牛 恒，陳智利，張文婧，宋庚庚

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

據(jù)2018年世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)顯示，目前我國有至少1400 萬盲人，在出行方面有著極大的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的導(dǎo)盲手杖探測范圍小且安全性差；導(dǎo)盲犬訓(xùn)練難度大且價格昂貴無法普及。隨著科技的發(fā)展，科研人員開始著力于設(shè)計一種更加可靠、方便、廉價的導(dǎo)盲設(shè)備。當(dāng)前導(dǎo)盲設(shè)備的研究主要集中于圖像導(dǎo)盲或者傳感器導(dǎo)盲，功能單一，安全性不高[2-6]。文獻(xiàn)[7]利用超聲波測量障礙物距離并采用光敏模塊在夜間自動照明，給其他行人及車輛提示以避開盲人；文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種基于多傳感器信息融合并利用人工勢場法進(jìn)行路徑規(guī)劃的導(dǎo)盲系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]利用超聲波進(jìn)行探障，結(jié)合GPS 實現(xiàn)定位；文獻(xiàn)[10]在傳感器測距及GPS 定位外還提出了一種具有檢測路面及臺階功能的導(dǎo)盲系統(tǒng)。盲人出行主要需求是避障和引導(dǎo)其前往目的地，上述導(dǎo)盲系統(tǒng)均是在某一個或某幾個功能上進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)前導(dǎo)盲系統(tǒng)對于盲人出行的整體需求并沒有考慮全面，功能實現(xiàn)上無法滿足盲人出行需要進(jìn)而保證盲人安全。

通過上述分析，目前在盲人導(dǎo)盲領(lǐng)域急需一種可實現(xiàn)導(dǎo)航和避障的多功能的導(dǎo)盲系統(tǒng)。鑒于此，本文結(jié)合盲人實際需求，設(shè)計了并實現(xiàn)一種基于樹莓派3B+的多功能智能導(dǎo)盲系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器及攝像頭組合探障、避障路徑規(guī)劃、實時導(dǎo)航、語音交互功能，為盲人出行保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 導(dǎo)盲需求分析

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盲人的出行需求主要有4 個方面：避障、導(dǎo)航、語音交互、導(dǎo)盲安全性。

結(jié)合以上引入的盲人在出行方面的大致需求進(jìn)行具體分析。由于前提是出行需要，所以導(dǎo)引盲人前往目的地是一個必要的需求，盲人視覺缺失，故需自動檢測起點、語音輸入終點并自動規(guī)劃合理步行路徑，將導(dǎo)航信息語音輸出。本系統(tǒng)是導(dǎo)盲系統(tǒng)，單純導(dǎo)航不足以滿足盲人的出行需要，對于導(dǎo)航路徑上的障礙物無法進(jìn)行合理避讓，此時需要采取避障措施，由于盲人是不斷行走的，故需提前對路徑做出規(guī)劃，至少要探測前方20 m 內(nèi)的障礙。利用圖像法可探測較大范圍內(nèi)障礙并規(guī)劃避讓路徑，保證盲人安全，對于更小范圍內(nèi)的障礙，攝像頭無法探測到時，再結(jié)合超聲波、紅外探測盲人前方4 m、側(cè)方80 cm 內(nèi)的障礙，避免盲人與其相撞，更進(jìn)一步保證盲人安全。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

結(jié)合實際導(dǎo)盲需求，本系統(tǒng)主要實現(xiàn)超聲波、紅外、圖像組合探障、避障路徑規(guī)劃、GPS 定位導(dǎo)航、語音交互功能。綜合分析后，設(shè)計了總體實現(xiàn)方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of system

本系統(tǒng)的核心部件是樹莓派3B+控制芯片，可以進(jìn)行較大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理且處理速度快。探障模塊分為傳感器探障和圖像探障，傳感器探障由超聲波探測器和紅外探測器組成，主要探測盲人前方及兩側(cè)障礙物；圖像處理模塊通過一個攝像頭采集環(huán)境信息并實現(xiàn)測距，再通過YOLOv3 算法進(jìn)行識別，判斷出場景中障礙物的大致距離、類型、大小以及交通信號；避障模塊主要是利用A* 算法將圖像獲取到的障礙物信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)地圖，根據(jù)算法自動生成最優(yōu)的避讓路徑；GPS 定位導(dǎo)航模塊主要用于實時導(dǎo)航，當(dāng)盲人輸入終點信息后，結(jié)合GPS定位利用軟件爬取導(dǎo)航路徑信息并進(jìn)行處理反饋；語音模塊功能一是實現(xiàn)語音錄制與識別，二是實現(xiàn)語音合成與播報，由于盲人無法利用視覺信息，在系統(tǒng)工作前需要進(jìn)行目的地信息獲取，此時盲人可以語音輸入目的地，且系統(tǒng)所有提示信息均以語音形式通過耳機(jī)提示給盲人，以此達(dá)到導(dǎo)盲效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件電路主要由基礎(chǔ)電路、探測電路、定位導(dǎo)航電路、語音轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成：①基礎(chǔ)電路：最小處理系統(tǒng)、串口通信；②探測電路：超聲波測距、紅外測距、攝像頭、A/D 轉(zhuǎn)換；③定位導(dǎo)航電路：定位模塊、天線；④語音轉(zhuǎn)換電路：3.5 mm 接口耳機(jī)、USB麥克風(fēng)。

2.1 主控系統(tǒng)

本設(shè)計采用樹莓派3B+型控制板為主控系統(tǒng)?？蛇M(jìn)行無線和有線兩種方式的網(wǎng)絡(luò)連接，外部可接USB 攝像頭或排線攝像頭，且有外部存儲卡，容量大，運行速度快（GHz 量級），有獨立的linux 操作系統(tǒng)，能進(jìn)行復(fù)雜硬件連接及軟件編程。

2.2 探障電路

探障模塊主要實現(xiàn)測距及障礙物識別，其中測距模塊對盲人前方和側(cè)方障礙物進(jìn)行探測，HCSR04 超聲波測距傳感器探測前方障礙，通過探測返回高電平的時間來反映位置信息，測量范圍2～400 cm，張角為15°，探測精度2 cm，GP2Y0A0216YK0F 紅外測距傳感器探測左右兩側(cè)障礙，利用PSD（position sensitive detector）三角法測量障礙距離，測量范圍20～150 cm，張角為5°，測量精度1 cm，紅外信號獲取后，通過MCP3008 8 通道10 位A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換；障礙識別部分的采集攝像頭采用樹莓派專用的DSI 單目排線攝像頭，接口方便，信息傳遞速率快，用于盲人前方場景信息的探測。

2.3 定位電路

導(dǎo)航模塊主要利用GPS/BD 定位和百度地圖平臺聯(lián)合的方式實現(xiàn)[11]，其中定位部分利用ATKS1216F8-BD GPS/BD 定位模塊，該模塊的核心器件采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模組，共有167 個通道，靈敏度為-165 dBm，測量輸出頻率20 Hz，具有系統(tǒng)斷電不丟失數(shù)據(jù)的功能。GPS/BD 雙模天線具有較高定位精度。

2.4 總體電路設(shè)計

超聲波測距模塊、紅外測距模塊、定位模塊均采用串口通信模式，其中紅外數(shù)據(jù)需進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后傳入系統(tǒng)，麥克風(fēng)通過USB 接口與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，耳機(jī)采用3.5 mm 耳機(jī)接口進(jìn)行語音輸出，攝像頭模塊通過DSI 排線進(jìn)行連接達(dá)到通信目的，5 V/2.5 A 移動電源為整個系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體軟件設(shè)計

在完成硬件設(shè)計后，需要利用軟件來實現(xiàn)導(dǎo)盲系統(tǒng)的所有功能，使其能夠自動運行。分析各部分具體功能及編程條件，設(shè)計的導(dǎo)盲系統(tǒng)總體軟件流程如圖2所示。為使各模塊運行不受其他模塊影響，采用多線程方式對各模塊功能進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的運行效率。

圖2 總體軟件設(shè)計流程Fig.2 Overall software design of flow chart

3.2 避障軟件設(shè)計

避障部分軟件設(shè)計主要由障礙物識別和路徑規(guī)劃組成，其中利用YOLOv3 算法識別環(huán)境中常見障礙物（如車、人等）[12-14]，識別障礙物并結(jié)合攝像頭測距得到障礙物具體信息，填充至數(shù)據(jù)地圖之中進(jìn)行避障規(guī)劃，避障使用A*算法（啟發(fā)式搜索算法，避免大量無效路徑、尋路快且可得到最優(yōu)路徑[15-16]）。避障軟件設(shè)計流程如圖3所示，其中F 為啟發(fā)函數(shù)值，具體指路徑代價。最終得到代價最小路徑，即最優(yōu)路徑。

圖3 避障軟件設(shè)計流程Fig.3 Obstacle avoidance software design of flow chart

3.3 定位導(dǎo)航軟件設(shè)計

GPS 電路與百度平臺信息交互匹配，生成導(dǎo)航指令。其軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 定位導(dǎo)航軟件設(shè)計流程Fig.4 Positioning and navigation software design of flow chart

4 系統(tǒng)測試

測試A* 算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，結(jié)果如圖5所示，矩形框表示障礙物位置，直線表示避開障礙的具體路線，并生成的避障指令。

圖5 A＊算法規(guī)劃路徑Fig.5 A＊ algorithm planning path

生成的避障指令為：向前行走1.0 m，向左前行走0.7 m，向前行走0.5 m，向右前行走0.7 m，向前行走1.5 m，向右前行走1.4 m，向前行走3.0 m，向右前行走1.4 m，向前行走3.0 m，向左前行走2.8 m，向前行走6.5 m。

進(jìn)行避障整體調(diào)試，可據(jù)識別的障礙物情況生成數(shù)據(jù)地圖并規(guī)劃出合理的避讓路徑，障礙物識別及路徑規(guī)劃如圖6所示。

圖6 障礙物識別及路徑規(guī)劃Fig.6 Obstacle recognition and path planning

圖6中對應(yīng)生成的避障指令為：向前行走1.0 m，向左前行走0.7 m，向前行走0.5 m，向右前行走0.7 m，向前行走18.0 m。

導(dǎo)航模塊采用實時定位，不間斷匹配的方式對路徑拐點進(jìn)行及時探測并播報相對應(yīng)的導(dǎo)航信息。測試時，語音輸入某一位置，通過運行內(nèi)部程序，得到了相應(yīng)的路徑信息，測試路徑導(dǎo)航指令及拐點坐標(biāo)如表1所示。

表1 測試路徑導(dǎo)航指令及拐點坐標(biāo)Tab.1 Test path navigation instructions and inflection point coordinates

5 結(jié)語

本文結(jié)合盲人需求設(shè)計了一種基于樹莓派3B+的多功能導(dǎo)盲系統(tǒng)，完成了導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計，實現(xiàn)了探避障及導(dǎo)航功能。使用超聲波、紅外、圖像3 種方式聯(lián)合探障并結(jié)合A* 算法規(guī)劃避障路徑，其中超聲波可檢測到盲人前方2～400 cm 障礙，紅外可檢測到盲人側(cè)方15～80 cm 障礙，進(jìn)一步保證了盲人的安全。利用GPS/BD 模塊對盲人全程進(jìn)行導(dǎo)航，充分考慮了在遠(yuǎn)程和近程情況下盲人的整體需求，改變了以往導(dǎo)盲系統(tǒng)功能單一、安全性差的問題。在后期設(shè)計中可以加入位置共享和一鍵呼叫模塊，方便家人了解盲人位置并使盲人在遇到危險能及時與家人聯(lián)系。相信在不久的將來，多功能導(dǎo)盲系統(tǒng)一定可以在盲人出行方面作出巨大貢獻(xiàn)。