专利名称：智能盲人导行仪及其导行方法
技术领域：
本发明属于信息处理与控制技术领域，特别涉及一种辅助盲人行走的智能盲人导行仪及导行仪的导行方法。
背景技术：
全世界有3000多万视觉障碍者，中国就有800多万，他们行走时通常靠一根手杖来探路。每走一步路只能探测地面上有限几个点，不仅路面情况探不清楚，而且走得也很慢。另外，手杖只能探测到地面情况，却难以避免上半身碰撞障碍物的危险。
国外现在已经开发出多种协助盲人走路的电子导盲器。这些电子导盲器大多都引入了电子计算机进行信号处理，有些甚至用到了GPS全球定位系统，以及建立无线电基站等方法，普遍存在价格昂贵的问题，不适用于盲聋人这个低收入的弱势群体。国内城市存在着复杂的交通系统，尽管人行道上铺设了盲道，但是在种种原因下，盲道的作用微乎其微。而在乡村郊区等地方，盲人也是举步维艰。由于重视程度不够，投入有限，这方面一直都没有成熟的产品出来。目前很多产品不能全面照顾到盲人行走时身体的各个部位。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种智能盲人导行仪及其导行方法，既能探测到地面的障碍物，同时能探测到地面以上至人体身高处的障碍物，具有功能强大、体积小、便于携带、造价低、操作方便等特点。
本发明的目的通过下述技术方案实现一种智能盲人导行仪，其特征在于包括由主控电路和上部超声波探测电路组成的主控模块，与主控模块有线连接的语音报警模块、无线传输模块、振动报警模块，以及与主控模块无线连接的探杖超声波探测模块。
所述主控电路包括主控CPU和分别与主控CPU连接的放大检波电路、信号发生电路、语音模块接口和无线模块接口、复位电路、时钟电路，所述上部超声波探测模块以有线的方式与主控电路进行通信，所述无线模块接口与探杖超声波探测模块检测到的信号进行单工通信。
所述探杖超声波探测模块包括探杖CPU和与CPU连接的放大检波电路、信号发生电路、无线模块接口、复位电路、时钟电路。
所述无线传输模块包括发射模块和接收模块，与主控CPU串口相连，主控模块与探杖超声波探测模块通过无线传输模块进行串口通讯。
所述振动报警模块包括三极管8050及其驱动的一个带有偏心轮的微型电机。
作为一种优选方案，所述主控模块的CPU采用可编程Micro-ProcessorAT89S52，所述探杖CPU采用AT89C2051。
作为又一种优选方案，所述语音报警模块采用2560芯片。
作为又一种优选方案，所述探杖超声波探测模块固定在盲人使用的手杖的内腔中；手杖下端前侧有两个孔，超声波传感器的探头固定在孔内，电源及开关设在手杖的手柄处；所述上部超声波探测电路的外壳上有一个用于把其固定在使用者上半身的夹子。
本发明的智能盲人导行仪的导行方法是由上部超声波探测模块和探杖超声波探测模块产生的超声波，当遇到障碍物时被反射，反射信号被送入主控CPU中，计算出障碍物的距离后，根据不同方位发出不同的语音报警信号或不同频率的振动报警信号。
作为一种优选方案，所述主控CPU计算出障碍物的距离后，根据障碍物的不同距离划分报警等级，根据不同等级发出不同的语音报警信号或不同频率的振动报警信号。
使用本发明的导行仪时，使用者手握手杖，同时把上部超声波探测电路选择夹在使用者的帽子或眼镜、衣领、衣襟等位置。当前方地面或使用者下半身前方有障碍物时，探杖超声波探测模块通过无线的方式把信号发送到主控电路，进过语音或振动报警告知使用者；当使用者上半身的前方有障碍物时，上部超声波探测电路则通过有线的方式把信号传送到主控电路，再通过语音或振动报警告知使用者。所以使用者前方的障碍物只要在人体高度范围内，都会被探测到，从而确保使用者的安全。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果智能盲人导行仪具有功能强大，体积小，便于携带，造价低，操作方便等特点。
图1为本发明智能盲人导行仪的硬件组成框图；图2为主控模块框图；图3为主控电路原理图；图4为复位电路图；图5为时钟电路图；图6为信号发生电路图；图7为超声波放大检波电路图；图8为振动报警电路图；图9为主机程序流程图；图10为测距子程序流程图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明智能盲人导行仪的测量原理如下单片机产生40KHz方波，通过超声波发射探头产生一段一段的超声波，同时单片机定时器开始计时，超声波在空气中传播遇到障碍物，被反射后由超声波接收探头接收回波，经放大电路放大、检波电路检波，产生中断，单片机定时器停止计时。单片机对数据进行处理，根据超声波从发射到接收的时间差，在已知超声波声速V超的前提下，计算出障碍物的距离，再根据需要把距离划分为1米、1.5米、2米不同的报警等级。单片机根据物体的方位及报警等级发出信号，报警系统采用语音报警，可根据距离的远近及方位发出六种不同的语音报警信号，并可以根据距离的远近发出三种振动报警信号。
本发明智能盲人导行仪包括硬件部分和软件部份，硬件部分主要由五部分组成，包括主控电路和上部超声波探测电路组成的主控模块、探杖超声波探测模块、语音报警模块、无线传输模块、振动报警模块。硬件组成框图如图1。
主控电路是本发明系统的主模块，上部超声波探测电路以有线的方式与主控电路进行通信。主控电路包括放大检波电路、信号发生电路、语音模块接口和无线模块接口、复位电路、时钟电路。无线模块接口用于与探杖超声波探测模块检测到的信号进行单工通信。其组成如图2、图3所示。
在智能盲人导行仪中，CPU采用了通用的ATMEL公司的可编程Micro-Processor AT89S52。AT89S52是一种低功耗，高性能的CMOS八位微型计算机，与MCS-51产品兼容。与同类MCS-51产品相比价格便宜，且有在线编程功能(ISP)。
复位电路采用的是按键电平复位。复位电路图如图4所示。
AT89S52的时钟电路采用了内部方式，利用芯片内的振荡电路，外接12M晶振以及C1、C2(均30pF)构成并联振荡电路。时钟电路如图5所示。
信号发生电路的超声波的工作频率为40KHz，由单片机延时产生，通过P2.7输出。由于电压和电流都很微弱须对其放大。三级管将电流放大，1∶2的变压器将电压放大。其电路图如图6所示。由于超声波衰减非常快，接收到的回波比较弱，只有几毫伏。因而需要对信号放大，以符合鉴频器LM567的输入要求。采用两级放大，可将信号放大几百倍，最后通过电容耦合LM567检波。其电路图如图7所示。
放大电路采用PO-07放大。OP-07是低偏移电压，低噪声，低时间、温度漂移的精确放大电器。OP-07有较宽的输入电压，较低的输入电流。只须提供+9V电压OP-07就能工作，而其他放大IC需要提供+-电压才能工作。由于本发明导行仪是由+9V电池供电，因此选用OP-07给电源的设计带来了很大的方便。
检波电路采用美国NI公司的LM567芯片，LM567芯片是一种通用的语音解码芯片。
探杖超声波探测模块包括放大检波电路、信号发生电路、无线模块接口、复位电路、时钟电路，探杖CPU选用的是AT89C2051。AT89C2051具有体积小，价格低等特点。在所需I/O口较少，程序存储器要求较少时更适合使用。
语音报警模块采用美国ISD公司的2560芯片，录放时间可达60秒。ISD2560系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K，录放时间长；有10个地址输入端，寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF(溢出)端，便于多个器件级联。
无线传输模块采用通用的无编码无线传输模块。无线传输模块分成发射模块和接收模块，与单片机串口相连，主机(即主控模块)和从机(探杖超声波探测模块)通过无线传输模块进行串口通信；使用无编码模块，自行编写通信协议。
振动报警模块是由三极管8050驱动一个带有偏心轮的微型电机实现的。通过控制三极管基极的电平来控制电机的开关，输入不同的频率的电平就可以达到不同的震动效果。其电路图如图8所示。
在软件设计上，采用了通用的C语言进行设计。使用C语言比其它专门语言更有效。使用keil公司开发的keil C作为开发平台。Keil的C51优化交叉编译器(MS-DOS)版是完全符合ANSI(美国国家标准协会)标准的C语言工具。
主程序包括主机(即主控模块)和从机(即探杖超声波探测模块)的数据处理过程。如图9所示。
所述主程序按如下进行主机进行初始化，首先判断是否单机使用如果是单机就开始测距，根据测量到的距离判断报警等级，并产生语音或者震动报警；如果不是单机则需等待从机发送开始测距标志位再进行测距，如果在1.3秒内没有接收到从机发送的开始标志位，则认为从机已经失效，向使用者报告抛弃从机，并设置主机为单机状态。
主机(主控模块)和从机(探杖超声波探测模块)的通信是通过无编码无线传输模块单工通信实现的。探杖超声波探测模块发现物体后进行测距，划分报警等级，然后将报警等级从串口发给发射模块，主机再通过接收模块接收数据。由于没有编码，因此自行编写通信协议，在每一次发送数据前加上验证码0x55。只有当接收模块收到0x55时，才对0x55后的数据进行处理。
所述测距子程序按如下进行由单片机延时产生40KHZ的方波驱动超声波发射探头发送一段超声波，单片机启动定时器开始计时，延时20ms等待中断。超声波遇到障碍物后反射回来，由超声波接收探头接收，使单片机产生中断，进入中断服务程序。单片机进入中断后定时器停止计时，单片机由定时时间判断报警等级，从而产生相应的报警信号。如图10所示。
本发明导行仪可以分别针对人体的上方和下方，当距离人体1米，1.5米、2米有障碍物时分别发出“上方危险”、“上方小心”、“上方注意”、“下方危险”、“下方小心”、“下方注意”六种不同的报警信号；也可选择不分上下方的方式，当遇到不同距离障碍物时，报警时发出“危险”、“小心”、“注意”三种报警信号；也可同时选择三种振动报警信号。语音报警准确，语音清晰。
超声波的探测范围可达10多米，探测角度60度以上，但为了实际需要，将报警范围设定在2米之内，报警间距也可根据需要进行调整。超声波探头有一定的盲区，通过测量在30cm左右，但因为进入实际盲区的时候测量的数据是一个定值，这个定值在报警范围内，因此报警盲区为0cm。
智能盲人导行仪全部器件采用贴片技术，腰挂式主机做成手机大小，从机电路内置于手杖，电源及开关安装在手杖的手把处，让使用者操作起来更加自如。整套系统轻便灵活，成本低，有较好的市场应用价值。
权利要求
1.一种智能盲人导行仪，其特征在于包括由主控电路和上部超声波探测电路组成的主控模块，与主控模块有线连接的语音报警模块、无线传输模块、振动报警模块，以及与主控模块无线连接的探杖超声波探测模块。
2.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述主控电路包括主控CPU和分别与主控CPU连接的放大检波电路、信号发生电路、语音模块接口和无线模块接口、复位电路、时钟电路，所述上部超声波探测模块以有线的方式与主控电路进行通信，所述无线模块接口与探杖超声波探测模块检测到的信号进行单工通信。
3.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述探杖超声波探测模块包括探杖CPU和与探杖CPU连接的放大检波电路、信号发生电路、无线模块接口、复位电路、时钟电路。
4.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述主控模块的CPU采用可编程Micro-Processor AT89S52，所述探杖CPU采用AT89C2051。
5.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述语音报警模块采用2560芯片。
6.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述无线传输模块包括发射模块和接收模块，与主控CPU串口相连；主控模块与探杖超声波探测模块通过无线传输模块进行串口通信。
7.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述振动报警模块包括三极管8050及其驱动的一个带有偏心轮的微型电机。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的智能盲人导行仪，其特征在于，所述探杖超声波探测模块固定在盲人使用的手杖的内腔中；手杖下端前侧有两个孔，超声波传感器的探头固定在该两孔内，电源及开关设在手杖的手柄处；所述上部超声波探测电路的外壳上有一个用于把其固定在使用者上半身的夹子。
9.根据权利要求1所述的智能盲人导行仪的导行方法，其特征在于，由上部超声波探测模块和探杖超声波探测模块产生超声波，当遇到障碍物时被反射，反射信号被送入主控CPU，计算出障碍物的距离后，根据不同方位发出不同的语音报警信号或不同频率的振动报警信号。
10.根据权利要求9所述的导行方法，其特征在于，所述主控CPU计算出障碍物的距离后，根据障碍物的不同距离划分报警等级，根据不同等级发出不同的语音报警信号或不同频率的振动报警信号。
全文摘要
本发明提供了一种智能盲人导行仪，该导行仪包括由主控电路和上部超声波探测电路组成的主控模块，与主控模块有线连接的语音报警模块、无线传输模块、振动报警模块以及与主控模块无线连接的探杖超声波探测模块。本发明还提供了智能盲人导行仪的导行方法由上部超声波探测模块和探杖超声波探测模块产生超声波，当遇到障碍物时被反射，反射信号被送入主控CPU，计算出障碍物的距离后，根据不同方位发出不同的语音报警信号或不同频率的振动报警信号。该智能盲人导行仪具有功能强大、体积小、便于携带、造价低、操作方便等特点。
文档编号A61H3/00GK1748662SQ20051010015
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月10日 优先权日2005年10月10日
发明者陈美銮, 尹浩, 黎飘, 董博然, 陈武宗 申请人:暨南大学