基于北斗衛星導航系統的電子導盲犬的開發及應用

徐絲雨++唐彪

摘要：目的：為減少盲人出行障礙，幫助盲人在行進過程中的定位及地理狀況的識別，提出了基于北斗衛星導航系統“電子導盲犬”的應用研究。基本原理及思路：利用車載導航儀的工作原理，制作一款眼鏡形式的“電子導盲犬”，包括障礙識別模塊、北斗定位模塊、地圖導航模塊、語音識別模塊、信息存儲模塊。五個功能模塊分別設置于眼鏡架的鏡腿、鼻梁等處。功能實現：障礙識別模塊的功能在于路面障礙物的識別；北斗定位模塊的功能在于實現電子導盲犬的核心功能即盲人行進過程中的測速、定位和授時；地圖導航模塊的功能在于將北斗定位模塊所提供的數據參數用電子地圖進行采集，提供綜合導航及區域路徑規劃；語音識別模塊的功能是將盲人的發音轉變為數據信息，通過電子導盲犬的語音控制系統，來開啟電子導盲犬的啟動、運行、查找目標等；信息存儲模塊的功能用于存儲障礙識別模塊產生的時時數據、路徑錄音產生的大量音頻數據、語音識別產生的聲紋模型數據等等，還包括信息數據刪除功能。預期結果：該“電子導盲犬”設計成眼鏡形狀，方便使用，功能多樣。通過在鏡框兩側加裝微型攝像機，實現了障礙識別功能，方便盲人自由出行。

關鍵詞：電子導盲犬；障礙識別；北斗定位；地圖導航；語音識別；信息存儲

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0092-02

1 前言

北斗衛星導航系統是我國自主研發的全球定位系統。功能包括提供開放服務和授權服務。開放服務即在服務區免費提供測速、定位和授時服務；授權服務即向授權用戶提供更安全的測速、定位、授時和通信服務以及系統信息的完好性[1-3]。目前該系統已成功應用于測繪、電信、漁業、水利、交通運輸、減災救災、森林防火和公共安全等諸多領域，產生了顯著的經濟效益和社會效益[4-5]。該研究利用車載導航儀的工作原理，制作一款眼鏡形式的“電子導盲犬”，通過設置于眼鏡架的鏡腿、鼻梁等處的障礙識別模塊、北斗定位模塊、地圖導航模塊、語音識別模塊、信息存儲模塊等五個功能模塊，方便盲人自由出行。

2 “電子導盲犬”的功能模塊

2.1 障礙識別模塊

本模塊的功能在于路面障礙物的識別，在實際中盲人行走的環境里，區域圖像場景大并伴隨有一些是移動的物體如車輛等，因此要區分圖像的類型。

（1）路面信息數據。在不同的工作環境如白天、黑夜要自動切換到不同工作狀態，在夜間行走時也能夠瞬間識別信號燈、行車線、樹木、隔離帶、地面凹陷、動物、行人和其他障礙物等等。這些路面上的時時信息通過物體識別模塊的運算，進行分析對比得出結論，使盲人在行運中做出及時正確的判斷，如盲人在行走過程中突遇地面凹陷，這時候就要對此障礙物進行運算，如距離盲人的距離，凹陷面積大小，繞行的可行性。

（2）出行方式及路況信息數據采集解決方案。對于盲人出行來說其交通方式主要分為步行和乘坐公共交通二大類，而在步行中尤其重要的是對各種障礙物的識別。這些障礙物代表著不同的數據參數，而電子導盲犬是如何解決時時信息的采集，并對不同數據參數進行準確判斷的呢，我們設想用攝像機或激光雷達的方式進行采集，在眼鏡的鏡腿前端與鏡片接觸的位置安裝二個微型攝像機，采集來自路面盲人行進方向的時時路況信息，并且攝像頭會智能調節焦距及360度上下左右旋轉，例如倒伏的樹木、電線桿、路政施工的基坑，土堆等，都不需要盲人來擺動頭部去增加識別角度，而只要通過攝像頭的智能調節系統就可以達到其所需要的角度和距離。

（3）識別分析、運算。時時路面信息的采集后將通過中值濾波、梯度法銳化后進行邊緣檢測運行處理，然后將背景圖像與目標圖像差分后再進行形態學膨脹、計算最小外接矩形特征后，在分割的基礎上提取選擇需要的特征，同時對某些參數運行測量后，根據測量的相關結果做出分類、識別。這種路面時時信息的采集需快速、及時，這樣對于正在行運中的盲人來說，才會提供一個相對安全的行走環境。

2.2 北斗定位模塊

本模塊利用我國自主研發的全球定位系統即北斗衛星導航系統，來實現電子導盲犬的核心功能即盲人行進過程中的測速、定位和授時。

（1）北斗衛星導航系統。北斗衛星導航系統計劃空間段有35顆衛星組成，包括27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星、5顆靜止軌道衛星。5顆靜止軌道衛星定點位置分別為東經58.75度、80度、110.5度、140度、160度，中地球軌道衛星是運行在3個軌道面上，且軌道面之間為相隔120度均勻分布。

（2）開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供測速、定位和授時服務。授權服務是向授權用戶提供更安全的測速、定位、授時和通信服務以及系統信息的完好性。通過北斗衛星導航系統的衛星網，不斷向地球發射時間及定位信號，使任何一個在地球上的北斗接收機，都會同時接收到其多顆衛星的信號，并通過相關參數數據計算處理后，生成該接收機所處的準確地理位置、運動狀態及時間信息，北斗衛星導航系統將提供準確的電子導盲犬行進過程中的相關地理信息。

2.3 地圖導航模塊

本模塊的功能在于將北斗定位模塊所提供的數據參數用電子地圖進行采集，電子地圖是利用計算機技術，通過數字方式存儲和查閱的地圖。

由于電子導盲犬的特殊使用范圍，也為了最大限度減輕電子導盲犬的重量，決定了其并不帶有電子屏幕，但可以通過個人電腦與其相聯，進而對地圖數據、播報方式等功能升級。本電子地圖使用向量式圖像儲存，地圖比例可旋轉、放大或縮小而不影響顯示效果。

（1）地圖數據編輯。地圖數據編輯就是通過盲人家屬，用個人電腦與電子導盲犬相聯接，在盲人出行的地圖路徑上標注出更加具體的細節元素，臨時出現的障礙物，公交車站的上下車出入口等需要細節提醒的地方，以及在多遠的距離內提醒，提醒幾遍，支持家屬將自己的錄音音頻數據導入替代電子地圖中預先設置的語音提醒，這樣會更加人性化。

（2）路徑錄音功能。家屬也可以通過路徑錄音來添加音頻數據，即家屬攜帶電子導盲犬從啟始點到目的地實際出行一次，途中只要出現需要提醒的事物就按下電子導盲犬的錄音開關，抬起即停止錄音，所生成的錄音數據自動同步關聯位置坐標數據，這樣就可以給盲人出行提供一個更加安全的行走環境。

（3）語音播報方式。電子導盲犬的語音播報方式中是存在優先順序的，障礙識別模塊隨機生成的語音提醒會優先播報，這主要是考慮到路面的變化有一些元素是動態的，其次是根據所處地理位置坐標，播報電子地圖中預先設置的語音提醒或路徑錄音所產生的音頻數據。

（4）查找、路線規劃功能。查找功能用來查找各種場所、各種位置。如查找小區、商場、公園、公交線路等目標。路線規劃功能例如坐公交怎么坐，步行怎么走，選擇什么路線等等能自動生成公交、步行方案或使用默認出行路徑。

2.4 語音識別模塊

本模塊的功能是將盲人的發音轉變為數據信息，通過電子導盲犬的語音控制系統，來開啟電子導盲犬的啟動、運行。本模塊采用聲紋識別技術，所謂聲紋，是用電聲學儀器顯示的攜帶言語信息的聲波頻譜。人類語言的產生是發音器官與人體語言中樞之間一個復雜的生理物理過程，人在講話時的發聲器官舌、牙齒、肺、喉頭、鼻腔在尺寸和形態方面每個人的差異都很大，所以任何兩個人的聲紋圖譜都具有差異性。

（1）原始語音數據處理。先對原始語音進行處理，消除部分噪聲和不同說話人帶來的影響，使處理后的信號更能反映語音的本質特征。最常用的前端處理有端點檢測和語音增強。經過端點檢測后，后續處理就可以只對語音信號進行分析，這對提高語音識別的精確度有著重要作用。語音增強的主要任務就是采用維納濾波方法消除環境噪聲對語音的影響，該方法在噪聲較大的情況下效果好于其它濾波器。

（2）特征提取和模式匹配。通過特征提取即利用聲學特征、詞法特征、韻律特征、語種、方言、口音信息和通道信息等等。進而通過模式匹配即利用隱式馬爾可夫模型方法的語音識別方法連續訓練，使每個盲人的聲紋模型逐個被精確地建立，在語音識別時識別速度快，識別率高。

（3）聲控電子導盲犬。經過對語音識別模塊處理后的數據形成指令，通過電子導盲犬的語音控制系統，來開啟電子導盲犬的啟動、運行。如開機、查找目標、北陵公園、開始導航、下個路口還有多遠、播報聲音小一點、路口用轉彎嗎、還有多遠到、附近有哪些公交線路、是否需要到馬路對面等車、導航結束、關機等等。

2.5 信息存儲模塊

本模塊的功能用于存儲障礙識別模塊產生的時時數據、路徑錄音產生的大量音頻數據、語音識別產生的聲紋模型數據等等。還包括信息數據刪除功能。

（1）時時數據。盲人在行進過程中，會在短時間內產生大量的路面時時信息。在障礙識別模塊中，時時采集到的路面信息數據對于行運中的盲人來說，并不全部是有用的數據，其中有大量的背景數據信息與障礙物數據信息無關，但其數據信息仍需要存儲，并經過分析、運算處理后就會得出障礙物的相關數據，如盲人在行運過程中，前方出現的障礙物距離盲人的距離以及障礙物的名稱播報等，對行運過程中的盲人做出慢走、左轉、右轉等判斷都是十分重要的。

（2）路徑錄音數據。盲人家屬在路徑錄音采樣過程中，會隨機錄制大量的音頻數據，這些音頻數據會隨著盲人的行進路線的位置坐標播報出來，這樣就會給盲人的出行提供了一個更加安全的環境。

（3）語音識別數據。語音識別的產生可以達到對電子導盲犬的聲控操作，但是它需要盲人對電子導盲犬進行多次的語音識別訓練，進而達到一個精準的語音識別級別，而這些都是大量的語音數據通過數據庫慢慢積累的結果。

（4）信息數據刪除。數據信息的存儲必須有存留的空間，而一個大容量的存儲空間是不可或缺的，對于該空間障礙識別模塊產生的時時信息以及錄音路徑數據的清除，前者可以通過數據產生的時間和經過相關的分析、運算處理后，判斷某些數據信息為無效，后者可以通過電子導盲犬與個人電腦聯接后刪除。

3 結語

本作品“電子導盲犬”， 基于北斗衛星導航系統，利用車載導航儀的工作原理，制作成一款眼鏡形式，結構簡單，功能多樣，制作方便。該“電子導盲犬”包含障礙識別、北斗定位、地圖導航、語音識別、信息存儲等五個功能模塊，多模塊化功能從多方面方便盲人出行，幫助盲人在行進過程中的定位及地理狀況的識別，便于盲人使用和時時提示引導，減少出行障礙。該產品集障礙識別與地圖導航功能于一體，地圖導航模塊中附加的地圖數據編輯和路徑錄音功能為盲人出行提供了更加安全的出行條件。通過對“電子導盲犬”的研究，在一定程度上解決了導盲犬數量不足、價格相對較高、在一些場合不方便等問題，在一定程度上解決盲人出行的困難，提高了盲人的生活質量。

參考文獻

[1]劉基余.北斗衛星導航系統的現況與發展[J].遙測遙控，2013，（3）：1-8.

[2]唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述[J].全球定位系統.2013，（5）：47-53.

[3]楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報.2010，（1）：1-6.