CN103892995A - 一种电子导盲犬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种电子导盲犬机器人。由机械部分和电子部分组成，机械部分包括车体、舵机、舵机连接机构、方向轮、定向轮、转动关节、手推杆、天线杆，电子部分包括红外传感器阵列、语音模块、光电开关、地磁传感器、加速度计模块、遥控接收电路、中央处理器、电路底板、稳压器、串口电路、GPS模块、扬声器、镍氢电池、遥控器、摄像头、GPS信号接收器;能通过卫星定位、航向校正、检测姿态和寻人行线来进行自主导航，通过遥控进行操作，通过语音播报相关导航信息，遇到障碍物时可以自动绕行，可以为盲人或视障人士在室外环境提供导航服务。

Description

一种电子导盲犬机器人

技术领域

本发明涉及一种电子导盲犬机器人，具体涉及一种机电一体化、多传感器融合、自动导航及控制的电子导盲犬机器人。

背景技术

世界上一共有3000万盲人，其中我国有500万盲人，我国是世界上盲人最多的国家，还有相当数量的人有视力障碍，失明和视弱极大地影响了这些人群的正常生活和工作。培养一只导盲犬的费用在30万以上，正常家庭难以承受经济负担，而且导盲犬的训练周期相对较长，服务寿命相对较短。因此，导盲犬机器人的研制有着非常实际的意义和广泛的用途。

据查阅相关资料，现在的导盲器具的研究和应用基本上可分为三类：第一类是导盲手杖，在手杖上面加装各种装置来达到探测障碍和导盲的作用，第二类是穿戴设备，在导盲犬或者盲人身上穿戴导航设备进行导盲，第三类是机器人，通过自动或半自动方式导航，实现一定的控制功能，从而帮助盲人。

针对现存的导盲器具研究，导盲手杖受到自身形状和操作方式的限制，基本只能实现部分导盲功能，穿戴设备更是影响人体美观，造成行动不便，每次使用都需要穿上和脱下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决盲人和视力障碍人士出行问题且使用方便的电子导盲犬机器人。

本发明的目的是这样实现的：

包括机械部分和电子部分；所述机械部分包括车体3，车体前部有舵机4，舵机4通过连接板6与方向轮7相连，车体后部有定向轮24，车体3后部有转动关节18连接手推杆19；所述电子部分的中央处理器11直接插在电路底板上，稳压电路13、串口电路14焊接在电路底板上，地磁传感器8、加速度计模块9、遥控接收电路10通过排针座插在电路底板上，红外传感器阵列1、语音模块2安装在车体3前部，光电开关5安装在舵机4上，天线杆21安装在车体3中部的一侧，天线杆21末端装有GPS信号接收器23和摄像头22，扬声器16设置在车体3中间的下方，GPS模块15在车体3后部，遥控器20在手推杆19末端；镍氢电池17为电子部分提供电能。

所述的语音模块2采用ASR-R8型模块。

还包括电子罗盘，所述的电子罗盘采用HMC5883L型平面数据电子罗盘。

所述加速度计模块为MMA7455三轴数字加速度传感器。

所述中央处理器11为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

本发明就是针对已有导盲研究存在的问题，提供了一种电子导盲犬机器人，解决了盲人和视力障碍人士出行问题。本发明不需要穿戴任何设备或辅助器具，将复杂操作转化为简单操作，利用嵌入式处理器智能化处理信息。针对这部分人的视力障碍问题，利用卫星导航精确定位，同时检测方向和姿态等相关信息，规划出最佳路线，在导航方面为盲人进行有效的服务。在实现导航功能的同时，引入避障和自动控制转弯的功能，用遥控和语音的方式进行人机交互,，便操作。

本发明由机械部分和电子部分组成，机械部分是车体为一块板、前部有方形孔，孔内安装有舵机，舵机通过舵机连接机构与方向轮相连，后部有定向轮，车体后部有转动关节连接手推杆，车体中部的左侧有天线杆;电子部分是电路底板上的中央处理器通过电路与红外传感器阵列、语音模块、扬声器、光电开关、地磁传感器、加速度计模块、遥控接收电路、稳压器、串口电路、GPS模块、GPS信号接收器、遥控器、摄像头相连接;镍氢电池为电子部分提供电能，手推杆由人力推动为机器人提供动力。

所述的舵机的舵盘和方向轮固定在一起，方向轮随着舵机转动，从而改变机器人前进的方向。

所述的手推杆连接在单自由度的转动关节上，作用是提供动力和保持车体平衡。

所述的天线杆高度为30cm,末端同时安装了摄像头和GPS信号接收器。

所述的红外传感器阵列安装在车体前部，用于检测人行道。

所述的光电开关安装在车体前部，用于检测机器人前方障碍物。

所述的遥控器安装在手推杆末端，向遥控接收电路发射操作命令。

所述的中央处理器为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

所述的语音模块采用ASR-R8型模块，能发电子女声播报相关的导航信息和提示信息，导航信息有定位信息、航向信息，提示信息有当前位置名称、目的地名称、前方有障碍物、坡度信息，声音通过安装在车体中部的扬声器进行放大。

所述的摄像头为模拟摄像头，采集的图象为黑白图象。

所述的地磁传感器采用的是霍尼韦尔公司的HMC5883L型平面数据电子罗盘，提供的导航精度为1RMS。

所述的加速度计为飞思卡尔公司的MMA7455三轴数字加速度传感器，用于检测重力场从而提示坡度信息，提示前方有坡道。

所述的GPS模块通过RS232串口电路将定位信息传送给中央处理器。

本发明的有益效果：

(1)能对导盲犬机器人的位置进行GPS卫星定位，在天气良好的情况下，定位精度在20米以内，通过遥控器设定目前所在地和目的地，自动规划行走街道路径，并且用电子女声提示。

(2)红外传感器阵列能对机器人所在地面上的白色人行线进行检测，控制机器人沿着该线前进。

(3)光电开关能对前方50cm范围内的障碍物进行探测，如果有障碍物会提示“前方有障碍，请绕行”提示音，并且自动控制舵机改变车体前进方向。

(4)能利用地传感器感应地球磁场，实时检测自身方向，精度为1RMS.

(5)能利用加速度计划感应地球重力场，实时检测自身倾斜角，如果遇到坡道会提示“前方有上坡”提示音，并且灯起指示灯。

(6)能存储摄像头采集的图像。

附图说明

图1为本发明电子导盲犬机器人的结构示意图;

图2为本发明电子导盲犬机器人的系统结构框图;

图3为本发明电子导盲犬机器人的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图1和图2，本发明由机械部分和电子部分组成。机械部分是车体3为一块板材，前部有舵机4，通过舵机连接板6与方向轮7相连，车体后部有定向轮24，车体3后部有转动关节18连接手推杆19，车体3中部的左侧有天线杆21；电子部分是中央处理器11直接插在电路底板上，稳压电路13、串口电路14焊接在电路底板上，地磁传感器8、加速度计模块9、遥控接收电路10通过排针座插在电路底板12上，红外传感器阵列1、语音模块2放在车体前部，光电开关5安装在舵机4上，天线杆21末端装有GPS信号接收器23和摄像头22，扬声器16在车体3中间的下方，GPS模块1)在车体3后部，遥控器20在手推杆19末端；镍氢电池17为电子部分提供电能，手推杆19由人力推动为机器人提供动力。

所述的舵机4的舵盘和方向轮7固定在一起，方向轮7随着舵机4转动，从而改变机器人前进的方向。

所述的手推杆19连接在单自由度的转动关节18上，作用是提供动力和保持车体3平衡。

所述的语音模块2采用ASR-R8型模块，能发电子声音播报相关的导航信息和提示信息，导航信息有定位信息、航向信息，提示信息有当前位置名称、目的地名称、前方有障碍物、坡度信息，声音通过安装在车体中部的扬声器16进行放大。

电子罗盘采用的是霍尼韦尔公司的HMC5883L型平面数据电子罗盘，提供的导航精度为1RMS。

所述的加速度计为飞思卡尔公司的MMA7455三轴数字加速度传感器，用于检测重力场从而提示坡度信息，提示前方有坡道。

所述的红外传感器阵列1安装在车体3前部，用于检测人行道。红外传感器阵列1一共10对，每对间隔距离3cm，红外光波长为800nm.

所述的中央处理器11为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

所述的摄像头22为模拟摄像头22，采集的图象为黑白图象。

镍氢电池为电子部分提供电能，标称电池为7.2V，电池容量为2000mAh，为所有电路系统供电，其中语音模块、GPS模块、地磁传感器、加速度计模块的工作电压为3.3V，其余电路系统工作电压为5V。中央处理器外围的稳压电路将电压降压后，稳定输出5V电压，供所有5V芯片及电路工作。机器人行动无须任何能源，盲人推动手推杆为机器人提供动力，由于机器人是两轮结构，节约车轮的设计也带来不平衡的现象，可见，手推杆的设计既可以提供机器人前进的动力，又可以由盲人掌握机器人的平衡。

本发明加装了多个传感器系统，红外传感器系统是利用发射管发射红外线，光线照射在浅色和深色物体上的时候吸收量不同，经物体反射后用接收管测量反射回来的光的强度来判断物体颜色深浅，特别是深浅对比度大的情况下，判别效果更佳。本发明的红外传感器采用10对发射管与接收管，红外线的波长采用700nm至1000nm的红外光，接收管的输出电压比较少，故采用8050三极管的开关特性来进行放大，输出的模拟电压可供中央处理器识别。由于10对红外管排布呈直线，如果机器人下方有深浅对比度大的线条形状时，每对红外管的输出电压会不一样，红外光照射在浅色区反射量大，电压更高，通过在处理器的程序算法里加入阈值比较，可以识别出该线条。光电开关也使用该波段的红外光，但是功率提高，使光能探测的距离提高到半米之内，如果前方无障碍物，光电开关将连续输出电压，如果有电压下降沿，则说明前方有障碍。

语音模块是使用的ASR-R8语音模块，是非特定人声识别系统，可以识别非特定的多人标准普通话发音，但是考虑到在室外复杂的声音环境，以后识别时滞的因素，故命令采用由遥控器来发送，而响应由该模块来执行。语音模块可以反复进行编程，可以存储特定的语句，将固定的地点、导航提示音以及其它提示音，先进行存储。模块内部有单独的处理芯片，对音频数据进行处理，中央处理器只需要进行指令发送即可调用相关的声音文件，使语音模块发出清晰的电子声音，经扬声器放大后，盲人可以清晰辨识。

导航系统则由GPS、地磁、惯性导航三种导航方式组合来得到丰富的导航信息，输出的形式均为可由微型计算机读取的电压信号。GPS信号接收器安装在天线杆的顶端，安排在机器人的最高点更容易接收信号，由于该接收头是带磁性的，工作时频率为1.5GHz高频状态，充分与其它电路部分隔离。GPS信号处理器由REB-3571卫星导航芯片作为处理器，处理后的信息通过74HC573和MAX3232CSA串口转化芯片将数据串行化，数据具有固定的格式，包含时间、经度、纬度信息。地磁传感器采用的是霍尼韦尔公司的HMC5883L型平面数据电子罗盘，测量X和Y两个方向的磁阻传感器感应地球的磁分量，从而得到方位角，提供的导航精度为1RMS。在使用前需要对该传感器进行初始化和标定，以精确匹配地球磁场，初始化方法是上电后缓慢绕中轴旋转一周，旋转时间为一分钟，标定是考虑到当地的纬度不同，地球的磁偏角不同，所以需要上网查询当地磁偏角后，将其标定到数据里，通过一定的导航算法得到精确航向信息。惯性导航由简易的测角系统构成，MMA7455加速度计安装的时候地垂线重合，如果不重合则在软件程序里标定，将其考虑到数据里，计算时再减去该项，测量机器人与地垂线的夹角，从而判断是否遇到了上坡。

摄像头模块使用模拟摄像头OV7620，分辨率640*480，每秒产生30帧图像，每帧两场，1秒钟采集60帧图像，采集的图像为黑白图像，直接由中央处理器存储到SD卡内，记录行动的路径图像，可供盲人外的其它人使用。

中央处理器使用的是MC9S12DG128单片机，由于信息量大的语音和GPS部分均有协处理器，该主处理器的功能主要是完成一些传感器信息融合和控制算法的实现。

本发明操作过程简捷，手握住机器人的手推杆，准备好前进后，上电后，传感器开始初始化，按下遥控器启动按钮，选择当前地点和目的地，然后机器人开始用发出电子女声提示刚才的选择，机器人开始前进。在前进过程中，如果由卫星定位到需要转弯的地方，会发出电子女声提示转弯，然后舵机打舵带动方向轮自动转弯;遇到半米内的障碍物，会自动带盲人绕开该障碍，发出电子声提示有障碍；在遇到上坡时，自动亮起指示灯，用电子女声提示前方有上坡。

本发明在结构上进行了丰富设计，充分利用了各传感器的功能，并综合利用导航和控制算法，实现了当前导盲研究与应用领域的一些新突破，达到了智能导盲的作用。

Claims (9)

1.一种电子导盲犬机器人，包括机械部分和电子部分；其特征是：所述机械部分包括车体(3)，车体前部有舵机(4)，舵机(4)通过连接板(6)与方向轮(7)相连，车体后部有定向轮(24)，车体(3)后部有转动关节(18)连接手推杆(19)；所述电子部分的中央处理器(11)直接插在电路底板上，稳压电路(13)、串口电路(14)焊接在电路底板上，地磁传感器(8)、加速度计模块(9)、遥控接收电路(10)通过排针座插在电路底板上，红外传感器阵列(1)、语音模块(2)安装在车体(3)前部，光电开关(5)安装在舵机(4)上，天线杆(21)安装在车体(3)中部的一侧，天线杆(21)末端装有GPS信号接收器(23)和摄像头(22)，扬声器(16)设置在车体(3)中间的下方，GPS模块(15)在车体(3)后部，遥控器(20)在手推杆(19)末端；镍氢电池(17)为电子部分提供电能。

2.根据权利要求1所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述的语音模块(2)采用ASR-R8型模块。

3.根据权利要求1或2所述的电子导盲犬机器人，其特征是：还包括电子罗盘，所述的电子罗盘采用HMC5883L型平面数据电子罗盘。

4.根据权利要求1或2所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述加速度计模块为MMA7455三轴数字加速度传感器。

5.根据权利要求3所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述加速度计模块为MMA7455三轴数字加速度传感器。

6.根据权利要求1或2所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述中央处理器(11)为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

7.根据权利要求3所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述中央处理器(11)为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

8.根据权利要求4所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述中央处理器(11)为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

9.根据权利要求5所述的电子导盲犬机器人，其特征是：所述中央处理器(11)为MC9S12DG128单片机及其外围电路。

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