基于V2X技術(shù)的智能導(dǎo)航杖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張瑞超，王琳

（山東管理學(xué)院，山東濟(jì)南 250000)

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)，截至2020年全球有3850萬失明人口，中國是世界上失明人口最多的國家，共有830萬視力障礙者，占全球21.6%。近年來，中國視力障礙者人數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，這主要與人口老齡化及不良生活方式等因素有關(guān)。對于視力障礙者而言，出行中的導(dǎo)航路徑識別和引導(dǎo)一直是一個亟待解決的難題。目前，雖然市面上有供視力障礙者予以使用的手持電子導(dǎo)盲器，但在器件結(jié)構(gòu)和技術(shù)限制上，其功能性的實(shí)現(xiàn)往往受到或多或少的限制，如定位不準(zhǔn)確，只依賴聲音或震動來定位距離或障礙物，無法應(yīng)對突發(fā)狀況或復(fù)雜環(huán)境等。隨著近年來無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，車輛通信技術(shù)的智能導(dǎo)航杖逐漸引起人們的重視，本文提出基于V2X技術(shù)的智能導(dǎo)航杖設(shè)計(jì)方案，通過利用V2X通信模塊、GPS模塊、慣性傳感器等組件幫助視力障礙者提供行動支持上的導(dǎo)航功能，在運(yùn)用V2X地圖匹配算法中，通過與云端地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)對視力障礙者的精準(zhǔn)導(dǎo)航。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀及引用場景

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

1.1.1 視力障礙者出行現(xiàn)狀

國內(nèi)視力障礙者出行存在很多困難和挑戰(zhàn)。以下是一些主要問題：

1)缺乏無障礙設(shè)施：很多城市中缺乏無障礙設(shè)施，如無障礙通道、盲道、無障礙電梯等，這給視力障礙者出行帶來很大的困難。

2)交通不便：城市中的交通設(shè)施也存在很多問題，如公交車站、地鐵站等不便于視力障礙者出行，導(dǎo)致視力障礙者在出行時(shí)需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力。

3)噪音和人流干擾：視力障礙者在出行時(shí)需要依靠其他感官，如聽覺、觸覺等，但是城市中的噪音和人流等因素會干擾視力障礙者的感知，導(dǎo)致視力障礙者出行困難。

4)導(dǎo)盲杖使用率不高：雖然導(dǎo)盲杖是視力障礙者出行的重要輔助工具，但是在國內(nèi)，很多視力障礙者并沒有使用導(dǎo)盲杖。一方面是因?yàn)閷?dǎo)盲杖的價(jià)格較高，一般需要幾百元到幾千元，對于一些經(jīng)濟(jì)困難的視力障礙者來說，難以承擔(dān)；另一方面是因?yàn)閷?dǎo)盲杖的使用需要一定的技能和訓(xùn)練，而很多視力障礙者并沒有接受過相關(guān)的培訓(xùn)。

5)導(dǎo)盲犬使用不夠普及：導(dǎo)盲犬是一種專門為視力障礙者服務(wù)的犬只，可以幫助視力障礙者出行、識別障礙物等。但是在國內(nèi)，導(dǎo)盲犬的使用還不夠普及，一方面是因?yàn)閷?dǎo)盲犬的培訓(xùn)和購買成本較高，另一方面是因?yàn)橐恍┕矆鏊鶎?dǎo)盲犬的接納程度不高，導(dǎo)致視力障礙者出行受到限制。

1.1.2 導(dǎo)盲杖現(xiàn)狀

導(dǎo)盲杖是一種助行工具，主要用于輔助視力受損的人員在外出行走時(shí)進(jìn)行障礙物識別和避障。目前，導(dǎo)盲杖的市場上有機(jī)械式導(dǎo)盲杖和電子式導(dǎo)盲杖兩種類型。

機(jī)械式導(dǎo)盲杖通常是由鋁合金材料制成，體積小，便于攜帶，使用時(shí)不需要電池支持，價(jià)格相對便宜，但功能單一，只能通過揮動導(dǎo)盲杖來探測障礙物。

電子式導(dǎo)盲杖采用聲波探測技術(shù)，具有自動感應(yīng)障礙物、語音提醒等功能，依靠電池供電。與機(jī)械式導(dǎo)盲杖相比，它的功能更加強(qiáng)大，適用范圍更廣。

雖然導(dǎo)盲杖在實(shí)際應(yīng)用中有很大作用，但也存在一些問題，如識別準(zhǔn)確度不高、使用復(fù)雜度較大等，需要進(jìn)一步的研發(fā)和改進(jìn)。因此本文為了提高精度和準(zhǔn)確度，提出了將V2X 技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)思路。

1.2 導(dǎo)盲杖應(yīng)用場景

導(dǎo)盲杖是一種專門為視力障礙者設(shè)計(jì)的輔助工具，常用于以下場景：

1)戶外行走：導(dǎo)盲杖可以幫助視力障礙者識別地面障礙物、防止碰撞。

2)交通出行：導(dǎo)盲杖可以幫助視力障礙者辨識信號燈、提示行人通道，并有效避免因行走不慎遭受車輛撞擊等危險(xiǎn)。

3)購物逛街：導(dǎo)盲杖可以指示視力障礙者前方是否有貨架或者其他障礙，并提醒其注意避讓。

4)室內(nèi)生活：導(dǎo)盲杖可以幫助視力障礙者掌握家中擺設(shè)、家具布局等信息，避免發(fā)生碰撞事故。

5)景點(diǎn)游覽：導(dǎo)盲杖可以幫助視力障礙者辨認(rèn)游覽路線、提示景點(diǎn)位置，從而更好地參觀旅游景區(qū)。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 V2X技術(shù)的可行性

V2X 技術(shù)[1]是指車聯(lián)網(wǎng)中任何信息事物的通信，它是指車輛與車輛(V2V) 、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間(V21)、車輛與行人之間(V2P)、車輛與網(wǎng)絡(luò)之間(V2N)的交通信息交換。所以當(dāng)我們把V2X 技術(shù)應(yīng)用植入到導(dǎo)盲杖的應(yīng)用場景中時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)視力障礙者同車輛、行人、基礎(chǔ)設(shè)施、和網(wǎng)絡(luò)間人機(jī)交互功能，最終為視力障礙者的出行安全和便利提供裨益。具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 V2X運(yùn)用到拐杖中與其他設(shè)施的聯(lián)系

當(dāng)視力障礙者攜帶智能導(dǎo)盲杖通過路口時(shí)，V2X技術(shù)可以更精準(zhǔn)且安全地幫助視力障礙者接收車輛和路邊設(shè)施之間的通信，通過共同通信協(xié)議來減少可能出現(xiàn)的信號干擾及通信延遲問題，如交通信號燈的變化、車輛和行人的位置距離等。這些信息可以在短時(shí)間內(nèi)快速傳輸?shù)街悄軐?dǎo)盲杖中，讓用戶可以更實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地了解自身所處的交通環(huán)境和地理方位，降低其與車輛的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，結(jié)合V2X技術(shù)的智能導(dǎo)盲杖在實(shí)際使用中能夠獲取更多用戶的。從而更加易于市場推廣。

當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用場景中，還需要考慮V2X 技術(shù)同智能導(dǎo)盲杖間的深度集成，如強(qiáng)對流天氣影響、強(qiáng)信號干擾等問題，以便在充分的實(shí)驗(yàn)和測試中確保應(yīng)用場景的兼容性和穩(wěn)定性。

2.2 V2X技術(shù)應(yīng)用于智能導(dǎo)盲杖

V2X 導(dǎo)盲杖采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]，通過與周圍車輛和交通信號燈通信，為視障人士及視力薄弱者提供導(dǎo)航和安全提示，以避免在出行中的安全隱患。V2X導(dǎo)盲杖的主要功能原理如下：

2.2.1 車輛檢測

V2X導(dǎo)盲杖利用傳感器、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多種技術(shù)手段，通過震動提示等方式實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以幫助用戶避免潛在危險(xiǎn)。其主要設(shè)計(jì)原理如下：

1)傳感器：V2X 車輛檢測系統(tǒng)通常使用雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波等傳感器技術(shù)手段進(jìn)行應(yīng)用。當(dāng)行人使用導(dǎo)盲杖經(jīng)過馬路時(shí)，V2X導(dǎo)盲杖將通過傳感器自動采集數(shù)據(jù)，并幫助探測識別車輛的位置、速度、方向、距離和大小等環(huán)境信息。

2) V2X 通信技術(shù)：V2X 導(dǎo)盲杖可以利用Wi-Fi、LTE、5G 和DSRC 等通信技術(shù)，幫助用戶建立通信渠道、實(shí)時(shí)接收有關(guān)車輛的行駛方向、車速、距離、道路地形等信息。

3)數(shù)據(jù)處理：V2X導(dǎo)盲杖在使用中可借助局域網(wǎng)解析傳感器所收集到的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與預(yù)定義的規(guī)則和算法相結(jié)合以確定可能存在的危險(xiǎn)，并發(fā)出警報(bào)指示。

2.2.2 信號燈識別

1)數(shù)據(jù)采集：V2X導(dǎo)盲杖中的內(nèi)置攝像頭可以采集行進(jìn)過程中的交通信號燈圖像，并將圖像及時(shí)作為信號源，傳輸至場景使用中。

2)圖像分析與處理：V2X導(dǎo)盲杖通過計(jì)算機(jī)視覺算法對采集到的圖像進(jìn)行分析和處理，包括將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像、邊緣檢測和形態(tài)學(xué)變換，從而提取出信號燈的特征，以確定信號燈的紅、綠或黃色狀態(tài)。

3)V2X 通信：一旦信號燈的狀態(tài)被確定，V2X 導(dǎo)盲杖將使用V2V 或V2I 通信技術(shù)與周圍的汽車或交通控制系統(tǒng)通信。當(dāng)信號燈為紅燈時(shí)，V2X導(dǎo)盲杖將發(fā)出警告聲音或振動，以提醒視覺障礙者不要通過路口；當(dāng)信號燈轉(zhuǎn)為綠燈時(shí)，V2X 導(dǎo)盲杖將發(fā)出語音提示或震動，以指示視力障礙者可以通過路口。

2.2.3 導(dǎo)航指引

1)位置定位：利用GPS 定位、地磁定位或者Wi-Fi定位等技術(shù)精確定位用戶所在的位置。

2)環(huán)境感知：通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取周邊環(huán)境信息，包括交通信號燈狀態(tài)、道路狀況、車輛行駛情況等，為用戶提供準(zhǔn)確的交通信息。

3)導(dǎo)航規(guī)劃：根據(jù)用戶語音輸入的目的地和當(dāng)前位置，采用距離最短、時(shí)間最短等算法規(guī)劃最優(yōu)路徑，并根據(jù)實(shí)時(shí)交通情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

4)聲音提示：當(dāng)用戶即將行至路線中的關(guān)鍵路口或轉(zhuǎn)彎處時(shí)，V2X導(dǎo)盲杖會通過聲音提示及震動提醒用戶，并指引用戶正確方位。同時(shí)，會在一定距離內(nèi)提前告知用戶使用者所行進(jìn)的方向變化和交通流量狀況等信息。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)連接

V2X 導(dǎo)盲杖融合了GPS、慣性導(dǎo)航等位置信息技術(shù)，與車載設(shè)備實(shí)時(shí)通信，在多源信息的基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)傳輸周邊環(huán)境信息，如障礙、樓房、地形等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于V2X 技術(shù)的智能導(dǎo)盲杖主要由傳感器、通信模塊、語音提示和震動反饋系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

3.1 傳感器

傳感器是導(dǎo)盲杖的核心部件，用于檢測視力障礙者周圍的環(huán)境信息。本文采用了超聲波傳感器和紅外傳感器，分別用于檢測前方障礙物和側(cè)面障礙物。超聲波傳感器可以檢測到距離導(dǎo)盲杖前方一定距離內(nèi)的障礙物，紅外傳感器可以檢測到導(dǎo)盲杖側(cè)面的障礙物。傳感器檢測到障礙物后，會向控制器發(fā)送信號，觸發(fā)語音提示和震動反饋系統(tǒng)。

3.2 通信模塊

通信模塊是導(dǎo)盲杖與車輛之間進(jìn)行信息交互的關(guān)鍵部件。本文采用了車載通信模塊[3]，通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將車輛信息傳輸?shù)綄?dǎo)盲杖上。車輛信息包括車輛位置、速度、方向等，通過車載通信模塊傳輸?shù)綄?dǎo)盲杖上后，可以幫助導(dǎo)盲杖識別交通信號燈、行人等信息，提供更加精確的導(dǎo)航和警示功能。

3.3 語音提示和震動反饋系統(tǒng)

語音提示【4】和震動反饋系統(tǒng)是導(dǎo)盲杖的輸出部件，用于向視力障礙者傳遞信息。當(dāng)傳感器檢測到障礙物時(shí)，語音提示和震動反饋系統(tǒng)會同時(shí)觸發(fā)，向視力障礙者發(fā)出警示信號。語音提示系統(tǒng)采用了語音合成技術(shù)，可以將車輛信息轉(zhuǎn)化為語音提示，例如“前方有車輛，請注意安全”。震動反饋系統(tǒng)采用了震動馬達(dá)，可以向視力障礙者傳遞震動信號，提醒視力障礙者注意前方障礙物。

3.4 充電管理模塊

V2X 導(dǎo)盲杖充電管理模塊主要對導(dǎo)盲杖的電量進(jìn)行監(jiān)控和管理，提供電源不足時(shí)的警報(bào)和提示，以下是詳細(xì)的分析。

1)充電方式：V2X導(dǎo)盲杖充電管理模塊一般支持兩種充電方式，分別是直接插電和先充電后使用。直接插電是將充電器插入導(dǎo)盲杖上進(jìn)行充電，充滿后即可使用；先充電后使用是將導(dǎo)盲杖插入充電器中充電，充滿后取出使用。

2)充電保護(hù)：為了延長導(dǎo)盲杖電池的壽命，V2X導(dǎo)盲杖充電管理模塊會對電池進(jìn)行智能保護(hù)，例如過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)等，以保證電池的安全性和可靠性。

3)充電狀態(tài)提示：在導(dǎo)盲杖和充電器上會設(shè)置相應(yīng)的充電狀態(tài)指示音，用于提示充電狀態(tài)，例如正在充電、充電完成等狀態(tài)，方便用戶知道當(dāng)前的充電情況。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文采用了Arduino 開發(fā)板作為導(dǎo)盲杖的控制器，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，以及語音提示和震動反饋系統(tǒng)的控制。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本文采用了Arduino UNO開發(fā)板作為導(dǎo)盲杖的控制器，超聲波傳感器和紅外傳感器分別連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳和模擬引腳上。車載通信模塊采用了SIM808模塊，通過串口連接到開發(fā)板上。語音提示系統(tǒng)采用了DFPlayer Mini模塊，通過串口連接到開發(fā)板上。震動反饋系統(tǒng)采用了震動馬達(dá)，通過數(shù)字引腳連接到開發(fā)板上。

超聲波傳感器：超聲波傳感器用于檢測前方的障礙物?？梢詫⑵溥B接到開發(fā)板的數(shù)字引腳上。Arduino UNO 有幾個數(shù)字引腳可用于接收傳感器的信號，可以選擇其中一個并在代碼中相應(yīng)地設(shè)置。

紅外傳感器：紅外傳感器可以用于偵測導(dǎo)航線或其他地面標(biāo)記。類似超聲波傳感器，可以將紅外傳感器連接到開發(fā)板的模擬引腳上。選擇一個合適的引腳，并在代碼中進(jìn)行配置。

車載通信模塊：可以用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的傳輸和通信功能。將其連接到開發(fā)板上的串口引腳，通常是使用開發(fā)板上的TX和RX引腳連接。

語音提示系統(tǒng)(DFPlayerMini 模塊）：DFPlayerMini模塊可以播放預(yù)先錄制的音頻文件，用于向用戶提供語音提示。將其連接到開發(fā)板上的串口引腳，類似于車載通信模塊的連接方式。

震動反饋系統(tǒng)（震動馬達(dá)）：將震動馬達(dá)連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳上。選擇一個適當(dāng)?shù)臄?shù)字引腳，并在代碼中設(shè)置該引腳的輸出。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本文采用了Arduino IDE[5]作為開發(fā)工具，編寫了相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)盲杖的功能。程序主要分為傳感器數(shù)據(jù)采集、車載通信、語音提示和震動反饋四個部分。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

傳感器數(shù)據(jù)采集部分：通過超聲波傳感器和紅外傳感器采集視力障礙者周圍的環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破魃稀?/p>

車載通信部分：通過車載通信模塊，將車輛信息傳輸?shù)綄?dǎo)盲杖上包括車輛位置、速度、方向等信息。

語音提示部分：通過語音合成技術(shù)，將車輛信息轉(zhuǎn)化為語音提示，例如“前方有車輛，請注意安全”。

震動反饋部分：通過震動馬達(dá)，向視力障礙者傳遞震動信號，提醒視力障礙者注意前方障礙物。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于V2X 技術(shù)的智能導(dǎo)盲杖方案，可以有效提高視力障礙者的出行安全和便利性，該方案采用傳感器、通信模塊、語音提示和震動反饋系統(tǒng)等組件實(shí)現(xiàn)。程序主要分為傳感器數(shù)據(jù)采集、車載通信、語音提示和震動反饋四個部分，從而可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。該智能導(dǎo)盲杖方案具有較高的導(dǎo)航準(zhǔn)確率和實(shí)用性，可以為視力障礙者提供更加便捷的導(dǎo)航服務(wù)，為他們的日常出行帶來更多的便捷和自主權(quán)。