基于STM32的超聲相控陣導盲系統研究

摘要：在此為盲人設計了一種基于STM32的超聲相控陣導盲避障系統，主要涉及到系統的硬件設計部分，以及超聲相控陣識別幾種障礙的方法。該系統以意法半導體的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。該設計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。并且該系統功耗小，成本低，具有很好的使用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：導盲系統；超聲相控陣；STM32；CORTEX

0 引言
根據世界衛生組織公布的數據，全世界目前有3 000多萬(wàn)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。
本文綜合超聲波的導盲設計，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內核的32位MCU，具有豐富的外設和強大的數據處理能力。通過(guò)它對外圍電路的控制，及其強大的信號處理能力，實(shí)瑰障礙物的探測以及環(huán)境的判斷。

1 系統組成及原理
本設計是利用意法半導體有限公司推出的基于CORTEX 內核的高性能 32 位 MCU，STM32F103RBT6為核心硬件。多個(gè)超聲探頭按照一定規則組成的超聲相控陣，通過(guò)芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號發(fā)送與識別系統完成導盲避障功能。系統工作原理方框示意圖如圖1所示。

系統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)探頭按照預定的延遲時(shí)間依次發(fā)送5個(gè)周期的方波信號。根據不同的延時(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角度設為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(guò)8 ms的延遲，打開(kāi)接收通道的開(kāi)關(guān)，開(kāi)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，將其放大為單片機能夠識別的信號。經(jīng)A／D轉換后進(jìn)行存儲，之后進(jìn)行相關(guān)的信號分析與處理工作，從而實(shí)現相控陣掃描。

2 超聲相控陣的介紹
超聲相控陣換能器由多個(gè)相互獨立的壓電晶片組成陣列，按照一定的規則和時(shí)序用電子系統控制激發(fā)各個(gè)晶片單元，來(lái)調整焦點(diǎn)的位置和聚焦的方向。相控陣換能器最顯著(zhù)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連續、動(dòng)態(tài)可調。無(wú)需聲透鏡便可實(shí)現聲束聚焦，從而可以靈活有效地控制聲束，實(shí)現區域掃描探測；相控陣技術(shù)能夠實(shí)現理想的聲束聚焦；采用同樣幅度的電壓驅動(dòng)每個(gè)陣元，聚焦區域的實(shí)際聲場(chǎng)強度遠大于常規的超聲波技術(shù)；在分辨力、信噪比、障礙檢出率等方面有明顯的優(yōu)越性。