基于智能傳感交互的障礙探測(cè)盲杖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張贏 郭晗 許夢(mèng)余 王圓 陳雪玲

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.012

摘? 要：現(xiàn)如今，盲人出行這一問(wèn)題的國(guó)民關(guān)注度日益提高，文章對(duì)如何幫助盲人群體解決出行障礙的難題進(jìn)行研究。借助基礎(chǔ)導(dǎo)盲杖結(jié)合超聲波傳感器和紅外線傳感設(shè)備的一款便攜實(shí)用的智能探測(cè)器，精準(zhǔn)地為盲人指導(dǎo)路線，在核心技術(shù)芯片上錄入人文數(shù)據(jù)庫(kù)，增加紅外線掃描識(shí)別系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)，智能規(guī)劃路線，連接藍(lán)牙設(shè)備將信息傳遞給使用者，從而更大程度上保證盲人群體的出行安全，使其獲得良好的生活體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：視障人群;智能交互;紅外線掃描識(shí)別系統(tǒng);智能探測(cè)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0042-04

Design and Implentmentation of Obstacle Detection Blind Stick Based on?Intelligent Sensing Interaction

ZHANG Ying，GUO Han，XU Mengyu，WANG Yuan，CHEN Xueling

（Qingdao Huanghai University，Qingdao? 266427，China）

Abstract：Nowadays，the problem of blind people's travel has attracted increasing national attention. This paper studies the difficult problem that how to help blind group to solve the travel obstacle. A portable and practical intelligent detector based on the basic blind guide stick and combined with ultrasonic sensor and infrared sensing equipment is used to accurately guide route for the blind，input the humanistic database on the core technology chip，add the infrared scanning recognition system and navigation system，intelligently plan the route，transmit the information to the user by connecting bluetooth device，so as to ensure the travel safety of the blind group to a greater extent，and make them get a good life experience.

Keywords：vision-impaired people;intelligent interaction;infrared scanning recognition system;intelligent detector

0? 引? 言

盲人是我們生活中的一個(gè)特殊群體，國(guó)家權(quán)威部門(mén)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)是世界盲人最多的國(guó)家，約有500萬(wàn)，占世界盲人口的18%，不僅如此，生活中我們身邊還有很多低視力人群。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前世界的低視力人群總數(shù)大約為1.5億人，是世界盲人數(shù)目的3倍。而在我國(guó)，有視力殘疾問(wèn)題的人群約為1 300萬(wàn)人，在這1 300萬(wàn)人中有500萬(wàn)是盲人。社會(huì)對(duì)這一群體的關(guān)注度逐步提高。如何幫助盲人群體解決出行障礙問(wèn)題，是目前我們迫切需要解決的。

由智能探測(cè)設(shè)備組裝的智能導(dǎo)盲杖具有GPS定位（用于連接導(dǎo)航系統(tǒng)以及保障盲人出行的安全性）、紅外線識(shí)別功能、HC-SR04超聲波模塊、藍(lán)牙耳返以及緊急報(bào)警等一系列組件。障礙識(shí)別的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)超聲波傳感器和紅外線等設(shè)備，感應(yīng)手杖和物體之間的距離，在安全距離（4米）之內(nèi)就開(kāi)始發(fā)出類(lèi)似于“前方有障礙物，請(qǐng)小心繞道而行”的語(yǔ)音提示，實(shí)現(xiàn)視障人群亦能像普通人一樣自由出行的設(shè)想。使用者可以在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)立親屬關(guān)系，允許親屬實(shí)時(shí)獲取使用者的定位，并可以查看使用者的出行記錄，保障他們的出行安全。現(xiàn)階段，我們的所有設(shè)想研發(fā)的技術(shù)已具備相關(guān)的原理支持，并且設(shè)計(jì)出了外觀圖和局部框架圖。本款產(chǎn)品以保障使用者出行安全為主，以“危險(xiǎn)預(yù)警”為輔，主打其方便實(shí)用的特性，降低使用煩瑣度，提高用戶(hù)體驗(yàn)感。

1? 設(shè)備與技術(shù)

1.1? 設(shè)備

在障礙探測(cè)器的基礎(chǔ)上打造成導(dǎo)盲杖，其材料主要是碳纖維，該材質(zhì)輕薄且性能較好，適合盲人出行攜帶使用。該盲杖可搭配藍(lán)牙耳機(jī)使用，在盲杖內(nèi)部裝有微型攝像頭、紅外線測(cè)距模塊、超聲波傳感器、連接導(dǎo)航系統(tǒng)，以及并非我們研究的定位芯片、數(shù)據(jù)庫(kù)芯片、藍(lán)牙芯片、ISD142語(yǔ)言報(bào)警系統(tǒng)、微電腦模塊等搭建而成，通過(guò)模擬仿真理論上能達(dá)到預(yù)期功能效果。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1? 可環(huán)視攝像頭

可90°立體翻轉(zhuǎn)的微型攝像頭，主要的功能有掃描與測(cè)距，在障礙探測(cè)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)路況檢測(cè)，實(shí)時(shí)抓拍發(fā)送給家人。

1.1.2? 開(kāi)關(guān)設(shè)置

防觸碰開(kāi)關(guān)，長(zhǎng)按三秒開(kāi)啟或關(guān)閉，并外放語(yǔ)音播報(bào)提醒使用者，設(shè)備開(kāi)啟后開(kāi)始自動(dòng)探測(cè)前方障礙物。

1.1.3? 主要控制臺(tái)

有兩個(gè)功能按鍵，以下功能都是輔助功能，市面上已有相關(guān)成熟技術(shù)，研究時(shí)間有限并未深入研究。一個(gè)是菜單鍵，主要可切換撥打電話(huà)、拍攝發(fā)送圖片、導(dǎo)航（僅限于數(shù)據(jù)庫(kù)錄入的相關(guān)地點(diǎn)），另一個(gè)是選擇對(duì)象，先選擇功能再選擇相應(yīng)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)里的對(duì)象。

1.1.4? 揚(yáng)聲器

揚(yáng)聲器的主要功能為在檢測(cè)到障礙物時(shí)發(fā)出報(bào)警、開(kāi)關(guān)提示音以及在遇到危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出大于90分貝的求救信號(hào)。內(nèi)部框架主要有數(shù)據(jù)庫(kù)芯片、藍(lán)牙芯片、CPU芯片、緊急呼救。內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要有四個(gè)相關(guān)芯片，技術(shù)均已成熟。

1.1.5? 數(shù)據(jù)庫(kù)芯片

主要建立一個(gè)記憶型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)使用者多次出行路線的路徑以及路況進(jìn)行記憶，以便智能的計(jì)算出下一次到達(dá)該目的地的最便捷、最安全的方式。該數(shù)據(jù)庫(kù)采用分布式多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為三部分，首先在B/S三層邏輯架構(gòu)模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，然后進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括集成芯片、傳輸設(shè)備和儲(chǔ)存設(shè)備，最后設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件運(yùn)行邏輯，即系統(tǒng)軟件^[1]。我們采用該系統(tǒng)軟件根據(jù)智能導(dǎo)盲杖數(shù)據(jù)庫(kù)的需求進(jìn)行改造。

1.1.6? 芯片簡(jiǎn)介

芯片搭載的處理器，是整個(gè)拐杖設(shè)計(jì)的處理中心，能夠及時(shí)地處理和反饋感應(yīng)裝置所感應(yīng)到的一切信息并進(jìn)行反饋。

藍(lán)牙芯片，用于連接耳返;CPU芯片，選用STC89C516單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)GPS定位功能，以及微電腦模型可以對(duì)拐杖的基本功能進(jìn)行編譯。

緊急呼救系統(tǒng)是基于Android系統(tǒng)的緊急呼叫改編的。

藍(lán)牙耳返：藍(lán)牙設(shè)備主要與智能導(dǎo)盲杖設(shè)備搭配使用。通過(guò)芯片控制以及藍(lán)牙傳輸裝置能夠使使用者及時(shí)的接收到盲杖所反饋的各種信息，并能夠及時(shí)地做出相應(yīng)的預(yù)判，一般的有線藍(lán)牙耳機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

1.2? 技術(shù)

我們團(tuán)隊(duì)綜合了目前較為先進(jìn)的萬(wàn)物互聯(lián)以及嵌入式技術(shù)，提出了一套較為完整的智能導(dǎo)盲杖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。智能導(dǎo)盲杖控制系統(tǒng)的核心技術(shù)是障礙物的檢測(cè)，通過(guò)立體可旋轉(zhuǎn)攝像頭以及紅外線傳感系統(tǒng)對(duì)來(lái)自周?chē)母鞣N障礙物進(jìn)行檢測(cè)以及測(cè)距，再將感知到的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理芯片，通過(guò)CPU芯片的處理以及數(shù)據(jù)分析判斷后再通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備向使用者發(fā)出語(yǔ)音播報(bào)提示，以此來(lái)引導(dǎo)使用者對(duì)障礙物進(jìn)行躲避。在此基礎(chǔ)之上，我們還添加了GPS定位系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，用來(lái)應(yīng)對(duì)使用者發(fā)生的意外事故，以此來(lái)進(jìn)行緊急求助。

同時(shí)視障人群在智能導(dǎo)盲杖使用的大多數(shù)的場(chǎng)景中都能夠迅速準(zhǔn)確地感知周?chē)拔ｋU(xiǎn)”環(huán)境，并能夠做到獨(dú)立、安全的出行。調(diào)查與分析當(dāng)前視障人群的生活狀況，給智能導(dǎo)盲手杖提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為視障人群生活及出行等重要需求提供幫助。本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的智能導(dǎo)盲杖系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

本款智能導(dǎo)盲杖系統(tǒng)選用的是STC89C516來(lái)作為核心控制器，嵌入式微控制器STC89C516單片機(jī)采用的是完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)的指令代碼，內(nèi)部集成主要有MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，還有多個(gè)定時(shí)器和外部中斷端口。STC89C516單片機(jī)通過(guò)系統(tǒng)可編程的特性可以連接PC端控制程序進(jìn)行功能編程并導(dǎo)入控制程序。Keil uVision4軟件來(lái)編寫(xiě)導(dǎo)入智能導(dǎo)盲杖的控制程序、從而使軟件可以進(jìn)行程序的編寫(xiě)﹑編譯和修改，能夠通過(guò)數(shù)據(jù)線連接單片機(jī)和PC端來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的運(yùn)行情況^[2]。智能的單片機(jī)使智能導(dǎo)盲杖能更快地做出處理，保障盲人的安全。

超聲波傳感器是超聲波探測(cè)器中的關(guān)鍵器件，所以我們選用超聲波傳感器來(lái)作為智能導(dǎo)盲杖的障礙探測(cè)器的主要部件，利用它們可以實(shí)現(xiàn)電能與聲能的能量轉(zhuǎn)換特質(zhì)。我們主要是采用HC-SR04超聲波模塊，具體電路圖如圖4所示。

但其中，超聲波測(cè)距性?xún)r(jià)比高，信息處理簡(jiǎn)單，但超聲波傳感因存在測(cè)量盲區(qū)問(wèn)題，測(cè)距范圍一般在20～300 cm之間，方向定位精度比價(jià)差，同時(shí)波束發(fā)散嚴(yán)重，但紅外傳感具有定向精度高，光束發(fā)散小，響應(yīng)速度迅速的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)結(jié)合紅外傳感有效消除超聲傳感0～20 cm檢測(cè)盲區(qū)，高效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的測(cè)量和采集，完成距離精確檢測(cè)^[3]。

超聲波避障能夠有效地識(shí)別前方腿部以上不固定地面的障礙物，GPS導(dǎo)航幫助盲人識(shí)別路線，使其安全回家，考慮到盲人外出受到不定向因素影響而發(fā)生意外，我們也采用智能語(yǔ)音播報(bào)和緊急警報(bào)提高了盲人外出的安全性^[4]。

2? 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

由于考慮到我們所研發(fā)的產(chǎn)品所針對(duì)的用戶(hù)為視障群體，所以安全問(wèn)題就是我們必須慎重考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。如何保障使用者們的行走安全是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于靜態(tài)的物體我們比較容易解決，可以及時(shí)的識(shí)別并發(fā)出相應(yīng)的告警。但是在實(shí)際出行的過(guò)程當(dāng)中，往往大多數(shù)都是動(dòng)態(tài)的物體，那么對(duì)于動(dòng)態(tài)的物體，例如急速行駛的汽車(chē)、實(shí)時(shí)變化的紅綠燈等等，如何去識(shí)別這些動(dòng)態(tài)的“危險(xiǎn)”便是我們需要著重解決的地方;其次是使用的便捷性，智能導(dǎo)盲手杖不能設(shè)置太多按鍵，整體的設(shè)計(jì)要以方便實(shí)用為主，方便視障人群使用。

2.1? 安全問(wèn)題

通過(guò)超聲波、紅外線傳感設(shè)備對(duì)障礙物進(jìn)行感應(yīng)，在即將接近障礙物時(shí)，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備語(yǔ)音播報(bào)提醒使用者：“前方有障礙物，請(qǐng)繞道而行”。

2.2? 緊急求助系統(tǒng)

我們可以將其緊急聯(lián)系人的聯(lián)系方式提前存儲(chǔ)在記憶芯片中，如發(fā)生緊急情況，觸發(fā)緊急按鈕聯(lián)系監(jiān)護(hù)人，保障出行者的安全。該系統(tǒng)是基于java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，主要部分代碼為：

……

try {

ActivityManagerNative.getDefault（）.stopLock TaskMode（）;

} catch （RemoteException e） {

Slog.w（LOG_TAG， "Failed to stop app pinning"）;

}

if （isInCall（）） {

resumeCall（）;

if （mEmergencyButtonCallback ！= null） {

mEmergencyButtonCallback.onEmergencyButtonClickedWhenInCall（）;

}

……

2.3? 誤觸自檢功能

我們?cè)O(shè)備的求助系統(tǒng)搭載了防誤觸功能，防止使用者在使用過(guò)程中因?yàn)檩p微的觸碰，啟動(dòng)求助系統(tǒng)進(jìn)行求助，造成不必要的擔(dān)心。

2.4? 長(zhǎng)時(shí)間耐用性

很多視障人群擔(dān)心設(shè)備的使用壽命問(wèn)題，所以我們所設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲手杖使用聚烯烴材料，這種材料具有一定的抗摔性，有效地提高手杖的使用壽命。同時(shí)該設(shè)備的電池有使用壽命長(zhǎng)，體積小，容量大的特性，同時(shí)還應(yīng)具備提示充電或者提示更換電池功能，方便其親屬可以提前解決。

2.5? GPS實(shí)時(shí)定位追蹤系統(tǒng)

設(shè)備還搭載了GPS實(shí)時(shí)定位追蹤系統(tǒng)。緊急聯(lián)系人可以通過(guò)手機(jī)設(shè)備，實(shí)施查看使用者的位置，如遇緊急情況，也能夠及時(shí)趕到，避免危險(xiǎn)^[5]。

3? 結(jié)? 論

本文得出主要結(jié)論有：

（1）我們所設(shè)計(jì)的盲人障礙探測(cè)器目前處于理論開(kāi)發(fā)階段只是創(chuàng)新理論，暫時(shí)還沒(méi)有成品可以進(jìn)行更加清晰的功能展示。

（2）文中的盲人智能探測(cè)器主要實(shí)現(xiàn)了探測(cè)障礙裝置，可環(huán)視拍攝、開(kāi)關(guān)（包括防誤觸）設(shè)置、揚(yáng)聲器等一系列的功能幫助使用者避免危險(xiǎn)，核心技術(shù)是選用超聲波HC-SR04型號(hào)的傳感器結(jié)合紅外線技術(shù)提高探測(cè)能力，并通過(guò)音頻（藍(lán)牙、揚(yáng)聲器）進(jìn)行輸出。

（3）我們綜合了目前國(guó)內(nèi)外已有的盲人智能出行工具對(duì)我們產(chǎn)品的發(fā)展前景進(jìn)行預(yù)估，在未來(lái)我們將持續(xù)推進(jìn)該產(chǎn)品的多功能開(kāi)發(fā)和難點(diǎn)的技術(shù)攻關(guān)，例如識(shí)別路口、檢測(cè)紅綠燈等功能，找到相關(guān)企業(yè)對(duì)創(chuàng)業(yè)理論進(jìn)行產(chǎn)品化。

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作者簡(jiǎn)介：張贏（2001.03—），女，漢族，福建建甌人，本科在讀，研究方向：大數(shù)據(jù)技術(shù)。

收稿日期：2021-03-18

基金項(xiàng)目：校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（X202013320100）