可穿戴導盲裝置的研究與實現

田宇 王黨 賈曉強

摘 要：本設計為一款用于盲人導盲的智能語音導盲系統。在外觀部分為用戶設計了可穿戴式的頭部支架和腰帶，在其完美貼合使用者身體的同時，方便了測距傳感器的固定，使信息傳輸更加方便。頭部支架和腰帶上分別搭載激光測距模塊，語音模塊，攝像頭和陀螺儀模塊，可實現避障，圖像識別，語音識別，檢測周圍的危險物體等功能，并通過語音提示的方式告知盲人，切實解決了盲人出行的問題。

關鍵詞：可穿戴式;激光測距;語音提示;圖像識別

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0028-02

0 引言

在現實世界中，我們很少在大街小巷看到盲人的身影，究其根源在哪里？大多數盲人出門需要靠拐杖，盲道的設計為盲人的出行帶來了很多方便，但同時盲人在生活中面臨的問題也很多。第一，盲人屬于弱勢群體，一旦遇到危險便很容易受到傷害;第二，很多盲人是靠腦子記住路線的，一旦他們走錯了路線，就很難再走回家了;第三，盲道確實給盲人提供了很大的方便，但一旦盲道被其他設施占用，盲人便很難繼續前行。我國每年會出現新盲人大約45萬，低視力135萬，即約每分鐘就會出現1個盲人，3個低視力患者。如此龐大的群體給家庭及社會帶來了嚴重的負擔，所以發展盲人輔助出行技術對于提高盲人的自主出行能力、豐富盲人群體的生活、節省社會的運行成本具有非常重要的意義。

現階段市場上的導盲產品多種多樣，如導盲眼鏡Aira[1]，導盲手杖等有各自的不同特點，但同時也存在著自身的不足。對于導盲眼鏡來說，其成本較高，詬病是外界的光源會直接影響到圖像的質量進而影響視覺[2]系統性能;對于導盲杖來說，其成本較低，但存在著測距范圍小，攜帶不方便的特點;我們設計的導盲系統測距精度高，圖像識別更加準確，可通過語音識別自主導航，讓盲人更便捷、更安全的到達目的地，通過算法對深度分析路況進行深度分析并結合語音模塊提醒盲人。

1 總體結構設計

1.1 多源信息采集

信息的獲取途徑主要包括傳感器采集和在線獲取，傳感器采集包括使用陀螺儀采取角度值、攝像頭采集圖像、超聲波雷達測速和激光測距模塊測距。在線采集的方式主要是通過互聯網獲取盲人的位置信息及道路信息，有效地幫助了盲人獲取關鍵性的地理位置，例如家，公廁，公園，十字路口等。

1.2 信息處理

信息處理主要通過微控制器將所收集到距離及角度值的進行取樣，提取有效值，通過算法計算出障礙物的方位及距離，詳細算法見（2.1節），與此同時，攝像頭進行圖像采集，將采集到的圖像信息通過互聯網傳輸至服務器，在服務器搭利用tensorflow[3]搭建識別模型進行圖像的辨別。

1.3 信息傳輸

Zigbee無線傳輸模塊內置無線網絡協議IEEE802.11b.g.n協議及TCP/IP協議棧[4]，可將帽子上激光傳感器測得的數據傳輸至腰帶上放置的微控制器上，保證了數據的及時性和有效性。

微控制器通過TCP協議可以與服務器進行數據的交互。其一，通過信息傳輸系統可將硬件端控制命令發送至盲人手機APP，在其接收到命令后執行語音監聽或置位操作。其二，可將攝像頭采集到的圖像信息通過TCP協議傳輸至服務器，服務器端進行圖像識別后會將識別到的信息傳送至盲人手機。其三，盲人家屬通過家屬APP來實現控制命令的傳輸，可在盲人出門前為盲人提前規劃好路線，進一步保障了盲人出行的安全。

1.4 信息反饋

信息反饋為根據測距、測速及圖像識別所得到的數據加以分析后，產生的語音反饋信息，并通過藍牙耳機為盲人播報。

1.5 整體設計圖（圖1）

2 測距原理

2.1 測距算法模型

裝置主要依靠激光探頭配合攝像頭捕捉人體前方的圖像。將采集得到的圖像用WiFi模塊發送到服務器，進行進一步的圖像識別和處理。然后將關鍵值返回至微處理器。微處理器再將裝置上五個位置的激光傳感器所收集到的數據加入到程序中，對服務器傳回的數據加以修正。最后再根據數據對盲人進行相應的提示和驅動相應的外設。如圖2所示，該裝置一共有5個激光測距傳感器，其中三個位于帽子上，第一個用于檢測前方距離，第二個用于檢測斜下方距離，第三個用于檢測盲人頭頂到地面垂直向下的距離。另外兩個位于腰帶上，分別位于身體的左右兩側，用于檢測左右兩側的距離。

2.2 實驗方案

在帽子上裝好一個陀螺儀用于檢測盲人此時身體的角度，在盲人剛戴上帽子時通過上下擺動頭部，使之剛好在弄一個位置③號激光傳感器的激光射線剛好與地面呈90度，此時記錄人體的身高，以上為測距的初始化過程，之后再一次通過陀螺儀得到角度，通過②號激光傳感器測得斜下方的距離，由數學公式推導可得出恒等式。由此可推測出前方是否有障礙物或有凹陷處。

2.3 外觀設計

如圖3所示，頭戴裝置可以將3個激光測距傳感器之間的角度成為固定值，在盲人佩戴時不會因為身體微動而對測距結果產生影響。同時將陀螺儀和無線傳輸模塊放置在架子內部，達到美化裝置的效果。如圖4所示，腰帶裝置主要由各個模塊組成，這樣設計可使各個模塊按照不同的順序組合，方便在開發和調試過程中改變各個傳感器和器件的位置。模塊與模塊之間是使用軸連接的，具有一定的活動空間，所以整個腰帶都是可以進行彎曲的。這樣就可以使使用者穿戴更加方便和舒適。

3 結語

可穿戴式導盲系統的設計應用了GPS定位，圖像識別，語音導航技術，重點分析了測距算法，并對外觀進了精心的設計，使頭部支架與帽子融為一體，方便了傳感器的固定，腰帶模塊化的設計更加貼合使用者的身體，方便了盲人的佩戴。本設計具有操作簡單，使用方便，佩戴舒適等特點，具有重要的應用價值。

參考文獻

[1] Improvement in Patient-Reported Quality of Life Outcomes in Severely Visually Impaired Individuals Using the Aira Assistive Technology System.[J]. Nguyen Brian J，Kim Yeji，Park Kathryn，Chen Allison J，Chen Scarlett，Van Fossan Donald，Chao Daniel L.Translational vision science & technology，2018（5）.

[2] 楊惠君.視頻圖像的增強與去噪技術研究[D].南京理工大學，2011.

[3] 王一超，韋建文.基于高性能計算機平臺的TensorFlow應用探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：125-128.

[4] 孫小麗，曹新偉，馬皓誠，王瑞，吳樂天，喻晨，劉霞，史慧鋒.基于ZigBee的無線傳感器組網技術研究與應用探討[J].數字通信世界.2017（09）：102-103.