超声波电子导盲手杖的设计汇总Word格式文档下载.docx
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中国是世界上盲人数量最多的国家。
盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。
如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。
为了解决这一问题，本文模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波导盲系统的基础上，应用回声定位原理，通过发送超声波，然后获得并分析障碍物的回波信息，研制了一套超声波导盲系统。
本系统采用AT89S52单片机作为控制器,利用超声测距的原理,设计了一种超声波导盲装置，该装置可以对盲人前面道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音或震动提示,盲人可以根据提示声音或震动，达到导盲作用。
该系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。
关键词：
超声波；
单片机；
导盲系统
ThedesignofUltrasonicelectronicBlindstick
Studentmajoringinagricultureelectrificationandautomation
Tutor
Abstract:
Chinaisacountrythatownsthelargestnumberofblindpeopleintheworld.Theblindliveindarknessworld,Ithasbroughtgreatdifficultiestowork,livingandsocialactivities.Howtowalksafelyisthebiggestproblemfortheblindinthelife.Tosolvethisproblem,thisarticleimitatethebat'
sultrasonicapplicationsCapabilityandprinciples.Inthestudyofexistinge-ultrasonicGuidesystematicbasis,ApplyecholocationPrinciple,Bysendingultrasonic,Obtainandanalyzetheobstaclesandthenreturninformation,developedasystemofultrasonicguide.ThesystemusesAT89S52microcontrollerasthecontroller,usingultrasonicdistancemeasurementprinciple,designanultrasonicguidingequipment.Thedevicecandetectthedistanceofobstaclesontheroadthatisinfrontoftheblind.Thanturnthedistanceinformationoftheobstacleintosoundorvibratingalert,Accordingtosoundorvibration,Blindmayachieveguideeffect.Thesystemhassomecharacteristics,Forexamplethehardwarestructureissimple,theworkisreliable,measurementerrorissmallandsoon.
Keywords:
Ultrasonic;
MCU;
guidancesystemfortheblind
1绪论
1.1研究背景与意义
我国曾在上世纪80年代进行过视力残疾状况调查，结果显示，我国有视力残疾患者近1300万，其中盲人约就有550万。
从全国防盲技术指导组办公室得到的数据也显示，我国有500万盲人，占世界盲人总数的1/5[1]。
随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单方便成为了人民普遍追求的生活理念。
盲人既是我们普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天的生理缺陷在日常生活中比我们常人会遇到更多的不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物就是一个重要的弊端。
虽然在现实生活中大多数的盲人都是借由普通的拐杖来辅助行走的，但这种拐杖只是一根普通的长杆，存在着太多的不足，比如不能探测上方悬挂的障碍物，不能识别稍远一点的障碍物等等[2]。
导盲犬虽然是引导盲人行进的不错选择，然而训练的不易、耗时及成本高昂也使得导盲犬的使用率并不高。
如果有一种既轻巧，又便宜，同时又能及时的识别周围障碍物并发出报警信号的智能拐杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大地方便。
同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距与识别技术在工业中已经得到了普遍的发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用于民用领域也变得十分重要。
蝙蝠擅长在黑夜中飞行，在漆黑的环境里仍能够准确的判断物体的方位及距离，并能有效的避开树、建筑物等障碍物，以极快的速度精确地飞翔，蝙蝠的这种功能是通过回声定位来实现的。
所谓回声定位，就是某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去，利用折回的声音来定向。
比如蝙蝠，它通过喉部发出频率大约100KHz的超声波脉冲，当遇到食物或障碍物时，脉冲波会反射回来，蝙蝠用两只耳朵接受物体的反射波，并据此确定该物体的位置，并可从两耳分别接受到回波间的差别，来辨别物体的远近、形状及性质，物体的大小则由回波中的波长区别出来。
根据蝙蝠的这种仿生学原理，超声检测与识别技术得到了广泛的应用，特别是医用以及工业领域中，如医学超声检测，超声探伤等。
超声波具有传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感的特点，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制的特点[3]。
综合以上优点，如果采用超声检测的方法实现对障碍物的识别，同时将这一项技术应用于导盲产品中将有广阔的发展前景。
1.2国内外已经研制成功的超声波导盲装置
为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世界各国一直在进行着导盲系统的研制。
有许多研究已经有了成功的案例，比如：
超声波导盲系统、无线电导盲系统、卫星导盲、盲人电子眼镜、红外线导向灯系统等[4]。
其中无线电、卫星导盲系统和红外线导向灯系统，要求改善周围的环境设施，患者借助于外来信息确定自身的方位，虽然反映的信息较多，但耗资庞大，信息量固定，发展更新迟缓，而且也很容易受到外来信息的干扰或者遭到人为的破坏；
电子眼镜用光导和摄像原理将景物和周围物体成像转换成相应的听觉信号，虽然结构简单，信息质量固定，但是系统复杂、成本昂贵。
超声波导盲系统实现成本低、使用方便、抗电磁干扰强、对光线不敏感、无电磁辐射，因此被广泛采用[5]。
已经研制成功的超声波导盲系统大体可以分为四类：
基于电子技术的导盲仪（Electronictravelaids，ETA）、移动式机器人（Mobilerobot）、穿戴式导盲仪和导引式手杖。
1.2.1电子导盲仪（ETA）
ETA的工作原理与雷达系统类似，由探头向一定方向上发送一连串的超声探测波，这些超声波在传送过程中遇到障碍物会被反射回来，被指定的传感器接收，从接收到的回波中可以得到障碍物的信息。
最早使用超声的ETA产生于1965年，名字为RussellPathsounder，它是将两个超声探头安放在好后挂在人的颈部，然后把它放置于位于胸部高度的板上。
收到前方障碍物的信息后仪器就会产生声音报警，但这种仪器仅能产生三种滴答声，通过这种滴答声粗略地提示目标距离[6]。
完成于1974年的Sonicguide，它的外型类似于一个眼镜框，一个具有55°
声束角的广角超声发射器安放在镜架的中央，两个超声波接收器被分别安放在镜框的两侧。
两个接收器获得的信号经过频移，分别传入左右耳。
使用者根据传入两耳之间的声音强度差，可以判断出障碍物的方向（声音以立体声呈现，靠近物体的那只耳朵听见的声音大于另一只耳朵听见的）；
障碍物的距离被编码成可听低频声音的频率（声调越高，距离越近）；
物体的某些表面特征通过声音的特征来体现（例如，不均匀分布的声音可能表示一棵树，均匀分布的声音可能代表一面墙）。
结合使用者头部的运动，能清楚的获得障碍物的位置[6]。
MowatSensor完成于1977年。
它可以相当于一支点字棒，主要是把收集到的超音波讯息，根据物件的距离来发出不同程度的震，使用者通过触觉获得的震感来获得周围障碍物的距离信息。
感应的范围可分一米和四米，使用者可利用按钮随意选择MowatSensor的好处是可以帮助寻找到小物件如锁匙等，也可以探到半开的门。
韩国的Young-JipKim等人在2001年研发出的ETA，其探测组件分两部分：
眼镜和手杖。
眼镜框两侧安装有两个发送和接收超声波的超声探头，用于探测头部高度前方的物体；
在有滚轮的手杖前端也安放两个超声发射接收探头，探测地面高度前方的物体。
两组探头获得的位置信息分别转化成可听的嗡鸣声送至立体声耳机，使用者借此判断周围环境。
其中障碍物的方向信息转化为双耳间所听到得嗡鸣音的相位差和强度；
障碍物的距离信息转化为嗡鸣声的频率，距离越远频率越低，距离越近频率越高；
不同探测组件得到的嗡鸣声的音阶不同，从眼镜探测组件得到的音阶高，从手杖探测组件得到的音阶低。
此款设计重量轻，体积小，便于携带，制造成本低，易于使用，并且低功耗，可使用电池供电[7]。
2002年，英国利兹大学的迪恩·
沃特斯就和他的同事们根据超声定位原理，研制成功了一种被称为“Batcane”的超声波导航装置。
和蝙蝠一样，这个轻便的小装置每秒钟能发射6万赫兹的超声波脉冲，这个频率的脉冲是人耳所无法听得到的声纳波，当它碰到障碍物时，反射回来的声波都能被这个装置接收并转换成人手能感知的轻微振动，通过安装在拐杖塑料手柄上的4个小衬垫传递给使用者，任何在其附近的物体都会引起其手杖塑料柄上的四块垫子中的一块发生震动。
障碍物越近，振动的频率越快，利用这种声纳波，盲人能够发现其前方、周围，甚至在其上方的障碍物，从而帮助存在视力缺陷的人士避开台阶或低洼的地面。
综上可知，ETA的缺陷是工作时需要使用者不断进行扫描探测动作，而发现障碍物后，必须经过附加测量才能知道其尺寸，因此降低了行进的速度。
但由于其结构比较简单，便于携带，而且成本相对低廉，因此得以推广。
1.2.2移动式机器人
移动式机器人[8]目前广泛的应用在工厂自动化中，主要用于物件的搬运。
由于安全与自动化的的要求，移动式机器人一般具有多种的感测器、强大的计算能力以及高度的智能化的障碍物躲避系统（obstacelavoidancesystems,OAS），OAS可以探测障碍物的位置，并制定出合理的行走计划，使得机器人在复杂的环境中可以进行自主的导航，例如：
位置估测、路径规划、轨迹追踪、障碍物闪避等复杂的功能。
因此基于移动式机器人技术的导盲仪，功能上较EAT有很大提高。
例如YamanashiUniversity的HITOMI和HARUNOBU，以及NavChair与PAM-AID都是用于导盲的大型自走式机器人。
NavChair又名“辅助性轮椅导航系统”，也就是导航轮椅，是由密西根大学（Michiganuniversity）机器人实验室研发成功的。
它是将智能机器人技术应用于电动轮椅，是一种服务器机器人，可以进行自主导航并有效的避开障碍物。
PAM-AID是一个“智能行走机”，通过Bayesian网络将用户的输入值与传感器推导出的高级信息结合起来对用户的当前导航目标进行环境相关估算。
这种“智能行走机”可以帮助老弱盲人在室内安全行走。
移动式机器人虽然比ETA功能更完善，更加的智能化，但是它的结构过于复杂，因此对于倾斜路面、上下楼梯或者需要跨越的障碍物的处理相当困难，在行动的范围与地形上也会受到限制；
并且行走的路径是由移动机器人规定决策的，这导致盲人使用者的行进是被动式的被机器人引导；
此外即时的自主式行走需要大量的复杂算法的支持，导致硬件及开发成本上都会付出相当高的代价[9]，因此并没有得到广泛的应用。
1.2.3穿戴式导盲仪
NavBelt，顾名思义是一种具有导航功能的腰带，是由美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员Borenstein与Koren共同发明的。
NavBelt的概念形成于1989年，它的设计理念来自于移动式机器人与盲人两者在运动上的相似性。
移动式机器人与盲人同样具有执行运动、行进的能力，但却同样需要一个探测系统来探测行进路上的障碍物并加以躲避，因此直接将移动式机器人的障碍物躲避系统穿载在盲人的身上，盲人作为半被动的接受障碍物躲避系统命令的运动工具，并且具有比移动式机器人更灵活的行动能力。
该装置由安放8个超声探头的腰带、置于背包的小型计算机和立体声耳机组成。
超声探头收发一体，声束角为150°
，采用误差消除快速超声激发理论（ErrorEliminatingRapidUltrasonicFiring，EERUF），可以消除重叠干扰，均匀排列的8个探头可以探测到120°
范围的物体。
OAS运用矢量场直方图技术（VectoFieldHistogram,VFH）将超声探头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。
NavBelt因为是穿载在盲人的身上的，因此无法像导盲犬一样提供给盲人心理上的安全感和依赖感。
1.2.4引导式手杖
较为新颖的导盲机器设计是在拐杖的末梢接上一组载有许多传感器、小型控制计算机而下方装有导轮的移动式平台，也就是将原本移动式机器人的动力系统移除，保留智能感测的部分。
这样的架构特点是：
舍弃动力装置，可充分减少机器的体积重量及盲人的负担，大大提高机器的可移植性；
系统复杂度减小之后，可以着重在感测系统与导航辅助技术的设计上；
轮子拐杖（Wheel-cane）的机构设计相对于NavBelt，在心理层面上可以给予盲人较大的依赖感与安全感。
因此导引式手杖的设计可以祢补目前拐杖、电子式行进辅具、移动式机器人及NavBelt的缺点。
目前已存在的此类型机器主要是Borenstein的GuideCane。
GuideCane的概念形成于1995年，它是美国密西根大学继NavBelt之后研发的，它的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为电子导盲犬。
这种引导手杖由三部分构成：
手柄、机架和车轮。
在使用时，使用者握住手柄，推动GuideCan行进。
通过手柄上的微型控制杆，设定行进目标方向。
根据超声探头获得的信息，运用VFH技术，计算机产生周围环境的虚拟地图，通过伺服电机，控制转向轮的方向引导使用者行进。
GuideCane与NavBelt相比是将原先有人背负的设备转至拐杖末端的移动式平台上，减少了机器的体积重量给使用者带来的负担，提高了可操作性[9]。
GuideCane的缺点是体积还是过于庞大，不便于携带，而且成本较高，所以不便于推广。
2超声波导盲系统的工作原理
2.1超声
2.1.1超声概述
声波按频率高低不同可分为四种[10]：
频率在16KHz～20KHz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；
低于16KHz的机械波称为次声波；
高于20KHz的机械波称为超声波；
高于10MHz的机械波称为特超声波。
声波产生的条件是首先要有一个作机械振动的质点作波源，其次要有传播振动的弹性介质。
此外，当振动传播时，振动的质点并不随波而移走，只是在自己的平衡位置附近振动而已，这与电磁波（交变电磁场以光速在空间的传播）是完全不相同，与光波也不同[11]。
因此超声作为一种高于人的听觉范围的声波，与光波与电磁波不同，是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播；
电磁波的传播速度为3×
108m/s，而超声波的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，对于相同频率的情况下波长较短，因此可以提高测量的分辨率；
超声波在相同的传播媒体里传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，作为纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的[12]。
在两种介质的交界面，声波会发生反射、折射、衍射、散射等现象。
超声波也具有这些传播规律[13]，与可听声波的规律并没有本质上的区别。
但超声波作为一种特殊的声波，同时又具有方向性好，加速快等特点，而且波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：
传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。
功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。
声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。
在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。
由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。
2.2超声波传感器
2.2.1传感器的种类及特点
一般的障碍识别都采用非接触式方式来测量被探测物体的空间位置的。
非接触式识别测量的方法很多，所测得距离从纳米级到成千上万公里不等，原理也各不相同。
对于导盲系统来说，探测的距离一般为几十厘米到几米之间，根据不同的探测原理，所用的传感器有以下两种[14]：
（1）红外和光电传感器
这类测距传感器是依靠红外线或是其它不可见光的直线传播特性。
通过光敏元件来发射和接收信号，从而判断障碍物的存在与否。
由于光线的传播速度极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也是主要用于状态的判断（障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等）而无法实现对距离的实时测量。
（2）超声波传感器
超声和可闻声在本质上是一致的，它们都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，都能在媒质中发生反射、折射、衍射、散射等传播规律，其不同点是超声频率高，波长短。
由于声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，而且在相同强度下声音的频率越高做功也越多，因此与一般的声波相比，超声波的功率要大得多。
同时超声波的波长非常短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射特性也很差，在均匀介质中能够沿直线定向的传播[15]。
超声的这些特特性被广泛的应用于超声波探伤、测距以及超声成像技术中。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的用于产生和接收超声波的器件，它既能够把其他形式的能转化为所需频率的超声能又能够把超声能转化为其他形式的能。
采用超声波传感器有以下几个方面的好处：
（1）测量方式原理简单，易于实现。
（2）测量的精度高
（3）超声波传感器有一定的覆盖性，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。
2.2.2超声波传感器的选取
超声换能器按照发射与接收是否同体可分为收发同体与收发分体式两种[16][17]。
其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；
收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。
为了操作的简便，本文超声波导盲系统选用的是TCF40-18TR1型传感器。
这是一款压电陶瓷式收发同体超声波传感器。
其中心频率为40KHz，发射声压在10V，0dB=0.02m/Pa的条件下≥95dB；
接收灵敏度在40KHz中心频率，0dB=10V/pa的条件下≥-65dB；
静电容量为1260pF~2340pF；
探测距离为0.2~3m；
-6dB下的指向角为60o。
其发射声压方位特性图如图2-1所示[18]。
图2-1发射声压方位特性图
2.3超声波测距的应用
利用超声波来实现定位是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物的手段，生物体可以发射出人们不能听到的超声波（20KHz以上的声波），借助空气或其它介质传播。
通过捕捉障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号强弱来判断反射物的类型及距离的远近。
超声学是近年来发展十分迅速的一门技术，人们采用仿真技能，利用超声波，已应用在很多方面。
超声技术可分为检测超声和功率超声，作为检测用的超声波显然属于检测超声的范畴。
检测超声主要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、吸收、散射、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。
利用超声对目标进行检测有其独特的优点：
超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；
超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；
超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；
超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。
正因为超声波有着这些独特的优点，在国民经济和国防中越来越被人们所重视。
目前，超声波已广泛应用在民用及国防工业中。
例如，用超声波可以探测海洋潜艇的位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置；
利用超声波传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物的反射来确定物体内部损伤的位置，称之为无损探伤；
利用超声波测距辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预先规划好的行进方向来完成预定任务。
另外还有应用于矿井探测、液面探测、物位的测量、汽车报警等领域。
超声波测距主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本比较低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业实用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用。
2.4超声波测距的发展概况
超声波测距虽然被大量应用于各种工业领域，但他在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距条件下会产生相互影响，另外测距的盲区较大，这些固有的特点也限制其进一步广泛应用。
在目前使用的超声测距技术中，应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法，其原理是通过超声传感器发射超声波，并接收从被测目标反射回来的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播的速度，计算出超声波传感器与被测物体之间的距离。
为了提高超声波位移检测的精度，国外在这方面做了大量的研究，国内的一些学者也做了相关的研究。
厦门大学的童峰研究了一种回波轮廓分析法。
提出在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间的测量误差，实际上是对测距脉冲回波前沿的检测误差。
根据声波的发射，反射及传输理论推出了测距回波包络曲线的近似方程，并用实验验证了这个方程，据此提出了一种高精度超声波测距的信号处理方法，通过这样处理后超声波的传输时间的精度得到了很大提高。
中国科学院上海声学实验室的王润田提出，超声波频率高，衰减系数大，传播的距离短，因此用来测距的超声波频率不能太高；
但另一方面频率低，波长就长，测距的误差就增大，实际上测量精度与测距范围是矛盾的。
为了在一个较远距离的范围内提高测距的精度，王润田提出，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较高的进行近距离的测量，频率较低的进行远距离的测量，这样就实现了在较远范围内提高测距精度。
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