基于机器学习的智能导盲犬设计

王广权，石玲，王建文，王善鹏，丁鹏，张浩建

（江苏师范大学科文学院人工智能与软件学院，江苏徐州，221132）

0 引言

随着科技不断发展，智能化不断普及，本设计顺应科技发展要求的同时，还关注弱势群体，尤其是视障人群。根据中国盲人协会的统计数据显示，截至2016年我国约有1700万盲人，是世界盲人最多的国家，但只有200只导盲犬。而本设计将极大程度缓解现有导盲犬的压力，相比于生物导盲犬训练难度大、耗时长、成本高等缺点，智能导盲犬的开发与应用有着更为广泛的前景，同时也能改善视障人群的生活质量。而导盲犬系统中最重要的即是导盲，系统需要实现的是引导视障人群正常出行，避开出行路线范围内的障碍物。因此，设计出能够精准快速识别出障碍物的智能导盲犬系统，是具有很好的现实意义的。

1 系统设计

智能导盲犬是视力障碍人群的出行重要辅助工具。从总体设计上来看，智能导盲系统可以按照模块分为：智能导航模块、避障模块、危险警报模块、电源模块、动力驱动模块。

1.1 智能导航模块

图1 系统模块设计示意图

为了便于视障人群的出行，我们在智能导盲犬的导航系统上增添了语音功能，利用GPS以及北斗导航双模混合导航，在最短的时间内分析出最短路径以及道路交通数据情况，使得视障人群能够根据智能导盲犬发出的导航消息选择路线，不仅节约了视障人群的时间，还在一定程度上缓解了道路交通的压力。同时，在导航的系统功能上增添了bug算法以及神经网络算法。GPS系统以及北斗导航系统已遍布于人工智能领域，且广泛地应用于汽车、手机等领域。因为GPS系统以及北斗系统混合导航可移动定位的特性以及高效率的路径选择能力，所以我们才将其加入智能导盲犬的导航模式中，通过bug算法以及神经网络算法的判定，高效地为视障人群选择最适合、最快速的路径。同时在GPS以及北斗导航中都存在民用的标准定位服务，且无需支付高额的费用，便可以使用此功能，这在一定的程度上降低了视障人群的经济支出，也有助于智能导盲犬的设计。为智能导盲犬的导航模式加入GPS系统，是因为卫星轨道上遍布了超过24个卫星在同时运行，其不仅仅为智能导盲犬的导航系统提供技术支持，还时时刻刻能够为智能导盲犬提供高精度的定位以及导航服务，更为视障人群提供了安全保障。

1.2 避障模块

导盲犬避障功能是应用在智能导盲犬系统中的一项关键性技术，旨在能够让智能导盲犬在行动过程中，通过视觉传感器给它提供周围环境的相关参数指标，避免用户及其自身出现碰撞。本功能将配合智能GPS定位与北斗导航双模式定位导航、智能动力驱动、智能语音系统、5G通信等模块来获取到用户的经纬度，并结合道路交通状况为用户规划合理出行路线。导盲犬通过对出行路线范围内的障碍物进行360度全方位扫描，通过WSP算法建立3D模型，将障碍物的速度、加速度、大小、距离等相关数据添加到主模型中，并基于完备的训练模型判断出周围障碍物的运动轨迹，安全范围的定义，防止障碍物突然进入到安全范围内影响到用户的正常出行。系统在接收到用户语音指令后，视觉传感器将在启动之前会首先利用红外扫描一次周围环境，以及利用北斗导航定位模块，确定用户位置，做到及时且安全的避障。

传感器由红外传感器和超声波传感器两部分组成。红外传感器用来检测安全距离范围内的障碍物，而超声波传感器检测安全进行界限之外的障碍物，两部分相辅相成。传感器通过发射装置发射红外线和超声波，在检测到物体后返回信号至接收信号装置，在收到信号后进行信息分析，并将判断出障碍物的状态信息发送给导盲犬避障功能处理区，同时通过语音系统功能提醒用户及时避障。另外在选择传感器方面也是经过了一番深思熟虑，红外传感器可以在外界为强光等条件下，采用多点采集的方式，避免太阳光线对红外传感器中的二极管造成伤害，防止造成系统对于距离把控的误判或者影响另一个超声传感，导致数据不合，甚至使整个系统陷入无法挽回的瘫痪。此外，使用超声传感器的原因在于超声传感器发出的机械波方向性会更好，并且对于发射机械波的方向也是固定的，使得导盲犬对于各个方向的情况都可以第一时间做出判断。在机械波的传输过程中，波对于固体的穿透性是不可替代的一种本领，当发出的机械波碰到了固体的分界面时，在分界面处会传回反射回波，第一时间能够被超声传感器捕捉。在两种波的相互作用下，智能导盲犬更具有方向性以及重要的避障功能，为视力障碍人群提供了更加有力的保障。

图2 导航模块设置

1.3 危险警告模块

智能导盲犬的危险警告模块分为探测模块与危险警告模块，传统的探测器主要有红外探敏测、热敏探测以及颗粒物探测。探测也不仅仅是探测周围环境，同时也会通过光电式心率传感器智能手环实时检测用户的身体健康数据以及其位置信息等。经过试验发现，传统的探测器并不适用于在导盲犬身上。经过试验发现最适用于机器导盲犬上的探测系统是pw-01蓝牙芯片，其能够实时检测导盲犬与盲人之间的距离，并反馈给云端，云端接收并处理数据，当导盲犬与盲人之间的距离过远，云端会发出指令，导盲犬的报警系统将会启动，并发出报警声。同时盲人会配置光电式心率传感器智能手环，能实时对盲人的心率进行检测和提示，当盲人身体指标一旦出现心率过高、发热，以及晕倒等情况时，导盲犬会立即拨打急救电话并发送当前位置信息，同时向盲人的亲属发送短信进行提示，为盲人提供全天候的安全保障。

危险警告模块会二次利用智能避障模块所建立的三维模型数据，并通过云端的算法计算出周围物体相对于用户的速度和方向，以此为过滤出有可能会导致危险的特定模型信息，然后将通过语音系统和心电式智能感应手环的震动进行提示。此模块还将通过视觉传感器传输的图像进行扫描，然后识别出周围的一些固定标识，包括红绿灯颜色及方向、地上的盲道、人行横道、人行天桥等公共设施的标识。如当用户通过十字路口时，遇到绿灯突然变红的情况，智能导盲犬侧边指示灯会亮起以警示周边车辆，请车辆进行避让，同时通过语音提示用户，使其快速通过该路口。

图3 导盲犬检测盲人身体状况

2 技术栈、拟解决的问题以及预期成果

2.1 技术栈

智能导盲犬基于机器学习的智能机器导盲犬是新一代综合运用物联网技术、机器视觉识别技术、语音识别等技术，外观模仿真实的导盲犬，内部集成GPS以及北斗导航双模混合导航及路线规划接口的仿生机器人。

通过物联网技术可以帮助视障人群家属更便利地获取视障人群的状态、帮助视障人群以及盲人之间互相取得联系。通过视觉传感器对路面情况进行实时分析，对风险进行分级规避，进行智能规划导航总体路线和避障路线，给视障人群带来更好的出行体验。通过语音识别技术，视障人群可以直接通过语音来控制导盲机器犬。

2.2 预期解决的问题

智能导盲犬可以极大程度缩短导盲犬训练周期长的问题，缓解大部分视障人群负担不起导盲犬费用的困扰，为大部分视障人群减少与导盲犬的磨合期，解决导盲犬在社会上遭受拒绝的情况，同时可以减少导盲犬掉毛对皮肤敏感的人造成影响等问题；通过在生活中必不可少的导航，危险警报，避障等技术为视障人群提供安全保障，更好地融入于当今时代飞速发展的社会之中。考虑到部分身体情况不理想的老人，我们给智能导盲犬配备的智能手环也起到了很大作用，对于这部分人群，智能手环可以实时的监测所配备人的心率，遇到特殊情况也能及时提醒配备人采取必要的措施。

2.3 预期成果

智能导盲犬帮助视障人群更好地适应社会，不仅同时降低培训导盲犬的周期和成本，还能让更多视力障碍者可以及时用上导盲犬，将极大地提高视障人群的幸福总值，也能让人们享受到科技进步的成果；预期在不久后，智能导盲犬将会带着全新的设计，包含导盲、避障、危险警报等功能进行全新上市，并且通过视障人群对智能导盲犬使用后进行的反馈，不断地进行对智能导盲犬进行更新改造，为视障人群提供更好的生活安全保障。

3 结语

智能导盲犬作为新兴科学技术可以有效地缓解导盲犬数量过少的社会问题，在解决视障人群正常出行的同时，还可以解决部分视障人群因高昂的价格无法饲养导盲犬或因自身原因无法与导盲犬在同一空间共同生存的问题，符合国家相关法律规定，顺应现代科技发展，满足现今社会高速发展需要，也为视障人群融入现代化社会提供了更优质的条件。同时，在如今人工智能的数据化时代背景下，此项目不仅运用高科技的技术为视障人群提供生活上的帮助，而且还为智能导盲犬在市场的立足奠定了坚实的理论基础，同时也反映出人们渐渐地适应了当今飞速发展的科技时代的生活。