Hier ist eine vollständig umsetzbare Blaupause für ein intelligentes Navigations-Assistenzsystem für Sehbehinderte auf Basis von STM32—von Architektur und Stückliste bis Firmware, Haptik, Energie und Validierung. Ziel: von Konzept → Schaltplan → Code → Felddemo, ohne fehlende Bausteine.

1) Nutzerziele & Designziele

• Primärziele: Hindernisse (Bauch-/Kopf-/Seitenhöhe) melden, Richtung weisen, innen/außen funktionieren, Ohren frei lassen (Knochenleitung/Haptik), lange Laufzeit, robust gegen Regen/Sonne/Lärm.

• Leistungsziele (Vorschlag):

  • Abdeckung Hindernisse: 0,2–3,5 m frontal (±35°), 0,2–2 m seitlich (±25°)

  • Latenz von Erkennung → Hinweis: <120 ms

  • Position/Heading: <10 m CEP (GNSS), <10° Kursfehler

  • Laufzeit: ≥10 h Mischbetrieb mit einer 18650-Zelle

  • Formfaktoren: Stockhalterung oder Gürtelmodul + Schulterriemen-Option

2) Systemarchitektur (zwei erprobte Varianten)

A. Stand-alone (ohne Smartphone)

• STM32-MCU + ToF/Ultraschall + IMU + Kompass + GNSS + Haptik + On-Board-Sprachhinweise (vorgespeichert)

• Pros: überall nutzbar, unabhängig vom Handy

• Cons: höhere BOM/Leistung; TTS meist vorbesprochene Phrasen statt generativ

B. Phone-assisted (BLE)

• STM32 übernimmt Sensorik + Fusion + Haptik; App liefert TTS, Karten, Cloud-Updates

• Pros: schlankere BOM, reichhaltige TTS/Navi

• Cons: benötigt Smartphone + laufende App

Beide auf derselben PCB möglich (GNSS/Audio je nach Bestückung).

3) MCU & Schlüsselkomponenten

MCU-Auswahl (eine wählen)

• STM32L476RG (Low-Power, FPU, I2C/SPI/UART/I²S, viel RAM/Flash) → ideal für Wearables

• STM32WB55 (BLE on-chip) → wenn integriertes BLE und Phone-Assist gewünscht

• STM32H743 (mehr DSP-Reserven, z. B. leichtes ML/Audio)

In der Praxis bewähren sich STM32L4/STM32WB für Größe/Leistung. Für stärkere Audioverarbeitung → H7.

Sensoren

• Kurzreichweite, präzise: 2–3× VL53L1X (ToF, bis 4 m, enge Keule) auf Brust-/Kopfhöhe

• Mittelreichweite/Abdeckung: 1–2× Ultraschall (3,3 V bevorzugt) für breiten Kegel

• IMU: LSM6DSOX (6-Achsen, Sensor-Hub)

• Kompass: LIS3MDL oder MMC5883 (weit weg von Motoren/Verstärkern platzieren)

• GNSS (optional, Outdoor): u-blox NEO-M8 o. ä. (UART)

• Umgebungslicht (optional): kleine ALS für Nacht-Aggressivität der Warnungen

Feedback

• Haptik: DRV2605L + LRA-Vibrationsmotor (knackige Muster) oder ERM als Budget-Option

• Audio (Stand-alone): MAX98357A (I²S DAC+Amp) + Knochenleitungswandler

  • Kurze Prompts (z. B. „Links“, „Rechts“, „Stopp“, „Treppe rauf/runter“) als PCM auf QSPI/SD

Konnektivität

• BLE 5.0: entweder STM32WB55 oder externes Modul (z. B. HM-19) via UART

• Optional LoRa/LTE-M für Betreuer-Tracking (später)

Energie

• Akku: 18650 Li-Ion oder flacher Li-Po (≥2000 mAh)

• Lader/PMIC: Einzellen-Lader (z. B. BQ24074) + Buck-Boost (z. B. TPS63060)

• Separate saubere 3,3 V LDO für ToF/IMU; Audio auf eigene Schiene

• ESD an allen externen I/Os; Reverse/OVP am Batterieeingang

4) Blockdiagramm (Text)

5) Pin-Belegung (Beispiel STM32L476RG)

• I2C1: PB8/PB9 → VL53L1X ×2

• I2C2: PB10/PB11 → LSM6DSOX, DRV2605L

• I2C3: PC0/PC1 → LIS3MDL

• USART1: PA9/PA10 → GNSS

• USART2: PA2/PA3 → BLE

• I²S2: PB12/PB13/PB15 → MAX98357A (BCLK/LRCLK/DIN)

• TIM3 CH1/CH2: Ultraschall TRIG/ECHO

• GPIO: Taster (PC13, PB2), Status-LED (PA5)

An Board anpassen; I²C-Leitungen kurz halten, ToF-Flexkabel kurz/geschirmt.

6) Firmware-Architektur

OS: FreeRTOS (empfohlen) oder Super-Loop. Empfohlene Tasks (Priorität hoch→niedrig):

1. Sensing-Task (IMU 1 kHz, ToF/Ultraschall 20–50 Hz)

2. Fusion & Hazard-Task (50–100 Hz): EKF für Lage/Heading; Hindernisklassifikation

3. Haptik/Audio-Task (ereignisgetrieben, <10 ms Reaktion)

4. BLE/App-Task (GATT, Kommandos, Logs)

5. GNSS-Task (1 Hz Parsen + Dead-Reckoning-Blend)

6. Power-Manager (dynamisches Duty-Cycling)

7. Logger (Ringpuffer auf QSPI/SD; App-Replay)

Zustandsautomat: Idle → Scan → Guide → Warn → CriticalStop → Lost (GNSS/IMU recover)

7) Kernalgorithmen

7.1 Hinderniserkennung (Fusion)

• ToF: präzise Distanz; Median-aus-5 + Rate-Limiter gegen Ausreißer

• Ultraschall: breiter Kegel; frühe Warnung; Echos via Time-Gating unterdrücken

• Belegungsstreifen (1D/2D) vor dem Nutzer: Bins akkumulieren ToF/Ultra-Konfidenz

• Kollisionsmetrik: minimierte projizierte Distanz im Geh-Korridor über 0,5–1,0 s

• Vertikal-Klasse (Bauch vs. Kopf) via Sensorhöhe; Treppe/Rampe über fallende Distanztrends

7.2 Heading & Lokalisierung

• Komplementär/EKF: Gyro + Acc (Neigung) + Magnetometer (Hard/Soft-Iron kalibriert)

• Outdoor: GNSS-Heading bei v > 0,7 m/s; sonst Kompass

• Indoor: Schrittzähler (IMU) + Schrittlänge; optional BLE-Beacons

7.3 „Haptische Sprache“

• Links/Rechts steuern: kurze 50 ms Pulse links/rechts; Wiederholrate ~ Abweichung

• Langsamer: dreifach weiche Pulse (beidseitig)

• Stopp: 6× 30 ms Stakkato (beidseitig)

• Treppe rauf/runter: zwei lange Pulse ↑ / ein langer + ein kurzer ↓

• Kritisch (Kante/Absturz): Dauervibration bis zum Stillstand

8) BLE-GATT (Phone-Assist)

• Service: BlindAssist 0xBA00

  • Char 0xBA01 (Notify): POSE (Heading, Schritte, GNSS-Lock, Geschwindigkeit)

  • Char 0xBA02 (Notify): HAZARD (Typ, Peilung, Distanz, Schwere)

  • Char 0xBA03 (Write): CMD (Modus, Lautstärke, Haptik-Skalierung)

  • Char 0xBA04 (Notify/Write): LOG (komprimierte Events)

9) Beispiel-Code (HAL + FreeRTOS-Stil)

9.1 VL53L1X lesen (I²C, vereinfacht)

9.2 Ultraschall-Distanz (Timer Capture)

9.3 DRV2605L-Haptikmuster (I²C)

9.4 Minimaler NMEA-Parser (GGA für Fix & HDOP)

10) Leistungsbudget (realistischer Richtwert, duty-cycled)

• STM32L4 aktiv 24 MHz: 6–10 mA (Sleep dazwischen)

• 2× VL53L1X @ 20 Hz, 25 % Duty: ~8–12 mA

• Ultraschall gepulst (2 Hz): ~2–4 mA Ø

• IMU + Kompass: ~1–2 mA

• BLE verbunden, 10 Hz Notify: ~1–3 mA (STM32WB oder extern)

• GNSS 1 Hz Tracking (nur Outdoor-Sessions): ~25–35 mA (bei Stillstand duty-cyclen)

• Haptik Peaks 80–120 mA, Ø <5 mA

• Audio-Prompts selten, Ø <3 mA

Mischbetrieb Ø: ~45–70 mA (ohne dauerhaftes GNSS) → 2000 mAh ≈ 28–44 h
Outdoor-Navi (mehr GNSS): ~70–100 mA → 2000 mAh ≈ 20–28 h

Am Board verifizieren; Duty-Zyklen über Power-Manager feinjustieren.

11) Gehäuse & Ergonomie

• Stockhalterung: vorderer ToF auf ~1,0–1,2 m Höhe, nach oben geneigter ToF +10–15° für Kopfhindernisse

• Hüftmodul: gekrümmte Rückseite, weiche Kanten; IP54-Dichtungen; hydrophobe Membran an Audioöffnungen

• Entkopplung: Metallschild unter Kompass; Lautsprecher/Amps fern vom Mag-Sensor

• Bedienung: taktiler Mode-Taster, Long-Press SOS (BLE oder akustisch)

12) Sicherheit & Zuverlässigkeit

• Fail-Safe Hinweise: Wenn Fusion degradiert (Mag-Anomalie, GNSS-Verlust), Ansage „Sensoren erholen sich—bitte langsamer“ + eindeutiges Haptikmuster

• Walk-Test nach Boot: Umfeld-Sweep; bei stummem Sensor → „Sensorfehler“-Muster

• ESD: TVS an I/O und USB; Akku-NTC-Überwachung und Abschaltung

• Firmware-OTA via BLE (Phone-Assist-Design)

13) Prototyp-BOM (Start, austauschbar)

• STM32L476RG Nucleo oder eigenes MCU-Board

• VL53L1X-Module ×2–3

• 3,3 V-Ultraschallmodule ×1–2 (oder 5 V mit Level-Shifter)

• LSM6DSOX IMU + LIS3MDL Kompass

• u-blox M8 GNSS (optional) + Keramikantenne

• DRV2605L + LRA-Coin-Motor(en) ×2 (links/rechts)

• MAX98357A + Knochenleitungswandler (Stand-alone)

• BLE-Modul (falls MCU nicht WB)

• 18650-Zelle + BQ24074-Lader + TPS63060 Buck-Boost + 3,3 V LDO

• Taster/LEDs, ESD, JST-Akku, Gehäuseteile

14) Bring-up & Testplan

1. Power-Up: Rail-Sequenz, Ruhestrom-Checks; Sleep-Strom <300 µA

2. I²C-Scan & Treiber: ToF/IMU/Kompass/Haptik

3. Kalibrierung: IMU-Bias (6-Lagen), Mag Hard/Soft-Iron (Achtfigur), ToF-Offset (Fenster/Abdeckung)

4. Haptik-AB-Test: bevorzugte Pulslängen der Nutzer

5. Outdoor-Route: GNSS-Blend-Schwellen, Timing der Steuer-Cues

6. Indoor-Test: Pedometertuning; Beacon-Trial (optional)

7. Stresstest: Regenspray, grelle Sonne (ToF Crosstalk), Stahlstrukturen (Mag-Anomalien)

8. Logging: Hazard-Latenz prüfen; Median/Rate-Limiter nachstellen

15) Roadmap & Erweiterungen

• mmWave (später): Treppenhaus/Überhänge im Clutter klassifizieren

• ML am Edge (H7): akustische Szenen oder Stock-Tip-Klassifikation

• UWB-Anker: präzises Indoor-Ranging

• CV-Add-on (Phone): Schilder/Zebrastreifen via App erkennen, als Cues per BLE einspeisen

16) BOM-Kostenschrauben

• ToF ist genauer aber teurer → Mix aus ToF + Ultraschall

• LRA fühlt sich besser an, ERM günstiger → DRV2605L kann beide

• Phone-Assist senkt BOM (kein GNSS, kein Audio-Amp)

17) Kurzzusammenfassung

Was du baust
Ein STM32-basiertes Wearable/Stock-Modul, das ToF + Ultraschall + IMU/Kompass (+ GNSS outdoor) fusioniert, Hindernisse erkennt, Heading bestimmt und den Nutzer über haptische Muster (und optional Knochenleitungs-Sprachhinweise) führt. Läuft einen ganzen Tag mit einer Li-Ion-Zelle und funktioniert stand-alone oder via BLE mit dem Smartphone.

Kern-Specs

• 0,2–3,5 m Hindernisabdeckung, <120 ms Hinweis-Latenz

• Tageslaufzeit durch Duty-Cycling

• Klare Haptikmuster für Links/Rechts/Verlangsamen/Stopp/Treppen

• Optionale App für TTS und Karten