基于单片机技术发展下的导盲鞋设计研究

安良帅 董硕 叶昊坤 赵芳华

摘 要：设计了一款智能导盲鞋，盲人可以与导航鞋进行简单的交流，实现盲人定位与避障。近几年来，单片机技术发展越来越成熟，以单片机为核心的技术可以为盲人提供很多方便。导盲鞋与手机APP来连接，家属也可在APP查看使用者所处的位置及状态，为盲人建立电子围栏，避免盲人走丢。

关键词：导盲鞋;超声波测距;GPS定位;APP连接

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.144

1 前言

近年来，单片机技术的开发与应用为盲人导盲系统提供了新的研究方向，以单片机技术为基础的导盲系统也变得越来越重要。据卫生部统计，中国的盲人达1400万，数量列居世界之首。每年，我国新增盲人和弱视群体约 45 万，随着该群体的数量逐年增加，他们的出行问题也逐渐凸显出来，对盲人产品的设计也提出更高的要求。

2 盲人情感特征及出行需求分析

正常人面对黑暗尚且恐惧，失去视觉感知能力的盲人更容易受到未知世界的威胁，无法准确识别环境，严重缺乏安全感。根据马斯洛需求层次理论，安全需要是仅次于生理需要的基本需要。盲人导航设计应尽可能多的给予可靠的外界信息，来提高盲人安全感，从而减少盲人内心的恐惧与慌乱。

3 导盲鞋模块功能介绍及各模块安放位置

本款导盲鞋是一种综合超声波测距、坡面角度探测、GPS定位、语音震动提示等功能的新型导盲鞋，能够为盲人提供准确的周围环境信息，保障使用者安全。在单片机选择上，采用性价比较高的STM32系列作为主控芯片，能够为系统提供极高的处理速度和丰富的可调用资源。

3.1 超声波测距模块

导盲鞋通过传感器检测与障碍物之间的距离，实现探测功能。目前，普遍采用的测距传感器是红外传感器和超声波測距传感器。红外传感器体积较小但成本高昂;超声波传感器体积较大但成本低廉。超声波传感器测量距离普遍比红外传感器的远，最小测量距离较小，对于导盲鞋的应用场合更为适宜。考虑到室外环境温度变化比较剧烈，经过反复对比，最终决定采用具有温度补偿模块的超声波传感器US-100超声波模块。

3.2 坡面角度探测模块

对于盲人而言，坡路有较高的危险性，因此需要及时提醒盲人注意。因此可以通过测量坡面与水平面之间的夹角进行判断坡度，在夹角变化Δα超过一定阈值后，鞋内的震动模块发生震动，同时语音模块发出提醒，从而保证安全。考虑到在本产品中，角度传感器的目的是测量对地水平面的角度，因此可采用小巧灵活的陀螺仪[1]测量鞋底部的角速度，当角速度过大时，即可判断为夹角变化超过阈值，引发警报。

3.3 GPS定位模块

GPS定位模块将当前地理位置信息以文本格式传递给CPU ，然后CPU将会控制语音提示模块，发出提示信息，提供对使用者的位置提示参考。产品中警告提示部分包含语音提示方式和震动提示方式。并在主控芯片内置机器学习算法，GPS模块采集使用者经过路线，通过训练，为使用者提供一定的路线规划服务[2]。

3.4 各模块安放位置设计

超声测距模块安装在导盲鞋的前端，负责测量与前方突出部分的的距离。GPS模块需要良好的信号，尽量避免覆盖材料对信号的衰减，安装在鞋的表面部位。陀螺仪安装在导盲鞋的底部，在不同的位置测得的角速度会有所不同，通过陀螺仪布置的位置和算法参数、阈值，实现坡路检测。

4 “盲行APP”设计

“盲行APP”分为两个用户终端，一个终端为盲人终端，另一个为家属终端。盲人终端具有语音助手功能，盲人可以与语音助手进行简单的交流，来获取地理位置或其它信息。家属终端可以通过APP实时查看使用者位置，家属也可在APP上建立GPS区域围栏[3]，一旦检测到超出区域标记范围，导盲鞋便会发出提醒，APP也可在使用者走失后为寻找使用者提供帮助。为使用者建立双重安全提供保障。

5 结语

在导盲鞋外观设计方面，在满足使用者的功能需求之外，本着的“功能决定形式”的设计原则和“以人为本”的设计理念[5]，以穿戴简单，外形美观为主要设计方向，辨识度高为辅助设计方向。在导盲鞋功能方面，尽可能多的给予盲人可靠的外界信息，来准确的识别周围环境，来提高盲人的安全出行系数和安全感。希望本设计能够在盲人心中点燃一盏明灯，摆脱外出道路上的阴影，成为盲人探索世界的安全保障。

参考文献：

[1]季鹏飞，朱燕，程传统，杜晓.基于STM32的两轮自平衡小车控制系统设计[J].电子科技，2014，27（11）：96-99+105.

[2]陶卿，高乾坤，姜纪远，储德军.稀疏学习优化问题的求解综述[J].软件学报，2013，24（11）：2498-2507.

[3]Sainarayanan G，Nagarajan R，Yaacob S.Fuzzy imageprocessing scheme for autonomous navigation of human blind[J].Applied Soft Computing，2007，7（01）：257-264.

[4]刘松斌，王海星，李硕恒.基于STM32的直流电机PWM调速系统[J].化工自动化及仪表，2016，43（08）：834-837.

[5]Jermy Aynsley.Pioneers of Modern Graphic Design[M].London：Mitchell Bezley，2004：164-165.