基于红外和超声传感器的混合ETA

基于红外和超声传感器的混合ETA李熠辉12307130103我要介绍的是一种新型的电子行走辅助仪器(ETA)，用以辅助视觉受损的人和盲人，以期代替今天仍然在广泛使用的白拐杖这一工具。这个新设备由两个红外传感器,一个超声波传感器,一个单片机(管理输入信号和做出决定)和四个用来在捕获到障碍物信号时提醒使用者的震动马达组成。所有这些组件集成在一条便于穿戴的腰带上。尽管关于电子行走辅助设备的研究数不胜数，但今天视觉障碍人群使用更广泛及普遍的设备仍然是最简易的白手杖。该新设备的任务是就是自动帮助盲人识别出他们的路径上的障碍并及时给予提醒。实现该项功能的常用技术有:相机、GPS、无线传感器网络和红外超声传感器。基于相机工作的设备可以实现处理图像,并将其转换为震动或语音消息的功能。GPS技术通常用于了解确切位置和将盲人引导到通过语音选择的目的地的情况。另一种方法,是使用无线传感器网络，其作用是找到由三角测量传感器优化过的确切位置。其他不同的方法还有利用红外超声传感器来做障碍物的即时捕获等等。这些设备的主要任务是通过感测障碍物和用户之间的距离的变化来获取障碍物的信息。该设备的设计初衷是希望它能更简易便捷，并且相比其他设备更有价格上的优势。一方面，其部件的减少意味着很少的能量消耗和很大的机动性。另一方面，综合两种传感器意味着该设备能够同时拥有超声和红外两种传感器的优势：红外传感器对于镜面和玻璃面束手无策，而超声传感器可以识别任意材质的表面；相反的，红外相对于超声传感器则能更加确切地捕获到障碍物的位置。在该设备中，不同障碍物的识别是通过可以根据障碍物尺寸的大小进行信号强度增减的输出信号完成的。用户需要学会分辨这些简单的输出信号，为此该设备只是给予用户的两只脚各两种信号，来分辨前方障碍是凸起还是凹陷的。设备中两个红外传感器的作用是识别障碍物，超声传感器则是截取红外传感器校准曲线的第一部分和识别一些特殊的表面，四个震动马达负责给用户信号，单片机通过处理输入及输出信号来进行最终决策。红外传感器如图所示位于设备的左右两端，以便于识别脚边的障碍物。然而这种选择可能会导致较大的噪声，所以设计一个低通滤波器滤除噪声是非常有必要的。震动马达采用Solarbotic公司生产的VPM2型号，四个马达两个在前两个在后用以区分障碍物是凹陷还是凸起，是位于右脚还是左脚的前方。例如如果右脚前方有一个凸起障碍物，则会震动位于右侧前方的马达；如果左脚前方是一个下降台阶则会震动位于左侧后方的马达。并且经测试发现，只需一个容量为1200mAh的9V电池就能使设备连续工作10小时以上。红外传感器使用夏普GP2Y0A02YK0F红外测距传感器，与障碍物之间距离的拟合曲线如下所示。该传感器的适用范围是在距障碍物20至150厘米之间。传感器基于三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度α，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。超声传感器采用LV-MaxSonar-EZ1声波测距传感器，与障碍物之间距离的拟合曲线如下所示，近似线性关系，可见其最佳的测量下限也是20厘米，其优点是通用于任何平面的识别，使系统可以更加可靠。然而在实验中发现当障碍物是三维物体时，声波的波束宽度在峰值会达到40cm,这对于精确识别障碍物十分不利，所以搭配可以精确识别障碍物的红外传感器，一同进行识别测距。下图展示了整个系统的逻辑结构，其中e是感应下限，A为超声传感器测得距离的安全阈值，在仅有超声传感器工作的情况下超过此阈值也会使马达震动。M1，M2为安置在设备前端的马达，M3，M4为安置在后端的马达。之后，还需进行几何和时间运算来确定超声传感器的最佳安放位置，以发挥出其最优功能。为此建立了一个模型，其中人的速度估计为0.6m/s，设备离地面约为1m，如下图所示经推算可知，放置传感器最适宜的角度为40°，在探测到障碍物存在时，可以使障碍物与用户之间保持0.85m的距离。经推算可知人距障碍物之间还有1.4s左右的时间，而人类反应时间在0.1到0.3s之间，所以留给设备进行滤波延迟的时间不用超过1.1s。经推算可知，设备进行滤波的时间不会超过1s,该方案确实是可行的。具体时间表格如下以下是实际实验中得到的数据，Fig.13和14分别是在以普通墙壁和玻璃墙壁作为障碍的情况下三个传感器测得的数据，可见在第一种情况中，三个传感器全都可以正常工作，而在第二种情况下，只有超声传感器可以正常工作。当距离下降到最低点时，即在提醒用户这一障碍无法逾越。Fig.15为了模拟下台阶的情形，在用户右脚前方有一20cm深的坑洞的情况下测得。可见仅有右侧的红外传感器捕获到这一障碍，并及时提醒用户注意脚下。而且由于此过程信号强度上升及下降过程较快，即提示用户该障碍可以逾越。该滤波器下一步研发的目标是减少滤波所用时间和噪声的幅度。