熊毅超，李曉歐2

1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093)2.上海健康醫(yī)學院醫(yī)療器械學院(上海，201318)

0 引言

避障是指面對外界阻礙影響到運動方向而做出的躲避動作，簡而言之就是自動避開障礙安全出行的過程。測距是避障系統(tǒng)的關鍵技術之一，在智能機器人、車輛自動駕駛、盲人避障等方面具有廣泛的應用[1-3]。

目前，視覺障礙日漸成為一個較大的社會問題，它給個人、家庭、社會醫(yī)療帶來了很大的負擔。由于人口老年化問題的加重，越來越多的中老年人會有視覺受損的問題。對于老年人及其他視障患者而言，及時的提醒可以幫助他們避開障礙，避免摔倒。雖然很多城市都鋪設了盲道，極大提高了盲人及視障患者出行的可能性和方便性，但在實際中，盲道經(jīng)常被雜物和社會車輛占據(jù)，妨礙了出行。盲人和視障患者安全出行另一種有效方法是使用導盲犬，但是導盲犬需要大量的金錢和時間來訓練和喂養(yǎng)。隨著城市規(guī)劃密集化及道路復雜化，盲人及視障患者安全出行受到影響，因此面向盲人和視障患者安全避障是個重要研究方向。

近年來，國內(nèi)外研究的電子輔助行走系統(tǒng)是通過安裝在盲杖或佩戴在視覺障礙人員身上的各種測距傳感器，來獲取周圍障礙物及其距離信息，并轉(zhuǎn)換為易于理解的非視覺信號，如聲音、觸覺或者震動等，用以提醒避障[4]。不同的測距傳感器有著不同的特點及原理，常用的測距傳感器有超聲波、紅外、激光雷達傳感器等[5-9]。本文介紹了基于三種不同的測距傳感器的避障方法，首先介紹了超聲波避障、紅外避障和激光雷達避障，然后詳述了近年來相關避障研究進展及應用現(xiàn)狀，并對不同避障方法的優(yōu)缺點進行比較分析，最后展望了避障未來趨勢。

1 避障相關技術及應用

避障使用的傳感器不同，其特點和適用范圍也有區(qū)別。目前避障方法基于測距傳感器的不同，主要分為超聲波避障、紅外避障、激光雷達避障等。

1.1 超聲波避障及應用

超聲波的產(chǎn)生需要依靠超聲波發(fā)生器，比較常用的超聲波發(fā)生器是壓電式超聲波發(fā)生器[10]。超聲波避障原理主要基于超聲波測距，通過由壓電陶瓷超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波后，遇到障礙物形成反射回波，再被超聲波傳感器接收從而探測距離。超聲波測距最常用有基于相位的檢測方法、基于聲波幅值的檢測方法和基于往返時間的檢測方法[11]。在應用中，基于往返時間的檢測方法最為廣泛[12]。在空氣中，超聲波以聲速進行傳播，遇到障礙物體折回。由于聲速已知，總探測距離為超聲波在空氣中往返總時間與聲速相乘的結果，其一半即為所測距離。如果測量盲人和障礙物距離小于安全距離時，通過單片機系統(tǒng)做相應的處理后，系統(tǒng)會及時產(chǎn)生報警信號提醒盲人患者，輔助盲人患者有效避障。超聲波測距系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of ultrasonic ranging system

當前，超聲波避障技術較多應用在手杖上。Jacquet[13]設計的“Teletact-1”是一種通過超聲技術操作的手杖型手持設備。它的范圍有限，并且音頻反饋要求用戶隨時佩戴耳機。Lakde[14]設計的“Smartcane”是使用安裝在傳統(tǒng)手杖上的超聲波傳感器。它適用于檢測膝蓋以上的障礙物，范圍可根據(jù)用戶的喜好調(diào)整。用戶電池電量不足可通過音頻報警通知。雖然手杖長度可以根據(jù)不同距離范圍的特定振動模式來進行調(diào)節(jié)，但它只能用于膝蓋以上的障礙物，并且無法進行免提操作。此外，還有振動強度的問題。Hoyle[15]設計的“Ultracane”是采用超聲波傳感器，具有雙傳感器配置，可更好地查明障礙物。它提供了一個直觀的抓地力，并且具有更高的范圍和傳播以及更好地預測相對于用戶的障礙物位置，但缺點是成本過高。

根據(jù)使用方式不同，研究者基于超聲波避障技術又研制出了鞋套式、帽帶式、手環(huán)式等避障裝置。程盛陽等[16]研究出基于超聲波測距的盲人探障帽，將基于超聲波測距模塊的帽子戴在盲人頭上，隨著盲人行走步伐起伏變化，指向性明顯，實現(xiàn)了避障功能，較好地解決了盲人安全行走的難題。Pino等[17]設計出基于超聲波測距的障礙檢測系統(tǒng)。超聲波傳感器可以佩戴在手臂上，方便輕巧，可調(diào)范圍和振動強度。

隨著技術的發(fā)展和人們越來越強調(diào)體驗的重要性，不同避障傳感器及輔助工具常被疊加綜合應用，以相互彌補功能不足[18]。Sharma[19]設計的“Lechal觸覺鞋”包含觸覺鞋墊以提供定位和定向輔助。連接到智能手機的觸覺反饋可提供有關當前位置的信息。該設備可以有效檢測低高度的障礙物，同時還確保了免提操作。但是，由于復雜的配件和鞋墊的高成本可能會有限制。吳文竹等[20]設計了一種帶步態(tài)檢測功能的避障裝置。該避障裝置由穿戴鞋套和電子控制盒兩部分組成，應用三軸加速度傳感器采集腳部加速度，應用超聲波避障，采用蜂鳴器和震動雙重報警，同時使用太陽能電池供電。結果表明該避障裝置功耗低、體積小、避障效果好、成本低，具有一定的研究和實用價值。

1.2 紅外避障及應用

紅外避障大多基于三角測距原理，被測障礙物是具有一定漫反射性質(zhì)的發(fā)射體。三角測距的基本原理是基于平面三角幾何，該原理是其具有一對紅外線發(fā)射器與光電檢測器件，紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光二極管以一定的角度向待測物體發(fā)射紅外光束，當檢測方向遇到障礙物(反射面)時，紅外線反射回來被另一個接收器檢測到，會得到一個偏移值。利用幾何關系可以根據(jù)發(fā)射角度計算得到傳感器與物體的距離，據(jù)此判斷前方是否有障礙物，隨著探測器與障礙物之間距離的變化，偏移值也隨之改變。利用三角幾何關系，可以計算出障礙物的距離。檢測到障礙物信號后，經(jīng)過放大和單片機系統(tǒng)處理后，由報警模塊提示盲人避障，確定障礙物位置。紅外避障系統(tǒng)設計原理圖如圖2所示。

圖2 紅外避障系統(tǒng)設計原理圖Fig.2 Principle of infrared obstacle avoidance system

紅外避障技術成熟，價格便宜，在避障中應用較為廣泛。Innet等[21]提出一種通過使用電子手杖作為盲人走路的避障工具，它采用紅外傳感器來檢測路徑上的障礙物例如土塊、木材、金屬、玻璃和人等。結果表明小而輕的手杖，盲人可以舒適地攜帶它，亦可檢測到80 cm范圍內(nèi)的障礙物。最近一項研究報道了一種手持式設備的設計，其中兩個紅外傳感器結合了可聽和振動反饋[22]。雖然避障效果明顯，但是該設備易受環(huán)境干擾。Robert等[23]設計基于一種非接觸式可穿戴式腰帶，可使盲人檢測到低障礙和高障礙，以及周圍環(huán)境的物理邊界。佩戴在用戶腰部正前方的傳感器帶是飛行時間距離傳感器陣列，紅外光脈沖提供用戶與周圍障礙物或表面之間距離的可靠和準確測量，使盲人能夠區(qū)分空閑空間和障礙物。

不過運用單一的紅外傳感器避障應用較少，多數(shù)是與其他技術融合避障。近幾年，GPS定位技術迅速發(fā)展，融合GPS定位和避障功能的研發(fā)備受矚目。葉俊等[24]設計了一款多功能智能避障導航鞋，采用紅外傳感器檢測盲人前行障礙，采用姿態(tài)傳感器來獲取人行走過程中腳的姿態(tài)，并用GPS技術為盲人朋友實時定位。該裝置解決了盲人避障困難、方向感缺失等問題，具有檢測精度高、速度快等優(yōu)點，極大地方便盲人朋友出行。鄧鍵志等[25]設計了一種盲人智能手杖，手杖采用紅外避障，熱釋感應傳感器檢測行人和障礙物，并用GPS、GSM完成用戶定位和呼救。結果表明，該設計能夠?qū)崿F(xiàn)盲人用戶的行動指導，呼救報送和響應處理，具有一定推廣價值。

1.3 激光雷達避障及應用

激光雷達避障是通過激光探測和測距實現(xiàn)的，由于激光波束極短，也可同時使用多束激光組成陣列雷達來測距。按激光測距原理，激光測距分為基于激光飛行時間測距和基于三角法測距。適用于長距離測距的方法是飛行時間測距，根據(jù)測量原理不同飛行時間測距又可分為脈沖式激光測距、相位式激光測距及干涉法激光測距。其中脈沖式激光測距最常用，如圖3所示。該原理是通過對障礙物發(fā)射持續(xù)時間很短的激光脈沖，目標經(jīng)反射后，由接收器接收脈沖回波，由于光的傳播速度為常數(shù)，只要測出激光脈沖從發(fā)射至接收到回波的時間間隔，即可算出障礙物距離[26]。其另一種適用于短距離測距方法是基于三角法測距，其原理是激光傳感器源源不斷地發(fā)送激光脈沖，并由旋轉(zhuǎn)的光學器件將激光脈沖按一定角度間隔發(fā)射至掃描角度內(nèi)的各個方向。由于障礙物距離不同，接收器接收脈沖反射角度也不同，據(jù)此可計算障礙物距離[27]。當某條激光脈沖未碰到障礙物時，接收器接收不到該條激光脈沖的反饋信號。如果檢測到障礙物，會將信號送入單片機進行處理，經(jīng)處理得到障礙物的平均位移、平均角度及平均寬度。

圖3 脈沖式激光測距原理圖Fig.3 Principle of pulsed laser ranging system

在應用領域，Cosgun等[28]使用多個振動電機來固定激光掃描儀，引導用戶避開障礙物，穿過房間，但使用這種不動掃描儀報告的響應時間長達1.9 s。如此長的響應時間使系統(tǒng)不適合實時避障反饋。在另一項研究中，Wachaja等[29]配備兩臺激光掃描儀，通過一臺計算機和每個手柄中的一個振動電機的助行器使盲人能夠在環(huán)境中導航。李海林等[30]提出一種基于激光位移傳感器的障礙物檢測與模式識別的新的避障檢測方法，表明其能夠有效檢測出未知環(huán)境下障礙物的方位和距離并對障礙物類型做出判斷。針對使用環(huán)境復雜多變，障礙物形狀各異，單一傳感器無法獲得完整的環(huán)境信息等難點，賈松敏等[31]提出通過對單目相機和激光雷達傳感器信息的融合，感知智能輪椅周圍環(huán)境，建立局部障礙物地圖，并進一步采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法完成整體避障。該避障方法可以得到障礙物的形狀、距離分布、狀況等信息，實現(xiàn)智能輪椅安全、快速避障等功能。

2 避障技術展望

理想的避障系統(tǒng)應該具有:實時性、準確性、低成本、低功耗、便攜性等特點，但現(xiàn)有系統(tǒng)在功能和性能上還沒有達到盲人和視障患者安全出行的實際需求。目前的避障輔助裝置主要是基于單一的傳感器例如使用超聲波或紅外等來探測障礙物信息，然后通過聲音或震動提示盲人和視障患者免于碰撞。雖然避障效果明顯，但通常存在如下一些問題。

(1) 應用避障的各類傳感器失效的問題。比如一塊透明玻璃，采用紅外、激光雷達的方法，就可能因為光線直接穿過玻璃導致檢測失敗，這時候就 需要超聲波傳感器來探測障礙物。同樣在嘈雜的環(huán)境下，我們需要用光學傳感器來代替聲學傳感器來探測障礙物。

(2) 超聲波、激光、紅外等只能檢測一定方向/高度上障礙物。比如對于盲人和視障患者行進方向左前方或右前方的障礙物卻無法檢測，此外當前測障方法只能大概檢測到障礙物距離，不能檢測到障礙物方向。

(3) 避障過程中會出現(xiàn)誤報警的情況。比如當我們停下來與人面對面時或靜止處于密閉空間中，就不需要測障。從當前研究現(xiàn)狀和實際應用需求出發(fā)，未來的研究趨勢將在如下幾個方面有所期待:

① 可綜合配置使用不同的傳感器，以最大化保證在各種不同的應用和環(huán)境下，都能正確感知障礙物信息。② 可采用陀螺儀、線性加速度計等慣性測量單元或陀螺儀和線性加速度計等慣性測量單元組合來步態(tài)檢測。通過對步態(tài)進行檢測，在腳部有邁步動作測障。而在腳靜止、抖腳或外部因素造成的振動等時不測障，減少誤報警。③ 隨著定位技術和移動應用軟件技術的共同發(fā)展，超聲避障技術等可與GPS技術、移動軟件技術融合發(fā)展。GPS技術可為跌倒者提供定位。若檢測到跌倒，可通過藍牙模塊將跌倒信號發(fā)送到手機APP中，手機將自動撥號發(fā)送位置信息，有效地解決跌倒的人方向感缺失，跌倒無人知曉等問題。相比于傳統(tǒng)單一技術避障，融合發(fā)展既能測障防跌倒，又能定位跌倒。

3 結論

本文詳述了超聲波避障技術、 紅外避障技術和激光雷達避障技術三種避障方法及應用現(xiàn)狀。超聲波避障具有精度高、方向性好、測量范圍比較廣等優(yōu)勢。同時比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，也可以測量，可以在較差的環(huán)境中使用。當然如果障礙物表面反射超聲波的能力不足，避障系統(tǒng)的有效距離就會降低，安全隱患會顯著提高。

紅外避障技術成熟，成本較低，適合測量距離較近。不過由于紅外傳感器需要漫反射表面，對于近似透明或近似黑體的障礙物，無法檢測到距離，對抗環(huán)境干擾能力較差。

激光雷達因其頻率高，所以在測量過程中，可帶來更高的距離分辨率、角度分辨率、速度分辨率等更多信息。另外由于波長短，能發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，即不會形成定向發(fā)射，所以抗干擾能力強，能實現(xiàn)低空、超低空障礙物的探測。不過通常激光避障設備價格較高，體積較大，在使用中需要多次調(diào)試。三種避障技術對比如表1所示。

表1 三種避障技術對比圖Tab.1 Comparison of three obstacle technology

在國內(nèi)人口老年化加快的大環(huán)境下，盲人及視障患者安全避障近年已成為很有潛力的研究方向?；跍y距技術的不同，超聲波避障、紅外避障、激光雷達避障憑借各自的特點優(yōu)勢，涌現(xiàn)出許多避障輔助應用。不過相較于紅外避障和激光雷達避障，超聲波避障在測量范圍、成本等方面更具優(yōu)勢，是避障康復領域的重要研究熱點?？傊?，避障技術的發(fā)展，會給盲人及視障患者的安全出行起到極大的輔助作用。