0 引言
根據世界衛生組織公布的數據，全世界目前有3 000多萬人目盲，其中約有18％是中國人。針對盲人行動不便的情況，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對障礙物進行探測，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。通過它對外圍電路的控制，及其強大的信號處理能力，實瑰障礙物的探測以及環境的判斷。
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。多個超聲探頭按照一定規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產生40 kHz的方波信號，工作時各個探頭按照預定的延遲時間依次發送5個周期的方波信號。根據不同的延時時間，超聲相控陣發出的信號能夠在前方9個點實現不同情況的聚焦。這9個點分布于超聲相控陣前方的左、中、右3個方向上，每個方向有上、中、下3個點。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。信號從發射到在聚焦點返回，所需時間約為8．8 ms。所以發送完信號后經過8 ms的延遲，打開接收通道的開關，開始接收回波信號。由于回波比較微弱，所以先將信號進行放大，將其放大為單片機能夠識別的信號。經A／D轉換后進行存儲，之后進行相關的信號分析與處理工作，從而實現相控陣掃描。
2 超聲相控陣的介紹
超聲相控陣換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，按照一定的規則和時序用電子系統控制激發各個晶片單元，來調整焦點的位置和聚焦的方向。相控陣換能器最顯著的特點是可以靈活、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、焦點尺寸及位置在一定范圍內連續、動態可調。無需聲透鏡便可實現聲束聚焦，從而可以靈活有效地控制聲束，實現區域掃描探測；相控陣技術能夠實現理想的聲束聚焦；采用同樣幅度的電壓驅動每個陣元，聚焦區域的實際聲場強度遠大于常規的超聲波技術；在分辨力、信噪比、障礙檢出率等方面有明顯的優越性。
多個超聲換能器陣元按照一定的形狀、尺寸排列構成超聲換能器陣列。按維數可分為1維陣列和2維陣列，這里主要分析由相鄰間距為d的N個陣元組成的1維線陣。使用多個線陣按一定角度組合，調整各陣元的發射信號的相位延遲，可以有效地實現波束在空間中任意點的聚焦，從而實現對空間區域的探測，相控陣的聚焦如圖2所示。
3 超聲相控陣的相位延時及發射
相位延時是超聲相控陣技術的核心。為了實現超聲相控陣的聚焦、偏轉等功能，各個陣元應按照不同的相位來發射信號。現有的技術能將相位延時精度做到5ns以內。考慮到導盲對聚焦精度的要求不是太高，本設計采用STM32的定時器實現延時，也能夠滿足設計要求的精度。另一方面STM32芯片的價格也比較低，適于本項目對低成本產品的定位需求。
本設計采用的是TCF40-18TR1型傳感器。這是一款壓電陶瓷式收發同體超聲波傳感器。其中心頻率為40 kHz，發射聲壓在10 V。設計中采用軟件的方法產生頻率為40 kHz超聲信號。STM32F103RBT6包含1個高級定時器和3個通用定時器。通用定時器時鐘可由下列時鐘源提供：內部時鐘、外部時鐘、內部觸發輸入。此處采用APB1外設時鐘，頻率為36 MHz。可編程通用定時器的主要部分是一個16位計數器和與其相關的自動裝載寄存器。通用定時器包含4個獨立通道，每個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器TIM2和TIM3的4個獨立通道設置成輸出比較模式，以產生40 kHz的方波信號。信號經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出。
4 回波信號的接收部分
超聲信號經反射回到探頭位置，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運算放大器，OPA2725具有兩個通道，支持單電源供電，軌到軌輸出，具有20 MHz的增益帶寬。本設計中比例放大由兩級運放組成。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反饋。
信號經比例放大后幅度增大至幾百毫伏，此時的信號已經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過一級時間增益(TGC)放大之后進行A／D轉換，并存入單片機的存儲器中，以進行相關的信號分析。
5 回波信號處理與分析
對應不同的障礙物和地形，系統收到回波的波形和時間都會有區別。根據這2個條件可以實現對障礙物和地形的判斷。這里用到1個由N個探頭組成的線陣。探頭分別編號為1，2，…，N-1，N。當遇到如圖3所示障礙物時，相控陣在中間的焦點碰到障礙物接收到的回波，應該是N路聲波在焦點處的疊加；而在左右兩邊聚焦點處由于沒有碰到障礙物，所以不會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，如圖6所示，這里假設編號N-1探頭接收回波信號，當人走到a處時，相控陣聚焦在c點，此時焦點到探頭N-1的距離為l，則超聲波從探頭N-1發射到聚焦點返回探頭的時間為t=2l／c，c為空氣中超聲波的速度。當人走到b點時，相控陣聚焦在d點，這時在d處不會有聚焦后的波形返回，只能是各路超聲波在溝壑底面發生反射。仍以編號N-1探頭為例，從發射到接收到回波的時間應為t’=
，△l為聚焦點到到溝壑的長度。從上面的分析可以看出，當相控陣的位置從a移動到b，系統收到的回波波形以及接收到波形的時間均發生了明顯變化，從而為判斷地形提供了可靠依據。
6 結語
本文介紹了一種基于STM32的超聲相控陣導盲系統，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。對于不同的障礙物和地形環境能夠得到不同的回波信號，對不同的回波信號進行分析，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。現階段國內很多盲人仍然以拐杖提供的觸覺感知作為行動的參考，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盲裝置，必然能給盲人的行動帶來極大的方便。