基于MSP430单片机的导盲机器人控制系统设计

仲冬冬 陈健 窦修超 陆丰麒 郭语

摘要：针对一种自主智能导盲机器人，基于MSP430单片机设计了其控制系统。该机器人以MSP430单片机为控制核心，具有丰富的传感器系统，包括碰撞传感器、超声波传感器、光电传感器、视觉传感器和倾角传感器，并具有GPS导航功能和语音交互功能。首先通过GPS导航功能进行路线规划，控制系统根据各传感器判断是否前进和转弯，最终实现将盲人安全准确的带到目的地。

关键词：MSP430单片机；传感器；导盲机器人；GPS目前，全球共有盲人3000万人左右，占总人数的千分之五，而中国有500万盲人.，占世界总盲人数的18%[1]。本来盲人的行动就不方便，而常规的导盲杖功能单一，不够智能。近年来，国内外学者对导盲机器人的研究也逐渐增多。为了帮助盲人能够更好的自主生活，本文基于MSP430单片机设计了一种自主智能导盲机器人的控制系统。

1导盲机器人的结构原理

导盲机器人的总体结构如图1所示，机器人是由导盲车和人机交互手杖组成。导盲车的行走机构采用三车轮结构，后部的两个车轮为驱动轮，分别由步进电机驱动，前部安装有一个万向轮；车体正前部装有碰撞传感器，斜前方两侧装有光电传感器，用于检测前方障碍物；在车体前底部装有超声波传感器，用于检测前方是否有悬空和水坑；导盲车的内部器件通过四个弹簧阻尼减振器支撑在底盘上，用于保护电子元器件和电源；倾角传感器可检测车身是否倾斜，以便发出相关提示音；导盲车和人机交互手杖通过一个万向节连接，人机交互手杖上有电源开关和语音开关的按钮，方便人机互动。

2导盲机器人的控制系统设计

2.1 控制系统组成

自主智能导盲机器人控制系统组成如图2所示，主要由传感检测部分、主控制器和执行机构三大部分构成。检测部分包括光电传感器、碰撞传感器、超声波传感器、倾角传感器、视觉传感器和GPS模块；主控制器即为MSP430单片机；执行机构为语音系统和步进电机。主控制器接收传感器系统的检测信号，经过转换判断，输出控制信号，驱动电机工作或语音输出。下面介绍主要模块的电路设计。

2.2 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。其电路图如图3所示。超声波是由机械振动产生的，可以在不同的介质中以不同的速度传播，其频率高于20KHz[2]。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，因而超声波经常用于距离的测量。超声波测距的原理一般采用渡越时间法。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。超声波在传输途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时[3]。渡越时间与气体的声速相乘，就是声波传输的距离。

2.3 光电传感器

光电传感器原理图如图4所示[4]，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

2.4 碰撞传感器

本机器人采用开关式碰撞传感器，它利用机械运动来控制触点的开合，触点的断开或闭合则通过上层板控制电机的运转。其电路图如图5所示。

2.5 语音模块

机器人的语音模块采用WT588D语音芯片[5]作为语音处理核心，其电路原理图如图6所示。该芯片软件设置为3×8矩阵按键控制模式。I/O口P10、P11、P12被分别定义为矩阵列R1、R2、R3的输入口，P00~P07被分别定义为矩阵行L1~L7的输入口，用K1短接P00跟P10可触发第1段地址的语音。K2为第2段……直到K24为第24段。P17端为BUSY忙信号输出端，可设置为播放状态LED点亮和播放状态LED熄灭。由C9、R8、R9、Q1和D3组成上电复位电路，以保证WT588D在恶劣的环境下也能正常工作。在RESET端增加一个轻触按键，可以进行手动复位。

2.6 步进电机

本文选择步进电机作为导盲车的驱动部件。通过控制脉冲个数和频率来控制车轮转动位置和转速；采用L296驱动芯片为步进电机实现分时供电和多相时序控制。驱动电路原理图如图7所示。

3控制系统软件规划

该机器人的控制软件系统采用移植性好、编程效率高的C语音编程[6]。系统的主要流程图如图8所示。首先，打开开关，设定目的地，由GPS导航装置定位并制定路线，电机工作，导盲车带领盲人前进。当光电传感器检测到障碍物时，判断是否左右两边同时检测到；若是，则语音提示“前有障碍物，注意倒退”，后退一段距离，导盲车左转一小段；否则，判断是否左边检测到障碍物，是则右转一小段，不是则左转一小段。若光电传感器没有检测到障碍物，则判断碰撞传感器是否检测到障碍物，若是，则语音提示“前有障碍物，注意倒退”，后退一段距离，导盲车左转一小段；否则，判断倾角传感器检测导盲车是否倾斜，若是，则语音提示“车已倾斜，注意倒退”，后退一段距离，导盲车左转一小段，否則，判断超声波传感器是否检测到凹地；若检测到，则语音提示“前有凹地，注意倒退”；否则，导盲车继续前进。当导盲车到达GPS地图上拐弯时，系统通过中断程序跳出，进行拐弯。此流程图只是大概介绍该机器人的执行次序和条件，因为该机器人还装有先进的视觉传感器，所以会根据视觉传感器的传出信号而做出相应的命令。如当该机器人在过马路时，视觉传感器探测到红灯时，就会跳出所有循环，并立即停止，当再次探测到绿灯时才会重新工作。当然，该机器人还拥有GPS导航功能，也会根据卫星传来的信号而改变电机的工作状态。当电机暂停工作时，系统会再次跳入循环，检测各个传感器的传出信号。

4结论

本文基于MSP430单片机设计了一种自主智能导盲机器人的控制系统，具有丰富的传感功能，智能化程度较高。系统还具有GPS导航和语音交互功能，能够自主地引导盲人进行路线规划和行走。通过万向节与导盲车连接的人机交互手杖，使人机互动更加灵活。然而，该机器人的视觉传感器模块的设计还不太成熟，下一步将实现基于视觉传感器的道路标志识别功能，使导盲机器人更具有实用价值。

[参考文献]

[1]http://www.china.com.cn/chinese/health/997961.htm[EB/OL].

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004.

[3]曹建海,路长厚,韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器，2004(1)：39-40.

[4]赵燕.传感器原理及应用[M].北京：北京大学出版社，2010.

[5]http://www.w1999c.com/yuying_show.asp?bigclassid=130&productid=222&smallclassid=0[EB/OL].

[6]阮越广.基于工作过程的高职单片机C语言教学设计[J].大学教育，2012（03）：63-65.