自动导航盲人眼镜的设计与研究

朱昱如 梅 烨 孙云帆 成雅琪 李无双

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

2015年，地球上的73.3亿人口中有3600万人失明。据估计，到2021年，这个数量会上升到3850万。如今，盲道被占有的现象越来越严重，随着机动车的剧增，盲人的出行及其不便。制造出小型盲人眼镜，通过红外扫描和语音播报的结合，将盲人眼镜视线区域内的路况播报出来，精准地向盲人进行实时播报，以方便盲人绕行。该项目的研发很好地解决了视障群体地出行问题，为那些黑暗中的人们带来了一个可以单独外出感受世界的机会，让他们打开自己“心灵”的窗户。

1 系统设计

1）设计原理。超声波感应装置内含三维扫描仪，扫描仪利用自然界物质的特定的光对图像进行读取，在扫描仪工作的时候，它会发出的强光照射在物体上，这些强光反射在光感应器上。当光感应器接收到这些信号后，将这些信号传送到图像转换器，图像转换器再将其转换成芯片能读取的信号，然后通过驱动程序转换成正确的图像。产生图像后将此成像转码后与语音播报系统连接在一起，有语音系统为其同声播报，在遇到紧急情况，扫描仪发出超声波，将其反馈给蜂鸣器，使其发出紧急提醒。在眼镜芯片内置GPS导航系统，可自动为盲人定位，实时了解到盲人的动态。

2）设计特色。（1）实时语音播报可让盲人及时了解路况，有效避开障碍物。（2）定位系统可掌握盲人的位置，以便家人寻找。（3）产品简单轻巧，方便携带。（4）利用超声波等装置使误差在毫秒内，安全性能较高。（5）据统计大多数盲人会有严重的自卑感和挫败感。在现有的自动导航盲人拐杖中，盲人手持拐杖对他们来说他们与常人不一样，但是自动导航盲人眼镜可以有效地解决这个问题，盲人戴上眼镜看起来与常人一样，在为盲人导航的同时也减轻了盲人的自卑感。

2 系统结构

1）超声波模块。本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，前方测距电路的输入端接单片机端口，单片机执行编码程序后，在端口输出一个脉冲信号，经过三极管的放大，驱动超声波发射头发出脉冲超声波，并保持持续发射。单片机两侧的测距电路的输入端分别接两个不同的端口，接收头采用与发射头配对的装置，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两极放大后加至带有锁定环的音频译码集成块，内部的压控振荡器的中心频率，电容决定其锁定带宽。调节电阻在发射的载频上，则集成块输入信号大于规定电压伏数，输出端由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。单片机根据超声波往返时间计算距离。前方测距电路的输出端接单片机端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门的输出接单片机端口，同时单片机的其它两个输出端接到单片机的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。

2）双向语音播报模块。双向语音播报模块通过麦克风阵列获取用户命令，就是将一段语音信号转换成相对应的文本信息，系统主要包含特征提取、声学模型，语言模型以及字典与解码四大部分，其中为了更有效地提取特征对所采集到的声音信号，主控制系统将对采集到的信号进行滤波、分帧等预处理工作，把需要的信号从原始信号中提取出来；之后，特征提取工作将收集到的声音转为声学模型提供合适的特征向量；在语音播报转置中装入已有的声学模型系统，在声学模型系统中再根据声学特性计算每一个特征向量在声学特征上的得分；而语言模型则根据声学系统收集到的语音，计算该声音信号对应可能词组序列的概率；最后根据已有的字典，对词组序列进行解码，得到最后可能的文本表示。

3）图像识别模块。图像识别模块由摄像头、TV摄像机、数据存储器、图像数据处理器组成，本模块首先通过主控制器驱动摄像机采集各种图像，并把图片储存成数据记录在储存器中，通过数据存储器存储图像数据，图像数据处理器对于你所看到的图像进行图像数据处理，再呈现在你的眼前。该眼镜中一共安装了两个摄像头，一个沿着水平方向转动，一个沿着垂直方向转动，以便能够全面扫描到我们所看到的物品。当你戴上眼镜后，眼镜的主控制系统会把激光和红外线发射出去，当光线触碰到物体后，物体就会将光线折射回来，利用对于反射光线的方向以及时间的测量，就可以计算出物体离我们的距离，从而给人的大脑传递出物体的方向和距离信息。在这款导盲眼镜中，我们为了增强眼镜的实用性与自然场景的真实性，我们采用改进型的CIFAR-10自然场景库作为测试训练样本。在实际的系统图像训练中，加入了桌椅、树木、垃圾桶等生活中常见的一些东西，以便对于自然生活场景的模拟更加真实。在该系统的训练过程中，由于样本繁多，数据繁杂，隐含层需要相对较多的节点数才能展现出较好的特征，再加上图片本身的信息量很大，需要较多次的迭代，整个训练过程持续了很长时间，最终呈现出来的结果与现实生活物品基本一样。经过上述功能组合后的视觉系统，可以应用到检查、监视（对厂区内异常现象的监视或对室内外可疑人物的监视）、装配、加工、分类、移动（与地图的匹配或障碍物回避），以及对人的检查和识别等 场合。

4）GPS导航模块。该系统利用GPS定位系统与手机和眼镜相结合，在盲人行走时，通过定位系统与语音系统的相结合为盲人实时播报地理位置，同时该系统与手机相连，与手机绑定后盲人的家人可随时追踪到盲人的地理位置。我们还将系统设置了安全距离，在超声波扫描到障碍物小于安全距离时，控制系统将图像信息传至声音系统中的蜂鸣器会紧急告知盲人已达警示作用。

3 结语

自动导航盲人眼镜意利用现有智能导航技术、语音播报技术、紧急提醒技术、GPS定位技术将其混合使用，在为盲人实现实景语音同声播报导航，解决盲人出行难的问题。通过结合三维扫描仪、超声波感应、语音播报以及GPS定位系统为盲人完成精准的实时路况播报。其中，在系统中我们也将装置紧急提醒装置，在突发情况下，紧急提醒盲人有效避开障碍物，在系统中我们也会加入帮助盲人文字识别的装置，在没有盲文的情况下，盲人亦可通过语音阅读。

该系统代替了昂贵的导盲犬，解决了许多盲人家庭无法承担导盲犬的价格以及导盲犬的有限问题，让盲人可以更好地外出活动。同时也解决了盲人因为自己与他人不一样的自卑心理，让更多的盲人更愿意出行，更愿意与他人交流。