一種基于超聲波測距的導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田宇航+張旭東+陳志遠(yuǎn)+呂雪杰+曹珊珊

摘 要 針對市場上導(dǎo)盲系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)：成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能少、操作難度高，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)較好的導(dǎo)盲效果。本設(shè)計(jì)旨為盲人提供一種行走時，能準(zhǔn)確判別前方路況并及時躲避的智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控，具有GPS坐標(biāo)定位、GSM短信發(fā)送、超聲波避障、警報(bào)提示等多功能的智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)可以成功指導(dǎo)盲人提前躲避障礙物，獲取盲人位置信息，對保障盲人出行安全具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】智能避障 超聲波測距 GPS定位 STM32 語音導(dǎo)航

1 引言

盲人是指雙目失明或單目失明的人，不同于其他社會群體，他們由于先天或后天的生理缺陷而長期處于“黑暗”生活環(huán)境中，相比于正常人而言，他們的生活有許多不方便，不能準(zhǔn)確及時的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物是其中一個重要弊端之一。國際上歐美等發(fā)達(dá)國家和國內(nèi)少數(shù)家庭多采用導(dǎo)盲機(jī)器人或?qū)と瑢?dǎo)盲效果好但成本較高，難以普及。基于此，本文結(jié)合電子技術(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款以GPS定位、超聲波測距為主要功能的智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由超聲波測距單元、語音播報(bào)單元、GPS定位單元、信息收發(fā)單元、聲光報(bào)警單元及外圍電路構(gòu)成。采用STM32F106C8T6作為主控，主控在接收到超聲波測距的信息后，可以進(jìn)行語音提示，指導(dǎo)盲人避讓前方的障礙；通過GPS定位單元，定位用戶的位置并通過信息收發(fā)單元上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫；結(jié)合高德地圖接口，借助語音播報(bào)實(shí)時對用戶進(jìn)行GPS定位導(dǎo)航。同時考慮在夜晚能見度低時，由聲光報(bào)警單元提示來往行人和車輛主動避讓。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 核心控制模塊

本設(shè)計(jì)所選用的STM32F103C8T6單片機(jī)，是一款基于ARM Cortex架構(gòu)的中等容量增強(qiáng)型微處理控制器，擴(kuò)展48個GPIO口、FLASH 128KB、工作電壓：2V～3.6V。通過AD接口讀取超聲波測距單元數(shù)據(jù)、定時器復(fù)用PWM波控制電機(jī)的振動頻率、IIC協(xié)議控制語音播報(bào)單元、串口獲取GPS定位數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫、I/O接口控制聲光報(bào)警單元。

3.2 超聲波測距單元

根據(jù)超聲波測距原理，考慮到在實(shí)際使用過程中使用者可能會遇到正前方和腳下存在障礙物的情況，本設(shè)計(jì)在拐杖安裝兩個超聲波模塊分別測量前方和腳下障礙物的距離。HC-SR04超聲波測距模塊內(nèi)部集成超聲波發(fā)送接收和控制電路，具有接觸式距離感測功能，距離可達(dá)400cm，精度可達(dá)2mm，工作電壓：5V。

3.3 GPS定位及信息收發(fā)單元

GPS定位單元由GPS模塊USM-3N和GSM模塊組成， 通過AT指令獲取GPRMC類型數(shù)據(jù)，程序解析得到數(shù)據(jù)信息（包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等）。設(shè)置采樣間隔1S并將GPS坐標(biāo)通過GSM模塊實(shí)時發(fā)送服務(wù)器，家人使用APP訪問服務(wù)器以便于獲取盲人當(dāng)前的位置。APP界面示意圖如圖2所示。

3.4 語音播報(bào)單元

語音播報(bào)單元使用SYN6288中文語音芯片。此芯片用SSOP28L貼片封裝，具有很多優(yōu)點(diǎn)：較簡單硬件接口資源、低功耗、音色清涼圓潤。主控對接收到的超聲波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給語音模塊，語音模塊根據(jù)對應(yīng)的指令進(jìn)行語音播報(bào)（包括時間和溫度）。

3.5 聲光報(bào)警單元

該單元除用語音播報(bào)警示外還添加了人性化的光控制LED燈示警系統(tǒng)，為方便于在夜晚時提醒路過的車輛和行人主動避讓盲人。依據(jù)光敏電阻的特性控制LED燈開關(guān)，LED燈閃爍引起周圍人員注意。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）通過IIC協(xié)議獲取MPU6050數(shù)據(jù)，并通過卡爾曼濾波函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合，獲取歐拉角，測試數(shù)據(jù)時通過串口發(fā)送至上位機(jī)，獲取姿態(tài)角數(shù)據(jù)。

（2）通過模擬信號協(xié)議獲取兩個超聲波收發(fā)模塊HC-SR04數(shù)據(jù)，通過使能T1定時器的PWM的輸入捕獲，復(fù)用通道1和通道2進(jìn)行PWM輸入捕獲，獲取高低電平時間，從而計(jì)算出探測距離。

（3）通過STM32接收到的UM220-III_GPS模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，對比程序查表信息并讀出地理名稱數(shù)據(jù)，發(fā)送給GSM進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫通過高德地圖接口，獲取相應(yīng)的導(dǎo)航信息，再發(fā)送至單片機(jī)，進(jìn)行語音模塊播報(bào)。

（4）通過STM32的串口1發(fā)送位置數(shù)據(jù)至GSM模塊。

（5）通過I/O口的輸入捕獲，獲取人體傳感器HC-SR501模塊的輸出數(shù)據(jù)，判斷是否有人在使用智能拐杖。

（6）控制T2定時器的PWM輸出產(chǎn)生，復(fù)用通道1和通道2進(jìn)行PWM輸出，控制電機(jī)的不同強(qiáng)度的振動，以便于障礙物檢測的提醒。

算法流程圖詳如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPS導(dǎo)航、超聲波測距、語音播報(bào)的智能導(dǎo)盲預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對盲人前方道路上的障礙物進(jìn)行距離探測并把障礙物距離信息轉(zhuǎn)換成語音提示， 盲人可以根據(jù)提示音避讓障礙；通過姿態(tài)數(shù)據(jù)解算判斷盲人是否摔倒，當(dāng)盲人摔倒時，GPS定位盲人位置，并將位置信息和報(bào)警消息發(fā)送給親人和當(dāng)?shù)氐木茸o(hù)中心。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)滿足導(dǎo)盲的實(shí)際需求，效果理想，且成本低、性價比高，具有良好的市場應(yīng)用前景。

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作者簡介

田宇航（1995-），男，河北省張家口人。現(xiàn)為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在讀本科生。

作者單位

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北省保定市 071000