2024年5月31日发(作者：公含之)
基于STM32单片机的智能语音导盲机器人 谢双辰 李雪竹 杨普康
发布时间：2023-06-18T10:14:57.482Z 来源：《科技新时代》2023年6期 作者： 谢双辰 李雪竹 杨普康
[导读] 智能导盲机器人以导盲犬的基本特征为参考模 型，采用一种四轮驱动为基础的智能导盲机器人进行设计，盲人可以通过上位机或语
音交互模块与智能导盲机器人进行交流，智能导盲机器人采用上位 机和GPS精确定位完成道路规划，在导盲过程中机器人通过机器视觉、
红外及超声波避障模块确保盲人 出行路程中的安全，出行过程通过语音模块进行实 时路况信息播报，智能导盲机器人有效解决盲人日常
出行问题，还可以用于商业智能引导等。导盲机器人主要由STM32MC单片机为核心，系统由上位机、无线通信WiFi模块、语音交互模
块、手柄控制模块、机器视觉模块、避障模块、GPS 定位模块、姿态解析模块、电机驱动模块等组成。
宿州学院信息工程学院 安徽宿州 234000
摘要：智能导盲机器人以导盲犬的基本特征为参考模 型，采用一种四轮驱动为基础的智能导盲机器人进行设计，盲人可以通过上位机
或语音交互模块与智能导盲机器人进行交流，智能导盲机器人采用上位 机和GPS精确定位完成道路规划，在导盲过程中机器人通过机器视
觉、红外及超声波避障模块确保盲人 出行路程中的安全，出行过程通过语音模块进行实 时路况信息播报，智能导盲机器人有效解决盲人日
常出行问题，还可以用于商业智能引导等。导盲机器人主要由STM32MC单片机为核心，系统由上位机、无线通信WiFi模块、语音交互模
块、手柄控制模块、机器视觉模块、避障模块、GPS 定位模块、姿态解析模块、电机驱动模块等组成。智能导盲机器人还可以通过精密陀
螺仪来判断机身所处的姿势并传输给MCU单片机，MCU单片机根据机身的姿势控制电机对智能导盲机器人的姿态和行走速度进行调整，以
达到平稳效果进一步保证盲人出行安全，智能导盲机器人不仅用于导航导盲、还可以用于物资运输、防灾救援等功能。
关键词：智能控制，导盲机器人，GPS定位，语音交互，智能避障
1.系统整体设计
导盲机器人主要由STM32MCU单片机为核心，系统由上位机、无线通信WiFi模块、语音交互模块、手柄控制模块、机器视觉模块、避
障模块、GPS 定位模块、姿态解析模块、电机驱动模块等组成。智能导盲机器人以STM32 MCU单片机为主控核心，盲人可通过导盲手柄控
制和启停智能导盲机器。
2.硬件电路设计
（1）MCU核心模块。MCU主控芯片采用意法半导体STM32单片机为核心，上位机通过无线WiFi 模块、GPS定位模块与单片机I/O串行
接进行通信、 路径规划，MCU单片机通过I/O数据接口通过机器 视觉、红外、超声波等传感器采集外界障碍物、行 人、道路情况，通过单
片机进行数据分析、处理再 由MCU单片机输出控制信息驱动电机按照预订规划路 线进行实时导航。
（2）WiFi模块电路设计。智能导盲机器人无线 通信采用ESP8266无线WiFi收发模块电路，如图3所 示，它是智能导盲机器人的无线通
信接口，单片机 通过ESP8266无线WiFi收发模块与上位机进行数据发 送与接收以实现远程控制和访问的目的。
（3）步进电机模块。智能导盲机器人电机驱动 电路如图4所示，当上位机与MCU单片机完成路径规 划后，MCU将控制信号通过I/O接
口驱动电机完成前 进、左转、右转、后退以到达正常行走的目的。
（4）姿态模块电路设计。智能导盲机器人姿态 由MPU6050精密陀螺仪来判断机身姿势和行走的速 度，将采集的信息传输给MCU主控
芯片，主控芯片根 据机器人现有姿势和速度输出相应指令控制驱动电 机对机器人的姿势和速度进行调整，以达到平衡的效果。
（5）红外避障模块电路设计。红外传感器模块用于检测反映道路实时情况，红外避障模块主要由LM393电压比较器获取TCRT5000红
外光电反射对管检测行人和道路信息，并将其数据反馈给MCU用于判断和调整智能导盲机器人行走路线等。
（6）超声波避障模块电路设计。由于红外传感器的探测范围有限，为了使导盲机器人可以探测更远的障碍物，系统还加入超声波测距
与红外共用避障形成互补检测，进一步提高了探测范围和准确度，从而保证智能机器人避障的可靠性。
（7）主板电源模块设计。智能导盲机器人电源 模块可有效保证导盲机器人有足够的驱动和续航能力，电源采用12V/20A以上的直流电
源为智能导盲机 器人提供长时间的续航能力，主控芯片由两级稳压 电源模块组成，主板供电由LM7805三端稳压模块组成，用于满足主板
和功能模块供电需求，主控芯片 供电由AMS1117高精度稳压电源模块组成，用于满足 MCU核心模块供电。
（8）电机驱动模块是由可以承受大电流的MOS管和驱动芯片IR2104构成的，单片机输出PWM波形给驱动芯片，驱动芯片经过处理控
制电机的正转，反转以及停止。
（9）寻路电路是由发射电路、接收电路及比较电路组成。按照跑道线行进的前提是能检测到跑道信息，跑道采用黑色绝缘胶带。发射
电路发出红外光线，经地面(白底、黑线)反射后被接收管接收，采用带有差动输入的4运算放大器LM393为核心器件判断小车所处的位置。
（10）电源模块电路系统采用2种供电方式。由于STM32需要3.3V恒压供电，而现有的充电电池随着用电时间会有所变化，势必会影响
芯片的正常工作，因此本设计采用7.4V充电电池和低压差稳压芯片TPS7350和TPS7333，以达到3.3V恒压的目的; 整个供电系统是通过一节
7.4V充电电池供电，STM32单片机需要3.3V电源，循迹模块需要5V电源，电机用电池直接供电，所以采用压降比较小的TPS7350和TPS7333
稳压到5V和3.3V。后轮采用飞思卡尔B车电机，供电电源采用7.2V充电电池和升压芯片B0512使电压达到12V。
3.软件设计
寻路主要通过DVIO方法从摄像机的深度数据中提取几何特征(地面)，并将其测量残差与视觉特征和惯性数据的测量残差结合在一个图
形优化框架中进行位姿估计。基于Sampson误差的测量方法，用于描述已知深度的近距离视觉特征和深度未知的远距离视觉特征的测量残
差。该措施允许将这两种类型的视觉特征合并到图形优化中。利用几何特征和Sampson误差提高了位姿估计的精度和精度。DVIO方法与粒
子滤波定位(PFL)方法相结合来定位2D平面图中的RNA，该信息用于指导视障人士。
4.结语
随着经济的发展与科技的进步，人类能治愈以及减轻的疾病也越来越多，但有一些疾病的治愈始终很难得到突破性进展，比如双目失
明。据统计，仅中国就有盲人约550万，世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万，低视力患者是盲人的三倍，这其中绝对一部分的
患者都是难以治愈的。所以人们培训了导盲犬，开设了盲道，发明了盲文，这方便了盲人们的生活，也给了他们学习的条件。但是，培养
一只导盲犬花费的人力物力是巨大的。据社会学家计算，平均每只导盲犬要培训十八个月、花费17-21万人民币，寿命却只有8-10年，也就
是说，一个盲人一生需要至少七只导盲犬，国家与社会要为这个盲人补贴约150万元，这还没有包含导盲犬的日常饲养和护理所需要的花
费。不仅如此，中国有上百万盲人，上千万的视力残障人士，五年间却只能培育出几百只导盲犬，而真正符合导盲犬标准的还不足一百
只，供远远小于求。所以，如何既能解决盲人日常生活问题，又能减少为此投入的人力财力，并且还要满足大量的需求，就成了一个重要
的社会问题。若能使用智能语音导盲机器人代替导盲犬，不但能解决盲人的生活问题，还减少了成本，批量生产合格率也会更高，这对于
解决盲人生活问题具有重要意义。
项目支持：“宿州学院资助省级大学生创新创业训练计划项目，项目名称：基于STM32单片机的智能语音导盲机器人；省级线上课程（2021xskc098）；新工科研究与改革实践项目（SZxy2022xgjy02）；
2024年5月31日发(作者：公含之)
基于STM32单片机的智能语音导盲机器人 谢双辰 李雪竹 杨普康
发布时间：2023-06-18T10:14:57.482Z 来源：《科技新时代》2023年6期 作者： 谢双辰 李雪竹 杨普康
[导读] 智能导盲机器人以导盲犬的基本特征为参考模 型，采用一种四轮驱动为基础的智能导盲机器人进行设计，盲人可以通过上位机或语
音交互模块与智能导盲机器人进行交流，智能导盲机器人采用上位 机和GPS精确定位完成道路规划，在导盲过程中机器人通过机器视觉、
红外及超声波避障模块确保盲人 出行路程中的安全，出行过程通过语音模块进行实 时路况信息播报，智能导盲机器人有效解决盲人日常
出行问题，还可以用于商业智能引导等。导盲机器人主要由STM32MC单片机为核心，系统由上位机、无线通信WiFi模块、语音交互模
块、手柄控制模块、机器视觉模块、避障模块、GPS 定位模块、姿态解析模块、电机驱动模块等组成。
宿州学院信息工程学院 安徽宿州 234000
摘要：智能导盲机器人以导盲犬的基本特征为参考模 型，采用一种四轮驱动为基础的智能导盲机器人进行设计，盲人可以通过上位机
或语音交互模块与智能导盲机器人进行交流，智能导盲机器人采用上位 机和GPS精确定位完成道路规划，在导盲过程中机器人通过机器视
觉、红外及超声波避障模块确保盲人 出行路程中的安全，出行过程通过语音模块进行实 时路况信息播报，智能导盲机器人有效解决盲人日
常出行问题，还可以用于商业智能引导等。导盲机器人主要由STM32MC单片机为核心，系统由上位机、无线通信WiFi模块、语音交互模
块、手柄控制模块、机器视觉模块、避障模块、GPS 定位模块、姿态解析模块、电机驱动模块等组成。智能导盲机器人还可以通过精密陀
螺仪来判断机身所处的姿势并传输给MCU单片机，MCU单片机根据机身的姿势控制电机对智能导盲机器人的姿态和行走速度进行调整，以
达到平稳效果进一步保证盲人出行安全，智能导盲机器人不仅用于导航导盲、还可以用于物资运输、防灾救援等功能。
关键词：智能控制，导盲机器人，GPS定位，语音交互，智能避障
1.系统整体设计
导盲机器人主要由STM32MCU单片机为核心，系统由上位机、无线通信WiFi模块、语音交互模块、手柄控制模块、机器视觉模块、避
障模块、GPS 定位模块、姿态解析模块、电机驱动模块等组成。智能导盲机器人以STM32 MCU单片机为主控核心，盲人可通过导盲手柄控
制和启停智能导盲机器。
2.硬件电路设计
（1）MCU核心模块。MCU主控芯片采用意法半导体STM32单片机为核心，上位机通过无线WiFi 模块、GPS定位模块与单片机I/O串行
接进行通信、 路径规划，MCU单片机通过I/O数据接口通过机器 视觉、红外、超声波等传感器采集外界障碍物、行 人、道路情况，通过单
片机进行数据分析、处理再 由MCU单片机输出控制信息驱动电机按照预订规划路 线进行实时导航。
（2）WiFi模块电路设计。智能导盲机器人无线 通信采用ESP8266无线WiFi收发模块电路，如图3所 示，它是智能导盲机器人的无线通
信接口，单片机 通过ESP8266无线WiFi收发模块与上位机进行数据发 送与接收以实现远程控制和访问的目的。
（3）步进电机模块。智能导盲机器人电机驱动 电路如图4所示，当上位机与MCU单片机完成路径规 划后，MCU将控制信号通过I/O接
口驱动电机完成前 进、左转、右转、后退以到达正常行走的目的。
（4）姿态模块电路设计。智能导盲机器人姿态 由MPU6050精密陀螺仪来判断机身姿势和行走的速 度，将采集的信息传输给MCU主控
芯片，主控芯片根 据机器人现有姿势和速度输出相应指令控制驱动电 机对机器人的姿势和速度进行调整，以达到平衡的效果。
（5）红外避障模块电路设计。红外传感器模块用于检测反映道路实时情况，红外避障模块主要由LM393电压比较器获取TCRT5000红
外光电反射对管检测行人和道路信息，并将其数据反馈给MCU用于判断和调整智能导盲机器人行走路线等。
（6）超声波避障模块电路设计。由于红外传感器的探测范围有限，为了使导盲机器人可以探测更远的障碍物，系统还加入超声波测距
与红外共用避障形成互补检测，进一步提高了探测范围和准确度，从而保证智能机器人避障的可靠性。
（7）主板电源模块设计。智能导盲机器人电源 模块可有效保证导盲机器人有足够的驱动和续航能力，电源采用12V/20A以上的直流电
源为智能导盲机 器人提供长时间的续航能力，主控芯片由两级稳压 电源模块组成，主板供电由LM7805三端稳压模块组成，用于满足主板
和功能模块供电需求，主控芯片 供电由AMS1117高精度稳压电源模块组成，用于满足 MCU核心模块供电。
（8）电机驱动模块是由可以承受大电流的MOS管和驱动芯片IR2104构成的，单片机输出PWM波形给驱动芯片，驱动芯片经过处理控
制电机的正转，反转以及停止。
（9）寻路电路是由发射电路、接收电路及比较电路组成。按照跑道线行进的前提是能检测到跑道信息，跑道采用黑色绝缘胶带。发射
电路发出红外光线，经地面(白底、黑线)反射后被接收管接收，采用带有差动输入的4运算放大器LM393为核心器件判断小车所处的位置。
（10）电源模块电路系统采用2种供电方式。由于STM32需要3.3V恒压供电，而现有的充电电池随着用电时间会有所变化，势必会影响
芯片的正常工作，因此本设计采用7.4V充电电池和低压差稳压芯片TPS7350和TPS7333，以达到3.3V恒压的目的; 整个供电系统是通过一节
7.4V充电电池供电，STM32单片机需要3.3V电源，循迹模块需要5V电源，电机用电池直接供电，所以采用压降比较小的TPS7350和TPS7333
稳压到5V和3.3V。后轮采用飞思卡尔B车电机，供电电源采用7.2V充电电池和升压芯片B0512使电压达到12V。
3.软件设计
寻路主要通过DVIO方法从摄像机的深度数据中提取几何特征(地面)，并将其测量残差与视觉特征和惯性数据的测量残差结合在一个图
形优化框架中进行位姿估计。基于Sampson误差的测量方法，用于描述已知深度的近距离视觉特征和深度未知的远距离视觉特征的测量残
差。该措施允许将这两种类型的视觉特征合并到图形优化中。利用几何特征和Sampson误差提高了位姿估计的精度和精度。DVIO方法与粒
子滤波定位(PFL)方法相结合来定位2D平面图中的RNA，该信息用于指导视障人士。
4.结语
随着经济的发展与科技的进步，人类能治愈以及减轻的疾病也越来越多，但有一些疾病的治愈始终很难得到突破性进展，比如双目失
明。据统计，仅中国就有盲人约550万，世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万，低视力患者是盲人的三倍，这其中绝对一部分的
患者都是难以治愈的。所以人们培训了导盲犬，开设了盲道，发明了盲文，这方便了盲人们的生活，也给了他们学习的条件。但是，培养
一只导盲犬花费的人力物力是巨大的。据社会学家计算，平均每只导盲犬要培训十八个月、花费17-21万人民币，寿命却只有8-10年，也就
是说，一个盲人一生需要至少七只导盲犬，国家与社会要为这个盲人补贴约150万元，这还没有包含导盲犬的日常饲养和护理所需要的花
费。不仅如此，中国有上百万盲人，上千万的视力残障人士，五年间却只能培育出几百只导盲犬，而真正符合导盲犬标准的还不足一百
只，供远远小于求。所以，如何既能解决盲人日常生活问题，又能减少为此投入的人力财力，并且还要满足大量的需求，就成了一个重要
的社会问题。若能使用智能语音导盲机器人代替导盲犬，不但能解决盲人的生活问题，还减少了成本，批量生产合格率也会更高，这对于
解决盲人生活问题具有重要意义。
项目支持：“宿州学院资助省级大学生创新创业训练计划项目，项目名称：基于STM32单片机的智能语音导盲机器人；省级线上课程（2021xskc098）；新工科研究与改革实践项目（SZxy2022xgjy02）；