超声波避障系统在智能导盲手杖中的研究与应用

任艳惠　彭琛　刘浩

摘要：超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，但人们的日常生活中并没有带来很多的便利。为帮助盲人，本文叙述了智能导盲系统的部分功能（超声波壁障系统），并通过proteus 8.0Professional开发基于超声波原理的智能导盲仿真系统。

关键词：智能导盲手杖；超声波壁障系统；仿真系统；AT89C52

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0204-02

超声波指向性很强，能量的消耗缓慢，在传播介质中的传播距离较远，所以超声波经常实用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都能通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较方便、迅速、易于做到实时控制、计算简单，并在测量精度方面可以达到工业实用的要求，因此可以利用超声波的这些优点对盲人们的手杖进行改进，以解决盲人在日常生活中因视力方面的不足带来的很多麻烦。

1 国内外现状

德国大学生赛博斯坦设计出来作品Mygo，Mygo看上去就像是个合金手杖，既轻便又结实，末端有个小小的轮子，拄在地上推行很灵便。这根合金制成的杆子中安装有摄像头和传感器，能辨识方向和路况等，再通过无线耳机反馈给使用者。轮子上的传感器也可以记录行走里程和线路等多种数据，帮助盲人朋友判断是否到达目的地。E-touch也是为盲人设计的电子智能拐杖，内置了听觉及触觉导航交互系统，系统由芯片发出数据指令，通过蓝牙耳机提示盲人转弯、紧急情况、方向定位等信息。拐杖手柄附近的小球凸起，会随着使用者转弯而转动，方便盲人把握准确的方向。智能拐杖还可以下载各地的地图，帮助盲人更好地出行。韩国设计师设计的这个蓝色的手镯式装置，是利用声呐来为盲人帮助指路的，叫做Supersonic Stick。这个声呐引导器能够利用声呐技术来侦测前方的障碍物并通知使用者。盲人朋友只要将它戴在手腕上，就能检测出前行的道路上是否有障碍物，声音和震动会告知戴的人前方物体的远近，方便盲人出行。

为盲人朋友设计的智能眼镜，能通过声波扫描让视觉障碍者感知周围的环境变化，方便视觉障碍者外出时躲避障碍物。智能眼镜未来还将内置小型摄像头，并与互联网实时连接。通过大数据技术，摄像头会将扫描到的物体与数据库进行对比，并告诉戴的人他到了哪里，面前的物体是什么，甚至通过面部识别，告诉戴的人他面前是谁。

中国的超声波研究与应用进入广泛发展阶段，依赖于在1956年我国把超声学研究归入到12年科学规划之中的这一举动。1965年，我国初步进行表面的波换能器的研究，后来便有了以超声波为主要技术的关于清洗及加工的应用逐渐出现，这意味着我国超声学在实际应用方面逐渐完善熟练。超声技术伴随着电力电子技术的快速进步、电力电子器件的不断更新换代，超声技术也有了很大的进步。现如今在我国，超声学研究也获得了显著的成就，甚至在一些方面已经不逊色于国际领先水准。

2 系统硬件仿真设计

系统的硬件部分主要包括电源电压转换电路（驱动电路）、测距电路、危险距离报警电路、警示灯电路、及单片机电路等5个部分构成。采用HC-SR04器件测量距离，可以提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能，最高测距精度可达3mm；该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。使用该模块需注意：模块需提供一个10μs以上的脉冲触发信号，模块内部将发出8个40MHz周期的电平并检测回波。当检测到有回波信号电路就会返回相应的回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比例关系。通过发送跟接收信号的这个时间间隔算出与被测物体之间的距离。建议测量的周期在60ms以上，这样发射信号与回响信号之间就不会相互影响。

2.1 测距电路

由于在仿真中并没有测距的元器件，所以针对测距元器件在实物硬件中发出的信号波形，用按键代替测距元器件在发射接收信号的过程，在仿真中做的时候这种方法仿真出来的结果并不是很理想，所以后面考虑用555电路产生一个与测距元器件产生信号一致的延时的信号，这种方法与真实的结果相差不大，因此在选择这种方式更合理，通过HC-SR04的工作时发出的脉冲信号波形，发送一致的信号波形，达到仿真测距的目的。

2.2 危险距离报警电路

报警模块通过单片机给定不同频率利用蜂鸣器发出不同声音。频率的高低根据距离的远近来给定，距离越近时蜂鸣器发声的频率越高。这里我们采取50cm提高一次频率的，在HC-SR04测到距离在2m范围内的时候，蜂鸣器就会开启警报，提醒盲人，前方有障碍物，需要谨慎前行。

3 系统软件设计

系统的软件应用的时keil公司的C51集成开发工具—uVision4开发，采用的是模块化结构设计，采用网络标号，运用proteus 8 Professional仿真器进行的系统硬件仿真。

根据实验过程，程序主要分为以下几个部分：

1） 触发超声波：通过程序发一个脉冲给HC-SR04的2脚Trig控制端触发模块发生一个超声波

2） 接收超声波：3脚Echo端发出8个电平数据检测回波。

3） 距离计算：通过发射声波到接受声波的这段时间，根据声音在空中的传播速度，在程序中计算出被测物体的距离。

4） 警戒距离报警：在超声波计算到被测物体在2M范围的时候，BJT会导通，至蜂鸣器响，已达到警示盲人的效果。

4 总结

本文介绍的是基于AT89C52单片机的智能导盲手杖的部分系统，文中给出了具体的系统硬件和软件设计思路方案。其中超声波测距模块是最为关键的部分，超声波测距精度可达0.3CM，而且测距盲区仅仅才2CM，能够很好地达到提醒盲人，让其正确选择路径的效果。而且控制方便简单。

在设计过程中，遇到了颇多问题。一开始因为仿真软件中没有超声波测距的元器件，纠结了很久。想了几种方法，如以案件代替超声波发射、接收时的延时。发现其效果非常差。数据不准确是一方面，还总是无反应。后来用了函数发生器模拟一个超声波的脉冲信号。但其操作過程繁琐，而且比较难以调试。后来通过老师及在网上、书上查询的一些资料。做了一个555定时器版的信号发生电路。其软件控制简单，并且效果与实际情况的误差很小。只有5CM的误差。根据超声波的回执信号，让蜂鸣器配合，以不同频率反应，其距离的信息，在一开始，也是做了很大的工作量，通过软件及硬件的调试，最后还是达到了相应的效果。

通过对超声波测距电路的设计，我们发现不仅是国内，国外对于智能导盲手杖的这块发展也是很有限的。社会能多关注一下残障人士，为他们的生活质量的提高得到帮助，在这个科技很发达的时代，正是我们这些有想法的人们为生活困难的人们提供帮助的一个好时机。

参考文献：

[1] 李天娇.关于超声波测距的探讨[J].信息通信，2015（6）.

[2] 任骏原.基于555定时器的同相输出施密特触发器[D].渤海大学信息科学与技术学院，2015.

[3] 刘为芹，于会山.超声波测距系统的工作原理与应用设计[J].无线互联科技，2015（19）.