基于機器學習的智能導盲犬設計

王廣權，石玲，王建文，王善鵬，丁鵬，張浩建

（江蘇師范大學科文學院人工智能與軟件學院，江蘇徐州，221132）

0 引言

隨著科技不斷發展，智能化不斷普及，本設計順應科技發展要求的同時，還關注弱勢群體，尤其是視障人群。根據中國盲人協會的統計數據顯示，截至2016年我國約有1700萬盲人，是世界盲人最多的國家，但只有200只導盲犬。而本設計將極大程度緩解現有導盲犬的壓力，相比于生物導盲犬訓練難度大、耗時長、成本高等缺點，智能導盲犬的開發與應用有著更為廣泛的前景，同時也能改善視障人群的生活質量。而導盲犬系統中最重要的即是導盲，系統需要實現的是引導視障人群正常出行，避開出行路線范圍內的障礙物。因此，設計出能夠精準快速識別出障礙物的智能導盲犬系統，是具有很好的現實意義的。

1 系統設計

智能導盲犬是視力障礙人群的出行重要輔助工具。從總體設計上來看，智能導盲系統可以按照模塊分為：智能導航模塊、避障模塊、危險警報模塊、電源模塊、動力驅動模塊。

1.1 智能導航模塊

圖1 系統模塊設計示意圖

為了便于視障人群的出行，我們在智能導盲犬的導航系統上增添了語音功能，利用GPS以及北斗導航雙模混合導航，在最短的時間內分析出最短路徑以及道路交通數據情況，使得視障人群能夠根據智能導盲犬發出的導航消息選擇路線，不僅節約了視障人群的時間，還在一定程度上緩解了道路交通的壓力。同時，在導航的系統功能上增添了bug算法以及神經網絡算法。GPS系統以及北斗導航系統已遍布于人工智能領域，且廣泛地應用于汽車、手機等領域。因為GPS系統以及北斗系統混合導航可移動定位的特性以及高效率的路徑選擇能力，所以我們才將其加入智能導盲犬的導航模式中，通過bug算法以及神經網絡算法的判定，高效地為視障人群選擇最適合、最快速的路徑。同時在GPS以及北斗導航中都存在民用的標準定位服務，且無需支付高額的費用，便可以使用此功能，這在一定的程度上降低了視障人群的經濟支出，也有助于智能導盲犬的設計。為智能導盲犬的導航模式加入GPS系統，是因為衛星軌道上遍布了超過24個衛星在同時運行，其不僅僅為智能導盲犬的導航系統提供技術支持，還時時刻刻能夠為智能導盲犬提供高精度的定位以及導航服務，更為視障人群提供了安全保障。

1.2 避障模塊

導盲犬避障功能是應用在智能導盲犬系統中的一項關鍵性技術，旨在能夠讓智能導盲犬在行動過程中，通過視覺傳感器給它提供周圍環境的相關參數指標，避免用戶及其自身出現碰撞。本功能將配合智能GPS定位與北斗導航雙模式定位導航、智能動力驅動、智能語音系統、5G通信等模塊來獲取到用戶的經緯度，并結合道路交通狀況為用戶規劃合理出行路線。導盲犬通過對出行路線范圍內的障礙物進行360度全方位掃描，通過WSP算法建立3D模型，將障礙物的速度、加速度、大小、距離等相關數據添加到主模型中，并基于完備的訓練模型判斷出周圍障礙物的運動軌跡，安全范圍的定義，防止障礙物突然進入到安全范圍內影響到用戶的正常出行。系統在接收到用戶語音指令后，視覺傳感器將在啟動之前會首先利用紅外掃描一次周圍環境，以及利用北斗導航定位模塊，確定用戶位置，做到及時且安全的避障。

傳感器由紅外傳感器和超聲波傳感器兩部分組成。紅外傳感器用來檢測安全距離范圍內的障礙物，而超聲波傳感器檢測安全進行界限之外的障礙物，兩部分相輔相成。傳感器通過發射裝置發射紅外線和超聲波，在檢測到物體后返回信號至接收信號裝置，在收到信號后進行信息分析，并將判斷出障礙物的狀態信息發送給導盲犬避障功能處理區，同時通過語音系統功能提醒用戶及時避障。另外在選擇傳感器方面也是經過了一番深思熟慮，紅外傳感器可以在外界為強光等條件下，采用多點采集的方式，避免太陽光線對紅外傳感器中的二極管造成傷害，防止造成系統對于距離把控的誤判或者影響另一個超聲傳感，導致數據不合，甚至使整個系統陷入無法挽回的癱瘓。此外，使用超聲傳感器的原因在于超聲傳感器發出的機械波方向性會更好，并且對于發射機械波的方向也是固定的，使得導盲犬對于各個方向的情況都可以第一時間做出判斷。在機械波的傳輸過程中，波對于固體的穿透性是不可替代的一種本領，當發出的機械波碰到了固體的分界面時，在分界面處會傳回反射回波，第一時間能夠被超聲傳感器捕捉。在兩種波的相互作用下，智能導盲犬更具有方向性以及重要的避障功能，為視力障礙人群提供了更加有力的保障。

圖2 導航模塊設置

1.3 危險警告模塊

智能導盲犬的危險警告模塊分為探測模塊與危險警告模塊，傳統的探測器主要有紅外探敏測、熱敏探測以及顆粒物探測。探測也不僅僅是探測周圍環境，同時也會通過光電式心率傳感器智能手環實時檢測用戶的身體健康數據以及其位置信息等。經過試驗發現，傳統的探測器并不適用于在導盲犬身上。經過試驗發現最適用于機器導盲犬上的探測系統是pw-01藍牙芯片，其能夠實時檢測導盲犬與盲人之間的距離，并反饋給云端，云端接收并處理數據，當導盲犬與盲人之間的距離過遠，云端會發出指令，導盲犬的報警系統將會啟動，并發出報警聲。同時盲人會配置光電式心率傳感器智能手環，能實時對盲人的心率進行檢測和提示，當盲人身體指標一旦出現心率過高、發熱，以及暈倒等情況時，導盲犬會立即撥打急救電話并發送當前位置信息，同時向盲人的親屬發送短信進行提示，為盲人提供全天候的安全保障。

危險警告模塊會二次利用智能避障模塊所建立的三維模型數據，并通過云端的算法計算出周圍物體相對于用戶的速度和方向，以此為過濾出有可能會導致危險的特定模型信息，然后將通過語音系統和心電式智能感應手環的震動進行提示。此模塊還將通過視覺傳感器傳輸的圖像進行掃描，然后識別出周圍的一些固定標識，包括紅綠燈顏色及方向、地上的盲道、人行橫道、人行天橋等公共設施的標識。如當用戶通過十字路口時，遇到綠燈突然變紅的情況，智能導盲犬側邊指示燈會亮起以警示周邊車輛，請車輛進行避讓，同時通過語音提示用戶，使其快速通過該路口。

圖3 導盲犬檢測盲人身體狀況

2 技術棧、擬解決的問題以及預期成果

2.1 技術棧

智能導盲犬基于機器學習的智能機器導盲犬是新一代綜合運用物聯網技術、機器視覺識別技術、語音識別等技術，外觀模仿真實的導盲犬，內部集成GPS以及北斗導航雙模混合導航及路線規劃接口的仿生機器人。

通過物聯網技術可以幫助視障人群家屬更便利地獲取視障人群的狀態、幫助視障人群以及盲人之間互相取得聯系。通過視覺傳感器對路面情況進行實時分析，對風險進行分級規避，進行智能規劃導航總體路線和避障路線，給視障人群帶來更好的出行體驗。通過語音識別技術，視障人群可以直接通過語音來控制導盲機器犬。

2.2 預期解決的問題

智能導盲犬可以極大程度縮短導盲犬訓練周期長的問題，緩解大部分視障人群負擔不起導盲犬費用的困擾，為大部分視障人群減少與導盲犬的磨合期，解決導盲犬在社會上遭受拒絕的情況，同時可以減少導盲犬掉毛對皮膚敏感的人造成影響等問題；通過在生活中必不可少的導航，危險警報，避障等技術為視障人群提供安全保障，更好地融入于當今時代飛速發展的社會之中。考慮到部分身體情況不理想的老人，我們給智能導盲犬配備的智能手環也起到了很大作用，對于這部分人群，智能手環可以實時的監測所配備人的心率，遇到特殊情況也能及時提醒配備人采取必要的措施。

2.3 預期成果

智能導盲犬幫助視障人群更好地適應社會，不僅同時降低培訓導盲犬的周期和成本，還能讓更多視力障礙者可以及時用上導盲犬，將極大地提高視障人群的幸福總值，也能讓人們享受到科技進步的成果；預期在不久后，智能導盲犬將會帶著全新的設計，包含導盲、避障、危險警報等功能進行全新上市，并且通過視障人群對智能導盲犬使用后進行的反饋，不斷地進行對智能導盲犬進行更新改造，為視障人群提供更好的生活安全保障。

3 結語

智能導盲犬作為新興科學技術可以有效地緩解導盲犬數量過少的社會問題，在解決視障人群正常出行的同時，還可以解決部分視障人群因高昂的價格無法飼養導盲犬或因自身原因無法與導盲犬在同一空間共同生存的問題，符合國家相關法律規定，順應現代科技發展，滿足現今社會高速發展需要，也為視障人群融入現代化社會提供了更優質的條件。同時，在如今人工智能的數據化時代背景下，此項目不僅運用高科技的技術為視障人群提供生活上的幫助，而且還為智能導盲犬在市場的立足奠定了堅實的理論基礎，同時也反映出人們漸漸地適應了當今飛速發展的科技時代的生活。