理工學院優秀專題競賽論文
盲人空間感知裝置之設計與實作
Development of a space perception tool for blind people
摘要
本裝置係為協助盲人進行空間感知之目的而生；利用紅外線感測裝置彌補盲人不具
備的視覺，並以小型馬達通知當事人障礙物之遠近。現今視障人士可用的空間感知裝置
與方法種類不少，譬如拐杖、導盲磚、導盲犬...等。上述工具是視障人士的得力助手，
但在較為複雜且不孰悉的環境中，這些工具有時無法令他們對空間進行正確的感知，帶
給他們一些潛在危險。為了解決上述問題，本專題發展了一個簡單的手套裝置，利用機
電整合技術，將紅外線感測器與振動馬達等零件用8051單晶片進行整合，令視障者可以
用手感知前方的障礙物，協助盲人對周遭空間進行感知，藉以改善盲人生活上的不便。
關鍵字：紅外線發射器、接收器、盲人空間感知裝置1.
前言
在室外，拐杖及導盲犬是盲人可依靠的工具； 但在室內，這些東西過於龐大較不便利。且室內〈尤 其是桌上〉有許多小障礙物，這些障礙物有時會帶 給視障人士無法預期的傷害。視障人士尚能賴以建 構空間感的還有觸覺與聽覺。聽覺可以進行超距感 測，但需要障礙物可以產生人聽得到的聲波才可加 以利用。觸覺無需障礙物產生任何波，但只能以人 手觸摸進行非常短距離、接觸式的感測。本專題則 將感測器加裝在手套上，讓感測器對觸摸不到的東 西進行感測，之後用振動的方式告知盲人，期使盲 人藉以進行「超距觸覺感測」！2.
文獻探討
在國內外的論文中，有許多作品都是利用紅外 線感測器[1,2,3]來做為研究，例如：機器人感測距 離應用、紅外線人體追蹤系統、車用倒車感測器。 一般機器人之所以能平穩地向前移動，乃因在 機器人上加裝感測器來測量前方距離，感測器的部 分以紅外線設置最為普及。當發射端發射出紅外線 光波時，經物體表面反射光波到接收端，得到能量 衰減的大小，然後計算出距離的相對關係。 紅外線裝置硬體[4]的架構有許多種，如圖1所 示，是把紅外線接收器與發射器並排，讓發射器不 斷發出紅外線光束，當接收器收到反射過來的光線 時，表示前方有物體或障礙。 圖1 紅外線發射器與接收器原理 圖2 紅外線發射與接收器機構設計 而圖2所示，它是使用一個紅外線[7][8]作為發 射接受器，為測量距離的元件。其主要是利用紅外 線對光源的感測波長而振盪，紅外線反射後能量變組別:□實作組□設計組
理工學院優秀專題競賽論文 化的光波去計算量測的距離。 在本專題中我們利用紅外線量測物體之距 離，目的是此方法較為簡單，亦較易與系統進行整 合。
3.
研究方法
3.1 研究原理
人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排 列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。其中紅 光的波長範圍為 0.62～0.76μm；紫光的波長範圍為 0.38～0.46μm。比紫光波長更短的光叫紫外線，比 紅光波長更長的光叫紅外線。我們採用人眼看不到 的紅外線還有其原理以達我們所需要的功能，以避 免光點的照射，干擾周遭的其他人。 紅外線感測器常採用熱電型紅外線光敏元件 和量子型紅外線光敏元件來製作。熱釋電紅外線感 測器就是採用熱電型紅外線光敏元件來製作。此類 感測器所採用的基本原理是熱釋電效應，即：當一 些晶體受熱
時，在晶體的兩端將會產生數量相等的 但正負相反的電荷，產生電極化現象。在熱電型紅 外線光敏元件兩端並聯上電阻，當元件受熱時，電 阻上就有電流通過，在電阻的兩端就能得到電壓訊 號。3.2. 設計
本專題所開發的裝置，其操作過程如下述：如 圖 3 所示，利用紅外線發射接收器放在手套上面， 當有障礙物的時候感測器就會偵測到，並將偵測到 的訊號傳遞到微處理器 8051 [5] 中進行處理，之後 發訊號給振動馬達，使馬達產生振動提醒有障礙物 在那裡。馬達振動的頻率可以依照物體的遠近而定 ，如：近的振動頻率高、遠的振動頻率低，如此一 來，視障人士可以用手的感覺在腦中建構一個空間 圖像，之後就可依據此空間圖像安全的在室內活 動。 訊號處理分成兩軟、硬體兩部分。在軟體的部 分，我們使用 KeilC 語言進行 8051 程式的編撰。利 用紅外線發射接收器的特性，偵測到東西時會顯示 0 代表已偵測到，而沒偵測到東西就會顯示 1 代表 沒偵測到。當顯示 0 的時候，就把訊號輸入到馬達 上，使馬達運轉，手就會感測到振動，這樣就能判 斷是否有障礙物在附近。 在硬體的部分，我們使用較為可靠的電路板。 再來就是將 8051、紅外線發射接收器、4069、7805、 電子零件……等做成一個電路板放在手套外部〈若 放在內部的話會使盲人的手不舒適〉。而放在外部 又怕水會淋濕電路板，使電路板無法正常運作，因 此還會在電路板上覆蓋防水布加以縫合。如此一來 ，電路板的放置位置就不會造成視障人士的麻煩及 不舒適的困擾等問題。 在介面方面，我們將紅外線發射接收器放在五 根手指頭上面，並且增加紅外線發射接收器的功率 來增加距離。馬達放在手背的位置，並以防水布覆 蓋縫合(避免水干擾到它的運作)。關於此，我們實 際進行多次測試，找出紅外線發射接收器放在那個 位置既不會使視障人士的手指不舒服外，並且感應 度極佳！ 圖3 構想圖 3.2.1 系統流程 利 用 紅 外 線 感 測 器 所 感 測 到 的 值 ， 傳 遞 給 ADC0804 將其類比信號轉為數位信號，再傳遞給 8051 讀取是否有障礙物在前，若有障礙物在前方， 將會傳遞信號給振動馬達，已告知前方有障礙物。 其流程如圖 4 所示。 圖 4 系統流程3.3 實驗設計與架設
3.3.1 電路設計 電路圖如圖 5 所示，使用錫焊將 8051、 ADC0804……等零件焊接在電路板上。 配置設備： (1)8051 晶片：中央處理器。 (2)ADC0804 晶片:類比轉數位。 (3)紅外線感測器：尺寸為 3mm。 (4)振動馬達 (5)電阻 (6)電容 (7)S9013 電晶體理工學院優秀專題競賽論文 圖 5 電路設計
4.
研究結果與討論
4.1 研究結果
我們用了兩種不同大小的發射器與接收器，分 別為 3mm 與 5mm，其結果如圖 6 所示。 圖 6 接收器與發射器大小距離偵測範圍 由上圖所示，可發現 5mm 所偵測出來的數值 比較穩定，因此我們採用 5mm 紅外線發射器與接 收器。 如圖 7 所示，我們將接收器的電阻不改變，去 變化發射器的電阻，可發現到，當紅外線發射器電 阻改為 10Ω時，它與接收器搭配是最為合適；反 之，如圖 8 所示，當我們將接受器改變電阻，而發 射器不改變時，可發現到差異並沒有很大的突兀。 圖 7 改變發射器電阻-接受器距離偵測範圍 圖 8 改變接收器電阻-發射器距離感測範圍4.2 差異比較
起初，測試時發現距離不到 10cm，因而利用 了電晶體的原理使整個電路的電流增大，成功的增 加了感測器的距離。 如圖 9 所示，當感測器與障礙物距離越短時， 所測得的電壓越低，所以我們在程式設計裡設定電 壓越低時，馬達震動越大；反之，電壓越高時，馬 達震動越小，直到某一定的值後，馬達即不震動， 意味這距離太遠，超出所能偵測的範圍。 圖 9 實體距離偵測範圍
5.
結論與建議
5.1 結論
此裝置能在有效距離 25 公分內偵測出障礙 物，並配合馬達的振動能有效辨別障礙物的方向， 所以此裝置有助於盲人在室內行走時，辨別附近障 礙物 ，且成本低廉與攜帶方便。5.2 未來目標
改善距離過短的、無法偵測斜面障礙、凹凸面 與角度問題，讓此手套能在室外使用。如圖 10 所 示，由於它有點重量，未來可將它減輕重量與微小 化，使盲人們使用起來更加方便、輕鬆。 cm V V cm理工學院優秀專題競賽論文 圖 10 盲人空間感知裝置
參考文獻
[1] 王唯儒、俞俊豪、羅士傑，《紅外線自動距離 感測裝置》，逢甲大學，2006 年。 [2] 林賢泰，《主動式紅外線感測距離延長之研 究》，明新科技大學電子工程研究所，2012 年。 [3] 陳志豪，《基於紅外線感測器之清潔機器人導 航設計》，國立交通大學電機與控制系所， 2004 年。 [4] 程宏烽，
《紅外線的應用》，華聯出版社，1973 年。 [5] 楊明豐，《8051 單晶片 C 語言設計實務》，碁 峯資訊股份有限公司，2005 年 3 月。 [6] FLOYD, “ELECTRONIC DEVICES(CONVENTIONAL CURRENT VERSION) 9/E ,” 全華出版社，2011 年 01 月 01 日。 [7] I. Matijevics, “Infrared Sensors Microcontroller
Interface System for MobileRobots,” 5th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics SISY 2007, 24-25 August , 2007 Subotica,Serbia.
[8] G. Benet, F. Blanes, J.E. Simó, P. Pérez, “Using infrared sensors for distancemeasurement in mobile robots,” Robotics and Autonomous Systems 40 (2002)255–266, 2002.
