基于视觉监测的智能盲人拐杖设计①

梁秋艳，葛宜元，牛国玲

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯154007)

0 引 言

中国是世界上盲人最多的国家，并且每年新增大约45 万盲人，如此多的盲人将成为一个不可忽视的群体，他们的生存受到社会广大的关注.随着经济的发展，城市中的交通越来越繁忙，而且城市中的盲道屡屡遭到侵占或者破坏，这对于出外行走的盲人无疑造成了巨大的安全隐患.如何解决这些安全隐患显得无比的迫切与重要［1］.

到目前为止，辅助盲人日常出行的工具是拐杖和导盲犬.普通的拐杖虽然结构简单、成本低廉，但是存在着安全性能低、功能单一的缺点，例如盲人无法发现身边的悬挂障碍物、盲人走失时无法快速准确找到其具体位置等.如果利用导盲犬进行导盲，则存在培训导盲犬难度大、时间长、成本高、犬的寿命有限、日常消耗等问题.针对以上各种问题，研制一种能有效辅助盲人安全行走的智能拐杖是十分必要的.

1 整体设计与工作原理

新型智能盲人拐杖示意图如图1 所示.

新型智能盲人拐杖如图1 所示，盲人将手腕放置于铁磁扣中，铁磁扣上的脉搏传感器经置于杖杆上的脉搏模块实时监测盲人脉搏，当盲人脉搏频率异于健康情况下的脉搏频率时，CPU 模块判断盲人是否出现健康异常情况，若为是则发出危险报警信号.正常行走时，摄像头模块在视频范围内对盲人周边情况进行图像采集，并将采集到的路况信息传输到控制器中进行处理，达到视觉检测的目的.当盲人周围出现悬挂障碍物时，超声波模块会准确测得障碍物的距离，通过蓝牙模块告知盲人及时避障.GPS 模块实时采集地理信息，当盲人走失或有危险时盲人家属可准确找到盲人所在位置.此外，本设计采用的摄像头周围安有LED 灯，光线不足时可开启LED 灯为摄像头补充光线的同时也避免他人对盲人的碰撞［2］.

图1 新型智能盲人拐杖设计示意图

2 硬件设计与实现

2.1 脉搏传感器

脉搏传感器要完成实时监测盲人脉搏的目的，与预先设定的正常脉搏范围进行对比，如果超出正常范围则可能是盲人身体出现不健康状况，此时应发出报警信号.本设计采用具有较高灵敏度、高性能低成本的SC0073 型动态微压脉搏传感器，能够精确的采集盲人脉搏波的变化情况.

脉搏波信号采集的精准性主要取决于脉搏传感器的前置放大电路，SC0073 型脉搏传感器前置放大电路的核心器件采用单芯片仪表放大器AD620，可以满足对输入、输出阻抗及共模抑制比的要求.

AD620 的简化示意图如图2 所示［3］，采用经典的三运放改进设计，单芯片结构和激光晶圆调整允许对电路原件进行严格匹配和跟踪，确保此电路具有高性能的特性.输入三极管Q1 和Q2 提供一路高精度差分对双极性输入，使得输入偏置电流减小10 倍，反馈回路可将输入电压作用于外部增益设置电阻上，单位增益减法器A3 用来消除任何共模信号，以获得折合到REF 引脚电位的单端输出.前置放大电路结构如图3 所示.

图2 AD620 原理图

图3 前置放大电路

采用HC－SR04 型超声波模块，对前方障碍物进行检测，并在前方发现障碍物时报警.典型工作电压为5V，超小静态工作电流小于2mA，感应角度不大于15 度，探测距离为2cm－400cm，高精度可达0.3cm，盲区(2cm)超近，可完全谦容GH－311防盗模块［4～5］.超声波及脉搏监测模块集成实物图如图4 所示.

图4 超声波及脉搏监测模块

2.2 摄像头模块

摄像头采用TR001 型彩色CMOS 摄像头，采像分辨率为640×480，最大分辨率720P，聚焦3.0mm，最大储存帧率15 帧每秒(VGA)，玻璃镜头.5V 供电，电源电压低，方便配置.可插入内存卡，实时保存数据，最高支持8G 内存可以持续8 天.摄像头有120 广角，视频范围广，采集数据多.图像压缩技术好，智能压缩.带有12 颗940nm 红外LED灯，采用低度镜头，夜间补光，色差小，不会发出红光，夜视效果2 ～3 米.外接无线网卡，采用3G 信号无线传输信号，如图5 所示.

图5 摄像头模块

2.3 GPS 定位模块

采用捕获和跟踪灵敏度较高UBLOX6 型定位芯片进行盲人位置定位，实时明确盲人的具体位置，并在盲人发出报警信号时及时找到盲人所处位置.该定位模块在信号微弱时可实现加速启动，自动将位置数据上传到网上，通过网络定位位置，如图6 所示.

图6 GPS 定位模块

2.4 报警电路

蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL 电平不能驱动蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大电路来驱动蜂鸣器.

蜂鸣器的正极性的一端接+5V 电源，另一端联接到三极管的集电极，三极管基集由单片机的P3.7 管脚控制，当P3.7 管脚输出高电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器，发出声音.当P3.7 管脚输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器断电，不发出声音.其电路如图7 所示:

图7 报警电路

2.5 外形设计

对智能拐杖外形采用一体化设计，把手处设计了人机曲线，即使盲人长期使用手部也不会产生僵硬感［6］.采用陶瓷白作为外形颜色，美观大方.拐杖配有手环，防止盲人找不到拐杖，手环配有磁扣方便解带，底部采用橡胶材质，减震防滑，如图8 所示.

3 软件设计

正常情况下，微处理器处于待机状态，摄像头将采集来的数据通过无线网卡将图像数据传送到电脑客户端，进行实时画面监控.拐杖自身配有超声波传感器，对前方障碍物进行检测，并在前方发现障碍物时报警.发生意外时，按下求助键时微处理器执行中断程序，定位模块将位置信息上传到网上，然后通过网络地图定位位置.脉搏传感器实时采集脉搏波信号，经滤波、放大、整形后通过单片机的外部中断进行获取，最终在数码管上显示并自动储存这些数据［7］，检测健康情况，在健康出现问题时报警，程序流程图如图9 所示.

图8 智能拐杖外形设计

图9 程序流程图

4 结 论

针对现有盲人拐杖存在的不足，本设计在盲人拐杖上加装了超声波及脉搏监测模块，通过无线语音导航信息使盲人可轻松避开悬挂的障碍物并对盲人脉搏情况进行实时监控，出现危险时及时报警.通过GPS 模块引导盲人准确到达目的地并可快速定位盲人位置.在杖身上固定周围附有LED灯的摄像头，对盲人附近路况信息进行视觉监测与处理.最后，对智能拐杖的外形进行了人性化设计，美观大方，使用方便.

［1］ 王冠生，郑江华，等.盲人导航/路径诱导辅具研究与应用综述［J］.计算机应用与软件，2012，12.

［2］ 梁秋艳，牛国玲，等.基于TRIZ 理论的智能盲人拐杖创新设计［J］.机电产品开发与创新，2014，27(3):29－31.

［3］ 刘涛，赵艳飞，刘志刚.基于STC89C52 的多通道脉搏采集系统设计［J］.现代电子技术，2011，34(15):150－154.

［4］ 魏庆丽，许鹏，等.基于MSP430 的GPS 定位智能拐杖设计［J］.吉林大学学报(信息科学版)，2012，30(5):445－449.

［5］ 方仁杰，朱维兵.基于GPS 定位与超声波导盲拐杖的设计［J］.计算机测量与控制，2011，19(5):1154－1157.

［6］ 陈言.一种多功能智能拐杖的设计［J］.艺术与设计，2010:209－210.

［7］ 郭天祥.新概念51 单片机C 语言教程［M］.北京:电子工业出版社，2009.