盲人智能拐杖的設計

陳艷婷 李志鵬 賈丹平

摘 要：該次課題研究設計的超聲波導盲拐杖是為視覺障礙者提供環境導引的輔助工具，以STM32為核心，集合超聲波模塊，語音識別模塊和語音合成模塊為一體的智能化產品。它通過超聲波模塊對前方環境進行探測，將探測的信息以語音形式反饋給用戶，提醒用戶及時避讓，拐杖還能夠通過語音控制自動播報當前時間，以此利用語音識別和語音合成模塊實現簡單的人機交互功能。此外，拐杖的上端設有閃光燈，當用戶在夜間行走時，可以手動按動對應按鈕或發出語音指令進行燈光閃爍，當遇到緊急情況也可按動對應按鈕進行聲音警示報警。和傳統的導盲手杖相比，該次設計的盲人智能拐杖操作更加簡單、便捷，具有很強的使用性和市場推廣價值。

關鍵詞：STM32 超聲波測距 語音識別

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0077-02

拐杖的智能化，能夠真正地從服務于視覺障礙者的角度去考慮產品的設計與生產，真正滿足盲人對于出行的需求，降低盲人的出行危險系數，在保障其生命安全的同時，能夠讓盲人朋友感受到來自社會對殘疾群體的關心和關注。隨著社會經濟的飛速發展，智能化設備將不斷完善，智能拐杖將漸漸代替傳統拐杖走進千家萬戶，成為盲人出行必備品。此次研究設計的智能拐杖能夠自動檢測出前方1 m內出現的障礙物并進行播報（距離可以在程序中修改），當用戶語音發出時間指令，系統能夠自動播報當前時間。此外，用戶通過手動按動相應按鈕或語音指令，能夠開啟LED燈，具有一定警示功能。

1 設計原理

1.1 超聲波測距原理

根據超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙就立即返回來，接收器收到反射波就停止計時的原理，再利用距離公式得到與障礙物的距離，從而達到測障的功能（超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2[1-2]。

1.2 人機交互原理

利用語音識別模塊，把人說出的話語轉換成相應的數據，通過RS232串口發送到單片機中，以實現語音控制的目的。利用實驗所需的語音合成模塊，可以將前方有障礙物以及播報當前時間等數據信息合成語音，實現語音播報功能。以此利用語音識別和語音合成模塊，實現了簡單的人機對話功能[3]。

2 系統設計

2.1 硬件設計

2.1.1 主控器選擇

STM32主頻高，外設豐富，有PWM、AD、DA這些常用外設，處理能力很強，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計。此外，由于此次設計具有語音報時功能，而STM32的內部具有實時時鐘（RTC）能夠實現時間的記錄，該芯片的預分頻模塊可產生1 s的時間基準，32位的可編程計數器實現時間記錄，使用方便，只需一顆3 V紐扣電池和一個32.768 kHz晶振即可工作。而51單片機速度較慢，而且很多外設都要外接，用起來不方便。為此，筆者選用STM32作為主控器。

2.1.2 測距模塊選擇

第一種方案是選用紅外測距模塊對距離進行測量。紅外測距傳感器模塊利用紅外光對前方物體的距離進行測量，精度較高，模擬量輸出，使用方便。第二種方案是選用超聲波模塊對距離進行測量。超聲波模塊利用發出超聲波到接收到超聲波的時間來計算出被測物體距離，計算方便快捷[4]。

通過不斷地實驗，發現紅外測距模塊雖然精度較高，但是應用場合局限性太大，不適合在露天場地使用，陽光對于其測量影響較大。而超聲波模塊雖然精度較差，但對使用環境要求不高，且精度問題可通過后期程序處理來提高，因此選擇超聲波模塊作為測距模塊。

2.1.3 語音識別和語音播報選擇

在實現語音識別和語音播報的功能的時候，存在兩種不同的語音模塊，一種是利用集成的語音模塊LD3320A；另一種是分別利用語音識別芯片LDV7和語音合成芯片XFS5152，分別接到32之上進行通信控制。

第一種方案是利用集成的語音模塊LD3320A。LD3320A自帶語音識別和對應的語音播報，不需要過多的控制即可實現人機對話功能。其語音識別字符和對應回答以MP3格式存儲在SD卡之中，只要事先利用音頻制作軟件制作相應音頻放入SD卡之中即可。第二種方案是用語音識別芯片LDV7和語音合成芯片XFS5152實現語音功能。將LDV7和XFS5152通過串口通信的方式連接到STM32之上，語音識別芯片對語音進行識別之后，將語音標識符發送到STM32之上，之后STM32對標識符進行相應處理之后，發送語音合成命令給XFS5152來實現人機對話的功能。

由兩個方案可知，方案一實現較為簡單，無需過多控制，但靈活性較差，不能實時改變播報信息。方案二控制起來較為繁瑣，通信協議的編寫需要大量的時間，但是靈活性高，播報內容可通過程序進行控制改變。綜上所述，選擇方案二為本課題主要研究方案。

2.1.4 整體硬件設計

將STM32作為主控芯片發出指令信息，并接受超聲波模塊，語音合成模塊，語音識別模塊的反饋信息進而實現整體系統的控制，即將各個模塊通過32板連接在一起，由于模塊連接較為簡單，所以不在此贅述，整體設計框圖如圖1所示。

2.2 軟件設計

由程序框圖可知，智能盲人拐杖主要編程由兩部分構成。第一部分是STM32的主控程序的設計，在主程序中實現的主要功能是距離測量及計算，語音識別碼的獲取及處理。語音合成程序作為一個子程序，由相應函數進行調用，而子程序的入口變量即為預先編好的不同字符串，這樣可實現不同語音的合成。第二部分是語音識別模塊的程序編輯，在程序中我們要定義好所需識別的語音及對應的語音識別碼，這樣在識別語音后，會通過串口將識別碼發送到STM32之中，做出相應的數據處理。（見圖2、圖3）

3 設計中要遇到的主要問題和解決措施

3.1 超聲波測距精度的提高

通過實驗發現，在使用超聲波測距模塊的過程中，由于余震的存在，得到的距離數據存在波動，不是一個穩定值，這樣對后期數據處理存在很大的影響。

由于無法從硬件方面進行解決，只能在程序中進行數據精度的提高。為此，筆者在對距離數據的處理當中，采用多次測量求平均值的方法，測量20次的數據進行處理，從而得到一個較為精確和穩定的距離數據。

3.2 語音識別誤碼率的降低

在語音識別的模塊使用過程中，由于是非特定人語音的識別，對環境因素要求很高，且識別靈敏度和誤碼率成正比，這樣在提高靈敏度的時候如何降低誤碼率也是一個很主要的問題。

為此，筆者采用的主要措施是設置前置口令及垃圾關鍵詞的設置，這樣必須說出一級口令之后才有二級口令的執行。垃圾關鍵詞及一些與口令相似的詞語，提前對這些詞語進行設置，可以很好地降低誤碼率，從而提高識別的精度。

4 結語

該次實驗以嵌入式技術為核心，將各種模塊有效地結合在一起。在實驗過程中，利用提前對垃圾關鍵詞設置以及多次平均值測量法來降低超聲波誤碼率和提高超聲波測距精度。通過對產品進行不斷改進，設計出一款能夠更加精確和靈敏的語音提示盲人躲避障礙物的智能拐杖，能夠真正地彌補盲人朋友在視覺障礙上的缺失，有效改善他們的行走能力以及生活質量，從而幫助他們實現自己的人生價值。

參考文獻

[1] 楊冬燕.用于移動機器人避障的超聲波測距系統[J].內蒙古科技與經濟，2008（16）：122-124.

[2] 張同懷.超聲波測距儀的設計[J].儀表技術，2008（8）：20-22.

[3] 李金耀.One-Shot車載語音交互系統的設計與實現[D].安徽大學，2012.

[4] 何健民，張秀紅.淺談超聲波傳感器非接觸式距離檢測系統[J].黑龍江科技信息，2010（12）：25.