基于紅外測距傳感器和攝像識別功能的智能盲杖的設計

鄭昱帆

【摘要】? ? 盲人的出行和生活一直都是比較困難的，目前還沒有比較好的智能產(chǎn)品幫助盲人解決這一困難。本項目主要聚焦于設計并生產(chǎn)一款不僅能夠方便視障人士生活，且能克服諸如盲杖和導盲犬等常規(guī)輔助形式不便之處的智能化產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這個目的，我們希望該款智能盲杖可以實現(xiàn)大范圍偵測障礙物，并能通過連接耳機實時、快捷地提示使用者前方障礙物的位置，在不影響周圍路人正常出行的情況下，及時地提示視障人士是否應該繞行或折返，最大程度地保障了盲人的日常出行的安全性和體驗感。同時，該產(chǎn)品還減少了一遍遍用傳統(tǒng)盲杖探索周邊環(huán)境，敲擊障礙物并通過手上的震動反饋決定行進的不便，也為絕大部分經(jīng)濟能力較低而無法承受導盲犬費用的視障人士提供了一條可行且廉價的代替方案，節(jié)省了培訓導盲犬的社會經(jīng)濟壓力。本產(chǎn)品將使用目前市場上已有的成熟智能模塊，為智能盲杖配備障礙物識別、測距、預警功能、通信與語音交互、記憶等新功能，真正讓科技幫助盲人。

【關鍵詞】? ? 視障人群? ? 紅外測距? ? 攝像識別? ? 智能盲杖

一、課題來源

在過馬路時，我曾經(jīng)碰到一個拄著盲杖的盲人，他拄著拐杖走一步頓一步，還時不時用盲杖反復敲著路邊的石坎，仿佛這樣才能夠放心地走下石坎。好不容易到了馬路的另一頭，又要把剛才的動作重復一遍，反復用盲杖敲打路邊的障礙物，這樣循環(huán)往復，不僅浪費了大量的時間，而且復雜的障礙物容易造成盲人絆倒，另外，如果馬路上來往車輛多而速度快，很可能引發(fā)交通意外。盲人的不幸不該成為他們的負累?，F(xiàn)在科技越來越發(fā)達，以人工智能為代表的前沿科技已經(jīng)被用于生活的個個方面，例如滴滴出行，美團等，讓我們享受到了科技帶來的便利。我認為這樣的智能技術也能為盲人的生活帶來方便，幫助他們避免一些不必要的麻煩。于是我特別想要設計一款智能盲杖，它不僅能夠幫助盲人識別周圍的障礙物，還能提前給出語音提示，能更好地代替盲人的眼睛，幫助他們更好地生活。

二、課題背景

2.1 視障人群規(guī)模及輔助器具

根據(jù)國家統(tǒng)計局公開數(shù)據(jù)顯示，我國目前殘疾人數(shù)約占世界殘疾人數(shù)的五分之一，但是我國殘疾人用品的生產(chǎn)銷售量卻不足世界平均水平的五分之一，由此可見，我國的殘疾人用品存在供不應求的情況。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有殘疾人中有60%以上需要輔助器具[1]，然而，目前適合殘疾人專門使用的各類生活器具、生活勞動輔助器具、文化體育用品等特殊用具，存在品種少、檔次低、性能單一、缺乏創(chuàng)新、產(chǎn)品老化等問題，其中智能化產(chǎn)品科技含量較低、功能也較為單一。這對殘疾人的正常生活十分不友好，據(jù)了解，幾乎所有的視力殘疾人都可以通過輔助器具來補償視覺功能缺失造成的不便[2]，可以從不同程度上改善他們的生活質量，有利于更好地參與社會生活。因此，改善對視障人士的公共服務，扶持輔助器具的研制、開發(fā)和推廣，能在很大程度上提高視障人士的幸福感，有利于社會發(fā)展。

2.2 視障人群的生活特點

盲人作為社會中常見的一種弱勢群體，他們的生存狀況應該引起社會的重視，他們由于視覺上的一些缺陷而導致生活上有所不便，一些正常人很輕易能做到的事情，比如快速過馬路，注意避開道路上來往車輛等行為，對于他們來說都是生活中的一道難關。

然而，車水馬龍的道路，千變?nèi)f化的交通情況都在時刻考驗著盲人的反應能力和運氣，對于我們來說的普通的行走對于盲人來說不亞于一次心驚膽戰(zhàn)的冒險。為了提高盲人的生活質量，很有必要針對視障人群的出行研制一些有效的輔助產(chǎn)品，代替他們的眼睛，讓他們能像視力健康的人群一樣判斷復雜的道路情況。

2.3 盲杖、導盲犬的不足之處

當前，盲人出行主要依賴盲杖和導盲犬。對于普通盲杖來說，需要盲人自己用盲杖反復敲擊地面，在前后左右摸索以后才能基本了解大致路況以及前方小范圍內(nèi)有無障礙物，確定安全后再繼續(xù)行走，這樣將大量耗費盲人不必要的時間。而且一旦探測到前方有特殊情況的時候，基本很難及時地給予盲人有效的反應時間，這樣對于盲人來說危險性大幅度上升。另一方面，導盲犬存在一定的局限性，很大程度上在于其培養(yǎng)成本較高，通常情況下，培養(yǎng)一只導盲犬需要耗費大量的時間成本和人工成本，當一只成熟的導盲犬進入市面，它最有效的工作時間往往很有限而且存在不穩(wěn)定性。與此相比，機器的工作時間相對更長也更加穩(wěn)定，另外，在一些特殊情況下，導盲犬可能不太方便為盲人工作，例如導盲犬很難判斷一些較為復雜的地形，或者有一些公共場合不方便讓動物進入等等。為了解決這些不便，設計一款新型的智能盲杖顯得很有必要。

關于智能盲杖的設計，國際上已有人進行過嘗試，美國伯明翰城市大學3名學生借助智能手機技術發(fā)明的XploR盲杖，能讓盲人解決錯過熟人的問題。這種智能盲杖里有一些特殊的部件。首先是個攝像機，只要有人走近，進入它的“視野”（比如10米距離），它就掃描來人的面孔;而盲杖內(nèi)置的面部識別軟件會提取來人面容的諸多識別特征，與配套的數(shù)據(jù)庫進行比對。目前該盲杖還處于研制階段，不過它的功能局限在識別熟人上，并不能解決盲人的實際困難。

總的來說，目前市面上的智能盲杖較為稀少，而且價格普遍較高，目前來看市場十分廣闊。而我們力求利用價格更加低廉的材料和更加簡易的編程實現(xiàn)功能相對健全且實用的智能盲杖。這種智能導盲杖不僅能探測前方一定范圍內(nèi)的障礙物，而且能對前方的障礙物做出判斷，并提前給出警示，提醒盲人有危險，注意避讓。

三、研究內(nèi)容

新型智能導盲杖擬使用以arduino系統(tǒng)為核心的測控系統(tǒng)，用arduino單片機裝載紅外測距模塊、攝像識別模塊、語音模塊來解決此問題。

紅外測距模塊：目前市場上已存在比較成熟的紅外測距傳感器模塊，該模塊的測量距離為4到50cm，基本可以滿足智能盲杖的測距要求。同時該模塊使用紅外LED與CMOS圖像傳感器及數(shù)字（I/C）通信，可以很好地與其它模塊相匹配。

攝像識別模塊：OpenMV攝像識別模塊也是一款比較成熟的模塊。它具有小巧、低功耗、低成本的電路板，能夠實現(xiàn)機器視覺應用。該模塊通過python語言來實現(xiàn)，開源性更強，也方便我們之后二次開發(fā)。Python的高級數(shù)據(jù)結構也方便之后在機器視覺算法中處理復雜的輸出。利用該模塊，可以實現(xiàn)的應用包括：

1、CNN神經(jīng)網(wǎng)絡

2、Lenet數(shù)字識別：可實現(xiàn)門牌號、樓層等帶有數(shù)字的物體的識別

3、顏色識別：可實現(xiàn)斑馬線、路標、紅綠燈等帶有顏色的物體的識別。

4、人臉識別：可實現(xiàn)熟人的人臉識別。例如，在系統(tǒng)中儲存好友的照片，在路上遇見時可以自動提醒。

語音識別模塊：基于Arduino的語音識別模塊也比較成熟。搭載該語音識別模塊以后，用戶可以通過麥克風或者藍牙耳機等與智能盲杖實現(xiàn)語音交互。智能語音模塊的另一種實現(xiàn)方式是通過目前智能手機自動的語音交互功能來實現(xiàn)智能盲杖的控制，但是這涉及到智能手機和盲杖的功能匹配，技術難度相對較大。

Arduino 系統(tǒng)是一個完全開源的系統(tǒng)，經(jīng)過 10 多年 的發(fā)展，各種源代碼和配套的傳感器模塊已經(jīng)隨手可得，使得原本復雜的硬件設計過程，變得如同搭積木般容易，大大加快了普通精度要求的電子設備研發(fā)周期。在應用方面，Arduino 突破了傳統(tǒng)的依靠鍵盤、鼠標等外界設備進行交互的局限，可以更方便地進行雙人或者多 人互動，還可以通過 Flash、Processing 等應用程序與 Arduino 進行交互[3]。

本項目將在電腦上編寫單片機程序，使其能夠測出附近障礙物的距離。同時完成實驗來訓練攝像模塊識別不同類型的障礙物，如門檻、欄桿等。最后通過語音模塊將集成的信息播放給盲人，使其能夠及時避障。同時為避免影響他人，此智能盲杖也能夠加裝藍牙模塊，將智能提醒通過耳機傳遞給盲人。在技術上，本次設計的工作重點在于數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理上，不僅需要精準快速地收集路面的有效數(shù)據(jù)，還需要智能地識別這些數(shù)據(jù)，然后轉換成不同的信號精準地傳輸給用戶。根據(jù)實際情況，本次所設計的智能導盲杖在保證各項技術指標符合要求的情況下，還需要具有較低的開發(fā)成本和生產(chǎn)成本，最好能大量投入生產(chǎn)，滿足市場需要。

四、智能盲杖主要功能描述

本文設計的智能盲杖主要包含以下幾個功能。

障礙物識別：避開障礙物是盲杖最重要的功能，在智能盲杖上會配備攝像頭以及圖像識別模塊，攝像頭實時采集周圍環(huán)境照片，由圖像識別模塊進行分析判斷，傳輸給控制系統(tǒng)。

測距：障礙物的識別需要與測距功能相結合使用才能真正幫助盲人提前判斷障礙和避開障礙。在攝像模塊進行障礙物識別時，測距模塊會監(jiān)測使用者距離障礙物的距離，并與安全限制進行比較。

預警功能：預警功能包括障礙物預警、紅綠燈預警等。測距功能和障礙物識別功能會實時監(jiān)測使用者與障礙物的距離，當距離達到預設的安全限制（如20cm）時，預警功能會發(fā)出安全警報（通麥克風），提醒使用者停止腳步進行避讓。另外，圖像識別功能也可以幫助使用者去判定紅綠燈情況，例如當遇到紅燈時，智能盲杖會提醒使用者停止;變成綠燈時會提醒使用者前行。

通信與語音交互：語音交互功能能夠極大地為盲人使用者提供便利。使用者可以通過麥克風、藍牙耳機等設備給智能盲杖發(fā)出指令，例如調出去某個地點的行走路線等。

記憶功能：記憶功能也是非常重要的一項功能，方便使用者的出行和生活。掃地機器人一個很重要的功能是學習與記憶功能，它在公寓中打掃的過程中，會學習和記憶房子的結構和打掃路徑，基本在4-5次打掃后，掃地機器人就會獲得最優(yōu)的打掃路線圖。智能盲杖也能實現(xiàn)相同的功能。智能盲杖的最大功能是引導使用者去想要的地點，具有記憶功能后，智能盲杖也會存儲每次的路線圖，數(shù)據(jù)充實后，使用者在使用智能盲杖時，可以直接語音輸入目的地，智能盲杖就會調出路線圖，引導使用者快速安全地前往目的地。

五、預期成果

我們希望在前期進行3D建模設計產(chǎn)品零部件，與此同時在電腦上編寫程序，采集數(shù)據(jù)，運用Arduino單片機技術裝載個各類功能模塊，進行數(shù)據(jù)處理，在CAD應用中對產(chǎn)品進行最終組裝，設計出一把長寬高大致等于4*4*95cm的導盲杖模型（國家標準范圍）以及配套的單片機程序。

智能產(chǎn)品最重要的是其使用穩(wěn)定性，所以在產(chǎn)品樣機完成后，需要進行大量的測試，以確保性能和穩(wěn)定性達到要求。為了驗證智能盲杖的性能，將會對其進行多次實驗，將測試數(shù)據(jù)進行比較，讓實驗結果更有說服性，同時也會進行用戶使用測試，提升用戶體驗。

我們預計這個產(chǎn)品能夠為盲人們帶來更多的便利，在交通出行、社交等多方面幫助盲人。

參? 考? 文? 獻

[1] 秦本蓉.你了解殘疾人輔助器具嗎？.[J].社區(qū)，2009，（3）：47

[2] 閆媚，劉建興，黃躍紅，陳亮，夏鶴飛，朱圖陵.輔具讓視覺障礙者生活更美好.[J].中國殘疾人.2009，（12）：56-62

[3] 胡少兵，黎瑤，詹旺，蔣明明. 基于Arduino的新型智能導盲杖設計.[J].自動化與儀器儀表.2019，（9）：8-11