对于新型智能盲杖的研究

张沙沙 周若伦 李卓伦

摘 要：在对现有盲人手杖研究基础上，运用地磁传感器测量地磁信息、GPS定位及ZigBee等先进技术与已有手杖在功能上进行集成研发出智能盲人手杖。使盲人在看不见的情况下，能够识别前方的障碍物而正常行走，从而起到保护盲人安全的作用。

关键词：智能避障;超声波测距;ZigBee

随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距和识别技术在工业中已经得到了普遍的运用与发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用到民用领域已变得十分重要。智能导盲手杖的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致的事故的发生，它将对提高人体智能化设计起到重要的意义。

1 考虑“人的因素”为智能手杖提供参数

设计作业空间时，必须考虑人体尺寸的约束条件，以我国成年男性第95百分位身高为基准，女性约为男性的0.9346倍。设计作业空间时，人体测量的结构尺寸和功能尺寸都有用处，对大多数设计来说，因为要考虑身体各部位的关联和影响，所以必须基于功能尺寸进行设计。人体测量数据在运用时，必须反映设计对象使用者群体的特征。

对于设计至为重要的人体尺度。确定设计对象的使用者群体，以决定必须考虑的尺度范围。确定数据运用准则：个体设计准则、可调设计准则、平均设计原则。“个体设计准则”，即按照群体某特征的最大值或最小值进行设计。重要操纵器与操作者之间的距离、常用操纵器的操纵力要按最小值设计。“可调设计准则”是对于重要的尺寸给出范围，使操作者群体的大多数能舒适地操作或使用，运用的数据通常为95百分位之间的范围。“平均设计准则”，尽管使用“平均数据”是不准确的，但某些设计要素按群体特征平均值进行考虑也是可行的。选择合适设计定位群体的百分位。查找与定位群体特征相符合的人体测量数据表，选择有关的数据值。对数据进行适当修改，群体的尺寸是随时间而变化的，有时，数据的测量与公布时间相隔数年，差异比较明显，设计时，应尽量使用近期测得的数据，考虑人体测量数据的静态和动态性质。

根据人体解剖学，建立人体测量参照系并依据我国国标GB 3975-83《人体测量术语》中规定的22个人体测量参数的测点和69项测量项目，应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构尺寸、人体功能尺寸、人体机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸和体重，人体体积和体表面积计算公式，人体各体段的长度、人体各体段的体积、人体各体段的质量等人体生物力学参数，比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数，对人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及对肢体感觉器官的机能特征分析，以及人在劳动时的生理变化、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，影响心理状态的因素。

人体工程学的研究，为各类设计全面考虑“人的因素”提供了人体结构尺度、人体生理尺度和人的心理尺度等依据，这些数据可有效地运用到盲杖设计中。

在作业设计中，基于整个手杖的质量轻型化设计需求，手杖选用质量轻、抗拉强度高的外壳。手柄应选用具有韧性好、易加工、强度高的材料;底座应具有弹性高，耐磨损的优点。根据方便携带的要求，设计的手柄、杆体与底座应有合适的连接方式。

人具有独立的思维和精神活动的能力，所以在设计时，必须考虑到作业空间对人的精神感受上所产生的特殊作用。从人机工程学角度出发，研制出一种集智能导向系统，交通灯辨识，避障功能于一体的智能化手杖。智能导向模块利用GPS实时精确定位，地磁传感器测量方向，处理器采集GPS经纬度信息和地磁信息，经算法设计得到手杖航向偏角，进而控制电机转向，带动拐杖行进;ZigBee模块用于获取交通灯信号;避障模块通过超声波传感器探测障碍物并指引盲人正确避障;语音模块用于输入输出语音信息。

2 为新型智能盲杖设计提供数据理论依据

通过TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理论对现有盲杖使用问题进行创新改造，将实际存在的矛盾用TRIZ 的标准参数进行表述，依据阿奇舒勒矛盾矩阵找到解决矛盾的一般解并将其应用到实际问题中，得出盲人智能手杖的创新之处。在新型智能盲杖手柄与杆体上加装的超声波传感器，实现障碍物探测和主动避障功能，提高行走的效率和安全性。

基于ZigBee技术的交通信号灯辨识系统设计。新型盲杖加装了ZigBee模块可实现不同工况下交通灯信号的及时准确获取，进而全面探测路况信息。具体技术方案为将ZigBee模块中的ZigBee协调器与控制芯片相接，使得各节点与交通灯系统相连，来采集交通灯信息，并向ZigBee协调器无限发送交通灯信号。协调器收到信号后，将信息传给控制芯片，控制芯片通过语音模块播报交通灯信息，提高盲人行走尤其是过马路的效率和安全性。

利用磁性传感器与地球磁感线平行方向夹角发生变化时，LR震荡电路的磁感应系数随之发生变化，利用其变化量可计算出磁性传感器与地球磁感线之间的夹角，进而得到当前的二维方向。考虑到地磁场是矢量，水平方向的两个分量的矢量和总是指向磁北的。因此，采用反正切公式计算出角a具体值结合GPS定位系统，得出手杖航向与正北方向夹角，驱动芯片控制電机工作，引导盲人前行。

3 结语

新型智能盲杖的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致的事故的发生具有重要意义。新型智能手杖能避开路面及空中不易探测到的障碍物，而且能够识别交通灯信号，主动引导盲人行进，使盲人顺利达到目的地。同时，在结构上根据盲人生活习惯结合人机工程学，使其杆体部分能够根据盲人需求自由伸缩，实现人性化设计，手柄部分符合盲人生活习惯，以及根据室内室外两种环境设计的可更换套组，方便易操作。

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