智能导盲鞋

山东科技大学 任晓壮 王艺璇 马新瑞 芦国鹏 杨业旺

本文主要介绍一种具有语音播报功能的智能导盲鞋，通过超声波传感器检测路面障碍，利用温度传感器实时检测外界温度，通过使用文本转语音芯片将传感器采集到的信息经过CPU处理后转换成语音信号，并使用蓝牙语音传输模块实现语音信号的无线传输。同时使用GPS实时定位芯片实现盲人位置监测和路线智能提醒，并根据盲人出行规律及时为盲人规划一条安全使用的出行路线。由于蓄电池续航能力限制了导盲鞋的长时间工作，因此，本设计使用便于携带、便于安装的微型手摇发电机为蓄电池进行充电。

在导盲鞋的具体设计过程中，为了实现导盲鞋的准确工作，相关传感器也进行了调试和更换。检测路面障碍，超声波是一种非常可靠的检测装置，本设计中选择常用的HC-SR04超声波测距模块，但是使用过程中发现数据不稳定，多次试验后发现超声波受温度变化的影响，不利于导盲鞋的稳定运行；查资料后，选择带有温度补偿的US-100超声波模块，内含看门狗，工作稳定可靠，并且测试后，超声波所测数据稳定性有很大改善。选择语音芯片是一个复杂的过程，由于市面上语音芯片种类繁多并且需要考虑与CPU主控芯片的兼容性，同时也要与现有的CSR8635立体声蓝牙音频模块有很好的兼容性，经过比较之后选择了tts语音文本合成模块，实现了很高的文本-语音转化效率[1]。GPS芯片主要功能则是实现定位功能。考虑到蓄电池续航能力较低，不利于实现导盲鞋长时间在外工作，为了增强续航能力，保证导盲鞋可以较长时间工作，并且在电量不足情况下可以较快增加电池电量，使用外部发电装置是必不可少的。由于外界环境复杂多变，使用太阳能发电会受到许多制约，如太阳能发电板需要与太阳光照方向垂直，同时发电板的尺寸过小发电效率低下，发电板尺寸大些则不容易随身携带，而且在光线不足的环境下太阳能发电则很可能不会产生有效发电电压，因此，在导盲鞋中运用太阳能发电是不明智的选择。经过查阅资料和实际比较，本设计中采用微型手摇发电机，不仅便于携带、操作方便，而且发电效率较高，可以满足导盲鞋充电的需求。

导盲鞋功能实现主要依靠测距模块、语音模块、语音传输模块、导航模块、陀螺仪模块、温度传感器、电源模块等。导盲鞋超声波测距模块分别安装鞋的前三角位置，通过不断调节超声波模块位置、调试超声波滤波算法，可以比较全面准确的检测路面障碍，提供更安全的行走信息。陀螺仪安装于导盲鞋底部正中间，通过相关算法实现坡道检测。电源系统则安装于鞋后跟上侧，保护电源的同时还可以方便对电源充电。语音模块和GPS模块安装于鞋上部，减少因安装于鞋内造成语音信号削减。

无线语音传输模分为两部分，无线语音发送模块和无线语音接收模块电源模块，语音发送模块主要和文本转语音模块连接并负责将语音信号发送出去，而语音接收模块负责接收语音信号，通过连接耳机可以实现语音播报。导航模块的实现主要依靠GPS定位系统，CPU将GPS的定位信息和地图数据处理后发送到语音转换模块，进而实现语音播报功能。温度传感器主要是实现实时检测外界温度的功能，起到提醒盲人注意外界温度变化的影响。陀螺仪模块使用MPU6050芯片，通过设定一定的阈值和相对平衡位置值，根据角度变化调节占空比输出，并使用电机转速引起的振动强度变化实现坡道检测功能。电源模块主要使用蓄电池为整个系统供电，并使用电压保护电路保证系统供电稳定，同时使用微型手摇发电机作为室外充电来源。

图1 语音播报电路原理图

导盲鞋坡道检测最主要的算法中使用了PID控制算法[2]。PID控制是将偏差的比例（P）积分（I）微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量实现对被控对象的控制。通过人为引入四个控制量（a，b，c，d），从而把非线性耦合模型解耦为四个独立的控制通道，导盲鞋坡道检测重要依据反馈实现占空比自动调节，与设定阈值偏差角度越大，则输出占空比越大，进而电机转动越快，电机引起的震动越强，坡度越大。但在实际使用中，本设计只用到了比例（P）和微分（D），因此算法中积分（I）直接赋予零，此时也达到了预定效果。

要实现导盲鞋语音提示的功能，必须使用正确操作语音模块，目前市场上有各种各样的语音模块可供使用，经过一系列比较，导盲鞋选择使用TTS文本转语音模块，根据文本转语音模块的原理，与CPU通过串口收发信息，实现对语音信号的控制与转码[3]。经查资料，该模块需结合单片机使用，由一系列相关指令辅助操作，使用算法程序将单片机处理过的相关数据进行播报。在本文设计的导盲鞋中，使用语音模块播报路面障碍信息、外界温度、坡道信息和利用GPS规划的安全线路及位置信息（见图1）。

在超声波模块检测障碍方面，利用深度学习算法[4]，经过多次测试超声波采集到的数据信息，导盲鞋可以识别简单路面障碍，如墙壁和大树、大树和电线杆。在GPS定位系统上，同时使用相关APP可以实现对使用者的远程监控，这样家人可以通过手机APP实现看到盲人当前所处位置，更可以快速方便地找到盲人。在GPS相关算法中，也使用深度学习算法，将盲人出行习惯及出行路线惊醒记忆训练，并根据这些记录及实时定位实现为盲人规划到达目的地的安全路线，在很大程度上方便了盲人的出行。所有信息通过语音功能，并使用耳机减小外界噪声干扰，实现人机互动的同时达到了信息高效的传输。

在设计中使用软件仿真测试，大大提高了效率。首先使用串口显示超声波测距距离，输出的PWM波形图，观察不同坡道下PWM大小变化情况。手机APP软件验证GPS定位及规定路线的准确性，大大程度上减小了实地检测的次数，同时APP软件也为盲人提供了二重安全保障。

导盲鞋在设计上还需考虑外形美观、穿着舒适、提醒他人等方面的设计。外形美观、穿着舒适体现了“人性化”，更体现社会关爱残疾人得主旨。而提醒他人这个功能是非常重要的，夜间需要有明显并且容易识别的标识才会让旁人留意到盲人，平时在路上行走时也需要相应的语音提醒旁人注意盲人，这将会在很大程度上提高盲人的安全出行系数。

[1]顾海珍.基于TTS语音模块的人体感知电子解说系统设计[J].2014.

[2]王建明.四旋翼飞行器设计[J].福州大学,2014.

[3]陈芳.具有文本生成功能的智能语音生成系统[J].1997.

[4]胡侯立.深度学习算法的原理及应用[J].2015.