CN103191006A - 一种室内无线全方位定位导盲系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内无线全方位定位导盲系统，包括数个盲人移动终端、数个导盲接入点、区域信息软件系统、服务器、数据链路。本发明使用上、下行链路通信机制，支持同一接入点接受多个盲人用户语音导航服务请求，防止多个盲人用户语音信号串扰；区域信息软件系统实时、准确地全方位监控盲人空间位置移动，高效地引导盲人行走需求；结合骨传导和气导耳机，采用无线语音传导方式，保护盲人隐私，并保证不产生环境干扰的语音噪声；超声测距模组可以确保盲人的行走安全，可成功地避障。

Description

一种室内无线全方位定位导盲系统

技术领域

本发明属于导航和定位领域，特别涉及一种室内定位导盲系统。

背景技术

盲人作为一个特殊的社会群体，需要人们给予更多的关注和关怀。在实际生活中，盲人最大的困难是出行，如果能够很好地解决盲人的出行问题，将极大地促进其融入社会。中国是世界上盲人数量最多的国家，约占世界盲人总数的1/5。在日常生活中，人们95%的信息都是依靠视觉得到的。盲人生活在黑暗的世界中，他们的生活、工作和社交都存在极大的困难。如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。随着社会经济发展和文明程度的不断提高，解决盲人在公共区域的活动问题越来越受到人们的关注和重视。事实上，许多机构都曾研制过一些导盲辅助工具，如导盲机器人、盲人电子眼镜、卫星导盲、带扬声器的导盲仗和基于RFID的室内导航系统。以上提到的这些盲人导航系统，尚无法提供全面和人性化的导航和定位服务，特别是当盲人处在公共场所时，这一需求显得更为迫切和紧要。

现有的电子导盲系统大多是帮助盲人行走的辅助器，而在公共场合中既能提供向导又可辅助盲人行走的装置还属于初步发展阶段，具有使用不方便，声音提示对隐私保持不足等缺点。而且，已有的导盲系统普遍存在全向性定位精度不高，极大的定位误差给盲人出行带来严重的安全隐患，这一直也是个世界性难题，目前尚未取得突破性的进展。

目前室内导盲系统大多数是基于RFID语音服务的区域导航系统，这种系统采用无线射频提供身份识别服务的机制，最近几年被广泛应用于安全防护、商品生产销售、管理与数据统计、交通运输等领域。但RFID系统提供的信息本身并不能使得相应的操作流程变得简单、易于人们理解其信息内容，RFID标签可以提供全面的信息数据，诸如身份编号和时间等，也可以安置在特定区域协助确定位置，但该技术消耗成本极高，系统灵活性差，不能实现数据传输的功能，并且需要近距离身份识别验证，盲人很难准确、有效地找到感应接收器，从而导致其普适性差，不适合大规模推广应用。因为RFID系统并没有告诉人们该如何行动，这就需要语音导向系统了。RFID与语音系统是互补技术，可以增强彼此的收益。因此，RFID技术结合语音技术被越来越多的用于区域导航系统中。因此，有必要设计一个功能完备、灵活性强且经济实用的室内盲人导航系统，满足盲人在陌生的公共场所中行走需求。

发明内容

发明目的：本专利提出一种功能完备的室内无线全方位定位导盲系统，解决低视力患者和盲人在特定公共场所中精确定位和避障，方便盲人出入公共场所，享受优质的语音导航服务。

技术方案：一种室内无线全方位定位导盲系统，包括数个盲人移动终端、数个导盲接入点、区域信息软件系统、服务器、数据链路，其特征是：

所述盲人移动终端包括MCU微控制器、加速度传感器、计步器、电子罗盘、超声测距模组，其向盲人接入点传输携带盲人身份验证的身份识别信号，请求无线语音导航服务并与导盲接入点进行通信；

所述导盲接入点为盲人移动终端提供接入导盲服务，接收盲人移动终端发出的身份识别信号，若验证通过后即刻开启并提供无线语音导盲服务；

所述盲人移动终端核心部件为MCU微控制器，其作用是处理数据和控制整个系统，需要处理的数据包括电子罗盘的方位信息、超声模组的距离及障碍物信息、加速度传感器返回的加速度信息；控制作用为控制系统的运行，其控制的信息有各种信号的采集、音频的输出控制、无线数据的收发及重要数据信号的读写存储；

所述盲人移动终端上的加速度传感器、计步器和电子罗盘实时地提供盲人的移动速度和方位信息，同时盲人移动终端上的超声测距模组不断地收取回波信号的延时时间和强度，用于分析障碍物距离和其危险程度（可根据回波强弱来判断）；

考虑到不同盲人用户的便利性，所述盲人移动终端的具体使用形式包括但不限于手持式、悬挂式和眼镜式；

所述服务器实现所述区域信息软件系统的功能，可为特定室内建筑结构提供对应的空间数据管理系统，具有集中、存储、操作和显示地理信息的功能；所述盲人移动终端与所述区域信息软件系统的服务器通过无线数据传输方式提取盲人定位信息，并将盲人的空间位置准确地显示在计算机虚拟结构图中，实现实时智能监控；

所述数据链路是将所述盲人移动终端、导盲接入点、区域信息软件系统之间连接起来的通信信道，分为上行链路和下行链路；所述盲人移动终端通过所述上行链路与所述导盲接入点进行无线连接，所述导盲接入点通过所述下行链路为所述盲人移动终端提供相应的语音导航服务信息。

同时，本发明还公开了一种基于所述室内无线全方位定位导盲系统的导盲方法，包括以下步骤：

（1）盲人移动终端发送接入请求信号：所述盲人移动终端利用超声波信号向所述导盲接入点发送接入请求信号和盲人身份识别信息，启动导盲接入点工作；所述盲人移动终端核心部件为MCU微控制器（MCU,Micro Control Unit），它是一种型号为STM32F103RBT6的单片机，其作用是处理数据和控制整个系统，需要处理的数据有：电子罗盘的方位信息、超声模组的距离及障碍物信息、加速度传感器返回的加速度信息，控制作用为：控制系统的运行，是系统的核心大脑，其控制的信息有各种信号的采集、音频的输出控制、无线数据的收发及重要数据信号的读写存储。

（2）导盲接入点自动组网：每个所述导盲接入点进行网络身份识别编码，且每个导盲接入点对应唯一的编码信息，当导盲接入点通过免申请频段ISM与所述区域信息软件系统的服务器进行无线通信连接，所述服务器存储了每个导盲接入点的编码信息，当通信连接成功后，所述服务器可将所述导盲接入点的编码信息传输到所述盲人移动终端,盲人将被覆盖于网络之中；

所述免申请频段ISM系指工业、科学和医用免申请频段，以用于工业、科学研究和微波医疗方面的应用，中国的ISM的波段主要有433MHz、866MHz、915MHz和2.4GHz；

（3）盲人移动终端与导盲接入点无线连接并超声测距：当所述盲人移动终端通过所述上行链路与所述导盲接入点进行无线连接时，所述导盲接入点可以识别其是否为有效身份；识别为有效身份后，所述盲人移动终端发射一束超声波，所述导盲接入点的换能器接收到超声波信号后，通过所述超声测距模组计算信号的数据链路传输往返时间，根据已知的超声传播速度可推算出位移，从而将盲人的物理空间位置信息返回到所述盲人移动终端；如果多个盲人移动终端同时访问同一个导盲接入点时，该导盲接入点则采用并行的延时机制接受其访问要求；

其中，超声传播速度V₀，总的消耗时程T，终端消耗时间为T₁，接入点消耗时间为T₂，则盲人和接入点距离S则为：S=V₀*(T-T₁-T₂)/2；

超声测距模组的系统精确度为2mm,借助该测距算法，距离检测的精确度能达到20mm以内；

（4）盲人物理位置定位和监控：盲人的物理空间位置信息通过无线方式传输到所述服务器，所述服务器上系统数据库里存储了室内建筑物对应的虚拟结构拓扑图，通过接收到的无线数据提取相关信息即可将盲人的空间位置在平面图上显示出来，实现实时智能定位和监控；

其中，为了获取盲人的方位和移动信息，通过所述电子罗盘指示盲人东南西北四个方位，通过所述加速度传感器测量加速度，然后通过所述加速度传感器内嵌的积分器就可测算出速度和距离等信息，配合所述计步器可实现精确测定盲人移动速度；

（5）超声避障：为确保盲人的行走安全和成功避障，使用所述超声测距模组扫描障碍物，扫描过程中不断地改变感应角度；所述盲人移动终端首先发射一束60°超声波形，当探测到障碍物时，则依次使用30°和15°超声传感器进行探测，从而在垂直和水平方向上对障碍物的体积进行估算，回波信号的强度代表障碍物的硬度（与医用超声原理类似），从而实现实时地检测障碍物及其距离，有效地避免误警和虚报；

（6）语音导盲：所述导盲接入点将盲人前后左右四个方位的信息通过所述下行链路发送到所述盲人移动终端，为所述盲人移动终端提供相应的语音导航服务信息，经过语音模块译码对盲人进行语音提示；

其中，所述服务器中预置的区域信息软件系统可以降低系统成本，更好地管理和监控整个系统工作，通过室内区域信息交互网络（原理类似GIS），实时地监控盲人空间位置以及其移动情况；同时，将盲人方位发送到所述盲人移动终端，在高危险场所提醒盲人即将面临的危险，从而避免危险情况的发生；

在语音提示的具体形式上，除佩戴一般气导耳机外，针对某些听力损伤患者，还可采用骨传导耳机传声；其无线语音传导方式可保护好盲人隐私，并保证不产生环境干扰的语音噪声。

本发明的优点和有益效果：

（1）使用上、下行链路通信机制，支持同一接入点接受多个盲人用户语音导航服务请求，可防止多个盲人用户语音信号串扰；

（2）区域信息软件系统可实时、准确地全方位监控盲人空间位置移动，高效地引导盲人行走需求；

（3）结合骨传导和气导耳机，采用无线语音传导方式，可保护好盲人隐私，并保证不产生环境干扰的语音噪声，其中骨导耳机还可以保护盲人的听力水平，预防听力下降；

（4）超声测距模组可以确保盲人的行走安全，可成功地避障。

附图说明

图1是本发明的系统总体框架图；

图2是本发明超声避障示意图；

图3是本发明避障移动轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

一种室内无线全方位定位导盲系统，包括数个盲人移动终端、数个导盲接入点、区域信息软件系统、服务器、数据链路，其特征是：

所述盲人移动终端包括MCU微控制器、加速度传感器、计步器、电子罗盘、超声测距模组，其向盲人接入点传输携带盲人身份验证的身份识别信号，请求无线语音导航服务并与导盲接入点进行通信；

所述导盲接入点为盲人移动终端提供接入导盲服务，接收盲人移动终端发出的身份识别信号，若验证通过后即刻开启并提供无线语音导盲服务；

所述盲人移动终端核心部件为MCU微控制器，其作用是处理数据和控制整个系统，需要处理的数据包括电子罗盘的方位信息、超声模组的距离及障碍物信息、加速度传感器返回的加速度信息；控制作用为控制系统的运行，其控制的信息有各种信号的采集、音频的输出控制、无线数据的收发及重要数据信号的读写存储；

所述盲人移动终端上的加速度传感器、计步器和电子罗盘实时地提供盲人的移动速度和方位信息，同时盲人移动终端上的超声测距模组不断地收取回波信号的延时时间和强度，用于分析障碍物距离和其危险程度（可根据回波强弱来判断）；

考虑到不同盲人用户的便利性，所述盲人移动终端的具体使用形式包括但不限于手持式、悬挂式和眼镜式；

所述服务器实现所述区域信息软件系统的功能，可为特定室内建筑结构提供对应的空间数据管理系统，具有集中、存储、操作和显示地理信息的功能；所述盲人移动终端与所述区域信息软件系统的服务器通过无线数据传输方式提取盲人定位信息，并将盲人的空间位置准确地显示在计算机虚拟结构图中，实现实时智能监控；

所述数据链路是将所述盲人移动终端、导盲接入点、区域信息软件系统之间连接起来的通信信道，分为上行链路和下行链路；所述盲人移动终端通过所述上行链路与所述导盲接入点进行无线连接，所述导盲接入点通过所述下行链路为所述盲人移动终端提供相应的语音导航服务信息。

图1是本发明的系统总体框架图，包括盲人移动终端、导盲接入点、服务器、数据链路等，区域信息软件系统内置于服务器中；还包括盲人移动终端上的加速度传感器、计步器、电子罗盘、超声测距模组等。

盲人移动终端核心部件为MCU微控制器（MCU,Micro Control Unit），它是一种型号为STM32F103RBT6的单片机，其作用是处理数据和控制整个系统，需要处理的数据有：电子罗盘的方位信息、超声模组的距离及障碍物信息、加速度传感器返回的加速度信息，控制作用为控制系统的运行，是系统的核心大脑，其控制的信息有各种信号的采集、音频的输出控制、无线数据的收发及重要数据信号的读写存储。

导盲接入点中的DSP代表数字信号处理器，它是利用专门的数字信号处理芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对语音信号快速、精确、实时处理及控制的要求，其主要作用为提供了导盲语音录音控制、语音编码、语音处理和回放；FLASH存储模块代表闪存，提供可擦写式存储方式，因此接入点模块可以任意移值到任何一个物理空间位置，其作用主要为存储相关的语音提示信息；RTC时钟代表实时时钟，其作用主要为接入点可以产生周期性的内部中断或控制中断。

同时，本发明还公开了一种基于室内无线全方位定位导盲系统的导盲方法，包括以下步骤：

（1）盲人移动终端发送接入请求信号：所述盲人移动终端利用超声波信号向所述导盲接入点发送接入请求信号和盲人身份识别信息，启动导盲接入点工作；

（2）导盲接入点自动组网：每个所述导盲接入点进行网络身份识别编码，且每个导盲接入点对应唯一的编码信息，当导盲接入点通过免申请频段ISM与所述区域信息软件系统的服务器进行无线通信连接，所述服务器存储了每个导盲接入点的编码信息，当通信连接成功后，所述服务器可将所述导盲接入点的编码信息传输到所述盲人移动终端,盲人将被覆盖于网络之中；

所述免申请频段ISM系指工业、科学和医用免申请频段，以用于工业、科学研究和微波医疗方面的应用，中国的ISM的波段主要有433MHz、866MHz、915MHz和2.4GHz；

（3）盲人移动终端与导盲接入点无线连接并超声测距：当所述盲人移动终端通过所述上行链路与所述导盲接入点进行无线连接时，所述导盲接入点可以识别所述盲人移动终端是否为有效身份；识别为有效身份后，所述盲人移动终端发射一束超声波，所述导盲接入点的换能器接收到超声波信号后，计算信号的数据链路传输往返时间，根据已知的超声传播速度可推算出位移，从而将盲人的物理空间位置信息返回到导盲终端；如果多个盲人移动终端同时访问同一个导盲接入点时，该导盲接入点则采用并行的延时机制接受其访问要求；

其中，超声传播速度V₀，总的消耗时程T，终端消耗时间为T₁，接入点消耗时间为T₂，则盲人和接入点距离S则为：S=V₀*(T-T₁-T₂)/2；

超声测距模组的系统精确度为2mm,借助该测距算法，距离检测的精确度能达到20mm以内；

（4）盲人物理位置定位和监控：盲人的物理空间位置信息通过无线方式传输到所述服务器，所述服务器上系统数据库里存储了室内建筑物对应的虚拟结构拓扑图，通过接收到的无线数据提取相关信息即可将盲人的空间位置在平面图上显示出来，实现实时智能定位和监控；

其中，为了获取盲人的方位和移动信息，通过所述电子罗盘指示盲人东南西北四个方位，通过所述加速度传感器测量加速度，然后通过所述加速度传感器内嵌的积分器就可测算出速度和距离等信息，配合所述计步器可实现精确测定盲人移动速度；

（5）超声避障：为确保盲人的行走安全和成功避障，使用所述超声测距模组扫描障碍物，扫描过程中不断地改变感应角度；所述盲人导盲终端首先发射一束60°超声波形，当探测到障碍物时，则依次使用30°和15°超声传感器进行探测，从而在垂直和水平方向上对障碍物的体积进行估算，回波信号的强度代表障碍物的硬度（与医用超声原理类似），从而实现实时地检测障碍物及其距离，有效地避免误警和虚报（具体超声避障的原理如图2所示，相应的，盲人避障移动轨迹示意图如图3所示）；

（6）语音导盲：所述导盲接入点将盲人前后左右四个方位的信息通过所述下行链路发送到所述盲人移动终端，为所述盲人移动终端提供相应的语音导航服务信息，经过语音模块译码对盲人进行语音提示；

其中，所述服务器中预置的区域信息软件系统可以降低系统成本，更好地管理和监控整个系统工作，通过室内区域信息交互网络（原理类似GIS），实时地监控盲人空间位置以及其移动情况；同时，将盲人方位发送到所述盲人移动终端，在高危险场所提醒盲人即将面临的危险，从而避免危险情况的发生；

在语音提示的具体形式上，除佩戴一般气导耳机外，针对某些听力损伤患者，还可采用骨传导耳机传声；其无线语音传导方式可保护好盲人隐私，并保证不产生环境干扰的语音噪声。

本发明的优点和有益效果：

（1）使用上、下行链路通信机制，支持同一接入点接受多个盲人用户语音导航服务请求，可防止多个盲人用户语音信号串扰；

（2）区域信息软件系统可实时、准确地全方位监控盲人空间位置移动，高效地引导盲人行走需求；

（3）结合骨传导和气导耳机，采用无线语音传导方式，可保护好盲人隐私，并保证不产生环境干扰的语音噪声，其中骨导耳机还可以保护盲人的听力水平，预防听力下降；

（4）超声测距模组可以确保盲人的行走安全，可成功地避障。

Claims (8)

1.一种室内无线全方位定位导盲系统，包括数个盲人移动终端、数个导盲接入点、区域信息软件系统、服务器、数据链路，其特征是：

所述盲人移动终端包括MCU微控制器、加速度传感器、计步器、电子罗盘、超声测距模组，其向盲人接入点传输携带盲人身份验证的身份识别信号，请求无线语音导航服务并与导盲接入点进行通信；

所述导盲接入点为盲人移动终端提供接入导盲服务，接收盲人移动终端发出的身份识别信号，若验证通过后即刻开启并提供无线语音导盲服务；

所述盲人移动终端上的加速度传感器、计步器和电子罗盘实时地提供盲人的移动速度和方位信息，同时盲人移动终端上的超声测距模组不断地收取回波信号的延时时间和强度，用于分析障碍物距离和其危险程度；

所述服务器实现所述区域信息软件系统的功能，为特定室内建筑结构提供对应的空间数据管理系统，具有集中、存储、操作和显示地理信息的功能；所述盲人移动终端与所述区域信息软件系统的服务器通过无线数据传输方式提取盲人定位信息，并将盲人的空间位置准确地显示在计算机虚拟结构图中，实现实时智能监控；

所述数据链路是将所述盲人移动终端、导盲接入点、区域信息软件系统之间连接起来的通信信道，分为上行链路和下行链路；所述盲人移动终端通过所述上行链路与所述导盲接入点进行无线连接，所述导盲接入点通过所述下行链路为所述盲人移动终端提供相应的语音导航服务信息。

2.如权利要求1所述的室内无线全方位定位导盲系统，其特征是，所述盲人移动终端核心部件为MCU微控制器，其作用是处理数据和控制整个系统，需要处理的数据包括电子罗盘的方位信息、超声模组的距离及障碍物信息、加速度传感器返回的加速度信息；控制作用为控制系统的运行，其控制的信息有各种信号的采集、音频的输出控制、无线数据的收发及重要数据信号的读写存储。

3.如权利要求1所述的室内无线全方位定位导盲系统，其特征是，所述盲人移动终端具体使用包括但不限于手持式、悬挂式和眼镜式。

4.一种基于权利要求1或2所述室内无线全方位定位导盲系统的导盲方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）盲人移动终端发送接入请求信号：所述盲人移动终端利用超声波信号向所述导盲接入点发送接入请求信号和盲人身份识别信息，启动导盲接入点工作；

（2）导盲接入点自动组网：每个所述导盲接入点进行网络身份识别编码，每个导盲接入点对应唯一的编码信息，当所述导盲接入点与所述区域信息软件系统的服务器进行无线通信连接成功后，所述服务器将所述导盲接入点的编码信息传输到所述盲人移动终端,盲人将被覆盖于网络之中；

（3）盲人移动终端与导盲接入点无线连接并超声测距：当所述盲人移动终端通过上行链路与所述导盲接入点进行无线连接并识别后，所述盲人移动终端发射一束超声波，通过所述超声测距模组计算信号的数据链路传输往返时间，推算出位移，从而将盲人的物理空间位置信息返回到所述盲人移动终端；

（4）盲人物理位置定位和监控：盲人的物理空间位置信息通过无线方式传输到所述服务器，所述服务器的区域信息软件系统里存储了室内建筑物对应的虚拟结构拓扑图，通过接收到的无线数据提取相关信息即将盲人的空间位置在平面图上显示出来，实现实时智能定位和监控；

（5）超声避障：使用所述超声测距模组扫描障碍物，扫描过程中不断地改变感应角度，从而实现实时地检测障碍物及其距离，有效地避免误警和虚报；

（6）语音导盲：所述导盲接入点将盲人前后左右四个方位的信息通过所述下行链路发送到所述盲人移动终端，为所述盲人移动终端提供相应的语音导航服务信息，经过语音编解码模块译码对盲人进行语音提示。

5.如权利要求4所述的导盲方法，其特征是，在步骤（3）中，如果多个盲人移动终端同时访问同一个导盲接入点时，该导盲接入点则采用并行的延时机制接受其访问要求，具体的超声测距的方法为：

超声传播速度V₀，总的消耗时程T，盲人移动终端消耗时间为T₁，导盲接入点消耗时间为T₂，则盲人和接入点距离S则为：S=V₀*(T-T₁-T₂)/2。

6.如权利要求4所述的导盲方法，其特征是，在步骤（4）中，通过所述电子罗盘指示盲人东南西北四个方位，通过所述加速度传感器测量加速度，然后通过所述加速度传感器内嵌的积分器，测算出速度和距离等信息，配合计步器实现精确测定盲人移动速度，获取盲人的方位和移动信息。

7.如权利要求4所述的导盲方法，其特征是，在步骤（5）中，所述盲人移动终端首先发射一束60°超声波形，当探测到障碍物时，则依次使用30°和15°超声传感器进行探测，从而在垂直和水平方向上对障碍物的体积进行估算。

8.如权利要求4所述的导盲方法，其特征是，在步骤（6）中，服务器中预置的区域信息软件系统可以降低系统成本，更好地管理和监控整个系统工作；在语音提示的具体形式上，除佩戴一般气导耳机外，针对某些听力损伤患者，还可采用骨传导耳机传声。

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