基于红外传感几何特征识别的导盲系统

摘要

本发明公开一种基于红外传感几何特征识别的导盲系统，包括小车车体、单片机、红外传感器模块、语音提示模块、电源模块、手动控制模块；其中：所述红外传感器模块检测小车底部与地面间距，根据所得结果经比较后的反馈信息分辨长条形行进盲道和圆点形提示盲道，并将结果传送给单片机；所述单片机接对传感器模块检测到的盲道表面几何特征的信息进行处理，以识别提示盲道与行进盲道，然后根据识别出的提示盲道或行进盲道结果，动态调整小车的运动状态；所述语音提示模块对小车直行或者到达提示盲道的情况进行语音提示；所述手动控制模块用于手动控制小车的运动状态。本发明能更好地为盲人等残疾人提供方便，提高他们的生活质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种残疾人辅助装置，具体地说，涉及的是一种基于红外传感几何特征识别的导盲系统。

背景技术

生活中，盲人是残疾人中出行较为不便的一类群体。他们无法辨认方向，也无法接受交通灯等光学交通器材的指引。在逐渐城市化的当今社会，他们的安全、方便的出行就显得尤为重要。随着积极心理学受到人们的重视，残疾人的幸福感理应受到人们的关注。

盲道是城市基础的公共设施。盲道按使用功能可分为两类：行进盲道和提示盲道。行进盲道呈条状形，每条高出地面5mm，可使盲杖和脚底产生感觉，便于指引视力残疾者安全地向前直线行走。提示盲道呈圆点形，每个圆点高出地面5mm，可使盲杖和脚底产生感觉，以告知视力残疾者前方路线的空间环境将出现变化。盲道砖按材料可分成预制混凝土类、橡胶塑料类和不锈钢、聚氯乙烯等其它盲道型材。盲道的宽度宜随人行道的宽度而定，但应符合相关的规定。

盲人目前出行很大程度上还是利用盲道以及其他的辅助手段，为提高盲道的最大利用率，更好地为残疾人和盲人提供生活方便，急需为盲人提供一种盲道导航装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种基于红外传感几何特征识别的导盲系统，可以提高盲道的利用率，更好地为盲人等残疾人提供方便，使他们能安全、方便的出行。

为实现上述的目的，本发明所述的基于红外传感几何特征识别的导盲系统，包括小车车体以及设置在小车车体上的红外传感器模块、单片机和电源模块；所述红外传感器模块与单片机连接，所述电源模块为其他部件提供工作电压。其中：所述红外传感器模块采集小车底部与地面间距，以及地面表面几何特征的信息，并将采集信息结果进行转换后反馈给单片机；所述单片机接收所述传感器模块发送的信息，对采集到的地面表面几何特征的信息进行处理，识别是否为盲道，是长条形行进盲道或圆点形提示盲道，然后根据识别的结果采用自动控制方式或者手动控制方式对导盲小车的运动状态进行调整，同时对导盲小车运动状态进行语音提示，以便盲人方便准确的了解行进的线路。

进一步的，所述的单片机中设有信息处理模块、手动控制模块、自动控制模块以及语音提示模块，其中：

所述信息处理模块接收红外传感器模块传送的信息，并对传感器模块检测到的盲道表面几何特征的信息进行处理，以识别是否为盲道，以及进一步识别提示盲道与行进盲道；如果识别出的结果不是盲道或者是提示盲道，则将该结果传送给手动控制模块；如果识别出的结果是行进盲道，则将该结果传动给自动控制模块；

所述手动控制模块用于手动控制小车的运动状态，即进入盲道之前，根据检测路面是否为盲道，由盲人按动开关确认是否进入自动控制状态；在到达提示盲道后，由盲人通过该手动控制模块进行转弯方向以及路线的选择，使小车按照盲人的正确路线行进；

所述自动控制模块在小车进入盲道之后，如果信息处理模块识别出的结果是行进盲道，则由自动控制模块自动控制小车的前进运动状态，完成一定程度上的小车自动控制行驶；

所述语音提示模块对于行进中路面的情况(比如是否为盲道，是提示盲道还是行进盲道)以及小车的运动状态(前行、转弯方向等)进行语音提示，以便盲人准确的掌握导盲小车的前进路线。

进一步的，所述红外传感器模块包括四个连续测距红外传感器，这四个连续测距红外传感器呈V型布置在小车车体底部，其中两个红外传感器平行设置于V型底部，另外两个分别位于V型两个端部；红外传感器对盲道高低部分会产生电压信号的差异，判断车体所在位置，并将检测到的信号进行A/D转换后反馈给单片机，从而为单片机控制小车直行以及到达提示盲道时发出语音提示提供了信息。

进一步的，所述单片机通过传感器电压返回值判断传感器与地面的距离，小车以较稳定速度行驶过程中，在行进盲道和提示盲道上传感器的反馈电压信息存在规律性差异，即在行进盲道凸起上返回高电压的持续时间比在提示盲道凸起上返回高电压的持续时间长(时间统计算法)，以此区分行进盲道与提示盲道。

进一步的，所述单片机在关机后保留数据，这样系统记忆路径后，将动作模块化，使导盲系统具备记忆——再现功能，能够记忆并还原行驶动作。单片机上设有电键，用于手动和自动控制的切换以及小车运动控制。

更进一步的，所述单片机设有看门狗模块，以便程序在出错时及时自动调整回正常状态，达到提高程序安全性的效果。

本发明中，使用连续测距红外传感器与单片机结合来检测盲道表面，利用单片机实现对多传感器检测到盲道表面几何特征的信息的分析处理，进而动态调整小车的运动状态，实现在一定条件下的小车自主行驶；通过时间统计算法的设置实现了可靠识别提示盲道与行进盲道的功能；使用了语音提示模块对小车的运动近况进行语音提示；同时采用手动控制模块与自动控制应对不同情况，有助于为导盲系统的低成本化和高效化提供参照；将动作模块化，使导盲系统具备记忆-再现功能，能够记忆并还原行驶动作。

基于上述的技术方案可见，本发明构建的导盲小车为盲人的出行提供便利，结构简单，使用方便，提高了城市基础设施——盲道的利用率，更好地为盲人等残疾人提供方便，提高他们的生活质量。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构框图。

图2为本发明一实施例中红外传感器布局示意图。

图3为本发明一实施例中红外传感器测量盲道的原理图。

图4为本发明一实施例中时间统计算法的原理图。

图5为本发明一实施例中传感器探测距离与输出模拟电压的关系图。

图6为本发明一实施例中传感器监测区域范围示意图。

图7为本发明一实施例中测试程序流程图。

图8为本发明一实施例中手动控制运行程序流程图。

图9为本发明一实施例中自动控制运行程序流程图。

图10a和图10b为本发明一实施例中导盲小车位于行进盲道上的两种情况示意图。

图11为本发明一实施例中盲道路况判断流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于红外传感几何特征识别的导盲小车包括小车车体以及设置在小车车体上的红外传感器模块、单片机和电源模块；所述红外传感器模块采集小车底部与地面间距，以及地面表面几何特征的信息，并将采集信息结果进行转换后反馈给单片机；所述单片机接收所述传感器模块发送的信息，对采集到的地面表面几何特征的信息进行处理，识别是否为盲道，是长条形行进盲道或圆点形提示盲道，然后根据识别的结果采用自动控制方式或者手动控制方式对导盲小车的运动状态进行调整，同时对导盲小车运动状态进行语音提示，以便盲人方便准确的了解行进的线路。

进一步的，所述的单片机中设有信息处理模块、手动控制模块、自动控制模块以及语音提示模块，其中：

所述信息处理模块接收红外传感器模块传送的信息，并对传感器模块检测到的直道表面几何特征的信息进行处理，以识别是否为盲道，以及进一步识别提示盲道与行进盲道；如果识别出的结果不是盲道或者是提示盲道，则将该结果传送给手动控制模块；如果识别出的结果是行进盲道，则将该结果传动给自动控制模块；

所述手动控制模块用于手动控制小车的运动状态，即进入盲道之前，根据检测路面是否为盲道，由盲人按动开关确认是否进入自动控制状态；在到达提示盲道后，由盲人通过该手动控制模块进行转弯方向以及路线的选择，使小车按照盲人的正确路线行进；

所述自动控制模块在小车进入盲道之后，如果信息处理模块识别出的结果是行进盲道，则由自动控制模块自动控制小车的前进运动状态，完成一定程度上的小车自动控制行驶；

所述语音提示模块对于行进中路面的情况(比如是否为盲道，是提示盲道还是行进盲道)以及小车的运动状态(前行、转弯方向等)进行语音提示，以便盲人准确的掌握导盲小车的前进路线。

本实施例中，单片机采用Mega128型主板为核心元件、驱动部分由两个5V直流电机构成。Mega128型主板采用8位AVR微处理器，具有128K字节的系统，内可编程FLASH；具有8路10位A/D转换器，两个有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，上电复位以及可编程的掉电监测。Mega128型主板共64个引脚。工作电压为4.5V-5.5V，速度等级为0-16MHz。

本实施例中，采用那英特科技NST9-360-350电机、中鸣14.8V锂电池。

本实施例中，小车车体由鸿运激光切割机切割加工，车体尺寸25×26cm²；车体最大高度为15.32cm。

如图2所示，所述红外传感器模块包括四个连续测距红外传感器，这四个连续测距红外传感器呈V型布置在小车车体底部，其中两个红外传感器平行设置作为V型底部，另外两个分别位于V型两个端部。红外传感器距盲道表面凸起面13.07cm，距凹下面13.39cm。

本实施例中，选用Sharp GP2D12连续测距红外传感器，工作电压：4-5.5V，标准电流消耗：33-50mA，输出电压和探测距离成比例。

Sharp红外传感器基于三角测量原理进行工作，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出。GP2D12红外传感器的返回电压值在距离大于10cm时随距离的增大而单调递减。在10cm至20cm处反馈电压与探测距离基本呈线性关系，且斜率较大，因此将传感器布置在距盲道表面凹下面13.39cm处以达到准确检测的目的。本实施例通过传感器电压返回值判断传感器与地面的距离。如图3所示，传感器到平地距离为L，在一定高度下满足L＝L0+ΔL，以此判断传感器是否在地面突起上方。

如图4所示，为本实施例系统中采用的时间统计算法的原理。单片机通过传感器电压返回值判断传感器与地面的距离，小车以较稳定速度行驶过程中，在行进盲道和提示盲道上传感器的反馈电压信息存在规律性差异，即在行进盲道凸起上返回高电压的持续时间(由长条长度b决定)比在提示盲道凸起(由圆点直径c决定)上长，以此区分行进盲道与提示盲道。

本实施例利用数字式万用表采集各传感器的随高度变化而输出的模拟电压的变化，当距离变化0.06cm时，输出电压变化0.01V，如图5所示，传感器探测距离与输出模拟电压的关系基本呈线性关系。1-4号传感器在凹下与凸起上方返回的数值9次结果如下表1所示，显示了平均相差5-20，则平均电压差最大值为20×5/1024≈0.09V，最小值为5×5/1024≈0.024V。由以上结论，可知凸起与凹下高度差位于[0.13，0.45]cm区间中即可识别。

表1

本实施例中，传感器检测区域大小的确定：固定红外传感器，在13.39cm(红外传感器安装位置距盲道表面凹下的高度)高度下同平面内将挡板分别从左右前后四个方向缓慢移向红外传感器的正下方，观察传感器的输出电压值的变化，得到当电压发生变化时挡板距红外传感器发射端的距离，如图6所示，其中d1＝d2＝0.85cm，d3＝1.70cm。鉴于上海市政署下发的盲道砖长条长度大于25cm，长条和圆点的宽度均大于3cm，以此确定在此高度下满足本实施例实验的要求。

将构建好的导盲小车在用KT板制作的模型盲道上进行程序和硬件的调试。如图4所示测试时间统计算法的效果，为后来小车在真实盲道上的行走实验做准备。经过多次试验验证，将传感器按图2方式呈V型排列于车体前方5.5cm处。编制测试程序将四个传感器所得信号以及其中的最大值和最小值显示在单片机LCD上，确定车体抖动时信号的波动范围来调节阀值。

本实施例中，单片机软件程序的测试部分包括自动控制运行程序、手动控制运行程序、提示盲道语音提示程序、传感器数据采集与处理程序。测试程序流程图见图7。系统启动后，在上盲道之前采用手动控制模块进行手动控制，同时检测路面是否为盲道。到达盲道后，由盲人按动开关确认进入自动控制运行程序。此时单片机通过传感器反馈的数据判断路面为行进盲道还是提示盲道，若为前者则调整小车姿态使其沿行进盲道行走，若是后者则让小车停止，并发出提示音提醒盲人使用手动控制系统在非行进盲道上行驶。

本实施例中，手动控制的具体流程如图8所示，PinC.0，PinC.1，PinC.2，PinC.3为四个电键，分别用于执行手动/自动控制程序的切换、左转、右转和直行前进的任务。如PinC.0为0号电键，如果PinC.0＝0则代表0号电键已经按下，此时进入自动控制程序，否则进行下一步对1号电键的判断，以此类推。

本实施例中，自动控制程序的具体流程如图9所示，到达行进盲道后，四个红外传感器的数值被赋给数组A(4)中。将四个传感器从左到右依次编号为1号～4号。当2号和3号传感器中检测到地面突起的时间在预设区间内，可判定导盲车位于提示盲道上，此时电机全停，发出提示音；反之，导盲车位于行进盲道，继续前进。其中取最左端和最右端的红外传感器对应的变量A(1)和A(4)，若A(1)小于调试值，且A(4)大于参照值，即1号传感器检测到平地且4号传感器检测到突起，此时电机驱动小车向右偏转；若A(4)小于参照值且A(1)大于参照值，即1号传感器检测到平地且4号传感器检测到突起，此时电机驱动小车向左偏转；若A(4)小于参照值且A(1)小于参照值，即1号和4号传感器均检测到平地，小车直行；若A(4)和A(1)均大于参照值，即1号和4号传感器均检测到突起，此时有两种情况，如图10所示。此时为顺利矫正小车的方向，规定先让小车右转一定角度，若为图10b状况，小车将回到正确轨道，若为图10a情况，车轮将行驶到突起上，传感器距地面高度会增加，使A(1)或A(4)中的数据小于设定的阀值，之后再进行左转达到矫正目的。从而使小车沿“之”字形轨迹沿行进盲道前进。

本实施例中，所述单片机设有看门狗程序，以便程序在出错时及时自动调整回正常状态，达到提高程序安全性的效果。看门狗程序是一种专门用于监测单片机程序运行状态的程序。在系统运行时启动看门狗的计数器，看门狗就开始每隔一定时间自动计数。在主程序的某处设置清零程序，使看门狗的计数器中的数据清零。如果程序正常运行，看门狗计数器的数据由于经常被清零而不会溢出；如果程序跑飞，到了一定的时间看门狗计数器内的数据还没有清零，此时看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。

进一步的，采用《城市道路与建筑物无障碍设计规范》中规定的II型盲道铺设规划路径，测试小车的导航情况。利用不同电键控制相应动作，完成小车的行走过程。

本实施例中，引入数组D(20)作为记忆变量。将整个流程的动作模块化，把左转、右转、直行以及沿行进盲道行走四个基本动作根据它们对应的控制电键分别用数字标记为1、2、3、0，不执行操作定义为4。原先写好的主程序被用为新的主程序的“测试部分”，用它记录行驶路径。每执行一个动作，都会由D(20)中由D(1)开始顺序取出一个变量记录动作编号，之后在“记忆部分”中通过从D(1)至D(20)中依次读取这些编号还原相应的动作，读取至4(即不执行操作)时退出循环。为了区分这两种工作模式，又添加“选择部分”，由程序开头的按键决定进行何种工作方式。通过先测试后记忆的方式在规划路径上实现自动导航。本实施例利用Mega128自带的EEPROM存储器，可以在关机后保留数据，最后将D(20)中数据存放于此解决了记录动作编号的问题。

本实施例通过在数组D(20)中记录所按下的电键的编号和排列的方式使系统记忆之前进行的动作，并设计出依次读取这些编号还原对应动作的程序，实现记忆-再现功能，进一步拓展导盲小车的实用性，使其在记忆动作后实现规划路径的全自动导航。试验结果：小车在行进盲道前进，遇到第一段提示盲道后停下，右转，继续识别行进盲道，到达第二处提示盲道向左拐，再沿行进盲道前进至第三处提示盲道，停下，发出提示音。

将四个红外传感器从左至右编为1到4号，通过在小车行驶过程中统计2号到3号各传感器检测到地面突起的时间来判断地面突起为长条还是圆点。举2号传感器为例，如图11所示，A2存放红外传感器的返回值；A2为计数变量，初始值为0；B2存放A2的总计数量，初始值为30；C2是预设的阀值，用于判断2号传感器是否在突起上方；预设区间用于判断传感器在突起上方的时间长短，若B2中数值处在预设区间内则表示2号传感器经过地面突起上方的时间较短。B3中数值处在预设区间内则表示3号传感器经过地面突起上方的时间较短，以此类推。若B2和B3数值均处在预设区间中，此时可判定小车驶入提示盲道。若B2和B3中有数据大于预设区间的最大值，此时可判定小车在行进盲道上，小车按原定直行程序继续前进，并重新检测地面；若B2至B3中有数据小于预设区间的最小值，此情况为小车行驶过程中的抖动所致，不能作为判断小车是否到达提示盲道的标准，此时让小车也继续前进，重新检测地面。此检测方法用于在使用者手动操作之后判断路面情况，若有两个以上的传感器检测到地面有突起则判定小车驶入盲道，此时发出提示音，提醒使用者可以用PinC.0从手动模式切换到自动模式。

由以上的实施例可以看出，本发明使用连续测距红外传感器与单片机结合来检测盲道表面，利用单片机实现对多传感器检测到盲道表面几何特征的信息的分析处理，进而动态调整小车的运动状态，实现在一定条件下的小车自主行驶；通过时间统计算法的设置实现了可靠识别提示盲道与行进盲道的功能；使用了语音提示模块对小车的运动近况进行语音提示；同时采用手动控制模块与自动控制应对不同情况，有助于为导盲系统的低成本化和高效化提供参照；将动作模块化，使导盲系统具备记忆-再现功能，能够记忆并还原行驶动作。本发明更好地为盲人等残疾人提供方便，提高他们的生活质量。