下载文档原格式
导盲机器人设计（二）引言概述：本文是关于导盲机器人设计的第二部分。
在本篇文章中，我们将继续深入探讨导盲机器人的设计原理和功能，并介绍其在导盲工作中的应用。
本文将围绕着五个主要方面展开：感知系统、导航系统、交互界面、移动机构和智能控制。
通过这些方面的探讨，我们希望能够加深对导盲机器人的理解，并为未来的导盲机器人设计提供一些参考。
正文：1. 感知系统1.1 视觉传感器：导盲机器人通过搭载高分辨率摄像头来获取周围环境的图像信息，以识别障碍物、人群及其他导航相关信息。
1.2 声纳传感器：采用声波技术检测物体的距离和方向，从而辅助机器人规避障碍物。
1.3 情感传感器：机器人通过情感传感器来感知用户的情绪变化和需求，以提供更人性化的导航服务。
2. 导航系统2.1 地图构建：利用激光雷达等传感器获取环境三维信息，并通过算法生成地图，为导航提供基础数据支持。
2.2 路径规划：机器人通过分析地图和实时感知数据，选择最佳路径来引导用户快速、安全地抵达目的地。
2.3 避障策略：当机器人检测到障碍物时，它将根据环境信息和预设的规则进行避障操作，保证导航过程的安全性。
3. 交互界面3.1 语音交互：导盲机器人能够理解用户的语音指令，并通过语音回复和导航指示来与用户进行交流。
3.2 触觉反馈：机器人通过触觉传感器给予用户触觉反馈，例如轻微震动或触摸提示，帮助用户更好地理解周围环境。
3.3 导航信息显示：机器人通过屏幕或发声等方式向用户展示导航信息，如地图、路线等，方便用户理解和确认进展。
4. 移动机构4.1 轮式移动机构：大部分导盲机器人采用轮式移动机构，具备较好的操控能力和适应性，可以应对不同地面情况。
4.2 腿式移动机构：少数导盲机器人采用腿式移动机构，具备跳跃和攀爬等特殊能力，可在复杂环境中自由移动。
5. 智能控制5.1 语音识别：机器人通过语音识别技术能够准确理解用户的指令，提供更智能化的导航体验。
5.2 机器学习：通过机器学习算法，机器人能够根据用户的喜好、习惯等个体差异，提供个性化的导航服务。
超声波导盲仪设计报告卢凯（20071001072）沈婷婷（20061001103）李琳（20061001050）一、设计初衷人生活过程中95%的信息是通过视觉获得的。
盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。
如何安全行走, 是盲人生活中最大的问题。
传统的手杖使用起来有诸多不便，导盲犬的训练周期过长且价格较贵，不利于普及。
我们试图利用超声波测距实现导盲的功能，制作出使用方便、价格低廉的导盲仪。
二、功能当超声波发射装置发出的超声波被前方障碍物反射并被接收装置接收时，语音电路根据障碍物距离发出不同频率的报警声音，以提醒使用者。
此时使用者可按下设置的按键，报警响声中断，同时读出障碍物距离。
报警声响起时，电路板上的LED灯会亮起，以提醒路人让路。
我们还加入了菜单选择功能，用两个按键来实现此功能，按第一个键实现选择不同的报警范围（2.5米，2.0米,1.5米,1.0米）测距频率（200um,400um），音乐类型和使用版本的第一级选择，第二个按键实现具体的二级选择。
三、设计原理该装置以 ATmega16单片机作为控制器，利用超声波回声测距的原理测距，用声音报警。
系统的硬件结构如图所示。
该系统基本主要由单片机控制系统、超声波发射电路、接收放大电路、按键控制和声音报警电路。
Atmega16用来控制、协调各部件的工作。
工作时先由单片机控制的振荡源产生信号以驱动超声波传感器，使它发射脉冲。
当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，计算出从发射到接收的时间差Δｔ，最终利用Atmega16计算出距障碍物的距离。
所需元器件：Atmega16一片，超声波探头TCT40一对，CD4049一片（1元），NE5532一片（一元），LM311—8一片（一元），BMP5008语音电路一块（35元）,0.5W扬声器一个（3元），四节电池盒一个（三元），四个10K，三个1M，一个5.1K的电阻（每个5分），三个224P，一个104P，一个30P，一个1000P的电容（每个5分）能自动变颜色的LED灯一个（8毛）。
---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---摘要本文介绍的是一款基于STC89C52RC单片机芯片的超声波导盲系统。
该系统利用HC-SR04超声波模块，通过单片机的控制收发超声波，实现对障碍物进行检测，然后利用收发时间差以及超声波在空气中的传播速度，完成对距离的计算，最后通过单片机的一系列处理，将结果反馈给盲人用户。
本文将从该系统设计的理论基础超声波测距原理开始，详细地阐述超声波测距理论基础、HC-SR04超声波模块的使用、DS1302时钟模块的使用、YF017语音模块的使用。
本文还通过利用DS1302时钟模块及YF017语音模块配合单片机的I/O口，为导盲系统添加了诸如按键语音日历、语音报时及语音报距等对于盲人比较友好的功能。
关键词：单片机；超声波测距；导盲仪；DS1302；YF017；HC-SR04；STC89C52RCAbstractThis article describes an ultrasonic blinding system based on the STC89C52RC microcontroller chip. The system uses the HC-SR04 ultrasonic module to send and receive ultrasonic waves through the control of a single-chip microcomputer to detect obstacles, and then uses the time difference between sending and receiving and the propagation speed of ultrasonic waves in the air to complete the calculation of the distance. Finally, it is processed by a series of single-chip microcomputers. Feedback results to blind users.This article will begin with the theoretical basis of the design of the ultrasonic distance measurement principle, detailed description of ultrasonic ranging theoretical basis, the use of HC-SR04 ultrasonic module, the use of DS1302 clock module, the use of YF017 voice module.This article also uses the DS1302 clock module and YF017 voice module in conjunction with the I/O port of the microcontroller to add features such as keypad voice calendar, voice announcement, and voice pitch to the blinding system.Key words: MCU; Ultrasonic distance measurement; Guidance system; DS1302; YF017;HC-SR04; STC89C52RC第一章绪论1.1研究背景根据最新的数据分析：全世界已经拥有接近1亿的盲人群体，这是一个非常巨大的群体，并且盲人群体的数量每年的增长数量也十分惊人，据不完全统计这个数字大约在七八百万左右。
具有语音功能的超声导盲仪的设计文章介绍了一款具有语音功能的超声导盲仪。
本系统采用AT89S51作为主控制器，利用超声测距原理，通过多功能语音芯片ISD1730实时监测盲人前方障碍物的距离并语音告知使用者。
该系统测距离准确、语音可自行录制、使用方便，可为盲人提供安全保障。
标签：震动；语音；超声波；导盲引言目前市场上的导盲装置，如：导盲机器人、导盲犬、GPRS导盲定位等，这些成本都很高而且像导盲犬不易于练习。
但超声波能够很好的对障碍物进行检测且检测距离较远，而且设备成本较低，便于携带。
文章用一个超声波传感器检测前方障碍物，同时利用ISD1730语音芯片快速语音播报。
实时提示前方障碍物的距离，为使用者提供安全保障。
1 系统概述本设计以AT89C51单片机为核心，实现超声的发送、接收、处理、显示及语音播放及声光提示功能。
系统结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图2 硬件设计本系统硬件电路包括超声发射与接收模块、语音模块、显示电路、光电提示电路和震动模块五大部分。
2.1 超声发射与接受模块结合本设计所要求的检测范围，选用HC-RS04模块实现超声发射与接收。
该模块采用TRIG触发测距，性能稳定，测度距离精确，盲区小。
HC-RS04模块与AT89C51单片机的连接电路如图2所示。
图2 超声模块与单片机连接电路图2.2 震动模块震动模块主要是通过偏振电机实现，其电路图如图3所示。
2.3 显示电路以及光电提示电路本设计由LCD1602显示屏显示当前与障碍物的距离。
LCD1602与单片机的连接图4所示。
光电提示电路由单片机控制其IO口实现指示灯闪烁，如图5所示。
2.4 isd1730语音模块本系统采用ISD1730 优质语音芯片。
ISD1730不仅有录放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。
这些功能通过按键就可完成。
在按键模式时，芯片可以通过/LED 管脚给出信号来提示芯片的工作状态，并且伴随有提示音，用户也可自定4种提示音效。
导盲机器人设计（一）引言概述：导盲机器人是一种能够辅助视力受损人群的智能机器人，通过感知环境、识别障碍物和提供导航功能来帮助盲人行动。
本文将介绍导盲机器人的设计，包括感知模块、识别模块、导航模块、交互模块和电源模块等五个方面的内容。
正文：1. 感知模块：1.1 摄像头感知：导盲机器人配备摄像头，通过图像分析算法实时感知周围环境。
1.2 超声波传感器：利用超声波传感器探测前方的障碍物，以确保安全路径。
1.3 惯性导航传感器：使用惯性导航传感器来检测机器人的姿态和方位。
2. 识别模块：2.1 视觉识别：通过图像识别算法，导盲机器人可以辨别人、物体和地标等，提供周围环境的详细描述。
2.2 声音识别：导盲机器人可以识别环境中的声音信号，如车辆的鸣笛声，以警示用户注意安全。
3. 导航模块：3.1 地图匹配：导盲机器人通过与预先设定的地图进行匹配，确定当前位置和目的地，并规划最优路径。
3.2 手势导航：用户可以通过手势控制导航方向，机器人及时响应并做出相应动作，提高用户的交互体验。
3.3 语音引导：导盲机器人配备语音合成功能，可以进行语音导航，向用户提供详细的行进指引。
4. 交互模块：4.1 肢体交互：导盲机器人利用机械臂和触摸屏等设备，与用户进行肢体交互，并提供相关信息和操作提示。
4.2 语音交互：用户可以通过语音控制机器人的功能，如发出指令或提问，机器人会进行语音回应。
5. 电源模块：5.1 充电模块：导盲机器人配备可充电电池，可以通过充电模块定期或按需充电，保证机器人的长时间服务能力。
5.2 低功耗设计：导盲机器人在硬件设计和软件运行中充分考虑低功耗要求，延长机器人的使用时间。
总结：导盲机器人的设计涵盖了感知模块、识别模块、导航模块、交互模块和电源模块等五个方面。
通过这些模块的合理设计，导盲机器人能够辅助盲人进行环境感知、障碍物识别、路径规划和导航引导等功能，提供更为安全和便利的行动方式，提升盲人的生活质量。
导盲设计本文档涉及附件：1.设计图纸2.功能需求列表3.原型模型照片4.用户反馈调查结果本文所涉及的法律名词及注释：1.ADA（美国残疾人福利法案）：《美国残疾人权利法案》（Americans with Disabilities Act）是美国的一项法律，于1990年生效，旨在保护残疾人的权益，包括在就业、公共服务、公共住房和其他领域的平等机会和减少歧视。
2.GDPR（通用数据保护条例）：为欧盟（EU）和欧洲经济区（EEA）内居民的个人数据隐私和信息安全提供了增强的保护。
该条例于2018年5月25日起生效，适用于涉及欧盟公民和居民的所有组织和企业。
3.版权法：指用于保护独立的表达形式，包括文字、音乐、绘画、照片、电影、软件等的知识产权法规。
正文：1.引言本文档旨在详细介绍一种导盲的设计方案，该具备辅助盲人行动、识别环境障碍物和提供路线导航等功能，以提高盲人的独立性和生活质量。
2.背景盲人在日常生活中面临许多困难和挑战，如无法准确辨别周围环境、难以感知障碍物和导航等问题。
导盲作为一种创新技术，可为盲人提供实时的定位和导航支持，帮助他们更好地适应社会和参与各类活动。
3.需求分析3.1 用户需求①盲人使用导盲能够准确和及时地获取周围环境信息，如避免碰撞障碍物和足够的安全空间。
②导盲能够提供交通导航功能，在陌生环境下指导盲人准确到达目的地。
③导盲具备语音交互功能，使盲人可以通过语音指令控制其行为。
3.2 功能需求①障碍物检测功能：能够通过传感器检测周围障碍物，并及时发出警报。
②环境感知功能：能够感知环境中的声音、光线等信息并对盲人进行提示。
③路线规划和导航功能：能够通过导航算法规划最优路径，并指导盲人按照路线行进。
④语音交互功能：能够通过语音识别与盲人进行交互，并根据指令执行相应操作。
4.技术设计4.1 结构设计①机械结构：采用轮式底盘结构，配备超声波传感器和摄像头等感知设备。
②语音交互：配备语音识别和合成的硬件模块，以实现与盲人的语音交互功能。
136多功能导盲器的设计多功能导盲器的设计Des ign of Mult i -functi onal Bl i nd Gu i de吴爱萍（南京工程学院自动化学院，江苏南京211167）摘要：论述了以STC89C52单片机为核心的多功能导盲器的设计，给出了系统的硬件电路组成，并详细介绍了软件程序的设计思路。
导盲器能检测前方、左前方、右前方障碍物的距离，当距离低于设定值时产生振动并语音提醒盲者避让。
调试 结果表明，该导盲器测量准确，使用方便。
关键词：单片机;导盲器；超声波;语音模块Abstract :The des i g n of mult i -funct i o n bl i n d gu i d e based on STC89C52 MCU is d i s cussed in th i s paper.The hardwarec i r cu i t of the system are g i y ed,and the des i g n idea of software program is introduced in deta i l.The bl i n d gu i d e can detect the d i s tance of obstaclesn front,left front and right front.When the d i s tances lower than the set yalue, i t w i ll produce y i bra-t i o n and yo i c e to rem i n d the bl i n d to ayo id.The debugg i n g results show that the gu i d e is accurate and easy to use.Keywords :m i c roprocessor,bl i n d gu i d e,ultrason i c ,yo i c e module盲人行走时,需要依靠一些辅助导盲装置，最常见的是导盲 手杖，用导盲手杖在盲人周边50cm 到1m 的范围内进行触碰 试探，从而发现并躲避障碍物。
Design of ultrasonic wave guide device
Abstract：This article recommends a device of ultrasonic wave guide which is designed to adopt AT89C51 single-chip microprocessor computer as controller and apply the principle of ultrasonic distance measuring. The device can detect the distance between the blind and an obstruction in the road ahead and convert the message to a sound reminder .According to frequency variation of the reminding sound，it will enable the blind to judge whether there is an obstruction and the distance from the obstruction then accomplish the purpose of guiding the blind.
Key words：Ultrasonic wave ；Single-chip microprocessor ；Guiding the blind
摘要：采用AT89C51单片机作为控制器，运用超声测距原理，设计了一种超声波导盲装置。
该装置可以对盲人前面道路上障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成声音提示，盲人可以依照提示声音频率变化来判断有无障碍物及离障碍物距离，达到导盲作用。
核心词：超声波；单片机；导盲
1 引言
盲人在独自行走时重要依托导盲装置。
最简朴惯用装置是普通手杖，用它在地面上敲击，可协助盲人发现0.5米以内障碍物。
它重要缺陷是不能发现较远一点障碍物以及空中突出障碍物。
例如，在相称于头部、胸位置悬挂或突出物体。
此外，盲人还可以运用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。
为了更好协助盲人行走，许多国家都研究和生产了各种
电子导盲装置，但大多成本较高，如各类导盲机器人及其他电子装置。
本文提出了一种用单片机开发超声波导盲装置设计方案，它具备低成本、实用和精准特点。
2 导盲装置功能设计及系统构成
导盲装置重要由超声波探头、单片机以及测控及解决电路、按键、蜂鸣器等构成，可以放在包中，或安装在帽子上、手杖中。
导盲装置有三个按钮，分别是电源开关、远距、近距控制按钮，尚有一种音量调节旋纽。
该装置使用电池，电源开关可控制系统通、断电，不用时候关掉电源，节约电能。
使用时，超声波探头方向指向探测方向，当前方有障碍物时，在一定距离内喇叭会发出报警声并随着向障碍物接近频率逐渐升高，起到提示作用。
远距、近距、控制按钮可用来控制报警距离，通电时初始报警距离为2米，按远距控制按钮可将初始报警距离设为5米，按近距控制按钮可将初始报警距离设为1米，报警声音音量可用音量调节旋纽调节，有耳机插孔，可以接耳机。
该装置是以AT89C51单片机作为控制器，运用超声波回声测距原理测距，用蜂鸣器进行声音报警。
系统硬件构造框图如图1所示。
该系统重要由单片机控制系统、超声波发射电路、接受放大电路、按键控制和声音报警电路。
AT89C51单片机是整个系统核心部件，用来控制、协调各部件工作。
工作时先由单片机控制振荡源产生40K Hz频率信号以驱动超声波传感器，使它发射脉冲。
当第一种超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一种回波脉冲瞬间，计数器停止计数，计算出从发射到接受时间差Δｔ，最后运用单片机计算出距障碍物距离，并依照远
距、近距控制按钮设定测距值进行报警批示。
3. 超声波测距原理
超声波测距采用办法是时间差测距法，在超声波发生器发射出超声波同步开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到障碍物就及时返回来，超声波接受器收到反射波就及时停止计时，测出发射和接受到回波时间差Δｔ。
由下式可以求出超声波发射地与目的之间距离Ｓ
Ｓ＝ｖΔｔ／２（1）
式中ｖ为超声波传播速度，超声波常温下在空气中传播速度是340米／秒，传播速度与空气温度、湿度等因素关于，这里由于测量距离不长，测量精度规定不高，不考虑其她影响，只要测得超声波发射和接受回波时间差Δｔ，按（1）式计算即可。
4 控制系统硬件电路设计
4.1 超声波发射电路
超声波发射电路重要由高频三极管及超声波发生器构成，如图2所示,
超声波收发传感器采用压电陶瓷传感器UCM40，由于频率为40kHz左右超声波在空气中传播效率最佳，因而通过执行程序由单片机P1.0产生40KHz振荡信号,通过高频三极管放大，驱动超声波发生传感器UCM40T发出40KHz超声波脉冲。
4.2 超声波接受电路
超声波接受传感器采用与发射传感器配对UCM40R，将由发射传感器发出经反射后超声波脉冲转变为薄弱交流信号，通过运算放大器LM358两级放大后，送至音频译码集成模块LM5673脚。
LM567是带锁相环音频译码器，具备选频功能，LM567内部压控振荡器中心频率f=1/1.1RC，当LM567输入信号不不大于25mV时，输出端8脚由高电平跳变为低电平，将其作为单片机中断祈求信号，送至单片机INT0端，以启动中断服务子程序。
接受电路如图3所示。
图3超声波接受电路
4.3按键及蜂鸣器驱动电路
开关控制电源通断,远距、近距控制按钮一端接高电平，另一端分别接单片机P1.2、P1.3，并同步经与门接入单片机INT1端，当其中任意
按键按下时会产生一种中断祈求信号送入INT1，同步，从P1口读数判断按键状态并调用相应子程序进行解决。
远距、近距控制按钮同步只有一种有效，由软件控制，都按下时为近距控制按钮有效。
蜂鸣器由三极管驱动，接P1.4，由报警程序控制，相应不同按键及距离，发出不同频率声音。
5 系统软件设计
本系统软件采用模块化设计，超声波测距导盲器超声波测距、按键控制、报警提示都由AT89C51单片机控制，主程序流程图如图4所示。
上电后主程序无限循环，初始化后系统设立一系列初始值，涉及超声波发射间隔数、定期器定期初值、报警门限值等，然后读取按键状态，再依照按键状态对初始设定值进行修改，初始值报警距离设定为2米，即2米内有障碍物时即驱动蜂鸣器发出声音，并且随着距离接近，不断
调节参数，使得声音频率不断提高。
远距、近距控制按钮分别相应不同超声波发射间隔和报警门限、频率等；程序控制发送0.2毫秒宽度超声波，同步启动定期器Ｔ0计时；为避免接受传感器直接接受到发射超声波，在发射超声波之后插入一段延时，由于设立超声波频率为40KHz ，超声波常温下在空气中传播速度是340米／秒,计算可知延时6个脉冲就可以了。
延时后启动接受回波程序，等待接受回波，超时(即在设定距离内无障碍物)即返回前面，若有回波则停止计时，读取时间差,运用公式(1)计算出距离，然后执行报警程序，依照计算距离成果及设定值比较选取不同参数，驱动蜂鸣器发出不同频率声音，距离越近频率越高。
最后返回重新开始。
6 误差分析
对系统进行实验测试，成果发当前５米范畴内，最大误差在5cm以内，且距离越近，误差越小，完全满足导盲需要。
分析误差重要有几种因素：一是空气温度变化等引起声速变化导致误差，由于超声波在空气中传播速度为V=331.5+0.607t，t为现场环境温度，温度在-30℃--40℃范畴变化时，传播速度V变化范畴为313米／秒--356米／秒，对运用公式(1)计算出距离值有一定影响，采用声速预置和传播介质温度测量结合办法对声速进行修正，可有效地减少温度变化产生误差。
二是发射与脉冲计
数由于响应快慢差别启动不同步引起误差，对此在调试中通过脉冲计数值补偿进行修正。
三是超声波在传播过程由于受衍射、散射和吸取等影响衰减导致误差，近距离误差不明显，距离越远产生误差越大，可恰当增大超声波发射功率等来改进。
四是发射和接受前置电路延迟时间误差等，而发射前置电路和接受前置电路中采用集成芯片均有时间延迟，而计数器则始终是在工作，直到回波通过LM567解决后变成负跳变电信号产生外部INTO中断，在整个计数过程中，多了延迟时间中计多次数，导致测距数据误差。
对此采用时间增益控制，来减少误差，由于本装置对于厘米级精度已经足够，电路延迟都是纳秒数量级，记数频率是
40KHz，因此减少一种记数单位完全可以矫正。
针对误差因素在程序设计及系统调试中做了相应解决后，收到一定效果，精度得到一定提高。
7 结束语
由于考虑到体积、成本等因素，本装置在性能上、功能上还存在局限性，有待于进一步提高：
(1)增长几路不同方向超声波探测或红外探测器以及温度补偿电路等,可以提高装置敏捷度和精度,同步提高可靠性。
(2)可在装置中增长一种语音芯片，将蜂鸣报警改为语音阐明批示，依照探测成果直接报出距离、方位,更便于使用。
(3)由于受发射功率及回波检测敏捷度限制,探测范畴较小,可增长发射功率调节等电路，以便增大探测范畴，可用于夜间探路、井下摸索等。
本文创新点：
(1)从测试成果分析可知，本装置采用较低成本器件设计制作，且误差较小，完全满足盲人行走指引作用，具备较高性价比。
(2)本装置构造简朴、体积小、性能稳定，操作容易、使用以便，可以安装在不同载体上，制作成不同用品，如手杖、导盲眼镜、导盲背心等，盲人很容易学会使用，具备一定推广应用价值。
