超聲波雷達技術在具有多情景模式功能拐杖中的研究應用*

楊成海 李思葵

摘 要：本文靈感來自汽車倒車雷達輔助功能（car reversing aid system），利用技術集成的方法，將市場上現有的技術產品進行有效組合，從而形成具有特殊功能的產品。通過對市場上現有的一些產品和技術進行技術整合，形成一套技術改造方案將是本文的最后研究成果。

關鍵詞：超聲波雷達； 多情景模式 ；功能； 拐杖

引言

根據WHO統計全世界有盲人4000萬到4500萬，低視力是盲人的3倍，約1.4億人。尚有25%的低視力患者需要低視力保健，如需配戴助視器使用拐杖及視覺康復儀等。世界衛生組織設在日內瓦的防盲和防聾規劃主任Thylefore博士指出；中國是全世界盲人最多的國家約750萬盲人，占全世界盲人口的18%。每年在中國失明增加約有45萬人，平均每天就增加1231人失明。這里科普一下，目前中國導盲犬的數量大概有100只，而每只成本在20萬左右。因此我們此項工作的宗旨是希望每一位蒼穹之下的盲人能夠像我們正常人一樣得到應有的尊重。

1研究對象

本文所對的人群是盲人，視力減退的老人。目的是使盲人，視力減退的老人增加獨立行走的安全性。用聽覺警示替代視覺的模糊與無效，即用倒車雷達探測障礙的原理附加在多元化的聲音上。由于盲人用“點地”方式行走，我們將雷達的探頭放置在拐杖的中上處，用于探測離開地面的障礙物。

通過多功能傳感器與機器雷達的融合技術，實現了機器準確判斷障礙物的位置。我們只有深入研究傳感器之間相互融合技術、傳感器與機器視覺的融合技術及相關算法，才能實現雷達更加精確地判斷障礙物的位置，實現靈活準確避障。

2系統構成

對目前已有的智能盲人拐杖產品（淘寶、京東、亞馬遜等主要購物網站）進行調研及性能分析比對，發現目前市場成熟產品暫無故障物檢測這項功能。調研可探測障礙物的智能拐杖的研究情況，發現此項技術和研究已經有人形成論文和試驗品，情景模式并不可調，目前沒有形成市場化的產品。我們首先使用的是HC-SR04超聲波測距模塊，但是其檢測功能并不讓人滿意。因此我們團隊在HC-SR04的基礎，重新使用了新版的HC-SR04-P，結果不錯，與AJ-SR04K測距模塊完美兼容，對障礙物有效識別較好。

2.1硬件參數

HC-SR04-P主要技術參數

1：使用電壓：DC5V.

2：靜態電流：小于2mA.

3：電平輸出：高5V

4：電平輸出：底0V

5：感應角度：不大于15度

6：探測距離：2cm-450cm

7： 精度：可達0.3cm

AJ-SR04K

板上接線方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、 out（空腳）、 GND模塊接收到串口觸發信號，每次輸出一幀，含4個8位數據.幀格式為：

0XFF+H_DATA+L_DATA+SUM

1、OXFF： 為一幀開始數據，用于判斷.

2、H_DATA： 距離數據的高8位.

3、L_DATA： 距離數據的低8位.

4、SUM： 數據和，用于效驗.其OXFF為開始偵不參與校驗，HDATA

+LDATA=SUM（僅低8位）.

5、H_DATA與L_DATA合成16位數據，即以毫米為單位的距離值.

2.2防水性測試

在試驗品的外觀設計上我們采用了較好的防水性性，我們在外殼表面采用了丙烯酸防水涂料，此材料是以純丙烯酸聚合物乳液為基料，加入其他添加劑而制得的單組份水乳型防水涂料。防水涂料經固化后形成的防水薄膜具有一定的延伸性、彈塑性、抗裂性、抗滲性及耐候性，能起到防水、防滲和保護作用。我們進行了防水防參透的實驗，如下：

1、把雷達傳感器在垂直于地面上的高度為1.5m，用1l的水潑無影響正常使用。

2、把雷達傳感器翻轉倒立在垂直于地面上的高度為1.5m，用1l的水潑無影響正常使用。

3、把雷達傳感器翻轉平放在地面上的高度為0.15m，用1l的水潑無影響正常使用。

4、經試驗液體由任何方向潑到密封的外殼下沒有傷害影響，具備4級防水功能，能在雨天使用。

2.3溫度性能測試

考慮到溫差對零件的影響，采用的零件是工業級MCU，擁有較好的溫度使用范圍，工作溫度：-20～80度。為保證雷達的可靠性，我們在韶關XX廠找來冰柜，測試雷達的耐冷性和耐熱性。測試溫度-30℃至90℃，觀察產品的反應變化，具體數據如表1。

結論：-17.8℃～79.5℃正常運行

2.4角度及位置參數測試

雷達的角度采用窄角的使用，避免出現探測角度過大，導致探測不準確，因此我們的雷達設定的探測角度為：<15度。對超聲波檢測裝置和傳感器進行拆解和研究，通過對其在不同檢測距離顯示不同顏色進行識別，從而可形成多種距離的播報情景模式。購買HC-SR04-P超聲波測距模塊、AJ-SR04K 雙頭一體化 5CM-800CM超聲波測距模塊等多個模塊進行播報的準確性、抗干擾能力、障礙物的有效識別、情景模式切換等性能的功能測試和研究。

在超聲波的測距模塊上中，測量位置選擇在兩側雷達基本相同的檔距中央且距交流線路外側導線的垂直投影6m處，逐漸向雷達傳感器靠近，雷達傳感器在地面上的高度均為1.5m，測量雷達的報距離數據的距離。為真實調查播報的準確性現狀，本次調查采用連續進行5次測量，每次測量1分鐘，取5次測量結果的平均值作為播報評價值。15條輸電線路的噪聲測量結果如表2。

3主要成果

我們團隊在HC-SR04的基礎，重新使用了新版的HC-SR04-P，結果不錯，與AJ-SR04K測距模塊完美兼容，對障礙物有效識別較好。

實現了檔位高低切換，在高頻率工作下的雷達能發揮最大的工作效率，距離更遠在機械電子產品的防水性、溫度性有較高的水平。

雷達的角度有很好的調試。

4結束語

本文為《雷達反射拐杖》（項目編號pdjh2017b0652）課題研究論文，該課題經費來自2017年“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金。本項目自立項以來，項目組成員共同努力克服重重困難，目前已經取得了滿意的成果。通過參與創新實驗，項目組成員的專業技能和項目開發能力得到了培養。同時也希望該研究成果能夠對盲人或有視力障礙的人士起到幫助。

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作者簡介：

楊成海（1979.04），男，漢，籍貫：江蘇省徐州市，職位：教師，職稱：高級工程師，學歷：碩士，研究方向：工業物無線網控制技術，社區供配電技術。

基金項目：廣東大學生科技創新“攀登計劃”項目編號： pdjh2017b0652