 – Placa para a união dos pinos dos sensores.
Fonte: Autor.
módulos e componentes eletrônicos. O circuito foi desenvolvido no software Proteus. Primeiramente utilizando a ferramenta ISIS, todas as ligações e conexões foram devidamente executadas. Após isso, importou-se o circuito para a ferramenta ARES e assim foi possível o ajuste e a disposição das trilhas e conexões da placa. As Figuras 26 e 27 demonstram o circuito nas plataformas ISIS e ARES, respectivamente.
Figura 26 – Esquema do circuito desenvolvido com a ferramenta ISIS.
Figura 27 – Circuito importado para a ferramenta ARES.
Fonte: Autor.
Depois de impresso em Papel Fotográfico tamanho A4, utilizou-se um ferro de passar roupas para transferir o desenho do circuito à placa de cobre. Com o papel sobreposto à face de cobre, o ferro foi pressionado sobre toda a superfície da placa durante três minutos. Depois, a placa de cobre foi mergulhada em um recipiente com percloreto de ferro para, assim, remover as camadas de cobre não pertencentes às trilhas do circuito. Após isso, todo o circuito foi reforçado com estanho e todos os respectivos componentes eletrônicos foram soldados na placa. O aspecto final da placa pode ser visto na Figura 28.
Figura 28 – Resultado final da placa.
Fonte: Autor.
3.2.5 Versão final
Pelo fato da placa construída anteriormente ocupar um espaço relativamente grande, optou-se por uma compactação no projeto. Um modelo de recipiente destinado à organização de porcas e parafusos foi reaproveitado para utilizar no protótipo. O mesmo foi perfurado para alocação dos sensores, do Buzzer e também para a fixação dos botões adicionados ao projeto (de energização e um pequeno
push-button atribuído para o envio da mensagem de texto em um momento de
emergência). Nele, estará contido todo o projeto, desde a parte de alimentação até os módulos e demais componentes eletrônicos. O resultado final do protótipo é visto a seguir, na Figura 29.
Figura 29 – Protótipo versão final.
Fonte: Autor.
Pode-se perceber na imagem a presença de dois botões Liga/Desliga, a justificativa para isto é que o nível de tensão que o módulo GSM/GPRS suporta em sua alimentação (3,7 a 4,2 Volts) é diferente dos demais, sendo assim não foi possível a união com os outros dispositivos (alimentados em 5 Volts), formando uma chave geral. O push-button para envio de SMS está localizado próximo ao sensor de monitoramento do solo, a fim de evitar pressionar o mesmo em momentos não desejados. Na parte traseira, o dispositivo possui um suporte para fixação em um cinto de couro.
3.2.5.1 Custo
Abaixo, na Tabela 2, encontram-se todos os itens utilizados no projeto e os seus respectivos valores, bem como o custo total do protótipo na versão final.
Tabela 2 – Lista de preço dos componentes utilizados.
Fonte: Autor.
Vale ressaltar que são valores referentes à compra de todos os itens em território brasileiro. Entretanto, se os mesmos fossem comprados através de importação, o valor final do projeto teria uma redução considerável.
4 TESTES, DISCUSSÃO E RESULTADOS
Este capítulo apresenta os testes executados com os protótipos desenvolvidos. Como forma de concatenar os resultados obtidos, serão abordadas informações para facilitar a compreensão dos objetivos alcançados, bem como a escolha de determinados componentes e os respectivos argumentos cabíveis para a utilização dos mesmos.
4.1 AVISO AO USUÁRIO
O sistema de beeps para alertar o usuário sobre os obstáculos em sua rota sofreu algumas alterações com o decorrer da evolução do projeto. A Tabela 3 mostra detalhadamente a resposta sonora do protótipo para cada situação em que haja obstáculos e/ou escadarias em sua versão final.
Tabela 3 – Aviso sonoro correspondente ao protótipo versão final.
Fonte: Autor.
Em razão de o sensor superior ser responsável apenas por captar obstáculos que possam causar danos na parte cerebral do usuário, a distância entre 0 e 50 cm torna-se ineficiente, lembrando que o sensor frontal executa o monitoramento desta área. Justifica-se, então, a ausência de aviso sonoro nesta faixa correspondente ao sensor superior. Já para o sensor inferior, destinado ao monitoramento do solo, apenas ocorrerá o aviso sonoro quando este detectar distâncias maiores do que o valor lido no momento em que o protótipo é ligado, sendo considerada a margem de erro. Vale ressaltar, ainda, que o aviso sonoro através dos Buzzers possui tons específicos para cada sensor, tornando-se possível conhecer a posição do obstáculo que se aproxima.
4.2 SENSOR HC-SR04
O Sensor HC-SR04 é relativamente limitado em alguns quesitos, entre eles a oscilação de resposta em determinados momentos e a necessidade de um obstáculo de tamanho considerável para a detecção do mesmo. No entanto, graças ao seu custo e fácil aquisição, tornou-se um componente viável para a execução do projeto. O sensor destinado à detecção de degraus (localizado mais abaixo no protótipo) é um dos mais prejudicados devido a essa oscilação. Por mais que se tenha considerado uma margem de erro na linha de programação, algumas variações podem se tornar empecilhos ao correto funcionamento desta função.
4.3 PORTAS SERIAIS
Após uma primeira tentativa de comunicar-se com os dois módulos, obteve-se o seguinte problema: a plataforma Arduino UNO não é capaz de executar a leitura de duas portas seriais ao mesmo tempo, e tanto o módulo GPS quanto o módulo GSM utilizam portas seriais para sua comunicação. Como solução, foi utilizado a função listen(), recurso que permite escolher a porta serial a ser "ouvida” em cada momento. No esquema a seguir, presente na Figura 30, é demonstrado o uso desta função.
Figura 30 – Exemplo do uso da função listen().
Adaptado de: (Arduino, 2017).
No exemplo acima, quando utilizamos o comando “porta1.listen();”, o Arduino “ouvirá” a porta serial designada como “porta1”. O mesmo procedimento é feito para trabalhar com as demais portas seriais, apenas é efetuada a alteração correspondente ao nome na parte do comando que antecede o “.listen();”.
4.4 MÓDULO GSM
Alimentando o módulo SIM800L através do Power Bank com o recurso do divisor de tensão, obteve-se o seguinte problema: não houve circulação de corrente necessária para o correto funcionamento do módulo, a mesma foi inibida pela presença dos resistores. Como possível solução, trocou-se o esquema do divisor de tensão por um Diodo Zener de 3,9 Volts, com a finalidade de obter uma tensão neste próprio valor nos terminais do diodo. A estrutura do diodo Zener pode ser vista na Figura 31.
Figura 31 – Diodo Zener.
Fonte: (LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA, 2013).
A característica principal dos diodos tradicionais é a condução de corrente elétrica apenas quando polarizados diretamente, caso contrário, a condução de corrente é interrompida. Quando a tensão reversa ultrapassa certo valor de ruptura, o componente é danificado. O diodo Zener, ao contrário do que acontece com um diodo comum, quando atinge a sua tensão de ruptura a mesma torna-se praticamente constante, independentemente do valor da corrente que passa pelo mesmo. Por esta característica, o diodo Zener é comumente utilizado como regulador de tensão.
4.5 ALIMENTADOR POWER BANK
Testes foram realizados utilizando a configuração citada no item anterior, com a presença do diodo Zener. Porém, como o alimentador em questão possui um pequeno circuito com um conversor para elevar a tensão das pilhas de 4,2 Volts a um nível de 5 Volts em sua saída USB, o mesmo estava limitando os picos de tensão necessários ao envio do SMS pelo módulo SIM800L, com a atuação do
