基于倒车雷达原理的盲人导盲拐杖设计

江雨泽

（哈尔滨科学技术职业学院，黑龙江 哈尔滨 150300）

1 研究背景

随着当今科技的不断发展，人们生活的幸福指数不断的升高，社会中特殊群体的生活质量越来越受到人们的广泛关注，例如聋哑人、盲人等残疾人。根据相关资料统计显示，目前我国登记在册的残疾人中视力残障者占总数的一半，约占全世界盲人总数的五分之一。所以盲人的安全出行已经成为当今社会的的关注热点。

盲人导盲预警系统的运用可极大地减轻盲人的行走不便与安全隐患，降低且避免因盲人不辨障碍而导致事故的发生，同时它将对提高人体智能化设计起到重要的意义。超声波具有传播速度快，指向精准，对色彩、光照度不敏感的特点。同时因为超声波传感器结构相对简单、体积小、性价比高、信息处理简单而且可靠，易于小型化和集成化，并且可以进行实时控制等特点。所以这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。市面上的导盲机器价格昂贵，不易携带，使得这些机器无法普及，但随着科技的不断发展和人民生活水平的不断提高，让视力障碍者的生活行动变的方便已成为现实。所以研究一种可以帮助盲人舒适、快捷、安全行走的导盲设备有着重要的意义。

2 设计思路

本项目设计一种基于倒车雷达避障的盲人导盲拐杖。随着汽车技术高速发展，我们将倒车雷达技术和车载GPS定位系统应用于盲人生活中，设计智能导盲拐杖，并配合语音提示系统。该系统以单片机为核心控制单元，利用超声波雷达、红外探测仪、GPS定位技术，来实现躲避障碍物、危险预警、定位以及快速引导等功能。满足视力障碍者的日常出行要求，有效提高出行的安全性，改善生活品质。

本系统包括重力加速度传感器采集系统、无线蓝牙通讯系统、超声波雷达系统、GPS定位系统、单片机控制系统和音频控制系统。超声波雷达系统主要通过超声波检测前方存在的障碍物；ADXL345加速度传感器电路主要用来测量盲人的行走速度的变化，从而实时调节雷达探头的检测距离和探测频率；无线蓝牙通讯电路主要用来拐杖和盲人之间的语音通讯；GPS模块用来精准定位盲人位置；单片机控制电路是导盲拐杖的核心，主要是通过传感器收集数据、适时调整雷达参数、对障碍物做出判断、蓝牙信号的收发音频的传输等功能。

3 设计流程

（1）设计总体硬件设计。导盲拐杖的系统硬件结构如图1所示。导盲拐杖工作的具体过程是：系统开机后，雷达探头发射超声波对前方障碍物进行测量，盲人行走开始后，再由速度和加速度传感器检测盲人的行走速度和速度变化量将其传入单片机，单片机来实时调整测距范围频率，预警提前量，并控制语音模块进行语音提示与引导。语音传输采用无线蓝牙传输，省去物理布线，提高行走安全性。系统中加入GPS定位模块，定位信息家人可以通过手机APP软件进行查询。

图1 硬件总体设计流程图

（2）单片机控制电路。该系统采用的主控芯片为STC89C58 单片机，其功能为对三组探测雷达的信号进行接收并处理、加速度传感器信号的分析、音频模块与液晶显示屏幕的驱动、以及无线信号收发等功能。本系统的单片机电路晶振采用11.0592MHz。单片机I/O口的连接为：加速度传感器与P1.1和P1.0口相连，通过I2C程序单片机和传感器进行通讯；LCD1602液晶屏与P0口相连用于显示数据的传输，液晶屏的控制引脚与 P2.0～P2.2相连，用于控制液晶屏的显示；P3.0和P3.1作为单片机发送口与接收口分别与蓝牙模块的发 送、 接 收 引 脚 相 连；P1.4～P1.7 和 P2.5～P2.7 以 及P3.4为超声波检测信号输入端口，P2.3～4为音频模块控制端。

（3）超声波测距模块。本系统采用的超声雷达波测距模块为AJ-SR04M，为一体是防水测距模块，自带温度补偿功能，测量距离为0.1～8m测距精度可高达10mm，由超声波发射器、回波接收器与控制电路三部分组成。具体的实现方式如下：①单片机IO口给出10us的高电平信号触发TRIG引脚进行测距。②发生器将40kHz的方波向前探测发送，并实时检测是否有反射信号。③当有信号被障碍物反射回时，模块引脚ECH0产生一个高电平并通过IO口输出，声波从发射到返回的时间间隔就是高电平的持续时间t。则障碍物的距离为t/2×340m/s。④引脚TRIG从0触发并大于1时，超声波模块测距启动，如果10ms后引脚ECH0仍然没有出现150us的零电平信号，证明前方没有障碍物。

具体工作流程为，雷达探测模块发出波长约为6mm，频率为40kHz的超声波信号。当此信号被障碍物反射回，并被接收端所收集，接收端实质上是一种压电效应的转换器。因此将这种障碍物信号转换成毫伏级的微弱的电压信号。该集成化性能稳定具有防水功能，检测距离精确。其主要特点为超微型、无盲区、反应速度快，10ms的测量周期不容易丢失高速目标。可以很好的保障盲人行走的安全性。

（4）软件设计。软件程序是本设计的核心，单片机的主程序决定着系统的性能。在主程序中系统要不断的调用子程序和中断服务程序。第一步为程序自检和系统的初始化，第二步是重复控制模块发射信号的过程，即不断调用发射子程序若干遍，并且每次发射的周期结束后，来判断在发射的信号后或延时等待过程中是否有信号产生；中断程序用来判断是否回波产生，确定障碍。在显示报警程序中（如图2），当盲人距离障碍物大于30cm且小于1m时，拐杖上显示黄灯，系统会报警鸣声处于警告区，并不断进行语音距离提示；当盲人距离障碍物小于30cm时，拐杖上显示红灯，并且系统会报警并发出停止的指令；当盲人距离障碍物大于1m时，指示灯变为绿色，系统不会有任何提示，此时处于安全区。

图2 软件子程序流程图

4 设计目标

预期目标是，该智拐杖可以应用于各种城市和乡村道路引导盲人安全出行。导盲装置是盲人朋友必备的装备。可以实现雷达避障，语音引导，GPS定位。通过实验分析，该系统可以很好监测8m之内的障碍物，通过加速度传感器来采集盲人行走速度的变化，来实时调整探测距离和探测频率，从而及时的进行语音提示。本设计的创新控制思维，与传统式的电子拐杖相比较，更加的人性化，可以根据不同人的行走速度和行走特点，对雷达测距参数进行调整。智能化程度极大增加。本设计把现代传感技术应用到实际生产中，结合智能技术，提高了采集时间与精度。并且将车载倒车雷达技术和GPS定位技术应用于盲人的服务中，通过实验验证系统稳定性强、导盲精准度高，可以很好的引导盲人出行，提高盲人的生活质量。