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Ariadne Headband 是来自捷克布尔诺的两名 19 岁学生制作的作品。 Tomas 主要关注硬件部分以及 Arduino。 Vojtech 负责开发 Android 应用程序。目标是为无法使用视觉导航视力障碍用户提供触觉导航。 我们的主要目标是帮助盲人,但 Ariadne 头带也可用于其他情况,例如跑步者或骑车人。 我们的头带可以显示这些人的方向到他们选定的目的地。

 

两位作者和参与测试的志愿者

 

它是如何工作的?
Ariadne Headband 由两部分组成:头带和 Android 应用程序。使用流程如下: 首先,你打开 Ariadne 头带应用程序。 使用此应用程序,您可以通过蓝牙连接到头带。 接下来,该应用程序将询问您当前的 GPS 位置。 然后打开集成到我们应用程序中的 Google 地图并选择目的地(您想去的地方)。

 


我们的 Android 应用会计算您当前位置和所选目的地的地理方位角。 当你准备就绪时,你可以通过按下一个按钮来开始导航,该按钮将计算出的方位角发送到你戴在头上的头带上。 方位角加上一些其他数据通过蓝牙低功耗发送。

 

头带由 Arduino Nano 板,MPU-9250“罗盘”模块,HM-10 蓝牙低功耗模块和 4 个振动电机组成。 指南针模块允许我们知道当前的方位角,即用户所在的位置。 所有组件都放在头后面的盒子里。 我们未来的目标是让它尽可能小,这样你就不会感觉到它。 例如,也可以将所有东西放入帽子或头盔而不是橡胶头带中。 我们目前使用的是橡胶头带,因为它很容易操作。

 

蓝牙模块

 

头部周围的振动电机放置在设定的方向上,这样它们就可以指示您应该朝向哪里。 您的标题是通过获取当前方位角和从 Android 应用程序发送的方位角来计算的(分别是您当前要去的地方和当前方向)。 有关头带概述,请参见下图。

 

例如,当您应该将头部旋转 45°时,电机 1 将被激活(这与其他对角线方向相同)。 如果你应该直行,电动机 4 和电动机 1 都将被激活。 类似的方法适用于左,右和回转信号。 我们原计划使用 8 个振动电机,每 45°一个,但结论是它会更复杂,不值得。 电机太靠近,很难识别正确的方向。 使用 4 个振动电机既便宜又坚固。


您可能有一个疑问: 盲人如何控制移动应用程序 ? 我们项目的第一次迭代主要用作概念验证。 但是因为我们用 Java 开发了应用程序,所以我们看到了使用 Android Wear 平台的解决方案。 新的智能手表包括 GPS 模块,可以通过语音控制。 在智能手表上使用语音识别控制头带应该是可行的选择。 此外,现在盲人可以舒服地使用 TalkBack。

 

指南针模块
指南针模块可能是头带中最重要的部分。 没有它我们将无法确定方位角。 

 

 

 

在对此进行排序之后,我们开始在串行监视器上打印数据并注意到某些事情是不对的。 为了更好地了解输出数据,我们决定使用 Python 将其绘制成图形,如上图所示。

 

因为它是一个三轴罗盘,所以将点绘制成三个平面,在第一列中,所有三个平面都显示为重叠,然后分别显示每个平面。 在第一行中绘制来自罗盘模块的未改变的数据。 正如您可以清楚地看到点正在形成一个圆,其中心与图中的零不相同,原因是值具有一些偏移。

 

为了消除偏移,需要校准。 这是通过在每个可能的方向上理想地旋转罗盘并寻找每个轴的最大值和最小值来完成的。 在完成校准之后,保存最大值和最小值(在当前版本的软件中它没有完全起作用),然后修改从罗盘读取的值,使得几乎没有偏移。

 

更正的值显示在第二行中。 根据这些校正值计算的方位角非常准确。我们计划将来通过使用带加速度计的罗盘模块来解决这个问题,然后补偿倾斜。


能源管理
为此,我们选择了尺寸为 4x30x40mm 和 550mAh 的 LiPo 电池。 与 03962A 充电器模块一起,它位于盒子的底部。 充电器模块不仅可以对电池充电,还可以通过在电池电压低于 2.5V 时断开电路并通过检测过电流来短路来保护电池免于过放电。 充电模块板上还有一个微型 USB 连接器,可以方便地为头带充电。

 



最初我们计划将头带中的电子设备运行在 3.3V,但是当我们将所有模块放在一起时,它变得更加复杂。 Arduino Nano 板应该在 5V 上运行,它有自己的 5V 稳压器,另一方面蓝牙和指南针模块都使用 3.3V,它们还配备了板载稳压器。 我们面临的困境是要么在 3.3V 上运行所有东西,并希望 arduino 能够继续正常工作或以某种方式获得 5V 电源。 我们选择安全地使用它并使用 MT3608 升压升压转换器将电池电压增加到大约 6.5V,然后通过 Arduino 的稳压器运行以获得稳定的 5V 电源。 然而,将来我们只想使用 3.3V,可以使用例如 Arduino Pro Mini,用于此电压和 LDO 电压调节器直接连接到电池。

 



外壳
外壳的尺寸为 60x60x30mm,采用 3D 打印,由三部分组成:底部,顶部和垫片,所有 STL 文件都上传到该项目中。 基本上底部包含一切,顶部用作盖子。 在这两个部分之间是两个橡皮布,橡胶通过盒子进入。 顶部通过四个 M3x15mm 螺钉牢固固定,这种小齿轮可以确保橡胶不会脱落。 在电池和 PCB 之间放置薄的 3D 打印薄片,充当间隔物并确保 PCB 底部的尖锐引线不会损坏电池。 PCB 固定在盒子中,其角部有四个支架,螺钉固定在支架上。

 



带电子设备的盒子只是头带的一部分。 另一部分是橡皮筋,它绕过你的头部并且其中装有振动马达。 橡皮筋长 50 厘米,宽 60 毫米,折成两半,内部放置电机和电线连接。 每个电机都与 LED,电阻器和二极管一起放在 3D 打印的外壳内。 

 



振动电机不能直接从 Arduino 的输出驱动,因为它们的 4 伏电压需要消耗 100mA 电流,这比 Arduino 可以处理的要多。 因此,我们添加了四个双极 NPN 晶体管,用于驱动一个电机。 头带现在工作得很好,它有一些我们尚未在软件中解决的硬件功能,如开关按钮和电池电压测量。您可以在下图中看到头带的整个原理图。

 

 

制作步骤:

 

器件清单:

 

1、制作 PCB
制作自己的 Ariadne 头带的第一步是制造 PCB。 您可以使用附在我们项目中获取的 Gerber 文件从专业制造商那里获得它。

 

2、打印部件和放置电池
下一步是 3D 打印电子装箱的所有零件。 您可以找到此项目的所有必需的 STL 文件。 打印后盒底,盒顶和盒式垫片取 03962A 锂电池充电器模块,并将其粘贴到盒底部的底部,使微型 USB 端口通过盒壁上的切口进入。 然后将锂电池放在底部,并将其电线焊接到充电模块的 B +和 B- 焊盘。 

3、布线
接下来是一些布线。 将滑动按钮添加到充电端口上方的切口中,并将焊线从充电器模块的 OUT +焊盘添加到其两个端子。 到电源开关的最后一个端子焊接两根电线。 其中一个连接到 MT3608 升压转换器的 IN +端子和第二个连接插头插头连接器,如原理图所示。 从 MT3608 的 OUT +端子焊线到前一个旁边的针座。 从电池充电器模块的 OUT- 端子焊接一根导线到连接到 PCB 的 GND 的插头,第二根导线连接到 MT3608 的 IN- 端子。 将两根约 7 厘米长的导线焊接到轻触开关和 PCB 端子上。 arduino 引脚编号 5 和 GND 之间的压电蜂鸣器焊接电线。 还要将 5 根长约 5cm 的电线焊接到 MOLEX Mini-Fit 5569 5 针连接器和针座上。

 

4、检查电压
连接好所有设备后,切换按钮并给它供电,然后检查升压转换器模块的电压输出,并通过转动其电位器调节输出电压至约 6.5V。 接下来按下右侧的 arduino Nano 并测量其 VCC 引脚上的电压,它应该是 5V。 然后关闭电源并连接到 PCB 罗盘和蓝牙模块。

 

5、调试电机
现在是时候编写 arduino 了,你可以在我们的项目站点中链接的 Gitlab 存储库中找到 arduino 程序。 接下来连接头带和电源针头连接器,注意正确的方向并切换电源按钮。 在开始时你应该听到简单的旋律,按下按钮后,一些电机应该开始振动。

 

它应该是北方向的电机,如果不是,你必须将 arduino 代码中的电机输出引脚切换到右边。 接下来,您应该尝试使用手机连接头带。 如果一切正常工作,将 3D 打印的盒子 - 间隔件放在电池顶部,然后将 PCB 放在电池顶部。 接下来通过 PCB 将螺钉固定到装箱中,确保一切正常,然后将盒顶部件放在上面并将 M3x15mm 螺钉拧入支座。 


6、制作头带
现在,您需要创建一个可穿戴的“设备”,您可以放置振动电机。 例如,您可以使用帽子,但对于我们的情况,我们将使用经典的运动头带。

 

对于橡胶头带,您需要购买宽度为 6 厘米(因此可折叠)或长度为 3 厘米宽的橡胶。 然后,测量头部的周长并切割橡胶。 添加约。 2 厘米,这样你就可以轻松地将每一面连接在一起并缝制它们。

 

现在,将头带放在头上,并标记放置电机的位置。 它们应放置在 45 度,135 度,225 度和 315 度(你眼睛之间 0 度)。 如果你有 6 厘米宽的橡胶,你将它折成两半并缝合开口端。 因此,请将振动电机放在靠近您头部的橡胶半部中间。 您可以将两侧缝合在一起形成某种形式的胶囊,以使电机保持在原位。

 

接下来,确保电缆足够长,因为您经常拉伸橡胶并且不希望它们撕裂。 在头带后侧的中心附近做一个约 5 厘米的小洞。 拉动电缆并将其放入连接器。

 

然后,将所有电缆放入橡胶内并缝制头带的开口侧。 我建议使用某种“蛇”式缝纫,使其更加灵活。

 

当你完成所有的一切时,你需要做的最后一件事就是在头带后侧的中心(你有连接器的地方)准确连接约 5 厘米长的魔术贴。 将维可牢尼龙搭扣的第二部分粘贴到电子设备上。

 

这就是硬件部分! 给头带供电,连接手机就可以了。

 

如果你对这个项目感兴趣,想获取完整信息请访问:
https://hackaday.io/project/160367-ariadne-headband

 

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