1、型智能手杖設(shè)計(jì)策劃書課題名稱新型智能手杖的設(shè)計(jì)課題申請(qǐng)人韓旭所在院（部）機(jī)械工程學(xué)院課題指導(dǎo)教師 張新偉 職稱 講師（碩士）新型智能手杖策劃書手杖自從人類能夠步行就開始使用，當(dāng)今已成為許多老年人“助走”的晚年 外出的必帶之物。它既可穩(wěn)身健步，又可增強(qiáng)體力，除此之外，手杖還有頗多妙 用，人們通常稱它是老年人的“第三條腿” 。中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會(huì)，意味 著手杖具有更大的消費(fèi)群體。 現(xiàn)在市場(chǎng)上的手杖基本都只是單一支撐功能， 不具 備各種新環(huán)境下應(yīng)具有的智能功能。我們此次設(shè)計(jì)的是一種新型的、智能化的、 多功能的、更便捷的手杖，手杖由GPS定位系統(tǒng)，距離傳感器，指南針，小型手 電筒、收音機(jī)等構(gòu)成。1

2、. 設(shè)計(jì)構(gòu)思的提出中國(guó)乃至世界的很多國(guó)家都已經(jīng)進(jìn)入老年化社會(huì)， 對(duì)于老年人的日常生活質(zhì)量 應(yīng)當(dāng)有所提高， 而我們的智能手杖的剛好能達(dá)到這個(gè)目的， 讓老年人擺脫種種出 行的困擾 。在科技發(fā)展的今天， 年輕人的產(chǎn)品到處可見(jiàn)， 我們也想讓老人們趕上潮流， 讓 老人們的晚年更加幸福。 現(xiàn)在越來(lái)越多的年輕人選擇和父母分開住， 許多老年人 在退休后特別的孤獨(dú)， 有的都已經(jīng)構(gòu)成心理上的疾病了， 在世界老齡化這一現(xiàn)實(shí) 的條件下， 老年人作為社會(huì)上的一個(gè)為數(shù)不少的群體， 更應(yīng)該引起我們更多人的 關(guān)注。老年人在生理上許多功能都在退化，老年人的觸覺(jué)在 55 歲之后有急劇遲 鈍的可能性， 管理平衡的機(jī)能構(gòu)造衰退導(dǎo)致姿

3、勢(shì)和步態(tài)不穩(wěn)， 也就加大了摔跤的 可能性。這個(gè)智能手杖的提出就是鼓勵(lì)老年人多外出行走，好好享受陽(yáng)光，享受生活， 也是提高老年人晚年幸福生活的產(chǎn)物之一。2. 手杖設(shè)計(jì)項(xiàng)目（1）GPS定位系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)GPS與手杖結(jié)合呢？把手杖把手第一節(jié)內(nèi)中空，安裝GPS電子設(shè)備， GPS接收機(jī)主要由接收天線、主機(jī)和電源組成。進(jìn)行相關(guān)匹配然后由于衛(wèi)星運(yùn)行 軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，使得民用 GPS 定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分 GPS（DGP）技術(shù)，建立 基準(zhǔn)站（差分臺(tái)）進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比 較，從而得出數(shù)據(jù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)

4、收到該數(shù)據(jù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比 較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。 實(shí)驗(yàn)表明，利用差分 GP（SDGPS）， 定位精度可提高到 5米。導(dǎo)航系統(tǒng)主要由導(dǎo)航主機(jī)和導(dǎo)航顯示終端兩部分構(gòu)成。 內(nèi)置的GPS天線會(huì)接收到來(lái)自環(huán)繞地球的 24顆GPS衛(wèi)星中的至少3顆所傳遞的 數(shù)據(jù)信息，由此測(cè)定使用者當(dāng)前所處的位置。導(dǎo)航主機(jī)通過(guò)GPS衛(wèi)星信號(hào)確定的 位置坐標(biāo)與電子地圖數(shù)據(jù)相匹配，便可確定使用者在電子地圖中的準(zhǔn)確位置。把手杖把手的第1節(jié)內(nèi)中空，安裝GPS電子設(shè)備，GPS接收機(jī)主要由接收天線、 主機(jī)和電源組成。 因?yàn)楣照燃?xì)長(zhǎng)和重量輕 ,其內(nèi)部電路集成度高 ,因此,選擇伽明公 司的GPS25LVSOE

5、M板作為主機(jī)。GPS25LVS接收模塊定位速度快，工作穩(wěn)定，耐電 壓沖擊，具有很好的抗干擾性,是目前應(yīng)用最廣泛的GPS8收處理板,能滿足各種導(dǎo) 航和授時(shí)領(lǐng)域的需求。GPS25LVS俞入輸出的語(yǔ)句采用串行通信協(xié)議，符合NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn);輸出的周期信號(hào) ,主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。由它接收 來(lái)自天線的信號(hào)，通過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào) 的跟蹤、鎖定、測(cè)量 ,從而產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息 （包括:緯度、經(jīng)度、高度、速 度、日期、時(shí)間、航向、衛(wèi)星狀況等。在處理 GPS數(shù)據(jù)時(shí)還要進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)和 平面直角坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換。函數(shù) Map toReal（）可實(shí)現(xiàn)直角坐

6、標(biāo)到經(jīng)緯度的坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換，這樣經(jīng)過(guò)處理后的GPS定位數(shù)據(jù)信息就存放在內(nèi)存中，接下來(lái)是等待狀態(tài)切換, 將這些信息通過(guò)電子地圖的匹配 ,查表得出相應(yīng)坐標(biāo)的地理位置名稱數(shù)據(jù)。通過(guò)單片機(jī)輸出的定位信息只是單一的數(shù)據(jù)信息 ,由于盲人視覺(jué)上無(wú)法識(shí)別 ,只 能依靠聽覺(jué)感知 ,所以需要將電子地圖的地名坐標(biāo)數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)匹配,矢量化后的電子地圖數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器里的表項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比程序查表 ,由于盲人視覺(jué)上 無(wú)法識(shí)別 ,只能依靠聽覺(jué)感知 ,所以需要將電子地圖的地名坐標(biāo)數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)通 過(guò)串口發(fā)送給語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音讀出。（2）距離傳感器 如何實(shí)現(xiàn)距離傳感器與手杖的結(jié)合？盲人使用拐杖時(shí),無(wú)法準(zhǔn)確的探明前方是否有障礙物

7、,特別是懸掛在前方的障礙物 ,如果在拐杖把手的頭部安裝超聲波測(cè) 障器，可以很好地幫助盲人辨別障礙物方位。結(jié)合 GPS定位功能,可以較好地輔助 盲人生活出行。 超聲波發(fā)送模塊包括超聲波產(chǎn)生和發(fā)射兩個(gè)部分構(gòu)成。 超聲波的 產(chǎn)生方法有兩種 ,一種是硬件產(chǎn)生法 ,另一種是軟件產(chǎn)生法。本設(shè)計(jì)采用硬件產(chǎn)生 法超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路的作用是將振蕩電路振蕩產(chǎn)生40kHz的脈沖信號(hào),由于產(chǎn)生的震蕩信號(hào)非常的微弱 ,并且超聲波在空氣中傳播時(shí) ,能量隨距離的增加而減小 回波的信號(hào)就更弱了 ,通過(guò)一個(gè)振蕩達(dá)林頓管進(jìn)行功率放大 ,來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器 的發(fā)射器發(fā)射超聲波信號(hào)。 整個(gè)震蕩電路的啟震是通過(guò)單片機(jī)出口發(fā)出的低電平

8、脈沖觸發(fā)。其中幾個(gè)非門并接 ,可供較大的輸出電流 ,從而提高電路的驅(qū)動(dòng)能力 , 使得超聲波器獲的發(fā)射到足夠的能量 ,產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的信號(hào)。超聲波經(jīng)發(fā)射后受 障礙物反射返回 ,超聲波接收器接收反射信號(hào) ,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,經(jīng)過(guò)放大、濾波、 整形等處理后 ,即將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào) ,當(dāng)超過(guò)安全距離界限以后 蜂鳴器報(bào)警電路被啟動(dòng) ,并發(fā)聲報(bào)警。當(dāng)拐杖的超聲波檢測(cè)電路檢測(cè)到障礙物已 經(jīng)到達(dá)安全距離之內(nèi) ,單片機(jī)出口會(huì)形成一個(gè)高電平使晶體管導(dǎo)通 ,觸發(fā)啟動(dòng)蜂鳴 器報(bào)警,或者在遇到過(guò)馬路以及需提醒周圍行人注意時(shí)也可以手動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào) 警。超聲波測(cè)障報(bào)警系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體采用單片機(jī)專業(yè)語(yǔ)言 Kei

9、lC51編寫軟件分 別調(diào)用子程序進(jìn)行相應(yīng)的串行通訊接口控制、波特率自適應(yīng)控制等。GPS定位子系統(tǒng)軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機(jī) （中斷）模塊組成。其原理圖如下圖 所示。將上述電路裝入手杖的低端一節(jié)便可實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與手杖的完美結(jié)合。（3）其他還裝有指南針、小型手電筒、收音機(jī)等，以滿足不同的需求者。3. 手杖功能及優(yōu)勢(shì)（1） GPS定位系統(tǒng)，據(jù)研究很多老人經(jīng)常忘記回家的路，通過(guò)GPS定位系 統(tǒng)，家人可以準(zhǔn)確的，快速的知道老人的具體位置。（2）距離傳感器，這項(xiàng)功能主要是為盲人設(shè)計(jì)的，當(dāng)盲人遇到前方有障礙物時(shí)，手杖手柄處會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)以提示盲人使用者前方存在障礙物。以及其他的輔助功能。（3） 手柄

10、：堅(jiān)固、耐用，使用起來(lái)更舒適，防滑設(shè)計(jì)，增加尼龍軟質(zhì)把手, 輕松抓握更舒適.杖尖為鎢錳鋼杖尖很耐用，如果戳到石頭縫隙或冰里，不容易打滑。尖端凹 進(jìn)去的，通常可以戳得更牢固。提供杖尖橡膠防護(hù)套，這樣在比較松軟的地上行 走，也不會(huì)因?yàn)椴迦胩疃尾怀觯?）可調(diào)節(jié)杖桿：杖桿四節(jié)，長(zhǎng)度可自由調(diào)節(jié)，當(dāng)不用的時(shí)候，可以收縮 的更短，能方便的帶在身上。最長(zhǎng)可拉到1.2米，最短可縮至0.54米，使用非常 方便。4. 創(chuàng)新點(diǎn)經(jīng)過(guò)我們小組查閱相關(guān)資料，現(xiàn)在市場(chǎng)上的拐杖功能都是比較單一的， 有的 帶有手電筒，收音機(jī)等，卻也稱不上智能，只能說(shuō)是多功能化的，而我們所設(shè)計(jì) 的包含1）GPS定位系統(tǒng)，文中基于方便老年人、盲

11、人、智障人士等特殊人群出 行，便于監(jiān)護(hù)人監(jiān)控和尋找，綜合應(yīng)用MCU控9、GPS定位、GSM/GPRS傳輸、 角度測(cè)量等技術(shù)，制作了一種智能定位報(bào)警拐杖。 樣機(jī)測(cè)試證明，當(dāng)使用者的 實(shí)際位置超出設(shè)定的范圍或路徑， 可以給出提示信息， 幫助使用者回到設(shè)定的范 圍或路徑； 在拐杖歪倒超過(guò)一定時(shí)間時(shí)， 自動(dòng)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送求救及定位信息， 或 者自動(dòng)撥打相應(yīng)的電話求救， 對(duì)特殊人群的出行能夠提供切實(shí)有效的幫助。 據(jù)研 究很多老人經(jīng)常忘記回家的路，通過(guò)GPS定位系統(tǒng)，家人可以準(zhǔn)確的，快速的知 道老人的具體位置。 2）距離傳感器，這項(xiàng)功能主要是為盲人設(shè)計(jì)的，當(dāng)盲人遇 到前方有障礙物時(shí)，手杖手柄處會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)以提示盲人使用者前方存在障礙物。 已經(jīng)其他的輔助功能，這都是我們的創(chuàng)新點(diǎn)。5. 結(jié)論中國(guó)乃