智能导盲拐杖

智
能
导
盲
拐
杖2016年10月
智能导盲拐杖
摘要:针对市场上供盲人使用的导盲拐杖结构简单，功能单一，无法实现较好的导盲效果的弱点，本作品设计为盲人提供行走时，遇到前方障碍物提前躲避的预警系统。

以STM32F103C8T6作为核心处理器，具有GPS坐标定位，GSM短信发送，超声波避障，警报提示等功能的智能拐杖；介绍了智能拐杖的组成结构和工作原理，通过MPU6050获取姿态数据和HC-SR04模块获取超声波回波时间差，进行姿态数据计算，判断人是否摔倒并测量人与物体之间的安全距离，实现了提前预警使用者避让障碍物，起到避免安全隐患的作用；通过GPS模块，获取当前坐标，通过语音播报导航，通过GSM模块进行短信发送，获取实时位置，起到导航和快速救助的作用。

关键词：智能避障；超声波测距；GPS定位；STM32F103C8T6；语音提示
ABSTRACT: Aiming at the weakness of blind guide cane on the market with simple structure and function which is unable to achieve a good blind guiding function, This design study for the blind to walk, meet obstacles ahead of early warning system. STM32F103C8T6 as the core processor, which has the function of GPS positioning and GSM SMS sent, ultrasonic detection of obstacles and voice prompting. Described the composition and working principle of the intelligent cane;
The MPU6050 obtains the attitude data and the HC-SR04 to obtain the ultrasonic echo time difference, carries on the posture data calculation, judges whether the person falls and measures the safe distance between the human and the object, implement the early warning users avoid obstacles, avoid safe hidden trouble. Through the GPS module, get the
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current coordinates, through the voice broadcast navigation, through the GSM module for text messages to send, access to real-time location, play a role in navigation and rapid relief.
Key words: Intelligent obstacle avoidance; ultrasonic ranging; GPS positioning; STM32F103C8T6; voice prompts
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目录
1．引言 (1)
1.1设计研究的背景及意义 (1)
1.2设计研究的内容 (1)
1.3本章小结 (2)
2．智能导盲拐杖系统设计 (3)
2.1设计实现的功能 (3)
2.2设计思路 (3)
2.3硬件电路设计 (4)
2.3.1核心控制模块 (5)
2.3.2超声波收发模块 (5)
2.3.3姿态检测模块 (7)
2.3.4语音播报模块 (8)
2.3.5定位模块 (8)
2.3.6短信发送模块 (9)
2.3.7光敏感应和灯光模块 (9)
2.4软件设计 (11)
2.4.1算法流程图 (11)
2.4.2算法具体设计 (11)
2.5本章小结 (12)
3.系统的调试结果 (13)
4.结论 (14)
5.参考文献 (15)
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1．引言
目前,市场上盲人所使用的拐杖大多结构简单而实现的功能比较普通。

事实上,盲人出行时还会碰到诸多问题,比如,路况不好、坑洼不平、前方有悬挂障碍物等,普通拐杖无法准确探明;迷路时方向无法定位,亲属不容易寻找等问题。

如果利用导盲犬进行导盲,则存在培训导盲犬难度大、时间长、成本高,犬的寿命有限日常消耗等问题[1]。

本论文利用电子技术,结合机械结构创新,设计研发了一款集GPS自动定位与超声波测障等多功能于一体的智能拐杖。

1.1设计研究的背景及意义
根据世界卫生组织所示数据[1]，2010年，中国盲人824.8万，每年都以近10%左右的速率上涨，目前的盲人，估计可能超过1300万，也就是，每一百个人里面，就有一个盲人。

盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端。

如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大地方便。

1.2设计研究的内容
本作品采用STM32F103C8T6单片机作为控制器, 利用超声测距的原理, 设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前方道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成语音提示, 盲人可以根据提示音，避让障碍同时达到导盲作用。

通过姿态数据解算判断盲人是否摔倒，当盲人摔倒时，通过GPS定位盲人位置，通过GSM 模块将位置信息和报警消息发送给亲人和当地的救护中心，又因为盲人不辨行人与车辆在路上行走，又因夜晚能见度低，为了车辆和行人更容易避让盲人。

另采用光敏电阻检测周围环境的亮度,并将该亮度转化为相反逻辑的红色警示光。

用来提醒来往行人和车辆避让。

另有时钟系统，可以控制并且语音播报时间，进行整点提醒。

1.3本章小结
本章主要介绍了设计智能导盲拐杖的背景及意义。

对设计研究的大致内容做了概述。

2．智能导盲拐杖系统设计
2.1设计实现的功能
超声波测距系统是利用超声波在空气中传播时遇到障碍物返回的特点来实现测量距离的目的。

根据超声波从发射到接收到回波的时间以及此时的声速就可以计算出障碍物的距离。

当检测到障碍物时，系统会通过语音模块发出告警信号。

定位系统由GPS模块USM-3N和GSM模块组成, 由GPS模块的天线获取数据，通过变频、放大、滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,从而产生计算位置的数据信息(包括:纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等)[2]。

并将定位数据通过GSM模块发送给家属，实时了解盲人当前的位置信息。

语音播报系统是通过对接收到的超声波信号进行检测，数据经过处理后，处理完成后如为危险信号即发布声音预警。

通过控制开关，可控制语音模块对实时的时间进行播报。

警报系统由MPU6050、LED、光敏电阻组成，通过MPU6050获取姿态数据，通过卡尔曼滤波进行数据融合，获取智能拐杖的俯仰角、横滚角，当超过设定角度，进行语音报警；在夜晚时，警示灯会自动亮起，提醒来往车辆避让。

2.2设计思路
智能导盲拐杖硬件电路设计是一项系统的工程，它涉及到许多方面，包括单片机、超声波测距系统、GPS定位系统、GSM短信传输、姿态解算设计，语音提示，电源等的选择，还包括单片机以及各模块间的相互连接。

在设计之前，必须要对整个智能导盲拐杖的各部分构造有一个大致的了解。

为了更好的实现预期的效果，根据整体配置，来细化各模块配置。

以STM32F103C8T6单片机为核心的控制器，除此之外再细分模块,作品设计分为3个阶段。

第一阶段实现STM32F103C8T6对各个模块数据的获取和解算，实现灯光提醒，并获取智能导盲拐杖的姿态角，以及与障碍物的实时距离。

第二阶段实
现解算后GPS定位数据计算，并通过GSM模块发送短信至家属。

第三阶段实现语音播报与导航。

2.3硬件电路设计
该系统由单片机控制系统、超声波测距系统、语音播报系统、定位系统、警报系统等组成；控制核心为STM32F106C8T6,单片机在接收到传感器的信息后，将传感器的信号转换为距离信息，通过语音播报或振动提示。

系统工作原理方框示意图如图2-1所示。

图2-1系统工作原理方框示意图
整个系统包括以下几个模块：
（1）核心控制模块
（2）超声波收发模块
（3）姿态检测模块
（4）语音播报模块
（5）定位模块
（6）短信发送模块
（7）光敏感应和灯光模块
2.3.1 核心控制模块
这次设计所选用的STM32F103C8T6单片机如图2-3所示，有48个引脚的芯片，中等容量增强型，32 位基于ARM 核心的带64 或128K 字节闪存的微控制器[3]。

STM32原理示意图如图2-2所示。

图2-2 STM32F103C8T6原理示意图
2.3.2超声波避障模块
目前被大家熟知的避障测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息来判断距离[4]。

各可测距传感器的比较如图2-3所示。

图2-3各传感器性能比较
综合以上考虑和实际应用条件，所以本设计测距模块采用的是超声波方案，并在超声波测距技术方案的设计上进行了简化和改进。

超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种。

其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。

为了操作的简便，本次超声波导盲系统选用的是HC-SR04超声波测距模块如图2-4所示。

图2-4 HC-SR04超声波测距模块实物图
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm~400cm的非接触式距离感测功能，精度可达2mm，模块包括超声波发送接收和控制电路。

VCC供5V电源，GND接地，TRIG触发控制信号输入，ECHO回想信号输出。

基本工作原理：
采用IO口TRIG触发，至少给10us的高电平信号;
模块自动发射8个40KH的方波，自动检测是否有信号返回;
有信号时，通过IO口ECHO输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

其发射声压方位特性图如图2-5所示。

图2-5发射声压方位特性图
此超声波模块可提供10cm~500cm的非接触式距离感测功能[5]，测距精度可在1cm。

有信号返回时，通过I0口ECH0输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

使用者到障碍物距离=（高电平时间*声速）/2;
2.3.3姿态检测模块设计
MPU-6050是全球首例 9 轴运动处理传感器。

它集成了 3 轴
MEMS 陀螺仪，3 轴 MEMS加速度计，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。

为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒，加速度计可测范围为±2，±4 ，±8，±16g。

MPU6050模块示意图如图2-6所示。

图2-6 MPU6050实物图
2.3.4语音播报模块设计
考虑到产品的使用人群为盲人，因此采用的是语音示警和播报的形式。

使用者可以通过开关按钮播报实时温度和时间，进行时间播报。

语音芯片采用SYN6288中文语音芯片。

该芯片继承了OSYNO188语音芯片的优点：最小SSOP28L贴片封装、硬件接口简单、低功耗、音色清凉圆润、极高的性价比；除此之外，SYN6288在识别文本/数字/字符串上更智能、准确，语音合成效果也比较好。

SYN6288语音合成效果和智能化程度均得到大幅度提高，是一款真正面向中高端行业应用领域的中文语音合成芯片。

SYN6288语音合成芯片的诞生，将推动TTS语音合成技术的行业应用走向更深入、更广泛。

图2-7 XFS5152CE语音模块示意图
2.3.5定位模块设计
GPS模组整合灵敏度高，功耗低，GPS芯片组解决方案，在紧凑的设计里。

可将同时追踪多达20颗卫星，并迅速确定，1 Hz导航更新。

广泛应用于如掌上电脑，个人数字助理，导航器，手机，电脑或其它的电池操作的导航系统[6]。

UM220-III_GPS模块示意图如图2-7所示。

图2-8 UM220-III_GPS模块示意图
2.3.6短信发送模块设计
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

GSM模块具有发送SMCS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。

简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。

GSM模块示意图如图2-8所示。

图2-9 GSM模块示意图
2.3.7光敏感应和灯光模块设计
示警方式通常有灯光示警，用闪动的指示灯来警示人；其次是声音示警，发出特定的语音提示；在选择警示电路时，需要使其硬件结构简单，编程简单。

此次设计除了语音警示外还添加了人性化的光控制LED灯示警系统，为了方便夜晚时提醒路过的车辆和行人避让盲人所设计。

采用光敏电阻控制示警灯开关，当夜晚光线变暗时，光控制系统导通，给警示灯供电。

光线采集电路如图2-9所示。

图2-9 光控制电路原理图2.4软件设计
2.4.1算法流程图设计
算法流程图详见图2-10:
图2-10算法流程图
2.4.2算法具体设计
本作品通过STM32F103C8T6作为核心控制，主要通过以下方式实现智能导盲拐杖的功能：
（1）通过IIC协议获取MPU6050数据，并通过卡尔曼滤波函数对原始数据进行滤波融合，获取欧拉角，测试数据时我们通过串口发送至上位机，获取姿态角数据。

（2）通过模拟信号协议获取两个超声波收发模块HC-SR04数据，通过使能T1定时器的PWM的输入捕获，复用通道1和通道2进行PWM输入捕获，获取高低电平时间，从而计算出探测距离。

（3）通过STM32接收到的UM220-III_GPS模块发出的数据,与存储器里的表项数据对比程序查表,读出对应的地理名称数据,发送给GSM进行数据发送。

（4）通过STM32的串口1发送位置数据至GSM模块，由GSM 模块发送信息至家属。

（5）通过对不同状态的姿态解算，将相对应的命令发送到语音模块，进行语音提示
（6）通过I/O口的输入捕获，获取人体传感器HC-SR501模块的输出数据，判断是否有人在使用智能拐杖。

（7）控制T2定时器的PWM输出产生，复用通道1和通道2进行PWM输出，控制电机的不同强度的振动，以便于障碍物检测的提醒。

2.5本章小结
本章主要介绍硬件模块化和软件设计思想。

对设计实现的功能进行了总的概述阐述了硬件设计的思路和构想，并根据要求，说明了各个模块所实现的功能。

对系统的整体设计理念、方案做大致的介绍。

3．系统的调试结果
系统调试工作是系统开发过程中必不可少的一个过程，一个完整的控制系统调试包含控制系统的硬件联调、软件联调、系统仿真、仿真烧录和现场安装调试等几个环节。

在系统设计组装完成后，首先是进行实验室条件下的系统硬件调试，调试成功后，有了硬件的保证，就容易发现软件的漏洞，进而促进改进和完善。

所有的调试通过后，要进行现场运行并能持续一定的时间，待未发现故障后，方可验收合格，才算完成了整个系统的设计工作。

第一阶段测试表明，设计的超声波导盲拐杖，可以达到很高的采集速率和精度，对前方障碍物可以做出警报震动并语音提示。

实验已经验证了硬件系统的可靠性。

但是由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些误差。

第二阶段测试表明，通过GPS模块获取的定位数据可以通过单片机解算后传递至GSM模块，实时传递坐标信息给家属手机，并且当欧拉角超过设定值时，且持续较长时间，判断盲人倒下受伤，会发出语音向周围人群求助，并给家属以及当地的救护中心发出坐标以及警报信息。

第三阶段实现语音识别设置目的地，通过百度地图进行语音导航，尚处在调试阶段，还未能实际应用。

4.结论
导盲预警系统的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致的事故的发生，当事故发生时，有可以将坐标和警报信息发送至家属和当地救护中心的手机，以便于及早对受伤的盲人进行救助，同时它将对提高人体智能化设计起到重要的意义。

在设计之中借鉴前人研究过的内容和方法，选出最优方案，才能在好的基础上进行创新。

本设计还可以在几个方面进行扩展完善，进而使得本设计的应用功能更加完善，诸如：
（1）实时采集盲人的血压，脉搏等生理信息，上传到网络上的医学预测平台，便于实时分析盲人的身体状况，当出现忙盲人受伤，也可以通过GSM将当前的生理数据发送给医院，让医生预先知道病人当前身体情况，有利于做出应急方案，并存储至外部FLASH或SD卡便于以后医生的数据分析。

（2）扩展蓝牙耳机，配备音乐播放器，收音机等功能，可以让盲人随时听自己喜欢的音乐，并可以实时获取自身的坐标信息和时间等一系列数据。

5．参考文献
[1]张晋西.便携式导盲仪[P].中国,实用新型专利,
CN200970303,2007.
[2]李远.基于GPS和单片机的定位终端开发[J].湖北邮
电技术,2004,74(6):29-32.
[3]沙爱军.基于单片机的超声波测距系统的研究与设计[J].电子科技,2009,22(11):57-61.
[4]胡凤忠,赵广复.基于ARM单片机的汽车倒车雷达设计
[5].计算机测量与控制,2010,18(5):1174-1175.
[6]李明峰.GPS定位技术及其应用[M].北京:国防工业出版
社,2011.。