一種智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)

高尚尚 唐靜

摘 要：為了幫助盲人更好地獨(dú)立行走與生活，在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖的基礎(chǔ)上，以單片機(jī)為控制核心，利用光感技術(shù)和三角形測(cè)距技術(shù)，改進(jìn)設(shè)計(jì)出一款智能導(dǎo)盲杖。在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖的基礎(chǔ)上，對(duì)三個(gè)部分進(jìn)行了改進(jìn)，分別是手柄的設(shè)計(jì)、杖身的設(shè)計(jì)和越障輪的設(shè)計(jì)，以此來(lái)切實(shí)保障盲人出行的安全。在保留傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上，智能導(dǎo)盲杖可以更人性化地改善盲人的生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲杖；單片機(jī)技術(shù)；紅外探測(cè)器

中圖分類號(hào)：TH789 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0025-02

Abstract： In order to help blind people walk and live independently， an intelligent blind guide rod is designed based on the traditional guide rod， using single chip microcomputer as the control core， using light sensing technology and triangle ranging technology. On the basis of the traditional guide rod， three parts are improved， namely， the design of the handle， the design of the staff body and the design of the obstacle wheel， so as to ensure the safety of the blind travel. On the basis of retaining the basic function of the traditional guide stick， the intelligent guide rod can improve the quality of life of the blind more humanized.

Keywords： blind guide rod； single chip microcomputer technology； infrared detector

盲人作為社會(huì)中的特殊群體，需要這個(gè)社會(huì)更多的關(guān)懷和幫助[1]。目前我國(guó)有超過(guò)1400萬(wàn)的盲人，隨著社會(huì)智能化的不斷發(fā)展，僅僅是一根傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足盲人的出行需求了[2]。智能導(dǎo)盲杖利用智能手機(jī)與傳統(tǒng)拐杖相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，可以使盲人的生活更便捷、出行更安全。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案

智能導(dǎo)盲杖在結(jié)構(gòu)上包括手柄、杖身和越障輪三部分。越障輪上安裝的紅外線發(fā)射器對(duì)前方的道路狀況進(jìn)行檢測(cè)，再通過(guò)控制系統(tǒng)處理，最后由語(yǔ)音模塊輸出語(yǔ)音信息來(lái)告訴盲人周圍的路況。

1.1 手柄的設(shè)計(jì)

手柄上增加了控制面板，有多項(xiàng)功能：（1）控制面板里包含GPS定位系統(tǒng)。（2）控制面板里包含報(bào)警系統(tǒng)。（3）面板兩側(cè)增添了防滑橡膠。（4）面板前端安置了反光板。（5）面板上還有娛樂(lè)設(shè)置，能夠進(jìn)行音樂(lè)播放、收音機(jī)播放等功能。手柄的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

智能導(dǎo)盲杖在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖的基礎(chǔ)上增加了手柄上的控制結(jié)構(gòu)，所述控制結(jié)構(gòu)包含控制面板、GPS功能、防滑橡膠結(jié)構(gòu)和反光板。增加了控制面板結(jié)構(gòu)，能夠讓盲人在遇到危險(xiǎn)情況時(shí)進(jìn)行緊急呼叫，通過(guò)GPS功能實(shí)現(xiàn)與家人間的位置信息共享，幫助家人及時(shí)了解盲人所在位置。同時(shí)增加了娛樂(lè)設(shè)置，能夠利用音樂(lè)播放、收音機(jī)播放等功能，幫助盲人放松身心，享受生活。同時(shí)，考慮到盲人的出行安全，在手柄側(cè)面設(shè)計(jì)了防滑橡膠結(jié)構(gòu)，在前面位置設(shè)計(jì)了反光面板，提示行人車輛注意盲人。反光板固定在正前方，用來(lái)提醒前方行人或車輛注意盲人，防滑橡膠結(jié)構(gòu)固定在兩側(cè)，用來(lái)防止盲人脫手還增強(qiáng)了盲人觸摸的手感以便于更好的找到手把的位置，最上方后側(cè)的大按鈕是呼救按鈕，按下之后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行呼救，內(nèi)置GPS定位系統(tǒng)，時(shí)刻記錄著盲人的去向，此外還有音樂(lè)播放器，收音機(jī)等功能，用來(lái)幫助盲人放松心情。

1.2 杖身的設(shè)計(jì)

杖身結(jié)構(gòu)采用可嵌套式伸縮結(jié)構(gòu)，共分為三節(jié)，每節(jié)之間利用螺紋結(jié)構(gòu)連接，設(shè)計(jì)了防拖出結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)主要依靠一、二節(jié)之間的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。杖身的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其連桿結(jié)構(gòu)原理是：把幾根桿狀物用一定的方式連接起來(lái)，中間有鉸節(jié)，滑動(dòng)連接等，使它們?cè)谔囟ǖ姆秶丛O(shè)定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。各桿的長(zhǎng)短，鉸接的位置，滑套滑動(dòng)的距離，事先計(jì)算好以實(shí)現(xiàn)伸縮和防脫出。一、二節(jié)的調(diào)節(jié)是最下面的桿子和中間的桿子的調(diào)節(jié)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲杖的長(zhǎng)度。

1.3 越障輪的設(shè)計(jì)

智能導(dǎo)盲杖增添了越障輪結(jié)構(gòu)，輪子兩端采用紅外發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)距，不但能夠識(shí)別障礙物，更能提示障礙物間的寬度。同時(shí)，通過(guò)輪子的滾動(dòng)，盲人能夠直觀的感覺(jué)到路面的起伏等信息。

滾輪組件包括兩個(gè)滾輪本體（1）、固定軸（2）、CCD檢測(cè)器（3）和紅外發(fā)射器（4），兩個(gè)滾輪本體（1）關(guān)于固定軸（2）對(duì)稱可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在固定軸（2）上，固定軸（2）的一端固定有CCD檢測(cè)器（3），另一端固定有紅外發(fā)射器（4）。

2 三角形測(cè)距原理的應(yīng)用

智能導(dǎo)盲杖采用了紅外線發(fā)射器和CCD接收器來(lái)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)距。其核心原理是三角形測(cè)距原理。該紅外線發(fā)射器安裝在三角形的一角，實(shí)現(xiàn)自身與測(cè)量物體之間的距離。被測(cè)量的物體需要具有漫反射之類的反射體。如石頭、樹(shù)木等[3]。三角形測(cè)距的主要思想是把發(fā)射端和接收端放在輪子的軸上，相當(dāng)于三角形的底邊，然后被測(cè)物體相當(dāng)于三角形的頂端。紅外線發(fā)射器會(huì)按照設(shè)定好的角度α發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線碰撞到障礙物體時(shí)就會(huì)被反射到CCD的檢測(cè)板上。在CCD的中心位置有一個(gè)偏移量L，伴隨著探測(cè)器與被測(cè)物體之間的距離D，偏移量L會(huì)隨著D的變化而變化。根據(jù)三角形之間的關(guān)系，在知道了發(fā)射角度α，中心距X，偏移量L以及濾鏡的焦距f的情況下，可以利用公式把自身與被測(cè)物體之間的距離D計(jì)算出來(lái)[4]。我們把紅外線發(fā)射器固定在輪子一側(cè)，紅外線發(fā)射的發(fā)射角度α，中心距X，偏移量L以及濾鏡的焦距f為常數(shù)，故被測(cè)物體的距離D只與反射光線在CCD上的偏移量L有關(guān)。所以被測(cè)物體的距離D和反射光線在CCD上的偏移量L存在一定的比例關(guān)系，即發(fā)射器的電壓信號(hào)與被測(cè)物體的距離D有函數(shù)關(guān)系。通過(guò)監(jiān)測(cè)紅外線發(fā)射器的輸出電壓，并對(duì)其進(jìn)行采集、分析和運(yùn)算，就可以得到自身與被測(cè)物體表面的距離D。

3 系統(tǒng)運(yùn)行的流程

控制系統(tǒng)的核心是單片機(jī)控制運(yùn)行，其具有數(shù)字輸入/輸出端口和模擬輸入/輸出端口。其中模擬端口可以監(jiān)測(cè)到紅外線發(fā)射器發(fā)出的模擬電壓信號(hào)，然后根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，通過(guò)內(nèi)部的公式計(jì)算出當(dāng)前自身距離被測(cè)物體的距離，然后再根據(jù)所得到的距離進(jìn)行判斷，最后根據(jù)系統(tǒng)的判斷決定是否做出語(yǔ)音播報(bào)。

控制系統(tǒng)的工作流程簡(jiǎn)述如下：紅外線發(fā)射器檢測(cè)路況，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的距離信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理和距離判斷，若距離小于安全設(shè)定值，語(yǔ)音模塊輸出語(yǔ)音信息提醒盲人；若距離不小于設(shè)定值，繼續(xù)紅外線檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能導(dǎo)盲杖選用單片機(jī)作為核心處理系統(tǒng)，采用了紅外線發(fā)射器來(lái)測(cè)量物體與盲人之間的距離，并結(jié)合語(yǔ)音模塊來(lái)告知盲人前方是否有障礙物，可以有效地幫助盲人安全、高效率地行走。經(jīng)過(guò)電路上的測(cè)試后，進(jìn)行了多次模擬實(shí)驗(yàn)。在100平方米的樹(shù)林里，樹(shù)與樹(shù)之間的間隔大約有5米，然后進(jìn)行盲人測(cè)試。通過(guò)測(cè)試，測(cè)試人員沒(méi)有一次撞倒樹(shù)木。根據(jù)多次測(cè)試，更加驗(yàn)證了該導(dǎo)盲杖的可行性與可靠性。

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