CN108042323A - 具备障碍物探测与智能导航的手杖及其应用方法 - Google Patents

具备障碍物探测与智能导航的手杖及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备障碍物探测与智能导航的手杖及其应用方法。手杖包括手杖柱体部分、手柄部分,手杖柱体的上部设有全景摄像头、前方声波探头、左方声波探头和右方声波探头,形成手杖的声波与摄像探测能力,手杖柱体的上部外设有橡胶保护套;手柄设有手杖电源开关、蓝牙耳机开关、扬声器、紧急救援开关、全景摄像头开关、前方声波探头开关、左右声波探头开关,内设有手杖电池仓。本发明可通过声波、摄像和地物地图三种方式进行相互验证和联合导航,克服了单一方式对障碍物探测与识别存在盲区的不足。

Description

具备障碍物探测与智能导航的手杖及其应用方法
技术领域
本发明涉及视障人士智能导航技术领域,具体是指一种具备障碍物探测与智能导航的手杖及其应用方法。
背景技术
据统计,中国盲人,包括低视力的视障人士达到1400万,但在今天的中国各大城市马路上,几乎看不到盲人行走,其重要原因是缺乏安全可靠的智能导航技术作为保障,同时在城市盲道经常被各类物品占据,尤其是各类自行车和电瓶车,加剧了盲人出行的困难。尽管,已经有一些专利与文献提及视障人士导航技术,但因缺乏便捷性、可靠性和智能性等原因,无法为视障人士提供出行保障。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,目的在于提供一种便捷性好、安全性高的具备障碍物探测与智能导航的手杖及其应用方法。
本发明智能导航手杖采用如下技术方案:
一种具备障碍物探测与智能导航的手杖,包括手杖柱体部分、手柄部分,手柄与手杖柱体衔接处弯曲便于扶持;
手杖柱体的上部设有全景摄像头、前方声波探头、左方声波探头和右方声波探头,形成手杖的声波与摄像探测能力,其中前方声波探头、左方声波探头、右方声波探头处于同一高度,全景摄像头位于前方声波探头的正上方,手杖柱体的上部外设有橡胶保护套,橡胶保护套设有四个圆孔,与全景摄像头、前方声波探头、左方声波探头和右方声波探头一一对应;
手柄设有手杖电源开关、蓝牙耳机开关、扬声器、紧急救援开关、全景摄像头开关、前方声波探头开关、左右声波探头开关,内设有手杖电池仓。
所述的手柄,包括:手柄本体、手柄盖板、手柄盖板开关、内置芯片、触摸屏、USB接口、SIM卡插口、紧急救援开关插孔、蓝牙耳机开关插孔、手杖电源开关插孔、扬声器插孔、全景摄像头开关插孔、前方声波探头开关插孔、左右声波探头开关插孔;
手柄前端外设有螺纹,以便和手杖柱体顶端的内设螺纹进行连接形成完整的手杖;在手柄前端设有扬声器插孔可连接扬声器,尾端设有蓝牙耳机开关插孔、手杖电源开关插孔、全景摄像头开关插孔、前方声波探头开关插孔、左右声波探头开关插孔,以便连接蓝牙耳机开关、手柄电源开关、全景摄像头开关、前方声波探头开关和左右声波探头开关;
在手柄的中部设有手柄盖板,对手柄内的电子设备起到保护作用,在盖板尾端设有弹跳式手柄盖板开关,以易于打开和锁紧手柄盖板;打开手柄盖板,在手柄上有内置芯片、触摸屏、USB接口和SIM卡插口,触摸屏用于进行手杖参数设置操作,USB接口用于手杖充电和数据连接,SIM卡插口用于连接手机电话卡,以便获取实时的手杖位置和发送紧急信息;所述的手杖电池仓位于手柄的另一侧,和手柄盖板呈对称分布,起到加装可充电电池,为手杖所有电子设备提供电能作用。
所述的紧急救援开关位于手柄前部,主动触发,或在紧急情况时由内置芯片被动触发;
紧急救援开关插孔设置在手柄前方,可连接紧急救援开关,便于使用者紧急情况时使用;
全景摄像头开关、前方声波探头开关和左右声波探头开关设置在手柄后方,通过电源导线与全景摄像头、前方声波探头、左方声波探头和右方声波探头连接,其中左右声波探头开关同时控制左方声波探头和右方声波探头。
所述的手杖柱体的底端设有手杖保护垫,为盖帽状,套在在手杖柱体的末端,起到防滑减震作用;所述的手柄设有手柄套,为皮质材料,套在手柄上,起到防汗、防雨作用。
所述的内置芯片,能够通过电源线连接辅助导航的外围设备接口,包括:中央控制单元、SIM卡连接接口、摄像头连接接口、前方声波探头连接接口、左方声波探头连接接口、右方声波探头连接接口、蓝牙耳机连接接口、USB连接接口、扬声器连接接口、紧急救援开关接口和触摸屏接口,由内部预设程序对辅助导航设备进行管理。
一种利用所述的手杖进行障碍物探测与智能导航的方法,包括:声波探测障碍物、摄像自动识别障碍物、内置地物导航地图匹配、联合探测障碍物与导航,根据需要,采用其中的一种或者多种进行导航;
所述的声波探测障碍物包括如下具体步骤:
5.1)手杖前方障碍物探测:通过手杖柱体上的前方声波探头,向手杖前进方向自下而上发射N个声波,N为自然数,每个声波有固定的发射角θi,0≤θi≤180°;当声波遇到前方障碍物后,返回给声波探头,并记录下每个声波的往返时间ti,则每个声波的旅行距离li=ti×v/2,v为声波在空气中的速度,从而在手杖前方形成一个声波回波的数据集合Lh={li,tii}i=1,N,i为自然数;
5.2)手杖左方障碍物探测:通过手杖柱体的左方声波探头,向手杖左方向自前向后水平发射M个声波,M为自然数,按照5.1)所述步骤,在手杖左方形成一个声波回波的数据集合Ll={lj,tjj}j=1,M,j为自然数,αi为左方声波发射角,0≤αi≤180°;
5.3)手杖右方障碍物探测:通过手杖柱体上的右方声波探头,向手杖右方向自前向后水平发射K个声波,K为自然数,按照5.1)所述步骤,在手杖右方形成一个声波回波的数据集合Lr={lk,tkk}k=1,K,k为自然数,βk为右方声波发射角,0≤βk≤180°;
5.4)手杖前方障碍物判断方法,根据数据集合Lh={li,tii}i=1,N来判断,可以分为如下情形:
5.4.1)地面障碍物判断:当0≤θi≤45°时,可以认为声波探测的是地面障碍物回波,从而计算障碍物离前方声波探头(3.2)的水平距离Di=li×sinθi,和垂直距离Hi=li×cosθi,H为前方声波探头距离地面的垂直距离,根据下述情形警示使用者:
1)当Di>1m时,不予以警示;
2)当Di≤1m时,且当|H-Hi|≤0.1m时,不予以警示;
3)当Di≤1m时,且当H-Hi>0.1m时,并通过蓝牙耳机警示前方为上坡;
4)当Di≤1m时,且当Hi-H>0.1m时,并通过蓝牙耳机警示前方为下坡;
5.4.2)正前方障碍物判断:当45°<θi≤135°时,可以认为声波探测的是使用者正前方的障碍物,当li≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者正前方有障碍物;
5.4.3)头部障碍物判断:当135°≤θi≤180°时,可以认为声波探测的是使用者头部的障碍物,当li≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者头部有障碍物;
5.5)手杖左方障碍物判断,可根据数据集合Ll={lj,tjj}j=1,M来判断,当lj≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者左方有障碍物;
5.6)手杖右方障碍物判断,可根据数据集合Lr={lk,tkk}k=1,K来判断,当lk≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者右方有障碍物。
所述的摄像自动识别障碍物具体如下:当使用者开始使用手杖行走时,全景摄像头按照一定的时间间隔T拍摄前方的图像,T缺省值为1s,也可通过触摸屏设置;并采用图像自动识别方法,快速识别图像中的物体轮廓,并将前方图像与识别的物体及位置信息临时存储到内置芯片,识别的物体和位置信息可以存贮到地物导航地图。
所述的内置地物导航地图匹配包括如下步骤:
7.1)在视障人士经常行走路线上,通过全景摄像头采集地物信息,并按照SIM卡提供的位置信息,将行走路线、地物和位置信息同时存储到内置芯片中,所述地物信息包括道路两侧和前进方向的固定不可移动的物体,包括:房屋、树木、公交站;
7.2)当视障人士使用手杖时,内置芯片根据SIM卡提供的位置信息,读取步骤7.1)中存储的地物信息,并通过蓝牙耳机播报地物名称;
7.3)当视障人士远离既定路线时,由蓝牙耳机进行警示,所谓远离是指SIM卡提供的实时位置与步骤7.1)中存储的行走路线偏差大于2m时。
所述的联合探测障碍物与导航,包括如下具体步骤:
8.1)由三个声波探头,实时探测并识别手杖前方、左方和右方的障碍物;
8.2)由手杖摄像头,实时拍摄并识别手杖前方的障碍物;
8.3)由内置芯片,根据SIM卡提供的行走路线位置信息,实时读取手杖前进方向的地物;
8.4)由内置芯片的预设管理程序,对步骤8.1)、8.2)和8.3)所提供的障碍物和地物进行比对,以判别障碍物是固定物体、临时放置的物体,还是移动的物体,并通过蓝牙耳机播报给使用者,从而提升智能导航的准确性和安全性;
8.4.1)所述固定物体,是指导航地图中存在的物体;
8.4.2)所述临时放置的物体,是指导航地图中不存在的物体,但探测到的不可移动的物体,包括临时停放的自行车和汽车;
8.4.3)所述的移动的物体,是指导航地图中不存在,但探测到的可移动的物体,,但在短时间t内又消失的物体,t<3秒,包括行驶的汽车和自行车。
进一步设有救援模块,包括如下步骤:
9.1)当使用者意外碰到障碍物、跌倒或者偏离导航路线时,主动打开紧急救援开关,由内置芯片连接SIM卡,拨通应急电话,并将位置信息通过短信方式发送;
9.2)当使用者无法主动打开紧急救援开关时,根据声波探头探测的障碍物信息进行判断,此时手杖水平或低角度倾斜放置于地面,内置芯片根据前方、左方和右方障碍物的距离L,当L<0.1m时且当停留时间T>10min时,主动触发报警开关,由内置芯片连接SIM卡,拨通应急电话,并短信通知。
本发明的有益效果:
(1)智能性。可以通过声波、摄像和地物地图三种方式进行相互验证和联合导航,克服了单一方式对障碍物探测与识别存在盲区的不足,同时这些功能由内置芯片进行管理,无需使用者干涉,提升了导航手杖的智能性;
(2)便捷性。外观与普通手杖没有差异,所有智能导航装置均巧妙地隐藏于手杖体中,根据人的习惯,在手柄处设置了电源开关、蓝牙耳机、救援开关等,视障人士可便捷地使用;
(3)设备安全性。手杖可设置防滑减震的手杖垫、保护套、手柄盖、手柄套等,对电子元器件进行有效的保护,提升了设备使用寿命;
(4)紧急救援。考虑到视障人士属于特殊人群,可提供紧急救援开关,由使用者直接触发,也可由系统自动判断和自动触发,进一步提升了视障人士的安全生存能力。
本发明适用于视障人士智能导航使用,也可扩展到智能导航相关技术领域,也同样适用于正常无视障人士。
附图说明
图1是本发明导航手杖的整体效果示意图;
图2是图1分解开的主要元器件的结构示意图;
图3是图1的前视示意图;
图4是图1中手柄结构示意图;
图5是图4中导航芯片功能示意图;
图6是前方声波探头工作示意图;
图7是左方和右方声波探头工作示意图;
图8是前方声波探头探测障碍物示意图;
图中:手杖柱体1、手柄2、橡胶保护套3、手杖保护垫4、手杖电源开关5、蓝牙耳机开关6、扬声器7、蓝牙耳机、紧急救援开关8、全景摄像头开关9、前方声波探头开关10、左右声波探头开关11、手柄套12和手杖电池仓13;手柄本体2.1、手柄盖板2.2、手柄盖板开关2.3、内置芯片2.4、触摸屏2.5、USB接口2.6、SIM卡插口2.7、紧急救援开关插孔2.8、蓝牙耳机开关插孔2.9、手杖电源开关插孔2.10、扬声器插孔2.11、全景摄像头开关插孔2.12、前方声波探头开关插孔2.13、左右声波探头开关插孔2.14;中央控制单元2.4.1、SIM卡连接接口2.4.2、摄像头连接接口2.4.3、前方声波探头连接接口2.4.4、左方声波探头连接接口2.4.5、右方声波探头连接接口2.4.6、蓝牙耳机连接接口2.4.7、USB连接接口2.4.8、扬声器连接接口2.4.9、紧急救援开关接口2.4.10和触摸屏接口2.4.11;全景摄像头3.1、前方声波探头3.2、左方声波探头3.3和右方声波探头3.4。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效,兹列举以下实例,并配合附图详细说明。
实施例1
一种具备障碍物探测与智能导航的手杖,按照图1,它包括手杖柱体1、手柄2、橡胶保护套3(可选)、手杖保护垫4、手杖电源开关5、蓝牙耳机开关6、扬声器7、紧急救援开关8和手柄套12(可选)。
按照图2、4,将手杖柱体1与手柄2通过螺纹衔接在一起,在手杖柱体套上橡胶保护套3、手杖保护垫4。
按照图3,橡胶保护套3设有四个圆孔,将全景摄像头3.1、前方声波探头3.2、左方声波探头3.3和右方声波探头3.4依次安装到橡胶保护套3的一个圆孔,形成智能手杖的声波与摄像探测能力;前方声波探头3.2、左方声波探头3.3、右方声波探头3.4处于同一高度,全景摄像头3.1位于前方声波探头3.2的正上方。
按照图4,将手柄盖板2.2、手柄盖板开关2.3、内置芯片2.4、触摸屏2.5、USB接口2.6、SIM卡插口2.7、紧急救援开关插孔2.8、蓝牙耳机开关插孔2.9、手杖电源开关插孔2.10和扬声器插孔2.11安装于手柄本体2.1,形成手柄物理结构。
按照图5,通过电源线将手杖电源开关5、蓝牙耳机开关6、扬声器7、全景摄像头3.1、前方声波探头3.2、左方声波探头3.3、右方声波探头3.4、触摸屏2.5、USB接口2.6和SIM卡插口2.7等辅助导航设备连接到内置芯片2.4的相应接口,包括:SIM卡连接接口2.4.2、摄像头连接接口2.4.3、前方声波探头连接接口2.4.4、左方声波探头连接接口2.4.5、右方声波探头连接接口2.4.6、蓝牙耳机连接接口2.4.7、USB连接接口2.4.8、扬声器连接接口2.4.9、紧急救援开关接口2.4.10和触摸屏接口2.4.11,形成手杖的电气化结构,以便智能管理手杖。
打开手杖电源开关5,使各辅助导航设备处于通电状态,通过内置程序,自检各辅助设备是否正常,包括:摄像头是否正常工作、声波探头是否正常工作、蓝牙耳机是否正常连接、扬声器是否正常连接,并通过触摸屏2.5显示这些辅助设备的工作状态;手柄套12套上手柄,可以开始使用智能手杖,起到防雨防汗作用,延长手杖电子器件的使用寿命。
实施例2
手杖进行障碍物探测与智能导航的方法,包括:1)声波探测障碍物、2)摄像自动识别障碍物、3)内置地物地图匹配导航、4)联合探测障碍物与导航,根据需要,可以采用其中的一种或者多种进行导航。
从而避免单一方法进行障碍物探测与识别的不足,为视障人士提供更加可靠的导航保障。
1)基于声波探测障碍物,包括如下具体步骤:
1.1)手杖前方障碍物探测:按照图6,通过手杖柱体上的前方声波探头,向手杖前进方向自下而上发射N个声波,N为自然数,每个声波有固定的发射角θi,0≤θi≤180°;当声波遇到前方障碍物后,返回给声波探头,并记录下每个声波的往返时间ti,则每个声波的旅行距离li=ti×v/2,v为声波在空气中的速度,从而在手杖前方形成一个声波回波的数据集合Lh={li,tii}i=1,N,i为自然数;
1.2)手杖左方障碍物探测:按照图7,通过手杖柱体上的左方声波探头,向手杖左方向自前向后水平发射M个声波,M为自然数,与步骤1.1)类似,在手杖左方形成一个声波回波的数据集合Ll={lj,tjj}j=1,M,j为自然数,αi为左方声波发射角,0≤αi≤180°;
1.3)手杖右方障碍物探测:按照图7,通过手杖柱体上的右方声波探头,向手杖右方向自前向后水平发射K个声波,K为自然数,与步骤1.1)类似,在手杖右方形成一个声波回波的数据集合Lr={lk,tkk}k=1,K,k为自然数,βk为右方声波发射角,0≤βk≤180°;
1.4)手杖前方障碍物判断,按照图8,根据数据集合Lh={li,tii}i=1,N来判断,可以分为如下情形:
1.4.1)地面障碍物判断:当0≤θi≤45°时,可以认为声波探测的是地面障碍物回波,从而计算障碍物离前方声波探头的水平距离Di=li×sinθi,和垂直距离Hi=li×cosθi,H为前方声波探头距离地面的垂直距离,根据下述情形警示使用者:
a)当Di>1m时,不予以警示;
b)当Di≤1m时,且当|H-Hi|≤0.1m时,不予以警示;
c)当Di≤1m时,且当H-Hi>0.1m时,并通过蓝牙耳机警示前方为上坡;
d)当Di≤1m时,且当Hi-H>0.1m时,并通过蓝牙耳机警示前方为下坡;
1.4.2)正前方障碍物判断:当45°<θi≤135°时,可以认为声波探测的是使用者正前方的障碍物,当li≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者正前方有障碍物;
1.4.3)头部障碍物判断:当135°≤θi≤180°时,可以认为声波探测的是使用者头部的障碍物,当li≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者头部有障碍物;
1.5)手杖左方障碍物判断,可根据数据集合Ll={lj,tjj}j=1,M来判断,当lj≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者左方有障碍物;
1.6)手杖右方障碍物判断,可根据数据集合Lr={lk,tkk}k=1,K来判断,当lk≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者右方有障碍物;
2)基于摄像自动识别障碍物,当使用者开始使用手杖行走时,全景摄像头按照一定的时间间隔T拍摄前方的图像,T缺省值为1s,也可通过触摸屏设置,并采用图像自动识别方法,快速识别图像中的物体轮廓,并将前方图像与识别的物体临时存储到内置芯片;
3)基于地物导航地图匹配,包括如下步骤:
3.1)在视障人士经常行走路线上,采集地物信息,并按照SIM卡提供的位置信息,将地物和位置信息同时存储到内置芯片中,所述地物信息包括道路两侧和前进方向的固定不可移动的物体,包括:房屋、树木、公交站等;
3.2)当视障人士使用手杖时,内置芯片根据SIM卡提供的位置信息,读取步骤3.1)中存储的地物信息,并通过蓝牙耳机播报地物名称;
3.3)当视障人士远离既定路线时,由蓝牙耳机进行警示,所谓远离是指SIM卡提供的实时位置与步骤3.1)中存储的位置偏差大于2m时;
4)联合探测障碍物与导航,包括如下具体步骤:
4.1)由三个声波探头,按照步骤1)实时探测并识别手杖前方、左方和右方的障碍物;
4.2)由手杖摄像头,按照步骤2)实时拍摄并识别手杖前方的障碍物;
4.3)由内置芯片,根据SIM卡提供的位置信息,按照步骤3)实时读取手杖前进方向的地物;
4.4)由内置芯片的预设管理程序,对步骤4.1)、4.2)和4.3)所提供的障碍物和地物进行比对,以判别障碍物是固定物体,还是临时放置的物体,还是移动的物体,并通过蓝牙耳机播报给使用者,从而提升智能导航的准确性和安全性;
4.4.1)所谓固定物体,是指导航地图中存在的物体;
4.4.2)所谓临时放置的物体,是指导航地图中不存在的物体,但通过步骤1)和2)探测的不可移动的物体,如停放的自行车和汽车;
4.4.3)所谓移动的物体,是指导航地图中不存在,但通过步骤1)和2)探测的可移动的物体,如行驶的汽车和自行车;
4.4.4)所谓移动的物体,指步骤1)和2)探测探测的物体,但在短时间t内又消失的物体,t<3秒。
进一步包括
5)救援,包括如下步骤:
5.1)当使用者意外碰到障碍物、跌倒或者偏离导航路线时,可主动打开紧急救援开关,由内置芯片连接SIM卡,拨通使用者家人的电话,并将位置信息通过短信方式发送,使用者家人电话可通过触摸屏进行设置;
5.2)当使用者意外受伤,而不能主动打开紧急救援开关时,系统可根据声波探头探测的障碍物信息进行判断,此时手杖水平或低角度倾斜放置于地面,内置芯片根据前方、左方和右方障碍物的距离L,当L<0.1m时且当停留时间T>10min时,主动触发报警开关,由内置芯片连接SIM卡,拨通110电话,并短信通知110和家人电话。

Claims (10)

1.一种具备障碍物探测与智能导航的手杖,其特征在于,它包括手杖柱体(1)部分、手柄(2)部分,手柄与手杖柱体衔接处弯曲便于扶持;
手杖柱体(1)的上部设有全景摄像头(3.1)、前方声波探头(3.2)、左方声波探头(3.3)和右方声波探头(3.4),形成手杖的声波与摄像探测能力,其中前方声波探头(3.2)、左方声波探头(3.3)、右方声波探头(3.4)处于同一高度,全景摄像头(3.1)位于前方声波探头(3.2)的正上方,手杖柱体(1)的上部外设有橡胶保护套(3),橡胶保护套(3)设有四个圆孔,与全景摄像头(3.1)、前方声波探头(3.2)、左方声波探头(3.3)和右方声波探头(3.4)一一对应;
手柄(2)设有手杖电源开关(5)、蓝牙耳机开关(6)、扬声器(7)、紧急救援开关(8)、全景摄像头开关(9)、前方声波探头开关(10)、左右声波探头开关(11),内设有手杖电池仓(13)。
2.根据权利要求1所述的手杖,其特征在于,所述的手柄(2),包括:手柄本体(2.1)、手柄盖板(2.2)、手柄盖板开关(2.3)、内置芯片(2.4)、触摸屏(2.5)、USB接口(2.6)、SIM卡插口(2.7)、紧急救援开关插孔(2.8)、蓝牙耳机开关插孔(2.9)、手杖电源开关插孔(2.10)、扬声器插孔(2.11)、全景摄像头开关插孔(2.12)、前方声波探头开关插孔(2.13)、左右声波探头开关插孔(2.14);
手柄(2)前端外设有螺纹,以便和手杖柱体(1)顶端的内设螺纹进行连接形成完整的手杖;在手柄前端设有扬声器插孔(2.11)可连接扬声器(7),尾端设有蓝牙耳机开关插孔(2.9)、手杖电源开关插孔(2.10)、全景摄像头开关插孔(2.12)、前方声波探头开关插孔(2.13)、左右声波探头开关插孔(2.14),以便连接蓝牙耳机开关(6)、手柄电源开关(5)、全景摄像头开关(9)、前方声波探头开关(10)和左右声波探头开关(11);
在手柄(2)的中部设有手柄盖板(2.2),对手柄内的电子设备起到保护作用,在盖板尾端设有弹跳式手柄盖板开关(2.3),以易于打开和锁紧手柄盖板;打开手柄盖板(2.2),在手柄上有内置芯片(2.4)、触摸屏(2.5)、USB接口(2.6)和SIM卡插口(2.7),触摸屏(2.5)用于进行手杖参数设置操作,USB接口(2.6)用于手杖充电和数据连接,SIM卡插口(2.7)用于连接手机电话卡,以便获取实时的手杖位置和发送紧急信息;所述的手杖电池仓(13)位于手柄(2)的另一侧,和手柄盖板(2.2)呈对称分布,起到加装可充电电池,为手杖所有电子设备提供电能作用。
3.根据权利要求1所述的手杖,其特征在于,所述的紧急救援开关(8)位于手柄前部,主动触发,或在紧急情况时由内置芯片(2.4)被动触发;
紧急救援开关插孔(2.8)设置在手柄前方,可连接紧急救援开关(8),便于使用者紧急情况时使用;
全景摄像头开关(9)、前方声波探头开关(10)和左右声波探头开关(11)设置在手柄(2)后方,通过电源导线与全景摄像头(3.1)、前方声波探头(3.2)、左方声波探头(3.3)和右方声波探头(3.4)连接,其中左右声波探头开关(11)同时控制左方声波探头(3.3)和右方声波探头(3.4)。
4.根据权利要求1所述的手杖,其特征在于,所述的手杖柱体(1)的底端设有手杖保护垫(4),为盖帽状,套在在手杖柱体(1)的末端,起到防滑减震作用;所述的手柄(2)设有手柄套(12),为皮质材料,套在手柄(2)上,起到防汗、防雨作用。
5.根据权利要求1所述的手杖,其特征在于,所述的内置芯片(2.4),能够通过电源线连接辅助导航的外围设备接口,包括:中央控制单元(2.4.1)、SIM卡连接接口(2.4.2)、摄像头连接接口(2.4.3)、前方声波探头连接接口(2.4.4)、左方声波探头连接接口(2.4.5)、右方声波探头连接接口(2.4.6)、蓝牙耳机连接接口(2.4.7)、USB连接接口(2.4.8)、扬声器连接接口(2.4.9)、紧急救援开关接口(2.4.10)和触摸屏接口(2.4.11),由内部预设程序对辅助导航设备进行管理。
6.一种利用根据权利要求1所述的手杖进行障碍物探测与智能导航的方法,其特征在于,包括:声波探测障碍物、摄像自动识别障碍物、内置地物导航地图匹配、联合探测障碍物与导航,根据需要,采用其中的一种或者多种进行导航;
所述的声波探测障碍物包括如下具体步骤:
5.1)手杖前方障碍物探测:通过手杖柱体(1)上的前方声波探头(3.2),向手杖前进方向自下而上发射N个声波,N为自然数,每个声波有固定的发射角θi,0≤θi≤180°;当声波遇到前方障碍物后,返回给声波探头,并记录下每个声波的往返时间ti,则每个声波的旅行距离li=ti×v/2,v为声波在空气中的速度,从而在手杖前方形成一个声波回波的数据集合Lh={li,ti,θi}i=1,N,i为自然数;
5.2)手杖左方障碍物探测:通过手杖柱体(1)上的左方声波探头(3.3),向手杖左方向自前向后水平发射M个声波,M为自然数,按照5.1)所述步骤,在手杖左方形成一个声波回波的数据集合Ll={lj,tj,αj}j=1,M,j为自然数,αi为左方声波发射角,0≤αi≤180°;
5.3)手杖右方障碍物探测:通过手杖柱体(1)上的右方声波探头(3.4),向手杖右方向自前向后水平发射K个声波,K为自然数,按照5.1)所述步骤,在手杖右方形成一个声波回波的数据集合Lr={lk,tk,βk}k=1,K,k为自然数,βk为右方声波发射角,0≤βk≤180°;
5.4)手杖前方障碍物判断方法,根据数据集合Lh={li,ti,θi}i=1,N来判断,可以分为如下情形:
5.4.1)地面障碍物判断:当0≤θi≤45°时,可以认为声波探测的是地面障碍物回波,从而计算障碍物离前方声波探头(3.2)的水平距离Di=li×sinθi,和垂直距离Hi=li×cosθi,H为前方声波探头(3.2)距离地面的垂直距离,根据下述情形警示使用者:
1)当Di>1m时,不予以警示;
2)当Di≤1m时,且当|H-Hi|≤0.1m时,不予以警示;
3)当Di≤1m时,且当H-Hi>0.1m时,并通过蓝牙耳机警示前方为上坡;
4)当Di≤1m时,且当Hi-H>0.1m时,并通过蓝牙耳机警示前方为下坡;
5.4.2)正前方障碍物判断:当45°<θi≤135°时,可以认为声波探测的是使用者正前方的障碍物,当li≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者正前方有障碍物;
5.4.3)头部障碍物判断:当135°≤θi≤180°时,可以认为声波探测的是使用者头部的障碍物,当li≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者头部有障碍物;
5.5)手杖左方障碍物判断,可根据数据集合Ll={lj,tj,αj}j=1,M来判断,当lj≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者左方有障碍物;
5.6)手杖右方障碍物判断,可根据数据集合Lr={lk,tk,βk}k=1,K来判断,当lk≤1m时,通过蓝牙耳机警示使用者右方有障碍物。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述的摄像自动识别障碍物具体如下:当使用者开始使用手杖行走时,全景摄像头(3.1)按照一定的时间间隔T拍摄前方的图像,T缺省值为1s,也可通过触摸屏(2.5)设置;并采用图像自动识别方法,快速识别图像中的物体轮廓,并将前方图像与识别的物体及位置信息临时存储到内置芯片(2.4),识别的物体和位置信息可以存贮到地物导航地图。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述的内置地物导航地图匹配包括如下步骤:
7.1)在视障人士经常行走路线上,通过全景摄像头(3.1)采集地物信息,并按照SIM卡提供的位置信息,将行走路线、地物和位置信息同时存储到内置芯片(2.4)中,所述地物信息包括道路两侧和前进方向的固定不可移动的物体,包括:房屋、树木、公交站;
7.2)当视障人士使用手杖时,内置芯片(2.4)根据SIM卡提供的位置信息,读取步骤7.1)中存储的地物信息,并通过蓝牙耳机播报地物名称;
7.3)当视障人士远离既定路线时,由蓝牙耳机进行警示,所谓远离是指SIM卡提供的实时位置与步骤7.1)中存储的行走路线偏差大于2m时。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述的联合探测障碍物与导航,包括如下具体步骤:
8.1)由三个声波探头,实时探测并识别手杖前方、左方和右方的障碍物;
8.2)由手杖摄像头,实时拍摄并识别手杖前方的障碍物;
8.3)由内置芯片,根据SIM卡提供的行走路线位置信息,实时读取手杖前进方向的地物;
8.4)由内置芯片的预设管理程序,对步骤8.1)、8.2)和8.3)所提供的障碍物和地物进行比对,以判别障碍物是固定物体、临时放置的物体,还是移动的物体,并通过蓝牙耳机播报给使用者,从而提升智能导航的准确性和安全性;
8.4.1)所述固定物体,是指导航地图中存在的物体;
8.4.2)所述临时放置的物体,是指导航地图中不存在的物体,但探测到的不可移动的物体,包括临时停放的自行车和汽车;
8.4.3)所述的移动的物体,是指导航地图中不存在,但探测到的可移动的物体,,但在短时间t内又消失的物体,t<3秒,包括行驶的汽车和自行车。
10.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,进一步设有救援模块,包括如下步骤:
9.1)当使用者意外碰到障碍物、跌倒或者偏离导航路线时,主动打开紧急救援开关(8),由内置芯片连接SIM卡,拨通应急电话,并将位置信息通过短信方式发送;
9.2)当使用者无法主动打开紧急救援开关(8)时,根据声波探头探测的障碍物信息进行判断,此时手杖水平或低角度倾斜放置于地面,内置芯片根据前方、左方和右方障碍物的距离L,当L<0.1m时且当停留时间T>10min时,主动触发报警开关,由内置芯片连接SIM卡,拨通应急电话,并短信通知。
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