一種新型智能導(dǎo)盲車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)

周 帥，魏佳豪，陳籽萌，鄒思奇，田豐源，趙琳博，謝印慶

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

摘 要 ：近年來(lái)，視覺(jué)障礙者的數(shù)量急劇增加，而無(wú)障礙的區(qū)域卻變得越來(lái)越小。為了更好地幫助視覺(jué)障礙者像正常人一樣生活出行，從硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩方面設(shè)計(jì)了新型智能導(dǎo)盲車(chē)裝置。該導(dǎo)盲車(chē)由 STM32 嵌入式控制器、超聲波傳感器、紅外傳感器、音頻報(bào)警模塊、GPS 模塊和藍(lán)牙模塊構(gòu)成，多數(shù)據(jù)傳感器共同集成，實(shí)現(xiàn)了在視覺(jué)障礙者出行時(shí)可以依靠導(dǎo)盲車(chē)安全地行走。

0 引 言

近年來(lái)，盲人群體龐大，很多研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在致力于導(dǎo)盲輔助相關(guān)設(shè)備的研究。國(guó)內(nèi)目前的研究方向是以導(dǎo)盲杖 [1-2]和導(dǎo)盲眼鏡 [3] 為輔助工具，而國(guó)外的研究中心則是高端機(jī)器人。為此，本文研發(fā)了一輛以單片機(jī)為主硬件基礎(chǔ)并與軟件相結(jié)合的智能導(dǎo)盲車(chē)。該導(dǎo)盲車(chē)主要實(shí)現(xiàn)隨著環(huán)境的變化提供照明、遇到障礙物時(shí)語(yǔ)音提醒以及避障路徑檢測(cè)和實(shí)時(shí)定位的功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能

智能導(dǎo)盲車(chē)運(yùn)用STM32單片機(jī)作為主硬件基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上添加各種模塊集成，并與軟件相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能導(dǎo)盲車(chē)性能需求的研究。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的超聲波模塊是主要的避障模塊，它實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的感知并測(cè)距避障。GPS 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的定位。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能量。語(yǔ)音提醒模塊實(shí)現(xiàn)遇到障礙物時(shí)的報(bào)警功能。紅外避障模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行路徑檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身左右的障礙物進(jìn)行避障。主控模塊是 STM32 單片機(jī)，同時(shí)也是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它可以實(shí)時(shí)處理傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所指示的命令做出應(yīng)答。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為導(dǎo)盲車(chē)提供機(jī)械能，使其具有機(jī)動(dòng)性。光控模塊對(duì)盲人出行時(shí)的環(huán)境進(jìn)行判決和照明。藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)間的通信，運(yùn)用手機(jī)與導(dǎo)盲車(chē)相連接并操縱。

2 主要硬件模塊

2.1 主控模塊

以STM32F103ZE單片機(jī)作為主硬件控制系統(tǒng)，目前市面上多應(yīng)用 51 單片機(jī)和 15 單片機(jī)。從盲人行進(jìn)安全系數(shù)等方面考慮，導(dǎo)盲車(chē)需要實(shí)現(xiàn)多種功能，保證數(shù)據(jù)信息采集的效率，因此對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行性能要求較高。文中選用 STM32單片機(jī)作為導(dǎo)盲車(chē)的主控芯片。STM32單片機(jī)資源豐富，可容納數(shù)百千字節(jié)的程序，也可移植RTOS、GUI中間件，時(shí)鐘頻率快、I/O口多、庫(kù)函數(shù)豐富，能夠滿足幾乎全部的應(yīng)用需求。

2.2 超聲波避障模塊

避障模塊使用超聲波HC-SR04傳感器[4-5]。該模塊的避障效果優(yōu)越，使用直流5V電壓，遠(yuǎn)可在2～450 cm范圍內(nèi)探測(cè)出與障礙物的距離，如2 cm超近盲區(qū)等。超聲波避障的工作過(guò)程 ：模塊的發(fā)送端發(fā)出超聲波時(shí)，定時(shí)器中斷開(kāi)啟 ；當(dāng)觸碰到障礙物時(shí)返回到接收端，定時(shí)器中斷就立即停止計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)接收電路放大和整形后返回到單片機(jī)主控模塊。工作框圖如圖2 所示，測(cè)距是根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度C=340 m/s，記錄高電平持續(xù)的時(shí)間T，與障礙物距離S=TC/2[6]。為了實(shí)現(xiàn)模塊的避障功能，主要是在單片機(jī)所對(duì)應(yīng)軟件程序里設(shè)置一個(gè)S的最大閾值，當(dāng)設(shè)定的值小于閾值時(shí)，此時(shí)數(shù)據(jù)回歸到單片機(jī)，使小車(chē)做出相應(yīng)的判斷以躲避障礙物，同時(shí)也會(huì)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，提醒盲人當(dāng)前遇到障礙物。

2.3 GPS 模塊

本設(shè)計(jì)所用的GPS模塊為 TTL-LEA，是一款簡(jiǎn)單方便、實(shí)用易用的嵌入式開(kāi)發(fā)的GPS 模塊，具有-144 dBm信號(hào)靈敏度、120 mW的極低功耗，使用方便。定位精度高達(dá)2.5 m，擁有標(biāo)準(zhǔn)SMA有源天線接口，支持NMEA-0183、UBX二進(jìn)制通信協(xié)議 ；采用U-BLOX第五代GPS引擎，精度高、抗漫反射、抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，該模塊在連接 GPS模塊后無(wú)須附加設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)定位功能。

2.4 紅外避障模塊

本文的紅外避障模塊采用HCRT5000紅外傳感器，該傳感器對(duì)外界光線有較好的適應(yīng)能力，測(cè)距速度快。具有成本低、體積小、使用方便、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn) [7]。將紅外傳感器分別放于導(dǎo)盲車(chē)的左右兩端，用來(lái)感知左右兩側(cè)的障礙物。當(dāng)左側(cè)紅外傳感器感知到障礙物時(shí)，傳感器的接收端將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，通過(guò)與設(shè)定的軟件系統(tǒng)的程序相結(jié)合進(jìn)行判斷，從而使車(chē)右轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)右側(cè)紅外傳感器感知到障礙物時(shí)車(chē)會(huì)左轉(zhuǎn)，兩側(cè)無(wú)障礙物時(shí)會(huì)前進(jìn)，左右均有障礙物時(shí)車(chē)會(huì)后退并右轉(zhuǎn)。程序設(shè)計(jì)流程如圖 3 所示。

2.5 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)使用HC-05藍(lán)牙模塊，采用非?？焖俚倪B接方式，就可以進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)間的傳輸。當(dāng)前市面上也有通過(guò)WiFi模塊與硬件設(shè)備相連接的情況。但考慮到藍(lán)牙不需要依靠網(wǎng)絡(luò)，且HC-05藍(lán)牙模塊具有功耗小、價(jià)格低廉、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，僅占用單片機(jī)的一個(gè)串口，再通過(guò)藍(lán)牙通信技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與手機(jī)相連接 [8-9]。

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在導(dǎo)盲車(chē)的兩端各安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)充當(dāng)車(chē)輪，并通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié) PWM 的占空比和脈沖信號(hào)的頻率，控制兩個(gè)車(chē)輪的速度，速度不同時(shí)導(dǎo)盲車(chē)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)彎，速度相同時(shí)導(dǎo)盲車(chē)直行。本文使用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。與直流電機(jī)不同的是它通過(guò)輸入電脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)變?yōu)檗D(zhuǎn)換角位移的機(jī)理，進(jìn)而使小車(chē)移動(dòng)。當(dāng)前市面上廣泛應(yīng)用直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。相比較而言，步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能和機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越，盲人通過(guò)操縱手機(jī) APP 可以使小車(chē)快速啟動(dòng)和停止 [10]，并且具有誤差不長(zhǎng)期積累等優(yōu)點(diǎn)。綜上，考慮到總體的設(shè)計(jì)需求，導(dǎo)盲小車(chē)選擇使用步進(jìn)電機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

以上主要介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件板塊，而一個(gè)完整的系統(tǒng)還需要軟件的支持。為此，需要將硬件模塊所支持的軟件程序燒錄到單片機(jī)上，將各傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)杜邦線傳遞，與主控模塊相連接，主控模塊依據(jù)預(yù)設(shè)的軟件程序進(jìn)行判斷和處理，最終整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架搭建完成，使盲人能夠真正利用導(dǎo)盲車(chē)進(jìn)行導(dǎo)盲。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決當(dāng)前盲人出行問(wèn)題，本文提出了一個(gè)以STM32單片機(jī)為控制核心的智能導(dǎo)盲車(chē)系統(tǒng)。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)芯片、步進(jìn)電機(jī)、超聲波和紅外避障傳感器、GPS等模塊。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)盲車(chē)實(shí)際使用效果較為理想，解決了盲人出行困難的問(wèn)題。

審核編輯：湯梓紅