easy go
——易行（智能導盲杖）

王 浩 胡 浩 王 冉 孔垂宇

（武昌工學院,湖北 武漢430070）

據統計,我國視障人群高達1700 多萬,且年增長率連年上升,由于視力上的缺陷,使得他們在衣食住行等方面非常不方便,尤其是在外出時還會因為視覺障礙引發安全問題。目前,國內外市場上已有許多導盲裝置,能夠在一定程度上解決視障人群的困難,但是從使用情況上來看,其功能單一,價格昂貴。另外,據了解,有一部分視障人群選擇使用導盲犬來幫助其出行,但是由于我國部分地區的交通系統和公共場所對導盲犬的配套措施還不夠完善,使得視障人群的出行依然受到一定的限制。綜上所述,為了使視障人群能夠像普通人一樣自由出行,研究一套便捷的能夠隨拿隨放的智能導盲控制系統尤為重要。

1 背景技術

目前,人機交互技術已經在社會生產生活中得到了廣泛的應用,各種各樣的人機交互裝置,人機交互界面不斷被研制出來并應用到人們日常生活當中。隨著智能語音的發展,智能語音交互打破了傳統的繁瑣輸入和輸出,極大的簡化了交互方式,在各個領域得到了廣泛的應用?，F階段的智能盲杖由于操作按鍵過于繁瑣、功能單一等因素影響著用戶體驗感,在使用的過程中安全性與舒適性不夠,不利于用戶體驗。

2 研究思路

本團隊綜合了目前先進的物聯網及嵌入式技術,提出一套智能導盲杖控制系統。該系統的核心技術是障礙物檢測,通過多個攝像頭以及超聲波傳感器來對周圍的各種障礙物進行測距,再將感知數據傳輸到微處理器模塊,經過微處理器的數據判斷后通過語音播報系統向用戶發出提示,以此來躲避障礙物。此外還添加有GPS定位及通訊模塊,以此來防止意外走失以及進行緊急求助。智能導盲杖的應用可以使視障人群在任何場景都能夠迅速準確的感知周圍環境,并獨立、安全的出行。分析當前視障人群的生活現狀,闡述智能導盲手杖對其生活及精神文明的重要性,并就相關概念進行系統的概述,根據視障人群的特性,分析智能導盲手杖的可行性。研究課程是面對視障人群,因此相應的交互設備應更加精簡安全,以此來更好的保障他們出行安全,給予他們真正的便利生活。本團隊研發的智能導盲杖系統整體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統整體設計

各組成模塊的功能如下：

（1）主控模塊:STM32F 103 作為主控單元,連接各模塊并通過傳感器收集信息加以處理。

（2）傳感數據采集模塊（測距模塊、GPS 導航模塊）

①測距模塊

a.HC-SR04 超聲波測距模塊

智能導盲手杖需要對環境適應性強和測量精確高,采用HC-SR04 超聲波測距模塊能夠解決環境和精確問題。

b.陀螺儀、磁力計模塊：MPU6050、HMC5883

采用多個傳感器,不需要改變傳感器的方向,多個方向上的傳感器協同工作,通過陀螺儀與磁力計的共同作用來確定障礙物的方向與距離。

②GPS 定位模塊

定位模塊的主要作用是通過實時跟蹤和記載視障人群的活動軌跡,在遇到緊急情況下,向智能家居聯動系統發送當前的位置信息,并通過短信的方式通知家人,以求得家人的幫助。這樣可以使他們在第一時間受到救助,避免受到二次傷害。

（3）語音播報模塊

避障模式下,當前方出現障礙物時,系統先計算出距離障礙物的遠近,當小于設定值時其內部的振動系統開始振動報警,并播報提前錄制好的語音,例如：“前方有障礙物,請小心前行?！?/p>

（4）視障人群智能家居系統聯動模塊

在外靠“easy go——易行（智能導盲杖）”,在家靠“智能家居系統”。智能導盲杖通過GPS 定位模塊記錄一天的行程數據,并將行程數據發送到智能家居后臺,同時智能家居系統通過網關模塊和控制模塊,自動識別智能導盲杖并接收數據,兩者共同構成一套完備的聯動系統,實現對視障人群行程的實時監測。在緊急情況下,智能導盲杖還可以通過短信的方式,將緊急信號發送至親人的手機上,形成一套緊急救助系統。

3 擬解決的關鍵問題

本設備面向的對象是視力障礙的人群,首先要考慮的是安全問題,如何保障他們的行走安全是一個重點,對于靜態的物體容易識別并發出告警,但是對于動態的物體,例如汽車、寵物等如何去識別將是此次課題著重解決的地方；其次是便捷,智能導盲手杖不能設置太多按鍵,整體的設計要以方便實用為主,方便視障人群使用。

3.1 安全保障

3.1.1 障礙識別、語音告警：通過超聲波、紅外線等設備,感應手杖與物體之間的距離,快接近障礙物時,語音提示：“前方有障礙物請小心前行”。

3.1.2 SOS 緊急按鍵：出現緊急情況時用戶可以聯系手杖內綁定的緊急聯系人。

3.2 便捷操作

導盲手杖不能設置太多按鍵,防止用戶在使用時出現誤觸等錯誤操作,影響到用戶的使用體驗。從便捷的思考點出發,全面的簡化按鍵,并支持語音交互。

3.2.1 整體兩按鍵

一鍵開關和一鍵報警,設置兩個物理按鍵就可以滿足手杖的使用需求,其他的功能都將通過語音交互來完成。

3.2.2 防止虛假報警（誤觸自檢）

一鍵報警功能要有誤觸自檢的功能,即使被輕微觸碰時,設備也有可能發出虛假呼叫或向報警中心發送虛假報警信息。

3.2.3 長時間運行、耐用性

很多視障人群不敢學習如何使用設備,因為他們擔心損壞設備,所以手杖應該能夠承受頻繁操作或意外摔落等情況發生。這些設備的電池應具備使用壽命長,體積小容量大的特性,同時還應具備提示充電或者提示更換電池功能,這樣視障人群的親屬可以提前解決。

4 技術方案

導盲杖主體、可實現智能語音交互功能的智能調控裝置、可根據不同路面環境選擇觸地端頭的觸地支撐裝置,所述導盲杖主體包括桿身、可拆卸在桿身下端的桿底、可拆卸在桿身上端的把手,所述桿身內部設有空腔,桿身上、下端內側設有內螺紋,桿身下端外表面設有環形的移動滑道?？刹鹦栋咽志植吭O計如圖2 所示。

圖2 智能導盲杖把手局部設計圖

所述智能調控裝置設置在桿身內,包括負責接收傳感器信息加以處理的微控器、可處理用戶當前位置信息及目的地導航路線的GPS 傳感器、可將信息通過語音提示反饋用戶的語音交互裝置、探測用戶前方障礙物并進行反饋距離的超聲波傳感器,所述超聲波傳感器嵌入在空腔內,超聲波傳感器的超聲波探頭呈一定角度安裝在桿身下端兩側,探測周圍地面二維環境,所述GPS 傳感器、微控器與語音交互裝置設置在空腔內,超聲波傳感器、GPS 傳感器分別電性連接微控器的輸入端,微控器的輸出端與語音交互裝置電性連接；所述觸地支撐裝置包括用于支撐在地面上的支撐腳、滑動軸承、用于帶動滑動軸承上下滑動的直線電機、繼電器,所述直線電機設置在移動滑道上,滑動軸承設置在直線電機上,且滑動軸承與移動滑道活動套合,所述支撐腳設置在滑動軸承上,繼電器設置在空腔內,直線電機與微控器、繼電器的輸出端電性連接；工作時,超聲波傳感器探測道路上障礙物與地面環境的情況,實現語音提示及觸地支撐腳的選擇。觸地支撐裝置局部設計如圖3 所示。

圖3 觸地支撐裝置局部設計圖

5 結論

easy go——易行（智能導盲杖）具有GPS 定位、語音播報、危險預警、視障人群智能家居系統聯動、緊急報警等功能,可以保障視障人群出行安全,實現視障人群能夠像普通人一樣自由出行,視障人群的親人或者社區服務人員可以登錄客戶端實時查看其出行記錄,保障他們的出行安全。