基于GPS的智能导盲仪设计报告

基于GPS的智能导盲仪摘要：以ATmega16 单片机作为主控制器, 设计了一种基于超声波、红外测距原理和GPS定位的多功能智能导盲仪。 此系统包括超声波测距、红外测距、语音提示、电子罗盘、GPS定位等部分, 采用超声波和红外传感器探测障碍物, 采用电子罗盘检测行走方向, GPS精确定位，并将障碍物信息和方向信息以语音的方式提示给盲人,达到导盲作用。关键字：智能导盲、 单片机、 GPS定位、电子罗盘、超声波测距1. 引言据国家权威部门统计，中国目前约有500万盲人，占世界盲人总数的18%，每年约有45万人失明，这意味着几乎每分钟就会出现一例新的盲人。预计到2020年，中国盲人人数将达到2000万。盲人由于受到视力限制，出行十分不便，危险系数很高。传统的导盲手段有手杖、导盲犬。手杖导盲简单、方便、成本低, 但可靠性不高, 容易忽略一些障碍物；导盲犬成本高，且使用不方便。 导盲机器人只能在平坦路面使用。 基于GPS的智能导盲仪它能够帮助盲人在无需专人陪伴的情况下，独立外出行走。 本系统具有智能化、功能强大、性能可靠、携带方便、操作简单等特点。2系统功能与总体设计系统采用ATMEL公司生产的高性能单片机ATmega16单片机作为主控制器, 包含了超声波测距系统、红外测距系统、语音播报系统、电子罗盘系统、GPS精确定位系统等。 其中采用超声波传感器检测正前方和空中障碍物, 采用红外传感器检测路面上的低矮障碍物。 当检测到障碍时, 单片机将控制语音芯片, 实时播报障碍信息。 系统还融入了GPS定位系统和电子罗盘传感器来获得盲人行走的方向, 盲人可以通过按键来触发系统语音播报行走的方向信息。系统原理结构框图如图1.1所示。图1.1 系统原理结构框图3.系统单元电路设计3.1 测距单元本单元由超声波测距模块和红外测距模块组成，其中采用超声波传感器检测正前方和空中障碍物, 采用红外传感器检测路面上的低矮障碍物。其机构框图如图3.1所示。图3.1 测距单元结构框图3.1.1 超声波测距模块原理用超声波脉冲法测距的原理：声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出从声波到目标的距离。假设室温下声波在空气中的传播速度是335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，则距离可以由下列公式计算：图3.2和图3.3为超声波发射和接收的电路原理图。图3.2 超声波发射部分电路图图3.3 超声波接收部分电路图3.1.2 红外测距模块原理红外测距传感器采用的是日本Sharp公司生产的GP2Y0A02YK 红外传感器, 输出信号为电压信号. 其原理是三角测量原理, 红外发射器按照一定的角度发射红外光束, 当遇到物体以后, 光束会反射回来. 反射回来的红外光线被CCD 检测器检测到以后, 会获得一个偏移值L, 利用三角关系, 在已知偏移距L, 中心距x, 以及滤镜焦距f 的情况下, 传感器到物体的距离D 就可以通过几何关系计算出来了, 计算公式为：D=fx2L3.2 GPS定位模块单元本单元运用了目前比较完善的GPS技术，GPS接收模块接收地理位置信息，并通过单片机来处理接收到的数据，提取经纬度等信息，然后通过语音提示报告给盲人，从而实现跟踪定位功能。其结构框图如图3.4所示。图3.4 GPS定位单元结构框图3.3 电子罗盘单元本单元主要是利用电子罗盘，对盲人的运行方向进行实时测量，单片机以及外围扩展的E2PROM按照一定的时间间隔来记录盲人的运行方位，从而实现了盲人行走轨道的存储记忆功能。本部分电路主要的构造为：电子罗盘组成的信号采集单元；盲人行走方向的检测单元；以单片机为处理器的方位确定以及E2PROM的存储单元。信号采集单元负责输出电子罗盘确定的方位角，从而确定盲人的运行方位，单片机和E2PROM用来存储行走轨迹以及电子罗盘所确定的方位。轨迹存储记忆单元的结构方框图如图3.5所示。图3.5 电子罗盘结构框图3.4 语音提示单元本单元主要用来播报目的名称及行走的方向信息。ISD4004 系列工作电压3V,单片录放时间8 至16 分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。采样频率有4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100 年(典型值),反复录音10 万次。4. 系统的创新点（1）GPS自主导盲导盲仪利用GPS实时精确定位，在途中通过超声波传感器探测障碍物进行正确避障，最终实现自主导盲。（2）语音提示采用语音合成模块，能进行语音循环播报目的名称，方便盲人选择目的地；到达目的地后提示到达。（3） 全方位提高安全性能a、 多个超声波传感器合理放置，增大探测范围；b、若盲人超过所设定的安全阀值，发出报警信号，提示盲人减速慢行。（4）无需试前培训利用超声波传感器探测路况进行避障，GPS的精确定位，语音播报等功能，可牵引盲人安全快捷地前往目的地，无需试前培训。5.结论以ATmega16单片机作为