基于GPS GSM的园区牵引导盲车开发研究(4.13).doc

基于GPS/GSM的园区牵引导盲车的开发研究设计者：苗雨欣，许文利，王红杰，邓浩，崔帅指导老师：谢贝贝，路尧（河南理工大学 能源学院 河南 焦作 454000）摘要：中国约有500万盲人，占世界盲人总数的18%，由于视力限制，盲人的活动范围也极为局限。目前，传统导盲杖不能满足盲人行人规划与设计中的行人出行安全感、舒适感、空间需求感；而导盲犬在国内市场上的供应极为不足，若能运用现代技术有机结合其优点，则能创造极大的综合效益。本产品设计基于GPS/GSM的园区牵引导盲车正是如此：利用地磁传感器、GPS模块实现定位和导航，摄像头路径识别，利用倾角传感器防止人员和小车发生危险，利用超声波传感器实现自主避障，语音模块进行报警和目的地提示，利用GSM发送信息,能够引领盲人在社区、公园等区域内正常活动,扩大了盲人自主活动范围，满足盲人出行的安全感，舒适感，以及空间需求，为他们的生活增添更多乐趣。本文介绍了导盲车设计结构，模块功能，软件编程的设计原理以及适用范围和优越性。关键词：视弱；导盲车；GPS导航；自动避障；语音提示1.研究背景1.1 问题提出现代城市的发展，需要方便、安全、迅速的现代化汽车交通系统，也需要与人的需求相适应的轻松、自然、有助于身体健康的步行交通。步行交通是“绿色交通”的重要组成部分，平均30%的日常出行方式为步行，可见人们的日常生活离不开步行，但盲人的步行交通却存在着诸多问题与困难。由于视力限制，盲人的活动范围大多比较固定，通常集中在小区以及生活区附近的公园，此类地区虽然车流量相对较少，但是目前在公园以及部分小区中没有设置盲道和警示盲人的设施，在没有家人陪同的状态下，盲人在行进的过程中,常会碰到树木、运动器材或是脱离主干道。即使有相关的助盲设施，但设计不规范和盲道被占用现象依旧严重。可见盲人出行十分不便、危险系数很高。 据国家权威部门统计，中国是世界盲人最多的国家，约有500万，占世界盲人总数的18，低视力者600多万，儿童斜弱视者1000万。同时，每年约有45万人失明，预计到2020年，中国盲人人数将达到2000万。盲人出行将成为一个严重的社会问题。 随着社会的发展，传统的导盲杖弊端明显，如无法探测到较远的障碍物以及盲人前方的悬空物体，并且不具有牵引功能，已经远不能满足盲人的出行需要。而导盲犬，训练周期长，淘汰率高，培训价格昂贵，目前在国内的供应状况不甚理想。因此，本团队设计了基于GPS/GSM的园区牵引导盲车，可使盲人在无他人帮助的情况下自主避障并引导行走，帮助盲人克服出行障碍，走出家门，扩大了盲人自主活动范围，为他们的生活增添更多乐趣。1.2 国内外导盲产品研究现状欧美与日本等国家关于导盲产品的研究起步较早，针对盲人及视弱群体运动障碍程度不同及其生活环境差异，运用现代高新技术研发了各类型产品。此类产品虽具有技术先进、市场潜力大、经挤效益高等特点，但高昂的价格使其应用范围受到很大的限制。而导盲犬对犬只的要求极高，训练周期长，淘汰率高，培训价格昂贵，数量少，申领困难。中国市场与欧美市场有很大的差别。国内盲人主要使用手杖等传统的导盲工具。手杖的弊端很多：不能发现较远的障碍物以及前方的悬空物体，并且不具备牵引功能。中国市场针对盲人的导盲产品研究尚处于初级开发阶段。现阶段真正为盲人量身定做的产品种类少，生产厂家少；现有产品的安全性与使用效果也很难达到盲人要求。2.设计原理2.1 设计思路随着GPS全球定位系统的发展，其定位精度不断提升，适用范围不断扩大，逐渐为我们所熟知并运用。众所周知，盲人出行的最大困难在于目不能视而无法辨别方位，所以我们大胆构想让GPS作为指引盲人走向新生活的眼睛。本产品的基本思路正是使用GPS定位系统实时精确定位，利用地磁传感器调整方向，语音模块实现语音交流，最终实现自主导航、智能避障、语音提示的功能。2.2 研究方法2.2.1 需求调查目前，我国生活社区及公园采用的助盲设施多数为盲道，但在很多园区内，看不到盲道，即使有盲道，多数设置的并不规范，并且盲道被占用的现象十分严重。此外，盲道的设计多数并没有结合盲人行走需求，做到人性化设计，盲人在使用过程中无法得到心理上以及空间上的满足感。根据网络相关调查与分析可知，目前认为可以合理解决盲人问题的方法主要有：增加志愿者数量，改进城市内部盲道设施，采用高科技语音提示手段等等，在这些选项中大家最倾向于采用高科技语音提示手段来解决盲人出行问题，并且此方法也是从根本上解决盲人出行问题的好方法。因此，本产品具有巨大的市场潜力及应用价值。2.2.2 结构设计2.2.2.1 人工智能层 考虑到导盲车控制系统要求处理速度快、方便外围设备扩展、体积和质量小等要求，因此控制器以Mega128为核心控制芯片。外设扬声器，在途中与盲人进行交互式对话，当导盲车到达目标点后，进行语音提示，另外，利用GPS实时精确定位确定导盲车方位。同时，为了达到更好的导盲效果，本设计采用数字摄像头采集图像信息作为导盲车的路径规划，提供自主避障的依据。2.2.2.2 控制协调层由于自主导盲车的服务地点比较特殊，我们采用超声波传感器、红外传感器、地磁传感器采集导盲车周围环境信息，为导盲车避障、路径规划提供帮助。利用中央控制器处理平台，通过RS-485总线驱动电机，驱动导盲车行走。为提高导盲车的抗干扰能力，稳定性，及可靠性。在室外GPS实时精确定位，地磁传感器输出航向角并进行偏移修正。保证导盲车行走方向不偏移。采用超声波传感器和红外传感器相结合的方式获取前方障碍信息。为提高避障精度，本产品采用六个超声波传感器和六个红外传感器。2.2.2.3 运动执行层自主园区牵引导盲车的运动执行采用的是直流伺服电机。考虑到导盲车的运动情况，本产品采用三洋电机（型号R406-011E17 ），其最大空载转速3000 r/min，额定功率60W，并带有500线的光学码盘。通过光学码盘测量车轮速度的实际值并反馈给控制器，算出实际转速与给定转速的差值，驱动器按照PID算法调整相应电压，如此反复，直到达到给定转速，以此来驱动导盲车运动。2.2.3 软件设计 图1 主程序流程图2.2.4 硬件设计2.2.4.1 处理器模块 采用Atmega128，具有两路8 位PWM 、内部集成 8路10 位ADC，拥有两个可编程的串行USART，。2.2.4.2 传感器模块 采用MEMS美新磁场传感器MMC212，它的灵敏度达到512counts/ gauss，并且具有智能方向角校准算法，可以动态地补偿磁干扰引起的误差，能够精确测量所在处磁场信息，通过分析得到车行方向与北极夹角，与Gps路径算法相互配合实现自主导航。 在避障策略上，采用超声波传感器与红外传感器相结合的方式实现自主避障，其性能稳定，测量距离精确，通过合理按置传感器可检测到前方7米内的高低障碍物。2.2.4.3 GPS模块 关于GPS定位，采用TTL-LEA模块，它是一款简单易用的嵌入式GPS模块，具备-144dBm的信号灵敏度，极低的功耗（120mW），使用u-blox第5代GPS引擎，定位精度达2.5m；该模块不需要额外的器件即可在接驳GPS天线后输出经纬度、时间等等，最大刷新率4Hz。2.2.4.4 语音模块 采用SYN6288中文语音合成芯片，其清晰、自然、准确的中文语音合成效果使其得到广泛的应用，可合成任意的中文文本，支持英文字母的合成；具备很强的多音字处理和中文姓氏处理能力；芯片各项指标均满足室外严酷环境下的应用条件。 图2 系统结构图2.2.5 导盲车数据的获取和处理方法2.2.5.1 利用GPS接收器通过串口获得经纬度信息图3 2.2.5.2 现在方位与目标方位距离测算坐标n经度longitude_aim纬度latitude_aim机器人坐标n经度longitude_car纬度latitude_car距离distance图4 2.2.5.3 现在方位和目标方位偏差角测算通过地磁传感器，不断测试现在方位与目标方位的角度偏差，不断修正行进方向，最终到达目的地。图5 2.2.6 运行测试及改进本团队的基于GPS/GSM的园区牵引导盲车已经于2011年12月完成，在设计中采用GPS记录行迹、超声波模块和地磁传感器避障，各个功能均能实验预期目标。实验过程在河南理工大学校园内完成，路径为：学士餐厅校医院中国农业银行超市。首先引领导盲车记录各点坐标信息，然后再将导盲车放回学士餐厅西门，启动后导盲车采用绳拉牵引的方式引导实验人员行进，在中实现自主导航避障，最终到达终点，并进行语音提示。经统计，全程约520m,小车速度约1.5m/s,并且速度可以根据盲人需求进行调节，在途中导盲车成功躲避12处障碍物。由以上实验结果可以看出，导盲车实际轨迹与预定轨迹有轻微的误差，但已经完成了自主导航功能。 学士餐厅校医院农行超市注：实线为预定轨迹虚线为实际轨迹 图6 机器人行进轨迹与预定轨迹图由于小车质量轻，动力小，在使用绳拉牵引的过程中出现牵引力不足的问题，小车有倾倒的倾向，本团队在初期机器人的基础上，改造机械结构以更适合盲人使用。采用40cm*40cm高强度铝型材作为底盘，增加导盲车载重量和稳定性。同时增大电机驱动能力，实现动力牵引。并在机器人底盘上安置连杆和扶手，方便盲人掌握方向，实现动力牵引盲人的目的。更换GPS模块，使定位误差由8m缩小到2.5m,提高了定位精度。改变超声波传感器的按放位置，使其探测范围增大30%，更有利于提高安全性。同时加入语音合成芯片和GSM模块，使导盲车能够以语音的形式提示盲人目的地到达，以短信息的形式将盲人位置信息传到其家人手机上。使导盲车更加人性化和智能化。 图7 初期机器人外形图 图8 二期机器人外形图3.创新特色： 1) GPS自主导航,利用GPS实时定位，地磁传感器定向，利用超声波传感器和倾角传感器探测路况进行避障，不断调整航向，最终牵引盲人安全快捷地前往目的地。 2)从行人规划与设计中的行人出行安全感、舒适感、空间需求感设计，导盲车动力牵引在心理上可增加盲人出行的安全感，柔软的手柄设置使盲人抓握舒适，摆脱盲道固定范围的运动空间，盲人的活动空间进一步扩大；在生理上主动为盲人指引正确方向，更加省力。3)通过GSM通信，方便获取盲人位置信息。机器人能将盲人信息发到家人的手机上，也能收到家人发来的短信息，语音向盲人播报。4)语音播报方便盲人使用。能进行语音循环播报目的名称，方便盲人选择目的地，提示前方障碍物，目的地到达，读出家人的信息内容。5)多个超声波传感器合理放置，增大探测范围由2米至4米。6)倾角传感器获得当前车体与水平面的夹角，如其超过所设定的安全阈值，发出倾翻报警信号，提示盲人减速慢行。7)手动调速,盲人可以通过调速旋钮，调节导盲车行驶速度，使其与自身配合最佳状态。4.应用前景 本产品具有自主引导、避障以及语音提示等功能，成功克服了传统导盲杖没有牵引功能以及无法探测高空障碍物的弊端，增加了使用者心理的安全感与方向感。较导盲犬相比，本设计保持了适中的价格，以及完善的人性化设计，具有较高的性价比。随着技术的不断发展，本设计的智能化，自动化程度也将不断提高，产品将逐渐成熟。本产品不仅应用于导盲领域，还可应用于导览领域。针对参观者比较陌生的户外园区，本产品可以自主引导其进行参观，倡形成一种时尚特色，会给同学以及游客一种全新的享受。添加PC机之后可以实现人机交互式对话，方便游客使用。后期，将逐步拓展向智能汽车领域。综上所述，本产品具有路线导航，自主避障，GSM通信以及语音提示的功能，适用范围广泛，相信本产品通过不断的完善与发展必将拥有广阔的市场前景。参考文献1谢涛,徐建峰,张永学等仿人机器人的研究历史现状及展望J.机器人，2002, Vol