三模塊控制的助盲拐杖設(shè)計

周浩，呂俊燕，楊瑞青

（山東華宇工學(xué)院機械工程學(xué)院，山東德州，253000）

0 引言

日前，我國盲人數(shù)量居世界第一。不僅如此，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年盲人數(shù)量正以每年近45 萬人次的速度激增。不僅中國如此，全球盲人已經(jīng)達到了近5000 萬之眾，盲人出行問題也成為了不容忽視的問題。然而放觀全球，助盲產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度緩慢，各類助盲產(chǎn)品急需更新?lián)Q代，且目前助盲拐杖類產(chǎn)品不僅型狀結(jié)構(gòu)功能單一，而且價格昂貴，質(zhì)量不佳。極大的影響了盲人的日常生活、經(jīng)濟狀況以及出行問題?；诖祟惉F(xiàn)象，我們特研究設(shè)計一款能夠高效率完成導(dǎo)盲任務(wù)，在確保盲人正常行進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問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)有機結(jié)合，高效率解決盲人出行難問題，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。

1 總體設(shè)計方案

本產(chǎn)品由三塊單片機控制板進行控制，分模塊控制好處在于各模塊既能各自運行工作，也可協(xié)調(diào)統(tǒng)一共同運行，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。硬件部分包括語音識別、語音播報、雙定位模塊、探照燈、收音機模塊、摔倒警報模塊、障礙物探測模塊、區(qū)域震動模塊。軟件部分包括一塊STC89C52 單片機控制板，兩塊STM32單片機控制板、地圖導(dǎo)航模塊。

具體技術(shù)路線：盲人可以通過語音識別模塊打開地圖導(dǎo)航模塊，雙定位模塊進行位置定位，在行進過程中三個外置超聲波進行障礙物檢測并將障礙物距離等信息反饋給單片機，單片機根據(jù)距離進行馬達的不同頻率的區(qū)域性震動，盲人手部區(qū)域性的感應(yīng)震動告知盲人障礙物方位從而進行躲避。語音播報模塊同時播報盲人前進方向。夜晚行進時，盲人可通過手部的單刀三擲開關(guān)進行探照燈的開關(guān)，從而提醒來往路人以及車輛，從而保證盲人夜晚出行安全。摔倒警報模塊由陀螺儀檢測傾角范圍從而將信號反饋給STM32 單片機，當(dāng)傾角滿足范圍時，摔倒警報便可工作從而向路人求助。收音機模塊可滿足盲人的日常休閑娛樂。

圖1 拐杖三模塊設(shè)計圖

2 硬件設(shè)計

主要包括導(dǎo)航模塊，語音模塊，雙定位模塊，探照燈收音機一體化等模塊的設(shè)計。

■2.1 語音識別模塊

語音識別模塊采用LD3320 一體化，帶有單片機和以及16 個IO 口，供電電壓5V，IO 口輸出高電平3.3V。該LD3320語音識別芯片采用的是ASR 技術(shù)，由LD3320 和單片機組成的語音識別系統(tǒng)。該模塊的MCU 是選用了STC11L08XE 單片機[1]。用戶只需要把識別的關(guān)鍵詞語以字符串的形式傳送進芯片，即可以在下次識別中立即生效。每個關(guān)鍵詞語可以是單字、詞組、短句或者任何的中文發(fā)音的組合?；贚D3320 的語音識別系統(tǒng)可以隨著使用流程，在運行時動態(tài)地更改關(guān)鍵詞語列表的內(nèi)容，這樣可以用一個系統(tǒng)支持多種不同的場景，同時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)進行定位，根據(jù)高速運動的衛(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的方法，確定待測點的位置，從而將坐標信息傳遞給控制端的單片機模塊從而進一步完善導(dǎo)航工作[2]。此雙定位模塊精度高，干擾較小，能夠較為準確及時的確認盲人具體位置，并為導(dǎo)航提供位置基礎(chǔ)。

■2.3 探照燈，收音機模塊

采用單片機進行控制開關(guān)，手動撥動開關(guān)便可打開把手處探照燈以確保盲人夜晚行進安全[3]。收音機模塊采用T1與C-1 組成輸入電路形成中波信號，由單片機引腳進入IC 進行與本振信號的混頻，混頻后的差頻信號經(jīng)中周和陶瓷濾波器選頻后進入IC 進行中放，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現(xiàn)音頻放大，最后輸出至揚聲器。二者共同由單片機控制，數(shù)據(jù)傳輸準確，工作互不干擾。

■2.4 摔倒警報模塊

單片機模塊中六軸陀螺儀MPU6050，集成了3 軸MEMS 陀螺儀，3 軸MEMS 加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器 DMP[1]。由人工選擇原點并繞此點進行旋轉(zhuǎn)選擇一個平面，陀螺儀便可進行這一平面內(nèi)的角度檢測，從而將信息反饋給中央控制系統(tǒng)單片機，當(dāng)單片機檢測到危險傾角時，單片機由引腳發(fā)出模電信號，此信號經(jīng)引腳控制的蜂鳴器便可進行發(fā)出聲源從而達到警報的作用。

■2.5 障礙物檢測、區(qū)域震動模塊

在拐杖離地面一定高度分左、右、前三個方向各安裝一個超聲波發(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系內(nèi)計算障礙物到達超聲波探測與發(fā)射器的距離，此時發(fā)射源便可發(fā)射超聲波探測前方是否存在障礙并將障礙物距離反饋給單片機[4][5]，信號發(fā)射時間為t，信號源在空氣中傳播速度為v，超聲波與地面夾角為?，通過計算公式s=（vt/2）＊cos ?便可計算距離。并且將此距離信號傳輸給單片機最小模塊引腳，通過己算輸出相應(yīng)適合的電機振動輸出比。根據(jù)距離達到不同頻率的震動相對探測裝置分三個方向，各個方向單獨震動從而更好地提醒盲人障礙物的具體方位從而進行躲避。

圖2

3 軟件設(shè)計及整體設(shè)計

■3.1 STC89C52 單片機控制板

此模塊采用STC89C52 單片機，擁有40 個引腳，功能覆蓋范圍廣，且是眾多單片機的基礎(chǔ)類型。編程簡易，耐受電壓范圍3.3v-5v。由P2 引腳控制探照燈的開關(guān)，當(dāng)撥動開關(guān)，單片機收到信號，P2.1 引腳便會控制led燈光的信號傳輸進行開關(guān)操作。P2.0 引腳控制電機振動信號傳輸。通過P3 各引腳控制的超聲波測距測到的距離信號以及障礙物信號的及時反饋。將電流變頻信號傳輸給P2.0 引腳從而控制電機的分頻震動。

■3.2 兩塊STM32 單片機控制板

手柄處的單片機控制模塊負責(zé)控制探照燈，收音機模塊以及摔倒警報，三者可由盲人通過撥動手柄處單刀三擲開關(guān)進行功能的選擇性使用。拐杖手柄下方的的單片機控制板負責(zé)控制語音識別與播報，導(dǎo)航功能。導(dǎo)航具體詳細信息和語音識別反饋信號由拐杖桿部中上方部分的語音播報系統(tǒng)將執(zhí)行操作的信號傳達給盲人。

圖3 單片機最小模塊

■3.3 地圖導(dǎo)航模塊

通過下載騰訊地圖，高德地圖等具有導(dǎo)航功能的地圖app，由STM32 單片機控制的LD3320 語音控制模塊作為開關(guān)基礎(chǔ)，盲人通過使用語音識別模塊打開導(dǎo)航，并進行語音輸入起始地和目的地，地圖導(dǎo)航模塊將會自動規(guī)劃最優(yōu)路線并經(jīng)由語音播報將路線信息實時播報，從而實現(xiàn)智能化導(dǎo)航。

■3.4 整體設(shè)計圖

整體設(shè)計圖如圖5 所示。

圖4 語音控制流程圖

4 總結(jié)

本發(fā)明在傳統(tǒng)的助盲拐杖基礎(chǔ)上進行了功能的改進以及結(jié)構(gòu)外形的完善。實現(xiàn)了區(qū)域性感應(yīng)震動，通過三方位的超聲波探測完成電機的分頻震動，從而實現(xiàn)不同方位的震動并告知盲人障礙物具體方位和距離自己的距離。導(dǎo)航功能的添加實現(xiàn)了盲人活動區(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)。智能語音識別功能通過單片機進行控制實現(xiàn)了功能完善智能化且語音識別功能也可作為導(dǎo)航功能開關(guān)，實時進行導(dǎo)航的開關(guān)與否，二者相互結(jié)合。探照燈功能實現(xiàn)了盲人因夜色降臨而無法實現(xiàn)安全行進的問題。收音機功能的添加豐富了盲人的休閑娛樂，且摔倒警報的使用實現(xiàn)了盲人外出摔倒，遇見危險時能夠向路人求救這一理想。分模塊化的控制實現(xiàn)了各個功能聯(lián)系工作，與此同時各模塊可實現(xiàn)獨立工作，也可通過三塊控制板進行功能信號的聯(lián)系并完成協(xié)調(diào)工作，大大提高了導(dǎo)盲效率，同時也為盲人出行安全，和日常休閑娛樂提供了保障。