田宇 王黨 賈曉強

摘 要：本設(shè)計為一款用于盲人導(dǎo)盲的智能語音導(dǎo)盲系統(tǒng)。在外觀部分為用戶設(shè)計了可穿戴式的頭部支架和腰帶，在其完美貼合使用者身體的同時，方便了測距傳感器的固定，使信息傳輸更加方便。頭部支架和腰帶上分別搭載激光測距模塊，語音模塊，攝像頭和陀螺儀模塊，可實現(xiàn)避障，圖像識別，語音識別，檢測周圍的危險物體等功能，并通過語音提示的方式告知盲人，切實解決了盲人出行的問題。

關(guān)鍵詞：可穿戴式;激光測距;語音提示;圖像識別

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0028-02

0 引言

在現(xiàn)實世界中，我們很少在大街小巷看到盲人的身影，究其根源在哪里？大多數(shù)盲人出門需要靠拐杖，盲道的設(shè)計為盲人的出行帶來了很多方便，但同時盲人在生活中面臨的問題也很多。第一，盲人屬于弱勢群體，一旦遇到危險便很容易受到傷害;第二，很多盲人是靠腦子記住路線的，一旦他們走錯了路線，就很難再走回家了;第三，盲道確實給盲人提供了很大的方便，但一旦盲道被其他設(shè)施占用，盲人便很難繼續(xù)前行。我國每年會出現(xiàn)新盲人大約45萬，低視力135萬，即約每分鐘就會出現(xiàn)1個盲人，3個低視力患者。如此龐大的群體給家庭及社會帶來了嚴重的負擔，所以發(fā)展盲人輔助出行技術(shù)對于提高盲人的自主出行能力、豐富盲人群體的生活、節(jié)省社會的運行成本具有非常重要的意義。

現(xiàn)階段市場上的導(dǎo)盲產(chǎn)品多種多樣，如導(dǎo)盲眼鏡Aira[1]，導(dǎo)盲手杖等有各自的不同特點，但同時也存在著自身的不足。對于導(dǎo)盲眼鏡來說，其成本較高，詬病是外界的光源會直接影響到圖像的質(zhì)量進而影響視覺[2]系統(tǒng)性能;對于導(dǎo)盲杖來說，其成本較低，但存在著測距范圍小，攜帶不方便的特點;我們設(shè)計的導(dǎo)盲系統(tǒng)測距精度高，圖像識別更加準確，可通過語音識別自主導(dǎo)航，讓盲人更便捷、更安全的到達目的地，通過算法對深度分析路況進行深度分析并結(jié)合語音模塊提醒盲人。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 多源信息采集

信息的獲取途徑主要包括傳感器采集和在線獲取，傳感器采集包括使用陀螺儀采取角度值、攝像頭采集圖像、超聲波雷達測速和激光測距模塊測距。在線采集的方式主要是通過互聯(lián)網(wǎng)獲取盲人的位置信息及道路信息，有效地幫助了盲人獲取關(guān)鍵性的地理位置，例如家，公廁，公園，十字路口等。

1.2 信息處理

信息處理主要通過微控制器將所收集到距離及角度值的進行取樣，提取有效值，通過算法計算出障礙物的方位及距離，詳細算法見（2.1節(jié)），與此同時，攝像頭進行圖像采集，將采集到的圖像信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，在服務(wù)器搭利用tensorflow[3]搭建識別模型進行圖像的辨別。

1.3 信息傳輸

Zigbee無線傳輸模塊內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b.g.n協(xié)議及TCP/IP協(xié)議棧[4]，可將帽子上激光傳感器測得的數(shù)據(jù)傳輸至腰帶上放置的微控制器上，保證了數(shù)據(jù)的及時性和有效性。

微控制器通過TCP協(xié)議可以與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的交互。其一，通過信息傳輸系統(tǒng)可將硬件端控制命令發(fā)送至盲人手機APP，在其接收到命令后執(zhí)行語音監(jiān)聽或置位操作。其二，可將攝像頭采集到的圖像信息通過TCP協(xié)議傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器端進行圖像識別后會將識別到的信息傳送至盲人手機。其三，盲人家屬通過家屬APP來實現(xiàn)控制命令的傳輸，可在盲人出門前為盲人提前規(guī)劃好路線，進一步保障了盲人出行的安全。

1.4 信息反饋

信息反饋為根據(jù)測距、測速及圖像識別所得到的數(shù)據(jù)加以分析后，產(chǎn)生的語音反饋信息，并通過藍牙耳機為盲人播報。

1.5 整體設(shè)計圖（圖1）

2 測距原理

2.1 測距算法模型

裝置主要依靠激光探頭配合攝像頭捕捉人體前方的圖像。將采集得到的圖像用WiFi模塊發(fā)送到服務(wù)器，進行進一步的圖像識別和處理。然后將關(guān)鍵值返回至微處理器。微處理器再將裝置上五個位置的激光傳感器所收集到的數(shù)據(jù)加入到程序中，對服務(wù)器傳回的數(shù)據(jù)加以修正。最后再根據(jù)數(shù)據(jù)對盲人進行相應(yīng)的提示和驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。如圖2所示，該裝置一共有5個激光測距傳感器，其中三個位于帽子上，第一個用于檢測前方距離，第二個用于檢測斜下方距離，第三個用于檢測盲人頭頂?shù)降孛娲怪毕蛳碌木嚯x。另外兩個位于腰帶上，分別位于身體的左右兩側(cè)，用于檢測左右兩側(cè)的距離。

2.2 實驗方案

在帽子上裝好一個陀螺儀用于檢測盲人此時身體的角度，在盲人剛戴上帽子時通過上下擺動頭部，使之剛好在弄一個位置③號激光傳感器的激光射線剛好與地面呈90度，此時記錄人體的身高，以上為測距的初始化過程，之后再一次通過陀螺儀得到角度，通過②號激光傳感器測得斜下方的距離，由數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)可得出恒等式。由此可推測出前方是否有障礙物或有凹陷處。

2.3 外觀設(shè)計

如圖3所示，頭戴裝置可以將3個激光測距傳感器之間的角度成為固定值，在盲人佩戴時不會因為身體微動而對測距結(jié)果產(chǎn)生影響。同時將陀螺儀和無線傳輸模塊放置在架子內(nèi)部，達到美化裝置的效果。如圖4所示，腰帶裝置主要由各個模塊組成，這樣設(shè)計可使各個模塊按照不同的順序組合，方便在開發(fā)和調(diào)試過程中改變各個傳感器和器件的位置。模塊與模塊之間是使用軸連接的，具有一定的活動空間，所以整個腰帶都是可以進行彎曲的。這樣就可以使使用者穿戴更加方便和舒適。

3 結(jié)語

可穿戴式導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用了GPS定位，圖像識別，語音導(dǎo)航技術(shù)，重點分析了測距算法，并對外觀進了精心的設(shè)計，使頭部支架與帽子融為一體，方便了傳感器的固定，腰帶模塊化的設(shè)計更加貼合使用者的身體，方便了盲人的佩戴。本設(shè)計具有操作簡單，使用方便，佩戴舒適等特點，具有重要的應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] Improvement in Patient-Reported Quality of Life Outcomes in Severely Visually Impaired Individuals Using the Aira Assistive Technology System.[J]. Nguyen Brian J，Kim Yeji，Park Kathryn，Chen Allison J，Chen Scarlett，Van Fossan Donald，Chao Daniel L.Translational vision science & technology，2018（5）.

[2] 楊惠君.視頻圖像的增強與去噪技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2011.

[3] 王一超，韋建文.基于高性能計算機平臺的TensorFlow應(yīng)用探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：125-128.

[4] 孫小麗，曹新偉，馬皓誠，王瑞，吳樂天，喻晨，劉霞，史慧鋒.基于ZigBee的無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用探討[J].數(shù)字通信世界.2017（09）：102-103.