CN111685980A - 一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，以树莓派3B+和stm32f103核心板作为控制平台，树莓派3B+通过骨传导耳机实现音频的播放，通过双目摄像头实现图像的采集，‘角蜂鸟’运算加速器与树莓派通过usb数据线连接，用于加快树莓派3B+对图像的处理速度，树莓派3B+的GPIO连接到盲文键盘，实现对键盘电位的读取，盲人键盘作为指的令输入方式，树莓派3B+通过串口和stm32f103核心板进行通讯，stm32f103核心板通过控制GPIO实现对线性马达阵列的控制，stm32f103核心板通过电子指南针获取磁场信息，以判断南北方位。本发明能够实现通过触觉对用户进行引导。碰撞预警功能稳定性和方向提醒的精准性比较理想。

Description

一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统
技术领域
本发明涉及一种盲人助行装置。特别是涉及一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统。
背景技术
眼科学认为，人类两眼的不同位置，让我们感知的世界是立体的。由观察到两幅不同的画面，从而产生视差。双目立体视觉模仿人类视觉的立体感知过程，通过视差，根据三角测量原理来获得深度信息。立体视觉技术是计算机视觉研究的核心内容。双目立体视觉系统由两台摄像机组成，直接模拟人类双眼处理景物的方式和立体感知过程，简便可靠，具有极大的应用前景。随着科学技术的发展，在工业、生活的各个领域都有双目视觉技术成功运用的案例。已有很多双目立体视觉技术在实际应用的成功报道。其中最热门的是双目视觉技术应用到移动机器人障碍物检查与避障方面。使用摄像机作为传感器可以获取更多环境信息，且探测距离更广等优点。
卷积神经网络是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络，是深度学习的代表算法之一。具体内容包括：建立训练集和测试集内容并清洗数据，定义神经网络结构(采用卷积、池化、卷积、池化、全连接、全连接的结构)，对训练集进行训练得到相应模型，并用测试集对得到的神经网络模型进行验证。可以应用在场景分类，图像分类场景。
近年来，出现了各式各样的导盲设备，对导盲设备的研究也不断推进，常见的产品为智能导盲杖、导盲眼镜、导盲机器人等。智能导盲杖通常以单片机为核心处理系统，红外线发射器检测路况，转化为对应的距离信号，单片机系统进行处理和距离判断，根据系统的判断决定是否操控语音模块做出语音播报。导盲眼镜多采用超声波测距技术，将前方障碍物的方位和距离信息通过语音反馈给使用者。产品的电子线路实现了集成化，因此,体积小,性能好,使用起来较为方便。导盲机器人是为视觉障碍者提供环境导引的辅助工具。它属于服务机器人范畴,通过多种传感器对周围环境进行探测,将探测的信息反馈给视觉障碍者,帮助弥补他们视觉信息的缺失。关于导盲机器人的研究工作尚在准备中，归根结底主要是技术尚不完善。无论是传感器技术，还是跟踪策略和独立路径规划能力都有待进一步的完善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种阵列式的线性马达可以实现多样快速的触觉刺激的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，以树莓派3B+和stm32f103核心板作为控制平台，树莓派3B+通过骨传导耳机实现音频的播放，通过双目摄像头实现图像的采集，‘角蜂鸟’运算加速器与树莓派通过usb数据线连接，用于加快树莓派3B+对图像的处理速度，树莓派3B+的GPIO连接到盲文键盘，实现对键盘电位的读取，盲人键盘作为指的令输入方式，树莓派3B+通过串口和stm32f103核心板进行通讯，stm32f103核心板通过控制GPIO实现对线性马达阵列的控制，stm32f103核心板通过电子指南针获取磁场信息，以判断南北方位。
所述的线性马达阵列设置在腰带上，所述腰带前部由前到后依次设置有包括有双目摄像头、stm32f103核心板、树莓派3B+和移动电源，所述的线性马达阵列包括有：在腰带左右两侧对称且等间隔的各由前至后依次设置第1至第5线性马达，通过垂直设置在腰带后部的支撑杆竖向由下至上依次等间隔的设置有第1至第4线性马达。
所述的竖向等间隔设置的4个线性马达中，第1个线性马达振动提示佩戴者前方1米以下高处有障碍物；第1～4个线性马达同时振动，提示佩戴者前方距地面3-4米处有障碍物；第1～3个线性马达同时振动，提示佩戴者前方距地面3米处有障碍物。
以佩戴者正前方参考，当障碍物在佩戴者左侧20-40度时，左侧第1线性马达震动；当障碍物在佩戴者左侧40-60度时，左侧第2线性马达震动；当障碍物在佩戴者右侧20-40度时，右侧第1线性马达震动；当障碍物在佩戴者右侧40-60度时，右侧第2线性马达震动；当障碍物介于左侧20度到右侧20度时，左侧第1线性马达和右侧第1线性马达同时震动；当需要指引佩戴者直行时，左侧和右侧均为第5马达至第1线性马达依次流水震动；当需要指引佩戴者右转时，右侧第1线性马达至右侧第5线性马达依次流水震动；当需要指引佩戴者左转时，左侧第1线性马达至左侧第5线性马达依次流水震动。
所述的树莓派3B+通过无线传输，将双目摄像头获取的图像实时发送到佩戴者亲属手机中，由佩戴者亲属根据接收的图像通过手机指引佩戴者行走。
所述的树莓派3B+对双目摄像头采集到的全篇图像绘制深度图，并以步长为3遍历坐标点，然后将选中的坐标点均转为柱坐标，找到r值最小的坐标，根据此坐标值控制马达震动提醒。
本发明的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，具有如下有益效果：
(1)物体识别与定位：本发明通过集成角蜂鸟内至树莓派，对图像的处理速度相对单一树莓派速度提升明显，1080P以下的图像格式处理速度均在5帧以上。双目测量深度的运算速度与算法选择和树莓派的性能有关，精度与相机质量和内外参数的准确度，所应用的算法相关。本发明测试时采用BM算法和1080P的双目相机绘制深度图，测试选择的20个像素点均误差在10cm内。
(2)基于体感引导和方位提醒功能：本发明通过单片机控制阵列式线性马达，实现通过触觉对用户进行引导。阵列式的线性马达可以实现多样快速的触觉刺激。通过对指令的合理设计可以实现良好的指引效果。
(3)方向感应功能：基于电子指南针的方向感应功能实现结果与前文介绍相符合。
(4)键盘指令读取功能：键盘上贴有盲文贴纸，设计人性化，功能上与前文描述相符合。
(5)碰撞预警功能稳定性和方向提醒的精准性比较理想。
附图说明
图1是本发明一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统的整体构成框图；
图2是本发明一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统的整体结构示意图；
图3是本发明一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统局部放大结构示意图；
图4是本发明一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统中线性马达阵列设置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统做出详细说明。
图1所示，本发明的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，以树莓派3B+和stm32f103核心板作为控制平台，树莓派3B+通过骨传导耳机实现音频的播放，通过双目摄像头实现图像的采集，‘角蜂鸟’运算加速器与树莓派通过usb数据线连接，用于加快树莓派3B+对图像的处理速度，树莓派3B+的GPIO连接到盲文键盘，实现对键盘电位的读取，盲人键盘作为指的令输入方式，树莓派3B+通过串口和stm32f103核心板进行通讯，stm32f103核心板通过控制GPIO实现对线性马达阵列的控制，stm32f103核心板通过电子指南针获取磁场信息，以判断南北方位。
如图2、图3、图4所示，所述的线性马达阵列设置在腰带上，所述腰带前部由前到后依次设置有包括有双目摄像头、stm32f103核心板、树莓派3B+和移动电源，所述的线性马达阵列包括有：在腰带左右两侧对称且等间隔的各由前至后依次设置第1至第5线性马达，通过垂直设置在腰带后部的支撑杆竖向由下至上依次等间隔的设置有第1至第4线性马达。其中，
所述的竖向等间隔设置的4个线性马达中，第1个线性马达振动提示佩戴者前方1米以下高处有障碍物；第1～4个线性马达同时振动，提示佩戴者前方距地面3-4米处有障碍物；第1～3个线性马达同时振动，提示佩戴者前方距地面3米处有障碍物。
以佩戴者正前方参考，当障碍物在佩戴者左侧20-40度时，左侧第1线性马达震动；当障碍物在佩戴者左侧40-60度时，左侧第2线性马达震动；当障碍物在佩戴者右侧20-40度时，右侧第1线性马达震动；当障碍物在佩戴者右侧40-60度时，右侧第2线性马达震动；当障碍物介于左侧20度到右侧20度时，左侧第1线性马达和右侧第1线性马达同时震动；当需要指引佩戴者直行时，左侧和右侧均为第5马达至第1线性马达依次流水震动；当需要指引佩戴者右转时，右侧第1线性马达至右侧第5线性马达依次流水震动；当需要指引佩戴者左转时，左侧第1线性马达至左侧第5线性马达依次流水震动。
所述的树莓派3B+通过无线传输，将双目摄像头获取的图像实时发送到佩戴者亲属手机中，由佩戴者亲属根据接收的图像通过手机指引佩戴者行走。
所述的树莓派3B+对双目摄像头采集到的全篇图像绘制深度图，并以步长为3遍历坐标点(经过检验3为一合理数值，有效加快了响应速度，误差也在可以接受的范围之内)。然后将选中的坐标点均转为柱坐标，找到r值最小的坐标，根据此坐标值控制马达震动提醒。
方向感应功能基于目前较为成熟的HMC5883L-3轴IC传感器来实现。利用stm32进行传感器的驱动，实现对HMC5883L的初始化、数据读取以及坐标整合等工作。执行控制器通过IIC通信协议实现对三轴磁力计工作模式的写入与方位数据的实时读取。启动后首先由执行控制器向三轴磁力计发送三个字节：0x3C 0x02 0x00实现工作模式由默认的单一测量模式转换为连续测量模式。随后在执行控制器中用三个缓冲数组实现对磁力计中6个字节的磁场数据寄存器(DXRA，DXRB，DYRA，DYRB，DZRA和DZRB)中磁场数据的接收。结合已有方位计算公式1，实现方位信息的计算。随后根据此角度推算当前应当震动的马达编号，并控制其进行震动。
Figure BDA0002480068140000041

Claims (6)

1.一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，其特征在于，以树莓派3B+和stm32f103核心板作为控制平台，树莓派3B+通过骨传导耳机实现音频的播放，通过双目摄像头实现图像的采集，‘角蜂鸟’运算加速器与树莓派通过usb数据线连接，用于加快树莓派3B+对图像的处理速度，树莓派3B+的GPIO连接到盲文键盘，实现对键盘电位的读取，盲人键盘作为指的令输入方式，树莓派3B+通过串口和stm32f103核心板进行通讯，stm32f103核心板通过控制GPIO实现对线性马达阵列的控制，stm32f103核心板通过电子指南针获取磁场信息，以判断南北方位。
2.根据权利要求1所述的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，其特征在于，所述的线性马达阵列设置在腰带上，所述腰带前部由前到后依次设置有包括有双目摄像头、stm32f103核心板、树莓派3B+和移动电源，所述的线性马达阵列包括有：在腰带左右两侧对称且等间隔的各由前至后依次设置第1至第5线性马达，通过垂直设置在腰带后部的支撑杆竖向由下至上依次等间隔的设置有第1至第4线性马达。
3.根据权利要求2所述的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，其特征在于，所述的竖向等间隔设置的4个线性马达中，第1个线性马达振动提示佩戴者前方1米以下高处有障碍物；第1～4个线性马达同时振动，提示佩戴者前方距地面3-4米处有障碍物；第1～3个线性马达同时振动，提示佩戴者前方距地面3米处有障碍物。
4.根据权利要求2所述的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，其特征在于，以佩戴者正前方参考，当障碍物在佩戴者左侧20-40度时，左侧第1线性马达震动；当障碍物在佩戴者左侧40-60度时，左侧第2线性马达震动；当障碍物在佩戴者右侧20-40度时，右侧第1线性马达震动；当障碍物在佩戴者右侧40-60度时，右侧第2线性马达震动；当障碍物介于左侧20度到右侧20度时，左侧第1线性马达和右侧第1线性马达同时震动；当需要指引佩戴者直行时，左侧和右侧均为第5马达至第1线性马达依次流水震动；当需要指引佩戴者右转时，右侧第1线性马达至右侧第5线性马达依次流水震动；当需要指引佩戴者左转时，左侧第1线性马达至左侧第5线性马达依次流水震动。
5.根据权利要求1所述的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，其特征在于，所述的树莓派3B+通过无线传输，将双目摄像头获取的图像实时发送到佩戴者亲属手机中，由佩戴者亲属根据接收的图像通过手机指引佩戴者行走。
6.根据权利要求1所述的一种基于触觉反馈的穿戴式盲人助行系统，其特征在于，所述的树莓派3B+对双目摄像头采集到的全篇图像绘制深度图，并以步长为3遍历坐标点，然后将选中的坐标点均转为柱坐标，找到r值最小的坐标，根据此坐标值控制马达震动提醒。
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