CN103431979A - 基于超声波测距原理的智能导盲系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波测距原理的智能导盲系统。左、右鞋套模块分别固定套在人的左、右鞋尖上，腰带模块固定围绕在人的腰部周围；左、右鞋套模块中的超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块均分别与鞋套单片机连接；腰带模块中的四个超声波传感器、语音模块、无线通信模块均分别与腰部单片机连接。本发明使得盲人腰部小幅活动，能够从身体多个方位对某一方向进行检测，结果更稳定可靠；保证在盲人走路保持稳定时进行检测，能够防止抬起脚走路对于双脚正前方测量结果出现的误差；无线传输方式解决了有线线路佩戴时带来的问题，使得本发明在使用时更加人性化，更加方便；适应各种大小的鞋子，减小成本，推广性强。

Description

基于超声波测距原理的智能导盲系统

技术领域

本发明涉及一种智能导盲系统，尤其是涉及一种基于超声波测距原理的智能导盲系统。

背景技术

目前导盲装置有许多种，比如导盲鞋，导盲眼镜，导盲杖等等，但大多超声波发射装置安装在鞋面、眼镜或者拐杖上，这些地方在走路，转头或者做一些动作时容易发生晃动，使得发射受到干扰，所得的结果也会受到较大影响。许多基于超声波原理的导盲装置的超声波发射装置只有一处，方向也较为单一，测得的结果并不十分可靠。提示也只有震动和语音提示的一种，使用起来并不方便。

发明内容

为了克服现有产品的不足，充分考虑盲人的实际使用需要，本发明的目的是提供一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，能够很好地辅助盲人的出行，切实改善盲人的生活出行，为广大的视力障碍人群提供方便的智能服务。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括左、右鞋套模块和腰带模块，左、右鞋套模块分别固定套在人的左、右鞋尖上，腰带模块固定围绕在人的腰部周围；左、右鞋套模块均包括超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块和鞋套单片机，超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块均分别与鞋套单片机连接；腰带模块包括语音模块、无线通信模块、腰部单片机和四个超声波传感器，四个超声波传感器、语音模块、无线通信模块均分别与腰部单片机连接，左、右鞋套模块中的无线通信模块均通过无线信号与腰部模块中的无线通信模块连接；左、右鞋套模块与腰带模块均通过电源供电。

所述的左、右鞋套模块中的超声波传感器水平安装并朝向正前方，压力传感器安装在左、右鞋套模块的底面并与地面接触，震动模块中的震动器固定安装在左、右鞋套模块上与鞋子的运动保持同步。

所述的腰带模块的四个超声波传感器中，一个超声波传感器水平安装在腰部前面的左侧并朝向前方的右侧，一个超声波传感器水平安装在腰部前面的右侧并朝向前方的左侧，一个超声波传感器水平安装在腰部正前面并朝向正前方，一个超声波传感器安装在腰部正前面并朝向前方且向下倾斜45度。

所述的压力传感器经差分放大电路与鞋套单片机连接。

所述的鞋套单片机的型号为STC15F204EA，所述的腰带单片机的型号为ATmega128。

所述的无线通信模块为RobotBase公司的RB Bluetooth Transceiver蓝牙模块，蓝牙芯片为CSR BC417143。

所述的震动模块包括震动器M、电阻R7和三极管Q；震动器M的两端分别与电源正极、三极管Q的集电极连接，电阻R7的两端分别与鞋套单片机的I/O口、三极管Q的基极连接，三极管Q的射极接地。

所述的语音模块的型号为ISD1700模块。

所述的超声波传感器为HC-SR04超声波测距模块，所述的压力传感器为半桥应变片。

所述的震动器型号为1037S1F216。

本发明的有益效果是：

（1）本发明将超声波发射装置安装在腰上，而人们在一般行走与活动中腰部的动作一般较小，这保证了发射信号的正常稳定进行，所得到的结果也会更加可靠。

（2）本发明的发射装置有多处，且方向较多，能够在多个方位对空间中的一个位置进行检测，所得到的结果更加可靠。

（3）本发明通过压力传感器规定了何时进行超声波发射，使盲人在走路保持稳定的时候进行检测，能够防止盲人在抬起脚走路时对于双脚正前方测量结果出现误差。

（4）本装置为无线传输信号，没有直接用线路连接，相比较其他的装置，节省了线路带来的空间问题和佩戴时的复杂程度，使得本发明在使用时更加人性化，盲人在使用时更加的方便。

（5）本发明设计更加方便、美观，适应性强。脚上装置像一个鞋套在鞋子外面，可以适应各种大小的鞋子，而且无须像现有产品再制作鞋子，大大减小的装置的成本，推广性强。

附图说明

图1是本发明部件连接结构框图。

图2是电源接入电路图。

图3是差分放大电路图。

图4是鞋套模块连接电路图。

图5是腰带模块连接电路图。

图6是震动模块电路图。

图7是语音模块电路图。

图8是本发明障碍物类型判断流程图。

图9是腰带模块安装示意图。

图10是鞋套模块安装示意图。

图中：1、超声波传感器，2、压力传感器，3、震动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括左、右鞋套模块和腰带模块，左、右鞋套模块分别固定套在人的左、右鞋尖上，腰带模块固定围绕在人的腰部周围；左、右鞋套模块包括超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块和鞋套单片机，超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块均分别与鞋套单片机连接；腰带模块包括语音模块、无线通信模块、腰部单片机和四个超声波传感器，四个超声波传感器、语音模块、无线通信模块均分别与腰部单片机连接，左、右鞋套模块中的无线通信模块均通过无线信号与腰部模块中的无线通信模块连接；左、右鞋套模块与腰带模块均通过5V电源供电。

如图10所示，所述的左、右鞋套模块中的超声波传感器1水平安装并朝向正前方，压力传感器2安装在左、右鞋套模块的底面并与地面接触，震动模块中的震动器3固定安装在左、右鞋套模块上与鞋子的运动保持同步。

如图9所示，所述的腰带模块的四个超声波传感器中，一个超声波传感器水平1安装在腰部前面的左侧并朝向前方的右侧，一个超声波传感器1水平安装在腰部前面的右侧并朝向前方的左侧，一个超声波传感器1水平安装在腰部正前面并朝向正前方，一个超声波传感器1安装在腰部正前面并朝向前方且向下倾斜45度。

所述的压力传感器经差分放大电路与鞋套单片机连接，差分放大电路如图3所示。差分放大电路的同相输入端与压力传感器连接，放大器A5的输出端与鞋套单片机连接。

所述的鞋套单片机的型号为STC15F204EA，所述的腰带单片机的型号为ATmega128。

所述的腰带模块中的无线通信模块与左、右鞋套模块中的无线通信模块均相同，采用RobotBase公司的RB Bluetooth Transceiver蓝牙模块，蓝牙芯片为CSR BC417143。

如图6所示，所述的震动模块包括震动器M、电阻R7和三极管Q；震动器M的两端分别与电源正极、三极管Q的集电极连接，电阻R7的两端分别与鞋套单片机的I/O口、三极管Q的基极连接，三极管Q的射极接地。

所述的语音模块的型号为ISD1700模块，如图7所示。

所述的腰带模块的四个超声波传感器与左、右鞋套模块中的两个超声波传感器均相同，均为HC-SR04超声波测距模块。

所述的左、右鞋套模块中的压力传感器为半桥应变片。压力传感器采用半桥应变片，用1000欧半桥应变片，量程为50KG，半桥结构，本发明所需测量的压力比较大，并要求精度不高，因此而选用。

所述的震动器的型号为1037S1F216。震动器的工作电压：DC1.5V-6V，额定转速为11000±2500rpm/min，额定；电流80mA；起动电流120mA；起动电压2.3V。

超声波传感器用以检测前方障碍物的距离和位置，压力传感器用以检测人的运动姿态，以判断所采集的数据的使用情况，无线通信模块用于处理后的信息的无线传输，语音模块和震动模块用于将处理后得到的信息清晰及时地反馈给使用者。单片机收集由传感器采集得到的数据分析障碍物的情况并且调用相应语音数据库里的语音数据反馈给使用者。语音模块可以是有线式耳机或者蓝牙无线耳机。

鞋套单片机选用STC15F204EA系列单片机，选用28引脚的SOP-28，其中有26个I/O口。腰带单片机选用ATmega128最小系统板，性能、功耗、运算速度等方面均优于51系列单片机，共有53个可编程I/O口。

本发明的左、右鞋套依照鞋子形状制作，可套在鞋子上，其上用绒布等将电路板包裹、装饰，美观大方；腰带选用带有腰包的腰带，腰包内装有单片机等控制电路，简单方便。

本发明的工作原理及工作过程为：

由超声波传感器实现测距及判断障碍物类型的功能，以震动和语音播报的方式提醒盲人注意障碍物。该技术用无线通信模块整合鞋子及腰带部位收集到的信息，通过微处理器判断障碍物的类型（如凹陷、悬挂物、凸起、台阶、墙面、行人等），并通过语音模块及震动模块将信息反馈给盲人，便于盲人对不同障碍类型做出相应反应。

超声波测距原理：当鞋套模块中压力传感器检测到压力大于某一阈值时，鞋套超声波传感器发射器发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时，信号通过控制电路传入控制器，控制器通过计时时间算出障碍物的距离，与腰带模块超声波传感器所测的距离结合，从而判断障碍物类型，并通过语音模块及震动模块提醒盲人注意前方路况。

超声波传感器保持指向相对固定：四个超声波传感器安装在腰部，由于人在行走过程中腰部基本保持不动，不会有大的转动，所以超声波发射的方位也可以保持相对固定；两个超声波传感器固定在鞋套上，通过鞋套下方的压力传感器判断是否水平，人行走的过程中，前脚掌有压力说明脚尖部分触地，此时超声波发射方向是水平的。因此压力传感器检测到盲人的前脚掌触地时，超声波传感器才对前方障碍物进行检测。

超声波传感器判断运动的物体：腰带单片机隔一定时间间隔读取水平的超声波传感器的数值，通过一定时间段内同一传感器探测到的障碍物距离变化率，判断该方位障碍物向盲人移动的速率。

震动模块工作原理：采用手机上的震动模块，通过小型电动机带动重物转动，使震动模块重心快速改变，产生人体可以感知的震动。盲人使用者左侧脚上的超声波传感器检测到路面凸起时，左侧震动模块震动，同理，右侧遇到凸起，右侧震动，如果腰带模块上斜向下45度的超声波传感器检测到路面凹陷时，两侧同时震动通知使用者。

如图8所示，本发明实施过程中的障碍类型及应对策略：

（1）台阶：鞋套模块上水平方向超声波传感器检测到障碍，腰带模块上向下的传感器检测到障碍，且腰间水平向前方向的超声波传感器未检测到障碍时，判断是台阶障碍，通过语音告知盲人；当鞋套模块上水平的超声波传感器检测不到障碍时，判断台阶结束，通过语音告知盲人。

（2）路面凸起：当鞋套模块上水平方向的超声波传感器探测到有障碍，而腰带模块上的超声波传感器没有探测到障碍物时，判断是路面凸起，通过震动及语音告知盲人。

（3）路面凹陷：当鞋套模块上水平方向的超声波传感器没有探测到障碍，而45度向下的超声波传感器检测到的障碍物距离大于设定值时，判断是路面凹陷，通过语音告知盲人。

（4）墙壁障碍：当腰带模块上前方、左方、右方中任意方位水平超声波传感器探测到障碍物，且鞋套模块上超声波传感器也探测到障碍时，判断是墙壁障碍，通过语音告知盲人障碍物的方位，使其做好相应准备。

（5）车辆或行人障碍：当腰带模块上前方、左方、右方中任意方位水平超声波传感器探测到的障碍物距离，短时间内变小的速率大于设定值时，判断是行人或车辆接近，通过语音告知盲人障碍物的方位，使其做好相应准备。

如图2，电源接入电路是由5V锂电池、一个保险丝F、两个电容组成。电容C3、电容C4起到滤波的作用。输出的5V电压为单片机、震动模块、超声波传感器、语音模块和蓝牙模块供电。

如图4，鞋套模块中，超声波传感器的Echo和Trig分别与鞋套单片机的I/O口相连，震动模块的控制端与单片机的I/O口相连，压力传感器经差分放大后与单片机的I/O口相连，蓝牙模块的RXD、TXD分别与单片机的TXD、RXD相连。

如图5，腰带模块中，四个超声波传感器的Echo和Trig分别于腰带单片机的I/O相连，蓝牙模块的RXD、TXD分别与单片机的TXD、RXD相连，语音模块通过SPI与腰带单片机通信。

如图7，语音模块电路是由语音芯片ISD1700及外围电路组成。该语音模块采用5V供电，模块中的MISO、MOSI分别与腰带单片机ATmega128的SPI接口相连，SP+和SP-分别接耳机的两端。

如图8，该腰带模块示意图中，一个超声波传感器1水平安装在腰部前面的右侧并朝向前方的左侧，一个超声波传感器1水平安装在腰部正前面并朝向正前方，一个超声波传感器1安装在腰部正前面并朝向前方且向下倾斜45度，一个超声波传感器1水平安装在腰部前面的左侧并朝向前方的右侧。

如图9，该鞋套模块示意图中，1为超声波传感器，水平安装并朝向正前方；2为压力传感器，安装在鞋套模块的底面并与地面接触。鞋套模块通过橡皮绳套在鞋子上，3震动器通过橡皮绳固定。鞋套模块的上部有一隔板，电源接入电路、压力传感器差分放大电路、单片机、蓝牙模块以及振动模块电路放置于隔板上。 

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：包括左、右鞋套模块和腰带模块，左、右鞋套模块分别固定套在人的左、右鞋尖上，腰带模块固定围绕在人的腰部周围；左、右鞋套模块均包括超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块和鞋套单片机，超声波传感器、压力传感器、震动模块、无线通信模块均分别与鞋套单片机连接；腰带模块包括语音模块、无线通信模块、腰部单片机和四个超声波传感器，四个超声波传感器、语音模块、无线通信模块均分别与腰部单片机连接，左、右鞋套模块中的无线通信模块均通过无线信号与腰部模块中的无线通信模块连接；左、右鞋套模块与腰带模块均通过电源供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的左、右鞋套模块中的超声波传感器水平安装并朝向正前方，压力传感器安装在左、右鞋套模块的底面并与地面接触，震动模块中的震动器固定安装在左、右鞋套模块上与鞋子的运动保持同步。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的腰带模块的四个超声波传感器中，一个超声波传感器水平安装在腰部前面的左侧并朝向前方的右侧，一个超声波传感器水平安装在腰部前面的右侧并朝向前方的左侧，一个超声波传感器水平安装在腰部正前面并朝向正前方，一个超声波传感器安装在腰部正前面并朝向前方且向下倾斜45度。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的压力传感器经差分放大电路与鞋套单片机连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的鞋套单片机的型号为STC15F204EA，所述的腰带单片机的型号为ATmega128。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的无线通信模块为RobotBase公司的RB Bluetooth Transceiver蓝牙模块，蓝牙芯片为CSR BC417143。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的震动模块包括震动器M、电阻R7和三极管Q；震动器M的两端分别与电源正极、三极管Q的集电极连接，电阻R7的两端分别与鞋套单片机的I/O口、三极管Q的基极连接，三极管Q的射极接地。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的语音模块的型号为ISD1700模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的超声波传感器为HC-SR04超声波测距模块，所述的压力传感器为半桥应变片。

10.根据权利要求7所述的一种基于超声波测距原理的智能导盲系统，其特征在于：所述的震动器型号为1037S1F216。

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