何月陽(yáng) 歐美英 段祥瑞 伍正國(guó) 張 勝

（滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州239000）

隨著時(shí)代的發(fā)展，最近幾年人工智能的技術(shù)在快速的發(fā)展，使我們現(xiàn)在的生活越來(lái)越智能化。其中，避障智能盲人眼鏡的發(fā)展將會(huì)有效的解決盲人的出行問(wèn)題，避障智能盲人眼鏡是一種新型的基于超聲波和圖像識(shí)別的盲人智能導(dǎo)航避障眼鏡，解決了盲人在行走過(guò)程中定位和躲避障礙的問(wèn)題，從而提高了他們的工作和生活效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

眼鏡品牌采用琺瑯詩(shī)頓板材鏡框模型，板材鏡框是采用高科技塑料記憶板材做成的，塑料為合成的高分子化合物。鏡框使用冷加工制造，精細(xì)，質(zhì)量好，經(jīng)久耐用。板材鏡框不易燃燒，比較輕，幾乎不受紫外線(xiàn)的照射而變色，硬度大光澤度好。

眼鏡的構(gòu)架主要由幾個(gè)系統(tǒng)模塊組成，它們分別是：小型單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊、紅外線(xiàn)系統(tǒng)感應(yīng)模塊，超聲波系統(tǒng)接收和發(fā)射模塊，LED 燈系統(tǒng)警示模塊、電源系統(tǒng)管理模塊、語(yǔ)言系統(tǒng)感言模塊，GPS 芯片系統(tǒng)追蹤定位模塊、高清攝像頭探測(cè)模塊、主從開(kāi)關(guān)模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 避障智能盲人眼鏡結(jié)構(gòu)框圖

小型單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊：該模塊的核心是采用STC89C51小型單片機(jī)，該款小型單片機(jī)體積小，質(zhì)量輕，便于在眼鏡上使用，并且該小型單片機(jī)還是一種微控制器，具有消耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)。障礙物系統(tǒng)檢測(cè)模塊：采用多個(gè)超聲波測(cè)距傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能，與此同時(shí)，每組的超聲波的接收與發(fā)射模塊會(huì)接收信號(hào)，以此來(lái)判定前方是否有障礙物。當(dāng)檢測(cè)模塊接收到超聲波接收與發(fā)射模塊帶來(lái)的返回信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器將會(huì)被中斷。檢測(cè)的探頭通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以后，產(chǎn)生超聲波，超聲波系統(tǒng)接收與發(fā)射模塊的電路采用已有的電路模塊，這樣可以節(jié)約工作時(shí)間，提高工作效率。

信息系統(tǒng)反饋模塊：該模塊要求當(dāng)障礙物系統(tǒng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到前方有障礙物阻攔時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊就會(huì)對(duì)此種情況進(jìn)行分析，從而來(lái)計(jì)算出人與障礙物之間的距離，將這個(gè)計(jì)算得到的距離傳輸給信息系統(tǒng)反饋模塊，蜂鳴器就會(huì)根據(jù)不同的距離發(fā)出不同頻率的報(bào)警聲音。

發(fā)光二極管系統(tǒng)警示模塊：是由8 個(gè)發(fā)光二極管燈和光敏電路組成。當(dāng)光線(xiàn)足夠強(qiáng)時(shí)，燈熄滅；當(dāng)光線(xiàn)暗淡時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。增加發(fā)光二極管的功能特性，同時(shí)也提高了發(fā)光二極管的安全性。其次，發(fā)光二極管的功耗低、亮度高，性能高的優(yōu)點(diǎn)也跟我們此次創(chuàng)新節(jié)能的要求完全相符和。

紅外傳感器系統(tǒng)模塊:當(dāng)前方遇到障礙物的時(shí)候，紅外發(fā)射管發(fā)射出去的紅外光經(jīng)障礙物反射之后被紅外接收管接收，其輸出會(huì)立即發(fā)生高低電平的轉(zhuǎn)換，該信號(hào)經(jīng)由放大電路放大之后被送入單片機(jī)系統(tǒng)控制模塊，之后由單片機(jī)系統(tǒng)分析處理后做出前方有障礙物的判斷，從而可以對(duì)盲人的前進(jìn)方向做出修正。

電源系統(tǒng)管理模塊：該模塊的9V 電壓是由可充電電池來(lái)供給的，通過(guò)LM7805 轉(zhuǎn)換成5V 的電壓，為系統(tǒng)提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電源。整個(gè)系統(tǒng)以晶振為信號(hào)源，來(lái)控制系統(tǒng)工作。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電路圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖

2 基本模塊布置圖

圖3 避障智能盲人眼鏡模塊布置圖

避障智能盲人眼鏡的基本模塊布置圖如圖3 所示，當(dāng)盲人需要出行時(shí)，可以用手來(lái)?yè)軇?dòng)控制開(kāi)關(guān)，來(lái)接通各個(gè)模塊。盲人出行時(shí)眼鏡上安裝的攝像頭會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)沫h(huán)境。當(dāng)遇到障礙物時(shí)LED 燈就會(huì)發(fā)出警示，隨后紅外感應(yīng)器和超聲波接收發(fā)射器就會(huì)收到信息并對(duì)此信息進(jìn)行處理分辨來(lái)提示盲人前方是否有障礙物。GPS 芯片可以對(duì)盲人的行動(dòng)路線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，主控芯片則是用于連接耳機(jī)和語(yǔ)言感應(yīng)模塊，當(dāng)盲人需要獲取周?chē)h(huán)境信息時(shí)可以觸碰耳機(jī)外部旋轉(zhuǎn)按鈕模塊，等待三秒便可以說(shuō)出指令，當(dāng)該模塊接收到盲人發(fā)出的此指令時(shí)，語(yǔ)言感應(yīng)系統(tǒng)首先會(huì)分辨此語(yǔ)言指令，隨后會(huì)進(jìn)行工作。攝像頭則一直監(jiān)測(cè)前方以及周?chē)h(huán)境的狀況，方便其他模塊有效的運(yùn)行。紅外感應(yīng)器和超聲波接收發(fā)射器也會(huì)協(xié)同語(yǔ)言系統(tǒng)感應(yīng)模塊和GPS 芯片模塊工作，來(lái)達(dá)到幫助盲人的目的。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件是采用模塊化的形式設(shè)計(jì)的，程序由主程序、超聲波測(cè)距程序、信息反饋程序等組成，系統(tǒng)軟件的工作流程是：在盲人開(kāi)始啟動(dòng)使用眼鏡的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)初始化隨后就會(huì)發(fā)出超聲波來(lái)判斷前方是否有障礙物。如果有障礙物，揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，之后重新回到系統(tǒng)初始化的狀態(tài)，重復(fù)上述過(guò)程；如果前方?jīng)]有檢測(cè)到障礙物，則會(huì)重新發(fā)出超聲波再次來(lái)判斷有無(wú)障礙物。超聲波發(fā)射器向一定的方向發(fā)射超聲波，在超聲波信號(hào)發(fā)射的時(shí)候開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，在傳播的途中如果遇到障礙物就立即返回，反射波被超聲波接收器接收后就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340 米/秒。

超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能與超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生發(fā)射超聲波;在收到回波時(shí)，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),超聲波測(cè)距時(shí)，在控制電路的控制下，超聲波發(fā)射探頭向前發(fā)射8 個(gè)超聲波，當(dāng)超聲波在空氣中遇到障礙物時(shí)，就會(huì)被反射回來(lái)，并通過(guò)超聲波接收探頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由控制器來(lái)判別回波信號(hào)。超聲波在空氣中的傳播速度為已知，來(lái)回穿越時(shí)間是相等的，只要測(cè)量出發(fā)射聲波和接收聲波的時(shí)間差，乘以傳播速度，就可以計(jì)算出障礙物的實(shí)際距離。我們這款眼鏡的設(shè)計(jì)主體主體是采用超聲波測(cè)距離。

記錄的時(shí)間可以通過(guò)定時(shí)器來(lái)看，可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)跟障礙物之間的距離。軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：控制超聲波的發(fā)送與接收以及信號(hào)的實(shí)時(shí)采集實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的計(jì)算；實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言感應(yīng)模塊和攝像頭的功能，能有效的進(jìn)行記錄和復(fù)位；遇到障礙物時(shí)能夠根據(jù)障礙物的距離，語(yǔ)音提示不同的內(nèi)容；語(yǔ)音提醒的同時(shí)LED 燈閃爍時(shí)，提醒行人讓路；盲人按下控制開(kāi)關(guān)，語(yǔ)音提醒就會(huì)停止（圖4）。

圖4 避障智能盲人眼鏡機(jī)構(gòu)圖

結(jié)束語(yǔ)

盲人智能避障眼鏡在硬件和軟件設(shè)計(jì)上都能達(dá)到使用的基本要求，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的各個(gè)功能。智能設(shè)備在當(dāng)今時(shí)代還是十分吸引人的，有著獨(dú)特的魅力。避障智能盲人眼鏡如果應(yīng)用到生活中可以大大的方便盲人群體，給他們帶來(lái)巨大的幫助。