基于红外测距传感器和摄像识别功能的智能盲杖的设计

郑昱帆

【摘要】    盲人的出行和生活一直都是比较困难的，目前还没有比较好的智能产品帮助盲人解决这一困难。本项目主要聚焦于设计并生产一款不仅能够方便视障人士生活，且能克服诸如盲杖和导盲犬等常规辅助形式不便之处的智能化产品。为了实现这个目的，我们希望该款智能盲杖可以实现大范围侦测障碍物，并能通过连接耳机实时、快捷地提示使用者前方障碍物的位置，在不影响周围路人正常出行的情况下，及时地提示视障人士是否应该绕行或折返，最大程度地保障了盲人的日常出行的安全性和体验感。同时，该产品还减少了一遍遍用传统盲杖探索周边环境，敲击障碍物并通过手上的震动反馈决定行进的不便，也为绝大部分经济能力较低而无法承受导盲犬费用的视障人士提供了一条可行且廉价的代替方案，节省了培训导盲犬的社会经济压力。本产品将使用目前市场上已有的成熟智能模块，为智能盲杖配备障碍物识别、测距、预警功能、通信与语音交互、记忆等新功能，真正让科技帮助盲人。

【关键词】    视障人群    红外测距    摄像识别    智能盲杖

一、课题来源

在过马路时，我曾经碰到一个拄着盲杖的盲人，他拄着拐杖走一步顿一步，还时不时用盲杖反复敲着路边的石坎，仿佛这样才能够放心地走下石坎。好不容易到了马路的另一头，又要把刚才的动作重复一遍，反复用盲杖敲打路边的障碍物，这样循环往复，不仅浪费了大量的时间，而且复杂的障碍物容易造成盲人绊倒，另外，如果马路上来往车辆多而速度快，很可能引发交通意外。盲人的不幸不该成为他们的负累。现在科技越来越发达，以人工智能为代表的前沿科技已经被用于生活的个个方面，例如滴滴出行，美团等，让我们享受到了科技带来的便利。我认为这样的智能技术也能为盲人的生活带来方便，帮助他们避免一些不必要的麻烦。于是我特别想要设计一款智能盲杖，它不仅能够帮助盲人识别周围的障碍物，还能提前给出语音提示，能更好地代替盲人的眼睛，帮助他们更好地生活。

二、课题背景

2.1 视障人群规模及辅助器具

根据国家统计局公开数据显示，我国目前残疾人数约占世界残疾人数的五分之一，但是我国残疾人用品的生产销售量却不足世界平均水平的五分之一，由此可见，我国的残疾人用品存在供不应求的情况。据不完全统计，我国现有残疾人中有60%以上需要辅助器具[1]，然而，目前适合残疾人专门使用的各类生活器具、生活劳动辅助器具、文化体育用品等特殊用具，存在品种少、档次低、性能单一、缺乏创新、产品老化等问题，其中智能化产品科技含量较低、功能也较为单一。这对残疾人的正常生活十分不友好，据了解，几乎所有的视力残疾人都可以通过辅助器具来补偿视觉功能缺失造成的不便[2]，可以从不同程度上改善他们的生活质量，有利于更好地参与社会生活。因此，改善对视障人士的公共服务，扶持辅助器具的研制、开发和推广，能在很大程度上提高视障人士的幸福感，有利于社会发展。

2.2 视障人群的生活特点

盲人作为社会中常见的一种弱势群体，他们的生存状况应该引起社会的重视，他们由于视觉上的一些缺陷而导致生活上有所不便，一些正常人很轻易能做到的事情，比如快速过马路，注意避开道路上来往车辆等行为，对于他们来说都是生活中的一道难关。

然而，车水马龙的道路，千变万化的交通情况都在時刻考验着盲人的反应能力和运气，对于我们来说的普通的行走对于盲人来说不亚于一次心惊胆战的冒险。为了提高盲人的生活质量，很有必要针对视障人群的出行研制一些有效的辅助产品，代替他们的眼睛，让他们能像视力健康的人群一样判断复杂的道路情况。

2.3 盲杖、导盲犬的不足之处

当前，盲人出行主要依赖盲杖和导盲犬。对于普通盲杖来说，需要盲人自己用盲杖反复敲击地面，在前后左右摸索以后才能基本了解大致路况以及前方小范围内有无障碍物，确定安全后再继续行走，这样将大量耗费盲人不必要的时间。而且一旦探测到前方有特殊情况的时候，基本很难及时地给予盲人有效的反应时间，这样对于盲人来说危险性大幅度上升。另一方面，导盲犬存在一定的局限性，很大程度上在于其培养成本较高，通常情况下，培养一只导盲犬需要耗费大量的时间成本和人工成本，当一只成熟的导盲犬进入市面，它最有效的工作时间往往很有限而且存在不稳定性。与此相比，机器的工作时间相对更长也更加稳定，另外，在一些特殊情况下，导盲犬可能不太方便为盲人工作，例如导盲犬很难判断一些较为复杂的地形，或者有一些公共场合不方便让动物进入等等。为了解决这些不便，设计一款新型的智能盲杖显得很有必要。

关于智能盲杖的设计，国际上已有人进行过尝试，美国伯明翰城市大学3名学生借助智能手机技术发明的XploR盲杖，能让盲人解决错过熟人的问题。这种智能盲杖里有一些特殊的部件。首先是个摄像机，只要有人走近，进入它的“视野”（比如10米距离），它就扫描来人的面孔;而盲杖内置的面部识别软件会提取来人面容的诸多识别特征，与配套的数据库进行比对。目前该盲杖还处于研制阶段，不过它的功能局限在识别熟人上，并不能解决盲人的实际困难。

总的来说，目前市面上的智能盲杖较为稀少，而且价格普遍较高，目前来看市场十分广阔。而我们力求利用价格更加低廉的材料和更加简易的编程实现功能相对健全且实用的智能盲杖。这种智能导盲杖不仅能探测前方一定范围内的障碍物，而且能对前方的障碍物做出判断，并提前给出警示，提醒盲人有危险，注意避让。

三、研究内容

新型智能导盲杖拟使用以arduino系统为核心的测控系统，用arduino单片机装载红外测距模块、摄像识别模块、语音模块来解决此问题。

红外测距模块：目前市场上已存在比较成熟的红外测距传感器模块，该模块的测量距离为4到50cm，基本可以满足智能盲杖的测距要求。同时该模块使用红外LED与CMOS图像传感器及数字（I/C）通信，可以很好地与其它模块相匹配。

摄像识别模块：OpenMV摄像识别模块也是一款比较成熟的模块。它具有小巧、低功耗、低成本的电路板，能够实现机器视觉应用。该模块通过python语言来实现，开源性更强，也方便我们之后二次开发。Python的高级数据结构也方便之后在机器视觉算法中处理复杂的输出。利用该模块，可以实现的应用包括：

1、CNN神经网络

2、Lenet数字识别：可实现门牌号、楼层等带有数字的物体的识别

3、颜色识别：可实现斑马线、路标、红绿灯等带有颜色的物体的识别。

4、人脸识别：可实现熟人的人脸识别。例如，在系统中储存好友的照片，在路上遇见时可以自动提醒。

语音识别模块：基于Arduino的语音识别模块也比较成熟。搭载该语音识别模块以后，用户可以通过麦克风或者蓝牙耳机等与智能盲杖实现语音交互。智能语音模块的另一种实现方式是通过目前智能手机自动的语音交互功能来实现智能盲杖的控制，但是这涉及到智能手机和盲杖的功能匹配，技术难度相对较大。

Arduino 系统是一個完全开源的系统，经过 10 多年 的发展，各种源代码和配套的传感器模块已经随手可得，使得原本复杂的硬件设计过程，变得如同搭积木般容易，大大加快了普通精度要求的电子设备研发周期。在应用方面，Arduino 突破了传统的依靠键盘、鼠标等外界设备进行交互的局限，可以更方便地进行双人或者多 人互动，还可以通过 Flash、Processing 等应用程序与 Arduino 进行交互[3]。

本项目将在电脑上编写单片机程序，使其能够测出附近障碍物的距离。同时完成实验来训练摄像模块识别不同类型的障碍物，如门槛、栏杆等。最后通过语音模块将集成的信息播放给盲人，使其能够及时避障。同时为避免影响他人，此智能盲杖也能够加装蓝牙模块，将智能提醒通过耳机传递给盲人。在技术上，本次设计的工作重点在于数据传输和数据处理上，不仅需要精准快速地收集路面的有效数据，还需要智能地识别这些数据，然后转换成不同的信号精准地传输给用户。根据实际情况，本次所设计的智能导盲杖在保证各项技术指标符合要求的情况下，还需要具有较低的开发成本和生产成本，最好能大量投入生产，满足市场需要。

四、智能盲杖主要功能描述

本文设计的智能盲杖主要包含以下几个功能。

障碍物识别：避开障碍物是盲杖最重要的功能，在智能盲杖上会配备摄像头以及图像识别模块，摄像头实时采集周围环境照片，由图像识别模块进行分析判断，传输给控制系统。

测距：障碍物的识别需要与测距功能相结合使用才能真正帮助盲人提前判断障碍和避开障碍。在摄像模块进行障碍物识别时，测距模块会监测使用者距离障碍物的距离，并与安全限制进行比较。

预警功能：预警功能包括障碍物预警、红绿灯预警等。测距功能和障碍物识别功能会实时监测使用者与障碍物的距离，当距离达到预设的安全限制（如20cm）时，预警功能会发出安全警报（通麦克风），提醒使用者停止脚步进行避让。另外，图像识别功能也可以帮助使用者去判定红绿灯情况，例如当遇到红灯时，智能盲杖会提醒使用者停止;变成绿灯时会提醒使用者前行。

通信与语音交互：语音交互功能能够极大地为盲人使用者提供便利。使用者可以通过麦克风、蓝牙耳机等设备给智能盲杖发出指令，例如调出去某个地点的行走路线等。

记忆功能：记忆功能也是非常重要的一项功能，方便使用者的出行和生活。扫地机器人一个很重要的功能是学习与记忆功能，它在公寓中打扫的过程中，会学习和记忆房子的结构和打扫路径，基本在4-5次打扫后，扫地机器人就会获得最优的打扫路线图。智能盲杖也能实现相同的功能。智能盲杖的最大功能是引导使用者去想要的地点，具有记忆功能后，智能盲杖也会存储每次的路线图，数据充实后，使用者在使用智能盲杖时，可以直接语音输入目的地，智能盲杖就会调出路线图，引导使用者快速安全地前往目的地。

五、预期成果

我们希望在前期进行3D建模设计产品零部件，与此同时在电脑上编写程序，采集数据，运用Arduino单片机技术装载个各类功能模块，进行数据处理，在CAD应用中对产品进行最终组装，设计出一把长宽高大致等于4*4*95cm的导盲杖模型（国家标准范围）以及配套的单片机程序。

智能产品最重要的是其使用稳定性，所以在产品样机完成后，需要进行大量的测试，以确保性能和稳定性达到要求。为了验证智能盲杖的性能，将会对其进行多次实验，将测试数据进行比较，让实验结果更有说服性，同时也会进行用户使用测试，提升用户体验。

我们预计这个产品能够为盲人们带来更多的便利，在交通出行、社交等多方面帮助盲人。

参  考  文  献

[1] 秦本蓉.你了解残疾人辅助器具吗？.[J].社区，2009，（3）：47

[2] 闫媚，刘建兴，黄跃红，陈亮，夏鹤飞，朱图陵.辅具让视觉障碍者生活更美好.[J].中国残疾人.2009，（12）：56-62

[3] 胡少兵，黎瑶，詹旺，蒋明明. 基于Arduino的新型智能导盲杖设计.[J].自动化与仪器仪表.2019，（9）：8-11