三模塊控制的助盲拐杖設(shè)計(jì)

周浩，呂俊燕，楊瑞青

（山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東德州，253000）

0 引言

日前，我國(guó)盲人數(shù)量居世界第一。不僅如此，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年盲人數(shù)量正以每年近45 萬(wàn)人次的速度激增。不僅中國(guó)如此，全球盲人已經(jīng)達(dá)到了近5000 萬(wàn)之眾，盲人出行問(wèn)題也成為了不容忽視的問(wèn)題。然而放觀全球，助盲產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度緩慢，各類(lèi)助盲產(chǎn)品急需更新?lián)Q代，且目前助盲拐杖類(lèi)產(chǎn)品不僅型狀結(jié)構(gòu)功能單一，而且價(jià)格昂貴，質(zhì)量不佳。極大的影響了盲人的日常生活、經(jīng)濟(jì)狀況以及出行問(wèn)題?；诖祟?lèi)現(xiàn)象，我們特研究設(shè)計(jì)一款能夠高效率完成導(dǎo)盲任務(wù)，在確保盲人正常行進(jìn)前提下能夠確保盲人人身安全，并且解決盲人日常休閑娛樂(lè)問(wèn)題的一款基于三模塊控制的助盲拐杖。本產(chǎn)品由多種現(xiàn)有技術(shù)有機(jī)結(jié)合，高效率解決盲人出行難問(wèn)題，在解決盲人出行難的基礎(chǔ)上還能夠滿足盲人的日常休閑娛樂(lè)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本產(chǎn)品由三塊單片機(jī)控制板進(jìn)行控制，分模塊控制好處在于各模塊既能各自運(yùn)行工作，也可協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同運(yùn)行，大大提高了導(dǎo)盲的效率。本產(chǎn)品分硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包括語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、雙定位模塊、探照燈、收音機(jī)模塊、摔倒警報(bào)模塊、障礙物探測(cè)模塊、區(qū)域震動(dòng)模塊。軟件部分包括一塊STC89C52 單片機(jī)控制板，兩塊STM32單片機(jī)控制板、地圖導(dǎo)航模塊。

具體技術(shù)路線：盲人可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊打開(kāi)地圖導(dǎo)航模塊，雙定位模塊進(jìn)行位置定位，在行進(jìn)過(guò)程中三個(gè)外置超聲波進(jìn)行障礙物檢測(cè)并將障礙物距離等信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)距離進(jìn)行馬達(dá)的不同頻率的區(qū)域性震動(dòng)，盲人手部區(qū)域性的感應(yīng)震動(dòng)告知盲人障礙物方位從而進(jìn)行躲避。語(yǔ)音播報(bào)模塊同時(shí)播報(bào)盲人前進(jìn)方向。夜晚行進(jìn)時(shí)，盲人可通過(guò)手部的單刀三擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行探照燈的開(kāi)關(guān)，從而提醒來(lái)往路人以及車(chē)輛，從而保證盲人夜晚出行安全。摔倒警報(bào)模塊由陀螺儀檢測(cè)傾角范圍從而將信號(hào)反饋給STM32 單片機(jī)，當(dāng)傾角滿足范圍時(shí)，摔倒警報(bào)便可工作從而向路人求助。收音機(jī)模塊可滿足盲人的日常休閑娛樂(lè)。

圖1 拐杖三模塊設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

主要包括導(dǎo)航模塊，語(yǔ)音模塊，雙定位模塊，探照燈收音機(jī)一體化等模塊的設(shè)計(jì)。

■2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊采用LD3320 一體化，帶有單片機(jī)和以及16 個(gè)IO 口，供電電壓5V，IO 口輸出高電平3.3V。該LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片采用的是ASR 技術(shù)，由LD3320 和單片機(jī)組成的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。該模塊的MCU 是選用了STC11L08XE 單片機(jī)[1]。用戶只需要把識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可以在下次識(shí)別中立即生效。每個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)可以是單字、詞組、短句或者任何的中文發(fā)音的組合。基于LD3320 的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以隨著使用流程，在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地更改關(guān)鍵詞語(yǔ)列表的內(nèi)容，這樣可以用一個(gè)系統(tǒng)支持多種不同的場(chǎng)景，同時(shí)也不需要用戶作任何的錄音訓(xùn)練。

■2.2 雙定位模塊

采用北斗，GPS 雙衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位，根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置，從而將坐標(biāo)信息傳遞給控制端的單片機(jī)模塊從而進(jìn)一步完善導(dǎo)航工作[2]。此雙定位模塊精度高，干擾較小，能夠較為準(zhǔn)確及時(shí)的確認(rèn)盲人具體位置，并為導(dǎo)航提供位置基礎(chǔ)。

■2.3 探照燈，收音機(jī)模塊

采用單片機(jī)進(jìn)行控制開(kāi)關(guān)，手動(dòng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)便可打開(kāi)把手處探照燈以確保盲人夜晚行進(jìn)安全[3]。收音機(jī)模塊采用T1與C-1 組成輸入電路形成中波信號(hào)，由單片機(jī)引腳進(jìn)入IC 進(jìn)行與本振信號(hào)的混頻，混頻后的差頻信號(hào)經(jīng)中周和陶瓷濾波器選頻后進(jìn)入IC 進(jìn)行中放，檢波，最后由引腳輸出，再經(jīng)四聯(lián)可變電容器完成耦合從而實(shí)現(xiàn)音頻放大，最后輸出至揚(yáng)聲器。二者共同由單片機(jī)控制，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，工作互不干擾。

■2.4 摔倒警報(bào)模塊

單片機(jī)模塊中六軸陀螺儀MPU6050，集成了3 軸MEMS 陀螺儀，3 軸MEMS 加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP[1]。由人工選擇原點(diǎn)并繞此點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)選擇一個(gè)平面，陀螺儀便可進(jìn)行這一平面內(nèi)的角度檢測(cè)，從而將信息反饋給中央控制系統(tǒng)單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到危險(xiǎn)傾角時(shí)，單片機(jī)由引腳發(fā)出模電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)引腳控制的蜂鳴器便可進(jìn)行發(fā)出聲源從而達(dá)到警報(bào)的作用。

■2.5 障礙物檢測(cè)、區(qū)域震動(dòng)模塊

在拐杖離地面一定高度分左、右、前三個(gè)方向各安裝一個(gè)超聲波發(fā)射源以及接收器，由控制端在以地面為底的空間直角坐標(biāo)系內(nèi)計(jì)算障礙物到達(dá)超聲波探測(cè)與發(fā)射器的距離，此時(shí)發(fā)射源便可發(fā)射超聲波探測(cè)前方是否存在障礙并將障礙物距離反饋給單片機(jī)[4][5]，信號(hào)發(fā)射時(shí)間為t，信號(hào)源在空氣中傳播速度為v，超聲波與地面夾角為?，通過(guò)計(jì)算公式s=（vt/2）＊cos ?便可計(jì)算距離。并且將此距離信號(hào)傳輸給單片機(jī)最小模塊引腳，通過(guò)己算輸出相應(yīng)適合的電機(jī)振動(dòng)輸出比。根據(jù)距離達(dá)到不同頻率的震動(dòng)相對(duì)探測(cè)裝置分三個(gè)方向，各個(gè)方向單獨(dú)震動(dòng)從而更好地提醒盲人障礙物的具體方位從而進(jìn)行躲避。

圖2

3 軟件設(shè)計(jì)及整體設(shè)計(jì)

■3.1 STC89C52 單片機(jī)控制板

此模塊采用STC89C52 單片機(jī)，擁有40 個(gè)引腳，功能覆蓋范圍廣，且是眾多單片機(jī)的基礎(chǔ)類(lèi)型。編程簡(jiǎn)易，耐受電壓范圍3.3v-5v。由P2 引腳控制探照燈的開(kāi)關(guān)，當(dāng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，單片機(jī)收到信號(hào)，P2.1 引腳便會(huì)控制led燈光的信號(hào)傳輸進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。P2.0 引腳控制電機(jī)振動(dòng)信號(hào)傳輸。通過(guò)P3 各引腳控制的超聲波測(cè)距測(cè)到的距離信號(hào)以及障礙物信號(hào)的及時(shí)反饋。將電流變頻信號(hào)傳輸給P2.0 引腳從而控制電機(jī)的分頻震動(dòng)。

■3.2 兩塊STM32 單片機(jī)控制板

手柄處的單片機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)控制探照燈，收音機(jī)模塊以及摔倒警報(bào)，三者可由盲人通過(guò)撥動(dòng)手柄處單刀三擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行功能的選擇性使用。拐杖手柄下方的的單片機(jī)控制板負(fù)責(zé)控制語(yǔ)音識(shí)別與播報(bào)，導(dǎo)航功能。導(dǎo)航具體詳細(xì)信息和語(yǔ)音識(shí)別反饋信號(hào)由拐杖桿部中上方部分的語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)將執(zhí)行操作的信號(hào)傳達(dá)給盲人。

圖3 單片機(jī)最小模塊

■3.3 地圖導(dǎo)航模塊

通過(guò)下載騰訊地圖，高德地圖等具有導(dǎo)航功能的地圖app，由STM32 單片機(jī)控制的LD3320 語(yǔ)音控制模塊作為開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)，盲人通過(guò)使用語(yǔ)音識(shí)別模塊打開(kāi)導(dǎo)航，并進(jìn)行語(yǔ)音輸入起始地和目的地，地圖導(dǎo)航模塊將會(huì)自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)路線并經(jīng)由語(yǔ)音播報(bào)將路線信息實(shí)時(shí)播報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)智能化導(dǎo)航。

■3.4 整體設(shè)計(jì)圖

整體設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

圖4 語(yǔ)音控制流程圖

4 總結(jié)

本發(fā)明在傳統(tǒng)的助盲拐杖基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能的改進(jìn)以及結(jié)構(gòu)外形的完善。實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性感應(yīng)震動(dòng)，通過(guò)三方位的超聲波探測(cè)完成電機(jī)的分頻震動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同方位的震動(dòng)并告知盲人障礙物具體方位和距離自己的距離。導(dǎo)航功能的添加實(shí)現(xiàn)了盲人活動(dòng)區(qū)域的放大化，自由化，使盲人不在拘束于自己所在的社區(qū)。智能語(yǔ)音識(shí)別功能通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)了功能完善智能化且語(yǔ)音識(shí)別功能也可作為導(dǎo)航功能開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航的開(kāi)關(guān)與否，二者相互結(jié)合。探照燈功能實(shí)現(xiàn)了盲人因夜色降臨而無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全行進(jìn)的問(wèn)題。收音機(jī)功能的添加豐富了盲人的休閑娛樂(lè)，且摔倒警報(bào)的使用實(shí)現(xiàn)了盲人外出摔倒，遇見(jiàn)危險(xiǎn)時(shí)能夠向路人求救這一理想。分模塊化的控制實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能聯(lián)系工作，與此同時(shí)各模塊可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作，也可通過(guò)三塊控制板進(jìn)行功能信號(hào)的聯(lián)系并完成協(xié)調(diào)工作，大大提高了導(dǎo)盲效率，同時(shí)也為盲人出行安全，和日常休閑娛樂(lè)提供了保障。