孟祥薇，嚴(yán)錫君，歐陽(yáng)星辰，余 敏，卜 旸

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

我國(guó)盲人及視力障礙者數(shù)量大，約占全世界盲人總數(shù)的20%。盲人由于生理上的缺陷，在公共場(chǎng)所行走時(shí)面臨著諸多不便以及潛在的危險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)外有諸多類(lèi)型的盲人導(dǎo)航技術(shù)，如導(dǎo)盲機(jī)器人、紅外線導(dǎo)盲、盲人電子眼鏡、GPRS導(dǎo)盲系統(tǒng)等[1]，但這些盲人導(dǎo)航設(shè)施大多成本過(guò)高或攜帶不便，且受環(huán)境影響較大，并不能被盲人廣泛采用。超聲波具方向性強(qiáng)、能量易于集中、傳播距離較遠(yuǎn)，以及對(duì)障礙物定位具有一定的精確性等特性，能較好地應(yīng)用于障礙物定位，且設(shè)備成本較低，便于攜帶、體積較小，因而易于普及[2]。目前，已有基于超聲波的導(dǎo)盲杖研究，但是局限于檢測(cè)障礙物信息，無(wú)法探測(cè)路面情況，因而無(wú)法為盲人提供全面的路況信息。本文采用C8051F360單片機(jī)[3]，結(jié)合超聲波測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)盲杖，并通過(guò)設(shè)置壓力傳感器達(dá)到準(zhǔn)確探測(cè)路面情況的目的，通過(guò)語(yǔ)音模塊對(duì)探測(cè)到的距離信息進(jìn)行反饋，提醒盲人前方道路情況，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲功能。應(yīng)盡量輕巧實(shí)用，避免不需要的負(fù)重[4]。系統(tǒng)主要由主控制模塊、電源管理及開(kāi)關(guān)模塊、超聲波測(cè)距模塊、語(yǔ)音模塊、壓力按鈕模塊等組成，其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of system

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

日常生活中盲人隨身攜帶導(dǎo)盲杖，為此，導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)

使用時(shí)，正前方、左前方以及右前方3個(gè)方向的超聲波模塊定向發(fā)出超聲波，當(dāng)被測(cè)方向有障礙物時(shí)，在一定距離內(nèi)喇叭會(huì)發(fā)出方向性語(yǔ)音提示；同時(shí)，當(dāng)拐杖底端接觸地面時(shí)，底部的壓力按鈕會(huì)被按下，拐杖下方的超聲波傳感器發(fā)出超聲波，對(duì)前方路面情況進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)前方路面存在上坡或者下坡情況時(shí)，喇叭會(huì)發(fā)出狀況提示。

電源管理及開(kāi)關(guān)模塊主要負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)模塊提供獨(dú)立穩(wěn)定的電源，由5 V可充電鋰電池供電，可穩(wěn)定供應(yīng)3．3 V和5 V兩種電壓，并由電源開(kāi)關(guān)控制導(dǎo)盲杖使用；4個(gè)超聲波測(cè)距模塊通過(guò)I/O口與主控制模塊交換數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)采集環(huán)境中各個(gè)方向的障礙物信息，為路況分析提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；語(yǔ)音模塊由UART口與主控制模塊連接，主芯片根據(jù)實(shí)時(shí)路況信息控制其產(chǎn)生相關(guān)語(yǔ)音提示，為盲人避障提供指示；壓力按鈕模塊可檢測(cè)導(dǎo)盲杖是否著地，并通過(guò)外部中斷傳送信息到主控制模塊，使得超聲波模塊測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，從而保證了對(duì)路況分析的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距模塊主要負(fù)責(zé)采集路況信息，即發(fā)射端（即杖體）到障礙物的距離信息，并傳給單片機(jī)進(jìn)行路況分析處理。模塊采用HY-SRF05超聲波芯片，測(cè)距精度可達(dá)到3mm，模塊包括發(fā)射器、接收器與控制電路[5]。超聲波測(cè)距模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 HY-SRF05模塊電路圖Fig．2 Circuit diagram of HY-SRF05

傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，由單片機(jī)給出至少10μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，即Δt。

為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)全方位路況，超聲波模塊的部署極為重要?？紤]到盲人遇到的路況主要分為：前、左、右方向的障礙物，上坡或樓梯，以及下坡或溝坑，因此采用如圖3所示的具體部署方案。在杖體靠近手柄處以45°角間隔水平放置3個(gè)超聲波傳感器，分別探測(cè)正前方、左前方以及右前方3個(gè)方向的障礙物；在靠近底座上端與杖體成45°角處固定放置一個(gè)超聲波傳感器，以檢測(cè)路面狀況。

2.2 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊由SYN6288芯片構(gòu)成，其外圍電路如圖4所示。其中端口CON4用于連接喇叭。語(yǔ)音模塊的接口TxD與RxD分別連接至單片機(jī)的全雙工的異步串行通訊（UART）接口 P0．1口與 P0．2口，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的串口通信[6]。

單片機(jī)發(fā)送給SYN6288芯片的命令都需要以“幀”的形式進(jìn)行封裝后傳輸，具體幀格式如表1所示。

圖3 超聲波傳感器部署主視圖Fig．3 Front view of the deployment of ultrasonic sensors

圖4 SYN6288芯片及其外圍電路圖Fig．4 Chip SYN6288 and peripheral circuit diagram

表1 命令幀格式Tab.1 Form at of command frame

單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前的路況分析結(jié)果控制語(yǔ)音模塊播報(bào)相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音信息，包括前方、左側(cè)、右側(cè)、上坡和下坡5種信息，以提醒盲人做出相應(yīng)處理方法。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多方向的探測(cè)與路況分析處理，系統(tǒng)工作流程的合理安排就顯得尤為重要。合理的工作流程應(yīng)當(dāng)確保系統(tǒng)及時(shí)播報(bào)當(dāng)前路況，無(wú)漏報(bào)或誤報(bào)，同時(shí)也不必過(guò)于頻繁的探測(cè)與報(bào)警，頻繁探測(cè)不僅增加功耗，降低電池使用時(shí)間，同時(shí)也會(huì)讓使用者感到無(wú)所適從[7]。

3.1 主流程圖

主流程實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)、路面探測(cè)以及語(yǔ)音播報(bào)的統(tǒng)籌安排。保證各模塊正常運(yùn)行，避免相互沖突。

系統(tǒng)主流程圖如圖5所示，其中sflag=1表示語(yǔ)音模塊空閑，sflag=0表示語(yǔ)音模塊被占用，sound指示當(dāng)前占有語(yǔ)音模塊使用權(quán)的傳感器。sflag會(huì)在一次播報(bào)后被置為0，即語(yǔ)音模塊設(shè)為忙狀態(tài)，固定時(shí)間后再被置為1，置1功能會(huì)在下文介紹的障礙物探測(cè)模塊中實(shí)現(xiàn)。

3.2 障礙物探測(cè)

障礙物探測(cè)包括正前、左前、右前3個(gè)方向?？紤]到探測(cè)裝置是以超聲波為探測(cè)媒介，同時(shí)工作可能互相干擾，因此系統(tǒng)采用輪流探測(cè)方式[8]。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音模塊忙閑狀態(tài)的控制，本模塊中會(huì)每隔固定時(shí)間為語(yǔ)音模塊標(biāo)志位sflag置1，即設(shè)為空閑，間隔時(shí)間經(jīng)計(jì)算設(shè)為12 s，通過(guò)此設(shè)置，可保證語(yǔ)音模塊在每次啟用后12 s才被再次啟用。

圖5 系統(tǒng)主流程圖Fig．5 Main flow chart

C8051F360單片機(jī)利用定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)傳感器輪流探測(cè)，定時(shí)周期為300ms。圖6為定時(shí)器2中斷程序流程圖，其中dir為傳感器標(biāo)識(shí)：dir=1為左前方傳感器（超聲波模塊1），dir=2為前方傳感器（超聲波模塊2），dir=3為右前方傳感器（超聲波模塊3）。

3.3 路面探測(cè)

路面探測(cè)傳感器，即傳感器模塊4，固定在導(dǎo)盲杖的中下位置。處于水平路面時(shí)，傳感器與水平面的夾角以及相對(duì)于地面的垂直高度是一定的，此時(shí)傳感器模塊到前方路面的距離一定，為參考距離D。行進(jìn)過(guò)程中，由壓力按鈕產(chǎn)生中斷后傳感器模塊4開(kāi)始測(cè)量實(shí)際距離d，當(dāng)d與D相等時(shí)，即認(rèn)為前方為水平路面；若d小于D，則認(rèn)為前方為上坡/上臺(tái)階；若d大于D，則認(rèn)為前方為下坡/下臺(tái)階/溝?？紤]到實(shí)際路面總是有一些高低起伏的，因此在d與D的比較中設(shè)定了一個(gè)誤差參數(shù)m，當(dāng)|d-D|＜m時(shí)，均認(rèn)為是水平路面。誤差參數(shù)m可通過(guò)實(shí)物調(diào)試給定，系統(tǒng)中設(shè)定為5 cm。

圖6 障礙物輪流探測(cè)方式軟件流程圖Fig．6 Flow chart of detecting obstacles

路面探測(cè)時(shí)以被測(cè)區(qū)域與傳感器的實(shí)際距離為判斷依據(jù)，因此需保證距離測(cè)量時(shí)導(dǎo)盲杖接觸地面且與地面垂直，同時(shí)保證傳感器模塊放置方向與水平方向夾角一定，此狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。導(dǎo)盲杖底部設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力按鈕模塊（如圖3）。在行進(jìn)中若底部按鈕被按下，即可認(rèn)為傳感器自身處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，方可進(jìn)行路面探測(cè)。

因此，利用壓力按鈕模塊引入外部中斷，用以觸發(fā)路面探測(cè)工作。圖7為具體工作流程，其中it用于記錄前進(jìn)步數(shù)，每前進(jìn)三步進(jìn)行一次探測(cè)，以避免頻繁探測(cè)。

圖7 路面探測(cè)方式軟件流程圖Fig．7 Flow chart of detecting road conditions

4 結(jié)束語(yǔ)

智能導(dǎo)盲杖包含了障礙物探測(cè)和路面探測(cè)兩部分，障礙物探測(cè)包括左前方、正前方及右前方3個(gè)方向，覆蓋范圍為90°，探測(cè)半徑為2m，當(dāng)障礙物進(jìn)入探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，將通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)障礙物的大致方位。路面探測(cè)的區(qū)域?yàn)槭褂谜咔胺?0 cm處的路面，被探測(cè)路面的水平高度與裝置所處路面的水平高度相比，若低5 cm以上，則提示“前方下坡”，若高5 cm以上，則提示“前方上坡”。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，可對(duì)左前方、正前方和右前方的障礙物以及上下坡、臺(tái)階和明顯的坑洼等路面狀況做出準(zhǔn)確識(shí)別并及時(shí)提示，幫助盲人了解周?chē)鸂顩r，為其出行提前便利，提供有效的服務(wù)。

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