基于STM32 的智能電子導盲犬的設計

蔣志偉

（南京醫科大學康達學院，江蘇 連云港 222000）

我國目前盲人數量已經達到1700 多萬，盲人作為一個特殊的社會群體，需要人們給予特殊的照顧。為了方便盲人的出行人們發明了多種方法，傳統的如盲杖，它的作用一是試探前方的路面是否有障礙物或坑洼，二是通過敲擊地面發出聲音，提醒路人注意避讓。另一種是導盲犬，導盲犬是一種經過特殊訓練的犬，可以引導路人行走、躲避道路危險情況，是目前最理想的輔助盲人行走的方法。但犬類雖多，適合作為導盲犬的犬種很少，能訓練成為合格導盲犬的就更少，通常一只導盲犬要經過長時間的特殊訓練，價格昂貴。

為了方便盲人，運用現代電子和計算機技術，人們開發了多種幫助盲人出行的產品，主要包括以下幾種：

（1）電子導盲器。在早期的導盲工具設計中較常見，這種導盲器的結構比較簡單，盲人可以直接手持，它以單片機為控制核心，包含多個超聲波測距模塊，可以探測各個方向的障礙物，通過語音播報各個方向的障礙物情況[1]。

（2）電子導盲杖。電子導盲杖具有傳統盲杖的外觀，通常采用單片機作為主控，集合超聲波傳感器、震動模塊、語音播報模塊、GPS 導航定位模塊等部分構成，具有路線規劃、障礙探測、震動報警、語音提示等功能，有的還具有LED 燈和光敏電阻，用于在夜間發出光亮，提醒路人注意避讓[2]。

（3）導盲機器人。導盲機器人通常具有自主行走，同時探測路面障礙等功能，結構主要包括超聲波傳感器、主控模塊和語音及藍牙模塊，原理是盲人佩戴藍牙耳機，電子導盲小車實時探測周圍情況然后將路面情況通過語音傳給盲人[3]。

（4）穿戴式導盲器。這種導盲器的明顯特點是可以穿戴在盲人身上，系統通常采用超聲波模塊，灰度模塊，語音模塊，高清攝像頭等。灰度模塊用來檢測紅綠燈，用攝像機采集圖像并通過識別算法識別斑馬線和盲道[4]。

（5）手機語音導盲。這是一種較新的技術，它是利用隨身攜帶的Android 手機實現導盲的工具，在手機上安裝APP 來采集圖像，利用圖像識別的方法來識別盲道和障礙物，通過手機語音播報前方障礙物情況，有的還可以根據手機定位和輸入目的地實現路線規劃功能[5]。

電子導盲器的種類較多，但具有實用性和價格優勢的較少，本設計旨在結合各種方案的優點和長處，設計開發一種具有較好實用性的導盲用機器人，使之滿足使用者的需求同時又具有一定的經濟效益。

1 整體設計

系統的整體設計包括機械結構設計、硬件電路設計和軟件設計。

1.1 機械結構設計

導盲犬的機械結構關系到行走的穩定性、可靠性、實用性以及能否很好的完成探測和躲避障礙物的功能的實現。導盲犬的結構我們采用三輪小車的設計方案，三輪小車具有很好的轉向能力，地形適應能力和牽引力，我們在原有的三輪小車的基礎上，加寬加大小車的車體結構，使之具備更好的載重能力，能夠容納更多的設備，包括動力電池，紅外避障設備，超聲波避障設備，控制電路等。同時我們還加大車輪的尺寸，并采用摩擦力更大的輪胎，使車的通過性能更好。

1.2 電機和供電系統

因為我們采用了更大直徑的車輪，所以我們使用了更大功率的電機，同時電源部分我們采用12V20Ah 鉛酸蓄電池以儲存更多的電能，同時可以顯著降低使用成本，更好的滿足用戶的需要。同時我們重新設計了電源供電電路。供電電路的設計要求包括：①滿足電機的供電要求；②提供5V 電壓提供控制電路工作；③為外圍模塊提供電源。

2 硬件設計

我們采用STM32F407 單片機作為主控，將主控板、蓄電池、供電電路、超聲波模塊、紅外傳感器模塊和語音識別模塊一同安裝在小車上，構成整個硬件系統。

2.1 STM32 系列微控制器是意法半導體開發的嵌入式處理器，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式的應用而設計。

我們采用stm32f407 微控制器，它具有多達1MB FLASH、64kB SRAM、168MHz 主頻、12 位ADC、高速USART，滿足本項目的設計開發需要。

2.2 目前超聲波測距方法已經很成熟，我們采用了3 個超聲波模塊，分別安裝在小車的左中右測方向，探測各個方向是否存在障礙物。

超聲波測距模塊的工作原理是通過串口觸發測距，在此模式下對模塊發送0x55（波特率9600），模塊便可發出8 個40kHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過管腳輸出給STM32。輸出的距離值共兩個字節，第一個字節是距離的高8 位（HDate），第二個字節為距離的低8 位（LData），單位為毫米。即距離值為（HData*256+LData）mm。

2.3 紅外傳感器檢測原理

紅外發射和接收對管可以檢測檢測路面是否有凹陷，將其安裝在車底板上，可以調節模塊電阻值來改變有效測量距離。當紅外線照射到平坦路面并反射時，接收管導通，信號經過電壓比較器LM393 的整形后，輸出低電平至處理器的通用IO 端口。反之，路面有凹陷，則輸出高電平。

2.4 語音識別和控制

目前語音識別模塊的應用相當廣泛，語音模塊能夠完成語音的識別和聲音播放，因此采用了LD3320，此芯片能夠在語音識別和聲音播放模式之間切換。主設備STM32 通過SPI 總線對從設備LD3320 完成初始化工作并將語音模塊預設為語音識別模式。在語音識別進程中STM32 檢測LD3320 的LD_IRQ 是否有識別結果輸出，當LD_IRQ=1 時，STM32 通過讀取LD3320 的寄存器而得到識別結果。

圖1 硬件系統結構示意圖

3 軟件設計

軟件系統的開發關系到系統的功能能否實現，以及人機交互的舒適性和便利性，我們采用了UCOSIII 嵌入式操作系統。UCOS 是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器。我們在UCOS 操作系統的基礎上加入超聲波測距模塊、紅外測距避障模塊等的驅動程序，并結合本設計要求對操作系統進行了一些裁剪，使之更好的適應本設計的要求。

我們首先將UCOSIII 移植到STM32F407 系統板，然后在UCOSIII 中先建立一個開始任務，再在開始任務中創建4 個任務，分別是語音識別和播報任務、超聲波測距任務、紅外傳感器任務和電機控制任務，語音識別和播報任務的作用是識別語音指令，如左轉、右轉、前進、停止等，語音播報任務負責播報前方障礙物和路面情況，如前方路面坑洼，左側有障礙物等；超聲波測距任務負責探測左中右3 個方向的障礙物情況，紅外傳感器任務負責探測路面坑洼情況，并通過信號量傳遞給其他任務；電機控制任務根據路面情況和指令控制電機的行走路徑和轉動方向。各個任務由UCOSIII 進行時間片輪轉調度，保證各個任務的運行時間。

對系統各個部分的設計完成后，我們對整個系統的功能進行了調試和完善。之后我們會選擇一部分測試者對我們的設計進行試用，根據測試者提出的功能要求和建議進行進一步的改進。

圖2 軟件系統結構示意圖

4 結論

我們采用STM32 微控制器，設計了一款實用新型機器導盲犬，除了具備基本的導盲功能外，還具備以下的創新優勢：①采用多種方式識別前方障礙物，包括超聲波測距模塊、紅外測距避障模塊，保證躲避障礙物的可靠性；②采用具有語音識別功能的模塊，實現一定程度的人機交互，包括行走、停止、左轉、右轉等，同時通過語音播報前方障礙物情況。

我們的設計具備一定的實用性，期待能夠對解決盲人出行困難提供一些幫助。