基于多傳感器融合的新型智能導盲杖設計

錢鵬飛

（西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730030）

目前，中國盲人數量已突破兩千萬大關，而城市盲道設計不合理、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]。隨著科技發展，智能盲杖不斷涌現，但這些智能盲杖并不智能[4-5]。針對市售智能盲杖無法探測上方障礙物、地面路況（如凹坑、樓梯高度）等缺點，本系統基于89C52單片機，采取多傳感器融合的技術實現對上方障礙物、前方障礙物、路面情況的檢測，并且輔以優化算法增加檢測頻率，使盲杖反應更快速、檢測更靈敏。另外，盲杖還具有智能語音播報、夜晚LED安全燈、傾倒檢測等輔助功能，方便盲人的出行。

1 系統總體設計方案

本系統由89C52作為控制核心，由超聲波測距傳感器、加速度傳感器、光敏傳感器、語音播報模塊和電池模塊組成。實物圖如圖1所示，超聲波探測角度及范圍如圖2所示，總體設計框圖如圖3所示，系統所有硬件初始化后，光敏傳感器首先開啟，檢測光線強度，光線弱則打開LED燈，確保盲人夜晚出行安全。此后超聲波測距循環開啟，若前方傳感器檢測到1.5 m內有障礙物，或上方傳感器檢測到小于1.5 m的障礙物，抑或下方傳感器在0.2 m內檢測不到地面，則控制語音模塊播報障礙情況。同時，進行檢測加速度，判斷是否摔倒，摔倒則立刻報警。

圖1 實物示意圖

圖2 三組超聲波工作示意圖

圖3 總體結構框圖

2 系統主要硬件設計

2.1 微處理器

89C52價格低廉，處理器RAM內有雙重功能的地址區間，既可作字節處理，也可作位處理，使用方便。其I/O口的設置也很簡單，且經過幾十年發展，各類傳感器及傳感器源碼很完備，可以大大簡化設計難度。

2.2 超聲波測距模塊

本系統采用HC-SR04超聲波測距模塊，其通過IO觸發測距功能，電路原理圖如圖4所示。使用時，首先向trig端口輸入一個大于10 us的高電平，觸發測距功能。此時，超聲波發送口發出8個40 Hz的方波。若在指定時間內接收口收到回波，則echo端輸出高電平且啟動定時器，以計算高電平輸出持續時間。當echo端停止輸出高電平時，定時器也停止計時。此時定時器所計時間，即為發出超聲波遇障礙物往返一程所用時間。最后可以通過公式，算出距離前方障礙物的距離。其計算公式為：

圖4 HC-SR04電路原理圖

距離=（高電平持續時間*340 m/s）/2。

2.3 傾角檢測模塊

傾角加速度檢測采用GY521模塊，其集成MPU-6050傳感器。因為STC89C52芯片沒有集成I2C控制器，故使用軟件模擬的方法來實現GY521的I2C功能。

使用時，首先通過I2C讀寫寄存器，進行初始化。傳感器原始數據的AD值是16位數字量，一個數據需要兩個字節，來分別儲存軸向加速度的高八位及低八位，共同組成16位數據。最后把16位數據除以16 384，即可得到單位為g的軸向加速度。

2.4 語音播報模塊

語音播報模塊采用XY-V17B，集成IO分段觸發，UART串口控制，ONE_line單總線串口控制，標準MP3等功能；支持MP3，WAV解碼格式，最大支持32 G TF卡存儲，可通過USB數據線連接電腦更新TF卡存儲音頻文件，語音播報模塊電路原理圖如圖5所示。

圖5 XY-V17B語音播報模塊電路原理圖

運行時，若檢測到障礙物，則根據障礙物情況不同，通過3個IO口高低電平的不同的組合，來播報不同的提示語。

2.5 光敏傳感器

光敏傳感器是一種將光信號轉換為電信號的傳感器，光敏二極管管芯是PN結，具有光敏特性，有單向導電性。本文的傳感器采用telesky的光敏傳感器，電路原理圖如圖6所示。其優點為使用簡單，調節方便（可直接通過內嵌的滑動變阻器調節閾值），若外部光線強度小于所定閾值，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 軟件設計

多傳感器融合是本導盲杖的主要特點。硬件初始化后，首先光敏傳感器會檢測當前場景光線情況，若光線不強，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檢測，當上方障礙物低于1.5 m時，語音播報“上方障礙物過低”；當前方障礙物小于1.5 m時，語音播報“前方有障礙物”；當檢測到下方地面距離大于0.2 m時，語音播報“下方凹坑，請注意”。因為上中兩組傳感器只檢測小于1.5 m范圍內的障礙物，故計算后可得，當上中兩組超聲波回傳時間大于9 ms，可直接結束檢測，進入下方傳感器的檢測，優化響應速度，提高導盲杖靈敏度。

每輪距離檢測結束后，再進行三軸加速度檢測并計算合加速度[6]。若合加速度過大，1 s后再進行1次檢測，若合加速度為0，則判斷為使用者摔倒并語音報警。

4 實驗結果分析

為驗證導盲杖報警靈敏度與其他功能的可靠性，于不同時間、不同地點進行了多組實驗。取其中的兩例：一為西北民族大學榆中校區圖書館正門的連續臺階處至升旗臺的70 m區域，二為校門出口前50 m至出口處車輛升降桿的區域，實驗數據見表1、表2。

表1 圖書館區域檢測結果

表2 升降桿區域檢測結果

經試驗，該盲杖在路況結構簡單的區域內，均反應靈敏，可及時提醒使用者路面情況，夜晚LED燈也能根據光線情況自動開關，傾倒報警功能正常。但在路況復雜，人流量大的地段，會出現報警頻繁的現象。另外，若障礙物體積過小，會有一定概率檢測不到。

5 結束語

基于多傳感融合的智能盲杖采用多組傳感器結合，不僅能探測前方障礙物，還能檢測上方障礙物，還可對地面路況進行檢測，是其他同類盲杖所沒有的功能。經測試，本盲杖能可靠檢測樓梯的階梯高度及凹坑深度，對盲人來說，不僅減少了盲杖下探這類繁瑣動作，還避免了下探過程中出現摔倒或意外踩空的危險。另外，傾倒檢測及夜晚LED等輔助功能為使用者的出行提供了方便與保障。隨著5G時代的到來，在萬物互聯及智慧城市的建設中，盲道智能化的建設也會迎來大的發展，而作為配套終端的智能盲杖，會擁有更廣闊的發展天地。