智能导盲拐杖

智能导盲拐杖

作者：徐文鑫陈曦赵壮壮邱娅如曾靖

来源：《科学与财富》2019年第13期

摘要：本作品可以使视力障碍人士提前感知障碍物；同时家人能够对其进行远程定位，可随时了解到其位置；当视力障碍人士长时间处于跌倒状态时，拐杖能够自主发出警报向路人求救并将其所在位置发送给家人；拐杖与手机之间利用蓝牙通信，使视力障碍人士可利用拐杖上的按键控制手机为视力障碍人士提供前往常去地导航；天色变暗或黑夜时，拐杖的LED灯自动打开闪光以提示来往的行人或车辆注意到盲人，以此解决盲人出行所遇到的“障碍物感知难”、“安全系数低”、“無法识别目的地路径”等问题。

关键词：超声波避障；远程定位；发送位置求救；常去地导航；警示灯提示

1.背景

根据《中国医药报》了解到：“全世界视力残疾者的总数为1.6亿左右，其中5000多万为盲人，其余为低视力者；我国是全世界盲人最多的国家，全国盲人总数已超过1300万，占全球总数的1/4，现在我国每年大约有100万人失明，这意味着几乎每半分钟就会增加一名盲人。如果按照目前的趋势发展下去，到2020年，我国盲人将增加4倍”。500万盲人，占世界盲人口的18%。面对如此庞大的盲人群体，传统导盲方式的弊端日益突显。除此以外，有关导盲产品的国外市场也对此贫乏研究，相关市场几乎为空白；国内的导盲市场是较为新型的市场。因此，这种种现象正反映了人们对智能导盲拐杖的急需迫在眉睫。

2.智能导盲拐杖的设计与技术应用

2.1 创新设计

（1）利用超声波感知障碍物；

（2）远程定位及运动轨迹查看

（3）跌倒检测及自主发送位置并求救；

（4）控制手机为盲人提供常去地导航；

（5）夜间自动打开提示灯。

2.2 设计原理

2.2.1 蜂鸣器及震动电机的驱动设计

本产品处理器选择的型号为意法半导体（ST）公司的STM32F103C8T6，其单个 IO 口的最大输出电流是 25mA；而蜂鸣器及震动电机的驱动电流都大于IO口的最大输入电流。所以，IO口无法直接驱动蜂鸣器及震动电机；如果通过三极管把电流放大，那么 STM32 的 IO 口仅提供低于1mA 的电流便可驱动蜂鸣器和震动电机。

2.2.2 放大电路的设计

我们选择的有源元件为S8050，它是一款小功率NPN型硅管，集电极-基极——（Vcbo）电压最大可为40V，集电极电流为（Ic）0.5A。一般情况下的放大倍数为85-300；其为电路硬件设计最常用半导体三极管型号之一。我们采用共集电极放大，将集电极接地，从稳压模块引出3.3V电压，将放大负载接在电源与集电极之间，将一个10K电阻接在基极与集电极的两端口，并在10K电阻之前串联1K电阻，用于分压，防止晶体管g-c之间电压过高以击穿晶体管。[3]

2.3 功能系统的技术应用

2.3.1 超声波避障系统

利用超声波发射器向某一方向（测量角度：15度）发射8个40khz的方波信号，超声波在空气中传播时碰到障碍物即返回，超声波接收器收到回波信号后立即通过I/0日ECHO输出一个高电平，单片机检测到ECHO端口高电平后，即刻启动定时计数器，直到高电平结束。高电平的持续时间是超声波从发射到接收的往返时间差，通过计算时间差，并根据声波在空气中的传播速度，可以计算得出发射点与障碍物之间的距离S。[2]

公式为：测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。

然后通过拐杖手柄处的震动装置将信息反馈给盲人，震动频率高，代表距离在1米之内；震动频率适中，代表距离则为1-2米之内；以此类推，该产品可以检测到3米以内的障碍物信息。

2.3.2远程定位及轨迹查看

考虑到视力障碍人士出行可能会出现走丢等问题，我们为家人开发出了一款APP用远程监控盲人位置及移动路线。在拐杖中利用GPS获取盲人位置，通过GPRS模块发给服务器，APP从服务器中获取信息并在地图上标注出视力障碍人士位置。此外APP可以将视力障碍人士移动的位置连接起来，家人便可随时查看视力障碍人士移动路线。

2.3.3 警报系统

本产品采用陀螺仪以解算姿态，使用GPRS模块进行联网，利用GPS 确定位置。根据卡尔曼滤波，通过采集固定在其内部的陀螺仪的姿态，本产品便可解算出欧拉角以此判断拐杖的

姿态；当检测到的俯仰角大于75度且这一角度持三十秒以上之久时，系统会发出有间隔的警报，提醒使用者在放置拐杖时是否忘记关闭电源；检测到的俯仰角大于75度且这一角度持三十秒以上，拐杖会持续发出长达十秒的提示声，提醒使用者放置拐杖时是否忘记关闭电源；如果提示结束时拐杖电源仍未关闭且俯仰角依然大于75度，此时判定使用者跌倒且无法独自站立，拐杖随即发出急促警报用于吸引路人，以便及时得到帮助；此外拐杖会向家人手机端发送视力障碍人士的位置信息，家人手机收到信息后便会有铃声提醒，同时在地图上标注出视力障碍人士位置。，

2.3.4 常去地导航系统

通过易安卓软件编写一个小型APP并将高德地图的接口接入到该APP中，把拐杖的蓝牙地址设置为默认地址，手机蓝牙与拐杖中的蓝牙会自主连接，并且手机便可接收拐杖发出的数据。另外，家人可为视力障碍人士在APP中设定五个以内常去地，并告知视力障碍人士顺序，视力障碍人士即可根据拐杖的按键以选择自己想去的地点；按一次选择键就将目的地设置为常去地，按下确定键便可开始导航了。

2.3.5 警示灯系统

我们在拐杖内安装了一个光敏电阻探头，光敏电阻可检测到外界光线的强弱；当外界光线较弱时，拐杖的LED灯会被打开并闪烁；在灯光较暗或者黑夜时提醒行人及来往车辆注意到视力障碍人士的位置，以确保视力障碍人士出行的安全性。

3.硬件系统设计

图1 本设计系统模块的总流程图

3.1 测距模块的选取

首先，由于超声波指向性强、能量消耗缓慢、在介质中传播的距离较远的特性，因而它经常被用于距离的测量；另外，超声波检测的速度快、采用方便、计算简单，易于做到实时控制、精度高——测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波的检测来实现其功能。.

本产品就选用了HC-SR04超声波模块。此模块性能稳定，测量距离精确，模块精度高、盲区小；该模块采用的是IO口TRIG触发测距，至少给出10us的高电平信号，模块便会自動发送8个40khz的方波，并检测是否有信号返回。当有信号返回时，IO口ECHO会输出一个高电平，而高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-540cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达

3mm；宽电压工作3.3v-5.0v。

3.2 信号处理芯片的选取