劉詩婧

盲人出行雷達語音輔助器設(shè)計研究

劉詩婧

（武漢工程大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430030）

主要研究了盲人出行雷達語音輔助器的設(shè)計原理。為了使盲人出行更加安全便利，設(shè)計出了一款可穿戴式的雷達語音導(dǎo)盲輔助帽，具有人機交互功能，可以識別紅綠燈、斑馬線及盲道，使用超聲波模塊測距幫助盲人避障，通過路徑規(guī)劃算法得到無障礙路徑，內(nèi)置微弱光源環(huán)境檢測裝置，實現(xiàn)感應(yīng)發(fā)光，采用非入耳式藍牙耳機，與“耳航”APP配合使用，以此保證盲人安全出行。

導(dǎo)盲；超聲波；傳感器；盲道識別

1 設(shè)計背景及意義

1.1 設(shè)計背景

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和時代的變遷，現(xiàn)代工業(yè)文明得到了高度發(fā)展，各種新鮮事物開始層出不窮，人們的日常生活變得更加豐富多彩。不過，雖然信息革命給人們的生活帶來了極大的便利，但是也有一些特殊群體并沒有感受到信息革命帶來的好處。比如盲人，他們在信息化社會中生存變得舉步維艱。目前，中國還處于發(fā)展階段，相對于一些發(fā)達國家而言，中國關(guān)于盲人出行相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計方面還存在很大不足，亟需解決。切實幫助盲人，最大程度上解決他們的需求，讓他們也能享受信息化革命帶來的便利，是目前迫切需要解決的問題。

1.2 盲人問題概述

1.2.1 盲人現(xiàn)狀

中國國家衛(wèi)生部門統(tǒng)計報告指出，盲人數(shù)量排名世界第一的是中國，在中國盲人數(shù)量已經(jīng)超過了1 400萬人，平均每年中國新增的盲人和弱勢群體數(shù)量已經(jīng)超過40萬人，為他們的出行提供好的解決方法，已經(jīng)成為當今社會中人們高熱度討論的話題。

1.2.2 影響盲人生活的因素

盲人由于先天或后天原因?qū)е卵鄄繗埣?，生活難以自理，同時在社會中也經(jīng)常遭受不公平的待遇。通過調(diào)研得知，影響盲人生活的因素主要有：①生理上的缺陷。雙目失明給他們的生活帶來很多困難，有些盲人甚至生活無法自理。 ②盲人出行阻礙很多，盲道不完善和無法規(guī)避障礙物，使他們與外界接觸時存在極大安全隱患。③社會上某些人有歧視性思想。一部分普通人在與盲人交往的過程中，往往會歧視盲人生理上的缺陷，給盲人心理造成一些障礙。

2 現(xiàn)有盲人設(shè)計與調(diào)研

2.1 現(xiàn)有導(dǎo)盲產(chǎn)品設(shè)計

智能電子導(dǎo)盲輔助設(shè)備的應(yīng)用，讓盲人出行不再僅僅依賴于傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖。但是，這些智能電子設(shè)備通常價格不菲，而且盲人在操作中通常會遇到一些困難。雖然有些導(dǎo)盲產(chǎn)品確實可以給盲人帶來方便，但它們的實際應(yīng)用范圍仍然很小。從相關(guān)研究來看，雖然中國市場上盲人產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)還處于起步階段，但從大趨勢看，盲人產(chǎn)品逐漸向人性化服務(wù)和品種多樣化方向發(fā)展。例如，盲人手環(huán)、盲人水杯、盲人手套、導(dǎo)盲鞋和盲人導(dǎo)航儀被應(yīng)用的越來越多，而且一些手機已經(jīng)開發(fā)了盲人操作程序。

2.2 模擬場景研究

為了進一步研究盲人行走時可能遇到的困難，對盲人行為路徑進行了分析，如圖1所示。模擬了盲人行走至地鐵站的全過程，記錄下沿路會遇到的一系列問題，如盲道有障礙物，樹枝等高處障礙物，明顯的尖銳物體，導(dǎo)盲杖盲區(qū)，突然出現(xiàn)的障礙物，盲道斷層或不平，需經(jīng)過多個馬路等問題。

3 技術(shù)支持與產(chǎn)品構(gòu)想

3.1 超聲波傳感器

本設(shè)計采用HC-SR04型超聲波傳感器來實現(xiàn)模塊的功能。超聲波檢測具有快速、方便、易于計算、便于實時控制、可用于測量精度等優(yōu)點。超聲波傳感器在準確計算障礙物距離后，可以通過語音系統(tǒng)提醒盲人及時避開障礙物，充分發(fā)揮語音的交互作用。技術(shù)方面采用圖像識別技術(shù)、藍牙通話技術(shù)、GPS定位技術(shù)和超聲波測距技術(shù)，使盲人在保證安全的前提下，利用盲人出行雷達語音輔助裝置實現(xiàn)自由出行。從研究數(shù)據(jù)來看，成人行走的平均速度為1.5 m/s，平均反應(yīng)時間為0.1～0.4 s，根據(jù)普通成年人的反應(yīng)時間，當其意識到前方有障礙物停止行走時，仍會移動0.6 m。而正常人的步行速度要比盲人快，因此可以將HC-SR04型超聲波傳感器探測障礙物的距離設(shè)計成3 m。

3.2 導(dǎo)盲輔助器結(jié)構(gòu)框架

該款導(dǎo)盲輔助器硬件包括HC-SR04型超聲波模塊，該款超聲波模塊受周圍環(huán)境溫度影響小，受使用時長影響小，同時沒有退極化情況，通帶性質(zhì)優(yōu)良，芯片與聲傳輸器件統(tǒng)一計算基波諧振頻率；灰度模塊可以用來檢測物體的黑白度，以此來辨別紅綠燈；語音模塊使人機交互成為可能；環(huán)境微弱光源檢測裝置提升盲人夜間出行安全性；內(nèi)置的GSM模塊可以插入手機卡，當盲人準備出發(fā)或確認到達目的地的時候，通過GSM模塊自動發(fā)送短信到家人的手機中，讓家人了解到盲人的情況；高清攝像頭會將獲取到的圖像傳送到DSP中處理；GPS定位盲人的位置，控制器再將信息送到上位機中。

結(jié)合信息融合算法，用傳感器獲得的數(shù)據(jù)規(guī)劃路徑；運用人工勢場算法獲得無障礙路徑；運用圖像識別算法精確識別斑馬線、盲道。

3.3 導(dǎo)盲輔助器運行流程

導(dǎo)盲輔助器運行流程如圖2所示。

圖1 盲人行走至地鐵站行為路徑分析

圖2 導(dǎo)盲輔助器運行流程圖

系統(tǒng)初始化后，等待盲人發(fā)出指令，之后開啟GPS 定位并向聯(lián)系人發(fā)送“盲人出發(fā)”的信息，灰度模塊與測距模塊開始工作，分別檢測紅綠燈和測距，將所測距離及圖像處理后的信息數(shù)據(jù)融合后用于路徑規(guī)劃，以此引導(dǎo)盲人避障，當環(huán)境光源微弱時，發(fā)光圈會自動發(fā)光。

3.4 圖像識別技術(shù)與路徑規(guī)劃

在外界環(huán)境中，各種道路交通標志為人們提供了重要的信息。因此盲人在道路上行走時，導(dǎo)盲輔助器準確識別斑馬線及盲道是十分必要的。

3.4.1 斑馬線的識別算法

斑馬線是一組黑白顏色互相交替間隔的平行條帶，因為黑與白兩色之間的色差對比非常強烈，其之間的規(guī)律性也很明顯，因此可以用雙極系數(shù)來分析道路圖像中灰度較強的區(qū)域。通過分析雙極系數(shù)，可以得出：如果被調(diào)查區(qū)域中雙極系數(shù)值高則為斑馬線區(qū)域；相比言之，如果被調(diào)查區(qū)域中雙極系數(shù)值低，則為非斑馬線區(qū)域。

3.4.2 盲道的識別算法

盲道軌跡的識別特征也非常突出，因為盲道軌跡的顏色大多為黃橙色，與周圍道路的顏色不同，所以可采用圖像分割方法。首先，將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSI彩色圖像，然后用高斯平滑濾波器對原始顏色直方圖進行平滑處理，用補洞來填充操作中盲道區(qū)域的空洞，然后對分割后的盲道邊緣采用形態(tài)學(xué)處理孔徑運算消除毛刺，使邊緣平順，對像素小于 1 500的區(qū)域采用面積閾值濾波，消除非盲道路面，最后用Canny算法通過檢測圖像邊緣來識別盲道。

3.4.3 人工勢場法實現(xiàn)路徑規(guī)劃

在復(fù)雜環(huán)境中，人們需要根據(jù)一定的評價標準，找到從初始狀態(tài)到目的地的最方便的無障礙路徑，這就要求輔助裝置系統(tǒng)具有路徑規(guī)劃功能。本研究采用人工勢場法進行道路規(guī)劃，它的原理是將輔助裝置所在空間的運動視為虛擬力場中的力運動，障礙物排斥它，目的地吸引它。輔助裝置在產(chǎn)生的力的作用下移動到目標點，利用人工勢場法，在起點和終點之間規(guī)劃出一條最方便的無障礙路徑。系統(tǒng)可以根據(jù)自身和障礙物之間的距離合理地調(diào)整運動速度，有效地執(zhí)行輔助裝置的路線規(guī)劃。

3.5 產(chǎn)品模型

針對上述研究，Rhino三維建模設(shè)計出一款可穿戴式的智能雷達語音導(dǎo)盲帽，如圖3所示，CMF配色以黑色為主，白色、灰色為輔。

圖3 導(dǎo)盲帽效果圖

該款智能雷達語音導(dǎo)盲帽造型外觀為帽檐前、帽檐后、左前、左后、右前、右后共六個雷達，前方為雷達與攝像頭一體化設(shè)計，后方有調(diào)節(jié)頭圍的橡膠帶，兩側(cè)為非入耳式外置耳機，聲孔在耳朵前方，保證盲人進行語音導(dǎo)航的同時，能夠聽到周圍環(huán)境聲音，帽體中間為一圈環(huán)境感應(yīng)發(fā)光裝置，在周圍環(huán)境光源微弱的情況下會自動亮起，提醒周圍行人注意避讓，帽體頂端覆蓋著太陽能板。

“耳航”APP包含出行路線、緊急報警、實時定位三大板塊功能，盲人可全程語音控制APP運行。盲人戴上智能導(dǎo)盲帽后，朝著麥克風語音發(fā)出指令：“我要去xx街道”，APP隨即開始智能規(guī)劃路徑，匹配出一條途經(jīng)馬路最少、周圍障礙物最少的最優(yōu)路徑并開始語音播報，同時會給APP中設(shè)置的盲人緊急聯(lián)系人發(fā)送消息，告知該盲人已開始出行，并為聯(lián)系人提供GPS實時定位盲人動態(tài)的服務(wù)。若盲人遇到困難時，可發(fā)出指令：“撥號聯(lián)系人”，則會啟動撥號給APP中綁定聯(lián)系人的功能；也可發(fā)出指令：“我要報警”，則會啟動撥號報警功能。

4 結(jié)語

該款智能雷達語音導(dǎo)盲帽便捷易攜，采用符合人機工程學(xué)的可穿戴設(shè)計；具有語音交互功能，能夠智能規(guī)劃路徑，實時引導(dǎo)盲人；同時具有精度高的圖像識別技術(shù)；對于同類產(chǎn)品，該款智能雷達語音導(dǎo)盲帽安全系數(shù)更高，能夠為盲人出行保駕護航。除此之外，該款智能雷達語音導(dǎo)盲帽與“耳航”APP聯(lián)合使用，APP能夠進行語音控制，盲人遇到危險時可發(fā)出指令，自動撥號求助聯(lián)系人或報警，同時盲人每次出行時，聯(lián)系人都可通過手機實時在線查看盲人動態(tài)。

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TH789

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.017

2095－6835（2021）08－0049－03

劉詩婧（1998—），女，湖北武漢人，研究生在讀，研究方向為產(chǎn)品設(shè)計。

〔編輯：嚴麗琴〕