一種幫助盲人避障的智能拐杖

翁興華++陳永煌++顧天華++李丹璐

摘要：為了防止盲人出行時碰到障礙物而摔倒，提出了一種基于 ST89C51 單片機的多功能盲人智能拐杖設(shè)計方案，并完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。 整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由超聲波測距模塊、激光測距模塊，光電門模塊，語音播報等模塊組成，實現(xiàn)了障礙探測功能，并且該功能均伴有詳細的語音提示。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該智能拐杖克服了傳統(tǒng)拐杖的缺點，可以檢測許多類型的障礙物，尤其是那種普通傳感器難以檢測出來的較小的障礙，以適應(yīng)多種可能出現(xiàn)的情況，能夠為盲人朋友提供更加安全的出行方式。

關(guān)鍵詞：單片機； 測距；光電門；超聲波；激光；語音播報

1 引言

1984年，在世界盲人聯(lián)盟成立大會上，經(jīng)過討論一致通過確立每年10月15日為國際盲人節(jié)。世界盲人組織的宗旨是：致力于盲癥防治，提高盲人福利，使盲人能完全平等地參與社會活動，提供國際論壇交流盲人工作經(jīng)驗。我國現(xiàn)有殘疾人8300多萬，其中盲人、低視力和視力障礙的多重殘疾人有1691萬，這個數(shù)字還在逐年增加。由于生理上的缺陷，盲人在生活自理、工作等方面有很多不便。在戶外行走時，盲人只能依靠手中的拐杖和聽覺來綜合判斷周圍的障礙物，沒有安全感。盲人很難在沒有人陪同的情況下安全行走。政府花費巨資對城市道路進行改革，增設(shè)無障礙人行道，在紅綠燈路口增設(shè)報警信號等。盡管如此，盲人還是感覺不便。

因此，盲人朋友急需一種智能導盲拐杖來保障其出行的方便與安全。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，先進的導盲輔助設(shè)設(shè)備更趨于完善化、人性化、及智能化。國內(nèi)外很多機構(gòu)研究和生產(chǎn)出相關(guān)電子導盲裝置，多數(shù)市面上可見的導盲設(shè)備大部分為超聲波傳感器的應(yīng)用技術(shù)，其中也有紅外感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。

然而大部分的導盲設(shè)備只能探測前進方向存在威脅的障礙物，其所能提供的導盲作用并不明顯。而且，在一些路況較為復雜的情況下，其對周圍路況的綜合采集功能還存在不足，不能傳遞給盲人準確的路況信息，因此盲人行走時的準確與安全得不到充分的保障。

因此，為解決上述問題，就需要一種智能導盲拐杖，能準確探測并預(yù)警較小障礙物的存在，具有對周圍路況的良好采集功能和明顯的導盲作用，適應(yīng)盲人的日常生活，保證盲人行走的準確與安全。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由超聲波測距模塊、激光測距模塊，光電門模塊，語音播報模塊等構(gòu)成。以 STC89C51單片機作為主控，使整個系統(tǒng)能夠正常工作。系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖 1 所示。該智能拐杖的避障檢測有語音提示，使用簡單。

電源開關(guān)：控制整體電路電源的開關(guān)；

超聲波測距模塊：檢測前方障礙物的距離；

激光測距模塊：檢測前方的凹坑或突起；

激光發(fā)射器，發(fā)射激光，作為信號源：

光敏電阻：測激光發(fā)出的光線，從而判斷障礙物，構(gòu)成光電門：

充電插孔，用于外部供電：

蓄電池，為整個系統(tǒng)供電；

蜂鳴器，當障礙物存在于光電門之間時，一直鳴響，方便盲人通過挪動判斷障礙物的大小。

pcb板，嵌有MCS—51單片機，語音播放模塊，是本系統(tǒng)核心控制部件。單片機獲得各個模塊傳達的信息并進行判斷，根據(jù)不同的情況，控制MP3播放模塊播放不同的語音。

拐杖各模塊設(shè)計原理

2.1 光電門原理：

當物體通過光電門時光被擋住，計時器開始計時，當物體離開時停止計時，這樣就可以根據(jù)物體運動的速度與運動時間計算物體大?。还怆婇T是由一個激光發(fā)射模塊和一個光敏電路組成的，激光發(fā)射模塊對準光敏電阻，光敏管前面有一個小孔可以接收光的照射。光敏電路與計時儀是按以下方式連接的。即當兩個光電門的任一個被擋住時，計時儀開始計時；當再次接收到光線時時，計時終止。定時器記錄是兩次變化之間的時間間隔。

其工作原理是光照度改變使光敏電阻阻值的改變，而引起光敏電阻兩端電壓的改變。電壓變化信號通過電壓比較器傳到單片機上。光電門一端有個激光發(fā)射源，另一端有個光敏電阻，兩端無物體阻擋時激光照射到光敏電阻上。有光照時光敏電阻阻值減小，光敏電阻兩端為低電壓。當兩端之間有物體阻擋時，光敏電阻受到光照度減小，電阻增大，光敏電阻兩端為高電壓。換而言之，當光電門傳感器之間沒有物體阻擋時，其內(nèi)部電路斷開；當光電門傳感器之間有物體阻擋時，其內(nèi)部電路接通。

2.2 測距模塊原理：

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2）。單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。工作過程：開機，然后控制程序使單片機輸出載波為40kHz的10個脈沖信號加到超聲波傳感器上，使超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。當?shù)谝粋€超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機片內(nèi)計數(shù)器開始計數(shù)，在檢測到第一個回波脈沖的瞬間，計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時間差△t，然后可計算出被測距離。

激光測距與陀螺儀工作原理：

激光測距探頭采用30Hz版 激光測距模塊，激光測距的原理是利用激光在空氣中的傳播速度為已知，測量激光在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。當激光測距探頭探測到前方一定距離范圍內(nèi)有障礙物或者有凹陷， 就向控制模塊發(fā)送觸發(fā)信號。在支架的中部安裝一個激光測距探頭，使其以一定角度（如45°），再根據(jù)探頭的高度計算，可得到平整地面對應(yīng)激光測距模塊測得的距離，如果突然變大即可知前方出現(xiàn)凹坑，反正則是障礙物，當檢測到信號變化時，就向控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，計算出前方凹坑或凸起的程度，如圖3所示：

2.3 語言播放模塊工作原理：

在本文所述的智能拐杖中，語音模塊使用YX5600-48L，該語音芯片是一款功能強大的 OTP 語音單片機芯片。YX5600-48L 語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機電路，高度集成的單片機技術(shù)足于取代復雜的外圍控制電路。功能操作方式簡潔易懂，大大減少了使用和二次開發(fā)的時間。在線SPI下載：通過下載器和下載編譯軟件，簡單方便地將音樂文件下載到 SPI-FLASH 中。下載器使用簡單，編譯軟件操作方便。UART 串口控制：標準的串口通訊協(xié)議，可通過發(fā)送命令控制指定音樂文件播放、存儲器切換、播放循環(huán)模式 切換、音樂插播、多曲目組合播放、RTC設(shè)置及讀取、定時喚醒觸發(fā)等功能。具體使用電路如下圖4所示。

導盲杖的語音播報主要用在與各個模塊相結(jié)合。如拐杖底部的左側(cè)的光電門檢測的障礙物時，光敏電阻阻值改變，接入電路的電壓變化，通過電壓比較器將數(shù)字信號輸入單片機，單片機控制MP3播放模塊該種情況下應(yīng)當播放的音頻（如“請注意，在您的的左前方有小障礙物”），同時鳴響蜂鳴器，以提示盲人該障礙物仍存在光電門之間，直到障礙物離開光電門之間。如果正對前方的超聲波模塊檢測到障礙物已經(jīng)接近時，單片機控制MP3播放模塊該種情況下應(yīng)當播放的音頻（如“請注意，在您的的前方有較大的障礙物”）。前方的凹坑也是同理。

2.4 機械結(jié)構(gòu)原理：

采用三腳架作為拐杖底部。選擇腳架的第一個要素就是穩(wěn)定性，它的穩(wěn)定性保證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，即便用戶用力按下，仍可保證其使用的安全性，甚至有時候可以將其作為一個支撐的架子使用。利用三腳架的升降功能在使用前取出三腳架展開后將搖桿旋轉(zhuǎn)至工作高度，以適應(yīng)不同人的身高，給使用者提供最舒適的使用體驗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

項目方案如圖1所示，拐杖通過多個模塊對路面信息進行采集，經(jīng)單片機處理后，通過語言提示，將路障信息告知盲人。其路況信息的采集如下：底座之間的光電門對于較小的障礙物進行檢測，當有障礙物進入其中時，會通過語音告知，只要障礙物仍在光電門之間，蜂鳴器會一直鳴響，盲人此時也可以通過移動拐杖來判斷障礙物的大小。在底座正前方有超聲波模塊，對前方的較大的障礙物進行檢測，當檢測到障礙物時（階梯或者墻面）與人之間的距離達到一定程度時，通知盲人繞道或者注意。在拐杖的中部有激光測距模塊，根據(jù)幾何原理，檢測前方的路面是否有坑洞或者突起，如有則提醒盲人前方有坑洞突起的情況。系統(tǒng)的軟件流程圖如5所示。

4 項目測試結(jié)果

通過該項目的測試結(jié)果，該智能導盲拐杖基于單片機，集語音播報模塊、激光測距模塊、超聲波測距模塊為一體的設(shè)計方案，實現(xiàn)了預(yù)期的全部功能，對盲人行走路線上的障礙物檢測效率高，預(yù)警及時可靠。例如，當盲人行走路線上的左前方存在危險障礙物時，光電門之間便能檢測到危險并通過單片機控制語音播報模塊將危險信息及時傳遞使用者，對于前方障礙物的檢測依賴超聲波測距模塊，單片機預(yù)設(shè)了超聲波的檢測范圍，若是在超聲波檢測范圍內(nèi)存在障礙物，則語音播報模塊將提示“前方有障礙物”。拐杖中部的激光測距模塊檢測到前方的突起或凹坑即使通過語音通知盲人，讓盲人可以及時的繞開。同時，該項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用相對穩(wěn)固的三腳架結(jié)構(gòu)，在實際使用中更加安全牢固，即便用力按下，也不會傾斜，這就保證了盲人在使用時的安全性，具有很強的實用性。

5 總 結(jié)

實驗結(jié)果表示，該拐杖實現(xiàn)測距及時精準，對障礙物的預(yù)警準確及時，并且，該拐杖硬件成本較低，拐杖結(jié)構(gòu)重量較輕且操作簡單，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，能較好滿足盲人朋友以及存在視力障礙人群的日常使用。 利用電子技術(shù)，設(shè)計以單片機為主控件，由激光測距模塊、 超聲波測距模塊、光電門模塊、 語音播報模塊等組成。 通過多種傳感器對路況的檢測，將可能出現(xiàn)的危險告知給盲人，讓他們提前做好準備。在未來，對于盲人出行安全問題將得到社會越來越多的關(guān)注，拐杖的設(shè)計將向著更加輕便和智能化的方向發(fā)展，使得對盲人出行的保護也愈加周到和高效。

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受中國計量大學2016校立開放實驗室項目資助。