陳忠孝，倪 珍，汪宜軍，秦 笑，張 方

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

智能盲人導(dǎo)航儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳忠孝，倪 珍，汪宜軍，秦 笑，張 方

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

研制了一款智能盲人導(dǎo)航儀，盲人可以與導(dǎo)航儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音交流，導(dǎo)航儀可以實(shí)現(xiàn)盲人定位和壁障，使盲人安全地到達(dá)目的地。隨著以單片機(jī)為核心的微控裝置的廣泛應(yīng)用和單片機(jī)技術(shù)的日益成熟，其可以為盲人提供很多新的幫助。以STM32芯片為核心，提出了具有超聲波模塊測(cè)距避障(KT40-1602)、語(yǔ)音模塊(LD3320)交流和GPS 模塊導(dǎo)航功能的新型智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)。其不僅具有目前導(dǎo)航設(shè)備的一般傳感器功能，而且還有語(yǔ)音識(shí)別功能和語(yǔ)音導(dǎo)航功能，這些功能使盲人更貼近生活，具有深遠(yuǎn)的意義。

單片機(jī)；導(dǎo)航；盲人；語(yǔ)音識(shí)別；避障

盲人導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航儀終端、無(wú)線(xiàn)輔助中心和監(jiān)控中心組成。導(dǎo)航儀終端安裝GPS接收、GPRS/GSM數(shù)據(jù)傳送、Zigbee通信和電子羅盤(pán)等單元。在盲人通過(guò)十字路口時(shí)，可以確定盲人的具體位置和朝向，無(wú)線(xiàn)輔助中心提供交通燈的狀態(tài)并對(duì)盲人進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)盲人迷路時(shí)，可以通過(guò)GPS接收經(jīng)緯度信息，同時(shí)發(fā)送給監(jiān)控中心或者家人要求幫助。監(jiān)控中心接收到盲人位置信息并處理后回傳導(dǎo)航信息，也可進(jìn)行人工語(yǔ)音導(dǎo)航。

盲人導(dǎo)航是世界性的復(fù)雜課題，其真正發(fā)展離不開(kāi)社會(huì)的公益援助。國(guó)內(nèi)外對(duì)于盲人導(dǎo)航已經(jīng)有一些試驗(yàn)性的應(yīng)用，如盲人手機(jī)，但只是對(duì)普通手機(jī)的外觀機(jī)械特征的優(yōu)化和改動(dòng)，其他較為智能化的手段如RFID識(shí)別則需要較高的投入，很難實(shí)際應(yīng)用。本設(shè)計(jì)結(jié)合了計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)，具有下述的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益：1)針對(duì)盲人行為特點(diǎn)設(shè)計(jì)，經(jīng)調(diào)查國(guó)內(nèi)還無(wú)此類(lèi)應(yīng)用；2)采用主流的控制技術(shù)與通信技術(shù)，保證了產(chǎn)品的通用性及先進(jìn)性；3)產(chǎn)品還可以進(jìn)行進(jìn)一步的功能完善和成本降低，如添加地理信息存儲(chǔ)器(卡)，使盲人可以即時(shí)了解自己所處位置而不用求助于第三方平臺(tái)。

GPS盲人導(dǎo)航器外形采用臂套式設(shè)計(jì)，可以固定在胳膊上，用另一只手進(jìn)行觸摸操作，同時(shí)這樣的設(shè)計(jì)又不失時(shí)尚和優(yōu)雅性，可以幫助盲人用戶(hù)更加方便地出行。

1 盲人導(dǎo)航儀系統(tǒng)工作原理與總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

盲人導(dǎo)航儀用STM32作為主控芯片，盲人可通過(guò)LD3320語(yǔ)音模塊和主芯片進(jìn)行交流，報(bào)告目的地，GPS模塊能夠確定盲人的起始位置和目的地。主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)語(yǔ)音芯片報(bào)告盲人的行進(jìn)路線(xiàn)，在行進(jìn)過(guò)程中，超聲波模塊能夠測(cè)量路線(xiàn)上的障礙物，并告知盲人障礙物的具體位置，盲人就可以有效地躲避障礙物前進(jìn)。盲人導(dǎo)航儀原理圖如圖1所示[1-2]。

圖1 導(dǎo)航儀原理圖

1.2 總體設(shè)計(jì)

盲人導(dǎo)航儀的主要功能是為盲人指引行進(jìn)的路線(xiàn)，其可以進(jìn)行壁障、定位和語(yǔ)音交流。制定了導(dǎo)航儀的總體方案，要設(shè)計(jì)一款方便盲人使用的智能盲人導(dǎo)航儀，需先設(shè)計(jì)智能盲人導(dǎo)航儀的硬件模塊，再進(jìn)行導(dǎo)航儀的殼體設(shè)計(jì)和部位選擇，并且確定了智能盲人導(dǎo)航儀系統(tǒng)的組成和使用方法。系統(tǒng)總體組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)智能盲人系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)對(duì)導(dǎo)航儀系統(tǒng)進(jìn)行的分析，確定硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)在于對(duì)整個(gè)導(dǎo)航儀系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)采取相應(yīng)的采集與處理，可使用的硬件設(shè)計(jì)原理方法主要包括：1)對(duì)障礙物的檢測(cè)，采用3組超聲波傳感器對(duì)周?chē)恼系K物進(jìn)行檢測(cè)；2)對(duì)盲人地理位置的確定，采用全球定位系統(tǒng)GPS、NEO-6MGPS芯片及157 MHz天線(xiàn)確定盲人的位置以及盲人所到目的地的精確位置；3)對(duì)語(yǔ)音識(shí)別模塊的應(yīng)用，采用LD3320 語(yǔ)音識(shí)別芯片電路對(duì)盲人的信息進(jìn)行識(shí)別并發(fā)出盲人行進(jìn)路線(xiàn)的信息；4)對(duì)故障的處理，壁障檢測(cè)應(yīng)用了HC-SR04超聲波和高壓KT40-1602超聲波，2種超聲波可以交替使用[3-5]。

2.1 微控制器模塊設(shè)計(jì)

STM32F103是高性能的IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)片上系統(tǒng)(soc)，集成了2.4 GHz IEEE802.15.4兼容的收發(fā)器、32位ARMCortex-M3微處理器、128 kB閃存和8 kB RAM存儲(chǔ)器以及基于EEPROM系統(tǒng)的外設(shè)。收發(fā)器有極好的RF功能，正常模式鏈接高達(dá)102 dB，RX靈敏度為-99 dBm，正常模式輸出功率為+3 dBm。該模塊主要用于智能電表、自動(dòng)化控制和安全監(jiān)視等領(lǐng)域。

2.2 語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別(ASR)技術(shù)是基于關(guān)鍵詞語(yǔ)列表識(shí)別的技術(shù)，只需要設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表，并把這些關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符的形式傳送到LD3320芯片內(nèi)部，就可以對(duì)用戶(hù)說(shuō)出的關(guān)鍵詞語(yǔ)進(jìn)行識(shí)別，不需要用戶(hù)做任何錄音訓(xùn)練，LD3320芯片是一款語(yǔ)音識(shí)別專(zhuān)用芯片。采用ICRoute公司的高性能語(yǔ)音識(shí)別芯片和相關(guān)控制電路，可以滿(mǎn)足盲人導(dǎo)航的語(yǔ)音控制輸入要求。由于芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和外部電路(包括語(yǔ)音輸入和轉(zhuǎn)換器麥克風(fēng)聲音輸出等接口)，且不需要外接任何的輔助芯片，如 Flash和RAM 等,直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話(huà)功能。另外，識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的，滿(mǎn)足了小體積、低功耗和可通用的要求，因此本聲控系統(tǒng)可以應(yīng)用于盲人導(dǎo)航語(yǔ)音輸入。

2.3 GPS定位導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)

GPS定位的基本原理是將高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法確定待測(cè)點(diǎn)的位置。GPS模塊硬件設(shè)計(jì)時(shí)，通常將GPS模塊的串口1與單片機(jī)的串口相連接，模塊與天線(xiàn)的連接可以加一級(jí)前置放大器。天線(xiàn)可選用東芝天線(xiàn)，也可以專(zhuān)門(mén)定制。電源采用4節(jié)堿性電池，易于更換。ATK-NEO-6M-V12(V12是版本號(hào)，下面均以ATK-NEO-6M 表示該產(chǎn)品)是一款高性能GPS定位模塊，該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶高性能無(wú)源陶瓷天線(xiàn)，并自帶可充電后備電池(以支持溫起動(dòng)或熱起動(dòng)，后備電池在主電源斷電后可以維持0.5 h左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存)。模塊通過(guò)串口與外部系統(tǒng)連接，串口波特率支持4 800、9 600、38 400(默認(rèn))和57 600等不同速率，兼容5V/3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，可以非常方便地與盲人導(dǎo)航儀進(jìn)行連接。ATK-NEO-6M模塊非常小巧(25.5 mm×31 mm)，通過(guò) 4個(gè)2.54 mm 間距的排針與外部連接。

2.4 避障模塊設(shè)計(jì)

超聲波模塊中選用了2種模塊，即HC-SR04以及雷達(dá)探頭KT40-1602，其中，HC-SR04是普通的超聲波，KT40-1602是高壓超聲波。

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3 mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，基本工作原理包括：1)采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10 μs的高電平信號(hào)；2) 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；3) 有信號(hào)返回，通過(guò)I/O口ECHO輸出1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，測(cè)試距離=(高電平時(shí)間×聲速(340 m/s))/2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足盲人導(dǎo)航的要求，系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能包括避障、語(yǔ)音識(shí)別功能GPS串口數(shù)據(jù)接收處理。定位信息的采集處理使用STM32串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，超聲波避障運(yùn)用發(fā)波信號(hào)與回波信號(hào)時(shí)間差計(jì)算障礙距離。語(yǔ)音模塊LD3320的通信方式為SPI。針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了修改，以排除外部雜音等的干擾。系統(tǒng)添加外部中斷按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)即進(jìn)入外部中斷，設(shè)置中斷標(biāo)志位，標(biāo)志位賦值1，此時(shí)進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別程序關(guān)閉定時(shí)器，執(zhí)行完成時(shí)標(biāo)志位清零，開(kāi)啟定時(shí)器。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)具有外部中斷，消除了外部雜音的干擾，滿(mǎn)足了語(yǔ)音識(shí)別的可靠性要求，既不影響超聲波避障的進(jìn)行，又保證了語(yǔ)音識(shí)別處理的順利完成。分析結(jié)果表明該方案可行。

4 總語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，實(shí)現(xiàn)了盲人導(dǎo)航系統(tǒng)智能導(dǎo)航的效果，硬件和軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化的方法，設(shè)計(jì)中涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的各個(gè)方面。

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[5] 翁桂榮. 單片微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M]. 蘇州: 蘇州大學(xué)出版社，2002.

*陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃資助項(xiàng)目(1336)

責(zé)任編輯李思文

DesignandRealizationoftheIntelligentBlindNavigation

CHEN Zhongxiao, NI Zhen, WANG Yijun, QIN Xiao, ZHANG Fang

(Department of Electronics and Information Engineering, Xi′an Technological University, Xi′an 710021, China)

The paper developed an intelligent navigation for the blind. The blind can simply do voice communication with navigator, navigator can to locate the blind and cross the walls, so realize a safe destination for the blind. With the development of single chip processor as the core of the application of micro control unit and single-chip computer technology matures, cheap single chip microcomputer can offer many new help for the blind. Taking STM32 chip as the core, the paper put forward a ultrasonic ranging module walls (KT40-1602), a voice module (LD3320) communications, GPS navigation module of new intelligent navigation system for the blind. Its advantage is that it not only has the current navigation equipment generally the function of the sensor, and also has the function of speech recognition and voice navigation. These features made it become more close to the life of the blind, which has a long-term significance. Intelligent navigation can let the blind man across their fear of the small step.

MCU, navigation, blind, voice recognition, counterguard

V 249

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陳忠孝(1963-)，男，自動(dòng)化系主任，主要從事變配電系統(tǒng)和建筑電氣工程設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、智能化以及智能化儀表等方面的研究。

2014-07-24