超聲波避障系統(tǒng)在智能導盲手杖中的研究與應用

任艷惠　彭琛　劉浩

摘要：超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，但人們的日常生活中并沒有帶來很多的便利。為幫助盲人，本文敘述了智能導盲系統(tǒng)的部分功能（超聲波壁障系統(tǒng)），并通過proteus 8.0Professional開發(fā)基于超聲波原理的智能導盲仿真系統(tǒng)。

關鍵詞：智能導盲手杖；超聲波壁障系統(tǒng)；仿真系統(tǒng)；AT89C52

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0204-02

超聲波指向性很強，能量的消耗緩慢，在傳播介質中的傳播距離較遠，所以超聲波經(jīng)常實用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都能通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較方便、迅速、易于做到實時控制、計算簡單，并在測量精度方面可以達到工業(yè)實用的要求，因此可以利用超聲波的這些優(yōu)點對盲人們的手杖進行改進，以解決盲人在日常生活中因視力方面的不足帶來的很多麻煩。

1 國內外現(xiàn)狀

德國大學生賽博斯坦設計出來作品Mygo，Mygo看上去就像是個合金手杖，既輕便又結實，末端有個小小的輪子，拄在地上推行很靈便。這根合金制成的桿子中安裝有攝像頭和傳感器，能辨識方向和路況等，再通過無線耳機反饋給使用者。輪子上的傳感器也可以記錄行走里程和線路等多種數(shù)據(jù)，幫助盲人朋友判斷是否到達目的地。E-touch也是為盲人設計的電子智能拐杖，內置了聽覺及觸覺導航交互系統(tǒng)，系統(tǒng)由芯片發(fā)出數(shù)據(jù)指令，通過藍牙耳機提示盲人轉彎、緊急情況、方向定位等信息。拐杖手柄附近的小球凸起，會隨著使用者轉彎而轉動，方便盲人把握準確的方向。智能拐杖還可以下載各地的地圖，幫助盲人更好地出行。韓國設計師設計的這個藍色的手鐲式裝置，是利用聲吶來為盲人幫助指路的，叫做Supersonic Stick。這個聲吶引導器能夠利用聲吶技術來偵測前方的障礙物并通知使用者。盲人朋友只要將它戴在手腕上，就能檢測出前行的道路上是否有障礙物，聲音和震動會告知戴的人前方物體的遠近，方便盲人出行。

為盲人朋友設計的智能眼鏡，能通過聲波掃描讓視覺障礙者感知周圍的環(huán)境變化，方便視覺障礙者外出時躲避障礙物。智能眼鏡未來還將內置小型攝像頭，并與互聯(lián)網(wǎng)實時連接。通過大數(shù)據(jù)技術，攝像頭會將掃描到的物體與數(shù)據(jù)庫進行對比，并告訴戴的人他到了哪里，面前的物體是什么，甚至通過面部識別，告訴戴的人他面前是誰。

中國的超聲波研究與應用進入廣泛發(fā)展階段，依賴于在1956年我國把超聲學研究歸入到12年科學規(guī)劃之中的這一舉動。1965年，我國初步進行表面的波換能器的研究，后來便有了以超聲波為主要技術的關于清洗及加工的應用逐漸出現(xiàn)，這意味著我國超聲學在實際應用方面逐漸完善熟練。超聲技術伴隨著電力電子技術的快速進步、電力電子器件的不斷更新?lián)Q代，超聲技術也有了很大的進步?，F(xiàn)如今在我國，超聲學研究也獲得了顯著的成就，甚至在一些方面已經(jīng)不遜色于國際領先水準。

2 系統(tǒng)硬件仿真設計

系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源電壓轉換電路（驅動電路）、測距電路、危險距離報警電路、警示燈電路、及單片機電路等5個部分構成。采用HC-SR04器件測量距離，可以提供2cm-450cm的非接觸式距離感測功能，最高測距精度可達3mm；該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。使用該模塊需注意：模塊需提供一個10μs以上的脈沖觸發(fā)信號，模塊內部將發(fā)出8個40MHz周期的電平并檢測回波。當檢測到有回波信號電路就會返回相應的回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比例關系。通過發(fā)送跟接收信號的這個時間間隔算出與被測物體之間的距離。建議測量的周期在60ms以上，這樣發(fā)射信號與回響信號之間就不會相互影響。

2.1 測距電路

由于在仿真中并沒有測距的元器件，所以針對測距元器件在實物硬件中發(fā)出的信號波形，用按鍵代替測距元器件在發(fā)射接收信號的過程，在仿真中做的時候這種方法仿真出來的結果并不是很理想，所以后面考慮用555電路產(chǎn)生一個與測距元器件產(chǎn)生信號一致的延時的信號，這種方法與真實的結果相差不大，因此在選擇這種方式更合理，通過HC-SR04的工作時發(fā)出的脈沖信號波形，發(fā)送一致的信號波形，達到仿真測距的目的。

2.2 危險距離報警電路

報警模塊通過單片機給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。頻率的高低根據(jù)距離的遠近來給定，距離越近時蜂鳴器發(fā)聲的頻率越高。這里我們采取50cm提高一次頻率的，在HC-SR04測到距離在2m范圍內的時候，蜂鳴器就會開啟警報，提醒盲人，前方有障礙物，需要謹慎前行。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件應用的時keil公司的C51集成開發(fā)工具—uVision4開發(fā)，采用的是模塊化結構設計，采用網(wǎng)絡標號，運用proteus 8 Professional仿真器進行的系統(tǒng)硬件仿真。

根據(jù)實驗過程，程序主要分為以下幾個部分：

1） 觸發(fā)超聲波：通過程序發(fā)一個脈沖給HC-SR04的2腳Trig控制端觸發(fā)模塊發(fā)生一個超聲波

2） 接收超聲波：3腳Echo端發(fā)出8個電平數(shù)據(jù)檢測回波。

3） 距離計算：通過發(fā)射聲波到接受聲波的這段時間，根據(jù)聲音在空中的傳播速度，在程序中計算出被測物體的距離。

4） 警戒距離報警：在超聲波計算到被測物體在2M范圍的時候，BJT會導通，至蜂鳴器響，已達到警示盲人的效果。

4 總結

本文介紹的是基于AT89C52單片機的智能導盲手杖的部分系統(tǒng)，文中給出了具體的系統(tǒng)硬件和軟件設計思路方案。其中超聲波測距模塊是最為關鍵的部分，超聲波測距精度可達0.3CM，而且測距盲區(qū)僅僅才2CM，能夠很好地達到提醒盲人，讓其正確選擇路徑的效果。而且控制方便簡單。

在設計過程中，遇到了頗多問題。一開始因為仿真軟件中沒有超聲波測距的元器件，糾結了很久。想了幾種方法，如以案件代替超聲波發(fā)射、接收時的延時。發(fā)現(xiàn)其效果非常差。數(shù)據(jù)不準確是一方面，還總是無反應。后來用了函數(shù)發(fā)生器模擬一個超聲波的脈沖信號。但其操作過程繁瑣，而且比較難以調試。后來通過老師及在網(wǎng)上、書上查詢的一些資料。做了一個555定時器版的信號發(fā)生電路。其軟件控制簡單，并且效果與實際情況的誤差很小。只有5CM的誤差。根據(jù)超聲波的回執(zhí)信號，讓蜂鳴器配合，以不同頻率反應，其距離的信息，在一開始，也是做了很大的工作量，通過軟件及硬件的調試，最后還是達到了相應的效果。

通過對超聲波測距電路的設計，我們發(fā)現(xiàn)不僅是國內，國外對于智能導盲手杖的這塊發(fā)展也是很有限的。社會能多關注一下殘障人士，為他們的生活質量的提高得到幫助，在這個科技很發(fā)達的時代，正是我們這些有想法的人們?yōu)樯罾щy的人們提供幫助的一個好時機。

參考文獻：

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