仲冬冬 陳健 竇修超 陸豐麒 郭語

摘要：針對(duì)一種自主智能導(dǎo)盲機(jī)器人，基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。該機(jī)器人以MSP430單片機(jī)為控制核心，具有豐富的傳感器系統(tǒng)，包括碰撞傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器、視覺傳感器和傾角傳感器，并具有GPS導(dǎo)航功能和語音交互功能。首先通過GPS導(dǎo)航功能進(jìn)行路線規(guī)劃，控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感器判斷是否前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎，最終實(shí)現(xiàn)將盲人安全準(zhǔn)確的帶到目的地。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；傳感器；導(dǎo)盲機(jī)器人；GPS目前，全球共有盲人3000萬人左右，占總?cè)藬?shù)的千分之五，而中國(guó)有500萬盲人.，占世界總盲人數(shù)的18%[1]。本來盲人的行動(dòng)就不方便，而常規(guī)的導(dǎo)盲杖功能單一，不夠智能。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)盲機(jī)器人的研究也逐漸增多。為了幫助盲人能夠更好的自主生活，本文基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種自主智能導(dǎo)盲機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

1導(dǎo)盲機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理

導(dǎo)盲機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人是由導(dǎo)盲車和人機(jī)交互手杖組成。導(dǎo)盲車的行走機(jī)構(gòu)采用三車輪結(jié)構(gòu)，后部的兩個(gè)車輪為驅(qū)動(dòng)輪，分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前部安裝有一個(gè)萬向輪；車體正前部裝有碰撞傳感器，斜前方兩側(cè)裝有光電傳感器，用于檢測(cè)前方障礙物；在車體前底部裝有超聲波傳感器，用于檢測(cè)前方是否有懸空和水坑；導(dǎo)盲車的內(nèi)部器件通過四個(gè)彈簧阻尼減振器支撐在底盤上，用于保護(hù)電子元器件和電源；傾角傳感器可檢測(cè)車身是否傾斜，以便發(fā)出相關(guān)提示音；導(dǎo)盲車和人機(jī)交互手杖通過一個(gè)萬向節(jié)連接，人機(jī)交互手杖上有電源開關(guān)和語音開關(guān)的按鈕，方便人機(jī)互動(dòng)。

2導(dǎo)盲機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

自主智能導(dǎo)盲機(jī)器人控制系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由傳感檢測(cè)部分、主控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分構(gòu)成。檢測(cè)部分包括光電傳感器、碰撞傳感器、超聲波傳感器、傾角傳感器、視覺傳感器和GPS模塊；主控制器即為MSP430單片機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為語音系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)。主控制器接收傳感器系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換判斷，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作或語音輸出。下面介紹主要模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.2 超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。其電路圖如圖3所示。超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，可以在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，其頻率高于20KHz[2]。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法。其原理為：檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。超聲波在傳輸途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)[3]。渡越時(shí)間與氣體的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。

2.3 光電傳感器

光電傳感器原理圖如圖4所示[4]，發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管（LED）、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。

2.4 碰撞傳感器

本機(jī)器人采用開關(guān)式碰撞傳感器，它利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)來控制觸點(diǎn)的開合，觸點(diǎn)的斷開或閉合則通過上層板控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其電路圖如圖5所示。

2.5 語音模塊

機(jī)器人的語音模塊采用WT588D語音芯片[5]作為語音處理核心，其電路原理圖如圖6所示。該芯片軟件設(shè)置為3×8矩陣按鍵控制模式。I/O口P10、P11、P12被分別定義為矩陣列R1、R2、R3的輸入口，P00~P07被分別定義為矩陣行L1~L7的輸入口，用K1短接P00跟P10可觸發(fā)第1段地址的語音。K2為第2段……直到K24為第24段。P17端為BUSY忙信號(hào)輸出端，可設(shè)置為播放狀態(tài)LED點(diǎn)亮和播放狀態(tài)LED熄滅。由C9、R8、R9、Q1和D3組成上電復(fù)位電路，以保證WT588D在惡劣的環(huán)境下也能正常工作。在RESET端增加一個(gè)輕觸按鍵，可以進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

2.6 步進(jìn)電機(jī)

本文選擇步進(jìn)電機(jī)作為導(dǎo)盲車的驅(qū)動(dòng)部件。通過控制脈沖個(gè)數(shù)和頻率來控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)位置和轉(zhuǎn)速；采用L296驅(qū)動(dòng)芯片為步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電和多相時(shí)序控制。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖7所示。

3控制系統(tǒng)軟件規(guī)劃

該機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)采用移植性好、編程效率高的C語音編程[6]。系統(tǒng)的主要流程圖如圖8所示。首先，打開開關(guān)，設(shè)定目的地，由GPS導(dǎo)航裝置定位并制定路線，電機(jī)工作，導(dǎo)盲車帶領(lǐng)盲人前進(jìn)。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，判斷是否左右兩邊同時(shí)檢測(cè)到；若是，則語音提示“前有障礙物，注意倒退”，后退一段距離，導(dǎo)盲車左轉(zhuǎn)一小段；否則，判斷是否左邊檢測(cè)到障礙物，是則右轉(zhuǎn)一小段，不是則左轉(zhuǎn)一小段。若光電傳感器沒有檢測(cè)到障礙物，則判斷碰撞傳感器是否檢測(cè)到障礙物，若是，則語音提示“前有障礙物，注意倒退”，后退一段距離，導(dǎo)盲車左轉(zhuǎn)一小段；否則，判斷傾角傳感器檢測(cè)導(dǎo)盲車是否傾斜，若是，則語音提示“車已傾斜，注意倒退”，后退一段距離，導(dǎo)盲車左轉(zhuǎn)一小段，否則，判斷超聲波傳感器是否檢測(cè)到凹地；若檢測(cè)到，則語音提示“前有凹地，注意倒退”；否則，導(dǎo)盲車?yán)^續(xù)前進(jìn)。當(dāng)導(dǎo)盲車到達(dá)GPS地圖上拐彎時(shí)，系統(tǒng)通過中斷程序跳出，進(jìn)行拐彎。此流程圖只是大概介紹該機(jī)器人的執(zhí)行次序和條件，因?yàn)樵摍C(jī)器人還裝有先進(jìn)的視覺傳感器，所以會(huì)根據(jù)視覺傳感器的傳出信號(hào)而做出相應(yīng)的命令。如當(dāng)該機(jī)器人在過馬路時(shí)，視覺傳感器探測(cè)到紅燈時(shí)，就會(huì)跳出所有循環(huán)，并立即停止，當(dāng)再次探測(cè)到綠燈時(shí)才會(huì)重新工作。當(dāng)然，該機(jī)器人還擁有GPS導(dǎo)航功能，也會(huì)根據(jù)衛(wèi)星傳來的信號(hào)而改變電機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)暫停工作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次跳入循環(huán)，檢測(cè)各個(gè)傳感器的傳出信號(hào)。

4結(jié)論

本文基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種自主智能導(dǎo)盲機(jī)器人的控制系統(tǒng)，具有豐富的傳感功能，智能化程度較高。系統(tǒng)還具有GPS導(dǎo)航和語音交互功能，能夠自主地引導(dǎo)盲人進(jìn)行路線規(guī)劃和行走。通過萬向節(jié)與導(dǎo)盲車連接的人機(jī)交互手杖，使人機(jī)互動(dòng)更加靈活。然而，該機(jī)器人的視覺傳感器模塊的設(shè)計(jì)還不太成熟，下一步將實(shí)現(xiàn)基于視覺傳感器的道路標(biāo)志識(shí)別功能，使導(dǎo)盲機(jī)器人更具有實(shí)用價(jià)值。

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