盲人智能過街輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王少華等

【摘 要】介紹了基于飛思卡爾K60單片機(jī)的盲人智能過街輔助系統(tǒng)。在詳細(xì)分析盲人過街需求的基礎(chǔ)上，采用IAR6.3開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，基于飛思卡爾K60芯片設(shè)計(jì)硬件模塊，進(jìn)行超聲波和紅外測障測距，通過OV7725鷹眼攝像頭實(shí)現(xiàn)斑馬線視頻圖像采集。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠保證盲人走在斑馬線中間區(qū)域并可避免與障礙物相撞，可有效應(yīng)用于盲人過街輔助。

【關(guān)鍵詞】盲人；過街；輔助系統(tǒng)；飛思卡爾K60

【Abstract】This paper introduces an intelligent intersection crossing assist system for The Blind based on Freescale K60.On the basis of a detailed analysis of the needs of the blind man when they across the street， it use IAR6.3 development platform for programming， design based on hardware module based on Freescale K60 chip，detects whether there exist obstacles within a distance in front by means of ultrasonic and infrared and achieve zebra video image by OV7725 Hawkeye camera. The Laboratory test results show that the system could ensure that blind people can walk on the center of zebra and avoid obstacles， will be helpful to assist blind people to across the street.

【Key words】The blind； Intersection crossing； Assist system； Freescale K60

0 前言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（ WHO） 和2006年中國第二次殘疾人調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國約有1233萬盲人，是全世界盲人最多的國家，占整個(gè)世界盲人數(shù)的20%[1]，并且以每年45萬的速度增加。因視力問題無法看清道路、交通標(biāo)志標(biāo)線和障礙物，在加上國內(nèi)部分地區(qū)盲道占用、盲道設(shè)計(jì)不合理現(xiàn)象較為普遍突出，這都給盲人出行造成了極大的困難。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如何為這一特殊群體服務(wù)，保障其日常交通出行便利，體現(xiàn)了整個(gè)社會(huì)對(duì)殘障人士的關(guān)愛與溫情。

為此，國家自2002年起，北京、天津、上海等12個(gè)城市被國務(wù)院命名為全國無障礙設(shè)施建設(shè)示范城市。深圳市輪翼天使網(wǎng)絡(luò)科技有限公司開發(fā)了用于無障礙設(shè)施查詢的手機(jī)應(yīng)用easy-Go。新疆大學(xué)的王冠生[1]等人重點(diǎn)介紹了電子式行進(jìn)輔具、移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人、智能盲杖以及智能導(dǎo)盲系統(tǒng)等輔具的歷史發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了發(fā)展趨勢。成都理工大學(xué)的王小偉采用DSP+MCU的雙CPU體系結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)了GSM短信收發(fā)、GPS定位、盲道識(shí)別等功能[2]。中北大學(xué)的趙曉東進(jìn)行了超聲波導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)[3]。天津大學(xué)的曹玉珍等建立了基于圖像的導(dǎo)盲輔助設(shè)備中道路斑馬線的識(shí)別方法[4]。鄭州大學(xué)的邱晶晶進(jìn)行了紅綠燈電路模塊、盲道和斑馬線的識(shí)別[5]。

本文建立了一個(gè)盲人智能過街輔助系統(tǒng)。在詳細(xì)分析盲人過街需求的基礎(chǔ)上，采用IAR6.3開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，基于飛思卡爾K60芯片設(shè)計(jì)硬件模塊進(jìn)行超聲波和紅外測距，進(jìn)而測出障礙物的高度。通過OV7725鷹眼攝像頭實(shí)現(xiàn)斑馬線視頻圖像采集，確保盲人行走在中線附近的安全區(qū)域中[6]。

1 盲人過街系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在眾多的導(dǎo)盲輔助工具中，使用最廣泛的是導(dǎo)盲手杖，在上面集成一組傳感器小型控制計(jì)算機(jī)等，有的甚至裝有導(dǎo)輪移動(dòng)平臺(tái)，具有一定智能性，考慮到出行的便利性，結(jié)合天津市盲人協(xié)會(huì)調(diào)研，在保持盲人便利性基礎(chǔ)上，采用了手推車的設(shè)計(jì)方案，通過紅外和光電傳感器的高低布置，來探測前方是否有障礙物以及障礙物的高度，通過視頻圖像檢測斑馬線并保證盲人走在斑馬線中間，具體應(yīng)用到的硬件設(shè)備有：

1.1 飛思卡爾K60單片機(jī)

本系統(tǒng)采用的是飛思卡爾公司Kinetis系列的MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)。該款單片機(jī)主頻高達(dá)100MHz，有多個(gè)可編程定時(shí)器，可捕捉多路通道信號(hào)。支持所有串行時(shí)鐘格式和采樣模式中斷控制器性能良好，且中斷的響應(yīng)延時(shí)為5個(gè)周期，并且同時(shí)最多可以有5個(gè)外部中斷，7個(gè)可編程的優(yōu)先級(jí)，5個(gè)處理器異常。該芯片尺寸較小，僅為5cm×4cm，低功耗的高速閃存技術(shù)，全靜態(tài)的設(shè)計(jì)，3.3v的工作電壓，低功耗。

1.2 紅外光電傳感器

紅外線光電開關(guān)（光電傳感器）屬于光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測。漫反射式光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測。當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)，根據(jù)輸入信號(hào)的高低電平即可判斷前方是否存在障礙物。本系統(tǒng)采用的是E18-D80NK 紅外光電傳感器。

1.3 超聲波傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。采用如圖2所示KS103超聲波測距模塊，其具體功能如下：

含實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)木嚯x探測，高探測精度；

探測范圍1cm～800cm及1cm～1000cm；

探測頻率達(dá)500Hz，即每秒可探測500次；

使用I2C/串口接口與主機(jī)通信，自動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的I2C/串口控制指令；

5s未收到I2C控制指令自動(dòng)進(jìn)入uA級(jí)休眠，并可隨時(shí)被主機(jī)I2C控制指令喚醒；

寬工作電壓范圍 （3.0V～5.5V）。

1.4 鷹眼攝像頭

本系統(tǒng)采用以O(shè)V7725鷹眼攝像頭。攝像頭為30萬像素，驅(qū)動(dòng)電壓為3.3V，12M有源晶振，384KB的FIFO AL422B，焦距3.6mm，光圈F2.0，視角92°，價(jià)格便宜，并且方便信號(hào)處理，在模塊電路板上可直接集成硬件二值化電路，輸出的二值化圖像清晰，同時(shí)噪聲較少。視頻圖像采集的流程為：

（1）需要采集圖像時(shí)，開場中斷。

（2）場中斷來了，開行中斷和初始化DMA傳輸。

（3）行中斷來了便設(shè)置DMA地址，啟動(dòng)DMA傳輸。過濾掉前面幾行和較遠(yuǎn)處幾行不采集。

（4）每個(gè)PCLK上升沿來了都觸發(fā)DMA中斷，將攝像頭輸出的值讀取到內(nèi)存數(shù)組里面。

（5）當(dāng)觸發(fā)80次（80=圖像列數(shù)目）后就停止DMA 傳輸。

（6）行中斷次數(shù)等于一幅圖像的行數(shù)。采集完成后便關(guān)閉行中斷和場中斷。

2 盲人過街系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波傳感器軟件設(shè)計(jì)

該模塊使用方法簡單， 控制單片機(jī)一個(gè)端口發(fā)出一個(gè)10us以上的高電平，就可以在接收端口等待高電平輸出.一有輸出就打開定時(shí)器計(jì)時(shí)，所計(jì)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，如此不斷的周期檢測，就可實(shí)時(shí)測量盲人距前方障礙物距離。紅外模塊軟件設(shè)計(jì)與此類似。

while（！gpio_get（PTA2））； //等待高電平出現(xiàn)

pit_time_start（PIT0）；//開始計(jì)時(shí)高電平持續(xù)時(shí)間

while（gpio_get（PTA2））；

timevar = pit_time_get_us（PIT0）；

printf（"＼n＼n本次時(shí)間為：%dus"，timevar）；

temp = timevar； //獲取計(jì)時(shí)時(shí)間

pit_close（PIT0）； //開始計(jì)時(shí)

temp = temp/10；//ms

temp=temp*170；//340m/s *t[s] /2 = distance m

2.2 視頻圖像模塊算法設(shè)計(jì)

首先識(shí)別斑馬線跳變沿，通過識(shí)別跳變沿確定斑馬線的左右邊側(cè)位置。通過從左到右的方式識(shí)別中線，如果中心點(diǎn)坐標(biāo)在25-55之間則認(rèn)為是在中間，否則就是在兩側(cè)。圖像中黑色的數(shù)值為0，白色為255，假設(shè)第i點(diǎn)的二值化值為image[i]，第i+1的為image[i+1]，因此如果image[i]> image[i+1]，則認(rèn)為識(shí)別到了右邊側(cè)；反之則為左邊側(cè)。

其次通過確定斑馬線中線，確定安全區(qū)域。將左邊側(cè)和右邊側(cè)的坐標(biāo)值求和之后除以2即得中心點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過計(jì)算整個(gè)圖像的有效中心點(diǎn)。將最上邊和最下邊的點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較，如果兩者之間的差距小于6的話，則認(rèn)為是個(gè)直線，否則是個(gè)斜線。如果是直線的話，有效的中點(diǎn)值與25和55進(jìn)行比較，通過比較識(shí)別出直線在整個(gè)視頻圖像中的位置。如果是斜線的話，通過識(shí)別將最上邊和最下邊的值與中間值進(jìn)行比較得出中線具體是在圖形的那個(gè)位置。如果最上邊的值小于最下邊的值，則為偏向左側(cè)的斜線。否則則是偏向右邊的斜線。由圖可知當(dāng)前方向是偏向右邊的。最后根據(jù)偏向予以語音提醒。

3 結(jié)語

為了輔助盲人過街，十分有必要對(duì)斑馬線和道路障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。本文設(shè)計(jì)了一種基于飛思卡爾K60的智能盲人過街輔助系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)各模塊工作正常，能夠有效監(jiān)測障礙物距離，識(shí)別障礙物高度是否高于傳感器設(shè)置高度，同時(shí)，完成了初步的斑馬線中線和安全區(qū)域監(jiān)測。但本系統(tǒng)只完成了理想條件下的實(shí)驗(yàn)室圖像處理工作，還有待于進(jìn)行不同傳感器的數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)，以及室外斑馬線實(shí)測，才能真正為盲人出行提供輔助。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]