智能導(dǎo)盲拐杖設(shè)計(jì)

付主木，陳曦，王櫟陽，司鵬舉

(河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471023)

0 引言

據(jù)《中國醫(yī)藥報(bào)》報(bào)道：“全世界視力殘疾者的總數(shù)為1.6億左右，其中5 000多萬為盲人，其余為低視力者；我國是全世界盲人最多的國家，全國盲人總數(shù)已超過1 300萬，占全球總數(shù)的1/4，現(xiàn)在我國每年大約有100萬人失明，這意味著幾乎每半分鐘就會(huì)增加一名盲人。如果按照目前的趨勢(shì)發(fā)展下去，到2020年，我國盲人將增加4倍”。500萬盲人，占世界盲人的18%。面對(duì)如此龐大的盲人群體，傳統(tǒng)導(dǎo)盲方式的弊端日益突顯[1]。盲人出行面臨著障礙物感知難、安全系數(shù)低、無法識(shí)別目的地路徑等問題。此外，有關(guān)導(dǎo)盲產(chǎn)品的國外市場(chǎng)也對(duì)此缺乏研究，相關(guān)市場(chǎng)幾乎為空白；國內(nèi)的導(dǎo)盲市場(chǎng)是較為新型的市場(chǎng)。因此，盲人對(duì)智能導(dǎo)盲拐杖的需求迫在眉睫[2]。

1 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案

針對(duì)盲人出行的障礙物感知難、安全系數(shù)低、無法識(shí)別目的地路徑等問題，本文設(shè)計(jì)了智能導(dǎo)盲拐杖。該拐杖可以使盲人無觸碰感知障礙物位置；當(dāng)盲人長時(shí)間處于跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，拐杖能夠自主向路人呼救，并將位置發(fā)送給家人；拐杖還能控制手機(jī)為盲人提供常去地導(dǎo)航；夜晚時(shí)能夠打開閃燈提示路人及車輛注意。智能導(dǎo)盲拐杖功能模塊圖如圖1所示。核心控制器采用STM32單片機(jī)，障礙物定位系統(tǒng)通過超聲波探測(cè)障礙物，探測(cè)到障礙物后，可通過反饋感知系統(tǒng)的震動(dòng)來通知盲人。警報(bào)系統(tǒng)通過陀螺儀姿態(tài)解算來判斷盲人是否跌倒，并可以發(fā)出警報(bào)。如果盲人跌倒，可通過GPS和SIM800分別進(jìn)行位置定位和位置信息發(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)呼救系統(tǒng)吸引路人注意。拐杖可通過藍(lán)牙與手機(jī)APP通信，進(jìn)行常去地導(dǎo)航。

圖1 智能導(dǎo)盲拐杖模塊圖

1.1 障礙物感知系統(tǒng)

障礙物的探測(cè)采用HC-SR04超聲波模塊，此模塊性能穩(wěn)定，測(cè)量距離精確，模塊精度高，盲區(qū)小。該模塊采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，需要至少10μs的高電平信號(hào)，且模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，并檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[3]。測(cè)試距離等于(高電平時(shí)間×聲速(340m/s))/2。 當(dāng)檢測(cè)到有障礙物時(shí)，超聲波會(huì)返回障礙物的距離信息，并通過拐杖手柄處的震動(dòng)裝置將信息反饋給盲人，震動(dòng)次數(shù)為1代表距離為1m內(nèi)，為2則為1～2m內(nèi)，以此類推可以檢測(cè)到5m內(nèi)的障礙物信息[4]。

1.2 危險(xiǎn)求救系統(tǒng)

本文采用陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)的解算，采用GPS進(jìn)行位置的確定，利用SIM800進(jìn)行信息的發(fā)送。拐杖通過采集固定在其內(nèi)部的陀螺儀姿態(tài)，根據(jù)卡爾曼濾波解算出歐拉角并以此來判斷拐杖的姿態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到的俯仰角>75°并且這一角度保持超過30s，則會(huì)發(fā)出有間隔的警報(bào)，提醒盲人是否放置拐杖時(shí)未關(guān)閉；如果10s后仍未關(guān)機(jī)且俯仰角仍>75°，則判定盲人跌倒且無法自己站立。此時(shí)則長時(shí)間發(fā)出警報(bào)吸引路人注意，同時(shí)拐杖上的SIM800會(huì)通過GPS模塊獲得此時(shí)位置信息，并將位置信息編輯成短信發(fā)送給家人，使家人及時(shí)了解危險(xiǎn)，并做出處理[5]。家人手機(jī)APP中接收到消息后會(huì)觸發(fā)提示音并顯示盲人位置。

陀螺儀型號(hào)為MPU6050，MPU-6000(6050)的角速度全格感測(cè)范圍為±250 °/s、±500 °/s、±1 000 °/s與±2 000 °/s(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且用戶可程式控制的加速度全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g與±16g[6]。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的IIC或最高達(dá)20MHz的SP(MPU-6050沒有SPI)。MPU-6000可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為(2.5±5%)V、(3.0±5%)V或(3.3±5%)V，邏輯接口VDDIO供電為(1.8±5%)V(MPU6000僅用VDD)。MPU-600的包裝尺寸為4mm×4mm×0.9mm(QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。

采用的GPS型號(hào)為NEO-7M，它是NEO-6M的升級(jí)版。采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能；自帶MINIUSB接口，使用普通數(shù)據(jù)線即可調(diào)試GPS模塊，不再需要使用USB-TTL等工具；增加EEPROM存儲(chǔ)芯片，設(shè)置參數(shù)等信息自動(dòng)存儲(chǔ)，掉電后配置自動(dòng)保存，無需重新設(shè)置；板載MAX2659信號(hào)放大芯片，搜索能力更強(qiáng)[7]。

信息發(fā)送模塊選擇SIM800模塊，此模塊采用了SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)四頻850/900/1800/1900MHzSIM800芯片，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸；可以適用于短信監(jiān)控二氧化氮、煙霧報(bào)警器、無線終端(短信貓)、工業(yè)監(jiān)測(cè)與控制(溫濕度、二氧化碳)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)和智能家居控制系統(tǒng)等控制平臺(tái)[8]。SIM800模塊性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價(jià)比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800C尺寸為17.6mm×15.7mm×2.3mm，能適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求[9]。SIM800工作原理圖如圖2所示。

圖2 SIM800工作原理圖

1.3 常去地導(dǎo)航

通過安卓軟件編寫一個(gè)小型APP，同時(shí)將高德地圖的接口放入到該APP中。將拐杖藍(lán)牙地址設(shè)置為默認(rèn)地址，手機(jī)藍(lán)牙可以自主與拐杖中的藍(lán)牙相連接，連接后可接收拐杖發(fā)出的數(shù)據(jù)。在APP中家人可為盲人設(shè)定5個(gè)以內(nèi)常去地，并告知盲人順序，盲人可通過拐杖上的按鍵選擇地點(diǎn)，按一次選擇鍵表示目的地為已設(shè)置的常去地，再按確定按鈕即可開始導(dǎo)航，選擇其他常去地導(dǎo)航以此類推。拐杖控制APP界面如圖3所示。

圖3 拐杖控制APP

1.4 夜間提示功能

拐杖內(nèi)裝有一個(gè)光敏電阻探頭，通過光敏電阻檢測(cè)外界白晝。當(dāng)外界光線較弱時(shí)，拐桿的LED燈會(huì)被打開并閃爍，以便在夜晚天較黑時(shí)提醒行人及車輛注意，以此保障盲人出行的安全性。

2 拐杖硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 器件選擇

拐杖內(nèi)部的器件選擇如表1所示。

表1 器件選擇

2.2 電路設(shè)計(jì)

拐杖電路原理圖如圖4所示。

圖4 拐杖電路原理圖

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在拐杖的最底端安裝有一只萬向輪，通過萬向輪可以實(shí)現(xiàn)拐杖在地面自由移動(dòng)，節(jié)省使用者體力。拐杖的拐柱部分整體光滑且平直，在其中間部放置有超聲波探頭，拐杖整體呈長一字形。該設(shè)計(jì)符合盲人使用普通導(dǎo)盲杖的習(xí)慣。拐杖整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖5所示。把手形狀整體呈圓筒形，可與盲人手掌完全貼合，提高使用者握桿的舒適度，避免因長時(shí)間握桿導(dǎo)致手掌酸疼。把手上加有防滑紋，防止拐杖從使用者手中滑落，且把手內(nèi)部為空心設(shè)計(jì)，以便于將主控及其他外設(shè)裝置其中，提高拐杖內(nèi)部空間的利用率，使整體結(jié)構(gòu)更為美觀。把手結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 拐杖整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖6 把手結(jié)構(gòu)圖

4 產(chǎn)品使用效果

在研發(fā)初期，研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)市場(chǎng)相似產(chǎn)品的功能不全、使用不便、視力障礙人士對(duì)產(chǎn)品需求度大等問題，對(duì)本產(chǎn)品經(jīng)過多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，形成了一個(gè)初步的產(chǎn)品小樣。此后，還與用戶緊密合作，通過用戶的試用與反饋，不斷吸取用戶對(duì)產(chǎn)品的意見與建議，并通過控制變量與用戶體驗(yàn)反饋，多次設(shè)置實(shí)驗(yàn)組與控制組，通過對(duì)比研究，不斷地對(duì)材料、功能實(shí)現(xiàn)度、產(chǎn)品性能與使用舒適度進(jìn)行改進(jìn)。產(chǎn)品的真正效果是需要人為檢測(cè)的，因此，在產(chǎn)品制作、測(cè)試完成后，本團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)河南推拿職業(yè)學(xué)院的200名視力障礙學(xué)生體驗(yàn)該智能導(dǎo)盲拐杖，并對(duì)其體驗(yàn)的感受通過紙質(zhì)問卷調(diào)查進(jìn)行反饋評(píng)價(jià)。問卷發(fā)放了200份，回收有效問卷為161份。在有效問卷中有75.6%的視力障礙人士對(duì)本產(chǎn)品感受良好，對(duì)功能給予了肯定；有85%左右的視力障礙人士接受產(chǎn)品定價(jià)并有意愿購買此產(chǎn)品。

5 結(jié)語

針對(duì)盲人出行障礙物感知難、安全系數(shù)低、無法識(shí)別目的地路徑等問題，設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的智能導(dǎo)盲拐杖。所設(shè)計(jì)的拐杖采用HC-SR04超聲波模塊探測(cè)障礙物，使盲人無觸碰感知障礙物位置。通過MPU-6050陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)解算進(jìn)而判斷盲人是否跌倒。當(dāng)盲人長時(shí)間處于跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，拐杖能夠自主向路人呼救，并通過GPS和SIM800將位置發(fā)送給家人。拐杖可以通過藍(lán)牙與手機(jī)APP通信，進(jìn)行常去地導(dǎo)航；夜晚時(shí)能夠打開閃燈提示路人及車輛注意。所設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲拐杖得到了視覺障礙人士的肯定評(píng)價(jià)。