徐文鑫 陳曦 趙壯壯 邱婭如 曾靖

摘 要：本作品可以使視力障礙人士提前感知障礙物；同時(shí)家人能夠?qū)ζ溥M(jìn)行遠(yuǎn)程定位，可隨時(shí)了解到其位置；當(dāng)視力障礙人士長(zhǎng)時(shí)間處于跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，拐杖能夠自主發(fā)出警報(bào)向路人求救并將其所在位置發(fā)送給家人；拐杖與手機(jī)之間利用藍(lán)牙通信，使視力障礙人士可利用拐杖上的按鍵控制手機(jī)為視力障礙人士提供前往常去地導(dǎo)航；天色變暗或黑夜時(shí)，拐杖的LED燈自動(dòng)打開(kāi)閃光以提示來(lái)往的行人或車輛注意到盲人，以此解決盲人出行所遇到的“障礙物感知難”、“安全系數(shù)低”、“無(wú)法識(shí)別目的地路徑”等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：超聲波避障；遠(yuǎn)程定位；發(fā)送位置求救；常去地導(dǎo)航；警示燈提示

1.背景

根據(jù)《中國(guó)醫(yī)藥報(bào)》了解到：“全世界視力殘疾者的總數(shù)為1.6億左右，其中5000多萬(wàn)為盲人，其余為低視力者；我國(guó)是全世界盲人最多的國(guó)家，全國(guó)盲人總數(shù)已超過(guò)1300萬(wàn)，占全球總數(shù)的1/4，現(xiàn)在我國(guó)每年大約有100萬(wàn)人失明，這意味著幾乎每半分鐘就會(huì)增加一名盲人。如果按照目前的趨勢(shì)發(fā)展下去，到2020年，我國(guó)盲人將增加4倍”。500萬(wàn)盲人，占世界盲人口的18%。面對(duì)如此龐大的盲人群體，傳統(tǒng)導(dǎo)盲方式的弊端日益突顯。除此以外，有關(guān)導(dǎo)盲產(chǎn)品的國(guó)外市場(chǎng)也對(duì)此貧乏研究，相關(guān)市場(chǎng)幾乎為空白；國(guó)內(nèi)的導(dǎo)盲市場(chǎng)是較為新型的市場(chǎng)。因此，這種種現(xiàn)象正反映了人們對(duì)智能導(dǎo)盲拐杖的急需迫在眉睫。

2.智能導(dǎo)盲拐杖的設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用

2.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1）利用超聲波感知障礙物；

（2）遠(yuǎn)程定位及運(yùn)動(dòng)軌跡查看

（3）跌倒檢測(cè)及自主發(fā)送位置并求救；

（4）控制手機(jī)為盲人提供常去地導(dǎo)航；

（5）夜間自動(dòng)打開(kāi)提示燈。

2.2 設(shè)計(jì)原理

2.2.1 蜂鳴器及震動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品處理器選擇的型號(hào)為意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103C8T6，其單個(gè) IO 口的最大輸出電流是 25mA；而蜂鳴器及震動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流都大于IO口的最大輸入電流。所以，IO口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及震動(dòng)電機(jī)；如果通過(guò)三極管把電流放大，那么 STM32 的 IO 口僅提供低于1mA 的電流便可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和震動(dòng)電機(jī)。

2.2.2 放大電路的設(shè)計(jì)

我們選擇的有源元件為S8050，它是一款小功率NPN型硅管，集電極-基極——（Vcbo）電壓最大可為40V，集電極電流為（Ic）0.5A。一般情況下的放大倍數(shù)為85-300；其為電路硬件設(shè)計(jì)最常用半導(dǎo)體三極管型號(hào)之一。我們采用共集電極放大，將集電極接地，從穩(wěn)壓模塊引出3.3V電壓，將放大負(fù)載接在電源與集電極之間，將一個(gè)10K電阻接在基極與集電極的兩端口，并在10K電阻之前串聯(lián)1K電阻，用于分壓，防止晶體管g-c之間電壓過(guò)高以擊穿晶體管。[3]

2.3 功能系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 超聲波避障系統(tǒng)

利用超聲波發(fā)射器向某一方向（測(cè)量角度：15度）發(fā)射8個(gè)40khz的方波信號(hào)，超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物即返回，超聲波接收器收到回波信號(hào)后立即通過(guò)I/0日ECHO輸出一個(gè)高電平，單片機(jī)檢測(cè)到ECHO端口高電平后，即刻啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器，直到高電平結(jié)束。高電平的持續(xù)時(shí)間是超聲波從發(fā)射到接收的往返時(shí)間差，通過(guò)計(jì)算時(shí)間差，并根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計(jì)算得出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離S。[2]

公式為：測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s） ）/2。

然后通過(guò)拐杖手柄處的震動(dòng)裝置將信息反饋給盲人，震動(dòng)頻率高，代表距離在1米之內(nèi)；震動(dòng)頻率適中，代表距離則為1-2米之內(nèi)；以此類推，該產(chǎn)品可以檢測(cè)到3米以內(nèi)的障礙物信息。

2.3.2遠(yuǎn)程定位及軌跡查看

考慮到視力障礙人士出行可能會(huì)出現(xiàn)走丟等問(wèn)題，我們?yōu)榧胰碎_(kāi)發(fā)出了一款A(yù)PP用遠(yuǎn)程監(jiān)控盲人位置及移動(dòng)路線。在拐杖中利用GPS獲取盲人位置，通過(guò)GPRS模塊發(fā)給服務(wù)器，APP從服務(wù)器中獲取信息并在地圖上標(biāo)注出視力障礙人士位置。此外APP可以將視力障礙人士移動(dòng)的位置連接起來(lái)，家人便可隨時(shí)查看視力障礙人士移動(dòng)路線。

2.3.3 警報(bào)系統(tǒng)

本產(chǎn)品采用陀螺儀以解算姿態(tài)，使用GPRS模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，利用GPS 確定位置。根據(jù)卡爾曼濾波，通過(guò)采集固定在其內(nèi)部的陀螺儀的姿態(tài)，本產(chǎn)品便可解算出歐拉角以此判斷拐杖的姿態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到的俯仰角大于75度且這一角度持三十秒以上之久時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出有間隔的警報(bào)，提醒使用者在放置拐杖時(shí)是否忘記關(guān)閉電源；檢測(cè)到的俯仰角大于75度且這一角度持三十秒以上，拐杖會(huì)持續(xù)發(fā)出長(zhǎng)達(dá)十秒的提示聲，提醒使用者放置拐杖時(shí)是否忘記關(guān)閉電源；如果提示結(jié)束時(shí)拐杖電源仍未關(guān)閉且俯仰角依然大于75度，此時(shí)判定使用者跌倒且無(wú)法獨(dú)自站立，拐杖隨即發(fā)出急促警報(bào)用于吸引路人，以便及時(shí)得到幫助；此外拐杖會(huì)向家人手機(jī)端發(fā)送視力障礙人士的位置信息，家人手機(jī)收到信息后便會(huì)有鈴聲提醒，同時(shí)在地圖上標(biāo)注出視力障礙人士位置。，

2.3.4 常去地導(dǎo)航系統(tǒng)

通過(guò)易安卓軟件編寫(xiě)一個(gè)小型APP并將高德地圖的接口接入到該APP中，把拐杖的藍(lán)牙地址設(shè)置為默認(rèn)地址，手機(jī)藍(lán)牙與拐杖中的藍(lán)牙會(huì)自主連接，并且手機(jī)便可接收拐杖發(fā)出的數(shù)據(jù)。另外，家人可為視力障礙人士在APP中設(shè)定五個(gè)以內(nèi)常去地，并告知視力障礙人士順序，視力障礙人士即可根據(jù)拐杖的按鍵以選擇自己想去的地點(diǎn)；按一次選擇鍵就將目的地設(shè)置為常去地，按下確定鍵便可開(kāi)始導(dǎo)航了。

2.3.5 警示燈系統(tǒng)

我們?cè)诠照葍?nèi)安裝了一個(gè)光敏電阻探頭，光敏電阻可檢測(cè)到外界光線的強(qiáng)弱；當(dāng)外界光線較弱時(shí)，拐杖的LED燈會(huì)被打開(kāi)并閃爍；在燈光較暗或者黑夜時(shí)提醒行人及來(lái)往車輛注意到視力障礙人士的位置，以確保視力障礙人士出行的安全性。

3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊的總流程圖

3.1 測(cè)距模塊的選取

首先，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)的特性，因而它經(jīng)常被用于距離的測(cè)量；另外，超聲波檢測(cè)的速度快、采用方便、計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制、精度高——測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。.

本產(chǎn)品就選用了HC-SR04超聲波模塊。此模塊性能穩(wěn)定，測(cè)量距離精確，模塊精度高、盲區(qū)??；該模塊采用的是IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，至少給出10us的高電平信號(hào)，模塊便會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，并檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，IO口ECHO會(huì)輸出一個(gè)高電平，而高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-540cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3mm；寬電壓工作3.3v-5.0v。

3.2 信號(hào)處理芯片的選取

由于智能導(dǎo)盲拐杖的功能相對(duì)較多，外觀設(shè)計(jì)的操作較為復(fù)雜，所以需要選擇一款處理速度相對(duì)較快，外設(shè)資源相對(duì)豐富的控制器，以確保智能導(dǎo)盲拐杖反應(yīng)的及時(shí)性。

本產(chǎn)品選擇的是意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103C8T6作為信號(hào)處理芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的增強(qiáng)型微控制器，具有高達(dá)128K字節(jié)的內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器和20K 字節(jié)的SRAM。此芯片具有方便程序的編寫(xiě)、執(zhí)行代碼效率高等優(yōu)點(diǎn)；還擁有豐富的通用I/O端口，外設(shè)資源豐裕；同時(shí)，該系列微處理器工作頻率設(shè)定在72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，也是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品[1]。在整體上性能相對(duì)其他產(chǎn)品較為優(yōu)越。

3.3 信息發(fā)送硬件的選取

由于本產(chǎn)品需要在視力障礙人士遇到危險(xiǎn)時(shí)向其家人發(fā)送位置信息求救，所以獲得較為精準(zhǔn)的位置坐標(biāo)和信號(hào)較強(qiáng)的GPRS模塊就顯得極其重要。

本產(chǎn)品采用的GPS型號(hào)為NEO-7M——它是NEO-6M的升級(jí)版，相對(duì)于NEO_6M來(lái)說(shuō)性能更加穩(wěn)定，信號(hào)更好；NEO-7M又是一個(gè)低功耗主芯片的超小外形GPS接收模組，其采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能；自帶MINI USB接口，使用普通數(shù)據(jù)線即可調(diào)試GPS模塊，不再需要使用USB-TTL等工具；增加EEPROM存儲(chǔ)芯片，設(shè)置參數(shù)等信息自動(dòng)存儲(chǔ)，掉電后，配置自動(dòng)保存，無(wú)需重新設(shè)置；板載MAX2659信號(hào)放大芯片，搜索能力更強(qiáng)。信息發(fā)送模塊選擇得是SIM800模塊，此模塊采用了SIMCOM 公司的工業(yè)級(jí)四頻 850/900/1800/1900MHz SIM800 芯片， 可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸；可以適用于短信監(jiān)控二氧化氮、煙霧報(bào)警器、無(wú)線終端（短信貓）、工業(yè)監(jiān)測(cè)與控制（溫濕度、二氧化碳）、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)和智能家居控制系統(tǒng)等控制平臺(tái)。

3.4 姿態(tài)解算原件的選取

本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為MPU-6050的陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)的采集。MPU-6050的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000和±2000°/sec （dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作；用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g±8g和±16g。產(chǎn)品傳輸可透過(guò)最高至400kHz的IIC或最高達(dá)20MHz的SPI（MPU-6050沒(méi)有SPI）。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口VDDIO供電為1.8V± 5%（MPU6000僅用VDD）。MPU-6000的包裝尺寸為4x4x0.9mm（QFN），這在業(yè)界是革命性的尺寸；其他特征包含內(nèi)建的溫度感測(cè)器和在運(yùn)作環(huán)境中僅有±1%變動(dòng)的振蕩器[4]。

3.5 降壓模塊的選取

本產(chǎn)品采用的是12v電源，選用AS1015芯片配合AMS1117芯片降低輸出電壓供給STM32微處理器及其他外設(shè)；AS1015芯片屬于高電壓、大電流芯片，滿足智能導(dǎo)盲拐杖對(duì)電壓的需求；配合電路簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟的AMS1117芯片，滿足STM32微處理器及其余外設(shè)對(duì)電壓的需求。

4.結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

拐杖的最底端安裝了一個(gè)萬(wàn)向輪，通過(guò)萬(wàn)向輪的應(yīng)用，在使用拐杖的過(guò)程中不用上下抬起，只需要在地面上推著走，以便于節(jié)省使用者的體力；拐杖的拐柱部分整體光滑筆直，在其中間開(kāi)了兩個(gè)洞用來(lái)伸出超聲波探頭；拐杖整體呈一字形，如此設(shè)計(jì)可以提高使用者握桿的舒適度，避免因長(zhǎng)時(shí)間握桿而出現(xiàn)手腕酸麻的現(xiàn)象；把手形狀類似于鯨魚(yú)的身形較為寬大，且內(nèi)部為空，便于將主控及其他外設(shè)放入，有利于提高拐杖內(nèi)部空間的利用率，使整體結(jié)構(gòu)更為美觀。

5.系統(tǒng)的性能分析

評(píng)價(jià)本型智能導(dǎo)盲拐杖的好壞，可以從障礙物信息反饋的全面性和正確性、跌倒求救及時(shí)性以及指導(dǎo)結(jié)果的準(zhǔn)確性的三個(gè)方面來(lái)考慮。

遠(yuǎn)程定位及軌跡查看：拐杖采用精度較高的GPS模塊進(jìn)行定位，能使家人準(zhǔn)確的了解到視力障礙人士的位置，極大提高視力障礙人士的安全系數(shù)。

障礙物信息反饋的全面性和正確性：拐杖通過(guò)超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物位置的確定，并通過(guò)震動(dòng)模塊反饋給視力障礙人士，通過(guò)電機(jī)震動(dòng)頻率反映障礙物距離的遠(yuǎn)近。

跌倒求救的及時(shí)性：拐杖中利用陀螺儀來(lái)進(jìn)行姿態(tài)采集，通過(guò)對(duì)拐杖姿態(tài)的解算來(lái)判斷視力障礙人士是否跌倒，當(dāng)采集的姿態(tài)為跌倒并持續(xù)一分鐘判定為有效跌倒，此時(shí)會(huì)觸發(fā)警報(bào)器求救，吸引周圍路人注意并施救，從而能有效的避免誤判，判定有效后會(huì)自動(dòng)給家屬發(fā)送位置信息，還可以在遇到危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)呼救。

指導(dǎo)結(jié)果的準(zhǔn)確性：指導(dǎo)的正確性是指是否正確指導(dǎo)視力障礙人士安全抵達(dá)所去地點(diǎn)。

6.設(shè)計(jì)結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)弱勢(shì)群體關(guān)注度的提高，越來(lái)越多的企業(yè)或個(gè)人推出導(dǎo)盲類產(chǎn)品，但其導(dǎo)盲產(chǎn)品的研究還不夠深入，迭代創(chuàng)新的效果不夠明顯，以促使市場(chǎng)上的一些導(dǎo)盲產(chǎn)品不溫不火；本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的智能導(dǎo)盲拐杖體積較小、精度較高、造價(jià)低廉，能夠充分考慮到不同收入階層的受眾，滿足他們的需求；并考慮到市場(chǎng)上導(dǎo)盲產(chǎn)品存在的弊端和有待提升的空間，充分展示本產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和獨(dú)特性。

我們研制的拐杖有效的解決了視力障礙人士出行的“障礙物感知難”，“安全系數(shù)低”，“無(wú)法識(shí)別目的地路徑”等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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