基于激光雷達(dá)加視覺識(shí)別的導(dǎo)盲車設(shè)計(jì)

梁志華 郭建軍 陳卓然 胡志康 范釗棟

摘 要：不確定的路況一直是困擾盲人出行的一個(gè)大那題，本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲車旨在給盲人出行帶來便利。導(dǎo)盲車采用視覺識(shí)別盲道對盲道進(jìn)行循跡行走，搭配激光雷達(dá)對周圍環(huán)境進(jìn)行360°掃描測距得到周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)盲車主動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)避障功能。且導(dǎo)盲車具有語音播報(bào)、震動(dòng)提示的功能，通過實(shí)踐測試，對盲人出行有很大便利。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲車 激光雷達(dá) 視覺識(shí)別

1. 研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，我國人口上升到13.95億人，而盲人數(shù)量到達(dá)1700多人。盲人出行難的問題急需解決。培養(yǎng)一只導(dǎo)盲犬需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力、財(cái)力，這樣導(dǎo)致培養(yǎng)導(dǎo)盲犬成本較高，無法使其在大眾盲人生活中普及，而傳統(tǒng)的普通的木杖又不能給盲人帶來高效的避障能力。針對現(xiàn)況，本文所設(shè)計(jì)的基于激光雷達(dá)加視覺識(shí)別的導(dǎo)盲車可方便盲人出行。

2. 研究目標(biāo)

本文研究的導(dǎo)盲車，主要實(shí)現(xiàn)使用激光雷達(dá)避障、視覺識(shí)別盲道、語音加震動(dòng)的人機(jī)交互環(huán)長時(shí)間續(xù)航等功能技術(shù)的方案設(shè)計(jì)。

3. 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 整車機(jī)械設(shè)計(jì)

該導(dǎo)盲車采用20mm鋁型材搭建車身結(jié)構(gòu)，使扶手具有方便調(diào)節(jié)高度的能力，可以適應(yīng)不同身高的使用者。且車身強(qiáng)度高，具有很好的防碰撞能力，可更好地保護(hù)使用者。車輪使用6寸麥克納姆輪，使導(dǎo)盲車具有全向移動(dòng)能力，能夠更好地引導(dǎo)使用者避開障礙物。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用RoboMaster M3508減速直流電機(jī)，體積小巧而動(dòng)力強(qiáng)勁。車前左右裝有照明燈，車位左右裝有警示燈。

3.2 主控方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)用到的硬件模塊有RoboMaster開發(fā)板A型、ydlidar X2激光雷達(dá)、英偉達(dá)JETSON NANO處理器、USB免驅(qū)攝像頭。其中RoboMaster開發(fā)板A型主控板作為控制核心控制導(dǎo)盲車的運(yùn)行，激光雷達(dá)用于測距，USB免驅(qū)攝像頭用于采集路面信息，拍下圖片供英偉達(dá)JETSON NANO處理器處理得到盲道的位置數(shù)據(jù)。

3.3 視覺識(shí)別盲道循跡方案

視覺識(shí)別主要采用深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法，采集大量的、不同環(huán)境的盲道數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)識(shí)別出盲道區(qū)域，同時(shí)使用RGB顏色分離，進(jìn)一步的提高識(shí)別的精準(zhǔn)度[4]。也因?yàn)轭伾ǖ婪蛛x更能劃分出盲道區(qū)域，因此可以做到在處理圖像信息后將移動(dòng)方向通過串口發(fā)送給下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)盲道循跡效果。

識(shí)別過程都在英偉達(dá)JETSON NANO處理器上運(yùn)行，先將圖像降采樣到320*240分辨率，再使用輕量級模型框選出盲道區(qū)域，然后使用ROi加快顏色通道分離速度，從而能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)循跡識(shí)別任務(wù)。

3.4 激光雷達(dá)測距避障方案

ydlidar X2激光雷達(dá)采用的是三角測距法，激光三角測距雷達(dá)RPLIDAR A3，其配合了思嵐科技研發(fā)的高速視覺采集處理機(jī)構(gòu)，能進(jìn)行每秒高達(dá)3000次的測距動(dòng)作，在每次的測距過程中，ydlidar X2發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號，在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生反光將被ydlidar X2的視覺采集系統(tǒng)接收，然后經(jīng)過嵌入在ydlidar X2內(nèi)部的DSP處理器實(shí)時(shí)解算，被照射到的目標(biāo)物體與ydlidar X2的距離值以及當(dāng)前的夾角信息將從通訊接口中輸出。在電機(jī)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，ydlidar X2的測距核心將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的360°全方位掃描測距檢測。最后將所得到的數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)傳回主控板，經(jīng)過計(jì)算處理分析，判斷有無障礙。

3.5 人機(jī)交互方案

語音播報(bào)使用微盛恒創(chuàng)電子的語音播放模塊，由主控板io口控制播報(bào)內(nèi)容。語音播放模塊控制A1-A5這5個(gè)管腳即可以播出指定預(yù)先錄好的播報(bào)內(nèi)容。使用者通過開關(guān)面板對導(dǎo)盲車輸入命令時(shí)，都會(huì)有相應(yīng)的語音播報(bào)，能夠讓使用者清楚知到自己的操作。在導(dǎo)盲車運(yùn)行過程中，路面狀況通過語音播報(bào)，給使用者反映實(shí)時(shí)路況。另外遇到意外時(shí)按動(dòng)緊急呼救按鈕，語音模塊向外界發(fā)出求助聲音。

震動(dòng)提示用到370震動(dòng)馬達(dá)，安裝在扶手附近。在對導(dǎo)盲車進(jìn)行操作或者有障礙物時(shí)，震動(dòng)馬達(dá)將啟動(dòng)，通過震動(dòng)給予使用者反饋。填補(bǔ)吵鬧場合語音提示存在聽不見情況的缺點(diǎn)。

采用光敏電阻控制，在光線暗到設(shè)定情況時(shí)自動(dòng)開啟照明系統(tǒng)，車前的采用 3W 大功率LED發(fā)光二極管做的照明燈將會(huì)照亮前方道路，在照亮前面路人的同時(shí)讓路人主動(dòng)避讓，同時(shí)車尾的警示燈也會(huì)亮起來，引起后面的人注意。照明系統(tǒng)讓導(dǎo)盲車在晚上有更好的安全保護(hù)。

4 結(jié)論

盲人的出行需要借助工具的幫助，本設(shè)計(jì)可以幫盲人沿盲道行走并且自動(dòng)避開障礙?？梢越o盲人出行帶來便利，減少盲人的出行困擾，幫助盲人安全出行，有助于盲人回歸到正常的社會(huì)生活。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020A1414050060），廣東省企業(yè)科技專員項(xiàng)目（GDKTP2021004400），廣州市增城區(qū)農(nóng)村科技特派員項(xiàng)目（2021B42121631），教育部產(chǎn)學(xué)合作系統(tǒng)育人項(xiàng)目（201802048037、201802299045、201901096025），2022年校級研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KA220160255），校級本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革項(xiàng)目（仲教字{2020}32號），2020年度校級“十三五”規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目（仲教字{2021}3號），大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202011347086、S202111347089）。

作者簡介：

一作：梁志華，在讀本科生。

*通訊作者：郭建軍，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化與自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等，E-mail：glgxbaobao@163.com。