基于智能传感交互的障碍探测盲杖设计与实现

张赢 郭晗 许梦余 王圆 陈雪玲

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.012

摘  要：现如今，盲人出行这一问题的国民关注度日益提高，文章对如何帮助盲人群体解决出行障碍的难题进行研究。借助基础导盲杖结合超声波传感器和红外线传感设备的一款便携实用的智能探测器，精准地为盲人指导路线，在核心技术芯片上录入人文数据库，增加红外线扫描识别系统及导航系统，智能规划路线，连接蓝牙设备将信息传递给使用者，从而更大程度上保证盲人群体的出行安全，使其获得良好的生活体验。

关键词：视障人群;智能交互;红外线扫描识别系统;智能探测器

中图分类号：TP212      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0042-04

Design and Implentmentation of Obstacle Detection Blind Stick Based on Intelligent Sensing Interaction

ZHANG Ying，GUO Han，XU Mengyu，WANG Yuan，CHEN Xueling

（Qingdao Huanghai University，Qingdao  266427，China）

Abstract：Nowadays，the problem of blind people's travel has attracted increasing national attention. This paper studies the difficult problem that how to help blind group to solve the travel obstacle. A portable and practical intelligent detector based on the basic blind guide stick and combined with ultrasonic sensor and infrared sensing equipment is used to accurately guide route for the blind，input the humanistic database on the core technology chip，add the infrared scanning recognition system and navigation system，intelligently plan the route，transmit the information to the user by connecting bluetooth device，so as to ensure the travel safety of the blind group to a greater extent，and make them get a good life experience.

Keywords：vision-impaired people;intelligent interaction;infrared scanning recognition system;intelligent detector

0  引  言

盲人是我们生活中的一个特殊群体，国家权威部门统计，中国是世界盲人最多的国家，约有500万，占世界盲人口的18%，不仅如此，生活中我们身边还有很多低视力人群。有关数据显示，目前世界的低视力人群总数大约为1.5亿人，是世界盲人数目的3倍。而在我国，有视力残疾问题的人群约为1 300万人，在这1 300万人中有500万是盲人。社会对这一群体的关注度逐步提高。如何帮助盲人群体解决出行障碍问题，是目前我们迫切需要解决的。

由智能探测设备组装的智能导盲杖具有GPS定位（用于连接导航系统以及保障盲人出行的安全性）、红外线识别功能、HC-SR04超声波模块、蓝牙耳返以及紧急报警等一系列组件。障碍识别的实现，主要通过超声波传感器和红外线等设备，感应手杖和物体之间的距离，在安全距离（4米）之内就开始发出类似于“前方有障碍物，请小心绕道而行”的语音提示，实现视障人群亦能像普通人一样自由出行的设想。使用者可以在系统内设立亲属关系，允许亲属实时获取使用者的定位，并可以查看使用者的出行记录，保障他们的出行安全。现阶段，我们的所有设想研发的技术已具备相关的原理支持，并且设计出了外观图和局部框架图。本款产品以保障使用者出行安全为主，以“危险预警”为辅，主打其方便实用的特性，降低使用烦琐度，提高用户体验感。

1  设备与技术

1.1  设备

在障碍探测器的基础上打造成导盲杖，其材料主要是碳纤维，该材质轻薄且性能较好，适合盲人出行携带使用。该盲杖可搭配藍牙耳机使用，在盲杖内部装有微型摄像头、红外线测距模块、超声波传感器、连接导航系统，以及并非我们研究的定位芯片、数据库芯片、蓝牙芯片、ISD142语言报警系统、微电脑模块等搭建而成，通过模拟仿真理论上能达到预期功能效果。其主要结构如图1所示。

1.1.1  可环视摄像头

可90°立体翻转的微型摄像头，主要的功能有扫描与测距，在障碍探测的基础上，可实现路况检测，实时抓拍发送给家人。

1.1.2  开关设置

防触碰开关，长按三秒开启或关闭，并外放语音播报提醒使用者，设备开启后开始自动探测前方障碍物。

1.1.3  主要控制台

有两个功能按键，以下功能都是辅助功能，市面上已有相关成熟技术，研究时间有限并未深入研究。一个是菜单键，主要可切换拨打电话、拍摄发送图片、导航（仅限于数据库录入的相关地点），另一个是选择对象，先选择功能再选择相应存放在数据库里的对象。

1.1.4  揚声器

扬声器的主要功能为在检测到障碍物时发出报警、开关提示音以及在遇到危险时发出大于90分贝的求救信号。内部框架主要有数据库芯片、蓝牙芯片、CPU芯片、紧急呼救。内部结构简图如图2所示，主要有四个相关芯片，技术均已成熟。

1.1.5  数据库芯片

主要建立一个记忆型数据库，通过对使用者多次出行路线的路径以及路况进行记忆，以便智能的计算出下一次到达该目的地的最便捷、最安全的方式。该数据库采用分布式多媒体数据库，该系统设计分为三部分，首先在B/S三层逻辑架构模式的基础上设计系统框架，然后进行系统硬件设计，包括集成芯片、传输设备和储存设备，最后设计系统硬件运行逻辑，即系统软件^[1]。我们采用该系统软件根据智能导盲杖数据库的需求进行改造。

1.1.6  芯片简介

芯片搭载的处理器，是整个拐杖设计的处理中心，能够及时地处理和反馈感应装置所感应到的一切信息并进行反馈。

蓝牙芯片，用于连接耳返;CPU芯片，选用STC89C516单片机，可实现GPS定位功能，以及微电脑模型可以对拐杖的基本功能进行编译。

紧急呼救系统是基于Android系统的紧急呼叫改编的。

蓝牙耳返：蓝牙设备主要与智能导盲杖设备搭配使用。通过芯片控制以及蓝牙传输装置能够使使用者及时的接收到盲杖所反馈的各种信息，并能够及时地做出相应的预判，一般的有线蓝牙耳机即可实现。

1.2  技术

我们团队综合了目前较为先进的万物互联以及嵌入式技术，提出了一套较为完整的智能导盲杖控制系统设计方案。智能导盲杖控制系统的核心技术是障碍物的检测，通过立体可旋转摄像头以及红外线传感系统对来自周围的各种障碍物进行检测以及测距，再将感知到的数据传给数据处理芯片，通过CPU芯片的处理以及数据分析判断后再通过蓝牙设备向使用者发出语音播报提示，以此来引导使用者对障碍物进行躲避。在此基础之上，我们还添加了GPS定位系统以及通信系统，用来应对使用者发生的意外事故，以此来进行紧急求助。

同时视障人群在智能导盲杖使用的大多数的场景中都能够迅速准确地感知周围“危险”环境，并能够做到独立、安全的出行。调查与分析当前视障人群的生活状况，给智能导盲手杖提供了关键数据，为视障人群生活及出行等重要需求提供帮助。本团队研发的智能导盲杖系统整体设计框图如图3所示。

本款智能导盲杖系统选用的是STC89C516来作为核心控制器，嵌入式微控制器STC89C516单片机采用的是完全兼容传统8051单片机的指令代码，内部集成主要有MAX810专用复位电路，还有多个定时器和外部中断端口。STC89C516单片机通过系统可编程的特性可以连接PC端控制程序进行功能编程并导入控制程序。Keil uVision4软件来编写导入智能导盲杖的控制程序、从而使软件可以进行程序的编写﹑编译和修改，能够通过数据线连接单片机和PC端来实时监控程序的运行情况^[2]。智能的单片机使智能导盲杖能更快地做出处理，保障盲人的安全。

超声波传感器是超声波探测器中的关键器件，所以我们选用超声波传感器来作为智能导盲杖的障碍探测器的主要部件，利用它们可以实现电能与声能的能量转换特质。我们主要是采用HC-SR04超声波模块，具体电路图如图4所示。

但其中，超声波测距性价比高，信息处理简单，但超声波传感因存在测量盲区问题，测距范围一般在20～300 cm之间，方向定位精度比价差，同时波束发散严重，但红外传感具有定向精度高，光束发散小，响应速度迅速的优点。本系统结合红外传感有效消除超声传感0～20 cm检测盲区，高效地实现了信号的测量和采集，完成距离精确检测^[3]。

超声波避障能够有效地识别前方腿部以上不固定地面的障碍物，GPS导航帮助盲人识别路线，使其安全回家，考虑到盲人外出受到不定向因素影响而发生意外，我们也采用智能语音播报和紧急警报提高了盲人外出的安全性^[4]。

2  拟解决的关键问题

由于考虑到我们所研发的产品所针对的用户为视障群体，所以安全问题就是我们必须慎重考虑的一个环节。如何保障使用者们的行走安全是一个关键问题，对于静态的物体我们比较容易解决，可以及时的识别并发出相应的告警。但是在实际出行的过程当中，往往大多数都是动态的物体，那么对于动态的物体，例如急速行驶的汽车、实时变化的红绿灯等等，如何去识别这些动态的“危险”便是我们需要着重解决的地方;其次是使用的便捷性，智能导盲手杖不能设置太多按键，整体的设计要以方便实用为主，方便视障人群使用。

2.1  安全问题

通过超声波、红外线传感设备对障碍物进行感应，在即将接近障碍物时，通过蓝牙设备语音播报提醒使用者：“前方有障碍物，请绕道而行”。

2.2  紧急求助系统

我们可以将其紧急联系人的联系方式提前存储在记忆芯片中，如发生紧急情况，触发紧急按钮联系监护人，保障出行者的安全。该系统是基于java语言开发的，主要部分代码为：

……

try {

ActivityManagerNative.getDefault（）.stopLock TaskMode（）;

} catch （RemoteException e） {

Slog.w（LOG_TAG， "Failed to stop app pinning"）;

}

if （isInCall（）） {

resumeCall（）;

if （mEmergencyButtonCallback ！= null） {

mEmergencyButtonCallback.onEmergencyButtonClickedWhenInCall（）;

}

……

2.3  误触自检功能

我们设备的求助系统搭载了防误触功能，防止使用者在使用过程中因为轻微的触碰，启动求助系统进行求助，造成不必要的担心。

2.4  长时间耐用性

很多视障人群担心设备的使用寿命问题，所以我们所设计的智能导盲手杖使用聚烯烃材料，这种材料具有一定的抗摔性，有效地提高手杖的使用寿命。同时该设备的电池有使用寿命长，体积小，容量大的特性，同时还应具备提示充电或者提示更换电池功能，方便其亲属可以提前解决。

2.5  GPS实时定位追踪系统

设备还搭载了GPS实时定位追踪系统。紧急联系人可以通过手机设备，实施查看使用者的位置，如遇紧急情况，也能够及时赶到，避免危险^[5]。

3  结  论

本文得出主要结论有：

（1）我们所设计的盲人障碍探测器目前处于理论开发阶段只是创新理论，暂时还没有成品可以进行更加清晰的功能展示。

（2）文中的盲人智能探测器主要实现了探测障碍装置，可环视拍摄、开关（包括防误触）设置、扬声器等一系列的功能帮助使用者避免危险，核心技术是选用超声波HC-SR04型号的传感器结合红外线技术提高探测能力，并通过音频（蓝牙、扬声器）进行输出。

（3）我们综合了目前国内外已有的盲人智能出行工具对我们产品的发展前景进行预估，在未来我们将持续推进该产品的多功能开发和难点的技术攻关，例如识别路口、检测红绿灯等功能，找到相关企业对创业理论进行产品化。

參考文献：

[1] 袁煜，韦忠庆.基于人工智能的分布式多媒体数据库资源整合系统设计 [J].现代电子技术，2021，44（5）：166-170.

[2] 丘强，钟守炎，马浩鹏，等.基于STC89C516单片机的多功能导盲杖的设计 [J].机械研究与运用，2019，32（6）：92-95.

[3] 温欣玲，马明林.基于多传感测距控制系统研究与设计 [J].微计算机信息，2008，24（16）：152-153+184.

[4] 孟辛，李雪莉.基于超声波传感器和GPS的多功能导盲杖设计 [J].电子世界，2020（24）：25-26.

[5] 吴雪，王华力，唐玲.多方向红外测距智能导盲求救手环 [J].电子技术，2020（3）：95.

作者简介：张赢（2001.03—），女，汉族，福建建瓯人，本科在读，研究方向：大数据技术。

收稿日期：2021-03-18

基金项目：校级大学生创新创业训练计划项目（X202013320100）