李姝穎，尹軍，萇飛霸，魏安海，周德強(qiáng)

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042

基于超聲波傳感器陣列的導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李姝穎，尹軍，萇飛霸，魏安海，周德強(qiáng)

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042

目的 設(shè)計(jì)一種基于超聲波傳感器陣列的導(dǎo)盲系統(tǒng)，解決視覺(jué)受損人群出行不便的困難及行走中的安全問(wèn)題。方法 以超聲波傳感器TCT40-16T/R為基礎(chǔ)，以AT89S52單片機(jī)為控制和數(shù)據(jù)處理的核心進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采用MATLAB進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。結(jié)果 該系統(tǒng)可以對(duì)障礙物進(jìn)行精確地探測(cè)（包括距離和方位），且檢測(cè)精度高、探測(cè)范圍廣。結(jié)論 該系統(tǒng)對(duì)解決視覺(jué)受損人群出行不便的問(wèn)題具有重要意義。

超聲波傳感器；超聲波相控陣；導(dǎo)盲系統(tǒng)；C語(yǔ)言；MATLAB

0 前言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全世界盲人數(shù)量約為4500萬(wàn)，并以每年700萬(wàn)的數(shù)量遞增，而全世界視覺(jué)受損人群數(shù)量則多達(dá)1.8億[1]。由于人口老齡化問(wèn)題，預(yù)計(jì)到2020年，全球視覺(jué)受損人群數(shù)量還會(huì)增長(zhǎng)一倍。據(jù)我國(guó)衛(wèi)生部統(tǒng)計(jì)，截至到2009年，中國(guó)盲人數(shù)量約占全球盲人數(shù)量的18%，人數(shù)約為810萬(wàn)，且該數(shù)量有逐年增長(zhǎng)之勢(shì)。人們?cè)谏钸^(guò)程中，有95%的信息是通過(guò)視覺(jué)獲得的，視力受損的后果之一是行動(dòng)不方便，這會(huì)給工作、生活、社交活動(dòng)帶來(lái)莫大的困難。如何安全行走是盲人生活中最大的問(wèn)題。為了解決盲人出行不便的困難，需要設(shè)計(jì)出不僅能輔助視覺(jué)受損人群行走，還能探測(cè)周?chē)系K物的系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅需要滿(mǎn)足體積小、功耗低、操作方便、探測(cè)范圍大等要求，還要能夠幫助盲人快速通過(guò)復(fù)雜環(huán)境。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)超聲波測(cè)距與定位技術(shù)進(jìn)行研究，尤其是超聲波具有在空氣中傳播不容易受到周?chē)h(huán)境干擾、衰減速度慢、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，使得超聲波測(cè)距與定位技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為此，深入研究基于超聲波傳感器陣列的導(dǎo)盲系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 超聲波相控陣的基本原理

超聲波相控陣是指根據(jù)一定的規(guī)則和時(shí)序激發(fā)一組超聲波傳感器，通過(guò)調(diào)整激發(fā)傳感器的序列、數(shù)量、時(shí)間來(lái)控制波束形狀、偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)的超聲波電子掃查方式[2-3]。它由多個(gè)相互獨(dú)立的超聲波傳感器組成陣列，通過(guò)控制各傳感器激勵(lì)脈沖的時(shí)間延遲，來(lái)改變由各傳感器發(fā)射的超聲波到達(dá)物體某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，使各個(gè)傳感器發(fā)射的超聲波疊加后形成一個(gè)新波陣面；當(dāng)超聲波相控陣發(fā)射的波束遇到目標(biāo)以后就會(huì)反射回波，回波到達(dá)各傳感器的時(shí)間存在差異，按照回波到達(dá)各傳感器的時(shí)間對(duì)每個(gè)接收信號(hào)作延時(shí)補(bǔ)償，并進(jìn)行合成相加，再根據(jù)信號(hào)處理的結(jié)果判斷障礙物的位置。超聲波相控陣接收的回波信號(hào)來(lái)自于多個(gè)通道信號(hào)，合理利用每個(gè)通道之間回波信號(hào)的時(shí)間差與相位差是對(duì)物體定位的基礎(chǔ)。超聲波相控陣技術(shù)有以下特點(diǎn)：① 電子系統(tǒng)控制波束特征，可在無(wú)需或少移動(dòng)陣列的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃查，檢測(cè)速度快且能夠探測(cè)復(fù)雜形狀的物體；② 能實(shí)現(xiàn)多角度、多波束檢測(cè)；③ 原始數(shù)據(jù)豐富，便于二次分析，可用成像方式顯示障礙物；④ 有利于波束方向的控制，在分辨力、信噪比等方面具有優(yōu)越性；⑤ 超聲波相控陣的快速掃描避免了機(jī)械掃描時(shí)附帶的波束偏轉(zhuǎn)慣性，提高了掃描精度；⑥ 超聲波相控陣波束形狀的捷變能力強(qiáng)。采用超聲波相控陣技術(shù)可在不移動(dòng)傳感器陣列的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中障礙物的立體掃描。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于超聲波傳感器陣列的導(dǎo)盲系統(tǒng)探測(cè)原理是以不同角度發(fā)射超聲波束來(lái)掃描環(huán)境，并接收障礙物的反射回波[4-7]。該設(shè)計(jì)由兩組分立的線性發(fā)射陣列和接收陣列組成，其中發(fā)射陣列由4個(gè)超聲波傳感器組成，接收陣列由3個(gè)超聲波傳感器構(gòu)成。如果發(fā)射陣列與接收陣列中的傳感器以相同距離2.5λ或3.75λ排列，則整個(gè)系統(tǒng)只有在45°或30°掃描范圍內(nèi)探測(cè)才不會(huì)出現(xiàn)由柵瓣造成的誤判。本研究選用的TCT40-16T/R壓電陶瓷超聲波傳感器具有收發(fā)分立式超聲探頭，其中心頻率為40 kHz[8-9]，方向角為80°左右。為了消除柵瓣的影響和減小偽像，發(fā)射陣列和接收陣列的超聲波傳感器分別以2.5λ和3.75λ間距排列，通過(guò)波形乘積法可以使整個(gè)系統(tǒng)的掃描范圍到達(dá)60°。發(fā)射陣列和接收陣列都使用相位波束合成技術(shù)，利用電子技術(shù)控制波束掃查后形成扇形掃描直接探測(cè)對(duì)象，用該種方法可以有效地?cái)U(kuò)大探測(cè)面積。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

導(dǎo)盲系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以超聲波傳感器TCT40-16T/R為基礎(chǔ)，以AT89S52單片機(jī)作為控制和數(shù)據(jù)處理的核心，由電源、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、模擬開(kāi)關(guān)電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)通訊模塊構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖1。

如圖1所示，該導(dǎo)盲系統(tǒng)的工作原理是在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)射超聲波前，由單片機(jī)產(chǎn)生頻率為40 kHz的脈沖信號(hào)，然后將脈沖信號(hào)傳至發(fā)射模塊進(jìn)行放大，再用放大后的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波陣列發(fā)射超聲波；當(dāng)超聲波在空氣中遇到障礙物時(shí)，就會(huì)反射回波；當(dāng)超聲波陣列接收到微弱的回波信號(hào)時(shí)，陣列則利用壓電效應(yīng)將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，然后將信號(hào)送至模擬開(kāi)關(guān)電路選擇接收通道，通過(guò)接收模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后把接收模塊輸出的模擬信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；最后把處理后的數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)中，通過(guò)CH341T芯片與PC機(jī)USB端口相連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊以MAXIM公司的MAX232芯片為核心構(gòu)成電壓抬升電路，其作用是將驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓進(jìn)行放大。當(dāng)遇到距離較遠(yuǎn)的障礙物時(shí)，回波信號(hào)較弱，僅為微伏級(jí)或毫伏級(jí)別，要使系統(tǒng)檢測(cè)范圍更遠(yuǎn)，就需要加上電壓抬升電路以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。

2.1.2 接收模塊

接收模塊包括放大電路、濾波電路、比較電路以及整流電路。接收模塊主要是對(duì)微弱的回波信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，然后將處理后的信號(hào)傳輸?shù)奖容^電路，經(jīng)過(guò)閾值比較后再送至整流電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形放大，最后通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)電路選擇接收通道。

由于超聲波傳感器接收的回波電壓值較?。▋H為毫伏級(jí)），不易測(cè)量，需要放大電路將回波信號(hào)增大到適當(dāng)?shù)姆秶偎椭翞V波電路進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用LM324運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)放大功能，其放大倍數(shù)為47倍。在超聲波傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)中，除了碰到物體而反射回來(lái)的信號(hào)以外，還容易摻雜其他干擾信號(hào)，因此，需要采用帶通濾波電路把有效信號(hào)濾出，選擇適當(dāng)?shù)耐◣挾葎t是帶通濾波電路的關(guān)鍵步驟。

回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后發(fā)送到比較電路，與電路中設(shè)置的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)輸入電壓比閾值電壓高時(shí)，表明已成功檢測(cè)到物體反射回來(lái)的信號(hào)。如果設(shè)置的閾值電壓過(guò)低，其他干擾信號(hào)同樣能觸發(fā)比較電路；如果設(shè)置的閾值電壓過(guò)高，微弱的回波信號(hào)就不能引起比較電路的輸出。本論文采用雙閾值法在一定距離內(nèi)檢測(cè)可以獲得精確度較高的數(shù)據(jù)。比較電路圖，見(jiàn)圖2。

本設(shè)計(jì)采用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，以及使用CH341T芯片將USB與AT89S52單片機(jī)UART連接起來(lái)，完成USB轉(zhuǎn)串口設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)通訊電路圖，見(jiàn)圖3。

圖2 比較電路圖

圖3 基于CH341的USB數(shù)據(jù)通訊電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 基于C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序負(fù)責(zé)及時(shí)處理回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算以及數(shù)據(jù)通訊。這一部分主要由超聲波發(fā)送子程序、中斷子程序、超聲波接收子程序、A/D采樣程序和通訊程序組成，其流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 程序流程圖

如圖4(a)所示，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再分別對(duì)定時(shí)器、中斷系統(tǒng)及其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后激勵(lì)傳感器發(fā)出8個(gè)周期40 kHz的脈沖超聲波；同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)。由于發(fā)射超聲波過(guò)程中將有余波形成，并且超聲波傳感器之間的距離非常近，發(fā)射時(shí)會(huì)有部分余波未經(jīng)反射直接回到接收通道引起系統(tǒng)誤差。為了避免誤差，在發(fā)射超聲波后延遲啟動(dòng)接收電路。若接收到回波，則引起外部中斷，調(diào)用中斷子程序讀取計(jì)數(shù)值，經(jīng)處理后計(jì)算出從發(fā)射到接收的時(shí)間差，即可得到障礙物信息。如圖4(b)所示，設(shè)置通訊波特率為11.52 kbps，數(shù)據(jù)傳輸采用外部中斷方式，每當(dāng)MAX197完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就先將數(shù)據(jù)放在AT89S52單片機(jī)里緩存，然后通過(guò)CH341T發(fā)送至PC機(jī)中。

2.2.2 基于MATLAB的軟件設(shè)計(jì)

采用MATLAB設(shè)計(jì)的軟件負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的接收和處理進(jìn)行編程，用于分析AT89S52單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。MATLAB串口通訊及數(shù)據(jù)處理流程圖，見(jiàn)圖5。

圖5 MATLAB串口通訊及數(shù)據(jù)處理流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)分別對(duì)放置在不同位置上各種形狀的物體進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。波形乘積法使得整個(gè)系統(tǒng)的波束方向性可以通過(guò)發(fā)射陣列和接收陣列的方向乘積得到[8-9]，所得整個(gè)系統(tǒng)的陣列波束掃描范圍可達(dá)到60°，大大提高了探測(cè)范圍。圖6(a)為偏轉(zhuǎn)角θ=20°時(shí)發(fā)射陣列波束方向圖。

圖6 波束方向圖

從圖6(a)中可以看出，第一柵瓣出現(xiàn)在大約-5°和50°位置處。為了得到接收陣列的波束方向，將一個(gè)超聲波傳感器發(fā)射探頭放置在接收陣列前發(fā)出超聲波，而接收陣列中所有超聲波傳感器同時(shí)檢測(cè)回波。圖6(b)為波束偏轉(zhuǎn)角θ=20°時(shí)接收陣列波束方向圖。從圖6(b)中可以看出，第一柵瓣出現(xiàn)在大約5°和40°位置處。已知發(fā)射陣列和接收陣列的波束指向圖，根據(jù)波形乘積法能夠獲得整個(gè)系統(tǒng)的波束方向圖。當(dāng)波束偏轉(zhuǎn)角θ=20°時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的波束方向是發(fā)射陣列與接收陣列波束方向之乘積。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在掃描范圍內(nèi)波形乘積法可行并且能成功地消除柵瓣影響，使檢測(cè)精度得到極大的提高。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)導(dǎo)盲系統(tǒng)波束方向進(jìn)行定性分析后，還需要對(duì)不同位置上各種形狀的物體完成探測(cè)實(shí)驗(yàn)。首先，對(duì)單個(gè)形狀規(guī)則的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1。實(shí)驗(yàn)中將一個(gè)長(zhǎng)度約為15 cm的物體放置在離裝置160 cm處的位置，它與裝置夾角為-14°。如果接收陣列和發(fā)射陣列都使用2.5λ傳感器間距，則波束偏轉(zhuǎn)角為-14°，柵瓣出現(xiàn)在掃描范圍內(nèi)-9°和-44°角的地方。這將導(dǎo)致在掃描范圍-9°和-44°角的地方出現(xiàn)物體偽像。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7(a)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中沒(méi)有物體偽像。因此，實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)方法能成功地抵消柵瓣影響。

圖7 探測(cè)測(cè)試結(jié)果

然后，對(duì)多個(gè)形狀規(guī)則的物體進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)2中，使用兩個(gè)大小不同的物體，其中一個(gè)長(zhǎng)度約為15 cm的物體被放置在距離裝置100 cm處位置，并且使物體與裝置夾角為-13°；另一個(gè)大小約為35 cm的物體放置在距離裝置200 cm處位置，與裝置的夾角為17°。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7(b)，實(shí)驗(yàn)成功地檢測(cè)到了這兩個(gè)物體，而且很容易地將不同障礙物區(qū)別出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，距離在100 cm處的物體大小約為18 cm，比實(shí)際物體要大，而這個(gè)誤差值在系統(tǒng)的角分辨率范圍內(nèi)，在這種情況下圖像中仍然不存在偽像。通過(guò)對(duì)多組實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以看出，該導(dǎo)盲系統(tǒng)可以對(duì)障礙物進(jìn)行較為精確地探測(cè)（包括距離和方位），其測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)浮動(dòng)。

4 結(jié)論

基于超聲波傳感器陣列的導(dǎo)盲系統(tǒng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)盲系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，將醫(yī)學(xué)檢測(cè)和軍事上應(yīng)用的超聲波相控陣經(jīng)過(guò)改進(jìn)后使用到導(dǎo)盲系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用逐個(gè)輪流激勵(lì)超聲波傳感器發(fā)射探頭的方式發(fā)送超聲波，避免了超聲波串?dāng)_的問(wèn)題，提高了整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度；使用超聲波傳感器接收探頭同時(shí)進(jìn)行回波檢測(cè)，增加了數(shù)據(jù)采集量，可提供大量多角度的障礙物信息。與傳統(tǒng)導(dǎo)盲系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)性能從檢測(cè)精度、檢測(cè)方式、便攜性等方面都得到了很大提高，具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

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Design of Guide System Based on Ultrasonic Sensor Array

LI Shu-ying, YIN Jun, CHANG Fei-ba, WEI An-hai, ZHOU De-qiang
Department of Medical Engineering, Daping Hospital, Research Institute of Surgery of Third Military Medical University, Chongqing 400042, China

Objective To design a guide system based on ultrasonic sensor array to solve the inconvenience and safety problems for the travel of people with visual impairment. Methods Based on the ultrasonic sensor TCT40-16T/R, the hardware of the system was designed with single-chip microcomputer AT89S52 as its control and data processing core. C language was used to design the program of the system and MATLAB was used to design the software of the system. Results The system can detect obstacles accurately (including distance and direction), and enjoys the advantages of high detection accuracy and wide detection range. Conclusion The system will play an important role in solving the travel difficulties for people with visual impairment.

ultrasonic sensor; ultrasonic phased array; guide system; C language; MATLAB

TP212.3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.10.008

1674-1633(2014)10-0028-04

2014-07-03

2014-08-01

尹軍，高級(jí)工程師，醫(yī)學(xué)工程科主任。

作者郵箱：1126978264@qq.com