Đặt vấn đề Ngày nay khi cuộc sống ngày càng phát triển con người càng gặp rất nhiều rủi ro mắc các bệnh nguy hại tới tính mạng con người tuy nhiên có một số bệnh không nguy hại tới tính mạng con người nhưng lại làm cho bệnh nhân cảm thấy mình là gánh nặng cho gia đình và cuộc sống đó là những người bị khuyết tật và những người lớn tuổi không thể đi lại được do bị tai biến mach máu hay bị tai nạn giao thông gây ra…. Những người này thường cảm thấy mình là ránh nặng của gia đình và xã hội vì không có khả năng đi lại hoặc nếu có đi lại được thì rất khó khăn nên lúc nào cũng luôn cần có một người thường xuyên chăm sóc chính vì vậy nên bản thân họ luôn cảm thấy là gánh nặng cho gia đình. Nắm bắt được vấn đề trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều dự án nghiên cứu xe lăn điện thông minh giúp cho người khuyết tật có thể điều khiển xe lăn điện mà không cần người giúp đỡ nhăm giảm gánh nặng cho họ gia đình và xã hội. Như đã thấy thì việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển xe lăn điện giúp cho người khuyết tật là rất cần thiết để họ có thể có một cuộc sống tốt hơn.2 Tổng quan chung về tình hình nghiên cứu.
Ngày nay khi cuộc sống ngày càng phát triển con người càng gặp rất nhiều rủi ro mắc các bệnh nguy hại tới tính mạng con người tuy nhiên có một số bệnh không nguy hại tới tính mạng con người nhưng lại làm cho bệnh nhân cảm thấy mình là gánh nặng cho gia đình và cuộc sống đó là những người bị khuyết tật và những người lớn tuổi không thể đi lại được do bị tai biến mach máu hay bị tai nạn giao thông gây ra…. Những người này thường cảm thấy mình là ránh nặng của gia đình và xã hội vì không có khả năng đi lại hoặc nếu có đi lại được thì rất khó khăn nên lúc nào cũng luôn cần có một người thường xuyên chăm sóc chính vì vậy nên bản thân họ luôn cảm thấy là gánh nặng cho gia đình. Nắm bắt được vấn đề đó đã có nhiều dự án nghiên cứu xe lăn điện thông minh giúp cho người khuyết tật có thể HVTH: Đinh Duy Khánh Trang 15 Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển xe lăn điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương điều khiển xe lăn điện mà không cần người giúp đỡ nhăm giảm gánh nặng cho họ gia đình và xã hội.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu đề điều khiển xe lăn điện như: Thiết kế xe lăn điện sử dụng cần điều khiển gắn trên xe và các động cơ gắn ở 2 bánh xe giúp người bệnh có thể điều khiển xe bằng cách đẩy cần về phia trước khi muốn đi tới, gạt cần điều khiển qua trái khi muốn rẽ trái, gạt cần điều khiển qua phải khi muốn rẽ phải và gạt cần về phía sau khi muốn lùi xe.1 Xe lăn điện điều khiển bằng tay Tuy nhiên đối với những bệnh nhân không thể sử dụng tay thì không thể sử dụng được, do đó có một số nghiên cứu khác thiết kế xe lăn điện thông minh sử dụng cử động đầu để điều khiển xe, trong thiết kế này người bệnh phải đội trên đầu một cái nón có gắn cảm biến gia tốc để xác định cử động của đầu để điều khiển xe lăn điện chẳng hạn khi ngưới đó muốn đi thẳng thì người bệnh chỉ cần gật đầu, khi muốn rẽ trái thì người bệnh nghiên đầu sang trái, khi muốn rẽ phải thì người bệnh nghiên đầu sang phải hay muốn chuyển động lùi thì người bệnh ngước đầu lên. HVTH: Đinh Duy Khánh Trang 16 Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển xe lăn điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương Hình 1.2 Xe lăn điện điều khiển bằng đầu Nhưng đối với bệnh nhân nặng không thể cử động tay và đầu thì cuộc sống của họ cực kỳ khó khăn và gánh nặng mặc cảm càng lớn nhằm giúp nhựng bệnh này. Có một số công trình nghiên cứu thiết kế xe lăn điện thông minh điều khiển không cần sử dụng tay hoặc chuyển động của đầu bằng kỹ thuật đo điện mắt.
Kỹ thuật này thực hiện bằng cách đặt các điện cực trên vùng da gần mắt. Điện áp đo được nằm trong khoảng 15-200 20 µV, với độ nhạy thông thường khoảng 20 µV/độ chuyển dộng của mắt tuy nhiên kỹ thuật này có khuyết điểm là cần phải đo được vị trí của đầu vì kỹ thuật này so sánh vị trí tương đối giữa mắt và đầu để điều khiển chuyển động của xe Hình 1.3 Kỹ thuật đo điện mắt HVTH: Đinh Duy Khánh Trang 17 Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển xe lăn điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương Ngoài kỹ thuật đo điện mắt còn có kỹ thuật kính áp tròng. Trong kỹ thuật này bệnh nhân phải đeo kính áp tròng cấu tạo gồm một bộ phận cơ hoặc quang (như photpho phản quang, lưới đường thẳng hoặc cuộn dây,…).
Hệ thống thông dụng nhất gồm cuộn dây gắn lên kính sát tròng đặt trong trường điện từ. Chuyển động của mắt được xác định bằng cách đo chuyển động của cuộn dây trong trường điện từ. Khuyết điểm lớn nhất của kỹ thuật này là phải đeo kính sát tròng, gây khó chịu cho người sử dụng Hình 1.4 Kỹ thuật kính áp tròng Bên cạnh kỹ thuật đo điện mắt và kỹ thuật đeo kính áp tròng còn có nhiều kỹ thuật khác tuy nhiên có một kỹ thuật mang lại nhiều hứa hẹn được áp dụng nhiều là để điều khiển xe lăn điện là kỹ thuật xử lý ảnh. Kỹ thuật này sử dụng một camera thu thập hình ảnh mắt hoặc khuôn mặt sau đó xác định vị trí của con ngươi để từ đó dùng để điều khiển xe lăn điện.
Có hai cách lắp đặt camera để thu nhận ảnh mắt là gắn camera vào nón đội đầu hoặc gắn camera ở xa phía trước mặt người dùng. Mỗi cách thu ảnh có những ưu điểm riêng. Camera đội đầu: Hệ thống đội đầu không đòi hỏi camera phải có độ phân giải cao và không cần phải xây dựng giải thuật xác định vùng chứa ảnh mắt.Tuy vậy, HVTH: Đinh Duy Khánh Trang 18 Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển xe lăn điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương Khuyết điểm chính của hệ thống camera đội đầu là gây ra sự khó chịu cho người dùng vì phải gắn các thiết bị lên đầu hây mặt của người sử dụng nhưng có độ chính xác cao.
Camera ở xa: Hệ thống thu ảnh từ xa có ưu điểm là có thể sử dụng hoàn toàn kín đáo và tạo cảm giác tự nhiên, thoải mái cho người dùng. Để có thể xác định được hướng nhìn của mắt, trước tiên cần phải áp dụng giải thuật phát hiện mặt người và giải thuật xác định vùng chứa ảnh mắt. Thông thường giải thuật phát hiện mặt người và xác định vùng chứa ảnh mắt dùng bộ lọc adaboost sử dụng đặc trưng Harr. Hạn chế của hệ thống thu ảnh từ xa là nó chỉ có thể theo dõi những chuyển động mắt khi người dùng ở trong một vùng hoạt động bị giới hạn.
Bên cạnh đó, độ chính xác không cao bằng của hệ thống xác định hướng nhìn đội đầu.5 Kỹ thuật camera ở xa HVTH: Đinh Duy Khánh Trang 19 Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển xe lăn điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương 1.3 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố. Trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển xe lăn dành cho người khuyết tật. Có rất nhiều hướng và phương pháp nghiên cứu để điều khiển xe lăn dành cho người khuyết tật tuy nhiên có thể phân thành những phương pháp chính như sau: Anoop.J và các cộng sự [1] đã nghiên cứu điều khiển xe lăn điện bằng giọng nói.
Trong phương pháp này thì người người điều khiển xe lăn phải mang một micro để thu tín hiệu giọng nói điều khiển từ người điều khiển, sau đó, được đưa vào máy tính hay kit xử lý tín hiệu để lấy mẫu và so sánh với tín hiệu điều khiển trong tập mẫu, tiếp theo sẽ được truyền đến vi điều khiển để đưa tín hiệu điều khiển 2 động cơ gắn trên điều khiển xe lăn queo trái, queo phải, đi thẳng, đi lùi hay dừng lại Aleksandar Pajkanović và Branko Dokić [2] đã nghiên cứu điều khiển xe lăn điện bằng cử động đầu. Trong phương pháp này, người điều khiển phải đội trên đầu một chiếc nón có gắn cảm biến vị trí, để khi đầu cử động thì xác định vị trí của đầu so với vi trí gốc lấy ban đầu. Trong phương pháp này, không cần phải có một tập mẫu, tuy nhiên, phương pháp này có khuyến điểm là phải lấy chính xác vị trí gốc ban đầu chính xác. Jens Peter Kaps và các cộng sự [6] đã nghiên cứu phương pháp điều khiển xe lăn điện bằng lưỡi.
Trong phương pháp này, người điều khiển phải gắn cảm biến từ trong miệng, để khi lưỡi chuyển động qua trái, qua phải, lên, xuống, thì cảm biến này truyền tín hiệu xuống vi điều khiển để điều khiển hai động cơ gắn trên xe lăn điện để điều khiển xe chuyển động theo hướng của lưỡi Sandesh Pai, Sagar Ayare, Romil Kapadia [4] đề xuất phương pháp điều khiển xe lăn điện bằng mắt. Trong phương pháp người điều khiển phải gắn các các điện cực xung quanh mắt, các điện cực này có mục đích xác định vị trí chuyển động của mắt thông qua tính hiệu điện, sau đó, dựa vào vị trí của mắt để truyền tín hiệu xuống vi điều khiển để điều khiển xe lăn chuyển động theo hướng nhìn của mắt. HVTH: Đinh Duy Khánh Trang 20 Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển xe lăn điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương Ngoài ra, tác giả còn đề xuất thêm 2 phương pháp điều khiển bằng mắt, bằng cách gắn cuộn dây lên kính sát tròng đặt trong trường điện từ.
Chuyển động của mắt được xác định bằng cách, đo chuyển động của cuộn dây trong trường điện từ, sau đó, xác định hướng nhìn của mắt để truyền tín hiệu điều khiển điều khiển xe lăn điện.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu. Có rất nhiều phương pháp điều khiển xe lăn điện dành cho người khuyết tật. Nhưng phạm vi trong đề tài này chúng tôi sử dụng camera đội đầu, kết hợp với xử lý ảnh để xác định vị trí con ngươi và vị trí của hai hóc mắt, sau dựa vào đặc tính hình học để xuất tín hiệu điều khiển xe lăn điện đi tới, đi lui, quẹo trái, quẹo phải hay ngừng lại thông qua RS232.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.