智能导盲拐杖

徐文鑫 陈曦 赵壮壮 邱娅如 曾靖

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”、“无法识别目的地路径”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；国内的導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過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，模块便会自动发送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

由于智能导盲拐杖的功能相对较多，外观设计的操作较为复杂，所以需要选择一款处理速度相对较快，外设资源相对丰富的控制器，以确保智能导盲拐杖反应的及时性。

本产品选择的是意法半导体（ST）公司的STM32F103C8T6作为信号处理芯片，它是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的增强型微控制器，具有高达128K字节的内置Flash存储器和20K 字节的SRAM。此芯片具有方便程序的编写、执行代码效率高等优点；还拥有丰富的通用I/O端口，外设资源丰裕；同时，该系列微处理器工作频率设定在72MHz，是同类产品中性能最高的产品，也是32位市场上功耗最低的产品[1]。在整体上性能相对其他产品较为优越。

3.3 信息发送硬件的选取

由于本产品需要在视力障碍人士遇到危险时向其家人发送位置信息求救，所以获得较为精准的位置坐标和信号较强的GPRS模块就显得极其重要。

本产品采用的GPS型号为NEO-7M——它是NEO-6M的升级版，相对于NEO_6M来说性能更加稳定，信号更好；NEO-7M又是一个低功耗主芯片的超小外形GPS接收模组，其采用了新一代U-blox芯片，超高灵敏度，具备全方位功能；自带MINI USB接口，使用普通数据线即可调试GPS模块，不再需要使用USB-TTL等工具；增加EEPROM存储芯片，设置参数等信息自动存储，掉电后，配置自动保存，无需重新设置；板载MAX2659信号放大芯片，搜索能力更强。信息发送模块选择得是SIM800模块，此模块采用了SIMCOM 公司的工业级四频 850/900/1800/1900MHz SIM800 芯片， 可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输；可以适用于短信监控二氧化氮、烟雾报警器、无线终端（短信猫）、工业监测与控制（温湿度、二氧化碳）、远程抄表系统和智能家居控制系统等控制平台。

3.4 姿态解算原件的选取

本设计采用型号为MPU-6050的陀螺仪进行姿态的采集。MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000和±2000°/sec （dps），可准确追踪快速与慢速动作；用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g和±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IIC或最高达20MHz的SPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VDDIO供电为1.8V± 5%（MPU6000仅用VDD）。MPU-6000的包装尺寸为4x4x0.9mm（QFN），这在业界是革命性的尺寸；其他特征包含内建的温度感测器和在运作环境中仅有±1%变动的振荡器[4]。

3.5 降压模块的选取

本产品采用的是12v电源，选用AS1015芯片配合AMS1117芯片降低输出电压供给STM32微处理器及其他外设；AS1015芯片属于高电压、大电流芯片，满足智能导盲拐杖对电压的需求；配合电路简单、技术成熟的AMS1117芯片，满足STM32微处理器及其余外设对电压的需求。

4.结构的设计

拐杖的最底端安装了一个万向轮，通过万向轮的应用，在使用拐杖的过程中不用上下抬起，只需要在地面上推着走，以便于节省使用者的体力；拐杖的拐柱部分整体光滑笔直，在其中间开了两个洞用来伸出超声波探头；拐杖整体呈一字形，如此设计可以提高使用者握杆的舒适度，避免因长时间握杆而出现手腕酸麻的现象；把手形状类似于鲸鱼的身形较为宽大，且内部为空，便于将主控及其他外设放入，有利于提高拐杖内部空间的利用率，使整体结构更为美观。

5.系统的性能分析

评价本型智能导盲拐杖的好坏，可以从障碍物信息反馈的全面性和正确性、跌倒求救及时性以及指导结果的准确性的三个方面来考虑。

远程定位及轨迹查看：拐杖采用精度较高的GPS模块进行定位，能使家人准确的了解到视力障碍人士的位置，极大提高视力障碍人士的安全系数。

障碍物信息反馈的全面性和正确性：拐杖通过超声波模块来实现对障碍物位置的确定，并通过震动模块反馈给视力障碍人士，通过电机震动频率反映障碍物距离的远近。

跌倒求救的及时性：拐杖中利用陀螺仪来进行姿态采集，通过对拐杖姿态的解算来判断视力障碍人士是否跌倒，当采集的姿态为跌倒并持续一分钟判定为有效跌倒，此时会触发警报器求救，吸引周围路人注意并施救，从而能有效的避免误判，判定有效后会自动给家属发送位置信息，还可以在遇到危险时及时呼救。

指导结果的准确性：指导的正确性是指是否正确指导视力障碍人士安全抵达所去地点。

6.设计结语

随着人们对弱势群体关注度的提高，越来越多的企业或个人推出导盲类产品，但其导盲产品的研究还不够深入，迭代创新的效果不够明显，以促使市场上的一些导盲产品不温不火；本团队创造的智能导盲拐杖体积较小、精度较高、造价低廉，能够充分考虑到不同收入阶层的受众，满足他们的需求；并考虑到市场上导盲产品存在的弊端和有待提升的空间，充分展示本产品的优势和独特性。

我们研制的拐杖有效的解决了视力障碍人士出行的“障碍物感知难”，“安全系数低”，“无法识别目的地路径”等问题。

参考文献：

[1]刘火良，杨森.STM32 实战指南[M]。北京：机械工业出版社，2017 （2）：20-26

[2]郭伟.超声检测[M]。北京：机械工业出版社，2014 （1）：15-17

[3]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M]。北京：高等教育出版社出版，2005 （4）：61-69

[4]陈志旺.四旋翼飞行器快速上手[M]。北京：电子工业出版社，2017（3）：32-36