一種智能導盲杖的設計

高尚尚 唐靜

摘 要：為了幫助盲人更好地獨立行走與生活，在傳統導盲杖的基礎上，以單片機為控制核心，利用光感技術和三角形測距技術，改進設計出一款智能導盲杖。在傳統導盲杖的基礎上，對三個部分進行了改進，分別是手柄的設計、杖身的設計和越障輪的設計，以此來切實保障盲人出行的安全。在保留傳統導盲杖基礎功能的基礎上，智能導盲杖可以更人性化地改善盲人的生活質量。

關鍵詞：導盲杖；單片機技術；紅外探測器

中圖分類號：TH789 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0025-02

Abstract： In order to help blind people walk and live independently， an intelligent blind guide rod is designed based on the traditional guide rod， using single chip microcomputer as the control core， using light sensing technology and triangle ranging technology. On the basis of the traditional guide rod， three parts are improved， namely， the design of the handle， the design of the staff body and the design of the obstacle wheel， so as to ensure the safety of the blind travel. On the basis of retaining the basic function of the traditional guide stick， the intelligent guide rod can improve the quality of life of the blind more humanized.

Keywords： blind guide rod； single chip microcomputer technology； infrared detector

盲人作為社會中的特殊群體，需要這個社會更多的關懷和幫助[1]。目前我國有超過1400萬的盲人，隨著社會智能化的不斷發展，僅僅是一根傳統導盲杖已經遠遠不能滿足盲人的出行需求了[2]。智能導盲杖利用智能手機與傳統拐杖相結合的優勢，可以使盲人的生活更便捷、出行更安全。

1 結構設計和控制方案

智能導盲杖在結構上包括手柄、杖身和越障輪三部分。越障輪上安裝的紅外線發射器對前方的道路狀況進行檢測，再通過控制系統處理，最后由語音模塊輸出語音信息來告訴盲人周圍的路況。

1.1 手柄的設計

手柄上增加了控制面板，有多項功能：（1）控制面板里包含GPS定位系統。（2）控制面板里包含報警系統。（3）面板兩側增添了防滑橡膠。（4）面板前端安置了反光板。（5）面板上還有娛樂設置，能夠進行音樂播放、收音機播放等功能。手柄的結構示意圖如圖1所示。

智能導盲杖在傳統導盲杖的基礎上增加了手柄上的控制結構，所述控制結構包含控制面板、GPS功能、防滑橡膠結構和反光板。增加了控制面板結構，能夠讓盲人在遇到危險情況時進行緊急呼叫，通過GPS功能實現與家人間的位置信息共享，幫助家人及時了解盲人所在位置。同時增加了娛樂設置，能夠利用音樂播放、收音機播放等功能，幫助盲人放松身心，享受生活。同時，考慮到盲人的出行安全，在手柄側面設計了防滑橡膠結構，在前面位置設計了反光面板，提示行人車輛注意盲人。反光板固定在正前方，用來提醒前方行人或車輛注意盲人，防滑橡膠結構固定在兩側，用來防止盲人脫手還增強了盲人觸摸的手感以便于更好的找到手把的位置，最上方后側的大按鈕是呼救按鈕，按下之后會自動進行呼救，內置GPS定位系統，時刻記錄著盲人的去向，此外還有音樂播放器，收音機等功能，用來幫助盲人放松心情。

1.2 杖身的設計

杖身結構采用可嵌套式伸縮結構，共分為三節，每節之間利用螺紋結構連接，設計了防拖出結構，長度調節主要依靠一、二節之間的調節結構實現。杖身的結構如圖2所示。

其連桿結構原理是：把幾根桿狀物用一定的方式連接起來，中間有鉸節，滑動連接等，使它們在特定的范圍按設定的動作運動。各桿的長短，鉸接的位置，滑套滑動的距離，事先計算好以實現伸縮和防脫出。一、二節的調節是最下面的桿子和中間的桿子的調節，用來實現導盲杖的長度。

1.3 越障輪的設計

智能導盲杖增添了越障輪結構，輪子兩端采用紅外發射與接收結構進行測距，不但能夠識別障礙物，更能提示障礙物間的寬度。同時，通過輪子的滾動，盲人能夠直觀的感覺到路面的起伏等信息。

滾輪組件包括兩個滾輪本體（1）、固定軸（2）、CCD檢測器（3）和紅外發射器（4），兩個滾輪本體（1）關于固定軸（2）對稱可旋轉地設置在固定軸（2）上，固定軸（2）的一端固定有CCD檢測器（3），另一端固定有紅外發射器（4）。

2 三角形測距原理的應用

智能導盲杖采用了紅外線發射器和CCD接收器來對物體進行測距。其核心原理是三角形測距原理。該紅外線發射器安裝在三角形的一角，實現自身與測量物體之間的距離。被測量的物體需要具有漫反射之類的反射體。如石頭、樹木等[3]。三角形測距的主要思想是把發射端和接收端放在輪子的軸上，相當于三角形的底邊，然后被測物體相當于三角形的頂端。紅外線發射器會按照設定好的角度α發射紅外線，當發射的紅外線碰撞到障礙物體時就會被反射到CCD的檢測板上。在CCD的中心位置有一個偏移量L，伴隨著探測器與被測物體之間的距離D，偏移量L會隨著D的變化而變化。根據三角形之間的關系，在知道了發射角度α，中心距X，偏移量L以及濾鏡的焦距f的情況下，可以利用公式把自身與被測物體之間的距離D計算出來[4]。我們把紅外線發射器固定在輪子一側，紅外線發射的發射角度α，中心距X，偏移量L以及濾鏡的焦距f為常數，故被測物體的距離D只與反射光線在CCD上的偏移量L有關。所以被測物體的距離D和反射光線在CCD上的偏移量L存在一定的比例關系，即發射器的電壓信號與被測物體的距離D有函數關系。通過監測紅外線發射器的輸出電壓，并對其進行采集、分析和運算，就可以得到自身與被測物體表面的距離D。

3 系統運行的流程

控制系統的核心是單片機控制運行，其具有數字輸入/輸出端口和模擬輸入/輸出端口。其中模擬端口可以監測到紅外線發射器發出的模擬電壓信號，然后根據D/A轉換器轉換，通過內部的公式計算出當前自身距離被測物體的距離，然后再根據所得到的距離進行判斷，最后根據系統的判斷決定是否做出語音播報。

控制系統的工作流程簡述如下：紅外線發射器檢測路況，經過D/A轉換成對應的距離信號，單片機系統進行處理和距離判斷，若距離小于安全設定值，語音模塊輸出語音信息提醒盲人；若距離不小于設定值，繼續紅外線檢測。

4 結束語

智能導盲杖選用單片機作為核心處理系統，采用了紅外線發射器來測量物體與盲人之間的距離，并結合語音模塊來告知盲人前方是否有障礙物，可以有效地幫助盲人安全、高效率地行走。經過電路上的測試后，進行了多次模擬實驗。在100平方米的樹林里，樹與樹之間的間隔大約有5米，然后進行盲人測試。通過測試，測試人員沒有一次撞倒樹木。根據多次測試，更加驗證了該導盲杖的可行性與可靠性。

參考文獻：

[1]楊國建，石秀娟，潘鴻雁，等.基于spce061的智能盲人導航系統[J].工業控制計算機，2010，23（3）：93-94.

[2]許麗，曹勝男，唐立偉.基于AT89c51的智能手杖設計與實現[J].太原師范學院學報，2009，8（4）：66-69.

[3]林小倩，林斌，潘泰才.基于CMOS單點激光三角法測距系統設計[J].光學儀器，2006，28（2）：27-30.

[4]李曉天，張鐵強，張勝勇，等.基于激光三角法的小物體尺寸測量及三維重構系統[J].光學儀器，2008，30（6）：21-26.

[5]劉顏.基于DPS的移動機器人控制系統設計與避障算法的實現[D].北京：北京交通大學，2007.