一种智能导盲杖的设计

高尚尚 唐静

摘 要：为了帮助盲人更好地独立行走与生活，在传统导盲杖的基础上，以单片机为控制核心，利用光感技术和三角形测距技术，改进设计出一款智能导盲杖。在传统导盲杖的基础上，对三个部分进行了改进，分别是手柄的设计、杖身的设计和越障轮的设计，以此来切实保障盲人出行的安全。在保留传统导盲杖基础功能的基础上，智能导盲杖可以更人性化地改善盲人的生活质量。

关键词：导盲杖；单片机技术；红外探测器

中图分类号：TH789 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0025-02

Abstract： In order to help blind people walk and live independently， an intelligent blind guide rod is designed based on the traditional guide rod， using single chip microcomputer as the control core， using light sensing technology and triangle ranging technology. On the basis of the traditional guide rod， three parts are improved， namely， the design of the handle， the design of the staff body and the design of the obstacle wheel， so as to ensure the safety of the blind travel. On the basis of retaining the basic function of the traditional guide stick， the intelligent guide rod can improve the quality of life of the blind more humanized.

Keywords： blind guide rod； single chip microcomputer technology； infrared detector

盲人作为社会中的特殊群体，需要这个社会更多的关怀和帮助[1]。目前我国有超过1400万的盲人，随着社会智能化的不断发展，仅仅是一根传统导盲杖已经远远不能满足盲人的出行需求了[2]。智能导盲杖利用智能手机与传统拐杖相结合的优势，可以使盲人的生活更便捷、出行更安全。

1 结构设计和控制方案

智能导盲杖在结构上包括手柄、杖身和越障轮三部分。越障轮上安装的红外线发射器对前方的道路状况进行检测，再通过控制系统处理，最后由语音模块输出语音信息来告诉盲人周围的路况。

1.1 手柄的设计

手柄上增加了控制面板，有多项功能：（1）控制面板里包含GPS定位系统。（2）控制面板里包含报警系统。（3）面板两侧增添了防滑橡胶。（4）面板前端安置了反光板。（5）面板上还有娱乐设置，能够进行音乐播放、收音机播放等功能。手柄的结构示意图如图1所示。

智能导盲杖在传统导盲杖的基础上增加了手柄上的控制结构，所述控制结构包含控制面板、GPS功能、防滑橡胶结构和反光板。增加了控制面板结构，能够让盲人在遇到危险情况时进行紧急呼叫，通过GPS功能实现与家人间的位置信息共享，帮助家人及时了解盲人所在位置。同时增加了娱乐设置，能够利用音乐播放、收音机播放等功能，帮助盲人放松身心，享受生活。同时，考虑到盲人的出行安全，在手柄侧面设计了防滑橡胶结构，在前面位置设计了反光面板，提示行人车辆注意盲人。反光板固定在正前方，用来提醒前方行人或车辆注意盲人，防滑橡胶结构固定在两侧，用来防止盲人脱手还增强了盲人触摸的手感以便于更好的找到手把的位置，最上方后侧的大按钮是呼救按钮，按下之后会自动进行呼救，内置GPS定位系统，时刻记录着盲人的去向，此外还有音乐播放器，收音机等功能，用来帮助盲人放松心情。

1.2 杖身的设计

杖身结构采用可嵌套式伸缩结构，共分为三节，每节之间利用螺纹结构连接，设计了防拖出结构，长度调节主要依靠一、二节之间的调节结构实现。杖身的结构如图2所示。

其连杆结构原理是：把几根杆状物用一定的方式连接起来，中间有铰节，滑动连接等，使它们在特定的范围按设定的动作运动。各杆的长短，铰接的位置，滑套滑动的距离，事先计算好以实现伸缩和防脱出。一、二节的调节是最下面的杆子和中间的杆子的调节，用来实现导盲杖的长度。

1.3 越障轮的设计

智能导盲杖增添了越障轮结构，轮子两端采用红外发射与接收结构进行测距，不但能够识别障碍物，更能提示障礙物间的宽度。同时，通过轮子的滚动，盲人能够直观的感觉到路面的起伏等信息。

滚轮组件包括两个滚轮本体（1）、固定轴（2）、CCD检测器（3）和红外发射器（4），两个滚轮本体（1）关于固定轴（2）对称可旋转地设置在固定轴（2）上，固定轴（2）的一端固定有CCD检测器（3），另一端固定有红外发射器（4）。

2 三角形测距原理的应用

智能导盲杖采用了红外线发射器和CCD接收器来对物体进行测距。其核心原理是三角形测距原理。该红外线发射器安装在三角形的一角，实现自身与测量物体之间的距离。被测量的物体需要具有漫反射之类的反射体。如石头、树木等[3]。三角形测距的主要思想是把发射端和接收端放在轮子的轴上，相当于三角形的底边，然后被测物体相当于三角形的顶端。红外线发射器会按照设定好的角度α发射红外线，当发射的红外线碰撞到障碍物体时就会被反射到CCD的检测板上。在CCD的中心位置有一个偏移量L，伴随着探测器与被测物体之间的距离D，偏移量L会随着D的变化而变化。根据三角形之间的关系，在知道了发射角度α，中心距X，偏移量L以及滤镜的焦距f的情况下，可以利用公式把自身与被测物体之间的距离D计算出来[4]。我们把红外线发射器固定在轮子一侧，红外线发射的发射角度α，中心距X，偏移量L以及滤镜的焦距f为常数，故被测物体的距离D只与反射光线在CCD上的偏移量L有关。所以被测物体的距离D和反射光线在CCD上的偏移量L存在一定的比例关系，即发射器的电压信号与被测物体的距离D有函数关系。通过监测红外线发射器的输出电压，并对其进行采集、分析和运算，就可以得到自身与被测物体表面的距离D。

3 系统运行的流程

控制系统的核心是单片机控制运行，其具有数字输入/输出端口和模拟输入/输出端口。其中模拟端口可以监测到红外线发射器发出的模拟电压信号，然后根据D/A转换器转换，通过内部的公式计算出当前自身距离被测物体的距离，然后再根据所得到的距离进行判断，最后根据系统的判断决定是否做出语音播报。

控制系统的工作流程简述如下：红外线发射器检测路况，经过D/A转换成对应的距离信号，单片机系统进行处理和距离判断，若距离小于安全设定值，语音模块输出语音信息提醒盲人；若距离不小于设定值，继续红外线检测。

4 结束语

智能导盲杖选用单片机作为核心处理系统，采用了红外线发射器来测量物体与盲人之间的距离，并结合语音模块来告知盲人前方是否有障碍物，可以有效地帮助盲人安全、高效率地行走。经过电路上的测试后，进行了多次模拟实验。在100平方米的树林里，树与树之间的间隔大约有5米，然后进行盲人测试。通过测试，测试人员没有一次撞倒树木。根据多次测试，更加验证了该导盲杖的可行性与可靠性。

参考文献：

[1]杨国建，石秀娟，潘鸿雁，等.基于spce061的智能盲人导航系统[J].工业控制计算机，2010，23（3）：93-94.

[2]许丽，曹胜男，唐立伟.基于AT89c51的智能手杖设计与实现[J].太原师范学院学报，2009，8（4）：66-69.

[3]林小倩，林斌，潘泰才.基于CMOS单点激光三角法测距系统设计[J].光学仪器，2006，28（2）：27-30.

[4]李晓天，张铁强，张胜勇，等.基于激光三角法的小物体尺寸测量及三维重构系统[J].光学仪器，2008，30（6）：21-26.

[5]刘颜.基于DPS的移动机器人控制系统设计与避障算法的实现[D].北京：北京交通大学，2007.