CN110575371B - 一种智能导盲手杖及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种智能导盲手杖及控制方法，属于智能手杖技术领域。技术方案：手柄通过手杖支架与连接盒连接，连接盒与底轮连接，控制***设置于所述手柄、手杖支架、连接盒中的一个或多个中，主控制器分别与GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***连接。有益效果是:本发明所述的智能导盲手杖是一款集GPS定位、无线呼救、红外循迹、超声波避障等功能于一体的多功能驱动式智能导盲手杖；从盲人制定出行计划开始，全程的导航定位，行程中盲道的红外寻迹，中远距离超声波避障，到过程中的贴心的语音乐播报功能，防丢失、防摔倒提示以及智能呼救装置、自充电***等。
Description
技术领域
本发明属于智能手杖技术领域，尤其涉及一种智能导盲手杖及控制方法。
背景技术
目前国内外发展现状：
1.1国内外科学技术的发展现状
(一)红外探测技术的发展
2008年袁华等人对红外探测经行分析研究。其具有优秀的环境适应力和体积小、质量轻的优点，在关于环境问题、运输问题、会议问题、冲突问题、武装冲突问题监督和军备控制等方面发挥出色。为了红外探测在信息采集技术方面的发展需要，美国等发达国家积极探索光谱波段。并取得了很大进展。
(二)超声波避障技术的发展
2008年Borenstein J等人研制了一种能够为残疾人执行各种任务的移动机器人***。为了避免意外障碍物的碰撞，移动机器人使用超声波测距仪进行探测和测绘。该机器人的避障策略在很大程度上依赖于超声测距仪的性能。
(三)无线传输技术的发展
2011年赵晗对无线传输技术的发展进行分析。结果显示，随着人类科学的进步，无线传输技术的应用越来越广泛，它通常由无线基地站、无线终端和走廊管理服务器组成。今天，无线传输技术主要用于移动通信、蓝牙技术和无线宽带方面。
(四)GPS技术的发展
2012年，美国成功发射了第三颗GPS IIF卫星，这是其卫星星座现代化计划的一个进步。在GPS IIF卫星发射的同时，新一代GPS IIIA导航卫星的开发和生产以及地面段的现代化也在进行中。随着GPS导航精度的提高和应用范围的扩大，GPS仍然是全球卫星导航领域的“老大哥”。
(五)麦克纳姆轮的发展
基于麦克纳姆轮全向移动的性能，本体可以实现任意方向的移动，因此在制造和仓储物流自动化领域有很可观的应用前景。2013年陈博翁等人提出了一个可行的轮子设计方法和制造过程，并基于麦克纳姆轮的全方位移动平台，利用运动学和理论模型为控制算法提供了理论依据，进行独立设计开发。
1.2国内外智能手杖的发展现状
2011年Romteera Khlaikhayai等人提出了一个新的概念——由无线传感器组成可用于安全导航的老年人及盲人步行棍。无线传感器包含可在手杖内实现提供它们之间的群通信及提供导航信息和网络的自组网。该***的优点是能够为老年人和盲人提供安全保护，并能实施和实现盲人集会、残疾人网络等特殊活动。
2015年周鹏等人开发了一款基于超声波测距技术和数字显示功能，还有语音提示功能合为一体，做成的一个多功能智能手杖，可以实时显示当前手杖和前方障碍物之间的距离给手杖的使用者。手杖由三个主要模块组成：超声波模块，控制处理模块和信息输出模块。手杖测距仅需在三百毫米的距离内，误差在二毫米左右。
2016年Kher Chaitrali等人提出了一种针对视障人士的导航装置，其导航装置主要运用红外传感技术、射频识别技术和Android设备，为障碍物预防和导航提供语音输出。该导航装置设有近距离红外传感器，RFID标签安装在公共建筑内和盲人的手杖上，还有一个应用程序是为家庭成员设计的，可以在需要时通过服务器访问盲人的位置。
2017年许可等人研发了一款多功能智能手杖，该手杖包括手柄部分和主体部分，手柄上设有按钮，手柄前端内嵌通过按钮控制的探照灯；手柄前方上端区域设有近红外线血糖检测装置，手柄中间部分设有用于检测血压的孔，手柄内设有为用电器件供电的电池盒；手柄内置GPS信号接收器及微处理器。该发明设置了前置探照灯，可提供照明功能；杆体设计为伸缩杆，可以调节杆体长度；附带药盒，方便又美观；手柄在卫星定位上建造的联系可以随时探测盲人的位置。
现在国内外关于智能手杖的研究已经较为深入，也出现了不少功能繁多的手杖，其中较为成熟的应该是富士通公司全新的多功能智能手杖，富士通智能手杖的主要功能是如果盲人到障碍物的距离小于130厘米的话，手杖的语音播报功能将自动播报障碍距离，来提醒盲人注意安全。可通过按键播报当前方向、实时时间及发送短信求助。连接计算机***则可以检测查看智能手杖当前所处的地理位置，并给出了相关用户的生活特点，还可以提供用户的家庭与健康数据。如果发现任何问题，智能手杖会自动打开紧急服务和位置导航。手柄处配备有GPS定位模块，3G通讯模块和无线网络模块。这些功能是为了解决中老年或者视力受损人士迷路的问题。
日本人年龄在65岁以上的人口比例高达百分之二十七，是当前世界人口老龄化最严重的国家。中国则是11％，排名第十，面向老年群体的科技产品对于国内市场同样重要。因此本文旨在在创新的同时保留智能手杖的基本功能，设计使用成本低，易于推广，具有较高的商业价值与社会价值。
发明内容
为了为盲人出行提供全方位的智能服务，本发明提出一种智能导盲手杖及控制方法，该手杖及方法集GPS定位、无线呼救、红外循迹、超声波避障等功能于一体，方便盲人出行，提供安全、智能、优质的保障。
技术方案如下：
一种智能导盲手杖，包括：手柄、手杖支架、连接盒、底轮、控制***，所述手柄通过手杖支架与所述连接盒连接，所述连接盒与所述底轮连接，所述控制***设置于所述手柄、手杖支架、连接盒中的一个或多个中，所述控制***包括：主控制器、GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***，所述主控制器分别与所述GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***连接。
进一步的，还包括二维码识别***、故障检测***、环境模式切换***，所述二维码识别***、故障检测***、环境模式切换***均与所述主控制器连接。
进一步的，所述超声蔽障***包括两个SSD-ME007TX超声波测距模块，每个SSD-ME007TX超声波测距模块分别包括：超声波发射器、接收器与控制器，所述超声波发射器、接收器与所述控制器连接；所述红外寻迹***包括若干红外传感器和图像识别传感器，所述红外传感器安装在所述底轮上，所述图像识别传感器安装在所述手柄和手杖支架连接处；所述摔倒检测***包括陀螺仪、压力传感器，所述陀螺仪和压力传感器内置于所述手杖支架中；所述语音播报***设置在所述手柄和手杖支架连接处；所述主控制器为STM32f103zet6控制器；所述电源***是LM2596电源模块。
进一步的，所述底轮靠所述连接盒一侧的向下凹陷，远离所述连接盒一侧向上突出。
进一步的，还包括红外传感照明灯，所述红外传感照明灯安装在所述连接盒上。
本发明还包括一种智能导盲手杖控制方法，包括以下步骤：
超声避障***对手杖周围2cm～3.5m以内的障碍物进行检测，并对进入到范围内的障碍物进行语音提示，在行进的过程中GPS定位***进行同步定位，超声避障***检测到前方有障碍物后将信号传输给GPS定位***，GPS定位***根据定位情况及时规划出合理路线，后将地理位置与路线信息转换为语音信号传输给语音模块进行语音播报提示，指导盲人前进；
红外寻迹***对盲道反射光进行检测，主控制器接收到不同的反射光检测信号，通过对反射光检测信号进行处理从而对小车前进方向进行控制；
陀螺仪检测手杖是否发生倾斜，压力传感器检测手杖在受到压力时瞬时的冲击力大小，结合陀螺仪的倾斜角度与倾斜速度来判断手杖是被放置还是摔倒在地，如检测到摔倒，发送信号给无线传输模块，将所在地理位置信息以短信形式发送至预先设置好的外部接收设备上，及时进行自动求救。
进一步的，超声避障***每50ms进行一次测距，完成测距后，以串口的形式输出距离值；当检测到前方没有障碍时，则继续直行；当检测到前方有障碍时，停止行进舵机，转换方向；转换方向后进行检测，当检测到前方没有障碍时，则继续直行；当检测到前方有障碍时，转换方向。
进一步的，
当遇到盲道转弯时：当发生左转弯时，导盲手杖内置马达左侧振动强烈，以此提示左转；当发生右转弯时，导盲手杖内置马达右侧振动强烈，以此提示右转；
当盲道宽度和深度增加时，通过调整两轮差速进行多次细微调整；
当遇到路口时，红外传感器将开启斑马线识别功能，红处传感器检测地面上的白色斑马线条纹时，引导盲人从斑马线上前行；
当遇到交通灯时，采用图像识别传感器，传感器头所拍摄的图像穿过镜头后，通过光接收元件被转换为电信号，根据该光接收元件像素数中分配的明暗和浓淡信息，辨别目标物的亮度和形状；检测到前进方向为红灯，及时进行语音播报提示盲人停止前进原地等待，待检测到绿灯时再提示继续前进；通过定义循环检测的方式，来将红绿灯秒数的数字信息进行存储，通过相机进行图像信息处理，此时配合红外传感器和超声波模块，若为绿灯则判断是否能在剩余的时间安全的通过路口；若为红灯，则通过语音播报出具体等待时间；摄像头提前分析运动的车辆和行人，及时通过语音播报将路况信息报告。
进一步的，红外寻迹步骤如下：
S1、任务计数器初始化，设置初始值X；
S2、当白线向右偏移ΔX，则向右调整方向，右轮减速，左轮加速；
当白线向左偏移ΔX，则向左调整方向，左轮减速，右轮加速；
S3、判断白线是否在中间，如果是，则执行；如果否，则返回步骤S2。
进一步的，摔倒检测步骤如下：
T1、陀螺仪通电振动；
T2、检测陀螺仪电容是否有变化；
T3、当陀螺仪电容有变化时，计算角速度变化值；
T4、判断角速度变化值是否超过0.5πrad/s；
T5、如果角速度变化值不超过0.5πrad/s，则触动移动通信模块进行报警。
本发明的有益效果是：
本发明所述的智能导盲手杖是一款集GPS定位、无线呼救、红外循迹、超声波避障等功能于一体的多功能驱动式智能导盲手杖。从盲人制定出行计划开始，全程的导航定位，行程中盲道的红外寻迹，中远距离超声波避障，到过程中的贴心的语音乐播报功能，防丢失、防摔倒提示以及智能呼救装置、自充电***等。为盲人的出行不便问题提供了全面的解决方案。一句话，一杖在手，全程无忧。方便盲人出行，提供安全、智能、优质的保障。
附图说明
图1是背景技术中富士通智能手杖示意图；
图2是本发明智能导盲手杖硬件功能框图；
图3是本发明SSD-ME007TX超声波测距模块硬件电路图；
图4是本发明超声波避障流程图；
图5是本发明GPS导航***硬件电路图；
图6是本发明智能导盲手杖整体结构图；
图7是本发明轮子转弯角度示意图；
图8是本发明红外循迹流程图；
图9是本发明红外循迹硬件电路图；
图10是本发明摔倒检测***硬件电路图；
图11是本发明摔倒检测***流程图；
图12是本发明智能导盲手杖底轮结构图；
图13是本发明电源模块硬件电路图；
图14是本发明电源输入输出端口原理图；
图15是本发明MCU主控接口与各模块接口电路图；
图6中附图标记如下：1-手柄、2-手杖支架、3-连接盒、4-底轮、5-语音播报***、6-图像识别传感器、7-陀螺仪、8-红外传感器、9-红外传感照明灯。
具体实施方式
下面结合附图1-15对智能导盲手杖及控制方法做进一步说明。
一种智能导盲手杖，包括：手柄1、手杖支架2、连接盒3、底轮4、控制***，所述手柄1通过手杖支架2与所述连接盒3连接，所述连接盒3与所述底轮4连接，所述控制***设置于所述手柄1、手杖支架2、连接盒3中的一个或多个中，所述控制***包括：主控制器、GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***，所述主控制器分别与所述GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***连接。
进一步的，还包括二维码识别***、故障检测***、环境模式切换***，所述二维码识别***、故障检测***、环境模式切换***均与所述主控制器连接。
进一步的，所述超声蔽障***包括两个HC-SR04超声波测距模块，每个HC-SR04超声波测距模块分别包括：超声波发射器、接收器与控制器，所述超声波发射器、接收器与所述控制器连接。
进一步的，所述底轮4靠所述连接盒3一侧的向下凹陷，远离所述连接盒3一侧向上突出。
进一步的，所述红外寻迹***包括若干红外传感器8和图像识别传感器6，所述红外传感器8安装在所述底轮4上，所述图像识别传感器6安装在所述手柄1和手杖支架2连接处。
进一步的，所述摔倒检测***包括陀螺仪7、压力传感器，所述陀螺仪7和压力传感器内置于所述手杖支架2中。
进一步的，所述语音播报***5设置在所述手柄1和手杖支架2连接处。
进一步的，所述主控制器为STM32f103zet6控制器。
进一步的，所述电源***是LM2596电源模块。
进一步的，还包括红外传感照明灯，所述红外传感照明灯安装在所述连接盒上。
一、功能介绍
智能导盲手杖为盲人出行提供了全方位的智能服务，该智能导盲手杖是一款集GPS定位、无线呼救、红外循迹、超声波避障等功能于一体的多功能驱动式智能导盲手杖。从盲人制定出行计划开始，全程的导航定位，行程中盲道的红外寻迹，中远距离超声波避障，到过程中的贴心的语音乐播报功能，防丢失、防摔倒提示以及智能呼救装置、自充电***等。为盲人的出行不便问题提供了全面的解决方案。一句话，一杖在手，全程无忧。方便盲人出行，提供安全、智能、优质的保障。
二、智能导盲手杖包括以下功能
该智能导盲手杖使用STM32f103zet6为主控制器，集超声波避障，红外寻迹***，GPS导航定位***，环境模式切换***，语音播报***，摔倒检测***，无线传输***和故障诊断***电源模块***等，***的智能导盲手杖硬件功能框图如图2所示。
1、避障功能：
该导盲手杖上采用超声波传感器阵列，对手杖周围2cm～400cm以内的障碍物进行检测，并对进入到范围内的障碍物进行语音提示。超声波测距模块选用的是HC-SR04，该模块可提供2CM-400CM非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm，包括超声波发射器、接收器与控制电路。该模块的工作原理是：给超声波模块接入电源和地。给脉冲触发引脚(trig)输入一个长为20us的高电平方波；输入方波后，模块会自动发射8个40KHz的声波，与此同时回波引脚(echo)端的电平会由0变为1；(此时应该启动定时器计时)。当超声波返回被模块接收到时，回波引脚端的电平会由1变为0；(此时应该停止定时器计数)，定时器记下的这个时间即为超声波由发射到返回的总时长。根据声音在空气中的速度为344米/秒，即可计算出所测的距离。
完成测距后，以串口的形式输出距离值。通过设定超声波避障模块的高度和角度，可以使盲人在前进过程中能有效地避开前方的车辆，路灯等障碍物，同时将避障***与GPS导航***相连，在行进的过程中进行同步定位，在超声探头发现前方有障碍物后及时将信号传输给GPS***，GPS根据定位情况及时规划出合理路线，后将地理位置与路线信息转换为语音信号传输给语音模块进行语音播报提示，指导盲人前进。超声波避障***硬件电路图如图4所示。超声波避障***主要程序如下：
2、导航与定位
智能导盲手杖的导航定位***采用全球定位***(GLOBAL POSITIONING SYSTEM)GPS导航。
导航功能及路径规划：
在手杖终端安装语音助手，可以对目标位置进行语音输入，确定目标位置，由GPS导航***进行线路优化和选择，同时时行语音播报提示。
在智能拐杖路线规划方面，采用Dijkstra算法来实现寻找最短路线，Dijkstra算法即贪心算法，可以用来寻找指定两点之间的最短路径，或者是指定一点到其它所有点的最短路径。根据智能拐杖的初始点，挨个的把离初点最近的点找到并加入集合，集合中所有的点的d[i]都是到该点到初始点的最短路径长度。
设置两个顶点集合T和S，S中存放已找到最短路径的顶点，初始时，集合S中只有一个顶点，即源点V0，T中存放当前还未找到最短路径的顶点，然后在集合T中选取当前长度最短的一条最短路径(V0......Vk)，从而将Vk加入到顶点集合S中，并修改远点V0到T中各个顶点的最短路径长度；重复这一步骤，直至所有点加入S为止。在程序中，dist[n]:dist[i]表示当前找到的从源点V0出发到终点Vi的最短路径的长度，初始化时，dist[i]＝edge[v0][i]，S[n]:S[i]为0表示顶点Vi还未加入到集合S中，初始化时S[v0]＝1，其余为0，path[n]:path[i]表示V0到Vi的最短路径上顶点Vi的前一个顶点序号。采用“倒向追踪”方法，确定V0到Vi的最短路径上的每个顶点。主要程序如下:
这样可以通过边找出之前的点以及每条路的路径，如果用邻接矩阵存储的话这里可以直接存节点u
定位功能：
在手杖通电后，***将对手杖进行实时定位，同时提供手杖位置信息共享服务，可以将手杖位置共享给亲人和警务人员，提供人性化的防丢失，防走失功能。GPS硬件电路图如图5所示。
3、红外循迹***
该***基于红外传感器循迹，其工作原理为，盲道的黄色与行人道路的深色形成较大色差，由于深色与浅色对红外光的反射强度的不同，使传感器对接收到不同的反射光检测信号，导盲手杖的控制器通过获取不同的电平信号，从而实现对小车前进方向的控制。
当手杖工作时，智能导盲手杖下端轮子设计成深度为5mm的凹槽结构，使盲道与轮子形成良好的嵌入式结构，稳定运行。导盲手杖整体结构如图6所示。
特殊情况处理：
当遇到盲道转弯时：
当发生左转弯时，导盲手杖左侧内置马达振动强烈，以此提示左转。
当盲道参数发生微小变化时：
当参数发生微小变化时，如盲道宽度增加，深度增加时，位置调整时，通过调整两轮差速进行多次细微调整。
当遇到有斑马线时：
当遇到路口，或十字路口时，红外传感器将开启斑马线识别功能，红处传感器检测地面上的白色斑马线条纹时，引导盲人从斑马线上前行。
OpenMV二维码识别
二维码识别采用的是OpenMV4模块，OpenMV4的摄像头是一款小巧，低功耗，低成本的电路板，它帮助你很轻松的完成机器视觉(machine vision)应用。通过高级语言Python脚本(准确的说是MicroPython)，而不是C/C++。Python的高级数据结构使你很容易在机器视觉算法中处理复杂的输出，可以很容易的使用外部终端触发拍摄或者或者执行算法，也可以把算法的结果用来控制IO引脚。采用OpenMV Cam在其视野中读取QR码的方法·，通过QR码检测/解码，能够读取环境中的标签，将读取到的二维码信息通过串口的方式传给主控(MCU)STM32芯片，根据接收到的不同信息，发出不同的指令，实现拐杖的不同功能。主要程序如下：
交通灯识别：
采用图像识别传感器，传感器头(相机)所拍摄的图像穿过镜头后，通过光接收元件(CMOS成像传感器)被转换为电信号。然后，根据该光接收元件像素数中分配的明暗和浓淡信息，辨别目标物的亮度和形状。光接收元件为彩色型。由于与采用黑白两极灰度级进行识别的黑白型不同，是将接收的光信息分析为三原色(RGB)后识别各自的灰度级，因此即使是浓淡差异较少的颜色，也可进行辨别。
当遇到有交通灯的路口时，手杖将在两个方向上分别检测到红灯和绿灯，并将检测到的颜色进行判别。判别出结果后给处理器相应的指令，若检测到前进方向为红灯，及时进行语音播报提示盲人停止前进原地等待，待检测到绿灯时再提示继续前进。通过定义循环检测的方式，来将红绿灯秒数的数字信息进行存储，通过相机进行图像信息处理，此时配合红外传感器和超声波模块，若为绿灯则判断是否能在剩余的时间安全的通过路口。若为红灯，则通过语音播报出具体等待时间。另外，摄像头提前分析运动的车辆和行人，及时通过语音播报将路况信息报告。
红外循迹流程图如图8所示，硬件电路图如图9所示。
4、摔倒检测***
摔倒检测***，通过安装的陀螺仪7(型号MPU6050)，读取MPU6050传回来的三轴角速度值,和三轴加速度值，把采集回来Z轴的加速度和角速度进行算法分析，当Z轴加速度值和角速度值突然增大到所设置的预定值时，判断出持手杖的盲人摔倒了。将加速度满量程设置为±4g，当Z轴的加速度值达到±2g,通过角速度计算出偏转角度达到±45°时，通过语音播报询问是否摔倒，当加速度值和偏转角度值同时超过该值时，立即判断是否摔到。
若确定摔倒时，则及时发出报警，触动移动通信模块，将所在地理位置信息以短信形式发送至预先设置好的外部接收设备上，及时进行自动求救，以便摔倒的盲人能在第一时间得到帮助。摔倒检测***电路如图9所示，程序框图如图10所示。
摔倒检测陀螺仪及加速度计的主要程序如下：
5、语音播报
语音播报***需覆盖相连手杖中所有的功能***，在行进过程中对路况进行语音播报，在检测到前方障碍物时对前进路线进行方向指导，对手杖的电量进行实时监测并在电量快耗尽时进行语音报警。同时语音***设置蓝牙模块，可通过蓝牙与耳机相连，方便盲人及时接收信息。
6、运动***
根据对盲道的以下特性的分析，盲道上的导盲条高出地面5mm，默认盲道条都互相平行，间距相等。设计了如图12所示轮子结构，与火车的轮子相类似，可以在与火车道相类似的盲道条上稳定行驶，轮子与盲道条的接触是一个斜面的接触，减少大部分沙石对导盲手杖行走的影响，提高了循迹的精度。
采用两轮差速的运动方式来实现转弯，当导盲手杖前进时，两个轮子逆时针旋转，后退时，则顺时针旋转。
综上运动***的解决方案：两个电机采用霍尔直流编码电机，通过主控STM32定时器的编码器模式，采用M法测速，每间隔10ms，读取一次电机编码器的数值，即检测到高电平时间，可以计算出每个轮子的速度，将每一次得到的编码器数值进行计算，得到的速度作为增量式PID调节的实际值Encoder，然后与自己想要的实际值Target进行做差得到偏差，经过计算可以得到本次变差Bias,累计偏差Integralbias,和上一次偏差Lastbias,之后通过增量式PID控制公式：
PWMΔ＝Kp*Bias+Ki*Intergralbias+Kd＊(Bias-Lastbias) (1)
得到电机的目标速度PWM，然后通过STM32给电机赋值相应的PWM，保证了两个电机在直行的过程中保持相同的速度。当需要转弯或者循迹出现偏差的时候，通过两轮差速法，改变一个电机的速度，就可实现转弯或调整，如：需要左转弯的时候，增大右轮电机的目标值Target，适当的减小左轮电机的目标值，从而达到转弯或调整的目的。
差速控制程序如下：
7、故障检测***
通过设置诊断程序来诊断各传感器是否在正常工作，并结合受过训练神经网络的知识推理，来进行故障的分析和检测，通过语音助手进行播报故障，此时将位置信息和故障信息通过通信模块传给提前设置好的应急联系人。
8、环境模式切换***
当盲人需要去超市或者医院等公共场所时，人工智能助手会自动识别目的地，并切换对应的模式，进入超市模式时导盲杖两侧的红外测距仪略向斜上方倾斜，以便对两侧的货架进行检测，确保盲人能在货架的通道里安全行走，与此同时二维码识别模块开启，通过分析货架上的商品二维码，进行商品所属类别的判断，之后进行图像识别，通过内在的神经网络以联接互联网的方式来分析具体商品，包括价格和商品的基本信息。购物完成后，导盲手杖的内置显示屏自动显示付款码，完成付款。
9、电源模块***
电源采用LM2596电源模块，在一般实际操作中差不多能达到75％的电源效率，性价比比较高。本实验选用LM2596作为电源模块。输入电压7-·12V，输出电压5V，输出电流1A，内置交直流电源转换器。同时，该***的电源部分采用太阳能电池板进行电力互补，太阳能电池板四周设有感光原件，通过判断光的强度，使太阳能电池板随着光强方向的转动而转动，从而获取最大面积的光照。电源模块硬件电路图如图13所示。电源具有两个接口，一个接口可输入输出3.3或5V的电压。电源输入输出端口原理图如图14所示。
三、整体硬件设计
MCU主控接口与各模块接口电路如图15所示。
实施例2
一种智能导盲手杖控制方法，包括以下步骤：
超声避障***对手杖周围2cm～3.5m以内的障碍物进行检测，并对进入到范围内的障碍物进行语音提示，在行进的过程中GPS定位***进行同步定位，超声避障***检测到前方有障碍物后将信号传输给GPS定位***，GPS定位***根据定位情况及时规划出合理路线，后将地理位置与路线信息转换为语音信号传输给语音模块进行语音播报提示，指导盲人前进；
红外寻迹***对盲道反射光进行检测，主控制器接收到不同的反射光检测信号，通过对反射光检测信号进行处理从而对小车前进方向进行控制；
陀螺仪检测手杖是否发生倾斜，压力传感器检测手杖在受到压力时瞬时的冲击力大小，结合陀螺仪的倾斜角度与倾斜速度来判断手杖是被放置还是摔倒在地，如检测到摔倒，发送信号给无线传输模块，将所在地理位置信息以短信形式发送至预先设置好的外部接收设备上，及时进行自动求救。
进一步的，超声避障***每50ms进行一次测距，完成测距后，以串口的形式输出距离值；当检测到前方没有障碍时，则继续直行；当检测到前方有障碍时，停止行进舵机，转换方向；转换方向后进行检测，当检测到前方没有障碍时，则继续直行；当检测到前方有障碍时，转换方向。
进一步的，
当遇到盲道转弯时：当发生左转弯时，导盲手杖内置马达左侧振动强烈，以此提示左转；当发生右转弯时，导盲手杖内置马达右侧振动强烈，以此提示右转；
当盲道宽度和深度增加时，通过调整两轮差速进行多次细微调整；
当遇到路口时，红外传感器将开启斑马线识别功能，红处传感器检测地面上的白色斑马线条纹时，引导盲人从斑马线上前行；
当遇到交通灯时，采用图像识别传感器，传感器头所拍摄的图像穿过镜头后，通过光接收元件被转换为电信号，根据该光接收元件像素数中分配的明暗和浓淡信息，辨别目标物的亮度和形状；检测到前进方向为红灯，及时进行语音播报提示盲人停止前进原地等待，待检测到绿灯时再提示继续前进；通过定义循环检测的方式，来将红绿灯秒数的数字信息进行存储，通过相机进行图像信息处理，此时配合红外传感器和超声波模块，若为绿灯则判断是否能在剩余的时间安全的通过路口；若为红灯，则通过语音播报出具体等待时间；摄像头提前分析运动的车辆和行人，及时通过语音播报将路况信息报告。
进一步的，红外寻迹步骤如下：
S1、任务计数器初始化，设置初始值X；
S2、当白线向右偏移ΔX，则向右调整方向，右轮减速，左轮加速；
当白线向左偏移ΔX，则向左调整方向，左轮减速，右轮加速；
S3、判断白线是否在中间，如果是，则执行；如果否，则返回步骤S2。
进一步的，摔倒检测步骤如下：
T1、陀螺仪通电振动；
T2、检测陀螺仪电容是否有变化；
T3、当陀螺仪电容有变化时，计算角速度变化值；
T4、判断角速度变化值是否超过0.5πrad/s；
T5、如果角速度变化值不超过0.5πrad/s，则触动移动通信模块进行报警。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种智能导盲手杖，其特征在于，包括：手柄（1）、手杖支架（2）、连接盒（3）、底轮（4）、控制***，所述手柄（1）通过手杖支架（2）与所述连接盒（3）连接，所述连接盒（3）与所述底轮（4）连接，所述控制***设置于所述手柄（1）、手杖支架（2）、连接盒（3）中的一个或多个中，所述控制***包括：主控制器、GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***，所述主控制器分别与所述GPS定位***、红外寻迹***、摔倒检测***、超声蔽障***、语音播报***、电源***、无线传输***连接；
执行如下步骤：
超声避障***对手杖周围2cm～3.5m以内的障碍物进行检测，并对进入到范围内的障碍物进行语音提示，在行进的过程中GPS定位***进行同步定位，超声避障***检测到前方有障碍物后将信号传输给GPS定位***，GPS定位***根据定位情况及时规划出合理路线，后将地理位置与路线信息转换为语音信号传输给语音模块进行语音播报提示，指导盲人前进；
红外寻迹***对盲道反射光进行检测，主控制器接收到不同的反射光检测信号，通过对反射光检测信号进行处理从而对小车前进方向进行控制；
陀螺仪检测手杖是否发生倾斜，压力传感器检测手杖在受到压力时瞬时的冲击力大小，结合陀螺仪的倾斜角度与倾斜速度来判断手杖是被放置还是摔倒在地，如检测到摔倒，发送信号给无线传输模块，将所在地理位置信息以短信形式发送至预先设置好的外部接收设备上，及时进行自动求救；
所述摔倒检测***执行如下步骤：
T1、陀螺仪通电振动；
T2、检测陀螺仪电容是否有变化；
T3、当陀螺仪电容有变化时，计算角速度变化值；
T4、判断角速度变化值是否超过05πrad/s；
T5、如果角速度变化值超过05πrad/s，则触动移动通信模块进行报警；
超声避障***每50 ms进行一次测距，完成测距后，以串口的形式输出距离值；当检测到前方没有障碍时，则继续直行；当检测到前方有障碍时，停止行进舵机，转换方向；转换方向后进行检测，当检测到前方没有障碍时，则继续直行；当检测到前方有障碍时，转换方向；
当遇到盲道转弯时：当发生左转弯时，导盲手杖内置马达左侧振动强烈，以此提示左转；当发生右转弯时，导盲手杖内置马达右侧振动强烈，以此提示右转；
当盲道宽度和深度增加时，通过调整两轮差速进行多次细微调整；
当遇到路口时，红外传感器将开启斑马线识别功能，红处传感器检测地面上的白色斑马线条纹时，引导盲人从斑马线上前行；
当遇到交通灯时，采用图像识别传感器，传感器头所拍摄的图像穿过镜头后，通过光接收元件被转换为电信号，根据该光接收元件像素数中分配的明暗和浓淡信息，辨别目标物的亮度和形状；检测到前进方向为红灯，及时进行语音播报提示盲人停止前进原地等待，待检测到绿灯时再提示继续前进；通过定义循环检测的方式，来将红绿灯秒数的数字信息进行存储，通过相机进行图像信息处理，此时配合红外传感器和超声波模块，若为绿灯则判断是否能在剩余的时间安全的通过路口；若为红灯，则通过语音播报出具体等待时间；摄像头提前分析运动的车辆和行人，及时通过语音播报将路况信息报告；
红外寻迹步骤如下：
S1、任务计数器初始化，设置初始值X；
S2、当白线向右偏移△X，则向右调整方向，右轮减速，左轮加速；
当白线向左偏移△X，则向左调整方向，左轮减速，右轮加速；
S3、判断白线是否在中间，如果是，则执行；如果否，则返回步骤S2。
2.如权利要求1所述的智能导盲手杖，其特征在于，还包括二维码识别***、故障检测***、环境模式切换***，所述二维码识别***、故障检测***、环境模式切换***均与所述主控制器连接。
3.如权利要求1所述的智能导盲手杖，其特征在于，所述超声蔽障***包括两个SSD-ME007TX超声波测距模块，每个SSD-ME007TX超声波测距模块分别包括：超声波发射器、接收器与控制器，所述超声波发射器、接收器与所述控制器连接；所述红外寻迹***包括若干红外传感器（8）和图像识别传感器（6），所述红外传感器（8）安装在所述底轮（4）上，所述图像识别传感器（6）安装在所述手柄（1）和手杖支架（2）连接处；所述摔倒检测***包括陀螺仪（7）、压力传感器，所述陀螺仪（7）和压力传感器内置于所述手杖支架（2）中；所述语音播报***（5）设置在所述手柄（1）和手杖支架（2）连接处；所述主控制器为STM32f103zet6控制器；所述电源***是LM2596电源模块。
4.如权利要求1所述的智能导盲手杖，其特征在于，所述底轮（4）靠所述连接盒（3）一侧的向下凹陷，远离所述连接盒（3）一侧向上突出。
5.如权利要求1所述的智能导盲手杖，其特征在于，还包括红外传感照明灯（9），所述红外传感照明灯（9）安装在所述连接盒（3）上。
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