一種光伏輔助的智能導(dǎo)盲頭戴設(shè)備

摘要：為改善視障人群的出行安全性和自主性，一種光伏輔助的智能導(dǎo)盲頭戴設(shè)備，集成了光伏輔助供電、障礙物規(guī)避、紅綠燈識(shí)別、智能語(yǔ)音助手及定位功能，旨在通過(guò)智能化手段為視障人士提供全方位的出行支持。本產(chǎn)品的核心創(chuàng)新在于其電源模塊采用光伏技術(shù)，能夠利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電，確保設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，結(jié)合紅外避障與圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)周?chē)h(huán)境中的障礙物和紅綠燈狀態(tài)，并通過(guò)智能語(yǔ)音助手為用戶提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航與提示。此外，內(nèi)置的定位功能可幫助用戶精準(zhǔn)確定位置，進(jìn)一步提升出行的安全性與便捷性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該頭戴設(shè)備在障礙規(guī)避、紅綠燈識(shí)別及定位性能上均優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲；光伏；智能；GPS；頭戴設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）28-0081-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

在全球范圍內(nèi)，視力障礙問(wèn)題嚴(yán)重影響著人們的生活質(zhì)量和社交活動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)視障人士超過(guò)1700萬(wàn)，占全國(guó)殘疾人口的17%，居全球前列。為改善視障人群的出行安全性和自主性，設(shè)計(jì)了一種光伏輔助的智能導(dǎo)盲頭戴設(shè)備，集成了光伏輔助供電、障礙物規(guī)避、紅綠燈識(shí)別、智能語(yǔ)音助手及定位功能，旨在通過(guò)智能化手段為視障人士提供全方位的出行支持[1]。

這款光伏輔助智能導(dǎo)盲頭戴設(shè)備不僅解決了傳統(tǒng)導(dǎo)盲設(shè)備功能單一、續(xù)航不足的問(wèn)題，還通過(guò)智能化設(shè)計(jì)為視障人士提供了更加獨(dú)立、安全的出行體驗(yàn)，助力改善視障人群的生活質(zhì)量，推動(dòng)科技向善、造福社會(huì)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本產(chǎn)品的電源模塊升級(jí)采用光伏技術(shù)，能夠利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電，確保設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，結(jié)合紅外避障與圖像識(shí)別技術(shù)，導(dǎo)盲頭戴設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周?chē)h(huán)境中的障礙物和紅綠燈狀態(tài)，并通過(guò)智能語(yǔ)音助手為用戶提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航與提示，提升視障人士出行的自主性。此外，內(nèi)置的定位功能可幫助用戶精準(zhǔn)確定位置，進(jìn)一步提升出行的安全性與便捷性。

2 單元設(shè)計(jì)

導(dǎo)盲頭戴設(shè)備模型如圖 1和圖 2所示。

2.1 電源模塊

該供電系統(tǒng)采用蓄電池與柔性光伏組件協(xié)同工作模式，其中太陽(yáng)能發(fā)電單元由12片新型全柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒（PSC/CIGS） 疊層電池構(gòu)成。CIGS薄膜太陽(yáng)能電池因其吸光材料CIGS帶隙寬度可調(diào)， 最低可達(dá)1.02 eV左右， 理論上更接近底電池的最優(yōu)值0.96 eV， 比Si（1.12 eV）和窄帶隙的鈣鈦礦（～1.2 eV）更適合用于雙結(jié)疊層結(jié)構(gòu)的底電池. 且CIGS和鈣鈦礦都可以在柔性襯底上制備， 兩者都有較高的抗輻射性， 使得鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層電池具有潛在的柔性、高效、抗輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)[2].該創(chuàng)新型光伏技術(shù)展現(xiàn)出27.3%的顯著光電轉(zhuǎn)換效率，并且在同等標(biāo)稱功率條件下，其實(shí)際發(fā)電能力較傳統(tǒng)晶硅組件可提升約10%，這種性能優(yōu)勢(shì)主要源于材料體系對(duì)入射粒子的低敏感性以及更優(yōu)的光譜響應(yīng)特性。以下是采用COMSOL軟件進(jìn)行的電池組件效率計(jì)算及模擬。

光電轉(zhuǎn)換效率（PCE， Power Conversion Efficiency） 是衡量太陽(yáng)能電池性能的核心指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

[η=PmaxPin×100%=Voc×Isc×FFPin×100%] ，

[FF=PmaxVoc×Isc]" " " （1）

由圖 3和圖 4可知：[Voc=1.112V;Jsc=21.056mA;Vm=1.112V;Isc=5.264E-11A]

[FF=0.799]

得：[η=18.678%]。

2.2 圖像識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)的核心是采用樹(shù)莓派 4代 B 型開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板內(nèi)置了ARM架構(gòu)的微型電腦主板，并搭載了支持多任務(wù)處理和多線程操作的Linux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅兼容Windows 10，還擁有豐富的串口資源，能夠運(yùn)行一些復(fù)雜的程序[3]。通過(guò)TensorFlow訓(xùn)練出一個(gè)圖像分類(lèi)模型，并將其轉(zhuǎn)換為T(mén)ensorFlow Lite模型后上傳至樹(shù)莓派。接著，利用Python代碼加載模型，并執(zhí)行圖像預(yù)處理等關(guān)鍵功能。調(diào)查顯示，盲人在出行時(shí)，識(shí)別紅綠燈和盲道是最主要的難題。鑒于我國(guó)紅綠燈和盲道的布局相對(duì)固定，這為拍攝和識(shí)別提供了便利。本圖像識(shí)別模塊主要針對(duì)盲道和紅綠燈進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 攝像頭

Orbbec Astra Pro Plus 是一款結(jié)構(gòu)光3D攝像頭，其采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)，可提供高精度的深度數(shù)據(jù)，適用于精確的物體識(shí)別、手勢(shì)控制和三維重建。它的深度分辨率較高（如 640×480@30fps） ，適合近距離高精度應(yīng)用。支持 RGB-D（彩色+深度） 數(shù)據(jù)輸出，可同時(shí)獲取深度和彩色圖像。具有低光環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)光技術(shù)不依賴環(huán)境光，在暗光或復(fù)雜光照條件下仍能提供穩(wěn)定的深度數(shù)據(jù)。除了RGB攝像頭，設(shè)備還包含一個(gè)專(zhuān)用的紅外傳感器，用于捕獲紅外圖像，可通過(guò)SDK或軟件切換至僅輸出紅外圖像，用于特殊場(chǎng)景（如避免RGB色彩干擾） 。

2.2.2 圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)

部署經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的TensorFlow Lite模型到樹(shù)莓派之后，可以通過(guò)Python腳本輕松地加載該模型。在樹(shù)莓派的運(yùn)行環(huán)境中，可以靈活地選擇使用其內(nèi)置攝像頭模塊，或者連接外部的高質(zhì)量攝像頭來(lái)捕捉實(shí)時(shí)圖像。Orbbec Astra Pro Plus 的IR（紅外） 攝像頭是一個(gè)關(guān)鍵傳感器，主要用于深度感知和3D視覺(jué)應(yīng)用，也可以采集圖像。以下是IR攝像頭與TensorFlow Lite模型結(jié)合的Python程序。

dev = openni2.Device.open_any（）# 打開(kāi)Orbbec Astra Pro Plus設(shè)備

ir_stream = dev.create_ir_stream（）ir_stream.start（） # 創(chuàng)建IR視頻流

# model = load_model（'your_model.h5'） # 加載TensorFlow模型

model = tf.keras.applications.MobileNetV2（weights='imagenet'）

# 將原始IR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為numpy數(shù)組

def preprocess_ir_image（ir_frame）：

frame_data = ir_frame.get_buffer_as_uint16（）

img = np.frombuffer（frame_data， dtype=np.uint16）

img.shape = （ir_frame.height， ir_frame.width）

img = cv2.normalize（img， None， 0， 255， cv2.NORM_MINMAX， dtype=cv2.CV_8U）# 顯示原始IR圖像

display_img=cv2.normalize（np.frombuffer（ir_frame.get_buffer_as_uint16（），dtyp

e=np.uint16）.reshape（ir_frame.height，ir_frame.width），

None， 0， 255， cv2.NORM_MINMAX， dtype=cv2.CV_8U）

if cv2.waitKey（1） == 27： # 按ESC退出

break

2.2.3 鑒別環(huán)節(jié)

初始步驟是樹(shù)莓派對(duì)拍攝圖片的讀取。然后，樹(shù)莓派將構(gòu)建TensorFlow模型，并運(yùn)用Python算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理完成后，樹(shù)莓派將輸出指令以通知用戶。最終，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)將被傳輸回樹(shù)莓派并進(jìn)行存儲(chǔ)。以下是Python的關(guān)鍵編程：

import cv2

import numpy as np

def main（）：

cam， stream = init_cam（）

model = load_model（）

labels = ['tench'，'goldfish'，'great_white_shark'，'tiger_shark'，

'hammerhead'，'electric_ray'，'stingray'，'cock'，'hen'，

'ostrich'，'brambling'，'goldfinch']

try：

while True：

img = np.frombuffer（stream.read_frame（）.get_buffer_as_uint8（），

np.uint8）.reshape（480，640，3）

pid = np.argmax（model.predict（img[None]））

cv2.imshow（'Cam'， img）

if cv2.waitKey（1）amp;0xFF==ord（'q'）： break

print（f\"{labels[pid]}：{pid}\"）

finally：

cam.close（）

cv2.destroyAllWindows（）

# 以下保持空實(shí)現(xiàn)（需根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)）

def init_cam（）： return None， None

def load_model（）： return None

if __name__ == \"__main__\"：

main（）

2.2.4 GPS導(dǎo)航模塊

本系統(tǒng)采用AT6558 GPS芯片與ATmega328微控制器構(gòu)建定位及數(shù)據(jù)處理鏈路。AT6558通過(guò)C/A碼解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多頻段衛(wèi)星信號(hào)捕獲與初始定位，通過(guò)UART串口將數(shù)據(jù)傳輸至微控制器。ATmega328解析NMEA協(xié)議獲取UTC時(shí)間、經(jīng)緯度及HDOP數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)糾偏優(yōu)化后，通過(guò)PD3引腳驅(qū)動(dòng)SIM800L GSM模塊，以AT指令封裝定位信息發(fā)送。用戶交互層集成SYN6288 TTS模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音導(dǎo)航提示，并具備緊急SOS位置廣播功能，形成盲人輔助導(dǎo)航與應(yīng)急響應(yīng)一體化解決方案[4]。

2.2.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊

本系統(tǒng)語(yǔ)音模塊采用科大訊飛AIUI評(píng)估板（集成訊飛星火大模型） 與北京宇音SYN6288芯片的雙核架構(gòu)。AIUI評(píng)估板為核心交互單元，通過(guò)星火大模型實(shí)現(xiàn)自然語(yǔ)言理解、語(yǔ)義分析及個(gè)性化服務(wù)，生成待合成的文本信息并傳輸至SYN6288；SYN6288專(zhuān)攻安全預(yù)警與語(yǔ)音合成，可將接收的文本轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音輸出，同時(shí)支持多模塊聯(lián)動(dòng)（如接收?qǐng)D像識(shí)別信號(hào)觸發(fā)“紅燈注意”提示） [5]。在科大訊飛的AIUI評(píng)估版中插入的訊飛型星火大模型，提升了信息處理的效率和準(zhǔn)確性。二者形成“智能交互—語(yǔ)音輸出”閉環(huán)，兼顧生活服務(wù)增強(qiáng)與實(shí)時(shí)安全防護(hù)雙重需求，顯著提升盲人用戶的使用體驗(yàn)與應(yīng)急響應(yīng)能力。

3 測(cè)試過(guò)程

3.1 系統(tǒng)蓄電池組容量的計(jì)算

蓄電池組容量（A?h）公式如下：

[C=WT/DVη]" " " （2）

W——負(fù)載：1.1～1.4，取1.2。

D——蓄電池最大放電深度系數(shù)（鋰電池通常為80%～95%） ，取85%。

T——工作時(shí)間，取2h。

V——工作電壓，取1.8V。

η——效率（線路損耗） ，取85%。

蓄電池組（12塊） 容量：C=15.38 （W?h）

計(jì)算用電設(shè)備總功率P（L），設(shè)P1為攝像頭功率、P2為單片機(jī)功率、P3為樹(shù)莓派功率、P4為GPS功率、P5為語(yǔ)音芯片功率。公式如下：

[P=P1+P2+P3+P4+P5≈20W]" " "（3）

計(jì)算總用電設(shè)備的日平均用電量，其中P為用電設(shè)備總功率，t為用電時(shí)間，此處t設(shè)為2小時(shí)，Q=P×t=40 （W?h）。

3.2 組件平均日發(fā)電量計(jì)算

組件日平均發(fā)電量=（W?h） =選定組件峰值工作電流（W） ×峰值日照時(shí)數(shù)（h） ×組件衰減損耗系數(shù)。組件衰減損耗修正系數(shù)主要指因組件組合、組件功率衰減、組件灰塵遮蓋、充電效率等的損失，一般取0.8。以江蘇南通為例，最佳傾角時(shí)的峰值日照時(shí)數(shù)為4.1h，則組件日平均發(fā)電量為M=13.12 （W?h）。

3.3 導(dǎo)盲頭戴設(shè)備表面積計(jì)算

設(shè)表面積為S，S的近似值為：

[S=4πr2×25=0.212 4m2]，r取0.2m" （4）

可并聯(lián)安裝CIGS柔性太陽(yáng)能電池板6塊，發(fā)電約48.36W·h。

經(jīng)過(guò)比較日發(fā)電量明顯大于日平均用電量，可以滿足日常生活需要。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 電池模塊升級(jí)

電源模塊由蓄電池和柔性太陽(yáng)能電池供電，光電轉(zhuǎn)換效率的提升使得導(dǎo)盲頭戴設(shè)備續(xù)航的提升并且重量方面減輕。

4.2 圖像識(shí)別的應(yīng)用

該設(shè)計(jì)采用樹(shù)莓派 4代 B 型開(kāi)發(fā)板為該模塊的核心，采用ORBBEC Astra Pro Plus攝像頭，該攝像頭采用單目結(jié)構(gòu)光技術(shù)，具有高精度、低功耗、響應(yīng)迅速、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，最后利用Python腳本輕松加載該模型。

4.3 導(dǎo)航模塊語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)的創(chuàng)新

本系統(tǒng)采用中科微電子的AT6558芯片作為GPS信號(hào)接收器。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了錯(cuò)誤檢測(cè)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制。科大訊飛的AIUI 評(píng)估板和北京宇音的SYN6288芯片模塊的利用，賦予了導(dǎo)盲頭戴設(shè)備與使用者日常生活互動(dòng)的能力。并且系統(tǒng)中插入的訊飛型星火大模型，不僅提升了信息處理的效率和準(zhǔn)確性，還增強(qiáng)了與用戶的互動(dòng)性和個(gè)性化服務(wù)能力。

4.4 應(yīng)用前景分析

隨著人文關(guān)懷理念的深化與智能技術(shù)的迭代升級(jí)，光伏輔助智能導(dǎo)盲頭戴設(shè)備的誕生開(kāi)啟了無(wú)障礙輔助裝備的新紀(jì)元。本研究系統(tǒng)解析了該設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換架構(gòu)、多源傳感融合算法及自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)三大技術(shù)核心，這項(xiàng)技術(shù)突破不僅重新定義了視障群體的移動(dòng)自由，更為智慧城市普惠科技的發(fā)展提供了創(chuàng)新范式，讓前沿科技真正成為照亮特殊群體生活的溫暖光源。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林星妍，王雨樂(lè)，薛皓聞，等.一種光伏智能導(dǎo)盲頭盔[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2022（23）：11-14.

[2] 劉欣星，宮俊波，肖旭東.高效四端鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)能電池[J].科學(xué)通報(bào)，2023，68（24）：3120-3122.

[3] 劉夢(mèng)禹，田志宏，朱濤.基于STM32的視覺(jué)識(shí)別導(dǎo)盲機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2024，45（2）：101-105.

[4] 趙冠永，劉大勇，操蓉蓉，等.基于LQR反饋控制的倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人避障控制方法[J].機(jī)械與電子，2025，43（3）：46-52.

[5] 余錦，毛雅，李倩南，等.智能導(dǎo)盲小車(chē)的研究與設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2025，41（4）：99-102.

【通聯(lián)編輯：光文玲】