基于多傳感器融合的新型智能導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)

錢鵬飛

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

目前，中國(guó)盲人數(shù)量已突破兩千萬(wàn)大關(guān)，而城市盲道設(shè)計(jì)不合理、盲道被非法侵占等危害盲人出行安全的問題屢禁不止[1-3]。隨著科技發(fā)展，智能盲杖不斷涌現(xiàn)，但這些智能盲杖并不智能[4-5]。針對(duì)市售智能盲杖無法探測(cè)上方障礙物、地面路況（如凹坑、樓梯高度）等缺點(diǎn)，本系統(tǒng)基于89C52單片機(jī)，采取多傳感器融合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)上方障礙物、前方障礙物、路面情況的檢測(cè)，并且輔以優(yōu)化算法增加檢測(cè)頻率，使盲杖反應(yīng)更快速、檢測(cè)更靈敏。另外，盲杖還具有智能語(yǔ)音播報(bào)、夜晚LED安全燈、傾倒檢測(cè)等輔助功能，方便盲人的出行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由89C52作為控制核心，由超聲波測(cè)距傳感器、加速度傳感器、光敏傳感器、語(yǔ)音播報(bào)模塊和電池模塊組成。實(shí)物圖如圖1所示，超聲波探測(cè)角度及范圍如圖2所示，總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，系統(tǒng)所有硬件初始化后，光敏傳感器首先開啟，檢測(cè)光線強(qiáng)度，光線弱則打開LED燈，確保盲人夜晚出行安全。此后超聲波測(cè)距循環(huán)開啟，若前方傳感器檢測(cè)到1.5 m內(nèi)有障礙物，或上方傳感器檢測(cè)到小于1.5 m的障礙物，抑或下方傳感器在0.2 m內(nèi)檢測(cè)不到地面，則控制語(yǔ)音模塊播報(bào)障礙情況。同時(shí)，進(jìn)行檢測(cè)加速度，判斷是否摔倒，摔倒則立刻報(bào)警。

圖1 實(shí)物示意圖

圖2 三組超聲波工作示意圖

圖3 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

89C52價(jià)格低廉，處理器RAM內(nèi)有雙重功能的地址區(qū)間，既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用方便。其I/O口的設(shè)置也很簡(jiǎn)單，且經(jīng)過幾十年發(fā)展，各類傳感器及傳感器源碼很完備，可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度。

2.2 超聲波測(cè)距模塊

本系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，其通過IO觸發(fā)測(cè)距功能，電路原理圖如圖4所示。使用時(shí)，首先向trig端口輸入一個(gè)大于10 us的高電平，觸發(fā)測(cè)距功能。此時(shí)，超聲波發(fā)送口發(fā)出8個(gè)40 Hz的方波。若在指定時(shí)間內(nèi)接收口收到回波，則echo端輸出高電平且啟動(dòng)定時(shí)器，以計(jì)算高電平輸出持續(xù)時(shí)間。當(dāng)echo端停止輸出高電平時(shí)，定時(shí)器也停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)器所計(jì)時(shí)間，即為發(fā)出超聲波遇障礙物往返一程所用時(shí)間。最后可以通過公式，算出距離前方障礙物的距離。其計(jì)算公式為：

圖4 HC-SR04電路原理圖

距離=（高電平持續(xù)時(shí)間*340 m/s）/2。

2.3 傾角檢測(cè)模塊

傾角加速度檢測(cè)采用GY521模塊，其集成MPU-6050傳感器。因?yàn)镾TC89C52芯片沒有集成I2C控制器，故使用軟件模擬的方法來實(shí)現(xiàn)GY521的I2C功能。

使用時(shí)，首先通過I2C讀寫寄存器，進(jìn)行初始化。傳感器原始數(shù)據(jù)的AD值是16位數(shù)字量，一個(gè)數(shù)據(jù)需要兩個(gè)字節(jié)，來分別儲(chǔ)存軸向加速度的高八位及低八位，共同組成16位數(shù)據(jù)。最后把16位數(shù)據(jù)除以16 384，即可得到單位為g的軸向加速度。

2.4 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊采用XY-V17B，集成IO分段觸發(fā)，UART串口控制，ONE_line單總線串口控制，標(biāo)準(zhǔn)MP3等功能；支持MP3，WAV解碼格式，最大支持32 G TF卡存儲(chǔ)，可通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦更新TF卡存儲(chǔ)音頻文件，語(yǔ)音播報(bào)模塊電路原理圖如圖5所示。

圖5 XY-V17B語(yǔ)音播報(bào)模塊電路原理圖

運(yùn)行時(shí)，若檢測(cè)到障礙物，則根據(jù)障礙物情況不同，通過3個(gè)IO口高低電平的不同的組合，來播報(bào)不同的提示語(yǔ)。

2.5 光敏傳感器

光敏傳感器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，光敏二極管管芯是PN結(jié)，具有光敏特性，有單向?qū)щ娦浴１疚牡膫鞲衅鞑捎胻elesky的光敏傳感器，電路原理圖如圖6所示。其優(yōu)點(diǎn)為使用簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便（可直接通過內(nèi)嵌的滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)閾值），若外部光線強(qiáng)度小于所定閾值，則DO口輸出高電平，若大于所定閾值，則DO口輸出低電平。

圖6 telesky光敏傳感器電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

多傳感器融合是本導(dǎo)盲杖的主要特點(diǎn)。硬件初始化后，首先光敏傳感器會(huì)檢測(cè)當(dāng)前場(chǎng)景光線情況，若光線不強(qiáng)，則傳感器DO口輸出高電平，使LED燈亮起，確保盲人夜晚出行安全。此后上中下三組超聲波傳感器依次啟動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)上方障礙物低于1.5 m時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)“上方障礙物過低”；當(dāng)前方障礙物小于1.5 m時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)“前方有障礙物”；當(dāng)檢測(cè)到下方地面距離大于0.2 m時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)“下方凹坑，請(qǐng)注意”。因?yàn)樯现袃山M傳感器只檢測(cè)小于1.5 m范圍內(nèi)的障礙物，故計(jì)算后可得，當(dāng)上中兩組超聲波回傳時(shí)間大于9 ms，可直接結(jié)束檢測(cè)，進(jìn)入下方傳感器的檢測(cè)，優(yōu)化響應(yīng)速度，提高導(dǎo)盲杖靈敏度。

每輪距離檢測(cè)結(jié)束后，再進(jìn)行三軸加速度檢測(cè)并計(jì)算合加速度[6]。若合加速度過大，1 s后再進(jìn)行1次檢測(cè)，若合加速度為0，則判斷為使用者摔倒并語(yǔ)音報(bào)警。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證導(dǎo)盲杖報(bào)警靈敏度與其他功能的可靠性，于不同時(shí)間、不同地點(diǎn)進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)。取其中的兩例：一為西北民族大學(xué)榆中校區(qū)圖書館正門的連續(xù)臺(tái)階處至升旗臺(tái)的70 m區(qū)域，二為校門出口前50 m至出口處車輛升降桿的區(qū)域，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 圖書館區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

表2 升降桿區(qū)域檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)，該盲杖在路況結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的區(qū)域內(nèi)，均反應(yīng)靈敏，可及時(shí)提醒使用者路面情況，夜晚LED燈也能根據(jù)光線情況自動(dòng)開關(guān)，傾倒報(bào)警功能正常。但在路況復(fù)雜，人流量大的地段，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警頻繁的現(xiàn)象。另外，若障礙物體積過小，會(huì)有一定概率檢測(cè)不到。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于多傳感融合的智能盲杖采用多組傳感器結(jié)合，不僅能探測(cè)前方障礙物，還能檢測(cè)上方障礙物，還可對(duì)地面路況進(jìn)行檢測(cè)，是其他同類盲杖所沒有的功能。經(jīng)測(cè)試，本盲杖能可靠檢測(cè)樓梯的階梯高度及凹坑深度，對(duì)盲人來說，不僅減少了盲杖下探這類繁瑣動(dòng)作，還避免了下探過程中出現(xiàn)摔倒或意外踩空的危險(xiǎn)。另外，傾倒檢測(cè)及夜晚LED等輔助功能為使用者的出行提供了方便與保障。隨著5G時(shí)代的到來，在萬(wàn)物互聯(lián)及智慧城市的建設(shè)中，盲道智能化的建設(shè)也會(huì)迎來大的發(fā)展，而作為配套終端的智能盲杖，會(huì)擁有更廣闊的發(fā)展天地。