Đặt vấn đề Để nhận biết được thế giới xung quanh, con người sử dụng hệ giác quan gồm thị giác, thính giác, khứu giác, vị giác và xúc giác. Mỗi giác quan đều có vai trò quan trọng và hỗ trợ mật thiết cho nhau trong quá trình định hình không gian và thời gian cho con người. Đối với người khiếm thị, khiếm khuyết thị giác làm cho họ rất khó khăn khi hòa nhập vào xã hội. Việc cảm nhận thế giới xung quanh của họ lúc đầu thông qua các giác quan còn lại như xúc giác (lần, sờ ), thính giác (nghe phản xạ âm thanh gần và xa), khứu giác (ngửi ) hay vị giác (nếm) và dần dần hình thành thói quen.
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhiều công nghệ đã được nghiên cứu và triển khai trợ giúp NKT được hòa nhập nhiều hơn trong xã hội trong nhiều hoạt động khác nhau. Trong khuôn khổ của luận án, chúng tôi tập trung giải quyết bài toán trợ giúp dẫn đường cho NKT, cụ thể là dẫn NKT đi giữa hai vị trí trong môi trường.2 của chương này trình bày các nghiên cứu trợ giúp dẫn đường, dẫn hướng, tránh vật cản cho NKT. Các trợ giúp khác như đọc sách, đi chợ, v.v nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận án.3 trình bày hệ thống đề xuất với các chức năng chính.2 Các nghiên cứu liên quan 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới, chủ đề trợ giúp NKT đã thu hút đông đảo các nhà nghiên cứu phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước. Cho đến nay, nhiều công trình nghiên cứu và sản phẩm ứng dụng đã được đưa vào thực tế.
Chúng tôi chia các phương pháp này thành 05 nhóm chính dựa trên công nghệ sử dụng để thu nhận tín hiệu môi trường phục vụ cho việc phân tích và cảnh báo cho NKT: Siêu âm, Hồng ngoại, Laser, Camera, Đa cảm biến.1 Siêu âm Các phương pháp trợ giúp NKT sử dụng công nghệ siêu âm dựa trên nguyên lý phản xạ của sóng siêu âm để đo khoảng cách từ nguồn phát sóng đến vật cản, các nghiên cứu được phát triển trong thời gian dài của thập kỷ trước. Nghiên cứu đầu tiên của Kay 1974 đề xuất kính siêu âm SonicGuide [72] dựa trên ý tưởng định vị không gian sóng phản xạ của loài dơi. Với thiết kế đến dưới hình thức của một cặp gọng kính trên đó có gắn cảm biến siêu âm và bộ thu tín hiệu. Cảm biết siêu âm phát ra chùm tia siêu âm một góc hình nón (α = 5500 ).
Bộ thu tín hiệu có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu phản xạ từ các đối tượng thành tín hiệu âm thanh phát ra bên tai trái và phải người đeo kính. Sự chênh lệch biên độ từ nguồn âm thanh ở hai tai cho phép NKT xác định hướng của tiếng vọng phản xạ của đối tượng. Kích thước của một đối tượng được mã hóa bởi tiếng vang tỉ lệ nghịch với tần số của nguồn âm thanh. Vùng âm thấp thể hiện đối tượng ở gần.
Các tín hiệu từ hai nguồn thu nhận được chuyển tới mỗi tai một cách độc lập. Sự khác biệt biên độ dao động âm cho phép phân biệt hướng của vật cản. Kính siêu âm SonicGuide có thể hoạt động độc lập hoặc có thể dùng như một thiết bị thứ cấp, kết hợp với một thiết bị cầm tay khác như gậy hoặc chó dẫn đường để tăng hiệu quả dẫn đường cho NKT. Leslie Kay 1984 đề xuất thiết bị tên Sonic torch [71] có khả năng hỗ trợ di chuyển cho NKT thiết bị này có thiết kế nhỏ gọn dạng cầm tay giống như một chiếc đèn pin bao gồm 2 phần, phần thứ nhất là các cảm biến siêu âm phát ta chùm sóng siêu âm hướng phía trước và nhận được chùm tia phản xạ từ vật cản gần nhất, phần thứ hai là hệ thống truyền âm thanh tới tai NKT.
Pressey 1977 đề xuất thiết bị cầm tay Mowat sensor [113] cho phép xác định vật cản cầm tay. Thiết bị này có thiết kế nhỏ gọn, có thể bỏ túi khi không sử dụng. Thiết bị này phát hiện vật cản phía trước bằng cách gửi một chùm sóng siêu âm tần số ngắn và nhận được chùm tia phản xạ. Nếu có vật cản phía trước, hệ thống sẽ phát ra một âm báo và rung lắc cho biết phía trước có vật cản.
Phạm vị mà thiết bị phát hiện được vật cản là 4m. Chùm tia phát ra hình elip với góc phương vị là (β = 1500) và góc ngẩng (α = 3000). Tần số rung của thiết bị tỷ lệ với khoảng cách tới vật cản. Một rung động ở tần số 4hz tương ứng với khoảng cách tới vật cản là 4m ngược lại nếu ở khoảng cách 1m thì tín hiệu rung lắc có tần số f = 40hz.
Về ưu điểm, thiết bị này sản xuất với chi phí thấp, thuận tiện cho người dùng khi di chuyển để xác định vật cản phía trước. Tuy nhiên, để sử dụng thiết bị một cách hữu thì cần thêm một chiếc gậy thông thường trong một số tình huống di chuyển trong nhà hoặc người trời với phạm vi nhỏ. Dodds và Allan 1984 đề xuất thiết bị siêu âm tìm đường có tên The Sonic 5 Pathfinder [36] hoạt động theo nguyên lý phản hồi âm thanh. Thiết bị này được kế thừa các mặt tối ưu của các nghiên cứu trước như Mowat sensor [113] và Sonic torch [71].
Hệ thống gồm có 5 đầu dò siêu âm gắn lên mũ trong đó 3 cảm biến siêu âm thu nhận tín hiệu sóng siêu âm phản xạ, được chia làm 3 vùng: trái, phải, giữa và 2 bộ phát tín hiệu siêu âm về hướng phía trước. Tín hiệu sóng siêu âm phản xạ từ các vật cản trên đường đi nhận lại từ 3 bộ cảm biến này được truyền về bộ xử lý trung tâm. Đầu ra là tín hiệu âm thanh được truyền vào một tai nghe hoặc cả hai. Tùy thuộc vào vật cản nằm ở vùng trái hoặc vùng phải, nếu âm thanh có cả 2 tai nghe thì vật cản nằm vùng trung tâm.
Cứ 30cm thiết bị lại cảnh báo thông tin về vật cản cho NKT một lần, phạm vi xác định là 0-2. Một số sản phẩm thương mại tiêu biểu có thể kể đến là iNavBelt [11] [124], gắn trên đầu NKT sử dụng cảm biến siêu âm quét một góc α = 1200 phía trước NKT cho phép phát hiện các vật cản phía trước họ. Sản phẩm có tên GuideCane [13] là một chiếc gậy có gắn cảm ứng siêu âm ở đầu có khả năng phát hiện các chướng ngại vật và đồ vật xung quanh người sử dụng thông qua một lực tương tác nhỏ ở phần đầu của gậy chỉ đường. Thiết bị EyeRing[101] là một thiết bị kích thước nhỏ bằng một đốt ngón tay, có khả năng truyền tải thông tin hình ảnh sang một dạng tín hiệu dưới vành tai.
Hiện nay, thiết bị này đã có thể truyền tải các thông tin về màu sắc, văn bản, nhận dạng chữ số của giá cả trên một miếng tag gắn trên hàng hóa. Mặc dù những thông tin này là hữu ích trong một số môi trường, hạn chế chính là chỉ có khả năng hỗ trợ một lượng giới hạn thông tin đồng thời yêu cầu NKT phải điều khiển với sự tập trung cao độ. Các nhà nghiên cứu tại MIT gần đây cũng đã phát minh việc sử dụng thêm một số cảm biến cho thiết bị này, ví dụ: cảm biến độ sâu, cảm biến quán tính, gia tốc. Tại Châu Âu, nghiên cứu có tên GuideCane được đề xuất bởi Ulrich 2001 [133] là gậy thông minh có khả năng tránh vật cản.
Thiết kế phần cứng giống như một cây gậy có gắn bánh xe, phía đầu dưới có gắn 10 cảm biến siêu âm, trong đó 8 cảm biến được gắn hình vòng cung, mỗi cái cách nhau một góc α = 150 , 2 cảm biến được gắn 2 bên. Các cảm biến có nhiệm vụ phát hiện vật cản trong phạm vi góc α = 1200 trước NKT. Một nghiên cứu trợ giúp NKT khi mua hàng tại siêu thị có tên RoboCart [79] [54] [81] [52] [53] [80] được đề xuất bởi Vladimir Kulyukin và các cộng sự trong khoảng thời gian 2005-2009. Robot có khả năng trợ giúp chọn lựa sản phẩm mong muốn từ một kho lưu trữ của hàng ngàn sản phẩm.
Để làm được điều này công nghệ RFID đã được áp dụng để định vị. Các thẻ RF được dán dưới thảm tại các vị trí quan trọng trong siêu thị. Robot được trang bị 01 máy tính kết nối với một đầu đọc thẻ RFID reader, 01 ăng ten thu tín hiệu, 01 cảm biến laser LRF truyền tín hiệu về máy tính giúp cho robot có thể phát hiện được vật cản phía trước, 01 bộ động cơ gồm cơ cấu 2 bánh giúp cho robot di chuyển một cách dễ dàng nhờ phần mềm điều khiển được cài đặt trong máy tính. Mặc dù có nhiều nỗ lực trong cải tiến phương thức giao tiếp, những sản 6 phẩm này vẫn có những hạn chế cố hữu như giới hạn nguồn thông tin, không có tính tương tác với người dùng.2 Hồng ngoại Loughborough 1979 phát triển một thiết bị có tên Talking Signs [86] sử dụng bộ phát hồng ngoại lưu giữ bộ tiếng nói tổng hợp các vị trí cần trợ giúp được lắp đặt trên các điểm quan trọng trên toàn hộ hành trình.
NKT được trang bị bộ thu tín hiệu hồng ngoại có khả năng chuyển đổi tín hiệu hồng ngoại thành tín hiệu âm thanh. Ứng dụng này cho phép NKT biết được vị trí hiện tại của mình như trước cửa phòng, phía trước con đường. Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng có những nhược điểm như khả năng lưu trữ thông tin không nhiều, chi phí lắp đặt nhiều nguồn phát hồng ngoại.3 Laser Từ những năm 70 của thế kỷ trước, nhiều công trình khoa học công bố sử dụng công nghệ laser gắn trên gậy để trợ giúp di chuyển cho NKT đã được đề xuất. Năm 1970, Benjamin và các đồng nghiệp đã dựa trên ý tưởng xác định và tránh vật cản được đề xuất bởi [10] để thiết kế chế tạo gậy dẫn đường có gắn cảm biến quang.
Năm 1973 ông phát triển gậy dẫn đường gắn cảm biến laser [7] nhằm phát các hiện vật cản nhô ra trên mặt đường. Khi hoạt động, chùm tia laser được phát ra ở tần số f = 200Hz phía trước khoảng 50cm trên mặt đất. Độ cao mà chùm tia có thể phát hiện vật cản từ điểm gắn cảm biến laser trên gậy là 40cm đến 60cm. Khi phát hiện ra vật cản phía trước, thiết bị phát ra tiếng bíp ở tần số f = 2600Hz đủ để người khiếm thị có thể nghe thấy.
Gậy hoạt động liên tục được 3 tiếng với nguồn pin 6 vôn. Nghiên cứu này có ưu điểm bởi tính gần gũi như gậy truyền thống của NKT.
