兼具避障和坡路台阶检测功能的蓝牙导盲车的制作方法

本实用新型涉及智能导盲技术领域，通过传感器感知外界环境并将环境信息转换成语音传递给盲人，达到保障盲人出行安全的目的。

背景技术：

据世界卫生组织最新统计，全世界的盲人人数大约有4000万左右。其中人口最多的国家——中国，盲人人数占到世界盲人总人数的20％，位列全世界第一。与此同时，全中国的盲人数量还正以每分钟一位的速度持续增加，使得我国每年都将新增加45万名盲人。

目前来看，导盲犬仍然是盲人出行的最佳工具。但是，众所周知的是，训练导盲犬的周期长达近十八个月，使得训练费用极其昂贵，这也造成了现在的导盲犬数量远远不及盲人数量这一现状。为此，各个国家的各种导盲器械应运而生。发展至今天，大致包括以下几类：

(1)复杂室内环境下的单一Kinect导盲系统，该系统能够同时检测地面和头部之间的所有障碍物。

(2)Central Michigan大学的同学开发了一款多功能导盲手杖，手杖是通过射频识别技术检测路面的障碍信息，并可以凭借盲人随身携带的扬声器作为通知系统来告诉盲人所处的位置和方向。

(3)穿戴式导盲器具，是由美国大学学生根据他自行设计的壁障系统为基础而设计的一款腰带式导盲工具。该工具被设计为两种工作模式，分别为引领模式和全景模式。引领模式是指在盲人不参与控制的情况下全程自主引导盲人前进，而全景模式则是利用超声波绘制出活动范围内的场景视图，再转换为相应的声音，通知使用者活动范围内的障碍物尺寸，距离等信息。

以上的一些导盲器械，具有以下缺陷：大都集中在检测障碍物信息及避障工作上，没有考虑盲人出行的其他问题隐患，如检测盲人遇到的台阶等。在途中遇到障碍进行语音提示时，传统电子导盲犬采用蜂鸣器进行语音播报，在嘈杂的环境中不利于盲人分辨。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，在现有技术运用超声波传感器配合舵机实现行进过程中对前方180度范围内的障碍物检测功能的基础上，设计第二超声波传感器电路和加速度传感器电路，配合合适的单片机，实现盲人行进过程中的坡路检测和台阶检测，达到保障盲人出行安全的目的。进一步利用手机的蓝牙功能，将单片机与手机跨界结合，实现通过蓝牙耳机传送障碍、坡路、台阶等实时信息；再进一步导盲车可以实现人机互动，当盲人大致知晓前方路况时，可以按照自己的意愿来控制导盲系统的运行方向。

本实用新型的具体技术方案如下所述。

一种兼具避障和坡路台阶检测功能的蓝牙导盲车，结构包括装有车轮的车体、车体后端竖立安装的机械杆、车体前端安装的舵机、安装在舵机上的第一超声波传感器、MCU控制器、直流电机、用于驱动直流电机带动车轮运动的电机驱动模块、为MCU控制器和电机驱动模块供电的电源模块；所述的MCU控制器，是型号为STC12C5A60S2的单片机；所述的电机驱动模块，主要由型号为L293D的驱动芯片构成；结构中还有第二超声波传感器和加速度传感器；所述的第二超声波传感器，采用型号为HC-SR04的超声波测距模块，超声波测距模块的T、R引脚分别与单片机P2^5和P2^6脚连接，第二超声波传感器的探头安装在车体的前端下方；所述的加速度传感器，采用型号为GY25的加速度模块，加速度模块的2个引脚VCC和GND分别与供电电源和地连接，另2个引脚RX和TX分别与单片机P1^2和P1^3脚连接。

本实用新型中所述的电源模块，可以采用三端稳压芯片7805；电源模块输入7V电源电压经开关打开后直接送入7805的IN管脚进行稳压处理成为5V电压后，通过OUT引脚送给单片机供电。VCC5和GND端口作为其余模块电路的电源使用。

所述的电机驱动模块，电路结构是型号为L293D的驱动芯片的使能端EN1和EN2经过1K的电阻接单片机的P1^4和P1^5脚，四个IN端分别和单片机的P1^0、P1^1、P3^4和P3^7连接；四个OUT引脚的用于连接两台直流电机，并控制电机的正反转；VCC端不经稳压芯片7805直接接电源模块的输入电压，GND端接地。

为了实现通过蓝牙耳机传送障碍、坡路、台阶等实时信息的目的，本实用新型结构中还有装有通信模块，通信模块采用了OTG(英文全称为On The Go)转串口技术完成手机与型号为STC12C5A60S2的单片机的连接；具体的是OTG线的micro USB口插入到手机，另一端与公对公USB数据线连接，并将公对公USB数据线插入单片机开发板上的USB母口；采用芯片CH340实现手机和单片机串口过程中的电平转换；单片机外接11.0582MHz的晶振。

为了实现人机互动，解决盲人可以按照自己的意愿主动控制导盲车的运行方向这一问题，本实用新型结构中还加装有五向开关，在盲人知晓前方路况情况下实现导盲车的人为控制；所述的五向开关的公共端和7、8管脚接地，1、2、3、4、6管脚分别经过一个10K欧姆的上拉电阻接电源VCC，并且1、2、3、4、6管脚分别接单片机的P0^3、P0^0、P0^2、P0^1、P0^4管脚，相应管脚置为低电平时分别执行前、后、左、右和紧急制动的动作；五向开关安装在竖立安装的机械杆的上端。

本实用新型具有如下技术效果：

1)现有导盲系统大致局限于对障碍物的探测，对外界环境的其他影响没有考虑，本实用新型不仅采用超声波传感器配合舵机模块来实现对前方180度范围内的障碍物进行检测，还利用加速度传感器实现检测上下坡，超声波传感器对距离敏感的特性检测台阶等环境，多方面保障盲人出行的安全。

2)本实用新型首次实现将导盲系统与手机跨界结合于一身。通过开发一款手机APP，实现传感器采集到的信息进行语音转换。智能手机的引入，使得导盲系统的拓展性也大大增强。(比如盲人可以更加方便的随时接通家里打来的电话，手机端集成的GPS配合相关APP，使得家人可以很方便的得知盲人的位置，操作十分简便等等)。

3)传统的导盲系统采用语音外放来提醒盲人注意路况，或者佩戴有线耳机，前者在嘈杂的环境中，不利于盲人分辨，后者采用有线的方式会为盲人带来诸多不便。本实用新型在支持前两者的同时，可以采用佩戴蓝牙耳机来实现语音信号的传送，避免了前两者的不便之处。

附图说明

图1是本实用新型的主控电路框图。

图2是本实用新型的STC12C5A60S2单片机原理图。

图3是本实用新型的第一超声波传感器配合舵机工作流程图。

图4是本实用新型的加速度模块检测坡路流程图。

图5是本实用新型的电源供电系统原理图电路。

图6是本实用新型的电机驱动模块电路原理图。

图7是本实用新型的手机与MCU通信的原理图。

图8是本实用新型的五向开关原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的结构和工作原理。

实施例1本实用新型的总体结构。

本实用新型的兼具避障和坡路台阶检测功能的蓝牙导盲车，分为核心控制块和手机块两个部分进行设计。

核心控制块由单片机作为控制器，由加速度传感器、2个超声波传感器等模块进行采集信息，并将采集到的信息指令发送给单片机系统。单片机系统接收到加速度传感器和超声波传感器发送来的路面信息后进行相应处理，发送指令给电机驱动模块，电机驱动模块作为驱动导盲车前进的装置对导盲车行车路线进行控制。核心控制块部分是在现有技术运用超声波传感器配合舵机实现行进过程中对前方180度范围内的障碍物检测功能的基础上，设计了第二超声波传感器电路和加速度传感器电路，配合合适的单片机，实现盲人行进过程中的坡路检测和台阶检测，达到保障盲人出行安全的目的。

手机块围绕手机为中心，开发一款手机客户端对单片机控制器发送来的信息进行处理后传递相应的语音，提醒盲人前方的路面状况。为使导盲系统更加智能化，系统还融入了人机交互的功能，设计在小车上加入了五向开关，当盲人大致了解前方路面状况时，盲人可以在任意时刻按照自己的想法改变小车的运行轨迹。为盲人提供了便利的同时，也极大的增强了小车的安全性。嵌入式系统块解决了通过蓝牙耳机传送障碍、坡路、台阶等实时信息的问题；进一步当系统遇到无法解决的路况时，盲人可以实现主动控制闪灯，引起路人注意。

参见主控电路框图(图1)进一步说明本实用新型的总体结构。核心控制块中，以MCU控制器(单片机)为中心，由安装在车体前端的第一超声波传感器(与舵机配合)、第二超声波传感器和加速度传感器检测前进方向中的障碍、台阶和坡路的信息由MCU控制器处理，再发出指令给电机驱动模块，进而通过直流电机驱动和控制车轮的前后左右运行及停止运动。此外结构还有为MCU控制器和电机驱动模块供电的电源模块。嵌入式系统块中，通过通信模块采用了OTG转串口技术(串口通信)完成手机与单片机的连接，向盲人传递相应的路面状况的语音信息(语音发声、蓝牙耳机)；通过竖立安装在车体后端的机械杆上的五向开关(亦即按键模块)，可以人为的控制导盲车的前后左右运行及停止运动。

本实用新型主要应用了安卓开发环境和单片机开发环境。为确保导盲车能够正常行驶，需要编写相应的软件控制程序，分别对超声波传感器和加速度传感器采集到的信息进行实时处理并发出相应指令控制驱动装置，通过改变PWM(脉冲宽度调制)确定导盲机器人的运行速度及运行方向，以避免发生碰撞等不安全行为。与此同时还将传感器信息通过程序翻译成上位机客户端可以识别的语言发送给上位机进行语音发声。

由上述的设计思路和具体结构，本实用新型的主要功能包括：(1)行进过程中的障碍物距离检测，盲人可通过导盲车上的机械杆及时修正导盲车前进的方向，从而避开障碍物，并计算出最佳路线；(2)检测行进前方是否有台阶，并提醒盲人；检测盲人前进途中是否会有坡路，并提醒盲人注意；(3)导盲车将检测到的指令直接以语音的形式发出，并且在导盲车上通过蓝牙传输将该提示用蓝牙耳机传达给盲人；(4)当前方路况小车无法通过和解决时，可以通过闪灯和语音求救路人进行帮助；(5)当盲人大致了解前方路面状况时，盲人可以在任意时刻按照自己的想法改变小车的运行轨迹。

实施例2MCU控制器——STC12C5A60S2单片机。

本实用新型硬件系统的组成是以MCU控制器(型号为STC12C5A60S2的单片机)为核心，连接电机驱动模块，信息采集模块(2个超声波传感器和1个加速度传感器)，电源模块，五向开关等组成的。

之所以选择此款单片机，主要有以下几个方面的原因：(1)软硬件指令代码与传统8051完全兼容，利用所学知识很容易较快掌握。(2)系统实现功能并不十分复杂，程序存储量不大，选择该款单片机在遵循从简原则的基础上其程序存储器完全满足需求。(3)系统在连接加速度模块和同时向手机客户端进行实时通信是应用到两个串口，该系列单片机有双串口满足需求，但值得注意的是，拥有双串口的单片机后缀为S2。(4)内部集成四个16位定时器，其中一个为独立波特率发生器，以便在串口通信时进行使用。(5)该系列单片机的机器周期为1T，运行速度高，处理能力强。

图2给出型号为STC12C5A60S2的单片机的最小系统原理图，由图2可见，STC12C5A60S2共有40个引脚，它包括两个异步全双工串口，(图中未显示串口二，串口二位于P2.2和P2.3管脚)，高速AD转化器，SPI接口，以及多个I/O管脚。单片机外接11.0582MHz的晶振，使得可以准确的产生9600bps的波特率。单片机作为整个硬件系统的核心部分，负责各个模块协调和信息的处理，所有的模块都将从这里引出连接。

实施例3距离检测的实现。

完成距离检测功能是制作导盲系统的重要一环，可用于实现导盲系统的避障和检测台阶的功能，完成这一功能采用了HC-SR04超声波测距模块。

工作原理：

(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；

(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离＝(高电平时间*声速)/2，其中声速为340m/s。

为了实现同时对前方障碍物进行检测和对台阶的检测，本实用新型的导盲车采用了两个超声波传感器进行分别检测：

其中一个超声波传感器(第一超声波传感器)配合舵机来使用，舵机与单片机的P2^7引脚进行连接，通过该引脚产生的信号来控制舵机进行前方180°的摆动，超声波传感器安装在舵机上之后便可以跟随舵机一起对前方180°范围内的障碍物进行检测。舵机上的超声波传感器将由单片机的P3^2和P3^3引脚进行控制，其中P3^3产生高电平与超声波传感器的T(发送)引脚连接来触发超声波开始工作，P3^4用来接收超声波传感器的R(接收)引脚产生的回波，根据该回波的时间长短来计算障碍物的距离。图3给出超声波传感器配合舵机工作流程图。

另外一个超声波传感器(第二超声波传感器)用来检测台阶，台阶位于地面，因此第二超声波传感器的探头将安装在车体的下方以便检测路面和超声波传感器之间的距离，当检测到的距离突然变大时，将判定为前方有台阶，导盲车将立即停止下来。第二超声波传感器的T、R引脚将分别由单片机的P2^5和P2^6来进行控制。

实施例4加速度传感器实现对坡路的检测功能。

为了使导盲车可以检测前方坡路，设计过程中选择了加速度模块——GY25。导盲车在上坡或者下坡时会产生加速度，加速度模块内部集成陀螺仪，可以将这一变化检测出来，并通过内部计算将这一加速度的变化转换成为相应的角变化。加速度模块将这一角度变化并通过单片机串口将角度值发送过去，单片机根据此角度值判断系统的上坡或是下坡。图4给出加速度模块检测坡路流程图。

型号为GY25的加速度模块共有四个引脚，除了两个VCC和GND分别接高电平和地之外，剩下的两个RX和TX引脚将分别与单片机的串口二进行连接实现数据发送和接收。串口二位于单片机的P1^2和P1^3引脚。

实施例5电源模块。

在导盲车工作过程中，采用的是7.4V电源供电，与此同时能够获得5V电压给单片机供电。电源模块采用三端稳压芯片7805。

图5为本实用新型电源供电部分电路图，从图5中可以看出，输入7V以上电源电压经开关打开后将直接送入7805IN管脚进行稳压处理成为5V电压，通过OUT引脚送给单片机供电。电路中使用的电容是电抗元件，起到了稳定电路电压的作用。

实施例6电机驱动模块。

本实用新型是以智能车的形式来呈现的，所有的器件都将在车体上完成连接并实现其相应的功能，让智能车运动起来的驱动芯片采用了美国的德州仪器公司生产的一款集成度很高的微型电机驱动芯片L293D。

图6所示为电机驱动模块的原理图。由图6可见，将L293D芯片使能端经过1K的电阻接到单片机最小系统的管脚，通过软件来控制引脚的电平来使能驱动芯片。T1和T2将分别连接到直流电机上，用芯片的四个OUT引脚的高或低来控制电机的正反转，从而决定了导盲车是前进、后退、左转、右转或是停止。注意芯片的输入电压要求为7V以上，故要将输入电压不经稳压芯片直接接到L293D的VCC。芯片的EN1和EN2脚是其使能端，两个使能端说明芯片有两个驱动器可以同时控制两个电动机转动，EN被置为1时，相应的驱动器启动可以控制电动机，反之EN被置为0时，相应的驱动器禁止。L293D的EN1和EN2分别由单片机的P1^4和P1^5来控制。L293D的四个OUT输出端引脚与输入端IN保持同相，四个IN端分别和单片机的P1^0、P1^1、P3^4和P3^7连接。

实施例7通信模块。

控制核心MCU和手机端的通信方式采用了OTG转串口技术。将手机端作为主机，MCU控制器作为从机，OTG线的micro USB口插入到手机，另一端与公对公USB数据线连接，并将公对公USB数据线插入MCU开发板上的USB母口，即完成了主机与从机的连接。为实现手机和单片机串口过程中的电平转换，采用南京沁恒生产的芯片CH340。

由图7可以看到，CH340的TX和RX引脚分别接到MCU的串口一，MCU的串口一位于单片机的P3^0和P3^1两个引脚，UD+和UD-与USB接口的DOUT和DIN数据接口相连，USB接口的另一端连接公对公USB数据线和OTG连接线，连接到手机，即完成硬件连接。图中还可以看出CH340在工作时需要提供12MHz的晶振。由于MCU工作时为TTL电平，故CH340工作时的芯片上的RS232管脚无需使用。

除此之外需要运用Java环境，开发一款手机客户端来对单片机传送的数据进行采集和处理，经算法转换成相应的语音信息。软件启用开机自启模式，无需手动操作。

实施例8人机交互功能的实现。

导盲系统采用五向开关控制单片机管脚的高低电平值，单片机来判断对应的管脚电平值之后，通过软件程序实现对电机驱动的调控，最终实现了使盲人在大致知晓前方路况时,可以按照自己的意愿控制导盲车随意更改运行方向。

为了提高安全系数，程序将人为控制功能设置为最高的优先级。即在盲人没有控制时采用根据传感器的检测情况来决定系统的运行方向，但在每一次进行相应的运行动作时，程序上都要事先检测下是否有人为控制的介入，如果有，就立即切入认为控制函数中去。

图8所示为本实用新型的五向开关原理图，开关的公共端和7、8管脚接地，其他端口全部经过一个10K欧姆的上拉电阻之后接高电平。在近地端，每一个管脚都将接入单片机的P0口的相应管脚，开关处于断开状态时，所连接的P0口相应管脚将被置高电平，任何一个方向导通，该方向的对应P0_x将被置低电平。单片机不断扫描这些引脚，通过编写程序实现相应引脚置为低电平时分别执行前、后、左、右和紧急制动的动作。五项开关的引入，使得导盲车更加智能化，增强了人机交互的功能，当盲人大致了解前方路面状况时，盲人可以在任意时刻按照自己的想法改变导盲车的运行轨迹，为盲人提供了便利的同时，也极大的增强了盲人出行的安全性，因为人为控制系统运行方向这一手段将被置为最高优先级，盲人可以在任何时刻实现系统紧急制动。无操作时，系统将自动切换为根据各个传感器信息智能运行状态。