隱藏式結(jié)構(gòu)的智能導(dǎo)盲帽產(chǎn)品的設(shè)計與實現(xiàn)

金詩博 張明哲 趙澤辰 李江寧（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350）

0 引言

本產(chǎn)品能夠為盲人出行提供便利和安全保障，實現(xiàn)對障礙的識別和信息提示，同時能夠滿足盲人對導(dǎo)盲產(chǎn)品不易引起外界對自身缺陷過多關(guān)注的心理需求。本文將從用戶需求、實現(xiàn)形式方面，對本作品“一種隱藏式結(jié)構(gòu)智能導(dǎo)盲帽”的設(shè)計思路做分享。

1 本系統(tǒng)研究背景

根據(jù)研究調(diào)查結(jié)果，可以知道每天外出的盲人僅占27%，有55%的盲人表示在出行時無法辨清方向，有34%的盲人擔(dān)心出行的過程中被障礙物撞到。盲人不經(jīng)常出行主要是因為沒有完善的交通系統(tǒng)和友好的導(dǎo)航代步設(shè)備，并且盲道占用率高，利用率低下。盲人們普遍渴望友好的代步工具保護自己不受傷，渴望有一個針對盲人出行的交通系統(tǒng)，渴望引進導(dǎo)盲產(chǎn)品以更好地助行。

盲人的心理需求同樣有以下兩個方面：

一方面，盲人群體因為生活受限渴望來自外界的幫助，當幫助不得時，他們很容易產(chǎn)生忽略感和自卑感；另一方面，盲人希望能夠受到他人的平等對待，希望自己不被孤立，希望自己能夠和正常人一樣參與到社會生活和活動中，特別是需要外界不對自身的缺陷過多的關(guān)注，有尊重和自我實現(xiàn)的需要，所以其對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化、陪伴式的助行設(shè)施的渴望十分強烈。所以，一種隱藏式結(jié)構(gòu)的智能導(dǎo)盲帽能夠很好的滿足盲人使用者的心理需求。

在現(xiàn)實生活中，大多數(shù)的盲人都是通過普通的盲杖來輔助行走，而盲杖作為一根普通的長桿，存在太多的局限與不足。導(dǎo)盲犬雖可以協(xié)助盲人行進，卻存在訓(xùn)練周期長、成本較高的缺點，這也降低了導(dǎo)盲犬的使用性。

2 研究意義

研究該導(dǎo)盲出行產(chǎn)品具有以下重要的意義：第一，盲人因為出行不便難以很好地接觸外面的世界，因此盲人的生活相對于普通人來說較為平淡。諸如盲人導(dǎo)航器等關(guān)于盲人出行的產(chǎn)品能夠運用現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)，方便盲人的出行，增加出行的安全性，同時讓盲人的出行不再乏味，以便利的出行服務(wù)幫助盲人融入當下的智能生活，感受到科技帶給他們的便利，感受到社會給予的關(guān)懷。

第二，盲人與普通人同處于一個社會，但是因為自身缺陷的原因，在很多情況上，盲人遭受著相比于正常人的不平等對待與相處。關(guān)于盲人出行產(chǎn)品的生產(chǎn)與推廣能夠通過社會上更多人對盲人等殘障人士的認識與了解，更好地弘揚、傳播良好、互幫互助的社會風(fēng)貌，促進社會群眾之間的平穩(wěn)發(fā)展與和諧共處。采用隱藏式結(jié)構(gòu)的方法，避免了外界對盲人使用者缺陷的過多關(guān)注，同時有利于消除殘障人士在社會上的不平等對待，使他們能夠更好地步入正常的生活。

第三，盲人出行產(chǎn)品運用近代科技已經(jīng)成熟的圖像識別與傳感技術(shù)，達到低成本高質(zhì)效的效果，并結(jié)合能夠滿足盲人出行的相關(guān)應(yīng)用功能，使功能不再單一。

3 導(dǎo)盲帽的特色與優(yōu)勢

該隱藏式結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲帽和同類產(chǎn)品對比，經(jīng)過分析有以下的優(yōu)勢和特色：

（1）盲人群體因為自身條件的限制，多數(shù)盲人的購買力有限，而同類產(chǎn)品的成本比較高，對于大多數(shù)盲人群體來說價格負擔(dān)較重。

（2）目前同類產(chǎn)品存在一些限制因素，比如說，同類導(dǎo)盲產(chǎn)品在低端型號上，應(yīng)用功能略顯單一。

（3）在外形上，同類產(chǎn)品顯得比較“龐大”或“怪異”，易引起其他人對使用者的缺陷過多關(guān)注，增加盲人用戶的心理負擔(dān)。

所以，本文從以上三點出發(fā)，研究解決方案，設(shè)計了一款智能導(dǎo)盲系統(tǒng)核心模塊，并可以附著在不同的定制帽體上，形成多樣化的模塊隱藏式的智能導(dǎo)盲帽。

4 功能設(shè)計思路

本產(chǎn)品的思路為設(shè)計一款更加人性化、多樣化的盲人導(dǎo)航器產(chǎn)品，來取代功能單一的導(dǎo)盲拐杖和成本高昂的導(dǎo)盲犬，在現(xiàn)實和技術(shù)層面上是可行的。采用GPS模塊、超聲波傳感器以及樹莓派智能終端，結(jié)合軟件技術(shù)，實現(xiàn)圖像場景識別、語音交互提示。盲人使用者只需要佩戴藍牙耳機，同樣可以選配有線耳機，再結(jié)合語音輸入，輸入想要到達目的地，就能快捷、便利、安全地通過耳機收聽GPS導(dǎo)航語音功能抵達目的地。將模塊與外接感知設(shè)備隱藏在定制的帽體結(jié)構(gòu)中，形成一種外觀上與普通帽體無異的導(dǎo)盲產(chǎn)品。

在盲人出行過程中如果有停留、等待的空閑時間，可以使用附加功能，收聽實時播報、音樂，這樣能夠豐富出行。此外，還可以利用網(wǎng)絡(luò)以及App，幫助在盲人和其監(jiān)護人之間建立起一種新型的信息化溝通與交互橋梁，讓盲人的每一次出行更便捷、安全、舒適。

5 技術(shù)原理與設(shè)計

（1）本產(chǎn)品以穿戴帽為載體，樹莓派結(jié)合GPS定位導(dǎo)航和高精度九軸陀螺儀組成的人工智能核心模塊為中心，外部搭載超聲波傳感器，以及攝像頭，高精度高靈敏的識別。同時通過語音播報方式，實現(xiàn)與盲人直接進行快速交互，提示障礙物類別，指引盲人前進避障的方向，幫助盲人到達想要到達的目的地。

（2）樹莓派4B微型電腦搭載陀螺儀、GPS等傳感器組成導(dǎo)盲核心模塊，同時核心模塊含有傳感器和外設(shè)接口，可實現(xiàn)外設(shè)和傳感器的功能選配，結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時本系統(tǒng)模塊采用“云—邊”的雙重方式，可實現(xiàn)視覺三維建立，以及基于為盲人特殊設(shè)計數(shù)據(jù)集下訓(xùn)練，實現(xiàn)道路圖像識別、自主判斷道路危險等級及繞行方案。

圖1 核心模塊結(jié)構(gòu)布局示意圖

（3）上述功能，采用“云”方式為本系統(tǒng)核心模塊通過視頻采集，與自主開發(fā)的后臺程序進行交互，后臺根據(jù)本導(dǎo)盲系統(tǒng)上傳圖像信息，進行識別運算并返回識別結(jié)果，核心模塊通過語音或觸感提示盲人使用者；采用邊緣方式為在網(wǎng)絡(luò)異常時，本導(dǎo)盲帽核心模塊可通過攝像頭進行圖像采集，在導(dǎo)盲帽的樹莓派中，進行圖像識別運算和障礙物信息提示，這樣實現(xiàn)雙重識別保障。同時，在自主開發(fā)的后臺程序中，能夠?qū)崟r接收導(dǎo)盲帽傳來的GPS位置信息，這樣方便盲人的親屬，通過網(wǎng)站或App實時了解盲人的位置信息，為盲人出行提供安全保障。

（4）圖像檢測移動檢測方法，采用色域識別方法，應(yīng)用numpy、opencv等庫進行識別講圖片色域進行分離提取，并用numpy創(chuàng)建矩陣接收并將色域信息轉(zhuǎn)換到hsv色域模型，用opencv庫對圖片進行膨脹和腐蝕操作，將圖片導(dǎo)入高通濾波器提取出對應(yīng)顏色邊框，如果邊框長度＞0，則識別到對應(yīng)顏色。同時對邊框進行排序，選出面積最大的邊框，導(dǎo)入并運算質(zhì)心，將質(zhì)心的坐標存入數(shù)組，對比前后兩張圖片數(shù)組變化即可得知色塊在攝像頭中的運動軌跡。

（5）另外，核心模塊與定制的帽體采用一種隱藏式結(jié)構(gòu)，帽體采用內(nèi)嵌拉鏈與隱藏式夾層的形式，并在放置模塊周圍的地方進行絕緣處理。這樣的方式可實現(xiàn)該導(dǎo)盲帽與普通帽體無異，這樣就不會過多引起盲人使用者的心理負擔(dān)，如圖2所示。

圖2 核心模塊與定制帽體布局圖

6 結(jié)語

本系統(tǒng)能夠避免外界對于盲人使用者自身視力缺陷的過多關(guān)注，在一定程度上能夠增強使用者的體驗感受和心理滿足。同時通過核心導(dǎo)盲模塊的功能，能很好地幫助盲人安全出行，并規(guī)避危險。