三模块控制的助盲拐杖设计

周浩，吕俊燕，杨瑞青

（山东华宇工学院机械工程学院，山东德州，253000）

0 引言

日前，我国盲人数量居世界第一。不仅如此，据不完全统计，我国每年盲人数量正以每年近45 万人次的速度激增。不仅中国如此，全球盲人已经达到了近5000 万之众，盲人出行问题也成为了不容忽视的问题。然而放观全球，助盲产业发展速度缓慢，各类助盲产品急需更新换代，且目前助盲拐杖类产品不仅型状结构功能单一，而且价格昂贵，质量不佳。极大的影响了盲人的日常生活、经济状况以及出行问题。基于此类现象，我们特研究设计一款能够高效率完成导盲任务，在确保盲人正常行进前提下能够确保盲人人身安全，并且解决盲人日常休闲娱乐问题的一款基于三模块控制的助盲拐杖。本产品由多种现有技术有机结合，高效率解决盲人出行难问题，在解决盲人出行难的基础上还能够满足盲人的日常休闲娱乐。

1 总体设计方案

本产品由三块单片机控制板进行控制，分模块控制好处在于各模块既能各自运行工作，也可协调统一共同运行，大大提高了导盲的效率。本产品分硬件和软件两部分构成。硬件部分包括语音识别、语音播报、双定位模块、探照灯、收音机模块、摔倒警报模块、障碍物探测模块、区域震动模块。软件部分包括一块STC89C52 单片机控制板，两块STM32单片机控制板、地图导航模块。

具体技术路线：盲人可以通过语音识别模块打开地图导航模块，双定位模块进行位置定位，在行进过程中三个外置超声波进行障碍物检测并将障碍物距离等信息反馈给单片机，单片机根据距离进行马达的不同频率的区域性震动，盲人手部区域性的感应震动告知盲人障碍物方位从而进行躲避。语音播报模块同时播报盲人前进方向。夜晚行进时，盲人可通过手部的单刀三掷开关进行探照灯的开关，从而提醒来往路人以及车辆，从而保证盲人夜晚出行安全。摔倒警报模块由陀螺仪检测倾角范围从而将信号反馈给STM32 单片机，当倾角满足范围时，摔倒警报便可工作从而向路人求助。收音机模块可满足盲人的日常休闲娱乐。

图1 拐杖三模块设计图

2 硬件设计

主要包括导航模块，语音模块，双定位模块，探照灯收音机一体化等模块的设计。

■2.1 语音识别模块

语音识别模块采用LD3320 一体化，带有单片机和以及16 个IO 口，供电电压5V，IO 口输出高电平3.3V。该LD3320语音识别芯片采用的是ASR 技术，由LD3320 和单片机组成的语音识别系统。该模块的MCU 是选用了STC11L08XE 单片机[1]。用户只需要把识别的关键词语以字符串的形式传送进芯片，即可以在下次识别中立即生效。每个关键词语可以是单字、词组、短句或者任何的中文发音的组合。基于LD3320 的语音识别系统可以随着使用流程，在运行时动态地更改关键词语列表的内容，这样可以用一个系统支持多种不同的场景，同时也不需要用户作任何的录音训练。

■2.2 双定位模块

采用北斗，GPS 双卫星系统进行定位，根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置，从而将坐标信息传递给控制端的单片机模块从而进一步完善导航工作[2]。此双定位模块精度高，干扰较小，能够较为准确及时的确认盲人具体位置，并为导航提供位置基础。

■2.3 探照灯，收音机模块

采用单片机进行控制开关，手动拨动开关便可打开把手处探照灯以确保盲人夜晚行进安全[3]。收音机模块采用T1与C-1 组成输入电路形成中波信号，由单片机引脚进入IC 进行与本振信号的混频，混频后的差频信号经中周和陶瓷滤波器选频后进入IC 进行中放，检波，最后由引脚输出，再经四联可变电容器完成耦合从而实现音频放大，最后输出至扬声器。二者共同由单片机控制，数据传输准确，工作互不干扰。

■2.4 摔倒警报模块

单片机模块中六轴陀螺仪MPU6050，集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP[1]。由人工选择原点并绕此点进行旋转选择一个平面，陀螺仪便可进行这一平面内的角度检测，从而将信息反馈给中央控制系统单片机，当单片机检测到危险倾角时，单片机由引脚发出模电信号，此信号经引脚控制的蜂鸣器便可进行发出声源从而达到警报的作用。

■2.5 障碍物检测、区域震动模块

在拐杖离地面一定高度分左、右、前三个方向各安装一个超声波发射源以及接收器，由控制端在以地面为底的空间直角坐标系内计算障碍物到达超声波探测与发射器的距离，此时发射源便可发射超声波探测前方是否存在障碍并将障碍物距离反馈给单片机[4][5]，信号发射时间为t，信号源在空气中传播速度为v，超声波与地面夹角为∅，通过计算公式s=（vt/2）＊cos ∅便可计算距离。并且将此距离信号传输给单片机最小模块引脚，通过己算输出相应适合的电机振动输出比。根据距离达到不同频率的震动相对探测装置分三个方向，各个方向单独震动从而更好地提醒盲人障碍物的具体方位从而进行躲避。

图2

3 软件设计及整体设计

■3.1 STC89C52 单片机控制板

此模块采用STC89C52 单片机，拥有40 个引脚，功能覆盖范围广，且是众多单片机的基础类型。编程简易，耐受电压范围3.3v-5v。由P2 引脚控制探照灯的开关，当拨动开关，单片机收到信号，P2.1 引脚便会控制led灯光的信号传输进行开关操作。P2.0 引脚控制电机振动信号传输。通过P3 各引脚控制的超声波测距测到的距离信号以及障碍物信号的及时反馈。将电流变频信号传输给P2.0 引脚从而控制电机的分频震动。

■3.2 两块STM32 单片机控制板

手柄处的单片机控制模块负责控制探照灯，收音机模块以及摔倒警报，三者可由盲人通过拨动手柄处单刀三掷开关进行功能的选择性使用。拐杖手柄下方的的单片机控制板负责控制语音识别与播报，导航功能。导航具体详细信息和语音识别反馈信号由拐杖杆部中上方部分的语音播报系统将执行操作的信号传达给盲人。

图3 单片机最小模块

■3.3 地图导航模块

通过下载腾讯地图，高德地图等具有导航功能的地图app，由STM32 单片机控制的LD3320 语音控制模块作为开关基础，盲人通过使用语音识别模块打开导航，并进行语音输入起始地和目的地，地图导航模块将会自动规划最优路线并经由语音播报将路线信息实时播报，从而实现智能化导航。

■3.4 整体设计图

整体设计图如图5 所示。

图4 语音控制流程图

4 总结

本发明在传统的助盲拐杖基础上进行了功能的改进以及结构外形的完善。实现了区域性感应震动，通过三方位的超声波探测完成电机的分频震动，从而实现不同方位的震动并告知盲人障碍物具体方位和距离自己的距离。导航功能的添加实现了盲人活动区域的放大化，自由化，使盲人不在拘束于自己所在的社区。智能语音识别功能通过单片机进行控制实现了功能完善智能化且语音识别功能也可作为导航功能开关，实时进行导航的开关与否，二者相互结合。探照灯功能实现了盲人因夜色降临而无法实现安全行进的问题。收音机功能的添加丰富了盲人的休闲娱乐，且摔倒警报的使用实现了盲人外出摔倒，遇见危险时能够向路人求救这一理想。分模块化的控制实现了各个功能联系工作，与此同时各模块可实现独立工作，也可通过三块控制板进行功能信号的联系并完成协调工作，大大提高了导盲效率，同时也为盲人出行安全，和日常休闲娱乐提供了保障。