盲人出行雷达语音辅助器设计研究

刘诗婧

盲人出行雷达语音辅助器设计研究

刘诗婧

（武汉工程大学艺术设计学院，湖北 武汉 430030）

主要研究了盲人出行雷达语音辅助器的设计原理。为了使盲人出行更加安全便利，设计出了一款可穿戴式的雷达语音导盲辅助帽，具有人机交互功能，可以识别红绿灯、斑马线及盲道，使用超声波模块测距帮助盲人避障，通过路径规划算法得到无障碍路径，内置微弱光源环境检测装置，实现感应发光，采用非入耳式蓝牙耳机，与“耳航”APP配合使用，以此保证盲人安全出行。

导盲；超声波；传感器；盲道识别

1 设计背景及意义

1.1 设计背景

随着科学技术的进步和时代的变迁，现代工业文明得到了高度发展，各种新鲜事物开始层出不穷，人们的日常生活变得更加丰富多彩。不过，虽然信息革命给人们的生活带来了极大的便利，但是也有一些特殊群体并没有感受到信息革命带来的好处。比如盲人，他们在信息化社会中生存变得举步维艰。目前，中国还处于发展阶段，相对于一些发达国家而言，中国关于盲人出行相关产品的设计方面还存在很大不足，亟需解决。切实帮助盲人，最大程度上解决他们的需求，让他们也能享受信息化革命带来的便利，是目前迫切需要解决的问题。

1.2 盲人问题概述

1.2.1 盲人现状

中国国家卫生部门统计报告指出，盲人数量排名世界第一的是中国，在中国盲人数量已经超过了1 400万人，平均每年中国新增的盲人和弱势群体数量已经超过40万人，为他们的出行提供好的解决方法，已经成为当今社会中人们高热度讨论的话题。

1.2.2 影响盲人生活的因素

盲人由于先天或后天原因导致眼部残疾，生活难以自理，同时在社会中也经常遭受不公平的待遇。通过调研得知，影响盲人生活的因素主要有：①生理上的缺陷。双目失明给他们的生活带来很多困难，有些盲人甚至生活无法自理。 ②盲人出行阻碍很多，盲道不完善和无法规避障碍物，使他们与外界接触时存在极大安全隐患。③社会上某些人有歧视性思想。一部分普通人在与盲人交往的过程中，往往会歧视盲人生理上的缺陷，给盲人心理造成一些障碍。

2 现有盲人设计与调研

2.1 现有导盲产品设计

智能电子导盲辅助设备的应用，让盲人出行不再仅仅依赖于传统的导盲杖。但是，这些智能电子设备通常价格不菲，而且盲人在操作中通常会遇到一些困难。虽然有些导盲产品确实可以给盲人带来方便，但它们的实际应用范围仍然很小。从相关研究来看，虽然中国市场上盲人产品的设计和开发还处于起步阶段，但从大趋势看，盲人产品逐渐向人性化服务和品种多样化方向发展。例如，盲人手环、盲人水杯、盲人手套、导盲鞋和盲人导航仪被应用的越来越多，而且一些手机已经开发了盲人操作程序。

2.2 模拟场景研究

为了进一步研究盲人行走时可能遇到的困难，对盲人行为路径进行了分析，如图1所示。模拟了盲人行走至地铁站的全过程，记录下沿路会遇到的一系列问题，如盲道有障碍物，树枝等高处障碍物，明显的尖锐物体，导盲杖盲区，突然出现的障碍物，盲道断层或不平，需经过多个马路等问题。

3 技术支持与产品构想

3.1 超声波传感器

本设计采用HC-SR04型超声波传感器来实现模块的功能。超声波检测具有快速、方便、易于计算、便于实时控制、可用于测量精度等优点。超声波传感器在准确计算障碍物距离后，可以通过语音系统提醒盲人及时避开障碍物，充分发挥语音的交互作用。技术方面采用图像识别技术、蓝牙通话技术、GPS定位技术和超声波测距技术，使盲人在保证安全的前提下，利用盲人出行雷达语音辅助装置实现自由出行。从研究数据来看，成人行走的平均速度为1.5 m/s，平均反应时间为0.1～0.4 s，根据普通成年人的反应时间，当其意识到前方有障碍物停止行走时，仍会移动0.6 m。而正常人的步行速度要比盲人快，因此可以将HC-SR04型超声波传感器探测障碍物的距离设计成3 m。

3.2 导盲辅助器结构框架

该款导盲辅助器硬件包括HC-SR04型超声波模块，该款超声波模块受周围环境温度影响小，受使用时长影响小，同时没有退极化情况，通带性质优良，芯片与声传输器件统一计算基波谐振频率；灰度模块可以用来检测物体的黑白度，以此来辨别红绿灯；语音模块使人机交互成为可能；环境微弱光源检测装置提升盲人夜间出行安全性；内置的GSM模块可以插入手机卡，当盲人准备出发或确认到达目的地的时候，通过GSM模块自动发送短信到家人的手机中，让家人了解到盲人的情况；高清摄像头会将获取到的图像传送到DSP中处理；GPS定位盲人的位置，控制器再将信息送到上位机中。

结合信息融合算法，用传感器获得的数据规划路径；运用人工势场算法获得无障碍路径；运用图像识别算法精确识别斑马线、盲道。

3.3 导盲辅助器运行流程

导盲辅助器运行流程如图2所示。

图1 盲人行走至地铁站行为路径分析

图2 导盲辅助器运行流程图

系统初始化后，等待盲人发出指令，之后开启GPS 定位并向联系人发送“盲人出发”的信息，灰度模块与测距模块开始工作，分别检测红绿灯和测距，将所测距离及图像处理后的信息数据融合后用于路径规划，以此引导盲人避障，当环境光源微弱时，发光圈会自动发光。

3.4 图像识别技术与路径规划

在外界环境中，各种道路交通标志为人们提供了重要的信息。因此盲人在道路上行走时，导盲辅助器准确识别斑马线及盲道是十分必要的。

3.4.1 斑马线的识别算法

斑马线是一组黑白颜色互相交替间隔的平行条带，因为黑与白两色之间的色差对比非常强烈，其之间的规律性也很明显，因此可以用双极系数来分析道路图像中灰度较强的区域。通过分析双极系数，可以得出：如果被调查区域中双极系数值高则为斑马线区域；相比言之，如果被调查区域中双极系数值低，则为非斑马线区域。

3.4.2 盲道的识别算法

盲道轨迹的识别特征也非常突出，因为盲道轨迹的颜色大多为黄橙色，与周围道路的颜色不同，所以可采用图像分割方法。首先，将RGB图像转换为HSI彩色图像，然后用高斯平滑滤波器对原始颜色直方图进行平滑处理，用补洞来填充操作中盲道区域的空洞，然后对分割后的盲道边缘采用形态学处理孔径运算消除毛刺，使边缘平顺，对像素小于 1 500的区域采用面积阈值滤波，消除非盲道路面，最后用Canny算法通过检测图像边缘来识别盲道。

3.4.3 人工势场法实现路径规划

在复杂环境中，人们需要根据一定的评价标准，找到从初始状态到目的地的最方便的无障碍路径，这就要求辅助装置系统具有路径规划功能。本研究采用人工势场法进行道路规划，它的原理是将辅助装置所在空间的运动视为虚拟力场中的力运动，障碍物排斥它，目的地吸引它。辅助装置在产生的力的作用下移动到目标点，利用人工势场法，在起点和终点之间规划出一条最方便的无障碍路径。系统可以根据自身和障碍物之间的距离合理地调整运动速度，有效地执行辅助装置的路线规划。

3.5 产品模型

针对上述研究，Rhino三维建模设计出一款可穿戴式的智能雷达语音导盲帽，如图3所示，CMF配色以黑色为主，白色、灰色为辅。

图3 导盲帽效果图

该款智能雷达语音导盲帽造型外观为帽檐前、帽檐后、左前、左后、右前、右后共六个雷达，前方为雷达与摄像头一体化设计，后方有调节头围的橡胶带，两侧为非入耳式外置耳机，声孔在耳朵前方，保证盲人进行语音导航的同时，能够听到周围环境声音，帽体中间为一圈环境感应发光装置，在周围环境光源微弱的情况下会自动亮起，提醒周围行人注意避让，帽体顶端覆盖着太阳能板。

“耳航”APP包含出行路线、紧急报警、实时定位三大板块功能，盲人可全程语音控制APP运行。盲人戴上智能导盲帽后，朝着麦克风语音发出指令：“我要去xx街道”，APP随即开始智能规划路径，匹配出一条途经马路最少、周围障碍物最少的最优路径并开始语音播报，同时会给APP中设置的盲人紧急联系人发送消息，告知该盲人已开始出行，并为联系人提供GPS实时定位盲人动态的服务。若盲人遇到困难时，可发出指令：“拨号联系人”，则会启动拨号给APP中绑定联系人的功能；也可发出指令：“我要报警”，则会启动拨号报警功能。

4 结语

该款智能雷达语音导盲帽便捷易携，采用符合人机工程学的可穿戴设计；具有语音交互功能，能够智能规划路径，实时引导盲人；同时具有精度高的图像识别技术；对于同类产品，该款智能雷达语音导盲帽安全系数更高，能够为盲人出行保驾护航。除此之外，该款智能雷达语音导盲帽与“耳航”APP联合使用，APP能够进行语音控制，盲人遇到危险时可发出指令，自动拨号求助联系人或报警，同时盲人每次出行时，联系人都可通过手机实时在线查看盲人动态。

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TH789

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.017

2095－6835（2021）08－0049－03

刘诗婧（1998—），女，湖北武汉人，研究生在读，研究方向为产品设计。

〔编辑：严丽琴〕