一種基于樹莓派的盲人避障導(dǎo)航手杖

袁珍

(黎明職業(yè)大學(xué) 通識教育學(xué)院,福建 泉州362000)

手杖是為特殊群體服務(wù)的一種輔助行走工具，一般是為老年人或殘疾人使用。盲人是指視覺有障礙的人群，一般分為失明或者弱視兩種情況，通常都需要通過手杖來指導(dǎo)行路。常見的手杖功能較為單一，例如帶防滑功能、底端帶有活動方向輪、結(jié)合一個可折疊凳子等。但是這些并沒有為盲人增加很多便利，目前很多盲人出行還是靠家人陪伴、導(dǎo)盲犬牽引、盲道等輔助物，使得出行的依賴性特別強。隨著科技的發(fā)展，市場上出現(xiàn)一些專門針對盲人的手杖，但往往功能比較單一，控制復(fù)雜，可擴展性和靈活性都不強，家屬無法對盲人進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，造成盲人出行安全性較低。

本設(shè)計的目的在于提供一種方便盲人出行,提高盲人出行安全,可擴展性強、功能多樣、人性化、操作簡易的基于樹莓派的盲人避障手杖。

1 總體設(shè)計方案

一種基于樹莓派的盲人避障導(dǎo)航手杖的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)可以分為用戶端和遠(yuǎn)程控制端兩大部分。用戶端主要包括手杖實體、樹莓派、攝像頭、傳感器、揚聲器、GPS（全球定位系統(tǒng)）模塊等，遠(yuǎn)程控制端包括移動客戶端終端APP（應(yīng)用程序）和計算機終端（web形式）。兩部分通過服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信和控制。

圖1 總體設(shè)計方案框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 樹莓派控制器

本系統(tǒng)的硬件部分采用Raspberry Pi 3 Model B+作為控制中心，此型號的樹莓派尺寸僅為：82mm*56mm*19.5mm，重量為50克，具有體積小，重量低，功能齊全的優(yōu)點。樹莓派具有40針擴展GPIO（通用輸入輸出）口和音頻輸出口，通用性和擴展性強。[1]系統(tǒng)中的傳感器和攝像頭等模塊均通過通用GPIO口與樹莓派連接，樹莓派讀取并處理傳感器的數(shù)據(jù)。此外，樹莓派還支持網(wǎng)絡(luò)功能，可以連接無線網(wǎng)卡進行網(wǎng)絡(luò)通信，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.2 超聲波測距傳感器和舵機模塊

盲人避障的關(guān)鍵點在于障礙物的距離測定和報警，本系統(tǒng)使用的是超聲波測距傳感器US-015，通過通用GPIO接口與樹莓派連接。這款測距模塊可實現(xiàn)2cm～4m的非接觸測距功能，適用于盲人行路時測距。其分辨率高于1mm，重復(fù)測量一致性好，測距穩(wěn)定可靠。距離測量過程方便簡潔，可以通過Echo電平時間計算得出障礙物距離，公式如下：

另外，在US-015的下側(cè)連接有轉(zhuǎn)葉式舵機，旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)60°，同樣通過通用GPIO接口與樹莓派連接。通過舵機調(diào)整US-015的測量方向，不僅可以測量水平方向的障礙物距離，也可測量手杖下方到地面的大致距離，當(dāng)距離出現(xiàn)突變（有臺階或坑洼），可以通過語音或震動提示用戶。工作原理如圖3所示：

圖3 超聲波結(jié)合舵機測量地面坑洼

2.3 攝像頭模塊

攝像頭的使用也是本設(shè)計的創(chuàng)新點之一。為了全面保障盲人安全，在手杖正前端裝有高清1080P紅外夜視廣角攝像頭，用于拍攝前方路況。攝像頭的數(shù)據(jù)輸出端直接與樹莓派的CSI（相機串行接口）相連。目前的設(shè)計是使用攝像頭進行人臉識別和路況識別：提示盲人有人靠近，并識別出是陌生人還是親友，用語言提示；識別當(dāng)前是否到達(dá)路口斑馬線處，以及當(dāng)前路口的紅綠燈情況，同樣語言提示。未來還可以進行功能擴展，例如識別公交站、盲道位置等。

2.4 導(dǎo)航模塊

系統(tǒng)的導(dǎo)航使用了高精度慣性導(dǎo)航傳感器，集成有三個自由度陀螺儀、三個加速度計，可以根據(jù)測得的加速度信號計算出自身速度和位置，得到各種導(dǎo)航參數(shù)，從而實現(xiàn)定位和導(dǎo)航功能。[2]模塊支持串口和I2C（雙向二進制同步串行總線）輸出，方便與樹莓派相連。在樹莓派上使用Linux下的一個守護進程GPSD來監(jiān)聽來自GPS接收器的位置信息，并將位置信息轉(zhuǎn)換成一種簡化的格式。

得到位置信息之后，需要將位置在地圖上顯示出來，本系統(tǒng)的地圖由百度網(wǎng)站的開源api提供，在使用導(dǎo)航時必須聯(lián)網(wǎng)。將GPS的log（日志）文件使用地圖打開，就可以得到用戶的具體位置并進行導(dǎo)航了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

與普通的單片機不同的是，樹莓派的底層是一個完整的Linux操作系統(tǒng)，所有可以在個人計算機上運行的Linux程序，幾乎都可以在樹莓派上執(zhí)行。尤其是當(dāng)下流行的Python語言具有GPIO庫，能夠支持樹莓派的硬件接口，結(jié)合各種開源硬件擴展諸多應(yīng)用。

本系統(tǒng)的軟件部分包括障礙物檢測和語音提示子程序、通信導(dǎo)航子程序、圖像識別子程序等，這里著重描述圖像識別和移動客戶端APP開發(fā)。

3.1 圖像識別

圖像識別流程包含四個步驟：圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像特征提取以及匹配與識別。[3]本系統(tǒng)圖像識別包含了三種情況：人臉識別、紅綠燈識別和斑馬線識別。三種情況的圖像特征提取算法均不相同。見圖4。

圖4 人臉識別流程圖

本設(shè)計在Python平臺中安裝第三方openCV庫，使用openCV中的CascadeClassifie級聯(lián)分類器進行人臉檢測，再使用LBPH faceRecognizer進行人臉匹配。通過面部定位、雙眼定位、抽取特征點等一系列流程，對影像合成特征集群，并與存盤記錄對比，從而得出結(jié)果。

值得注意的是，受外部環(huán)境光線、人體姿勢、外部飾物等因素的影響，系統(tǒng)存在一定的誤識率和拒識率。此部分正在持續(xù)改進當(dāng)中。

路況識別的步驟與人臉識別類似，首先，通過基于Haar-like級聯(lián)分類器的目標(biāo)識別算法識別并定位目標(biāo)，然后使用HSV色彩模型對定位區(qū)域的顏色信息進行分析，進而得出路況信息。[4-5]同樣由于實際道路環(huán)境相對復(fù)雜，在對整張圖片進行目標(biāo)位置確定時，存在一定的誤判可能。

3.2 移動客戶端APP開發(fā)

由于目前我國智能手機的持有率相當(dāng)高，本系統(tǒng)在設(shè)計時考慮到另一客戶群——盲人家屬的用戶需求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了移動客戶端APP。[6]用戶可以隨時隨地下載APP，結(jié)合移動網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，實時獲得盲人當(dāng)前位置信息、報警信息等，全方位保障盲人的安全。移動客戶端APP的主要功能模塊有：手杖位置獲取與顯示模塊、遠(yuǎn)程一鍵報警模塊、語音信息模塊等。

4 方案實施

采用上述技術(shù)方案后，本設(shè)計在應(yīng)用時可利用樹莓派3代B+型的強大網(wǎng)絡(luò)功能，自動連接WIFI（無線上網(wǎng)）或者手機熱點，使得手杖能實現(xiàn)家屬手機的遠(yuǎn)程連接，家屬能根據(jù)GPS模塊的定位信息隨時獲取位置，進而對盲人進行導(dǎo)航,避免因?qū)Ш较到y(tǒng)錯誤而造成盲人無法到達(dá)目的地。當(dāng)盲人遇到緊急情況時，也可按下緊急按鈕，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程報警。

在盲人行路過程中，利用超聲波測距模塊實時檢測前方障礙物距離，通過語音提示給盲人。另外由舵機間歇調(diào)整超聲波測距的角度，測量下方與地面的距離是否有突變，從而提醒盲人避開坑洼和注意向下臺階。同時利用攝像頭拍攝盲人行路過程中的路面情況和行人狀況，再由圖像處理軟件分析判定，語音提示盲人，全方位地保護行走的盲人。同時,樹莓派的端口多，可安裝操作系統(tǒng)，編程語言豐富，在今后使用中也可根據(jù)用戶需要，在不改變產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)的前提下即可自主增加一些簡單的功能，可擴展性強，應(yīng)用靈活。

5 結(jié)語

（1）利用樹莓派強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，能通過WIFI或手機熱點與手機終端連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，使手杖的應(yīng)用較為人性化，易于家屬監(jiān)控；

（2）利用樹莓派的體積小、管腳多、功能大及使用靈活的特性使本新型手杖操作更為簡單，不會增大手杖的體積，并能通過手機遠(yuǎn)程控制，使用更加直觀方便；

（3）利用樹莓派的端口多、編程語言豐富、可安裝操作系統(tǒng)的特性使得在未來使用時能根據(jù)用戶具體情況，在不改變產(chǎn)品主要電路結(jié)構(gòu)的情況下自主增加一些簡單的功能，可擴展性強，應(yīng)用靈活；

（4）能對靜止障礙物、靠近的路人等多種情況進行監(jiān)控。遇到困難時能夠得到家人或路人的及時幫忙，功能齊全并人性化，設(shè)計針對性強，給盲人出行帶來方便。