基于單片機(jī)技術(shù)發(fā)展下的導(dǎo)盲鞋設(shè)計研究

安良帥 董碩 葉昊坤 趙芳華

摘 要：設(shè)計了一款智能導(dǎo)盲鞋，盲人可以與導(dǎo)航鞋進(jìn)行簡單的交流，實(shí)現(xiàn)盲人定位與避障。近幾年來，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展越來越成熟，以單片機(jī)為核心的技術(shù)可以為盲人提供很多方便。導(dǎo)盲鞋與手機(jī)APP來連接，家屬也可在APP查看使用者所處的位置及狀態(tài)，為盲人建立電子圍欄，避免盲人走丟。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲鞋;超聲波測距;GPS定位;APP連接

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.144

1 前言

近年來，單片機(jī)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用為盲人導(dǎo)盲系統(tǒng)提供了新的研究方向，以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的導(dǎo)盲系統(tǒng)也變得越來越重要。據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計，中國的盲人達(dá)1400萬，數(shù)量列居世界之首。每年，我國新增盲人和弱視群體約 45 萬，隨著該群體的數(shù)量逐年增加，他們的出行問題也逐漸凸顯出來，對盲人產(chǎn)品的設(shè)計也提出更高的要求。

2 盲人情感特征及出行需求分析

正常人面對黑暗尚且恐懼，失去視覺感知能力的盲人更容易受到未知世界的威脅，無法準(zhǔn)確識別環(huán)境，嚴(yán)重缺乏安全感。根據(jù)馬斯洛需求層次理論，安全需要是僅次于生理需要的基本需要。盲人導(dǎo)航設(shè)計應(yīng)盡可能多的給予可靠的外界信息，來提高盲人安全感，從而減少盲人內(nèi)心的恐懼與慌亂。

3 導(dǎo)盲鞋模塊功能介紹及各模塊安放位置

本款導(dǎo)盲鞋是一種綜合超聲波測距、坡面角度探測、GPS定位、語音震動提示等功能的新型導(dǎo)盲鞋，能夠為盲人提供準(zhǔn)確的周圍環(huán)境信息，保障使用者安全。在單片機(jī)選擇上，采用性價比較高的STM32系列作為主控芯片，能夠為系統(tǒng)提供極高的處理速度和豐富的可調(diào)用資源。

3.1 超聲波測距模塊

導(dǎo)盲鞋通過傳感器檢測與障礙物之間的距離，實(shí)現(xiàn)探測功能。目前，普遍采用的測距傳感器是紅外傳感器和超聲波測距傳感器。紅外傳感器體積較小但成本高昂;超聲波傳感器體積較大但成本低廉。超聲波傳感器測量距離普遍比紅外傳感器的遠(yuǎn)，最小測量距離較小，對于導(dǎo)盲鞋的應(yīng)用場合更為適宜?？紤]到室外環(huán)境溫度變化比較劇烈，經(jīng)過反復(fù)對比，最終決定采用具有溫度補(bǔ)償模塊的超聲波傳感器US-100超聲波模塊。

3.2 坡面角度探測模塊

對于盲人而言，坡路有較高的危險性，因此需要及時提醒盲人注意。因此可以通過測量坡面與水平面之間的夾角進(jìn)行判斷坡度，在夾角變化Δα超過一定閾值后，鞋內(nèi)的震動模塊發(fā)生震動，同時語音模塊發(fā)出提醒，從而保證安全?？紤]到在本產(chǎn)品中，角度傳感器的目的是測量對地水平面的角度，因此可采用小巧靈活的陀螺儀[1]測量鞋底部的角速度，當(dāng)角速度過大時，即可判斷為夾角變化超過閾值，引發(fā)警報。

3.3 GPS定位模塊

GPS定位模塊將當(dāng)前地理位置信息以文本格式傳遞給CPU ，然后CPU將會控制語音提示模塊，發(fā)出提示信息，提供對使用者的位置提示參考。產(chǎn)品中警告提示部分包含語音提示方式和震動提示方式。并在主控芯片內(nèi)置機(jī)器學(xué)習(xí)算法，GPS模塊采集使用者經(jīng)過路線，通過訓(xùn)練，為使用者提供一定的路線規(guī)劃服務(wù)[2]。

3.4 各模塊安放位置設(shè)計

超聲測距模塊安裝在導(dǎo)盲鞋的前端，負(fù)責(zé)測量與前方突出部分的的距離。GPS模塊需要良好的信號，盡量避免覆蓋材料對信號的衰減，安裝在鞋的表面部位。陀螺儀安裝在導(dǎo)盲鞋的底部，在不同的位置測得的角速度會有所不同，通過陀螺儀布置的位置和算法參數(shù)、閾值，實(shí)現(xiàn)坡路檢測。

4 “盲行APP”設(shè)計

“盲行APP”分為兩個用戶終端，一個終端為盲人終端，另一個為家屬終端。盲人終端具有語音助手功能，盲人可以與語音助手進(jìn)行簡單的交流，來獲取地理位置或其它信息。家屬終端可以通過APP實(shí)時查看使用者位置，家屬也可在APP上建立GPS區(qū)域圍欄[3]，一旦檢測到超出區(qū)域標(biāo)記范圍，導(dǎo)盲鞋便會發(fā)出提醒，APP也可在使用者走失后為尋找使用者提供幫助。為使用者建立雙重安全提供保障。

5 結(jié)語

在導(dǎo)盲鞋外觀設(shè)計方面，在滿足使用者的功能需求之外，本著的“功能決定形式”的設(shè)計原則和“以人為本”的設(shè)計理念[5]，以穿戴簡單，外形美觀為主要設(shè)計方向，辨識度高為輔助設(shè)計方向。在導(dǎo)盲鞋功能方面，盡可能多的給予盲人可靠的外界信息，來準(zhǔn)確的識別周圍環(huán)境，來提高盲人的安全出行系數(shù)和安全感。希望本設(shè)計能夠在盲人心中點(diǎn)燃一盞明燈，擺脫外出道路上的陰影，成為盲人探索世界的安全保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]季鵬飛，朱燕，程傳統(tǒng)，杜曉.基于STM32的兩輪自平衡小車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2014，27（11）：96-99+105.

[2]陶卿，高乾坤，姜紀(jì)遠(yuǎn)，儲德軍.稀疏學(xué)習(xí)優(yōu)化問題的求解綜述[J].軟件學(xué)報，2013，24（11）：2498-2507.

[3]Sainarayanan G，Nagarajan R，Yaacob S.Fuzzy imageprocessing scheme for autonomous navigation of human blind[J].Applied Soft Computing，2007，7（01）：257-264.

[4]劉松斌，王海星，李碩恒.基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2016，43（08）：834-837.

[5]Jermy Aynsley.Pioneers of Modern Graphic Design[M].London：Mitchell Bezley，2004：164-165.