低成本超声波盲人鞋设计

基于超声波的智能盲人鞋设计

原创于 2025-10-17 08:02:58 发布 · 1k 阅读

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#盲人辅助 #超声波传感器 #光敏电阻 #Arduino #智能鞋

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第12章低成本超声波盲人鞋

希亚姆·曼达尔和阿达尔沙·B·钱德拉
印度西隆东北希尔大学生物医学工程系

12.1 引言

许多人患有严重的视障问题，这使他们无法独立出行。因此，他们需要使用各种工具和技术来辅助行动。全球范围内，盲人数量的增加促使了众多辅助设备的发展。在印度，约3900万人中有约800万人是盲人。而在每百万人中，有5.3万名视障人士，4.6万人视力低下，6800人完全失明，即为盲人。不幸的是，根据目前的统计数据，其中仅有5%的人能够获得任何形式的辅助技术。

“辅助技术”指的是任何物品、设备或产品系统，无论是否为商业获取、改装或定制，均可用于增强、维持或改善残疾人的功能能力。视障人士在出行时面临最大的问题之一是，他们在室内和户外行走时，无法像正常人一样了解自身位置、方向以及沿途的交通和障碍物信息。本章所介绍的技术为视障人士提供了解决方案。该项目包括在鞋上安装超声波传感器，当行进路径中出现障碍物时，可向视障人士发出警报，从而帮助他们减少事故地行走。本章将为那些因担心遇到障碍物而害怕行走、感到行动不便的人提供良好的解决方案。

丹巴雷等人 [1] 设计了一种基于全球定位系统的实时人工视觉与物体检测系统，为盲人提供低成本且高效的导航辅助，通过提供周围静态和动态物体的环境信息，赋予他们一种人工视觉感。甘瓦尔 [2] 设计了一款智能拐杖，可通过红外传感器对障碍物进行早期预警。在识别到障碍物后，拐杖会通过振动信号提醒视障人士。然而，该智能拐杖仅专注于障碍物检测，并未针对视障人士所需的紧急用途提供辅助。

此外，红外传感器的效率并不够高，因为它只能在短距离内检测到最近的障碍物。Benjamin 等人 [3] 开发了一种使用激光传感器来检测障碍物和下路缘的智能拐杖。障碍物检测通过麦克风发出的高音调 “哔哔声” 进行提示。激光拐杖的设计非常简单直观。该拐杖只能检测障碍物，但无法提供认知和心理支持。系统仅通过触发任何障碍物时发出的哔哔声进行提示，且没有任何引导功能。

S. Rastogi 等人 [4] 研制出一种智能拐杖原型。这是一种小巧、廉价且易于佩戴的导航辅助设备。该盲人拐杖通过实现全局导航以引导用户前往目的地，并通过局部导航帮助用户在路径、人行道和走廊中通行，甚至能够避开静态和动态障碍物。此外，他们还发明了佩戴在胸部高度的立体相机、放置在肩带式袋或口袋中的便携式计算机，以及仅使用一个耳机或小型扬声器。该系统具有较高的用户友好性，在使用拐杖行走时不会造成阻碍，同时也不会屏蔽周围环境的正常声音 [5–8]。

1. 项目目标

为了克服所有这些限制，我们设计了一款基于超声波的盲人鞋，其中还包含光敏电阻（LDR）。

超声波传感器将有助于探测障碍物，并提醒视力障碍者前方有障碍物。
光敏电阻在这里将改进另一个功能，即让人能够知道他是否处于较暗的地方。
他会收到关于风险的警报。

2. 硬件组件

开发这双鞋使用了以下硬件组件：

Arduino Nano (ATMEGA328)
超声波传感器（HC-SR04）
光敏电阻
电压转换器（LM7805）
蜂鸣器
9V 电池

12.2 组件说明

12.2.1 超声波传感器

超声波模块是一种利用电能-机械能转换来测量传感器到目标物体距离的设备。超声波是纵波机械波，通过介质沿波传播方向以一系列压缩和稀疏的形式传播。

除了距离测量外，它们还用于超声波材料检测（用于检测裂缝、气泡及其他产品缺陷）、物体检测、位置检测、超声波鼠标等（图12.1）。

它通过在特定频率下发出声波并监听该声波反弹回来的情况来测量距离。超声波传感器由发射器和接收器组成，可以作为单独的单元或集成在一起作为一个整体单元。图12.2 展示了超声波的发送和接收机制。

超声波实际上是高于人耳可听频率范围的声波，即高于20千赫兹，可能高达几兆赫兹。超声波由压电晶体的振动产生。这里我们使用了两个超声波探头，能够产生超声波并接收反射的超声波。超声波传感器有四个引脚配置，具体如下：

Vcc
触发
回声
接地

示意图0

Speed of ultrasonic sensor = speed of sound wave = 340 m/s

示意图1

当已知时间差（发射时间与接收时间）时，可计算出传感器到障碍物的距离为：

$$
\text{Speed} = \frac{\text{Distance}}{\text{time}}
$$

$$
\text{Distance} = \text{speed} \times \text{time}
$$

由于声音传播的距离是相同的两倍，因此距离可以测量为：

$$
\text{Distance} = \frac{340 \times \text{time}}{2}
$$

12.3 光敏电阻

光敏电阻是一种其电阻率随入射电磁辐射（或简称为光）而变化的设备。它由具有高电阻的半导体材料制成。

12.4 光敏电阻的工作原理

它基于光电导性原理工作，这是一种光学现象，当材料吸收光时，其电阻率降低（图12.3）。

当光照射到设备上，即光子落在设备上时，半导体材料价带中的电子被激发到导带，而入射光中的这些光子能量必须大于半导体材料的带隙，才能使电子从价带跃迁到导带。因此，当具有足够能量的光照射到设备上时，越来越多的电子被激发到导带，从而产生大量的载流子。该过程的结果是更大的电流通过设备。

示意图2

当电路闭合时，该设备的电阻减小，因此可以说该设备的电阻已降低，这是光敏电阻最常见的工作原理。

12.5 蜂鸣器

蜂鸣器是一种小型且高效的组件，可为我们的项目/系统添加声音功能。它体积小巧，采用双引脚结构，因此可以轻松用于面包板甚至PCB上，这使得蜂鸣器成为大多数电子应用中广泛使用的组件。我们使用了一个5伏特的有源蜂鸣器（图12.4）。

电压调节器 LM7805（图12.5）

输入电压范围：7–35V
额定电流：Ic = 1A
输出电压范围：VMax = 5.2V, VMin = 4.8V

所提方案的详细描述

该鞋模块通过向接收器发送消息来检测地面障碍物，并识别墙壁或碎片等障碍物的存在，从而提醒使用者。基于超声波的盲人鞋的框图如图12.6所示。

示意图3

示意图4

框图由以下模块组成：

超声波传感器1 ：这是第一个传感器，安装在鞋的正前方，用于检测行进方向前方的障碍物。
超声波传感器2 ：这是第二个传感器，安装在右脚鞋的右侧，用于检测人体右侧的障碍物。
光敏电阻 ：这是一种电阻率随入射电磁辐射（即光）变化而变化的设备。它由具有高电阻的半导体材料制成。
Arduino Nano ：这是整个设备的主控制器。它接收来自这两个超声波传感器的信号，并控制蜂鸣器发出哔哔声（图12.7）。
稳压器 ：该电子设备用于将电池提供的电压（9伏）转换为设备运行所需的电压（5伏特）。
电池：使用一块9伏电池为设备（鞋）供电。

示意图5

示意图6

12.6 工作原理

该项目旨在开发一种工具或辅助设备，帮助盲人行走或出行，减少他们对他人的依赖，使其更加自立。项目以Arduino Nano控制器为核心，具备使用超声波模块检测障碍物的功能。该传感器安装在盲人的鞋上，当检测到障碍物时会提醒使用者。光敏电阻可感知光强，并告知使用者当前处于黑暗区域还是明亮区域。

12.7 电路图

Arduino Nano用于控制所有传感器。整个电路板由9伏电池供电，并通过7805电压稳压器将其稳压至5伏。超声波传感器由5伏供电，触发和回声引脚连接到Arduino Nano的3号和2号引脚，如上所示。光敏电阻与一个10 K的电阻构成分压器，其电压差由Arduino ADC引脚A1读取。电路板的输出由连接到D13引脚的蜂鸣器给出（LDR图12.8 蜂鸣器）。

示意图7

程序代码：

常量整数 trigPin = 3;
常量整数 echoPin = 2;
常量整数 Buzz = 13;
常量整数 Remote = A0;
常量整数 Light = A1;
长整型 duration;
整型 distance;
整型 Signal;
整型 Intens;
整型 similar_count;

void setup() {
  pinMode(trigPin, 输出);
  pinMode(echoPin, 输入);
  pinMode(Buzz, 输出);
  digitalWrite(Buzz, 低电平);
  串口初始化 9600 波特率；
}

void loop() {
  digitalWrite(trigPin, 低电平);
  微秒延时(2);
  digitalWrite(trigPin, 高电平);
  微秒延时(10);
  digitalWrite(trigPin, 低电平);
  duration = pulseIn(echoPin, 高电平);
  distance = duration * 0.034 / 2;
  Signal = analogRead(Remote);
  Intens = analogRead(Light);
  整型 temp = analogRead(Remote);
  similar_count = 0;

  while (Signal == temp) {
    Signal = analogRead(Remote);
    similar_count++;
  }

  if (similar_count > 50) {
    Serial.print(similar_count);
    Serial.println("远程按下");
    digitalWrite(Buzz, 高电平);
    delay(3000);
    digitalWrite(Buzz, 低电平);
  }

  if (Intens < 200) {
    Serial.print(Intens);
    Serial.println("Light is Very Low");
    digitalWrite(Buzz, 高电平);
    delay(200);
    digitalWrite(Buzz, 低电平);
    delay(200);
    digitalWrite(Buzz, 高电平);
    delay(200);
    digitalWrite(Buzz, 低电平);
    delay(500);
  }

  if (Intens > 800) {
    Serial.print(Intens);
    Serial.println("Light is Very Bright");
    digitalWrite(Buzz, 高电平);
    delay(500);
    digitalWrite(Buzz, 低电平);
    delay(500);
    digitalWrite(Buzz, 高电平);
    delay(500);
    digitalWrite(Buzz, 低电平);
    delay(500);
  }

  if (distance < 50) {
    Serial.print(distance);
    Serial.println("Object Alert");
    digitalWrite(Buzz, 高电平);
    for (int i = distance; i > 0; i--) delay(10);
    digitalWrite(Buzz, 低电平);
    for (int i = distance; i > 0; i--) delay(10);
  }

  Serial.print("Distance: ");
  Serial.println(distance);
}

示意图8