CN105496740B - 一种智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖，中央处理单元根据定位模块获取用户位置，通过语音输入模块获得目的地信息，然后通过路径规划模块确定最优步行出行路线并通过语音提示模块播放导航信息；导航过程中结合数据存储单元、图像采集模块和路况分析模块实时分析路况信息，并通过语音提示模块实时播放提示信息引导用户出行。通过将智能导盲装置集成安装在导盲杖、帽子等生活用品上，能够实现对交通信号、障碍物、坑洼、行人、车辆等做出准确的检测和合理的评估，给使用者以合理及时的语音提示，为特殊人群领域特别是盲人、老年人的出行提供方便，实现精确定位、路径导航、路况检测及语音提示功能，具有广泛的推广意义。

Description

一种智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖

技术领域

本发明属于日常生活用品技术领域，具体涉及一种适用于盲人或老年人使用的智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖。

背景技术

人们生活中，尤其是在一些特殊人群领域，比如盲人、老年人在行走引导方面存在许多困难。目前，盲人出行主要依靠导盲杖和导盲犬的帮助，导盲犬需要长时间训练，价格昂贵，而且饲养麻烦，成本较高；导盲杖虽然使用方便，价格低廉，但探测范围小；另外，在红绿灯交叉路口、人车混杂路段以及没有交通标示的环境，盲人仅仅依靠导盲杖出行比较困难和危险。

随着科技的不断进步，越来越多的智能电子设备进入到了人们的生活中。为了使盲人出行更加方便，目前已有多项关于导盲设备的技术发明：例如，现技术中有提出一种智能导盲装置，包括：卫星定位模块、超声波模块、定位分析模块、中央处理单元、提示模块及语音输入模块；所述卫星定位模块用于获得用户所在的位置信息；所述超声波模块用于检测周围障碍物信息；通过卫星定位和超声波联合实现定位功能，并通过语音输入目的地信息，所述中央处理单元根据位置信息及目的地信息确定出行方案；所述提示模块，用于播放所述出行方案，进而实现导盲过程。

但是，上述导盲装置通过超声波进行检测，仅能检测近距离障碍物，对于实时变化的复杂路况难以实现实时分析，未能对行走路线上的障碍物、坑洼、行人、车辆及交通信号灯等做出准确的检测和合理的评估；并且仅通过当前位置信息和目的地信息确定出行方案，未能根据具体路况对盲人行走出行路线进行精确的路径规划，进而不能合理提供优选的出行方式，为其出行带来不便。

为此，亟待提供一种有效的导盲装置或系统，为盲人朋友或老年人的出行路线进行路径规划和路况分析、为其出行提供精确、具体的指引。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的缺陷提出一种智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖，针对目前导盲装置路况探测的不足，提出利用图像检测和识别的方法进行路况的实时检测，能够实现结合复杂路况实时状况进行路径规划及路况分析，对使用者进行实时提示，结合GPS精确定位，为盲人提供优先的的出行方式。

为了达到上述目的，本发明提出一种智能导盲装置，包括中央处理单元以及与中央处理单元相连的定位模块、语音交互模块、数据存储单元和图像采集模块；

所述语音交互模块包括语音输入模块和语音提示模块，用以实现目的地信息输入及路况提示信息的输出；

所述数据存储单元用以存储用户信息及地图数据信息；

所述图像采集模块用以采集实时路况图像；

所述中央处理单元包括路径规划模块和路况分析模块；所述路况分析模块包括交通信号灯检测分析模块、图像背景模型构建模块、路面信息检测分析模块和行人、车辆监测分析模块，用以实现对复杂路况的实时监测与分析；

所述中央处理单元控制管理各模块工作流程，根据定位模块获取用户位置，通过语音输入模块获得目的地信息，然后通过路径规划模块确定最优步行出行路线并通过语音提示模块播放导航信息；导航过程中结合数据存储单元、图像采集模块和路况分析模块实时分析路况信息，并通过语音提示模块实时播放提示信息引导用户出行。

进一步的，所述路径规划模块采用狄克特斯拉方法进行路径规划，包括限制交叉路口点搜索范围的路径规划范围限制模块和对交叉路口点之间的路径进行筛选处理的路径约减模块，通过提高路径规划的候选节点及边长空间，降低狄克斯特拉方法的输入规模，从而保证路径规划的时间效率。

进一步的，所述交通信号灯检测分析模块包括通过分颜色积分投影方法检测信号灯位置的信号灯位置定位模块以及判断信号灯类型的信号灯匹配模块，相比于传统方法简单有效，满足实时分析效率，同时结合图像分割和边缘检测进行形状颜色匹配，分析速度快，正确识别效率高。

进一步的，所述图像背景模型构建模块通过构建混合高斯模型（GMM模型），且其高斯子模型采用循环更新的方法，并结合图像采集模块进行背景分析获得图像背景，进而获得图像前景。通过循环更新高斯子模型，避免每次分析的时间浪费，在本发明的应用场景中，背景相对单一并变化缓慢，有效且大大提高了时间效率。

进一步的，所述路面信息监测分析模块通过图像采集模块对图像进行分析处理，获得前景的位置和面积信息，进而确定路面信息状态，有效减少坑洼、障碍物等的实时分析时间，大大提高检测效率。

进一步的，所述行人、车辆监测分析模块在获得前景的基础上，结合数据存储单元和图像采集模块识别分析路况上的行人、车辆信息。通过针对不同的检测目标确定特征分析区域，减少特征分析的数据量，使得行人和车辆检测能够达到实时性，提高时间效率。

进一步的，所述智能导盲装置还包括用户设置模块，包括功能按键、蓝牙适配模块以及微控制单元，用以设置用户资料信息及电话通讯，可实现报时、出行方式选择等其他扩展功能，方便紧急情况下拨打电话求助，安全有保障。

进一步的，所述数据存储单元还包括无线通讯模块，用以实现地图数据信息的更新，保证数据的实时有效，提高导航效率与准确度。

本发明另外还提出一种导盲杖，包括手柄以及与手柄连接的导杆，所述导盲杖上安装上述所述的智能导盲装置，且所述功能按键均采用盲文，便于操作方便。由此可见，可以方便用户自由选择导盲功能，仅设置必要按键，使得操作更加简单。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1. 根据定位模块获取用户位置，通过语音输入模块获得目的地信息，然后通过路径规划模块确定最优步行出行路线并通过语音提示模块播放导航信息；导航过程中结合数据存储单元、图像采集模块和路况分析模块实时分析路况信息，并通过语音提示模块实时播放提示信息引导用户出行，实现复杂路况检测分析；

2、通过采集视觉图像相当于正常人眼所看到的视野，通过图像对路况进行实时分析，能够实现对交通信号、障碍物、坑洼、行人、车辆等做出准确的检测和合理的评估，给使用者以合理及时的语音提示；将智能导盲装置集成安装在导盲杖上，为特殊人群领域特别是盲人、老年人的出行提供方便，实现精确定位、路径导航、路况检测及语音提示功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一所述的智能导盲装置的结构原理图；

图2为本发明实施例二所述的导盲杖的结构示意图；

1、手柄；2、导杆；3、智能导盲装置。

具体实施方式

本发明提供一种智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖，下面结合不同实施例对本发明做进一步地说明。

实施例一，本实施例提出一种智能导盲装置，参考图1智能导盲装置的结构原理图，包括中央处理单元以及与中央处理单元相连的定位模块、语音交互模块、数据存储单元和图像采集模块；所述语音交互模块包括语音输入模块和语音提示模块，用以实现目的地信息输入及路况提示信息的输出；

所述数据存储单元用以存储用户信息及地图数据信息；

所述图像采集模块用以采集实时路况图像；

所述中央处理单元包括路径规划模块和路况分析模块；所述路况分析模块包括交通信号灯检测分析模块、图像背景模型构建模块、路面信息检测分析模块和行人、车辆监测分析模块，用以实现对复杂路况的实时监测与分析；

所述中央处理单元控制管理各模块工作流程，根据定位模块获取用户位置，通过语音输入模块获得目的地信息，然后通过路径规划模块确定最优步行出行路线并通过语音提示模块播放导航信息；导航过程中结合数据存储单元、图像采集模块和路况分析模块实时分析路况信息，并通过语音提示模块实时播放提示信息引导用户出行。

路径规划模块实现对用户位置到目的地的可步行路径进行分析，本实施例采用改进的狄克斯特拉方法进行路径规划，包括限制交叉路口点搜索范围的路径规划范围限制模块和对交叉路口点之间的路径进行筛选处理的路径约减模块，并将最优路径通过语音提示模块输出，具体如下：

首先结合数据存储单元中已存储的地图信息确定用户位置与目的地之间及其周边地带的交叉路口点，由于本实施例用户面向特殊人群（盲人或老年人），因此本模块通过路径规划范围限制模块对路径规划范围进行约束。例如，当用户位置地点距离目的地超过10公里时提示用户重新设置稍近距离目的地（10公里以内），而对于10公里之内的目的地点，交叉路口搜索范围也限制在用户位置地点和目的地周边5公里范围内，通过如此操作，使得交叉路口点数目减少，提高了狄克斯特拉方法的时间效率；

然后，将存在步行路径的交叉路口点作为狄克斯特拉方法的候选顶点，考虑到本发明的使用场景主要是针对步行场景，通过路径约减模块对候选顶点间的路径进行约减。例如：一方面当两个顶点之间的路径非步行路径，比如高速公路等，将该路径从候选中删除；另一方面，当两个顶点之间存在多条步行路径时，只保留最短距离路径，对其他步行路径进行删除，将2个交叉路口点的步行路径距离作为2个候选顶点的边长；最后通过狄克斯特拉方法获得用户位置到目的地之间的最优路径，通过提高路径规划的候选节点及边长空间，降低狄克斯特拉方法的输入规模，从而保证路径规划的时间效率。

路况分析模块实现对出行时遇到的障碍物、行人、车辆以及路面坑洼等即时复杂路况的实时监测分析，并通过语音提示模块提醒用户行走。包括结合地图及定位信息进行交叉路口的交通信号检测的交通信号灯检测分析模块、图像背景模型构建模块、路面信息检测分析模块和行人、车辆监测分析模块，实现对复杂路况的实时监测与分析，具体如下：

交通信号灯分析模块包括通过分颜色积分投影方法检测信号灯位置的信号灯位置定位模块以及判断信号灯类型的信号灯匹配模块，当采集到图像后，首先根据地图及定位信息判断是否需要进行交通信号检测，若需要进行交通信号检测，则分别对红、绿、黄三种颜色进行水平和垂直积分投影，通过分析比较三种积分投影在水平和垂直方向的峰值组合，确定交通信号灯的位置范围。接着，对候选范围按照红、绿、黄三种颜色进行图像分割，并进一步分析每一分割区域的边缘，获得形状。最后与预存交通信号灯模版（包括颜色和形状）进行匹配，获得组合交通信号，结合信号灯颜色做出交通信号的组合判断并给出语音提示。通过分颜色积分投影的方法检测信号灯位置，相比于传统方法简单有效，满足实时分析需要，同时结合图像分割和边缘检测进行形状颜色匹配，分析速度快，正确识别效率高。

如果不需要进行交通信号检测，则通过构建GMM模型进行背景分析获得图像背景，为了提高分析效率，考虑到应用本发明使用者的步行速度一般比较缓慢，因此在进行GMM模型更新时，对GMM模型的高斯子模型采用循环更新的方法，并结合图像采集模块进行背景分析获得图像背景，进而获得图像前景。具体地，起始阶段，根据图像视频，分析初始GMM模型，并按顺序保存10个高斯子模型分布参数，随着后续图像采集，分析新的高斯子模型，与预存的子模型匹配，若存在匹配，则根据预存高斯子模型及采集图像估计新的GMM模型分布参数；若不存在匹配，则利用新的高斯子模型替换原高斯子模型中最后一个子模型，然后计算新的GMM模型分布参数，通过循环更新GMM模型子模型，避免了每次分析的时间浪费，有效且大大提高了时间效率。

路面信息监测分析模块通过图像采集模块对图像进行分析处理，对图像进行边缘检测和形态学方法处理（主要是腐蚀和膨胀），分析前景物体的位置和面积等信息，根据位置信息确定是否可能为坑洼路面。具体的，首先对实际场景进行大量的图像采集，通过大量实验分析标注坑洼区域、障碍物位置，然后采用SVM分类器对坑洼面积、障碍物位置面积进行学习获得坑洼面积、障碍物位置面积的阈值并与预存在存储单元中，进而分析坑洼面积是否超过设定阈值，做出是否为坑洼路况的判断，有效减少坑洼、障碍物等的实时分析时间，大大提高检测效率。

对于行人、车辆监测分析模块，在获得前景的基础上，结合数据存储单元和图像采集模块识别分析路况上的行人、车辆信息。结合本实施例应用场景及地图信息，对步行道路附近的前景图像进行HOG特征分析，与预存行人模版进行匹配，匹配成功则判断为行人，然后进一步估计行人位置并作出路况提示通过针对不同的检测目标确定特征分析区域；对于机动道路的前景图像进行Harr特征分析，与预存车辆模版进行匹配，匹配成功则判断为车辆，然后估计车辆位置并做出路况提示；通过针对不同的检测目标确定特征分析区域，减少特征分析的数据量，使得行人和车辆检测能够达到实时性，提高时间效率。

对于智能导盲装置硬件结构实现，其中，语音交互模块采用SPCE061A微控制器连接话筒和扬声器并配有RAM和RPROM预存播放信息和缓存数据；GPS定位模块包括天线、数据接收和分析模块；图像采集模块采用图像传输控制器S3C500E，通过A/D转换模块连接摄像头；远程通信模块通过GSP/GPRS基带处理器ESC6270连接天线接口电路及SIM卡；用户设置模块通过控制单元EFM32TG840F1连接功能按键、蓝牙适配模块及液晶显示屏；中央处理单元采用嵌入式微处理器S3C2410，连接存储单元及各模块控制器。

本实施例中，为方便紧急情况下拨打电话求助，提高安全保障，所述智能导盲装置还包括用户设置模块，包括功能按键、蓝牙适配模块以及微控制单元；可以设置用户资料信息及紧急电话通讯，另外还可实现报时、出行方式选择等其他扩展功能；为实现地图数据信息的及时更新，保证数据的实时有效，提高导航效率与准确度，所述数据存储单元还包括无线通讯模块。

实施例二，本实施例提出一种导盲杖，如图2所示，包括手柄1以及与手柄1连接的导杆2，所述导盲杖上设置有实施例一所述的智能导盲装置3，且所述功能按键均采用盲文，便于操作方便。由此可见，可以方便用户自由选择导盲功能，仅设置必要按键，使得操作更加简单。通过GPS对用户进行定位，根据用户语音输入目的地，结合地图信息能够进行路径规划，并对用户步行通过语音进行导航，在用户行走过程中，通过图像采集和路况分析对实时路况进行检测并及时给用户提供提醒信息。本实施例中，所述导盲装置还可以设置在帽子、背包等其他可替代生活用品上，在此不做详述。

综上，本发明所提出的一种智能导盲装置及安装有该装置的导盲杖，通过中央处理单元根据定位模块获取用户位置，通过语音输入模块获得目的地信息，然后通过路径规划模块确定最优步行出行路线并通过语音提示模块播放导航信息；导航过程中结合数据存储单元、图像采集模块和路况分析模块实时分析路况信息，并通过语音提示模块实时播放提示信息引导用户出行。并且通过将智能导盲装置集成安装在导盲杖、背包、帽子等辅助用品上，实现对交通信号、障碍物、坑洼、行人、车辆等做出准确的检测和合理的评估，给使用者以合理及时的语音提示，为特殊人群领域特别是盲人、老年人的出行提供方便，实现精确定位、路径导航、路况检测及语音提示功能，具有广泛的实用推广意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能导盲装置，包括中央处理单元以及与中央处理单元相连的定位模块和语音交互模块，其特征在于，还包括分别与中央处理单元相连的数据存储单元、图像采集模块；

所述语音交互模块包括语音输入模块和语音提示模块，用以实现目的地信息输入及路况提示信息的输出；所述数据存储单元用以存储用户信息及地图数据信息；所述图像采集模块用以采集实时路况图像；

所述中央处理单元包括路径规划模块和路况分析模块；所述路径规划模块采用狄克斯特拉方法进行路径规划，包括限制交叉路口点搜索范围的路径规划范围限制模块和对交叉路口点之间的路径进行筛选处理的路径约减模块；路径规划范围限制模块对路径规划范围进行约束的步骤包括：当用户位置地点距离目的地超过10公里时提示用户重新设置稍近距离目的地，而对于10公里之内的目的地点，交叉路口搜索范围也限制在用户位置地点和目的地周边5公里范围内；所述路况分析模块包括交通信号灯检测分析模块、图像背景模型构建模块、路面信息检测分析模块和行人、车辆监测分析模块，用以实现对复杂路况进行全面的实时监测与分析；

所述交通信号灯检测分析模块包括通过分颜色积分投影方法检测信号灯位置的信号灯位置定位模块以及判断信号灯类型的信号灯匹配模块；当采集到图像后，首先根据地图及定位信息判断是否需要进行交通信号检测，若需要进行交通信号检测，则分别对红、绿、黄三种颜色进行水平和垂直积分投影，通过分析比较三种积分投影在水平和垂直方向的峰值组合，确定交通信号灯的位置范围；接着，对候选范围按照红、绿、黄三种颜色进行图像分割，并进一步分析每一分割区域的边缘，获得形状，最后与预存交通信号灯模版进行匹配，获得组合交通信号；

所述图像背景模型构建模块通过构建混合高斯模型，且其高斯子模型采用循环更新的方法，并结合图像采集模块进行背景分析获得图像背景，进而获得图像前景；

所述路面信息监测分析模块通过图像采集模块对图像进行分析处理，获得前景的位置和面积信息，进而确定路面信息状态；

所述中央处理单元控制管理各模块工作流程，并通过语音提示模块实时播放提示信息引导用户出行。

2.根据权利要求1所述的一种智能导盲装置，其特征在于，所述行人、车辆监测分析模块在获得前景的基础上，结合数据存储单元和图像采集模块识别分析路况上的行人、车辆信息。

3.根据权利要求2所述的一种智能导盲装置，其特征在于，还包括用户设置模块，所述用户设置模块包括功能按键、蓝牙适配模块以及微控制单元，用以设置用户资料信息及电话通讯。

4.根据权利要求3所述的一种智能导盲装置，其特征在于，所述数据存储单元还包括无线通讯模块，用以实现地图数据信息的更新。

5.一种导盲杖，包括手柄以及与手柄连接的导杆，其特征在于，所述导盲杖上安装有权利要求3或4所述的智能导盲装置，所述功能按键均采用盲文。