CN107174492A - 基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盲人行道探测装置，通过传感器每隔一定时间抽样得到载具的角度，对相邻时间抽样的角度进行微分，得到这段时间内的载具角度变化量,然后将角度差负反馈与角度变化量、上一循环的补偿量求和得出这次的调整量,在控制步进电机调整之前判断载具角度变化量的值，并自适应地改变抽样速率；还判断这次的调整量过小时作为补偿量参与下一次的循环。本发明能够使用步进电机实时地调整探测器使其保持需要的探测方向，探测结果更精确；还可以自适应的改变调节的速率，使得探测器的调整幅度尽可能地缩小，达到更加稳定的探测方向，抗干扰能力强；并能防止步进电机因为调整量太小，脉冲数过少而造成的电机丢步现象，达到精确控制的效果。

Description

基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置及方法

技术领域

本发明属于行走辅助工具技术领域，涉及一种盲人使用的行道探测装置，更为具体的说，是能够基于步进电机进行探测器自适应调节的盲人行道探测装置及基于步进电机的自适应调节方法。

背景技术

盲人手杖作为盲人出行不可或缺的工具，在盲人出行时占有着非常重要的地位。随着科技的发展，感应元件开始应用在盲人手杖中，帮助盲人识别道路中的障碍物。例如申请号为201010156878.6的中国专利公开了一种新型盲人手杖，手杖中的超声波发射模块能够探测到障碍物并能发出语音提示。但此类技术虽能识别前方的障碍物，但其精度没有足够保证，另外由于使用者是处于运动中而不是绝对静止，而随着手杖的摆动，探测器的探测方向也会不断变化，因此超声波探测容易出现错误数据(指示地面为障碍物)或探测延滞(不能及时获取前方道路障碍物数据)等问题。再者，给使用者的提示采用单一的声音也会对身边的人造成干扰。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种盲人行道探测装置，使用步进电机实时地调整探测器使其保持需要的探测方向，令探测结果更为精确和稳定。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，包括手杖和与手杖具有数据连接的手环，所述手杖包括支撑杆、设置在支撑杆顶部的把手以及设置在支撑杆底部的支撑脚，所述支撑杆上设置有超声波探测器、步进电机、编码器，编码器通过联轴器和步进电机相连，单片机读取编码器的数据积分得到电机的转动角度，从而监测步进电机的调校效果，所述支撑脚上设置有角度传感器和第一单片机，所述步进电机转轴与超声波探测器相连，所述第一单片机分别与角度传感器、步进电机、编码器和超声波探测器连接；所述角度传感器用于获取角度数据，并将数据传输至第一单片机中，第一单片机根据该数据对步进电机进行调节，从而纠正超声波探测器的角度,所述第一单片机还连接有第一无线信号传输模块，所述第一无线信号传输模块与手环上的第二无线信号传输模块进行数据传输，所述手环上还设置有第二单片机和警报元件，所述第二单片机分别与第二无线信号传输模块和警报元件连接；所述步进电机的调节包括如下步骤：

步骤1，将超声波探测器所需的探测方向设为步进电机转轴角度初始值；

步骤2，角度传感器感应角度并反馈数据至单片机；

步骤3，通过角度传感器以f的抽样速率抽样得到载具的角度T(k)，抽样数据如下：

其中，T(t)是探测器角度值随时间的变化函数，T(n)为从T(t)抽样出来的一维数组，T(k)是第k个具体的元素，δ(t)为数学函数，当t＝0时，δ(t)是1，其余均为0；

步骤4，对相邻时间抽样的角度进行微分，得到这段时间内的载具角度变化量C(k)：

C(k)＝T(k)-T(k-1)

步骤5，将角度差负反馈b(k-1)与角度变化量C(k)、上一循环的补偿量y(k-1)求和得出这次的调整量：

y(k)＝C(k)+b(k-1)+y(k-1)

步骤6，在控制步进电机之前进行如下判断：

步骤6-1，根据载具角度变化量C(k)的值来匹配合适的抽样速率，并改变抽样速率：

f＝F(C(k))

其中，C(k)∈[a,b)，a＝10n,b＝10n+10，n＝0,1,2,3……

步骤6-2，判断这次的调整量是否超过阈值，如果在阈值以下，则调整量作为补偿量参与下一次的循环，不继续执行后续步骤；

步骤7，将这次的调整量进行模数转换得到步进电机需要的转动步数，控制步进电机转动，编码器得到了这次的实际转角d(k)，通过积分定位到步进电机的转轴角度D(k)：

步骤8，将步骤7中得到的角度与这次的载具角度做差得到角度差负反馈量b(k)；

步骤9，将步骤8得到的角度差负反馈量计入下一次的调整量。

进一步的，所述超声波探测器通过如下公式计算距离：

distance＝(t*340)/2

其中，t为引脚高电平的时间。

进一步的，所述警报元件包括振动电路。

进一步的，所述警报元件还包括蜂鸣器。

进一步的，所述第一无线信号传输模块和第二无线信号传输模块为蓝牙模块。

进一步的，所述步进电机通过固定装置固定在支撑杆上。

进一步的，所述支撑杆上设置有高度调节装置。

基于步进电机的自适应调节方法，包括如下步骤：

步骤1，将超声波探测器所需的探测方向设为步进电机转轴角度初始值；

步骤2，角度传感器感应角度并反馈数据至单片机；

步骤3，通过角度传感器以f的抽样速率抽样得到载具的角度T(k)，抽样数据如下：

其中，T(t)是探测器角度值随时间的变化函数，T(n)为从T(t)抽样出来的一维数组，T(k)是第k个具体的元素，δ(t)为数学函数，当t＝0时，δ(t)是1，其余均为0；

步骤4，对相邻时间抽样的角度进行微分，得到这段时间内的载具角度变化量C(k)：

C(k)＝T(k)-T(k-1)

步骤5，将角度差负反馈b(k-1)与角度变化量C(k)、上一循环的补偿量y(k-1)求和得出这次的调整量：

y(k)＝C(k)+b(k-1)+y(k-1)

步骤6，在控制步进电机之前进行如下判断：

步骤6-1，根据载具角度变化量C(k)的值来匹配合适的抽样速率，并改变抽样速率：

f＝F(C(k))

其中，C(k)∈[a,b)，a＝10n,b＝10n+10，n＝0,1,2,3……

步骤6-2，判断这次的调整量是否超过阈值，如果在阈值以下，则调整量作为补偿量参与下一次的循环，不继续执行后续步骤；

步骤7，将这次的调整量进行模数转换得到步进电机需要的转动步数，控制步进电机转动，编码器得到了这次的实际转角d(k)，通过积分定位到步进电机的转轴角度D(k)：

步骤8，将步骤7中得到的角度与这次的载具角度做差得到角度差负反馈量b(k)；

步骤9，将步骤8得到的角度差负反馈量计入下一次的调整量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供的盲人行道探测装置，能够使用步进电机实时地调整探测器使其保持需要的探测方向，探测结果更精确；在环境极其恶劣导致载具急速地晃动时，可以自适应的改变调节的速率，使得探测器的调整幅度尽可能地缩小，达到更加稳定的探测方向，抗干扰能力强；通过加入调整量的阈值，防止步进电机因为调整量太小，脉冲数过少而造成的电机丢步现象，达到精确控制的效果。同时，本探测装置在具备探测警报功能的基础上，配合智能可穿戴手环达到帮助使用者有效避障的目的。

附图说明

图1为本发明提供的盲人行道探测装置整体结构示意图。

图2为盲人行道探测装置中电子元件结构示意图。

图3为步进电机调节步骤流程图。

1-支撑杆，2-把手，3-支撑脚，4-超声波探测器，5-步进电机，6-转轴，7-角度传感器，8-开发板，10-固定装置，11-高度调节装置，12-手环。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1、图2所示的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，包括手杖和手环，其中手杖包括支撑杆1、把手2和支撑脚3，与现有技术相同，把手2设置在支撑杆1顶部，支撑脚3设置在支撑杆1底部，在支撑杆1上设置有超声波探测器4，超声波探测器4用于对障碍物进行探测，能够获取障碍距离使用者的距离数据。由于手杖在使用中经常是处于抖动甚至是摇晃的状态，因而超声波探测器也随之晃动，探测器的工作会受到严重影响,因此我们在手杖主体上还设置了步进电机5，步进电机转轴6与超声波探测器4相连，通过步进电机5即可调节超声波探测器的角度。步进电机通过联轴器和编码器相连(由于联轴器和编码器与步进电机的连接为现有技术，为了展示步进电机与超声波探测器的连接，因此联轴器和编码器在图1中未画出)，单片机读取编码器的数据积分得到电机的转动角度，从而监测步进电机的调校效果，编码器向单片机发送脉冲，单片机计算脉冲数量以获得转动的角度数据。在支撑脚上还设置有角度传感器7和第一单片机，第一单片机可采用stm32f407zg单片机，单片机设置在开发板8上。第一单片机分别与角度传感器7、步进电机5、编码器和超声波探测器4连接，单片机作为控制中心，控制角度传感器、超声波探测器、步进电机以及编码器的工作。角度传感器7能够获取手杖改变的角度，并将数据传输至第一单片机中，第一单片机根据该数据对步进电机进行调节，从而纠正超声波探测器4的角度。第一单片机还连接有第一无线信号传输模块(本例中优选采用蓝牙模块，也可采用其他能够实现无线信号传输的元件)，该第一无线信号传输模块用于与手环12上的第二无线信号传输模块(本例中优选采用蓝牙模块，也可采用其他能够实现无线信号传输的元件)进行数据传输。通过上述两无线信号传输模块，第一单片机能够将警报提示信息传输至手环中。

需要说明的是，电子元件之间的连接均为数据连接，包括有线连接方式和/或无线连接方式。

如图2所示，手环上还设置有第二单片机和警报元件，第二单片机分别与第二无线信号传输模块和警报元件连接。第二单片机也可采用stm32f407zg单片机，警报元件可采用振动电路，能够达到振动效果。在本例中，手环上还配置有蜂鸣器，蜂鸣器能够给出声音提示。

具体地说，步进电机的调节如图3所示，包括如下步骤：

步骤1，将超声波探测器所需的探测方向设为步进电机转轴角度初始值，一般初始探测方向为水平方向，因此步进电机转轴角度为0；

步骤2，角度传感器感应角度并反馈数据至单片机；

步骤3，单片机通过角度传感器以f的抽样速率抽样得到超声波探测器所在载具的角度T(k)，抽样数据如下：

其中，T(t)是探测器角度值随时间的变化函数，T(n)为从T(t)抽样出来的一维数组，T(k)是第k个具体的元素，δ(t)为数学函数，当t＝0时，δ(t)是1，其余均为0。

我们只关心和探测器探测方向变化有关的一维角度，该角度定义为探测器发射超声波的方向和铅垂线构成的平面内，超声波的发射方向和该平面内水平位置的夹角。

步骤4，对相邻时间抽样的角度进行微分，得到这段时间内的载具角度变化量C(k)：

C(k)＝T(k)-T(k-1)

步骤5，将角度差负反馈b(k-1)与角度变化量C(k)、上一循环的补偿量y(k-1)求和得出这次的调整量：

y(k)＝C(k)+b(k-1)+y(k-1)

步骤6，在控制步进电机之前进行如下判断：

步骤6-1，根据载具角度变化量C(k)的值来匹配合适的抽样速率，C(k)的每个区间都有相匹配的抽样速率，具体的匹配数据应在本手杖应用前进行设置。当C(k)处于不同的区间时，系统会自适应地改变抽样速率，即：抽样速率f是C(k)的函数：

f＝F(C(k))

C(k)∈[a,b)，a＝10n,b＝10n+10，n＝0,1,2,3……

步骤6-2，判断这次的调整量是否超过阈值m，如果在阈值以下，即y(k)<m时则调整量作为补偿量参与下一次的循环，不继续执行后续步骤。

步骤7，将这次的调整量进行模数转换得到步进电机需要的转动步数，控制步进电机转动，编码器得到了这次的实际转角d(k)，单片机通过积分定位到步进电机的转轴角度D(k)：

步骤8，将步骤7中得到的角度D(k)与当前载具角度T(k)做差得到角度差负反馈量b(k)交给下一个循环处理。

步骤9，将步骤8得到的角度差负反馈量计入下一次的调整量。

在使用探测手杖过程中，不断循环步骤2-9来对步进电机角度和抽样速率进行调节。

超声波探测器4能够获取障碍物距离数据，并传输至第一单片机中，用于进行警报提示。超声波探测器发射超声波接收到回波则判定前方有障碍物。再发射一束声波，拉高Echo引脚电平，直到接收到回波后，引脚电平被置低。单片机开启定时器计算引脚高电平的时间t，则距离可以算出：distance＝(t*340)/2。

具体的说，如图1所示，步进电机通过固定装置10固定在手杖上，固定装置可采用常规的用于夹持、固定的部件，如固定夹、胶带等。采用胶带时，可以用胶带直接将步进电机缠绕在支撑杆上，结构简单安装方便。

此外，在支撑杆上还设置有高度调节装置11。具体的说，支撑杆一般设计为外管和内管相互插接的方式，在外管内管衔接处设置有高度调节钮，高度调节为常规结构，在本发明中不再赘述。

使用本探测装置时，根据角度传感器感应到的数据，进行抽样、分、求和、判断、自适应、负反馈、积分计算后不断控制步进电机向修正方向摆动，使超声波探头的位置始终保持正确的方向，不会因为检测到地面距离过近而不停地响起警报。尤其是当上下坡时，拐杖倾斜角度大，此时超声波探头也能够得到及时的大角度修正，大大提高了探测精度。在环境极其恶劣导致载具急速地晃动时，可以自适应的改变调节的速率，使得探测器的调整幅度尽可能地缩小，达到更加稳定的探测方向。由于加入调整量的阈值，防止步进电机因为调整量太小，脉冲数过少而造成的电机丢步现象。盲人持探测装置中手杖部分，佩戴手环在盲道上行走时，当有自行车等障碍物阻挡道路，手杖上的探测模块得到障碍物距离信息，智能手环将通过振动的频率提供障碍物的距离信息给使用者，帮助使用者及时规避障碍物。在此基础之上，当手环中同时配置有蜂鸣器和振动电路时，可以通过简单的程序设置，设计为在距离3米时轻微震动，距离1米时震动伴随提示音。

本发明提供的探测装置不仅可以让盲人使用，也可以推广至普通人使用。在野外考察或者缺少供电的地方，夜里的活动受制于光线不足。使用这种探测装置可以在一片黑暗当中摸索前进，当有震动或警报响起，使用者可以使用探测装置在前方试探，从而避开障碍。同时，在角度传感器、步进电机及调节方法的配合下，探测精度和稳定性也得到了极大的提高。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：包括手杖和与手杖具有数据连接的手环，所述手杖包括支撑杆、设置在支撑杆顶部的把手以及设置在支撑杆底部的支撑脚，所述支撑杆上设置有超声波探测器、步进电机、编码器，编码器通过联轴器和步进电机相连，单片机读取编码器的数据积分得到电机的转动角度，从而监测步进电机的调校效果，所述支撑脚上设置有角度传感器和第一单片机，所述步进电机转轴与超声波探测器相连，所述第一单片机分别与角度传感器、步进电机、编码器和超声波探测器连接；所述角度传感器用于获取角度数据，并将数据传输至第一单片机中，第一单片机根据该数据对步进电机进行调节，从而纠正超声波探测器的角度,所述第一单片机还连接有第一无线信号传输模块，所述第一无线信号传输模块与手环上的第二无线信号传输模块进行数据传输，所述手环上还设置有第二单片机和警报元件，所述第二单片机分别与第二无线信号传输模块和警报元件连接；所述步进电机的调节包括如下步骤：

步骤1，将超声波探测器所需的探测方向设为步进电机转轴角度初始值；

步骤2，角度传感器感应角度并反馈数据至单片机；

步骤3，通过角度传感器以f的抽样速率抽样得到载具的角度T(k)，抽样数据如下：

<mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mi>k</mi> </mrow>

其中，T(t)是探测器角度值随时间的变化函数，T(n)为从T(t)抽样出来的一维数组，T(k)是第k个具体的元素，δ(t)为数学函数，当t＝0时，δ(t)是1，其余均为0；

步骤4，对相邻时间抽样的角度进行微分，得到这段时间内的载具角度变化量C(k)：

C(k)＝T(k)-T(k-1)

步骤5，将角度差负反馈b(k-1)与角度变化量C(k)、上一循环的补偿量y(k-1)求和得出这次的调整量：

y(k)＝C(k)+b(k-1)+y(k-1)

步骤6，在控制步进电机之前进行如下判断：

步骤6-1，根据载具角度变化量C(k)的值来匹配合适的抽样速率，并改变抽样速率：

f＝F(C(k))

其中，C(k)∈[a,b)，x∈[a,b)a＝10n,b＝10n+10，n＝0,1,2,3……

步骤6-2，判断这次的调整量是否超过阈值，如果在阈值以下，则调整量作为补偿量参与下一次的循环，不继续执行后续步骤；

步骤7，将这次的调整量进行模数转换得到步进电机需要的转动步数，控制步进电机转动，编码器得到了这次的实际转角d(k)，通过积分定位到步进电机的转轴角度D(k)：

<mrow> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>k</mi> </msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

步骤8，将步骤7中得到的角度与这次的载具角度做差得到角度差负反馈量b(k)；

步骤9，将步骤8得到的角度差负反馈量计入下一次的调整量。

2.根据权利要求1所述的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：所述超声波探测器通过如下公式计算距离：

distance＝(t*340)/2

其中，t为引脚高电平的时间。

3.根据权利要求1所述的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：所述警报元件包括振动电路。

4.根据权利要求2所述的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：所述警报元件还包括蜂鸣器。

5.根据权利要求1所述的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：所述第一无线信号传输模块和第二无线信号传输模块为蓝牙模块。

6.根据权利要求1所述的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：所述步进电机通过固定装置固定在支撑杆上。

7.根据权利要求1所述的基于步进电机的自适应调节式盲人行道探测装置，其特征在于：所述支撑杆上设置有高度调节装置。

8.基于步进电机的自适应调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将超声波探测器所需的探测方向设为步进电机转轴角度初始值；

步骤2，角度传感器感应角度并反馈数据至单片机；

步骤3，通过角度传感器以f的抽样速率抽样得到载具的角度T(k)，抽样数据如下：

<mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <mi>&amp;delta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mi>k</mi> </mrow>

其中，T(t)是探测器角度值随时间的变化函数，T(n)为从T(t)抽样出来的一维数组，T(k)是第k个具体的元素，δ(t)为数学函数，当t＝0时，δ(t)是1，其余均为0；

步骤4，对相邻时间抽样的角度进行微分，得到这段时间内的载具角度变化量C(k)：

C(k)＝T(k)-T(k-1)

步骤5，将角度差负反馈b(k-1)与角度变化量C(k)、上一循环的补偿量y(k-1)求和得出这次的调整量：

y(k)＝C(k)+b(k-1)+y(k-1)

步骤6，在控制步进电机之前进行如下判断：

步骤6-1，根据载具角度变化量C(k)的值来匹配合适的抽样速率，并改变抽样速率：

f＝F(C(k))

其中，C(k)∈[a,b)，x∈[a,b)a＝10n,b＝10n+10，n＝0,1,2,3……

步骤6-2，判断这次的调整量是否超过阈值，如果在阈值以下，则调整量作为补偿量参与下一次的循环，不继续执行后续步骤；

步骤7，将这次的调整量进行模数转换得到步进电机需要的转动步数，控制步进电机转动，编码器得到了这次的实际转角d(k)，通过积分定位到步进电机的转轴角度D(k)：

<mrow> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>k</mi> </msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

步骤8，将步骤7中得到的角度与这次的载具角度做差得到角度差负反馈量b(k)；

步骤9，将步骤8得到的角度差负反馈量计入下一次的调整量。