【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)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(jìn)的能力，但卻同樣需要一個探測系統(tǒng)來探測行進(jìn)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(shù)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(shù)，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(dǎo)5 盲犬一樣提供給盲人心理 的安全感和依賴感 [8]。 引導(dǎo)式手杖 較為新穎的導(dǎo)盲機器設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(fù)擔(dān)，大大提高機器的可移植性；系統(tǒng)復(fù)雜度減小之后，可以著重在感測系統(tǒng)與導(dǎo)航輔助 技術(shù)的設(shè)計上；輪子拐杖的機構(gòu)設(shè)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(dǎo)引式手杖的設(shè)計可以禰補目前拐杖、電子式行進(jìn)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(xué)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(dǎo)盲犬。這種引導(dǎo)手杖由三部分構(gòu)成：手柄、機架和車輪。在使用時，使用者握住手柄，推動 GuideCane 行進(jìn)。通過手柄上的微型控制桿，設(shè)定行進(jìn)目標(biāo)方向。根據(jù)超聲探頭獲得的信息，運用 VFH 技術(shù)，計算機產(chǎn)生周圍環(huán)境的虛擬地圖，通過伺服電機，控制轉(zhuǎn)向輪的方向，引導(dǎo)使用者行進(jìn)。 GuideCane 與 NavBelt 相比是將原先有人背負(fù)的設(shè)備轉(zhuǎn)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(fù)擔(dān)，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(nèi)容 隨著超聲波檢測技術(shù)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(nèi)容是基于 單片機 的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計的理念是低成本，操作簡單，功能完善，便于攜帶的導(dǎo)盲產(chǎn)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(xiàn)對周圍障礙物的檢測功能。 在探路模式下 系統(tǒng)能夠 實現(xiàn)超聲波測距，當(dāng)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(xiàn)通信功能。如遇到緊急情況，用戶可實現(xiàn)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(zhǔn)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(xiàn)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(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲音來定向。根據(jù)蝙蝠的這種仿生學(xué)原理，超聲檢測與識別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是醫(yī)用以及工業(yè)領(lǐng)域中，如醫(yī)學(xué)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(zhǔn)確度高的特點，通過發(fā)射具有特征頻率的 波對被射目標(biāo)進(jìn)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(yīng)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(chǎn)生的條件是首先要有一個作機械振動的質(zhì)點作波源，其次要有傳播振動的彈性介質(zhì)。此外，當(dāng)振動傳播時，振動的質(zhì)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(dāng)大的頻率范圍內(nèi)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(zhì)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(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)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(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)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(zhì)中傳播時，其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)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(zhì)的粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成介質(zhì)間的內(nèi) 摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗；散射衰減是由于聲波在遇到媒質(zhì)界面時，向不同的9 方向產(chǎn)生散射，從而導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)中聲波的衰減僅來自于聲波的擴散。在實際的應(yīng)用中，一般選用 30K～ 200KHz 的超聲波進(jìn)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(xiàn)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(shù)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(zhì)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(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量的傳播形式，都能在媒質(zhì)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(fù)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(zhì)中能夠沿直線定向的傳播。超聲的這些 特性被廣泛的應(yīng)用于超聲波探傷、測距以及超聲成像技術(shù)中。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的用于產(chǎn)生和接收超聲波的器件，它既能夠把其他形式的能轉(zhuǎn)化為所需頻率的超聲能又能夠把超聲能轉(zhuǎn)化為其他形式的能 [11]。 10 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)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(xí)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(yīng)來工作的 ,逆壓電效應(yīng)是將高頻電振動轉(zhuǎn)化為高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波；而正壓電效應(yīng)，是將超聲振動波轉(zhuǎn)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(shù) 超聲傳感器有許多不同的結(jié)構(gòu)，根據(jù)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(biāo)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(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于 壓電介質(zhì) 機械能 電能 正壓電效應(yīng) 負(fù)壓電效應(yīng) 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(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。 根據(jù)傳感器的等效機電六端網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負(fù)載（或接收聲負(fù)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(yīng)遠(yuǎn)低于居里點溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)到 +290℃時靈敏度可降低 6%。一旦達(dá)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(nèi)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(dāng) 40KHz 的電壓脈沖信號由導(dǎo)線輸入傳感器后，由壓電陶瓷晶片將此電信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(dá)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(jù)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(guān)，空氣中聲速與溫度的關(guān)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(zhǔn)確的定位信息。 GSM 網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，具 有穩(wěn)定可靠地特點。 本系統(tǒng)將 GSM 技術(shù)與 GSM 短消息業(yè)務(wù)相結(jié)合，利用串口分用實 現(xiàn)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(gòu)成及基本定位原理 本系統(tǒng)應(yīng)用 以 M89 為核心的 GPS 模塊 進(jìn)行 經(jīng)緯度 數(shù)據(jù)的采集和 處理 。 在緊急情況下用戶可通過 GSM 模塊將經(jīng)緯度信息發(fā)送到固定手機。 GPS 系統(tǒng)的構(gòu)成和特點 作為全球?qū)Ш筋I(lǐng)域內(nèi)一種全新的技術(shù)， GPS 全球定位系統(tǒng)主要利用衛(wèi)星進(jìn)行定位。 GPS 最初由美國政府機構(gòu)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(dǎo)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(xiàn)可應(yīng)用于多領(lǐng)域 (如民用航空，車輛調(diào)度管理，深海海運等整個海陸空范圍內(nèi)的導(dǎo)航等 )，特別是在目前的車載導(dǎo)航領(lǐng)域，GPS 全球衛(wèi)星定位技術(shù)更是具有廣泛的應(yīng)用 [14]。 14 GPS 系統(tǒng) 由 地面控制部分 、 空間部分 、 用戶設(shè)備部分 三大部分 構(gòu)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(shè)在美國本土科羅多拉。主控站的任務(wù)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)