盲人导航

盲人导航（精选5篇）

盲人导航 篇1

引言

随着我国经济的发展和社会人文素养的提高，社会对弱势群体的关注程度也越来越高。如何保障社会中身体缺陷群体正常的生活，尤其是盲人的出入安全成为一个令人关注的焦点问题。因此，我们有必要设计研发出一种保障盲人出行以及人身安全的产品。利用卫星定位系统GPS定位技术，我们构想，设计一种关于盲人专用GPS导航鞋。虽然，市场上还没有成形的这类产品，然而一旦出现，相信很快能形成产业趋势，并且应用前景十分广阔。

一、GPS系统原理简介和盲人专用GPS导航鞋中GPS的应用

1. GPS系统原理简介

GPS是Global Position System缩写，即全球卫星定位系统。它是由空间卫星、地面监控和用户接收等三大部分组成。GPS通过接收卫星信号，进行数据分析和处理，来帮助用户准确定位当前位置和计算既定的目的地行程。

2、盲人专用GPS导航鞋中GPS的应用

这项产品的核心部件是一个4*3平方厘米的小型导航仪。它内含于鞋底部位。这种特种鞋主要有三种功能。其一，帮助用户准确定位当前位置，并且根据既定的目的地计算行程。其二，识别来往车辆。利用雷达红外感应，到一定距离的时候，感应出附近范围内迎面驶来的车辆。其三，将产品通过远程与电脑连接。在盲人的单独出行中，家人能通过电脑进行跟踪，确定盲人所在的位置。

二、GPS导航鞋的功能

1、导航功能

GPS导航鞋能够提供出行路线规划和导航，包括人工线路设计和自动线路规划。人工线路设计是根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。自动线路规划是由确定起点和目的地，由系统按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线。G P S导航鞋还带有语音导航功能。用语音提前向盲人提供路口转向（如，前方2 0米处左转），就像一个懂路的向导带领你到达目的地一样。导航中最重要的一个功能，无需沿途观看操作终端，设计思路很符合盲人的特点，最终通过语音提示就可以安全到达目的地。如果盲人没有按规划的线路行驶，或者走错路口时候，GPS导航系统会根据现在的位置，为盲人重新规划一条新的到达目的地的线路。

2、移动障碍物识别功能

GPS导航鞋是利用雷达来识别移动中的障碍物的，它是通过利用无线电回波来探测目标方向和距离。

测速雷达主要是利用多普勒效应原理：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。

激光测速器以测量红外线光波传送时间来决定速度。由于光速是固定，激光脉冲传送到目标再折返的时间会与距离成正比。以固定间隔发射两个脉冲，即可测得两个距离；将此二距离之差除以发射时间间隔即可得到目标的速度。理论上，发射两次脉冲即可量测速度；实际上，为避免错误，一般激光测速器在瞬间发射高达七组的脉冲波，自以最小平方法求其平均值，去计算目标速度。

这样，在有车辆迎面驶来时，GPS导航鞋可以通过语音提示盲人，有效地保证了盲人穿过马路的安全。

3、电脑远程跟踪功能

GPS是个系统，只要在电脑上指定的网站平台输入G P S的用户名和密码，就能在电脑平台的地图里监控到该GPS定位仪的位置。远程控制一般分客户端 (Client) 和服务器端程序 (Server) 两部分。在G P S导航鞋中，家里的电脑相当于服务器，导航鞋中的G P S系统安有客户端，使用时客户端程序向电脑中的服务器端程序发出信号，建立一个特殊的远程服务，然后通过这个远程服务，使用各种远程控制功能发送远程控制命令。

在GPS导航鞋表面有一小型按钮，当盲人遇到突发事件时，通过按下按钮求救。当按下按钮时，G P S导航鞋可向远程电脑服务器发出求救信号，家人根据电脑反射过来的信息，可即时给予援助。

三、盲人专用GPS导航鞋的市场优势分析

1、难以替代性

手机中的GPS导航地图分为网上下载的地图和手机自带的地图两种。从网上下载的地图一般更新速度极慢，不能匹配高速发展的道路状况，难以引领正确的方向。利用手机自带的地图导航，一般准确率较高，但价格不菲，在3000～5000元之间不等。

人行道上虽有专门划定的黄色的盲道，但这些盲道通常被地摊小贩占用。最重要的是，盲人在单独过马路时，马路上根本没有盲道，对盲人穿过马路的安全问题没有起到切实的保障。

导盲犬在一定程度上起了引路作用，但由于导盲犬无法全角度识别迎面是否有车辆行驶来，因此在突发状况下不能及时请求援助。

GPS手表体积小巧，但其感应范围仅在1 5米，难以保证较长距离的出行。

GPS盲人导航仪是用来让盲人朋友给导盲犬指路，让它把自己带往陌生的地方，扩大自己的活动范围。可是，盲人还要同时带上导盲犬，这种方法更复杂了。

盲人上路，方向全凭脚底感觉，因此，盲人迫切需要一种产品，既符合盲人的生理特点，又能够切实保证他们的出行安全。

通过对市场上现存的几种对盲人出行做出的保障措施或产品的分析，可以明显看出，G P S导航鞋是难以替代的。

2、价格的普遍接受性

市场上普通的导航仪价格在4 0 0～2000元之间不等。这类导航仪主要是对行驶车辆提供导航作用，体积一般较大，并且带有电子狗和屏幕，电子狗的功能是在不远处的红绿处进行照相测速，徒步出行完全不必要；盲人无法看见屏幕，屏幕的设计之于盲人是多此一举。因此，可以省去部分普通的GPS导航仪的制作成本。所以，我们初步预计，GPS导航鞋的最高价格不会超过400元。这个价格，是普通工薪家庭可以接受的。

3、社会人员的需求性

我国现在大约有1 7 0 0多万的盲人。是一类比较庞大的弱势群体。他们迫切需要一种产品，能够真正做到切实保证他们的出行安全。因此可以得出，G P S导航鞋的购买力是相当可观的。

4、可应用性

(1) 导航的高灵敏性

GPS导航原理不仅适用于快速行驶的车辆，在盲人徒步出行的低速情况下，由于G P S导航的高灵敏性，导航鞋能准确地起到引路作用。

(2) 导航的高隐蔽性

GPS导航鞋的核心仪器体积微小，安放在鞋底部位，并且不增重鞋底负担。出行时不用刻意携带，方便且不易遗失，高度隐蔽。

四、结论

全球定位系统GPS技术已经广泛应用于交通运输和道路工程之中，但还没有充分生活化，因此，很有必要更彻底全面的开发利用GPS在个人生活的重要作用。我们对于盲人专用GPS导航鞋的设计，既符合盲人以脚感知方向的生理特点，有效地保障了盲人的出行问题，也符合国家对保护弱势群体的政策。从对GPS导航鞋的市场前景、功能特性中的分析中，我们可以得出GPS导航鞋设计的可行性和市场开发的必要性，势必给商家和消费者带来巨大的利益。

摘要：文章介绍了全球卫星定位系统GPS的基本原理, 着重介绍了GPS导航鞋的功能和市场前景, GPS导航鞋的设计, 既符合盲人以脚感知方向的生理特点, 为保障盲人这类弱势群体的出行安全起到重要作用。

关键词：GPS原理,GPS应用的发展状况,GPS导航鞋的市场前景,功能特性

参考文献

[1]黄丁发, 等.GPS卫星导航定位技术与方法.科学出版社.2009-6-1

[2]鲁郁.GPS全球定位接收机——原理与软件实现.电子工业出版社.2009-6-1

[3]丁鹭飞, 耿富录, 陈建春.雷达原理.电子工业出版社.2009-03-01

盲人导航 篇2

关键词：城市无障碍；障碍物检测；RFID；盲杖

1 引言

根据世界卫生组织给的数据，2010年中国盲人数量824.8万，低视力人群6727.4万，视力残疾者的数量是两者的总和——7551.2万。我国盲人数量众多，城市路况也比较复杂。盲人的出行方式通常有盲杖出行，亲友陪同出行，导盲犬导向出行和公交出行等几种方式，其中以使用盲杖出行最为普遍，盲人出行的问题是一个不可忽视的社会问题。

以最普遍的盲人使用盲杖单独出行为例，盲人出行时使用的普通盲杖多为铝合金质地，盲人使用它的杖尖在地面上不断敲击，左右摆动探索，可盲人发现地面0.5米范围以内的障碍物，杖体贴有反光膜，夜间可警示车辆避让。普通盲杖轻盈、便携、耐用、价格低廉，是视障患者出行的帮手。但是普通盲杖具有的缺点是：对于稍远距离的障碍物及高空障碍物无法判断位置，不能及时做出反应。

本文通过介绍射频识别技术系统在当今社会中的应用，以及对当前我国的盲人道路指示系统的分析，结合当前社会盲人出行用具的分析，以及射频识别技术的优点，提出基于射频识别技术的盲人避障导航系统设计。

2 传统盲人出行系统分析

城市中的视觉障碍人群的无障碍出行环境建设，在道路交通方面，主要涉及到城市广场、非机动车道、过街天桥及过街地道、过街音响信号及公交站台等。在建筑物场所方面，主要涉及到办公及科研建筑、文化和商业建筑、观演及交通建筑、医疗及学校建筑、公寓及饭店建筑、居住和园林建筑等。有关无障碍的主要设施和部位有：坡道、出入口、走廊、楼梯、电梯、扶手、轮椅席、厕所、浴室、安全抓杆、客房、厨房、服务台、停车场车位、城市盲道、缘石坡道、旅游景点标志牌等。因此，无障碍环境的建设与改造，是一项涉及面广的系统工程。

视力残疾者在户外单独行进与活动时，最重要的问题是对环境的感知和方向上的判定。视障患者通常依靠触觉、听觉、嗅觉和较强的色彩对比来帮助其行动。当前我国的盲人无障碍出行设施主要有城市盲道、过街音响提示信号、盲文公交站牌等，但是当前我国的道路标示体系并没有能够给盲人出行提供太大的帮助。我国视觉障碍人群的无障碍道路体系还有很大的改造需求与提升空间。目前市场上的助盲器材的成型产品仅处于障碍物报警的初始水平，在实际使用时，对盲人出行的帮助极其有限，随着电子科技的发展及城市道路环境的不断复杂化，传统的导盲杖及城市导盲系统已经远远不能满足盲人的需要了，盲人出行困难重重。

3 系统概述

此盲人出行系统的设计主要基于射频识别技术、超声波测距技术及gps技术，旨在构建一个有效的辅助盲人出行的系统。系统由智能盲杖和安装了录入城市地理位置信息芯片的城市盲道组成。盲人出行系统的主要功能有导航、外部数据采集、语音提示、震动提示、智能提示灯、全球定位、一键警报、发送求救短信等。

智能盲杖的设计，以Arduino UNO单片机为核心，集成的模块包括：RFID模块，用于读取盲道下方铺设的电子标签，射频识别技术具有读取速度快、不受覆盖物影响、磨损影响小等特点，使系统的稳定性得到保证，增大盲人出行的安全性；超声波测距模块，系统采用超声波传感器的超声波发射——接收时间差来测量人与障碍物之间的距离，在安全距离内对盲人进行语音或者震动提醒，警示使用者避让障碍物，该系统通过采用两个互成角度的超声波模块来监测盲杖前方及前方高处的障碍物，使盲人更加了解周围的环境，起到避免安全隐患的作用；GPS定位模块，用于对盲人的位置进行定位，当盲人不慎走失时，亲人能通过定位芯片查询到盲人的地理位置，方便家人寻找，为盲人的安全提供了保障；GSM模块，用于实现一键警报功能，当盲人遇到危险或其他需要求助的情况时，按下警报键，智能盲杖会自动向预设号码发送求救短信；智能盲杖还具有光敏控制的LED模块，光敏电阻通过外界照度不同产生不同大小的电信号，控制LED灯的亮度。当盲人处于阴暗的环境时，盲杖上的LED灯自动亮起，以警示路人，当处于光亮环境时，LED灯熄灭，节省能源。

城市盲道的设计，即在交叉路口、红绿灯路口、标志性建筑等交通的关键节点处，安置储存有当前位置地理位置信息的电子标签。在盲人行走的过程中，盲杖上的RFID模块不断的读取到盲道内的地理位置标签，盲人根据提供相应的语音提示，来决定行进方向，以起到导航的目的。

从理论上来说，RFID模块距离盲道内的电子标签位置越近越能读取，但在没有视觉的帮助下，盲人用盲杖对准的位置往往会有偏差，这对地理位置信息的读取会造成影响。因此建议在盲道上设置指示前方设有电子标签的引导砖，来提示盲人注意到前方是电子标签处。

4结语

我国助盲出行问题的解决，一方面要学习国外与无障碍设施建设相关的经验，可以借鉴国外现有的成熟的设计来改善盲人出行困难问题。另一方面，我国应当提高对弱势群体的保障力度，发挥我们自己的创新意识，提出相应的解决对策来改善我国盲人出行的现状。

本文粗略介绍了基于射频识别技术、超声波测距技术及gps技术的盲人辅助出行系统。近几年，随着RFID技术的推广应用.中国RFID的市场规模呈现出良好的发展态势。中国的RFID应用主要集中在中低频领域（工作频率小于30MHz），在身份识别、安全门禁、电子购票、交通等领域得到了一定规模的应用。现今，物联网高速发展，利用 RFID将道路信息进行规范化管理更能提高道路的使用价值，系统建设成本也因射频识别技术的广泛应用而降低，有良好的发展前景。

参考文献：

[1]薛茹，吴宗胜，邵美云，等.一种基于 GPS/GPRS 的智能导盲拐杖：中国，201320224296[P].2013-10-23.

[2]黄玉兰.物联网射频识别技术详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]曾智林.通用设计理念下的视障人群导购产品设计研究[J].机械设讯，2013（5）.

[4]赵军辉，黄晓华.射频识别技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

盲人导航 篇3

根据世界卫生组织(WHO)和《2006年中国第二次残疾人调查资料》统计数据显示,中国约有1233万盲人,是全世界盲人最多的国家,占整个世界盲人数的20%[1],并且以每年45万的速度增加。在平常的生活中,我们80%以上的信息是通过视觉获得的[2],盲人则一直生活在黑暗的世界中,视力的缺失导致生活、学习、工作上莫大的困难。作为社会上一类特殊群体,需要给予更多关怀和照顾,如何让他们能够更安全地独立行走,是盲人生活中最大问题之一。随着经济发展、科技进步和社会文明程度的不断提高,这一特殊群体的出行问题越来越受到世界各国的关注和重视。为了提高社会对他们的关怀程度和救助水平,研制开发更具人性化更适合于盲人路径诱导的辅助工具具有重要的实用价值和社会现实意义。

1 盲人导航/路径诱导辅具概述

盲人在行走过程中常常要借助第三方辅具的帮助,如盲杖、导盲犬、盲道、导盲设备等。在现实生活中盲杖作为行走辅助工具一直以来被广泛采用,但由于行动上的诸多受限使得使用者面临很大挑战[3],就因为它的设计简单、使用方便,大多数盲人仍依赖盲杖摸索前行;单纯从导盲功能来看,虽然导盲犬是引导盲人行走的不错选择,能够听懂主人发出的多种口令,理解盲人的简单意图,能够将盲人顺利带到目的地,但它不能规划线路或者在一条陌生的路线上引领盲人到达指定地点,同时训练的不易、耗时及成本高昂等原因限制了导盲犬的普及[4];目前许多国家为盲人配备了基本的盲道和语音提示装置等导盲设施,但可以提供的信息非常有限。针对盲人出行难的问题,除了传统的盲杖和导盲犬,多国学者致力于导盲设备的研究工作,并取得了巨大进展,如已开发成功的电子式行进辅具[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]、导盲机器人[15,16,17,18,19,20,21]、智能盲杖[22,23,24,25,26,27,28,29,30]以及嵌入式智能导盲系统[31,32,33,34,35,36]等等各式各样的导盲系统和装置。

盲人导航/路径诱导辅具是以用户为中心系统通过处理加工采集的环境信息并以盲人可以接受的形式(声音、触觉以及二者的集成等)传达给盲人,实现路径诱导。功能模块如图1[14]所示。

2 盲人导航/路径诱导辅具研究与应用现状

就世界各国目前已经研制的多种盲人辅助路径诱导工具来看,从结构简单的电子式行进辅具到较为复杂的导盲机器人再到目前较为便捷实用的智能盲杖类,特别是近年来越来越人性化的导盲系统的研发以及它们的集成使用无异于给盲人带来第二双“眼睛”,使盲人同样可以地享受到数字化带来的便利,生活质量得到较大提高。

2.1 电子式行进辅具

电子式行进辅具ETA(Electronic Travel Aids)的工作原理,或是类似雷达信号检测,通过声波或光来得到障碍物和环境的相关信息;或是通过采集环境图像信息,通过视频图像处理,检测障碍物。从上个世纪60年代开始,一些研究人员开始研制用于辅助盲人行走的电子辅助工具。1965年,Russell Pathsounder是最早使用的ETA[5],该装置是一种基于超声测距的导盲仪,利用超声传感器能够粗略的获取障碍物的位置。Binaural Sonic Aid(Sonicguide)[6]完成于1974年,其外型类似于一个眼镜框,超声发射器和两个超声波接收器分别安放在镜架的中央及两侧,接收到的信号经过频移,分别传入两耳。使用者根据传入两耳之间的声音强度差,可以判断出障碍物的方向。1989年美国密西根大学研制的Nav Belt[7]设备等主要都是通过超声传感器单一片面地检测到障碍物信息,利用声音或触觉提示用户通过“黑暗”环境。

随着电子计算机和图像处理技术的不断进步,新式电子导盲仪得到了极大地发展。1992年荷兰埃因霍温飞利浦研究实验室的物理学家Meijer完成的头盔式盲人导航系统v OICe[8],将摄像机采集的图像扫描并数字化转换成声音,图像的X坐标转换为时间,Y坐标相当于声音的频率,图像的灰度值转换成声音的大小。2000年John Zelek等[9]研制了穿戴式“立体视觉”原型系统,在塑料或轻金属平台上集成便携式电脑及两个照相机并连接触觉手套,手就像一幅地图,每个手指代表一个方向(例如,中指为正前方)。利用穿戴式平台上左右两个照相机的图像处理深度图,然后与触觉手套进行信息交互。在超声等传感器之后,图像处理技术成熟起来,逐步用于导盲领域,并可以解译出环境信息,虽然是非常有限的,不能体现出具体的距离远近,但使盲人欣慰的是终于可以“看到”环境信息了。

特别是近几年来,GPS(全球定位系统)技术、RFID(射频识别)技术、红外线定位、Bluetooth等技术快速发展并相续涌入进一步壮大了电子式行进辅具领域,呈现多传感器集成、多样式展示。2007年Jeff Wilson等[10]研制了SWAN装置,包括一个便携式电脑、手持触觉输入设备、语音处理器、语音输出设备以及路径定位追踪模块,室外用GPS、数字罗盘定位,室内用照相机及RFID标签定位,具有规划路径和常用路径存储功能。2010年Aura Ganz等[11]开发的INSIGHT导盲系统,包括拥有蓝牙功能、RFID阅读功能的PDA客服端和提供建筑物信息的INSIGHT服务器端,PDA客服端通过蓝牙功能检测和追踪RFID标签,并与INSIGHT服务器进行实时通信,获取导航信息。2011年Shang Wenqin[12]、Danilo C'aceres Hern'andez[13]等更进一步完善了图像处理与传感器集成使用导盲研究。由时下导盲工具便知,在传感器、图像处理的基础上与GPS、RFID等技术集成使用,获取周围环境信息的同时,又能读取障碍物位置距离等更全面环境信息,并能够人机交互,更具智能化、更具人性化。

虽然此类设备结构比较简单、便于携带,发展势头强劲,但其普及程度和应用并不是很理想[14]。原因就是有的功能单一,有的人机界面需要长期学习,有的结构复杂、价格昂贵,使该工具的普及应用受到一定的限制。

2.2 移动式导盲机器人

导盲机器人属于服务型机器人范畴,是为视觉障碍者或盲人提供环境导引的辅助工具,通过多种传感器对周围环境进行探测,将探测的环境信息反馈给用户,以便用来弥补他们视觉信息的缺失。移动式导盲机器人作为新生的计算机控制领域中的最年轻一代,国内外不少专家和实验室致力于从事该方面的研究工作。

真正意义的机器人是1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人,从80年代开始,机器人的一些应用逐步从工业上扩展到了服务行业。随着90年代机器人定位和避障功能的大幅提升,为机器人应用到盲人导航领域打下坚实基础。1994年美国密西根大学机器人实验室研发成功的辅助性轮椅导航系统Nav Chair[15]。它将电动轮椅与智能机器人技术集成应用,可以进行自主导航,由传感器检测并能有效避开障碍物。2003年美国匹兹堡大学的Rentschler[16]等人研制出一款行动辅助装置VA-PAMAID(Veterans Affairs Personal Adaptive Mobility Aid),利用其前方和两侧的安装的超声传感器,对前方和两侧的环境进行探测。由于装置的上方有两个类似自行车把的扶手,盲人在使用的过程中能够保持较高的稳定性。但是该装置体积较大,使用起来多有不便。2004年日本山梨大学研制了一种智能手推车ROTA(Robotic Travel Aid)[17],该款小车高1m,重60kg,配备视觉传感器和声音传感器,能够识别路标、交通信号灯等,并引导盲人穿过马路,遇到问题会与服务中心取得联系。随着机器人技术和传感器检测定位技术的发展,以及它们的集成使用为盲人带来了新的福音,能够检测障碍物信息并进行有效路径诱导,但这些器具使用起来有众多不便之处(如上下楼梯、体积笨重等)而且造价也相当昂贵,不适合普通消费者。

近年来,人们对机器人的需求转移到为人类生活服务上,为导盲机器人提供了新的契机。2010年K.Yelamarthi等人[18]研制了基于RFID和GPS的智能机器人原型机,可以进行室内外导航,利用超声波和红外进行避障,利用语音和触觉手套进行交互达到导航目的。2011年Chen Feng等[19]进一步对三轮移动机器人研究,利用多自由度机器人力传感器或弹性材料的天线,获取机器人与墙壁或障碍物的相互作用力信息。不受限于光线和环境,能够完成障碍物检测、自我定向、路径规划,对已经存在的方法是一个很好的补充;接着Genci Capi[20]、郝矿荣[21]进一步把日益成熟的图像处理技术和传感器技术集成在智能机器人上,进行深入研究能够有效到达壁障导航目的。逐渐解决了检测台阶、楼梯问题,识别出了交通信号灯、导盲线和障碍物等道路上的常见物体并实时反馈不同路况信息,进行有效的路径导航。在导盲机器人方面,从刚开始的单传感器到多传感器再到图像处理以及RFID和GPS引入和它们的集成使用,从简单、片面性的知道障碍物的位置信息到较为全面的“看到”环境信息,从此盲人眼中的世界不再一直是黑暗无边了。

移动式机器人功能更完善、强大,更加智能化,但是由于它的结构过于复杂,体积、重量一般较大,在坡地、台阶或有障碍物阻挡等复杂地形行走相当困难,并且硬件和开发成本高,不易广泛推广。

2.3 智能手杖类

在众多的导盲辅助工具中,使用最广泛的是白色手杖,在上面集成一组传感器、小型控制计算机等,有的甚至装有导轮移动平台,具有一定智能性。它可以看作将移动机器人的动力系统移除,保留了智能检测部分,便成了人们经常提到的用于盲人导航方面的智能手杖。

自20世纪60年代末,激光、超声等定位技术从技术上推动了手杖智能化的发展。1967年Bolgiano D等[22]把激光传感器集成到手杖上研制了激光导盲手杖。1986年Bo N.Schenkman等[23]把回声定位技术应用到手杖进行物体定位和检测。美国密执安大学移动机器人实验室的科技人员于1995年在NavBelt[7]基础上提出了Guide Cane[24,25]的概念,Guide Cane的外形类似一种立式吸尘器或一台割草机,这种引导手杖由手柄、机架和车轮组成。使用时,用户握住手柄并推动Guide Cane行走。通过手柄上的微型控制杆来设定行走方向。根据超声传感器获得信息,再运用VFH(Vector Field Histogram)技术,由计算机产生周围环境的虚拟信息,通过电机装置控制转向轮的方向,从而进行路径诱导。最初的智能手杖主要智能就在于能够利用某一种或多种传感器检测到障碍物位置,并进行有效地避开障碍物。虽然检测能力有限,但对于当时代的盲人朋友来说,无异于增加了一双眼睛,看到了黑暗中的一线光明。

2000年Dubowsky等人研发的PAMM[26](Personal Aid for Mobility and Monitoring)系统,主要是针对视障者和老年人的行动辅助需求设计的,具有视障者的引导和障碍物的探测功能。2007年J.A.Hesch等[27]研制了便携式盲杖雏形,该设备包括计步器和一个标准白色手杖,集成在拐杖上的激光测距机和一个三轴陀螺仪用来判断手杖姿势,内置在鞋子里的计步器用于计算用户的行走速度。两层扩展卡尔曼滤波(EKF)用于测量和提供用户的姿态和方位判断,可以粗略地进行位置导航。2010年Ye Cang等[28]在手杖上集成包括3D图像传感器单元和用于图像采集和处理的掌上电脑的手持导航设备,利用3D图像传感器获取图像传递给电脑设备,然后进行分析重组三维场景,通过蓝牙耳机以及震动的方式进行避障和路径诱导。Takafumi Lenaga等[29]利用累计网格地图和音梯度技术,在手杖上集成的RFID识别器识别标签,通过GIS数据库检索,达到定位与导航。方仁杰等[30]研制的基于GPS与超声波导盲拐杖,是利用超声波测障、语音提示进行路径诱导达到导盲的目的。从而在只有传感器的基础上,集成图像处理、RFID和GPS等技术,使智能手杖更加智能化、更加人性化。

智能手杖在心理层面上可以给予盲人较大的依赖感与安全感,又能及时地识别周围障碍物并发出警报(声音或震动)信号,同时既轻巧,又便宜,在盲人的手中定会为盲人的生活提供极大的便利。但在使用过程中,需要不停地探测,用户必须经过长期的训练才能够熟练地使用。

2.4 智能导盲系统

进入新世纪,微型计算机和智能终端的快速发展和广泛应用,为导盲系统的新发展提供了软硬件支持,图像处理、RFID和GPS技术日益成熟为其顺利实现提供了技术保证。虽然电子式行进辅具、导盲机器人、智能盲杖等都需要一定的软件系统支持,但它们具有一定的针对性,移植性较差。而对于智能导盲系统来说,智能终端具有大众性,可以批量使用安装,随着技术进一步发展,可以跨平台使用,跨操作系统运行,更具市场潜力。

射频识别RFID技术广泛应用,为一定区域内或固定通道上划上了希望的光源,为盲人的出行提供道路等信息。利用智能终端内置相机、蓝牙、罗盘、计步器等对目标条码进行识别,根据数据库存储对应标签信息,语音提示导航[31]。结合全球卫星定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)技术应用也较为火爆,在智能终端显示有效地图,根据起点、终点位置信息进行规划路径,并在地图上显示预规划路径信息,通过获取当前实时位置及相邻节点位置,进行判断导航[32,33]。2006年J.Coughlan等[34]开发研制了基于诺基亚7610手机导盲系统,利用手机内置照相机对室内预设的带有颜色的目标条码进行识别,通过语音提示进行定位导航。2010年Peng En等人[35]利用内置相机实时获取环境图像信息,通过分析、处理进行障碍物识别,达到避障目的研究。2011年Rayoung Yang等[36]开发了TP3导盲系统,手机集成的GPS、Wi Fi、罗盘判断用户的位置和方向,并与数据库检索信息交互,通过语音读出一定范围内存在的兴趣点以及距离,等待。这一智能导盲系统主要都是以手机内置相机、蓝牙、罗盘、计步器等以及集成RFID和GPS技术基础研制,随着智能终端的高端化,能够承受较大存储、多技术集成开发,随之智能导盲系统功能也越愈强大。

该类智能导盲系统开发简单、易于移植、成本低,能人机交互,具有一定的智能性。近年来发展十分迅速,但区域性强、功能不够健全,(如:GPS只适合室外导航;RFID一般用于小范围内或固定的道路上,并且要发费很大的财力物力;避障功能较弱等)有待完善。

2.5 主流产品信息

盲人导航/路径诱导辅具大多还处在实验室阶段的开发和测试中,进入市场的部分主流厂商、产品及价格比较信息如表1所示。

能够帮助行走中的盲人获取道路方向和障碍物位置以及需要注意的路况信息,对导盲设备的功能和外形上一直在不断地改进,更具人性化,更易于盲人用户接受。盲人导航/路径诱导技术的研究与发展,不仅能说明一个社会的经济发展状况,更能体现社会的文明程度,具有非常重要使用价值和现实意义。

3 盲人导航/路径诱导辅具发展趋势

根据盲人导航/路径诱导辅具所具有的功能特点和人机交互方面出发,可以归结为三个阶段,见表2所示。

1)20世纪70年代开始,随着超声波、激光等传感器技术的持续发展,该技术逐步应用到盲人助行领域,并从单一传感器向多传感器类型发展。此阶段的盲人导航/路径诱导辅具工作方式主要类似于警报器,当检测到障碍物等目标时,系统就会以警告信号(振动信号或声音信号或二者集成使用)提示盲人用户,不同传感器类型可以获取不同的障碍物信息,其差异性声音或振动信号来表示不同的障碍物的位置和距离。要想解决盲人独立出行问题,只知道障碍物位置信息是远远不够的,盲人还需要其他更多辅助信息(例如道路等信息)才能安全、自信行走。

2)20世纪90年代中后期,随着电子计算机图像处理技术成熟应用,系统能从环境中获取丰富而全面的环境信息,包括道路信息等,并通过有效的手段把多维度信息显示出来,用户可以“看到”环境信息。

3)进入21世纪后,随着计算机视觉技术和语音识别等技术的快速发展,系统能够帮助用户判断路径方向和障碍物的位置等更全面环境信息,进行有效避障诱导,并能实现双向人机交互,用户向系统提出服务请求,系统智能化地为用户提供各种信息服务。

盲人导航/路径诱导辅具由起初的“警报器”功能,到环境信息可听化,再到近年来更趋向于智能化,无不凝结着世界各国科研人员智慧和血汗,体现了社会对盲人等弱势群体的关心和呵护。盲人导航/路径诱导辅具还处于发展之中,仍有许多技术、辅具功能、硬件结构以及盲人心理问题有待深入研究和探索。目前该类设备有的功能单一,例如,有的只针对红绿灯、斑马线,有的只针对障碍物,有的只在室内有效,有的只在室外导航,不能全方位地满足用户需求;有的结构复杂,价格昂贵,不易一般用户消费;有的使用不便,需长期学习或培训;有的人机交互和紧急事件的安全性考虑不足等等。因此多数还都处在实验室阶段的开发和测试中。从工效学评价和用户心理学角度出发,研制一种结构简单、便携带、易使用、低成本的人性化盲人导航/路径诱导辅具成为当前一个重要的研究问题。

4 结语

在这信息技术时代,每个人有权接触和使用信息,并给人类生活带来极大便利。盲人视力的缺失造成了生活上的诸多不便,世界各国学者和专家一直在努力研究辅助装置来提高盲人生活质量,从简单的超声波、激光等单一传感器到多传感器的集成使用来检测障碍物获取警报信息,再到利用图像处理获取丰富而全面的环境信息,以及近年来人机交互技术的大量引入,可以看出辅助装置正朝着越来越趋向于集成化、智能化、人性化方向发展,已经成为此领域研究的热点所在,相信在不久的将来定会给盲人的生活带来更大的福音。

低视力者及盲人安全前行导航帮手 篇4

目前, 国内盲人行走帮手之一是借助手杖触及障碍物进行探路, 其不足是盲人探路的劳动强度大, 且手杖触及不到的障碍物, 就可能发生危险。盲道, 可盲道自己很“忙”!盲道形同虚设。日本最新研究盲用电子眼, 由于该技术不太成熟, 植入后对人体有伤害。除上述之外, 国内外还有其他导盲装置, 但价格不菲, 不适合大众使用, 始终无法普及。针对以上产品存在的各种问题, “视力障碍者安全前行导航帮手”可有效解决, 下面我将具体介绍一下该产品。

2、产品介绍

“低视力者及盲人安全前行导航帮手”旨在为视力障碍者和老年朋友们服务, 以视力障碍者为主要服务对象, 尤其是盲人朋友们。盲人朋友们作为特殊群体, 社会需要给他们更多的关怀和照顾, 使他们能更好的独立生活。如何安全独立行走是他们最大的问题, 通过对以往盲人导航产品优缺点的总结, 依据盲人朋友们自身的需要, 我们设计了“低视力者及盲人安全前行导航帮手”。

从外部结构看, 本产品包括手杖和绑缚式护膝两部分:手杖是由支撑杆、把手组成, 支撑杆的前方设置有超声波传感器, 把手上分别设置有开关、振动马达、led灯、应急开关、蜂鸣器, 把手内设置控制电路;绑缚式护膝上设置红外传感器及振动马达, 和手杖共用同一控制电路, 也可单独使用控制电路。

左腿绑护膝, 右手持手杖。由于手杖和护膝的前方设置有传感器, 一旦探测到障碍物或者水坑等低洼之处时, 传感器将信号传给控制电路, 使振动马达震动。在夜晚打开Led灯开关, 可以使行人主动为他们让路。当发生紧急状况时按下应急开关, 蜂鸣器发出响声。绝对保证低视力者及盲人安全前行。护膝和手杖也可依据需要单独使用。产品结构图如下:

3、产品说明

经过调查, 我们发现生活在校园里的盲童们, 他们不使用盲杖。刚入学时, 由老师带领熟悉校园环境, 经过3~6天的时间, 他们的脑海中就有了整个校园的地图, 不再需要老师带领, 自理生活。但是如果校园里的路上有石块等新增的障碍物的话, 他们就会被绊倒。遇到下雨天, 坑洼的积水也是常遇到的困境。步入社会的盲人朋友们不会单独出远门, 他们只是独自在自家周围散步, 感受下大自然。而路上停放的自行车等临时障碍物是他们出行遇到的最大的困难。针对以上问题, “视力障碍者及盲人安全前行导航帮手”可满足使用者安心外出, 对于各种障碍物及坑洼之地都会有提示。

本产品在采用低端传感器的情况下依旧可以保持很高的准确性, 性价比高, 试用者很满意。

4、创新点说明

4.1 超声波传感器与红外传感器的配合使用, 全面探知外部环境

测障可选用的传感器很多, 例如超声波传感器, 红外传感器, 光固态CCD图像传感器, 激光雷达传感器等等。超声波传感器在使用中不受光线, 电磁波, 粉尘等因素影响, 加之信息处理简单, 成本低, 速度快, 在避障中应用广泛。红外传感器探测视角小, 方向性强, 测量精度高, 价格便宜, 而且可在夜间工作, 应用也较为广泛。

考虑到超声波传感器存在较大的盲区且受温度影响, 本产品中, 将采取超声波传感器, 温度传感器和红外传感器的组合。利用温度传感器测得温度对超声波测距进行补偿。超声波传感器检测30~100cm范围内的障碍物, 同时使用红外传感器进行30cm范围内的近距离感知。这两种传感器可以互补, 例如有些不反射红外光线的物体 (黑色塑料) 等却能很好的反射超声波, 超声波无法检测到的物体很容易被红外测距传感器检测到。从而保证在使用低端传感器的条件下全面准确的获取外部环境信息, 实现高性价比。

(1) 超声波探测:超声波是一种频率为20KHZ以上的声波, 具有直线传播的能力。通过超声波发射器向某一方向发射超声波, 超声波在介质中传播, 途中碰到被测物体后, 必有反射波反射回来作用于超声波接收器上。这时发射点距被测物反射面之间的距离就可用时间差测距法求得:

其中:C为超声波在介质中的传播速度 (m/s) ;T为从发射超声波到接收到回波的时间差 (s) ;L为待测距离 (m) 。

(2) 超声波测距温度补偿:温度对超声波速度影响非常大, 本文采用了DS18B20进行测温DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器, 温度测量范围是-55~+l25摄氏度, 可编程为9位~12位AD/转换精度, 测温分辨率可达0.0625摄氏度。DS18B20温度传感器外围电路非常简单, 只需在数据线上加一个上拉电阻, 就可以直接将数据线接入单片机中进行数据处理。声速的修正可以采用公式:

其中, C为超声波在介质中的传播速度, T为测距环境下的温度。

(3) 红外探测:传感器的红外发光管发出红外光, 光敏接收管接收前方障碍物的反射光。接收管接收的光强随反射物体的距离而变化, 据此判断前方是否有障碍物并依据反射光的强弱判断障碍物的距离。红外传感器提供模拟量输出, 输出值和距离的关系是一种非线性关系。经过试验选择需要的距离范围。

4.2 产品低功耗设计

随着现代电子技术的飞速发展, 电子产品的低功耗设计越来越受人们的重视。本产品从低电压设计, 低电流设计, 相应的软硬件设计, 充分利用现有资源来实现低功耗。

超声波发射和接收的驱动电路, 红外发射和接收的驱动电路多采用的是CMOS电路。所以将有些TTL电路替换成CMOS电路, 考虑到两者的差异是:CMOS电路功耗比TTL电路功耗低的多, 一般为10uw级, 而TTL电路一般10mw级;CMOS电路工作电压范围宽, 而T T L电路一般为固定的5 v;C M O S电路使用频率小, 一般为10MHz, 而TTL电路一般为40MHz。可见, CMOS电路具有功耗低, 抗干扰性好, 工作电压范围宽等优点, 最主要的就是可以满足低功耗设计要求。CMOS电路的功耗特性为:P=Pd+Pa

其中:总功耗P, 静态功耗Pd=Vdd*Idd,

动态功耗Pa=Vdd*Itc+Vdd*Vdd*RfCl

从公式看出, 影响C M O S电路功耗的主要原因为电源电压Vdd, 工作频率f及Cl充放电电容, 而且动态功耗Pa要远远大于静态功耗Pd。驱动电路中对未用管脚要么接到Vcc要么接到GND上, 避免未用管脚悬空造成不必要的动态损耗。

温度传感器采用DS18B20模块, 效率高、功耗低、体积小、可靠性高。采用高集成度的专用器件可降低功耗。

“低视力者及盲人导航帮手”采用PIC16F676单片机, 该单片机是CHMOS工艺的单片机, 既满足低功耗又可满足高集成、高速度的要求。正常是工作电压范围2V~5.5V, 由于降低工作电压可同时减小静态损耗和动态损耗, 本产品采用5V工作电压。

下面将对本产品的电流消耗做一个计算, 以保证方案的可行性。

系统电源采用5V设计。单片机选用Microchip公司的低功耗的PIC16F676单片机可工作在2V到5.5V范围内工作;红外传感器Sharp gp2d12可在4.5V到5.5V之间工作, 功耗低。温度传感器采用DS18B20, 其工作电压在3.5到5.5V。同时, 系统中耗能较大的其他部件的电源是可关断的, 例如:红外传感器和超声波传感器, 在不需要工作时将其电源切断。在软件设计环节, 也充分实现了低功耗。程序中延时子程序用定时中断来实现, A/D转换程序, 启动转换后进入外部中断的待机方式, 有转换结束中断信号唤醒CPU。系统电源采用一节普通的7号电池, 考虑到系统在使用中可能有比较大的电流出现, 所以电池必须采用碱性电池。电源转换采用的MAXIM公司的MAX856芯片。电能消耗的计算如下:

休眠时电流消耗情况如表1所示。计算时注意:由于5V电源是从电池的1.5V转化而来, 所以除电源芯片外的其他芯片的电源消耗要乘以5再除以1.5才能折算到电源端。

一节7号碱性电池的容量大约是300mAh, 所以按以上的电流消耗就可以算出在休眠状态下可以使用的时间为:0.3/ (45*10^-6) =6666.7 (小时) =277.8 (天) =9.3 (月)

所以在60天的使用期内, 休眠状态会用掉电池容量的21.5%, 而留给正常使用的电池容量约有78.5%。

在正常使用时产品的电流消耗计算如下表所示, 计算时注意:由于5V电源是从电池的1.5V转换而来的, 所以除电源芯片以外的其他芯片的电源消耗要乘以5再除以1.5才能折算到电源端。导航器工作时各器件电流消耗如下表:

即使加上其他的未知因数的电流消耗, 也应该可以保证本系统的电源设计是可行的。

在软件设计环节, 也充分实现了低功耗。程序中延时子程序用定时中断来实现, A/D转换程序, 启动转换后进入外部中断的待机方式, 由转换结束中断信号唤醒CPU。

5、结语

本产品在使用低端传感器的条件下保证了很高的准确性, 功耗低, 性价比高, 还可依据使用者自身需要灵活应用:如生活在学校里的孩子们可以只使用绑缚式护膝结构, 简单方便;生活在社会上的使用者们可选择拐杖结构或者配合绑缚式护膝结构使用, 安全可靠。本产品在比赛中获得好评, 并已申请专利。

摘要：全世界共有盲人4000万～4500万, 低视力者是盲人的3倍, 约1.4亿人, 我国每年新增45万盲人和135万低视力者, 对于这些特殊群体, 如何安全外出是最大的问题。针对此问题, 本文简单介绍了已有的几种解决方案, 并介绍了“低视力者及盲人安全前行导航帮手”的特点以及创新点。

关键词：单片机,超声波传感器,红外传感器,导盲,低功耗

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[11]陈永甫.红外探测与控制电路[J].人民邮电出版社, 2004.

盲人导航 篇5

大多数盲人其实还残存着一些有限的视觉功能, 他们可以觉察到光和运动, 但一直未曾有合适的技术来利用并增强这些能力。现在, 牛津大学的科学家们研发的这套复杂眼镜, 能使用照相机和软件来探测物体并将物体显示在眼镜的镜片上。

这款智能眼镜的工作原理如下:位于眼镜拐角处的两个小型照相机会像人眼一样, 拍下两张不同的图像。随后, 眼镜将照相机提供的信息显示在镜片上透明的LED显示屏上, 因此, 戴眼镜的人能够看见增强版的图像。眼镜上的一套听筒会将信息翻译成语音, 为佩戴眼镜的人指示方向或大声地将信号读出。另外, 这套眼镜也配备有一个指南针、一个GPS以及一个测量眼镜方位的工具。

科学家们希望能研发出相应的软件, 以便提供多种对盲人来说有用的功能。这款眼镜将会使用明亮程度来显示深度;可以依据某人的运动方式来探测到他 (她) 是否在场。另外, 这款眼镜或许也能阅读公交车的位置或数量, 并通过头上的听筒提供GP导航。