無人智能小車導盲系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳曉，陳志杰，杜燦誼，吳勁，龔永康

（廣東技術(shù)師范大學汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510665）

0 引言

目前，我國存在視力障礙的人數(shù)位列世界前茅，政府關(guān)愛視力障礙人群，設(shè)置了全世界長度最長、分布最廣的盲道，但日常生活中我們卻很少看到他們走在盲道上。原因在于行人道上，到處有橫跨盲道的電線桿、斜拉線、廣告牌、共享單車等，這些無疑成為了盲人的“無影殺手”[1-2]，大部分盲人依靠盲杖根本不敢走出家門，盲人出行安全一直是社會難以解決的問題。

針對以上問題，筆者設(shè)計了一種無人智能小車導盲系統(tǒng)。本系統(tǒng)以STM32單片機為主控核心，運用智能小車、定位模塊、光電對管模塊、藍牙通信模塊等相關(guān)模塊，結(jié)合App Inventor軟件、高德地圖開放平臺等，借助盲人手中的智能導盲APP，通過雙聲道耳機的語音播報來引導盲人走向目的地。該系統(tǒng)為盲人提供一種出行輔助設(shè)備，從而提高出行安全性，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 無人智能小車導盲系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括五大板塊，分別為定位板塊、避障板塊、方向角板塊、藍牙通訊板塊、人機交互板塊。定位模塊可定位小車的位置，方向角板塊可計算出小車當前的朝向，這些數(shù)據(jù)通過藍牙通訊傳輸至導盲App，App端通過高德地圖API組件實現(xiàn)目的地路徑的自主規(guī)劃。系統(tǒng)對實時性要求比較高，因此，本設(shè)計選擇處理速度快的STM 32F103作為主控芯片。其他外設(shè)主要為光電對管模塊、L298N電機驅(qū)動等。人機交互中的語音板塊使用百度大腦AI開放平臺，使用者喚醒手機App，通過語音輸入目的地地址，App便可精準識別并播報。高德地圖API根據(jù)語音輸入的目的地內(nèi)容，實現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃。使用者根據(jù)語音提示可跟蹤小車行走，最終到達目的地。整體設(shè)計原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計原理框圖

2 無人智能小車導盲系統(tǒng)硬件設(shè)計

導盲系統(tǒng)硬件部分主要包括供電部分、無線通訊部分、驅(qū)動部分和外設(shè)部分。供電部分為其他三大部分提供電源，無線通訊部分負責小車與手機App之間，即下位機與上位機之間的連接。驅(qū)動部分將利用11.1V鋰離子電池提供的電源驅(qū)動兩個直流減速電機工作，達到行駛目的。外設(shè)主要包括用于定位的GPS-BDS雙模模塊、電子指南針模塊以及用于避障的光電對管模塊。硬件設(shè)計框圖如圖2。

圖2 硬件設(shè)計框圖

2.1 供電硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，供電電源采用DC-11.1V鋰離子聚合物電池，該電源通過LM 2596S DC-DC可調(diào)降壓芯片將11.1V電壓轉(zhuǎn)換成適合STM 32F103主板使用的5V電壓。STM 32F103主板上設(shè)有5V電壓接口，可給眾多外設(shè)供電，包括供給GY-26電子指南針、光電開關(guān)E18-D80NK、GPS-BDS雙模定位模塊、HC-05藍牙模塊。

2.2 無線通訊設(shè)計

導盲系統(tǒng)無線通訊部分使用藍牙模塊HC-05進行上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳遞[3]。此設(shè)計中用到HC-05四個引腳，分別為電源正極引腳VCC、電源線負極引腳GND、信號發(fā)送引腳TX，信號接收引腳RX。

2.3 電機驅(qū)動設(shè)計

直接用STM 32F103上的電源給直流減速電機供電不足以驅(qū)動電機工作。因此，在本設(shè)計中使用L298N模塊驅(qū)動兩個直流減速電機[4]。L298N驅(qū)動能力強、發(fā)熱量低、抗干擾能力強，使用大容量濾波電容和續(xù)流保護二極管，可以提高設(shè)備可靠性。

2.4 外設(shè)設(shè)計

（1）主控芯片。導盲設(shè)備的外設(shè)都掛載在主控芯片上，本設(shè)計選用STM 32F103RCT6作為主控芯片，該芯片體積小、功耗低，廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備、自動化控制、安全檢視等，非常適合作為本設(shè)計的主控芯片。（2）光電開關(guān)。光電開關(guān)在本設(shè)計中的作用為實現(xiàn)避障[5]。智能小車在行駛過程中，不可避免會遇到各種障礙物，光電開關(guān)可以即時檢測到障礙物，系統(tǒng)依據(jù)寫好的避障程序，讓小車即時完成避障反應(yīng)，防止碰撞。本設(shè)計選用型號為E18-D80NK的光電傳感器，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。該傳感器檢測距離可調(diào)節(jié)，具有探測距離遠、受可見光干擾小等特點。（3）指南針模塊。GY-26是一款低成本平面數(shù)字羅盤模塊。此羅盤以RS232協(xié)議及IIC協(xié)議與其他設(shè)備通信。該產(chǎn)品精度高，穩(wěn)定性高，并具有重新標定的功能，能夠在任意位置得到準確的方位角。其輸出的波特率是9600bps，數(shù)據(jù)以詢問方式輸出，具有硬鐵校準功能和磁偏角補償功能，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。（4）雙模定位模塊。GPS-BDS雙模定位模塊采用的芯片為ATGM 336H-5N。ATGM 336H-5N系列模塊是高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊系列的總稱。ATGM 336H-5N系列芯片具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢，適用于車載導航、手持定位、可穿戴設(shè)備。因此，本設(shè)計選用該型號芯片，主要功能是給智能小車定位，獲取經(jīng)緯度信息后經(jīng)過主控芯片的數(shù)據(jù)解析將信息反饋給手機App端，并在手機App的地圖中進行定位[6-7]。

3 無人智能小車導盲系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計分為下位機設(shè)計和上位機設(shè)計兩部分。下位機部分為智能小車的軟件設(shè)計，上位機部分為智能導盲App的設(shè)計。下位機中，實現(xiàn)障礙物的躲避、GPS的定位、電子羅盤方向角的識別、電機的運動等功能。其程序使用MDK5軟件編寫，編程語言為C語言；上位機中，實現(xiàn)語音的識別、目的地路徑的自主規(guī)劃、語音播報、小車位置顯示等功能，使用軟件為App Inventor，采用圖形化編程的方式。

3.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序采用模塊化程序設(shè)計的方式，將一個大程序按照功能劃分為若干小程序模塊，每個模塊完成一個確定的功能，并在這些功能模塊之間建立必要的聯(lián)系，通過模塊的互相協(xié)作最終完成整個功能的程序設(shè)計。在下位機設(shè)計當中，主要應(yīng)用到兩個編程軟件，分別為STM 32CubeMX和MDK5。下位機程序設(shè)計思路如圖3。

圖3 下位機程序設(shè)計思路

3.2 上位機程序設(shè)計

上位機程序設(shè)計內(nèi)容為制作一款智能導盲App，其功能有藍牙通訊、定位、坐標轉(zhuǎn)換、路徑規(guī)劃、定位方向角、語音播報等。手機App端能夠通過藍牙通訊獲得小車所在位置的經(jīng)度和緯度、小車當前的方向角、小車方向角與手機方向角的偏差并將這些信息顯示在手機用戶界面上。App具備語音喚醒、語音提示、語音播報等功能，方便對該系統(tǒng)的操作。同時設(shè)置手動控制智能小車功能，例如出發(fā)、停止指令[8]。App整體邏輯關(guān)系見圖4。

圖4 App邏輯關(guān)系示意圖

4 無人智能小車導盲系統(tǒng)實車測試

開啟電源，小車進入初始化狀態(tài)，等待GPS獲得位置信息并識別小車的方向角，打開導盲系統(tǒng)軟件App，藍牙自動實現(xiàn)小車與App匹配通訊。手機App上顯示和播報小車方向角、小車經(jīng)度、小車緯度、方向角偏差等信息。按住語音按鈕，語音輸入目的地位置，小車將進行路徑規(guī)劃并且在App界面中顯示，語音輸入“出發(fā)”，小車按照路徑規(guī)劃的方向行駛；當語音輸入“停止”，小車停下。智能導盲系統(tǒng)App的路徑規(guī)劃示意圖如圖5。

圖5 導盲系統(tǒng)App路徑規(guī)劃示意圖

5 結(jié)語

實際測試顯示，筆者設(shè)計的這套無人智能小車導盲系統(tǒng)，能實現(xiàn)語音識別、語音播報、定位、路徑規(guī)劃、聽聲辨位等功能，有助于解決盲人出行難的問題。