馬宏平，蔣 勵(lì)，宋竹青，馬彥鵬，王風(fēng)麗

（同濟(jì)大學(xué) 物理系，上海 200092）

引 言

國(guó)內(nèi)目前約有500萬(wàn)盲人，占全世界盲人總數(shù)的18%。盲人在行走引導(dǎo)方面具有很大的困難，目前引導(dǎo)盲人行走的方法主要有三種：（1）傳統(tǒng)的手杖引導(dǎo)；（2）盲道引導(dǎo)；（3）導(dǎo)盲犬引導(dǎo)。其中傳統(tǒng)的手杖引導(dǎo)通過敲擊地面告知盲人前方是否為可行路線，它無(wú)法告知盲人周圍障礙物的空間分布和距離［1］；盲道存在一定的局限性；而導(dǎo)盲犬的培訓(xùn)周期長(zhǎng)，并且成本很高［2］。為此，文中提出了一種引導(dǎo)盲人行走的便捷方案，用三個(gè)紅外線探測(cè)器同時(shí)探測(cè)前、左、右三個(gè)方向障礙物距離數(shù)據(jù)，控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，然后通過MP3語(yǔ)音模塊的提示音和蜂鳴器提示盲人周邊障礙物的距離，擴(kuò)大盲人的感知空間。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 紅外線探測(cè)器測(cè)距原理

導(dǎo)盲系統(tǒng)中，采用紅外線探測(cè)器測(cè)量身體與障礙物之間的距離。該紅外線探測(cè)器是基于三角測(cè)距原理完成身體與障礙物之間距離測(cè)量的，被測(cè)障礙物是具有一定漫反射性質(zhì)的反射體，如墻壁、紙張等［3－5］。三角法測(cè)距的基本原理是基于平面三角關(guān)系。三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別為光線發(fā)射端、接收端和障礙物，紅外線發(fā)射端按照一定角度θ發(fā)射紅外光束，遇到障礙物時(shí)光束就會(huì)反射回來，反射光線照射到接收端的CDD檢測(cè)器上，在檢測(cè)器上相對(duì)中心位置有一個(gè)偏移量X，隨著探測(cè)器與障礙物之間距離d的變化，偏移量的大小也隨之發(fā)生改變。利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度θ，偏移距X，中心矩D，以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離d就可以通過幾何關(guān)系計(jì)算出來［6］，圖1為三角法測(cè)距原理示意圖。

一般的紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)是固定的，光線發(fā)射角度θ、中心矩D、濾鏡的焦距f都是常數(shù)，所以障礙物的距離d只與發(fā)射光線在CCD檢測(cè)器上的偏移量X有關(guān)［7］。紅外線探測(cè)器的模擬輸出電壓信號(hào)與反射光線光斑中心位置有關(guān)，即與偏移量X之間有一定的比例關(guān)系，所以探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)與障礙物的距離d之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，通過對(duì)紅外探測(cè)器件輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集、運(yùn)算處理就可以獲得傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離信息。

圖1 三角法測(cè)距原理圖Fig.1 The schematic diagram of triangular surveying

1.2 探測(cè)器模擬輸出轉(zhuǎn)化為距離輸出的函數(shù)擬合

實(shí)際測(cè)量時(shí)紅外探測(cè)器的輸出值為模擬電壓值，在編程設(shè)計(jì)中需要的是實(shí)際的距離，所以必須找出模擬電壓與實(shí)際距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。用紅外探測(cè)器測(cè)量障礙物距離固定變化的一系列距離值，通過比較實(shí)際距離值與模擬電壓輸出值之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，模擬二者之間的函數(shù)表達(dá)式。文獻(xiàn)［7］給出了這種轉(zhuǎn)換函數(shù)和計(jì)算方法，用MATLAB編程并以圖形結(jié)合的方法獲得函數(shù)的系數(shù)。圖2是紅外探測(cè)器測(cè)量不同距離D時(shí)得到的模擬電壓輸出值U，二者之間基本符合反比例函數(shù)的形式。假設(shè)模擬電壓與實(shí)際距離之間滿足關(guān)系式：

圖2 實(shí)際障礙物距離與探測(cè)器模擬電壓輸出值對(duì)應(yīng)曲線Fig.2 The curve of the distance of object versus analog voltage output of detector

圖3 Dk與U值之間的擬合曲線Fig.3 The fitting curve of Dkversus U

1.3 蜂鳴器發(fā)聲原理

導(dǎo)盲器是輔助盲人行走，避免碰到障礙物的工具，所以其響應(yīng)時(shí)間是重要的指標(biāo)。行走時(shí)有一定的速度，所以前方障礙物對(duì)盲人出行安全影響很大。為了提高系統(tǒng)報(bào)警的速度，在語(yǔ)音報(bào)警功能的基礎(chǔ)上，增加了蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器只需要一個(gè)高電平就能使其發(fā)聲，信號(hào)處理過程簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速。

對(duì)于蜂鳴器，用Arduino單片機(jī)可以控制其發(fā)出不同頻率的聲音，因?yàn)椴煌囊粽{(diào)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波，音調(diào)越高，則方波的頻率越大，即周期越小。兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式如下：

式（3）中，t表示方波高電平時(shí)長(zhǎng)，T 為方波周期，f為音調(diào)頻率。可以根據(jù)上式來計(jì)算不同音調(diào)對(duì)應(yīng)的方波在一個(gè)周期內(nèi)需保持高電平的時(shí)間長(zhǎng)度，只要控制蜂鳴器供應(yīng)電壓的高電平的時(shí)間長(zhǎng)短就可以讓其發(fā)出不同的音調(diào)，從中選擇合適的音調(diào)作為導(dǎo)盲杖的報(bào)警音。

表1 不同聲音對(duì)應(yīng)的頻率Tab.1 The frequency of different voices

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

導(dǎo)盲系統(tǒng)主要由電源模塊、串口轉(zhuǎn)換模塊、紅外探測(cè)器發(fā)射與接收模塊、信號(hào)處理控制模塊和語(yǔ)音輸出報(bào)警模塊組成。如圖4所示，該系統(tǒng)控制核心為Arduino ATmega328P－PU單片機(jī)，紅外測(cè)距模塊則采用夏普GP2Y0A02YK0F紅外距離傳感器，語(yǔ)音報(bào)警模塊采用蜂鳴器和MP3—VS1003B語(yǔ)音芯片進(jìn)行雙重報(bào)警。單片機(jī)采用的通訊接口是TTL電平的TX／RX端，而MP3模塊的串口通訊是RS23電平的MCU＿TXD的MCU＿RXD端，所以需要用到串口轉(zhuǎn)換器，將MP3模塊RS23電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。

2.1 紅外發(fā)射與接收系統(tǒng)

紅外線發(fā)射與接收系統(tǒng)選用的是SHARP公司的GP2Y0A02YK0F紅外距離傳感器，測(cè)量范圍為200～1 500mm。探測(cè)器主要是由紅外信號(hào)發(fā)射端、接收端及相應(yīng)的處理電路組成，紅外發(fā)射端和接收端與被測(cè)障礙物組成平面三角形，如圖5所示，利用前面介紹的三角測(cè)距的原理來探測(cè)人與障礙物的距離信息。

圖4 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖Fig.4 The overall design chart of the system

圖5 紅外發(fā)射與接收示意圖Fig.5 The schematic diagram of the infrared emitting and receiving system

2.2 信號(hào)處理控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的工作流程如圖6所示，控制系統(tǒng)使用的是ArduinoDuemilanove 2009ATmega328P－PU 單片機(jī)，它具有模擬輸入／輸出端口和數(shù)字輸入／輸出端口，其中模擬端口接收紅外探測(cè)器測(cè)量得到的模擬輸出電壓，需要通過D／A轉(zhuǎn)換也即函數(shù)擬合將其變?yōu)閷?shí)際對(duì)應(yīng)的距離，然后根據(jù)這個(gè)實(shí)際距離值判斷障礙物的遠(yuǎn)近然后控制語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)做出相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警。

2.3 語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)

語(yǔ)音報(bào)警模塊中采用的是TX＿SDMP3＿2.1音樂播放模塊，VS1003B作為 MP3解碼核心［8］。VS1003B支持 MP3、WAV、WMA、MIDI等諸多音頻格式，支持SD規(guī)范V1.0，即可以讀取外存儲(chǔ)設(shè)設(shè)備上的音樂文件［9］。

語(yǔ)音電路根據(jù)控制系統(tǒng)分析的所有測(cè)量值，設(shè)計(jì)出語(yǔ)音元素（前方、左方、右方、距離），分別錄制語(yǔ)音文件，這些信息存于語(yǔ)音電路非易失性存儲(chǔ)單元NMC中。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)處理系統(tǒng)處理后，發(fā)出語(yǔ)音地址和放音控制指令，同存儲(chǔ)在語(yǔ)音芯片內(nèi)部的語(yǔ)音地址進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相匹配時(shí)，經(jīng)由語(yǔ)音電路通過耳機(jī)輸出測(cè)量結(jié)果。

圖6 信號(hào)控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 The flow chart of signal control system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Arduino ATmega328P－PU單片機(jī)專門配套的Arduino軟件的C語(yǔ)言編程。控制器要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)前、左、右三個(gè)方向的紅外探測(cè)器進(jìn)行控制，所以必須對(duì)三個(gè)方向做優(yōu)先級(jí)設(shè)定，由于前方障礙物距離值比較重要，控制器應(yīng)優(yōu)先判斷前方有無(wú)障礙物，然后再判斷左右兩方，如圖7所示。

結(jié)合圖7中的優(yōu)化運(yùn)算方法加入到整個(gè)系統(tǒng)總程序中，整合紅外測(cè)距模塊、控制器模塊和語(yǔ)音報(bào)警模塊，最后得到的主程序如圖8所示。

圖7 三個(gè)方向紅外探測(cè)器的信號(hào)處理優(yōu)先級(jí)示意圖Fig.7 The schematic diagram of signal control priority of three infrared detectors from different directions

圖8 主程序圖Fig.8 The main program diagram

4 結(jié) 論

利用紅外線探測(cè)器測(cè)量障礙物的距離，采用單片機(jī)處理三個(gè)探測(cè)器的數(shù)據(jù)信息，確定障礙物的方位和距離，輸出信號(hào)控制蜂鳴器和MP3語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，有效地幫助盲人確定障礙物的方位，進(jìn)行便捷的行走。該方案經(jīng)過電路實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)行了全面的模擬盲人實(shí)驗(yàn)。在長(zhǎng)20m、寬2.5m的樓道里，在靠左右墻及樓道正中心三個(gè)位置隨機(jī)放置共五個(gè)寬1m、高1.2m的長(zhǎng)方形木板，然后蒙住眼睛模擬盲人前進(jìn)，每次行走前都更換五個(gè)木板的位置，經(jīng)過多人多次行走結(jié)果統(tǒng)計(jì)，平均每次通過20m的距離所用時(shí)間為30～40s之間，并且沒有或只有一次碰到障礙物。通過這樣的模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了導(dǎo)盲杖的實(shí)用性和可操作性，證明該導(dǎo)盲杖可以有效正確地引導(dǎo)盲人避開障礙物，安全快速地行走。

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