智能導(dǎo)盲鞋

山東科技大學(xué) 任曉壯 王藝璇 馬新瑞 蘆國(guó)鵬 楊業(yè)旺

本文主要介紹一種具有語(yǔ)音播報(bào)功能的智能導(dǎo)盲鞋，通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)路面障礙，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)外界溫度，通過(guò)使用文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音芯片將傳感器采集到的信息經(jīng)過(guò)CPU處理后轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音信號(hào)，并使用藍(lán)牙語(yǔ)音傳輸模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸。同時(shí)使用GPS實(shí)時(shí)定位芯片實(shí)現(xiàn)盲人位置監(jiān)測(cè)和路線(xiàn)智能提醒，并根據(jù)盲人出行規(guī)律及時(shí)為盲人規(guī)劃一條安全使用的出行路線(xiàn)。由于蓄電池續(xù)航能力限制了導(dǎo)盲鞋的長(zhǎng)時(shí)間工作，因此，本設(shè)計(jì)使用便于攜帶、便于安裝的微型手搖發(fā)電機(jī)為蓄電池進(jìn)行充電。

在導(dǎo)盲鞋的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲鞋的準(zhǔn)確工作，相關(guān)傳感器也進(jìn)行了調(diào)試和更換。檢測(cè)路面障礙，超聲波是一種非?？煽康臋z測(cè)裝置，本設(shè)計(jì)中選擇常用的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，但是使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)超聲波受溫度變化的影響，不利于導(dǎo)盲鞋的穩(wěn)定運(yùn)行；查資料后，選擇帶有溫度補(bǔ)償?shù)腢S-100超聲波模塊，內(nèi)含看門(mén)狗，工作穩(wěn)定可靠，并且測(cè)試后，超聲波所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有很大改善。選擇語(yǔ)音芯片是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由于市面上語(yǔ)音芯片種類(lèi)繁多并且需要考慮與CPU主控芯片的兼容性，同時(shí)也要與現(xiàn)有的CSR8635立體聲藍(lán)牙音頻模塊有很好的兼容性，經(jīng)過(guò)比較之后選擇了tts語(yǔ)音文本合成模塊，實(shí)現(xiàn)了很高的文本-語(yǔ)音轉(zhuǎn)化效率[1]。GPS芯片主要功能則是實(shí)現(xiàn)定位功能?？紤]到蓄電池續(xù)航能力較低，不利于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲鞋長(zhǎng)時(shí)間在外工作，為了增強(qiáng)續(xù)航能力，保證導(dǎo)盲鞋可以較長(zhǎng)時(shí)間工作，并且在電量不足情況下可以較快增加電池電量，使用外部發(fā)電裝置是必不可少的。由于外界環(huán)境復(fù)雜多變，使用太陽(yáng)能發(fā)電會(huì)受到許多制約，如太陽(yáng)能發(fā)電板需要與太陽(yáng)光照方向垂直，同時(shí)發(fā)電板的尺寸過(guò)小發(fā)電效率低下，發(fā)電板尺寸大些則不容易隨身攜帶，而且在光線(xiàn)不足的環(huán)境下太陽(yáng)能發(fā)電則很可能不會(huì)產(chǎn)生有效發(fā)電電壓，因此，在導(dǎo)盲鞋中運(yùn)用太陽(yáng)能發(fā)電是不明智的選擇。經(jīng)過(guò)查閱資料和實(shí)際比較，本設(shè)計(jì)中采用微型手搖發(fā)電機(jī)，不僅便于攜帶、操作方便，而且發(fā)電效率較高，可以滿(mǎn)足導(dǎo)盲鞋充電的需求。

導(dǎo)盲鞋功能實(shí)現(xiàn)主要依靠測(cè)距模塊、語(yǔ)音模塊、語(yǔ)音傳輸模塊、導(dǎo)航模塊、陀螺儀模塊、溫度傳感器、電源模塊等。導(dǎo)盲鞋超聲波測(cè)距模塊分別安裝鞋的前三角位置，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)超聲波模塊位置、調(diào)試超聲波濾波算法，可以比較全面準(zhǔn)確的檢測(cè)路面障礙，提供更安全的行走信息。陀螺儀安裝于導(dǎo)盲鞋底部正中間，通過(guò)相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)坡道檢測(cè)。電源系統(tǒng)則安裝于鞋后跟上側(cè)，保護(hù)電源的同時(shí)還可以方便對(duì)電源充電。語(yǔ)音模塊和GPS模塊安裝于鞋上部，減少因安裝于鞋內(nèi)造成語(yǔ)音信號(hào)削減。

無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音傳輸模分為兩部分，無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音發(fā)送模塊和無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音接收模塊電源模塊，語(yǔ)音發(fā)送模塊主要和文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音模塊連接并負(fù)責(zé)將語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送出去，而語(yǔ)音接收模塊負(fù)責(zé)接收語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)連接耳機(jī)可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)。導(dǎo)航模塊的實(shí)現(xiàn)主要依靠GPS定位系統(tǒng)，CPU將GPS的定位信息和地圖數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到語(yǔ)音轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。溫度傳感器主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)外界溫度的功能，起到提醒盲人注意外界溫度變化的影響。陀螺儀模塊使用MPU6050芯片，通過(guò)設(shè)定一定的閾值和相對(duì)平衡位置值，根據(jù)角度變化調(diào)節(jié)占空比輸出，并使用電機(jī)轉(zhuǎn)速引起的振動(dòng)強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)坡道檢測(cè)功能。電源模塊主要使用蓄電池為整個(gè)系統(tǒng)供電，并使用電壓保護(hù)電路保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定，同時(shí)使用微型手搖發(fā)電機(jī)作為室外充電來(lái)源。

圖1 語(yǔ)音播報(bào)電路原理圖

導(dǎo)盲鞋坡道檢測(cè)最主要的算法中使用了PID控制算法[2]。PID控制是將偏差的比例（P）積分（I）微分（D）通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。通過(guò)人為引入四個(gè)控制量（a，b，c，d），從而把非線(xiàn)性耦合模型解耦為四個(gè)獨(dú)立的控制通道，導(dǎo)盲鞋坡道檢測(cè)重要依據(jù)反饋實(shí)現(xiàn)占空比自動(dòng)調(diào)節(jié)，與設(shè)定閾值偏差角度越大，則輸出占空比越大，進(jìn)而電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，電機(jī)引起的震動(dòng)越強(qiáng)，坡度越大。但在實(shí)際使用中，本設(shè)計(jì)只用到了比例（P）和微分（D），因此算法中積分（I）直接賦予零，此時(shí)也達(dá)到了預(yù)定效果。

要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲鞋語(yǔ)音提示的功能，必須使用正確操作語(yǔ)音模塊，目前市場(chǎng)上有各種各樣的語(yǔ)音模塊可供使用，經(jīng)過(guò)一系列比較，導(dǎo)盲鞋選擇使用TTS文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音模塊，根據(jù)文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音模塊的原理，與CPU通過(guò)串口收發(fā)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的控制與轉(zhuǎn)碼[3]。經(jīng)查資料，該模塊需結(jié)合單片機(jī)使用，由一系列相關(guān)指令輔助操作，使用算法程序?qū)纹瑱C(jī)處理過(guò)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行播報(bào)。在本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲鞋中，使用語(yǔ)音模塊播報(bào)路面障礙信息、外界溫度、坡道信息和利用GPS規(guī)劃的安全線(xiàn)路及位置信息（見(jiàn)圖1）。

在超聲波模塊檢測(cè)障礙方面，利用深度學(xué)習(xí)算法[4]，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試超聲波采集到的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)盲鞋可以識(shí)別簡(jiǎn)單路面障礙，如墻壁和大樹(shù)、大樹(shù)和電線(xiàn)桿。在GPS定位系統(tǒng)上，同時(shí)使用相關(guān)APP可以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的遠(yuǎn)程監(jiān)控，這樣家人可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)看到盲人當(dāng)前所處位置，更可以快速方便地找到盲人。在GPS相關(guān)算法中，也使用深度學(xué)習(xí)算法，將盲人出行習(xí)慣及出行路線(xiàn)驚醒記憶訓(xùn)練，并根據(jù)這些記錄及實(shí)時(shí)定位實(shí)現(xiàn)為盲人規(guī)劃到達(dá)目的地的安全路線(xiàn)，在很大程度上方便了盲人的出行。所有信息通過(guò)語(yǔ)音功能，并使用耳機(jī)減小外界噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的同時(shí)達(dá)到了信息高效的傳輸。

在設(shè)計(jì)中使用軟件仿真測(cè)試，大大提高了效率。首先使用串口顯示超聲波測(cè)距距離，輸出的PWM波形圖，觀(guān)察不同坡道下PWM大小變化情況。手機(jī)APP軟件驗(yàn)證GPS定位及規(guī)定路線(xiàn)的準(zhǔn)確性，大大程度上減小了實(shí)地檢測(cè)的次數(shù)，同時(shí)APP軟件也為盲人提供了二重安全保障。

導(dǎo)盲鞋在設(shè)計(jì)上還需考慮外形美觀(guān)、穿著舒適、提醒他人等方面的設(shè)計(jì)。外形美觀(guān)、穿著舒適體現(xiàn)了“人性化”，更體現(xiàn)社會(huì)關(guān)愛(ài)殘疾人得主旨。而提醒他人這個(gè)功能是非常重要的，夜間需要有明顯并且容易識(shí)別的標(biāo)識(shí)才會(huì)讓旁人留意到盲人，平時(shí)在路上行走時(shí)也需要相應(yīng)的語(yǔ)音提醒旁人注意盲人，這將會(huì)在很大程度上提高盲人的安全出行系數(shù)。

[1]顧海珍.基于TTS語(yǔ)音模塊的人體感知電子解說(shuō)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2014.

[2]王建明.四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué),2014.

[3]陳芳.具有文本生成功能的智能語(yǔ)音生成系統(tǒng)[J].1997.

[4]胡侯立.深度學(xué)習(xí)算法的原理及應(yīng)用[J].2015.