CN106093986A - 一种基于卫星精密定位技术的导盲方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的基于卫星精密定位技术的导盲系统，它包括卫星，差分基准站和导盲杖；卫星，差分基准站与导盲杖彼此通过无线方式交互数据；差分基准站，根据接收到的卫星数据解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，并对差分基准站当前的伪位置或伪距进行修正，将得到的修正值与上一次的修正值进行比较，将差值大于预先确定阈值的当前修正值输出给导盲杖；导盲杖，根据接收到的卫星数据和差分基准站的当前修正值对导盲杖当前的伪位置或伪距进行修正，得到导盲杖准确的位置坐标，比较导盲杖准确的位置坐标与建路线时得到的路线坐标，根据比较结果或探测到的障碍物类型或识别的交通信号、当前环境，向盲人发出提示语或者为盲人寻求帮助。

Description

一种基于卫星精密定位技术的导盲方法及系统

【技术领域】

本发明涉及卫星精密定位导航领域，尤其涉及一种服务于盲人的精密定位导航系统。

【背景技术】

盲人由于看不见，出行极不方便，除非有家人陪护，否则寸步难行。没有家人陪护时，一条训练有素的导盲犬也能够带领盲人出行，但训练出一条导盲犬不是易事，只有极少数的盲人能够拥有它。所以，人们一直在努力寻求可以取代导盲犬的其它导盲方法或技术。其中，GPS导盲与超声波导盲技术被研究得最多，相关专利也产生了不少。但在目前的GPS和超声波导盲技术，存在以下问题或不足：

1、定位技术采用的是常规GPS定位，常规GPS定位即通常所指的民用GPS定位，广泛用于汽车的导航中。这种定位技术由于受到卫星与接收机钟差、轨道偏差、大气折射、多路径反射等因素的影响，有十余米的定位误差，精度在10米--20米之间。当用于导盲时，若盲人走至分叉路口，由于两条道之间的间隔很近，远小于定位误差，很容易把盲人导向错误的道上去；若盲人走至较宽路面或操场上时，由于导盲杖触碰不到路的边缘，没有边缘路基做参考，也容易把盲人导离航向。所以，用于导盲的定位技术，其定位精度至少应达到米级甚至更高。

2、当前导盲技术中使用了主要为汽车导航应用开发的电子地图，这类地图关注的是行车路线及一些重要的场所，而盲人要前往的场所或要行走的路线可能没有标出，或虽有标出，但误差太大。所以，这类地图不适宜导盲。

3、在当前的超声波导盲中，未能同时兼顾对路面上低矮障碍物与路边高障碍物的检测。

4、盲人出行时，有时需要横穿路口，导盲杖应该能够精确地定位路口，并能检测出路口的交通信号灯。

5、导盲杖的操作使用应该符合盲人的特点，应可以通过声音或盲文进行操控。

【发明内容】

有鉴于此，针对目前的GPS与超声波导盲技术及专利存在的上述问题或不足，本发明提出一种基于卫星精密定位技术的导盲方法及系统。

本发明采用如下技术方案，构造基于卫星精密定位技术的导盲系统，它包括卫星，差分基准站和导盲杖；卫星，差分基准站与导盲杖彼此通过无线方式交互数据；

差分基准站，根据接收到的卫星数据解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，并对差分基准站当前的伪位置或伪距进行修正，将得到的修正值与上一次的修正值进行比较，将差值大于预先确定阈值的当前修正值输出给导盲杖；

导盲杖，根据接收到的卫星数据和差分基准站的当前修正值对导盲杖当前的伪位置或伪距进行修正，得到导盲杖准确的位置坐标，比较导盲杖准确的位置坐标与建路线时的坐标，根据比较结果或探测到的障碍物类型或识别的交通信号、当前环境，向盲人发出提示语或者为盲人寻求帮助。

优选的，所述差分基准站包括第一通信模块，第一卫星模块和处理器模块；

第一通信模块负责与导盲杖进行通信，其与处理器模块连接；

第一卫星模块，用于接收GPS与北斗卫星的信号，通过集成的解算软件解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，然后输出给处理器模块；

处理器模块，将收到的差分基准站当前的伪位置或伪距与预先精确测量得到的准确位置或距离值进行比较，获得当前修正值，并将当前修正值与前一个发给导盲杖的修正值相比较，若差大于一个预先确定的阈值，则将当前修正值交由第一通信模块发送给导盲杖。

优选的，所述导盲杖包括第二卫星模块、语音模块、超声波避障模块，摄像模块，第二通信模块和中央控制模块；

第二卫星模块，用于接收GPS与北斗卫星的信号，并将解算出导盲杖的伪位置或伪距输出给中央控制模块；

语音模块，用于识别输入语音，并将语音处理后输出给中央控制模块；还用于根据中央控制模块的命令向盲人发出相应的提示语；

超声波避障模块，用于探测盲人前方的障碍物，并将障碍物离盲人的距离输出给中央控制模块；

摄像模块，用于拍摄路口的交通信号或当前环境并进行识别，并将识别结果输出给中央控制模块；

第二通信模块，用于与差分基准站、盲人家人或朋友的通信，其与中央控制模块连接；

中央控制模块，根据收到的导盲杖的伪位置或伪距，修正运算得到导盲杖的准确位置坐标，并根据导盲杖的准确位置坐标与建路线时得到的坐标的比较结果，向语音模块发送相应的指令；根据来自超声波避障模块探测的障碍物类型，向语音模块发送相应的指令；根据摄像头识别的交通信号和当前环境，向语音模块发送相应的指令。

优选的，所述超声波避障模块包括上下两个模组；

上模组用于探测较高的障碍物；下模组用于探测路面上较低的障碍物；若上、下两模组都探测到了障碍物，则障碍物为高类型障碍物，否则为低类型或悬突类型障碍物。

本发明还提供一种基于卫星精密定位技术的导盲方法，它包括如下步骤：

S2:建导盲杖；

S3:建路线；

S4:导盲使用；

所述步骤S3还包括如下步骤：

S326：i＝0,选择一个标志点为起始点，根据第二卫星模块输出的数据和差分基准站发来的修正值，中央控制模块计算并存储起始点位置坐标(x_i,y_i)，然后从起始点开始向前走；

S327：计算当前位置坐标(x_i+1,y_i+1),如果x_i+1-x_i≧1m或者y_i+1-y_i≧1m,存储当前坐标(x_i+1,y_i+1)，并令xi＝x_i+1,yi＝y_i+1；i＝i+1；路口需标注。

S328：如到达路线终点，标注终点坐标(x_i,y_i)，建路线完成；否则进入步骤S327。

优选的，所述步骤S4包括如下步骤：

S44:i＝0；

S45:根据第二卫星模块输出的数据和差分基准站发来的修正值，中央控制模块计算当前位置坐标(X_i,Y_i)。

S46:中央控制模块调出路线数据(x_i,y_i),(x_i+1,y_i+1)；求出(x_i，y_i)与(x_i+1,y_i+1)构成的直线K_i；计算(X_i,Y_i)到直线K_i的距离d_i及相对于K_i的方位Ф_i；计算▽X_i＝x_i+1-X_i；▽Y_i＝y_i+1-Y_i。

S47:如到达终点则结束导盲；否则进入步骤S48。

S48:根据d_i,Ф_i,▽X_i与▽Y_i大小及符号分别输出下列提示音：请“左移XX米”或请“右移XX米”或请“直行”或“到达路口”。

S49:i＝i+1后进入步骤S45。

本发明的有益技术效果是：

1、采用差分定位技术进行精密定位：卫星可为GPS或北斗，定位精度可达米级，能满足导盲要求；

2、根据盲人出行需要，预先规划、建立路线，存储待用；使用自建路线进行精确导盲；

3、使用两组超声波收发模块避障，上模块探测较高障碍物，下模块探测地面上低矮或悬突障碍物；

4、使用语音识别技术实施操作控制，能识别盲人发出的控制命令，并遵照命令执行操作，同时也能向盲人发出提示语言，告知前行的方向或提醒注意的事项；使用模式识别技术识别路口交通信号，并根据信号发出可以通行或禁止通行等警示语。

【附图说明】

图1实施例一中的基于卫星精密定位技术的导盲系统组成示意图；

图2实施例一中的基于卫星精密定位技术的导盲方法启动导盲杖的流程图；

图3实施例一中的基于卫星精密定位技术的导盲方法导盲杖建路线的流程图；

图4实施例一中的基于卫星精密定位技术的导盲方法导盲杖路线导盲的流程图。

【具体实施方式】

为了使本专利的技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利的具体实施方式进行详细描述。

实施例一：

如图1，本实施例中的基于卫星精密定位技术的导盲系统，包括卫星，差分基准站和导盲杖；卫星，差分基准站与导盲杖彼此通过无线方式交互数据。

差分基准站，根据接收到的卫星数据解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，并对差分基准站当前的伪位置或伪距进行修正，将得到的修正值与上一次的修正值进行比较，将差值大于预先确定阈值的当前修正值输出给导盲杖，否则不予处理。

导盲杖，根据接收到的卫星数据和差分基准站的当前修正值对导盲杖当前的伪位置或伪距进行修正，得到导盲杖准确的位置坐标，比较导盲杖准确的位置坐标与建路线时得到的坐标，根据比较结果或探测到的障碍物类型或识别的交通信号、当前环境，向盲人发出提示语或者为盲人寻求帮助。

差分基准站，包括第一通信模块，第一卫星模块和处理器模块。

第一通信模块负责与导盲杖进行通信，其与处理器模块连接，采用型号为SIM800L的GPRS集成电路。

第一卫星模块采用型号为UM220-III的卫星信号集成电路，该集成电路上集成有解算软件，可接收GPS与北斗卫星的信号，通过集成的解算软件解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，然后输出给处理器模块。

处理器模块负责对整个差分基准站进行控制与管理，采用型号为STM32F103RB的集成电路。处理器模块将收到的差分基准站当前的伪位置或伪距与预先精确测量得到的准确位置或距离值进行比较，获得当前修正值，并将当前修正值与前一个发给导盲杖的修正值相比较，若差大于一个预先确定的阈值，则将当前修正值交由第一通信模块发送给导盲杖，否则不做处理。

导盲杖包括杖杆、第二卫星模块、语音模块、超声波避障模块，摄像模块，第二通信模块和中央控制模块。

第二卫星模块，用于接收GPS与北斗卫星的信号，并将解算出导盲杖的伪位置或伪距输出给中央控制模块；其采用型号为UM220-III的北斗卫星接收芯片，其内部集成有解算软件。

语音模块，用于识别输入语音，并将语音处理后输出给中央控制模块；还用于根据中央控制模块的命令向盲人发出相应的提示语。提示语可为“前行”、“左移X米”、“右移X米”、“到达路口，慎行”、“红灯亮，禁止通行”、“绿灯亮，可以通行”等。语音模块采用型号为LD3320的集成电路，该集成电路集成有A/D转换单元，D/A转换单元，存储单元等单元。盲人不能够象正常人那样通过图形界面操作使用一台设备，但可以通过语音。语音模块起着盲人与导盲杖交互界面的作用。

超声波避障模块，用于探测盲人前方的障碍物，并将障碍物离盲人的距离输出给中央控制模块。超声波避障模块包括上下两个模组。上模组采用现有技术中的超声波收发集成电路，用于探测较高的障碍物，如墙、树、人等；下模组采用和上模组相同的集成电路，用于探测路面上较低的障碍物，如坎、石头等。若上、下两模组都探测到了障碍物，则障碍物为高类型障碍物，否则为低类型或悬突类型障碍物。中央控制模块据此可识别出障碍物的类型。中央控制模块识别出障碍物的类型后，通过语音模块告知盲人前方多远有障碍物，是何种类型障碍物，以便盲人提前采取应对措施。

摄像模块，用于拍摄路口的交通信号或当前环境并进行识别，并将识别结果输出给中央控制模块；其包括摄像头和图像处理软件，摄像头采用型号为OV7670的模块。如识别红绿灯信号或者是当前环境图像。如在高楼林立的市区，有时收不到卫星信号，导盲系统不能使用而失效，可将拍摄的当前环境图像输出给中央控制模块。

第二通信模块，用于与差分基准站、盲人家人或朋友的通信，其与中央控制模块连接。第二通信模块采用型号为SIM800L的GPRS集成电路。

中央控制模块，根据收到的导盲杖的伪位置或伪距，修正运算得到导盲杖的准确位置坐标，并根据导盲杖的准确位置坐标与建路线时的坐标的比较结果，向语音模块发送相应的指令；根据来自超声波避障模块探测的障碍物类型，向语音模块发送相应的指令；根据摄像模块识别的交通信号和当前环境，向语音模块发送相应的指令；如摄像模块识别的是红灯图像，则语音模块发出的警示语是：“红灯亮，禁止通行”，如摄像模块识别的是绿灯图像，语音模块发出的警示语是：“绿灯亮，可以通行”；如识别的是当前环境图像，则通过第二通信模块联系盲人的家人或朋友，以寻求帮助。中央控制模块采用型号为STM32F405VG的集成电路。

本实施例中的基于卫星差分定位的导盲方法，包括如下步骤：

S1：建立差分基准站；

S2:建导盲杖；

S3:建路线；

S4:导盲使用。

下面具体说明各步骤。

S1：建立差分基准站。

建立差分基准站的工作包括如下步骤：

S11:基站选址；

S12:位置坐标测量

S13:设备构建。

差分基准站需要供电与维护，最好建在盲人住所内。选址要做的工作包括：确定差分基准站设备具体的安放位置，安装接收天线，测量位置坐标。差分基准站设备应安放在有电源、平时不容易碰触到、且靠近窗户的地方。安装接收天线时，接收天线的室内端应留有足够的长度以便万一基准站设备移动位置时还可以够得着，室外端应该用合适的固件牢牢固定在外墙或窗框上。一旦差分基准站位置坐标测量完成后，接收天线室外端就不能再移动了。

差分基准站位置坐标测量其实测量的是差分基准站接收天线的位置坐标，可使用GPS精密单点定位技术进行测量。精密单点定位(precise point positioning，简称PPP)指的是利用全球若干地面跟踪站的GPS观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差,对单台GPS接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算。这种利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据，同时利用地面跟踪站得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数，对用户单台GPS双频双码接收机的观测数据进行定位解算的定位技术，定位精度可达厘米级。

差分基准站，根据第一卫星模块解算出的差分基准站当前的伪位置或伪距和预先精确测量得到的准确位置或距离值进行比较，获得当前修正值，并将当前修正值与前一个发给导盲杖的修正值相比较，若差大于一个预先确定的阈值，则将当前修正值交由第一通信模块发送给导盲杖，否则不做处理。

S2:建导盲杖

导盲杖根据来自第二卫星模块解算出的导盲杖的伪位置或伪距，修正运算得到导盲杖的准确位置坐标。

S3:建路线

导盲杖在使用前需先由正常视力的人建立路线。建路线包括以下步骤：

启动导盲杖，根据语音提示选择导盲杖工作模式为建路线模式，输入待建路线名称，选择一个标志点为起始点，从起始点开始，带着导盲杖走到终点。在建路线模式下，每隔1米测量一次位置坐标，并存储在当前路线下。导盲杖测量位置坐标时，使用基准站发来的当前修正值对第二卫星模块解算出的导盲杖当前伪位置或伪距进行误差修正，故测量得到的是精确的位置坐标。这样便建好了一条路线，照此方式，可将盲人的活动路线逐一建好，存储待用。

图2是启动导盲杖的流程图，包括如下步骤：

S311：导盲杖的语音模块输出提示语：请说出您要走的路线！

S312:语音模块等待盲人语音输入并对语音进行识别。

S313:语音模块将识别的语音信号输出给中央控制模块，中央控制模块比较输入的语音信号和库中存储的语音信号，如库中存在有与输入语音信号匹配的信息，判断识别成功，进入S314；否则返回S311。

S314：中央控制模块控制语音模块输出提示音：您要走的路线名称是：“A路线”，请再说一次以确定；并再次进行语音识别。

S315：中央控制模块比较前后两次输入的语音信号，如相同，进入S316；否则返回步骤S314。

S316：中央控制模块搜索路线库；

S317：如在库中找到匹配路线，进入路线导盲模式；否则进入建路线模式。

图3是导盲杖建路线的流程图，包括如下步骤：

S321：语音模块输出提示语：请选择一个标志点为起始点，走到起始点处，然后说您要建的路线名称。

S322：语音模块等待盲人语音输入并对语音进行识别。

S323：语音模块将识别出的语音信号输出给中央控制模块，中央控制模块比较输入的语音信号和库中存储的语音信号，如库中存在有与输入语音信号匹配的信息，判断识别成功，进入S324；否则返回S321。

S324：中央控制模块控制语音模块输出提示音：您要建的路线名称是：“A路线”，请再说一次以确定；并再次进行语音识别。

S325：中央控制模块比较前后两次输入的语音信号，如相同，进入S326；否则返回步骤S324。

S326：i＝0,站在起始点上，根据第二卫星模块输出的数据和差分基准站发来的修正值，中央控制模块计算并存储起始点位置坐标(x_i,y_i)，然后从起始点开始向前走。

S327：计算当前位置坐标(x_i+1,y_i+1),如果x_i+1-x_i≧1m或者y_i+1-y_i≧1m,存储当前坐标(x_i+1,y_i+1)，并令x_i＝x_i+1,y_i＝y_i+1；i＝i+1；路口需标注。

S328：如到达路线终点，进入步骤S329；否则进入步骤S327。

S329：标注终点坐标(x_i，y_i)，建路线完毕。

4、导盲使用

路线建好后，导盲系统即可交付给盲人使用。使用包括以下步骤：启动导盲杖，根据提示音，用语音选择导盲杖工作模式为路线导盲模式，选择一条建设好的路线。一旦盲人说出的行走路线被导盲杖识别后，导盲杖便到数据库中调出该路线的数据，然后指引盲人从起始点开始，一步步走向终点。

图4是导盲杖路线导盲的流程图，包括如下步骤：

S41:语音模块输出提示语：请走到起始点处，然后发出“出发”命令！

S42:语音模块等待盲人语音输入并对语音进行识别。

S43:语音模块将识别的语音信号输出给中央控制模块，中央控制模块比较输入的语音信号是“出发”，如是进入S44；否则返回S41。

S44:i＝0；

S45:根据第二卫星模块输出的数据和差分基准站发来的修正值，中央控制模块计算当前位置坐标(X_i,Y_i)。

S46:中央控制模块调出路线数据(x_i,y_i),(x_i+1,y_i+1)；求出(x_i，y_i)与(x_i+1,y_i+1)构成的直线K_i；计算(X_i,Y_i)到直线K_i的距离d_i及相对于K_i的方位Ф_i；计算▽X_i＝x_i+1-X_i；▽Y_i＝y_i+1-Y_i。

S47:如到达终点则结束导盲；否则进入步骤S48。

S48:根据d_i,Ф_i,▽X_i与▽Y_i大小及符号分别输出下列提示音：请“左移XX米”或请“右移XX米”或请“直行”或“到达路口”。

S49:i＝i+1后进入步骤S45。

S47中到达终点的判断条件是(x_i+1,y_i+1)有终点标识，且▽X_i≦1m或▽Y_i≦1m。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于卫星精密定位技术的导盲系统，其特征在于：它包括卫星，差分基准站和导盲杖；卫星，差分基准站与导盲杖彼此通过无线方式交互数据；

差分基准站，根据接收到的卫星数据解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，并对差分基准站当前的伪位置或伪距进行修正，将得到的修正值与上一次的修正值进行比较，将差值大于预先确定阈值的当前修正值输出给导盲杖；

导盲杖，根据接收到的卫星数据和差分基准站的当前修正值对导盲杖当前的伪位置或伪距进行修正，得到导盲杖准确的位置坐标，比较导盲杖准确的位置坐标与建路线时得到的路线坐标，根据比较结果或探测到的障碍物类型或识别的交通信号、当前环境，向盲人发出提示语或者为盲人寻求帮助。

2.如权利要求1所述的基于卫星精密定位技术的导盲系统，其特征在于：所述差分基准站包括第一通信模块，第一卫星模块和处理器模块；

第一通信模块负责与导盲杖进行通信，其与处理器模块连接；

第一卫星模块，用于接收GPS与北斗卫星的信号，通过集成的解算软件解算出差分基准站当前的伪位置或伪距，然后输出给处理器模块；

处理器模块，将收到的差分基准站当前的伪位置或伪距与预先精确测量得到的准确位置或距离值进行比较，获得当前修正值，并将当前修正值与前一个发给导盲杖的修正值相比较，若差大于一个预先确定的阈值，则将当前修正值交由第一通信模块发送给导盲杖。

3.如权利要求1或2所述的基于卫星精密定位技术的导盲系统，其特征在于：所述导盲杖包括第二卫星模块、语音模块、超声波避障模块，摄像模块，第二通信模块和中央控制模块；

第二卫星模块，用于接收GPS与北斗卫星的信号，并将解算出的导盲杖的伪位置或伪距输出给中央控制模块；

语音模块，用于识别输入语音，并将语音处理后输出给中央控制模块；还用于根据中央控制模块的命令向盲人发出相应的提示语；

超声波避障模块，用于探测盲人前方的障碍物，并将障碍物离盲人的距离输出给中央控制模块；

摄像模块，用于拍摄路口的交通信号或对当前环境并进行识别，并将识别结果输出给中央控制模块；

第二通信模块，用于与差分基准站、盲人家人或朋友的通信，其与中央控制模块连接；

中央控制模块，根据收到的导盲杖的伪位置或伪距，修正运算得到导盲杖的准确位置坐标，并根据导盲杖的准确位置坐标与建路线时的坐标的比较结果，向语音模块发送相应的指令；根据来自超声波避障模块探测的障碍物类型，向语音模块发送相应的指令；根据摄像模块识别的交通信号和当前环境，向语音模块发送相应的指令。

4.如权利要求3所述的基于卫星精密定位技术的导盲系统，其特征在于：所述超声波避障模块包括上下两个模组；

上模组用于探测较高的障碍物；下模组用于探测路面上较低的障碍物；若上、下两模组都探测到了障碍物，则障碍物为高类型障碍物，否则为低类型或悬突类型障碍物。

5.基于卫星精密定位技术的导盲方法，其特征在于，它包括如下步骤：

S2:建导盲杖；

S3:建路线；

S4:导盲使用；

所述步骤S3还包括如下步骤：

S326：i＝0,站在起始点上，根据第二卫星模块输出的数据和差分基准站发来的修正值，中央控制模块计算并存储起始点位置坐标(xi,yi)，然后从起始点开始向前走。

S327：计算当前位置坐标(x_i+1,y_i+1),如果x_i+1-x_i≧1m或者y_i+1-y_i≧1m,存储当前坐标(x_i+1,y_i+1)，并令x_i＝x_i+1,y_i＝y_i+1；i＝i+1；路口需标注。

S328：如到达路线终点，进入步骤S329；否则进入步骤S327。

S329：标注终点坐标(x_i，y_i)，建路线完毕。

6.基于卫星精密定位技术的导盲方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：

S44:i＝0；

S45:根据第二卫星模块输出的数据和差分基准站发来的修正值，中央控制模块计算当前位置坐标(X_i,Y_i)。

S46:中央控制模块调出路线数据(x_i,y_i),(x_i+1,y_i+1)；求出(x_i，y_i)与(x_i+1,y_i+1)构成的直线K_i；计算(X_i,Y_i)到直线K_i的距离d_i及相对于K_i的方位Ф_i；计算▽X_i＝x_i+1-X_i；▽Y_i＝y_i+1-Y_i。

S47:如到达终点则结束导盲；否则进入步骤S48。

S48:根据d_i,Ф_i,▽X_i与▽Y_i大小及符号分别输出下列提示音：请“左移XX米”或请“右移XX米”或请“直行”或“到达路口”。

S49:i＝i+1后进入步骤S45。