CN103876908A - 一种精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，包括分别在拐杖上设置可随拐杖转动的信号采集装置、电机振动装置、语音提示装置，在所述信号采集装置与电机振动装置以及语音提示装置间设置数据处理电路，用于接受所述采集信号，将所述采集信号经过数据处理电路中设定的步骤形成控制信号，再将所述控制信号对应地传输至所述电机振动装置以及语音提示装置。有益效果为：通过利用单片机工作单元控制两个超声波传感器，实时采集障碍物与超声波传感器之间的距离，并控制语音提示装置来反馈障碍物与盲人之间具体的距离和方向，同时利用电机振动装置反馈障碍物与盲人大致的距离和方向，从而为盲人行进过程中提供辅助导航。

Description

一种精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法

技术领域

本发明涉及盲人避障导航技术领域，尤其涉及一种精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法。

背景技术

盲人作为社会上的一个特殊群体，需要社会给予他们更多的关怀和照顾，使他们能够更好地独立生活。据《全国防盲治盲规划（2006～2010年）》提供的数据，我国现有盲人约500万，低视力人口约710万。面对如此之大的盲人群体，复杂多变的交通情况，各种导航方法应运而生。目前主要的导航方法应用于盲人拐杖是通过拐杖上的超声波检测模块发送超声波信号，当超声波检测模块接收到返回超声波信号时判断盲人正前方一定距离内存在障碍物，然后通过声音信号将障碍物信息反馈给盲人。由此可见目前的导航方法只能检测盲人正前方的障碍物，而对于盲人左前方或者右前方的障碍物却无法检测；此外，目前的检测方法只能大概检测障碍物的距离，而不能检测障碍物的方向，而且单纯的通过声音信号进行反馈容易受到周围环境噪声的影响。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，具体有以下技术方案实现：

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，用于盲人拐杖，所述方法包括：

在拐杖上设置可随拐杖转动的信号采集装置，用于输出采集信号；

在拐杖上设置电机振动装置以及语音提示装置，用于向拐杖使用者发送存在障碍物的提示信息与拐杖姿态信息；

在所述信号采集装置与电机振动装置以及语音提示装置间设置数据处理电路，用于接受所述采集信号，将所述采集信号经过数据处理电路中设定的步骤进行处理得到障碍物相对于拐杖的方向以及距离参数，并根据所述参数形成对应的控制信号，再将所述控制信号对应地传输至所述电机振动装置以及语音提示装置。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述信号采集模块采用两超声波传感器，所述两超声波传感器分别设置于拐杖的同一高度位置的两侧。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述两个超声波传感器通过一个支架与拐杖连接，所述支架设有若干个用于卡接超声波传感器的卡槽。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述数据处理电路中设定的步骤包括：

1）对拐杖姿态进行校验，若校验通过向使用者发送拐杖准备工作的姿态信息，

并转至步骤2）；若校验不通过则向使用者发送拐杖姿态异常信息；

2）对障碍物距离进行初步判断，通过信号采集装置测取障碍物分别与第一超声波传感器以及第二超声波传感器间的距离S₁、S₂，并设定一阈值T，若S₁≥T或S₂≥T时，则数据处理电路处于等待状态；若S₁＜T且S₂＜T时，转至步骤3），其中S₁、S₂、T的单位设定为米，T不小于10；

3）对障碍物进行精确定位，以S₁、S₂以及两超声波传感器的间距d所对应的线段围成一三角形，通过三角形中线定理计算所述间距d所对应的线段的中点O距障碍物的间距z，

通过余弦定理计算所述中点O与障碍物的连线与所述线段相对于中点设定一侧的夹角α，

以及根据z、α不同的取值控制电机振动装置以及语音提示装置在设定的工作模式下工作，所述每个工作模式分别对应一种控制信号，其中z、d的单位设定为米，α的角度设定为度。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述步骤1）中对拐杖姿态状态进行校验，当数据处理电路检测到信号采集装置输出的采集信号后，若S₁+d＞S₂且S₁+S₂＞d且S₂+d＞S₁且|S₁-S₂|＜d且|S₁-d|＜S₂且|S₂-d|＜S₁，则数据处理电路向电机振动装置以及语音提示装置输出对应的第一控制信号，提示使用者需要调整拐杖的姿态；否则，所述数据处理电路向电机振动装置以及语音提示装置输出对应的第二控制信号，提示使用者拐杖准备开始工作并转至所述步骤2）。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述电机振动装置采用九个振动电机，并按3行、3列排成矩阵形式，并用B_ij表示第i行第j个电机，每个电机与所述数据处理电路通信连接，其中，i=1，2，3，j=1，2，3。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述设定的工作模式包括：

若95°＜α＜180°，则数据处理电路控制B₁₁、B₂₁、B₁₂、B₂₂、B₃₃五个电机振动若干秒钟，形成指向左前方向的箭头，根据距离z的值控制振动电机的转速；

若85°≤α≤95°，则数据处理电路控制B₁₂、B₂₁、B₂₂、B₂₃、B₃₂五个电机振动若干秒钟，形成指示正前方向的箭头，根据距离z的值控制振动电机的转速；

若0°＜α≤85°，则数据处理电路控制B₁₃、B₁₂、B₂₃、B₂₂、B₃₁五个电机振动若干秒钟，形成指示右前方向的箭头，根据距离z的值控制振动电机的转速。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，根据距离z的值控制振动电机的转速，如下：

若6.6＜z≤10，则数据处理电路控制电机转速为2000转/分钟；

若3.3＜z≤6.6，则数据处理电路控制电机转速为3000转/分钟；

若0＜z≤3.3，则数据处理电路控制电机转速为4000转/分钟。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，所述数据处理电路采用双单片机的工作单元，分别为第一单片机工作单元与第二工作单元，第一单片机工作单元用于接收所述采集信号并形成障碍物相对于拐杖的方向以及距离参数；第二单片机工作单元用于根据所述参数形成对应控制信号，并传输至所述信号采集装置与电机振动装置以及语音提示装置。

所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法进一步设计在于，在数据处理电路中设置一无线收发模块，用于所述第一单片机工作单元与第二单片机工作单元的数据传输。

本发明的优点如下：

本发明提供的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，通过利用单片机工作单元控制安装在导航手杖上的两个超声波传感器，实时采集盲人行进过程中遇到的障碍物与超声波传感器之间的距离，运用三角定位算法分别计算障碍物与盲人之间的距离与角度，利用单片机工作单元控制语音提示装置来反馈障碍物与盲人之间具体的距离和方向，同时利用电机振动装置反馈障碍物与盲人大致的距离和方向，从而为盲人行进过程中提供辅助导航。

附图说明

图1为所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法的步骤示意图。

图2为所述精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法中的拐杖结构示意图。

图3为超声波传感器测取障碍物距离、方向参数的原理示意图。

图4为拐杖精确反馈障碍物距离和方向的示意图。

图5为振动电机的工作示意图。

图中，1-电机振动装置，2-语音提示装置，3-拐杖，31-把手部，32-杆身，4-第一单片机工作单元，5-第二单片机工作单元，6-超声波传感器C₁,7-超声波传感器C₂,8-障碍物，9-无线收发模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

本实施例提供的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，应用于盲人拐杖3。该方法包括在拐杖3上设置可随拐杖3转动的信号采集装置，用于输出采集信号；在拐杖3上设置电机振动装置1以及语音提示装置2，用于向拐杖3使用者发送存在障碍物的提示信息与拐杖3姿态信息；在信号采集装置与电机振动装置1以及语音提示装置2间设置数据处理电路，用于接受采集信号，将采集信号经过数据处理电路中设定的步骤进行处理得到障碍物相对于拐杖3的方向以及距离参数，并根据参数形成对应的控制信号，再将控制信号对应地传输至电机振动装置1以及语音提示装置2。其中的设定的步骤基于三角定位算法将两超声波传感器以及障碍物构成一三角形从而计算得到障碍物与盲人之间的距离与角度。

考虑到要构建一水平面内的三角形，因此信号采集模块采用两超声波传感器，将两个超声波传感器以及障碍物构成一三角形。两超声波传感器关于拐杖3对称地设置于拐杖3的同一轴向位置的两侧。

由于不同的地势环境会影响测量的准度、精度，为了适应不同的地势环境，本实施例将两个超声波传感器通过一个支架与拐杖3连接，参见图2。为了方便储放，该支架与拐杖3采用铰接的连接方式，可在拐杖3的轴向方向上自由转动，使用时转动至与拐杖3杆身垂直位置，不使用时转动至与杆身重合，节省了占地空间。支架上设有六个卡槽，每一侧设有三个，用于卡接超声波传感器。本实施例中，支架与拐杖3的铰接点为支架长度方向上的中点，六个卡槽关于该铰接点在支架的长度方向上对称分布。处于对应对称位置的卡槽的间距分别为0.2米、0.3米、0.4米，这样一来该支架提供了三种超声波传感器在该支架上不同间距的对称分布，很好的解决了因超声波探头本身属性缺陷造成的普通定位范围受到限制的问题。（由于尽可能地简化处理电路中的程序设计，因此只考虑超声波传感器对称分布的情况）

为了让盲人使用者能够精确地感知障碍物的方位，采用不同的振动方式使盲人感知不同的反馈信息，即通过将电机振动装置1设置成九个振动电机，并按3行、3列的矩阵形式排布。用B_ij表示第i行第j个电机，每个电机与数据处理电路通信连接，其中，i=1，2，3，j=1，2，3。

上述数据处理电路中所提及的设定的步骤，参见图1，具体步骤包括：

1）对拐杖3姿态进行校验，若校验通过向使用者发送拐杖3准备工作的姿态信息，并转至步骤2）；若校验不通过则向使用者发送拐杖3姿态异常信息。

步骤1）中对拐杖3姿态状态进行校验，当数据处理电路检测到信号采集装置输出的采集信号后，若S₁+d＞S₂且S₁+S₂＞d且S₂+d＞S₁且|S₁-S₂|＜d且|S₁-d|＜S₂且|S₂-d|＜S₁，则数据处理电路向电机振动装置1以及语音提示装置2输出对应的第一控制信号，即为语音模块连续发出“嘟”的提示音，同时电机振动装置1中九个振动电机以3000转/分钟的转速转动2秒，提醒盲人应该用手转动手杖调整拐杖3的姿态，即超声波传感器的检测方向，直到上述判断条件满足时为止；否则，数据处理电路向电机振动装置1以及语音提示装置2输出对应的第二控制信号，即为语音模块发出“嘟”的一声，同时振动模块中的B₂₂电机以3000转/分钟的转速转动2秒，提醒盲人两个测距模块已准备好，此时盲人只需按动语音播报及振动提示按钮，进行后续的测距和定向以及反馈障碍物距离与方向的操作提示使用者拐杖3准备开始工作，并转至步骤2）。

2）对障碍物距离进行初步判断，通过信号采集装置测取障碍物分别与第一超声波传感器以及第二超声波传感器间的距离S₁、S₂，并设定一阈值T，若S₁≥T或S₂≥T时，则数据处理电路处于等待状态；若S₁＜T且S₂＜T时，转至步骤3）,其中S₁、S₂、T的单位设定为米，本实施例中设定T＝10米；

3）对障碍物进行精确定位，以S₁、S₂以及两个超声波传感器的间距d所对应的线段围成一三角形。以超声波传感器C₁与超声波传感器C₂的中点为原点O，本实施例中原点O即为上述支架长度方向的中点，以超声波传感器C₁和超声波传感器C₂的连线为X轴，将沿超声波传感器C₁到超声波传感器C₂的方向设定为X轴的正方向，以原点为垂足作X轴的垂线（平行于地面），以图中与X轴正交的垂线为Y轴。将沿原点到障碍物的方向设定为Y轴的正方向，以原点O为垂足作XOY平面的垂线，以该垂线为Z轴，将沿手杖底端向上的方向设定为Z轴的正方向，参见图3。在XOY平面内计算障碍物的距离和方向，根据三角形中线定理计算障碍物到原点的距离z，单位：米，

根据余弦定理，求解障碍物到原点的连线与X轴所成的夹角α的余弦值，

其中α为障碍物到原点的连线与X轴正方向所成的夹角，单位：度，

测量原理参见图4。

上述步骤3）中所提及的设定的工作模式，参见图5，包括：

若95°＜α＜180°，即障碍物8处于拐杖3的左前方，则数据处理电路控制B₁₁、B₂₁、B₁₂、B₂₂、B₃₃五个电机振动若干秒钟，形成指向左前方向的箭头，参见图5中的（a），根据距离z的值控制振动电机的转速。

若85°≤α≤95°，即障碍物8处于拐杖3的正前方区域，则数据处理电路控制B₁₂、B₂₁、B₂₂、B₂₃、B₃₂五个电机振动若干秒钟，形成指示正前方向的箭头，参见图5中的（b），根据距离z的值控制振动电机的转速。

若0°＜α≤85°，即障碍物8处于拐杖3的右前方区域，则数据处理电路控制B₁₃、B₁₂、B₂₃、B₂₂、B₃₁五个电机振动若干秒钟，形成指示右前方向的箭头，参见图5中的（c），根据距离z的值控制振动电机的转速。

进一步的，根据距离z的值控制振动电机的转速，具体如下：

若6.6＜z≤10，则数据处理电路控制电机转速为2000转/分钟；

若3.3＜z≤6.6，则数据处理电路控制电机转速为3000转/分钟；

若0＜z≤3.3，则数据处理电路控制电机转速为4000转/分钟。

本实施例中，数据处理电路采用双单片机的工作单元，分别为第一单片机工作单元4与第二工作单元。第一单片机工作单元4用于接收采集信号并形成障碍物相对于拐杖3的方向以及距离参数；第二单片机工作单元5用于根据参数形成对应控制信号，并传输至信号采集装置与电机振动装置1以及语音提示装置2。为了减轻排线的负担，在数据处理电路中设置一无线收发模块9，用于第一单片机工作单元4与第二单片机工作单元5的数据传输。

Claims (10)

1.一种精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，用于盲人拐杖，其特征在于所述方法包括：

在拐杖上设置可随拐杖转动的信号采集装置，用于输出采集信号；

在拐杖上设置电机振动装置以及语音提示装置，用于向拐杖使用者发送存在障碍物的提示信息与拐杖姿态信息；

在所述信号采集装置与电机振动装置以及语音提示装置间设置数据处理电路，用于接受所述采集信号，将所述采集信号经过数据处理电路中设定的步骤进行处理得到障碍物相对于拐杖的方向以及距离参数，并根据所述参数形成对应的控制信号，再将所述控制信号对应地传输至所述电机振动装置以及语音提示装置。

2.根据权利要求1所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述信号采集模块采用两超声波传感器，所述两超声波传感器分别设置于拐杖的同一高度位置的两侧。

3.根据权利要求2所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述两个超声波传感器通过一个支架与拐杖连接，所述支架铰接于所述拐杖杆身，并设有若干个用于卡接超声波传感器的卡槽。

4.根据权利要求2所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述数据处理电路中设定的步骤包括：

1）对拐杖姿态进行校验，若校验通过向使用者发送拐杖准备工作的姿态信息，

并转至步骤2）；若校验不通过则向使用者发送拐杖姿态异常信息；

2）对障碍物距离进行初步判断，通过信号采集装置测取障碍物分别与第一超声波传感器以及第二超声波传感器间的距离S₁、S₂，并设定一阈值T，若S₁≥T或S₂≥T时，则数据处理电路处于等待状态；若S₁＜T且S₂＜T时，转至步骤3），其中S₁、S₂、T的单位设定为米，T不小于10；

3）对障碍物进行精确定位，以S₁、S₂以及两超声波传感器的间距d所对应的线段围成一三角形，通过三角形中线定理计算所述间距d所对应的线段的中点O距障碍物的间距z，通过余弦定理计算所述中点O与障碍物的连线与所述线段相对于中点设定一侧的夹角α，

以及根据z、α不同的取值控制电机振动装置以及语音提示装置在设定的工作模式下工作，所述每个工作模式分别对应一种控制信号，其中z、d的单位设定为米，α的角度设定为度。

5.根据权利要求4所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述步骤1）中对拐杖姿态状态进行校验，当数据处理电路检测到信号采集装置输出的采集信号后，若S₁+d＞S₂且S₁+S₂＞d且S₂+d＞S₁且|S₁-S₂|＜d且|S₁-d|＜S₂且|S₂-d|＜S₁，则数据处理电路向电机振动装置以及语音提示装置输出对应的第一控制信号，提示使用者需要调整拐杖的姿态；否则，所述数据处理电路向电机振动装置以及语音提示装置输出对应的第二控制信号，提示使用者拐杖准备开始工作并转至所述步骤2）。

6.根据权利要求5所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述电机振动装置采用九个振动电机，并按3行、3列排成矩阵形式，并用B_ij表示第i行第j个电机，每个电机与所述数据处理电路通信连接，其中，i=1，2，3，j=1，2，3。

7.根据权利要求6所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述设定的工作模式包括：

若95°＜α＜180°，则数据处理电路控制B₁₁、B₂₁、B₁₂、B₂₂、B₃₃五个电机振动若干秒钟，形成指向左前方向的箭头，根据距离z的值控制振动电机的转速；

若85°≤α≤95°，则数据处理电路控制B₁₂、B₂₁、B₂₂、B₂₃、B₃₂五个电机振动若干秒钟，形成指示正前方向的箭头，根据距离z的值控制振动电机的转速；

若0°＜α≤85°，则数据处理电路控制B₁₃、B₁₂、B₂₃、B₂₂、B₃₁五个电机振动若干秒钟，形成指示右前方向的箭头，根据距离z的值控制振动电机的转速。

8.根据权利要求7所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于根据距离z的值控制振动电机的转速，如下：

若6.6＜z≤10，则数据处理电路控制电机转速为2000转/分钟；

若3.3＜z≤6.6，则数据处理电路控制电机转速为3000转/分钟；

若0＜z≤3.3，则数据处理电路控制电机转速为4000转/分钟。

9.根据权利要求7所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于所述数据处理电路采用双单片机的工作单元，分别为第一单片机工作单元与第二工作单元，第一单片机工作单元用于接收所述采集信号并形成障碍物相对于拐杖的方向以及距离参数；第二单片机工作单元用于根据所述参数形成对应控制信号，并传输至所述信号采集装置与电机振动装置以及语音提示装置。

10.根据权利要求7所述的精确反馈障碍物距离和方向的盲人避障导航方法，其特征在于在数据处理电路中设置一无线收发模块，用于所述第一单片机工作单元与第二单片机工作单元的数据传输。

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