基于北斗和GIS云的智能導盲系統

師晨輝

摘 要：隨著第三代北斗衛星的升空，我國已進入了北斗衛星系統全球組網階段，北斗定位技術在全社會已有廣泛的應用。由于社會的快速發展，盲人外出的路況也變得更加復雜，同時網絡技術與GIS技術發展勢頭越發強勁，因此有必要為盲人群體開發一套全新的導盲系統。該導盲系統基于北斗衛星定位系統，但與傳統的導盲儀不同，該系統采用后臺GIS云服務器和前端導盲儀的整體結構以及雙向通訊方式，同時結合地理信息系統和空間大數據，利用人工智能和深度學習算法，使導盲更加精準。

關鍵詞：北斗衛星系統；GIS云；空間大數據；導盲

1引言

中國是全世界盲人最多的國家之一。據我國2010年人口普查統計數據顯示，全國的視力殘疾者一共有1263萬人，盲人約有500萬人[1]。目前，國內外已有部分導盲產品進入市場。例：新西蘭的電子導盲犬、加拿大的聲波拐杖和中國的導盲犬[2]。但盲人的出行仍然受到很大的限制。北斗導航系統（BDS）是我國自主研制的衛星導航系統。隨著技術的發展，北斗導航系統的應用越來越廣泛。GIS分析工具與北斗系統緊密結合，將其應用到導盲領域，可發揮重要作用。

2系統設計

該導盲系統是基于北斗系統和GIS云的嵌入式系統，具有高速度的并行處理能力，由前端導盲儀和后端GIS云服務器構成。系統總體框架如圖1所示。導盲儀為具有導盲功能的電子手環。GIS云服務器由相關人員進行管理，系統以方便盲人行動為目標，考慮盲人這一群體的特征，將系統功能分為四大模塊，包括地圖導航模塊、障礙識別模塊、預警報警模塊和信息模塊[3]。

3 模塊功能實現

3.1 地圖導航模塊

該模塊基于高精細地圖和時空大數據，要求數據的精細程度應達到分米級，以達到對特殊人群用戶進行精準導航的目的。

用戶啟動模塊時應對準麥克風，輸入語音指令（如“開始導航”），導盲儀將指令傳輸給后臺服務器，后臺服務器啟動地圖導航模塊，啟動該模塊的同時障礙識別模塊也一起啟動，以確保用戶的出行安全。此時前端北斗信號接收裝置開始工作來接收北斗定位衛星信號，然后將位置數據傳輸給服務器。

用戶根據語音提示通過語音輸入目的地，服務器接收目的地名在地圖上標注，考慮到盲人出行的特殊性，需要在路徑規劃算法中加入限制條件，如盲人道優先，禁止在機動車道上活動，過馬路時經過斑馬線上等等。服務器根據用戶當前位置和目的地進行路徑規劃，并實時向前端導盲儀傳輸導航報文，導盲儀對報文進行語音合成引導用戶前行，協同障礙識別模塊，盡可能地確保用戶的安全。

當前方即將拐彎時，導盲儀會隔幾秒播報一下離拐彎出的距離，直至用戶開始拐彎。

在即將通過紅綠燈時，服務器根據用戶當前的位置和紅綠燈的位置，在地圖上量測出距紅綠燈的距離，并通過導盲儀進行語音提示?？紤]到紅綠燈有等待的時間，我們可以通過長期的車輛移動大數據來計算出車輛移動的時間和車輛等待的時間，從而得出紅燈的等待時間和綠燈的通行時間以及紅燈變為綠燈的時刻和綠燈變成紅燈的時刻，通過分析該十字路口處實時的車輛移動大數據可以得出車輛的運動狀態，從而得出此刻紅綠燈的狀態。這樣再根據盲人通常情況下通過紅綠燈的時間來判斷是否通過該十字路口。

3.2 障礙識別模塊

本文利用超聲波測距、避障技術對盲人的前方、上方和下方進行障礙識別，可以很好地幫助盲人感知障礙的位置，并實現防踩空。相比其他的測距、避障技術，超聲波的傳播不受磁場、光線和色彩的影響[4]。

超聲波探測器探測的障礙類型包括前方的阻擋物、上方的懸掛物和路面上的深坑，探測范圍為用戶前方5米開角為45度的空間，當其測得該范圍內有障礙時，導盲儀會識別障礙的類型，確定障礙的距離和方位，并將障礙的類型、距離和方位發送給服務器，服務器通過計算將障礙標注在地圖上?？紤]到障礙有一定的形狀大小，服務器以用戶的位置為圓心做一個半徑為2米的緩沖區，緩沖區隨用戶位置的移動而移動，直至用戶通過障礙。服務器根據緩沖區、障礙的位置和障礙的類型生成障礙繞行方案，要求障礙點不能在緩沖區內，服務器將繞行結果返回給導盲儀以進行播報，引導用戶安全通過障礙。服務器將該障礙進行編輯和編碼存儲到數據庫中，以便以后使用。

3.3 預警報警模塊

為使跌倒報警功能不影響盲人的正常動作，選取人體運動的加速度信息和角速度信息作為跌倒狀態的判別依據。加速度信息可以通過三軸加速度傳感器測定，角速度信息可以通過雙軸陀螺儀測定。

當盲人正常行走時，加速度呈周期性變化，但發生跌倒時，加速度和俯仰角都會發生明顯的變化。經一些學者的相關研究證明，人體無論朝向哪個方向發生跌倒，加速度和俯仰角都會有較大范圍的變化[5]。導盲儀檢測到盲人摔倒后，會以語音提示“檢測到您已摔倒，是否將您摔倒的時間和位置發送給家人”，導盲手環上有終止信息發送的按鍵，若用戶在一分鐘以內按此鍵，說明用戶摔倒后無大事，否則說明用戶摔傷嚴重，導盲手環會自動以鳴笛的形式發出求助信號，并通過內置的通訊卡，將盲人摔倒的時間和位置信息以短信的方式發送給家人。

3.4 盲人信息識別模塊

本文考慮到盲人自身的特殊性，在導盲儀上增加個人信息模塊。該模塊功能由一個二維碼實現。當盲人遇到突發狀況或處于某種危險，無意識的情況下，他人通過掃描導盲儀上面的二維碼可以獲取到盲人的姓名、家庭住址、家人聯系方式等個人信息，進而向盲人提供幫助。

4 結語

本文對設計的導盲系統從系統構成和具備的功能兩個方面進行了闡述，考慮了諸多安全因素。系統將先進的GIS空間分析技術和北斗定位技術應用于解決盲人出行問題，將導盲儀制作成電子手環形式。導盲儀的功能多樣，攜帶方便，性價比高。相信本系統對提升盲人的生活質量和北斗衛星導航系統的應用推廣有著重要的意義和價值。

參考文獻：

[1]廖慶洪，胡婉如，曾維鋆，胡靚，朱莉. 基于GPS技術與智能避障的導盲拐杖研究[J]. 電子技術，2016，45（11）：19-23.

[2]王冠生，鄭江華，瓦哈甫？哈力克，張洋，姚聚慧. 盲人導航/路徑誘導輔具研究與應用綜述[J]. 計算機應用與軟件，2012，29（12）：147-151.

[3]徐絲雨，唐彪. 基于北斗衛星導航系統的電子導盲犬的開發及應用[J]. 數字技術與應用，2017（02）：92-93.

[4]徐躍. 基于超聲波測距的機器人定位與避障[D].齊魯工業大學，2013.

[5] 陳煒，佟麗娜，宋全軍，葛運建. 基于慣性傳感器件的跌倒檢測系統設計[J]. 傳感器與微系統，2010，29（08）：117-119+125.