An embedded-system and implementation of a telescopic glass for visually impaired

Bu tez çalışmasında, düşük görme (low vision) problemi yaşayan bireylerin görsel algısını artırmak amacıyla geliştirilen motorize teleskopik gözlük sisteminin tasarımı, donanımı, kontrolü ve deneysel doğrulaması sunulmaktadır. Literatürde yaygın olarak kullanılan sabit odaklı veya manuel ayarlamalı teleskopik sistemlerin aksine, bu çalışmada kullanıcının anlık ihtiyaçlarına dinamik şekilde yanıt verebilen, motor kontrollü bir büyütme ve odaklama mekanizması geliştirilmiştir. Sistem, kullanıcı tarafından Bluetooth üzerinden uzaktan kumanda ya da akıllı telefon uygulaması ile kontrol edilebilmekte; odaklama ve büyütme hareketleri, hafif polimer malzemeden FDM 3B yazıcıyla üretilen teleskopik tüplerin mekanik hareketi aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Sistem; optik, elektronik ve mekanik bileşenlerin entegre edildiği giyilebilir bir yapıdadır. Optik sistem, laboratuvar ortamında üretilmiş epoksi bazlı mercekler kullanılarak elde edilmiş olup, montaj sırasında hem maliyet hem de üretim kolaylığı göz önünde bulundurulmuştur ve değişken büyütme oranlarını desteklemektedir. Odak ve yakınlaştırma işlevleri, teleskopik tüplerin içinde yer alan kızak sistemi ile sağlanmakta; tüpün dışına bağlanan lineer step motor, tüpün yatay eksende hareketini gerçekleştirerek odaklamanın hassas ve hızlı olmasına imkân tanımaktadır. Manyetik enkoder ile motorun gerçek pozisyonu takip edilerek, kapalı çevrimde hassas kontrol sağlanmaktadır. Bütün bu sistem yönetimi, 4 katmanlı ve ESP32 tabanlı bir mikrodenetleyici kullanılarak tasarlanan bir pcb aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Step motor kontrolü, STEP ve DIRECTION pinlerine gönderilen sinyallerle sağlanır. DIRECTION pini motorun dönüş yönünü belirler, STEP pinine gönderilen her sinyal motorun bir adım atmasını sağlar. Adım sayısı konumu, sinyalin hızı ise motorun dönme hızını belirler. Manyetik encoder ile motorun gerçek pozisyonu takip edilerek, PID algoritması ile hassas ve kapalı çevrim kontrol sağlanmaktadır. Donanım, düşük güç tüketimli bileşenlerle tasarlanmış ve 170mAh kapasiteli Li-Po batarya ile ortalama günde 50 kere kullanılması durumunda 5 gün çalışması sağlanmıştır. Deneysel doğrulama aşamasında, prototip sistem laboratuvar ortamında bir dizi performans testine tabi tutulmuş; odaklama hızı, konum doğruluğu, görüntü netliği ve enerji tüketimi parametreleri ölçülmüştür ve tüp mekanizmasının aşınma toleransı incelenmiştir. Ayrıca sınırlı sayıda kullanıcıyla saha deneyleri gerçekleştirilerek, kullanım kolaylığı ve ergonomik geri bildirimler toplanmıştır. Sonuç olarak, geliştirilen motorize teleskopik gözlük sistemi, yalnızca düşük maliyetli bir tasarım sunmakla kalmayıp aynı zamanda var olan teleskopik gözlüklerden hem teknik hem de ergonomik açıdan mevcut sistemlerin ötesine geçenmesi, düşük görme problemi yaşayan bireyler için taşınabilir ve etkili bir yardımcı cihaz olarak öne çıkması amaçlanmıştır.

This thesis presents the design, hardware, control, and experimental validation of a motorised telescopic eyeglass system developed to enhance visual perception in individuals with low vision. Unlike the fixed-focus or manually adjustable telescopic systems commonly used in the literature, this study introduces a motor-controlled magnification and focusing mechanism that can dynamically respond to the user's immediate needs. The system can be controlled remotely via Bluetooth or a smartphone application; focusing and magnification movements are achieved through the mechanical movement of telescopic tubes produced using FDM 3D printing with lightweight polymer materials. The system is a wearable structure that integrates optical, electronic, and mechanical components. The optical system uses epoxy-based lenses produced in a laboratory environment, with both cost and production ease considered during assembly, and supports variable magnification ratios. Focusing and zooming functions are provided by a sliding system within the telescopic tubes; a linear stepper motor connected to the outside of the tube enables precise and rapid focusing by moving the tube horizontally. The motor's actual position is tracked using a magnetic encoder, ensuring precise control in a closed-loop system. System management is fully implemented on a custom 4-layer PCB built around an ESP32 microcontroller.. Step motor control is provided by signals sent to the STEP and DIRECTION pins. The DIRECTION pin determines the direction of rotation of the motor, and each signal sent to the STEP pin causes the motor to take one step. The number of steps determines the position, while the signal speed determines the motor's rotation speed. The motor's actual position is tracked using a magnetic encoder, and precise closed-loop control is achieved through a PID algorithm. The hardware is designed with low-power consumption components and can operate for 5 days on average when used 50 times per day with a 170mAh Li-Po battery.During the experimental validation phase, the prototype system was subjected to a series of performance tests in a laboratory environment; parameters such as focusing speed, position accuracy, image clarity, and energy consumption were measured, and the wear tolerance of the tube mechanism was examined. Additionally, field tests were conducted with a limited number of users to collect feedback on usability and ergonomics.In conclusion, the developed motorised telescopic glasses system aims not only to offer a low-cost design but also to surpass existing telescopic glasses systems both technically and ergonomically, thereby emerging as a portable and effective assistive device for individuals with low vision.