专利名称：智能盲人导行仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种智能盲人导行仪，属盲人生活用品领域。
背景技术：
目前公布的盲人导行仪都采用单一的超声波测距来探测前面障碍物。在超声波传 感器发散角选择方面，由于存在敏捷性和精确性的矛盾(发散角大探测范围大、较敏捷但不 能精确定位障碍物；反之，定位精确但敏捷性差)故不能很好地实现其探测功能。此外，目 前的盲人导行仪，没能实现同时对路面状况的探测，仅采用不同的音频组合来区分距离。这 样就给使用者，尤其是新使用者带来很大不便。如2006年7月公布的200510023192. 9号发 明专利，2006年公布的200520109184.1实用新型专利。此外，目前的盲人导行仪也没有涉 及GPS定位功能和电子罗盘功能，不能使使用者精确得知自己的方位和位置，这样就使得它 们的应用受到限制。目前GPS免费接收和GPS技术的普遍应用使得该种功能得以实现。 发明内容为了克服目前的导行仪不能快速、精确探测出障碍物的位置、不能对路面状况 进行探测、不能定向定位的缺点，本发明提出了一种基于超声波测距，GPS技术的智能导行 仪。本发明采取的技术方案-本实用新型基于超声波测距原理。声波在其传播的介质中被定义为纵波，当声波受到尺 寸大于其波长的目标物阻挡时就会发生反射。反射波称为回声。如果声波在介质中传播的速 度是已知的，并且测量出声波从声源到达目标然后返回声源的时间，就可以精确地计算出从 声源到目标的距离。这里声波传播的介质就是空气，采用不可见的超声波。假设室温下声波在空气中的传播速度是1100英尺/秒，测量到的声波从声源到达目标然 后返回声源的时间是t秒，距离d可以由下列公式计算d=1100 12 t (英寸)因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的实际距离应该为d/2。本发明由微处理器单元(MPU)，双路超声波发射和接收单元，GPS模块，语音模块，电 源单元、外壳和耳机组成。本导行仪的各部件连接安装方式是大发散角超声波传感器(1)和大发散角超声波发 射器(2)装在壳体的正前端，小发散角接收发射传感器(3)与水平面成45度角装在外壳 的前端下部，电路板(4)固定在外壳内壁，按键(5)装在外壳下侧手指易触及的部位，耳 机(6)装在外壳的后端，电池(8)固定在导行仪后端与充电接口 (7)并联。微处理器单元由单片机及其外围电路组成。 一方面，负责产生超声波脉冲，定时并计算 距离；另一方面，微处理器还与GPS模块进行通讯，将传回的数据进行处理，最终控制语音 模块发出语音告知使用者。此外，微处理器还对按键进行检测，并作出相应的操作。超声波测距单元包括发射驱动、倍压输出、接收放大、滤波、模拟电子开关、超声波传 感器等各环节。传感器环节有两路电路，其中一路是采用发散角较大的超声波传感器，装在 外壳前部，其探测方向为正前方用于快速探测使用者前方的障碍；另一路采用发散角较小的 超声波传感器，装在外壳前端下侧，其探测方向与水平面成一定角度指向前方路面。其一方 面对路面状况进行精确探测，另一方面用来对正前方障碍作辅助精确定位。两路传感器通过 微处理器控制模拟电子开关来切换以实现分时复用信号通道。针对实际情况，地面探测要求 要比前向探测更精细，故可采用不同的分时比例对这两个方向进行探测，如可以在一个探测 周期内对前向探测l次，而地面探测8次。为了区分两个方向的不同提示信息，最优方案是 采用不同的音色提示，如可用男声和女声加以区分。GPS模块可以实时接收卫星信息，并给出定位信息，移动方位角和时间。语音模块由语音芯片及其外围电路组成。它的存储体里存有预先录制好的各种音符，通过微处理器的指令控制发出不同的语音组合。电源模块由电源转换芯片和其外围电路组成，可提供系统需要的各种电源电压。 工作流程如下工作时手持导行仪，将大发散角超声波传感器指向前方，对正甜方一定 距离一定角度范围进行快速粗探，同时通过定轴偏转导行仪(即保持大发散角超声波传感器 指向前方而旋转导行仪)这样小发散角超声波束即可对左右一定偏角范围内的路面进行扫 描，这样就可精确测定地面路况，能方便地探测出地面上的沟坑或拌块。当正前方有障碍物 时，大发散角超声波传感器探测出信号并传给微处理器，微处理器计算出距离通过耳机报告 距离值。这时使用者再用小发散角超声波传感器对向正前方进行一定范围的手动扫描，就可 确定障碍的方位和大小。通过地面和正前方两个方向的探测使用者就可方便地避开障碍物。 通过按钮选择，使用者还可实时得到其位置和方位以及时间信息。本实用新型的有益效果是，可精确探测前方障碍物的距离、方位和大小，还可对路面进 行准确探测，这样使用者就可方便地绕过路障。本导行仪还具有GPS定位定向功能，还可实 时定位定向、精确的报时。所述信息都采用真人语音告知，使用很方便。
现结合实施例，介绍附图如下 图1是电路原理方块图图2是各模块安装位置图。其中，1是大发散角超声波接收传感器，2，是大发散角超声波发射器，3是小发散角超声波发射接收传感器，4是电路板，5是按键，6是耳机，7是电池充电接口， 8J^电池。图3是电路原理总图图4是系统复位电路图5是系统电源单元图6是超声波发射和接收电路图7是程序流程图具体实施方式
结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明 本实施例由硬件和软件两部分组成。硬件部分由微处理器单元(MPU)、双路超声波发射和接收单元、GPS模块、语音模块、 电源单元、外壳和耳机组成。各硬件装配关系如图2所示，电气原理总图如图3所示。微处理器单元(MPU)是本实施例的核心，是数据处理和控制中心。它与语音模块通过 SPI串口相连接，与GPS模块通过SUART串口相连。该部分由单片机、复位电路、晶振电路 和编程接口电路组成。本实施例的单片机选用TI公司的十六位单片机MSP430F122。它集成高速晶振、16位定 时器、看门狗电路、可在线仿真的FLASH存储器、SPI和SUART串口。超低功耗，低电压供电， 电压范围1.8V-—3.6V。该单片机还自带模拟比较器。16位定时器还具有捕获/比较功 能。复位电路采用美信公司的复位芯片MAX809STR，产生可靠的复位信号供系统复位。其电 路如图4所示。晶振电路来用40KHz的晶体振荡器，可产生稳定的超声波。单片机主频由片内 高速晶体振荡器产生。编程接口由图3 Jl构成，可实现在线编程。双路超声波发射和接收单元是超声波测距的主要环节，由发射通道、接收通道、切换电 路组成，如图6所示。发射通道由电平转换电路、放大驱动电路和发射传感器组成。因为7404工作于9V而 MSP430工作于VCC 3.3V,故MSP430和输出驱动器之间的逻辑电平是不匹配的，双极性晶 体管MMBT3904(Q1)就作为这两种逻辑电平之间的转换器。输出驱动电路直接由9V电池供电 并提供18Vpp来驱动超声波发射器(T3， T4) 。 18Vpp是通过一个二进制非门7404桥电路实现的 其中一个非门用来为驱动器的一侧提供180度的相移信号；另一侧由相内信号驱动。这种结 构使输出端的电压提高了一倍，为发射传感器提供了18Vpp电压。两个门电路并联连接以便 每一侧能够为传感器提供足够的驱动电流。电容(C5,C6)阻断了到传感器的直流通路。本实 施例中用来发射和接收超'声波的装置是40KHz的陶瓷超声波传感器。接收通道由超声波接收器(S3,S4)、放大电路、滤波电路组成。运算放大器U5选用高速 运算放大器LMV358 。这个放大器具有高增益带宽，并在40KHz时提供充分高的增益。运算放 大器连接成反相放大器结构。电阻R7、 R10设置增益为60，电容C19提供高频速降。电阻R8、 R9偏置同相输入端，为运算放大器的单输入工作提供一个虚拟中间值。放大后的超声波信号 在这个虚拟中间值上下波动。接收传感器(S3,S4)的高Q值提供选择性并丢弃除了40KHz之 外的频率。运算放大器的输出端连接到比较器A的输入端CAO (即U1 P2.2)。比较器A的参考 电平内部选择为0.5Vcc。当接收到回声时，电压高于参考电平从而触发比较器A的输出，实现 捕捉定时。调整R7可以得到需要的灵敏度并优化测量范围。切换电路采用模拟电子开关SGM3005 (U4)，它是双路、低通态阻值、低电压供电、双 向单刀双掷CMOS模拟开关。单片机(Ul)通过其P2. 3脚同时控制发射和接收两个通路的方向， 实现通道复用以探测的不同方向。GPS模块(U3)采用H0LUX的GR-85智慧型卫星接收模组，该芯片采用美国瑟孚(SiRF) 公司所设计的第二代低耗电量卫星定位接收晶片，是一个完整的卫星定位接收器。可同时追 踪12颗卫星，每秒更新一次定位资料。未加偏差修正时，其位置精度为5-25米圆周误差，速 度极精度为O. l米/秒，时间精度l微秒；加偏差修正后位置精度1-5米，速度0.05米/秒。在 本实施例中，它与单片机(Ul)通过异歩串口SUART实现通讯。它的天线用耳机(6)的引线 代替。语音模块(U2)采用中青世纪公司的ISD4002-120语音录放芯片，该芯片有120秒录音时 间，可分600段，信息分辨率200毫秒。它与单片机(Ul)通过SPI串口通讯。本实施例将"O" 到"9"、"点"、"米"、"东"、"南"、"西"、"北"、"度"、"时"、"分"、"秒"等发音分 男声，女声分别烧制到语音芯片中，工作时通过单片机(U1)的控制将各种信息用语音发出。 它可以直接驱动耳机(6)。电源单元超声波发射和接收回路采用9V直接供电。MSP430 (Ul)、 GPS模块(U3)、语 音模块(U2)、复位芯片(U7)由9V电池经TI公司的LDO芯片TPS70633调制后的3.3V电压供 电。电容C7、 C8和C9是推荐使用的稳压器的正常工作的供电电容。其电路如图5所示。机械安装方面图2中大发散角超声波传感器(1)和大发散角超声波发射器(2)装在 壳体的正前端。对应小发散角接收发射传感器(3)与水平面成45度角装在外壳的前端下部。 按键装在外壳下侧手指易触及的部位。耳机(6)装在外壳的后端，电池(8)采用充电电池 通过充电接口 (7)充电。软件部分，本导行仪采用IAR平台的C语言编程，程序采用模块化设计，主要包括初始化、 前向测距、地面测距、语音发音提示、通讯等几个模块。程序流程如图7所示。由于MSP430系列单片机支持程序在线下载编程功能，可通过JTAG接口 (Jl)实现。因而 系统调试相当方便。
权利要求1、一种智能盲人导行仪，其特征是大发散角超声波传感器(1)和大发散角超声波发射器(2)装在壳体的正前端，小发散角接收发射传感器(3)与水平面成45度角装在外壳的前端下部，电路板(4)固定在外壳内壁，按键(5)装在外壳下侧手指易触及的部位，耳机(6)装在外壳的后端，电池(8)固定在导行仪后端与充电接口(7)并联。
2、 根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于所述电路板(4)由微处理器单元、 双路超声波发射和接收单元、GPS模块、语音模块组成。
3、 根据权利要求1所述的智能盲人导行仪，其特征在于所述耳机(6)通过装在外壳的插孔 与导行仪相连，兼作GPS模块的天线。
专利摘要本实用新型涉及一种智能盲人导行仪，属盲人生活用品领域。它由微处理器单元(MPU)、双路超声波发射和接收单元、GPS模块、语音模块、电源单元、外壳和耳机组成。其中超声波传感器由发散角大小不同的两路传感器组成。工作时大发散角传感器指向前方，负责对正前方一定距离一定角度范围进行快速粗探。同时通过定轴偏转导行仪，小发散角超声波束可在左右一定偏转角范围内的路面进行扫描，能方便地探测出地面上的沟坑或拌块。通过大发散角前向粗探，再结合小发散角前向扫描，就可精确确定前方障碍的方位和大小。有益效果是，可精确探测前方障碍物的距离、方位和大小，能对路面进行准确探测，具有GPS定位定向、精确的报时功能。所有信息都采用真人语音告知，使用很方便。
文档编号A61F9/08GK201168117SQ20072003282
公开日2008年12月24日 申请日期2007年9月21日 优先权日2007年9月21日
发明者刘昭元, 洪盼盼 申请人:刘昭元