全方位全天候轮式导盲手杖研究论文解读.docx

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全方位全天候轮式导盲手杖研究论文解读

“全方位”全天候轮式导盲手杖研究论文

类别：

工程学

泰州机电高等职业技术学校

09应用电子班

马宏阳

目录

一、前言3

1.1项目发现与研究3

1.2研究背景及意义4

1.3现有导盲辅助器材的优缺点分析5

二、方案6

2.1同领域研究状况6

2.2具体方案设计7

三、实验模型的选取、设计与制作8

3.1手杖选型9

3.2载体主体结构设计10

3.3驱动轮选型11

3.4项目性能的研究11

3.5传感器选型及安装13

3.5.1传感器选型13

3.5.2传感器探测转向时的最大角度限制15

3.5.3传感器反射参数调整15

3.6夜晚警示设计16

四、实验16

4.1室内探测试验17

4.2室外实地探测实验19

五、结论及展望21

致谢22

参考文献22

一、前言

没有视觉感知力是盲人在日常生活中最大的障碍，正常人的生活用品，对于盲人的生活存在众多不便。

盲人产品需要在正常人的生活用品的基础上进行改进，更好的帮助盲人克服生活中的不便。

对于这种特殊人群的设计，触觉、听觉﹑嗅觉等就是产品改进的重要出发点。

1.1项目发现与研究

盲人，这个词大家并非陌生。

在日常生活中,我们随处都可以见到盲人。

我们所看到的盲人，都是用拐杖一步一步小心翼翼地走路。

而我们，都有一双明亮的眼睛，能清楚地看到大自然的美好色彩，可盲人却难以做到这一点。

在盲人的眼中，世界似乎永远是黑暗的，没有一点光明与美好。

为了生活，他们往往只能通过触摸、嗅觉、听觉等去感受大自然。

为更好地了解盲人，我曾亲身体验了一次盲人世界。

我用一块黑布蒙住了我的双眼，顿时，我的眼前一片漆黑，见不到一丝光明。

我试着走几步路，刚向前走了两、三步，我就感觉身子失去了平衡，一下子给摔倒了，由于眼睛被手帕遮住，看不见路，辩不明方向，所以每走一步，总是试探着挪动前行，可一不小心又与大门相撞了，把黑布摘下后，我的眼前恢复了一片光明。

回到自己的房间里，我凝思了许久，盲人走路做事，可真不容易，随时随地都有栽跟头、碰钉子，甚至是生命的危险。

于是，我针对上述问题研究设计了一种“全方位”全天候轮式导盲手杖，为盲人做一些力所能及的事，让他们感受到社会主义和谐社会的温暖，感受到与我们共同拥有一个美好的世界！

1.2研究背景及意义

目前市场上的盲人用品存在品种少、价格过高（如导盲犬、导盲机器人，掌上电脑导盲装置）、或者就只有一些科技含量较低、功能单一、缺乏创新、产品结构老化等问题（如传统手杖等）的产品。

而许多性能优越、功能多样、技术含量高且价格低廉的国产盲人用辅助器材难觅踪影，进口产品充斥市场。

本作品就是针对上述问题而设计的。

以下是例图说明：

导盲犬

导盲机器人

导盲手杖

1.3现有导盲辅助器材的优缺点分析

在科技发达的今天，为盲人提供的导盲方式多种多样，各有特点和独到之处，但相比起来也有各自的不足之处。

现有几种导盲手段比较：

导盲犬

缺点：

培训周期长；难度大；使用期限短。

导盲机器人

缺点：

技术复杂；价格昂贵；普及面有限。

掌上电脑导盲装置

缺点：

成本较高；盲人不易掌握。

传统手杖

缺点：

功能单一。

相对于其他形式的同类产品，我设计的导盲手杖属于非接触式探测方式，不但能探测位于正前方、左侧、右侧存在的障碍，而且能在环境光线较暗的情况下自动向周围发出警示信号，同时具备成本低廉制作简易的特点，便于推广使用。

二、方案论证及选择

导盲手杖是为克服上述现有导盲手段的缺点，设计出的一种能为盲人出行提供帮助，同时价格便宜、易于普及的解决方案。

2.1同领域研究状况

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。

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（ElectronictravelaidsETA）、移动式机器人（Mobilerobot）、穿戴式导盲仪和导引式手杖。

但大都不适用于普通家庭，因此提供一种“全方位”全天候轮式导盲手杖，该产品价格低廉，便于掌握。

上图为盲人电子眼睛使用说明

2.2具体方案设计

本作品在独轮车的正前方、左右两侧各安装一个可调反射距离的红外光电传感器，当载体正前方约0.5~0.8米处遇有障碍时，安装在载体正前方传感器触发语音电路提示：

“前方有障碍”，同理，当载体左侧或右侧约0.3~0.5米处遇有障碍时，安装在载体左侧和右侧的传感器触发语音电路，分别提示“左侧有障碍”和“右侧有障碍”，引导盲人及时规避来自各个方位的障碍；安装在推杆下端的光敏电阻与控制电路中光控信号放大整形电路相配合，当光线暗到一定程度时，驱动装在推杆中上端的球形警灯闪烁，及时提醒行人或车辆主动规避盲人以实现本作品的“全方位”全天候引导盲人的作用。

下图为作品原理简易示意图

三、实验模型的选取、设计与制作

取一些木板进行载体探测的外壳进行组装，在组装完成后的梯形结构的载体内侧安装一个12v锂电池以及语音喇叭，在载体探测的正前方、左右两侧各安装一个可调反射距离的红外线光电传感器，配合语音电路实现全方位的避障提示；在载体合适位置安装一个光敏电阻，配合光控整形电路触发球形警灯闪烁，实现当环境光线昏暗时及时对行人或车辆发出规避提示，经反复调试实现作品的功能。

3.1手杖选型

市面上的手杖种类很多，各有各的优势，材质大致可分为三类：

铝合金、木料和碳纤维。

碳纤维与同长度手杖相比重量轻，轻便；而木料与同长度手杖相比重量较大，虽说使用平稳，但不适手。

结构特性又可分为三类：

固定式、折叠式和伸缩式。

考虑到此产品针对普通人群消费，故本设计所做的手杖既要与底部的探测装置相结合拥有较高的轻便度的情况下，还要适合不同身高的人，因此本项目选择了材质耐用轻便的铝合金可伸缩手杖作为产品的模型。

上图为固定式纯木质手杖

上图为铝合金伸缩式手杖

3.2载体主体结构设计

市面上有许多品牌的导盲手杖，我经过长时间的市场调查以及向指导老师请教，本着节约成本、操作可靠、转向机构简单、便于维修的原则，最终确定载体装置结构如下图（主视图、左视图和俯视图。

主视图结构左视图结构

俯视图

3.3驱动轮选型

使用独轮能够在许多不同的方向移动，盲人使用手杖时车轮将全力推出，还可极大的方便横向滑动。

这是一个既简便又能建立完整的驱动器的方法。

独轮可以像一个正常的车轮水平360度方向推进。

它在使用机器人，手推车，独轮车，货运车。

“全方位”车轮将提供完善的性能。

“全方位”轮移动和旋转，这是很容易的方向控制快速地转动。

“全方位”轮无需润滑或现场维护和安装选项是非常简单和稳定，存在这么一个没有死区的优势。

3.4项目性能的探究

本作品创新部分的主要技术贡献有二：

一是实现了导盲杖全方位的避障提示；二是在环境光线昏暗的时候利用手杖正上方顶端的球星警灯闪烁信号及时对行人或车辆发出规避提示。

实现了全方位全天候的保障作用。

图3.2.2.1

上图说明，当载体探测装置未进入探测区时的示意图；

图3.2.2.2

上图为当载体探测装置进入障碍区后，探测传感器工作示意图。

3.5传感器选型及安装

本装置设有三个红外光电传感器，该装置探测的方位主要以左、右及正前方的传感器所探测到的数据为依据，所以传感器的优劣直接影响到此项功能是否实现。

经过调查我将目标锁定在红外光电传感器与激光测距传感器上。

3.5.1传感器选型

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

激光测距传感器是新一代的测距设备，功能强大、坚固耐用，专为工业测量市场设计该设备拥有许多卓越的性能。

激光测距传感器具有精度高，测量范围大，干扰条件少，测量稳定等优势，但由于其价格较高，而且经过市场调查后发现红外光电传感器的精度及其测量范围也可达到所需标准，所以最终选取红外光电传感器作为本项目的探测传感器。

考虑到红外光电传感器的测量范围为一个三角区域，为了不让三个传感器之间互相造成干扰，所以三个红外光电传感器在探测载体装置左、右、正前方上安装的相对距离要尽量大一些，安装如图3.3.1所示。

前端红外光电传感器安装在探测载体机头里，探测载体装置左右分别安装红外光电传感器，如此安装大大减小了红外光电传感器互相干扰的可能性，也可以做到探测盲人周围环境的目的。

图3.3.1

3.5.2传感器探测转向时的最大角度限制

此装置选用“全方位”独轮驱动，旋转角度为360度，为了保证盲人在使用时能够最大范围探测到障碍物，所以对导盲手杖的转动范围测试出限定角度是必不可少的。

在不考虑的自身倾斜角度的影响，只考虑使用者使用旋转手杖的情况。

∠α、∠β、∠γ依次为在不考虑的自身倾斜角度的影响，只考虑使用者使用旋转手杖的情况下的最大角度，经实际测量，∠α＝30度，∠β＝35度，∠γ＝30度。

（见图3.2.2.1）

3.5.3传感器反射参数调整

经过上述实地测量测得∠α＝35度，∠β＝30度，∠γ＝30度。

为了更保险起见，此导盲手杖探测方向的最大角度应再留出一些余量。

综上所述正前方最大角度为35度，左侧探测最大角度为30度。

侧面探测最大角度为30度。

在目前情况下，已经可以实现在对于障碍物横截面小于35度的任意方向及小于30度的方向进行障碍探测。

假设障碍物横截面大于35度，那么就必须在红外光电传感器中探测度的最大有效距离做出限定，以防止因障碍物横截面大于35度而造成栽跟头、碰钉子，甚至是生命的危险，因此我将传感器∠α、∠β、∠γ分别修改为30、35、30°

3.6夜晚警示设计

在载体探测装置下图3.4.1位置上增加一个光敏电阻，同时在手杖杆的顶端如图3.4.2处安装球形警灯，配合安装在载体内的光控整形电路使手杖能在光线昏暗的环境下，主动发出灯光闪烁提示，及时提醒行人或车辆主动规避。

图3.4.1图3.4.2

四、项目性能实验

4.1室内探测试验

1.实验内容：

将导盲手杖正面对着模拟的最大横截面（35度）后距离逐渐接近测量有效距离，然后重复这个过程把导盲手杖经过一个横截面大于30度横截，观察是否可以输出语音提醒，此外，用不透光胶布封住光敏电阻感光口模拟夜晚测试。

2.实验目的：

检查在保证模拟横截面足够的情况下传感器的有效距离，球形警灯在不透光情况下光敏度的敏感程度。

3.主要实验步骤：

如图