基于超聲波測距原理的電子導盲車設計

王力程 陳銳 韓旭 蘇龍霞

摘要； 使盲人有安全感是此項目最人性化的特點，做到利用超聲波與盲人身上佩戴的特殊標記物使電子導盲小車與盲人同步，盲人速度加快則安全距離減小，單片機通過超聲波一傳感器感應控制電機調(diào)整轉(zhuǎn)速，增大距離，使之重新保持一定安全距離，反之亦然。

【關鍵詞】藍牙 導盲犬 避障

1 項目意義

據(jù)了解我國大概有877萬的視障者，而導盲犬是可以為視障者提供向?qū)Х盏娜?，能夠使盲人方便地出入諸多場合，融入社會生活。但是并不是所有的犬類都可以用作導盲犬的訓練，拉布拉多有千分之三的適合率做導盲犬，金毛為千分之二，而德牧僅為千分之一，這些千里挑一的狗從2個月開始就接受訓練，通常訓練好一條導盲犬要花一年半左右的時間，一條導盲犬的價格最少也要萬元左右，一條訓練有素的導盲犬價格更是高達十幾萬元。

2 項目研究內(nèi)容以及擬解決的關鍵問題或重點難點

2.1 研究內(nèi)容

據(jù)小車避障系統(tǒng)設計的要求，由避障模塊，主控模塊，動力模塊，電池模塊等部分組成。小車在行駛過程中要能準確的避開途中遇到的障礙物，因此電子導盲小車的探測距離需要有一定的長度，以留給小車足夠的時間進行轉(zhuǎn)向，又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應對小車速度的限制，小車應在距障礙物較遠的范圍內(nèi)做出反應，這樣才能在順利繞過障礙物的同時還為下一步轉(zhuǎn)向做準備。

據(jù)盲人避障系統(tǒng)設計的要求：通過藍牙模塊及語音模塊以語音告知盲人周圍障礙物的情況，利用超聲波測距原理，由裝置在車尾上的探頭發(fā)送超聲波至盲人身上的特殊標記物后反射此聲波，計算出車體與盲人間的實際距離。采用語音模塊，使得電子導盲小車在避障的時候時延發(fā)出信號轉(zhuǎn)換成音頻信號通過藍牙模塊，傳輸?shù)矫と说乃{牙耳機中，如此電子導盲小車可根據(jù)當前所處環(huán)境，提示盲人躲避障礙物，盲人需佩戴藍牙耳機，電子導盲小車可實時探測周圍情況然后將時延后的語音傳達紿盲人，并做到盲人與電子導盲小車同步，盲人行進速度控制電子導盲小車行進速度。

2.2 擬解決的關鍵問題或重點難點

2.2.1 如何對小車的運動姿態(tài)進行控制？

用單片機模擬實現(xiàn)PWM波，PWM波可控制電機的運轉(zhuǎn)。我們可以巧妙的利用定時器的中斷來實現(xiàn)單片機模擬PWM波的產(chǎn)生，利用變量num的大小調(diào)整可以調(diào)整一個波形周期內(nèi)高電平所占的占空比，從而實現(xiàn)車輪在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，從宏觀上即可實現(xiàn)小車的弧形拐彎。

2.2.2 如何實現(xiàn)電子導盲小車避障功能？

此介紹為電子導盲小車避障，根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，采用超聲波.傳感器實現(xiàn)電子導盲小車避障功能，小車在行駛過程中要能準確的避開途中遇到的障礙物并提示盲人，因此電子導盲小車的探測距離需要有一定的長度，以留給電子導盲小車足夠的時間進行轉(zhuǎn)向，又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應對小車速度的限制，小車應在距障礙物較遠的范圍內(nèi)做出反應，這樣才能在順利繞過障礙物的同時還能為下一步轉(zhuǎn)向做準備。超聲波測距具體構(gòu)成如下：

（1）超聲波傳感器：主要功能是發(fā)出和接收超聲波信號，然后將信號輸入到主控模塊

（2）主控模塊：對信號進行處理和分析

（3）語音模塊及藍牙模塊

2.2.3 如何實現(xiàn)電子導盲小車避障后發(fā)出語音信號實現(xiàn)盲人避障（此為時延）？

采用藍牙模塊及語音模塊，使小車經(jīng)過障礙物時所獲取的信息時延至盲人經(jīng)過時，并將其轉(zhuǎn)化為語音信號傳達給盲人，如此電子導盲小車可根據(jù)當前所處環(huán)境，提示盲人躲避障礙物，盲人需佩戴藍牙耳機，電子導盲小車可實時探測周圍情況然后將時延后的語音傳達紿盲人，前提是人經(jīng)過時與小車經(jīng)過時所處地理環(huán)境完全相同，若與小車經(jīng)過時不相同則會發(fā)出警報使盲人暫停腳步，待電子導盲小車重新規(guī)劃路徑。

2.2.4 如何實現(xiàn)控制盲人與小車之間的安全距離？（此為同步）

根據(jù)系統(tǒng)設計要求利用超聲波測距原理，由裝置在車尾上的探頭發(fā)送超聲波至盲人身上的特殊標記物后反射此聲波，計算出車體與盲人之間的實際距離。

當傳感器探知盲人與小車的距離不在安全距離時，系統(tǒng)通過單片機控制電機轉(zhuǎn)速，以此盲人行進速度控制電子導盲小車行進速度即電子導盲小車與盲人同步，盲人速度加快則安全距離減小，調(diào)整轉(zhuǎn)速，增大距離，使之重新保持一定安全距離，反之亦然，即通過超聲波檢測小車與盲人之間距離，通過測量的距離調(diào)整相應電機的轉(zhuǎn)速，從而控制人與小車之間的安全距離。

3 擬采取的研究方案及可行性分析

研究思路：資料收集及整理階段、硬件制作及軟件編程階段和調(diào)試階段。

（1）設計主要可分為主控模塊，動力模塊、避障模塊、電池模塊、語音模塊、藍牙模塊。

（2）主要構(gòu)成部件：電子避障小車、藍牙耳機、特殊標記物（位于盲人身上）。

（3）本設計選定MSP430F149單片機為核心，此單片機具有它獨特的優(yōu)勢一一控制簡單方便、敏捷迅速。主控模塊為MSP430F149單片機能夠滿足多個開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，是能夠非常容易處理多個開關量的單片機，運行處理速度要敏捷迅速，MSP430F149單片機具有功能強大的運算處理能力，I/O口都可以按位尋址操作，程序存儲空間也比較大，能夠滿足實驗要求。

（4）避障模塊采用傳感器.超聲波，超聲波模塊，電壓比較電路，單片機最小系統(tǒng)。具體思路如下：當傳感器檢測到有障礙時，此時其接收管接收到信號，輸出一個電壓信號經(jīng)過電壓比較電路后成為單片機可識別的高低電平，單片機通過電平高低確定外部是否有障礙，由預先編寫的程序?qū)崿F(xiàn)如遇障礙進行的電子導盲小車的操作即可實現(xiàn)避障功能。

（5）動力模塊：使用單片機驅(qū)動直流電機，用軟件模擬PWM輸出方式（需要占用單片機內(nèi)部資源）；采用L298N電機驅(qū)動模塊：智能小車中應用的比較多的就是直流電機控制。

（6）藍牙模塊及語音模塊：本設計選定MSP430F149單片機為核心，利用超聲波測距的原理，對盲人前面道路上的障礙物進行距離探測，并把障礙物距離信息變成聲音提示存儲在語音芯片內(nèi)。

4 本項目的特色和創(chuàng)新之處

（1）此為同步：使盲人有安全感是此項目最人性化的特點，做到利用超聲波與盲人身上佩戴的特殊標記物使電子導盲小車與盲人同步，盲人速度加快則安全距離減小，單片機通過超聲波.傳感器感應控制電機調(diào)整轉(zhuǎn)速，增大距離，使之重新保持一定安全距離，反之亦然，即通過超聲波檢測小車與人之間距離，通過測量的距離調(diào)整相應電機的轉(zhuǎn)速，從而控制人與小車之間的安全距離，盲人行進速度控制電子導盲小車行進速度即做到盲人與電子導盲小車同步。

（2）此為時延：在電子避障小車的基礎上開發(fā)應用于導盲的功能，創(chuàng)新之處在于小車經(jīng)過障礙物時所獲取的信息時延至盲人經(jīng)過時，并將其轉(zhuǎn)化為語音信號傳達給盲人，不僅能夠主動避讓而且還能留夠盲人通行的位置，前提是人經(jīng)過時與小車經(jīng)過時所處地理環(huán)境完全相同，若與小車經(jīng)過時不相同則會發(fā)出警報使盲人暫停腳步，待電子導盲犬重新規(guī)劃路徑，利用盲人與電子導盲小車之間距離用時延后的語音提示盲人周圍障礙情況。

（3）基于超聲波測距等原理，時延和同步是本項目的創(chuàng)新之處，首先盲人的行進速度控制小車行進速度，電子導盲小車可根據(jù)當前所處環(huán)境，時延提示盲人躲避障礙物，盲人需佩戴藍牙耳機，電子導盲小車將實時探測的周圍情況的語音提示延時后傳達給盲人。

參考文獻

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