基于超聲波的一種語音導(dǎo)盲儀的設(shè)計(jì)研究

蘇振強(qiáng) 李月潔 薛超引 王星宇

摘要：針對視障人群在生活中如何安全避障的問題，本設(shè)計(jì)研究了一種基于主控芯片為飛思卡爾K60芯片的超聲波測距導(dǎo)盲系統(tǒng)。本論文主要闡述了超聲波檢測模塊工作原理、工作方式以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)通過所測距離與語音系統(tǒng)和報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)對視障人群的提示。實(shí)踐實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、測距準(zhǔn)確、體積小、使用方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲儀；超聲波檢測；語音播報(bào)；震動(dòng)模塊

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2018）17-0237-02

據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界有盲人4500萬左右，低視力人群是盲人的3倍，大約有1.4億人，我們國家約有500萬盲人，占全世界盲人人口的18%，是全世界盲人最多的國家。我們國家盲人的數(shù)量非常龐大，幾乎每100個(gè)中國人里，就有約1個(gè)盲人。因此，對于導(dǎo)盲裝置的研究也是非常有必要的，目前市場上現(xiàn)有的相對成熟的導(dǎo)盲裝置如：導(dǎo)盲機(jī)器人、導(dǎo)盲犬、GPRS導(dǎo)盲定位等，但是這些成本都很高，尤其像導(dǎo)盲犬，訓(xùn)練周期長，服役時(shí)間有限。但是超聲波對障礙物的檢測靈活且距離范圍廣，而且設(shè)備成本較低，便于攜帶，能夠很好應(yīng)用于導(dǎo)盲裝置。本文用到的超聲波測距模塊可以快速實(shí)時(shí)的檢測障礙物的距離，并加以震動(dòng)感知模塊、語音播報(bào)模塊、報(bào)警模塊可以及時(shí)的提示盲人對于障礙物的躲避。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司推出的Kinetis系列微控制器K60為主控芯片，控制超聲波的發(fā)送、接收、處理、語音播放、震動(dòng)及蜂鳴器報(bào)警提示， 原理框圖如下，系統(tǒng)硬件主要包括超聲波發(fā)送與接收模塊、震動(dòng)馬達(dá)模塊、語音模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、閃光燈模塊。

1.1 超聲波模塊

根據(jù)本系統(tǒng)要求的檢測范圍，經(jīng)過詳盡的參數(shù)和性能對比，本系統(tǒng)選用HC-SR04模塊實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)射與接收。目前的超聲波測距方法有很多種方式，如往返時(shí)間檢測法、聲波幅值檢測法和相位檢測法等。本系統(tǒng)采用超聲波往返時(shí)間檢測法，通過主控芯片向發(fā)射端引腳輸入約10微秒的觸發(fā)信號，當(dāng)檢測到有回波信號則接收端輸出高電平回響信號，我們可以用系統(tǒng)記錄信號的時(shí)間間隔，通過時(shí)間間隔可得檢測距離，其計(jì)算公式為：距離=高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2。

1.2 震動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用了優(yōu)創(chuàng)電子公司研制的1027震動(dòng)馬達(dá)模塊，直徑10mm 厚度2.7mm，體積小震動(dòng)效果明顯，與主控芯片通過PWM波控制馬達(dá)的震動(dòng)強(qiáng)度，通過此模塊可以方便地完成電信號到機(jī)械震動(dòng)感的轉(zhuǎn)換。

1.3 語音模塊

設(shè)計(jì)采用ASR-M08-A語音模塊，該模塊有多種工作方式，簡單方便，實(shí)用性高，可以與芯片通過信息交互實(shí)現(xiàn)設(shè)定范圍的語音播報(bào)，用戶可以在SD存儲(chǔ)多條語音指令，該模塊可以通過非特定人語音觸發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)所測距離與語音指令的互通。

1.4 蜂鳴器與閃光燈報(bào)警模塊

系統(tǒng)采用有源蜂鳴器和LED構(gòu)成報(bào)警模塊，有源蜂鳴器接收到主控芯片傳來的高電平發(fā)出報(bào)警，與此同時(shí)LED開始閃爍，以此來提示視障人群和周圍的人，起到了很好的警示作用。

2 系統(tǒng)主控芯片及其軟件

本系統(tǒng)采用Kinetis K60為主控芯片，基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，該處理器由ARM公司專門開發(fā)用以嵌入式開發(fā)，沒有內(nèi)存管理系統(tǒng)，性能一般但足以適用于該語音導(dǎo)盲儀，具有最低成本、極低功耗的特點(diǎn)，在性能的要求及成本的控制上，能夠符合該導(dǎo)盲儀所需。Kinetis K60同樣擁有GPIO、UART等多種片內(nèi)外設(shè)，支持多種通信方式，能夠完美的銜接導(dǎo)盲儀的外設(shè)，方便前期調(diào)試及后期的維護(hù)與功能的添加。

Kinetis K60的開發(fā)，基于IAR Systems編譯器，該軟件為全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，擁有良好集成開發(fā)環(huán)境和完善的開發(fā)平臺(tái)。本設(shè)計(jì)在此開發(fā)軟件上采用了模塊化設(shè)計(jì)和子程序嵌套技術(shù)以及庫函數(shù)的調(diào)用，把循環(huán)探測距離以及其他模塊的程序相互嵌套起來，使其功能更加完善，從而實(shí)現(xiàn)既定的目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體流程圖如圖5。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用了超聲波循環(huán)測距將測距與震動(dòng)模塊、語音提示模塊、蜂鳴器和閃光燈提示模塊有效地結(jié)合起來，可以便捷地為視障人群提供便利。該導(dǎo)盲儀能夠在精度0.3cm的范圍內(nèi)較為精確的探測障礙物的距離，探測距離最大可達(dá)4.2m，此款導(dǎo)盲儀語音播報(bào)可自行錄制，簡單方便，具有很高的研究與推廣價(jià)值。

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