新型智能導盲車研究與開發

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摘要：近年來，視覺障礙者的數量急劇增加，而無障礙的區域卻變得越來越小。為了更好地幫助視覺障礙者像正常人一樣生活出行，從硬件設備和軟件系統兩方面設計了新型智能導盲車裝置。該導盲車由STM32嵌入式控制器、超聲波傳感器、紅外傳感器、音頻報警模塊、GPS模塊和藍牙模塊構成，多數據傳感器共同集成，實現了在視覺障礙者出行時可以依靠導盲車安全地行走。近年來，盲人群體龐大，很多研發團隊都在致力于導盲輔助相關設備的研究。國內目前的研究方向是以導盲杖[1-2]和導盲眼鏡[3]為輔助工具，而國外的研究中心則是高端機器人。為此，本文研發了一輛以單片機為主硬件基礎并與軟件相結合的智能導盲車。該導盲車主要實現隨著環境的變化提供照明、遇到障礙物時語音提醒以及避障路徑檢測和實時定位的功能。

1系統結構設計與功能

智能導盲車運用STM32單片機作為主硬件基礎，在此基礎上添加各種模塊集成，并與軟件相結合，進而實現對智能導盲車性能需求的研究。系統結構如圖1所示。系統的超聲波模塊是主要的避障模塊，它實現對前方障礙物的感知并測距避障。GPS模塊實現對小車的定位。電源模塊為整個系統提供能量。語音提醒模塊實現遇到障礙物時的報警功能。紅外避障模塊實時進行路徑檢測并實現對車身左右的障礙物進行避障。主控模塊是STM32單片機，同時也是整個硬件系統的核心，它可以實時處理傳感器傳輸過來的數據，并根據所指示的命令做出應答。電機驅動模塊為導盲車提供機械能，使其具有機動性。光控模塊對盲人出行時的環境進行判決和照明。藍牙模塊實現單片機與手機間的通信，運用手機與導盲車相連接并操縱。

2主要硬件模塊

2.1主控模塊

以STM32F103ZE單片機作為主硬件控制系統，目前市面上多應用51單片機和15單片機。從盲人行進安全系數等方面考慮，導盲車需要實現多種功能，保證數據信息采集的效率，因此對單片機的運行性能要求較高。文中選用STM32單片機作為導盲車的主控芯片。STM32單片機資源豐富，可容納數百千字節的程序，也可移植RTOS、GUI中間件，時鐘頻率快、I/O口多、庫函數豐富，能夠滿足幾乎全部的應用需求。

2.2超聲波避障模塊

避障模塊使用超聲波HC-SR04傳感器[4-5]。該模塊的避障效果優越，使用直流5V電壓，遠可在2～450cm范圍內探測出與障礙物的距離，如2cm超近盲區等。超聲波避障的工作過程：模塊的發送端發出超聲波時，定時器中斷開啟；當觸碰到障礙物時返回到接收端，定時器中斷就立即停止計時，經過接收電路放大和整形后返回到單片機主控模塊。工作框圖如圖2所示，測距是根據超聲波在空氣中的傳播速度C=340m/s，記錄高電平持續的時間T，與障礙物距離S=TC/2[6]。為了實現模塊的避障功能，主要是在單片機所對應軟件程序里設置一個S的最大閾值，當設定的值小于閾值時，此時數據回歸到單片機，使小車做出相應的判斷以躲避障礙物，同時也會發出語音報警，提醒盲人當前遇到障礙物。

2.3GPS模塊

本設計所用的GPS模塊為TTL-LEA，是一款簡單方便、實用易用的嵌入式開發的GPS模塊，具有-144dBm信號靈敏度、120mW的極低功耗，使用方便。定位精度高達2.5m，擁有標準SMA有源天線接口，支持NMEA-0183、UBX二進制通信協議；采用U-BLOX第五代GPS引擎，精度高、抗漫反射、抗干擾能力強。同時，該模塊在連接GPS模塊后無須附加設備即可實現定位功能。

2.4紅外避障模塊

本文的紅外避障模塊采用HCRT5000紅外傳感器，該傳感器對外界光線有較好的適應能力，測距速度快。具有成本低、體積小、使用方便、檢測精度高等優點[7]。將紅外傳感器分別放于導盲車的左右兩端，用來感知左右兩側的障礙物。當左側紅外傳感器感知到障礙物時，傳感器的接收端將信號傳輸到單片機中，通過與設定的軟件系統的程序相結合進行判斷，從而使車右轉。同理，當右側紅外傳感器感知到障礙物時車會左轉，兩側無障礙物時會前進，左右均有障礙物時車會后退并右轉。程序設計流程如圖3所示。

2.5藍牙模塊

本設計使用HC-05藍牙模塊，采用非常快速的連接方式，就可以進行短距離數據間的傳輸。當前市面上也有通過WiFi模塊與硬件設備相連接的情況。但考慮到藍牙不需要依靠網絡，且HC-05藍牙模塊具有功耗小、價格低廉、響應快、穩定性好、使用簡單等優點，僅占用單片機的一個串口，再通過藍牙通信技術，就可以實現硬件設備與手機相連接[8-9]。

2.6電機驅動模塊

在導盲車的兩端各安裝一個步進電機充當車輪，并通過單片機調節PWM的占空比和脈沖信號的頻率，控制兩個車輪的速度，速度不同時導盲車進行左右轉彎，速度相同時導盲車直行。本文使用ULN2003驅動芯片對步進電機進行驅動。與直流電機不同的是它通過輸入電脈沖信號，將脈沖信號變為轉換角位移的機理，進而使小車移動。當前市面上廣泛應用直流電機和步進電機。相比較而言，步進電機結構簡單、控制性能和機動性能優越，盲人通過操縱手機APP可以使小車快速啟動和停止[10]，并且具有誤差不長期積累等優點。綜上，考慮到總體的設計需求，導盲小車選擇使用步進電機。

3軟件設計與調試

以上主要介紹了整個系統的硬件板塊，而一個完整的系統還需要軟件的支持。為此，需要將硬件模塊所支持的軟件程序燒錄到單片機上，將各傳感器收集到的數據通過杜邦線傳遞，與主控模塊相連接，主控模塊依據預設的軟件程序進行判斷和處理，最終整個系統的構架搭建完成，使盲人能夠真正利用導盲車進行導盲。

4結語

為解決當前盲人出行問題，本文提出了一個以STM32單片機為控制核心的智能導盲車系統。系統中設計了驅動芯片、步進電機、超聲波和紅外避障傳感器、GPS等模塊。經過實驗測試發現，導盲車實際使用效果較為理想，解決了盲人出行困難的問題。注：本文通訊作者為謝印慶。

作者：周帥 魏佳豪 陳籽萌 鄒思奇 田豐源 趙琳博 謝印慶 單位：大連理工大學城市學院