基于STM32的超聲相控陣導(dǎo)盲系統(tǒng)研究

摘要：在此為盲人設(shè)計(jì)了一種基于STM32的超聲相控陣導(dǎo)盲避障系統(tǒng)，主要涉及到系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，以及超聲相控陣識(shí)別幾種障礙的方法。該系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體的STM32微控制器為核心，主要包括超聲發(fā)射電路，回波信號(hào)接收與放大電路，以及回波信號(hào)的處理與分析。該設(shè)計(jì)能夠探測(cè)前對(duì)前方寬1．5 m縱深2 m的范圍進(jìn)行探測(cè)，能夠分辨狹窄通道、臺(tái)階、溝壑以及柱狀障礙物等，使盲人行動(dòng)時(shí)更加方便。并且該系統(tǒng)功耗小，成本低，具有很好的使用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲系統(tǒng)；超聲相控陣；STM32；CORTEX

0 引言
根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù)，全世界目前有3 000多萬人目盲，其中約有18％是中國(guó)人。針對(duì)盲人行動(dòng)不便的情況，本文介紹了一種基于超聲相控陣的盲人避障系統(tǒng)。
本文綜合超聲波的導(dǎo)盲設(shè)計(jì)，采用超聲相控陣技術(shù)對(duì)障礙物進(jìn)行探測(cè)，核心控制器件STM32為ST公司推出的基于CORTEX內(nèi)核的32位MCU，具有豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。通過它對(duì)外圍電路的控制，及其強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，實(shí)瑰障礙物的探測(cè)以及環(huán)境的判斷。

1 系統(tǒng)組成及原理
本設(shè)計(jì)是利用意法半導(dǎo)體有限公司推出的基于CORTEX 內(nèi)核的高性能 32 位 MCU，STM32F103RBT6為核心硬件。多個(gè)超聲探頭按照一定規(guī)則組成的超聲相控陣，通過芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號(hào)發(fā)送與識(shí)別系統(tǒng)完成導(dǎo)盲避障功能。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用超聲相控陣以多發(fā)一收的形式完成障礙探測(cè)。具體方案如下：超聲信號(hào)的工作頻率是40 kHz，首先STM32F103RBT6 MCU產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào)，工作時(shí)各個(gè)探頭按照預(yù)定的延遲時(shí)間依次發(fā)送5個(gè)周期的方波信號(hào)。根據(jù)不同的延時(shí)時(shí)間，超聲相控陣發(fā)出的信號(hào)能夠在前方9個(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同情況的聚焦。這9個(gè)點(diǎn)分布于超聲相控陣前方的左、中、右3個(gè)方向上，每個(gè)方向有上、中、下3個(gè)點(diǎn)。其中左右以及上下方向的偏轉(zhuǎn)角度設(shè)為30°。聚焦深度為1．5 m。信號(hào)從發(fā)射到在聚焦點(diǎn)返回，所需時(shí)間約為8．8 ms。所以發(fā)送完信號(hào)后經(jīng)過8 ms的延遲，打開接收通道的開關(guān)，開始接收回波信號(hào)。由于回波比較微弱，所以先將信號(hào)進(jìn)行放大，將其放大為單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行存儲(chǔ)，之后進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)分析與處理工作，從而實(shí)現(xiàn)相控陣掃描。

2 超聲相控陣的介紹
超聲相控陣換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，按照一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來調(diào)整焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。相控陣換能器最顯著的特點(diǎn)是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點(diǎn)尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動(dòng)態(tài)可調(diào)。無需聲透鏡便可實(shí)現(xiàn)聲束聚焦，從而可以靈活有效地控制聲束，實(shí)現(xiàn)區(qū)域掃描探測(cè)；相控陣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)理想的聲束聚焦；采用同樣幅度的電壓驅(qū)動(dòng)每個(gè)陣元，聚焦區(qū)域的實(shí)際聲場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)的超聲波技術(shù)；在分辨力、信噪比、障礙檢出率等方面有明顯的優(yōu)越性。