基于GPS与智能交互的导盲手杖改良设计

宫福祥，高 晋

（咸阳师范学院 设计学院，陕西 咸阳 712000）

0 引言

现代社会中，一些盲人和视障人士挤占盲道、拒绝导盲犬等行为为其安全出行造成了巨大困难和安全隐患，相关数据报道显示，当今社会有30%左右的盲人和视障人士因出行困难选择不出门，有26%的盲人在家人陪同下每周出行4～6 次，有20%的盲人在家人陪同下每周出行1～3 次，其余24%的盲人可以自行出门[1]。由此可见，能够自行出门的视障人士占比较少，如果不及时解决盲人出行问题，不仅给其生活造成巨大困扰，还会在一定程度上影响其心理健康。所以，帮助盲人克服出行困难迫在眉睫。当前，国内外专家和学者针对这一问题展开了激烈讨论和研究，促使各种形式的导盲设备应运而生。但结合实际情况来看，由于导盲产品结构和功能较为单一，所以还不能充分满足用户需求。因此，研究一种便携式、智能化导盲手杖具有一定现实意义。

1 GPS 与智能交互的导盲手杖基本功能

1.1 定位功能

采用GPS 定位技术设计导盲手杖，能够实现导盲手杖自动定位功能。具体来说，在导盲手杖中安装GPS接收器，家人可以对盲人运行的速度和位置进行实时计算，并且接收器在接收到卫星信号时能够及时对信号进行处理。

1.2 障碍物检测功能

在导盲手杖设计过程中，可以通过超声波检测技术，实现障碍物检测功能。即在盲人运行过程中，如果周围存在较大尺寸的障碍物，声波会及时发出反射信号，提醒盲人避让障碍物。在实际设计过程中，超声波需要设计为硬件形式，主要可以分为3 类：单片机系统；第发射电路；超声波检测电路。如在导盲手杖中安装分立施式压电超声波传感器，并对超声波发射原理进行深入分析。在超声波发送之前，脉冲信号为40kHz，此时信号相对较弱，并且随着距离的加大，信号传感也会随之降低。所以，想要将脉冲信号传入发射模块，对信号进行处理，而后再次对列阵进行驱动，使其发射超声波，如此则能够准确计算出障碍物距离。

1.3 语音识别功能

智能化导盲手杖能够将使用者发出的语音指令转换为文字，并通过识别技术满足人机交互需求。在设计过程中可以使用自然语言处理技术，将使用者语言转换为文字，而后对转换后的文字进行编码，并将指令中的关键词进行检索，使其形成导航信息，如此可以帮助使用者规划好行走路线，并通过语音播报方式引导盲人前行[2]。

2 GPS 与智能交互的导盲手杖改良设计方法

在本套导盲手杖设计过程中，主要应用到的技术有GPS 定位技术、超声波检测技术、语音播报和语音识别技术。在实际设计过程中可以分为以下几个模块，分别为信息采集模块、信息分析模块和人机交互模块。同时，还要在导盲手杖的表面贴上反光板，主要作用是为行人和车辆发出警示，避免盲人在夜晚出行时发生交通事故。相对于传统导盲手杖而言，这种导盲手杖在功能方面更加丰富，并且操作便捷，无论有无盲道均可使用，可以有效提高盲人生活质量。

2.1 导盲手杖信息采集模块设计

在导盲手杖设计过程中，信息采集模块可以分为3 个部分，分别为采集用户指令、采集GPS 定位信息和采集障碍物检测信息[3]。

用户在与导盲手杖人机交互过程中，主要以发出地点指令为主，所以在设计过程中，可以采用Free Voice Text 软件，该软件可以准确地将用户语音转换为文字，并且转换效率高。在满足转换需求基础上，可以检索到用户指令中的关键词，并将关键词与地图匹配，从而达到采集用户指令需求。

采集GPS 定位信息，是对用户想要达到的目的地以及达到的时间进行采集。对于智能化导盲手杖功能系统而言，在采集定位信息过程中，需要将GPS 接收器与电子地图联合使用。在设计过程中，电子地图选择方案有多重，可以结合自身需求下载地图软件。而GPS 接收器由于需要安装在导盲手杖中，所以需要考虑其尺寸大小，保证其与导盲杖外形相适应。为此，本次设计选择的接收器主板为GPS25-LVS OEM，接电平转换芯片为MAX232，通过硬件连接方式能够及时对GPS 导航信号进行接收，从而准确判断盲人距离目的地所消耗的时间，最终达到智能导航需求。

在采集障碍物检测信息时，需要通过超声波完成。具体来说，超声波在发射电路时，需要借助压电晶体产生的谐振作为支撑。当两个脉冲信号与压电晶片的频率相同时，后者会产生振动现象，并发出超声波，如此则能够有效收集障碍物信息[4]。

2.2 导盲手杖数据分析模块设计

在导盲手杖信息采集完毕后，需要通过单片机对采集后的信息进行存储。同时将采集到的语音质量与电子地图联合在一起，从而规划处最佳路线。而后利用语音合成芯片，将规划出的路线以语音播报方式输出，使用户能够根据播报信息行走。用户在行走过程中，可以通过导盲手杖对周围路面进行探测，此时超声波检测功能会开启，并对检测到的信息进行及时反馈，如此便能够提醒使用者避让障碍物。

2.3 导盲手杖人机交互模块设计

智能化导盲手杖的人际交互功能，为盲人安全出行提供了便利，充分体现了设计人性化特点。在开启智能化导盲系统后，用户可以通过导盲系统发出语音指令，此时导盲系统中的语音识别软件通过识别人声，可以将识别后的地名关键字提取出来，并将转换后的信息进行编码处理和译码处理。在此基础上，导航系统与电子地图配合使用，会及时规划出一条最为便利和安全的行驶路线，并通过语音播报系统读出，为盲人行走提供指引。另外，还可以将导盲手杖与蓝牙耳机配合使用，在盲人行走时，如果周围存在障碍物，可以及时将检测信号传入耳机中，如此既能够提醒盲人避让，又不影响其他路人行走[5]。

2.4 导盲手杖功能流程

导盲手杖功能包括定位功能、障碍自我检测功能和语音播报功能等，需要应用到OEM 板、单片机等系统。在设计过程中，主要采用Keil C51 单片编写语言程序，通过设置定位模式和单片机工作模式，能够使单片机及时接受到串口数据，并将其写入系统缓存区。在导盲手杖使用过程中，如果检测到的障碍物距离达到上限，系统内部的报警功能和语音播报功能会发出提示，从而提醒用户重新选择路线。由此可见，采用GPS 定位技术、超声波检测技术、语音播报技术和语音识别技术等对导盲手杖进行设计，能够丰富导盲手杖的功能性，使盲人在不需要他人陪同的情况下也能安全出行。同时，导盲杖表面的反光贴，还能够为来往行人和车辆提供警示，使其注意避让，从而减少安全事故的发生。

另外，智能化导盲手杖还能够和蓝牙技术联合使用，将播报信息和提示音通过蓝牙耳机传到盲人耳中，既能正确引导盲人行走，又能够避免对外界造成干扰。与此同时，智能化导盲手杖还具有质量轻、体积小等特点，并且操作便捷，可以充分满足盲人日常使用需求。

3 结语

盲人是社会弱势群体，需要全社会来关爱。近年来，我国视力障碍人数不断增加，帮助盲人解决出行困难，已经成为社会民生工程中亟待解决的一个问题。然而，当今社会，行人挤占盲道、缺乏信号灯提示等问题层出不穷，为盲人安全出行带来极大不便。基于此，试图研究出这种智能化导盲手杖。该手杖具有语音识别、自动播报和自动检测障碍物等多种功能，即使不在盲道使用，也能够为盲人提供正确指引，有利于提高盲人自行出门的安全性。