户外安全智能导盲系统的设计

焦姗姗 魏元奥 谷露云

摘 要：文章介绍了一种基于FPGA的新型智能导盲系统，通过超声波测距和图像采集及处理完成盲道偏离检测的功能，并通过安装导航定位系统和感光灯提高户外安全性。这些功能可以为生活中的盲人提供更多便利的行动指示，提高盲人在行动时的安全感，让智能导盲系统带领盲人安全出行。

关键词：FPGA；智能导盲系统；安全

中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0023-03

Abstract： This paper introduces a new type of intelligent blind guide system based on FPGA， which can detect blind track deviation by ultrasonic ranging and image acquisition and processing， and improve outdoor safety by installing navigation and positioning system and photosensitive lamp. These functions can provide more convenient action instructions for the blind in life， improve the sense of security of the blind in action， and let the Intelligent Blind Guide System lead the blind to travel safely.

Keywords： FPGA； Intelligent Blind Guide System； security

1 概述

1.1 課题研究的背景及意义

国内目前约有500多万盲人，占全世界盲人总数的18%，盲人在行走引导方面有很大的困难，如何安全出行，是盲人生活中最大的问题。现实中盲人在行走中要借助盲杖、导盲犬或者导盲设备等帮助。为了帮助盲人达到完全无障碍化出行，所开发的导盲装置必须要能准确识别障碍物、盲道、提醒行人注意借路及具备定位能力，为盲人提供更大的便利，而且一些老年人也可以使用。导盲杖可以在盲人外出时起到安全警示作用，最大便利的帮助盲人安全出行。

1.2 国内外研究现状及分析

目前国内外在盲人杖研究上并不重视，主要依靠导盲犬及盲道，而且研究的导盲杖大多数无功能或功能不全，目前有研究的有测距或定位的智能导盲杖，但缺乏感光灯，语音播报，偏离感应等更多功能来保障盲人。新型多功能导盲杖在新颖上添加了各项功能并使各个功能联系起来，能最大限度保障盲人的出行安全。

此项目设计了一种智能导盲系统，合理利用了当代科学技术，可以实现为盲人检测是否偏离盲道，依靠传感器探测一定范围内的路面状况并语音播报，定位盲人的地理位置，在一定亮度下感光灯的自动亮灭来保障盲人在晚上的出行安全等一系列功能。这些功能可以为生活中的盲人提供更多便利的行动指示，提高盲人在行动时的安全感，让导盲杖带领盲人安全出行。

2 定位系统

2.1 GPS定位系统

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其应用效能。

2.2 实时位置信息分享

本文主要是利用GPS定位技术可以让使用者及其家人知道自己当前的位置。

基于FPGA设计GPS定位数据的正确接收和显示，以及经纬度到平面坐标的投影变换。根据GPS输出信息标准和格式，通过串口接收模块实现串口数据的接收和经纬度信息提取，并通过LED实时显示或者通过语音转换提供使用者当前位置信息。在提取信息的同时将数据格式由码转变为十进制整数型，实现利用移位和加法运算达到代替乘法运算的效果，从而减少资源的利用率。

3 测距、图像采集与处理

3.1 测距系统

本文主要利用一种基于单片机的超声波测距系统和实时语音播报。超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化和集成化，并且可以实时控制。这种非接触式的测量使之能够在某些特定的场合下使用。

系统主要由超声波传感器、发射电路、接收电路和语音模块组成。发射电路主要由单片机发射一组稳定脉冲信号，通过一个乙类互补对称功率放大电路，接收电路主要通过一个前置放大电路和滤波电路，放大和接收有用信号。

3.2 图像采集与传送

获取图像信息是通过图像传感器来实现的。与CCD相比，CMOS图像传感器具有公益简单、成本低、功耗低、体积小等优点，而且由于其使用的是CMOS平面工艺，使得它可以在制造的时候集成模数转换器、放大器以及时序控制等辅助电路，使用时，数据接收方可以直接得到数字化的图像信息，而不需搭建专用的额外电路。

FPGA具有开发简单、静态可重复编程和动态在系统编程中的特点，已经成为当今应用最广泛的可编程专用集成电路。在FPGA的集成开发环境中提供各种I/O接口的IP核，实现各种I/O接口，且特别适合处理大规模并行运算。FPGA的时序控制能力强，同时它的硬件特性使得它在并行处理算法方面具有较大优势，这有利于快速的对图像进行采集和处理。

以FPGA为控制核心，设计一个图像采集系统，通过FPGA实现图像传感器的初始化、图像数据的采集与存储、USB接口芯片的控制；使用USB2.0接口芯片实现图像数据高速传输。图像采集则使用CMOS的OV7260摄像头。

3.3 信息处理与语音播报

单片机系统可以实现输入输出和对外围设备的控制功能，增加语音功能可以使人机交流更加便利，更体现了本文针对盲人所设计的系统的必要性。

4 感光灯与紧急联络

4.1 感光灯原理与实施

本文在前面的设计基础上添加了一个感光灯的设计。当周围环境的亮度达到一定限度时，感光灯会自动开启，以便路人可以发现盲人的位置及时避让。

4.2 一键联络

在系统中通过按键与通信，可以紧急联络呼救联系人并通过语音模块向周围发出呼救和求助，同时位置信息会发送到紧急联系人移动设备中，方便立马得知求助人位置并施予援助。

5 总结与展望

5.1 本文工作总结

本文先简要介绍了现有图像采集与处理系统的相关技术，同时介绍了FPGA的相关技术理论和基于FPGA系统的开发流程。在此基础上，以FPGA为核心，采用CMOS图像传感器和USB2.0技术构建了一个高速的圖像采集系统。

在图像采集系统中，通过FPGA完成了对图像传感器的控制、图像数据的采集与存储、USB接口芯片的控制；系统中的USB芯片则作为一种接口技术，实现了图像数据的高速传输。随着现代科技的发展，机器智能将在人们的生产生活中得到大量的应用。图像采集与处理系统作为一种具有巨大市场潜能的应用技术必将得到越来越多的应用。而FPGA凭借其低功耗、低成本、低风险和开发周期小等优势必将得到广泛的应用。它可以使得各种小型低成本嵌入式系统的开发变得简单方便。

另一方面以低成本GPS接收模块为对象，从提高精度又保证实时性的角度出发，基于平台上实现以卡尔曼滤波为核心的定位信息处理系统，完成数据的接收、转换、显示与语音播报，提高定位精度，并且能够在满足实时性和精度的要求下实现资源最优，达到了预期效果。

此外运用单片机便于接口控制的优点与语音模块结合，并控制信息传送与处理，与FPGA共同分工合作、整合来实现既定功能与目标。

5.2 展望

在本文工作的基础上，可以着手在FPGA上进行GPS接收机的完整设计，使其更能和系统紧密集成，并具有更好的通用性，基于FPGA实现GPS定位模块若能和GIS系统相结合，也具有很好的应用前景。

在硬件上，所使用的图像传感芯片的帧率只有30fps，这限制了系统的图像采集速率。在使用FPGA作为数据采集与处理中心和使用USB2.0技术作为数据传输手段后，图像传感器的图像输出速率远低于FPGA可以达到的图像采集速率和USB2.0技术可以达到的数据传输速率。

此外由于整个系统实现的功能较多，且运用了FPGA和ATM系列多个处理模块，在运行调试中容易发生错误，算法应该得到更好的改善，整个系统规格也应该注意适当合理，使用方便灵活。

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