1、第 1 页 共 40 页超声导盲系统的设计与探索摘要超声导盲系统在我国应用范围广，不仅应用于盲人导路，而且在地下矿物工作人员应急和深海探测等领域都有着极为重要的作用和意义。近期我国矿难频发，位于黑暗的环境中逃生有了导盲装置的帮助，可以轻松的适应黑暗，有助于保障人身安全。本课题模仿蝙蝠的超声应用能力和原理，在研究现有的电子式超声波导盲系统的基础上，应用回声定位原理，在获得障碍物的距离信息的基础上，获得超声回波的强度信息，研制了一套导盲实验系统。单片机开发的超声导盲装置，相对来说具备低成本、精确和实用的优点。这不但体现了对弱势群体的一种人文关怀，而且对于建设和谐社会具有积极的意义。本实验系统的硬件
2、部分基于MSP430F149单片机，使用两组超声波探头，设计了双通道超声波发射和接收电路。使用数字电位器的自动增益放大电路，在获得障碍物的距离信息的基础上，获得超声回波的强度信息。使用独特的单峰滤波器，有效消除环境噪声的干扰。温度测量电路，获得环境温度，提高超声测距的精度。硬件上采用便携式、低电压、低功耗设计。本课题的创新之处在于以往的导盲系统只获得障碍物的距离信息，本课题使用自动增益控制，获得超声回波的强度信息。回波强度可以初步提示障碍物的大小和材质，从而增加了对盲人提示的信息内容。关键词：超声，导盲，单片机第 2 页 共 40 页Ultrasonic blind system design
3、 and explorationABSTRACTUltrasonic blind system wide application in China, not only applied to the blind guide-way, and emergency staff in the ground and deep sea mineral exploration and other fields has a very important role and significance. The recent mine disaster in China, located in a dark env
4、ironment to escape with the help of guiding equipment, can easily adapt to darkness, helps to protect the personal safety. This topic imitate the bats ultrasonic application capabilities and principles existing in the study of electronic ultrasonic blind system based on the application of principles
5、 of echolocation, the distance between obstacles in access to information based on the strength of received ultrasonic echo information developed a system of blind experiment. Single Chip ultrasound guiding equipment, relatively low cost, accurate and practical advantages. This not only reflects a k
6、ind of humanistic care of vulnerable groups, but also for building a harmonious society has a positive meaning. In our system, the hardware part of the MSP430F149 microcontroller based on the use of two ultrasonic probes designed dual-channel ultrasonic transmitter and receiver circuits. Digital pot
7、entiometer automatic gain amplifier circuit, the distance between obstacles in access to information based on the strength of received ultrasonic echo information. Single peak using a unique filter to effectively eliminate the interference of environmental noise. Temperature measurement circuit to o
8、btain the ambient temperature, to improve the accuracy of ultrasonic ranging. Hardware, using portable, low voltage, low power design. The innovation is the subject of previous blind system received only obstacle distance information, the subject of using the automatic gain control, get the intensit
9、y of ultrasonic echo information. Echo intensity can initially prompted the size and material obstacles, thereby increasing the information content of the blind tips. Key words: ultrasound, blind, single chip 第 3 页 共 40 页1 绪论1.1 课题概述1.1.1 超声导盲装置的背景我国有盲人人口500万，占世界盲人总数的18%，盲人行走不便是他们生活中面临的一大难题，他们在独自行走时
10、主要依靠导盲装置，然而手杖探路作用的局限性和导盲犬的高成本都并不太适用于盲人导盲。随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单、方便成为了人民普遍追求的生活理念。盲人既是普通人民中的一员，又是一个特殊群体。他们由于先天的生理缺陷在日常生活中比常人会遇到更多的不方便，不能准确及时地躲避障碍物就是一个重要的弊端。如果有一根既轻巧，又便宜，同时又能及时地识别周围障碍物并发出报警信号的手杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大的方便。因此，单片机开发的超声导盲装置，相对来说具备低成本、精确和实用的优点。这不但体现了对弱势群体的一种人文关怀，而且对于建设和谐社会具有积极的意义。同时随着计算机技术、自动
11、化技术及工业机器人的不断出现，测距与识别技术在工业中已经得到了普遍的发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用与民用领域也变得十分重要。这里介绍的倒盲杖系统设计就是很好地结合二者产需的例子。因为超声波传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，因此该系统采用超声波检测的方法实现对障碍物的识别。本研究针对盲人对行走的迫切需要，模仿蝙蝠应用超声的能力和原理，参照以往国外的导盲系统，在国内首先开展研制超声波导盲系统，设计制作了一套完整的超声波导盲系统。本系统造价低廉，操作简单，携带方便
12、，易于推广。1.1.2 系统超声仿生学声波按频率特性分为调频声(FM)、恒频声(CF)及准恒频声 (QCF)。调频声(FM)是指在很短的时间内，声波从一个频率变化到另一个频率，在“频率-时间”图像上表现为一条斜线，通常脉冲时间较短，频带宽度超过一个八度。几乎所有的蝙蝠的FM声波都是下调的。FM声波的每一个谐波各自的扫描带宽被称为该谐波的带宽，各谐波扫描带第 4 页 共 40 页宽之和为该声波的带宽。恒频声(CF)是以很窄的频带发出的回声定位声波，其频率基本恒定。CF的持续时问很短 (1-10ms)，有的很长(10-50ms)。蝙蝠按回声定位叫声分为以下三类：(1)FM，(2)长CFFM，(3)
13、短CF FM 。固定频率的声音对于探测目标物体的存在，以及目标物与本身之间的相对速度上非常有效。根据多普勒效应，当发出固定频率的蝙蝠与目标物逐渐接近，蝙蝠听到的声波频率将会逐渐增高。调频频率的声音对提供有关距离、方位和材质的信息较为有效。蝙蝠的回声定位声波的特征可由以下几个参数描述：声脉冲时间：蝙蝠所使用的声脉冲时间范围在0.2100ms之间。依时间长短分为三组：极短(10ms) 。谐波结构：蝙蝠的声波中可容纳15条谐波。谐波是基频的整数倍，基频在正常情况下往往很弱，最强的是第二谐波。每种谐波都有特定的频率或频率范围。蝙蝠通过使用多谐波的定向声波增加了对物体的辨别能力。频率特征：菊头蝠科和蹄蝠
14、科的蝙蝠都有特异性的cF频率，蝙蝠科蝙蝠的频率范围和主频率在种内稳定不变，长波声波遇到小物体时发生衍射，不能产生精确的回声，所以蝙蝠多采用高频声波，发射的声波波长较短且接近猎物大小时对目标有较好的识别。声强：蝙蝠定向声波的振幅大小不同，强度也有很大差别。尽管蝙蝠的听觉系统非常敏锐，但也只能对一定强度范围的回声产生反应，如果目标距离太远，或者回声太弱，就会被背景噪声所淹没。回声的强度取决于发射声波的强度、目标的大小和距离。蝙蝠在捕食过程中，根据猎物的相对距离可以相应地改变发射声波的强度，是回声声强稳定在一定的范围内，以便于分析处理，还可以根据声音的强弱区别猎物的大小，表现出一定的选择和偏爱性。蝙
15、蝠的回声定位是一个复杂而精确的生理功能，是长期进化的结果。本研究模仿蝙蝠超声应用能力和原理，选定并制作特定的超声发射和接收系统。根据蝙蝠行为和听觉中枢计算分析处理功能和原理，制作特定的超声回声接收转换加工系统；利用人听觉分辨力和特定听阈，将获得的信息进行听觉或触觉信号编码，转换成人可以简单获得的信息。制作超声仿生眼，以帮助盲人判定5m 以内的物件距离，大小和运动速度。这种利用生物超声波探物、捕食的原理所制成的仪器将高程度地反应环境信息。第 5 页 共 40 页一方面，帮助盲人处理部分日常生活，提高盲人生活质量，减轻家庭和社会负担，具有很高的社会效益；另一方面，通过对超声回声信息转换加工成人体可
16、学习的听觉信号编码程式，不仅为机器人仿生眼的制作提供新的理论基础，并直接提供机器人仿生眼雏型，也可用作夜间行走器，帮助非光环境作业，具有很高的实用价值和经济效益。1.2 导盲装置国际上使用最成功和最广泛的导盲工具是白色手杖(white cane)。这种纯机械的装置可以探测地面、不规则表面、坑洞、台阶和其他障碍物。白色手杖造价低廉，重量轻巧，甚至可以折叠放入口袋。白色手杖的缺点是使用者必须经过数百小时的训练；使用时必须不断动作，探测前方；只能探测接触到的物体，范围小；不能发现位于头部高度的障碍物；不适合在拥挤场合使用。我国的盲人手杖按其使用性质分为普通盲杖和盲聋杖跚。普通盲杖是不伴有听力残疾人使
17、用的手杖，因其主体为白色又称白手杖；盲聋杖则为视力同时又伴有听力残疾人使用的手杖，因其外观由红白两色条纹组成，又称红白手杖。导盲犬非常适合于盲人。但是经过完全训练的导盲犬价格昂贵，在 12000 至 20000美元之间，而且导盲犬的使用期只有五年左右，另外盲人很难照顾好导盲犬。因此，即使在美国，只有 1的盲人使用导盲犬。为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世界各国一直进行着导盲系统的研制。目前研发成功的导盲系统有：超声波导盲系统、无线电导盲系统、卫星导盲、盲人电子眼镜、红外线导向灯系统等。无线电、卫星导盲系统和红外线导向灯系统，以环境和患者双重装置，借助于外来信息，虽说反映的信息较多，但耗
18、资庞大，信息量固定，发展更新迟缓，而且也很不成熟；电子眼镜用光导和摄像原理将景物和周围物体成像转换成相应的听觉信号，信息质量固定，系统复杂、成本昂贵。超声系统实现成本低、使用方便、抗电磁干扰强、对光线不敏感、无电磁辐射，因此被广泛采用。1.3 超声导盲系统的发展状况已经研制成功的超声波导盲系统大体可以分为两类：基于电子技术的导盲仪(electronic travel aids，ETA)和基于机器人技术的导盲仪。在这些设备中，使用超声探头，探测周围环境。利用超声的物理特性(超声波回波定位的原理)，反映障碍物的位置。第 6 页 共 40 页1.3.1 基于电子技术的导盲仪随着雷达和声纳技术的发展，
19、在过去的近 40 年时间，许多电子行走帮助装置被研发出。这些 ETA 的工作原理都类似于雷达系统，采用超声作为探测波，沿一定的方向发射，经过障碍物的反射后被指定的传感器接收，获得障碍物的信息。Russell Pathsounder1完成于 1965 年，是最早使用超声的 ETA 之一。两个超声探头安放在挂在颈部，置于胸部高度的板上。这种仪器仅能产生三种滴答声，粗略地提示目标距离。Binaural Sonic Aid(Sonicguide) 2完成于 1974 年，它的外型类似于眼镜框，一个具有 55。声束角的广角超声发射器安放在镜架的中央，两个超声接收器被分别安放在镜框的两侧。两个接收器获得的
20、信号经过频移，分别传入左右耳。使用者根据传入两耳之间的声音强度差，可以判断出声音(障碍物)的方向。障碍物的距离被编码成可听低频声音的频率。结合使用者头部的运动，能清楚地获得障碍物的位置。Mowat Sensor3完成于 1977 年，是一个手持式超声测距仪器，使用者通过触觉获得振动感，提示障碍物的距离。振动的频率反比于传感器和物体之间的距离。结合使用白色手杖或导盲犬，Mowat Sensor 被发现行之有效。韩国的 YoungJip Kim4等人在 2001 年研发出 ETA，其探测组件分两部分：眼镜和手杖。安放在眼镜框两侧的两个超声发射接收探头，探测头部高度前方的物体；安放在有滚轮的手杖前端
21、的两个超声发射接收探头，探测地面高度前方的物体。两组探头获得的位置信息分别转化成可听的嗡鸣声送至立体声耳机，使用者借此判断周围环境。障碍物的方向信息转化为双耳间所听嗡鸣音的相位差和强度。障碍物的距离信息转化为嗡鸣声的频率，频率反比于距离。不同探测组件得到的嗡鸣声的音阶不同，从眼镜探测组件得到的音阶高。此款设计重量轻，体积小，便于携带；制造成本低，易于使用；低功耗，使用电池供电。Batcane 于 2002 年由英国利兹大学的 Dean Waters 和 Brian Hoyle 等人研制成功并投入市场 5。该仪器模仿蝙蝠的超声波回声定位法制成，外形与白色手杖相似。在手柄的下方安放有四个超声发射接
22、收探头，分别探测使用者头部高度、手柄前方与两侧的障碍物。该仪器将各个方向的障碍物的距离，转变为振动信号，引起手杖塑料柄上的四块垫子振动。物体越近，垫子的震动越强烈。使用者可以通过触觉感知周围环境嘲。ETA 基本上都具有以下的缺陷：使用者必须不断的进行扫描探测动作，发现障碍物后，第 7 页 共 40 页必须经过附加的测量才能知道其形状和尺寸，这使得行进的速度大为降低；如果使用声音提示，则周围环境的声音会被掩盖，丧失了对周围环境的声音的识别能力。但是ETA 结构相对简单，适合于微型化设计，便于携带；成本低廉，便于推广。1.3.2 基于机器人技术的导盲仪盲人在行走时躲避障碍物，遇到的问题与机器人类似
23、。以现有的技术，移动机器人本身不适合用来引导盲人驱动移动机器人的行进轮需要大容量的电池，使得移动机器人的体积、重量都较大。移动机器人在坡地、台阶等复杂地形的行动速度慢。机器人移动的速度与使用者不协调。但是开发导盲仪器，可应用机器人行走技术中的障碍物躲避系统(obstacle avoidance systems，0AS) 6。OAS 通过传感器探测障碍物的位置，制定行走计划。基于机器人技术的导盲仪，可以指示使用者行进方向，这就弥补了所有 ETA 的不足。美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员，运用移动机器人技术，成功研发出 NavBelt 和 GuideCane 两种盲人行走帮助装置 7。Na
24、vBelt8的概念形成于 1989 年，该装置由安放有 8 个超声探头的腰带、置于背包的小型计算机和立体声耳机组成。超声探头收发一体，声束角为 15 度，采用误差消除快速超声激发理论(Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing，EERUF)，可以消除重叠干扰，均匀排列的 8 个探头可以探测 120。范围的物体。OAS 运用矢量场直方图技术(Vector Field Histogram，VFH)将超声探头获得的信息加以处理，通过立体声耳机，采用立体声图像技术，指引使用者行走。GuideCane9的概念形成于 1995 年，它是在 NavBelt 的基础上加
25、以改进，继承了NavBelt 的优点，弥补了 NavBelt 的不足。GuideCane 的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机，可看作为子导盲犬。这种引导手杖由三部分构成：手柄、机架和车轮。在使用时，使用者握住手柄，推动 GuideCane 行进。通过手柄上的微型控制杆，设定行进目标方向。根据超声探头获得的信息，运用 VFH+技术，计算机产生周围环境的虚拟地图，通过伺服电机，控制转向轮的方向，引导使用者行进。GuideCane 较 NavBelt 更为方便实用，训练时间大大减少。由于 GuideCane 的轮子接触地面，根据轮子的运动轨迹，可以估算出仪器的实时位置。基于机器人技术的导盲系统，功
26、能上较 ETA 有很大提高，但是其体积庞大，不便于携带，成本高，不便于推广。第 8 页 共 40 页1.4 完成设计需要的工作（1）研究超声测距原理，通过仿生学，落实设计原理。（2）基于 MSP430F149 单片机，设计了硬件系统，完成两个通道的超声波测量。为了提高测量精度，设计了温度测量电路。（3）本系统使用数字电位器的自动增益放大电路，在获得障碍物的距离信息的基础上，获得超声回波的强度信息。软件上采用双阈值法，实现自动增益控制。（4）在 PC 机上进行声音模拟的虚拟仪器设计。以 LabVIEW 为操作平台，进行图形化编程。模拟出一定频率和强度的滴答声，对应障碍物的距离和回波信号强度，对盲
27、人进行提示。1.5 设计结构分配第一章通过对超声导盲的背景、技术结构和发展历史进行简述，对超声导盲系统有了初步的了解；第二章通过阐述超声波、超声测距原理、超声定位原理和超声传感器内容，对超声导盲系统设计有了进一步的了解，另外对 MSP430F149 单片机的结构和功能做了大致的介绍，选定 MSP430F149 作为超声导盲系统的核心芯片；第三章对本设计的硬件框架进行概述，并对其中发射电路、接收电路、接收放大电路、模拟开关、温度模块、通信模块进行了设计，并把超声导盲系统的硬件系统完整的设计出来；第四章设计了超声导盲系统的软件系统设计，包括单片机模块软件系统、程序流程、自动增益控制、抽头位置控制和
28、 LabVIEW 平台软件系统。第 9 页 共 40 页2 设计系统基础知识2.1 超声波特性和超声测距原理2.1.1 超声波特性超声波是频率高于 20000 赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差。超
29、声波具有以下特点：1.超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2.超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3.超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如 B 超等用作诊断） ；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构。2.1.2 超声测距原理超声波传感器分机械方式和电气方式两类 10，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声
30、波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，第 10 页 共 40 页输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：如渡越时间法（TOF） 、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用渡越时间法
31、（TOF）测距。渡越时间法（TOF）原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定 s 为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为 ts，超声波传播速度为vm.s 1 表示，则有关系式(2.1)s=vt2 (2.1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(2.2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=331.4+0.607T (2.2)式中，T 为实际温度单位为，v 为超声波在介质中的传播速度单位为 ms。表 2.1 声速与温度关系表温度 T/ -30 -20 -10 0 10 20 30声速 V/m.s-1313 319 322 331 337 344 350超声波发射超声波接收障碍物距离 s=vt/2
