專利名稱：一種智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及多傳感器信息處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種導(dǎo) 航系統(tǒng)，具體涉及一種智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo) 航的方法。
背景技術(shù)：
我國有1691萬盲人弱勢群體，他們出行時會面臨各種復(fù)雜、多變的交 通環(huán)境，日益增多的機(jī)動車輛、道路中的各種障礙物都將威脅到盲人的出行。 盲人的出行方式一般可分為兩類， 一類是徒步行走方式，在這種出行方式中 所需要得到的幫助主要是引導(dǎo)避障；另一類是乘車遠(yuǎn)行方式，在這種方式中， 所需要得到的幫助主要是引導(dǎo)如何乘車，以及換乘方式，并在下車之前給出 提示?，F(xiàn)有的盲人引導(dǎo)工具主要為手杖和導(dǎo)盲犬，不能方便、安全、實時的 引導(dǎo)盲人出行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的引導(dǎo)方式不 方便、不安全、不實時的問題。
本發(fā)明的另一目的是提供利用上述導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的方法。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，包括便攜式導(dǎo)航 儀和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，便攜式導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺通過數(shù)傳電臺進(jìn)行雙向通 信，所述的便攜式導(dǎo)航儀以FPGA開發(fā)板為核心，在FPGA開發(fā)板上連接有 微波傳感器、攝像頭、紅外超聲波傳感器、數(shù)傳電臺、GPS、耳機(jī)和盲人鍵盤。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，遠(yuǎn)程協(xié)助平臺通過數(shù)傳電臺與至少兩個便攜式導(dǎo)
航儀相連接。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是， 一種利用本發(fā)明智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn) 行導(dǎo)航的方法，采用通過數(shù)傳電臺進(jìn)行雙向通信的便攜式導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程協(xié)助
平臺，便攜式導(dǎo)航儀以FPGA開發(fā)板為核心，在FPGA開發(fā)板上分別連接微 波傳感器、攝像頭、紅外超聲波傳感器、數(shù)傳電臺、GPS、耳機(jī)和盲人鍵盤， 提示盲人道路信息
微波傳感器通過發(fā)射微波信號，探測道路中不同的運(yùn)動物體，將獲取的 運(yùn)動物體的速度信息以電信號的形式引入FPGA開發(fā)板，
攝像頭采集道路上的圖像信息，將道路上的視頻信號返回到FPGA開發(fā)
板，
紅外超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號，遇到前方障礙物反射回電信號，并 把障礙物的位置以電信號的形式返回到FPGA開發(fā)板，
FPGA開發(fā)板對上述接收到的運(yùn)動物體信息、圖像信息以及障礙物信息 進(jìn)行綜合處理，處理后將道路信息通過耳機(jī)對盲人進(jìn)行語音提示；
對盲人進(jìn)行路徑規(guī)劃
通過盲人鍵盤把要查詢的出行信息輸入到FPGA開發(fā)板，F(xiàn)PGA開發(fā)板 通過數(shù)傳電臺把要查詢的信息傳遞給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，
同時GPS將盲人的位置信息按照自定義好的通信協(xié)議通過數(shù)傳電臺傳 送給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，
遠(yuǎn)程協(xié)助平臺內(nèi)預(yù)裝入數(shù)據(jù)庫及各種出行方案計算軟件，在接收到上述 盲人要查詢的出行信息和盲人的位置信息之后，自動查詢內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，確定出行方案，通過數(shù)傳電臺把乘車信息和行進(jìn)方向發(fā)送給FPGA開發(fā)板，
FPGA開發(fā)板將乘車信息和行進(jìn)方向通過耳機(jī)對盲人進(jìn)行語音提示，引導(dǎo)盲人出行。
本發(fā)明的有益效果是，采用便攜式導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺兩個模塊互相通信的結(jié)構(gòu)，便攜式導(dǎo)航儀完成對所遇到的各種障礙進(jìn)行提示，同時也提供與遠(yuǎn)程協(xié)助平臺模塊的通信；遠(yuǎn)程協(xié)助平臺在接收到用戶咨詢指令之后，提供乘車方案，并根據(jù)GPS定位系統(tǒng)，對其進(jìn)行相應(yīng)的行進(jìn)方向的引導(dǎo)，解決了現(xiàn)有的引導(dǎo)方式不方便、不安全、不實時的問題。


圖1是本發(fā)明智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)中便攜式導(dǎo)航儀的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，l.便攜式導(dǎo)航儀，2.遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，3.FPGA開發(fā)板，4.微波傳感器，5.攝像頭，6.紅外超聲波傳感器，7.數(shù)傳電臺，8.GPS， 9.耳機(jī)，10.盲人鍵盤。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括便攜式導(dǎo)航儀1和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2，便攜式導(dǎo)航儀1和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2通過數(shù)傳電臺7進(jìn)行雙向通信。便攜式導(dǎo)航儀1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，以FPGA開發(fā)板3為核心，在FPGA開發(fā)板3上連接有微波傳感器4、攝像頭5、紅外超聲波傳感器6、數(shù)傳電臺7、 GPS8、耳機(jī)9、盲人鍵盤IO。
本發(fā)明的智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)中-
(1) FPGA開發(fā)平板SOPC將Nios II處理器、寄存器、I/O 口等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到FPGA上，構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)，并可通過PIO觸發(fā)中斷，協(xié)調(diào)各模塊的工作。NiosII嵌入式軟核處理器具有靈活性高、性能高、成本低等特點(diǎn)，它通過I/0口外掛GPS 8，數(shù)傳電臺7，攝像頭5、紅外超聲波傳感器6、微波傳感器4構(gòu)成一個嵌入式系統(tǒng)。
CPU:采用ALTERA公司的Cyclone H(EP2C35F484C8)處理器。
存儲器64M Byte高速SDRAM用做Nios軟核的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；32M Byte快速FLASH用來保存整個系統(tǒng)的應(yīng)用程序；2片512KSRAM用作圖像處理的高速FIFO; 32MByte SD卡用來保存所有的地圖和語音信息。
音頻處理芯片釆用TI公司的TLV320AIC23，它是一款立體聲數(shù)字音頻編解碼器，支持8K 96K采樣，本發(fā)明采用16K采樣。
視頻處理芯片采用ADV7181的A/D視頻轉(zhuǎn)換芯片，支持PAL和NTSC制式，同時支持ITU-RBT.656 YCrCb4:2:2(16bit/8bit)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式。 一路CVBS， 一路S—VIDEO，用來完成圖像識別。
(2) GPS8:采用U-blox公司的LEA-5H ,其精度在5 10米，其中10米能夠達(dá)到80%， 5米達(dá)到40%。提供一路3V串口以及RS232標(biāo)準(zhǔn)串口 ，支持3.15V至5.25V范圍的工作電壓，工作溫度-40 85度，支持有源天線。
(3) 數(shù)傳電臺7:采用JZ875中短波的半雙工的電臺。視距可靠傳輸距離可達(dá)2Km 10Km，采用GFSK的調(diào)制方式；載頻433 MHz，也可訂制315M/868M/915M等其他載頻，ISM頻段，無需申請頻；提供16個信道，如果用戶需要，可擴(kuò)展到32信道；接口速率1200 bps/2400 bps/4800 bps/9600 bps /19200bps /38400bps;信道速率1200 bps /2400 bps /4800 bps / 9600bps/19200bps/38400bps;接口方式TTL/RS232/485由用戶選擇，接口格式8N1/8E1/801 (特殊格式需定置)；功耗發(fā)射電流最大〈1.5A，接收電流 <50mA，最小休眠時電流< O.lmA;供電DC +4.5V-+5.5V;工作溫度
-20。C +65°C。
(4) 紅外超聲波傳感器6:URM37V3.2超聲波傳感器的工作電壓為+5v， 工作電流小于20mA，能耗低。工作溫度的范圍從-l(TC +7(TC。超聲波測 量范圍為最大測量距離500cm，最小測量距離4cm，精度可達(dá)lcm。
(5) 微波傳感器4: HB100微波傳感器全稱微波移動物體探測器，采 用了GASFET、介質(zhì)諧振器作為振蕩源，具有較高的穩(wěn)定度，同時采用表面 印刷器件，使其體積更小、 一致性更好，并具有較低的諧波輸出。其工作頻 率10.525Ghz，工作電壓+5VDC，直流供電或CW (脈沖供電，脈沖供電時， 頻率2 4Khz， 20us)，探測距離不小于25m，探測視角橫向72度，垂直向 36度。微波天線發(fā)射時具有良好的定向性，因此很容易控制微波探頭的作用 范圍；微波在傳輸過程中較易被衰減、吸收和反射，遇到墻壁等遮擋物時會 被遮擋。
(6) 攝像頭5:盲人在出行過程中，盲道起到關(guān)鍵的作用，但實際中它 會存在破損、斷裂、不規(guī)范等問題，這會造成盲人無法正常地感知其走向， 從而造成出行困難。本發(fā)明通過攝像頭5提取盲道的顏色信息，在盲道缺損 或斷裂情況下，將其端點(diǎn)信息經(jīng)過二值化處理，將盲道與背景分開，并得到 盲道的邊沿信息，進(jìn)而計算出斷裂盲道上下邊緣的中點(diǎn)，連接兩個中點(diǎn)給出 路徑，自動給出延伸道路走向，連接兩部分盲道，通過語音提醒糾正盲人的 走向。
同時，盲人安全過交通十字路口時，攝像頭5采集紅綠燈以及斑馬線的 顏色信息對其進(jìn)行圖像算法的處理，同時根據(jù)實際情況，針對圖像噪聲、光照不均等進(jìn)行濾波、平衡等圖像預(yù)處理，用以精確識別紅綠燈，語音提示盲人紅燈、綠燈等識別結(jié)果，引導(dǎo)盲人安全通過。
(7)遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2:遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2是基于￥0++開發(fā)的軟件平臺，主要由電子地圖和相關(guān)的操作鍵構(gòu)成，在電子地圖上可以實時顯示GPS 8傳回的數(shù)據(jù)，定位出盲人的當(dāng)前位置，并進(jìn)行最優(yōu)路徑運(yùn)算、特殊場所查詢等。本發(fā)明利用上述導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的方法，具體按以下步驟實施
提示盲人道路信息
(1) 微波傳感器4、攝像頭5、紅外超聲波傳感器6獲取道路的各種信
息，具體如下微波傳感器4通過發(fā)射微波信號，探測道路中不同的運(yùn)動物
體，將獲取的信息以電信號的形式引入FPGA開發(fā)板3;攝像頭5采集道路上的圖像信息，將道路上的視頻信號返回到FPGA開發(fā)板3;紅外超聲波傳感器6發(fā)射紅外信號，遇到前方障礙物反射回電信號，并把障礙物位置以電信號的形式返回到FPGA開發(fā)板3;
(2) FPGA開發(fā)板3將上述接收到的運(yùn)動物體信息、圖像信息以及障礙物信息進(jìn)行綜合處理對獲取的圖像進(jìn)行模板匹配算法，自動識別紅綠燈等交通信號；紅外超聲波傳感器6始終發(fā)射超聲波信號，如果在3.5m內(nèi)有障礙物，會根據(jù)獲得的信號進(jìn)行相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行計算，并調(diào)出相應(yīng)的語音信號，反之，則不會進(jìn)行計算。處理后將道路信息通過耳機(jī)9對盲人進(jìn)行語音提示。
對盲人進(jìn)行路徑規(guī)劃(1)盲人通過盲人鍵盤10鍵入要查詢的出行信息，信息輸入到FPGA開發(fā)板3， FPGA開發(fā)板3通過數(shù)傳電臺7把要查詢的出行信息傳遞給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2;(2) 同時GPS 8將盲人的位置信息按照定義好的通信協(xié)議通過數(shù)傳電 臺7傳送給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2;
(3) 在遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2上，管理中心的管理人員在電子地圖上實時了 解盲人的所處位置，系統(tǒng)可自動?xùn)嗽儍?nèi)部數(shù)據(jù)庫，找到所査詢信息對應(yīng)的節(jié) 點(diǎn)，并進(jìn)行路徑規(guī)劃短途出行時，按照路徑最短為最優(yōu)進(jìn)行規(guī)劃；遠(yuǎn)途出 行時，考慮到要乘坐公交車，其中最先考慮換車情況，即直達(dá)車優(yōu)于換車 一次，換車一次優(yōu)于換車兩次等，其次考慮路線要最短。遠(yuǎn)程協(xié)助平臺2根 據(jù)以上兩種不同優(yōu)先級的問題，規(guī)劃整個出行路徑，通過數(shù)傳電臺7把規(guī)劃 好的路徑信息發(fā)送給FPGA開發(fā)板3，通過耳機(jī)9將乘車信息和行進(jìn)方向傳 遞給盲人，引導(dǎo)盲人出行。
本發(fā)明智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法，采用導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺兩個 模塊互相通信的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)航儀完成對所遇到的各種障礙進(jìn)行提示，同時也提 供與另一個模塊的通信；遠(yuǎn)程協(xié)助平臺在接收到用戶咨詢指令之后，提供乘 車方案，并根據(jù)GPS定位系統(tǒng)，對其進(jìn)行相應(yīng)的行進(jìn)方向的引導(dǎo)，解決了 現(xiàn)有的引導(dǎo)方式不方便、不安全、不實時的問題。
權(quán)利要求
1. 一種智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括便攜式導(dǎo)航儀(1)和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺(2)，便攜式導(dǎo)航儀(1)和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺(2)通過數(shù)傳電臺(7)進(jìn)行雙向通信，所述的便攜式導(dǎo)航儀(1)以FPGA開發(fā)板(3)為核心，在FPGA開發(fā)板(3)上連接有微波傳感器(4)、攝像頭(5)、紅外超聲波傳感器(6)、數(shù)傳電臺(7)、GPS(8)、耳機(jī)(9)和盲人鍵盤(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述的遠(yuǎn)程 協(xié)助平臺(2)通過數(shù)傳電臺(7)與至少兩個便攜式導(dǎo)航儀(1)相連接。
3. —種利用權(quán)利要求1所述的智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的方法，其特 征在于，采用通過數(shù)傳電臺(7)進(jìn)行雙向通信的便攜式導(dǎo)航儀(1)和遠(yuǎn)程 協(xié)助平臺(2),便攜式導(dǎo)航儀(1)以FPGA開發(fā)板(3)為核心，在FPGA 開發(fā)板(3)上分別連接微波傳感器(4)、攝像頭(5)、紅外超聲波傳感器(6)、數(shù)傳電臺(7)、 GPS (8)、耳機(jī)(9)和盲人鍵盤(10)， 提示盲人道路信息-微波傳感器(4)通過發(fā)射微波信號，探測道路中不同的運(yùn)動物體，將 獲取的運(yùn)動物體的速度信息以電信號的形式引入FPGA開發(fā)板(3)，攝像頭(5)采集道路上的圖像信息，將道路上的視頻信號返回到FPGA 開發(fā)板(3)，紅外超聲波傳感器(6)發(fā)射超聲波信號，遇到前方障礙物反射回電信 號，并把障礙物的位置以電信號的形式返回到FPGA開發(fā)板(3)，F(xiàn)PGA開發(fā)板(3)對上述接收到的運(yùn)動物體信息、圖像信息以及障礙 物信息進(jìn)行綜合處理，處理后將道路信息通過耳機(jī)(9)對盲人進(jìn)行語音提對盲人進(jìn)行路徑規(guī)劃通過盲人鍵盤(10)把要査詢的出行信息輸入到FPGA開發(fā)板(3)，F(xiàn)PGA 開發(fā)板(3)通過數(shù)傳電臺(7)把要査詢的信息傳遞給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺(2)，同時GPS (8)將盲人的位置信息按照自定義好的通信協(xié)議通過數(shù)傳電 臺(7)傳送給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺(2)，遠(yuǎn)程協(xié)助平臺(2)內(nèi)預(yù)裝入數(shù)據(jù)庫及各種出行方案計算軟件，在接收 到上述盲人要査詢的出行信息和盲人的位置信息之后，自動?xùn)嗽儍?nèi)部數(shù)據(jù) 庫，確定出行方案，通過數(shù)傳電臺(7)把乘車信息和行進(jìn)方向發(fā)送給FPGA 開發(fā)板(3)，F(xiàn)PGA開發(fā)板(3)將乘車信息和行進(jìn)方向通過耳機(jī)(9)對盲人進(jìn)行語 音提示，引導(dǎo)盲人出行。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航方法，包括通過數(shù)傳電臺進(jìn)行雙向通信的便攜式導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，便攜式導(dǎo)航儀以FPGA開發(fā)板為核心，在FPGA開發(fā)板上連接有微波傳感器、攝像頭、紅外超聲波傳感器、數(shù)傳電臺、GPS、耳機(jī)和盲人鍵盤。提示盲人道路信息時，F(xiàn)PGA開發(fā)板處理采集到的運(yùn)動物體信息、圖像信息、障礙物信息，通過耳機(jī)對盲人進(jìn)行語音提示；對盲人進(jìn)行路徑規(guī)劃時，盲人鍵盤把出行信息輸入給FPGA開發(fā)板，通過數(shù)傳電臺發(fā)送給遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，遠(yuǎn)程協(xié)助平臺確定出行方案后通過數(shù)傳電臺把信息發(fā)送給FPGA開發(fā)板，通過耳機(jī)對盲人進(jìn)行語音提示。本發(fā)明智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的引導(dǎo)方式不方便、不安全、不實時的問題。
文檔編號G01C21/34GK101509780SQ20091002154
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者馮金龍, 盧茜茜, 江 安, 常宇翔, 曹漢超, 虹 朱, 王文靜, 王耀文, 景 田, 楠 邢, 瑞 郭, 馬華文 申請人:西安理工大學(xué)