隐藏式结构的智能导盲帽产品的设计与实现

金诗博 张明哲 赵泽辰 李江宁（天津中德应用技术大学，天津 300350）

0 引言

本产品能够为盲人出行提供便利和安全保障，实现对障碍的识别和信息提示，同时能够满足盲人对导盲产品不易引起外界对自身缺陷过多关注的心理需求。本文将从用户需求、实现形式方面，对本作品“一种隐藏式结构智能导盲帽”的设计思路做分享。

1 本系统研究背景

根据研究调查结果，可以知道每天外出的盲人仅占27%，有55%的盲人表示在出行时无法辨清方向，有34%的盲人担心出行的过程中被障碍物撞到。盲人不经常出行主要是因为没有完善的交通系统和友好的导航代步设备，并且盲道占用率高，利用率低下。盲人们普遍渴望友好的代步工具保护自己不受伤，渴望有一个针对盲人出行的交通系统，渴望引进导盲产品以更好地助行。

盲人的心理需求同样有以下两个方面：

一方面，盲人群体因为生活受限渴望来自外界的帮助，当帮助不得时，他们很容易产生忽略感和自卑感；另一方面，盲人希望能够受到他人的平等对待，希望自己不被孤立，希望自己能够和正常人一样参与到社会生活和活动中，特别是需要外界不对自身的缺陷过多的关注，有尊重和自我实现的需要，所以其对于结构优化、陪伴式的助行设施的渴望十分强烈。所以，一种隐藏式结构的智能导盲帽能够很好的满足盲人使用者的心理需求。

在现实生活中，大多数的盲人都是通过普通的盲杖来辅助行走，而盲杖作为一根普通的长杆，存在太多的局限与不足。导盲犬虽可以协助盲人行进，却存在训练周期长、成本较高的缺点，这也降低了导盲犬的使用性。

2 研究意义

研究该导盲出行产品具有以下重要的意义：第一，盲人因为出行不便难以很好地接触外面的世界，因此盲人的生活相对于普通人来说较为平淡。诸如盲人导航器等关于盲人出行的产品能够运用现代的科学技术，方便盲人的出行，增加出行的安全性，同时让盲人的出行不再乏味，以便利的出行服务帮助盲人融入当下的智能生活，感受到科技带给他们的便利，感受到社会给予的关怀。

第二，盲人与普通人同处于一个社会，但是因为自身缺陷的原因，在很多情况上，盲人遭受着相比于正常人的不平等对待与相处。关于盲人出行产品的生产与推广能够通过社会上更多人对盲人等残障人士的认识与了解，更好地弘扬、传播良好、互帮互助的社会风貌，促进社会群众之间的平稳发展与和谐共处。采用隐藏式结构的方法，避免了外界对盲人使用者缺陷的过多关注，同时有利于消除残障人士在社会上的不平等对待，使他们能够更好地步入正常的生活。

第三，盲人出行产品运用近代科技已经成熟的图像识别与传感技术，达到低成本高质效的效果，并结合能够满足盲人出行的相关应用功能，使功能不再单一。

3 导盲帽的特色与优势

该隐藏式结构的导盲帽和同类产品对比，经过分析有以下的优势和特色：

（1）盲人群体因为自身条件的限制，多数盲人的购买力有限，而同类产品的成本比较高，对于大多数盲人群体来说价格负担较重。

（2）目前同类产品存在一些限制因素，比如说，同类导盲产品在低端型号上，应用功能略显单一。

（3）在外形上，同类产品显得比较“庞大”或“怪异”，易引起其他人对使用者的缺陷过多关注，增加盲人用户的心理负担。

所以，本文从以上三点出发，研究解决方案，设计了一款智能导盲系统核心模块，并可以附着在不同的定制帽体上，形成多样化的模块隐藏式的智能导盲帽。

4 功能设计思路

本产品的思路为设计一款更加人性化、多样化的盲人导航器产品，来取代功能单一的导盲拐杖和成本高昂的导盲犬，在现实和技术层面上是可行的。采用GPS模块、超声波传感器以及树莓派智能终端，结合软件技术，实现图像场景识别、语音交互提示。盲人使用者只需要佩戴蓝牙耳机，同样可以选配有线耳机，再结合语音输入，输入想要到达目的地，就能快捷、便利、安全地通过耳机收听GPS导航语音功能抵达目的地。将模块与外接感知设备隐藏在定制的帽体结构中，形成一种外观上与普通帽体无异的导盲产品。

在盲人出行过程中如果有停留、等待的空闲时间，可以使用附加功能，收听实时播报、音乐，这样能够丰富出行。此外，还可以利用网络以及App，帮助在盲人和其监护人之间建立起一种新型的信息化沟通与交互桥梁，让盲人的每一次出行更便捷、安全、舒适。

5 技术原理与设计

（1）本产品以穿戴帽为载体，树莓派结合GPS定位导航和高精度九轴陀螺仪组成的人工智能核心模块为中心，外部搭载超声波传感器，以及摄像头，高精度高灵敏的识别。同时通过语音播报方式，实现与盲人直接进行快速交互，提示障碍物类别，指引盲人前进避障的方向，帮助盲人到达想要到达的目的地。

（2）树莓派4B微型电脑搭载陀螺仪、GPS等传感器组成导盲核心模块，同时核心模块含有传感器和外设接口，可实现外设和传感器的功能选配，结构如图1所示。同时本系统模块采用“云—边”的双重方式，可实现视觉三维建立，以及基于为盲人特殊设计数据集下训练，实现道路图像识别、自主判断道路危险等级及绕行方案。

图1 核心模块结构布局示意图

（3）上述功能，采用“云”方式为本系统核心模块通过视频采集，与自主开发的后台程序进行交互，后台根据本导盲系统上传图像信息，进行识别运算并返回识别结果，核心模块通过语音或触感提示盲人使用者；采用边缘方式为在网络异常时，本导盲帽核心模块可通过摄像头进行图像采集，在导盲帽的树莓派中，进行图像识别运算和障碍物信息提示，这样实现双重识别保障。同时，在自主开发的后台程序中，能够实时接收导盲帽传来的GPS位置信息，这样方便盲人的亲属，通过网站或App实时了解盲人的位置信息，为盲人出行提供安全保障。

（4）图像检测移动检测方法，采用色域识别方法，应用numpy、opencv等库进行识别讲图片色域进行分离提取，并用numpy创建矩阵接收并将色域信息转换到hsv色域模型，用opencv库对图片进行膨胀和腐蚀操作，将图片导入高通滤波器提取出对应颜色边框，如果边框长度＞0，则识别到对应颜色。同时对边框进行排序，选出面积最大的边框，导入并运算质心，将质心的坐标存入数组，对比前后两张图片数组变化即可得知色块在摄像头中的运动轨迹。

（5）另外，核心模块与定制的帽体采用一种隐藏式结构，帽体采用内嵌拉链与隐藏式夹层的形式，并在放置模块周围的地方进行绝缘处理。这样的方式可实现该导盲帽与普通帽体无异，这样就不会过多引起盲人使用者的心理负担，如图2所示。

图2 核心模块与定制帽体布局图

6 结语

本系统能够避免外界对于盲人使用者自身视力缺陷的过多关注，在一定程度上能够增强使用者的体验感受和心理满足。同时通过核心导盲模块的功能，能很好地帮助盲人安全出行，并规避危险。