馬永幸

（西京學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

中國是一個(gè)擁有巨大基數(shù)人口的國家，盲人數(shù)量也是占了全國很大的比重，據(jù)統(tǒng)計(jì)盲人每年都會(huì)出現(xiàn)大批盲人，還會(huì)出現(xiàn)大量弱視力者[1]，這些弱勢(shì)群體的生活各種問題是我們國家重要的思考問題，雖然這段時(shí)間中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展很迅速，但是為盲人提供各種服務(wù)也會(huì)消耗大量精力和財(cái)力，我國為了幫助盲人實(shí)現(xiàn)日常的外出，建設(shè)了特定的盲道，盲人可以在這指定的道路上行走，盲人也可以借助自己的拐杖來試探著往前走，所以解決上述問題實(shí)現(xiàn)盲人出行得自主化，確定盲人的安全性就是設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)盲機(jī)器人的意義。

1 導(dǎo)盲機(jī)器人的整體架構(gòu)及功能介紹

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

具體功能如下：

（1）微控制器通過紅外發(fā)射器對(duì)路上的黑線進(jìn)行循跡，這樣可以根據(jù)指定路線前行；

（2）如在規(guī)劃好的路上遇到突發(fā)狀況如遇到障礙物等，紅外傳感器便可以根據(jù)算法與電路執(zhí)行相應(yīng)的策略——避障；

（3）當(dāng)紅外發(fā)射器發(fā)出的紅外線被障礙物返回的時(shí)候系統(tǒng)在避障的同時(shí)，在該電路上的蜂鳴器也會(huì)發(fā)出嗡嗡嗡的聲音提示盲人注意避障；

（4）如果路上行人過多，蜂鳴器在報(bào)警的同時(shí)，燈光交互模塊也會(huì)因?yàn)楣饩€的變化而發(fā)射不同的燈光，從而提示路人注意躲避避障盲人；

（5）如果盲人外出時(shí)間過長，家人可以通過手機(jī)端連接線車的無線模塊進(jìn)行手動(dòng)控制引領(lǐng)盲人回家；

（6）如果路線偏航，盲人的家人可以通過手機(jī)APP 端，打開小車上的攝像頭，因?yàn)樾≤囀窃谥付肪€上行駛，通過手機(jī)端顯示的環(huán)境可以檢測(cè)到老人所處的位置。

圖2 UML 示例圖

2 導(dǎo)盲機(jī)器人設(shè)計(jì)流程

■2.1 硬件部分實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)微控制器采用的是STM32F103RCT6，使用它的數(shù)字引腳和模擬引腳來讀取傳感器數(shù)據(jù)與控制模塊。原理圖如圖3 所示。

圖3 STM32F103C8T6 管腳圖

■2.2 紅外循跡模塊的實(shí)現(xiàn)

用單片機(jī)電平的高低等級(jí)來自動(dòng)反應(yīng)循跡的過程，將信號(hào)直接發(fā)送給一個(gè)單片機(jī)的 I/O 口，就這樣我們可以直接完成循跡的功能，關(guān)于設(shè)計(jì)的循跡算法，首先從連線說起，把左右循跡紅外探頭的輸出端接在了單片機(jī)的PB14 與PB13兩個(gè)串口上，然后通過讀取這兩個(gè)接口的數(shù)值來對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，在本實(shí)驗(yàn)中將左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線接到了PA0，PA1，PA2，PA3 這四個(gè)接口中，舉個(gè)例子，如果PB14 檢測(cè)到了黑線，那小車就要左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)就需要讓控制的0 和1兩個(gè)接口復(fù)位，讓它停止，這樣左側(cè)車輪就會(huì)停下，右側(cè)車輪保持不變，就會(huì)實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。再就是關(guān)于避障，首先把避障用的兩個(gè)紅外傳感器的輸出口接到了PA4 與PA5 兩個(gè)接口上，同時(shí)把蜂鳴器的接口接到了PB12 上，這樣同樣是通過讀取4 和5 兩個(gè)端口的狀態(tài)就可以，之后改變小車的轉(zhuǎn)向，與循跡不同的是，改變了小車左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，小車循跡時(shí)讓他左轉(zhuǎn)是通過讓左側(cè)車輪停下，而在避障過程中，如果讓小車左轉(zhuǎn)是通過，改變左側(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)方向，也就是改變電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，關(guān)于蜂鳴器，把它接到單片機(jī)上，然后寫到程序的避障程序里，讓它跟電機(jī)的正反轉(zhuǎn)屬于同一個(gè)級(jí)別。這樣遇到障礙物，單片機(jī)的PB12 口就會(huì)輸出低電平來讓蜂鳴器進(jìn)行工作。

最后關(guān)于這個(gè)燈光交互模塊，運(yùn)用到了光敏電阻，將光敏電阻接到了單片機(jī)的PA6 接口，這樣只要將LED 接到單片機(jī)的一個(gè)能控制PWM 輸入的串口即可，我查閱了一下開發(fā)板的資料，找到了這樣一個(gè)接口，并將LED 接上去，就可以實(shí)現(xiàn)小車的亮度改變。黑白線傳感器連接電路如圖4 所示。

圖4 黑白線傳感器連接電路圖

■2.3 紅外避障模塊的實(shí)現(xiàn)

采用紅外傳感與超聲波模塊進(jìn)行避障，這樣兼容了兩大避障模塊的優(yōu)點(diǎn)，如果超聲波探測(cè)受限，還可以用紅外避障，這樣可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，也就更實(shí)用，更安全。

左右避障紅外線傳感器的工作原理：其中v1 是一個(gè)紅外線接地發(fā)射器，在圖中我們可以清楚地看到它已經(jīng)被紅外線接地了，也就是說只要vccbat 開始給它供電，那么v1就一定會(huì)持續(xù)地發(fā)射紅外線，v3 是一個(gè)紅外接收器，他有一個(gè)特殊的物理性質(zhì)那就是，接收到這個(gè)紅外線的信號(hào)時(shí)候，電阻就會(huì)變小，根據(jù)一個(gè)串聯(lián)的分壓，當(dāng)接收到有紅外光的時(shí)候，v3 電阻變小，它的輸出分壓也就變小了，于是3 引腳的輸入電壓將大大地小于2 腳的輸出電壓，于是根據(jù)計(jì)算機(jī)電路中比較器原理，當(dāng)同相輸出的電壓小于逆交換機(jī)輸入的電壓時(shí)將有可能會(huì)使計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)更低的電平，就這樣1 管腳輸出低電平。于是D3將會(huì)變亮。若沒有任何障礙物，將會(huì)進(jìn)行一個(gè)與上面的相反過程，1 口將向輸出高電平。這樣D3 將會(huì)熄滅。圖中的變阻器對(duì)應(yīng)著車上的靈敏度改變。原理也是進(jìn)行分壓。第二個(gè)方案可以采用超聲波避障[6]，超聲波模塊同樣有4個(gè)接口[7]。

紅外避障實(shí)物圖如圖5 所示，超聲波傳感器連接電路圖如圖6 所示。

圖5 紅外與超聲波避障實(shí)物圖

圖6 超聲波傳感器連接電路圖

■2.4 燈光交互模塊的實(shí)現(xiàn)

燈光交互模塊就是將光敏傳感器與LED 燈串接而成的電路接在單片機(jī)的管腳上，光敏電阻的物理特性就是光照越強(qiáng)電阻越小，這樣LED 燈的亮度就會(huì)變亮，相反在光照環(huán)境差的地方，電阻比較大所以會(huì)發(fā)射近光燈。當(dāng)與LED 燈端口相連接的單片機(jī)管腳發(fā)出低電平時(shí)，整個(gè)電路就可以形成電流，于是LED 燈就會(huì)發(fā)光。

該模塊的編程也是類似于蜂鳴器模塊的編程。首先定義LED 占用哪個(gè)端口。然后在小車遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)出低電平讓LED 點(diǎn)亮。這個(gè)具體實(shí)現(xiàn)在代碼中就是改變高低電平的占空比在實(shí)現(xiàn)亮暗。燈光交互實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 燈光交互模塊實(shí)物圖

■2.5 蜂鳴器模塊的實(shí)現(xiàn)

我們使用的是有源式蜂鳴器，自身內(nèi)部都設(shè)置有振蕩、驅(qū)動(dòng)等電路。只要附帶一個(gè)電源也就可以聽到響，優(yōu)點(diǎn)是使用起來比較省事，缺點(diǎn)是頻率已經(jīng)固定了，就只剩下一個(gè)獨(dú)立的音。蜂鳴器本系統(tǒng)采用的模塊是一種有源蜂鳴器，通電就可以，單片機(jī)在 p12 端口上輸入一個(gè)低電平，這樣便可以進(jìn)行發(fā)射集與集電極之間便是聯(lián)通的，這樣 vccbat所發(fā)出的高電平將不再需要通過與三極管接地就可以形成了一個(gè)具有電流的回路，因?yàn)榉澍Q器本身都是有源的，所以蜂鳴器就不再需要發(fā)出任何聲音。該蜂鳴器模塊主要用來在輸入低電平時(shí)產(chǎn)生的聲音。低電平有效，實(shí)物圖如8所示。

圖8 蜂鳴器實(shí)物圖

■2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)

關(guān)于驅(qū)動(dòng)式電源的設(shè)計(jì)方案選擇主要有兩種，電源模塊的功能和作用是進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，它們就是把交流或者直流電轉(zhuǎn)換成您所需的交流或者直流電。采用太陽能鋰電池進(jìn)行供電，鋰電池可以持續(xù)地供電，充分利用了太陽能源，供電也很平穩(wěn)，時(shí)鐘頻率不受任何交流電的干擾，存儲(chǔ)量較大，如果使用干電池，它的供電時(shí)間較短，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流供應(yīng)不平穩(wěn)。它可以進(jìn)行充電，比較環(huán)保。本模塊采用 L298N芯片控制[9]。在本次系統(tǒng)中用到了4 個(gè)輸入口，還用到了2個(gè)輸出口，四個(gè)輸入口通過單片機(jī)檢測(cè)到的端口電平來實(shí)現(xiàn)控制，輸出口通過檢測(cè)電平高低來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，對(duì)于機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎我設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案：第一個(gè)方案是通過控制兩個(gè)車輪的速度也就是說讓兩個(gè)車輪之間形成一個(gè)速度差，這樣比如左轉(zhuǎn)就可以采用PWM 算法來實(shí)現(xiàn)讓左車輪慢下來，右車輪用和之前同樣的速度右轉(zhuǎn)也是同理，可以采用復(fù)位與置位的算法來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎，也就是說左轉(zhuǎn)的時(shí)候可以直接通過置位高電平來讓左車轱轆停止，右車轱轆保持原有的速度。

■2.7 手機(jī)畫布的實(shí)現(xiàn)

首先要對(duì)手機(jī)端的屏幕與你想設(shè)計(jì)的布局構(gòu)思好，在Android Studio 上面進(jìn)行布局與設(shè)計(jì)，因?yàn)樽约涸O(shè)計(jì)的內(nèi)容是不僅要實(shí)現(xiàn)小車的攝像頭監(jiān)控，還要實(shí)現(xiàn)小車的控制，所以在一開始設(shè)計(jì)畫布的時(shí)候，還設(shè)計(jì)了好多按鍵，在系統(tǒng)里，把攝像頭連接到無線模塊，是通過USB 接口接到無線模塊，然后給模塊通上電，因?yàn)殚_發(fā)板VCC 與GND 被占用，所以只能給電池上接上公對(duì)公的杜邦線引出來把另一邊割開，露出銅絲來這樣接到串聯(lián)在一起的電池上，試過用單獨(dú)的充電寶給它供電，但是不行。這個(gè)無線模塊的工作電壓是5V 上下10%，所以把兩節(jié)電池串聯(lián)起來，單獨(dú)給WiFi 模塊的開發(fā)板供電，實(shí)現(xiàn)效果也還不錯(cuò)，不過以后最好是要在板子上引出來，因?yàn)檫@樣供電更穩(wěn)定。然后手機(jī)就可以連接到無線模塊發(fā)出的無線，就可以通過手機(jī)所設(shè)計(jì)的APP 來進(jìn)行連接。

■2.8 與攝像頭建立連接的實(shí)現(xiàn)

在建立與攝像頭連接的過程，要清楚的知道攝像頭的IP 地址，只有在獲取了IP 地址后，才能把它里面的數(shù)據(jù)“抓”出來，傳輸?shù)角懊嬉呀?jīng)布置好的畫布上，在本次系統(tǒng)中，用到的視頻傳輸協(xié)議是TCP/IP 協(xié)議。

■2.9 手機(jī)APP 顯示功能的實(shí)現(xiàn)

手機(jī)APP 中的功能就是顯示出攝像頭采集到的數(shù)據(jù)，并將它一幀一幀地顯示出來。將這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)圖放在下面，實(shí)現(xiàn)的效果如圖9 所示。

圖9 手機(jī)視頻圖

3 調(diào)試與總結(jié)

■3.1 調(diào)試項(xiàng)目

（1） 驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)試

在結(jié)束完導(dǎo)盲機(jī)器人這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，首先要確保機(jī)器人能走，也就是驅(qū)動(dòng)可以讓小車跑起來，在測(cè)試過程中我們只需將驅(qū)動(dòng)與車輪連接到一起，安裝好鋰電池，打開開關(guān)，然后燒入一個(gè)簡單的程序，就可以觀察小車是否可移動(dòng)，如果小車完成了移動(dòng)，則驅(qū)動(dòng)模塊連接成功，否則，就是小車驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)問題。

（2） 循跡模塊的調(diào)試

在小車進(jìn)行黑白線循跡的過程中，要進(jìn)行現(xiàn)車的循跡，首先在地上貼上一道黑色膠帶，然后將循跡程序燒進(jìn)單片機(jī)里，觀察小車是否在黑線上循跡，如果小車在黑線上行走成功，則說明循跡沒問題。

（3） 避障模塊的調(diào)試

例如當(dāng)一輛小車在既定道路上繼續(xù)行走時(shí)，首先將避障程序燒錄在微控制器里，然后將其放在路線上再次放上障礙物，可以說是盒子與書本，一定要高于其他小車的高度，因?yàn)橹挥姓系K物的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他小車高度上，紅外發(fā)射器所能夠發(fā)出的一個(gè)紅外光才有機(jī)會(huì)被其他障礙物所產(chǎn)生的反彈而通過紅外傳感器接受。當(dāng)一輛小車在碰到了障礙物并進(jìn)行逃跑時(shí)，小車的回位避障系統(tǒng)模塊正常，相反出現(xiàn)其他情況就要進(jìn)行排除了。

（4） 蜂鳴器模塊的調(diào)試

將蜂鳴器連接進(jìn)入電路后，燒進(jìn)程序給蜂鳴器，如果前方有障礙時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警，查看蜂鳴器軟件代碼，一般情況下，先進(jìn)行端口配置，在進(jìn)行初始化，我們可以配置好時(shí)鐘周期，讓蜂鳴器每隔一段時(shí)間就發(fā)出聲音。

（5） 光敏傳感器的調(diào)試

剛開始記錄一下原始的亮度，然后用手機(jī)打開手電筒功能，照向光敏傳感器，此時(shí)小車的指示燈應(yīng)該是變亮的，如果小車的指示燈沒有變亮，則需要查看光敏傳感器，先用黑布料將光敏電阻覆蓋起來，查看阻值，也就是通過萬用表查看，查看指針搖擺幅度的大小來判斷光敏傳感器是好是壞的。

（6） 紅外傳感模塊的調(diào)試

將手放到小車在前面如果指示燈亮，則說明紅外傳感器沒有問題，如果沒有亮，則另需檢查，最好是燒錄進(jìn)程序之后進(jìn)行判斷，這樣才能知道是否出現(xiàn)問題。也可以檢查電路的電壓。

■3.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

（1）將小車組裝好之后，燒錄進(jìn)循跡程序，在地上貼好黑線，小車可以沿著黑線勻速前進(jìn)。實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示，小車沿著黑線進(jìn)行循跡。

圖10 循跡模塊的實(shí)現(xiàn)

（2）將相關(guān)避障代碼燒錄進(jìn)單片機(jī)后，在小車正前方放置一本書或者是將我的手放在前面，發(fā)現(xiàn)小車可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行避障。實(shí)現(xiàn)效果如圖11 所示，小車在遇見我的手后發(fā)生轉(zhuǎn)彎。

圖11 避障效果演示

（3）參考第二步，當(dāng)小車遇到障礙物時(shí)，小車不但可以進(jìn)行避障，還可以進(jìn)行蜂鳴器播報(bào)。

（4）將小車在不同光線環(huán)境下測(cè)試其二極管的發(fā)光亮度，發(fā)現(xiàn)小車在光線差一點(diǎn)的地方發(fā)射近光燈，在光線亮的時(shí)候，小車將會(huì)發(fā)射遠(yuǎn)光燈，完美地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。實(shí)現(xiàn)效果如圖12 所示，當(dāng)燈光越亮，燈就會(huì)越亮。

圖12 燈光交互實(shí)現(xiàn)

■3.3 測(cè)試問題及解決方法

在進(jìn)行WiFi 控制時(shí)，手機(jī)APP 打開不了小車前的攝像頭，原因是沒有與控制攝像頭的無線模塊進(jìn)行連接，WiFi模塊沒有供電，剛開始采用方案一，通過USB 接口與數(shù)據(jù)線連接插頭進(jìn)行供電，可是不知道什么原因，手機(jī)WiFi 模塊沒有穩(wěn)壓電路所以不行，然后采用了方案二，通過杜邦線連接STM32單片機(jī)的VCC與CND，這樣實(shí)現(xiàn)了WiFi的控制，這樣通過無線模塊發(fā)出的WiFi 連接手機(jī)可以查看小車的周邊環(huán)境。

小車在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于速度太快導(dǎo)致小車不能按照指定路線行走，換成兩輪驅(qū)動(dòng)就好了，這樣馬力也小一些，這個(gè)方法可行，也可以通過方案二，在程序里面修改小車的速度。紅外傳感在一開始行走時(shí)，不夠靈敏，剛開始考慮是因?yàn)樗俣忍?，但是?dāng)我把速度調(diào)到合適速度后，還是不行，然后考慮是否因?yàn)榧t外探頭不夠靈敏，是不是小車的紅外傳感太高了，然后將傳感器由之前的橫著放，改為了豎著放，果然解決了問題，還可以去換成反應(yīng)更靈敏，探測(cè)距離更遠(yuǎn)的探頭去實(shí)現(xiàn)。

還遇到了當(dāng)循跡過程中小車總是把雙手放上去都是可以感知到，也就是說是可以實(shí)現(xiàn)的，但是它就是不循跡，這個(gè)時(shí)候就考慮是不是傳感器的靈敏度不夠，于是把小車放在地上調(diào)試，原來紅外循跡光線對(duì)小車的影響也很大，每次到不同的地方都要進(jìn)行調(diào)試。