基于模糊邏輯與數(shù)據(jù)融合的智能導(dǎo)盲手杖

陳冠宇，劉宇紅，李樂樂

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

?

基于模糊邏輯與數(shù)據(jù)融合的智能導(dǎo)盲手杖

陳冠宇，劉宇紅，李樂樂

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

在分析國內(nèi)外現(xiàn)有導(dǎo)盲設(shè)備的基礎(chǔ)上，引入模糊邏輯與數(shù)據(jù)融合算法，對傳統(tǒng)超聲波探測方式進(jìn)行改進(jìn)。自行設(shè)計(jì)并組建超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、融合與分析，實(shí)現(xiàn)了對障礙物方位與距離的綜合探測。此外，利用GPS模組、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及語音合成芯片設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了智能導(dǎo)盲手杖的GPS位置信息實(shí)時獲取、GPRS短信提示、藍(lán)牙語音提示等功能，以滿足盲人日常生活的需求。

障礙物探測網(wǎng)絡(luò)；模糊邏輯；數(shù)據(jù)融合；地理位置實(shí)時獲?。凰{(lán)牙語音提示

隨著導(dǎo)盲設(shè)備的廣泛使用，有關(guān)導(dǎo)盲設(shè)備的研究日益深入。但多數(shù)導(dǎo)盲設(shè)備，存在功能單一、操作復(fù)雜、準(zhǔn)確性不高、不易于攜帶等問題，無法滿足盲人日常生活中需求多樣性[1]。因此迫切需要一種多功能、智能化、操作簡單且價格低廉的智能導(dǎo)盲設(shè)備來輔助盲人的日常生活。

手杖作為盲人日常的必備輔助工具，是導(dǎo)盲設(shè)備外觀設(shè)計(jì)的最佳選擇。現(xiàn)有的導(dǎo)盲手杖在障礙物探測環(huán)節(jié)，大多采取超聲波探測的方式，即利用傳感器，實(shí)現(xiàn)單一方向上障礙物探測。由于超聲波探測的方向性較差，單一傳感器僅能實(shí)現(xiàn)對障礙物距離的探測，無法準(zhǔn)確對障礙物方位進(jìn)行判定；另外控制系統(tǒng)過于簡單，致使探測精度不高[2-4]。

隨著模糊控制理論研究的不斷深入，將其引入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以使系統(tǒng)控制方案得到進(jìn)一步優(yōu)化、行進(jìn)軌跡也會更加合理，因此將模糊控制應(yīng)用在導(dǎo)盲儀器上是發(fā)展的必然趨勢[5-7]。

本文所設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲手杖，利用模糊邏輯以及數(shù)據(jù)融合的思想，組建了超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，實(shí)現(xiàn)對障礙物所在方位與距離的綜合探測。此外，手杖還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對使用者地理位置信息的實(shí)時定位與顯示、緊急情況下的短信報警以及藍(lán)牙語音提示等功能，以滿足盲人在日常生活與出行中的多種需求。

1　設(shè)計(jì)思路

智能導(dǎo)盲手杖功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由手杖端和外部服務(wù)端兩部分組成，手杖端集成了主控單元、超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)輔助、語音提示、GPS衛(wèi)星定位、GPRS通信等模塊；外部服務(wù)端則是由在PC機(jī)上搭建的服務(wù)器以及百度地圖服務(wù)器兩部分構(gòu)成，用于對GPS模塊獲取的經(jīng)緯度信息進(jìn)行收發(fā)以及其所代表的地理位置的解析。

手杖端與外部服務(wù)端的協(xié)同運(yùn)行，將實(shí)現(xiàn)對障礙物方位及距離的綜合探測、當(dāng)前實(shí)際地理位置信息的實(shí)時獲取，以及藍(lán)牙語音提示和GPRS模塊的短信發(fā)送功能，將使用者所在地理位置信息發(fā)送至家人手機(jī)，以便使用者可以在遇到突發(fā)情況時讓家人得知其當(dāng)前所在位置。

圖1　智能導(dǎo)盲手杖功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1主控單元

主控單元作為智能導(dǎo)盲手杖的控制核心，承擔(dān)著整體系統(tǒng)中各模組間的數(shù)據(jù)融合、判斷與控制。本設(shè)計(jì)采用STM32F103RDT6作為主控單元，利用USART串口通信實(shí)現(xiàn)主控單元與各模組之間的數(shù)據(jù)交互。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)手杖各部分功能協(xié)調(diào)有序的運(yùn)行，主控單元上還搭載了uC/OS-Ⅲ實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各個功能模組任務(wù)的調(diào)度，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性與實(shí)時性[8]。

2.2超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)

障礙物探測功能是手杖實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲功能的重要環(huán)節(jié)。由于超聲波檢測的方式能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸性測量，能量消耗緩慢，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，且測距技術(shù)較為成熟，被廣泛用于距離的測量[9]。本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)超聲波測距方式的基礎(chǔ)上，不僅要求系統(tǒng)具備較高精度的距離探測性能，還應(yīng)具備良好的方位判別性能。為滿足這一要求，手杖利用4個ST1428超聲波探測器組建了超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)。利用模糊數(shù)學(xué)的理論，對網(wǎng)絡(luò)的探測區(qū)域進(jìn)行模糊子集的劃分，并利用數(shù)據(jù)融合的思想，對各探測器所采集的不同空間區(qū)域中的障礙物距離信息進(jìn)行綜合、過濾、合成及分析，從而獲得障礙物方位信息。圖2所示為障礙物探測網(wǎng)絡(luò)及方位劃分示意圖。

圖2　超聲波障礙物探測網(wǎng)絡(luò)及方位劃分示意圖

探測網(wǎng)絡(luò)被劃分成6個區(qū)域(俯視圖中區(qū)域VI與III重疊)，從I～VI分別代表左方、左前方、前方、右前方、右方以及下方等方位。探測器完成數(shù)據(jù)采集后，4個探頭的數(shù)據(jù)會通過模糊邏輯算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過數(shù)據(jù)間相關(guān)性和隸屬度關(guān)系的分析，實(shí)現(xiàn)障礙物與使用者相對方位的判定。

探測網(wǎng)絡(luò)采用多次探測的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。先令探測器0發(fā)出探測波，0、1、2探測器同時接收回波，獲取距離信息；再依次令1和2先行探測，再令所有探測器同時接收回波，3次距離數(shù)據(jù)將會構(gòu)成一個3×3的數(shù)據(jù)空間

Ri=[di0di1di2]

(1)

其中,i為當(dāng)前進(jìn)行探測的探測器，i=0,1,2；dij為i探測時探測器j檢測到的距離，j= 0,1,2；每個傳感器的測量數(shù)據(jù)會以不同的隸屬關(guān)系隸屬于各個探測器，這種隸屬關(guān)系為隸屬度。隸屬度函數(shù)以傳感器與障礙物距離為變量，距離越小，則隸屬于某個傳感器的程度越大。故定義數(shù)據(jù)的隸屬度函數(shù)

(2)

式中,uij為i探測器探測時，障礙物對探測器j的隸屬度；3次探測數(shù)據(jù)的隸屬度空間為

(3)

其中，隸屬度空間的每一列均表示障礙物隸屬于探測器j探測區(qū)域的隸屬度。對每一列隸屬度進(jìn)行求和可得

(4)

根據(jù)φ0、φ1、φ2的大小關(guān)系，設(shè)閾值為δ，則有：當(dāng)|φi-φj|≤δ時，則障礙物位于探測器i與j(i≠j，i,j=0,1,2)探測區(qū)域的重疊部分，如Ⅰ和Ⅳ；當(dāng)|φi-φj|>δ且φi>φj(φi<φj)或φi=1(φj=1)時，則障礙物位于探測器i(j)的獨(dú)立探測區(qū)域(i≠j;i,j=0,1,2)，如Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ。

由此可判定障礙物位于圖2中5個區(qū)域的其中之一，從而判斷出其相對于使用者的方位。而區(qū)域Ⅵ(下方)可通過設(shè)置中斷閾值實(shí)現(xiàn)判定。

探測器0、1、2構(gòu)成上方探測網(wǎng)絡(luò)，并以α=80cm為探測閾值，當(dāng)探測區(qū)域內(nèi)的障礙物距離小于閾值時，系統(tǒng)會開啟藍(lán)牙語音提示功能，為使用者循環(huán)提示障礙物方位及距離信息的變化；下方探測器3的探測閾值β= 40cm。當(dāng)探測距離小于下方閾值時，系統(tǒng)則利用主控芯片的中斷服務(wù)機(jī)制，提示使用者障礙物位于下方，并告知距障礙物離。

2.3地理位置信息實(shí)時獲取

當(dāng)使用者在戶外時，手杖將作為客戶端，其中GPS模塊會實(shí)時獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，并利用GPRS通信模塊的GPRS流量通信的方式，將經(jīng)緯度通過Socket通信的方式，發(fā)送至預(yù)先搭建的PC機(jī)服務(wù)器。PC機(jī)服務(wù)器調(diào)用百度地圖應(yīng)用程序編程接口(ApplicationProgrammingInterface，API)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度信息到地理位置信息的轉(zhuǎn)換。

此后，地理位置信息會被發(fā)送至家人所使用的Android智能手機(jī)上，并對使用者的位置進(jìn)行可視化顯示,方便家人通過手機(jī)應(yīng)用程序?qū)κ终仁褂谜叩奈恢眠M(jìn)行實(shí)時了解。同時，地理位置信息會被發(fā)送至手杖端，從而完成了整個GPS經(jīng)緯度信息獲取與地理位置解析的過程，解析過程如圖1所示。

當(dāng)使用者迷路時，通過觸發(fā)按鍵，在藍(lán)牙語音模組生成的語音提示下，可得知當(dāng)前所在地理位置信息[10-13]；若使用者急需家人幫助，則可以通過觸發(fā)按鍵，在GPRS模塊與SIM卡的配合使用下，實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送功能，將位置信息發(fā)送至家人預(yù)存在數(shù)據(jù)輔助模塊內(nèi)部的安全數(shù)碼卡(SecureDigitalMemoryCard，SD卡)中的手機(jī)上?？稍谑褂谜哂龅酵话l(fā)情況時，令家人快速得知其所在位置。

2.4語音提示模塊

語音提示模塊是實(shí)現(xiàn)手杖與使用者之間良好交互的重要環(huán)節(jié)，其主要功能是將障礙物探測、地理位置信息以及系統(tǒng)提示信息以語音的方式告知使用者[14-15]。

設(shè)計(jì)采用SYN6288語音合成芯片將以上文本信息合成為相應(yīng)的語音提示片段。在得到語音提示片段后，再利用藍(lán)牙4.0模塊實(shí)現(xiàn)語音提示片段的無線傳輸，使用者通過佩戴藍(lán)牙耳機(jī)，即可接收到來自手杖的各種提示信息，并按照指示完成相關(guān)功能操作，使用方便快捷。

3　實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析

障礙物探測網(wǎng)絡(luò)作為智能導(dǎo)盲手杖的核心模塊，也是實(shí)驗(yàn)測試的重點(diǎn)。如表1所示，為手杖上方3個探測器對依次放置在探測區(qū)域Ⅰ～Ⅴ,且與手杖相距50cm的障礙物的探測數(shù)據(jù)。

表1　不同區(qū)域內(nèi)障礙物距離探測數(shù)據(jù)

注：“—”表示因設(shè)備探測范圍限制未采集到數(shù)據(jù)

由表1可知，當(dāng)障礙物位于Ⅱ區(qū)，即左前方時，經(jīng)過3個探測器依次探測的數(shù)據(jù)如表中第二行所示。由此得到數(shù)據(jù)空間R中的d00，d01以及d10，d11，其他數(shù)據(jù)均置0。根據(jù)式(2)和式(3)得到隸屬度空間u，再由式(4)得到φ0=0.974，φ1=1.026，φ2=0，由于|φ0-φ1|=0.052<δ( 是根據(jù)多次實(shí)測數(shù)據(jù)而確定的閾值)，因此障礙物位于區(qū)域Ⅱ，即左前方。

區(qū)域Ⅳ判定方法同理，實(shí)現(xiàn)對左前方與右前方的判定；而區(qū)域Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ則因其相應(yīng)的φi= 1(i=0,1,2)，系統(tǒng)可直接判定障礙物位于探測器i的獨(dú)立探測區(qū)域中，即I(左方)、III(前方)、IV(右方)；區(qū)域VI(下方)障礙物的判定，是根據(jù)下方探測器4獨(dú)立完成，當(dāng)障礙物距離小于下方探測閾值β時，系統(tǒng)會判定障礙物位于下方。通過該實(shí)驗(yàn)可知系統(tǒng)能夠?qū)φ系K物所在方位進(jìn)行正確判定。

除對障礙物方位判別實(shí)驗(yàn)外，實(shí)驗(yàn)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)探測以及傳統(tǒng)單一傳感器探測兩種方式，對勻速接近手杖的障礙物進(jìn)行了探測，并對其結(jié)果進(jìn)行對比，對比圖如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)探測與傳統(tǒng)單一傳感器探測對比圖

由圖3數(shù)據(jù)曲線可知，超聲波探測網(wǎng)路探測所得的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過模糊邏輯與數(shù)據(jù)融合算法的處理后，其數(shù)據(jù)與實(shí)際距離更加接近，并且擬合曲線趨于平緩，與單一傳感器探測相比更為穩(wěn)定，突變點(diǎn)位較少，在實(shí)際使用中能夠?qū)μ綔y范圍內(nèi)的移動障礙物進(jìn)行更為實(shí)時且精確的探測。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)超聲波障礙物探測的基礎(chǔ)上，通過引入模糊邏輯與數(shù)據(jù)融合算法以及傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對障礙物所在方位的準(zhǔn)確判斷與距離探測，并采用多次探測的方法，使得手杖在對移動障礙物的探測時，令所得距離數(shù)據(jù)具有良好的穩(wěn)定性、精度及實(shí)時性。

此外，本文還對智能導(dǎo)盲手杖的地理位置信息獲取、短信發(fā)送以及無線語音提示等功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使得手杖的功能更加智能化，以滿足盲人使用者的日常需要。目前手杖各部分模塊均已設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，且正常運(yùn)行，但依然存在功能模塊較多、功耗較大的問題需要進(jìn)一步解決。

[1]于連甲.盲人手杖的國家標(biāo)準(zhǔn)[J].中國康復(fù),1998，13(4)：181-183.

[2]吳漢熙,肖本賢.基于模糊控制的超聲波避障方法的研究[J].控制工程，2006,8(10)：56-59.

[3]王化祥.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[4]宋文,楊帆.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[5]康耀紅.數(shù)據(jù)融合理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[6]高青.多傳感器數(shù)據(jù)融合算法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[7]李士勇.模糊控制[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2011.

[8]石惠文,張勇.基于MSP430單片機(jī)的智能導(dǎo)盲手杖[J].科技世界，2014(8):155-156.

[9]朱勁夫,程方明.基于GPS和GSM智能手杖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(12):139-141.

[10]張新喬,李強(qiáng),徐振中.基于GPS/GSM的智能導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī),2015(12):62-65.

[11]韋志強(qiáng),周澤天,葉文通，等.智能導(dǎo)盲車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作,2013(7):119-122.

[12]仲小英.基于GPS和GSM的多功能智能拐杖設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù),2015,11(26):101-103.

[13]黃培,徐立鴻,王樂達(dá).基GSM/GPRS的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2012,31(18):45-47.

[14]劉永錄,衣紅鋼,鞏憲鋒,等.基于GSM/GPRS的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].信息安全與通信保密,2005(11):112-114.

[15]孫德輝,馬文麗,姚文娟.基于GPRS的無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(21):104-106.

An Intelligent Blind-guiding Cane on Fuzzy Logic and Data Fusion

CHEN Guanyu, LIU Yuhong, LI Lele

(College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

On the basis of analyzing the domestic and abroad existing blind-guiding equipment, the traditional ultrasonic detection algorithm is improved by introducing the fuzzy logic and data fusion algorithm. An ultrasonic obstacle detection network is designed and built for data collection, fusing and analysis, capable of comprehensive detection of the obstacle orientation and distance. The GPS module, online communication technology and speech synthesis chip are employed to achieve a series of functions, such the real-time GPS location acquisition, GPRS SMS prompts and Bluetooth voice prompts, to meet various needs of the blinds in their everyday life.

obstacle detection network; fuzzy logic; data fusion; real-time location getting; voice prompts by Bluetooth

2016- 02- 27

陳冠宇(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：嵌入式通信系統(tǒng)。劉宇紅(1963-)，男，教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的。李樂樂(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：電路設(shè)計(jì)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.031

TP316.2

A

1007-7820(2016)09-114-04