easy go
——易行（智能导盲杖）

王 浩 胡 浩 王 冉 孔垂宇

（武昌工学院,湖北 武汉430070）

据统计,我国视障人群高达1700 多万,且年增长率连年上升,由于视力上的缺陷,使得他们在衣食住行等方面非常不方便,尤其是在外出时还会因为视觉障碍引发安全问题。目前,国内外市场上已有许多导盲装置,能够在一定程度上解决视障人群的困难,但是从使用情况上来看,其功能单一,价格昂贵。另外,据了解,有一部分视障人群选择使用导盲犬来帮助其出行,但是由于我国部分地区的交通系统和公共场所对导盲犬的配套措施还不够完善,使得视障人群的出行依然受到一定的限制。综上所述,为了使视障人群能够像普通人一样自由出行,研究一套便捷的能够随拿随放的智能导盲控制系统尤为重要。

1 背景技术

目前,人机交互技术已经在社会生产生活中得到了广泛的应用,各种各样的人机交互装置,人机交互界面不断被研制出来并应用到人们日常生活当中。随着智能语音的发展,智能语音交互打破了传统的繁琐输入和输出,极大的简化了交互方式,在各个领域得到了广泛的应用。现阶段的智能盲杖由于操作按键过于繁琐、功能单一等因素影响着用户体验感,在使用的过程中安全性与舒适性不够,不利于用户体验。

2 研究思路

本团队综合了目前先进的物联网及嵌入式技术,提出一套智能导盲杖控制系统。该系统的核心技术是障碍物检测,通过多个摄像头以及超声波传感器来对周围的各种障碍物进行测距,再将感知数据传输到微处理器模块,经过微处理器的数据判断后通过语音播报系统向用户发出提示,以此来躲避障碍物。此外还添加有GPS定位及通讯模块,以此来防止意外走失以及进行紧急求助。智能导盲杖的应用可以使视障人群在任何场景都能够迅速准确的感知周围环境,并独立、安全的出行。分析当前视障人群的生活现状,阐述智能导盲手杖对其生活及精神文明的重要性,并就相关概念进行系统的概述,根据视障人群的特性,分析智能导盲手杖的可行性。研究课程是面对视障人群,因此相应的交互设备应更加精简安全,以此来更好的保障他们出行安全,给予他们真正的便利生活。本团队研发的智能导盲杖系统整体设计框图如图1 所示。

图1 系统整体设计

各组成模块的功能如下：

（1）主控模块:STM32F 103 作为主控单元,连接各模块并通过传感器收集信息加以处理。

（2）传感数据采集模块（测距模块、GPS 导航模块）

①测距模块

a.HC-SR04 超声波测距模块

智能导盲手杖需要对环境适应性强和测量精确高,采用HC-SR04 超声波测距模块能够解决环境和精确问题。

b.陀螺仪、磁力计模块：MPU6050、HMC5883

采用多个传感器,不需要改变传感器的方向,多个方向上的传感器协同工作,通过陀螺仪与磁力计的共同作用来确定障碍物的方向与距离。

②GPS 定位模块

定位模块的主要作用是通过实时跟踪和记载视障人群的活动轨迹,在遇到紧急情况下,向智能家居联动系统发送当前的位置信息,并通过短信的方式通知家人,以求得家人的帮助。这样可以使他们在第一时间受到救助,避免受到二次伤害。

（3）语音播报模块

避障模式下,当前方出现障碍物时,系统先计算出距离障碍物的远近,当小于设定值时其内部的振动系统开始振动报警,并播报提前录制好的语音,例如：“前方有障碍物,请小心前行。”

（4）视障人群智能家居系统联动模块

在外靠“easy go——易行（智能导盲杖）”,在家靠“智能家居系统”。智能导盲杖通过GPS 定位模块记录一天的行程数据,并将行程数据发送到智能家居后台,同时智能家居系统通过网关模块和控制模块,自动识别智能导盲杖并接收数据,两者共同构成一套完备的联动系统,实现对视障人群行程的实时监测。在紧急情况下,智能导盲杖还可以通过短信的方式,将紧急信号发送至亲人的手机上,形成一套紧急救助系统。

3 拟解决的关键问题

本设备面向的对象是视力障碍的人群,首先要考虑的是安全问题,如何保障他们的行走安全是一个重点,对于静态的物体容易识别并发出告警,但是对于动态的物体,例如汽车、宠物等如何去识别将是此次课题着重解决的地方；其次是便捷,智能导盲手杖不能设置太多按键,整体的设计要以方便实用为主,方便视障人群使用。

3.1 安全保障

3.1.1 障碍识别、语音告警：通过超声波、红外线等设备,感应手杖与物体之间的距离,快接近障碍物时,语音提示：“前方有障碍物请小心前行”。

3.1.2 SOS 紧急按键：出现紧急情况时用户可以联系手杖内绑定的紧急联系人。

3.2 便捷操作

导盲手杖不能设置太多按键,防止用户在使用时出现误触等错误操作,影响到用户的使用体验。从便捷的思考点出发,全面的简化按键,并支持语音交互。

3.2.1 整体两按键

一键开关和一键报警,设置两个物理按键就可以满足手杖的使用需求,其他的功能都将通过语音交互来完成。

3.2.2 防止虚假报警（误触自检）

一键报警功能要有误触自检的功能,即使被轻微触碰时,设备也有可能发出虚假呼叫或向报警中心发送虚假报警信息。

3.2.3 长时间运行、耐用性

很多视障人群不敢学习如何使用设备,因为他们担心损坏设备,所以手杖应该能够承受频繁操作或意外摔落等情况发生。这些设备的电池应具备使用寿命长,体积小容量大的特性,同时还应具备提示充电或者提示更换电池功能,这样视障人群的亲属可以提前解决。

4 技术方案

导盲杖主体、可实现智能语音交互功能的智能调控装置、可根据不同路面环境选择触地端头的触地支撑装置,所述导盲杖主体包括杆身、可拆卸在杆身下端的杆底、可拆卸在杆身上端的把手,所述杆身内部设有空腔,杆身上、下端内侧设有内螺纹,杆身下端外表面设有环形的移动滑道。可拆卸把手局部设计如图2 所示。

图2 智能导盲杖把手局部设计图

所述智能调控装置设置在杆身内,包括负责接收传感器信息加以处理的微控器、可处理用户当前位置信息及目的地导航路线的GPS 传感器、可将信息通过语音提示反馈用户的语音交互装置、探测用户前方障碍物并进行反馈距离的超声波传感器,所述超声波传感器嵌入在空腔内,超声波传感器的超声波探头呈一定角度安装在杆身下端两侧,探测周围地面二维环境,所述GPS 传感器、微控器与语音交互装置设置在空腔内,超声波传感器、GPS 传感器分别电性连接微控器的输入端,微控器的输出端与语音交互装置电性连接；所述触地支撑装置包括用于支撑在地面上的支撑脚、滑动轴承、用于带动滑动轴承上下滑动的直线电机、继电器,所述直线电机设置在移动滑道上,滑动轴承设置在直线电机上,且滑动轴承与移动滑道活动套合,所述支撑脚设置在滑动轴承上,继电器设置在空腔内,直线电机与微控器、继电器的输出端电性连接；工作时,超声波传感器探测道路上障碍物与地面环境的情况,实现语音提示及触地支撑脚的选择。触地支撑装置局部设计如图3 所示。

图3 触地支撑装置局部设计图

5 结论

easy go——易行（智能导盲杖）具有GPS 定位、语音播报、危险预警、视障人群智能家居系统联动、紧急报警等功能,可以保障视障人群出行安全,实现视障人群能够像普通人一样自由出行,视障人群的亲人或者社区服务人员可以登录客户端实时查看其出行记录,保障他们的出行安全。