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?，超過光感應(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。