基于多傳感器的導盲杖設計

汪晨遠 王明 章智國

由于我國人口基數(shù)增加，人口老齡化加大，視力殘疾人數(shù)變化呈增加趨勢，為了提高這類人群的生活質量，我們設計了一款能切實幫助盲人用戶安全自主出行的導盲杖。本設計使用STM32單片機作為主控芯片，加裝陀螺儀模塊、超聲波模塊、GPS和GSM模塊，通過STM32單片機進行數(shù)據(jù)處理，通過音頻、燈光和振動來提醒路人和盲人，從而實現(xiàn)導盲作用。

導盲杖;傳感器; 信息融合;STM32

目前我國失明或者弱視群體在國內(nèi)人數(shù)非常龐大，我們的生活環(huán)境也變得越來越嘈雜，傳統(tǒng)的導盲杖已經(jīng)遠遠不能滿足盲人的需求了。我們設計的這個導盲杖可以幫助盲人在無他人幫助的情況下，感知周圍環(huán)境，幫助盲人安全出行，有助于盲人回歸社會。本項目導盲杖可以實現(xiàn)前方障礙物自動報警或手柄震動報警功能，語音播報當前時間功能，夜間警示路人功能，GPS定位盲人功能。導盲杖使用方便，實用性強，是盲人出行的好助手。

1 系統(tǒng)總體設計

導盲杖的基本原理是利用多傳感器實現(xiàn)周圍環(huán)境的探測，并利用特殊的智能化算法去實現(xiàn)各種情況的綜合判斷，然后通過執(zhí)行單元告知盲人。

本設計以STM32單片機最小系統(tǒng)為基礎，由 GPS/GSM 模塊、陀螺儀模塊、超聲波模塊、語音模塊、振動模塊、按鍵、電源 8部分組成。單片機是整個系統(tǒng)的核心部分。超聲波檢測到有障礙物后振動;語音報時讓盲人了解當前時間;陀螺儀檢測盲人是否摔倒，若摔倒一段時間沒有爬起，語音報警提醒路人，同時通過 GPS/GSM 模塊向家人發(fā)送盲人的位置信息;光線較暗時，導盲杖上的 LED 燈閃爍以警示路人。

1.1主控單元

電路主控采用了STM32F103C8T6作為中央控制芯片。在此硬件控制電路的設計中，采用了外部8MHz晶振作為單片機的時鐘輸入源通過內(nèi)部PLL（鎖相環(huán)）將時鐘倍頻至72MHz作為單片機系統(tǒng)時鐘。采用SWD模式進行程序的調(diào)試與下載。整個單片機最小系統(tǒng)采用3.3V供電。該ARM主頻高，功耗小，價格低，滿足設計要求。

1.2物體檢測

為了檢測前方物體，我們采用了超聲波模塊（HC-SR04）進行探測。首先我們采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;模塊將自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回;有信號返回時，通過IO

口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。根據(jù)公式：測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2就可以得到與目標之間的距離了。

1.3姿態(tài)解算

采用MPU6050模塊作為姿態(tài)解算部分，得到盲人當前的姿態(tài)，來判斷盲人是否跌倒。MPU6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。當連接到三軸磁強計時，MPU6050提供完整的9軸運動融合輸出到其主I2C或SPI端口，發(fā)送到單片機進行數(shù)據(jù)處理。

1.4定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)分為GPS模塊和GSM模塊兩個部分，使用GPS模塊得到當前的位置信息，并通過GSM模塊發(fā)送到手機上，大大的提高了盲人出行的安全性。我使用的GPS模塊型號為UBX-M8030，此模塊最多可并發(fā)接收 3 個 GNSS（GPS、伽利略、GLONASS、北斗），行業(yè)領先的 -167 dBm 導航靈敏度和業(yè)界最低電流消耗，在城市峽谷中具有絕佳的定位精度，具有安全性和完整性保護，同時支持所有的衛(wèi)星增強系統(tǒng);GSM模塊選用了德國SIEMENS（西門子）公司的一款TC35i高度集成的GSM模塊，短信模塊體積小、重量輕，滿足設計要求。

1.5執(zhí)行單元

我們得到了盲人的姿態(tài)信息，環(huán)境信息，假如前方有障礙物或者盲人摔倒，通過單片機處理后，發(fā)送電信號驅動語言模塊和振動模塊，告知盲人。并輔助以LED模塊在光線比較暗的時候通過閃爍來警示路人。

1.6電源模塊

電池采用鋰離子電池作為電源，并設計出可充電接口和電源變換電路，以此來完成充電與其他模塊的供電功能。

2 結論

該系統(tǒng)利用多傳感器對周圍環(huán)境進行檢測和導盲杖姿態(tài)的采集，發(fā)送到主控上進行處理計算，適合在復雜環(huán)境下使用，能夠有效的達到導盲避障的目的，具備高度的智能性和靈敏性，實用性很高。

參考文獻

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