智能導盲拐杖

徐文鑫 陳曦 趙壯壯 邱婭如 曾靖

摘 要：本作品可以使視力障礙人士提前感知障礙物；同時家人能夠對其進行遠程定位，可隨時了解到其位置；當視力障礙人士長時間處于跌倒狀態(tài)時，拐杖能夠自主發(fā)出警報向路人求救并將其所在位置發(fā)送給家人；拐杖與手機之間利用藍牙通信，使視力障礙人士可利用拐杖上的按鍵控制手機為視力障礙人士提供前往常去地導航；天色變暗或黑夜時，拐杖的LED燈自動打開閃光以提示來往的行人或車輛注意到盲人，以此解決盲人出行所遇到的“障礙物感知難”、“安全系數(shù)低”、“無法識別目的地路徑”等問題。

關鍵詞：超聲波避障；遠程定位；發(fā)送位置求救；常去地導航；警示燈提示

1.背景

根據(jù)《中國醫(yī)藥報》了解到：“全世界視力殘疾者的總數(shù)為1.6億左右，其中5000多萬為盲人，其余為低視力者；我國是全世界盲人最多的國家，全國盲人總數(shù)已超過1300萬，占全球總數(shù)的1/4，現(xiàn)在我國每年大約有100萬人失明，這意味著幾乎每半分鐘就會增加一名盲人。如果按照目前的趨勢發(fā)展下去，到2020年，我國盲人將增加4倍”。500萬盲人，占世界盲人口的18%。面對如此龐大的盲人群體，傳統(tǒng)導盲方式的弊端日益突顯。除此以外，有關導盲產品的國外市場也對此貧乏研究，相關市場幾乎為空白；國內的導盲市場是較為新型的市場。因此，這種種現(xiàn)象正反映了人們對智能導盲拐杖的急需迫在眉睫。

2.智能導盲拐杖的設計與技術應用

2.1 創(chuàng)新設計

（1）利用超聲波感知障礙物；

（2）遠程定位及運動軌跡查看

（3）跌倒檢測及自主發(fā)送位置并求救；

（4）控制手機為盲人提供常去地導航；

（5）夜間自動打開提示燈。

2.2 設計原理

2.2.1 蜂鳴器及震動電機的驅動設計

本產品處理器選擇的型號為意法半導體（ST）公司的STM32F103C8T6，其單個 IO 口的最大輸出電流是 25mA；而蜂鳴器及震動電機的驅動電流都大于IO口的最大輸入電流。所以，IO口無法直接驅動蜂鳴器及震動電機；如果通過三極管把電流放大，那么 STM32 的 IO 口僅提供低于1mA 的電流便可驅動蜂鳴器和震動電機。

2.2.2 放大電路的設計

我們選擇的有源元件為S8050，它是一款小功率NPN型硅管，集電極-基極——（Vcbo）電壓最大可為40V，集電極電流為（Ic）0.5A。一般情況下的放大倍數(shù)為85-300；其為電路硬件設計最常用半導體三極管型號之一。我們采用共集電極放大，將集電極接地，從穩(wěn)壓模塊引出3.3V電壓，將放大負載接在電源與集電極之間，將一個10K電阻接在基極與集電極的兩端口，并在10K電阻之前串聯(lián)1K電阻，用于分壓，防止晶體管g-c之間電壓過高以擊穿晶體管。[3]

2.3 功能系統(tǒng)的技術應用

2.3.1 超聲波避障系統(tǒng)

利用超聲波發(fā)射器向某一方向（測量角度：15度）發(fā)射8個40khz的方波信號，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物即返回，超聲波接收器收到回波信號后立即通過I/0日ECHO輸出一個高電平，單片機檢測到ECHO端口高電平后，即刻啟動定時計數(shù)器，直到高電平結束。高電平的持續(xù)時間是超聲波從發(fā)射到接收的往返時間差，通過計算時間差，并根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計算得出發(fā)射點與障礙物之間的距離S。[2]

公式為：測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s） ）/2。

然后通過拐杖手柄處的震動裝置將信息反饋給盲人，震動頻率高，代表距離在1米之內；震動頻率適中，代表距離則為1-2米之內；以此類推，該產品可以檢測到3米以內的障礙物信息。

2.3.2遠程定位及軌跡查看

考慮到視力障礙人士出行可能會出現(xiàn)走丟等問題，我們?yōu)榧胰碎_發(fā)出了一款APP用遠程監(jiān)控盲人位置及移動路線。在拐杖中利用GPS獲取盲人位置，通過GPRS模塊發(fā)給服務器，APP從服務器中獲取信息并在地圖上標注出視力障礙人士位置。此外APP可以將視力障礙人士移動的位置連接起來，家人便可隨時查看視力障礙人士移動路線。

2.3.3 警報系統(tǒng)

本產品采用陀螺儀以解算姿態(tài)，使用GPRS模塊進行聯(lián)網(wǎng)，利用GPS 確定位置。根據(jù)卡爾曼濾波，通過采集固定在其內部的陀螺儀的姿態(tài)，本產品便可解算出歐拉角以此判斷拐杖的姿態(tài)；當檢測到的俯仰角大于75度且這一角度持三十秒以上之久時，系統(tǒng)會發(fā)出有間隔的警報，提醒使用者在放置拐杖時是否忘記關閉電源；檢測到的俯仰角大于75度且這一角度持三十秒以上，拐杖會持續(xù)發(fā)出長達十秒的提示聲，提醒使用者放置拐杖時是否忘記關閉電源；如果提示結束時拐杖電源仍未關閉且俯仰角依然大于75度，此時判定使用者跌倒且無法獨自站立，拐杖隨即發(fā)出急促警報用于吸引路人，以便及時得到幫助；此外拐杖會向家人手機端發(fā)送視力障礙人士的位置信息，家人手機收到信息后便會有鈴聲提醒，同時在地圖上標注出視力障礙人士位置。，

2.3.4 常去地導航系統(tǒng)

通過易安卓軟件編寫一個小型APP并將高德地圖的接口接入到該APP中，把拐杖的藍牙地址設置為默認地址，手機藍牙與拐杖中的藍牙會自主連接，并且手機便可接收拐杖發(fā)出的數(shù)據(jù)。另外，家人可為視力障礙人士在APP中設定五個以內常去地，并告知視力障礙人士順序，視力障礙人士即可根據(jù)拐杖的按鍵以選擇自己想去的地點；按一次選擇鍵就將目的地設置為常去地，按下確定鍵便可開始導航了。

2.3.5 警示燈系統(tǒng)

我們在拐杖內安裝了一個光敏電阻探頭，光敏電阻可檢測到外界光線的強弱；當外界光線較弱時，拐杖的LED燈會被打開并閃爍；在燈光較暗或者黑夜時提醒行人及來往車輛注意到視力障礙人士的位置，以確保視力障礙人士出行的安全性。

3.硬件系統(tǒng)設計

圖1 本設計系統(tǒng)模塊的總流程圖

3.1 測距模塊的選取

首先，由于超聲波指向性強、能量消耗緩慢、在介質中傳播的距離較遠的特性，因而它經(jīng)常被用于距離的測量；另外，超聲波檢測的速度快、采用方便、計算簡單，易于做到實時控制、精度高——測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波的檢測來實現(xiàn)其功能。.

本產品就選用了HC-SR04超聲波模塊。此模塊性能穩(wěn)定，測量距離精確，模塊精度高、盲區(qū)?。辉撃K采用的是IO口TRIG觸發(fā)測距，至少給出10us的高電平信號，模塊便會自動發(fā)送8個40khz的方波，并檢測是否有信號返回。當有信號返回時，IO口ECHO會輸出一個高電平，而高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-540cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm；寬電壓工作3.3v-5.0v。

3.2 信號處理芯片的選取

由于智能導盲拐杖的功能相對較多，外觀設計的操作較為復雜，所以需要選擇一款處理速度相對較快，外設資源相對豐富的控制器，以確保智能導盲拐杖反應的及時性。

本產品選擇的是意法半導體（ST）公司的STM32F103C8T6作為信號處理芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的增強型微控制器，具有高達128K字節(jié)的內置Flash存儲器和20K 字節(jié)的SRAM。此芯片具有方便程序的編寫、執(zhí)行代碼效率高等優(yōu)點；還擁有豐富的通用I/O端口，外設資源豐裕；同時，該系列微處理器工作頻率設定在72MHz，是同類產品中性能最高的產品，也是32位市場上功耗最低的產品[1]。在整體上性能相對其他產品較為優(yōu)越。

3.3 信息發(fā)送硬件的選取

由于本產品需要在視力障礙人士遇到危險時向其家人發(fā)送位置信息求救，所以獲得較為精準的位置坐標和信號較強的GPRS模塊就顯得極其重要。

本產品采用的GPS型號為NEO-7M——它是NEO-6M的升級版，相對于NEO_6M來說性能更加穩(wěn)定，信號更好；NEO-7M又是一個低功耗主芯片的超小外形GPS接收模組，其采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能；自帶MINI USB接口，使用普通數(shù)據(jù)線即可調試GPS模塊，不再需要使用USB-TTL等工具；增加EEPROM存儲芯片，設置參數(shù)等信息自動存儲，掉電后，配置自動保存，無需重新設置；板載MAX2659信號放大芯片，搜索能力更強。信息發(fā)送模塊選擇得是SIM800模塊，此模塊采用了SIMCOM 公司的工業(yè)級四頻 850/900/1800/1900MHz SIM800 芯片， 可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸；可以適用于短信監(jiān)控二氧化氮、煙霧報警器、無線終端（短信貓）、工業(yè)監(jiān)測與控制（溫濕度、二氧化碳）、遠程抄表系統(tǒng)和智能家居控制系統(tǒng)等控制平臺。

3.4 姿態(tài)解算原件的選取

本設計采用型號為MPU-6050的陀螺儀進行姿態(tài)的采集。MPU-6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000和±2000°/sec （dps），可準確追蹤快速與慢速動作；用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g和±16g。產品傳輸可透過最高至400kHz的IIC或最高達20MHz的SPI（MPU-6050沒有SPI）。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口VDDIO供電為1.8V± 5%（MPU6000僅用VDD）。MPU-6000的包裝尺寸為4x4x0.9mm（QFN），這在業(yè)界是革命性的尺寸；其他特征包含內建的溫度感測器和在運作環(huán)境中僅有±1%變動的振蕩器[4]。

3.5 降壓模塊的選取

本產品采用的是12v電源，選用AS1015芯片配合AMS1117芯片降低輸出電壓供給STM32微處理器及其他外設；AS1015芯片屬于高電壓、大電流芯片，滿足智能導盲拐杖對電壓的需求；配合電路簡單、技術成熟的AMS1117芯片，滿足STM32微處理器及其余外設對電壓的需求。

4.結構的設計

拐杖的最底端安裝了一個萬向輪，通過萬向輪的應用，在使用拐杖的過程中不用上下抬起，只需要在地面上推著走，以便于節(jié)省使用者的體力；拐杖的拐柱部分整體光滑筆直，在其中間開了兩個洞用來伸出超聲波探頭；拐杖整體呈一字形，如此設計可以提高使用者握桿的舒適度，避免因長時間握桿而出現(xiàn)手腕酸麻的現(xiàn)象；把手形狀類似于鯨魚的身形較為寬大，且內部為空，便于將主控及其他外設放入，有利于提高拐杖內部空間的利用率，使整體結構更為美觀。

5.系統(tǒng)的性能分析

評價本型智能導盲拐杖的好壞，可以從障礙物信息反饋的全面性和正確性、跌倒求救及時性以及指導結果的準確性的三個方面來考慮。

遠程定位及軌跡查看：拐杖采用精度較高的GPS模塊進行定位，能使家人準確的了解到視力障礙人士的位置，極大提高視力障礙人士的安全系數(shù)。

障礙物信息反饋的全面性和正確性：拐杖通過超聲波模塊來實現(xiàn)對障礙物位置的確定，并通過震動模塊反饋給視力障礙人士，通過電機震動頻率反映障礙物距離的遠近。

跌倒求救的及時性：拐杖中利用陀螺儀來進行姿態(tài)采集，通過對拐杖姿態(tài)的解算來判斷視力障礙人士是否跌倒，當采集的姿態(tài)為跌倒并持續(xù)一分鐘判定為有效跌倒，此時會觸發(fā)警報器求救，吸引周圍路人注意并施救，從而能有效的避免誤判，判定有效后會自動給家屬發(fā)送位置信息，還可以在遇到危險時及時呼救。

指導結果的準確性：指導的正確性是指是否正確指導視力障礙人士安全抵達所去地點。

6.設計結語

隨著人們對弱勢群體關注度的提高，越來越多的企業(yè)或個人推出導盲類產品，但其導盲產品的研究還不夠深入，迭代創(chuàng)新的效果不夠明顯，以促使市場上的一些導盲產品不溫不火；本團隊創(chuàng)造的智能導盲拐杖體積較小、精度較高、造價低廉，能夠充分考慮到不同收入階層的受眾，滿足他們的需求；并考慮到市場上導盲產品存在的弊端和有待提升的空間，充分展示本產品的優(yōu)勢和獨特性。

我們研制的拐杖有效的解決了視力障礙人士出行的“障礙物感知難”，“安全系數(shù)低”，“無法識別目的地路徑”等問題。

參考文獻：

[1]劉火良，楊森.STM32 實戰(zhàn)指南[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2017 （2）：20-26

[2]郭偉.超聲檢測[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2014 （1）：15-17

[3]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M]。北京：高等教育出版社出版，2005 （4）：61-69

[4]陳志旺.四旋翼飛行器快速上手[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2017（3）：32-36