基于多传感器融合的新型智能导盲杖设计

钱鹏飞

（西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030）

目前，中国盲人数量已突破两千万大关，而城市盲道设计不合理、盲道被非法侵占等危害盲人出行安全的问题屡禁不止[1-3]。随着科技发展，智能盲杖不断涌现，但这些智能盲杖并不智能[4-5]。针对市售智能盲杖无法探测上方障碍物、地面路况（如凹坑、楼梯高度）等缺点，本系统基于89C52单片机，采取多传感器融合的技术实现对上方障碍物、前方障碍物、路面情况的检测，并且辅以优化算法增加检测频率，使盲杖反应更快速、检测更灵敏。另外，盲杖还具有智能语音播报、夜晚LED安全灯、倾倒检测等辅助功能，方便盲人的出行。

1 系统总体设计方案

本系统由89C52作为控制核心，由超声波测距传感器、加速度传感器、光敏传感器、语音播报模块和电池模块组成。实物图如图1所示，超声波探测角度及范围如图2所示，总体设计框图如图3所示，系统所有硬件初始化后，光敏传感器首先开启，检测光线强度，光线弱则打开LED灯，确保盲人夜晚出行安全。此后超声波测距循环开启，若前方传感器检测到1.5 m内有障碍物，或上方传感器检测到小于1.5 m的障碍物，抑或下方传感器在0.2 m内检测不到地面，则控制语音模块播报障碍情况。同时，进行检测加速度，判断是否摔倒，摔倒则立刻报警。

图1 实物示意图

图2 三组超声波工作示意图

图3 总体结构框图

2 系统主要硬件设计

2.1 微处理器

89C52价格低廉，处理器RAM内有双重功能的地址区间，既可作字节处理，也可作位处理，使用方便。其I/O口的设置也很简单，且经过几十年发展，各类传感器及传感器源码很完备，可以大大简化设计难度。

2.2 超声波测距模块

本系统采用HC-SR04超声波测距模块，其通过IO触发测距功能，电路原理图如图4所示。使用时，首先向trig端口输入一个大于10 us的高电平，触发测距功能。此时，超声波发送口发出8个40 Hz的方波。若在指定时间内接收口收到回波，则echo端输出高电平且启动定时器，以计算高电平输出持续时间。当echo端停止输出高电平时，定时器也停止计时。此时定时器所计时间，即为发出超声波遇障碍物往返一程所用时间。最后可以通过公式，算出距离前方障碍物的距离。其计算公式为：

图4 HC-SR04电路原理图

距离=（高电平持续时间*340 m/s）/2。

2.3 倾角检测模块

倾角加速度检测采用GY521模块，其集成MPU-6050传感器。因为STC89C52芯片没有集成I2C控制器，故使用软件模拟的方法来实现GY521的I2C功能。

使用时，首先通过I2C读写寄存器，进行初始化。传感器原始数据的AD值是16位数字量，一个数据需要两个字节，来分别储存轴向加速度的高八位及低八位，共同组成16位数据。最后把16位数据除以16 384，即可得到单位为g的轴向加速度。

2.4 语音播报模块

语音播报模块采用XY-V17B，集成IO分段触发，UART串口控制，ONE_line单总线串口控制，标准MP3等功能；支持MP3，WAV解码格式，最大支持32 G TF卡存储，可通过USB数据线连接电脑更新TF卡存储音频文件，语音播报模块电路原理图如图5所示。

图5 XY-V17B语音播报模块电路原理图

运行时，若检测到障碍物，则根据障碍物情况不同，通过3个IO口高低电平的不同的组合，来播报不同的提示语。

2.5 光敏传感器

光敏传感器是一种将光信号转换为电信号的传感器，光敏二极管管芯是PN结，具有光敏特性，有单向导电性。本文的传感器采用telesky的光敏传感器，电路原理图如图6所示。其优点为使用简单，调节方便（可直接通过内嵌的滑动变阻器调节阈值），若外部光线强度小于所定阈值，则DO口输出高电平，若大于所定阈值，则DO口输出低电平。

图6 telesky光敏传感器电路原理图

3 软件设计

多传感器融合是本导盲杖的主要特点。硬件初始化后，首先光敏传感器会检测当前场景光线情况，若光线不强，则传感器DO口输出高电平，使LED灯亮起，确保盲人夜晚出行安全。此后上中下三组超声波传感器依次启动检测，当上方障碍物低于1.5 m时，语音播报“上方障碍物过低”；当前方障碍物小于1.5 m时，语音播报“前方有障碍物”；当检测到下方地面距离大于0.2 m时，语音播报“下方凹坑，请注意”。因为上中两组传感器只检测小于1.5 m范围内的障碍物，故计算后可得，当上中两组超声波回传时间大于9 ms，可直接结束检测，进入下方传感器的检测，优化响应速度，提高导盲杖灵敏度。

每轮距离检测结束后，再进行三轴加速度检测并计算合加速度[6]。若合加速度过大，1 s后再进行1次检测，若合加速度为0，则判断为使用者摔倒并语音报警。

4 实验结果分析

为验证导盲杖报警灵敏度与其他功能的可靠性，于不同时间、不同地点进行了多组实验。取其中的两例：一为西北民族大学榆中校区图书馆正门的连续台阶处至升旗台的70 m区域，二为校门出口前50 m至出口处车辆升降杆的区域，实验数据见表1、表2。

表1 图书馆区域检测结果

表2 升降杆区域检测结果

经试验，该盲杖在路况结构简单的区域内，均反应灵敏，可及时提醒使用者路面情况，夜晚LED灯也能根据光线情况自动开关，倾倒报警功能正常。但在路况复杂，人流量大的地段，会出现报警频繁的现象。另外，若障碍物体积过小，会有一定概率检测不到。

5 结束语

基于多传感融合的智能盲杖采用多组传感器结合，不仅能探测前方障碍物，还能检测上方障碍物，还可对地面路况进行检测，是其他同类盲杖所没有的功能。经测试，本盲杖能可靠检测楼梯的阶梯高度及凹坑深度，对盲人来说，不仅减少了盲杖下探这类繁琐动作，还避免了下探过程中出现摔倒或意外踩空的危险。另外，倾倒检测及夜晚LED等辅助功能为使用者的出行提供了方便与保障。随着5G时代的到来，在万物互联及智慧城市的建设中，盲道智能化的建设也会迎来大的发展，而作为配套终端的智能盲杖，会拥有更广阔的发展天地。