張 磊，李自成，吳 卓

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430205）

據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)顯示，目前我國至少有1400萬盲人，在出行方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。視力障礙導(dǎo)致他們的機(jī)動性降低、獨立出行能力受限，增加了受到意外傷害的可能性。為了改善盲人的生活，人們運用現(xiàn)代電子和計算機(jī)技術(shù)，開發(fā)了多種幫助盲人出行的產(chǎn)品。包括電子導(dǎo)盲器、電子導(dǎo)盲輪椅、電子導(dǎo)盲拐杖、導(dǎo)盲機(jī)器人等。電子導(dǎo)盲器在早期導(dǎo)盲設(shè)備中較為常見，包含多個超聲波測距模塊，可探測各個方向的障礙物，通過語音播報模塊進(jìn)行反饋[2]。電子導(dǎo)盲輪椅包含避障模塊、循跡模塊，可探測各個方向的障礙物，通過APP 可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3]；電子導(dǎo)盲拐杖具有傳統(tǒng)導(dǎo)盲拐杖的外觀，集成了GPS 模塊、語音播報模塊等，具有障礙探測、語音提示、跌倒報警等功能[4-6]；導(dǎo)盲機(jī)器人具有獨立行走的能力，主要原理是機(jī)器人對前方環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測分析，然后將分析結(jié)果再對盲人進(jìn)行提示[7-9]。

這些電子導(dǎo)盲產(chǎn)品的種類較多，但具有實用性和價格優(yōu)勢的較少。針對上述問題，本項目旨在結(jié)合各種方案的優(yōu)點和長處，結(jié)合TOF（time of flight）測距技術(shù)、USB 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出一種價格低、功耗小、易攜帶、且功能完備的穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備，為盲人的日常出行保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)整體框架

本文系統(tǒng)按照功能可劃分為運動感知、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果反饋5 個部分，系統(tǒng)的整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

運動感知部分負(fù)責(zé)通過三軸加速度傳感器對視障使用者進(jìn)行運動狀態(tài)識別；數(shù)據(jù)采集部分利用激光測距傳感器對使用者前方障礙物的距離進(jìn)行初步的測量；數(shù)據(jù)傳輸部分通過USB 有線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送以及接收；數(shù)據(jù)顯示部分主要負(fù)責(zé)對處理后的數(shù)據(jù)在手機(jī)界面進(jìn)行實時顯示；結(jié)果反饋部分通過震動、響鈴或語音播報的方式對視障使用者進(jìn)行提醒。整套硬件設(shè)備具有體積小、功耗低等特點。系統(tǒng)采用手機(jī)供電，選用的各個硬件均為低功耗模塊，同時也采用了低功耗處理，可以實現(xiàn)長時間使用。

2 避障系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件工作流程如圖2 所示。硬件通過對使用者的運動狀態(tài)進(jìn)行檢測來判斷是否喚醒設(shè)備，當(dāng)設(shè)備啟動后進(jìn)行距離檢測，并向主控芯片發(fā)送實時數(shù)據(jù)。

圖2 硬件工作流程Fig.2 Hardware work flow chart

2.1 運動檢測電路設(shè)計

LIS2DW12TR 是一種超低功耗的高性能三軸線性加速度計，由于其超小的尺寸和超低的功耗，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備以及穿戴設(shè)備等。運動檢測部分電路具體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 運動檢測電路Fig.3 Motion detection circuit

當(dāng)視障人群佩戴硬件設(shè)備，LIS2DW12TR 檢測三軸加速度值的變化，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較進(jìn)而分析佩戴者的運動狀態(tài)。計算閾值的公式如下所示：

式中：TH 表示閾值；FS 為初始化時設(shè)置的值。當(dāng)傳感器實時測得加速度值大于計算得到的閾值，判斷用戶當(dāng)前為運動狀態(tài)；反之則處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2.2 距離檢測電路設(shè)計

TOF 傳感器具有體積小、誤差低、工作距離遠(yuǎn)等特點。VL53L1X 可在4 m 范圍內(nèi)精確測距，距離檢測電路如圖4 所示。

圖4 距離檢測電路Fig.4 Distance detection circuit

激光測距傳感器主要有3 種測距模式，長距離測距模式下最遠(yuǎn)測量距離360 cm，中距離測距模式下最遠(yuǎn)測量距離290 cm，短距離測距模式下最遠(yuǎn)測量距離136 cm。3 種模式中，不同的測距模式可以適應(yīng)不同的光照情況，測距范圍越小，受光照影響程度越小。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸電路設(shè)計

為了盡可能地降低設(shè)備的成本以及設(shè)備的功耗，系統(tǒng)采用STM32F042G6U6 單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理[10]。在同樣的時鐘8 MHz 下，STM32F042 芯片電流只有4 mA，STM32F103 芯片電流達(dá)到9 mA以上。數(shù)據(jù)采集與傳輸電路如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與傳輸電路Fig.5 Data acquisition and transmission circuit

傳感器測得的數(shù)據(jù)通過I2C 協(xié)議進(jìn)行傳輸，統(tǒng)一發(fā)送至主控芯片進(jìn)行處理和保存。由于測距傳感器測得的數(shù)據(jù)量較大，防止終端數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)突變，采用均值濾波的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，公式如下所示：

最終，單片機(jī)通過USB 串口將均值濾波后的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP 中，完成硬件與軟件之間的通信。

3 軟件設(shè)計

盲人運動感知系統(tǒng)的軟件部分是由Android Studio 開發(fā)的一款手機(jī)APP[11]。該系統(tǒng)軟件平臺可實時接收和顯示硬件數(shù)據(jù)并且通過對數(shù)據(jù)分析向使用者做出反饋。為滿足使用者的多樣性，軟件部分設(shè)置了正常模式和特殊模式，家屬可以選擇功能齊全的正常模式，視力障礙群體使用時則可以選擇已經(jīng)設(shè)定好功能的特殊模式，手機(jī)APP 的操作流程如圖6 所示。

整個軟件程序按功能可分為5 個界面，設(shè)備識別界面、用戶模式選擇界面、特殊模式界面、正常模式界面以及正常模式-模式選擇界面。界面展示如圖7 所示。

圖7 軟件界面Fig.7 Software interface

3.1 設(shè)備識別界面

硬件識別界面的主要功能是對插入的硬件設(shè)備進(jìn)行識別，通過檢測硬件設(shè)備的VID（vender ID）和PID（product ID）是否與設(shè)定的參數(shù)相同來判斷所插入的硬件設(shè)備。若相同，則屏幕上會顯示對應(yīng)硬件設(shè)備的PID 和VID；反之，屏幕上的信息都會顯示為空值，同時手機(jī)會發(fā)出警告語音提示使用者正確插入設(shè)備。

3.2 用戶模式選擇界面

該界面下有正常模式和特殊模式2 個按鍵。正常模式操作復(fù)雜，但是適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀況操作者自行修改工作模式；特殊模式功能簡單，但適應(yīng)環(huán)境能力弱。

3.3 特殊模式界面

特殊模式是供視力障礙人群直接使用的一種模式，特殊模式下設(shè)置默認(rèn)的硬件工作模式為長距離測距，測距頻率為200 Hz，震動反饋。沒有復(fù)雜的模式選擇界面，因此操作簡便。

3.4 正常模式界面

正常模式功能完整，有多種工作模式可供使用者選擇。按下模式選擇按鍵后進(jìn)入模式選擇界面，用戶可在模式選擇界面手動選擇所需要的硬件工作模式。

3.5 正常模式-模式選擇界面

進(jìn)入正常模式的模式選擇界面后，可根據(jù)提示選擇測距模式，頻率模式以及反饋模式，測距模式分為長距離模式、中距離模式和短距離模式，不同的測距模式具有不同的測量范圍，光照對激光測距傳感器的精度影響較大，在長距離模式下受光照影響最強(qiáng)，中距離模式次之，短距離模式則幾乎無影響。使用者可根據(jù)不同的光照情況選擇對應(yīng)的測距模式。除此之外，還有3 種頻率模式和3 種反饋形式可搭配使用。

4 實驗驗證

本實驗采用正常光照條件下的試驗場地，實驗人員佩戴硬件設(shè)備，使用者根據(jù)語音提示在APP 上設(shè)置完成硬件工作模式，系統(tǒng)進(jìn)入運行狀態(tài)。其中硬件設(shè)備如圖8 所示。

圖8 硬件設(shè)備Fig.8 Hardware devices

當(dāng)LIS2DW12TR 三軸加速度傳感器采集到實驗人員的運動信息后，向STM32 發(fā)送運動狀態(tài)指令，STM32 根據(jù)接收到的狀態(tài)指令控制VL53L1X激光測距傳感器啟動，開始測量實驗人員與障礙物間的距離。與此同時，硬件部分通過USB 接口實時向Android 設(shè)備發(fā)送距離數(shù)據(jù)，Android APP 根據(jù)接收到的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示。

隨著實驗人員移動，距離障礙物的距離也越來越近，當(dāng)距離小于警告閾值且大于危險閾值時，手機(jī)會根據(jù)用戶設(shè)置的反饋模式進(jìn)行相應(yīng)的警告提醒，當(dāng)實驗人員與墻面的距離小于危險閾值時，手機(jī)則會進(jìn)行對應(yīng)的危險提醒。本實驗設(shè)置的警告范圍為500 mm～1000 mm，危險范圍為0 mm～500 mm，在一段時間內(nèi)，時間與距離的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測距實驗記錄Tab.1 Distance measurement experiment records

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以看出，此系統(tǒng)只有在檢測到使用者的運動狀態(tài)后才開始工作，當(dāng)使用者向前運動時能夠?qū)崟r檢測與前方障礙物的距離，當(dāng)使用者停止運動超過一段時間后硬件部分會自動關(guān)閉激光測距模塊，同時關(guān)閉硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時，整個系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式。

5 結(jié)語

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于STM32 的盲人運動感知避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)將硬件與軟件相結(jié)合。利用STM32 低功耗處理器，LIS2DW12TR 低功耗三軸加速度傳感器，VL53L1X 激光測距傳感器，實現(xiàn)了低功耗智能化動態(tài)距離檢測。整套系統(tǒng)具有易攜帶、功耗低、操作簡單、可靠性高的特點，可大大減少視力障礙人群出行所消耗的人力物力，提高出行效率。在后續(xù)的研究中，將對手機(jī)端進(jìn)行優(yōu)化，將視障群體的實時狀態(tài)反饋到家人，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)智能化能力。