DOI: https://doi.org/10.5120/ijca2026926439
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Olatunde David Akinrolabu وآخرون
الموضوع الرئيسي: التكنولوجيا المساعدة في التواصل والتنقل
نظرة عامة
تقدم البحث عصا ذكية منخفضة التكلفة تعتمد على Arduino Nano مصممة لتعزيز الحركة للأفراد ذوي الإعاقة البصرية من خلال اكتشاف العقبات في الوقت الحقيقي. باستخدام مستشعر فوق صوتي HC-SR04، توفر العصا ردود فعل لمسية وصوتية تدريجية، مع محرك اهتزاز وجهاز إنذار نشط يتعززان كلما اقترب المستخدمون من العقبات، خاصة في وضع الطوارئ للمخاطر القريبة جداً (أقل من 8 سم). يتضمن البرنامج الثابت للنظام فلتر متوسط متحرك من 5 عينات وتوقيت غير محجوز لضمان أداء موثوق، محققاً دقة اكتشاف تتجاوز 95% ووقت استجابة يتراوح بين 80-100 مللي ثانية خلال اختبارات مكثفة. يقدم هذا المشروع إطاراً قابلاً للتكرار للأجهزة المساعدة للحركة، مع التركيز على ردود الفعل السلسة وعمر البطارية الطويل.
تنجح العصا الذكية في تحقيق أهدافها، حيث توفر ردود فعل مستمرة تسمح للمستخدمين بتقدير المسافة بشكل بديهي. يضمن منطق التحكم غير المحجوز استجابة فورية للعقبات، بينما يعزز وضع الطوارئ السلامة. يسلط البحث الضوء على الإمكانية لإنشاء أجهزة مساعدة فعالة وسهلة الاستخدام من خلال اختيار المكونات بعناية وتصميم البرمجيات. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية دمج التعلم الآلي لتصنيف العقبات، وتعزيز الإدراك البيئي مع مستشعرات إضافية، ودمج GPS لدعم الملاحة. يمكن أن تعزز ميزات الاتصال مثل Bluetooth أو Wi-Fi الوظائف، مما يمكّن من دمج الهواتف الذكية ومراقبة مقدمي الرعاية. كما يُقترح تحسينات في التصميم الميكانيكي، مثل مقاومة الماء ومقابض مريحة، لزيادة المتانة وراحة المستخدم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للرؤية في حياة الإنسان، مشددة على أن حوالي 80% من المعلومات الحسية مستمدة من الإدراك البصري. تؤثر الإعاقة البصرية، التي تُعرف بأنها فقدان جزئي أو كلي للرؤية لا يمكن تصحيحه بالوسائل القياسية، على أكثر من 1.1 مليار فرد على مستوى العالم، مع أعداد كبيرة في نيجيريا. لا تعيق هذه الإعاقة الأنشطة اليومية والاستقلال الشخصي فحسب، بل ترتبط أيضاً بالعيوب الاجتماعية والاقتصادية، بما في ذلك ارتفاع معدلات البطالة وزيادة مشكلات الصحة النفسية بين الأفراد المتأثرين.
تقدم وسائل المساعدة الحالية، مثل العصي البيضاء والكلاب المرشدة، قيوداً، بما في ذلك المتطلبات البدنية والتكاليف العالية. بينما توجد تقنيات مساعدة متنوعة، مثل الملاحة عبر GPS والتطبيقات المدعومة بالصوت، فإنها غالباً ما تفشل في البيئات الداخلية واكتشاف العقبات في الوقت الحقيقي. لمعالجة هذه التحديات، يقترح البحث تطوير عصا ذكية منخفضة التكلفة تعمل بالطاقة من Arduino تستخدم مستشعرات فوق صوتية ومحركات اهتزاز لتعزيز اكتشاف العقبات وتوفير تنبيهات في الوقت الحقيقي وردود فعل لمسية، مما يحسن الحركة والاستقلالية للمستخدمين ذوي الإعاقة البصرية.
الطرق
تتضمن منهجية البحث لتطوير عصا ذكية تهدف إلى مساعدة الأفراد ذوي الإعاقة البصرية استخدام تقنية Arduino. يتضمن التصميم مستشعرات فوق صوتية لتسهيل اكتشاف العقبات، مما يعزز سلامة الملاحة للمستخدمين. يتم هيكلة عملية التطوير إلى ثلاث مراحل رئيسية: تجميع الأجهزة، وتنفيذ البرمجيات، وتقييم النظام، مما يضمن نهجاً شاملاً لإنشاء جهاز مساعد فعال. تهدف هذه المنهجية المنهجية إلى تحسين وظيفة وموثوقية العصا الذكية في السيناريوهات الواقعية.
المناقشة
تستعرض قسم المناقشة من ورقة البحث تصاميم مختلفة لعصي المشي الذكية تهدف إلى تعزيز الحركة للأفراد ذوي الإعاقة البصرية. تم تقييم عدة أنظمة، كل منها يستخدم تقنيات مختلفة مثل المستشعرات فوق الصوتية، ووحدات التحكم الدقيقة Arduino، ووحدات الاتصال مثل ZigBee وGPS. تشمل القيود الشائعة عبر هذه التصاميم الاعتماد على ردود الفعل الصوتية، والتي قد لا تكون فعالة في البيئات الصاخبة أو للمستخدمين ذوي الإعاقات السمعية، وغياب آليات ردود الفعل التكيفية التي تتناسب مع قرب العقبات. على سبيل المثال، بينما توفر بعض الأنظمة اكتشافاً أساسياً للعقبات، فإنها تفشل في تقديم تنبيهات تدريجية يمكن أن تعزز الوعي المكاني وأوقات الاستجابة.
تتناول العصا الذكية المقترحة في هذه الدراسة هذه النقائص من خلال دمج منطق تحكم غير محجوز ووظيفة تخطيط PWM مكعبة للردود، مما يسمح باستجابة أكثر دقة للعقبات المكتشفة. لا يحسن هذا التصميم تجربة المستخدم من خلال كل من الإشارات اللمسية والصوتية فحسب، بل يظهر أيضاً دقة أعلى وأوقات استجابة أسرع مقارنة بالنماذج الحالية. تشير نتائج التقييم إلى دقة متوسطة تبلغ حوالي 97.5% في اكتشاف العقبات وعمر بطارية عملي يتراوح بين 7-10 ساعات، مما يجعلها مناسبة للاستخدام اليومي. تقترح اتجاهات البحث المستقبلية دمج ميزات متقدمة مثل التعلم الآلي لتصنيف العقبات في الوقت الحقيقي، وتعزيز تكامل المستشعرات لتحسين الإدراك البيئي، وتحسين خيارات الاتصال لدعم المستخدم والمراقبة.
DOI: https://doi.org/10.5120/ijca2026926439
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Olatunde David Akinrolabu et al.
Primary Topic: Assistive Technology in Communication and Mobility
Overview
The research presents a low-cost, Arduino Nano-based smart cane designed to enhance mobility for visually impaired individuals by detecting obstacles in real time. Utilizing an HC-SR04 ultrasonic sensor, the cane provides progressive haptic and auditory feedback, with a vibration motor and active buzzer that intensify as users approach obstacles, particularly in an emergency mode for very close hazards (less than 8 cm). The system’s firmware incorporates a 5-sample moving average filter and non-blocking timing to ensure reliable performance, achieving over 95% detection accuracy and a response time of 80-100 ms during extensive testing. This project offers a replicable framework for assistive mobility devices, emphasizing smooth feedback and long battery life.
The smart cane successfully meets its objectives, providing continuous feedback that allows users to gauge distance intuitively. Its non-blocking control logic ensures immediate responses to obstacles, while the emergency mode enhances safety. The study highlights the potential for creating efficient and user-friendly assistive devices through careful component selection and software design. Future research directions include integrating machine learning for obstacle classification, enhancing environmental perception with additional sensors, and incorporating GPS for navigation support. Connectivity features like Bluetooth or Wi-Fi could further enhance functionality, enabling smartphone integration and caregiver monitoring. Improvements in mechanical design, such as waterproofing and ergonomic grips, are also suggested to increase durability and user comfort.
Introduction
The introduction highlights the critical role of vision in human life, emphasizing that approximately 80% of sensory information is derived from visual perception. Visual impairment, defined as the partial or total loss of vision uncorrectable by standard means, affects over 1.1 billion individuals globally, with significant numbers in Nigeria. This impairment not only hinders daily activities and personal autonomy but also correlates with socioeconomic disadvantages, including higher unemployment rates and increased mental health issues among affected individuals.
Current mobility aids, such as white canes and guide dogs, present limitations, including physical demands and high costs. While various assistive technologies exist, such as GPS navigation and voice-assisted applications, they often fall short in indoor environments and real-time obstacle detection. To address these challenges, the study proposes the development of a low-cost, Arduino-powered smart cane that utilizes ultrasonic sensors and vibration motors to enhance obstacle detection and provide real-time alerts and haptic feedback, thereby improving mobility and independence for visually impaired users.
Methods
The research methodology for the development of a smart cane aimed at assisting visually impaired individuals involves the utilization of Arduino technology. The design incorporates ultrasonic sensors to facilitate obstacle detection, thereby enhancing navigation safety for users. The development process is structured into three main phases: hardware assembly, software implementation, and system evaluation, ensuring a comprehensive approach to creating an effective assistive device. This systematic methodology aims to optimize the functionality and reliability of the smart cane in real-world scenarios.
Discussion
The discussion section of the research paper reviews various smart walking stick designs aimed at enhancing mobility for visually impaired individuals. Several systems were evaluated, each employing different technologies such as ultrasonic sensors, Arduino microcontrollers, and communication modules like ZigBee and GPS. Common limitations across these designs include reliance on auditory feedback, which may not be effective in noisy environments or for users with hearing impairments, and a lack of adaptive feedback mechanisms that scale with the proximity of obstacles. For instance, while some systems provide basic obstacle detection, they fail to offer progressive alerts that could enhance spatial awareness and reaction times.
The proposed smart cane in this study addresses these shortcomings by integrating a non-blocking control logic and a cubic PWM mapping function for feedback, allowing for a more nuanced response to detected obstacles. This design not only improves user experience through both haptic and auditory signals but also demonstrates higher accuracy and faster response times compared to existing models. The evaluation results indicate a mean accuracy of approximately 97.5% in obstacle detection and a practical battery life of 7-10 hours, making it suitable for daily use. Future research directions suggest incorporating advanced features such as machine learning for real-time obstacle classification, enhanced sensor integration for better environmental perception, and improved connectivity options for user support and monitoring.