新型全智能手杖助力出行

范宇 陈嘉琪 黄美玲 陈加玲

北部湾大学理学院 广西钦州 535011

1 研究意义与背景

1.1 研究意义

基于当今社会上的盲人与老人的出行问题，本文进行了一系列的研究。盲人出行大多是手持导盲杖或者导盲犬，但普通导盲杖无法保障盲人的生命安全，导盲犬的寿命也有限。人老后各个机体功能都开始下降，所以部分老人出行也要手持拐杖出行，但对于患病的老人来说，普通拐杖也难保使用者的生命安全。本文针对这类问题对手持拐杖做出了改进，用智能手环与融合多个系统的智能手杖结合，对使用者的健康进行实时检测，不仅可以在摔倒后及时呼救和发送定位给监护人，而且对有异常的数据也会告知其监护人,对盲人和老人群体的安全有着重要的保障。

1.2 背景

国内对于本类产品的研究较为众多，首先是以智能导盲机器人为代表的达到了可以通过提前给机器人输入特定的路线指令达到帮助盲人的效果，而该类智能出行不方便携带，不能预防突发事件，只能适用于盲人；其次是头戴式导盲仪，该类较为先进，可以通过超声波等技术探测前方障碍物，帮助盲人躲避危险，但是该类产品没有考虑到目标对象的心理，基于人的设防心理，不能满足人的安全感；最后是最为先进的智能导盲杖了，可以通过超声波、GPS定位等技术达到帮助盲人躲避危险，规划路线，以及及时求救等目的，也满足了人的基本安全感，是目前市场上较为先进的、全面的产品类型了。当然国外对于此类的研究也仅限于以上几类，暂无更先进的产品。

2 健康与倒地检测系统

2.1 健康检测系统

本物品通过手机上的软件和质地较软的手环共同作用并联合Android系统的健康检测系统，通过更简易的方式对使用对象进行实时监护过程，不仅能够系统全面地维护并保留监测数据，而且能够提高对不同老人以及盲人的适用度。例如，使用对象的心率值在设备设定的相应值的检验环境较长时间内一直处于偏低的情况，即设备设定的心率值就会低于学界所共同认定的值[1]。相反如果较长时间内使用对象的血压偏高，那么就应该相应地减少对使用对象进行血压测验的实验间隔，并且同时提高低压的最小设定值。在使用对象佩戴所增加的有关生命安全设备时，如果出现了心律不齐的突发疾病，又或者是出现了其他的身体异样，该部分会立即将实时数据传输给相应部分并立即进行分析，最后该部分将会结合本身所具有的定位功能向外界求救[2]。该系统的工作原理为如图1所示：

图1 健康检测系统工作原理

2.2 倒地检测系统

由于使用者身体出现状况会有不同的原因，只是通过简单的健康检测无法判断出某些意外情况，基于本产品的智能手杖为参照物，通过智能手杖内部的倒地检测系统可以及时有效地救治使用者。智能手杖摔倒时会与地面形成一定的角度，从而可以从角度的阈值去判断使用者是否倒地。以智能手杖竖直放置与地面形成X、Y、Z轴，其中手杖为Z轴，获取其Z轴的前后左右的角速度变化情况，由于角速度的大小以及角度的大小的变化幅度不同，会产生异常变化的数据。我们可以对以上数据进行计算判定使用者是否倒地，倒地系统同时还需要与手环结合，需要手杖倒地且数据健康异常，防止只是使用者将智能手杖平放而触发警报。当然，为了防止手杖的倒地检测系统会由于使用者在使用过程中不需要时平放速度过快而触发警报，我们还设置了自动取消警报的按钮，防止系统向使用者的监护人发送“虚假”的警报，从而引起不必要的麻烦。接下来就是通过使用基于SVM(合成加速度数值)和阈值分析法的摔倒检测系统进行判断使用对象的具体状态来判断是否需要采取救治以及告知家属，而SVM是根号下X、Y、Z轴的加速度的平方和的平方计算出来的[3]。该系统具体计算的是使用者的身体内部的状况，我们将使用该系统结合手杖内部的系统对于使用者的身体状况进行双监控，全面确保使用者的安全。同时手杖设计成伸缩功能，较为便捷。该系统的工作原理为如图2所示：

图2 倒地检测系统工作原理

3 语音播报系统硬件设计

3.1 基于语音交互的通用硬件系统架构

本产品使用系统STM32为中央主控平台，通过收集LDV5语音指令，进行智能语音通信[4]。收集超声波传感器和陀螺仪的信号，进行智能避障和路面条件数据传输；利用串行端口一向二号机传输已采集的语音指令，发送回家或者紧急救助的消息，此时家属也可以通过接收到的信息即得知使用者的位置；同时获取由二号机传送的天气和时间消息，并进行有关天气和时间的语音播报。该系统框架如图3所示：

图3 语音播报系统框架

3.2 LDV5模块的工作原理

LDV5模块中的内置TF卡，可以保存指令设置和语音文档。另外配备了外置喇叭和话筒，完成播放功能；通过外设的串口和STM32主控面板通信，完成了传输命令的全部功能；它还拥有8个IO口，可以按照实际的不同要求，来扩充外部电路；有语言接收(采集)、识别、分析、应答等功能[5]。

3.3 语音交互系统的程序设计

3.3.1 超声波模块

本产品超声波模块的设计通过安装三个超声波测距测速仪，其中前置两个测距仪，通过二者之间的测量距差，以确定前面是否有障碍物，反馈给语音识别模块，及时避障，使外出更加安全。

当测距模块测的距离在设定前方有障碍物情形下，语音播报前方的情况。当超声波模块在测定的距离超过使用者的身高下，语音播报上方的状况。如果手杖上的超声波模块测得的距离在一定的差值里，则会提醒使用者注意脚下(或楼梯)[6]。同时当使用者的正前方或者头顶上有障碍物时，该模块都可以将其检测出来，帮助使用者避开障碍物或者危险事物。

3.3.2 MPU6050陀螺仪模块的程序设计

使用MPU6050模块，根据俯仰角和横滚角，对导盲杖的平衡状态进行判断，与语音模块组合，在用户摔倒的情况下大声播报求救信号。

4 超声波以及自主蓄电模块

超声波是波长很短的机械波，频率高于人类听觉极限的高音调声波。它的工作原理是其发射出超声波信号后，该信号在空气中遇到障碍物就会弹回来并被接收[7]。经过多方面综合考虑，本产品选择使用HC-SR04超声波传感器，可以将其与语音播报系统连接，在将超声波装置在本产品上进行合理布局组装，可实现全方位实时测距防止事故。此模块功能具有较稳定的性能，测量范围的盲区较小，测量的距离范围为2～400cm，并且测量所得数据较为精确，测量的精度高达3mm。

该产品含有多个功能区，超声波测量障碍物的时候具有发散性，因此有必要使用多个超声波传感器和其他传感器一起工作。其中在智能手杖的上方部位安置超声波测量仪，通过盲人身高自动设定安全限高值，进行测量盲人上方的位置，通过高度测量得知盲人上方是否存在障碍物，若盲人前方存在悬空障碍物，如门框、树枝等障碍物，如果超过安全限高值则通过智能语音播报系统提醒盲人注意安全，使盲人进行避让[8]。在手杖的正面、左右两侧面的位置分别安装弧形扫掠型超声波测距测速仪，测量盲人与身边周围物体的距离。如果存在障碍物，通过接收超声波信号后，反馈到语音系统，通过语音播报盲人了解自己周围的环境，得知存在障碍物的时候进行避让，降低了事故的发生率，让盲人的安全得到了一定的保障。

图4 超声波传感器

图4是HC-SR04超声波传感器外形示意图，该传感器体积小，易于在任何机器中使用。其工作电压为DC—5V，工作电流为15mA，工作频率为40Hz，并有四个引脚。VHC-SR04的直接驱动电源为VCC引脚和GND引脚，并分别用5V电压和负极连接。控制触发信号输入的是TRIG引脚，在启动该引脚结构时的高电平至少是10us，超声波信号通过TRIG引脚进行发射。ECHO引脚用来接收返回的信号并输出，进行测量距离的为ECHO引脚[9]。TRIG引脚触发测距，当检测到发射8个40kHz的方波返回时，ECHO引脚输出高电平，可根据高电平持续时间和测试距离公式可得出距离[9]。空气中声音的传播速度为340米/秒，即可计算出所测的距离。计算距离的公式为测量距离=[高电平时间×速度/2][除以2表示，从发出到接收，测量单位：测量距离(米)、速度(米/秒)、高电平时间(秒)]。同时考虑能够长时间续航，则引入太阳能电池板与压电陶瓷挤压供电等模块实现不断供能[10]，其中压电陶瓷自主蓄电装置由三部分组成，通过将柱头与地面产生的压力形变转化为电能[11]。

5 北斗导航定位系统

本产品的一大特色就是使用了以北斗卫星导航系统为中心的智能化定位导向信息处理。

北斗卫星导航系统是国家为广大用户提供全天候、全天时、高精度的定位，导航和授时服务的重要时空基础措施，该措施由空间端、地面端、用户端组成。其中，空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户端包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。它的特点一是采用三种轨道卫星组成的混合星座，比其他卫星导航系统所拥有的高轨卫星更多，抗遮挡能力强，在低纬度地区性能优势更为明显；二是它提供多个频点的导航信号，可以使用多频信号组合方式提高服务精度；三是它融合了导航与通信能力，具备定位导航授时，星基增强，地基增强，精密单点定位，短报文通信和国际搜救等多种服务能力，并且其定位精度优于20m，授时精度优于100NS，测速精度0.2米/秒[12]。

我们基于这款卫星导航系统，开发出以它为中心的智能化信息处理模块，具体有以下几个功用：

(1)该模块利用安卓编写一个APP，通过北斗定位系统来链接导盲杖的蓝牙设置，将具体路线或位置进行传达与指引。与此同时，监护人也可在APP中设置目的地以及路线，方便盲人或老人使用。另外，还可对常去地进行默认标识，轻松又简便。

(2)该信息处理模块可根据天气、地形、路况等外界因素和当天盲人或老人的身体状况等内部因素进行全局性路线规划，同时还具备较大型障碍物规避与标识能力，链接红外探测等功能完成一体化功能最优解。

(3)该模块利用嵌入式技术将BDS导航数据导入开发板微处理器，实现定位与导航，同时链接用户信息终端以及监护人的手机接收模块，实现24小时全天候、全方位、全地形监控与侧位，保证用户需要，让家人安心、放心。

(4)该模块由北斗系统主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，来供用户三维定位数据。

(5)该模块还可通过卫星拍照来识别周边大型障碍物和移动车辆，通过语音来提醒盲人。但较之红外探测，具有一定延迟(根据信号强弱)。

本产品的核心运行芯片可无差别接收并处理BDS导航的GNSS信号，完成信息端的实际应用，具备强大信息化功用能力，体现本产品的先进性[12]。

6 结论

本文所设计的全智能手杖较目前市场上已有的产品相比较具有以下优势：

(1)受益群体增加：受益对象由单一的盲人群体推广到了盲人、老年人以及出行不方便的群体；

(2)形式简单便捷：增加了伸缩功能，进一步减轻了使用者的出行负担，以及最大程度上满足了使用者的安全感；

(3)手杖柄部身体状况检测系统：在手杖柄部增加手环一是为了增加使用者的使用便利，二是为实时检测使用者的身体健康状况；

(4)手杖内外部具有可控摔倒辨别系统：当手杖倒地时，系统通过辨认倒地方式等因素综合考虑使用者的情况，若不需要救治，则使用者可通过外部按钮取消救治警报；

(5)GPS定位：该系统与摔倒辨别以及手环健康检测相结合，及时定位使用者情况，将最新情况告知其监护人，达到最快速的、最及时的救治[13]；

(6)超声波定位与语音播报：该技术通过超声波定位来辨别障碍物位置与危险发生的方位，通过语音播报的方式帮助使用者及时躲避障碍物；

(7)价位低：本文所设计的类型价格较低，非常适合普通大众。

致谢：本文在选题、研究和写作的过程中得到了北部湾大学理学院苏华东教授以及熊益英老师的指导，在此表示衷心感谢。