多功能智能盲人拐杖助手
携带助行器，如拐杖或手杖 #生活常识# #生活安全# #老年人防跌倒技巧#
作者：黑龙江东方学院 张松 赵宇鹏 刘春辉
指导教师：王强 姜斌
作品简介
1.利用超声波测障功能，通过语音播报模块播报出“前方有障碍”可以辅助盲人准确探知前方0—1M内的障碍物;
2.通过SIM300模块以及语音识别模块可以实现语音拨打、接听电话;
3.通过语音播报技术可以实现语音读短信功能;
4.通过GPS芯片查询地图位置，输送地名文本信息，通过合成语音
输出可以使盲人指导当前所处的位置，辅助盲人定位找路。
使用说明：
将程序经串口下载入单片机内，打开各模块的开关，即可正常使用。如需打电话，只需说“打电话”就可以拨打事先存在单片机内的电话号码。如有来电，只需说“接电话”便可接听。把手设有两个按键，分别
对应着求救电话和确定自己地理位置。拐杖底部的超声波模块距障碍小于500cm时，自动警报。
作品特色：
(1)拐杖分为三节并可伸缩，适合大部分人的身高，并且体积较小，重量轻，便于收缩携带。
(2)电子系统设备包括：电源电路、GPS定位系统、单片机控制系统、超声波发射接收、语音识别系统、语音合成输出系统、SIM300、蜂鸣器。整个电子系统通过单片机进行实时的信息处理。
(3)用GPS芯片查询地图位置，输送地名文本信息，通过合成语音输出可以使盲人随时知道当前所处的位置，辅助盲人定位找路。
(4)利用超声波测障功能，通过蜂鸣器报警可以辅助盲人准确探知前方0～3m内的障碍物。
(5)通过SIM300、语音识别技术和语音合成技术实现了语音接打电话、语音读短信、语音播报的功能。创新点：集合了拐杖和导盲仪的双重功能，结构简单、重量轻、功能全、操作简单、可靠实用、成本较低，能满足普通老百姓的购买能力和功能需求，可以给数百万盲人生活提供方便，具有广阔市场前景。
平台选型说明
本作品主控制系统用的是STC公司的IAP15F2K61S2单片机为核心的开发板。
设计说明
设计原理：
报警部分：通过提供一个10US 以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8 个40KHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：距离=高电平时间*声速(340M/S)/2;从而通过主控部分CPU计算出盲人与前方障碍物的距离，障碍物与盲人距离达到一定值时就通过单片机发出报警信号。
语音接打电话部分:当SIM通信接收到来电时，盲人可以说出“接电话”然后语音芯片分析盲人说出的内容后，单片机把接电话的信号送给SIM300使之接起电话。
语音识别的操作顺序是：
通用初始化→语音识别用初始化→写入识别列表→开始识别，并准备好中断响应函数，打开中断允许位。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+c(Vti-Vi0)=d1
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+c(Vti-Vi0)=d2
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+c(Vti-Vi0)=d3
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+c(Vti-Vi0)=d4
上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号
到达接收机所经历的时间。
c为GPS信号的传播速度(即光速)。
四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
Vto为接收机的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
设计方案：
(1) 主要利用单片机技术，设计研发了一款能GPS自动定位与超声波测障等多功能的智能收缩拐杖。拐杖杆上部分和手把为中空，内部设计有以单片机为主控(查看更多)件的GPS模块、超声波测障模块和语言提示模块电路，拐杖的头部有警示灯和扬声器。
(2) 通过操作拐杖头上相应的按钮，可以对当前拐杖所处地理坐标位置进行语音读出;当遇到前方1m内的障碍物时，其内部蜂鸣器自动报警;过马路时或遇到紧急情况时可以手动按动对应按钮进行灯光闪烁和声音警示报警。
(3)当来电话时盲人可语音控制接电话并可语音打出指定电话。
(4) 通过语音合成模块可实现语音读短信、语音播报天气等能。
超声波模块：
由于超声波在不同温度的条件下传播速度不同，所以由于所处温度环境不同测量障碍存在一定的误差。
语音合成模块：
由 SX6288A、SPI FLASH、音频功放芯片三部分组成。SX6288A模块可直接驱动0.5W 8R或者3W 4R的喇叭。自带了D类放大电路由于大部分品牌的SPI FLASH的供电电压不超过4V，本系统特别增加稳压电路，可使得模块供电范围在3.3V-5.0V，更适合不同的应用。在无多个电源时也可共用一个电源，但要保证电源的功率足够大，在模块电源处增加滤波电容，减轻纹波，不能影响SX6288A和FLASH的正常工作。
最终方案就是做出一个以普通盲人拐杖为基础，在盲人拐杖的基础上加上测障避障装置，手机通讯装置，GPS定位装置，语音识别及语音播报装置。通过上述一系列装置制成的多功能智能盲人拐杖助手，对于盲人的出行安全有了一个极大的保障。让盲人的出行不再成为一个困难的事情。
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