【文章內容簡介】 設計理念來自于移動式機器人與盲人兩者在運 動上的相似性。移動式機器人與盲人同樣具有執(zhí)行運動、行進的能力，但卻同樣需要一個探測系統(tǒng)來探測行進路上的障礙物并加以躲避，因此直接將移動式機器人的障礙物躲避系統(tǒng)穿載在盲人的身上，盲人作為半被動的接受障礙物躲避系統(tǒng)命令的運動工具，并且具有比移動式機器人更靈活的行動能力。該裝置由安放 8 個超聲探頭的腰帶、置于背包的小型計算機和立體聲耳機組成。超聲探頭收發(fā)一體，聲束角為 150，采用誤差消除快速超聲激發(fā)理論 可以消除重疊干擾，均勻排列的 8 個探頭可以探測到 120176。范圍的物體。 OAS 運用矢量場直方圖技術將超聲探 頭獲得的信息加以處理，通過立體聲耳機，采用立體聲圖像技術，指引使用者行走。 NavBelt 因為是穿載在盲人的身上的，因此無法像導5 盲犬一樣提供給盲人心理 的安全感和依賴感 [8]。 引導式手杖 較為新穎的導盲機器設計是在拐杖的末梢接上一組載有許多傳感器、小型控制計算機而下方裝有導輪的移動式平臺，也就是將原本移動式機器人的動力系統(tǒng)移除，保留智能感測的部分。這樣的架構特點是：舍棄動力裝置，可充分減少機器的體積重量及盲人的負擔，大大提高機器的可移植性；系統(tǒng)復雜度減小之后，可以著重在感測系統(tǒng)與導航輔助 技術的設計上；輪子拐杖的機構設計相對于 NavBelt，在心理層面上可以給予盲人較大的依賴感與安全感。因此導引式手杖的設計可以禰補目前拐杖、電子式行進輔具、移動式機器人及 NavBelt 的缺點 。目前 已存在的 此類型 機器主 要是 Borenstein 的 GuideCane。 GuideCane 的概念形成于 1995 年，它是美國密西根大學繼 NavBelt 之后研發(fā)的，它的外形類似一種立式吸塵器或一臺割草機，可看作為電子導盲犬。這種引導手杖由三部分構成：手柄、機架和車輪。在使用時，使用者握住手柄，推動 GuideCane 行進。通過手柄上的微型控制桿，設定行進目標方向。根據超聲探頭獲得的信息，運用 VFH 技術，計算機產生周圍環(huán)境的虛擬地圖，通過伺服電機，控制轉向輪的方向，引導使用者行進。 GuideCane 與 NavBelt 相比是將原先有人背負的設備轉至拐杖末端的移動式平臺上，減少了機器的體積重量給使用者帶來的負擔，提高了可操作性。 GuideCane 的缺點是體積還是過于龐大，不便于攜帶，而且成本較高，所以不便于推廣。 本系統(tǒng) 的主要研究內容 隨著超聲波檢測技術的發(fā)展，避障的方法也越來越多樣，本系統(tǒng) 主 要 的研6 究 內容是基于 單片機 的超聲波導盲系統(tǒng)設計，設計的理念是低成本，操作簡單，功能完善，便于攜帶的導盲產品。系統(tǒng)的核心硬件采用 ST 公司新推出的基于STC89 系列處理器，通過其對外圍電路的控制以自身強大的 信號處理能力實現對周圍障礙物的檢測功能。 在探路模式下 系統(tǒng)能夠 實現超聲波測距，當距離為警戒距離時，語音模塊將提示信息通過語音模塊提醒用戶，同時 LED 燈明滅以通知路人；在通信模式下 用戶可撥打固定電話實現通信功能。如遇到緊急情況，用戶可實現一鍵緊急報警功能，將 GPS 定位信息通過 GSM 發(fā)送到固定手機，以便得知用戶信 息 . 7 2 超聲波測距 的工作原理 蝙蝠擅長在黑夜中飛行，在漆黑的環(huán)境里仍能夠準確的判斷物體的方位及距離，并能有效的避開樹、建筑物等障礙物，以極快的速度精確地飛翔，蝙蝠的這種功能是通過回聲定位來實現的。所謂回聲定位，就是某些動物能通過口腔或鼻腔把從喉部產生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲音來定向。根據蝙蝠的這種仿生學原理，超聲檢測與識別技術得到了廣泛的應用，特別是醫(yī)用以及工業(yè)領域中，如醫(yī)學超聲檢測，超聲探傷等。超聲波具有傳播速度慢，指向性強，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感的特點，同時超 聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制的特點 [3]。 超聲波 超聲波具有定向好、穿透性好、測距范圍寬和 準確度高的特點，通過發(fā)射具有特征頻率的 波對被射目標進行探測，超聲波傳感器 比較耐臟污，即使傳感器上有塵土也可以測量，便于盲人在使用過程中適應不同的環(huán)境。 超聲波概述 聲波按頻率高低不同可分為四種 [7]：頻率在 16KHz～ 20KHz 之間的機械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于 16KHz 的機械波稱為次聲波；高于 20KHz 的機械波稱為超聲波；高于 10MHz 的機械波稱為特超聲波。聲波產生的條件是首先要有一個作機械振動的質點作波源，其次要有傳播振動的彈性介質。此外，當振動傳播時，振動的質點并不隨波而移走，只是在自己的平衡位置附近8 振動而已，這與電磁波是完全不相同，與光波也不同 [8]。因此超聲 波 作為一種高于人的聽覺范圍的聲波，與光波與電磁波不同，是一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播；電磁波的傳播速度為 3000Km/s，而超聲波的傳播速度為 340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的，對于相同頻率的情況下波長較短，因此 可以提高測量的分辨率；超聲波在相同的傳播媒體里傳播速度相同，即在相當大的頻率范圍內聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，作為縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質的分子運動而傳播的[10]。超聲波作為一種特殊的聲波，同時又具有方向性好，加速快等特點，而且波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米，因此與可聽聲波比較，超聲 波在傳播特性和功率特性都有一定的優(yōu)勢。 在傳播特性上， 超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的 波長越短，這一特性就越顯著。 在功率特性上， 當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。 超聲波衰減 聲波在媒質中傳播時，其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現象，統(tǒng)稱為聲波的衰減。聲波的衰減主要分為三種主要類型 [11]：吸收衰減、散射衰減和擴散衰減。其中，吸收衰減主要是由于傳播介質的粘滯性，使超聲波在介質中傳播時造成介質間的內 摩擦，從而使一部分聲能轉化為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗；散射衰減是由于聲波在遇到媒質界面時，向不同的9 方向產生散射，從而導致聲波減弱；擴散衰減則是由聲源特性引起的，是因為聲波傳播過程中因波陣面的面積擴大導致的聲強減弱，若聲源輻射的是球面波，其波陣面隨 r增大，聲強隨 r減弱。在理想介質中聲波的衰減僅來自于聲波的擴散。在實際的應用中，一般選用 30K～ 200KHz 的超聲波進行距離測量，比較典型的頻率為 40KHz。 超聲波傳感器 超聲波傳感器具有測量方式原理簡單、易于實現和 測量的精 度高 的特點。由于 超聲波傳感器有一定的覆蓋性， 所以 可以用較少的傳感器數量覆蓋較大的測量范圍。 超聲波傳感器的 特點 超聲和可聞聲在本質上是一致的，它們都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量的傳播形式，都能在媒質中發(fā)生反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，其不同點是超聲頻率高，波長短。由于聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功，而且在相同強度下聲音的頻率越高做功也越多，因此與一般的聲波相比，超聲波的功率要大得多。同時超聲波的波長非常短，通常的障礙物的尺寸要比超聲 波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射特性也很差，在均勻介 質中能夠沿直線定向的傳播。超聲的這些 特性被廣泛的應用于超聲波探傷、測距以及超聲成像技術中。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的用于產生和接收超聲波的器件，它既能夠把其他形式的能轉化為所需頻率的超聲能又能夠把超聲能轉化為其他形式的能 [11]。 10 超聲波傳感器的結構及原理 目前常用的超聲波傳感器主要分為 電聲型與流體動力型兩類。其中電聲型主要有 壓電傳感器 、 磁致伸縮傳感器 和 靜電傳感器 [15]。在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè) 中采用的流體動力型傳感器稱為 “ 哨 ”或 “ 笛 ” 。 包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。超聲探頭以壓電式最為常用。傳感器超聲探頭的工作原理如圖 所示。它 的材料主要是壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電材料的壓電效應來工作的 ,逆壓電效應是將高頻電振動轉化為高頻機械振動，從而產生超聲波；而正壓電效應，是將超聲振動波轉化為電信號。 圖 超聲波發(fā)送接收原理圖 傳感器的主要參數 超聲傳感器有許多不同的結構，根據壓 電晶片的直徑和厚度的不同，每個探頭的性能是不同的，其主要的性能指標包括 中心頻率、靈敏度、阻抗特性和工作溫度。 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當施加于它兩端的交變電壓頻率等于 壓電介質 機械能 電能 正壓電效應 負壓電效應 11 晶片的中心頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測距越短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有 30KHz、 40KHz、 75KHz、200KHz、 400KHz 等。 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數值為負，它主要取決于晶片材料及制造工藝。 根據傳感器的等效機電六端網絡圖，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面換能器與 發(fā)射電路（或接收電路）末級電阻應該匹配；另一方面換能器應該與輻射聲負載（或接收聲負載）匹配。 工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應遠低于居里點溫度。以石英晶片為例，當溫度達到 +290℃時靈敏度可降低 6%。一旦達到居里溫度點 (+573℃ )，就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在 20℃ ~+70℃溫度范圍內可以長期工作。 超聲檢測的原理和方法 超聲檢測與超聲測距所用的方法類似。超聲測距的方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等 [14]。其中相位檢測法精度高，但是監(jiān)測范圍有限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響，采用最多的是往返時間檢測法。往返時間檢測法的基本原理在聲速已知的情況下通過測量發(fā)送信號與接收信號之間的時間差來計算障礙物的距離，原理圖如圖 所示。具體的說就是當 40KHz 的電壓脈沖信號由導線輸入傳感器后，由壓電陶瓷晶片將此電信號轉換成機械振動，這種機械振動通過空氣向外發(fā)送出去，發(fā)送出的超聲信號向空中各方向沿直線傳播，遇到障礙物反射回來。傳感器在接收到反射回來的回波信號后再次將機械振動轉變?yōu)殡妷盒盘柕牟▌?。此時得到的電壓脈沖 信號非常的微弱，經過后極的放大電路等的處理后被采集處理 [12]。 12 圖 超聲測距工作原理圖 若已知聲速為 c，測出的第一個回波到達的時間與發(fā)送超聲波的時間差為 t,測量發(fā)射點到障礙物再到接收點的距離為 2s，根據公式 CTS 21? ,可得到傳感器與障礙物之間的距離 。22 2 ???????? HSD ,工作原理如圖 所示，對于收發(fā)同體式傳感 器來說 h=0，所以 d=s。 聲波的速度 c 與溫度 T 有關，空氣中聲速與溫度的關系為： ( .1) TTC ???? 但一般情況下我們將聲速定為 340m/s。 H D S 13 3 GPS 和 GSM 的工作原理 GPS 全球定位系統(tǒng)具有定位精度高、高效率、多功能、 操作簡便和范圍 廣泛的優(yōu)點?？梢詾楸鞠到y(tǒng)提供準確的定位信息。 GSM 網絡可以實現無線數據傳輸，具 有穩(wěn)定可靠地特點。 本系統(tǒng)將 GSM 技術與 GSM 短消息業(yè)務相結合，利用串口分用實 現單片機與 GSM 模塊通訊 ,巧妙地克服了 STC89C52 單片機只有一個串口的問題。 在 超聲波探路的同時，加以 GPS 模塊 ， GSM 模塊可以得到用戶的具體位置，實用有效。 GPS 系統(tǒng)的構成及基本定位原理 本系統(tǒng)應用 以 M89 為核心的 GPS 模塊 進行 經緯度 數據的采集和 處理 。 在緊急情況下用戶可通過 GSM 模塊將經緯度信息發(fā)送到固定手機。 GPS 系統(tǒng)的構成和特點 作為全球導航領域內一種全新的技術， GPS 全球定位系統(tǒng)主要利用衛(wèi)星進行定位。 GPS 最初由美國政府機構控制使用，是目前世界上最為成熟和完好的全世界衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它由 24 顆衛(wèi)星組成 ， 早期的 GPS 系統(tǒng)對民用信號的定位精度限制為 100 米左右， 20xx 年后則取消這一限制。目前， GPS 可以提供的民用信號定位精度為 10米左右。 GPS 現可應用于多領域 (如民用航空，車輛調度管理，深海海運等整個海陸空范圍內的導航等 )，特別是在目前的車載導航領域，GPS 全球衛(wèi)星定位技術更是具有廣泛的應用 [14]。 14 GPS 系統(tǒng) 由 地面控制部分 、 空間部分 、 用戶設備部分 三大部分 構成。 地面控制部分即地面監(jiān)控系統(tǒng) 包括一個主控站、三個注入站和五個檢測站。主控站設在美國本土科羅多拉。主控站的任務是 收集、處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)