一种多功能自主蓄电导盲杖装置

技术领域

本发明涉及导盲杖技术领域，具体为一种多功能自主蓄电导盲杖装置。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，盲人出行与复杂的交通系统之间的矛盾也日渐凸显，盲人对于盲杖的需求已经不仅仅是帮助探路和行走，更多的关注点放在了出行便利和安全性方面；对于盲杖的巨大的需求量也使得市场呈现了多种类型产品：

1.普通盲杖

现如今普通盲杖也不再是简单的一根木棍，都是通过正规的生产厂家制造而成，多通过铝合金，尼龙和橡胶作为原料来生产，这种材料多是轻便易携带，只有200g，并且长度设计也多为大众所接受；盲人在使用单纯的盲杖时，通过杖头触碰物体来感知形状和大小进而选择前行或是回避；这种普通盲杖仅仅是能满足最一般的需求，只能感知近距离的、简单的障碍物，而如今面对复杂的交通，拥挤的人流，普通的盲杖反而会带来大的安全隐患；

2.电子导盲杖

红外线作为常用的测距方式，被广泛应用到地形测量和距离测量，红外导盲辅具也成为一种新的导盲方式；但对于一般的红外导盲辅具，一般采用12V和24V的电压，具有较大的消耗功率，充一次电也使用的周期较短并且有体积大不宜携带等缺陷；

3.超声波导盲杖

随着科技的发展，对于盲杖的研发也不仅仅局限于盲杖上，2018年西安工程大学发明了一款适应于盲人的辅助眼镜；该导盲眼镜运用人工智能技术和语音实时为盲人解读摄像头所识别的场景信息；眼镜上装有高清场景摄像头和易识别的盲文功能按键和耳机插孔；相比于盲杖，导盲眼镜不仅易携带，更可以给与盲人的自信，但目前而言它的功能仅是判断前方是否有障碍物，对于静止的物体无法感知并且生产成本过高；通过对于当前国内导盲仪器的现状和发展动态的研究，我们可以看出尽管已经出现了电子导盲，超声波导盲等一些新兴的导盲仪来满足一定的需求，但功能性较为单一，无法满足盲人的一些必要需求；因此研究一种将定位系统，自主蓄电和障碍物规避等多功能结合在一起的创新型盲杖为盲人提供便利是很有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能自主蓄电导盲杖装置，以解决上述背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多功能自主蓄电导盲杖装置，包括导盲杖主体、第一安装槽、安卓核心板、第二安装槽、单片机、蓄电池、导盲杖底座、压电陶瓷挤压供电模块、GPS定位导航系统、超声波测量障碍物规避系统、弧形导盲杖把手、超声波弧形扫掠仪、四轴云台、超声波传感器和太阳能电板，所述导盲杖主体的一侧内壁上开设有第一安装槽，所述第一安装槽的内部安装有安卓核心板，所述导盲杖主体的中部内壁上开设有第二安装槽，所述第二安装槽的部安装有单片机和蓄电池，所述安卓核心板的内部设置有GPS定位导航系统，所述单片机的上方设置有超声波测量障碍物规避系统，所述导盲杖主体的底部外壁上设置有导盲杖底座，所述导盲杖主体的底部内壁上设置有压电陶瓷挤压供电模块，所述导盲杖主体中部外壁上镶嵌安装有太阳能电板，所述导盲杖主体的顶端外壁上固定连接有弧形导盲杖把手，所述弧形导盲杖把手一侧的外壁上安装有四轴云台，所述四轴云台一侧的外壁上设置有超声波传感器，所述导盲杖主体的中部一侧外壁上固定安装有超声波弧形扫掠仪。

优选的，所述压电陶瓷挤压供电模块包括内置槽、贯通孔、连接杆、传力块、弹簧和压电叠堆，所述导盲杖主体的底部内壁上开设有内置槽，所述内置槽的底端内壁上贯通开设有贯通孔，且贯通孔的内部插装有连接杆，所述连接杆的底端与导盲杖底座的顶部外壁固定连接，所述连接杆贯穿于内置槽内部的一端固定连接有传力块，所述连接杆位于传力块一侧的外壁上套装有弹簧，且弹簧的底端与内置槽的底部固定连接，所述内置槽的一侧内壁上固定有压电叠堆。

优选的，所述导盲杖主体整体为中空管状结构。

优选的，所述导盲杖主体的中部外壁上设置有可伸缩结构。

优选的，所述太阳能电板的电性输出端与蓄电池的电性输入端电性连接。

优选的，所述压电叠堆的电性输出端与蓄电池的电性输入端电性连接。

优选的，所述蓄电池的电性输出端与安卓核心板、单片机、超声波弧形扫掠仪、四轴云台和超声波传感器的电性输入端电性连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该盲杖采用的是双超声波测量方法，其创新点在于固定于上部的测距仪测量安全高度和下部的水平面扫掠型超声波测距测速仪判断移动的障碍物，且有较小的误差，通过距离和速度的判定来使盲人规避障碍物；

(2)考虑到盲人在行走时的方向性和目的地导航的问题，利用嵌入式技术将GPS数据模块导入开发板微处理器，实现盲人的定位与导航；同时与蓝牙耳机连接，对盲人在路上进行路线指引；

(3)在已经有蓄电池为微型电子设备功能的前提下，考虑到环保和持续性提供电能的目的，我们引入了太阳能电池板和压电陶瓷挤压供电等模块以提供实现持续供能。

附图说明

图1为本发明导盲杖的前视立体结构示意图；

图2为本发明导盲杖的后视立体结构示意图；

图3为本发明图1中A区域的结构放大图；

图4为本发明实施例中GPS定位导航系统原理图；

图5为本发明实施例中路径分析步骤图；

图6为本发明实施例中STM32F103接口电路图；

图7为本发明实施例中超声波发射电路图；

图8为本发明实施例中的超声波信号接收电路图。

图中：1、导盲杖主体；2、第一安装槽；3、安卓核心板；4、第二安装槽；5、单片机；6、蓄电池；7、导盲杖底座；8、压电陶瓷挤压供电模块；9、GPS定位导航系统；10、超声波测量障碍物规避系统；11、弧形导盲杖把手；12、超声波弧形扫掠仪；13、四轴云台；14、超声波传感器；15、太阳能电板；81、内置槽；82、贯通孔；83、连接杆；84、传力块；85、弹簧；86、压电叠堆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供的一种实施例：一种多功能自主蓄电导盲杖装置，包括导盲杖主体1、第一安装槽2、安卓核心板3、第二安装槽4、单片机5、蓄电池6、导盲杖底座7、压电陶瓷挤压供电模块8、GPS定位导航系统9、超声波测量障碍物规避系统10、弧形导盲杖把手11、超声波弧形扫掠仪12、四轴云台13、超声波传感器14和太阳能电板15，导盲杖主体1的一侧内壁上开设有第一安装槽2，第一安装槽2的内部安装有安卓核心板3，导盲杖主体1的中部内壁上开设有第二安装槽4，第二安装槽4的部安装有单片机5和蓄电池6，安卓核心板3的内部设置有GPS定位导航系统9，单片机5的上方设置有超声波测量障碍物规避系统10，导盲杖主体1的底部外壁上设置有导盲杖底座7，导盲杖主体1的底部内壁上设置有压电陶瓷挤压供电模块8，导盲杖主体1中部外壁上镶嵌安装有太阳能电板15，导盲杖主体1的顶端外壁上固定连接有弧形导盲杖把手11，弧形导盲杖把手11一侧的外壁上安装有四轴云台13，四轴云台13一侧的外壁上设置有超声波传感器14，导盲杖主体1的中部一侧外壁上固定安装有超声波弧形扫掠仪12；导盲杖主体1整体为中空管状结构，利于导盲杖内部电导线的贯穿，用于不同传感器与主板之间的导线连接；导盲杖主体1的中部外壁上设置有可伸缩结构，能控制导盲杖长度以适应盲人身高和路段地况；太阳能电板15的电性输出端与蓄电池6的电性输入端电性连接，压电叠堆86的电性输出端与蓄电池6的电性输入端电性连接，蓄电池6的电性输出端与安卓核心板3、单片机5、超声波弧形扫掠仪12、四轴云台13和超声波传感器14的电性输入端电性连接；

压电陶瓷挤压供电模块8包括内置槽81、贯通孔82、连接杆83、传力块84、弹簧85和压电叠堆86，导盲杖主体1的底部内壁上开设有内置槽81，内置槽81的底端内壁上贯通开设有贯通孔82，且贯通孔82的内部插装有连接杆83，连接杆83的底端与导盲杖底座7的顶部外壁固定连接，连接杆83贯穿于内置槽81内部的一端固定连接有传力块84，连接杆83位于传力块84一侧的外壁上套装有弹簧85，且弹簧85的底端与内置槽81的底部固定连接，内置槽81的一侧内壁上固定有压电叠堆86；

具体地，导盲杖内设置的GPS定位导航系统9，GPS定位导航系统9包括定位和导航两个模块，两个模块共同组装在处理器上发挥作用，其作用原理如图4；

定位功能的实现分为三个步骤：包括制作电子地图，读取和解析GPS数据以及查询电子地图：

(1)盲用电子地图盲用嵌入式电子地图的制作是在SuperMap Deskpro 6下完成的；利用该桌面的GIS开发平台,可以实现数据源和数据集的自建立,将TAB格式的原始电子地图数据导入到数据集中,便于电子地图的二次开发；原始数据的选择可根据实际需要进行筛选，我们添加公路，地物信息等简单数据集，最后就可以生成嵌入式电子地图；

(2)采用GS-91,一种高精度、低功耗的智能卫星接收模块，在windowsCE开发平台上面，可以查看GPS数据的接受情况，而且GPS数据的接受和解析，都可以采用eSuperMap提供的GPS来实现；eSuperMap中的GPS功能是从GPS接收器接收数据,并对其进行NMEA0183协议的解析和处理等。通过坐标转换和比例尺运算,可将经纬度坐标转换为二维坐标，方便电子地图查询；

(3)地图查询时，eSuperMap中提供的查询方式有很多，我们主要针对地图数据中第五数据集尽心区域性的查询；查询获取的地物字段信息将以文本的形式储存在程序中,再通过TTS语音合成系统朗读出来,实现基本的定位功能；路径分析的实现过程的具体步骤如图5；

导航：具有定位导航的电子盲杖的主要设计方案是利用嵌入式技术,通过GPS接收模块获取实时的经纬度信息并传送到WindowsCE系统上进行处理,实现向用户进行实时定位信息播报；我们旨在利用现有的商用GPS接收芯片,作为用户终端为用户实现定位导航；与定位的分析相比，导航的分析步骤还包括调用新的函数获得导航线路上的信息以及根据导航信息进行语音播报提示；

上述GPS定位导航系统9主要的实现平台是ARM11系列的OK6410开发板微处理器，辅以GPS接受模块以及超声波测距模块，可实现GPS数据接受，实时定位，地图导航等功能；盲人通过按钮和语音的方式进行信息输入，系统则采用TTS语音合成模块进行信息的输出。

具体地，导盲杖内设置的超声波测量障碍物规避系统10由两部分组成，位于导盲杖上部的超声波传感器14和位于导盲杖下部的超声波弧形扫掠仪12，超声波传感器14结构呈一定角度倾斜，超声波传感器14发射端探头保持固定；位于导盲杖下部的扇形超声波弧形扫掠仪12，由固定转轴控制传感器发射端探头在水平面呈扇形状固定角度扫掠；同时，利用四轴云台13装置作为杆体与仪器的连接体；使用两个四轴云台装置作为杆体与仪器的连接体，设定空间参数，使导盲杖上部的超声波传感器14总是与水平面呈固定角度，导盲杖下部的超声波弧形扫掠仪12总是扫掠水平面；此外，增加一个温度探测模块；已知，声速不仅与介质有关，与温度也有关；

导盲杖内的系统电路是对STM32F103RCT6单片机的使用进行分析并结合盲杖需求进行改良，该盲杖的超声波测速测距系统电路主要包含STM32系统接口电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路等组成；STM32处理器及系统接口电路，STM32F103处理器是32位的ARM微控制器，采用Cortex-M内核，工频率为72MHz；内部集成多达128KB的闪存，64KB的SRAM；外设接口丰富，包括2个12b的D/A转换器、3个12位的A/D转换器、3个通用16b定时器和一个PWM定时器；该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求；STM32F103接口电路如图6；

超声波测量障碍物规避系统10中的超声波发射电路，主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，微处理器I/O口PA8输出的40kHz的方波信号TRIG，一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极；这种推挽连接形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度；输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力；上拉电阻R3，R4一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间，如图7：

超声波测量障碍物规避系统10中的超声波发射电路，主要超声波专用接收芯片CX20106及其外围器件组成；超声波接收探头接收到的超声波信号，送往CX2016的1脚，在芯片内部进行放大、滤波、积分比较和整形后，7脚输出脉冲信号ECHO送往微处理器的PA8引脚进行处理；ECHO信号为高电平时，表示没有接收到超声波信号；一旦接收到超声波，ECHO产生下降沿；如果持续接收到超声波信号，则ECHO信号为周期性脉冲波，如图8；

超声波测量原理：谐振频率高与20kHz的声波称为超声波；超声波沿直线传播，反射能力随频率越高而越强，而绕射能力减弱；利用超声波的这种特性，常常用做距离或者速度的测量；超声测距原理一般采用渡越时间法；已知，S＝V*Δt/2,S为超声波测距仪与障碍物之间的距离,V为声波在介质中的传播速度(m/s),t为摄氏温度)，Δt为超声发射到返回的时间间隔；在事先给定一个安全距离的前提下，能得到一个安全时间，小于等于这个安全时间即示警，且方向可由接收回波的方向确定，以此定位障碍物，且声速极快，此时间内的盲人移动可忽略不计，数据较为精确，误差较小；因此，达到障碍物规避的目的；超声波测速原理是利用多普勒效应，例如，交警部门测定车速通常采用的是脉冲多普勒雷达，雷达发射频率极高的电磁波而非超声波，通过运动目标的多普勒频移测定速度；而在这里将扫描雷达换成超声波测距测速仪，利用多普勒频移测定速度，对已测出的车速、方向、距离等物理量进行数值分析，判定是否为可过行人状态。

具体地，压电陶瓷挤压供电模块8的框架设计，主要是由发电组、蓄电设备和用电组三部分组成；在发电设备组，压电陶瓷和微型发电机将盲人在使用盲杖时柱头与地面接触产生的压力形变转化为电能，为外围用电设备组供电及锂电池蓄电；发电组产生的电能经过整流、滤波、稳压等一系列方式处理之后，送入锂电池存储及外围设备使用；同时可为电量设置一个警戒值，在达到警戒值时，盲杖会自动发声提醒充电同时警戒电量足以提供行走1小时以上的路程；

压电陶瓷挤压发电原理：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；在挤压过程中产生的相反电荷通过导出可以产生电流来提供能量，利用这养的正压电效应，我们可以通过盲人在使用导盲杖时盲杖末端与地面的挤压来使压电陶瓷供电，如图3所示，盲杖末端的导盲杖底座7受力，通过连接杆83带动传力块84移动，传力块84对压电叠堆86进行挤压，在压电叠堆86上产生相反的电荷通过导线进行蓄电储能，在导盲杖抬起后在弹簧85作用下进行导盲杖底座7的复位；假设一个成年盲人使用盲杖产生的压力为800N，频率为40步/秒，通过压电陶瓷为1F的法拉电容进行充电实验，从实验得到的充电曲线中可以看出，通过压电陶瓷产生的电压可以满足一些微电子设备的使用，也就是说可以满足盲杖的使用和蓄电。

综上所述：本发明分为机械和电子电控两个部分，电子电控部分涉及到用电装置和供电装置两部分，用电装置包括GPS定位导航和超声波探测；超声波部分采用上下双超声波，上超声波加上可以立体旋转的四轴云台以增加扫描空间，下超声波采用扇形弧式扫掠型超声波测速仪，两者结合从而对前方未知障碍物路况有比较完整的反馈，GPS部分实现自主定位导航；供电装置包括太阳能电池板，压电陶瓷挤压供电装置以及蓄电池；当盲人手持本发明设计的导盲杖，通过语音模块输入出发地和终止地，盲杖的GPS模块可以实现语音播报提示，行走过程中如遇到双超声波扫掠范围0.8m及以内有一定障碍物，则会发出声响以使盲人得到反馈，从而盲人通过调整方向以实现自主避障。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。