基于多传感器的导盲杖设计

汪晨远 王明 章智国

由于我国人口基数增加，人口老龄化加大，视力残疾人数变化呈增加趋势，为了提高这类人群的生活质量，我们设计了一款能切实帮助盲人用户安全自主出行的导盲杖。本设计使用STM32单片机作为主控芯片，加装陀螺仪模块、超声波模块、GPS和GSM模块，通过STM32单片机进行数据处理，通过音频、灯光和振动来提醒路人和盲人，从而实现导盲作用。

导盲杖;传感器; 信息融合;STM32

目前我国失明或者弱视群体在国内人数非常庞大，我们的生活环境也变得越来越嘈杂，传统的导盲杖已经远远不能满足盲人的需求了。我们设计的这个导盲杖可以帮助盲人在无他人帮助的情况下，感知周围环境，帮助盲人安全出行，有助于盲人回归社会。本项目导盲杖可以实现前方障碍物自动报警或手柄震动报警功能，语音播报当前时间功能，夜间警示路人功能，GPS定位盲人功能。导盲杖使用方便，实用性强，是盲人出行的好助手。

1 系统总体设计

导盲杖的基本原理是利用多传感器实现周围环境的探测，并利用特殊的智能化算法去实现各种情况的综合判断，然后通过执行單元告知盲人。

本设计以STM32单片机最小系统为基础，由 GPS/GSM 模块、陀螺仪模块、超声波模块、语音模块、振动模块、按键、电源 8部分组成。单片机是整个系统的核心部分。超声波检测到有障碍物后振动;语音报时让盲人了解当前时间;陀螺仪检测盲人是否摔倒，若摔倒一段时间没有爬起，语音报警提醒路人，同时通过 GPS/GSM 模块向家人发送盲人的位置信息;光线较暗时，导盲杖上的 LED 灯闪烁以警示路人。

1.1主控单元

电路主控采用了STM32F103C8T6作为中央控制芯片。在此硬件控制电路的设计中，采用了外部8MHz晶振作为单片机的时钟输入源通过内部PLL（锁相环）将时钟倍频至72MHz作为单片机系统时钟。采用SWD模式进行程序的调试与下载。整个单片机最小系统采用3.3V供电。该ARM主频高，功耗小，价格低，满足设计要求。

1.2物体检测

为了检测前方物体，我们采用了超声波模块（HC-SR04）进行探测。首先我们采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;模块将自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回;有信号返回时，通过IO

口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。根据公式：测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2就可以得到与目标之间的距离了。

1.3姿态解算

采用MPU6050模块作为姿态解算部分，得到盲人当前的姿态，来判断盲人是否跌倒。MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。当连接到三轴磁强计时，MPU6050提供完整的9轴运动融合输出到其主I2C或SPI端口，发送到单片机进行数据处理。

1.4定位系统

定位系统分为GPS模块和GSM模块两个部分，使用GPS模块得到当前的位置信息，并通过GSM模块发送到手机上，大大的提高了盲人出行的安全性。我使用的GPS模块型号为UBX-M8030，此模块最多可并发接收 3 个 GNSS（GPS、伽利略、GLONASS、北斗），行业领先的 -167 dBm 导航灵敏度和业界最低电流消耗，在城市峡谷中具有绝佳的定位精度，具有安全性和完整性保护，同时支持所有的卫星增强系统;GSM模块选用了德国SIEMENS（西门子）公司的一款TC35i高度集成的GSM模块，短信模块体积小、重量轻，满足设计要求。

1.5执行单元

我们得到了盲人的姿态信息，环境信息，假如前方有障碍物或者盲人摔倒，通过单片机处理后，发送电信号驱动语言模块和振动模块，告知盲人。并辅助以LED模块在光线比较暗的时候通过闪烁来警示路人。

1.6电源模块

电池采用锂离子电池作为电源，并设计出可充电接口和电源变换电路，以此来完成充电与其他模块的供电功能。

2 结论

该系统利用多传感器对周围环境进行检测和导盲杖姿态的采集，发送到主控上进行处理计算，适合在复杂环境下使用，能够有效的达到导盲避障的目的，具备高度的智能性和灵敏性，实用性很高。

参考文献

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