基于GPSGSM的园区牵引导盲车开发研究413.docx

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Megal28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3000r/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2. 2. 4硬件设计2. 2. 4. 1处理器模块采用Atmegal28,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4Hz2. 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={＜；SM幻：夕卜彳舟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SGPGGA.160000 000.3202.6258.N.12135 8964 E.0.00 0.0.73.2.M. 0000*32 SGPGSA.A.1 00.00.00*30$GPGSV.3.1.12,22.71.209.00.30.64.109.00.14.54.337.00,05.50.053.00*79 SGPGSV.3,2.12.18.36,161.00.25.25.259.00,01,21.306.00,09.12.054.00*73 $GPGSV.3.3.12,22.71.209.00.22.71.209.00.22.71,209.00.22.71 209.00*7A SGPRMC 160000.000 V.3202 6258.N 12135.8964 E.0.00.0.00.110206. *1A SGPGGA.160001.000.3202.6258.N,12135 8964.E.0.00.0.0.73.2.M. 0000*33 SGPGSA.A.1 0 0.0 0.0 0*30SGPGSV.3.1.12,22,71.209.00.30.64.109.00,14.54.337,00.05.50.053.00*79 SGPGSV.3,2.12.18.36.161.00.25.25.259.00,01,21.306.00 09.12.054.00*73 SGPGSV 3.3.12.22.71.209.00.22.71.209.00,22.71.209.00.2271 209.00*7A SGPRMC 160001 000 V.3202 6258,N.12135.8964.E.0.00.0.00.110206. *1B SGPGGA.160002.000.3202.6258.N,12135 8964.E.0.00 0.0.73.2.M.. 0000*30 SGPRMC.062500.000A3853.4663.N,11527.4923,E,0.00..161206,..A*75SGPRMC,<1>.<2>,<3>.<4>,<5>.<6>.<7>.<8>.<9>,<10> <11 >1） 标准定位时间（UTCtime）格式：时时分分秒秒秒秒秒（hhmmss sss）2） 定位状态，A =数据可用，V二数据不可用.3） 纬度，格式8度度分分分分分分（ddmm mmmm）・4） 纬度区分，北半球（N）或南半球（S）・5） 经度，格式：度度分分分分分分.6） 经度区分，东（E）半球或西（W）半球.7） 相对位移速度，0.0至1851 8 knots8） 相对位移方向，000 0至359 9度.实际值.9） 日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）・10） 磁极变氫 000 0^180.0."）度数.12） Checksum （检查位）2. 2. 5. 2现在方位与目标方位距离测算坐标经度 longitude_aim 纬度 latitude_aim机器人坐标经度 longitude_car 纬度 latitude_car距离 distancey：fabs(latitude_car-latituile_ain)*111H0; x=fabs(longitude_aiR-lonituile_car)111l)fl6cos(latituile_aifi/57.3); distance：(uint)sqrt(x*ii^);2. 2. 5. 3现在方位和目标方位偏差角测算N图5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。

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，。