3.专利申请说明书

一种电子导盲犬机器人一种电子导盲犬机器人 技术领域技术领域 本发明涉及一种电子导盲犬机器人 具体涉及一种机电一体化 多传感器融合 自动导航及控制的电子导盲犬机器人 背景技术背景技术 世界上一共有 3000 万盲人 其中我国有 500 万盲人 我国是世 界上盲人最多的国家 还有相当数量的人有视力障碍 失明和视弱 极大地影响了这些人群的正常生活和工作 培养一只导盲犬的费用 在 30 万以上 正常家庭难以承受经济负担 而且导盲犬的训练周期 相对较长 服务寿命相对较短 因此 导盲犬机器人的研制有着非 常实际的意义和广泛的用途 据查阅相关资料 现在的导盲器具的研究和应用基本上可分为三类 第一类是导盲手杖 在手杖上面加装各种装置来达到探测障碍和导 盲的作用 第二类是穿戴设备 在导盲犬或者盲人身上穿戴导航设 备进行导盲 第三类是机器人 通过自动或半自动方式导航 实现 一定的控制功能 从而帮助盲人 本发明属于这一类 针对现存的导盲器具研究 导盲手杖受到自身形状和操作方式 的限制 基本只能实现部分导盲功能 穿戴设备更是影响人体美观 造成行动不便 每次使用都需要穿上和脱下 本发明避免了上述问 题 并实现了其具有创新性的设计功能 包含丰富的传感器系统和 导航系统 能自动处理信息 实现良好的导航和控制效果 发明内容发明内容 发明目的 本发明就是针对上述导盲研究存在的问题 提供一 种电子导盲犬机器人 解决盲人和视力障碍人士出行问题 本发明 不需要穿戴任何设备或辅助器具 将复杂操作转化为简单操作 利 用嵌入式处理器智能化处理信息 针对这部分人的视力障碍问题 利用卫星导航精确定位 同时检测方向和姿态等相关信息 规划出 最佳路线 在导航方面为盲人进行有效的服务 在实现导航功能的 同时 引入避障和自动控制转弯的功能 用遥控和语音的方式进行 人机交互 方便操作 技术方案 本发明由机械部分和电子部分组成 机械部分是车 体为一块木板前部有方形孔 孔内安装有舵机 舵机通过舵机连接 机构与定向轮相连 木板后部有定向轮 车体后部有转动关节连接 手推杆 车体中部的左侧有天线杆 电子部分是电路底板上的中央处 理器通过电路与红外传感器阵列 语音模块 扬声器 光电开关 地磁传感器 加速度计模块 遥控接收电路 稳压器 串口电路 GPS 模块 GPS 信号接收器 遥控器 摄像头相连接 镍氢电池为电 子部分提供电能 手推杆由人力推动为机器人提供动力 本段名词 后面要加标号 所述的舵机的舵盘和方向轮固定在一起 方向轮随着舵机转动 从 而改变机器人前进的方向 所述的手推杆连接在单自由度的转动关节上 作用是提供动力和保 持车体平衡 所述的天线杆高度为 30cm 末端同时安装了摄像头和 GPS 信号接收器 所述的红外传感器阵列安装在车体前部 用于检 测人行道 所述的光电开关安装在车体前部 用于检测机器人前方 障碍物 所述的遥控器安装在手推杆末端 向遥控接收电路发射操 作命令 所述的中央处理器为 MC9S12DG128 单片机及其外围电路 所述的语音模块采用 ASR R8 型模块 能发电子女声播报相关的导航 信息和提示信息 导航信息有定位信息 航向信息 提示信息有当 前位置名称 目的地名称 前方有障碍物 坡度信息 声音通过安 装在车体中部的扬声器进行放大 所述的摄像头为模拟摄像头 采集的图象为黑白图象 所述的地磁传感器采用的是霍尼韦尔公司的 HMC5883L 型平面数据 电子罗盘 提供的导航精度为 1RMS 所述的加速度计为飞思卡尔公司的 MMA7455 三轴数字加速度传感 器 用于检测重力场从而提示坡度信息 提示前方有坡道 所述的 GPS 模块通过 RS232 串口电路将定位信息传送给中央处理器 有益效果 1 能对导盲犬机器人的位置进行 GPS 卫星定位 在天气 良好的情况下 定位精度在 20 米以内 通过遥控器设定目前所在地 和目的地 自动规划行走街道路径 并且用电子女声提示 2 红外传感器阵列能对机器人所在地面上的白色人行线进行检测 控制机器人沿着该线前进 3 光电开关能对前方 50cm 范围内的障碍物进行探测 如果有障碍 物会提示 前方有障碍 请绕行 女声提示音 并且自动控制舵机 改变车体前进方向 4 能利用地传感器感应地球磁场 实时检测自身方向 精度为 1RMS 5 能利用加速度计划感应地球重力场 实时检测自身倾斜角 如果遇到坡道会提示 前方有上坡 女声提示音 并且灯起指示灯 6 能存储摄像头采集的图像 附图说明附图说明 图 1 为本发明电子导盲犬机器人的结构示意图 图 2 为本发明电子导盲犬机器人的系统结构框图 图 3 为本发明电子导盲犬机器人的程序流程图 具体实施方式具体实施方式 结合附图说明 下面阐述本发明 图 1 为本发明电子导盲犬机器人的结构示意图 本发明由机械部分 和电子部分组成 机械部分是车体为一块木板 该木板的尺寸为宽 10cm 长 30cm 属于硬质模型加工用木板 在木板前部 5cm 处有 方形孔 方形孔尺寸为舵机的截面大小 孔内安装有舵机 舵机采 集 MG995 舵机 舵机的最大力矩为 13kg 舵机通过舵机连接机构 与方向轮相连 连接机构是将舵机的舵盘与方向轮的末端连接起来 木板后部安装定向轮 定向轮不能绕铅垂线转动 车体后部有单自 由度转动关节连接手推杆 手推杆长度为 80cm 直径为 3cm 的铝 合金杆 手推杆末端固定安装遥控器 遥控器上有启动按钮和选择 按钮 车体中部的左侧有天线杆 天线杆末端安装有摄像头和 GPS 信号接收器 天线杆高度为 30cm 电子部分是电路底板上的中央处理器通过电路与红外传感器阵列 语音模块 扬声器 光电开关 地磁传感器 加速度计模块 遥控 接收电路 稳压器 串口电路 GPS 模块 GPS 信号接收器 遥控 器 摄像头相连接 其中中央处理器 稳压器 串口电路集成在一 块电路板上 地磁传感器 加速度计模块 遥控接收电路分别为单 个电路板与中央处理器电路板叠放连接 红外传感器含 10 对发射管 与接收管 按直线型均匀排布集成在一块电路板上 安装在车体最 前部 语音模块集成在一块电路板上 与扬声器相连 GPS 模块为一块 集成电路板 与 GPS 信号接收器相连 镍氢电池为电子部分提供电能 标称电池为 7 2V 电池容量为 2000mAh 为所有电路系统供电 其中语音模块 GPS 模块 地磁 传感器 加速度计模块的工作电压为 3 3V 其余电 路系统工作电压为 5V 中央处理器外围的稳压电路将电压降压后 稳定输出 5V 电压 供所有 5V 芯片及电路工作 机器人行动无须任 何能源 盲人推动手推杆为机器人提供动力 由于机器人是两轮结 构 节约车轮的设计也带来不平衡的现象 可见 手推杆的设计既 可以提供机器人前进的动力 又可以由盲人掌握机器人的平衡 本发明加装了多个传感器系统 红外传感器系统是利用发射管发射 红外线 光线照射在浅色和深色物体上的时候吸收量不同 经物体 反射后用接收管测量反射回来的光的强度来判断物体颜色深浅 特 别是深浅对比度大的情况下 判别效果更佳 本发明的红外传感器 采用 10 对发射管与接收管 红外线的波长采用 700nm 至 1000nm 的红外光 接收管的输出电压比较少 故采用 8050 三极管的开关特 性来进行放大 输出的模拟电压可供中央处理器识别 由于 10 对红 外管排布呈直线 如果机器人下方有深浅对比度大的线条形状时 每对红外管的输出电压会不一样 红外光照射在浅色区反射量大 电压更高 通过在处理器的程序算法里加入阈值比较 可以识别出 该线条 光电开关也使用该波段的红外光 但是功率提高 使光能 探测的距离提高到半米之内 如果前方无障碍物 光电开关将连续 输出电压 如果有电压下降沿 则说明前方有障碍 语音模块是使用的 ASR R8 语音模块 是非特定人声识别系统 可以 识别非特定的多人标准普通话发音 但是考虑到在室外复杂的声音 环境 以后识别时滞的因素 故命令采用由遥控器来发送 而响应 由该模块来执行 语音模块可以反复进行编程 可以存储特定的语 句 将固定的地点 导航提示音以及其它提示音 先进行存储 模 块内部有单独的处理芯片 对音频数据进行处理 中央处理器只需 要进行指令发送即可调用相关的声音文件 使语音模块发出清晰的 电子女声 经扬声器放大后 盲人可以清晰辨识 导航系统则由 GPS 地磁 惯性导航三种导航方式组合来得到丰富 的导航信息 输出的形式均为可由微型计算机读取的电压信号 GPS 信号接收器安装在天线杆的顶端 安排在机器人的最高点更容易接 收信号 由于该接收头是带磁性的 工作时频率为 1 5GHz 高频状态 充分与其它电路部分隔离 GPS 信号处理器由 REB 3571 卫星导航芯 片作为处理器 处理后的信息通过 74HC573 和 MAX3232CSA 串口转 化芯片将数据串行化 数据具有固定的格式 包含时间 经度 纬 度信息 地磁传感器采用的是霍尼韦尔公司的 HMC5883L 型平面数 据电子罗盘 测量 X 和 Y 两个方向的磁阻传感器感应地球的磁分量 从而得到方位角 提供的导航精度为 1RMS 在使用前需要对该传感 器进行初始化和标定 以精确匹配地球磁场 初始化方法是上电后 缓慢绕中轴旋转一周 旋转时间为一分钟 标定是考虑到当地的纬 度不同 地球的磁偏角不同 所以需要上网查询当地磁偏角后 将 其标定到数据里 通过一定的导航算法得到精确航向信息 惯性导 航由简易的测角系统构成 MMA7455 加速度计安装的时候地垂线重 合 如果不重合则在软件程序里标定 将其考虑到数据里 计算时 再减去该项 测量机器人与地垂线的夹角 从而判断是否遇到了上 坡 摄像头模块使用模拟摄像头 OV7620 分辨率 640 480 每秒产生 30 帧图像 每帧两场 1 秒钟采集 60 帧图像 采集的图像为黑白图像 直接由中央处理器存储到 SD 卡内 记录行动的路径图像 可供盲人 外的其它人使用 中央处理器使用的是 MC9S12DG128 单片机 由于信息量大的语音和 GPS 部分均有协处理器 该主处理器的功能主要是完成一些传感器 信息融合和控制算法的实现 本发明操作过程简捷 手握住机器人的手推杆 准备好前进后 上 电后 传感器开始初始化 按下遥控器启动按钮 选择当前地点和 目的