基于V2X技術的智能導航杖設計與實現(xiàn)

張瑞超，王琳

（山東管理學院，山東濟南 250000)

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織提供的數(shù)據(jù)，截至2020年全球有3850萬失明人口，中國是世界上失明人口最多的國家，共有830萬視力障礙者，占全球21.6%。近年來，中國視力障礙者人數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，這主要與人口老齡化及不良生活方式等因素有關。對于視力障礙者而言，出行中的導航路徑識別和引導一直是一個亟待解決的難題。目前，雖然市面上有供視力障礙者予以使用的手持電子導盲器，但在器件結構和技術限制上，其功能性的實現(xiàn)往往受到或多或少的限制，如定位不準確，只依賴聲音或震動來定位距離或障礙物，無法應對突發(fā)狀況或復雜環(huán)境等。隨著近年來無線通信技術的快速發(fā)展，車輛通信技術的智能導航杖逐漸引起人們的重視，本文提出基于V2X技術的智能導航杖設計方案，通過利用V2X通信模塊、GPS模塊、慣性傳感器等組件幫助視力障礙者提供行動支持上的導航功能，在運用V2X地圖匹配算法中，通過與云端地圖數(shù)據(jù)進行匹配，實現(xiàn)對視力障礙者的精準導航。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀及引用場景

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

1.1.1 視力障礙者出行現(xiàn)狀

國內(nèi)視力障礙者出行存在很多困難和挑戰(zhàn)。以下是一些主要問題：

1)缺乏無障礙設施：很多城市中缺乏無障礙設施，如無障礙通道、盲道、無障礙電梯等，這給視力障礙者出行帶來很大的困難。

2)交通不便：城市中的交通設施也存在很多問題，如公交車站、地鐵站等不便于視力障礙者出行，導致視力障礙者在出行時需要花費更多的時間和精力。

3)噪音和人流干擾：視力障礙者在出行時需要依靠其他感官，如聽覺、觸覺等，但是城市中的噪音和人流等因素會干擾視力障礙者的感知，導致視力障礙者出行困難。

4)導盲杖使用率不高：雖然導盲杖是視力障礙者出行的重要輔助工具，但是在國內(nèi)，很多視力障礙者并沒有使用導盲杖。一方面是因為導盲杖的價格較高，一般需要幾百元到幾千元，對于一些經(jīng)濟困難的視力障礙者來說，難以承擔；另一方面是因為導盲杖的使用需要一定的技能和訓練，而很多視力障礙者并沒有接受過相關的培訓。

5)導盲犬使用不夠普及：導盲犬是一種專門為視力障礙者服務的犬只，可以幫助視力障礙者出行、識別障礙物等。但是在國內(nèi)，導盲犬的使用還不夠普及，一方面是因為導盲犬的培訓和購買成本較高，另一方面是因為一些公共場所對導盲犬的接納程度不高，導致視力障礙者出行受到限制。

1.1.2 導盲杖現(xiàn)狀

導盲杖是一種助行工具，主要用于輔助視力受損的人員在外出行走時進行障礙物識別和避障。目前，導盲杖的市場上有機械式導盲杖和電子式導盲杖兩種類型。

機械式導盲杖通常是由鋁合金材料制成，體積小，便于攜帶，使用時不需要電池支持，價格相對便宜，但功能單一，只能通過揮動導盲杖來探測障礙物。

電子式導盲杖采用聲波探測技術，具有自動感應障礙物、語音提醒等功能，依靠電池供電。與機械式導盲杖相比，它的功能更加強大，適用范圍更廣。

雖然導盲杖在實際應用中有很大作用，但也存在一些問題，如識別準確度不高、使用復雜度較大等，需要進一步的研發(fā)和改進。因此本文為了提高精度和準確度，提出了將V2X 技術應用于導盲杖的設計思路。

1.2 導盲杖應用場景

導盲杖是一種專門為視力障礙者設計的輔助工具，常用于以下場景：

1)戶外行走：導盲杖可以幫助視力障礙者識別地面障礙物、防止碰撞。

2)交通出行：導盲杖可以幫助視力障礙者辨識信號燈、提示行人通道，并有效避免因行走不慎遭受車輛撞擊等危險。

3)購物逛街：導盲杖可以指示視力障礙者前方是否有貨架或者其他障礙，并提醒其注意避讓。

4)室內(nèi)生活：導盲杖可以幫助視力障礙者掌握家中擺設、家具布局等信息，避免發(fā)生碰撞事故。

5)景點游覽：導盲杖可以幫助視力障礙者辨認游覽路線、提示景點位置，從而更好地參觀旅游景區(qū)。

2 相關技術

2.1 V2X技術的可行性

V2X 技術[1]是指車聯(lián)網(wǎng)中任何信息事物的通信，它是指車輛與車輛(V2V) 、車輛與基礎設施之間(V21)、車輛與行人之間(V2P)、車輛與網(wǎng)絡之間(V2N)的交通信息交換。所以當我們把V2X 技術應用植入到導盲杖的應用場景中時，就可實現(xiàn)視力障礙者同車輛、行人、基礎設施、和網(wǎng)絡間人機交互功能，最終為視力障礙者的出行安全和便利提供裨益。具體關系如圖1所示。

圖1 V2X運用到拐杖中與其他設施的聯(lián)系

當視力障礙者攜帶智能導盲杖通過路口時，V2X技術可以更精準且安全地幫助視力障礙者接收車輛和路邊設施之間的通信，通過共同通信協(xié)議來減少可能出現(xiàn)的信號干擾及通信延遲問題，如交通信號燈的變化、車輛和行人的位置距離等。這些信息可以在短時間內(nèi)快速傳輸?shù)街悄軐ふ戎校層脩艨梢愿鼘崟r、準確地了解自身所處的交通環(huán)境和地理方位，降低其與車輛的撞擊風險。由此可見，結合V2X技術的智能導盲杖在實際使用中能夠獲取更多用戶的。從而更加易于市場推廣。

當然，在實際應用場景中，還需要考慮V2X 技術同智能導盲杖間的深度集成，如強對流天氣影響、強信號干擾等問題，以便在充分的實驗和測試中確保應用場景的兼容性和穩(wěn)定性。

2.2 V2X技術應用于智能導盲杖

V2X 導盲杖采用車聯(lián)網(wǎng)技術[2]，通過與周圍車輛和交通信號燈通信，為視障人士及視力薄弱者提供導航和安全提示，以避免在出行中的安全隱患。V2X導盲杖的主要功能原理如下：

2.2.1 車輛檢測

V2X導盲杖利用傳感器、通信技術和數(shù)據(jù)處理技術等多種技術手段，通過震動提示等方式實現(xiàn)對周圍環(huán)境的實時監(jiān)測，以幫助用戶避免潛在危險。其主要設計原理如下：

1)傳感器：V2X 車輛檢測系統(tǒng)通常使用雷達、激光雷達、攝像頭和超聲波等傳感器技術手段進行應用。當行人使用導盲杖經(jīng)過馬路時，V2X導盲杖將通過傳感器自動采集數(shù)據(jù)，并幫助探測識別車輛的位置、速度、方向、距離和大小等環(huán)境信息。

2) V2X 通信技術：V2X 導盲杖可以利用Wi-Fi、LTE、5G 和DSRC 等通信技術，幫助用戶建立通信渠道、實時接收有關車輛的行駛方向、車速、距離、道路地形等信息。

3)數(shù)據(jù)處理：V2X導盲杖在使用中可借助局域網(wǎng)解析傳感器所收集到的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與預定義的規(guī)則和算法相結合以確定可能存在的危險，并發(fā)出警報指示。

2.2.2 信號燈識別

1)數(shù)據(jù)采集：V2X導盲杖中的內(nèi)置攝像頭可以采集行進過程中的交通信號燈圖像，并將圖像及時作為信號源，傳輸至場景使用中。

2)圖像分析與處理：V2X導盲杖通過計算機視覺算法對采集到的圖像進行分析和處理，包括將圖像轉換為灰度圖像、邊緣檢測和形態(tài)學變換，從而提取出信號燈的特征，以確定信號燈的紅、綠或黃色狀態(tài)。

3)V2X 通信：一旦信號燈的狀態(tài)被確定，V2X 導盲杖將使用V2V 或V2I 通信技術與周圍的汽車或交通控制系統(tǒng)通信。當信號燈為紅燈時，V2X導盲杖將發(fā)出警告聲音或振動，以提醒視覺障礙者不要通過路口；當信號燈轉為綠燈時，V2X 導盲杖將發(fā)出語音提示或震動，以指示視力障礙者可以通過路口。

2.2.3 導航指引

1)位置定位：利用GPS 定位、地磁定位或者Wi-Fi定位等技術精確定位用戶所在的位置。

2)環(huán)境感知：通過車聯(lián)網(wǎng)技術，實時獲取周邊環(huán)境信息，包括交通信號燈狀態(tài)、道路狀況、車輛行駛情況等，為用戶提供準確的交通信息。

3)導航規(guī)劃：根據(jù)用戶語音輸入的目的地和當前位置，采用距離最短、時間最短等算法規(guī)劃最優(yōu)路徑，并根據(jù)實時交通情況進行動態(tài)調(diào)整。

4)聲音提示：當用戶即將行至路線中的關鍵路口或轉彎處時，V2X導盲杖會通過聲音提示及震動提醒用戶，并指引用戶正確方位。同時，會在一定距離內(nèi)提前告知用戶使用者所行進的方向變化和交通流量狀況等信息。

2.2.4 網(wǎng)絡連接

V2X 導盲杖融合了GPS、慣性導航等位置信息技術，與車載設備實時通信，在多源信息的基礎上，精準傳輸周邊環(huán)境信息，如障礙、樓房、地形等。

3 系統(tǒng)設計

本文設計的基于V2X 技術的智能導盲杖主要由傳感器、通信模塊、語音提示和震動反饋系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

3.1 傳感器

傳感器是導盲杖的核心部件，用于檢測視力障礙者周圍的環(huán)境信息。本文采用了超聲波傳感器和紅外傳感器，分別用于檢測前方障礙物和側面障礙物。超聲波傳感器可以檢測到距離導盲杖前方一定距離內(nèi)的障礙物，紅外傳感器可以檢測到導盲杖側面的障礙物。傳感器檢測到障礙物后，會向控制器發(fā)送信號，觸發(fā)語音提示和震動反饋系統(tǒng)。

3.2 通信模塊

通信模塊是導盲杖與車輛之間進行信息交互的關鍵部件。本文采用了車載通信模塊[3]，通過車聯(lián)網(wǎng)技術，將車輛信息傳輸?shù)綄ふ壬稀＼囕v信息包括車輛位置、速度、方向等，通過車載通信模塊傳輸?shù)綄ふ壬虾螅梢詭椭鷮ふ茸R別交通信號燈、行人等信息，提供更加精確的導航和警示功能。

3.3 語音提示和震動反饋系統(tǒng)

語音提示【4】和震動反饋系統(tǒng)是導盲杖的輸出部件，用于向視力障礙者傳遞信息。當傳感器檢測到障礙物時，語音提示和震動反饋系統(tǒng)會同時觸發(fā)，向視力障礙者發(fā)出警示信號。語音提示系統(tǒng)采用了語音合成技術，可以將車輛信息轉化為語音提示，例如“前方有車輛，請注意安全”。震動反饋系統(tǒng)采用了震動馬達，可以向視力障礙者傳遞震動信號，提醒視力障礙者注意前方障礙物。

3.4 充電管理模塊

V2X 導盲杖充電管理模塊主要對導盲杖的電量進行監(jiān)控和管理，提供電源不足時的警報和提示，以下是詳細的分析。

1)充電方式：V2X導盲杖充電管理模塊一般支持兩種充電方式，分別是直接插電和先充電后使用。直接插電是將充電器插入導盲杖上進行充電，充滿后即可使用；先充電后使用是將導盲杖插入充電器中充電，充滿后取出使用。

2)充電保護：為了延長導盲杖電池的壽命，V2X導盲杖充電管理模塊會對電池進行智能保護，例如過充保護、過放保護、過流保護等，以保證電池的安全性和可靠性。

3)充電狀態(tài)提示：在導盲杖和充電器上會設置相應的充電狀態(tài)指示音，用于提示充電狀態(tài)，例如正在充電、充電完成等狀態(tài)，方便用戶知道當前的充電情況。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文采用了Arduino 開發(fā)板作為導盲杖的控制器，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，以及語音提示和震動反饋系統(tǒng)的控制。具體實現(xiàn)步驟如下：

4.1 硬件設計

本文采用了Arduino UNO開發(fā)板作為導盲杖的控制器，超聲波傳感器和紅外傳感器分別連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳和模擬引腳上。車載通信模塊采用了SIM808模塊，通過串口連接到開發(fā)板上。語音提示系統(tǒng)采用了DFPlayer Mini模塊，通過串口連接到開發(fā)板上。震動反饋系統(tǒng)采用了震動馬達，通過數(shù)字引腳連接到開發(fā)板上。

超聲波傳感器：超聲波傳感器用于檢測前方的障礙物。可以將其連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳上。Arduino UNO 有幾個數(shù)字引腳可用于接收傳感器的信號，可以選擇其中一個并在代碼中相應地設置。

紅外傳感器：紅外傳感器可以用于偵測導航線或其他地面標記。類似超聲波傳感器，可以將紅外傳感器連接到開發(fā)板的模擬引腳上。選擇一個合適的引腳，并在代碼中進行配置。

車載通信模塊：可以用于實現(xiàn)導航信息的傳輸和通信功能。將其連接到開發(fā)板上的串口引腳，通常是使用開發(fā)板上的TX和RX引腳連接。

語音提示系統(tǒng)(DFPlayerMini 模塊）：DFPlayerMini模塊可以播放預先錄制的音頻文件，用于向用戶提供語音提示。將其連接到開發(fā)板上的串口引腳，類似于車載通信模塊的連接方式。

震動反饋系統(tǒng)（震動馬達）：將震動馬達連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳上。選擇一個適當?shù)臄?shù)字引腳，并在代碼中設置該引腳的輸出。

4.2 軟件設計

本文采用了Arduino IDE[5]作為開發(fā)工具，編寫了相應的程序?qū)崿F(xiàn)導盲杖的功能。程序主要分為傳感器數(shù)據(jù)采集、車載通信、語音提示和震動反饋四個部分。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

傳感器數(shù)據(jù)采集部分：通過超聲波傳感器和紅外傳感器采集視力障礙者周圍的環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破魃稀?/p>

車載通信部分：通過車載通信模塊，將車輛信息傳輸?shù)綄ふ壬习ㄜ囕v位置、速度、方向等信息。

語音提示部分：通過語音合成技術，將車輛信息轉化為語音提示，例如“前方有車輛，請注意安全”。

震動反饋部分：通過震動馬達，向視力障礙者傳遞震動信號，提醒視力障礙者注意前方障礙物。

5 結束語

本文提出了一種基于V2X 技術的智能導盲杖方案，可以有效提高視力障礙者的出行安全和便利性，該方案采用傳感器、通信模塊、語音提示和震動反饋系統(tǒng)等組件實現(xiàn)。程序主要分為傳感器數(shù)據(jù)采集、車載通信、語音提示和震動反饋四個部分，從而可以實現(xiàn)實時導航和路徑規(guī)劃。該智能導盲杖方案具有較高的導航準確率和實用性，可以為視力障礙者提供更加便捷的導航服務，為他們的日常出行帶來更多的便捷和自主權。