一种智能盲人导航系统及导航方法

1.一种智能盲人导航方法，其特征在于，采用通过数传电台(7)进行双向通信的便携式导航仪(1)和远程协助平台(2)，便携式导航仪(1)以FPGA开发板(3)为核心，在FPGA开发板(3)上分别连接微波传感器(4)、摄像头(5)、红外超声波传感器(6)、数传电台(7)、GPS(8)、耳机(9)和盲人键盘(10)，
提示盲人道路信息：
微波传感器(4)通过发射微波信号，探测道路中不同的运动物体，将获取的运动物体的速度信息以电信号的形式引入FPGA开发板(3)，
摄像头(5)采集道路上的图像信息，将道路上的视频信号返回到FPGA开发板(3)，红外超声波传感器(6)发射超声波信号，遇到前方障碍物反射回电信号，并把障碍物的位置以电信号的形式返回到FPGA开发板(3)，
FPGA开发板(3)对上述接收到的运动物体信息、图像信息以及障碍物信息进行综合处理，处理后将道路信息通过耳机(9)对盲人进行语音提示；
对盲人进行路径规划：
通过盲人键盘(10)把要查询的出行信息输入到FPGA开发板(3)，FPGA开发板(3)通过数传电台(7)把要查询的信息传递给远程协助平台(2)，
同时GPS(8)将盲人的位置信息按照自定义好的通信协议通过数传电台(7)传送给远程协助平台(2)，
远程协助平台(2)内预装入数据库及各种出行方案计算软件，在接收到上述盲人要查询的出行信息和盲人的位置信息之后，自动查询内部数据 库，确定出行方案，通过数传电台(7)把乘车信息和行进方向发送给FPGA开发板(3)，
FPGA开发板(3)将乘车信息和行进方向通过耳机(9)对盲人进行语音提示，引导盲人出行。

一种智能盲人导航系统及导航方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于嵌入式系统开发及多传感器信息处理技术领域，涉及一种导航系统，具体涉及一种智能盲人导航系统，本发明还涉及利用该系统进行导航的方法。\n背景技术\n[0002] 我国有1691万盲人弱势群体，他们出行时会面临各种复杂、多变的交通环境，日益增多的机动车辆、道路中的各种障碍物都将威胁到盲人的出行。盲人的出行方式一般可分为两类，一类是徒步行走方式，在这种出行方式中所需要得到的帮助主要是引导避障；另一类是乘车远行方式，在这种方式中，所需要得到的帮助主要是引导如何乘车，以及换乘方式，并在下车之前给出提示。现有的盲人引导工具主要为手杖和导盲犬，不能方便、安全、实时的引导盲人出行。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种智能盲人导航系统，解决了现有的引导方式不方便、不安全、不实时的问题。\n[0004] 本发明的另一目的是提供利用上述导航系统进行导航的方法。\n[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种智能盲人导航系统，包括便携式导航仪和远程协助平台，便携式导航仪和远程协助平台通过数传电台进行双向通信，所述的便携式导航仪以FPGA开发板为核心，在FPGA开发板上连接有微波传感器、摄像头、红外超声波传感器、数传电台、GPS、耳机和盲人键盘。\n[0006] 本发明的特点还在于，远程协助平台通过数传电台与至少两个便携式导航仪相连接。\n[0007] 本发明所采用的另一技术方案是，一种利用本发明智能盲人导航系统进行导航的方法，采用通过数传电台进行双向通信的便携式导航仪和远程协助平台，便携式导航仪以FPGA开发板为核心，在FPGA开发板上分别连接微波传感器、摄像头、红外超声波传感器、数传电台、GPS、耳机和盲人键盘，\n[0008] 提示盲人道路信息：\n[0009] 微波传感器通过发射微波信号，探测道路中不同的运动物体，将获取的运动物体的速度信息以电信号的形式引入FPGA开发板，\n[0010] 摄像头采集道路上的图像信息，将道路上的视频信号返回到FPGA开发板，[0011] 红外超声波传感器发射超声波信号，遇到前方障碍物反射回电信号，并把障碍物的位置以电信号的形式返回到FPGA开发板，\n[0012] FPGA开发板对上述接收到的运动物体信息、图像信息以及障碍物信息进行综合处理，处理后将道路信息通过耳机对盲人进行语音提示；\n[0013] 对盲人进行路径规划：\n[0014] 通过盲人键盘把要查询的出行信息输入到FPGA开发板，FPGA开发板通过数传电台把要查询的信息传递给远程协助平台，\n[0015] 同时GPS将盲人的位置信息按照自定义好的通信协议通过数传电台传送给远程协助平台，\n[0016] 远程协助平台内预装入数据库及各种出行方案计算软件，在接收到上述盲人要查询的出行信息和盲人的位置信息之后，自动查询内部数据库，确定出行方案，通过数传电台把乘车信息和行进方向发送给FPGA开发板，\n[0017] FPGA开发板将乘车信息和行进方向通过耳机对盲人进行语音提示，引导盲人出行。\n[0018] 本发明的有益效果是，采用便携式导航仪和远程协助平台两个模块互相通信的结构，便携式导航仪完成对所遇到的各种障碍进行提示，同时也提供与远程协助平台模块的通信；远程协助平台在接收到用户咨询指令之后，提供乘车方案，并根据GPS定位系统，对其进行相应的行进方向的引导，解决了现有的引导方式不方便、不安全、不实时的问题。\n附图说明\n[0019] 图1是本发明智能盲人导航系统的结构示意图；\n[0020] 图2是本发明智能盲人导航系统中便携式导航仪的结构示意图。\n[0021] 其中，1.便携式导航仪，2.远程协助平台，3.FPGA开发板，4.微波传感器，5.摄像头，6.红外超声波传感器，7.数传电台，8.GPS，9.耳机，10.盲人键盘。\n具体实施方式\n[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。\n[0023] 本发明智能盲人导航系统的结构如图1所示，包括便携式导航仪1和远程协助平台2，便携式导航仪1和远程协助平台2通过数传电台7进行双向通信。便携式导航仪1的结构如图2所示，以FPGA开发板3为核心，在FPGA开发板3上连接有微波传感器4、摄像头\n5、红外超声波传感器6、数传电台7、GPS 8、耳机9、盲人键盘10。\n[0024] 本发明的智能盲人导航系统中：\n[0025] (1)FPGA开发平板\n[0026] SOPC将Nios II处理器、寄存器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到FPGA上，构成一个可编程的片上系统，并可通过PIO触发中断，协调各模块的工作。Nios II嵌入式软核处理器具有灵活性高、性能高、成本低等特点，它通过I/O口外挂GPS 8，数传电台7，摄像头5、红外超声波传感器6、微波传感器4构成一个嵌入式系统。\n[0027] CPU：采用ALTERA公司的Cyclone II(EP2C35F484C8)处理器。\n[0028] 存储器：64M Byte高速SDRAM用做Nios软核的数据缓冲区；32M Byte快速FLASH用来保存整个系统的应用程序；2片512K SRAM用作图像处理的高速FIFO；32M Byte SD卡用来保存所有的地图和语音信息。\n[0029] 音频处理芯片：采用TI公司的TLV320AIC23，它是一款立体声数字音频编解码器，支持8K～96K采样，本发明采用16K采样。\n[0030] 视频处理芯片：采用ADV7181的A/D视频转换芯片，支持PAL和NTSC制式，同时支持ITU-R BT.656 YCrCb 4:2:2(16bit/8bit)数据标准格式。一路CVBS，一路S_VIDEO，用来完成图像识别。\n[0031] (2)GPS 8：采用U-blox公司的LEA-5H，其精度在5～10米，其中10米能够达到\n80％，5米达到40％。提供一路3V串口以及RS232标准串口，支持3.15V至5.25V范围的工作电压，工作温度-40～85度，支持有源天线。\n[0032] (3)数传电台7：采用JZ875中短波的半双工的电台。视距可靠传输距离可达\n2Km～10Km，采用GFSK的调制方式；载频433MHz，也可订制315M/868M/915M等其他载频，ISM频段，无需申请频；提供16个信道，如果用户需要，可扩展到32信道；接口速率：\n1200bps/2400bps/4800bps/9600bps/19200bps/38400bps；信道速率：1200bps/2400bps/4\n800bps/9600bps/19200bps/38400bps；接口方式：TTL/RS232/485由用户选择，接口格式：\n8N1/8E1/8o1(特殊格式需定置)；功耗：发射电流最大＜1.5A，接收电流＜50mA，最小休眠时电流＜0.1mA；供电：DC+4.5V～+5.5V；工作温度：-20℃～+65℃。\n[0033] (4)红外超声波传感器6：URM37 V3.2超声波传感器的工作电压为+5v，工作电流小于20mA，能耗低。工作温度的范围从-10℃～+70℃。超声波测量范围为：最大测量距离\n500cm，最小测量距离4cm，精度可达1cm。\n[0034] (5)微波传感器4：HB100微波传感器全称微波移动物体探测器，采用了GAS FET、介质谐振器作为振荡源，具有较高的稳定度，同时采用表面印刷器件，使其体积更小、一致性更好，并具有较低的谐波输出。其工作频率10.525Ghz，工作电压+5VDC，直流供电或CW(脉冲供电，脉冲供电时，频率2～4Khz，20us)，探测距离不小于25m，探测视角横向72度，垂直向36度。微波天线发射时具有良好的定向性，因此很容易控制微波探头的作用范围；微波在传输过程中较易被衰减、吸收和反射，遇到墙壁等遮挡物时会被遮挡。\n[0035] (6)摄像头5：盲人在出行过程中，盲道起到关键的作用，但实际中它会存在破损、断裂、不规范等问题，这会造成盲人无法正常地感知其走向，从而造成出行困难。本发明通过摄像头5提取盲道的颜色信息，在盲道缺损或断裂情况下，将其端点信息经过二值化处理，将盲道与背景分开，并得到盲道的边沿信息，进而计算出断裂盲道上下边缘的中点，连接两个中点给出路径，自动给出延伸道路走向，连接两部分盲道，通过语音提醒纠正盲人的走向。\n[0036] 同时，盲人安全过交通十字路口时，摄像头5采集红绿灯以及斑马线的颜色信息对其进行图像算法的处理，同时根据实际情况，针对图像噪声、光照不均等进行滤波、平衡等图像预处理，用以精确识别红绿灯，语音提示盲人红灯、绿灯等识别结果，引导盲人安全通过。\n[0037] (7)远程协助平台2：远程协助平台2是基于VC++开发的软件平台，主要由电子地图和相关的操作键构成，在电子地图上可以实时显示GPS 8传回的数据，定位出盲人的当前位置，并进行最优路径运算、特殊场所查询等。\n[0038] 本发明利用上述导航系统进行导航的方法，具体按以下步骤实施：\n[0039] 提示盲人道路信息：\n[0040] (1)微波传感器4、摄像头5、红外超声波传感器6获取道路的各种信息，具体如下：微波传感器4通过发射微波信号，探测道路中不同的运动物体，将获取的信息以电信号的形式引入FPGA开发板3；摄像头5采集道路上的图像信息，将道路上的视频信号返回到FPGA开发板3；红外超声波传感器6发射红外信号，遇到前方障碍物反射回电信号，并把障碍物位置以电信号的形式返回到FPGA开发板3；\n[0041] (2)FPGA开发板3将上述接收到的运动物体信息、图像信息以及障碍物信息进行综合处理：对获取的图像进行模板匹配算法，自动识别红绿灯等交通信号；红外超声波传感器6始终发射超声波信号，如果在3.5m内有障碍物，会根据获得的信号进行相应的函数进行计算，并调出相应的语音信号，反之，则不会进行计算。处理后将道路信息通过耳机9对盲人进行语音提示。\n[0042] 对盲人进行路径规划：\n[0043] (1)盲人通过盲人键盘10键入要查询的出行信息，信息输入到FPGA开发板3，FPGA开发板3通过数传电台7把要查询的出行信息传递给远程协助平台2；\n[0044] (2)同时GPS 8将盲人的位置信息按照定义好的通信协议通过数传电台7传送给远程协助平台2；\n[0045] (3)在远程协助平台2上，管理中心的管理人员在电子地图上实时了解盲人的所处位置，系统可自动查询内部数据库，找到所查询信息对应的节点，并进行路径规划：短途出行时，按照路径最短为最优进行规划；远途出行时，考虑到要乘坐公交车，其中最先考虑换车情况，即：直达车优于换车一次，换车一次优于换车两次等，其次考虑路线要最短。远程协助平台2根据以上两种不同优先级的问题，规划整个出行路径，通过数传电台7把规划好的路径信息发送给FPGA开发板3，通过耳机9将乘车信息和行进方向传递给盲人，引导盲人出行。\n[0046] 本发明智能盲人导航系统及导航方法，采用导航仪和远程协助平台两个模块互相通信的结构，导航仪完成对所遇到的各种障碍进行提示，同时也提供与另一个模块的通信；\n远程协助平台在接收到用户咨询指令之后，提供乘车方案，并根据GPS定位系统，对其进行相应的行进方向的引导，解决了现有的引导方式不方便、不安全、不实时的问题。