CN106352885A - 一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法，属于人身安全领域，首先由引领者带领盲人行走，记录路线，采用基于惯性导航的算法，生成路线轨迹。本发明将路线分为直线段和非直线段两种情况，直线段分为室外地面直线段和室内楼梯直线段，根据实际情况设置语音提示点。非直线段考虑到障碍物形状，如障碍物为环形，引领线路为环形，在环形路线上设置语音提示点，指引盲人改变行走方向；障碍物为锐角状，引领路线为比较尖锐的拐角，则根据实际情况由引领者设置引领点。本发明采用智能手机为载体，与电子导盲设备相比体积小、价格低、便于携带，并且目前很多智能手机都具备盲人模式，便于盲人操作。

Description

一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法

技术领域

本发明属于人身安全领域，具体涉及一种基于智能手机的盲人引领式导航及路线规划的方法。

背景技术

据新华社2016年5月份发布的新闻来看，我国服役导盲犬过百，但我国视力残疾人达到1700余万，他们需要拥有自己的导盲犬帮助出行，参与社会生活，提升生活品质，导盲犬服务行业的现状远不能满足需求。而且导盲犬培养成本过高，使得绝大多数盲人无法承受。

目前市场上有很多电子导盲仪，例如：超声波导盲仪、移动式机器人、穿戴式导盲仪和导引式手仗等。但它们存在着很多缺陷与不足：超声波导盲仪行进的速度慢，只能进行局部障碍物的识别；移动式机器人结构过于复杂，受地形限制，硬件开发成本高；穿戴式导盲仪重量重，缺乏安全感；导引式手仗体积大、不便于携带。这几种导盲装置都普遍存在成本高、不实用的缺点，而盲人的经济水平相对普遍较低，自主行动不便，这使得价格高昂、不便于携带的电子导盲仪无法真正应用于他们的实际生活当中。而市面上所提供的导航方法服务对象基本为视力正常者，本发明设计的基于智能手机的引领式盲人导航方法区别于现有的GPS、惯性导航、WIFI、基站等定位导航方式，是将引领者预存储的语音和软件导航生成语音在GPS导航和惯性导航结合的基础上结合为盲人提供一种新型的语音提示的导航方式。

发明内容

本发明的目的是解决引领者初次引领时的轨迹生成和路线生成后的语音提示点设置的问题。采用的技术方案如下：

一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法，由引领者先带领盲人走到目的地，记录路线，采用基于惯性导航的算法，生成路线轨迹，并在路线轨迹生成后根据实际情况设置语音提示点，并设置语音描述点；

所述轨迹生成的步骤的包括：

(1)获取加速度数据：手机加速度传感器记录下三轴的加速度值，即为：A＝{a₁,a₂,...,a_n}，对手机原始加速度进行降噪及去除重力影响：

$a^{\′}={\mathrm{\αa}}_{x_i}+(1-\mathrm{\α})a_{x_{i-1}}-g$

其中，α∈[0,1]，i＝{1,2,3,...,n}，n表示加速度序列的长度，g为重力；

(2)判断行走状态：用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，在步行收脚的动作中，重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反；水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加；

(3)计算步数：通过计算得出3个加速度的大小和方向，获得一条步行运动的正弦曲线轨迹；然后进行峰值检测，通过和上一次记录的加速度大小进行比较，如果相反，表示刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃；通过对峰值次数的累积可得到用户步行步数；根据人的步数、步长、行走的方向来计算人的位置，最终得到运动轨迹；

所述语音提示点设置包括直线段的语音点设置和非直线段的语音点设置：

所述直线段包括室外直线和室内楼梯直线；在室外直线时，每隔10米取一个语音提示点；在室内楼梯直线时，在楼梯口前3m左右设置语音提示点，然后在楼梯上每隔6个台阶设置一个提示点，在楼梯拐角口前1m处设置一个语音提示点；

所述非直线段包括环形段和尖锐段；在环形段时，在内接于曲线的路径上设置语音提示点，个数为盲人每前行6-8步设置一个；在尖锐段时，借助于引领者预存储的语音，即盲人的行进过程与语音提示过程相同步。

进一步，所述步骤(3)的具体步骤包括：

1)计算方向：利用手机的方向传感器可获得方向数据，方向传感器返回的3个角度分别表示手机顶部的朝向与正北方向的夹角、手机的顶部或尾部翘起的角度和左侧或右侧翘起的角度，利用这3个角度即可确定手机的摆放位置；

2)基于最小二乘法计算步长：行走时的步长由行走时的所产生的加速度计算出来；

3)生成轨迹：惯性导航轨迹生成算法根据人的步数、步长、行走的方向来计算人的位置：首先根据起点的坐标(x₀,y₀)为原点，第j步的坐标为(x_j,y_j),则第j步坐标为：

(x_j,y_j)＝(x₀+L cos(φ+γ_j),y₀+L cos(φ+γ_j))

其中，L为步长，φ为j步内所发生的方向变化之和；最终得出实际运动轨迹。

进一步，所述步骤1)还包括校正的步骤：

①首先记录人在行走过程中的水平手持手机时三轴陀螺仪所产生的数据，利用数据叠加去除高频噪声，得到人在水平方向的行走的角速度变化，即为R＝{r₁,r₂,...,r_n}；

②计算每一步所发生的方向变化，则第j步过程中的方向变化为：

${\mathrm{\γ}}_j={\∫}_{t_j^s}^{t_j^e}{r}_{j}dt$

③行走过程中同时记录指南针读数，记作：C＝{c₁,c₂,...,c_n}，对数据进行滤波平滑处理；获取指南针的第j步和第j+k步之间的方向变化获取三轴陀螺仪的第j步和第j+k步之间的方向变化设置的角度阈值，当超过阈值时，利用指南针第j+k步的方向对三轴陀螺仪读数计算得到的第j+k步的方向变化进行修正，并将修正后的数据作为人在第j+k步的方向。

进一步，所述步骤2)的具体步骤包括：

①采集用户以规定步长行走时所产生的加速度，记作a，所对应的步长，记作l；

②计算加速度的方差，记作s；

③利用最小二乘法对s和l作最佳线性拟合，得到两者的关系：

l＝(s-q)/p

其中，p和q是最佳线性拟合系数，其中为多次采样的均方差，为平均步长。

本发明的有益效果：

1、本发明采用智能手机为载体，与电子导盲设备相比体积小、价格低、便于携带，并且目前很多智能手机都具备盲人模式，便于盲人操作。

2、采用室内外引领式导航，并结合设定语音提示点的方法，使得行走路径更加精确。

附图说明

图1基于Mealy状态机的计步算法；

图2室外直线段；

图3楼梯情形；

图4环形路线；

图5拐角比较尖锐。

具体实施方式

盲人引领式导航分为室内、室外两种导航情况，针对导航中出现的障碍点，本发明采用设置语音提示的方法，并给出语音提示点如何设置。由引领者先带领盲人走到目的地，记录该路线，考虑到盲人的视觉的限制，通过算法生成路线设置语音提示点，并给予一定的语音描述，方便盲人对于自己前进方向的确认。

引领者带领盲人，采用基于惯性导航的算法，生成路线轨迹。本发明将路线分为直线段和非直线段两种情况如下。直线段分为室外地面直线段和室内楼梯直线段，根据实际情况设置语音提示点。非直线段考虑到障碍物形状，如障碍物为环形，引领线路为环形，在环形路线上设置语音提示点，指引盲人改变行走方向；障碍物为锐角状，引领路线为比较尖锐的拐角，则根据实际情况由引领者设置引领点。

本发明中语音提示点是在轨迹路线形成后规划形成，而引领点是引领者在带领盲人行进过程中由引领者设定的，并给予一定的语言描述。

具体实现过程如下：

一、轨迹的生成：

1.基于Mealy状态机的计步算法：

(1)获取加速度数据：当人拿着手机进行轨迹生成时，一般将手机拿在手上，手机加速度传感器记录下三轴的加速度值，即为：A＝{a₁,a₂,...,a_n}。对手机原始加速度进行降噪及去除重力影响：

$a^{\′}={\mathrm{\αa}}_{x_i}+(1-\mathrm{\α})a_{x_{i-1}}-g---\left(1\right)$

其中，α∈[0,1]，i＝{1,2,3,...,n}，g为重力。

2.判断行走状态：用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，如图1所示，在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。基于Mealy状态机的计步算法如图1所示。在步行运动时，垂直方向和步行方向所产生的加速度与时间的关系大致上市一条正弦曲线，而且在某一点上会出现峰值，通过对峰值的检测和计算，并将加速度的值与阈值进行比较和决策，就可以判断用户的步行状态。

3.计算步数：由于多重因素的影响，用户放置手机位置的不确定性，导致无法确定手机的放置方向，为解决此类问题，首先通过计算得出3个加速度的大小和方向，从而获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。然后进行峰值检测，通过和上一次记录的加速度大小进行比较，如果相反，表示刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数的累积可得到用户步行步数。并且由于手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，或是我们自己的手抖，对这些所谓的干扰数据进行剔除。可以通过给检测加上阈值和步频来判断过滤干扰数据。最后获取用户的每一步的时间戳T。

(1)计算方向：利用手机的方向传感器可获得方向数据，方向传感器返回的3个角度分别表示手机顶部的朝向与正北方向的夹角、手机的顶部或尾部翘起的角度和左侧或右侧翘起的角度，利用这3个角度即可确定手机的摆放位置。但是此时由于外部环境的干扰和三轴陀螺仪捕捉数据时产生的噪声，导致三轴陀螺仪捕捉的加速度数据存在偏差，此时需要借助其他传感器进行校正。

校正步骤如下：

①首先记录人在行走过程中的水平手持手机时三轴陀螺仪所产生的数据，利用数据叠加去除高频噪声。由此得到人在水平方向的行走的角速度变化，即为R＝{r₁,r₂,...,r_n}。

②计算每一步所发生的方向变化，则第j步过程中的方向变化为：

${\mathrm{\γ}}_j={\∫}_{t_j^s}^{t_j^e}{r}_{j}dt---\left(2\right)$

③行走过程中同时记录指南针读数，记作：C＝{c₁,c₂,...,c_n}，对数据进行滤波平滑处理；获取指南针的第j步和第j+k步之间的方向变化获取三轴陀螺仪的第j步和第j+k步之间的方向变化设置的角度阈值，当超过阈值时，利用指南针第j+k步的方向对三轴陀螺仪读数计算得到的第j+k步的方向变化进行修正，并将修正后的数据作为人在第j+k步的方向。

(2)基于最小二乘法计算步长：惯性导航中，运动的距离由步数与步长相乘所得，因此，每一步步长的准确度对惯性导航的精度都有很大的影响。其中人行走时的步长可由行走时的所产生的加速度估算出来。

步骤如下:

①采集用户以规定步长行走时所产生的加速度，记作a，所对应的步长，记作l。

②计算加速度的方差，记作s。

③利用最小二乘法对s和l作最佳线性拟合，得到两者的关系：

l＝(s-q)/p (3)

其中，p和q是最佳线性拟合系数，其中为多次采样的均方差，为平均步长。

(3)生成轨迹：惯性导航轨迹生成算法根据人的步数、步长、行走的方向来计算人的位置。首先根据起点的坐标(x₀,y₀)为原点，第j步的坐标为(x_j,y_j),则第j步坐标为：

(x_j,y_j)＝(x₀+L cos(φ+γ_j),y0+L cos(φ+γ_j)) (4)

其中，L为步长，φ为j步内所发生的方向变化之和。最终得出实际运动轨迹。

二、路线规划(语音提示点的设置)：

1.直线段

(1)室外直线段

如图2所示：直线段时，综合考虑盲人步行速度与提示语音输出时间，每隔10米取一个语音提示点。

(2)楼梯情形

如图3所示：在楼梯口前3m左右设置语音提示点，然后在楼梯上每隔6个台阶设置一个提示点，根据楼梯拐角口情况，在楼梯拐角口前1m处设置一个语音提示点。

2.非直线段(考虑到有障碍物、拐角等情形)

(1)路线轨迹为环形

本发明的目标是选择定标点的连线形成的折线，尽可能地与引领的线路相契合，如图4所示，A线路采取内接于曲线的方式，B线路采取外接于曲线的方式。比较A线路与B线路与引领路线的契合度：考虑长度与距离偏差

长度：

①当为内接路径A时：半径为R，在半圆路径上选择n个语音提示点，使得相邻提示点的距离相同。设∠A₂OB₂＝θ₂

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{2(n-1)}---\left(5\right)$

$L_{A_1{A}_2}=2R\·{\mathrm{cos\θ}}_2---\left(6\right)$

$S_A=(n-1)L_{A_1{A}_2}=(n-1)R\·cos\frac{\mathrm{\π}}{2(n-1)}---\left(7\right)$

②当为外接路径B时，即以A线路曲线上的(n-2)个定标点为B线路的切点时：设∠A₁OA₂＝θ₁，∠A₂OB₂＝θ₂

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{n-1}---\left(8\right)$

$L_{B_1{A}_2}=R\·{\mathrm{tan\θ}}_1---\left(9\right)$

$L_{A_2{B}_2}=R\·{\mathrm{tan\θ}}_2---\left(10\right)$

$\begin{array}{c}{S}_B=2L_{B_1{A}_2}+2(n-3)\·L_{A_2{B}_2}\\ =2R\·\tan \frac{\mathrm{\π}}{n-1}+2(n-3)\·tan\frac{\mathrm{\π}}{2(n-1)}\end{array}---\left(11\right)$

假设：R＝5m,n＝5.

A线路：

A线路的切入点与切出点如图2所示，使得相邻两个定标点的距离相同，则

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{8}$

$S_A=20(\sqrt{6}-\sqrt{2})m$

B线路：

B线路的切入点与切出点如图2所示，使得3个定标点为切点，则

OA₂⊥B₁B₂

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}$

${\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{8}$

$L_{B_1{A}_2}=R\·tan\frac{\mathrm{\π}}{4}$

$L_{A_2{B}_2}=R\·tan\frac{\mathrm{\π}}{8}$

$S_B=2L_{B_1{A}_2}+2(n-3)\·L_{A_2{B}_2}=(90-40\sqrt{3})m$

原路线:S＝5π；

则对于长度比较而言：

选取A线路较为合理；

距离偏差：

设：∠A₂OB₂＝θ

①当为内接路径时：n为设置的语音提示点个数，2(n-1)为正多边形边数，R为半径，R_n为边心距，θ为边所对圆心角的一半，Δd₁为误差大小。

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2(n-1)}---\left(12\right)$

R_n＝R·cosθ (13)

${\mathrm{\Δd}}_1=R-R_n=R\·(1-cos\frac{\mathrm{\π}}{2(n-1)})---\left(14\right)$

②当为外接路径时：R_m为圆心到语音提示点距离，Δd₂为误差大小。

R_m＝R·cos^-1θ (15)

${\mathrm{\Δd}}_2=R_m-R=R\·({\cos }^{-1}\frac{\mathrm{\π}}{2(n-1)}-1)---\left(16\right)$

假设：R＝5m,n＝5.

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{8}$

A线路：

${\mathrm{\Δd}}_1=5\·(1-cos\frac{\mathrm{\π}}{8})\≈0.3806m$

B线路：

${\mathrm{\Δd}}_2=5\·({\cos }^{-1}\frac{\mathrm{\π}}{8}-1)\≈0.4120m$

则对于距离偏差而言：Δd₁<Δd₂，选取A线路比较合理。

综合两种路线长度及距离偏差的比较，当R＝5m,n＝5时，可以看出依据内接路径设置语音提示点更加适合环形路线。

说明2：本发明中基于数学几何运算进行语音提示点的设置，是在路线轨迹已经生成的前提下，依据轨迹给出半径和语音提示点设置个数的多少。当障碍物为环形时，轨迹生成后即可得出半径大小，而语音提示点设置个数的多少依据盲人前行6-8步的长度设置A线路的相邻语音提示点的距离，继而A线路在曲线上的点为切点形成B线路，再对以上公式进行计算得出哪种线路更合理，最终得出语音提示点的设置。

(2)拐角比较尖锐

如图5所示：当拐角较为尖锐的时候，此时依赖于引领者的预存储语音解决问题，即盲人的行进过程与语音提示过程相同步，不再局限于语音提示点的选取。

综上所述，由于盲人在视觉上的限制，我们设计了一种新型的语音提示的导航方式：将引领者预存储的语音和软件导航生成语音在GPS导航和惯性导航结合的基础上结合。本发明着重解决两点问题：引领者带领盲人如何生成路线轨迹和轨迹路线定好后，手机语音提示点如何生成。本发明提供了基于智能手机的惯性导航的生成算法解决路线轨迹的生成问题和基于数学几何运算解决语音提示点的生成问题。本发明的目标就是基于语音提示这一更适合视障者群体的导航方式让盲人的出行更加方便、可靠。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法，其特征在于，由引领者先带领盲人行走，记录路线，采用基于惯性导航的算法，生成路线轨迹，并在路线轨迹生成后根据实际情况设置语音提示点，并设置语音描述点；

所述轨迹生成的步骤的包括：

(1)获取加速度数据：手机加速度传感器记录下三轴的加速度值，即为：A＝{a₁,a₂,...,a_n}，对手机原始加速度进行降噪及去除重力影响：

$a^{\&prime;}={\mathrm{\&alpha;a}}_{x_i}+(1-\mathrm{\&alpha;})a_{x_{i-1}}-g$

其中，α∈[0,1]，i＝{1,2,3,...,n}，n表示加速度序列的长度，g为重力；

(2)判断行走状态：用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，在步行收脚的动作中，重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反；水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加；

(3)计算步数：通过计算得出3个加速度的大小和方向，获得一条步行运动的正弦曲线轨迹；然后进行峰值检测，通过和上一次记录的加速度大小进行比较，如果相反，表示刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃；通过对峰值次数的累积可得到用户步行步数；根据人的步数、步长、行走的方向来计算人的位置，最终得到运动轨迹；

所述语音提示点设置包括直线段的语音点设置和非直线段的语音点设置：

所述直线段包括室外直线和室内楼梯直线；在室外直线时，每隔10米取一个语音提示点；在室内楼梯直线时，在楼梯口前3m左右设置语音提示点，然后在楼梯上每隔6个台阶设置一个提示点，在楼梯拐角口前1m处设置一个语音提示点；

所述非直线段包括环形段和尖锐段；在环形段时，在内接于曲线的路径上设置语音提示点，个数为盲人每前行6-8步设置一个；在尖锐段时，借助于引领者预存储的语音，即盲人的行进过程与语音提示过程相同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤包括：

1)计算方向：利用手机的方向传感器可获得方向数据，方向传感器返回的3个角度分别表示手机顶部的朝向与正北方向的夹角、手机的顶部或尾部翘起的角度和左侧或右侧翘起的角度，利用这3个角度即可确定手机的摆放位置；

2)基于最小二乘法计算步长：行走时的步长由行走时的所产生的加速度计算出来；

3)生成轨迹：惯性导航轨迹生成算法根据人的步数、步长、行走的方向来计算人的位置：首先根据起点的坐标(x₀,y₀)为原点，第j步的坐标为(x_j,y_j),则第j步坐标为：

(x_j,y_j)＝(x₀+L cos(φ+γ_j),y₀+L cos(φ+γ_j))

其中，L为步长，φ为j步内所发生的方向变化之和；最终得出实际运动轨迹。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法，其特征在于，所述步骤1)还包括校正的步骤：

①首先记录人在行走过程中的水平手持手机时三轴陀螺仪所产生的数据，利用数据叠加去除高频噪声，得到人在水平方向的行走的角速度变化，即为R＝{r₁,r₂,...,r_n}；

②计算每一步所发生的方向变化，则第j步过程中的方向变化为：

${\mathrm{\&gamma;}}_j={\&Integral;}_{t_j^s}^{t_j^e}{r}_{j}dt$

③行走过程中同时记录指南针读数，记作：C＝{c₁,c₂,...,c_n}，对数据进行滤波平滑处理；获取指南针的第j步和第j+k步之间的方向变化获取三轴陀螺仪的第j步和第j+k步之间的方向变化设置的角度阈值，当超过阈值时，利用指南针第j+k步的方向对三轴陀螺仪读数计算得到的第j+k步的方向变化进行修正，并将修正后的数据作为人在第j+k步的方向。

4.根据权利要求2所述的一种基于智能手机的盲人引领式导航路线规划的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体步骤包括：

①采集用户以规定步长行走时所产生的加速度，记作a，所对应的步长，记作l；

②计算加速度的方差，记作s；

③利用最小二乘法对s和l作最佳线性拟合，得到两者的关系：

l＝(s-q)/p

其中，p和q是最佳线性拟合系数，其中为多次采样的均方差，为平均步长。