easy go
——易行（智能導(dǎo)盲杖）

王 浩 胡 浩 王 冉 孔垂宇

（武昌工學(xué)院,湖北 武漢430070）

據(jù)統(tǒng)計,我國視障人群高達1700 多萬,且年增長率連年上升,由于視力上的缺陷,使得他們在衣食住行等方面非常不方便,尤其是在外出時還會因為視覺障礙引發(fā)安全問題。目前,國內(nèi)外市場上已有許多導(dǎo)盲裝置,能夠在一定程度上解決視障人群的困難,但是從使用情況上來看,其功能單一,價格昂貴。另外,據(jù)了解,有一部分視障人群選擇使用導(dǎo)盲犬來幫助其出行,但是由于我國部分地區(qū)的交通系統(tǒng)和公共場所對導(dǎo)盲犬的配套措施還不夠完善,使得視障人群的出行依然受到一定的限制。綜上所述,為了使視障人群能夠像普通人一樣自由出行,研究一套便捷的能夠隨拿隨放的智能導(dǎo)盲控制系統(tǒng)尤為重要。

1 背景技術(shù)

目前,人機交互技術(shù)已經(jīng)在社會生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用,各種各樣的人機交互裝置,人機交互界面不斷被研制出來并應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中。隨著智能語音的發(fā)展,智能語音交互打破了傳統(tǒng)的繁瑣輸入和輸出,極大的簡化了交互方式,在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段的智能盲杖由于操作按鍵過于繁瑣、功能單一等因素影響著用戶體驗感,在使用的過程中安全性與舒適性不夠,不利于用戶體驗。

2 研究思路

本團隊綜合了目前先進的物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù),提出一套智能導(dǎo)盲杖控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心技術(shù)是障礙物檢測,通過多個攝像頭以及超聲波傳感器來對周圍的各種障礙物進行測距,再將感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑻幚砥髂K,經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)判斷后通過語音播報系統(tǒng)向用戶發(fā)出提示,以此來躲避障礙物。此外還添加有GPS定位及通訊模塊,以此來防止意外走失以及進行緊急求助。智能導(dǎo)盲杖的應(yīng)用可以使視障人群在任何場景都能夠迅速準確的感知周圍環(huán)境,并獨立、安全的出行。分析當(dāng)前視障人群的生活現(xiàn)狀,闡述智能導(dǎo)盲手杖對其生活及精神文明的重要性,并就相關(guān)概念進行系統(tǒng)的概述,根據(jù)視障人群的特性,分析智能導(dǎo)盲手杖的可行性。研究課程是面對視障人群,因此相應(yīng)的交互設(shè)備應(yīng)更加精簡安全,以此來更好的保障他們出行安全,給予他們真正的便利生活。本團隊研發(fā)的智能導(dǎo)盲杖系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

各組成模塊的功能如下：

（1）主控模塊:STM32F 103 作為主控單元,連接各模塊并通過傳感器收集信息加以處理。

（2）傳感數(shù)據(jù)采集模塊（測距模塊、GPS 導(dǎo)航模塊）

①測距模塊

a.HC-SR04 超聲波測距模塊

智能導(dǎo)盲手杖需要對環(huán)境適應(yīng)性強和測量精確高,采用HC-SR04 超聲波測距模塊能夠解決環(huán)境和精確問題。

b.陀螺儀、磁力計模塊：MPU6050、HMC5883

采用多個傳感器,不需要改變傳感器的方向,多個方向上的傳感器協(xié)同工作,通過陀螺儀與磁力計的共同作用來確定障礙物的方向與距離。

②GPS 定位模塊

定位模塊的主要作用是通過實時跟蹤和記載視障人群的活動軌跡,在遇到緊急情況下,向智能家居聯(lián)動系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前的位置信息,并通過短信的方式通知家人,以求得家人的幫助。這樣可以使他們在第一時間受到救助,避免受到二次傷害。

（3）語音播報模塊

避障模式下,當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時,系統(tǒng)先計算出距離障礙物的遠近,當(dāng)小于設(shè)定值時其內(nèi)部的振動系統(tǒng)開始振動報警,并播報提前錄制好的語音,例如：“前方有障礙物,請小心前行?！?/p>

（4）視障人群智能家居系統(tǒng)聯(lián)動模塊

在外靠“easy go——易行（智能導(dǎo)盲杖）”,在家靠“智能家居系統(tǒng)”。智能導(dǎo)盲杖通過GPS 定位模塊記錄一天的行程數(shù)據(jù),并將行程數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居后臺,同時智能家居系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)模塊和控制模塊,自動識別智能導(dǎo)盲杖并接收數(shù)據(jù),兩者共同構(gòu)成一套完備的聯(lián)動系統(tǒng),實現(xiàn)對視障人群行程的實時監(jiān)測。在緊急情況下,智能導(dǎo)盲杖還可以通過短信的方式,將緊急信號發(fā)送至親人的手機上,形成一套緊急救助系統(tǒng)。

3 擬解決的關(guān)鍵問題

本設(shè)備面向的對象是視力障礙的人群,首先要考慮的是安全問題,如何保障他們的行走安全是一個重點,對于靜態(tài)的物體容易識別并發(fā)出告警,但是對于動態(tài)的物體,例如汽車、寵物等如何去識別將是此次課題著重解決的地方；其次是便捷,智能導(dǎo)盲手杖不能設(shè)置太多按鍵,整體的設(shè)計要以方便實用為主,方便視障人群使用。

3.1 安全保障

3.1.1 障礙識別、語音告警：通過超聲波、紅外線等設(shè)備,感應(yīng)手杖與物體之間的距離,快接近障礙物時,語音提示：“前方有障礙物請小心前行”。

3.1.2 SOS 緊急按鍵：出現(xiàn)緊急情況時用戶可以聯(lián)系手杖內(nèi)綁定的緊急聯(lián)系人。

3.2 便捷操作

導(dǎo)盲手杖不能設(shè)置太多按鍵,防止用戶在使用時出現(xiàn)誤觸等錯誤操作,影響到用戶的使用體驗。從便捷的思考點出發(fā),全面的簡化按鍵,并支持語音交互。

3.2.1 整體兩按鍵

一鍵開關(guān)和一鍵報警,設(shè)置兩個物理按鍵就可以滿足手杖的使用需求,其他的功能都將通過語音交互來完成。

3.2.2 防止虛假報警（誤觸自檢）

一鍵報警功能要有誤觸自檢的功能,即使被輕微觸碰時,設(shè)備也有可能發(fā)出虛假呼叫或向報警中心發(fā)送虛假報警信息。

3.2.3 長時間運行、耐用性

很多視障人群不敢學(xué)習(xí)如何使用設(shè)備,因為他們擔(dān)心損壞設(shè)備,所以手杖應(yīng)該能夠承受頻繁操作或意外摔落等情況發(fā)生。這些設(shè)備的電池應(yīng)具備使用壽命長,體積小容量大的特性,同時還應(yīng)具備提示充電或者提示更換電池功能,這樣視障人群的親屬可以提前解決。

4 技術(shù)方案

導(dǎo)盲杖主體、可實現(xiàn)智能語音交互功能的智能調(diào)控裝置、可根據(jù)不同路面環(huán)境選擇觸地端頭的觸地支撐裝置,所述導(dǎo)盲杖主體包括桿身、可拆卸在桿身下端的桿底、可拆卸在桿身上端的把手,所述桿身內(nèi)部設(shè)有空腔,桿身上、下端內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)螺紋,桿身下端外表面設(shè)有環(huán)形的移動滑道。可拆卸把手局部設(shè)計如圖2 所示。

圖2 智能導(dǎo)盲杖把手局部設(shè)計圖

所述智能調(diào)控裝置設(shè)置在桿身內(nèi),包括負責(zé)接收傳感器信息加以處理的微控器、可處理用戶當(dāng)前位置信息及目的地導(dǎo)航路線的GPS 傳感器、可將信息通過語音提示反饋用戶的語音交互裝置、探測用戶前方障礙物并進行反饋距離的超聲波傳感器,所述超聲波傳感器嵌入在空腔內(nèi),超聲波傳感器的超聲波探頭呈一定角度安裝在桿身下端兩側(cè),探測周圍地面二維環(huán)境,所述GPS 傳感器、微控器與語音交互裝置設(shè)置在空腔內(nèi),超聲波傳感器、GPS 傳感器分別電性連接微控器的輸入端,微控器的輸出端與語音交互裝置電性連接；所述觸地支撐裝置包括用于支撐在地面上的支撐腳、滑動軸承、用于帶動滑動軸承上下滑動的直線電機、繼電器,所述直線電機設(shè)置在移動滑道上,滑動軸承設(shè)置在直線電機上,且滑動軸承與移動滑道活動套合,所述支撐腳設(shè)置在滑動軸承上,繼電器設(shè)置在空腔內(nèi),直線電機與微控器、繼電器的輸出端電性連接；工作時,超聲波傳感器探測道路上障礙物與地面環(huán)境的情況,實現(xiàn)語音提示及觸地支撐腳的選擇。觸地支撐裝置局部設(shè)計如圖3 所示。

圖3 觸地支撐裝置局部設(shè)計圖

5 結(jié)論

easy go——易行（智能導(dǎo)盲杖）具有GPS 定位、語音播報、危險預(yù)警、視障人群智能家居系統(tǒng)聯(lián)動、緊急報警等功能,可以保障視障人群出行安全,實現(xiàn)視障人群能夠像普通人一樣自由出行,視障人群的親人或者社區(qū)服務(wù)人員可以登錄客戶端實時查看其出行記錄,保障他們的出行安全。