本文旨在進行盲多重障礙者頭控有聲溝通器之軟硬體系統整合設計與製作，以解決盲多重障礙者因無法發聲而無法與外界溝通問題。研究中研發了頭控人機介面模組、訊號處理模組、傳輸模組、追蹤定位系統與中英文語音(TTS)應用軟體，使盲多重障礙者只要輕微擺動頭部，即可發聲與外界交談溝通。
    本研究首先使用9個紅外線感測器完成序列埠(RS232)、通用序列匯流排(USB)和藍芽介面之頭控模組，並使用89C52單晶片完成程式運算微處理系統，以整合輸入系統之硬體架構；其次使用CMUcam1 CCD模組與BS2微處理器，完成CCD定位追蹤系統；最後以C++語言完成與89C52端拼音、組字和除錯等功能，並結合電腦端語音合成系統之有聲應用程式設計和撰寫，成功整合設計與製作了盲多重障礙者智慧型頭控有聲溝通器之軟硬體系統，並與盲多重視障者配合進行實際測試與修正。
    本文之研究成果，不僅解決多年來國內外蓬勃發展眼控與頭控系統，卻仍無適合盲多重障礙者使用之有聲溝通輔具的困境，亦可改善盲多重視障者輔具的應用範疇，以創造盲多重視障者優質化的學習和生活環境。

The object of this thesis is to accomplish the integrated design and manufacture of head-controlled system for voice communication to visually impaired people with multiple disabilities. The result will solve the problem that visually impaired people with multiple disabilities can’t communicate with other people because they can not make voice by themselves. The head-controlled human-machine interface module, signal processing module, communication interface module, position tracking system, and intelligent Chinese and English TTS interface system are developed in this thesis.
    At first, nine infrared sensors, single chip processor 89C52, RS232, USB and Bluetooth interfaces are used to accomplish the hardware of head-controlled talking machine. Then, the CCD position tracking system is carried out by CMUcam1 CCD module and BS2 microprocessor. Eventually, the software of head-controlled talking machine is created using C++ and TTS system to achieve the communication functions of Pinyin, associating Chinese character, debugging error action and pronouncing English or Chinese character. The prototype is also tested by visually impaired people with multiple disabilities and then improved. 
    The result of this thesis, can not only solve that there is no suitable assistive device for visually impaired people with multiple disabilities to communicate with other people, also can improve the field of application for assistive devices, and create the quality assured accessibility environment of learning and living.

目  錄
中文摘要 ------------------------------------------------------------------------ I
英文摘要 ------------------------------------------------------------------------ II
誌    謝 ----------------------------------------------------------------------- IV
目    錄 ------------------------------------------------------------------------ V
圖表索引 --------------------------------------------------------------------- VIII
第一章 緒論 ------------------------------------------------------------------- 01
1.1 前言 ------------------------------------------------------------------ 01
1.2 研究動機與目的 --------------------------------------------------- 01
1.3 文獻回顧 ------------------------------------------------------------ 03
1.3.1頭部控制系統 ------------------------------------------------ 04
1.3.2瞳位追蹤系統 ------------------------------------------------ 09
1.3.3接觸式輸入系統 --------------------------------------------- 11
1.3.4摩斯碼輸入系統 --------------------------------------------- 13
1.3.5追蹤定位系統 ------------------------------------------------ 14
1.4 論文之構成 --------------------------------------------------------- 15
第二章 硬體系統設計 ------------------------------------------------------- 17
2.1 人機介面需求 ------------------------------------------------------ 17
2.2 硬體系統架構 ------------------------------------------------------ 17
2.3 輸入模組 ------------------------------------------------------------ 18
2.3.1頭控紅外線感測器 ------------------------------------------ 18
2.3.2頭控接收面板 ------------------------------------------------ 19
2.4 訊號處理模組 ------------------------------------------------------ 22
2.4.1 89C52單晶片 ------------------------------------------------ 22
2.4.2蜂鳴器回饋介面 --------------------------------------------- 23
2.5 介面傳輸模組 ------------------------------------------------------ 25
2.5.1 RS232介面 --------------------------------------------------- 25
2.5.2 USB介面 ----------------------------------------------------- 25
2.5.3藍芽介面 ------------------------------------------------------ 26
2.6 系統特色 ------------------------------------------------------------ 27
第三章 追蹤定位系統硬體設計 ------------------------------------------- 28
3.1 定位需求與系統選用 --------------------------------------------- 28
3.2 追蹤定位系統架構 ------------------------------------------------ 31
3.3 CMUcam1 CCD模組 -------------------------------------------- 32
3.4 BS2微處理器 ----------------------------------------------------- 35
3.5 馬達驅動模組 ------------------------------------------------------ 36
3.6 系統特色 ------------------------------------------------------------ 43
第四章 溝通器靭體程式與應用軟體設計 ------------------------------- 44
4.1 溝通器拼音靭體程式 --------------------------------------------- 44
4.2 溝通器組字靭體程式 --------------------------------------------- 45
4.3 感測輔助靭體程式 ------------------------------------------------ 48
4.4 操作流程修正 ------------------------------------------------------ 48
4.5 追蹤定位靭體程式 ------------------------------------------------ 49
4.5.1追蹤靭體程式 ------------------------------------------------ 50
4.5.2馬達驅動靭體程式 ------------------------------------------ 51
4.6 中英文語音應用軟體 --------------------------------------------- 51
第五章 溝通器軟硬體系統測試與討論 ------------------------------- 52
5.1 頭控紅外線感測器干擾測試 --------------------------------- 52
5.2 盲多重障礙者實測與接收面板大小測試 ------------------ 57
5.3 無追蹤定位系統頭控溝通器測試 --------------------------- 58
5.4 追蹤定位系統馬達驅動模組測試 --------------------------- 61
5.5 有追蹤定位系統頭控溝通器測試 --------------------------- 61
5.6 實際操作測試 --------------------------------------------- 63
第六章 結論與未來展望 ---------------------------------------------------- 66
6.1 結論 ------------------------------------------------------------------ 66
6.2 未來展望 ------------------------------------------------------------ 67
參考文獻 ----------------------------------------------------------------------- 69

 
圖表索引
圖1-1	盲多重障礙者頭控有聲溝通器之系統架構 ------------------- 02
圖1-2	研究流程步驟 ------------------------------------------------------- 03
圖1-3	雷射指向裝置發射器 ---------------------------------------------- 05
圖1-4	雷射指向器 ---------------------------------------------------------- 05
圖1-5	雷射指向裝置系統 ------------------------------------------------- 06
圖1-6	超音波式指向系統 ------------------------------------------------- 06
圖1-7	雙光源影像頭控系統 ---------------------------------------------- 08
圖1-8	瞳位追蹤器 ---------------------------------------------------------- 09
圖1-9	眼電圖訊號偵測裝置 ---------------------------------------------- 10
圖1-10	U2i可程式輸入系統 ---------------------------------------------- 12
圖1-11	嘴控文書系統 ------------------------------------------------------- 13
圖1-12	嘴控輸入裝置 ------------------------------------------------------- 13
圖2-1	透過型紅外線感測器 ---------------------------------------------- 19
圖2-2	反射型紅外線感測器 ---------------------------------------------- 19
圖2-3	EX-23紅外線感測器 ---------------------------------------------- 19
圖2-4	附於紅帽之感測器 ------------------------------------------------- 20
圖2-5	負載電路圖 ---------------------------------------------------------- 20
圖2-6	頭控接收面板 ------------------------------------------------------- 21
圖2-7	EX-23擴散光特性圖 ---------------------------------------------- 21
圖2-8	89C52相關電路圖 ------------------------------------------------- 22
圖2-9	電路實體圖 ---------------------------------------------------------- 23
圖2-10	蜂鳴器回饋介面流程圖 ------------------------------------------- 24
圖2-11	MAX232電路圖 --------------------------------------------------- 25
圖2-12	藍芽介面 ------------------------------------------------------------- 26
圖2-13	系統實體圖 ---------------------------------------------------------- 27
圖3-1	正常相對位置 ------------------------------------------------------- 28
圖3-2	相對位置改變 ------------------------------------------------------- 29
圖3-3	頭控溝通器與追蹤系統流程圖 ---------------------------------- 29
圖3-4	追蹤模組動作流程 ------------------------------------------------- 32
圖3-5	CMUcam1 CCD模組 --------------------------------------------- 33
圖3-6	Parallax Boe-Bot載板 --------------------------------------------- 33
圖3-7	CCD追蹤自走車應用 --------------------------------------------- 34
圖3-8	BS2微處理器 ------------------------------------------------------- 36
圖3-9	追蹤定位系統側視圖 ---------------------------------------------- 36
圖3-10	追蹤定位系統實體圖 ---------------------------------------------- 37
圖3-11	直流線性無刷馬達 ------------------------------------------------- 38
圖3-12	KLV-200無刷馬達驅動器 ---------------------------------------- 39
圖3-13	馬達驅動器控制箱 ------------------------------------------------- 40
圖3-14	下部移動極限開關 ------------------------------------------------- 40
圖3-15	左右旋轉極限開關 ------------------------------------------------- 41
圖3-16	導螺桿驅動機構 ---------------------------------------------------- 41
圖3-17	24V電源供應器 ---------------------------------------------------- 42
圖3-18	配電穩壓電路 ------------------------------------------------------- 42
圖4-1	數碼拼音表 ---------------------------------------------------------- 44
圖4-2	拼音靭體程式流程圖 ---------------------------------------------- 46
圖4-3	組字靭體程式流程圖 ---------------------------------------------- 47
圖4-4	感測器擴散光示意圖 ---------------------------------------------- 48
圖4-5	操作修正流程圖 ---------------------------------------------------- 49
圖4-6	追蹤靭體程式流程圖 ---------------------------------------------- 50
圖4-7	中英文語音應用軟體 ---------------------------------------------- 51
圖5-1	感測器點光源量測 ------------------------------------------------- 53
圖5-2	紅外光EX-23角度特性 ------------------------------------------- 54
圖5-3	感測器斜角情形 ---------------------------------------------------- 54
圖5-4	感測輔助定位 ------------------------------------------------------- 56
圖5-5	無追蹤定位系統頭控溝通器之訊號處理流程圖 ------------- 59
圖5-6	無追蹤定位系統頭控溝通器之實驗作品一 ------------------- 60
圖5-7	無追蹤定位系統頭控溝通器之實驗作品二 ------------------- 60
圖5-8	頭控溝通器與追蹤定位系統實體圖 ---------------------------- 62
圖5-9	系統架構圖 ---------------------------------------------------------- 62
圖5-10	實際感測流程 ------------------------------------------------------- 64
圖6-1	盲多重障礙者操作介面電腦輔助模組 ------------------------- 68
 
表2-1	各種頭控介面比較表 ---------------------------------------------- 17
表3-1	追蹤定位介面比較表 ---------------------------------------------- 30
表5-1	實際操作流程 ------------------------------------------------------- 52
表5-2	感測器距離與點光源大小 ---------------------------------------- 53
表5-3	感測器斜角與長短軸值 ------------------------------------------- 55
表5-4	實際測試表 ---------------------------------------------------------- 65

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