基于多傳感器融合技術的智能導盲杖的設計

杜宇崧，袁嘯宇，馬雪嬌

（青海師范大學，青海西寧，810000）

0 引言

目前，中國仍然是世界上盲人最多的國家之一，而眼部疾病也是我國的最值得關注的公共衛(wèi)生問題。我國約有700萬盲人，占世界盲人總數(shù)的18%，另外我國的雙眼低視力患者已超過1200 多萬。

目前市場存在的較為成熟的導盲工具有傳統(tǒng)導盲杖，導盲犬，以及多功能手杖等。雖然這些產品的適用性很強，但是一只導盲犬的訓練成本高達17 萬-20 萬人民幣，訓練的專業(yè)性強、時間長，而工作年限卻僅有8 年左右，不具備自給自足能力。并且目前依然有很多公共場合是禁止犬類進入的。目前市場上普通導盲杖的價位區(qū)間跨度很大，從 1元到2000 元不等，而且導盲功能較差。

本文通過多傳感器融合技術，設計了一種集超聲波測距避障，語音播報，震動反饋，倒地檢測以及夜間燈光警示五大功能為一體的智能導盲杖。（1）超聲波測距避障模塊主要是利用超聲波傳感器，持續(xù)地發(fā)射和接收超聲波，不停地檢測前方是否有障礙物，該模塊為整個系統(tǒng)的核心。（2）語音播報模塊主要是通過語音控制芯片，將主控制系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑥D化為語音輸出。（3）震動反饋模塊由多個振動馬達組成，當收到單片機發(fā)出的“震動”信號時，電路接通，使導盲杖處于震動狀態(tài)，以便更好地提醒盲人。（4）倒地檢測模塊安裝在把手位置，可以利用內置的三軸加速度傳感器，獲取導盲杖當前所處的狀態(tài)，及時判斷是否發(fā)生摔倒。（5）夜間燈光警示模塊主要是利用光照強度傳感器檢測外界環(huán)境光照強度，并結合LED 光源，實現(xiàn)在較暗的環(huán)境下提醒行人的功能。

1 總體結構設計方案

如圖1 所示，本文所設計的智能導盲杖由機械結構和電路結構兩部分組成。機械結構包括導盲杖的各個組成部件、杖體外形以及杖體的使用材料。電路結構包括微處理器單片機、電源模塊以及各傳感器模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結構設計

工作原理：在把手位置安裝有整個系統(tǒng)的開關按鈕，按下按鈕各電路接通。首先，超聲波傳感器持續(xù)地發(fā)射和接收超聲波信號，當檢測到前方有障礙物時，超聲波測距避障模塊會輸出不同的電壓值作為信號，當距離杖體50cm～150cm 時，傳感器會將檢測到的信號輸送給微處理器單片機，經過單片機處理后，將信號傳輸給語音播報模塊。語音播報模塊會將單片機傳輸?shù)碾娦盘柾ㄟ^語音控制芯片轉化為文本信息，再由語音合成芯片將文本信息轉化為語音，通過播放器向外播報。當檢測到障礙物距離杖體15cm～50cm 時，處理器會將信號發(fā)送給震動反饋模塊，此時位于手柄部位的多個震動馬達開始發(fā)揮作用，使整個杖體不停地震動，提醒盲人要加倍小心。在開關接通后，倒地檢測模塊和夜間燈光警示模塊會持續(xù)處于工作狀態(tài)。倒地檢測模塊內置的三軸加速度傳感器會不停收集智能導盲杖各方位的加速度，若檢測到當前狀態(tài)異常，會將信號由單片機傳送到語音播報模塊和震動反饋模塊，及時向外界發(fā)出信號，尋求幫助。夜間燈光警示模塊內置光照強度傳感器，當檢測到外界環(huán)境較暗時，會打開智能導盲杖的LED 三色警示燈，提醒行人注意避讓。

2 機械結構

本方案設計的智能導盲杖由把手和杖桿兩部分構成，把手采用PC 材質，PC 材料硬度高，具備一定的抗劃性以及很好的耐疲勞性，價格便宜，可回收利用，被廣泛應用于醫(yī)療設備和建材行業(yè)。杖桿選用金屬不銹鋼材質，采用傳統(tǒng)的可伸縮設計，為了適應不同身高的盲人。杖體設計如圖2 所示。

圖2 杖體設計

3 電路結構

■3.1 微處理器

該模塊采用STM32F103 單片機（ST 公司開發(fā)的32位微控制器）作為核心處理器，其具有超低功耗的 ARM Cortex-M0 處理器內核，性能強悍，運算速度快，完全可以滿足該方案的設計需求。

■3.2 電源模塊

電源采用可充電9V 鋰離子電池，經過電壓轉換模塊的穩(wěn)壓降壓以及外圍濾波電路的處理后產生需要的5V 和3.3V電壓。

■3.3 超聲波測距避障

測距原理：通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[2]。在15 °C 的空氣中超聲波的傳播速度大約等于340 m/s，根據(jù)計時器所記錄的時間T,可計算出傳感器的發(fā)射點到障礙物之間的距離s，(s=340T/2）。

超聲波測距避障模塊采用多組HY－S R F05 超聲波傳感器，探測距離為2 cm～450 cm，探測頻率為500Hz,測試精度可達3mm，多組傳感器并行工作可實現(xiàn)360 度全方位測距避障。

圖3 是該傳感器外觀圖，該傳感器一共有五個引腳，分別是Vcc、GND、Trig、Echo、Out。其中Vcc 表示電源端，接5v 電源；GND 為共地端；OUT 為輸出端子，可通過判斷輸出的電平來判斷是否上電；Trig 為觸發(fā)（控制）端口；Echo 為接收端。使用該模塊時，通過 STM32 單片機給其觸發(fā)控制端一個 10μs 以上的高電平信號，該傳感器的輸出端會發(fā)送 8 個 40 kHz 的方波，并且具有信號回傳的自動檢測功能，如檢測到有信號返回，則通過 I/O 口接收端輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間T 即為超聲波從發(fā)射到返回的時間[3]。

圖3 HY—SRF05 超聲波傳感器

■3.4 語音播報

單片機將超聲波傳感器檢測到的路面情況的信號傳輸?shù)秸Z音播報模塊，此時位于該模塊的語音控制芯片通過內嵌的DSP 高速音頻處理器和13Bit/DA 轉換器將單片機傳輸?shù)碾娦盘栟D換為音頻信號，并通過內置的播放器向外播放。

■3.5 震動反饋

在把手部位安裝多個震動馬達，所選用的馬達與常見的手機馬達類似，外部為塑料制成的外殼，內部有一個微小的直流電動機，用以驅動偏心輪轉動。此外在該模塊還設置有一塊集成電路，這部分電路可以控制電機的啟動和停止。當核心處理器向該模塊發(fā)出“振動”信號時，控制電路接通。電機軸上有一個偏心輪，在電機轉動過程中，偏心輪的圓心質點不在電機的轉心上，此時馬達處于不斷的失去平衡的狀態(tài)，由于慣性作用引起震動[4]。

■3.6 倒地檢測

通過實驗發(fā)現(xiàn)，倒地檢測裝置所處的位置直接關系到測量數(shù)據(jù)的準確性，將裝置安裝于把手位置最為可靠。因為把手位置的活動幅度較小，相比于杖體穩(wěn)定性更高。倒地檢測裝置的核心部件是可以同時測量空間三個方向的加速度的三軸加速度傳感器。圖4 為該款智能導盲杖的三維坐標圖。令Aca 為加速度向量幅值，設X 軸方向的加速度為ax,Y 軸方向的加速度為ay,Z 軸方向的加速度為az,則合加速度為a=a x+a y+az[5]，這時：

圖4 導盲杖三維空間圖

在倒地瞬間,導盲杖的加速度在三軸方向（即Aca 值）會發(fā)生巨大變化。Aca 的值越小,智能導盲杖所處的狀態(tài)越穩(wěn)定。當盲人摔倒時,導盲杖失去平衡,此時裝置會檢測加速度是否達到設定峰值,因此可以用閾值法來判斷摔倒是否發(fā)生。

■3.7 夜間燈光警示

夜間燈光警示模塊由光照強度傳感器和LED 光源警示燈組成，采用HA2003 光照傳感器進行采集，將光照強度值轉化為電壓值，再經調壓電路將此電壓值轉換為0～2V 或4～20mA，以此來判環(huán)境的光照強度，當光照強度小于某個閾值時自動打開導盲杖上的LED 警示燈，以便提醒行人及車輛注意避讓。

4 結束語

本文設計的智能導盲杖，通過多傳感器融合技術，將超聲波測距避障，倒地檢測，震動反饋，語音播報和夜間燈光警示等功能完美地結合在了一起，可以有效地應對盲人出行所遇到的各種路面情況。并且杖體沿用傳統(tǒng)手杖的外形，可以使盲人更快地適應智能導盲杖?；诙鄠鞲衅魅诤霞夹g的智能導盲杖不僅功能實用，還可以極大地方便盲人的出行。