基于北斗和GIS云的智能导盲系统

师晨辉

摘 要：随着第三代北斗卫星的升空，我国已进入了北斗卫星系统全球组网阶段，北斗定位技术在全社会已有广泛的应用。由于社会的快速发展，盲人外出的路况也变得更加复杂，同时网络技术与GIS技术发展势头越发强劲，因此有必要为盲人群体开发一套全新的导盲系统。该导盲系统基于北斗卫星定位系统，但与传统的导盲仪不同，该系统采用后台GIS云服务器和前端导盲仪的整体结构以及双向通讯方式，同时结合地理信息系统和空间大数据，利用人工智能和深度学习算法，使导盲更加精准。

关键词：北斗卫星系统；GIS云；空间大数据；导盲

1引言

中国是全世界盲人最多的国家之一。据我国2010年人口普查统计数据显示，全国的视力残疾者一共有1263万人，盲人约有500万人[1]。目前，国内外已有部分导盲产品进入市场。例：新西兰的电子导盲犬、加拿大的声波拐杖和中国的导盲犬[2]。但盲人的出行仍然受到很大的限制。北斗导航系统（BDS）是我国自主研制的卫星导航系统。随着技术的发展，北斗导航系统的应用越来越广泛。GIS分析工具与北斗系统紧密结合，将其應用到导盲领域，可发挥重要作用。

2系统设计

该导盲系统是基于北斗系统和GIS云的嵌入式系统，具有高速度的并行处理能力，由前端导盲仪和后端GIS云服务器构成。系统总体框架如图1所示。导盲仪为具有导盲功能的电子手环。GIS云服务器由相关人员进行管理，系统以方便盲人行动为目标，考虑盲人这一群体的特征，将系统功能分为四大模块，包括地图导航模块、障碍识别模块、预警报警模块和信息模块[3]。

3 模块功能实现

3.1 地图导航模块

该模块基于高精细地图和时空大数据，要求数据的精细程度应达到分米级，以达到对特殊人群用户进行精准导航的目的。

用户启动模块时应对准麦克风，输入语音指令（如“开始导航”），导盲仪将指令传输给后台服务器，后台服务器启动地图导航模块，启动该模块的同时障碍识别模块也一起启动，以确保用户的出行安全。此时前端北斗信号接收装置开始工作来接收北斗定位卫星信号，然后将位置数据传输给服务器。

用户根据语音提示通过语音输入目的地，服务器接收目的地名在地图上标注，考虑到盲人出行的特殊性，需要在路径规划算法中加入限制条件，如盲人道优先，禁止在机动车道上活动，过马路时经过斑马线上等等。服务器根据用户当前位置和目的地进行路径规划，并实时向前端导盲仪传输导航报文，导盲仪对报文进行语音合成引导用户前行，协同障碍识别模块，尽可能地确保用户的安全。

当前方即将拐弯时，导盲仪会隔几秒播报一下离拐弯出的距离，直至用户开始拐弯。

在即将通过红绿灯时，服务器根据用户当前的位置和红绿灯的位置，在地图上量测出距红绿灯的距离，并通过导盲仪进行语音提示。考虑到红绿灯有等待的时间，我们可以通过长期的车辆移动大数据来计算出车辆移动的时间和车辆等待的时间，从而得出红灯的等待时间和绿灯的通行时间以及红灯变为绿灯的时刻和绿灯变成红灯的时刻，通过分析该十字路口处实时的车辆移动大数据可以得出车辆的运动状态，从而得出此刻红绿灯的状态。这样再根据盲人通常情况下通过红绿灯的时间来判断是否通过该十字路口。

3.2 障碍识别模块

本文利用超声波测距、避障技术对盲人的前方、上方和下方进行障碍识别，可以很好地帮助盲人感知障碍的位置，并实现防踩空。相比其他的测距、避障技术，超声波的传播不受磁场、光线和色彩的影响[4]。

超声波探测器探测的障碍类型包括前方的阻挡物、上方的悬挂物和路面上的深坑，探测范围为用户前方5米开角为45度的空间，当其测得该范围内有障碍时，导盲仪会识别障碍的类型，确定障碍的距离和方位，并将障碍的类型、距离和方位发送给服务器，服务器通过计算将障碍标注在地图上。考虑到障碍有一定的形状大小，服务器以用户的位置为圆心做一个半径为2米的缓冲区，缓冲区随用户位置的移动而移动，直至用户通过障碍。服务器根据缓冲区、障碍的位置和障碍的类型生成障碍绕行方案，要求障碍点不能在缓冲区内，服务器将绕行结果返回给导盲仪以进行播报，引导用户安全通过障碍。服务器将该障碍进行编辑和编码存储到数据库中，以便以后使用。

3.3 预警报警模块

为使跌倒报警功能不影响盲人的正常动作，选取人体运动的加速度信息和角速度信息作为跌倒状态的判别依据。加速度信息可以通过三轴加速度传感器测定，角速度信息可以通过双轴陀螺仪测定。

当盲人正常行走时，加速度呈周期性变化，但发生跌倒时，加速度和俯仰角都会发生明显的变化。经一些学者的相关研究证明，人体无论朝向哪个方向发生跌倒，加速度和俯仰角都会有较大范围的变化[5]。导盲仪检测到盲人摔倒后，会以语音提示“检测到您已摔倒，是否将您摔倒的时间和位置发送给家人”，导盲手环上有终止信息发送的按键，若用户在一分钟以内按此键，说明用户摔倒后无大事，否则说明用户摔伤严重，导盲手环会自动以鸣笛的形式发出求助信号，并通过内置的通讯卡，将盲人摔倒的时间和位置信息以短信的方式发送给家人。

3.4 盲人信息识别模块

本文考虑到盲人自身的特殊性，在导盲仪上增加个人信息模块。该模块功能由一个二维码实现。当盲人遇到突发状况或处于某种危险，无意识的情况下，他人通过扫描导盲仪上面的二维码可以获取到盲人的姓名、家庭住址、家人联系方式等个人信息，进而向盲人提供帮助。

4 结语

本文对设计的导盲系统从系统构成和具备的功能两个方面进行了阐述，考虑了诸多安全因素。系统将先进的GIS空间分析技术和北斗定位技术应用于解决盲人出行问题，将导盲仪制作成电子手环形式。导盲仪的功能多样，携带方便，性价比高。相信本系统对提升盲人的生活质量和北斗卫星导航系统的应用推广有着重要的意义和价值。

参考文献：

[1]廖庆洪，胡婉如，曾维鋆，胡靓，朱莉. 基于GPS技术与智能避障的导盲拐杖研究[J]. 电子技术，2016，45（11）：19-23.

[2]王冠生，郑江华，瓦哈甫？哈力克，张洋，姚聚慧. 盲人导航/路径诱导辅具研究与应用综述[J]. 计算机应用与软件，2012，29（12）：147-151.

[3]徐丝雨，唐彪. 基于北斗卫星导航系统的电子导盲犬的开发及应用[J]. 数字技术与应用，2017（02）：92-93.

[4]徐跃. 基于超声波测距的机器人定位与避障[D].齐鲁工业大学，2013.

[5] 陈炜，佟丽娜，宋全军，葛运建. 基于惯性传感器件的跌倒检测系统设计[J]. 传感器与微系统，2010，29（08）：117-119+125.