盲人智能導航避障眼鏡

車進輝 王學銀 王建華 吳文彬 藍如 王江波

摘 要： 目前單片機微控制和圖像識別技術已逐漸成熟，微控裝置已經廣泛應用于生活中，如果將其應用于盲人群體中可以為盲人提供很大幫助。本文設計了一種新型的基于超聲波和圖像識別的盲人智能導航避障眼鏡，解決了盲人在行走過程中定位和躲避障礙的問題。本方案采用超聲波傳感器來確定前方是否存在障礙物以及障礙物的距離，攝像頭傳感器來采集圖像識別障礙的外部和周圍環境信息，GPS/GPRS模塊來獲取位置信息和與遠程終端通信以及通過語音實現人機交互的功能。本設備輕巧實用便于佩戴，這些功能使盲人生活更加方便，具有深遠的意義。

據第二次全國殘疾人抽樣調查數據推算，中國目前視力殘疾人數約為1233萬人。每年約有45萬人失明，這意味著幾乎每分鐘就會出現一例新的盲人。如果任由這個速度發展而不采取更加積極有效的措施，到2020年，預計盲人數量將達到2000萬人，盲就會成為一個嚴重的社會問題。由于視力低下或缺失，從而造成盲人在生活和工作上更多的困難。本文是基于盲人活動困難而提出的，通過“盲人智能導航避障眼鏡”的應用使盲人徹底丟掉導盲手杖，解放雙手，從而提高了他們的工作和生活效率。

一、盲人智能導航避障眼鏡工作原理及總體設計

（一）工作原理

智能眼鏡采用超聲距離傳感器和光學傳感器融合來模擬人眼的距離和光學探測功能。障礙檢測系統和圖像識別系統對前方環境進行檢測，將檢測信息傳送到主控芯片進行算法處理，如果發現前方有障礙，語音系統發出提示信息。盲人如果想知道當前所在的位置信息，只需向語音識別系統發出聲音信息，然后語音系統將GPS、電子羅盤采集到的位置信息播報給盲人。盲人的信息也會通過GPRS傳輸到監護人的手機或電腦終端，監護人可以隨時隨地獲得盲人的信息并能遠程協助盲人。除此之外設備還有語音報時，天氣預報，溫濕度和空氣質量檢測等人性化功能，工作原理如圖1。

（二）總體設計

盲人智能導航避障眼鏡為了實現為盲人引路、避障、定位、語音交互、遠程協助等功能，并且方便盲人佩戴，必須具有獨特的硬件和軟件設計，因此我們需要結合需求為其設計合適的方案。我們的方案是：用單片機做中央控制處理器，將外部超聲波、攝像頭、導航通信設備采集到的信息經過算法處理判斷出準確的環境信息，并通過語音提示功能為盲人提供精準的引導，總體結構如圖2。

二、系統硬件設計

智能電子產品是屬于自動控制的產品，一般由單片機來控制，加上外圍功能模塊。我們的智能導航避障眼鏡使用探測傳感器采集當前的環境信息，傳輸給主控處理，經過數據處理判斷出當前環境信息，然后通過語音反饋給使用者。由于智能眼鏡的獨特用途，因此它必須使用響應快、精度高、低功耗的傳感器。

（一）主控設備設計

我們選用ST公司出品的STM32F429作為微控制器，其整合180MHZ ARM Cortex-M4內核和圖形增強技術，其提供最大2MB閃存，新的制造工藝和設計技術降低了停止模式的電流消耗，可延長便攜應用的電池壽命。此外，STM32F429擁有多項新功能，讓智能設備擁有更豐富、更絢麗的內容。因此其被廣泛應用于電力電子系統方面。

（二）障礙檢測系統設計

超聲波模塊選擇AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，該模塊采用工業方案設計，高達8米的遠距離測量范圍，高穩定靈敏性能，一體化封閉式防水防塵探頭，適用于潮濕，惡劣的測量場合，體積小，測量精度高，抗干擾性能強，20uA低功耗電流。廣泛應用于智能交通，智能小車測距。

（三）圖像識別系統設計

采用OV5640 自動對焦500萬像素2592*1944分辨率攝像頭。具有自動曝光、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準和自動帶通濾波器，可以很好的采集環境信息。

（四）導航系統設計

使用SIM808模塊，該模塊采用高性能工業級GSM/GPRS四頻芯片，并集成GPS和藍牙功能。可實現電話語音、SMS、GPRS數據傳輸功能外還具有DTMF解碼、GPS定位、TTS語音功能。

（五）語音系統設計

LD3320語音識別模塊通過ICRoute公司特有的快速而穩定的優化算法，完成非特定人語音識別。不需要實現訓練和錄音，識別準確率95%。

采用SYN6288語音合成模塊，清晰、自然、準確的中文語音合成效果，可合成任意中文文本。

三、系統軟件設計

為了能遠程協助和了解盲人的具體信息，設計一款手機和電腦軟件，監護人可以隨時接收到智能眼鏡發送的請求并能看到盲人所在的位置，并且能發送協助信息給盲人。

為了能將這些子系統組合共同工作，并且能夠快速響應處理事件，單片機對他們的控制就有一定的要求。

1.MCU采集超生波模塊返回高電平信號的時間，然后計算（時間*340（M/S））/2得到測試距離，通信時序圖如圖3。

2.MCU通過自帶的DCMI數字攝像頭同步并行接口高速接收圖像，采集時序圖如圖4。

3.MCU與導航模塊之間通過串口通信方式進行數據傳輸，只需將單片機的RXD和TXD接口與導航模塊的TXD和RXD接口連接。這種方式連接簡單，數據傳輸準確性高。

4.MCU與語音識別模塊使用高速的，全雙工的SPI總線方式進行通信。通信時序如圖5。

四、結語

盲人智能導航避障眼鏡在硬件和軟件設計上都能達到使用的基本要求，能實現設計中的各個功能。智能設備在當今時代還是十分吸引人的，有著獨特的魅力。盲人智能眼鏡如果應用到生活中可以大大的方便盲人群體，給他們帶來巨大的幫助。

參考文獻

[1]劉軍，張洋，嚴漢宇，左忠凱.精通STMF4[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2]陳忠孝，倪珍，汪宜軍，秦笑，張方.智能盲人導航儀設計與實現[J].西安：新技術新工藝，2015.

[3]王世豪.智能盲人導航系統[C].北京：北京航空航天大學，2012.

[4]智能盲人導航系統[EB/OL].http：//www.tiaozhanbei.net/project/14836/，2014.