超声波雷达技术在具有多情景模式功能拐杖中的研究应用*

杨成海 李思葵

摘 要：本文灵感来自汽车倒车雷达辅助功能（car reversing aid system），利用技术集成的方法，将市场上现有的技术产品进行有效组合，从而形成具有特殊功能的产品。通过对市场上现有的一些产品和技术进行技术整合，形成一套技术改造方案将是本文的最后研究成果。

关键词：超声波雷达； 多情景模式 ；功能； 拐杖

引言

根据WHO统计全世界有盲人4000万到4500万，低视力是盲人的3倍，约1.4亿人。尚有25%的低视力患者需要低视力保健，如需配戴助视器使用拐杖及视觉康复仪等。世界卫生组织设在日内瓦的防盲和防聋规划主任Thylefore博士指出；中国是全世界盲人最多的国家约750万盲人，占全世界盲人口的18%。每年在中国失明增加约有45万人，平均每天就增加1231人失明。这里科普一下，目前中国导盲犬的数量大概有100只，而每只成本在20万左右。因此我们此项工作的宗旨是希望每一位苍穹之下的盲人能够像我们正常人一样得到应有的尊重。

1研究对象

本文所对的人群是盲人，视力减退的老人。目的是使盲人，视力减退的老人增加独立行走的安全性。用听觉警示替代视觉的模糊与无效，即用倒车雷达探测障碍的原理附加在多元化的声音上。由于盲人用“点地”方式行走，我们将雷达的探头放置在拐杖的中上处，用于探测离开地面的障碍物。

通过多功能传感器与机器雷达的融合技术，实现了机器准确判断障碍物的位置。我们只有深入研究传感器之间相互融合技术、传感器与机器视觉的融合技术及相关算法，才能实现雷达更加精确地判断障碍物的位置，实现灵活准确避障。

2系统构成

对目前已有的智能盲人拐杖产品（淘宝、京东、亚马逊等主要购物网站）进行调研及性能分析比对，发现目前市场成熟产品暂无故障物检测这项功能。调研可探测障碍物的智能拐杖的研究情况，发现此项技术和研究已经有人形成论文和试验品，情景模式并不可调，目前没有形成市场化的产品。我们首先使用的是HC-SR04超声波测距模块，但是其检测功能并不让人满意。因此我们团队在HC-SR04的基础，重新使用了新版的HC-SR04-P，结果不错，与AJ-SR04K测距模块完美兼容，对障碍物有效识别较好。

2.1硬件参数

HC-SR04-P主要技术参数

1：使用电压：DC5V.

2：静态电流：小于2mA.

3：电平输出：高5V

4：电平输出：底0V

5：感应角度：不大于15度

6：探测距离：2cm-450cm

7： 精度：可达0.3cm

AJ-SR04K

板上接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、 out（空脚）、 GND模块接收到串口触发信号，每次输出一帧，含4个8位数据.帧格式为：

0XFF+H_DATA+L_DATA+SUM

1、OXFF： 为一帧开始数据，用于判断.

2、H_DATA： 距离数据的高8位.

3、L_DATA： 距离数据的低8位.

4、SUM： 数据和，用于效验.其OXFF为开始侦不参与校验，HDATA

+LDATA=SUM（仅低8位）.

5、H_DATA与L_DATA合成16位数据，即以毫米为单位的距离值.

2.2防水性测试

在试验品的外观设计上我们采用了较好的防水性性，我们在外壳表面采用了丙烯酸防水涂料，此材料是以纯丙烯酸聚合物乳液为基料，加入其他添加剂而制得的单组份水乳型防水涂料。防水涂料经固化后形成的防水薄膜具有一定的延伸性、弹塑性、抗裂性、抗渗性及耐候性，能起到防水、防渗和保护作用。我们进行了防水防参透的实验，如下：

1、把雷达传感器在垂直于地面上的高度为1.5m，用1l的水泼无影响正常使用。

2、把雷达传感器翻转倒立在垂直于地面上的高度为1.5m，用1l的水泼无影响正常使用。

3、把雷达传感器翻转平放在地面上的高度为0.15m，用1l的水泼无影响正常使用。

4、经试验液体由任何方向泼到密封的外壳下没有伤害影响，具备4级防水功能，能在雨天使用。

2.3温度性能测试

考虑到温差对零件的影响，采用的零件是工业级MCU，拥有较好的温度使用范围，工作温度：-20～80度。为保证雷达的可靠性，我们在韶关XX厂找来冰柜，测试雷达的耐冷性和耐热性。测试温度-30℃至90℃，观察产品的反应变化，具体数据如表1。

结论：-17.8℃～79.5℃正常运行

2.4角度及位置参数测试

雷达的角度采用窄角的使用，避免出现探测角度过大，导致探测不准确，因此我们的雷达设定的探测角度为：<15度。对超声波检测装置和传感器进行拆解和研究，通过对其在不同检测距离显示不同颜色进行识别，从而可形成多种距离的播报情景模式。购买HC-SR04-P超声波测距模块、AJ-SR04K 双头一体化 5CM-800CM超声波测距模块等多个模块进行播报的准确性、抗干扰能力、障碍物的有效识别、情景模式切换等性能的功能测试和研究。

在超声波的测距模块上中，测量位置选择在两侧雷达基本相同的档距中央且距交流线路外侧导线的垂直投影6m处，逐渐向雷达传感器靠近，雷达传感器在地面上的高度均为1.5m，测量雷达的报距离数据的距离。为真实调查播报的准确性现状，本次调查采用连续进行5次测量，每次测量1分钟，取5次测量结果的平均值作为播报评价值。15条输电线路的噪声测量结果如表2。

3主要成果

我们团队在HC-SR04的基础，重新使用了新版的HC-SR04-P，结果不错，与AJ-SR04K测距模块完美兼容，对障碍物有效识别较好。

实现了档位高低切换，在高频率工作下的雷达能发挥最大的工作效率，距离更远在机械电子产品的防水性、温度性有较高的水平。

雷达的角度有很好的调试。

4结束语

本文为《雷达反射拐杖》（项目编号pdjh2017b0652）课题研究论文，该课题经费来自2017年“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金。本项目自立项以来，项目组成员共同努力克服重重困难，目前已经取得了满意的成果。通过参与创新实验，项目組成员的专业技能和项目开发能力得到了培养。同时也希望该研究成果能够对盲人或有视力障碍的人士起到帮助。

参考文献：

[1] 韩博起.车载倒车雷达系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006：1-20.

[2] 林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京：北京科学出版社，2004.7：49-70 .

[3] 莫品光，刘艳红.基于超声波的倒车防撞报警系统设计[J]. 技术与应用，2012.3：14-16.

作者简介：

杨成海（1979.04），男，汉，籍贯：江苏省徐州市，职位：教师，职称：高级工程师，学历：硕士，研究方向：工业物无线网控制技术，社区供配电技术。

基金项目：广东大学生科技创新“攀登计划”项目编号： pdjh2017b0652