aklas: dispositivo de orientación para invidentes...

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AKLAS: Dispositivo de orientación para invidentes basado en el principio de ecolocalización

Autores: Omar Andrés González Mayorga

Andrés Ricardo Scarpetta Rugeles

Director: Ing. Luis Guillermo Torres Ribero

Modalidad: Investigación

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE SISTEMAS

BOGOTÁ D.C. 2015

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PROPUESTA PARA TRABAJO DE GRADO TÍTULO

AKLAS: Dispositivo de orientación para invidentes basado en el principio de ecolocalización.

MODALIDAD

Investigación

OBJETIVO GENERAL

Construir un sistema de ecolocalización para personas con discapacidad visual, que integre un prototipo de dispositivo ultrasónico y una aplicación móvil funcional. ESTUDIANTE(S)

Omar Andrés González Mayorga __________________________________________ Documento Celular Teléfono fijo Correo Javeriano

1019091917 300 4422007 8020190 [email protected]

Andrés Ricardo Scarpetta Rugeles _____________________________________ Documento Celular Teléfono fijo Correo Javeriano

1015444051 301 7446977 6310413 [email protected]

DIRECTOR

Ing. Luis Guillermo Torres Ribero __________________________________ Documento Celular Teléfono

fijo

Correo Javeriano Empresa donde trabaja y cargo

- 310 8665999 3208320

ext. 5313

[email protected] Pontificia Universidad Javeriana.

Profesor Departamento de

Ingeniería de Sistemas

mailto:[email protected]



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Tabla de Contenidos

PROPUESTA PARA TRABAJO DE GRADO ................................................................................. 2

Lista de Figuras ....................................................................................................................... 5

Lista de Tablas ........................................................................................................................ 5

1. Oportunidad o Problemática .............................................................................................. 6

1.1. Descripción de la Oportunidad o Problemática ....................................................... 6

1.2. Pregunta Generadora .............................................................................................. 7

1.3. Justificación .............................................................................................................. 7

1.4. Impacto Esperado del Proyecto ............................................................................... 8

2. Descripción del Proyecto ................................................................................................. 9

2.1. Objetivo General ...................................................................................................... 9

2.2. Objetivos Específicos ............................................................................................... 9

2.3. Entregables o Resultados Esperados ....................................................................... 9

3. Proceso ............................................................................................................................. 10

3.1. Fase 1: Documentación del Proceso y Diseño del Dispositivo .................................. 10

3.1.1. Método ................................................................................................................ 10

3.1.2. Actividades .......................................................................................................... 10

3.1.3. Resultados Esperados ......................................................................................... 11

3.2. Fase 2: Obtención de Información y Diseño del Algoritmo de Procesamiento de

Señales .............................................................................................................................. 11

3.2.1. Método ................................................................................................................ 11

3.2.2. Actividades .......................................................................................................... 12


3.3. Fase 3: Diseño de Ambientes Controlados y Validación Estadística ......................... 12

3.3.1. Método ................................................................................................................ 12

3.3.2. Actividades .......................................................................................................... 13


4. Gestión del Proyecto ........................................................................................................ 14

4.1. Calendarización .......................................................................................................... 14

4.2. Presupuesto ............................................................................................................... 15

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4.3. Análisis de Riesgos ..................................................................................................... 15

4.4. Derechos Patrimoniales ............................................................................................. 16

5. Marco Teórico / Estado del Arte ...................................................................................... 17

5.1. Fundamentos y conceptos relevantes para el proyecto ........................................... 17

5.1.1. Conceptos Físicos ................................................................................................ 17

5.1.3. Conceptos Tecnológicos ...................................................................................... 20

5.2. Trabajos importantes en el área ................................................................................ 21

5.2.1. Ecolocalización ciega usando sensores Ultrasónicos .......................................... 22

5.2.2. Tacit Project: Un sonar para invidentes .............................................................. 22

5.2.3. UltraCane ............................................................................................................. 23

5.2.4. Uso de teléfonos inteligentes para ayudar a personas con discapacidad visual a

localizarse dentro de un espacio cerrado ..................................................................... 24

5.2.5. Perro Lazarillo ...................................................................................................... 25

5.3. Glosario ...................................................................................................................... 26

6. Referencias y Bibliografía ................................................................................................. 28

6.1. Referencias ................................................................................................................. 28

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Lista de Figuras

Ilustración 1: Diagrama Gantt de Calendarización del proyecto ......................................... 14

Ilustración 2: Representación de las reflexiones del sonido [23]......................................... 18

Ilustración 3: Acústica geométrica y su influencia en la Reflexión del sonido [23]. ............ 19

Ilustración 4: Comparación entre absorción, reflexión y difusión [23]. ............................... 20

Ilustración 5: Esquema del prototipo [9]. ............................................................................. 22

Ilustración 6: Tacit Project y su concepto de banda en la muñeca [27]............................... 23

Ilustración 7: UltraCane, en su modo para guardar [28]. ..................................................... 24

Ilustración 8: Esquemático paso a paso de cómo usar esta solución [29]. .......................... 25

Ilustración 9: Perro Lazarillo y su dueño [30]. ...................................................................... 26

Lista de Tablas

Tabla 1: Presupuesto del Trabajo de Grado ...................................................................................... 15

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1. Oportunidad o Problemática

1.1. Descripción de la Oportunidad o Problemática Uno de los problemas más comunes a los que se enfrentan las personas con discapacidad visual es el cálculo de distancias en un lugar dado, el cual es necesario para evitar accidentes. Es por esta razón que se acude al uso de elementos como el bastón; sin embargo, el 98% de la población que presenta discapacidad visual no se encuentra cómoda con el uso de un bastón que les permita ubicarse dentro de un entorno en su diario vivir [1]; además, presentan una fuerte incomodidad frente al hecho de llevar un dispositivo que restringe el uso de sus extremidades para otras funciones [2]. Respecto a lo anteriormente mencionado, se forman diversos estereotipos que encapsulan a la persona dentro de diversas burlas y comentarios que son poco agradables [1]. Aparte de pasar por la incomodidad que causan los argumentos anteriores, las personas con discapacidad visual tienen problemas a la hora de cruzar una calle, esto se debe a que no tienen algún tipo de seña que les indique si la calle esta despejada o incluso cuándo cambia el semáforo. Para este tipo de situaciones el uso del bastón no es óptimo ya que no brinda información para dar aviso a la persona si puede o no cruzar la calle sin el peligro de tener algún accidente [3]. Por otra parte, múltiples opciones se han usado para ayudar a la gente con discapacidad visual, una de estas opciones es el uso de perros, los cuales sirven de guía en todo tipo de entorno; no obstante, al requerir un entrenamiento especial, el uso de estos animales no termina siendo una opción muy rentable dado su alto costo [4]. Analizando como tal la industria, se pueden ver varios dispositivos que pueden solucionar alguno de estos problemas por separado pero no todos en conjunto; además, estos no son asequibles para el usuario, en especial porque la producción de cada uno de los elementos cuesta mucho dinero contando su investigación, materiales y posterior desarrollo [5]. En algunos casos se pueden ver dispositivos que son asequibles para el usuario pero representan un gran esfuerzo o una incomodidad pues su tamaño interfiere con las actividades cotidianas de la persona, como el uso del transporte público, y demandan un esfuerzo físico por parte del usuario. Algunos ejemplos de lo anterior se describen en la sección 5 con mayor detalle. En conclusión, una persona con discapacidad visual está atada a una dificultad en la autonomía de sus acciones, es decir, sus movimientos están limitados a lo que pueden percibir sus otros sentidos, lo cual supone un problema porque lo que demandan las actividades cotidianas, como cruzar una calle, subir una escalera, y en general todas lo relacionado con el cálculo de distancias requiere del sentido de la vista. Es por esta razón que se hace necesaria la creación de un dispositivo que no solo mida distancias sino que logre informar al usuario por medio de otros sentidos (como la audición o el tacto) la presencia de objetos que interfieran con su recorrido; además, se busca que el dispositivo sea cómodo para el usuario.

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1.2. Pregunta Generadora ¿Cómo mejorar la calidad de vida de las personas con discapacidad visual mediante la creación de un sistema que integre técnicas de orientación espacial?

1.3. Justificación Como se menciona anteriormente, un gran número de personas con discapacidad visual no se sienten cómodas con el uso de los métodos tradicionales para localizarse espacialmente como lo es el bastón. El uso de tecnologías de información provee la posibilidad de desarrollar un dispositivo que cumpla con las necesidades de este grupo de personas. Se estima que en el mundo hay 285 millones de personas con impedimentos visuales, de las cuales 39 millones son ciegas y 246 millones tienen visión baja [6]. Según el censo realizado en el año 2005, en Colombia había 1’143.992 personas con impedimentos visuales, aproximadamente el 2.8% de la población colombiana registrada ese año, siendo esta la mayor cifra en cuanto a personas discapacitadas del país [7]. Algunas soluciones a esta discapacidad se han planteado utilizando principios de localización espacial encontrados en la naturaleza. Un ejemplo de esto es la Ecolocalización, que es un sistema sensorial encontrado en murciélagos y ballenas dentadas. En este sistema, usualmente, se emiten frecuencias más allá del rango del oído humano (ultrasónico) y sus ecos o reverberaciones son interpretados para determinar la dirección, la distancia y la forma de los objetos [8]. A pesar de que existen algunos prototipos de dispositivos que utilizan este principio [9], son dispositivos incomodos para estas personas en cuanto tamaño, lo que implica poca independencia en sus movimientos. La ecolocalización también se define en algunos humanos ciegos que desarrollan esa técnica mediante un arduo entrenamiento. A diferencia del principio encontrado en los murciélagos, se emiten sonidos con la lengua similares al clic de un mouse, los cuales se encuentran en el rango de frecuencias audibles del ser humano [10]. De todos los aspectos anteriores, se deduce que mediante las tecnologías de información se puede crear un dispositivo cómodo y portable para personas invidentes, el cual está orientado a la utilización del principio de la ecolocalización, para proveerles independencia de un bastón o de ayudas caninas y humanas, y proporcionar autonomía total sobre sus acciones físicas.

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El dispositivo mencionado anteriormente consiste en dos módulos que interactúan para lograr un procesamiento eficiente de la información recolectada. El primer módulo es un dispositivo electrónico que consta de un sensor ultrasónico que recolecta la información del entorno. Dado que esto implica conocimientos de electrónica avanzados, se opta por utilizar microcontrolador como Arduino o Raspberry Pi, que son plataformas electrónicas de código abierto basado en hardware y software fáciles de usar y que están orientados a todo aquel que desee realizar proyectos interactivos [11]. El segundo módulo consiste de una aplicación móvil que cumple la función de ejecutar un algoritmo de ecolocalización propuesto y comunicar los datos a la persona invidente de forma entendible para esta (bien sea audio o vibraciones). Se utiliza un dispositivo móvil ya que su capacidad de procesamiento es mayor a la de un microcontrolador (se realiza una comparación entre un Samsung Galaxy S4 Mini y un Arduino Mini Pro) [12] [13]. Para lograr comunicar estos dos módulos, se utiliza un dispositivo Bluetooth en el primero para establecer una vía de transferencia de información hacia el segundo.

1.4. Impacto Esperado del Proyecto Se espera que este proyecto tenga un alto impacto en los aspectos académico, social y comercial. Al ser un trabajo de investigación, abre posibilidades para mejoras o nuevas invenciones basadas en el presente proyecto, donde se pueden integrar métodos de retroalimentación hápticos y la estimulación de otras áreas del cerebro para dar una mejor percepción a los invidentes de su entorno. También, se pretende que el producto final ayude a una gran porción de la población invidente colombiana en su etapa inicial, y posteriormente, si es posible, a nivel mundial. Finalmente, a raíz de lo mencionado anteriormente, el producto debe llegar a ser reconocido en el ámbito comercial como marca.

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2. Descripción del Proyecto

2.1. Objetivo General

Construir un sistema de ecolocalización para personas con discapacidad visual, que integre un prototipo de dispositivo ultrasónico y una aplicación móvil funcional.

2.2. Objetivos Específicos

Definir los requerimientos de ecolocalización para orientar a una persona con discapacidad visual en interiores y espacios cerrados.

Diseñar un dispositivo electrónico con un microcontrolador que permita recoger datos del entrono mediante un sensor ultrasónico.

Diseñar un algoritmo de ecolocalización que satisfaga los requerimientos planteados.

Validar el algoritmo propuesto de forma cuantitativa mediante pruebas en varios ambientes controlados.

2.3. Entregables o Resultados Esperados Los entregables de este Trabajo de Grado se enuncian a continuación:

Documentación o Documento de Propuesta de Trabajo de Grado o Documento de Especificación de Requerimientos (SRS) o Encuestas basadas en TAM diligenciadas o Documento de análisis cuantitativo de las pruebas realizadas o Documento de Memoria del Trabajo de Grado o Página web con información detallada del Trabajo de Grado

Hardware y Software o Prototipo de dispositivo ultrasónico con 2 sensores y una antena Bluetooth o Definición matemática del algoritmo propuesto o Código fuente del algoritmo propuesto

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3. Proceso EssUP (Essential Unified Process) se selecciona como metodología para el desarrollo del trabajo de grado, el cual toma como base los procesos unificados, metodologías ágiles y el proceso de madurez (CMMI). Es una mejora a RUP que consiste en identificar diferentes prácticas de desarrollo iterativo, se basa en casos de uso, prácticas para el equipo y los procesos [14]. El proceso de EssUp confía en la separación de intereses, lo cual ayuda a identificar y asignar intereses en un cierto orden de prioridad, es decir, se hace un acercamiento a lo esencial [14]. Para esto solo se usan las prácticas que sean necesarias en la iteración actual y se adapta el proceso a lo que demande el proyecto. Aparte de lo anterior, integra una práctica de ingeniería social, típica de las metodologías ágiles, lo que hace que EssUp sea un híbrido entre algunos aspectos del Unified Process y las metodologías ágiles [15]. Esta metodología, al igual que otras formas del Unified Process, posee cuatro fases: Inicio, Elaboración, Construcción y Transición [16]. Para este caso, solo se toman las tres primeras fases, ya que se enfatizan en las necesidades del trabajo de grado, las cuales más adelante se explicarán junto a cada fase. La fase de Transición se descarta ya que el alcance del proyecto no considera un despliegue total del algoritmo en una aplicación funcional.

3.1. Fase 1: Documentación del Proceso y Diseño del Dispositivo Esta es la fase de Inicio [16], en la cual se trabajan todos los aspectos de la construcción y formalización de la propuesta de trabajo de grado, aprovechando los contenidos de la materia Seminario de Metodología de Investigación.

3.1.1. Método La primera fase consiste en la definición y formalización de la propuesta, esto implica la concepción de la idea a través de una pregunta generadora y la delimitación de su alcance. El punto central del trabajo de esta fase son las actividades del curso Seminario de Metodología de la Investigación. De forma paralela se realiza la construcción del Dispositivo Ultrasónico, el cual es necesario para el desarrollo posterior del algoritmo.

3.1.2. Actividades

1. Concepción de la idea a partir de temas de interés 2. Búsqueda de material bibliográfico

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3. Definición de la problemática 4. Definición de la pregunta generadora 5. Justificación de la problemática 6. Definición de objetivos (general y específicos) 7. Definición de la metodología a usar 8. Creación del marco administrativo y financiero 9. Creación del marco teórico 10. Documentación sobre microcontroladores 11. Construcción del dispositivo electrónico 12. Pruebas del dispositivo electrónico en ambientes controlados

3.1.3. Resultados Esperados

Documento formal con la propuesta de Trabajo de Grado.

Aprobación de la propuesta de Trabajo de Grado.

Dispositivo Ultrasónico funcional.

Material bibliográfico de investigación.

3.2. Fase 2: Obtención de Información y Diseño del Algoritmo de

Procesamiento de Señales Esta segunda fase es una combinación entre las fases de Elaboración y Construcción [16]. Se hace énfasis en el levantamiento de requerimientos y en el diseño del algoritmo para integrarlo con el dispositivo electrónico obtenido como resultado de la fase anterior.

3.2.1. Método En la segunda fase se trabaja el levantamiento de requerimientos como primer momento. Estos requerimientos son la representación de las necesidades del público al que se dirige el algoritmo a diseñar en esta fase y se refinarán mediante varios estudios sobre las necesidades del público en su diario vivir. Para esto se contará con el apoyo de un centro de ayuda a personas invidentes. El segundo momento de esta fase consiste en el diseño del algoritmo de ecolocalización basado en los requerimientos obtenidos y el uso del material bibliográfico obtenido en la fase anterior. Principalmente se investigarán los parámetros acústicos del ultrasonido mediante el dispositivo construido, es decir, el comportamiento de las ondas ultrasónicas transmitidas en el aire y sus reflexiones tempranas, luego se dará paso a la exploración de otros fenómenos como la difracción y el efecto Doppler. Una vez entendidos estos aspectos, se iniciará la formalización del algoritmo de procesamiento de forma matemática y se desarrollará en un lenguaje de programación.

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Por último, se desarrollará la interfaz de usuario mediante mensajes de audio, los cuales serán grabados en caso de que el tiempo contemplado para la fase no esté cerca de cumplirse, de lo contrario se utilizarán comandos de voz que vienen por defecto en los dispositivos Android.

3.2.2. Actividades

1. Realizar un estudio sobre la movilidad de las personas invidentes en su diario vivir. 2. Documentar los requerimientos a partir del estudio realizado. 3. Priorizar los requerimientos teniendo en cuenta las necesidades del público

detectadas, el alcance y los objetivos del Trabajo de Grado. 4. Investigación de los parámetros y fenómenos acústicos del ultrasonido mediante el

dispositivo electrónico de la fase anterior. 5. Formalización matemática del algoritmo de procesamiento de señales. 6. Desarrollo del algoritmo de procesamiento de señales en un lenguaje de

programación. 7. Desarrollo de la interfaz de usuario mediante mensajes de audio.


Documento de especificación de requerimientos.

Formalización matemática del algoritmo.

Código fuente del algoritmo de procesamiento de señales.

Sistema de ecolocalización funcional.

3.3. Fase 3: Diseño de Ambientes Controlados y Validación

Estadística Esta tercera fase es el componente de pruebas de la fase de Construcción [16]. Se trabajan las pruebas del algoritmo de procesamiento obtenido como resultado de la fase anterior y se toman cifras de satisfacción sobre los resultados de dichas pruebas.

3.3.1. Método La tercera y última fase consta de la creación de ambientes controlados para la realización de pruebas y la toma de datos sobre satisfacción. Estos ambientes se crearán con medidas definidas por el grupo y una serie de obstáculos estáticos y en movimiento para validar el funcionamiento del algoritmo obtenido como resultado de la fase anterior. Posterior a la realización de una prueba, se hace una encuesta al participante que consiste en preguntas

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cerradas para determinar su grado de satisfacción respecto al sistema, basado en el Modelo de Aceptación de Tecnologías o TAM por sus siglas en inglés (Technology Acceptance Model), el cual es un modelo utilizado para estudiar la aceptación de una cierta tecnología de un individuo, teniendo en cuenta la facilidad de uso de esta y su utilidad [17]. Al finalizar esta fase se analizan cuantitativamente los resultados obtenidos de las pruebas, y se concluye si la solución propuesta cumple con los requerimientos obtenidos y refinados en la segunda fase.

3.3.2. Actividades

1. Diseñar ambientes controlados destinados para pruebas. 2. Realizar las pruebas correspondientes con distintos sujetos, entre invidentes y

personas con visión. 3. Encuestar a los sujetos de prueba sobre el sistema. 4. Analizar cuantitativamente los resultados obtenidos en las pruebas.


Documentación de las pruebas del sistema.

Encuestas basadas en TAM diligenciadas por los sujetos de prueba

Datos cuantitativos de las pruebas del sistema.

Conclusiones del trabajo realizado durante las tres fases.

Memoria del Trabajo de Grado.

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4. Gestión del Proyecto

4.1. Calendarización

Ilustración 1: Diagrama Gantt de Calendarización del proyecto

La calendarización se basa en las fases propuestas dentro de la metodología del proyecto, mediante esta metodología se obtienen los hitos más importantes, estos representan las actividades más importantes del proyecto. A continuación se muestra cada fase con sus actividades y sus fechas:

Fase 1 o Creación de dispositivo: 17 de Marzo al 17 de Abril del 2015. o Documentación del proceso: 20 de Abril al 5 de Junio del 2015.

Fase 2 o Levantamiento de Requerimientos: 27 de Julio al 18 de Agosto del 2015. o Creación del Algoritmo: 19 de Agosto al 18 de Septiembre del 2015. o Documentación del Proceso: 21 de Septiembre al 2 de Octubre del 2015.

Fase 3 o Realización de Pruebas:

Pruebas en ambientes controlados - Personas Videntes: 5 de Octubre al 9 de Octubre del 2015.

Pruebas en ambientes controlados - Personas Invidentes: 12 de Octubre al 19 de Octubre del 2015.

o Validación TAM: 20 de Octubre al 30 de Octubre del 2015. La descripción de cada una de estas actividades se encuentra explicada en la Sección 3, que define el proceso a llevar a cabo en el trabajo de grado.

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4.2. Presupuesto A continuación se muestra una tabla que contiene la estimación de costos de los recursos requeridos para el desarrollo del Trabajo de Grado. Todos los costos son dados en Pesos Colombianos (COP).

Recurso Costo por unidad

Costo por tiempo de depreciación

Cantidad Costo Total

Arduino Pro Mini 5V 16MHz $14.200 2 $28.400

Sensor Ultrasónico HC-SR04 $7.000 2 $14.000

Sensor Bluetooth HC-05 $27.000 2 $54.000

Módulo USB Arduino $12.000 1 $12.000

Portátil de Trabajo $666.700 (año) 2 $1.333.400

Smartphone de Trabajo $400.000 (año) 1 $800.000

Trabajo estudiantes $25.000 (hora) 2*1150 horas

$5.750.000

Salario asesoría director Trabajo de Grado

$40.000 (hora) 280 horas $11.200.000

Total $19.191.800

Tabla 1: Presupuesto del Trabajo de Grado

4.3. Análisis de Riesgos Para asegurar la calidad y cumplimiento de los tiempos acordados dentro de este apartado, se presenta la lista de riesgos principales que pueden llegar a ocurrir durante la ejecución del plan. Cada riesgo corresponde a una meta o categoría por lo que pueden encontrarse entre riesgos de proyecto, técnico o negocio. Además, podemos clasificar estos de una manera más específica entre riesgos de herramienta, personal o tecnología. Para ver a detalle los riesgos ver anexo de riesgos.

RiesgosTG.xlsx

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4.4. Derechos Patrimoniales Los productos y entregables obtenidos del Trabajo de Grado serán licenciados de forma que este pueda ser patentado y comercializado. Para detallar mejor el licenciamiento de cada producto se decide clasificarlos de forma que sea entendible la licencia aplicada para cada categoría. Hardware: Este componente al estar elaborado con un microcontrolador tiene algunas implicaciones en caso de querer ser comercializado. En el caso de Arduino, el producto debe cumplir con cuatro condiciones, pero en este caso solo se considera una a nivel del dispositivo, la cual dice: “Al incorporar una tableta de Arduino dentro de un producto comercial no requiere divulgar cualquier información sobre su diseño” [18]. Se decide patentar este invento debido a los fines comerciales del grupo, teniendo en cuenta la reglamentación de Colombia para estas. Software: Esta categoría contiene dos piezas claves de software, que son el recogimiento de datos en el microcontrolador y el algoritmo de procesamiento de señales. En el caso del microcontrolador, más específicamente de Arduino, se tiene en cuenta una condición al comercializar un producto que contenga el microcontrolador, esta dice: “El uso del núcleo de Arduino y sus librerías para el firmware de un producto comercial no requiere la liberación del código fuente para el firmware. Sin embargo, la licencia LGPL requiere hacer disponible los archivos objeto que permiten el re enlazado del firmware contra versiones actualizadas del núcleo de Arduino y sus librerías. Cualquier modificación al núcleo o sus librerías debe ser liberada bajo la licencia LGPL” [18]. Por ende, el código de recogimiento de datos será licenciado bajo LGPL. Para el algoritmo de procesamiento de señales esto cambia, ya que es un producto creado desde ceros por el grupo. Se opta por la licencia Apache 2.0 ya que es permisiva y se concede expresamente los derechos de patentes de los contribuyentes a los usuarios. Esta licencia está pensada para proteger el código con Copyright para su eventual comercialización y distribución [19]. Adicional a lo anterior, para comercializar el producto en Colombia se requiere un registro ante la Superintendencia de Industria y Comercio, y para la protección del software se requiere hacer un registro ante la Dirección Nacional de Derechos de Autor [20]. Documentos: Todo documento asociado al Trabajo de Grado estará bajo Creative Commons: Atribución – No Comercial – No Derivados 4.0 Internacional [21]. Con esta licencia se permite copiar los documentos y redistribuirlos en cualquier formato, requiere dar crédito apropiado al autor, no se pueden usar para propósitos comerciales y no permite la distribución de estos documentos al ser modificados.

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5. Marco Teórico / Estado del Arte

5.1. Fundamentos y conceptos relevantes para el proyecto

5.1.1. Conceptos Físicos

Ecolocalización / Ecolocación

La ecolocalización es un sistema sensorial encontrado en animales como murciélagos, delfines y ballenas dentadas, en el cual usualmente se emiten frecuencias más allá del rango del oído humano (ultrasonido) y sus ecos o reverberaciones son interpretados para determinar la dirección, la distancia y la forma de los objetos [8]. Muchos de estos murciélagos buscan alimento en diferentes zonas oscuras, tales como insectos o frutas, y necesitan un método de orientación espacial. En este caso es la ecolocalización. Como se dijo anteriormente, los llamados emitidos van por encima del rango del oído humano (20 Hz a 20 KHz). En comparación, los murciélagos pueden normalmente escuchar sonidos con frecuencias de hasta 110 KHz a 110 dB, muy cerca del umbral del dolor humano. Los sonidos se emiten de forma que su frecuencia varíe de alta a baja, o varía la intensidad alrededor de una sola frecuencia, lo que les permite identificar obstáculos o a su presa para evadirlos o capturarlos. Las diferentes especies de murciélagos se orientan dentro de diferentes rangos de frecuencias que se ajustan a su entorno y a sus tipos de presas [22].

Acústica de interiores

Los diferentes materiales utilizados para la creación de estos espacios tienen diferentes efectos o consecuencias, los cuales alteran el coeficiente de absorción total del recinto y el tiempo de reverberación. Los materiales que producen estos efectos se enuncian a continuación:

Absorción: Presencia de materiales absorbentes, resonadores (elementos absorbentes selectivos), de la cantidad de personas presentes y de otros objetos como sillas [23].

Reflexión (Reverberación): Presencia de elementos reflectores utilizados para generar reflexiones útiles hacia el público, utilizado mayoritariamente en espacios destinados a la palabra [23].

Difusión: Presencia de elementos difusores utilizados para dispersar en múltiples direcciones la energía sonora [23].

La absorción del sonido se refiere a la reducción de energía asociada a las ondas sonoras. En cualquier recinto cerrado, esta reducción y la propagación del sonido a través del aire al incidir sobre sus superficies límite, determina la calidad acústica final de este. Este fenómeno se da básicamente por los siguientes factores [23]:

Densidad de personas ubicadas en el recinto

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Objetos ubicados en el recinto (sillas, mesas, etc)

Materiales absorbentes y resonadores (absorbentes selectivos hechos en lana de vidrio, lana mineral, espuma a base de resina de melamina y Espuma de poliuretano)

Toda superficie límite que pueda entrar en vibración, tal como puertas, ventanas y paredes separadoras ligeras

El aire y su humedad relativa

Materiales rígidos y no porosos utilizados para la construcción de paredes y techo, tal como el hormigón macizo, los bloques de hormigón pintados y el ladrillo revestido con yeso

“En recintos cerrados, la energía de las ondas sonoras se refleja sucesivamente en las paredes, suelo y techo. Cuando escuchamos percibimos además del sonido directo de la fuente, aquel sonido que ha sido reflejado una o varias veces en alguna de las superficies. Este fenómeno se conoce como reverberación. Si las paredes fueran reflectores perfectos, el proceso sería de duración infinita. Las superficies reales no son reflectores perfectos y absorben parte del sonido que les llega, por lo que el proceso tiene una duración limitada” [24]. En caso de querer reflectar el sonido de manera útil, se colocan reflectores, que fueron mencionados más arriba. Estos están constituidos por materiales lisos, no porosos y totalmente rígidos capaces de reflectar la mayor parte de la energía sonora incidente. Estos elementos son requeridos en espacios destinados a la palabra y a la música no amplificada [23]. A continuación se muestran dos figuras, la primera representa este fenómeno con un receptor humano y la segunda muestra como lo afecta la geometría.

Ilustración 2: Representación de las reflexiones del sonido [23].

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Ilustración 3: Acústica geométrica y su influencia en la Reflexión del sonido [23].

La difusión del sonido se refiere a la conservación de energía de las ondas sonoras y su propagación en el aire, en este caso, en un recinto cerrado. Esto se consigue al colocar elementos que dispersen la energía incidente en una o en múltiples direcciones. Todas las superficies producen un cierto nivel de difusión, pero aquellas que tienen ornamentaciones, nichos, irregularidades y relieves incrementan este fenómeno notablemente [23]. A continuación se presenta una imagen que muestra este fenómeno sobre diferentes superficies y como se propaga la energía de las ondas sonoras incidentes.

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Ilustración 4: Comparación entre absorción, reflexión y difusión [23].

5.1.3. Conceptos Tecnológicos

Arduino

Es un tipo de microcontrolador utilizado para crear pequeños computadores que pueden sentir y controlar el mundo físico más allá que un computador común. Esta plataforma es open-source y consta de una placa programable o microcontrolador y un ambiente de desarrollo de software exclusivo para esta. Puede ser integrado con dispositivos de entrada como sensores o switches, dispositivos de salida como luces, motores, entre otros, y con software que corre en un computador tal como Flash o MaxMSP [11].

Sensor Ultrasónico

Es un dispositivo que transforma energía eléctrica a mecánica para medir la distancia desde el sensor hasta un objeto específico. Las ondas producidas por este dispositivo, bien lo dice su nombre, son ultrasónicas, es decir, por encima del rango del oído humano (mayor a 20 kHz). Este sensor se categoriza de acuerdo al fenómeno por el cual funciona: piezoeléctrico

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y electrostático. En este caso, se utiliza un sensor piezoeléctrico compuesto por un emisor y un receptor [25]. El piezoeléctrico está formado por un disco hecho de un material piezocerámico fijado a un disco de metal. La función de los materiales piezocerámicos es convertir señales eléctricas en ondas que viajan por el aire, y viceversa. Cuando se aplica un voltaje a estos materiales, se genera distorsión mecánica de acuerdo al voltaje y a la frecuencia. La placa piezocerámica tiene forma de disco en el transmisor y es cuadrado en el receptor para producir vibraciones de forma eficiente, y va fijada a una lámina de metal en forma de cono llamada resonador [25]. El transmisor funciona al aplicar un voltaje sobre el piezocerámico que lo hace vibrar, esto empuja las partículas de aire y genera una onda mecánica que se propaga de forma frontal debido a la forma cónica del resonador. Este mismo concepto se aplica en el receptor pero de forma inversa, es decir, la onda que golpea al resonador genera una vibración sobre el piezocerámico, esto produce una corriente eléctrica la cual porta los datos de la onda recibida [25].

Bluetooth

Es una tecnología de comunicaciones inalámbrica que se encuentra en una gran cantidad de dispositivos, desde celulares y computadores hasta equipos médicos. Su intención es reemplazar los cables que conectan a los dispositivos y mantener un nivel alto de seguridad. Algunas de sus principales características son la ubicuidad, su bajo consumo energético y su bajo costo [26], lo que la hacen una tecnología excelente para la sincronización de diferentes dispositivos. La tecnología Bluetooth opera en la banda ISM (industrial, científica y médica) entre 2.4 GHz y 2.485GHz, la cual no tiene restricciones de licencias. Usa un espectro ensanchado por salto de frecuencia, full-duplex, de 1600 saltos por segundo a una pequeña potencia de 2.5 mW. Su salto es adaptativo entre 79 frecuencias a intervalos de 1 MHz, lo que significa que es altamente inmune a interferencias y transmite de forma eficiente [26].

5.2. Trabajos importantes en el área Los trabajos relacionados en el área son aquellos que han resuelto problemas similares al propuesto o altamente relacionados. En este caso, son trabajos que están dirigidos a resolver el problema de orientar a personas invidentes en un ambiente específico. Es oportuno mencionar que se obtuvieron 5 trabajos relacionados que tienen un fin similar al de esta propuesta de Trabajo de Grado, estos se mencionan a continuación.

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5.2.1. Ecolocalización ciega usando sensores Ultrasónicos Este primer trabajo plantea una solución respecto a la orientación del invidente en ambientes cerrados y abiertos. Para realizar este trabajo, se plantea el uso de unos pequeños sensores ultrasónicos, que por medio de dos transductores utilizan el principio de ecolocalización. Este dispositivo obtiene información del entorno de la persona y por medio de un zumbador le da indicaciones de los resultados obtenidos, este se activa al detectar un objeto cercano para evitar accidentes. Adicional a lo anterior, cuenta con una vara extensible que sostiene todo cuerpo del dispositivo, una batería para su funcionamiento, una correa para cargar el dispositivo en el hombro, una caja que contiene los sensores y llantas para darle movilidad al usuario [9].

Ilustración 5: Esquema del prototipo [9].

El dispositivo fue puesto a prueba en ambientes controlados, sus resultados no son parecidos a lo esperado ya que la mayoría de los usuarios resaltaron la incomodidad de cargar un dispositivo de este tamaño. Respecto a la parte ultrasónica, se evidenciaron diferentes problemas tales como la no detección de objetos colgantes y las diferencias de altura al movilizarse tales como huecos, escaleras, etc. Los problemas mencionados anteriormente dan a entender que el problema se solucionó en una pequeña parte, ya que estos aspectos son muy importantes para la población invidente y no fueron considerados [9].

5.2.2. Tacit Project: Un sonar para invidentes Este trabajo consiste en una solución similar a la planteada a lo largo de este documento. Particularmente, esta solución tiene como objetivo orientar a una persona invidente en un espacio cerrado por medio de un sensor ultrasónico ubicado en la muñeca, y cuenta con una retroalimentación háptica por medio de dos servomotores que hacen presión sobre la piel al detectar un objeto cercano [27]. El uso de este dispositivo es similar al de un bastón,

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ya que requiere un esfuerzo de movimiento del brazo para obtener diferente información el entorno, y cuenta con un rango muy limitado. Su uso en la muñeca es un aspecto positivo, no molesta al usuario al realizar acciones como comer o agarrar algún objeto [27].

Ilustración 6: Tacit Project y su concepto de banda en la muñeca [27]

El dispositivo cuenta con dos sensores ultrasónicos que están conectados a un Arduino, quien se encarga de procesar la información obtenida y activar los servomotores que dan retroalimentación al usuario sobre objetos cercanos [27]. Este utiliza una pila de 9V para alimentar el sistema [27], pero representa una falla al no informar al usuario en caso de que esta esté por acabar su carga. Lo anterior implica que el usuario seguirá usando el dispositivo sin saber que este se encuentra sin batería, representando un riesgo potencial de accidente.

5.2.3. UltraCane Este trabajo toma un objeto ya existente y lo mejora de forma que solucione más puntualmente el problema. Se trata de un bastón para invidentes que posee un sensor ultrasónico en su punta, y busca dar una nueva sensación de ambiente al usuario [28]. Al tener conocimiento del funcionamiento de este invento, se puede manipular de mejor forma la parte ultrasónica para crear una solución mejor.

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Ilustración 7: UltraCane, en su modo para guardar [28].

Los sensores del bastón proveen una mayor precisión al poder recorrer una distancia mayor a la que el bastón puede llegar [28]. Para informar al usuario, se usa una respuesta háptica, que en este caso, se trata de un motor que vibra al detectar un obstáculo [28]. El gran problema que existe en la utilización de este dispositivo, además del disgusto de usarlo (tal como se explicó en secciones anteriores), es la facilidad para dañar el sensor al estar expuesto a diferentes alturas respecto al suelo, tanto en interiores como en exteriores. Este también puede llegar a abrumar a la persona debido a su constante vibración en terrenos con varios desniveles.

5.2.4. Uso de teléfonos inteligentes para ayudar a personas con

discapacidad visual a localizarse dentro de un espacio cerrado Este es un Trabajo de Grado realizado en la Pontificia Universidad Javeriana por estudiantes de la carrera de Ingeniería de Sistemas. Consiste en el uso elementos de hardware y de software, que permiten a una persona con discapacidad visual conocer su localización dentro de un lugar cerrado a través de una aplicación móvil, sin necesidad de usar un GPS [29]. Además, el proyecto cuenta con retroalimentación al usuario de su localización mediante un mecanismo de voz [29].

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Ilustración 8: Esquemático paso a paso de cómo usar esta solución [29].

Esta aplicación resulta abrumadora para el usuario, ya que su mecanismo de voz se ejecuta de forma repetitiva y puede llegar a molestar al usuario. Adicional a esto, dentro de ciertos ambientes cerrados (como residencias), es más factible conocer los obstáculos que se encuentran dentro de estos en comparación con conocer la localización de la persona. Si bien conocer la ubicación actual es útil para los invidentes, no es suficiente a la hora de caminar en estos ambientes cerrados.

5.2.5. Perro Lazarillo Este animal tiene como objetivo orientar a una persona con discapacidad visual en todo tipo de ambientes, pero necesitan años de adiestramiento para lograr su propósito [30]. Algunos de estos son vistos ayudando a su dueño a conseguir asiento en un bus, cruzando una calle y esquivando diferentes obstáculos. A pesar de contar con las capacidades para hacerse cargo de una persona, hay que recordar que los Lazarillos son animales y como tal, deben ser cuidados en aspectos vitales como alimentación, higiene, salud y buenos períodos de descanso, que pueden llegar a ser una carga más para el usuario [30].

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Ilustración 9: Perro Lazarillo y su dueño [30].

5.3. Glosario Ultrasonido: Sonido cuya frecuencia es superior al límite perceptible por el oído humano (20 KHz). Tiene muchas aplicaciones industriales y se emplea en medicina [31]. Ecolocalización: Sistema sensorial encontrado en murciélagos, y ballenas dentadas, en el que se emiten sonidos de alta frecuencia y sus ecos son interpretados para determinar la dirección, distancia y forma de los objetos [8]. Arduino: Microcontrolador utilizado para crear pequeños computadores que pueden sentir y controlar el mundo físico más allá que un computador común. Esta plataforma es open source y consta de una placa programable o microcontrolador y un ambiente de desarrollo de software exclusivo para esta Android: Sistema operativo creado por Google, se encuentra en cientos de millones de dispositivos móviles en más de 190 países en el mundo [32]. Bluetooth: Tecnología de comunicaciones inalámbrica que se encuentra en una gran cantidad de dispositivos, desde celulares y computadores hasta equipos médicos. Esta trabaja en la banda ISM (industrial, científica y médica) entre 2.4 GHz y 2.485GHz [26]. Absorción: Reducción de energía asociada a las ondas sonoras al chocar contra una superficie [23].

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Reflexión (Reverberación): Energía de una onda sonora que regresa al no ser absorbida por una superficie [23]. Difusión: Conservación de energía de las ondas sonoras y su propagación en el aire [23]. TAM (Technology Acceptance Model): Modelo utilizado para estudiar la aceptación de una cierta tecnología de un individuo, teniendo en cuenta la facilidad de uso de esta y su utilidad [17].

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6. Referencias y Bibliografía

6.1. Referencias

[1] I. Lengua, L. Dunai, G. Peris Fajarnes y B. Defez, «Dispositivo de Navegación para Personas

Invidentes Basado en la Tecnología Time Of Flight,» Dyna, Valencia, 2013.

[2] J. H. Cortes Valencia, L. A. Castaño Acosta y W. H. Morales Aristizabal, «Prototipo experimental

de un sistema de detección de objetos por medio de imagenes y sensores para invidentes

(DOMIS),» Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, 2010.

[3] S. Bellin, «Blindness: Mapping the Invisible,» 2011.

[4] J. L. Busaniche, «El Lazarillo de Ciegos Caminantes,» El Cid Editor, 2009.

[5] C. J. Baker, «Biomimetic Echolocation with Application to Radar and Sonar Sensing,» IEEE,

2014.

[6] World Health Organization, «Visual Impairment and Blindness,» Agosto 2014. [En línea].

Available: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs282/en/. [Último acceso: 25 03

2015].

[7] J. C. Gómez Beltrán, «Diagnóstico "Discapacidad en Colombia: Retos para la inclusión en

Capital Humano",» Abril 2010. [En línea]. Available:

http://www.discapacidadcolombia.com/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=21

0. [Último acceso: 25 03 2015].

[8] M. D. Binder, N. Hirokawa y U. Windhorst, Encyclopedia of Neuroscience, Berlin: Springer

Berlin Heidelberg, 2009.

[9] I. Abdul Aziz, S. Mahamad, M. Mehat y N. Samiha, «Blind Echolocation Using Ultrasonic

Sensors,» IEEE, 2008.

[10] D. Kish, «Human echolocation: How to “see” like a bat,» NewScientist, 2009.

[11] Arduino, «What Is Arduino?,» 2015. [En línea]. Available:

http://arduino.cc/en/guide/introduction. [Último acceso: 08 04 2015].

[12] Arduino, «Arduino Pro Mini,» 2015. [En línea]. Available:

http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardProMini. [Último acceso: 09 04 2015].

29

[13] smartGSM, «Samsung Galaxy S4 Mini,» [En línea]. Available: http://www.smart-

gsm.com/moviles/samsung-galaxy-s4-mini. [Último acceso: 09 04 2015].

[14] I. Jacobson, «The Essential Unified Process – An introduction,» 2008. [En línea]. Available:

http://classic-

web.archive.org/web/20080331082508/http://www.ivarjacobson.com/products/essup.cfm.

[Último acceso: 18 04 2015].

[15] D. West, «THE ESSENTIAL UNIFIED PROCESS (ESSUP) - NEW LIFE FOR THE UNIFIED PROCESS,»

2006. [En línea]. Available: http://www.ivarjacobson.com/resource.aspx?id=430. [Último

acceso: 18 04 2015].

[16] Rational Software Corporation, «Rational Unified Process - Best Practices for Software

Development Teams,» 1998.

[17] CHIRr, «Technology Acceptance Model (Perceived Usefulness and Perceived Ease of Use),» [En

línea]. Available: http://chirr.nlm.nih.gov/tam.php. [Último acceso: 24 05 2015].

[18] Arduino, «FAQ - Can I build a commercial product based on Arduino?,» 2015. [En línea].

Available: http://www.arduino.cc/en/Main/FAQ. [Último acceso: 06 05 2015].

[19] Apache Software Foundation, «Apache License 2.0,» Enero 2004. [En línea]. Available:

http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0.html. [Último acceso: 06 05 2015].

[20] I. D. Abaunza, «Cómo proteger aplicaciones móviles o software en Colombia,» 28 Enero 2015.

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m%C3%B3viles-o-software-en-colombia_213836. [Último acceso: 06 05 2015].

[21] Creative Commons, «CC: Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-

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[22] Bat Conservation Trust, «Echolocation,» [En línea]. Available:

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[23] A. C. Isbert, Diseño acústico de espacios arquitectónicos, Barcelona: UPC, 1998.

[24] Universidad del País Vasco, «Acústica de interiores,» 2003. [En línea]. Available:

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[25] A. Sharma, «Learn the Working of Ultrasonic Sensors,» [En línea]. Available:

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30

[26] Bluetooth Special Interest Group, «A Look at the Basics of Bluetooth Technology,» 2015. [En

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[27] S. Hoefer, «Meet The Tacit Project. It’s Sonar For The Blind.,» Grathio Labs, 08 08 2011. [En

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[28] UltraCane, «The UltraCane - an award winning mobility aid,» [En línea]. Available:

http://www.ultracane.com/about_the_ultracane. [Último acceso: 21 05 2015].

[29] A. P. Ortiz Pulido y J. S. Corredor Merchán, «Uso de teléfonos inteligentes para ayudar a

personas con discapacidad visual a localizarse dentro de un espacio cerrado,» 18 11 2013. [En

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[30] Redacción/facilisimo.com, «El perro guía. El mejor amigo del invidente.,» Facilisimo Interactive

S.L., [En línea]. Available: http://perros.facilisimo.com/reportajes/adiestramiento/el-perro-

guia_185618.html. [Último acceso: 19 05 2015].

[31] Real Academia Española, «Ultrasonido,» [En línea]. Available:

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[32] Google, «Android, the world's most popular mobile platform,» [En línea]. Available:

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aklas: dispositivo de orientación para invidentes...

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