一种基于树莓派的盲人避障导航手杖

2020-08-30袁珍

鄂州大学学报 2020年4期

袁珍

(黎明职业大学通识教育学院,福建泉州362000)

手杖是为特殊群体服务的一种辅助行走工具，一般是为老年人或残疾人使用。盲人是指视觉有障碍的人群，一般分为失明或者弱视两种情况，通常都需要通过手杖来指导行路。常见的手杖功能较为单一，例如带防滑功能、底端带有活动方向轮、结合一个可折叠凳子等。但是这些并没有为盲人增加很多便利，目前很多盲人出行还是靠家人陪伴、导盲犬牵引、盲道等辅助物，使得出行的依赖性特别强。随着科技的发展，市场上出现一些专门针对盲人的手杖，但往往功能比较单一，控制复杂，可扩展性和灵活性都不强，家属无法对盲人进行远程监控，造成盲人出行安全性较低。

本设计的目的在于提供一种方便盲人出行,提高盲人出行安全,可扩展性强、功能多样、人性化、操作简易的基于树莓派的盲人避障手杖。

1 总体设计方案

一种基于树莓派的盲人避障导航手杖的总体结构如图1所示，结构可以分为用户端和远程控制端两大部分。用户端主要包括手杖实体、树莓派、摄像头、传感器、扬声器、GPS（全球定位系统）模块等，远程控制端包括移动客户端终端APP（应用程序）和计算机终端（web形式）。两部分通过服务器进行数据通信和控制。

图1 总体设计方案框图

2 系统硬件设计

系统硬件结构如图2所示：

图2 系统硬件结构图

2.1 树莓派控制器

本系统的硬件部分采用Raspberry Pi 3 Model B+作为控制中心，此型号的树莓派尺寸仅为：82mm*56mm*19.5mm，重量为50克，具有体积小，重量低，功能齐全的优点。树莓派具有40针扩展GPIO（通用输入输出）口和音频输出口，通用性和扩展性强。[1]系统中的传感器和摄像头等模块均通过通用GPIO口与树莓派连接，树莓派读取并处理传感器的数据。此外，树莓派还支持网络功能，可以连接无线网卡进行网络通信，从而实现远程控制。

2.2 超声波测距传感器和舵机模块

盲人避障的关键点在于障碍物的距离测定和报警，本系统使用的是超声波测距传感器US-015，通过通用GPIO接口与树莓派连接。这款测距模块可实现2cm～4m的非接触测距功能，适用于盲人行路时测距。其分辨率高于1mm，重复测量一致性好，测距稳定可靠。距离测量过程方便简洁，可以通过Echo电平时间计算得出障碍物距离，公式如下：

另外，在US-015的下侧连接有转叶式舵机，旋转角度可达60°，同样通过通用GPIO接口与树莓派连接。通过舵机调整US-015的测量方向，不仅可以测量水平方向的障碍物距离，也可测量手杖下方到地面的大致距离，当距离出现突变（有台阶或坑洼），可以通过语音或震动提示用户。工作原理如图3所示：

图3 超声波结合舵机测量地面坑洼

2.3 摄像头模块

摄像头的使用也是本设计的创新点之一。为了全面保障盲人安全，在手杖正前端装有高清1080P红外夜视广角摄像头，用于拍摄前方路况。摄像头的数据输出端直接与树莓派的CSI（相机串行接口）相连。目前的设计是使用摄像头进行人脸识别和路况识别：提示盲人有人靠近，并识别出是陌生人还是亲友，用语言提示；识别当前是否到达路口斑马线处，以及当前路口的红绿灯情况，同样语言提示。未来还可以进行功能扩展，例如识别公交站、盲道位置等。

2.4 导航模块

系统的导航使用了高精度惯性导航传感器，集成有三个自由度陀螺仪、三个加速度计，可以根据测得的加速度信号计算出自身速度和位置，得到各种导航参数，从而实现定位和导航功能。[2]模块支持串口和I2C（双向二进制同步串行总线）输出，方便与树莓派相连。在树莓派上使用Linux下的一个守护进程GPSD来监听来自GPS接收器的位置信息，并将位置信息转换成一种简化的格式。

得到位置信息之后，需要将位置在地图上显示出来，本系统的地图由百度网站的开源api提供，在使用导航时必须联网。将GPS的log（日志）文件使用地图打开，就可以得到用户的具体位置并进行导航了。

3 系统软件设计

与普通的单片机不同的是，树莓派的底层是一个完整的Linux操作系统，所有可以在个人计算机上运行的Linux程序，几乎都可以在树莓派上执行。尤其是当下流行的Python语言具有GPIO库，能够支持树莓派的硬件接口，结合各种开源硬件扩展诸多应用。

本系统的软件部分包括障碍物检测和语音提示子程序、通信导航子程序、图像识别子程序等，这里着重描述图像识别和移动客户端APP开发。

3.1 图像识别

图像识别流程包含四个步骤：图像采集、图像预处理、图像特征提取以及匹配与识别。[3]本系统图像识别包含了三种情况：人脸识别、红绿灯识别和斑马线识别。三种情况的图像特征提取算法均不相同。见图4。

图4 人脸识别流程图

本设计在Python平台中安装第三方openCV库，使用openCV中的CascadeClassifie级联分类器进行人脸检测，再使用LBPH faceRecognizer进行人脸匹配。通过面部定位、双眼定位、抽取特征点等一系列流程，对影像合成特征集群，并与存盘记录对比，从而得出结果。

值得注意的是，受外部环境光线、人体姿势、外部饰物等因素的影响，系统存在一定的误识率和拒识率。此部分正在持续改进当中。

路况识别的步骤与人脸识别类似，首先，通过基于Haar-like级联分类器的目标识别算法识别并定位目标，然后使用HSV色彩模型对定位区域的颜色信息进行分析，进而得出路况信息。[4-5]同样由于实际道路环境相对复杂，在对整张图片进行目标位置确定时，存在一定的误判可能。

3.2 移动客户端APP开发

由于目前我国智能手机的持有率相当高，本系统在设计时考虑到另一客户群——盲人家属的用户需求，在此基础上设计了移动客户端APP。[6]用户可以随时随地下载APP，结合移动网络和无线网络，实时获得盲人当前位置信息、报警信息等，全方位保障盲人的安全。移动客户端APP的主要功能模块有：手杖位置获取与显示模块、远程一键报警模块、语音信息模块等。

4 方案实施

采用上述技术方案后，本设计在应用时可利用树莓派3代B+型的强大网络功能，自动连接WIFI（无线上网）或者手机热点，使得手杖能实现家属手机的远程连接，家属能根据GPS模块的定位信息随时获取位置，进而对盲人进行导航,避免因导航系统错误而造成盲人无法到达目的地。当盲人遇到紧急情况时，也可按下紧急按钮，通过网络远程报警。

在盲人行路过程中，利用超声波测距模块实时检测前方障碍物距离，通过语音提示给盲人。另外由舵机间歇调整超声波测距的角度，测量下方与地面的距离是否有突变，从而提醒盲人避开坑洼和注意向下台阶。同时利用摄像头拍摄盲人行路过程中的路面情况和行人状况，再由图像处理软件分析判定，语音提示盲人，全方位地保护行走的盲人。同时,树莓派的端口多，可安装操作系统，编程语言丰富，在今后使用中也可根据用户需要，在不改变产品基本结构的前提下即可自主增加一些简单的功能，可扩展性强，应用灵活。