基于倒車雷達原理的盲人導盲拐杖設計

江雨澤

（哈爾濱科學技術職業(yè)學院，黑龍江 哈爾濱 150300）

1 研究背景

隨著當今科技的不斷發(fā)展，人們生活的幸福指數(shù)不斷的升高，社會中特殊群體的生活質量越來越受到人們的廣泛關注，例如聾啞人、盲人等殘疾人。根據(jù)相關資料統(tǒng)計顯示，目前我國登記在冊的殘疾人中視力殘障者占總數(shù)的一半，約占全世界盲人總數(shù)的五分之一。所以盲人的安全出行已經(jīng)成為當今社會的的關注熱點。

盲人導盲預警系統(tǒng)的運用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導致事故的發(fā)生，同時它將對提高人體智能化設計起到重要的意義。超聲波具有傳播速度快，指向精準，對色彩、光照度不敏感的特點。同時因為超聲波傳感器結構相對簡單、體積小、性價比高、信息處理簡單而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以進行實時控制等特點。所以這一項技術應用于導盲產品中將有廣闊的發(fā)展前景。市面上的導盲機器價格昂貴，不易攜帶，使得這些機器無法普及，但隨著科技的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，讓視力障礙者的生活行動變的方便已成為現(xiàn)實。所以研究一種可以幫助盲人舒適、快捷、安全行走的導盲設備有著重要的意義。

2 設計思路

本項目設計一種基于倒車雷達避障的盲人導盲拐杖。隨著汽車技術高速發(fā)展，我們將倒車雷達技術和車載GPS定位系統(tǒng)應用于盲人生活中，設計智能導盲拐杖，并配合語音提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為核心控制單元，利用超聲波雷達、紅外探測儀、GPS定位技術，來實現(xiàn)躲避障礙物、危險預警、定位以及快速引導等功能。滿足視力障礙者的日常出行要求，有效提高出行的安全性，改善生活品質。

本系統(tǒng)包括重力加速度傳感器采集系統(tǒng)、無線藍牙通訊系統(tǒng)、超聲波雷達系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)和音頻控制系統(tǒng)。超聲波雷達系統(tǒng)主要通過超聲波檢測前方存在的障礙物；ADXL345加速度傳感器電路主要用來測量盲人的行走速度的變化，從而實時調節(jié)雷達探頭的檢測距離和探測頻率；無線藍牙通訊電路主要用來拐杖和盲人之間的語音通訊；GPS模塊用來精準定位盲人位置；單片機控制電路是導盲拐杖的核心，主要是通過傳感器收集數(shù)據(jù)、適時調整雷達參數(shù)、對障礙物做出判斷、藍牙信號的收發(fā)音頻的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3 設計流程

（1）設計總體硬件設計。導盲拐杖的系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。導盲拐杖工作的具體過程是：系統(tǒng)開機后，雷達探頭發(fā)射超聲波對前方障礙物進行測量，盲人行走開始后，再由速度和加速度傳感器檢測盲人的行走速度和速度變化量將其傳入單片機，單片機來實時調整測距范圍頻率，預警提前量，并控制語音模塊進行語音提示與引導。語音傳輸采用無線藍牙傳輸，省去物理布線，提高行走安全性。系統(tǒng)中加入GPS定位模塊，定位信息家人可以通過手機APP軟件進行查詢。

圖1 硬件總體設計流程圖

（2）單片機控制電路。該系統(tǒng)采用的主控芯片為STC89C58 單片機，其功能為對三組探測雷達的信號進行接收并處理、加速度傳感器信號的分析、音頻模塊與液晶顯示屏幕的驅動、以及無線信號收發(fā)等功能。本系統(tǒng)的單片機電路晶振采用11.0592MHz。單片機I/O口的連接為：加速度傳感器與P1.1和P1.0口相連，通過I2C程序單片機和傳感器進行通訊；LCD1602液晶屏與P0口相連用于顯示數(shù)據(jù)的傳輸，液晶屏的控制引腳與 P2.0～P2.2相連，用于控制液晶屏的顯示；P3.0和P3.1作為單片機發(fā)送口與接收口分別與藍牙模塊的發(fā) 送、 接 收 引 腳 相 連；P1.4～P1.7 和 P2.5～P2.7 以 及P3.4為超聲波檢測信號輸入端口，P2.3～4為音頻模塊控制端。

（3）超聲波測距模塊。本系統(tǒng)采用的超聲雷達波測距模塊為AJ-SR04M，為一體是防水測距模塊，自帶溫度補償功能，測量距離為0.1～8m測距精度可高達10mm，由超聲波發(fā)射器、回波接收器與控制電路三部分組成。具體的實現(xiàn)方式如下：①單片機IO口給出10us的高電平信號觸發(fā)TRIG引腳進行測距。②發(fā)生器將40kHz的方波向前探測發(fā)送，并實時檢測是否有反射信號。③當有信號被障礙物反射回時，模塊引腳ECH0產生一個高電平并通過IO口輸出，聲波從發(fā)射到返回的時間間隔就是高電平的持續(xù)時間t。則障礙物的距離為t/2×340m/s。④引腳TRIG從0觸發(fā)并大于1時，超聲波模塊測距啟動，如果10ms后引腳ECH0仍然沒有出現(xiàn)150us的零電平信號，證明前方?jīng)]有障礙物。

具體工作流程為，雷達探測模塊發(fā)出波長約為6mm，頻率為40kHz的超聲波信號。當此信號被障礙物反射回，并被接收端所收集，接收端實質上是一種壓電效應的轉換器。因此將這種障礙物信號轉換成毫伏級的微弱的電壓信號。該集成化性能穩(wěn)定具有防水功能，檢測距離精確。其主要特點為超微型、無盲區(qū)、反應速度快，10ms的測量周期不容易丟失高速目標。可以很好的保障盲人行走的安全性。

（4）軟件設計。軟件程序是本設計的核心，單片機的主程序決定著系統(tǒng)的性能。在主程序中系統(tǒng)要不斷的調用子程序和中斷服務程序。第一步為程序自檢和系統(tǒng)的初始化，第二步是重復控制模塊發(fā)射信號的過程，即不斷調用發(fā)射子程序若干遍，并且每次發(fā)射的周期結束后，來判斷在發(fā)射的信號后或延時等待過程中是否有信號產生；中斷程序用來判斷是否回波產生，確定障礙。在顯示報警程序中（如圖2），當盲人距離障礙物大于30cm且小于1m時，拐杖上顯示黃燈，系統(tǒng)會報警鳴聲處于警告區(qū)，并不斷進行語音距離提示；當盲人距離障礙物小于30cm時，拐杖上顯示紅燈，并且系統(tǒng)會報警并發(fā)出停止的指令；當盲人距離障礙物大于1m時，指示燈變?yōu)榫G色，系統(tǒng)不會有任何提示，此時處于安全區(qū)。

圖2 軟件子程序流程圖

4 設計目標

預期目標是，該智拐杖可以應用于各種城市和鄉(xiāng)村道路引導盲人安全出行。導盲裝置是盲人朋友必備的裝備。可以實現(xiàn)雷達避障，語音引導，GPS定位。通過實驗分析，該系統(tǒng)可以很好監(jiān)測8m之內的障礙物，通過加速度傳感器來采集盲人行走速度的變化，來實時調整探測距離和探測頻率，從而及時的進行語音提示。本設計的創(chuàng)新控制思維，與傳統(tǒng)式的電子拐杖相比較，更加的人性化，可以根據(jù)不同人的行走速度和行走特點，對雷達測距參數(shù)進行調整。智能化程度極大增加。本設計把現(xiàn)代傳感技術應用到實際生產中，結合智能技術，提高了采集時間與精度。并且將車載倒車雷達技術和GPS定位技術應用于盲人的服務中，通過實驗驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性強、導盲精準度高，可以很好的引導盲人出行，提高盲人的生活質量。