智能導盲鞋

山東科技大學 任曉壯 王藝璇 馬新瑞 蘆國鵬 楊業(yè)旺

本文主要介紹一種具有語音播報功能的智能導盲鞋，通過超聲波傳感器檢測路面障礙，利用溫度傳感器實時檢測外界溫度，通過使用文本轉(zhuǎn)語音芯片將傳感器采集到的信息經(jīng)過CPU處理后轉(zhuǎn)換成語音信號，并使用藍牙語音傳輸模塊實現(xiàn)語音信號的無線傳輸。同時使用GPS實時定位芯片實現(xiàn)盲人位置監(jiān)測和路線智能提醒，并根據(jù)盲人出行規(guī)律及時為盲人規(guī)劃一條安全使用的出行路線。由于蓄電池續(xù)航能力限制了導盲鞋的長時間工作，因此，本設計使用便于攜帶、便于安裝的微型手搖發(fā)電機為蓄電池進行充電。

在導盲鞋的具體設計過程中，為了實現(xiàn)導盲鞋的準確工作，相關(guān)傳感器也進行了調(diào)試和更換。檢測路面障礙，超聲波是一種非?？煽康臋z測裝置，本設計中選擇常用的HC-SR04超聲波測距模塊，但是使用過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，多次試驗后發(fā)現(xiàn)超聲波受溫度變化的影響，不利于導盲鞋的穩(wěn)定運行；查資料后，選擇帶有溫度補償?shù)腢S-100超聲波模塊，內(nèi)含看門狗，工作穩(wěn)定可靠，并且測試后，超聲波所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有很大改善。選擇語音芯片是一個復雜的過程，由于市面上語音芯片種類繁多并且需要考慮與CPU主控芯片的兼容性，同時也要與現(xiàn)有的CSR8635立體聲藍牙音頻模塊有很好的兼容性，經(jīng)過比較之后選擇了tts語音文本合成模塊，實現(xiàn)了很高的文本-語音轉(zhuǎn)化效率[1]。GPS芯片主要功能則是實現(xiàn)定位功能?？紤]到蓄電池續(xù)航能力較低，不利于實現(xiàn)導盲鞋長時間在外工作，為了增強續(xù)航能力，保證導盲鞋可以較長時間工作，并且在電量不足情況下可以較快增加電池電量，使用外部發(fā)電裝置是必不可少的。由于外界環(huán)境復雜多變，使用太陽能發(fā)電會受到許多制約，如太陽能發(fā)電板需要與太陽光照方向垂直，同時發(fā)電板的尺寸過小發(fā)電效率低下，發(fā)電板尺寸大些則不容易隨身攜帶，而且在光線不足的環(huán)境下太陽能發(fā)電則很可能不會產(chǎn)生有效發(fā)電電壓，因此，在導盲鞋中運用太陽能發(fā)電是不明智的選擇。經(jīng)過查閱資料和實際比較，本設計中采用微型手搖發(fā)電機，不僅便于攜帶、操作方便，而且發(fā)電效率較高，可以滿足導盲鞋充電的需求。

導盲鞋功能實現(xiàn)主要依靠測距模塊、語音模塊、語音傳輸模塊、導航模塊、陀螺儀模塊、溫度傳感器、電源模塊等。導盲鞋超聲波測距模塊分別安裝鞋的前三角位置，通過不斷調(diào)節(jié)超聲波模塊位置、調(diào)試超聲波濾波算法，可以比較全面準確的檢測路面障礙，提供更安全的行走信息。陀螺儀安裝于導盲鞋底部正中間，通過相關(guān)算法實現(xiàn)坡道檢測。電源系統(tǒng)則安裝于鞋后跟上側(cè)，保護電源的同時還可以方便對電源充電。語音模塊和GPS模塊安裝于鞋上部，減少因安裝于鞋內(nèi)造成語音信號削減。

無線語音傳輸模分為兩部分，無線語音發(fā)送模塊和無線語音接收模塊電源模塊，語音發(fā)送模塊主要和文本轉(zhuǎn)語音模塊連接并負責將語音信號發(fā)送出去，而語音接收模塊負責接收語音信號，通過連接耳機可以實現(xiàn)語音播報。導航模塊的實現(xiàn)主要依靠GPS定位系統(tǒng)，CPU將GPS的定位信息和地圖數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到語音轉(zhuǎn)換模塊，進而實現(xiàn)語音播報功能。溫度傳感器主要是實現(xiàn)實時檢測外界溫度的功能，起到提醒盲人注意外界溫度變化的影響。陀螺儀模塊使用MPU6050芯片，通過設定一定的閾值和相對平衡位置值，根據(jù)角度變化調(diào)節(jié)占空比輸出，并使用電機轉(zhuǎn)速引起的振動強度變化實現(xiàn)坡道檢測功能。電源模塊主要使用蓄電池為整個系統(tǒng)供電，并使用電壓保護電路保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定，同時使用微型手搖發(fā)電機作為室外充電來源。

圖1 語音播報電路原理圖

導盲鞋坡道檢測最主要的算法中使用了PID控制算法[2]。PID控制是將偏差的比例（P）積分（I）微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量實現(xiàn)對被控對象的控制。通過人為引入四個控制量（a，b，c，d），從而把非線性耦合模型解耦為四個獨立的控制通道，導盲鞋坡道檢測重要依據(jù)反饋實現(xiàn)占空比自動調(diào)節(jié)，與設定閾值偏差角度越大，則輸出占空比越大，進而電機轉(zhuǎn)動越快，電機引起的震動越強，坡度越大。但在實際使用中，本設計只用到了比例（P）和微分（D），因此算法中積分（I）直接賦予零，此時也達到了預定效果。

要實現(xiàn)導盲鞋語音提示的功能，必須使用正確操作語音模塊，目前市場上有各種各樣的語音模塊可供使用，經(jīng)過一系列比較，導盲鞋選擇使用TTS文本轉(zhuǎn)語音模塊，根據(jù)文本轉(zhuǎn)語音模塊的原理，與CPU通過串口收發(fā)信息，實現(xiàn)對語音信號的控制與轉(zhuǎn)碼[3]。經(jīng)查資料，該模塊需結(jié)合單片機使用，由一系列相關(guān)指令輔助操作，使用算法程序?qū)纹瑱C處理過的相關(guān)數(shù)據(jù)進行播報。在本文設計的導盲鞋中，使用語音模塊播報路面障礙信息、外界溫度、坡道信息和利用GPS規(guī)劃的安全線路及位置信息（見圖1）。

在超聲波模塊檢測障礙方面，利用深度學習算法[4]，經(jīng)過多次測試超聲波采集到的數(shù)據(jù)信息，導盲鞋可以識別簡單路面障礙，如墻壁和大樹、大樹和電線桿。在GPS定位系統(tǒng)上，同時使用相關(guān)APP可以實現(xiàn)對使用者的遠程監(jiān)控，這樣家人可以通過手機APP實現(xiàn)看到盲人當前所處位置，更可以快速方便地找到盲人。在GPS相關(guān)算法中，也使用深度學習算法，將盲人出行習慣及出行路線驚醒記憶訓練，并根據(jù)這些記錄及實時定位實現(xiàn)為盲人規(guī)劃到達目的地的安全路線，在很大程度上方便了盲人的出行。所有信息通過語音功能，并使用耳機減小外界噪聲干擾，實現(xiàn)人機互動的同時達到了信息高效的傳輸。

在設計中使用軟件仿真測試，大大提高了效率。首先使用串口顯示超聲波測距距離，輸出的PWM波形圖，觀察不同坡道下PWM大小變化情況。手機APP軟件驗證GPS定位及規(guī)定路線的準確性，大大程度上減小了實地檢測的次數(shù)，同時APP軟件也為盲人提供了二重安全保障。

導盲鞋在設計上還需考慮外形美觀、穿著舒適、提醒他人等方面的設計。外形美觀、穿著舒適體現(xiàn)了“人性化”，更體現(xiàn)社會關(guān)愛殘疾人得主旨。而提醒他人這個功能是非常重要的，夜間需要有明顯并且容易識別的標識才會讓旁人留意到盲人，平時在路上行走時也需要相應的語音提醒旁人注意盲人，這將會在很大程度上提高盲人的安全出行系數(shù)。

[1]顧海珍.基于TTS語音模塊的人體感知電子解說系統(tǒng)設計[J].2014.

[2]王建明.四旋翼飛行器設計[J].福州大學,2014.

[3]陳芳.具有文本生成功能的智能語音生成系統(tǒng)[J].1997.

[4]胡侯立.深度學習算法的原理及應用[J].2015.