專利名稱：智能盲人導(dǎo)行儀及其導(dǎo)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息處理與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輔助盲人行走的智能盲人導(dǎo)行儀及導(dǎo)行儀的導(dǎo)行方法。
背景技術(shù)：
全世界有3000多萬視覺障礙者，中國(guó)就有800多萬，他們行走時(shí)通常靠一根手杖來探路。每走一步路只能探測(cè)地面上有限幾個(gè)點(diǎn)，不僅路面情況探不清楚，而且走得也很慢。另外，手杖只能探測(cè)到地面情況，卻難以避免上半身碰撞障礙物的危險(xiǎn)。
國(guó)外現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多種協(xié)助盲人走路的電子導(dǎo)盲器。這些電子導(dǎo)盲器大多都引入了電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，有些甚至用到了GPS全球定位系統(tǒng)，以及建立無線電基站等方法，普遍存在價(jià)格昂貴的問題，不適用于盲聾人這個(gè)低收入的弱勢(shì)群體。國(guó)內(nèi)城市存在著復(fù)雜的交通系統(tǒng)，盡管人行道上鋪設(shè)了盲道，但是在種種原因下，盲道的作用微乎其微。而在鄉(xiāng)村郊區(qū)等地方，盲人也是舉步維艱。由于重視程度不夠，投入有限，這方面一直都沒有成熟的產(chǎn)品出來。目前很多產(chǎn)品不能全面照顧到盲人行走時(shí)身體的各個(gè)部位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種智能盲人導(dǎo)行儀及其導(dǎo)行方法，既能探測(cè)到地面的障礙物，同時(shí)能探測(cè)到地面以上至人體身高處的障礙物，具有功能強(qiáng)大、體積小、便于攜帶、造價(jià)低、操作方便等特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于包括由主控電路和上部超聲波探測(cè)電路組成的主控模塊，與主控模塊有線連接的語音報(bào)警模塊、無線傳輸模塊、振動(dòng)報(bào)警模塊，以及與主控模塊無線連接的探杖超聲波探測(cè)模塊。
所述主控電路包括主控CPU和分別與主控CPU連接的放大檢波電路、信號(hào)發(fā)生電路、語音模塊接口和無線模塊接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，所述上部超聲波探測(cè)模塊以有線的方式與主控電路進(jìn)行通信，所述無線模塊接口與探杖超聲波探測(cè)模塊檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行單工通信。
所述探杖超聲波探測(cè)模塊包括探杖CPU和與CPU連接的放大檢波電路、信號(hào)發(fā)生電路、無線模塊接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。
所述無線傳輸模塊包括發(fā)射模塊和接收模塊，與主控CPU串口相連，主控模塊與探杖超聲波探測(cè)模塊通過無線傳輸模塊進(jìn)行串口通訊。
所述振動(dòng)報(bào)警模塊包括三極管8050及其驅(qū)動(dòng)的一個(gè)帶有偏心輪的微型電機(jī)。
作為一種優(yōu)選方案，所述主控模塊的CPU采用可編程Micro-ProcessorAT89S52，所述探杖CPU采用AT89C2051。
作為又一種優(yōu)選方案，所述語音報(bào)警模塊采用2560芯片。
作為又一種優(yōu)選方案，所述探杖超聲波探測(cè)模塊固定在盲人使用的手杖的內(nèi)腔中；手杖下端前側(cè)有兩個(gè)孔，超聲波傳感器的探頭固定在孔內(nèi)，電源及開關(guān)設(shè)在手杖的手柄處；所述上部超聲波探測(cè)電路的外殼上有一個(gè)用于把其固定在使用者上半身的夾子。
本發(fā)明的智能盲人導(dǎo)行儀的導(dǎo)行方法是由上部超聲波探測(cè)模塊和探杖超聲波探測(cè)模塊產(chǎn)生的超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)被反射，反射信號(hào)被送入主控CPU中，計(jì)算出障礙物的距離后，根據(jù)不同方位發(fā)出不同的語音報(bào)警信號(hào)或不同頻率的振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。
作為一種優(yōu)選方案，所述主控CPU計(jì)算出障礙物的距離后，根據(jù)障礙物的不同距離劃分報(bào)警等級(jí)，根據(jù)不同等級(jí)發(fā)出不同的語音報(bào)警信號(hào)或不同頻率的振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。
使用本發(fā)明的導(dǎo)行儀時(shí)，使用者手握手杖，同時(shí)把上部超聲波探測(cè)電路選擇夾在使用者的帽子或眼鏡、衣領(lǐng)、衣襟等位置。當(dāng)前方地面或使用者下半身前方有障礙物時(shí)，探杖超聲波探測(cè)模塊通過無線的方式把信號(hào)發(fā)送到主控電路，進(jìn)過語音或振動(dòng)報(bào)警告知使用者；當(dāng)使用者上半身的前方有障礙物時(shí)，上部超聲波探測(cè)電路則通過有線的方式把信號(hào)傳送到主控電路，再通過語音或振動(dòng)報(bào)警告知使用者。所以使用者前方的障礙物只要在人體高度范圍內(nèi)，都會(huì)被探測(cè)到，從而確保使用者的安全。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果智能盲人導(dǎo)行儀具有功能強(qiáng)大，體積小，便于攜帶，造價(jià)低，操作方便等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明智能盲人導(dǎo)行儀的硬件組成框圖；圖2為主控模塊框圖；圖3為主控電路原理圖；圖4為復(fù)位電路圖；圖5為時(shí)鐘電路圖；圖6為信號(hào)發(fā)生電路圖；圖7為超聲波放大檢波電路圖；圖8為振動(dòng)報(bào)警電路圖；圖9為主機(jī)程序流程圖；圖10為測(cè)距子程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
本發(fā)明智能盲人導(dǎo)行儀的測(cè)量原理如下單片機(jī)產(chǎn)生40KHz方波，通過超聲波發(fā)射探頭產(chǎn)生一段一段的超聲波，同時(shí)單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播遇到障礙物，被反射后由超聲波接收探頭接收回波，經(jīng)放大電路放大、檢波電路檢波，產(chǎn)生中斷，單片機(jī)定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，在已知超聲波聲速V超的前提下，計(jì)算出障礙物的距離，再根據(jù)需要把距離劃分為1米、1.5米、2米不同的報(bào)警等級(jí)。單片機(jī)根據(jù)物體的方位及報(bào)警等級(jí)發(fā)出信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)采用語音報(bào)警，可根據(jù)距離的遠(yuǎn)近及方位發(fā)出六種不同的語音報(bào)警信號(hào)，并可以根據(jù)距離的遠(yuǎn)近發(fā)出三種振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。
本發(fā)明智能盲人導(dǎo)行儀包括硬件部分和軟件部份，硬件部分主要由五部分組成，包括主控電路和上部超聲波探測(cè)電路組成的主控模塊、探杖超聲波探測(cè)模塊、語音報(bào)警模塊、無線傳輸模塊、振動(dòng)報(bào)警模塊。硬件組成框圖如圖1。
主控電路是本發(fā)明系統(tǒng)的主模塊，上部超聲波探測(cè)電路以有線的方式與主控電路進(jìn)行通信。主控電路包括放大檢波電路、信號(hào)發(fā)生電路、語音模塊接口和無線模塊接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。無線模塊接口用于與探杖超聲波探測(cè)模塊檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行單工通信。其組成如圖2、圖3所示。
在智能盲人導(dǎo)行儀中，CPU采用了通用的ATMEL公司的可編程Micro-Processor AT89S52。AT89S52是一種低功耗，高性能的CMOS八位微型計(jì)算機(jī)，與MCS-51產(chǎn)品兼容。與同類MCS-51產(chǎn)品相比價(jià)格便宜，且有在線編程功能(ISP)。
復(fù)位電路采用的是按鍵電平復(fù)位。復(fù)位電路圖如圖4所示。
AT89S52的時(shí)鐘電路采用了內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)的振蕩電路，外接12M晶振以及C1、C2(均30pF)構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。時(shí)鐘電路如圖5所示。
信號(hào)發(fā)生電路的超聲波的工作頻率為40KHz，由單片機(jī)延時(shí)產(chǎn)生，通過P2.7輸出。由于電壓和電流都很微弱須對(duì)其放大。三級(jí)管將電流放大，1∶2的變壓器將電壓放大。其電路圖如圖6所示。由于超聲波衰減非?？欤邮盏降幕夭ū容^弱，只有幾毫伏。因而需要對(duì)信號(hào)放大，以符合鑒頻器LM567的輸入要求。采用兩級(jí)放大，可將信號(hào)放大幾百倍，最后通過電容耦合LM567檢波。其電路圖如圖7所示。
放大電路采用PO-07放大。OP-07是低偏移電壓，低噪聲，低時(shí)間、溫度漂移的精確放大電器。OP-07有較寬的輸入電壓，較低的輸入電流。只須提供+9V電壓OP-07就能工作，而其他放大IC需要提供+-電壓才能工作。由于本發(fā)明導(dǎo)行儀是由+9V電池供電，因此選用OP-07給電源的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。
檢波電路采用美國(guó)NI公司的LM567芯片，LM567芯片是一種通用的語音解碼芯片。
探杖超聲波探測(cè)模塊包括放大檢波電路、信號(hào)發(fā)生電路、無線模塊接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，探杖CPU選用的是AT89C2051。AT89C2051具有體積小，價(jià)格低等特點(diǎn)。在所需I/O口較少，程序存儲(chǔ)器要求較少時(shí)更適合使用。
語音報(bào)警模塊采用美國(guó)ISD公司的2560芯片，錄放時(shí)間可達(dá)60秒。ISD2560系列具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。它的最大特點(diǎn)在于片內(nèi)E2PROM容量為480K，錄放時(shí)間長(zhǎng)；有10個(gè)地址輸入端，尋址能力可達(dá)1024位；最多能分600段；設(shè)有OVF(溢出)端，便于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)。
無線傳輸模塊采用通用的無編碼無線傳輸模塊。無線傳輸模塊分成發(fā)射模塊和接收模塊，與單片機(jī)串口相連，主機(jī)(即主控模塊)和從機(jī)(探杖超聲波探測(cè)模塊)通過無線傳輸模塊進(jìn)行串口通信；使用無編碼模塊，自行編寫通信協(xié)議。
振動(dòng)報(bào)警模塊是由三極管8050驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶有偏心輪的微型電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。通過控制三極管基極的電平來控制電機(jī)的開關(guān)，輸入不同的頻率的電平就可以達(dá)到不同的震動(dòng)效果。其電路圖如圖8所示。
在軟件設(shè)計(jì)上，采用了通用的C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用C語言比其它專門語言更有效。使用keil公司開發(fā)的keil C作為開發(fā)平臺(tái)。Keil的C51優(yōu)化交叉編譯器(MS-DOS)版是完全符合ANSI(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的C語言工具。
主程序包括主機(jī)(即主控模塊)和從機(jī)(即探杖超聲波探測(cè)模塊)的數(shù)據(jù)處理過程。如圖9所示。
所述主程序按如下進(jìn)行主機(jī)進(jìn)行初始化，首先判斷是否單機(jī)使用如果是單機(jī)就開始測(cè)距，根據(jù)測(cè)量到的距離判斷報(bào)警等級(jí)，并產(chǎn)生語音或者震動(dòng)報(bào)警；如果不是單機(jī)則需等待從機(jī)發(fā)送開始測(cè)距標(biāo)志位再進(jìn)行測(cè)距，如果在1.3秒內(nèi)沒有接收到從機(jī)發(fā)送的開始標(biāo)志位，則認(rèn)為從機(jī)已經(jīng)失效，向使用者報(bào)告拋棄從機(jī)，并設(shè)置主機(jī)為單機(jī)狀態(tài)。
主機(jī)(主控模塊)和從機(jī)(探杖超聲波探測(cè)模塊)的通信是通過無編碼無線傳輸模塊單工通信實(shí)現(xiàn)的。探杖超聲波探測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)物體后進(jìn)行測(cè)距，劃分報(bào)警等級(jí)，然后將報(bào)警等級(jí)從串口發(fā)給發(fā)射模塊，主機(jī)再通過接收模塊接收數(shù)據(jù)。由于沒有編碼，因此自行編寫通信協(xié)議，在每一次發(fā)送數(shù)據(jù)前加上驗(yàn)證碼0x55。只有當(dāng)接收模塊收到0x55時(shí)，才對(duì)0x55后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
所述測(cè)距子程序按如下進(jìn)行由單片機(jī)延時(shí)產(chǎn)生40KHZ的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)送一段超聲波，單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，延時(shí)20ms等待中斷。超聲波遇到障礙物后反射回來，由超聲波接收探頭接收，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。單片機(jī)進(jìn)入中斷后定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，單片機(jī)由定時(shí)時(shí)間判斷報(bào)警等級(jí)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。如圖10所示。
本發(fā)明導(dǎo)行儀可以分別針對(duì)人體的上方和下方，當(dāng)距離人體1米，1.5米、2米有障礙物時(shí)分別發(fā)出“上方危險(xiǎn)”、“上方小心”、“上方注意”、“下方危險(xiǎn)”、“下方小心”、“下方注意”六種不同的報(bào)警信號(hào)；也可選擇不分上下方的方式，當(dāng)遇到不同距離障礙物時(shí)，報(bào)警時(shí)發(fā)出“危險(xiǎn)”、“小心”、“注意”三種報(bào)警信號(hào)；也可同時(shí)選擇三種振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。語音報(bào)警準(zhǔn)確，語音清晰。
超聲波的探測(cè)范圍可達(dá)10多米，探測(cè)角度60度以上，但為了實(shí)際需要，將報(bào)警范圍設(shè)定在2米之內(nèi)，報(bào)警間距也可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。超聲波探頭有一定的盲區(qū)，通過測(cè)量在30cm左右，但因?yàn)檫M(jìn)入實(shí)際盲區(qū)的時(shí)候測(cè)量的數(shù)據(jù)是一個(gè)定值，這個(gè)定值在報(bào)警范圍內(nèi)，因此報(bào)警盲區(qū)為0cm。
智能盲人導(dǎo)行儀全部器件采用貼片技術(shù)，腰掛式主機(jī)做成手機(jī)大小，從機(jī)電路內(nèi)置于手杖，電源及開關(guān)安裝在手杖的手把處，讓使用者操作起來更加自如。整套系統(tǒng)輕便靈活，成本低，有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于包括由主控電路和上部超聲波探測(cè)電路組成的主控模塊，與主控模塊有線連接的語音報(bào)警模塊、無線傳輸模塊、振動(dòng)報(bào)警模塊，以及與主控模塊無線連接的探杖超聲波探測(cè)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述主控電路包括主控CPU和分別與主控CPU連接的放大檢波電路、信號(hào)發(fā)生電路、語音模塊接口和無線模塊接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，所述上部超聲波探測(cè)模塊以有線的方式與主控電路進(jìn)行通信，所述無線模塊接口與探杖超聲波探測(cè)模塊檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行單工通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述探杖超聲波探測(cè)模塊包括探杖CPU和與探杖CPU連接的放大檢波電路、信號(hào)發(fā)生電路、無線模塊接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述主控模塊的CPU采用可編程Micro-Processor AT89S52，所述探杖CPU采用AT89C2051。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述語音報(bào)警模塊采用2560芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述無線傳輸模塊包括發(fā)射模塊和接收模塊，與主控CPU串口相連；主控模塊與探杖超聲波探測(cè)模塊通過無線傳輸模塊進(jìn)行串口通信。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述振動(dòng)報(bào)警模塊包括三極管8050及其驅(qū)動(dòng)的一個(gè)帶有偏心輪的微型電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的智能盲人導(dǎo)行儀，其特征在于，所述探杖超聲波探測(cè)模塊固定在盲人使用的手杖的內(nèi)腔中；手杖下端前側(cè)有兩個(gè)孔，超聲波傳感器的探頭固定在該兩孔內(nèi)，電源及開關(guān)設(shè)在手杖的手柄處；所述上部超聲波探測(cè)電路的外殼上有一個(gè)用于把其固定在使用者上半身的夾子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)行儀的導(dǎo)行方法，其特征在于，由上部超聲波探測(cè)模塊和探杖超聲波探測(cè)模塊產(chǎn)生超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)被反射，反射信號(hào)被送入主控CPU，計(jì)算出障礙物的距離后，根據(jù)不同方位發(fā)出不同的語音報(bào)警信號(hào)或不同頻率的振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的導(dǎo)行方法，其特征在于，所述主控CPU計(jì)算出障礙物的距離后，根據(jù)障礙物的不同距離劃分報(bào)警等級(jí)，根據(jù)不同等級(jí)發(fā)出不同的語音報(bào)警信號(hào)或不同頻率的振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種智能盲人導(dǎo)行儀，該導(dǎo)行儀包括由主控電路和上部超聲波探測(cè)電路組成的主控模塊，與主控模塊有線連接的語音報(bào)警模塊、無線傳輸模塊、振動(dòng)報(bào)警模塊以及與主控模塊無線連接的探杖超聲波探測(cè)模塊。本發(fā)明還提供了智能盲人導(dǎo)行儀的導(dǎo)行方法由上部超聲波探測(cè)模塊和探杖超聲波探測(cè)模塊產(chǎn)生超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)被反射，反射信號(hào)被送入主控CPU，計(jì)算出障礙物的距離后，根據(jù)不同方位發(fā)出不同的語音報(bào)警信號(hào)或不同頻率的振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。該智能盲人導(dǎo)行儀具有功能強(qiáng)大、體積小、便于攜帶、造價(jià)低、操作方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61H3/00GK1748662SQ20051010015
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月10日
發(fā)明者陳美鑾, 尹浩, 黎飄, 董博然, 陳武宗 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)