可穿戴导盲装置的研究与实现

0 引言

在现实世界中,我们很少在大街小巷看到盲人的身影,究其根源在哪里？大多数盲人出门需要靠拐杖,盲道的设计为盲人的出行带来了很多方便,但同时盲人在生活中面临的问题也很多。第一,盲人属于弱势群体,一旦遇到危险便很容易受到伤害;第二,很多盲人是靠脑子记住路线的,一旦他们走错了路线,就很难再走回家了;第三,盲道确实给盲人提供了很大的方便,但一旦盲道被其他设施占用,盲人便很难继续前行。我国每年会出现新盲人大约4 5万,低视力135万,即约每分钟就会出现1个盲人,3个低视力患者。如此庞大的群体给家庭及社会带来了严重的负担,所以发展盲人辅助出行技术对于提高盲人的自主出行能力、丰富盲人群体的生活、节省社会的运行成本具有非常重要的意义。

现阶段市场上的导盲产品多种多样,如导盲眼镜Aira[1],导盲手杖等有各自的不同特点,但同时也存在着自身的不足。对于导盲眼镜来说,其成本较高,诟病是外界的光源会直接影响到图像的质量进而影响视觉[2]系统性能;对于导盲杖来说,其成本较低,但存在着测距范围小,携带不方便的特点;我们设计的导盲系统测距精度高,图像识别更加准确,可通过语音识别自主导航,让盲人更便捷、更安全的到达目的地,通过算法对深度分析路况进行深度分析并结合语音模块提醒盲人。

1 总体结构设计

1.1 多源信息采集

信息的获取途径主要包括传感器采集和在线获取,传感器采集包括使用陀螺仪采取角度值、摄像头采集图像、超声波雷达测速和激光测距模块测距。在线采集的方式主要是通过互联网获取盲人的位置信息及道路信息,有效地帮助了盲人获取关键性的地理位置,例如家,公厕,公园,十字路口等。

1.2 信息处理

信息处理主要通过微控制器将所收集到距离及角度值的进行取样,提取有效值,通过算法计算出障碍物的方位及距离,详细算法见(2.1节),与此同时,摄像头进行图像采集,将采集到的图像信息通过互联网传输至服务器,在服务器搭利用tensorflow[3]搭建识别模型进行图像的辨别。

1.3 信息传输

Zigbee无线传输模块内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议及TCP/IP协议栈[4],可将帽子上激光传感器测得的数据传输至腰带上放置的微控制器上,保证了数据的及时性和有效性。

微控制器通过T C P协议可以与服务器进行数据的交互。其一,通过信息传输系统可将硬件端控制命令发送至盲人手机A P P,在其接收到命令后执行语音监听或置位操作。其二,可将摄像头采集到的图像信息通过T C P协议传输至服务器,服务器端进行图像识别后会将识别到的信息传送至盲人手机。其三,盲人家属通过家属A P P来实现控制命令的传输,可在盲人出门前为盲人提前规划好路线,进一步保障了盲人出行的安全。

1.4 信息反馈

信息反馈为根据测距、测速及图像识别所得到的数据加以分析后,产生的语音反馈信息,并通过蓝牙耳机为盲人播报。

1.5 整体设计图(图1)

图1 整体设计图

2 测距原理

2.1 测距算法模型

装置主要依靠激光探头配合摄像头捕捉人体前方的图像。将采集得到的图像用W i F i模块发送到服务器,进行进一步的图像识别和处理。然后将关键值返回至微处理器。微处理器再将装置上五个位置的激光传感器所收集到的数据加入到程序中,对服务器传回的数据加以修正。最后再根据数据对盲人进行相应的提示和驱动相应的外设。如图2所示,该装置一共有5个激光测距传感器,其中三个位于帽子上,第一个用于检测前方距离,第二个用于检测斜下方距离,第三个用于检测盲人头顶到地面垂直向下的距离。另外两个位于腰带上,分别位于身体的左右两侧,用于检测左右两侧的距离。

图2 测距算法模型图

2.2 实验方案

在帽子上装好一个陀螺仪用于检测盲人此时身体的角度θ,在盲人刚戴上帽子时通过上下摆动头部,使之刚好在弄一个位置③号激光传感器的激光射线刚好与地面呈9 0度,此时记录人体的身高,以上为测距的初始化过程,之后再一次通过陀螺仪得到角度θ',通过②号激光传感器测得斜下方的距离l',由数学公式推导可得出恒等式 cos(θ′) = d/l 。由此可推测出前方是否有障碍物或有凹陷处。

2.3 外观设计

如图3所示,头戴装置可以将3个激光测距传感器之间的角度成为固定值,在盲人佩戴时不会因为身体微动而对测距结果产生影响。同时将陀螺仪和无线传输模块放置在架子内部,达到美化装置的效果。如图4所示,腰带装置主要由各个模块组成,这样设计可使各个模块按照不同的顺序组合,方便在开发和调试过程中改变各个传感器和器件的位置。模块与模块之间是使用轴连接的,具有一定的活动空间,所以整个腰带都是可以进行弯曲的。这样就可以使使用者穿戴更加方便和舒适。

图3 头戴装置模型图

图4 腰带装置模型图

3 结语

可穿戴式导盲系统的设计应用了GP S定位,图像识别,语音导航技术,重点分析了测距算法,并对外观进了精心的设计,使头部支架与帽子融为一体,方便了传感器的固定,腰带模块化的设计更加贴合使用者的身体,方便了盲人的佩戴。本设计具有操作简单,使用方便,佩戴舒适等特点,具有重要的应用价值。