智能避障導(dǎo)航鞋

葉俊++程冰++朱文婷

摘 要：設(shè)計(jì)了一款組合多種傳感器的多功能避障導(dǎo)航鞋，有效解決盲人出行等問題。本作品采用紅外傳感器檢測盲人前行障礙，以便及時(shí)作出警示，該智能鞋具有檢測精度高，速度快等優(yōu)點(diǎn)，可有效檢測障礙物防止盲人摔倒；設(shè)計(jì)盲人專用手機(jī)App，利用GPS模塊實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)航功能；突遇緊急情況時(shí)，可通過內(nèi)置的GSM模塊向家人發(fā)送求助短信，實(shí)現(xiàn)緊急救援功能。

關(guān)鍵詞：盲人出行；智能避障；智能導(dǎo)航；短信求助；手機(jī)App

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0064-02

在中國，視覺障礙給盲人的日常生活帶來了諸多不便。而現(xiàn)代城市雖然設(shè)有一些設(shè)施，但方向感的喪失導(dǎo)致盲人外出極易迷路，當(dāng)盲人在外突遇嚴(yán)重事故時(shí)，往往難以及時(shí)通知家人。

目前，市面上出現(xiàn)了一些盲人出行輔助設(shè)備，但功能單一，實(shí)用性低。導(dǎo)盲犬雖有效幫助盲人外出行走，但導(dǎo)盲犬價(jià)格昂貴。

為解決以上問題，保障盲人出行安全我們擬設(shè)計(jì)了一款具有導(dǎo)航功能的智能避障導(dǎo)航鞋，配合專為盲人及其家屬設(shè)計(jì)的App，降低盲人的出行風(fēng)險(xiǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

智能避障導(dǎo)航鞋主要由紅外避障模塊，姿態(tài)傳感器，GPS導(dǎo)航模塊，GSM短信通知模塊，Arduino主控板，以及電源電池組成。紅外避障模塊安裝于鞋的前方部位，便于紅外測距傳感器實(shí)時(shí)檢測；GPS導(dǎo)航模塊配合盲人專用手機(jī)App可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能；GSM模塊可在盲人遭遇嚴(yán)重事故后自動(dòng)向家人發(fā)送緊急求助短信以及盲人位置信息。并且采用ATMEGA328P作為智能避障鞋的主控芯片；為解決供電問題，我們選用4.2V大容量可充電式鋰電池，為智能避障導(dǎo)航鞋提供持續(xù)電能，各模塊均放置或鑲嵌于鞋底。

2 智能鞋避障功能

2.1 紅外避障模塊

采用紅外避障可以避免如今大多數(shù)盲人避障系統(tǒng)的超聲波檢測速度較慢，且價(jià)格昂貴的弊端，將測距傳感器安裝至鞋尖部位探測障礙物，當(dāng)在30cm范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，安裝于鞋底的微型振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)提醒前方有障礙物。

由圖1可知，紅外測距傳感器的輸出電壓與距離的倒數(shù)是分段成線性相關(guān)的。我們用Execel對數(shù)據(jù)分段進(jìn)行線性回歸擬合，得出輸出電壓和距離的分段函數(shù)及距離的倒數(shù)與輸出電壓的關(guān)系曲線圖（圖2）。

2.2 步行姿態(tài)檢測模塊

為探究人行走過程中變化規(guī)律，我們將用GY-953姿態(tài)傳感器獲取人行走過程中腳的姿態(tài)，并利用藍(lán)牙發(fā)送至電腦，再利用Labview編寫的上位機(jī)軟件分析顯示人行走過程中姿態(tài)角度變化曲線。我們可以利用GY-953姿態(tài)傳感器獲取當(dāng)前腳的歐拉角[1]，由查閱資料可知人在行走過程中俯仰角的波形變化具有一定的周期性，而偏航角和翻滾角幾乎無明顯變化。當(dāng)俯仰角處在一個(gè)極限角度時(shí)，開啟測距傳感器，檢測前方障礙物。

2.3 GPS導(dǎo)航模塊

我們設(shè)計(jì)了一種基于路線記憶的導(dǎo)航方式，首先盲人在家人的輔助下完成一段路線的行走，GPS通過采集坐標(biāo)點(diǎn)并存儲到Flash芯片中。在盲人設(shè)定好目的地后，智能鞋自動(dòng)讀取前往該地點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過GPS獲取用戶當(dāng)前的位置信息，確定盲人前進(jìn)的方向β。鞋上姿態(tài)傳感器確定用戶當(dāng)前的方向α。通過對比α和β的偏差，確定用戶是否需要轉(zhuǎn)向，將該信息通過智能鞋內(nèi)置的震動(dòng)電機(jī)傳達(dá)給用戶。

目前市面上的GPS有著許多方面的誤差。[2]這些系統(tǒng)誤差在傳統(tǒng)的絕對定位中構(gòu)成主要誤差，因此智能鞋采用的GPS會是用相對位置進(jìn)行定位。由于GPS的系統(tǒng)誤差并不是常數(shù)值，所以在較大的時(shí)間跨度上依然具有一定的影響。我們將采取每隔一段時(shí)間對現(xiàn)有的路徑數(shù)據(jù)更新來減小GPS的系統(tǒng)誤差，從而得到更為精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

除系統(tǒng)誤差外，GPS還存在多路徑效應(yīng)、接收機(jī)噪聲等因素引起的隨機(jī)誤差，該部分誤差難以消除，為了了解這部分的誤差對定位導(dǎo)航的影響大小，我們在不同時(shí)間通過擬采用的GPS對幾個(gè)相同的地點(diǎn)進(jìn)行經(jīng)緯度的測量，測量結(jié)果如表1：

表1是不同時(shí)間在同一地點(diǎn)測量的10組經(jīng)緯度坐標(biāo)值。通過貝塞爾公式計(jì)算10組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差：

（2.1）

按照CEP定義計(jì)算得出CEP精度為0.83，10組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差反映了同一地點(diǎn)不同時(shí)間GPS測得數(shù)據(jù)的離散程度，即GPS測量中隨機(jī)誤差對于該地點(diǎn)的影響[3]。

通過以上數(shù)據(jù)和散點(diǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)A組數(shù)據(jù)較為分散，B組數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)影響較小，數(shù)據(jù)較為集中，重復(fù)定位精度較高。C組數(shù)據(jù)代表了導(dǎo)航鞋工作最一般的環(huán)境，通過圖可發(fā)現(xiàn)，C組數(shù)據(jù)集中程度與B組相當(dāng)。由此可見可以滿足路線記憶導(dǎo)航對GPS重復(fù)定位精度的需求。

2.4 GSM短信通知模塊

我們設(shè)計(jì)了緊急短信求助功能，當(dāng)盲人遭遇嚴(yán)重事故時(shí)，可自動(dòng)發(fā)送短信告知家人，家人可通過手機(jī)APP獲得盲人目前的坐標(biāo)和具體位置，以便及時(shí)進(jìn)行救援。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)短信求助功能，需要設(shè)定重大安全事故判定依據(jù)，使得智能鞋以此判斷用戶是否遭遇了嚴(yán)重安全事故，從而執(zhí)行下一步操作。此外，智能鞋發(fā)送短信需使用GSM短信模塊，通過GSM短信模塊將系統(tǒng)設(shè)定的求救短信發(fā)送至盲人用戶家人手機(jī)上。

2.5 專用APP的設(shè)計(jì)

為了方便盲人用戶與家人的使用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更加智能化，我們設(shè)計(jì)一款智能避障導(dǎo)航鞋專用APP-Smart。

Smart盲人端以語音識別和語音合成為基礎(chǔ)，主要由導(dǎo)航、一鍵求救、語音時(shí)鐘、計(jì)步、藍(lán)牙、設(shè)置（包括我的路線、新建路線、鬧鐘、聯(lián)系人）等6部分組成，其中盲人靠語音來實(shí)現(xiàn)，主界面上的按鈕均有語言提示，方便盲人在智能機(jī)上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航燈功能。

Smart家人端是一個(gè)定位跟蹤系統(tǒng)，家人端的設(shè)置主要是為了實(shí)時(shí)查看盲人所在位置，進(jìn)行一些緊急情況的處理。

3 結(jié)語

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的智能避障導(dǎo)航鞋著重于解決盲人實(shí)際生活中遇到的一系列出行問題，如出行避障困難，方向感迷失，遭遇安全事故無法及時(shí)求助等，充分考慮到盲人群體的使用習(xí)慣，將會極大地方便盲人的出行。

參考文獻(xiàn)

[1]黃真，李艷文，高峰等.空間運(yùn)動(dòng)構(gòu)件姿態(tài)的歐拉角表示[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，26（3）：189-193.

[2]阿里根.關(guān)于GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差的來源及影響[J].湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（s1）：91-92.

[3]劉平.誤差分析與數(shù)據(jù)處理[Z].北京：清華大學(xué)出版社，2013-3.endprint