王冠生 ， 鄭江華 ， 瓦哈甫·哈力克 ， 劉敬強(qiáng) ， 李榮立

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046)

盲人作為社會(huì)上一類(lèi)特殊群體，如何讓他們能夠更安全地獨(dú)立行走[1]，越來(lái)越受到世界各國(guó)學(xué)者的關(guān)注和重視。目前已經(jīng)研制了多種盲人輔助路徑誘導(dǎo)工具，特別是近年來(lái)越來(lái)越人性化的導(dǎo)盲系統(tǒng)的研發(fā),使盲人可以更好地享受數(shù)字生活。盲杖作為行動(dòng)輔助工具被廣泛地采用，但由于行動(dòng)上的諸多受限使得使用者面臨很大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在導(dǎo)盲市場(chǎng)上電子導(dǎo)盲設(shè)備類(lèi)較為常見(jiàn)，通過(guò)聲音信號(hào)進(jìn)行提示的盲人語(yǔ)音提示系統(tǒng)[2]，采用超聲波對(duì)障礙物、路面變化情況等進(jìn)行探測(cè)。佛羅里達(dá)大學(xué)(University of Florida)Ran研制了適合室內(nèi)、室外的視障者行動(dòng)導(dǎo)盲裝置[3]，由該設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)障礙物的位置后,通過(guò)語(yǔ)音提示盲人達(dá)到路徑誘導(dǎo)避障目的；日本山梨大學(xué)(University of Yamanashi)研制了一種智能手推車(chē)ROTA(Robotic Travel Aid)[4]，該款小車(chē)高 1 m，重 60 kg，配備視覺(jué)傳感器和聲音傳感器，能夠識(shí)別路標(biāo)、交通信號(hào)燈等，并能引導(dǎo)盲人穿過(guò)馬路，遇到問(wèn)題會(huì)與服務(wù)中心取得聯(lián)系。但這些器具不但使用不便,而且造價(jià)也相當(dāng)昂貴，不適合普通消費(fèi)者使用。陳美鑾等采用超聲測(cè)距、語(yǔ)音提示的方式設(shè)計(jì)了智能盲人導(dǎo)行儀[5]；賀菊方等將超聲波轉(zhuǎn)化為聲波的方式設(shè)計(jì)幫助盲人行走、識(shí)別障礙物的電子裝置[6]?；旧隙紝儆谡Z(yǔ)音導(dǎo)盲范疇,存在難以克服的弱點(diǎn)與不足。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新式的、更加人性化的導(dǎo)盲系統(tǒng)逐漸涌入導(dǎo)盲市場(chǎng)，寧志剛等設(shè)計(jì)的新型盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng)[7]利用GPS(Global Positioning System)定位、超聲測(cè)距、圖像識(shí)別方法進(jìn)行語(yǔ)音提示導(dǎo)盲；何婧等設(shè)計(jì)的聽(tīng)覺(jué)引導(dǎo)助盲系統(tǒng)[8]；徐珠寶等基于Windows Mobile平臺(tái)下設(shè)計(jì)的盲人導(dǎo)航軟件系統(tǒng)[9]等。但這類(lèi)產(chǎn)品也都是基于聲音達(dá)到路徑誘導(dǎo)功能的目的，當(dāng)環(huán)境噪嘈雜中時(shí)，語(yǔ)音的功效可能會(huì)大大降低甚至失去 作 用 。 AMEMIYA T[10]、YAO H Y[11]、JACOB R[12]等 人基于盲人具有敏銳于常人的觸覺(jué)資源研討了震動(dòng)技術(shù)，并為其對(duì)觸覺(jué)資源產(chǎn)生的影響進(jìn)行了探索。為此，本文嘗試性地將震動(dòng)技術(shù)結(jié)合GPS、GIS等技術(shù)運(yùn)用到Android系統(tǒng)的智能手機(jī)平臺(tái)上,開(kāi)發(fā)研制了一種盲人路徑誘導(dǎo)新模式，使其具有抗噪聲干擾、反饋及時(shí)和高有效性等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了語(yǔ)音導(dǎo)盲在特定環(huán)境下弱點(diǎn)和不足。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以與日益成熟的語(yǔ)音導(dǎo)盲集成使用，為盲人出行提供更安全、更人性化的輔助工具。

1 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)與開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1 Android平臺(tái)簡(jiǎn)介

目前智能手機(jī)的主流操作系統(tǒng)主要有Symbian、i-Phone和Android。Android是Google于2007年底發(fā)布的基于Linux開(kāi)放性?xún)?nèi)核的手機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)，2008年9月T-Mobile正式發(fā)布了第一款A(yù)ndroid智能手機(jī)TMobile G1[13]。Android與 Symbian、iPhone相比具有如下顯著特點(diǎn)[14]：(1)真正開(kāi)發(fā)；(2)應(yīng)用程序相互平等；(3)應(yīng)用程序之間溝通無(wú)界限。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

Android SDK支持多種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 IDE（Integrated Development Environment），因?yàn)?Eclipse與 Android SDK 集成最好，而且Eclipse是完全開(kāi)源的，本開(kāi)發(fā)采用Eclipse與Android SDK集成環(huán)境。硬件平臺(tái)選擇運(yùn)行Android操作系統(tǒng)和內(nèi)置GPS模塊的Google Legend智能手機(jī),軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用Java。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及思路

本軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是給無(wú)法獲得視覺(jué)信息的盲人用戶(hù)，在行走時(shí)提供差異性震動(dòng)而進(jìn)行路徑誘導(dǎo)，使其高效、及時(shí)、準(zhǔn)確地向正確的方向行走，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)基本框架

在分析通用導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，結(jié)合本系統(tǒng)軟件的預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，設(shè)計(jì)并初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的基本框架，由提取經(jīng)緯度信息的GPS模塊、盲人專(zhuān)用小區(qū)域疊加電子地圖、地圖匹配模塊、尋徑模塊、差異震動(dòng)提示模塊和人機(jī)交互界面等模塊組成。如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理：主程序運(yùn)行后載入地圖，根據(jù)用戶(hù)輸入的起點(diǎn)、終點(diǎn)，經(jīng)查詢(xún)路徑后，首先在Google Map地圖上顯示最適路徑信息，在用戶(hù)行走的過(guò)程中，再根據(jù)所在的路徑節(jié)點(diǎn)信息及讀取的GPS模塊提供的當(dāng)前經(jīng)緯度信息，實(shí)時(shí)判斷是否偏離路徑或到達(dá)下一路口節(jié)點(diǎn)，震動(dòng)模塊提供差異性震動(dòng)進(jìn)行路徑誘導(dǎo)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的工作原理

2.4 系統(tǒng)核心模塊開(kāi)發(fā)

在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，核心模塊主要包括GPS的經(jīng)緯度信息采集、在谷歌電子地圖上自制疊加地圖數(shù)據(jù)、尋徑和差異震動(dòng)提示模塊。下面將對(duì)其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.4.1 GPS的經(jīng)緯度信息采集

本系統(tǒng)使用的Google Legend手機(jī)內(nèi)置支持步行模式的GPS模塊，采用Serf star III芯片組,連接方式為RS232串口，通過(guò)手機(jī)上的GPS功能，用戶(hù)可以精確地確定自己的地理位置。

Android SDK提供了 GPS API，利用 LocationManager類(lèi)的對(duì)象提供了位置服務(wù)，隨著位置的變化可以使應(yīng)用程序周期性地獲取設(shè)備位置數(shù)據(jù)的更新，具體方法是為L(zhǎng)ocationManager添加一個(gè)LocationListener監(jiān)聽(tīng)器，用來(lái)判斷GPS坐標(biāo)的改變，一旦坐標(biāo)改變則調(diào)用OnLocation-Changed()方法動(dòng)態(tài)且實(shí)時(shí)取得當(dāng)前的 Location對(duì)象，在這個(gè)對(duì)象中包含了經(jīng)緯度坐標(biāo)值。

2.4.2 在谷歌電子地圖上自制疊加地圖數(shù)據(jù)

Android系統(tǒng)剛剛起步時(shí)，Google就看到了其巨大應(yīng)用潛力的位置服務(wù)，并將Google地圖的成功經(jīng)驗(yàn)帶入Android系統(tǒng)中。在開(kāi)發(fā)中通過(guò)申請(qǐng)獲取Google Map API Key把Google Map服務(wù)整合到Android平臺(tái)下。在基于Google Map的導(dǎo)航應(yīng)用中，提供了駕車(chē)、公交、步行三種模式(不包含盲人導(dǎo)航模式)，即便是最精細(xì)的步行地圖模式對(duì)于小區(qū)域 (如某小區(qū)或校園)的數(shù)據(jù)也是很不完善的，鑒于本模式開(kāi)發(fā)利用的是小區(qū)域地圖數(shù)據(jù)供系統(tǒng)測(cè)試，考慮到地圖表達(dá)的正確性和準(zhǔn)確性，自制地圖數(shù)據(jù)疊加到Google Map上，以點(diǎn)、線以及實(shí)心圓等簡(jiǎn)單的圖形式顯示。

2.4.3 尋徑模塊

關(guān)于尋徑問(wèn)題，即最短路徑問(wèn)題,目前所公認(rèn)的最好的求解方法是1959年由DIJKSTRA E W提出的標(biāo)號(hào)法，即經(jīng)典的Dijkstra算法，該算法是目前多數(shù)系統(tǒng)解決最短路徑問(wèn)題采用的理論基礎(chǔ)[15]。

在經(jīng)典Dijkstra算法的基礎(chǔ)之上,在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)方面對(duì)算法作了一定的改進(jìn),使用了一些獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如前趨表和最短路徑結(jié)構(gòu)體鏈表,使算法的性能有了較大的提高,能更有效地求出圖中一個(gè)頂點(diǎn)到其他頂點(diǎn)的所有最短路徑。計(jì)算最短路徑完畢后，對(duì)最短路徑經(jīng)過(guò)的所有路段建立單向結(jié)構(gòu)體鏈表以表示預(yù)規(guī)劃路徑，如圖4所示[9]。

圖4 結(jié)構(gòu)體鏈表

2.4.4 差異震動(dòng)提示模塊

鑒于常人的觸覺(jué)靈敏度是視覺(jué)的近20倍，而盲人具有敏銳于常人的觸覺(jué)資源[12]以及震動(dòng)形式提示具有抗噪聲干擾、反饋及時(shí)和高有效性等優(yōu)點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中開(kāi)創(chuàng)性地提出利用差異性震動(dòng)作為路徑誘導(dǎo)的主要驅(qū)動(dòng)力。

Android SDK提供了震動(dòng)API，首先創(chuàng)建 Vibrator對(duì)象，通過(guò)調(diào)用vibrate方法設(shè)置震動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短、震動(dòng)事件的周期等來(lái)實(shí)現(xiàn)差異性震動(dòng)。主要核心代碼如下：

Vibrator=(Vibrator)get System Service(Service.VIBRATOR_SERVICE); //創(chuàng)建 Vibrator對(duì)象

vibrator.vibrate(new long[]{t1,t2,t3,t4}，repeat);

//調(diào)用 vibrate方法設(shè)置震動(dòng)(以4個(gè)參數(shù)為例)

在Vibrator構(gòu)造器中有4個(gè)參數(shù)，其中t1、t3是等待多長(zhǎng)時(shí)間啟動(dòng)震動(dòng)，t2、t4是震動(dòng)持續(xù)時(shí)間,單位為 ms(1 000 ms=1s)；repeat用來(lái)設(shè)置是否重復(fù)震動(dòng)，當(dāng)repeat=0時(shí)，震動(dòng)會(huì)一直持續(xù)，若repeat=-1時(shí)，震動(dòng)只會(huì)出現(xiàn)一輪。

3 系統(tǒng)測(cè)試與討論

為了驗(yàn)證本路徑誘導(dǎo)新模式的實(shí)用性和可靠性，選用小區(qū)域地圖數(shù)據(jù)供系統(tǒng)測(cè)試，以大學(xué)校園為測(cè)試區(qū),并自制了校園的簡(jiǎn)單地圖來(lái)進(jìn)行實(shí)地路徑誘導(dǎo)測(cè)試。

測(cè)試環(huán)境選在室外較為空曠地帶，當(dāng)獲取的GPS定位信息滿(mǎn)足路徑誘導(dǎo)定位需求時(shí),運(yùn)行程序并載入地圖。尋徑模塊根據(jù)輸入的起始位置與目的地規(guī)劃出一條最適路徑，再根據(jù)預(yù)設(shè)的偏離路徑閾值、震動(dòng)持續(xù)時(shí)間和周期，在行走過(guò)程中，當(dāng)不同程度的與規(guī)劃路徑偏離或到達(dá)路口節(jié)點(diǎn)時(shí)，能夠以不同形式的震動(dòng)提示報(bào)警，測(cè)試者能明顯地感覺(jué)到震動(dòng)的差異性，從而達(dá)到測(cè)試目的。

根據(jù)設(shè)置等待時(shí)間、震動(dòng)持續(xù)時(shí)間以及是否重復(fù)震動(dòng)的不同來(lái)控制震動(dòng)的差異性。在此設(shè)定輕微偏離路徑為短震動(dòng)，嚴(yán)重偏離路徑為長(zhǎng)震動(dòng)，而到達(dá)路口節(jié)點(diǎn)為一般震動(dòng)，以此三組為例加以討論說(shuō)明。(1)短震動(dòng)4個(gè)參數(shù)設(shè)置為 vibrator.vibrate(new long[]{200,200,200,200}，0)，震動(dòng)持續(xù)時(shí)間、等待時(shí)間均為 200 ms；(2)一般震動(dòng) 4個(gè)參數(shù)設(shè)置為vibrator.vibrate(new long[]{200,500,200,500}，0)，震動(dòng)持續(xù)時(shí)間和等待時(shí)間分別為500 ms和200 ms；(3)長(zhǎng)震動(dòng)4個(gè)參數(shù)設(shè)置為vibrator.vibrate(new long[]{200,1 000,200,1 000}，0)，震動(dòng)持續(xù)時(shí)間為 1 000 ms，等待時(shí)間為200 ms，這三組震動(dòng)主要基于震動(dòng)持續(xù)時(shí)間區(qū)分，具體如圖5所示。根據(jù)測(cè)試能夠明顯地感覺(jué)到震動(dòng)的差異性，較易區(qū)別。后續(xù)工作還可以考慮震動(dòng)頻率大小來(lái)設(shè)計(jì)震動(dòng)差異性等。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了盲人路徑誘導(dǎo)所必須的基本功能,能夠有效地對(duì)兩地點(diǎn)間路徑進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃并提供差異性震動(dòng)提示，使用戶(hù)高效、及時(shí)、準(zhǔn)確地行走。對(duì)于日益成熟的語(yǔ)音導(dǎo)盲來(lái)說(shuō)，當(dāng)在極其嘈雜的環(huán)境中時(shí)，語(yǔ)音功效就會(huì)大打折扣甚至失去作用，而這種差異性震動(dòng)路徑誘導(dǎo)新模式的研制則能很好地彌補(bǔ)語(yǔ)音的不足，二者的集成使用將增強(qiáng)盲人路徑誘導(dǎo)服務(wù)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，增大了其市場(chǎng)化的潛力。

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