基于北斗卫星导航系统的电子导盲犬的开发及应用

徐丝雨++唐彪

摘要：目的：为减少盲人出行障碍，帮助盲人在行进过程中的定位及地理状况的识别，提出了基于北斗卫星导航系统“电子导盲犬”的应用研究。基本原理及思路：利用车载导航仪的工作原理，制作一款眼镜形式的“电子导盲犬”，包括障碍识别模块、北斗定位模块、地图导航模块、语音识别模块、信息存储模块。五个功能模块分别设置于眼镜架的镜腿、鼻梁等处。功能实现：障碍识别模块的功能在于路面障碍物的识别；北斗定位模块的功能在于实现电子导盲犬的核心功能即盲人行进过程中的测速、定位和授时；地图导航模块的功能在于将北斗定位模块所提供的数据参数用电子地图进行采集，提供综合导航及区域路径规划；语音识别模块的功能是将盲人的发音转变为数据信息，通过电子导盲犬的语音控制系统，来开启电子导盲犬的启动、运行、查找目标等；信息存储模块的功能用于存储障碍识别模块产生的时时数据、路径录音产生的大量音频数据、语音识别产生的声纹模型数据等等，还包括信息数据删除功能。预期结果：该“电子导盲犬”设计成眼镜形状，方便使用，功能多样。通过在镜框两侧加装微型摄像机，实现了障碍识别功能，方便盲人自由出行。

关键词：电子导盲犬；障碍识别；北斗定位；地图导航；语音识别；信息存储

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0092-02

1 前言

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球定位系统。功能包括提供开放服务和授权服务。开放服务即在服务区免费提供测速、定位和授时服务；授权服务即向授权用户提供更安全的测速、定位、授时和通信服务以及系统信息的完好性[1-3]。目前该系统已成功应用于测绘、电信、渔业、水利、交通运输、减灾救灾、森林防火和公共安全等诸多领域，产生了显著的经济效益和社会效益[4-5]。该研究利用车载导航仪的工作原理，制作一款眼镜形式的“电子导盲犬”，通过设置于眼镜架的镜腿、鼻梁等处的障碍识别模块、北斗定位模块、地图导航模块、语音识别模块、信息存储模块等五个功能模块，方便盲人自由出行。

2 “电子导盲犬”的功能模块

2.1 障碍识别模块

本模块的功能在于路面障碍物的识别，在实际中盲人行走的环境里，区域图像场景大并伴随有一些是移動的物体如车辆等，因此要区分图像的类型。

（1）路面信息数据。在不同的工作环境如白天、黑夜要自动切换到不同工作状态，在夜间行走时也能够瞬间识别信号灯、行车线、树木、隔离带、地面凹陷、动物、行人和其他障碍物等等。这些路面上的时时信息通过物体识别模块的运算，进行分析对比得出结论，使盲人在行运中做出及时正确的判断，如盲人在行走过程中突遇地面凹陷，这时候就要对此障碍物进行运算，如距离盲人的距离，凹陷面积大小，绕行的可行性。

（2）出行方式及路况信息数据采集解决方案。对于盲人出行来说其交通方式主要分为步行和乘坐公共交通二大类，而在步行中尤其重要的是对各种障碍物的识别。这些障碍物代表着不同的数据参数，而电子导盲犬是如何解决时时信息的采集，并对不同数据参数进行准确判断的呢，我们设想用摄像机或激光雷达的方式进行采集，在眼镜的镜腿前端与镜片接触的位置安装二个微型摄像机，采集来自路面盲人行进方向的时时路况信息，并且摄像头会智能调节焦距及360度上下左右旋转，例如倒伏的树木、电线杆、路政施工的基坑，土堆等，都不需要盲人来摆动头部去增加识别角度，而只要通过摄像头的智能调节系统就可以达到其所需要的角度和距离。

（3）识别分析、运算。时时路面信息的采集后将通过中值滤波、梯度法锐化后进行边缘检测运行处理，然后将背景图像与目标图像差分后再进行形态学膨胀、计算最小外接矩形特征后，在分割的基础上提取选择需要的特征，同时对某些参数运行测量后，根据测量的相关结果做出分类、识别。这种路面时时信息的采集需快速、及时，这样对于正在行运中的盲人来说，才会提供一个相对安全的行走环境。

2.2 北斗定位模块

本模块利用我国自主研发的全球定位系统即北斗卫星导航系统，来实现电子导盲犬的核心功能即盲人行进过程中的测速、定位和授时。

（1）北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统计划空间段有35颗卫星组成，包括27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星、5颗静止轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置分别为东经58.75度、80度、110.5度、140度、160度，中地球轨道卫星是运行在3个轨道面上，且轨道面之间为相隔120度均匀分布。

（2）开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供测速、定位和授时服务。授权服务是向授权用户提供更安全的测速、定位、授时和通信服务以及系统信息的完好性。通过北斗卫星导航系统的卫星网，不断向地球发射时间及定位信号，使任何一个在地球上的北斗接收机，都会同时接收到其多颗卫星的信号，并通过相关参数数据计算处理后，生成该接收机所处的准确地理位置、运动状态及时间信息，北斗卫星导航系统将提供准确的电子导盲犬行进过程中的相关地理信息。

2.3 地图导航模块

本模块的功能在于将北斗定位模块所提供的数据参数用电子地图进行采集，电子地图是利用计算机技术，通过数字方式存储和查阅的地图。

由于电子导盲犬的特殊使用范围，也为了最大限度减轻电子导盲犬的重量，决定了其并不带有电子屏幕，但可以通过个人电脑与其相联，进而对地图数据、播报方式等功能升级。本电子地图使用向量式图像储存，地图比例可旋转、放大或缩小而不影响显示效果。

（1）地图数据编辑。地图数据编辑就是通过盲人家属，用个人电脑与电子导盲犬相联接，在盲人出行的地图路径上标注出更加具体的细节元素，临时出现的障碍物，公交车站的上下车出入口等需要细节提醒的地方，以及在多远的距离内提醒，提醒几遍，支持家属将自己的录音音频数据导入替代电子地图中预先设置的语音提醒，这样会更加人性化。

（2）路径录音功能。家属也可以通过路径录音来添加音频数据，即家属携带电子导盲犬从启始点到目的地实际出行一次，途中只要出现需要提醒的事物就按下电子导盲犬的录音开关，抬起即停止录音，所生成的录音数据自动同步关联位置坐标数据，这样就可以给盲人出行提供一个更加安全的行走环境。

（3）语音播报方式。电子导盲犬的语音播报方式中是存在优先顺序的，障碍识别模块随机生成的语音提醒会优先播报，这主要是考虑到路面的变化有一些元素是动态的，其次是根据所处地理位置坐标，播报电子地图中预先设置的语音提醒或路径录音所产生的音频数据。

（4）查找、路线规划功能。查找功能用来查找各种场所、各种位置。如查找小区、商场、公园、公交线路等目标。路线规划功能例如坐公交怎么坐，步行怎么走，选择什么路线等等能自动生成公交、步行方案或使用默认出行路径。

2.4 语音识别模块

本模块的功能是将盲人的发音转变为数据信息，通过电子导盲犬的语音控制系统，来开启电子导盲犬的启动、运行。本模块采用声纹识别技术，所谓声纹，是用电声学仪器显示的携带言语信息的声波频谱。人类语言的产生是发音器官与人体语言中枢之间一个复杂的生理物理过程，人在讲话时的发声器官舌、牙齿、肺、喉头、鼻腔在尺寸和形态方面每个人的差异都很大，所以任何两个人的声纹图谱都具有差异性。

（1）原始语音数据处理。先对原始语音进行处理，消除部分噪声和不同说话人带来的影响，使处理后的信号更能反映语音的本质特征。最常用的前端处理有端点检测和语音增强。经过端点检测后，后续处理就可以只对语音信号进行分析，这对提高语音识别的精确度有着重要作用。语音增强的主要任务就是采用维纳滤波方法消除环境噪声对语音的影响，该方法在噪声较大的情况下效果好于其它滤波器。

（2）特征提取和模式匹配。通过特征提取即利用声学特征、词法特征、韵律特征、语种、方言、口音信息和通道信息等等。进而通过模式匹配即利用隐式马尔可夫模型方法的語音识别方法连续训练，使每个盲人的声纹模型逐个被精确地建立，在语音识别时识别速度快，识别率高。

（3）声控电子导盲犬。经过对语音识别模块处理后的数据形成指令，通过电子导盲犬的语音控制系统，来开启电子导盲犬的启动、运行。如开机、查找目标、北陵公园、开始导航、下个路口还有多远、播报声音小一点、路口用转弯吗、还有多远到、附近有哪些公交线路、是否需要到马路对面等车、导航结束、关机等等。

2.5 信息存储模块

本模块的功能用于存储障碍识别模块产生的时时数据、路径录音产生的大量音频数据、语音识别产生的声纹模型数据等等。还包括信息数据删除功能。

（1）时时数据。盲人在行进过程中，会在短时间内产生大量的路面时时信息。在障碍识别模块中，时时采集到的路面信息数据对于行运中的盲人来说，并不全部是有用的数据，其中有大量的背景数据信息与障碍物数据信息无关，但其数据信息仍需要存储，并经过分析、运算处理后就会得出障碍物的相关数据，如盲人在行运过程中，前方出现的障碍物距离盲人的距离以及障碍物的名称播报等，对行运过程中的盲人做出慢走、左转、右转等判断都是十分重要的。

（2）路径录音数据。盲人家属在路径录音采样过程中，会随机录制大量的音频数据，这些音频数据会随着盲人的行进路线的位置坐标播报出来，这样就会给盲人的出行提供了一个更加安全的环境。

（3）语音识别数据。语音识别的产生可以达到对电子导盲犬的声控操作，但是它需要盲人对电子导盲犬进行多次的语音识别训练，进而达到一个精准的语音识别级别，而这些都是大量的语音数据通过数据库慢慢积累的结果。

（4）信息数据删除。数据信息的存储必须有存留的空间，而一个大容量的存储空间是不可或缺的，对于该空间障碍识别模块产生的时时信息以及录音路径数据的清除，前者可以通过数据产生的时间和经过相关的分析、运算处理后，判断某些数据信息为无效，后者可以通过电子导盲犬与个人电脑联接后删除。

3 结语

本作品“电子导盲犬”， 基于北斗卫星导航系统，利用车载导航仪的工作原理，制作成一款眼镜形式，结构简单，功能多样，制作方便。该“电子导盲犬”包含障碍识别、北斗定位、地图导航、语音识别、信息存储等五个功能模块，多模块化功能从多方面方便盲人出行，帮助盲人在行进过程中的定位及地理状况的识别，便于盲人使用和时时提示引导，减少出行障碍。该产品集障碍识别与地图导航功能于一体，地图导航模块中附加的地图数据编辑和路径录音功能为盲人出行提供了更加安全的出行条件。通过对“电子导盲犬”的研究，在一定程度上解决了导盲犬数量不足、价格相对较高、在一些场合不方便等问题，在一定程度上解决盲人出行的困难，提高了盲人的生活质量。

参考文献

[1]刘基余.北斗卫星导航系统的现况与发展[J].遥测遥控，2013，（3）：1-8.

[2]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统.2013，（5）：47-53.

[3]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报.2010，（1）：1-6.