CN202330713U

CN202330713U - 一种基于多超声传感器的导盲避碰装置

Info

Publication number: CN202330713U
Application number: CN2011202919972U
Authority: CN
Inventors: 王璇; 王海燕; 闫永胜; 申晓红; 张译欠; 李保军; 白峻; 杨伏洲; 梁武; 花飞
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-08-11

Abstract

本实用新型公开了一种基于多超声传感器的导盲避碰装置，主控制器控制温度传感器采集环境温度信息，采取循环扫描方式逐个驱动超声波传感器循环工作，超声波反射并经过探头接收后，经过放大、滤波和比较，将信号传输至主控制器，主控制器计算发射与接收时间差，依据之前采集到的环境温度得出当前环境温度下的声速计算每个超声波传感与障碍物之间距离，采用模糊导盲控制算法计算出盲人的行走方向，通过蜂鸣提醒电路发出障碍物报警，并通过安装在使用者身体不同部位的震动提醒电路给出不同的行走方向。本实用新型大大提高了导盲装置在复杂障碍物环境下的适应能力。

Description

一种基于多超声传感器的导盲避碰装置

技术领域

本发明是一种计算机控制自动导盲装置，涉及信号处理、障碍物探测等领域。

背景技术

我国目前约有1000万盲人，占全世界盲人总数的18％。盲人在独自行走时主要依靠导盲装置，最简单的装置是普通的手杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。其缺点是探测距离近、需要使用人力来避碰障碍物，因此设计一款智能电子导盲装置势在必行。为了增加探测距离，电子导盲装置一般采用超声波传感器，但是，现有的导盲装置大多采用单超声波传感器，当超声波传感器与障碍物形成一定角度时，超声波会产生镜面反射，由此产生“幻影”现象，单传感器不能有效地消除“幻影”现象，其智能性不高。实用新型专利(专利号：95235311.3)公开了一种集收音、报警、导盲于一体的手持式多功能导盲装置。该导盲装置功能较多，但是其导盲功能仅仅是通过单传感器超声波探测前方是否有障碍物，将距离信号转换为与周期或频率成比例的脉冲信号，从而通过语音信号提醒盲人。该专利的不足之处在于：该单超声波导盲装置仅仅给出是否有障碍物的提醒，而没有给出具体的向左行走或向右行走的提示信号，从而不能在复杂的障碍物背景下有效的给出向左行走还是向右行走的提示信息，智能性不高。

因此采用多超声波传感器消除导盲装置的“幻影”现象。发明专利(专利申请号：200610169717.4)公开了一种智能的语音导盲装置，该装置特点在于采用两个以上传感器进行多方位障碍物探测，能够给出障碍物的距离、方向、高度等信息，但是该装置采取预放大电路、带通滤波电路等回波信号预处理电路，一个传感器需要一套电路，致使电路体积增加；此外，在障碍物方位、类型等信息提示方面，该装置采取简单的数量判决方法——依据相关位置检测到障碍物的超声波传感器数量来判决是哪一类障碍物。该数量判决方法仅仅依靠检测到障碍物的超声波数量进行判决，不能够在复杂障碍物环境中有效的为盲人提供导盲信息。

发明内容

为了克服现有技术不能够在复杂障碍物环境中有效的为盲人提供导盲信息的不足，本发明提供一种基于多超声传感导盲避障装置，在多传感器测距的基础上，结合模糊导盲控制算法，大大提高了导盲装置在复杂障碍物环境情况下的适应能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括多个收发一体的超声波传感器、超声波发射驱动电路、超声波接收驱动电路、程控开关切换电路、主控制器、蜂鸣提醒电路、震动提醒电路和温度传感器。主控制器控制温度传感器采集环境温度信息，在程控开关切换电路的控制下，采取循环扫描方式逐个驱动超声波传感器循环工作。工作过程中，主控制器通过超声波发射驱动电路驱动收发一体超声波传感器的探头发射超声波脉冲，当超声波遇到障碍物后反射并经过探头接收后，经过超声波接收驱动电路的放大、滤波、和固定电平比较之后，将得到的信号传输至主控制器，主控制器计算发射与接收时间差Δt，依据之前采集到的环境温度，根据声速近似计算公式得出当前环境温度下的声速c≈c₀+0.607T，其中c₀＝331.45m/s，T为当前环境的摄氏温度，进而计算每个超声波传感与障碍物之间距离

h＝1、2、3，采用模糊导盲控制算法计算出盲人的行走方向，通过蜂鸣提醒电路发出障碍报警，并通过安装在使用者身体前方、左侧和右侧等不同部位的震动提醒电路给出不同的行走方向：直线行走、左前方行走、右前方行走。

所述的多个超声波传感器以腰带方式置于盲人身体中部位置，传感器布放于腰带之上，传感器之间存在一定的水平夹角α，夹角的选择由超声波传感器的波束角和导盲装置的视野范围决定，一般选择20°≤α≤40°。在多传感器发射、接收控制方面，采用程控开关切换电路，多个传感器共用一套超声波发射驱动电路、超声波接受驱动电路，此设计方法一方面减少了芯片数量，节约了PCB板面积，有助于导盲装置小型化设计，节约了系统功耗，从而延长了导盲装置的使用寿命；另一方面，由于障碍物的漫反射等作用，超声波传感器同时工作会产生相互之间的干扰，采用切换工作模式有效的避免了传感器之间的干扰。程控开关切换电路的控制是在主CPU的控制下进行通道的切换选择的。

超声波发射驱动电路主要是将主控制器或者经过主控制器触发的外围电路产生的一定频率的超声波脉冲信号，通过变压器线圈耦合产生峰值为360V的高压，从而驱动超声波传感器发射信号。变压器线圈一方面起到了升压作用，以驱动超声波传感器，另一方面，由于超声波传感器是收发一体化设计，因此起到了隔离发射与接收的作用。

超声波接收驱动电路主要是将接收到的微弱回波信号进行放大、滤波、与固定电平比较。为了实现上述功能，超声波接收驱动电路包括放大电路、滤波电路和检测电路，放大电路采用2～3级放大，输出信号给滤波电路，滤波电路采用中心频率为发射脉冲信号频率的带通滤波器，回波信号经过滤波、放大之后，进入信号检测电路，该检测电路依据检测到的衰减的信号特性进行检测，输出一个与回波信号有关的三角脉冲信号，该信号与固定电平(0.7V)通过比较器比较输出方波脉冲信号，该信号的上升沿代表接收回波时刻，该时刻与触发超声波发射驱动模块工作的时刻之差就是发射与接收时间差Δt。本发明为了减小导盲装置的体积，采取集成滤波放大芯片TL852，其中的滤波电路的中心频率通过外围的LC选频电路选择。检测电路由芯片TL852内部电路完成，当接收到4个脉冲时，通过REC引脚输出三角脉冲信号，比较功能是由集成超声波控制芯片TL851内部的比较器完成的。其中的LC选频电路是由电感和电容并联组成的。

主控制器的主要功能是：(1)驱动超声波驱动电路工作，发射超声波脉冲；(2)计算发射和接收信号的时延差，从而计算与障碍物的距离；(3)控制温度传感器工作，读取当前环境温度，以计算当前环境温度下声波传播速度；(4)依据模糊导盲控制算法，在复杂障碍物背景下计算出行走方向，并且控制蜂鸣、震动传感器工作，以给出提示信息。一般而言，由于导盲装置是电池供电产品，为了延长导盲装置的使用寿命，对主控制器以及其他外围电路要求是：具有低功耗特性，在主控制器的选择上尤其注意这一点。当主控制器选择功耗较低的器件时，一般都是低电压供电，因此IO电压也是低电压，当外围器件是5V逻辑时，需要进行电平转换。

主控制器的工作步骤如下：(1)启动温度传感器工作，采集当前环境温度并记录；(2)控制程控开关切换电路选择某一位置超声波传感器，产生超声波脉冲，控制超声波发射驱动电路工作，发射脉冲，并启动定时器开始计时；(3)信号经过空气衰减，遇到障碍物后反射，产生回波信号，经过程控开关切换电路选择和超声波接收驱动电路的放大滤波，进入主控制器，停止定时器，计算发射和接收时延差，求解与障碍物之间距离；(4)循环步骤(2)、(3)，直至所有超声波传感器测距完毕；(5)在建立距离隶属度函数、方向隶属度函数的基础上，采取模糊数学中模糊乘法得出模糊避障算法的输出：左转、前进、右转；(6)控制蜂鸣提醒电路和震动提醒电路工作，给出行走方向的提示信息。

本发明的有益效果是：在分析了超声波导盲装置需求的基础上，提出了基于超声波导盲避碰系统的设计方案，构建了超声波导盲硬件平台。本发明采用超低功耗微控制器作为系统的主控单元，以多个收发合置的超声波传感器以扫描方式进行多方位障碍物探测，消除了导盲装置的“幻影”现象，有效的提高了导盲装置探测障碍物的效率；现有专利200610169717.4也采用了多传感器进行障碍物的测距，但是其采取预放大电路、带通滤波电路等回波信号预处理电路，一个传感器需要一套电路，致使电路体积增加；此外，在障碍物方位、类型等信息提示方面，该装置采取简单的数量判决方法——依据相关位置检测到障碍物的超声波传感器数量来判决是哪一类障碍物。该数量判决方法仅仅依靠检测到障碍物的超声波数量进行判决，不能够在复杂障碍物环境中有效的为盲人提供导盲信息。由于盲人周围环境非常复杂，而且一般情况对于盲人本人是未知的，很难建立起精确的数学模型来预测障碍物的信息，因此采取模糊控制算法非常适合于机器人、导盲装置的避碰。本发明采用模糊导盲控制算法，有效的提高了导盲装置在复杂环境背景下的导盲能力；系统辅以震动传感器作为输出反馈，人机交互接口友好。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是多超声波传感器导盲系统总体框图；

图2是三个超声探头安装示意图；

图3是Polaroid 6500系列超声波传感器发射和接收驱动电路图；

图4是主控制器硬件连接示意图。

具体实施方式

本发明主要包括：收发一体超声波传感器、超声波发射驱动电路、超声波接收驱动电路、程控开关切换电路、主控制器MSP430F5438、蜂鸣提醒电路、震动提醒电路。框图如图1所示。考虑到实现测控系统的小型化和集成化，超声波探头采用美国Senscomp公司集发送、接收于一体的Polaroid 600超声波传感器，该传感器具有较宽的频率响应，指向性好(在-6dB时波束角为15°，主瓣宽度30°)等优点。当传感器加上频率为50KHz、电压为400VAC峰峰值的方波时，电信号转换为同频率震动的震动信号，从而发出超声波。本导盲系统采取3个超声波传感器，其布放如图2所示，其中虚线为传感器端面的法线方向，传感器2与3对称放置，考虑到人的视野范围及后续的模糊导盲控制算法的需求，选择α＝30°。3个超声波传感器采取轮询工作方式，工作顺序依次是1，2，3，从而防止传感器之间的散射干扰及误判。

超声波发射和接收驱动电路是在Polaroid 6500系列超声波距离模块驱动电路基础上改进的。Polaroid 6500系列超声波距离模块是由声纳测距集成控制芯片TL851、超声波接收放大集成芯片TL852和外围电路组成。该驱动模块的发射与接收驱动局部电路图如图3所示。系统上电后，TL851芯片外接的420KHz陶瓷晶振起振，分频后产生49.4KHz的脉冲，当发射触发信号INIT由低变高时，XMIT引脚(P10端口)发射16个脉冲信号，驱动NPN型三极管Q1、变压器线圈T1工作，引起超声波换能器以同频率振动，从而发射超声波。当超声波传感器LS1接收到反射波以后，耦合传输到P11端口。由于空气中和障碍物的吸收损失和传播损失，接收到的回波信号非常弱，需要进行放大，接收回波信号经过外围LC选频电路，只有发射的49.4KHz信号经过TL852声纳测距集成芯片进行放大，当接收到4个脉冲的回波信号时，引脚REC产生三角脉冲信号，输出至TL851内部比较器，进而通过ECHO引脚输出高电平，表示已接收到回波信号，通过计算触发和ECHO上升沿之间的时间差得出障碍物与超声波传感器之间的距离。图中变压器线圈T1一方面起到了升压作用，以驱动超声波传感器，另一方面，由于超声波传感器是收发一体化设计，因此起到了隔离发射与接收的作用。

依据导盲装置的设计需求，该方案采取3个超声波传感器进行多方位探测，采用程控开关切换电路控制3个超声波传感器循环工作。为了节约系统功耗和减少PCB板面积，考虑实际设计规则，选择在P10和P11端口处复用，因为当系统处于发射状态时，P10端口逻辑电压为5V(变压器线圈另一端峰峰值电压达到400V)，易于选择模拟开关型号。

根据导盲装置的设计需求，必须具备待机时间长，功耗低等特点，选择了德州仪器公司(TI，Texas Instrument)的超低功耗微控制器MSP430F5438作为系统的主CPU，其拥有5种低功耗模式，在低功耗模式LPM3下，只需要2.0μA的供电电流，采用3.3V供电情况下，全速运行也只需要420μA的电流。拥有多种时钟模式，通过程序控制，可以灵活地选择不同的时钟来降低系统功耗。图4为主控制器硬件连接驱动模块、多超声波传感器示意图，因为MSP430的I/O电压是3.3V的逻辑，而超声驱动模块和程控开关切换电路是5V逻辑，因此需要进行电平转换。通过比较MSP430的I/O电平和超声波发射驱动模块、超声波接收驱动模块、程控开关切换电路的5V TTT电平，发现MSP430的I/O口可以直接控制超声波驱动模块和程控开关切换电路。超声波回波信号时5V TTL逻辑电平，因此通过两个电阻分压来进行电压匹配，具体的电阻值选为1K和2K电阻。

声速与传播介质的温度有关系，因此温度影响超声测距的精度，在本导盲装置中，采用美国DALLAS公司的温度传感器DS18B20对环境温度进行实时采集，其采取单线接口方式，测温范围-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。在实际的操作过程中，将声速公式线性化得c≈c₀+0.607T，因此可以使用MSP430内部的硬件乘法器执行乘法运算，也可以采用查表法查询得出一定温度下对应的声速。

提醒输出模块包括振动输出模块和蜂鸣输出模块，在主控制器MSP430的控制下，I/O控制NPN型三极管驱动蜂鸣器和微型振动传感器工作。

超声测距控制部分采用MSP430内部定时器的上升沿和下降沿全部捕获功能计算ECHO信号上升沿与触发信号之间的时延Vt，进而利用d＝cVt/2求解导盲装置与障碍物之间的距离，其中c是当前环境温度下声速，其计算公式为c≈c₀+0.607T，公式中c₀＝331.45m/s，T为摄氏温度，3个超声波传感器循环工作分别测出不同方向上与障碍物的距离。

Claims

1.一种基于多超声传感器的导盲避碰装置，包括多个收发一体的超声波传感器、超声波发射驱动电路、超声波接收驱动电路、程控开关切换电路、主控制器、蜂鸣提醒电路、震动提醒电路和温度传感器，其特征在于：主控制器控制温度传感器采集环境温度信息，在程控开关切换电路的控制下，采取循环扫描方式逐个驱动超声波传感器循环工作，主控制器通过超声波发射驱动电路驱动收发一体超声波传感器的探头发射超声波脉冲，当超声波遇到障碍物后反射并经过探头接收后，经过超声波接收驱动电路的放大、滤波、和固定电平比较之后，将得到的信号传输至主控制器，主控制器计算出盲人的行走方向，通过蜂鸣提醒电路发出障碍报警，并通过安装在使用者身体不同部位的震动提醒电路给出不同的行走方向。

2.根据权利要求1所述的基于多超声传感器的导盲避碰装置，其特征在于：所述的多个超声波传感器以腰带方式置于盲人身体中部位置，传感器布防于腰带之上，传感器之间存在水平夹角α，20°≤α≤40°。

3.据权利要求1所述的基于多超声传感器的导盲避碰装置，其特征在于：所述的超声波接收驱动电路包括放大电路、滤波电路和检测电路，放大电路采用2～3级放大，输出信号给滤波电路，滤波电路采用中心频率为发射脉冲信号频率的带通滤波器，回波信号经过滤波、放大之后，进入信号检测电路，该检测电路依据检测到的衰减的信号特征进行检测，输出一个与回波信号有关的三角脉冲信号，该信号与固定电平通过比较器比较输出方波脉冲信号，该信号的上升沿代表接收回波时刻，该时刻与触发超声波发射驱动模块工作的时刻之差就是发射与接收时间差Δt。