王力程 陳銳 韓旭 蘇龍霞

摘要； 使盲人有安全感是此項(xiàng)目最人性化的特點(diǎn)，做到利用超聲波與盲人身上佩戴的特殊標(biāo)記物使電子導(dǎo)盲小車與盲人同步，盲人速度加快則安全距離減小，單片機(jī)通過超聲波一傳感器感應(yīng)控制電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速，增大距離，使之重新保持一定安全距離，反之亦然。

【關(guān)鍵詞】藍(lán)牙 導(dǎo)盲犬 避障

1 項(xiàng)目意義

據(jù)了解我國大概有877萬的視障者，而導(dǎo)盲犬是可以為視障者提供向?qū)Х?wù)的犬，能夠使盲人方便地出入諸多場合，融入社會(huì)生活。但是并不是所有的犬類都可以用作導(dǎo)盲犬的訓(xùn)練，拉布拉多有千分之三的適合率做導(dǎo)盲犬，金毛為千分之二，而德牧僅為千分之一，這些千里挑一的狗從2個(gè)月開始就接受訓(xùn)練，通常訓(xùn)練好一條導(dǎo)盲犬要花一年半左右的時(shí)間，一條導(dǎo)盲犬的價(jià)格最少也要萬元左右，一條訓(xùn)練有素的導(dǎo)盲犬價(jià)格更是高達(dá)十幾萬元。

2 項(xiàng)目研究內(nèi)容以及擬解決的關(guān)鍵問題或重點(diǎn)難點(diǎn)

2.1 研究內(nèi)容

據(jù)小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，由避障模塊，主控模塊，動(dòng)力模塊，電池模塊等部分組成。小車在行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物，因此電子導(dǎo)盲小車的探測距離需要有一定的長度，以留給小車足夠的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向，又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應(yīng)對小車速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣才能在順利繞過障礙物的同時(shí)還為下一步轉(zhuǎn)向做準(zhǔn)備。

據(jù)盲人避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求：通過藍(lán)牙模塊及語音模塊以語音告知盲人周圍障礙物的情況，利用超聲波測距原理，由裝置在車尾上的探頭發(fā)送超聲波至盲人身上的特殊標(biāo)記物后反射此聲波，計(jì)算出車體與盲人間的實(shí)際距離。采用語音模塊，使得電子導(dǎo)盲小車在避障的時(shí)候時(shí)延發(fā)出信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)通過藍(lán)牙模塊，傳輸?shù)矫と说乃{(lán)牙耳機(jī)中，如此電子導(dǎo)盲小車可根據(jù)當(dāng)前所處環(huán)境，提示盲人躲避障礙物，盲人需佩戴藍(lán)牙耳機(jī)，電子導(dǎo)盲小車可實(shí)時(shí)探測周圍情況然后將時(shí)延后的語音傳達(dá)紿盲人，并做到盲人與電子導(dǎo)盲小車同步，盲人行進(jìn)速度控制電子導(dǎo)盲小車行進(jìn)速度。

2.2 擬解決的關(guān)鍵問題或重點(diǎn)難點(diǎn)

2.2.1 如何對小車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制？

用單片機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)PWM波，PWM波可控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。我們可以巧妙的利用定時(shí)器的中斷來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)模擬PWM波的產(chǎn)生，利用變量num的大小調(diào)整可以調(diào)整一個(gè)波形周期內(nèi)高電平所占的占空比，從而實(shí)現(xiàn)車輪在一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，從宏觀上即可實(shí)現(xiàn)小車的弧形拐彎。

2.2.2 如何實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)盲小車避障功能？

此介紹為電子導(dǎo)盲小車避障，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，采用超聲波.傳感器實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)盲小車避障功能，小車在行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物并提示盲人，因此電子導(dǎo)盲小車的探測距離需要有一定的長度，以留給電子導(dǎo)盲小車足夠的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向，又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應(yīng)對小車速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣才能在順利繞過障礙物的同時(shí)還能為下一步轉(zhuǎn)向做準(zhǔn)備。超聲波測距具體構(gòu)成如下：

（1）超聲波傳感器：主要功能是發(fā)出和接收超聲波信號(hào)，然后將信號(hào)輸入到主控模塊

（2）主控模塊：對信號(hào)進(jìn)行處理和分析

（3）語音模塊及藍(lán)牙模塊

2.2.3 如何實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)盲小車避障后發(fā)出語音信號(hào)實(shí)現(xiàn)盲人避障（此為時(shí)延）？

采用藍(lán)牙模塊及語音模塊，使小車經(jīng)過障礙物時(shí)所獲取的信息時(shí)延至盲人經(jīng)過時(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為語音信號(hào)傳達(dá)給盲人，如此電子導(dǎo)盲小車可根據(jù)當(dāng)前所處環(huán)境，提示盲人躲避障礙物，盲人需佩戴藍(lán)牙耳機(jī)，電子導(dǎo)盲小車可實(shí)時(shí)探測周圍情況然后將時(shí)延后的語音傳達(dá)紿盲人，前提是人經(jīng)過時(shí)與小車經(jīng)過時(shí)所處地理環(huán)境完全相同，若與小車經(jīng)過時(shí)不相同則會(huì)發(fā)出警報(bào)使盲人暫停腳步，待電子導(dǎo)盲小車重新規(guī)劃路徑。

2.2.4 如何實(shí)現(xiàn)控制盲人與小車之間的安全距離？（此為同步）

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求利用超聲波測距原理，由裝置在車尾上的探頭發(fā)送超聲波至盲人身上的特殊標(biāo)記物后反射此聲波，計(jì)算出車體與盲人之間的實(shí)際距離。

當(dāng)傳感器探知盲人與小車的距離不在安全距離時(shí)，系統(tǒng)通過單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此盲人行進(jìn)速度控制電子導(dǎo)盲小車行進(jìn)速度即電子導(dǎo)盲小車與盲人同步，盲人速度加快則安全距離減小，調(diào)整轉(zhuǎn)速，增大距離，使之重新保持一定安全距離，反之亦然，即通過超聲波檢測小車與盲人之間距離，通過測量的距離調(diào)整相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制人與小車之間的安全距離。

3 擬采取的研究方案及可行性分析

研究思路：資料收集及整理階段、硬件制作及軟件編程階段和調(diào)試階段。

（1）設(shè)計(jì)主要可分為主控模塊，動(dòng)力模塊、避障模塊、電池模塊、語音模塊、藍(lán)牙模塊。

（2）主要構(gòu)成部件：電子避障小車、藍(lán)牙耳機(jī)、特殊標(biāo)記物（位于盲人身上）。

（3）本設(shè)計(jì)選定MSP430F149單片機(jī)為核心，此單片機(jī)具有它獨(dú)特的優(yōu)勢一一控制簡單方便、敏捷迅速。主控模塊為MSP430F149單片機(jī)能夠滿足多個(gè)開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，是能夠非常容易處理多個(gè)開關(guān)量的單片機(jī)，運(yùn)行處理速度要敏捷迅速，MSP430F149單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，I/O口都可以按位尋址操作，程序存儲(chǔ)空間也比較大，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

（4）避障模塊采用傳感器.超聲波，超聲波模塊，電壓比較電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)。具體思路如下：當(dāng)傳感器檢測到有障礙時(shí)，此時(shí)其接收管接收到信號(hào)，輸出一個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過電壓比較電路后成為單片機(jī)可識(shí)別的高低電平，單片機(jī)通過電平高低確定外部是否有障礙，由預(yù)先編寫的程序?qū)崿F(xiàn)如遇障礙進(jìn)行的電子導(dǎo)盲小車的操作即可實(shí)現(xiàn)避障功能。

（5）動(dòng)力模塊：使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用軟件模擬PWM輸出方式（需要占用單片機(jī)內(nèi)部資源）；采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：智能小車中應(yīng)用的比較多的就是直流電機(jī)控制。

（6）藍(lán)牙模塊及語音模塊：本設(shè)計(jì)選定MSP430F149單片機(jī)為核心，利用超聲波測距的原理，對盲人前面道路上的障礙物進(jìn)行距離探測，并把障礙物距離信息變成聲音提示存儲(chǔ)在語音芯片內(nèi)。

4 本項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處

（1）此為同步：使盲人有安全感是此項(xiàng)目最人性化的特點(diǎn)，做到利用超聲波與盲人身上佩戴的特殊標(biāo)記物使電子導(dǎo)盲小車與盲人同步，盲人速度加快則安全距離減小，單片機(jī)通過超聲波.傳感器感應(yīng)控制電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速，增大距離，使之重新保持一定安全距離，反之亦然，即通過超聲波檢測小車與人之間距離，通過測量的距離調(diào)整相應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制人與小車之間的安全距離，盲人行進(jìn)速度控制電子導(dǎo)盲小車行進(jìn)速度即做到盲人與電子導(dǎo)盲小車同步。

（2）此為時(shí)延：在電子避障小車的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用于導(dǎo)盲的功能，創(chuàng)新之處在于小車經(jīng)過障礙物時(shí)所獲取的信息時(shí)延至盲人經(jīng)過時(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為語音信號(hào)傳達(dá)給盲人，不僅能夠主動(dòng)避讓而且還能留夠盲人通行的位置，前提是人經(jīng)過時(shí)與小車經(jīng)過時(shí)所處地理環(huán)境完全相同，若與小車經(jīng)過時(shí)不相同則會(huì)發(fā)出警報(bào)使盲人暫停腳步，待電子導(dǎo)盲犬重新規(guī)劃路徑，利用盲人與電子導(dǎo)盲小車之間距離用時(shí)延后的語音提示盲人周圍障礙情況。

（3）基于超聲波測距等原理，時(shí)延和同步是本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處，首先盲人的行進(jìn)速度控制小車行進(jìn)速度，電子導(dǎo)盲小車可根據(jù)當(dāng)前所處環(huán)境，時(shí)延提示盲人躲避障礙物，盲人需佩戴藍(lán)牙耳機(jī)，電子導(dǎo)盲小車將實(shí)時(shí)探測的周圍情況的語音提示延時(shí)后傳達(dá)給盲人。

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