基于多传感器融合技术的智能导盲杖的设计

杜宇崧，袁啸宇，马雪娇

（青海师范大学，青海西宁，810000）

0 引言

目前，中国仍然是世界上盲人最多的国家之一，而眼部疾病也是我国的最值得关注的公共卫生问题。我国约有700万盲人，占世界盲人总数的18%，另外我国的双眼低视力患者已超过1200 多万。

目前市场存在的较为成熟的导盲工具有传统导盲杖，导盲犬，以及多功能手杖等。虽然这些产品的适用性很强，但是一只导盲犬的训练成本高达17 万-20 万人民币，训练的专业性强、时间长，而工作年限却仅有8 年左右，不具备自给自足能力。并且目前依然有很多公共场合是禁止犬类进入的。目前市场上普通导盲杖的价位区间跨度很大，从 1元到2000 元不等，而且导盲功能较差。

本文通过多传感器融合技术，设计了一种集超声波测距避障，语音播报，震动反馈，倒地检测以及夜间灯光警示五大功能为一体的智能导盲杖。（1）超声波测距避障模块主要是利用超声波传感器，持续地发射和接收超声波，不停地检测前方是否有障碍物，该模块为整个系统的核心。（2）语音播报模块主要是通过语音控制芯片，将主控制系统传输的信息转化为语音输出。（3）震动反馈模块由多个振动马达组成，当收到单片机发出的“震动”信号时，电路接通，使导盲杖处于震动状态，以便更好地提醒盲人。（4）倒地检测模块安装在把手位置，可以利用内置的三轴加速度传感器，获取导盲杖当前所处的状态，及时判断是否发生摔倒。（5）夜间灯光警示模块主要是利用光照强度传感器检测外界环境光照强度，并结合LED 光源，实现在较暗的环境下提醒行人的功能。

1 总体结构设计方案

如图1 所示，本文所设计的智能导盲杖由机械结构和电路结构两部分组成。机械结构包括导盲杖的各个组成部件、杖体外形以及杖体的使用材料。电路结构包括微处理器单片机、电源模块以及各传感器模块。

图1 系统总体结构设计

工作原理：在把手位置安装有整个系统的开关按钮，按下按钮各电路接通。首先，超声波传感器持续地发射和接收超声波信号，当检测到前方有障碍物时，超声波测距避障模块会输出不同的电压值作为信号，当距离杖体50cm～150cm 时，传感器会将检测到的信号输送给微处理器单片机，经过单片机处理后，将信号传输给语音播报模块。语音播报模块会将单片机传输的电信号通过语音控制芯片转化为文本信息，再由语音合成芯片将文本信息转化为语音，通过播放器向外播报。当检测到障碍物距离杖体15cm～50cm 时，处理器会将信号发送给震动反馈模块，此时位于手柄部位的多个震动马达开始发挥作用，使整个杖体不停地震动，提醒盲人要加倍小心。在开关接通后，倒地检测模块和夜间灯光警示模块会持续处于工作状态。倒地检测模块内置的三轴加速度传感器会不停收集智能导盲杖各方位的加速度，若检测到当前状态异常，会将信号由单片机传送到语音播报模块和震动反馈模块，及时向外界发出信号，寻求帮助。夜间灯光警示模块内置光照强度传感器，当检测到外界环境较暗时，会打开智能导盲杖的LED 三色警示灯，提醒行人注意避让。

2 机械结构

本方案设计的智能导盲杖由把手和杖杆两部分构成，把手采用PC 材质，PC 材料硬度高，具备一定的抗划性以及很好的耐疲劳性，价格便宜，可回收利用，被广泛应用于医疗设备和建材行业。杖杆选用金属不锈钢材质，采用传统的可伸缩设计，为了适应不同身高的盲人。杖体设计如图2 所示。

图2 杖体设计

3 电路结构

■3.1 微处理器

该模块采用STM32F103 单片机（ST 公司开发的32位微控制器）作为核心处理器，其具有超低功耗的 ARM Cortex-M0 处理器内核，性能强悍，运算速度快，完全可以满足该方案的设计需求。

■3.2 电源模块

电源采用可充电9V 锂离子电池，经过电压转换模块的稳压降压以及外围滤波电路的处理后产生需要的5V 和3.3V电压。

■3.3 超声波测距避障

测距原理：通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时[2]。在15 °C 的空气中超声波的传播速度大约等于340 m/s，根据计时器所记录的时间T,可计算出传感器的发射点到障碍物之间的距离s，(s=340T/2）。

超声波测距避障模块采用多组HY－S R F05 超声波传感器，探测距离为2 cm～450 cm，探测频率为500Hz,测试精度可达3mm，多组传感器并行工作可实现360 度全方位测距避障。

图3 是该传感器外观图，该传感器一共有五个引脚，分别是Vcc、GND、Trig、Echo、Out。其中Vcc 表示电源端，接5v 电源；GND 为共地端；OUT 为输出端子，可通过判断输出的电平来判断是否上电；Trig 为触发（控制）端口；Echo 为接收端。使用该模块时，通过 STM32 单片机给其触发控制端一个 10μs 以上的高电平信号，该传感器的输出端会发送 8 个 40 kHz 的方波，并且具有信号回传的自动检测功能，如检测到有信号返回，则通过 I/O 口接收端输出一个高电平，高电平持续的时间T 即为超声波从发射到返回的时间[3]。

图3 HY—SRF05 超声波传感器

■3.4 语音播报

单片机将超声波传感器检测到的路面情况的信号传输到语音播报模块，此时位于该模块的语音控制芯片通过内嵌的DSP 高速音频处理器和13Bit/DA 转换器将单片机传输的电信号转换为音频信号，并通过内置的播放器向外播放。

■3.5 震动反馈

在把手部位安装多个震动马达，所选用的马达与常见的手机马达类似，外部为塑料制成的外壳，内部有一个微小的直流电动机，用以驱动偏心轮转动。此外在该模块还设置有一块集成电路，这部分电路可以控制电机的启动和停止。当核心处理器向该模块发出“振动”信号时，控制电路接通。电机轴上有一个偏心轮，在电机转动过程中，偏心轮的圆心质点不在电机的转心上，此时马达处于不断的失去平衡的状态，由于惯性作用引起震动[4]。

■3.6 倒地检测

通过实验发现，倒地检测装置所处的位置直接关系到测量数据的准确性，将装置安装于把手位置最为可靠。因为把手位置的活动幅度较小，相比于杖体稳定性更高。倒地检测装置的核心部件是可以同时测量空间三个方向的加速度的三轴加速度传感器。图4 为该款智能导盲杖的三维坐标图。令Aca 为加速度向量幅值，设X 轴方向的加速度为ax,Y 轴方向的加速度为ay,Z 轴方向的加速度为az,则合加速度为a=a x+a y+az[5]，这时：

图4 导盲杖三维空间图

在倒地瞬间,导盲杖的加速度在三轴方向（即Aca 值）会发生巨大变化。Aca 的值越小,智能导盲杖所处的状态越稳定。当盲人摔倒时,导盲杖失去平衡,此时装置会检测加速度是否达到设定峰值,因此可以用阈值法来判断摔倒是否发生。

■3.7 夜间灯光警示

夜间灯光警示模块由光照强度传感器和LED 光源警示灯组成，采用HA2003 光照传感器进行采集，将光照强度值转化为电压值，再经调压电路将此电压值转换为0～2V 或4～20mA，以此来判环境的光照强度，当光照强度小于某个阈值时自动打开导盲杖上的LED 警示灯，以便提醒行人及车辆注意避让。

4 结束语

本文设计的智能导盲杖，通过多传感器融合技术，将超声波测距避障，倒地检测，震动反馈，语音播报和夜间灯光警示等功能完美地结合在了一起，可以有效地应对盲人出行所遇到的各种路面情况。并且杖体沿用传统手杖的外形，可以使盲人更快地适应智能导盲杖。基于多传感器融合技术的智能导盲杖不仅功能实用，还可以极大地方便盲人的出行。