基于超聲波傳感器的導盲杖設計

孟祥薇，嚴錫君，歐陽星辰，余 敏，卜 旸

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

我國盲人及視力障礙者數量大，約占全世界盲人總數的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。目前國內外有諸多類型的盲人導航技術，如導盲機器人、紅外線導盲、盲人電子眼鏡、GPRS導盲系統等[1]，但這些盲人導航設施大多成本過高或攜帶不便，且受環境影響較大，并不能被盲人廣泛采用。超聲波具方向性強、能量易于集中、傳播距離較遠，以及對障礙物定位具有一定的精確性等特性，能較好地應用于障礙物定位，且設備成本較低，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[3]，結合超聲波測距技術設計導盲杖，并通過設置壓力傳感器達到準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行反饋，提醒盲人前方道路情況，實現智能導盲功能。應盡量輕巧實用，避免不需要的負重[4]。系統主要由主控制模塊、電源管理及開關模塊、超聲波測距模塊、語音模塊、壓力按鈕模塊等組成，其系統功能結構圖如圖1所示。

圖1 系統功能結構圖Fig．1 Structure of system

1 系統結構

日常生活中盲人隨身攜帶導盲杖，為此，導盲杖的設計

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出超聲波，當被測方向有障礙物時，在一定距離內喇叭會發出方向性語音提示；同時，當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出超聲波，對前方路面情況進行探測，當前方路面存在上坡或者下坡情況時，喇叭會發出狀況提示。

電源管理及開關模塊主要負責為整個系統中各個模塊提供獨立穩定的電源，由5 V可充電鋰電池供電，可穩定供應3．3 V和5 V兩種電壓，并由電源開關控制導盲杖使用；4個超聲波測距模塊通過I/O口與主控制模塊交換數據，負責采集環境中各個方向的障礙物信息，為路況分析提供實時數據；語音模塊由UART口與主控制模塊連接，主芯片根據實時路況信息控制其產生相關語音提示，為盲人避障提供指示；壓力按鈕模塊可檢測導盲杖是否著地，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據更加準確，從而保證了對路況分析的準確性。

2 系統硬件實現

2.1 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊主要負責采集路況信息，即發射端（即杖體）到障礙物的距離信息，并傳給單片機進行路況分析處理。模塊采用HY-SRF05超聲波芯片，測距精度可達到3mm，模塊包括發射器、接收器與控制電路[5]。超聲波測距模塊的電路設計如圖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觸發測距，由單片機給出至少10μs的高電平信號，模塊自動發送8個40 kHz的方波，當有信號返回時，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，即Δt。

為了實現探測全方位路況，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分別連接至單片機的全雙工的異步串行通訊（UART）接口 P0．1口與 P0．2口，實現與單片機的串口通信[6]。

單片機發送給SYN6288芯片的命令都需要以“幀”的形式進行封裝后傳輸，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

單片機根據當前的路況分析結果控制語音模塊播報相對應的語音信息，包括前方、左側、右側、上坡和下坡5種信息，以提醒盲人做出相應處理方法。

3 軟件設計

為了實現多方向的探測與路況分析處理，系統工作流程的合理安排就顯得尤為重要。合理的工作流程應當確保系統及時播報當前路況，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

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

系統主流程圖如圖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指示當前占有語音模塊使用權的傳感器。sflag會在一次播報后被置為0，即語音模塊設為忙狀態，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。

3.2 障礙物探測

障礙物探測包括正前、左前、右前3個方向。考慮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，因此系統采用輪流探測方式[8]。同時，為了實現對語音模塊忙閑狀態的控制，本模塊中會每隔固定時間為語音模塊標志位sflag置1，即設為空閑，間隔時間經計算設為12 s，通過此設置，可保證語音模塊在每次啟用后12 s才被再次啟用。

圖5 系統主流程圖Fig．5 Main flow chart

C8051F360單片機利用定時器2實現傳感器輪流探測，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。行進過程中，由壓力按鈕產生中斷后傳感器模塊4開始測量實際距離d，當d與D相等時，即認為前方為水平路面；若d小于D，則認為前方為上坡/上臺階；若d大于D，則認為前方為下坡/下臺階/溝。考慮到實際路面總是有一些高低起伏的，因此在d與D的比較中設定了一個誤差參數m，當|d-D|＜m時，均認為是水平路面。誤差參數m可通過實物調試給定，系統中設定為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域與傳感器的實際距離為判斷依據，因此需保證距離測量時導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，此狀態為標準狀態。導盲杖底部設計了一個壓力按鈕模塊（如圖3）。在行進中若底部按鈕被按下，即可認為傳感器自身處于標準狀態，方可進行路面探測。

因此，利用壓力按鈕模塊引入外部中斷，用以觸發路面探測工作。圖7為具體工作流程，其中it用于記錄前進步數，每前進三步進行一次探測，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 結束語

智能導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，當障礙物進入探測范圍內時，將通過語音播報障礙物的大致方位。路面探測的區域為使用者前方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。

[1]劉湘云，王定山，朱志偉．基于超聲波技術的導盲杖設計[J]．科技信息，2011（14）：22-23．

LIU Xiang-yun，WANG Ding-shan，ZHU Zhi-wei．Design of blind guiding crutch based on ultrasonic[J]．Science ＆ Technology Information，2011（14）：22-23．

[2]散志華，顧秀娟，孫心平，等．超聲波的物理特性與超聲波檢查的適應癥[J]．中國醫療設備，2011（5）：130-132．

SAN Zhi-hua，GU Xiu-juan，SUN Xin-ping，etal．The physical characteristics of ultrasonic wave and the indication of ultrasound examination[J]．China Medical Devices，2011（5）：130-132．

[3]Silicon Labs．C8051F360/1/2/3/4/5/6/7/8 Mixed signal ISP flash MCU family[S]．2007：23-50．

[4]張榮．基于單片機的超聲波測距器設計[J]．機械與電子，2010（31）：87-88．

ZHANG Rong．Design of ultrasonic detecting distance based on single chip[J]．Machinery ＆ Electronics，2010（31）：87-88．

[5]上海颯昂機器人科技有限公司．URF05轉接模塊用戶手冊[S]．上海，2010：1-2．

[6]北京宇音天下科技有限公司．SYN6288中文語音合成芯片數據手冊[S]．北京，2010：1-30．

[7]韓軍，常瑞麗，陳志靈．智能移動機器人超聲波測距定位系統的研究[J]．煤礦機械，2009，30（8）：66-68．

HAN Jun，CHANG Rui-li，CHEN Zhi-ling．Research on orientation system ofintelligentmoving robot[J]．Colliery Machinery，2009，30（8）：66-68．

[8]張蘭，楊濟民，韓曉麗，等．基于C8051F060的超聲波導盲系統設計[J]．現代電子技術，2009（24）：160-162．

ZHANG Lan，YANG Ji-min，HAN Xiao-li，etal．Design ofultrasonic guidance system for the blind based on C8051F060[J]．Modern Electronic Technique，2009（24）：160-162．