基于GPS與智能交互的導(dǎo)盲手杖改良設(shè)計(jì)

宮福祥，高 晉

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)中，一些盲人和視障人士擠占盲道、拒絕導(dǎo)盲犬等行為為其安全出行造成了巨大困難和安全隱患，相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道顯示，當(dāng)今社會(huì)有30%左右的盲人和視障人士因出行困難選擇不出門，有26%的盲人在家人陪同下每周出行4～6 次，有20%的盲人在家人陪同下每周出行1～3 次，其余24%的盲人可以自行出門[1]。由此可見(jiàn)，能夠自行出門的視障人士占比較少，如果不及時(shí)解決盲人出行問(wèn)題，不僅給其生活造成巨大困擾，還會(huì)在一定程度上影響其心理健康。所以，幫助盲人克服出行困難迫在眉睫。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)了激烈討論和研究，促使各種形式的導(dǎo)盲設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。但結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，由于導(dǎo)盲產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能較為單一，所以還不能充分滿足用戶需求。因此，研究一種便攜式、智能化導(dǎo)盲手杖具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 GPS 與智能交互的導(dǎo)盲手杖基本功能

1.1 定位功能

采用GPS 定位技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)盲手杖，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)盲手杖自動(dòng)定位功能。具體來(lái)說(shuō)，在導(dǎo)盲手杖中安裝GPS接收器，家人可以對(duì)盲人運(yùn)行的速度和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并且接收器在接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)能夠及時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

1.2 障礙物檢測(cè)功能

在導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)功能。即在盲人運(yùn)行過(guò)程中，如果周圍存在較大尺寸的障礙物，聲波會(huì)及時(shí)發(fā)出反射信號(hào)，提醒盲人避讓障礙物。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，超聲波需要設(shè)計(jì)為硬件形式，主要可以分為3 類：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)；第發(fā)射電路；超聲波檢測(cè)電路。如在導(dǎo)盲手杖中安裝分立施式壓電超聲波傳感器，并對(duì)超聲波發(fā)射原理進(jìn)行深入分析。在超聲波發(fā)送之前，脈沖信號(hào)為40kHz，此時(shí)信號(hào)相對(duì)較弱，并且隨著距離的加大，信號(hào)傳感也會(huì)隨之降低。所以，想要將脈沖信號(hào)傳入發(fā)射模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，而后再次對(duì)列陣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其發(fā)射超聲波，如此則能夠準(zhǔn)確計(jì)算出障礙物距離。

1.3 語(yǔ)音識(shí)別功能

智能化導(dǎo)盲手杖能夠?qū)⑹褂谜甙l(fā)出的語(yǔ)音指令轉(zhuǎn)換為文字，并通過(guò)識(shí)別技術(shù)滿足人機(jī)交互需求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以使用自然語(yǔ)言處理技術(shù)，將使用者語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為文字，而后對(duì)轉(zhuǎn)換后的文字進(jìn)行編碼，并將指令中的關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，使其形成導(dǎo)航信息，如此可以幫助使用者規(guī)劃好行走路線，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)方式引導(dǎo)盲人前行[2]。

2 GPS 與智能交互的導(dǎo)盲手杖改良設(shè)計(jì)方法

在本套導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要應(yīng)用到的技術(shù)有GPS 定位技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、語(yǔ)音播報(bào)和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中可以分為以下幾個(gè)模塊，分別為信息采集模塊、信息分析模塊和人機(jī)交互模塊。同時(shí)，還要在導(dǎo)盲手杖的表面貼上反光板，主要作用是為行人和車輛發(fā)出警示，避免盲人在夜晚出行時(shí)發(fā)生交通事故。相對(duì)于傳統(tǒng)導(dǎo)盲手杖而言，這種導(dǎo)盲手杖在功能方面更加豐富，并且操作便捷，無(wú)論有無(wú)盲道均可使用，可以有效提高盲人生活質(zhì)量。

2.1 導(dǎo)盲手杖信息采集模塊設(shè)計(jì)

在導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)過(guò)程中，信息采集模塊可以分為3 個(gè)部分，分別為采集用戶指令、采集GPS 定位信息和采集障礙物檢測(cè)信息[3]。

用戶在與導(dǎo)盲手杖人機(jī)交互過(guò)程中，主要以發(fā)出地點(diǎn)指令為主，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以采用Free Voice Text 軟件，該軟件可以準(zhǔn)確地將用戶語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為文字，并且轉(zhuǎn)換效率高。在滿足轉(zhuǎn)換需求基礎(chǔ)上，可以檢索到用戶指令中的關(guān)鍵詞，并將關(guān)鍵詞與地圖匹配，從而達(dá)到采集用戶指令需求。

采集GPS 定位信息，是對(duì)用戶想要達(dá)到的目的地以及達(dá)到的時(shí)間進(jìn)行采集。對(duì)于智能化導(dǎo)盲手杖功能系統(tǒng)而言，在采集定位信息過(guò)程中，需要將GPS 接收器與電子地圖聯(lián)合使用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子地圖選擇方案有多重，可以結(jié)合自身需求下載地圖軟件。而GPS 接收器由于需要安裝在導(dǎo)盲手杖中，所以需要考慮其尺寸大小，保證其與導(dǎo)盲杖外形相適應(yīng)。為此，本次設(shè)計(jì)選擇的接收器主板為GPS25-LVS OEM，接電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX232，通過(guò)硬件連接方式能夠及時(shí)對(duì)GPS 導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行接收，從而準(zhǔn)確判斷盲人距離目的地所消耗的時(shí)間，最終達(dá)到智能導(dǎo)航需求。

在采集障礙物檢測(cè)信息時(shí)，需要通過(guò)超聲波完成。具體來(lái)說(shuō)，超聲波在發(fā)射電路時(shí)，需要借助壓電晶體產(chǎn)生的諧振作為支撐。當(dāng)兩個(gè)脈沖信號(hào)與壓電晶片的頻率相同時(shí)，后者會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，并發(fā)出超聲波，如此則能夠有效收集障礙物信息[4]。

2.2 導(dǎo)盲手杖數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計(jì)

在導(dǎo)盲手杖信息采集完畢后，需要通過(guò)單片機(jī)對(duì)采集后的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)將采集到的語(yǔ)音質(zhì)量與電子地圖聯(lián)合在一起，從而規(guī)劃處最佳路線。而后利用語(yǔ)音合成芯片，將規(guī)劃出的路線以語(yǔ)音播報(bào)方式輸出，使用戶能夠根據(jù)播報(bào)信息行走。用戶在行走過(guò)程中，可以通過(guò)導(dǎo)盲手杖對(duì)周圍路面進(jìn)行探測(cè)，此時(shí)超聲波檢測(cè)功能會(huì)開(kāi)啟，并對(duì)檢測(cè)到的信息進(jìn)行及時(shí)反饋，如此便能夠提醒使用者避讓障礙物。

2.3 導(dǎo)盲手杖人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

智能化導(dǎo)盲手杖的人際交互功能，為盲人安全出行提供了便利，充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人性化特點(diǎn)。在開(kāi)啟智能化導(dǎo)盲系統(tǒng)后，用戶可以通過(guò)導(dǎo)盲系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音指令，此時(shí)導(dǎo)盲系統(tǒng)中的語(yǔ)音識(shí)別軟件通過(guò)識(shí)別人聲，可以將識(shí)別后的地名關(guān)鍵字提取出來(lái)，并將轉(zhuǎn)換后的信息進(jìn)行編碼處理和譯碼處理。在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖配合使用，會(huì)及時(shí)規(guī)劃出一條最為便利和安全的行駛路線，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)讀出，為盲人行走提供指引。另外，還可以將導(dǎo)盲手杖與藍(lán)牙耳機(jī)配合使用，在盲人行走時(shí)，如果周圍存在障礙物，可以及時(shí)將檢測(cè)信號(hào)傳入耳機(jī)中，如此既能夠提醒盲人避讓，又不影響其他路人行走[5]。

2.4 導(dǎo)盲手杖功能流程

導(dǎo)盲手杖功能包括定位功能、障礙自我檢測(cè)功能和語(yǔ)音播報(bào)功能等，需要應(yīng)用到OEM 板、單片機(jī)等系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用Keil C51 單片編寫語(yǔ)言程序，通過(guò)設(shè)置定位模式和單片機(jī)工作模式，能夠使單片機(jī)及時(shí)接受到串口數(shù)據(jù)，并將其寫入系統(tǒng)緩存區(qū)。在導(dǎo)盲手杖使用過(guò)程中，如果檢測(cè)到的障礙物距離達(dá)到上限，系統(tǒng)內(nèi)部的報(bào)警功能和語(yǔ)音播報(bào)功能會(huì)發(fā)出提示，從而提醒用戶重新選擇路線。由此可見(jiàn)，采用GPS 定位技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等對(duì)導(dǎo)盲手杖進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠豐富導(dǎo)盲手杖的功能性，使盲人在不需要他人陪同的情況下也能安全出行。同時(shí)，導(dǎo)盲杖表面的反光貼，還能夠?yàn)閬?lái)往行人和車輛提供警示，使其注意避讓，從而減少安全事故的發(fā)生。

另外，智能化導(dǎo)盲手杖還能夠和藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)合使用，將播報(bào)信息和提示音通過(guò)藍(lán)牙耳機(jī)傳到盲人耳中，既能正確引導(dǎo)盲人行走，又能夠避免對(duì)外界造成干擾。與此同時(shí)，智能化導(dǎo)盲手杖還具有質(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)，并且操作便捷，可以充分滿足盲人日常使用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

盲人是社會(huì)弱勢(shì)群體，需要全社會(huì)來(lái)關(guān)愛(ài)。近年來(lái)，我國(guó)視力障礙人數(shù)不斷增加，幫助盲人解決出行困難，已經(jīng)成為社會(huì)民生工程中亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。然而，當(dāng)今社會(huì)，行人擠占盲道、缺乏信號(hào)燈提示等問(wèn)題層出不窮，為盲人安全出行帶來(lái)極大不便?；诖耍噲D研究出這種智能化導(dǎo)盲手杖。該手杖具有語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)播報(bào)和自動(dòng)檢測(cè)障礙物等多種功能，即使不在盲道使用，也能夠?yàn)槊と颂峁┱_指引，有利于提高盲人自行出門的安全性。