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，回波信號接收與放大電路，以及回波信號的處理與分析。該設(shè)計(jì)能夠探測前對前方寬1．5 m縱深2 m的范圍進(jìn)行探測，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％是中國人。針對盲人行動(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)對障礙物進(jìn)行探測，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。通過它對外圍電路的控制，及其強(qiáng)大的信號處理能力，實(shí)瑰障礙物的探測以及環(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。具體方案如下：超聲信號的工作頻率是40 kHz，首先STM32F103RBT6 MCU產(chǎn)生40 kHz的方波信號，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。根據(jù)不同的延時(shí)時(shí)間，超聲相控陣發(fā)出的信號能夠在前方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。由于回波比較微弱，所以先將信號進(jìn)行放大，將其放大為單片機(jī)能夠識(shí)別的信號。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；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。
    多個(gè)超聲換能器陣元按照一定的形狀、尺寸排列構(gòu)成超聲換能器陣列。按維數(shù)可分為1維陣列和2維陣列，這里主要分析由相鄰間距為d的N個(gè)陣元組成的1維線陣。使用多個(gè)線陣按一定角度組合，調(diào)整各陣元的發(fā)射信號的相位延遲，可以有效地實(shí)現(xiàn)波束在空間中任意點(diǎn)的聚焦，從而實(shí)現(xiàn)對空間區(qū)域的探測，相控陣的聚焦如圖2所示。

3 超聲相控陣的相位延時(shí)及發(fā)射
    相位延時(shí)是超聲相控陣技術(shù)的核心。為了實(shí)現(xiàn)超聲相控陣的聚焦、偏轉(zhuǎn)等功能，各個(gè)陣元應(yīng)按照不同的相位來發(fā)射信號?，F(xiàn)有的技術(shù)能將相位延時(shí)精度做到5ns以內(nèi)?？紤]到導(dǎo)盲對聚焦精度的要求不是太高，本設(shè)計(jì)采用STM32的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)延時(shí)，也能夠滿足設(shè)計(jì)要求的精度。另一方面STM32芯片的價(jià)格也比較低，適于本項(xiàng)目對低成本產(chǎn)品的定位需求。
    本設(shè)計(jì)采用的是TCF40-18TR1型傳感器。這是一款壓電陶瓷式收發(fā)同體超聲波傳感器。其中心頻率為40 kHz，發(fā)射聲壓在10 V。設(shè)計(jì)中采用軟件的方法產(chǎn)生頻率為40 kHz超聲信號。STM32F103RBT6包含1個(gè)高級定時(shí)器和3個(gè)通用定時(shí)器。通用定時(shí)器時(shí)鐘可由下列時(shí)鐘源提供：內(nèi)部時(shí)鐘、外部時(shí)鐘、內(nèi)部觸發(fā)輸入。此處采用APB1外設(shè)時(shí)鐘，頻率為36 MHz?？删幊掏ㄓ枚〞r(shí)器的主要部分是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和與其相關(guān)的自動(dòng)裝載寄存器。通用定時(shí)器包含4個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈沖輸出模式。這里分別將通用定時(shí)器TIM2和TIM3的4個(gè)獨(dú)立通道設(shè)置成輸出比較模式，以產(chǎn)生40 kHz的方波信號。信號經(jīng)GPIO口輸出到超聲波換能器放大，再由超聲波傳感器的探頭發(fā)出。

4 回波信號的接收部分
    超聲信號經(jīng)反射回到探頭位置，探頭接收到的回波信號一般在毫伏量級。先經(jīng)過兩級的比例放大將信號幅度放大到幾百毫伏。比例放大采用的是美國TexasInstruments公司的OPA2725運(yùn)算放大器，OPA2725具有兩個(gè)通道，支持單電源供電，軌到軌輸出，具有20 MHz的增益帶寬。本設(shè)計(jì)中比例放大由兩級運(yùn)放組成。將收到的回波信號加到同相端和地之間，在反相輸入端引入電壓負(fù)反饋。
    信號經(jīng)比例放大后幅度增大至幾百毫伏，此時(shí)的信號已經(jīng)夾雜一定的高頻噪聲，由于回波信號中的有用信號都集中在40 kHz左右這一頻段，所以選用低通濾波電路濾除高頻干擾信號。為了得到完整的障礙物信息，低通濾波電路的截止頻率即為超聲波信號的頻率的5倍即200 kHz。低通濾波后的信號再經(jīng)過一級時(shí)間增益(TGC)放大之后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并存入單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，以進(jìn)行相關(guān)的信號分析。

5 回波信號處理與分析
    對應(yīng)不同的障礙物和地形，系統(tǒng)收到回波的波形和時(shí)間都會(huì)有區(qū)別。根據(jù)這2個(gè)條件可以實(shí)現(xiàn)對障礙物和地形的判斷。這里用到1個(gè)由N個(gè)探頭組成的線陣。探頭分別編號為1，2，…，N-1，N。當(dāng)遇到如圖3所示障礙物時(shí)，相控陣在中間的焦點(diǎn)碰到障礙物接收到的回波，應(yīng)該是N路聲波在焦點(diǎn)處的疊加；而在左右兩邊聚焦點(diǎn)處由于沒有碰到障礙物，所以不會(huì)有疊加后的波形返回。以上2種情況收到的波形分別如圖4和圖5所示。如果碰到溝壑類的障礙物時(shí)，如圖6所示，這里假設(shè)編號N-1探頭接收回波信號，當(dāng)人走到a處時(shí)，相控陣聚焦在c點(diǎn)，此時(shí)焦點(diǎn)到探頭N-1的距離為l，則超聲波從探頭N-1發(fā)射到聚焦點(diǎn)返回探頭的時(shí)間為t=2l／c，c為空氣中超聲波的速度。當(dāng)人走到b點(diǎn)時(shí)，相控陣聚焦在d點(diǎn)，這時(shí)在d處不會(huì)有聚焦后的波形返回，只能是各路超聲波在溝壑底面發(fā)生反射。仍以編號N-1探頭為例，從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間應(yīng)為t’=，△l為聚焦點(diǎn)到到溝壑的長度。從上面的分析可以看出，當(dāng)相控陣的位置從a移動(dòng)到b，系統(tǒng)收到的回波波形以及接收到波形的時(shí)間均發(fā)生了明顯變化，從而為判斷地形提供了可靠依據(jù)。

6 結(jié)語
    本文介紹了一種基于STM32的超聲相控陣導(dǎo)盲系統(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。對于不同的障礙物和地形環(huán)境能夠得到不同的回波信號，對不同的回波信號進(jìn)行分析，能夠得出不同的漳礙物的特征，從而對障礙做出正確的判斷?，F(xiàn)階段國內(nèi)很多盲人仍然以拐杖提供的觸覺感知作為行動(dòng)的參考，如能在拐杖上面安裝本文所介紹的這樣一部超聲相控陣的導(dǎo)盲裝置，必然能給盲人的行動(dòng)帶來極大的方便。