智能型导盲杖的优化设计

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摘　要 本项目在现有传统的超声波导盲杖的基础上，针对盲人的需求进行五大优化设计。增加了耳机语音提示模块、盲人电子公交显示牌、手动发电模块，同时改进输入键盘设计和外观设计。此外简化了电路，提高测距的准确度。该智能导盲杖使用便捷、设计人性化、成本低、易于投入市场。

关键词 导盲杖；超声波；语音提示；人性化设计

中图分类号 TP18 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）121-0126-02

导盲杖是盲人出行的安全保障，但是现有的大多导盲杖的使用率低，盲人使用起来存在很多问题。对于大多数具有出行经验的盲人而言实用传统的普通导盲杖基本上可以满足需求，但是对于后天失明的群体、需要适应盲人环境的群体则需要导盲杖在设计上更加人性化，方便其使用。该项目在通过对上海盲人群体的深访和需求调研后针对现存的五个功能使用上的不足进行优化。

1）传统的超声波导盲杖的语音提示是蜂鸣器或者外扩音，在一些人流较大嘈杂的地方，盲人无法清晰识别提示信号，且超声波在地铁站容易受到电磁干扰。

2）盲人外出乘坐公交车候车时需要有人协助告知具体的公交线路，尤其在交通繁忙，人员流动块的城市。所以需要导盲杖需要结合盲人乘车需求进行优化。

3）在供能上，一般大多采用蓄电池，盲人在使用导盲杖时经常担心因为各种意外导致蓄电池供电不足。后来也有很多人开始采用太阳能发电，但是该方法在实际推广和应用中存在很大问题，太阳能供电受到的限制条件过多，太阳能发电需要有一定的太阳光照，同时发电过程耗时过多，对于行动本身不便的盲人群体而言该设计在实际运用中需要改进。

4）部分传统的智能型导盲杖在按钮设计上依然没有考虑到盲人的需求，还是采用常人常用的按钮设计和输入设计，按钮的位置也没有在方便盲人群体的基础上。

5）传统超声波测距一般把超声波发射接收装置安在导盲杖靠近杖底的部位，但是，在城市中，经常会出现一些栏杆和起伏的阶梯。这就需要在超声波测距上做优化。

1 系统整体设计

1.1 系统整体设计原理

导盲杖在综合现有的传统超声波测距型导盲杖的基础上进行优化。导盲杖采用了两个超声波测距模块配合使用，并设定了可选的警报范围，使得测距和避障功能更加完备。耳机语音播报的设计使得导盲杖可以更好的应对嘈杂的场所。公交电子显示牌的设计是我们在调研中根据盲人生活需求所增加的，通过盲人输入显示乘车车次和语音求助帮助盲人更为安全，及时乘坐公交。采用便捷的微型手摇发电机可以在蓄电池不足等紧急的情况下提供5　V电源。导盲杖在整体设计上也更突出人性化：我们特别的设计“米”字型盲人输入按键，并有盲文数字；可以根据盲人自己的习惯进行伸缩调节的杆体；借鉴登山杖手柄的设计而改进的导盲杖手柄不易出现脱手。

1.2 超声波测距模块

我们发现大多数传统的超声波导盲设备设计中采用的是单块超声波测距装置，这种设计可以检测到盲人前方出现的较为简单的障碍物，而在一些交通和路况较为复杂的环境下便显得不足：如行人频繁走动，上下出现的阶梯和盲人两旁出现的一些障碍等等。

我们在设计的过程中采用两块超声波探头和接受装置，超声波模块1位于导盲杖的底端，超声波模块2于导盲杖的中部。有经验的盲人可以通过普通导盲杖的敲击来发现0.5米内的障碍物，但是对于突发失明的盲人群体而言则并不容易，此外现代城市盲道设施建设并不完备，城市道路复杂。因此模块1主要测量近地面的一些障碍：如水沟、低矮的阶梯和障碍物、路两边的上下台阶等等。模块2的功用和大多数超声波导盲杖的作用类似。盲人群体可以根据自己的情况通过导盲杖手柄旁的船型按钮选择近程和远程。

近程设置内，模块1初始设定后会对0.5米内的近距障碍进行语音警报。

远程设置内，模块2会对米内初次语音警报，并通过语音模块播报障碍物具体距离。

1.3 语音报警模块

我们设计的导盲杖的语音报警主要用在两个方面，第一是与超声波测距模块相结合，起到警报距离的播报。第二是与电子公交显示牌相结合，盲人输入所需要乘坐的公交路线，通过AT80C51单片机控制一方面在八段数码显示管显示公交路线，同时盲人可以通过语音播报按钮，起到播报所乘公交路线的功能。为了达到这两个目的，我们选择了最常用的WT588D语音芯片。语音系统分语音存储和语音播放两部分。整个语音播报系统利用单片机采集超声波模块和输入按键的数据，　经处理转换为可判断语音芯片播放哪段语音的判断信号。然后驱动耳机播放声音信号，我们可以非常方便的使用WT588D　Vo　iceChip软件进行编辑、声音录入。

1.4 电子公交显示牌

盲人电子公交显示牌是本导盲杖的一个最大的设计设计。以往的智能型导盲杖主要在壁障和定位上做了很多改进，但是盲人出行最大的一个问题便是乘坐公交。对于独自出行盲人而言，不肯能总是询问身边的路人自己所乘的公交是否到站，所以需要有一个显示和语音提示的功能。本模块我们利用AT80C51单片机控制，单片机通过我们自行设计的“米”子型数字输入键获得信号，通过设定程序，在四块七段电子显示牌上显示输入的公交线路号，并通过语音输出模块播报。如盲人群体需要乘坐46路公交，通过输入46，然后显示46字样，并且语音播报“您好，希望您协助我乘坐46路公交”。

其中我们将按键设计成“米”字型相对之前的传统设计而言，盲人使用起来更为方便准确，并且在按键上有突起的数字盲文，分别为1～9，同时九个按键又是一个整体，整个按键一起按下就是输入0。

1.5 手动发电模块

传统的太阳能电池供电的导盲杖在实际应用中存在受到天气、光照等的局限性，并且在盲人群体中的实用性并不高。因此在电源这一块我们采用最简单的手摇式发电机输出直流电驱动系统，　并以可充电的镍氢电池作为积蓄手摇发电产生的剩余电力。本模块由一个手摇发电机、齿轮组、保护电路、镍氢蓄电池和手摇棒组成。

2 软件设计

导盲杖软件的控制核心为AT80SC1单片机。单片机通过读取超声波测距的进程远程设置，进行状态修改。

1）单片机通过接受外部的进程远程设置，进行状态修改。控制超声波测距模块一和模块二。

2）控制设置超声波模块的超声波发送、接受，完成对障碍物的测距功能。

3）合成语音提示，障碍物距离播报和蜂鸣器报警。

4）电子公交显示牌模块由单独的AT80C51单片机控制。

主程序实现1）、2）、3）三项功能，电子公交显示牌属于单独功能模块。

我们已经预设一系列初始值。通电后盲人根据自己需要进行近程远程选择。程序控制发送0.2毫秒宽度的超声波，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。若没有回波或者因为无障碍物，超声波接收超时即返回前面。若有回波则终止计时，读取时间差，计算出距离，　然后通过语音模块播报报警距离。

3 实验测试结果

针对导盲杖的五个功能模块我们进行了测试。

3.1 超声波壁障功能

我们在室温25度的环境下，利用不同高度、大小的木块模拟障碍物对超声波测距模块1和模块2进行测试。

十五组数据中，我们发现采用两个不同位置和测量范围的超声波测距仪的优势是较明显的。超声波一模块在测量近程中的准确性更高，而超声波模块二在测量远程中的准确性较好。同时测量误差的距离也已经满足盲人避障的需求。超声波模块一在测量中测量距离大于实际距离说明位于底部的超声波测距仪容易受到地面的一些小的障碍物的影响，而这些障碍物一般不会影响盲人的正常行走。

3.2 其他项目测试

我们通过盲人实验，在100组公交路线输入中，使用“米”字形输入，差错率只有2%，并且速度比传统输入迅速。而语音播报中差错率只有2%。

我们采用的是日本进口的美上美微型发电机，测试过程中匀速摇动（每分钟1400转）可以得到5V左右的电压，基本可以满足导盲杖的供电需求。

4 结束语

感谢指导老师王芳，在我们对导盲杖的优化设计中给予的帮助和指导。智能型导盲杖的设计我们也因为技术和能力上的原因在设计中仍遗留了很多需要改进的地方。

1）我们在设计简化电路时，没有过多考虑温度对超声波测距的影响，而是直接设定常温下的计算数据，所以在进程测量中近程测距误差会较大。

2）我们采用了有线耳机改善了之前外音警报的不足，但是有线耳机在使用中还是不方便，所以我们下一步将尝试采用蓝牙耳机，优化原来的语音传输模块。

3）电子公交显示牌目前采用的是七段数码显示管，显示的内容局限性。所以下一步我们希望将小型液晶显示装置应用到电子显示牌中。

4）手动发电机虽然使得发电变得更为容易，但是我们采用的传统微型发电机仍然会给增加导盲杖自重。

基金项目：本项目受到2011年上海市大学生创新创业项目资金支持，同时得到学校和学院相关老师的支持和指导。项目编号B-9001-12-003085。

参考资料

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