基于超聲波測距和PSD紅外測距的智能語音導(dǎo)盲器

摘要：設(shè)計(jì)了一種以超聲波測距和PSD紅外測距為核心的智能語音導(dǎo)盲器。利用STC12C5A60S2單片機(jī)循環(huán)采樣，ISD1700語音芯片作語音提示，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲提示的功能。整個(gè)導(dǎo)盲裝置將放置于使用者頭部，其中，超聲波探測器探測方向可隨使用者頭部指向變化而變化，探測距離為5 m，精確到百分位，通過耳機(jī)向使用者報(bào)數(shù)，實(shí)現(xiàn)方向與距離的精確指示。
關(guān)鍵詞：超聲波測距；紅外測距；三角測量原理；語音提示

0 引言
    我國是世界上盲人最多的國家，約有900萬視力殘疾者，占全世界的盲人總數(shù)的1／5左右，每年會(huì)新增盲人45萬，即約每分鐘增加一人。完全失明的盲人，在行動(dòng)引導(dǎo)方面遇到了很大的困難。傳統(tǒng)的手杖無法及時(shí)地告知盲人前方障礙物的具體位置。因此，一種廉價(jià)實(shí)用的智能導(dǎo)盲器的意義重大。
    本文設(shè)計(jì)了一種以超聲波測距和PSD紅外測距為核心的智能語音導(dǎo)盲器。利用STC12C5A60S2單片機(jī)循環(huán)采樣，ISD1700語音芯片作語音提示，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲提示的功能。本設(shè)計(jì)著重于解決使用者對前方障礙物的感知，因此本設(shè)計(jì)的超聲波探測器探測方向，隨使用者頭部指向變化而變化，與使用者頭部指向完全一致，且探測距離為5 m。通過耳機(jī)向使用者報(bào)數(shù)，精確到百分位，實(shí)現(xiàn)方向與距離的精確指示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示本設(shè)計(jì)由探測，處理，提示3大部分組成。其中探測模塊由中央探測和側(cè)翼探測2個(gè)部分組成，探測模塊所輸出的信號(hào)發(fā)送給STC12C5A60S2單片機(jī)，通過A／D轉(zhuǎn)換、判別并通過語音芯片和震動(dòng)器作距離提示。

2 探測模塊
    本設(shè)計(jì)中央探測模塊使用超聲波探測，其測距原理為超聲波裝置發(fā)射超聲波并接受反射回波，通過兩者時(shí)間差t，利用公式d=v0t／2計(jì)算距離，d為超聲波發(fā)射裝置與障礙物的距離；v0為聲波在介質(zhì)中傳播的速率(，T為攝氏溫度)。探測范圍可達(dá)4～500 cm，探測角約為30°(見圖2)，分辨率達(dá)1 cm，誤差少于1％，探測距離以數(shù)字量的形式通過TTL模式和單片機(jī)通信，因此完全可以滿足探測精度。探測范圍如圖2所示。

    本設(shè)計(jì)側(cè)翼探測模塊使用紅外測距傳感器探測。該探測器采用三角測量原理(如圖2所示)，可以測得裝置到障礙物的距離(20～150 cm)，探測角15°(見圖3)，距離以模擬量輸出，經(jīng)單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換后，根據(jù)需要設(shè)置多重范圍報(bào)警。本設(shè)計(jì)的3個(gè)探測器將分別負(fù)責(zé)3個(gè)方向的探測，角度設(shè)置如圖3所示。

    中間的探測器指向正前方，左右兩邊的探測器中線各與中線成90°角，這樣就可以組成一個(gè)可以探測前半球180°的模組。
    紅外測距傳感器三角測量原理：激光三角法測距的基本原理是基于平面三角幾何。其方法是讓一束激光經(jīng)發(fā)射透鏡準(zhǔn)直后照射到被測物體表面上，由物體表面散射的光線通過接收透鏡會(huì)聚到高分辨率的光電檢測器件上，形成一個(gè)散射光斑，該散射光斑的中心位置由傳感器與被測物體表面之間的距離決定。而光電檢測器件輸出的電信號(hào)與光斑的中心位置有關(guān)。因此，通過對光電檢測器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理就可獲得傳感器與被測物體表面之間的距離信息。為了達(dá)到精確的聚焦，發(fā)射光束和光電檢測器件受光面以及接收透鏡平面必須相交于一點(diǎn)。

    紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束會(huì)反射回來，測量示意圖如圖4所示。反射回來的紅外光線被光感應(yīng)板檢測到以后，會(huì)獲得一個(gè)偏移值L，利用三角關(guān)系，在知道了發(fā)射角度α，偏移距L，中心矩X，以及濾鏡的焦距f以后，傳感器到物體的距離D就可以通過幾何關(guān)系D=fX／L計(jì)算出來了。當(dāng)距離D足夠小時(shí)，L值會(huì)相當(dāng)?shù)拇螅^光感應(yīng)板的探測范圍，這時(shí)，雖然物體很近，但是傳感器反而看不到了。當(dāng)物體的距離D很大時(shí)，L值就會(huì)很小，這時(shí)光感應(yīng)板能否分辨出這個(gè)很小的L成為關(guān)鍵，也就是說光感應(yīng)板的分辨率決定能不能獲得足夠精確的L值。要檢測越是遠(yuǎn)的物體，光感應(yīng)板的分辨率要求就越高。

3 信號(hào)處理模塊
    本設(shè)計(jì)選用了自帶A／D轉(zhuǎn)換的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控模塊，與ISD1700語音芯片通過SPI數(shù)據(jù)總線連接和通信，如圖5所示，振動(dòng)電路如圖6所示。單片機(jī)通過SPI總線直接控制ISD1700語音芯片，輸出預(yù)先錄制好的語音片段。

    本設(shè)計(jì)單片機(jī)的處理流程圖如圖7所示。

    如圖7探測模式如下，探測器模組將以中左右依次探測及報(bào)警。由于超聲波所測距離很短，紅外探測器發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)間極短，單片機(jī)時(shí)鐘頻率也有12 MHz，其探測延時(shí)極短，因此，這種執(zhí)行方式對人判別障礙物沒有影響。

4 聲音報(bào)警模塊
    本設(shè)計(jì)的報(bào)警提示將以一定時(shí)間間隔以振動(dòng)頻率／語音連續(xù)提示。超聲波測距器所探測到的距離將以語音的方式提示使用者，形式為X．XX m，精確到百分位。紅外探頭則將20～150 cm分為兩段，即20～70 cm和70～150 cm。第1個(gè)區(qū)間震動(dòng)器將在1 s內(nèi)振3次，第2個(gè)區(qū)間在1 s內(nèi)振1次以分清距離，如圖8所示。

5 系統(tǒng)工作過程簡述
    系統(tǒng)的簡略圖如圖9所示。如圖5所示，IR、US分別為紅外探測器和超聲波探測器。分別負(fù)責(zé)左、中、右的探測。IR根據(jù)所探測的距離輸出相應(yīng)模擬量，距離與信號(hào)大小對應(yīng)關(guān)系如圖10所示。

    如圖5所示，負(fù)責(zé)正中間探測的超聲波探測器探測距離為4～500 cm，單片機(jī)的P10(RXD)，P11(TXD)與超聲波探測器的TXD，RXD相接并通過這兩個(gè)端口通信。超聲波探測器(Ultrasonic)將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行判別后，通過P2．4～P2．8的SPI總線接口發(fā)送指令給語音芯片，語音芯片根據(jù)接收到的指令將預(yù)先錄制好的語音(一、……九、零、米、前方距離)按照一定排序輸出到耳機(jī)(以X．XX m的方式，精確到百分位)，提示使用者。另外，還可以通過自定義鍵，令語音芯片播放當(dāng)前溫度的語音。
    負(fù)責(zé)左右兩邊的紅外探頭(IR Sensor)探測范圍20～150 cm，其信號(hào)線與單片機(jī)的P1．0，P1．1相連，紅外探頭所探測到的距離以模擬量輸出，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換后判別，并輸出相應(yīng)脈沖給P0．0，P0．1口，使三極管導(dǎo)通，從而使振動(dòng)器振動(dòng)(圖6)。
    如圖5所示，語音芯片的P4～P7口接收到單片機(jī)指令后，將相應(yīng)語音按一定排序，通過P17 AUX端口輸出到耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)語音提示。

6 系統(tǒng)測試
    首先，對硬件電路進(jìn)行電氣檢查，排除電路出現(xiàn)短路等故障發(fā)生的可能性；其次，首先進(jìn)行仿真測試，超聲波探測器通過RS 232接口連接到電腦(見圖11)，利用專用軟件，進(jìn)行軟件測試，如圖12，圖13所示。最后進(jìn)行實(shí)際測試。

    (1)測試報(bào)警系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能
    測試環(huán)境：白天實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，溫度約30℃。首先，燒入以5 s為一個(gè)循環(huán)的單片機(jī)程序。經(jīng)測試，系統(tǒng)首先以語音報(bào)出“前方距離X．XX m”，而后左右振動(dòng)器依次按所測距離震動(dòng)，以5 s為一個(gè)循環(huán)，不斷間斷地報(bào)數(shù)／振動(dòng)作提示。
    其次，燒入另一組程序，通過兩個(gè)不同的自定義鍵，實(shí)現(xiàn)語音報(bào)數(shù)，例如：“前方距離3．74 m”，“29．74℃”，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。
    (2)報(bào)警系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性
    系統(tǒng)連續(xù)開機(jī)2 h，每隔15 min，檢查系統(tǒng)一次，系統(tǒng)長時(shí)間開機(jī)后仍能正常工作。

7 結(jié)論與展望
    本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多重距離探測，多向距離探測和多重報(bào)警語音提示的功能。在設(shè)計(jì)過程中，堅(jiān)持小型、快速、實(shí)用、智能的思想，盡可能地實(shí)現(xiàn)更多的功能。為此，選定探測距離為4～500 cm的超聲波探頭和20～150 cm的紅外探頭做多重距離提示。
    目前國內(nèi)外的導(dǎo)盲器都是采用比較成熟的超聲波測障，而更人性化的導(dǎo)盲器會(huì)具有圖像處理系統(tǒng)或者GPS定位系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在正面探測仍采用成熟的超聲波，并以一定向下的傾角，探測地上障礙物，作為取代導(dǎo)盲杖的一種嘗試。用紅外探頭作左右兩邊的探測，使裝置成本大幅下降，且體積小功耗低。本裝置成本合理，而具有圖像處理系統(tǒng)或者GPS定位系統(tǒng)的導(dǎo)盲器價(jià)格很高。因此本設(shè)計(jì)有一定實(shí)用價(jià)值。