CN117224371A - 一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置 - Google Patents

Abstract

提供一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置，盲人同一路线走路过程中遇到的固定障碍物可以分为几类障碍，不同障碍尺度匹配已知确定，设计超声探测电路来探测出盲人走路过程中遇到的障碍，基于尺度匹配算法结合历史经验，判断出不同种类的障碍物，并利用语音合成芯片设计语音电路，根据障碍物的种类来发出不同的语音提示。通过扬声器产生更加多元化的警告信息，提示使用者绕行或跨过障碍物，让使用者可以有更好的情景意识，从而让盲人的出行更加方便。

Description

一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置

所属技术领域

本技术发明涉及人工智能，探测技术，障碍物情景感知等应用领域，适用于智能导盲杖的避障引导，具体为一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置。

背景技术

长期以来，作为社会小众和弱势群体的盲人的生活便利问题一直没有被广泛重视，大部分盲人都是在他人的陪同下出门，只有很少一部分会选择一个人在外面行走。选择单独出行的盲人可能会使用导盲杖或导盲犬来辅助他们行走，来避免他们碰到一些障碍物。这类传统的导盲杖接触到物体通过力传导让盲人感觉到障碍物，此时盲人手部的触觉感知到物体，无法及时改变行走方向。盲人过分依赖导盲犬，无法对行走过程把握，会产生一种无助感和恐惧感。对单独出行的盲人急需一种能提前预知，预判障碍物类型的智能导盲杖。市面上也存在少部分智能导盲杖，仅具备基本的声光报警等功能，但是其中大部分价格昂贵。

近几年随着人工智能的发展，模糊计算逐渐被重视。模糊计算可以模拟人类大脑的非精确，非线性的信息处理能力，有效地解决障碍物情景感知问题。超声波测距技术在机器人领域得到广泛应用，其基本原理是超声波测距发射端发射超声波信号，当这些声波到达物体时会进行反射，反射回波会被接收端接受，超声波传感器利用这个时间差来计算距离，并结合处理器的计算，来规划出最佳运动路线，协助机器人进行自动行驶。加速度传感器可以有效感知物体的运动方向，已普遍应用于现代的工业控制中。语音合成是通过电子的方法产生人造语音的技术，它是将计算机自己产生的、或外部输入的文字信息转变为可以听得懂的、流利的汉语口语输出的技术，即让机器像人一样开口说话，该技术已成功应用在人工智能领域。

单独出行的盲人往往重复行走同一路线，而走路过程中遇到的固定障碍物可以分为几类障碍，不同障碍尺度匹配已知确定，本专利设计一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置，设计超声探测电路来探测出盲人走路过程中遇到的障碍，基于尺度匹配算法结合历史经验，利用身体和臂展使超声波探测器围绕使用者在垂直平面上进行其与障碍物之间距离的测量，判断出不同种类的障碍物，并利用语音合成芯片设计语音电路，根据障碍物的种类来发出不同的语音提示。通过扬声器产生更加多元化的警告信息，提示使用者绕行或跨过障碍物，让使用者可以有更好的情景意识，从而让盲人的出行更加方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术的不足，提供一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置。

本技术发明通过如下技术方案予以实现：

1、提供一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置，其特征是采用超声波探测原理，设计超声探测电路来探测出盲人走路过程中遇到的障碍，基于尺度匹配算法结合历史经验，判断出不同种类的障碍物，并利用语音合成芯片设计语音电路，根据障碍物的种类来发出不同的语音提示。盲人同一路线走路过程中遇到的固定障碍物可以分为几类障碍，不同障碍尺度匹配已知确定，利用导盲杖的超声探测装置结合盲人的不同动作，对不同的障碍进行距离测量，测量结果进行尺度匹配判断出所探测的障碍类型，语音电路可以根据控制指令进行语音提示，从而协助盲人对于不同的障碍物进行躲避，使得盲人的出行更加便利。

2、所述的超声波探测器测距，其特征是将超声波探测发射器和接收器置于导盲杖的底端前部，利用超声波探测器发出的声波和反射回波时间差，可以计算出探测器与障碍物之间的距离。通过盲人操控导盲杖，借助身高和臂长，以特定运动轨迹实现对不同障碍物测距功能。

3、所述的基于尺度匹配算法结合历史经验，判断出不同种类的障碍物，其特征是将超声波探测器收集到的距离数据与预先设置的数据进行比较，尺度匹配障碍物具体流程如图1所示，障碍物被归类为4种模型，墙，柱子，楼梯，和较矮的障碍物，判断结果可以通过语音芯片合成电路给予播放提示。如果障碍物同时存在与垂直和水平方向，且距离保持不变，就把这种障碍物归类为墙，提示盲人绕行。如果垂直方向较长，水平方向的长度较短，就将其归类为柱子，并产生提示。如果垂直方向上的距离根据高度的上升而增加，就说明此类障碍物是楼梯。如果垂直方向上的长度较短，且仅能在靠近地面的位置被探测到，就说明是较矮的障碍物，提示盲人可以跨过去。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的障碍物尺度匹配算法，通过盲人操作导盲杖，利用身体和臂展使超声波探测器围绕使用者在垂直平面上进行其与障碍物之间距离的测量。该算法和以往的超声波障碍物探测有所不同。传统的超声波导盲杖仅能识别出盲人的前方有障碍物，并不能提供更加详细的信息。而本发明提出的尺度匹配算法不仅能识别障碍物，还能根据不同维度的尺寸来识别出不同的障碍物模型。

(2)本发明的个性化语音提示功能，在处理器计算得出障碍物的类型后，发出信号使语音生成模块发出预先存储的不同提示音，提示盲人遇到的不同障碍物类型，可以让其绕行或跨过障碍物。

附图说明

下面结合附图和实施例对本技术发明进一步说明。

图1是尺度匹配障碍物具体流程。

图2是智能语音提示导盲装置总体框图。

图3是超声波测距原理

图4是超声波测距模块原理设计图

图5是加速度动作方向感知模块原理设计图。

图6是加速度动作方向感知模块测量坐标轴示意图。

图7是信息处理模块原理设计图。

图8是信息处理模块实物图。

图9是不同障碍尺度与人体结构模糊匹配示意图。

具体实施方式

下面采用附图和实施例对本技术发明做进一步说明，此处所说明的附图用来提供对本技术发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本技术发明的限定。

基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置，其组成结构有超声波测距模块，加速度动作方向感知模块，智能语音合成模块，信息处理模块及相关机械部件，其具体功能框图如图2所示，超声波测距模块进行障碍物的距离及模糊尺寸探测，加速度动作方向感知模块判断导盲杖的垂直或水平动作方向，语音合成模块播放匹配结果即障碍物种类以及避让提示，信息处理模块基于尺度匹配算法进行障碍物匹配及避障策略规划。

超声波测距模块安装于导盲杖的底部前端，在盲人使用者的操作下，对其身体前方的障碍物进行垂直和水平方向的测距，超声测距原理如图3所示，从得到的进行障碍物的类型尺度匹配数据；超声测距模块原理图设计如图4所示，通过STC11芯片根据收到的发送信号trig，发送一段超声波波形给MAX232芯片，MAX232芯片将数字电平转换成超声波发射器的电平信号，并通过发射器发射超声波；超声波接收器接收返回的超声波，使用TL074运放芯片将返回的超声波信号进行转换，后交由STC11芯片生成echo信号返回处理单元，得到发射波与回波之间的时间差。处理单元利用此时间差以及声速，结合预先设定的程序，计算出超声波测距仪与障碍物之间的距离。超声波测距仪使用40kHz的运行频率，使用9600波特率。距离计算公式如下所示：

其中，s表示测距仪与物体之间的距离，以m为单位，t代表时间差，以ms为单位。计算出距离之后，如果实际测量距离小于预先设定的安全距离，则会触发蜂鸣器提示以及下一步的盲人前方垂直平面测量及障碍物尺寸匹配。

当使用者操作导盲设备垂直方向和水平方向移动测距时，其原理图设计如图5所示，其内部设置的加速度传感器可以探测到导盲设备正在进行的运动方向及加速度大小。加速度动作方向感知模块使用ADXL345加速度传感芯片，可以探测三维空间中沿x，y，z轴的加速度。结合盲人的测试动作，传感器的安装方式和各坐标轴如图6所示。此传感器将会竖直放置在导盲杖上，使用x轴测量垂直加速度，y轴测量水平加速度，加速度动作方向感知模块仅检测运动事件，垂直方向或竖直方向的加速度大于指定的阙值，即向INT2引脚发送一个信号。使用者在移动导盲设备的位置时会产生与其主要运动方向不同的侧向微弱运动，垂直方向或竖直方向上的运动加速度超过2G时，才会被判定为是在该方向的运动。

鉴于盲人经常处于相同的行走环境下，其已经对环境中的障碍物有一定的位置观念，因此对于障碍物仅需进行模糊判定。信息处理模块采用ATMEGA16U2-MU处理器。信息处理模块原理图如图7所示，此处理器的最大运行速度为16MHz，具有16KB ISP闪存程序、512字节内部SRAM和512字节EEPROM的MCU，具有22条可编程I/O线路。还具有面向字节的双线串行接口，带有可选差分输入级，具有可编程增益、可编程监视器计时器和内部振荡器。信息处理模块实物图如图8所示，具有一个实时计数器、两个灵活的计时器/计数器-比较模式和PWM、两个USART等。

距离测量障碍物定位及尺寸匹配的具体实施过程如下，单独出行的盲人往往重复行走同一路线，而走路过程中遇到的固定障碍物可以分为几类障碍，不同障碍尺度与人体结构模糊匹配已知确定，采用模糊计算无需计算出各个维度的具体距离和长度，仅需了解障碍物的大致特征。传感器进行测量时，从盲人中部由地面向上进行垂直运动，再下降至最低，然后进行水平的运动，这样就可以得出盲人所在竖直平面与障碍物所在平面的不同位置的距离。根据尺度匹配算法来将探测到的障碍物归类为4种模型：墙壁，柱子，较矮的障碍物及台阶。不同障碍尺度与人体结构模糊匹配如图9所示，其中墙壁障碍的尺度与人体结构的模糊匹配在垂直方向和水平方向都大于身高或身高加臂长；柱子障碍物的尺度与人体结构的匹配垂直方向大于身高或身高加臂长，水平方向小于身宽加臂长，例如灯杆障碍物判断依据是水平方向小于手掌宽度；较矮障碍物垂直方向小于小腿高度；台阶障碍物的判定依据是当垂直方向以手掌宽度向上递增时，测距模块测得的障碍距离以小臂长度递增。

考虑到盲人可以利用听力来接受外界信息的特点，由超声波测距仪结合处理器分析得到的障碍物类型信息可以由语音提示模块播报给使用者。本专利使用JQ8900-16P模块，支持MP3音频格式，针对不同种类障碍物的警告信息被预先录制并存储在语音提示模块的存储器中，其中包括对墙，柱子，较矮的障碍物及台阶的提示语音。信息处理模块接收其他传感器的数据后，计算匹配得出障碍物类型。不同障碍物的警告信息音频都有独特的代码。信息处理模块将障碍物类型和音频代码匹配，并将音频代码输出给语音播报模块的VPP引脚。SPK+和SPK-引脚分别连接扬声器的正极和负极，由语音模块向扬声器发出音频信号。

以上所述的具体实施方法，对本技术发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术发明的具体实施方式而已，并不用于限定本技术发明的保护范围，凡在本技术发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.提供一种基于尺度匹配算法的智能语音提示导盲装置，其特征是采用超声波探测原理，设计超声探测电路来探测出盲人走路过程中遇到的障碍，基于尺度匹配算法结合历史经验，判断出不同种类的障碍物，并利用语音合成芯片设计语音电路，根据障碍物的种类来发出不同的语音提示，盲人同一路线走路过程中遇到的固定障碍物可以分为几类障碍，不同障碍尺度匹配已知确定，利用导盲杖的超声探测装置结合盲人的不同动作，对不同的障碍进行距离测量，测量结果进行尺度匹配判断出所探测的障碍类型，语音电路可以根据控制指令进行语音提示，从而协助盲人对于不同的障碍物进行躲避，使得盲人的出行更加便利。

2.根据权利要求1，所述的超声波探测器测距，其特征是将超声波探测发射器和接收器置于导盲杖的底端前部，利用超声波探测器发出的声波和反射回波的时间差，可以计算出探测器与障碍物之间的距离，通过盲人操控导盲杖，借助身高和臂长，以特定的运动轨迹实现对不同障碍物的测距功能。

3.根据权利要求1，所述的基于尺度匹配算法结合历史经验，判断出不同种类的障碍物，其特征是将超声波探测器收集到的距离数据与预先设置的数据进行比较，障碍物被归类为4种模型，墙，柱子，楼梯，和较矮的障碍物，判断结果可以通过语音芯片合成电路给予播放提示，如果障碍物同时存在与垂直和水平方向，且距离保持不变，就把这种障碍物归类为墙，提示盲人绕行，如果垂直方向较长，水平方向的长度较短，就将其归类为柱子，并产生提示，如果垂直方向上的距离根据高度的上升而增加，就说明此类障碍物是楼梯，如果垂直方向上的长度较短，且仅能在靠近地面的位置被探测到，就说明是较矮的障碍物，提示盲人可以跨过去。