基于MSP430單片機的導盲機器人控制系統設計

仲冬冬 陳健 竇修超 陸豐麒 郭語

摘要：針對一種自主智能導盲機器人，基于MSP430單片機設計了其控制系統。該機器人以MSP430單片機為控制核心，具有豐富的傳感器系統，包括碰撞傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器、視覺傳感器和傾角傳感器，并具有GPS導航功能和語音交互功能。首先通過GPS導航功能進行路線規劃，控制系統根據各傳感器判斷是否前進和轉彎，最終實現將盲人安全準確的帶到目的地。

關鍵詞：MSP430單片機；傳感器；導盲機器人；GPS目前，全球共有盲人3000萬人左右，占總人數的千分之五，而中國有500萬盲人.，占世界總盲人數的18%[1]。本來盲人的行動就不方便，而常規的導盲杖功能單一，不夠智能。近年來，國內外學者對導盲機器人的研究也逐漸增多。為了幫助盲人能夠更好的自主生活，本文基于MSP430單片機設計了一種自主智能導盲機器人的控制系統。

1導盲機器人的結構原理

導盲機器人的總體結構如圖1所示，機器人是由導盲車和人機交互手杖組成。導盲車的行走機構采用三車輪結構，后部的兩個車輪為驅動輪，分別由步進電機驅動，前部安裝有一個萬向輪；車體正前部裝有碰撞傳感器，斜前方兩側裝有光電傳感器，用于檢測前方障礙物；在車體前底部裝有超聲波傳感器，用于檢測前方是否有懸空和水坑；導盲車的內部器件通過四個彈簧阻尼減振器支撐在底盤上，用于保護電子元器件和電源；傾角傳感器可檢測車身是否傾斜，以便發出相關提示音；導盲車和人機交互手杖通過一個萬向節連接，人機交互手杖上有電源開關和語音開關的按鈕，方便人機互動。

2導盲機器人的控制系統設計

2.1 控制系統組成

自主智能導盲機器人控制系統組成如圖2所示，主要由傳感檢測部分、主控制器和執行機構三大部分構成。檢測部分包括光電傳感器、碰撞傳感器、超聲波傳感器、傾角傳感器、視覺傳感器和GPS模塊；主控制器即為MSP430單片機；執行機構為語音系統和步進電機。主控制器接收傳感器系統的檢測信號，經過轉換判斷，輸出控制信號，驅動電機工作或語音輸出。下面介紹主要模塊的電路設計。

2.2 超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。其電路圖如圖3所示。超聲波是由機械振動產生的，可以在不同的介質中以不同的速度傳播，其頻率高于20KHz[2]。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法。其原理為：檢測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即渡越時間。超聲波在傳輸途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[3]。渡越時間與氣體的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。

2.3 光電傳感器

光電傳感器原理圖如圖4所示[4]，發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管（LED）、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。

2.4 碰撞傳感器

本機器人采用開關式碰撞傳感器，它利用機械運動來控制觸點的開合，觸點的斷開或閉合則通過上層板控制電機的運轉。其電路圖如圖5所示。

2.5 語音模塊

機器人的語音模塊采用WT588D語音芯片[5]作為語音處理核心，其電路原理圖如圖6所示。該芯片軟件設置為3×8矩陣按鍵控制模式。I/O口P10、P11、P12被分別定義為矩陣列R1、R2、R3的輸入口，P00~P07被分別定義為矩陣行L1~L7的輸入口，用K1短接P00跟P10可觸發第1段地址的語音。K2為第2段……直到K24為第24段。P17端為BUSY忙信號輸出端，可設置為播放狀態LED點亮和播放狀態LED熄滅。由C9、R8、R9、Q1和D3組成上電復位電路，以保證WT588D在惡劣的環境下也能正常工作。在RESET端增加一個輕觸按鍵，可以進行手動復位。

2.6 步進電機

本文選擇步進電機作為導盲車的驅動部件。通過控制脈沖個數和頻率來控制車輪轉動位置和轉速；采用L296驅動芯片為步進電機實現分時供電和多相時序控制。驅動電路原理圖如圖7所示。

3控制系統軟件規劃

該機器人的控制軟件系統采用移植性好、編程效率高的C語音編程[6]。系統的主要流程圖如圖8所示。首先，打開開關，設定目的地，由GPS導航裝置定位并制定路線，電機工作，導盲車帶領盲人前進。當光電傳感器檢測到障礙物時，判斷是否左右兩邊同時檢測到；若是，則語音提示“前有障礙物，注意倒退”，后退一段距離，導盲車左轉一小段；否則，判斷是否左邊檢測到障礙物，是則右轉一小段，不是則左轉一小段。若光電傳感器沒有檢測到障礙物，則判斷碰撞傳感器是否檢測到障礙物，若是，則語音提示“前有障礙物，注意倒退”，后退一段距離，導盲車左轉一小段；否則，判斷傾角傳感器檢測導盲車是否傾斜，若是，則語音提示“車已傾斜，注意倒退”，后退一段距離，導盲車左轉一小段，否則，判斷超聲波傳感器是否檢測到凹地；若檢測到，則語音提示“前有凹地，注意倒退”；否則，導盲車繼續前進。當導盲車到達GPS地圖上拐彎時，系統通過中斷程序跳出，進行拐彎。此流程圖只是大概介紹該機器人的執行次序和條件，因為該機器人還裝有先進的視覺傳感器，所以會根據視覺傳感器的傳出信號而做出相應的命令。如當該機器人在過馬路時，視覺傳感器探測到紅燈時，就會跳出所有循環，并立即停止，當再次探測到綠燈時才會重新工作。當然，該機器人還擁有GPS導航功能，也會根據衛星傳來的信號而改變電機的工作狀態。當電機暫停工作時，系統會再次跳入循環，檢測各個傳感器的傳出信號。

4結論

本文基于MSP430單片機設計了一種自主智能導盲機器人的控制系統，具有豐富的傳感功能，智能化程度較高。系統還具有GPS導航和語音交互功能，能夠自主地引導盲人進行路線規劃和行走。通過萬向節與導盲車連接的人機交互手杖，使人機互動更加靈活。然而，該機器人的視覺傳感器模塊的設計還不太成熟，下一步將實現基于視覺傳感器的道路標志識別功能，使導盲機器人更具有實用價值。

[參考文獻]

[1]http://www.china.com.cn/chinese/health/997961.htm[EB/OL].

[2]馬大猷.現代聲學理論基礎[M].北京：科學出版社，2004.

[3]曹建海,路長厚,韓旭東.基于單片機的超聲波液位測量系統[J].儀表技術與傳感器，2004(1)：39-40.

[4]趙燕.傳感器原理及應用[M].北京：北京大學出版社，2010.

[5]http://www.w1999c.com/yuying_show.asp?bigclassid=130&productid=222&smallclassid=0[EB/OL].

[6]阮越廣.基于工作過程的高職單片機C語言教學設計[J].大學教育，2012（03）：63-65.