戶外安全智能導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計

焦姍姍 魏元奧 谷露云

摘 要：文章介紹了一種基于FPGA的新型智能導(dǎo)盲系統(tǒng)，通過超聲波測距和圖像采集及處理完成盲道偏離檢測的功能，并通過安裝導(dǎo)航定位系統(tǒng)和感光燈提高戶外安全性。這些功能可以為生活中的盲人提供更多便利的行動指示，提高盲人在行動時的安全感，讓智能導(dǎo)盲系統(tǒng)帶領(lǐng)盲人安全出行。

關(guān)鍵詞：FPGA；智能導(dǎo)盲系統(tǒng)；安全

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0023-03

Abstract： This paper introduces a new type of intelligent blind guide system based on FPGA， which can detect blind track deviation by ultrasonic ranging and image acquisition and processing， and improve outdoor safety by installing navigation and positioning system and photosensitive lamp. These functions can provide more convenient action instructions for the blind in life， improve the sense of security of the blind in action， and let the Intelligent Blind Guide System lead the blind to travel safely.

Keywords： FPGA； Intelligent Blind Guide System； security

1 概述

1.1 課題研究的背景及意義

國內(nèi)目前約有500多萬盲人，占全世界盲人總數(shù)的18%，盲人在行走引導(dǎo)方面有很大的困難，如何安全出行，是盲人生活中最大的問題。現(xiàn)實中盲人在行走中要借助盲杖、導(dǎo)盲犬或者導(dǎo)盲設(shè)備等幫助。為了幫助盲人達到完全無障礙化出行，所開發(fā)的導(dǎo)盲裝置必須要能準確識別障礙物、盲道、提醒行人注意借路及具備定位能力，為盲人提供更大的便利，而且一些老年人也可以使用。導(dǎo)盲杖可以在盲人外出時起到安全警示作用，最大便利的幫助盲人安全出行。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

目前國內(nèi)外在盲人杖研究上并不重視，主要依靠導(dǎo)盲犬及盲道，而且研究的導(dǎo)盲杖大多數(shù)無功能或功能不全，目前有研究的有測距或定位的智能導(dǎo)盲杖，但缺乏感光燈，語音播報，偏離感應(yīng)等更多功能來保障盲人。新型多功能導(dǎo)盲杖在新穎上添加了各項功能并使各個功能聯(lián)系起來，能最大限度保障盲人的出行安全。

此項目設(shè)計了一種智能導(dǎo)盲系統(tǒng)，合理利用了當代科學(xué)技術(shù)，可以實現(xiàn)為盲人檢測是否偏離盲道，依靠傳感器探測一定范圍內(nèi)的路面狀況并語音播報，定位盲人的地理位置，在一定亮度下感光燈的自動亮滅來保障盲人在晚上的出行安全等一系列功能。這些功能可以為生活中的盲人提供更多便利的行動指示，提高盲人在行動時的安全感，讓導(dǎo)盲杖帶領(lǐng)盲人安全出行。

2 定位系統(tǒng)

2.1 GPS定位系統(tǒng)

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統(tǒng)由美國國防部研制和維護，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。GPS系統(tǒng)擁有如下多種優(yōu)點：使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當?shù)挠嵦柎┩感?；全球覆蓋（高達98%）；三維定速定時高精度；快速、省時、高效率；應(yīng)用廣泛、多功能；可移動定位；不同于雙星定位系統(tǒng)，使用過程中接收機不需要發(fā)出任何信號增加了隱蔽性，提高了其應(yīng)用效能。

2.2 實時位置信息分享

本文主要是利用GPS定位技術(shù)可以讓使用者及其家人知道自己當前的位置。

基于FPGA設(shè)計GPS定位數(shù)據(jù)的正確接收和顯示，以及經(jīng)緯度到平面坐標的投影變換。根據(jù)GPS輸出信息標準和格式，通過串口接收模塊實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收和經(jīng)緯度信息提取，并通過LED實時顯示或者通過語音轉(zhuǎn)換提供使用者當前位置信息。在提取信息的同時將數(shù)據(jù)格式由碼轉(zhuǎn)變?yōu)槭M制整數(shù)型，實現(xiàn)利用移位和加法運算達到代替乘法運算的效果，從而減少資源的利用率。

3 測距、圖像采集與處理

3.1 測距系統(tǒng)

本文主要利用一種基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)和實時語音播報。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化，并且可以實時控制。這種非接觸式的測量使之能夠在某些特定的場合下使用。

系統(tǒng)主要由超聲波傳感器、發(fā)射電路、接收電路和語音模塊組成。發(fā)射電路主要由單片機發(fā)射一組穩(wěn)定脈沖信號，通過一個乙類互補對稱功率放大電路，接收電路主要通過一個前置放大電路和濾波電路，放大和接收有用信號。

3.2 圖像采集與傳送

獲取圖像信息是通過圖像傳感器來實現(xiàn)的。與CCD相比，CMOS圖像傳感器具有公益簡單、成本低、功耗低、體積小等優(yōu)點，而且由于其使用的是CMOS平面工藝，使得它可以在制造的時候集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器以及時序控制等輔助電路，使用時，數(shù)據(jù)接收方可以直接得到數(shù)字化的圖像信息，而不需搭建專用的額外電路。

FPGA具有開發(fā)簡單、靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)編程中的特點，已經(jīng)成為當今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路。在FPGA的集成開發(fā)環(huán)境中提供各種I/O接口的IP核，實現(xiàn)各種I/O接口，且特別適合處理大規(guī)模并行運算。FPGA的時序控制能力強，同時它的硬件特性使得它在并行處理算法方面具有較大優(yōu)勢，這有利于快速的對圖像進行采集和處理。

以FPGA為控制核心，設(shè)計一個圖像采集系統(tǒng)，通過FPGA實現(xiàn)圖像傳感器的初始化、圖像數(shù)據(jù)的采集與存儲、USB接口芯片的控制；使用USB2.0接口芯片實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)高速傳輸。圖像采集則使用CMOS的OV7260攝像頭。

3.3 信息處理與語音播報

單片機系統(tǒng)可以實現(xiàn)輸入輸出和對外圍設(shè)備的控制功能，增加語音功能可以使人機交流更加便利，更體現(xiàn)了本文針對盲人所設(shè)計的系統(tǒng)的必要性。

4 感光燈與緊急聯(lián)絡(luò)

4.1 感光燈原理與實施

本文在前面的設(shè)計基礎(chǔ)上添加了一個感光燈的設(shè)計。當周圍環(huán)境的亮度達到一定限度時，感光燈會自動開啟，以便路人可以發(fā)現(xiàn)盲人的位置及時避讓。

4.2 一鍵聯(lián)絡(luò)

在系統(tǒng)中通過按鍵與通信，可以緊急聯(lián)絡(luò)呼救聯(lián)系人并通過語音模塊向周圍發(fā)出呼救和求助，同時位置信息會發(fā)送到緊急聯(lián)系人移動設(shè)備中，方便立馬得知求助人位置并施予援助。

5 總結(jié)與展望

5.1 本文工作總結(jié)

本文先簡要介紹了現(xiàn)有圖像采集與處理系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，同時介紹了FPGA的相關(guān)技術(shù)理論和基于FPGA系統(tǒng)的開發(fā)流程。在此基礎(chǔ)上，以FPGA為核心，采用CMOS圖像傳感器和USB2.0技術(shù)構(gòu)建了一個高速的圖像采集系統(tǒng)。

在圖像采集系統(tǒng)中，通過FPGA完成了對圖像傳感器的控制、圖像數(shù)據(jù)的采集與存儲、USB接口芯片的控制；系統(tǒng)中的USB芯片則作為一種接口技術(shù)，實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器智能將在人們的生產(chǎn)生活中得到大量的應(yīng)用。圖像采集與處理系統(tǒng)作為一種具有巨大市場潛能的應(yīng)用技術(shù)必將得到越來越多的應(yīng)用。而FPGA憑借其低功耗、低成本、低風(fēng)險和開發(fā)周期小等優(yōu)勢必將得到廣泛的應(yīng)用。它可以使得各種小型低成本嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)變得簡單方便。

另一方面以低成本GPS接收模塊為對象，從提高精度又保證實時性的角度出發(fā)，基于平臺上實現(xiàn)以卡爾曼濾波為核心的定位信息處理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換、顯示與語音播報，提高定位精度，并且能夠在滿足實時性和精度的要求下實現(xiàn)資源最優(yōu)，達到了預(yù)期效果。

此外運用單片機便于接口控制的優(yōu)點與語音模塊結(jié)合，并控制信息傳送與處理，與FPGA共同分工合作、整合來實現(xiàn)既定功能與目標。

5.2 展望

在本文工作的基礎(chǔ)上，可以著手在FPGA上進行GPS接收機的完整設(shè)計，使其更能和系統(tǒng)緊密集成，并具有更好的通用性，基于FPGA實現(xiàn)GPS定位模塊若能和GIS系統(tǒng)相結(jié)合，也具有很好的應(yīng)用前景。

在硬件上，所使用的圖像傳感芯片的幀率只有30fps，這限制了系統(tǒng)的圖像采集速率。在使用FPGA作為數(shù)據(jù)采集與處理中心和使用USB2.0技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸手段后，圖像傳感器的圖像輸出速率遠低于FPGA可以達到的圖像采集速率和USB2.0技術(shù)可以達到的數(shù)據(jù)傳輸速率。

此外由于整個系統(tǒng)實現(xiàn)的功能較多，且運用了FPGA和ATM系列多個處理模塊，在運行調(diào)試中容易發(fā)生錯誤，算法應(yīng)該得到更好的改善，整個系統(tǒng)規(guī)格也應(yīng)該注意適當合理，使用方便靈活。

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