無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉，陳志杰，杜燦誼，吳勁，龔永康

（廣東技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510665）

0 引言

目前，我國(guó)存在視力障礙的人數(shù)位列世界前茅，政府關(guān)愛(ài)視力障礙人群，設(shè)置了全世界長(zhǎng)度最長(zhǎng)、分布最廣的盲道，但日常生活中我們卻很少看到他們走在盲道上。原因在于行人道上，到處有橫跨盲道的電線桿、斜拉線、廣告牌、共享單車等，這些無(wú)疑成為了盲人的“無(wú)影殺手”[1-2]，大部分盲人依靠盲杖根本不敢走出家門，盲人出行安全一直是社會(huì)難以解決的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)。本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控核心，運(yùn)用智能小車、定位模塊、光電對(duì)管模塊、藍(lán)牙通信模塊等相關(guān)模塊，結(jié)合App Inventor軟件、高德地圖開(kāi)放平臺(tái)等，借助盲人手中的智能導(dǎo)盲APP，通過(guò)雙聲道耳機(jī)的語(yǔ)音播報(bào)來(lái)引導(dǎo)盲人走向目的地。該系統(tǒng)為盲人提供一種出行輔助設(shè)備，從而提高出行安全性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括五大板塊，分別為定位板塊、避障板塊、方向角板塊、藍(lán)牙通訊板塊、人機(jī)交互板塊。定位模塊可定位小車的位置，方向角板塊可計(jì)算出小車當(dāng)前的朝向，這些數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙通訊傳輸至導(dǎo)盲App，App端通過(guò)高德地圖API組件實(shí)現(xiàn)目的地路徑的自主規(guī)劃。系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，因此，本設(shè)計(jì)選擇處理速度快的STM 32F103作為主控芯片。其他外設(shè)主要為光電對(duì)管模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。人機(jī)交互中的語(yǔ)音板塊使用百度大腦AI開(kāi)放平臺(tái)，使用者喚醒手機(jī)App，通過(guò)語(yǔ)音輸入目的地地址，App便可精準(zhǔn)識(shí)別并播報(bào)。高德地圖API根據(jù)語(yǔ)音輸入的目的地內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃。使用者根據(jù)語(yǔ)音提示可跟蹤小車行走，最終到達(dá)目的地。整體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖

2 無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件部分主要包括供電部分、無(wú)線通訊部分、驅(qū)動(dòng)部分和外設(shè)部分。供電部分為其他三大部分提供電源，無(wú)線通訊部分負(fù)責(zé)小車與手機(jī)App之間，即下位機(jī)與上位機(jī)之間的連接。驅(qū)動(dòng)部分將利用11.1V鋰離子電池提供的電源驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī)工作，達(dá)到行駛目的。外設(shè)主要包括用于定位的GPS-BDS雙模模塊、電子指南針模塊以及用于避障的光電對(duì)管模塊。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 供電硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，供電電源采用DC-11.1V鋰離子聚合物電池，該電源通過(guò)LM 2596S DC-DC可調(diào)降壓芯片將11.1V電壓轉(zhuǎn)換成適合STM 32F103主板使用的5V電壓。STM 32F103主板上設(shè)有5V電壓接口，可給眾多外設(shè)供電，包括供給GY-26電子指南針、光電開(kāi)關(guān)E18-D80NK、GPS-BDS雙模定位模塊、HC-05藍(lán)牙模塊。

2.2 無(wú)線通訊設(shè)計(jì)

導(dǎo)盲系統(tǒng)無(wú)線通訊部分使用藍(lán)牙模塊HC-05進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞[3]。此設(shè)計(jì)中用到HC-05四個(gè)引腳，分別為電源正極引腳VCC、電源線負(fù)極引腳GND、信號(hào)發(fā)送引腳TX，信號(hào)接收引腳RX。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

直接用STM 32F103上的電源給直流減速電機(jī)供電不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。因此，在本設(shè)計(jì)中使用L298N模塊驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī)[4]。L298N驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)，使用大容量濾波電容和續(xù)流保護(hù)二極管，可以提高設(shè)備可靠性。

2.4 外設(shè)設(shè)計(jì)

（1）主控芯片。導(dǎo)盲設(shè)備的外設(shè)都掛載在主控芯片上，本設(shè)計(jì)選用STM 32F103RCT6作為主控芯片，該芯片體積小、功耗低，廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備、自動(dòng)化控制、安全檢視等，非常適合作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。（2）光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)在本設(shè)計(jì)中的作用為實(shí)現(xiàn)避障[5]。智能小車在行駛過(guò)程中，不可避免會(huì)遇到各種障礙物，光電開(kāi)關(guān)可以即時(shí)檢測(cè)到障礙物，系統(tǒng)依據(jù)寫好的避障程序，讓小車即時(shí)完成避障反應(yīng)，防止碰撞。本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為E18-D80NK的光電傳感器，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。該傳感器檢測(cè)距離可調(diào)節(jié)，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小等特點(diǎn)。（3）指南針模塊。GY-26是一款低成本平面數(shù)字羅盤模塊。此羅盤以RS232協(xié)議及IIC協(xié)議與其他設(shè)備通信。該產(chǎn)品精度高，穩(wěn)定性高，并具有重新標(biāo)定的功能，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角。其輸出的波特率是9600bps，數(shù)據(jù)以詢問(wèn)方式輸出，具有硬鐵校準(zhǔn)功能和磁偏角補(bǔ)償功能，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。（4）雙模定位模塊。GPS-BDS雙模定位模塊采用的芯片為ATGM 336H-5N。ATGM 336H-5N系列模塊是高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊系列的總稱。ATGM 336H-5N系列芯片具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，適用于車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備。因此，本設(shè)計(jì)選用該型號(hào)芯片，主要功能是給智能小車定位，獲取經(jīng)緯度信息后經(jīng)過(guò)主控芯片的數(shù)據(jù)解析將信息反饋給手機(jī)App端，并在手機(jī)App的地圖中進(jìn)行定位[6-7]。

3 無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)分為下位機(jī)設(shè)計(jì)和上位機(jī)設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)部分為智能小車的軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)部分為智能導(dǎo)盲App的設(shè)計(jì)。下位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)障礙物的躲避、GPS的定位、電子羅盤方向角的識(shí)別、電機(jī)的運(yùn)動(dòng)等功能。其程序使用MDK5軟件編寫，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言；上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的識(shí)別、目的地路徑的自主規(guī)劃、語(yǔ)音播報(bào)、小車位置顯示等功能，使用軟件為App Inventor，采用圖形化編程的方式。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方式，將一個(gè)大程序按照功能劃分為若干小程序模塊，每個(gè)模塊完成一個(gè)確定的功能，并在這些功能模塊之間建立必要的聯(lián)系，通過(guò)模塊的互相協(xié)作最終完成整個(gè)功能的程序設(shè)計(jì)。在下位機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要應(yīng)用到兩個(gè)編程軟件，分別為STM 32CubeMX和MDK5。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)思路如圖3。

圖3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)思路

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)內(nèi)容為制作一款智能導(dǎo)盲App，其功能有藍(lán)牙通訊、定位、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、路徑規(guī)劃、定位方向角、語(yǔ)音播報(bào)等。手機(jī)App端能夠通過(guò)藍(lán)牙通訊獲得小車所在位置的經(jīng)度和緯度、小車當(dāng)前的方向角、小車方向角與手機(jī)方向角的偏差并將這些信息顯示在手機(jī)用戶界面上。App具備語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)音提示、語(yǔ)音播報(bào)等功能，方便對(duì)該系統(tǒng)的操作。同時(shí)設(shè)置手動(dòng)控制智能小車功能，例如出發(fā)、停止指令[8]。App整體邏輯關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 App邏輯關(guān)系示意圖

4 無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)實(shí)車測(cè)試

開(kāi)啟電源，小車進(jìn)入初始化狀態(tài)，等待GPS獲得位置信息并識(shí)別小車的方向角，打開(kāi)導(dǎo)盲系統(tǒng)軟件App，藍(lán)牙自動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車與App匹配通訊。手機(jī)App上顯示和播報(bào)小車方向角、小車經(jīng)度、小車緯度、方向角偏差等信息。按住語(yǔ)音按鈕，語(yǔ)音輸入目的地位置，小車將進(jìn)行路徑規(guī)劃并且在App界面中顯示，語(yǔ)音輸入“出發(fā)”，小車按照路徑規(guī)劃的方向行駛；當(dāng)語(yǔ)音輸入“停止”，小車停下。智能導(dǎo)盲系統(tǒng)App的路徑規(guī)劃示意圖如圖5。

圖5 導(dǎo)盲系統(tǒng)App路徑規(guī)劃示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際測(cè)試顯示，筆者設(shè)計(jì)的這套無(wú)人智能小車導(dǎo)盲系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、定位、路徑規(guī)劃、聽(tīng)聲辨位等功能，有助于解決盲人出行難的問(wèn)題。