基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)

王廣權(quán)，石玲，王建文，王善鵬，丁鵬，張浩建

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院人工智能與軟件學(xué)院，江蘇徐州，221132）

0 引言

隨著科技不斷發(fā)展，智能化不斷普及，本設(shè)計(jì)順應(yīng)科技發(fā)展要求的同時(shí)，還關(guān)注弱勢(shì)群體，尤其是視障人群。根據(jù)中國盲人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2016年我國約有1700萬盲人，是世界盲人最多的國家，但只有200只導(dǎo)盲犬。而本設(shè)計(jì)將極大程度緩解現(xiàn)有導(dǎo)盲犬的壓力，相比于生物導(dǎo)盲犬訓(xùn)練難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，智能導(dǎo)盲犬的開發(fā)與應(yīng)用有著更為廣泛的前景，同時(shí)也能改善視障人群的生活質(zhì)量。而導(dǎo)盲犬系統(tǒng)中最重要的即是導(dǎo)盲，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的是引導(dǎo)視障人群正常出行，避開出行路線范圍內(nèi)的障礙物。因此，設(shè)計(jì)出能夠精準(zhǔn)快速識(shí)別出障礙物的智能導(dǎo)盲犬系統(tǒng)，是具有很好的現(xiàn)實(shí)意義的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能導(dǎo)盲犬是視力障礙人群的出行重要輔助工具。從總體設(shè)計(jì)上來看，智能導(dǎo)盲系統(tǒng)可以按照模塊分為：智能導(dǎo)航模塊、避障模塊、危險(xiǎn)警報(bào)模塊、電源模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊。

1.1 智能導(dǎo)航模塊

圖1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)示意圖

為了便于視障人群的出行，我們?cè)谥悄軐?dǎo)盲犬的導(dǎo)航系統(tǒng)上增添了語音功能，利用GPS以及北斗導(dǎo)航雙模混合導(dǎo)航，在最短的時(shí)間內(nèi)分析出最短路徑以及道路交通數(shù)據(jù)情況，使得視障人群能夠根據(jù)智能導(dǎo)盲犬發(fā)出的導(dǎo)航消息選擇路線，不僅節(jié)約了視障人群的時(shí)間，還在一定程度上緩解了道路交通的壓力。同時(shí)，在導(dǎo)航的系統(tǒng)功能上增添了bug算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。GPS系統(tǒng)以及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已遍布于人工智能領(lǐng)域，且廣泛地應(yīng)用于汽車、手機(jī)等領(lǐng)域。因?yàn)镚PS系統(tǒng)以及北斗系統(tǒng)混合導(dǎo)航可移動(dòng)定位的特性以及高效率的路徑選擇能力，所以我們才將其加入智能導(dǎo)盲犬的導(dǎo)航模式中，通過bug算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的判定，高效地為視障人群選擇最適合、最快速的路徑。同時(shí)在GPS以及北斗導(dǎo)航中都存在民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，且無需支付高額的費(fèi)用，便可以使用此功能，這在一定的程度上降低了視障人群的經(jīng)濟(jì)支出，也有助于智能導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)。為智能導(dǎo)盲犬的導(dǎo)航模式加入GPS系統(tǒng)，是因?yàn)樾l(wèi)星軌道上遍布了超過24個(gè)衛(wèi)星在同時(shí)運(yùn)行，其不僅僅為智能導(dǎo)盲犬的導(dǎo)航系統(tǒng)提供技術(shù)支持，還時(shí)時(shí)刻刻能夠?yàn)橹悄軐?dǎo)盲犬提供高精度的定位以及導(dǎo)航服務(wù)，更為視障人群提供了安全保障。

1.2 避障模塊

導(dǎo)盲犬避障功能是應(yīng)用在智能導(dǎo)盲犬系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，旨在能夠讓智能導(dǎo)盲犬在行動(dòng)過程中，通過視覺傳感器給它提供周圍環(huán)境的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，避免用戶及其自身出現(xiàn)碰撞。本功能將配合智能GPS定位與北斗導(dǎo)航雙模式定位導(dǎo)航、智能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、智能語音系統(tǒng)、5G通信等模塊來獲取到用戶的經(jīng)緯度，并結(jié)合道路交通狀況為用戶規(guī)劃合理出行路線。導(dǎo)盲犬通過對(duì)出行路線范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行360度全方位掃描，通過WSP算法建立3D模型，將障礙物的速度、加速度、大小、距離等相關(guān)數(shù)據(jù)添加到主模型中，并基于完備的訓(xùn)練模型判斷出周圍障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡，安全范圍的定義，防止障礙物突然進(jìn)入到安全范圍內(nèi)影響到用戶的正常出行。系統(tǒng)在接收到用戶語音指令后，視覺傳感器將在啟動(dòng)之前會(huì)首先利用紅外掃描一次周圍環(huán)境，以及利用北斗導(dǎo)航定位模塊，確定用戶位置，做到及時(shí)且安全的避障。

傳感器由紅外傳感器和超聲波傳感器兩部分組成。紅外傳感器用來檢測(cè)安全距離范圍內(nèi)的障礙物，而超聲波傳感器檢測(cè)安全進(jìn)行界限之外的障礙物，兩部分相輔相成。傳感器通過發(fā)射裝置發(fā)射紅外線和超聲波，在檢測(cè)到物體后返回信號(hào)至接收信號(hào)裝置，在收到信號(hào)后進(jìn)行信息分析，并將判斷出障礙物的狀態(tài)信息發(fā)送給導(dǎo)盲犬避障功能處理區(qū)，同時(shí)通過語音系統(tǒng)功能提醒用戶及時(shí)避障。另外在選擇傳感器方面也是經(jīng)過了一番深思熟慮，紅外傳感器可以在外界為強(qiáng)光等條件下，采用多點(diǎn)采集的方式，避免太陽光線對(duì)紅外傳感器中的二極管造成傷害，防止造成系統(tǒng)對(duì)于距離把控的誤判或者影響另一個(gè)超聲傳感，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不合，甚至使整個(gè)系統(tǒng)陷入無法挽回的癱瘓。此外，使用超聲傳感器的原因在于超聲傳感器發(fā)出的機(jī)械波方向性會(huì)更好，并且對(duì)于發(fā)射機(jī)械波的方向也是固定的，使得導(dǎo)盲犬對(duì)于各個(gè)方向的情況都可以第一時(shí)間做出判斷。在機(jī)械波的傳輸過程中，波對(duì)于固體的穿透性是不可替代的一種本領(lǐng)，當(dāng)發(fā)出的機(jī)械波碰到了固體的分界面時(shí)，在分界面處會(huì)傳回反射回波，第一時(shí)間能夠被超聲傳感器捕捉。在兩種波的相互作用下，智能導(dǎo)盲犬更具有方向性以及重要的避障功能，為視力障礙人群提供了更加有力的保障。

圖2 導(dǎo)航模塊設(shè)置

1.3 危險(xiǎn)警告模塊

智能導(dǎo)盲犬的危險(xiǎn)警告模塊分為探測(cè)模塊與危險(xiǎn)警告模塊，傳統(tǒng)的探測(cè)器主要有紅外探敏測(cè)、熱敏探測(cè)以及顆粒物探測(cè)。探測(cè)也不僅僅是探測(cè)周圍環(huán)境，同時(shí)也會(huì)通過光電式心率傳感器智能手環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的身體健康數(shù)據(jù)以及其位置信息等。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的探測(cè)器并不適用于在導(dǎo)盲犬身上。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最適用于機(jī)器導(dǎo)盲犬上的探測(cè)系統(tǒng)是pw-01藍(lán)牙芯片，其能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)導(dǎo)盲犬與盲人之間的距離，并反饋給云端，云端接收并處理數(shù)據(jù)，當(dāng)導(dǎo)盲犬與盲人之間的距離過遠(yuǎn)，云端會(huì)發(fā)出指令，導(dǎo)盲犬的報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警聲。同時(shí)盲人會(huì)配置光電式心率傳感器智能手環(huán)，能實(shí)時(shí)對(duì)盲人的心率進(jìn)行檢測(cè)和提示，當(dāng)盲人身體指標(biāo)一旦出現(xiàn)心率過高、發(fā)熱，以及暈倒等情況時(shí)，導(dǎo)盲犬會(huì)立即撥打急救電話并發(fā)送當(dāng)前位置信息，同時(shí)向盲人的親屬發(fā)送短信進(jìn)行提示，為盲人提供全天候的安全保障。

危險(xiǎn)警告模塊會(huì)二次利用智能避障模塊所建立的三維模型數(shù)據(jù)，并通過云端的算法計(jì)算出周圍物體相對(duì)于用戶的速度和方向，以此為過濾出有可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的特定模型信息，然后將通過語音系統(tǒng)和心電式智能感應(yīng)手環(huán)的震動(dòng)進(jìn)行提示。此模塊還將通過視覺傳感器傳輸?shù)膱D像進(jìn)行掃描，然后識(shí)別出周圍的一些固定標(biāo)識(shí)，包括紅綠燈顏色及方向、地上的盲道、人行橫道、人行天橋等公共設(shè)施的標(biāo)識(shí)。如當(dāng)用戶通過十字路口時(shí)，遇到綠燈突然變紅的情況，智能導(dǎo)盲犬側(cè)邊指示燈會(huì)亮起以警示周邊車輛，請(qǐng)車輛進(jìn)行避讓，同時(shí)通過語音提示用戶，使其快速通過該路口。

圖3 導(dǎo)盲犬檢測(cè)盲人身體狀況

2 技術(shù)棧、擬解決的問題以及預(yù)期成果

2.1 技術(shù)棧

智能導(dǎo)盲犬基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬是新一代綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)、語音識(shí)別等技術(shù)，外觀模仿真實(shí)的導(dǎo)盲犬，內(nèi)部集成GPS以及北斗導(dǎo)航雙?；旌蠈?dǎo)航及路線規(guī)劃接口的仿生機(jī)器人。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以幫助視障人群家屬更便利地獲取視障人群的狀態(tài)、幫助視障人群以及盲人之間互相取得聯(lián)系。通過視覺傳感器對(duì)路面情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)規(guī)避，進(jìn)行智能規(guī)劃導(dǎo)航總體路線和避障路線，給視障人群帶來更好的出行體驗(yàn)。通過語音識(shí)別技術(shù)，視障人群可以直接通過語音來控制導(dǎo)盲機(jī)器犬。

2.2 預(yù)期解決的問題

智能導(dǎo)盲犬可以極大程度縮短導(dǎo)盲犬訓(xùn)練周期長(zhǎng)的問題，緩解大部分視障人群負(fù)擔(dān)不起導(dǎo)盲犬費(fèi)用的困擾，為大部分視障人群減少與導(dǎo)盲犬的磨合期，解決導(dǎo)盲犬在社會(huì)上遭受拒絕的情況，同時(shí)可以減少導(dǎo)盲犬掉毛對(duì)皮膚敏感的人造成影響等問題；通過在生活中必不可少的導(dǎo)航，危險(xiǎn)警報(bào)，避障等技術(shù)為視障人群提供安全保障，更好地融入于當(dāng)今時(shí)代飛速發(fā)展的社會(huì)之中。考慮到部分身體情況不理想的老人，我們給智能導(dǎo)盲犬配備的智能手環(huán)也起到了很大作用，對(duì)于這部分人群，智能手環(huán)可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)所配備人的心率，遇到特殊情況也能及時(shí)提醒配備人采取必要的措施。

2.3 預(yù)期成果

智能導(dǎo)盲犬幫助視障人群更好地適應(yīng)社會(huì)，不僅同時(shí)降低培訓(xùn)導(dǎo)盲犬的周期和成本，還能讓更多視力障礙者可以及時(shí)用上導(dǎo)盲犬，將極大地提高視障人群的幸?？傊?，也能讓人們享受到科技進(jìn)步的成果；預(yù)期在不久后，智能導(dǎo)盲犬將會(huì)帶著全新的設(shè)計(jì)，包含導(dǎo)盲、避障、危險(xiǎn)警報(bào)等功能進(jìn)行全新上市，并且通過視障人群對(duì)智能導(dǎo)盲犬使用后進(jìn)行的反饋，不斷地進(jìn)行對(duì)智能導(dǎo)盲犬進(jìn)行更新改造，為視障人群提供更好的生活安全保障。

3 結(jié)語

智能導(dǎo)盲犬作為新興科學(xué)技術(shù)可以有效地緩解導(dǎo)盲犬?dāng)?shù)量過少的社會(huì)問題，在解決視障人群正常出行的同時(shí)，還可以解決部分視障人群因高昂的價(jià)格無法飼養(yǎng)導(dǎo)盲犬或因自身原因無法與導(dǎo)盲犬在同一空間共同生存的問題，符合國家相關(guān)法律規(guī)定，順應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展，滿足現(xiàn)今社會(huì)高速發(fā)展需要，也為視障人群融入現(xiàn)代化社會(huì)提供了更優(yōu)質(zhì)的條件。同時(shí)，在如今人工智能的數(shù)據(jù)化時(shí)代背景下，此項(xiàng)目不僅運(yùn)用高科技的技術(shù)為視障人群提供生活上的幫助，而且還為智能導(dǎo)盲犬在市場(chǎng)的立足奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也反映出人們漸漸地適應(yīng)了當(dāng)今飛速發(fā)展的科技時(shí)代的生活。