王思丞，徐 磊，徐 帥，穆 蕾，郭天威，王子巖

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

盲人作為社會(huì)上一類特殊群體，如何讓他們能夠更安全地獨(dú)立行走，越來越受到世界各國(guó)學(xué)者的關(guān)注和重視[1]。目前，各種協(xié)助盲人行動(dòng)的儀器已經(jīng)開發(fā)出來，特別是近年來越來越人性化的引導(dǎo)系統(tǒng)的研究和開發(fā)，為盲人的出行帶來了方便。

傳統(tǒng)的智能導(dǎo)航儀缺乏對(duì)于紅綠燈交叉路口檢測(cè)，使盲人無(wú)法感知交叉路口的存在而容易發(fā)生危險(xiǎn)，本文采用一種基于STM32高性能控制器的智能盲人障礙檢測(cè)系統(tǒng)，不僅采用超聲波測(cè)距報(bào)警模塊感知周圍障礙，而且利用顏色傳感器TCS3200識(shí)別紅綠燈，在紅綠燈交叉路口處對(duì)盲人進(jìn)行提示。利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)模塊對(duì)于盲人地點(diǎn)定位，使其到達(dá)交叉路口時(shí)再開啟紅綠燈識(shí)別系統(tǒng)，避免顏色識(shí)別混亂。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以幫助盲人對(duì)交叉路口進(jìn)行感知，從而減少危險(xiǎn)性。

1 系統(tǒng)工作原理

利用系統(tǒng)中設(shè)置的超聲波模塊獲得障礙物的距離信息，與事先設(shè)定的報(bào)警距離最小值進(jìn)行比較，低于最小值時(shí)候進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。通過可編程增益和數(shù)字電位器獲得超聲回波的強(qiáng)度信息，經(jīng)過單片機(jī)處理后，為盲人提供更豐富的信息。紅外傳感器用于測(cè)量物體和物體前面的人的溫度，并確認(rèn)物體前面的障礙物是否為人。超聲系統(tǒng)和紅外系統(tǒng)通過軟件編程相結(jié)合。二者相輔相成，使導(dǎo)航更加精確。此外，本導(dǎo)盲系統(tǒng)提出GPS定位功能與TCS3200顏色傳感器相結(jié)合的方法，能夠只在紅綠燈交叉路口識(shí)別紅綠燈的狀況，從而使盲人判斷是否應(yīng)該過馬路，提高安全系數(shù)和自主能力。

2 系統(tǒng)硬件組成及各模塊功能

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波模塊功能：當(dāng)用戶前方出現(xiàn)障礙物時(shí)超聲波模組對(duì)障礙物進(jìn)行測(cè)距，將測(cè)得數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)處理后判斷是否進(jìn)行語(yǔ)音提示。

紅外模塊功能：當(dāng)用戶前方有行人經(jīng)過時(shí)紅外模組對(duì)人體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，若經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)在人的體溫范圍內(nèi)，則進(jìn)行語(yǔ)音提示。本系統(tǒng)采用人體紅外傳感器(PIR)模塊HC-SR501。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)主控制器選擇

由于本系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性要求較高，攝像頭與處理器的選擇就顯得尤為重要。

本系統(tǒng)采用ARMCortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片作為核心控制器。該芯片工作頻率可達(dá)到200 MHz以上，其外設(shè)8個(gè)UART、6個(gè)I2C、4個(gè)SPI、2個(gè)CAN和硬件數(shù)字?jǐn)z像頭接口[2]。

2.3 超聲波模塊電路設(shè)計(jì)

在超聲波模塊電路中，發(fā)射端接收到單片機(jī)發(fā)送的一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。

2.4 紅外傳感器(PIR)模塊電路設(shè)計(jì)

HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊,采用LHI778探頭設(shè)計(jì),具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)和超低電壓工作模式[3]。人類恒定的體溫一般在37度左右，因此波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，人體發(fā)射的紅外線聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中需將HC-SR501跳線設(shè)置為連續(xù)檢測(cè)模式。

圖2 HC-SR501電路

2.5 GPS定位模塊電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過串口向GPS模塊GARMIN GPS 25LP發(fā)送命令，讀取當(dāng)前的方位信息，根據(jù)方位信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，接收GPS模塊送入單片機(jī)串口的精度數(shù)據(jù)，只有處于交叉路口時(shí)才使定位在紅綠燈時(shí)候的顏色傳感器工作，以避免采集色光混亂。

2.6 顏色識(shí)別模塊電路設(shè)計(jì)

三基色RGB色彩模式被作為常用的顏色標(biāo)準(zhǔn)，即通過對(duì)三個(gè)顏色通道之間的疊加來得到各式各樣的顏色的，RGB代表著紅、綠、藍(lán)三通道的顏色，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色[4]。基于此理論，只需檢測(cè)出了顏色信號(hào)中的紅、綠、藍(lán)三種顏色的比例值，就可以判斷出顏色。

圖3 顏色識(shí)別工作過程

目前常用的顏色傳感器通常是把經(jīng)過修正的紅綠藍(lán)濾光片覆蓋在獨(dú)立的光電二極管上,需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理才能將顏色信號(hào)識(shí)別出來[5]。工作時(shí)所需要的濾波器是通過兩個(gè)可編程的引腳來動(dòng)態(tài)選擇的，輸出頻率范圍從2 Hz～500 kHz，輸出比例因子或電源關(guān)斷模式可通過兩個(gè)可編程引腳來選擇[6]。

圖4 TCS3200工作電路

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采STM32F407單片機(jī)C語(yǔ)言編程，通過主芯片對(duì)各子程序進(jìn)行控制，子程序包括：超聲波測(cè)距子程序，紅外感知子程序，GPS定位子程序，顏色識(shí)別子程序。由主程序?qū)Ω鱾€(gè)子程序送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后判斷下一步如何進(jìn)行。如：GPS定位子程序與顏色識(shí)別子程序配合識(shí)別紅綠燈功能。當(dāng)用戶走到有紅綠燈的路口時(shí)，GPS定位系統(tǒng)程序經(jīng)過一系列的算法運(yùn)行后將用戶所在位置通過GPRS模塊發(fā)送顏色識(shí)別模塊，顏色識(shí)別子程序開始運(yùn)行識(shí)別紅綠燈并將結(jié)果反饋給單片機(jī)。主程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 主程序圖

4 測(cè)量數(shù)據(jù)

在室溫條件下，采用平整混凝土墻壁作為反射面進(jìn)行測(cè)量，使用鋼卷尺測(cè)量實(shí)際距離作為標(biāo)稱值，其中卷尺精度1 mm，測(cè)量距離為該位置上3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 距離測(cè)量誤差數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到測(cè)試結(jié)果，最大偏差為0.2 cm，最大相對(duì)誤差為0.33%，平均相對(duì)誤差為0.28%，總體上達(dá)到了對(duì)精度的要求。

外界因素會(huì)對(duì)紅外模塊的工作產(chǎn)生影響，如果某物體的溫度在系統(tǒng)所設(shè)定的范圍內(nèi)就會(huì)被誤判為是人，而不進(jìn)行語(yǔ)音提示，這樣就造成系統(tǒng)判斷錯(cuò)誤，影響導(dǎo)盲。

5 結(jié)論

本導(dǎo)航儀采用了GPS與顏色傳感器識(shí)別紅綠燈、超聲波測(cè)距、紅外識(shí)別障礙的技術(shù)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)盲人進(jìn)行語(yǔ)音提示，實(shí)現(xiàn)了智能導(dǎo)盲，給予盲人及視力不佳的老年人獨(dú)自外出時(shí)更加安全的保障，有著極大的社會(huì)意義。