新 型 智 能 手 杖 设 计 策 划 书
课题名称新型智能手杖的设计 课题申请人
韩旭
所在院（部）
机械工程学院
课题指导教师
张新伟 职称讲师（硕士）
新型智能手杖策划书
手杖自从人类能够步行就开始使用，当今已成为许多老年人“助走”的晚年外出的必带之物。它既可稳身健步，又可增强体力，除此之外，手杖还有颇多妙用，人们通常称它是老年人的“第三条腿”。中国已经进入了老龄化社会，意味着手杖具有更大的消费群体。现在市场上的手杖基本都只是单一支撑功能，不具备各种新环境下应具有的智能功能。我们此次设计的是一种新型的、智能化的、多功能的、更便捷的手杖，手杖由GPS定位系统，距离传感器，指南针，小型手电筒、收音机等构成。
1.设计构思的提出
中国乃至世界的很多国家都已经进入老年化社会，对于老年人的日常生活质量应当有所提高，而我们的智能手杖的刚好能达到这个目的，让老年人摆脱种种出行的困扰。
在科技发展的今天，年轻人的产品到处可见，我们也想让老人们赶上潮流，让老人们的晚年更加幸福。现在越来越多的年轻人选择和父母分开住，许多老年人在退休后特别的孤独，有的都已经构成心理上的疾病了，在世界老龄化这一现实的条件下，老年人作为社会上的一个为数不少的群体，更应该引起我们更多人的关注。老年人在生理上许多功能都在退化，老年人的触觉在55岁之后有急剧迟钝的可能性，管理平衡的机能构造衰退导致姿势和步态不稳，也就加大了摔跤的可能性。
这个智能手杖的提出就是鼓励老年人多外出行走，好好享受阳光，享受生活，也是提高老年人晚年幸福生活的产物之一。
2.手杖设计项目
（1） GPS定位系统
如何实现GPS与手杖结合呢？把手杖把手第一节内中空，安装GPS电子设备，GPS接收机主要由接收天线、主机和电源组成。进行相关匹配然后由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用GPS定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出数据，并对外发布。接收机收到该数据后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS（DGPS），定位精度可提高到5米。导航系统主要由导航主机和导航显示终端两部分构成。内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，由此测定使用者当前所处的位置。导航主机通过GPS卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配，便可确定使用者在电子地图中的准确位置。 把手杖把手的第1节内中空,安装GPS电子设备，GPS接收机主要由接收天线、主机和电源组成。因为拐杖细长和重量轻,其内部电路集成度高,因此,选择伽明公司的GPS25-LVSOEM板作为主机。GPS25-LVS接收模块定位速度快,工作稳定,耐电压冲击,具有很好的抗干扰性,是目前应用最广泛的GPS接收处理板,能满足各种导航和授时领域的需求。GPS25-LVS输入输出的语句采用串行通信协议,符合NMEA-0183标准;输出的周期信号,主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。由它接收来自天线的信号,通过变频、放大、滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,从而产生计算位置的数据信息(包括:纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等。在处理GPS数据时还要进行经纬度坐标和平面直角坐标系相互转换。函数MaptoReal()可实现直角坐标到经纬度的坐标转换,这样经过处理后的GPS定位数据信息就存放在内存中,接下来是等待状态切换,将这些信息通过电子地图的匹配,查表得出相应坐标的地理位置名称数据。
通过单片机输出的定位信息只是单一的数据信息,由于盲人视觉上无法识别,只能依靠听觉感知,所以需要将电子地图的地名坐标数据与定位数据进行相关匹配,矢量化后的电子地图数据与存储器里的表项数据对比程序查表,由于盲人视觉上无法识别,只能依靠听觉感知,所以需要将电子地图的地名坐标数据与定位数据通过串口发送给语音芯片进行语音读出。 （2） 距离传感器
如何实现距离传感器与手杖的结合？盲人使用拐杖时,无法准确的探明前方是否有障碍物,特别是悬挂在前方的障碍物,如果在拐杖把手的头部安装超声波测障器,可以很好地帮助盲人辨别障碍物方位。结合GPS定位功能,可以较好地辅助盲人生活出行。超声波发送模块包括超声波产生和发射两个部分构成。超声波的产生方法有两种,一种是硬件产生法,另一种是软件产生法。本设计采用硬件产生法超声波产生发射电路的作用是将振荡电路振荡产生40kHz的脉冲信号,由于产生的震荡信号非常的微弱,并且超声波在空气中传播时,能量随距离的增加而减小,回波的信号就更弱了,通过一个振荡达林顿管进行功率放大,来驱动超声波传感器的发射器发射超声波信号。整个震荡电路的启震是通过单片机出口发出的低电平脉冲触发。其中几个非门并接,可供较大的输出电流,从而提高电路的驱动能力,使得超声波器获的发射到足够的能量,产生稳定可靠的信号。超声波经发射后受障碍物反射返回,超声波接收器接收反射信号,并转换成电信号,经过放大、滤波、整形等处理后,即将回波信号转换成单片机的中断信号,当超过安全距离界限以后,蜂鸣器报警电路被启动,并发声报警。当拐杖的超声波检测电路检测到障碍物已经到达安全距离之内,单片机出口会形成一个高电平使晶体管导通,触发启动蜂鸣器报警,或者在遇到过马路以及需提醒周围行人注意时也可以手动启动蜂鸣器报警。超声波测障报警系统组成,系统总体采用单片机专业语言KeilC51编写软件分别调用子程序进行相应的串行通讯接口控制、波特率自适应控制等。GPS定位子系统软件由初始化模块、数据处理模块和人机(中断)模块组成。其原理图如下图所示。
将上述电路装入手杖的低端一节便可实现传感器系统与手杖的完美结合。 （3） 其他
还装有指南针、小型手电筒、收音机等，以满足不同的需求者。
3.手杖功能及优势
（1）GPS定位系统，据研究很多老人经常忘记回家的路，通过GPS定位系统，家人可以准确的，快速的知道老人的具体位置。
（2）距离传感器，这项功能主要是为盲人设计的，当盲人遇到前方有障碍物时，手杖手柄处会产生振动以提示盲人使用者前方存在障碍物。以及其他的辅助功能。
（3）手柄：坚固、耐用，使用起来更舒适，防滑设计,增加尼龙软质把手,轻松抓握更舒适.杖尖为钨锰钢杖尖很耐用，如果戳到石头缝隙或冰里，不容易打滑。尖端凹进去的，通常可以戳得更牢固。提供杖尖橡胶防护套，这样在比较松软的地上行走，也不会因为插入太深而拔不出
（4）可调节杖杆：杖杆四节，长度可自由调节，当不用的时候，可以收缩的更短，能方便的带在身上。最长可拉到1.2米，最短可缩至0.54米，使用非常方便。
4.创新点
经过我们小组查阅相关资料，现在市场上的拐杖功能都是比较单一的，有的带有手电筒，收音机等，却也称不上智能，只能说是多功能化的，而我们所设计的包含1）GPS定位系统，文中基于方便老年人、盲人、智障人士等特殊人群出行，便于监护人监控和寻找，综合应用 MCU 控制、GPS 定位、GSM/GPRS 传输、角度测量等技术，制作了一种智能定位报警拐杖。样机测试证明，当使用者的实际位置超出设定的范围或路径，可以给出提示信息，帮助使用者回到设定的范围或路径；在拐杖歪倒超过一定时间时，自动向监护人发送求救及定位信息，或者自动拨打相应的电话求救，对特殊人群的出行能够提供切实有效的帮助。据研究很多老人经常忘记回家的路，通过GPS定位系统，家人可以准确的，快速的知道老人的具体位置。2）距离传感器，这项功能主要是为盲人设计的，当盲人遇到前方有障碍物时，手杖手柄处会产生振动以提示盲人使用者前方存在障碍物。已经其他的辅助功能，这都是我们的创新点。
5.结论
中国乃至世界的很多国家都已经进入老年化社会，对于老年人的日常生活质量应当有所提高，而我们的智能手杖的正能达到这样的目的，让老年人摆脱种种的出行问题的困扰。让老年人舒心，让家人放心。
从研究“智能手杖”的人数较多可以看出，这是一个非常有前景的设计，虽然对于成品的制作过程和技术手段还存在很多技术瓶颈，但是智能手杖的研发终究是一个不可逆转的趋势。
