基于超聲波傳感器的導(dǎo)盲杖設(shè)計

孟祥薇，嚴(yán)錫君，歐陽星辰，余 敏，卜 旸

（河海大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

我國盲人及視力障礙者數(shù)量大，約占全世界盲人總數(shù)的20%。盲人由于生理上的缺陷，在公共場所行走時面臨著諸多不便以及潛在的危險。目前國內(nèi)外有諸多類型的盲人導(dǎo)航技術(shù)，如導(dǎo)盲機(jī)器人、紅外線導(dǎo)盲、盲人電子眼鏡、GPRS導(dǎo)盲系統(tǒng)等[1]，但這些盲人導(dǎo)航設(shè)施大多成本過高或攜帶不便，且受環(huán)境影響較大，并不能被盲人廣泛采用。超聲波具方向性強(qiáng)、能量易于集中、傳播距離較遠(yuǎn)，以及對障礙物定位具有一定的精確性等特性，能較好地應(yīng)用于障礙物定位，且設(shè)備成本較低，便于攜帶、體積較小，因而易于普及[2]。目前，已有基于超聲波的導(dǎo)盲杖研究，但是局限于檢測障礙物信息，無法探測路面情況，因而無法為盲人提供全面的路況信息。本文采用C8051F360單片機(jī)[3]，結(jié)合超聲波測距技術(shù)設(shè)計導(dǎo)盲杖，并通過設(shè)置壓力傳感器達(dá)到準(zhǔn)確探測路面情況的目的，通過語音模塊對探測到的距離信息進(jìn)行反饋，提醒盲人前方道路情況，實現(xiàn)智能導(dǎo)盲功能。應(yīng)盡量輕巧實用，避免不需要的負(fù)重[4]。系統(tǒng)主要由主控制模塊、電源管理及開關(guān)模塊、超聲波測距模塊、語音模塊、壓力按鈕模塊等組成，其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of system

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

日常生活中盲人隨身攜帶導(dǎo)盲杖，為此，導(dǎo)盲杖的設(shè)計

使用時，正前方、左前方以及右前方3個方向的超聲波模塊定向發(fā)出超聲波，當(dāng)被測方向有障礙物時，在一定距離內(nèi)喇叭會發(fā)出方向性語音提示；同時，當(dāng)拐杖底端接觸地面時，底部的壓力按鈕會被按下，拐杖下方的超聲波傳感器發(fā)出超聲波，對前方路面情況進(jìn)行探測，當(dāng)前方路面存在上坡或者下坡情況時，喇叭會發(fā)出狀況提示。

電源管理及開關(guān)模塊主要負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)中各個模塊提供獨立穩(wěn)定的電源，由5 V可充電鋰電池供電，可穩(wěn)定供應(yīng)3．3 V和5 V兩種電壓，并由電源開關(guān)控制導(dǎo)盲杖使用；4個超聲波測距模塊通過I/O口與主控制模塊交換數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)采集環(huán)境中各個方向的障礙物信息，為路況分析提供實時數(shù)據(jù)；語音模塊由UART口與主控制模塊連接，主芯片根據(jù)實時路況信息控制其產(chǎn)生相關(guān)語音提示，為盲人避障提供指示；壓力按鈕模塊可檢測導(dǎo)盲杖是否著地，并通過外部中斷傳送信息到主控制模塊，使得超聲波模塊測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，從而保證了對路況分析的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊主要負(fù)責(zé)采集路況信息，即發(fā)射端（即杖體）到障礙物的距離信息，并傳給單片機(jī)進(jìn)行路況分析處理。模塊采用HY-SRF05超聲波芯片，測距精度可達(dá)到3mm，模塊包括發(fā)射器、接收器與控制電路[5]。超聲波測距模塊的電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 HY-SRF05模塊電路圖Fig．2 Circuit diagram of HY-SRF05

傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測距，由單片機(jī)給出至少10μs的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，當(dāng)有信號返回時，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，即Δt。

為了實現(xiàn)探測全方位路況，超聲波模塊的部署極為重要。考慮到盲人遇到的路況主要分為：前、左、右方向的障礙物，上坡或樓梯，以及下坡或溝坑，因此采用如圖3所示的具體部署方案。在杖體靠近手柄處以45°角間隔水平放置3個超聲波傳感器，分別探測正前方、左前方以及右前方3個方向的障礙物；在靠近底座上端與杖體成45°角處固定放置一個超聲波傳感器，以檢測路面狀況。

2.2 語音模塊

語音模塊由SYN6288芯片構(gòu)成，其外圍電路如圖4所示。其中端口CON4用于連接喇叭。語音模塊的接口TxD與RxD分別連接至單片機(jī)的全雙工的異步串行通訊（UART）接口 P0．1口與 P0．2口，實現(xiàn)與單片機(jī)的串口通信[6]。

單片機(jī)發(fā)送給SYN6288芯片的命令都需要以“幀”的形式進(jìn)行封裝后傳輸，具體幀格式如表1所示。

圖3 超聲波傳感器部署主視圖Fig．3 Front view of the deployment of ultrasonic sensors

圖4 SYN6288芯片及其外圍電路圖Fig．4 Chip SYN6288 and peripheral circuit diagram

表1 命令幀格式Tab.1 Form at of command frame

單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前的路況分析結(jié)果控制語音模塊播報相對應(yīng)的語音信息，包括前方、左側(cè)、右側(cè)、上坡和下坡5種信息，以提醒盲人做出相應(yīng)處理方法。

3 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)多方向的探測與路況分析處理，系統(tǒng)工作流程的合理安排就顯得尤為重要。合理的工作流程應(yīng)當(dāng)確保系統(tǒng)及時播報當(dāng)前路況，無漏報或誤報，同時也不必過于頻繁的探測與報警，頻繁探測不僅增加功耗，降低電池使用時間，同時也會讓使用者感到無所適從[7]。

3.1 主流程圖

主流程實現(xiàn)障礙物探測、路面探測以及語音播報的統(tǒng)籌安排。保證各模塊正常運行，避免相互沖突。

系統(tǒng)主流程圖如圖5所示，其中sflag=1表示語音模塊空閑，sflag=0表示語音模塊被占用，sound指示當(dāng)前占有語音模塊使用權(quán)的傳感器。sflag會在一次播報后被置為0，即語音模塊設(shè)為忙狀態(tài)，固定時間后再被置為1，置1功能會在下文介紹的障礙物探測模塊中實現(xiàn)。

3.2 障礙物探測

障礙物探測包括正前、左前、右前3個方向?？紤]到探測裝置是以超聲波為探測媒介，同時工作可能互相干擾，因此系統(tǒng)采用輪流探測方式[8]。同時，為了實現(xiàn)對語音模塊忙閑狀態(tài)的控制，本模塊中會每隔固定時間為語音模塊標(biāo)志位sflag置1，即設(shè)為空閑，間隔時間經(jīng)計算設(shè)為12 s，通過此設(shè)置，可保證語音模塊在每次啟用后12 s才被再次啟用。

圖5 系統(tǒng)主流程圖Fig．5 Main flow chart

C8051F360單片機(jī)利用定時器2實現(xiàn)傳感器輪流探測，定時周期為300ms。圖6為定時器2中斷程序流程圖，其中dir為傳感器標(biāo)識：dir=1為左前方傳感器（超聲波模塊1），dir=2為前方傳感器（超聲波模塊2），dir=3為右前方傳感器（超聲波模塊3）。

3.3 路面探測

路面探測傳感器，即傳感器模塊4，固定在導(dǎo)盲杖的中下位置。處于水平路面時，傳感器與水平面的夾角以及相對于地面的垂直高度是一定的，此時傳感器模塊到前方路面的距離一定，為參考距離D。行進(jìn)過程中，由壓力按鈕產(chǎn)生中斷后傳感器模塊4開始測量實際距離d，當(dāng)d與D相等時，即認(rèn)為前方為水平路面；若d小于D，則認(rèn)為前方為上坡/上臺階；若d大于D，則認(rèn)為前方為下坡/下臺階/溝?？紤]到實際路面總是有一些高低起伏的，因此在d與D的比較中設(shè)定了一個誤差參數(shù)m，當(dāng)|d-D|＜m時，均認(rèn)為是水平路面。誤差參數(shù)m可通過實物調(diào)試給定，系統(tǒng)中設(shè)定為5 cm。

圖6 障礙物輪流探測方式軟件流程圖Fig．6 Flow chart of detecting obstacles

路面探測時以被測區(qū)域與傳感器的實際距離為判斷依據(jù)，因此需保證距離測量時導(dǎo)盲杖接觸地面且與地面垂直，同時保證傳感器模塊放置方向與水平方向夾角一定，此狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。導(dǎo)盲杖底部設(shè)計了一個壓力按鈕模塊（如圖3）。在行進(jìn)中若底部按鈕被按下，即可認(rèn)為傳感器自身處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，方可進(jìn)行路面探測。

因此，利用壓力按鈕模塊引入外部中斷，用以觸發(fā)路面探測工作。圖7為具體工作流程，其中it用于記錄前進(jìn)步數(shù)，每前進(jìn)三步進(jìn)行一次探測，以避免頻繁探測。

圖7 路面探測方式軟件流程圖Fig．7 Flow chart of detecting road conditions

4 結(jié)束語

智能導(dǎo)盲杖包含了障礙物探測和路面探測兩部分，障礙物探測包括左前方、正前方及右前方3個方向，覆蓋范圍為90°，探測半徑為2m，當(dāng)障礙物進(jìn)入探測范圍內(nèi)時，將通過語音播報障礙物的大致方位。路面探測的區(qū)域為使用者前方80 cm處的路面，被探測路面的水平高度與裝置所處路面的水平高度相比，若低5 cm以上，則提示“前方下坡”，若高5 cm以上，則提示“前方上坡”。

經(jīng)試驗測試，可對左前方、正前方和右前方的障礙物以及上下坡、臺階和明顯的坑洼等路面狀況做出準(zhǔn)確識別并及時提示，幫助盲人了解周圍狀況，為其出行提前便利，提供有效的服務(wù)。

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