基于单片机的导盲系统的设计刘晓凯(编辑修改稿)

基于单片机的导盲系统的设计刘晓凯(编辑修改稿)内容摘要：

设计理念来自于移动式机器人与盲人两者在运 动上的相似性。 移动式机器人与盲人同样具有执行运动、行进的能力，但却同样需要一个探测系统来探测行进路上的障碍物并加以躲避，因此直接将移动式机器人的障碍物躲避系统穿载在盲人的身上，盲人作为半被动的接受障碍物躲避系统命令的运动工具，并且具有比移动式机器人更灵活的行动能力。 该装置由安放 8 个超声探头的腰带、置于背包的小型计算机和立体声耳机组成。 超声探头收发一体，声束角为 150，采用误差消除快速超声激发理论 可以消除重叠干扰，均匀排列的 8 个探头可以探测到 120176。 范围的物体。 OAS 运用矢量场直方图技术将超声探 头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。 NavBelt 因为是穿载在盲人的身上的，因此无法像导5 盲犬一样提供给盲人心理 的安全感和依赖感 [8]。 引导式手杖 较为新颖的导盲机器设计是在拐杖的末梢接上一组载有许多传感器、小型控制计算机而下方装有导轮的移动式平台，也就是将原本移动式机器人的动力系统移除，保留智能感测的部分。 这样的架构特点是：舍弃动力装置，可充分减少机器的体积重量及盲人的负担，大大提高机器的可移植性；系统复杂度减小之后，可以着重在感测系统与导航辅助 技术的设计上；轮子拐杖的机构设计相对于 NavBelt，在心理层面上可以给予盲人较大的依赖感与安全感。 因此导引式手杖的设计可以祢补目前拐杖、电子式行进辅具、移动式机器人及 NavBelt 的缺点。 目前 已存在的 此类型 机器主 要是 Borenstein 的 GuideCane。 GuideCane 的概念形成于 1995 年，它是美国密西根大学继 NavBelt 之后研发的，它的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为电子导盲犬。 这种引导手杖由三部分构成：手柄、机架和车轮。 在使用时，使用者握住手柄，推动 GuideCane 行进。 通过手柄上的微型控制杆，设定行进目标方向。 根据超声探头获得的信息，运用 VFH 技术，计算机产生周围环境的虚拟地图，通过伺服电机，控制转向轮的方向，引导使用者行进。 GuideCane 与 NavBelt 相比是将原先有人背负的设备转至拐杖末端的移动式平台上，减少了机器的体积重量给使用者带来的负担，提高了可操作性。 GuideCane 的缺点是体积还是过于庞大，不便于携带，而且成本较高，所以不便于推广。 本系统 的主要研究内容 随着超声波检测技术的发展，避障的方法也越来越多样，本系统 主 要 的研6 究 内容是基于 单片机 的超声波导盲系统设计，设计的理念是低成本，操作简单，功能完善，便于携带的导盲产品。 系统的核心硬件采用 ST 公司新推出的基于STC89 系列处理器，通过其对外围电路的控制以自身强大的 信号处理能力实现对周围障碍物的检测功能。 在探路模式下 系统能够 实现超声波测距，当距离为警戒距离时，语音模块将提示信息通过语音模块提醒用户，同时 LED 灯明灭以通知路人；在通信模式下 用户可拨打固定电话实现通信功能。 如遇到紧急情况，用户可实现一键紧急报警功能，将 GPS 定位信息通过 GSM 发送到固定手机，以便得知用户信 息 . 7 2 超声波测距 的工作原理 蝙蝠擅长在黑夜中飞行，在漆黑的环境里仍能够准确的判断物体的方位及距离，并能有效的避开树、建筑物等障碍物，以极快的速度精确地飞翔，蝙蝠的这种功能是通过回声定位来实现的。 所谓回声定位，就是某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向。 根据蝙蝠的这种仿生学原理，超声检测与识别技术得到了广泛的应用，特别是医用以及工业领域中，如医学超声检测，超声探伤等。 超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点，同时超 声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制的特点 [3]。 超声波 超声波具有定向好、穿透性好、测距范围宽和 准确度高的特点，通过发射具有特征频率的 波对被射目标进行探测，超声波传感器 比较耐脏污，即使传感器上有尘土也可以测量，便于盲人在使用过程中适应不同的环境。 超声波概述 声波按频率高低不同可分为四种 [7]：频率在 16KHz～ 20KHz 之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于 16KHz 的机械波称为次声波；高于 20KHz 的机械波称为超声波；高于 10MHz 的机械波称为特超声波。 声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。 此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近8 振动而已，这与电磁波是完全不相同，与光波也不同 [8]。 因此超声 波 作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波与电磁波不同，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；电磁波的传播速度为 3000Km/s，而超声波的传播速度为 340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，对于相同频率的情况下波长较短，因此 可以提高测量的分辨率；超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的[10]。 超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声 波在传播特性和功率特性都有一定的优势。 在传播特性上， 超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的 波长越短，这一特性就越显著。 在功率特性上， 当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。 声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。 在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。 由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。 超声波衰减 声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象，统称为声波的衰减。 声波的衰减主要分为三种主要类型 [11]：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。 其中，吸收衰减主要是由于传播介质的粘滞性，使超声波在介质中传播时造成介质间的内 摩擦，从而使一部分声能转化为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗；散射衰减是由于声波在遇到媒质界面时，向不同的9 方向产生散射，从而导致声波减弱；扩散衰减则是由声源特性引起的，是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱，若声源辐射的是球面波，其波阵面随 r增大，声强随 r减弱。 在理想介质中声波的衰减仅来自于声波的扩散。 在实际的应用中，一般选用 30K～ 200KHz 的超声波进行距离测量，比较典型的频率为 40KHz。 超声波传感器 超声波传感器具有测量方式原理简单、易于实现和 测量的精 度高 的特点。 由于 超声波传感器有一定的覆盖性， 所以 可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。 超声波传感器的 特点 超声和可闻声在本质上是一致的，它们都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，都能在媒质中发生反射、折射、衍射、散射等传播规律，其不同点是超声频率高，波长短。 由于声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，而且在相同强度下声音的频率越高做功也越多，因此与一般的声波相比，超声波的功率要大得多。 同时超声波的波长非常短，通常的障碍物的尺寸要比超声 波的波长大好多倍，因此超声波的衍射特性也很差，在均匀介 质中能够沿直线定向的传播。 超声的这些 特性被广泛的应用于超声波探伤、测距以及超声成像技术中。 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能 [11]。 10 超声波传感器的结构及原理 目前常用的超声波传感器主要分为 电声型与流体动力型两类。 其中电声型主要有 压电传感器 、 磁致伸缩传感器 和 静电传感器 [15]。 在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业 中采用的流体动力型传感器称为 “ 哨 ”或 “ 笛 ”。 包括有气体与液体两种类型的哨笛。 超声探头以压电式最为常用。 传感器超声探头的工作原理如图 所示。 它 的材料主要是压电晶体和压电陶瓷，利用压电材料的压电效应来工作的 ,逆压电效应是将高频电振动转化为高频机械振动，从而产生超声波；而正压电效应，是将超声振动波转化为电信号。 图 超声波发送接收原理图 传感器的主要参数 超声传感器有许多不同的结构，根据压 电晶片的直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要的性能指标包括 中心频率、灵敏度、阻抗特性和工作温度。 中心频率，即压电晶片的谐振频率。 当施加于它两端的交变电压频率等于 压电介质 机械能 电能 正压电效应 负压电效应 11 晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。 中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。 常见超声波传感器的中心频率有 30KHz、 40KHz、 75KHz、200KHz、 400KHz 等。 灵敏度的单位是分贝 (dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。 根据传感器的等效机电六端网络图，每一端具有一定的特性阻抗。 所以，一方面换能器与 发射电路（或接收电路）末级电阻应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载（或接收声负载）匹配。 工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远低于居里点温度。 以石英晶片为例，当温度达到 +290℃时灵敏度可降低 6%。 一旦达到居里温度点 (+573℃ )，就完全丧失压电性能。 供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在 20℃ ~+70℃温度范围内可以长期工作。 超声检测的原理和方法 超声检测与超声测距所用的方法类似。 超声测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等 [14]。 其中相位检测法精度高，但是监测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响，采用最多的是往返时间检测法。 往返时间检测法的基本原理在声速已知的情况下通过测量发送信号与接收信号之间的时间差来计算障碍物的距离，原理图如图 所示。 具体的说就是当 40KHz 的电压脉冲信号由导线输入传感器后，由压电陶瓷晶片将此电信号转换成机械振动，这种机械振动通过空气向外发送出去，发送出的超声信号向空中各方向沿直线传播，遇到障碍物反射回来。 传感器在接收到反射回来的回波信号后再次将机械振动转变为电压信号的波动。 此时得到的电压脉冲 信号非常的微弱，经过后极的放大电路等的处理后被采集处理 [12]。 12 图 超声测距工作原理图 若已知声速为 c，测出的第一个回波到达的时间与发送超声波的时间差为 t,测量发射点到障碍物再到接收点的距离为 2s，根据公式 CTS 21 ,可得到传感器与障碍物之间的距离。 22 2  HSD ,工作原理如图 所示，对于收发同体式传感 器来说 h=0，所以 d=s。 声波的速度 c 与温度 T 有关，空气中声速与温度的关系为： ( .1) TTC  但一般情况下我们将声速定为 340m/s。 H D S 13 3 GPS 和 GSM 的工作原理 GPS 全球定位系统具有定位精度高、高效率、多功能、 操作简便和范围 广泛的优点。 可以为本系统提供准确的定位信息。 GSM 网络可以实现无线数据传输，具 有稳定可靠地特点。 本系统将 GSM 技术与 GSM 短消息业务相结合，利用串口分用实 现单片机与 GSM 模块通讯 ,巧妙地克服了 STC89C52 单片机只有一个串口的问题。 在 超声波探路的同时，加以 GPS 模块 ， GSM 模块可以得到用户的具体位置，实用有效。 GPS 系统的构成及基本定位原理 本系统应用 以 M89 为核心的 GPS 模块 进行 经纬度 数据的采集和 处理。 在紧急情况下用户可通过 GSM 模块将经纬度信息发送到固定手机。 GPS 系统的构成和特点 作为全球导航领域内一种全新的技术， GPS 全球定位系统主要利用卫星进行定位。 GPS 最初由美国政府机构控制使用，是目前世界上最为成熟和完好的全世界卫星导航系统。 它由 24 颗卫星组成 ， 早期的 GPS 系统对民用信号的定位精度限制为 100 米左右， 20xx 年后则取消这一限制。 目前， GPS 可以提供的民用信号定位精度为 10米左右。 GPS 现可应用于多领域 (如民用航空，车辆调度管理，深海海运等整个海陆空范围内的导航等 )，特别是在目前的车载导航领域，GPS 全球卫星定位技术更是具有广泛的应用 [14]。 14 GPS 系统 由 地面控制部分 、 空间部分 、 用户设备部分 三大部分 构成。 地面控制部分即地面监控系统 包括一个主控站、三个注入站和五个检测站。 主控站设在美国本土科罗多拉。 主控站的任务是 收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫。