专利名称：一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及视障人员行走辅助装置，为一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置。
背景技术：
为了解决视障人员行走不便，尤其是避开道路上障碍物的问题，目前被广泛采用的辅助系统是导盲杖和极少数的穿戴式导盲辅助系统。导盲杖可分为传统导盲杖和电子导盲杖两种。传统导盲杖结构简单，仅仅是普通的木棒或其他材质的棒，其主要功能就是通过盲人不断的敲击地面探明前方0. 5m距离内的固定障碍。电子导盲杖通过加入超声波探头、红外探头或者摄像头对前方固定和运动物体进行探测，当发现障碍时向盲人使用者发出危险警报引起注意，引导其避开障碍物，通过使用电子探测手段，扩大了导盲杖的可探测区域。穿戴式导盲辅助系统多以眼镜上配置的超声波探测装置的为主，避障效果较差。由于导盲杖的高度有限，对于悬空的半高障碍物不易被探测；此外通常的导盲辅助系统都是采用警报音或者语音进行提示，在嘈杂的环境中，这种报警通常会受到较大影响，同时极少数有听力障碍的视障人员，则不能使用语音警示；使用导盲棒时，需要占用一只手，这样在视障人员需要双手操作时，就会有些不便；某些穿戴式导盲辅助系统，各个穿戴装置都是独自判断，比如遇到一个较高的障碍物时，障碍高度内的身体穿戴点都会进行报警。某些集中式有线连接又对装置的穿戴性带来不便。
发明内容
本发明要解决的问题是现有的导盲装置避障效果不能满足需求，使用不方便，容易受到使用环境的影响。本发明的技术方案为一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，包括头部检测装置、腰部检测装置和腿部检测装置，各检测装置间通过无线传感器网络进行数据通信，头部检测装置针对穿戴者前后左右四个方向的障碍物和接近的人或物体进行检测；腰部检测装置对穿戴者左斜前、正前、右斜前、左斜后、正后和右斜后六个方向进行检测；腿部检测装置包括2个大腿避障子装置和2个小腿避障子装置，所述腿部检测装置对穿戴者前方、后方和腿外侧三个方向的障碍物进行检测；头部检测装置、腰部检测装置和腿部检测装置中均设有振动反馈单元、电源管理单元、ZigBee MCU控制单元以及红外测距单元，ZigBee MCU控制单元分别发送控制信号至红外测距单元和振动反馈单元，红外测距单元反馈信号至ZigBee MCU控制单元；各检测装置的ZigBee MCU控制单元通过ZigBee通信。 所述腰部检测装置还设有步频检测单元。所述腰部检测装置为网络网关，头部和腿部检测装置均为网络节点。本发明克服现有技术存在的技术缺陷和不足，提出一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，能够解放行走过程中视障人员的双手，能够全方位的探测视障人员身体周围的障碍，并且通过振动正确反馈障碍物位置及高度，各个穿戴装置间使用无线传感器网络通信，解决独立判断障碍物位置反馈不统一的问题，以及总线式控制的穿戴不便问题，从而保障盲人行走的安全。本发明具有以下有益效果一、可以测量不同高度的障碍物，为视障人员的行走带来方便；二、穿戴容易，释放双手，没有繁杂的连线；三、振动式触觉反馈，避免了嘈杂的周围环境对语音警告的影响；四、性价比高，简单实用。现有的佩戴式导盲装置或者只有单一的一个部位的检测，或者各检测装置均为独立判断，独立判断只能对单个 传感器所覆盖的空间内的障碍物进行检测，需要具有较大的覆盖性的传感器，性价比低，通过多点检测装置的联合判断可以很好的覆盖穿戴者周围环境，更全面的为穿戴着提供环境信息，本发明采用的无线通信解决了多节点之间的信息联合问题，避免有线方式的穿戴复杂问题，并且无线传感器网络还具有低功耗的优势。
图I是本发明的系统框图。图2是本发明的头部检测装置硬件框图。图3是本发明的腿部检测装置硬件框图。图4是本发明的腰部检测装置硬件框图。图5是本发明的系统程序流程图。图6是本发明的穿戴示意图。图7是本发明的障碍物检测示意图。图8是本发明的行走过程中小腿部红外测距方向变化示意图。图9是本发明的地面凹坑检测示意图。
具体实施例方式本发明是面向视障人员的行走辅助系统，包括头部检测装置、腰部检测装置和腿部检测装置三个部分，三部分通过无线传感器网络进行数据通信。其中腰部检测装置为网络网关，头部和腿部检测装置均为网络节点。头部检测装置主要是针对前后左右四个方向的障碍物和接近的人或物体进行检测；腰部检测装置对左斜前、正前、右斜前、左斜后、正后和右斜后六个方向进行检测；腿部检测装置分为2个大腿避障子装置和2个小腿避障子装置，并且每个装置都可以进行前方、后方和腿外侧三个方向的障碍物检测，这样整个系统可以对人体周围进行全方位的检测，检测通过测距类传感器完成。头部和腿部检测装置主要由振动反馈单元、电源管理单元、ZigBee MCU控制单元以及红外测距单元四个部分构成；其特征是=ZigBee MCU控制单元控制红外测距单元发射红外信号，并接收被障碍物反射回来的红外信号，分析红外测距传感器方向范围内是否存在障碍物，若存在障碍物，控制单元通过振动反馈单元传递视障人员警示信号。通过采用ZigBee技术，分布式控制各个检测装置，不需要总线通信，同时每个检测装置有各自独立的电源管理单元，采用常见的可重复使用的锂电池作为供电方式，不需要繁杂的电源线；各个检测装置通过绑带绑在人身体的各个部位。腰部检测装置除了具有以上四个部分，还包括一个步频检测单元，步频检测单元主要是由三轴加速度传感器组成，用于检测视障人员步行过程中的行走速度，根据步频和距离障碍物距离，当前方有障碍物，检测装置的反馈单元会根据视障使用者的步频来决定振动电机的振动频率，即速度愈快距离愈短，振动电机振动频率愈高。下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。如图I所示，根据本发明的一个实施例的可穿戴式的导盲装置包括头部检测装置101、腰部装置106、大腿部装置102、105和小腿部装置103、104。各个装置分别都是通过绑带穿戴在人的身上。其中腰部检测装置106作为无线传感器网络的网关，其他的检测装置为网络节点，通过自组织方式组成网络。头部检测装置101对穿戴人员的前后左右四个方向都有障碍物检测单元。腰部检测装置106不仅在腰前方三个方向上有障碍物检测单元，在腰后方三个方向上也有障碍物检测单元，大腿部装置102、105和小腿部装置103、104均是对前、后和侧向安装有障碍物检测单元。这样就可以在人体周围建立起一个以红外传 感器的有效测量距离的立体检测圈。可以对视障人员周围的障碍物以及对接近视障人员给出有人或物接近的警示信息。如图2所示，为导盲装置系统中的头部检测装置的硬件框图，系统主要包括绑带201和四个障碍物检测单元202、203、204、205。其中三个障碍物检测单元202、204、205主要由振动电机210、213、211和红外传感器206、208、209组成。障碍物检测单元203作为头部检测装置的通信单元，不仅具有无线通信功能，同时具有障碍物检测功能。主要包括电源管理207、ZigBee MCU 212、红外传感器214以及振动电机215。障碍物检测单元203的电源管理207整个头部检测装置的供电管理，同时ZigBee MCU控制整个头部装置检测控制、数据通信以及执行反馈警示。腿部检测装置主要分为左右大腿和左右小腿四个子装置，结构相同，检测装置硬件框图如图3所示，主要包含绑带301和三个障碍物检测单元302、303和304。其中障碍物检测单元302、304分别包含红外传感器305、307和振动电机308、312，而障碍物检测单元303主要由电源管理306、ZigBee MCU 309、红外传感器310和振动电机311组成。其中电源管理306和ZigBee MCU 309与头部检测单元的对应部分功能相同。如图4所示，为腰部检测装置硬件框图，主要包含绑带401和6个障碍物检测单元402、403、404、405、406、407。其中障碍物检测单元402、403、405、406、407具有相同的结构，都是由红外传感器和振动电机组成。而障碍物检测单元404主要包括五部分，分别为电源管理409、ZigBee MCU 417、三轴加速度传感器416、红外传感器421和振动电机422。与头部、腿部检测装置不同的是腰部检测装置的ZigBee MCU 417要承担无线传感器网络的组建任务，以及将其他的检测装置发送的数据信息进行分析融合，并反馈分析结果。同时腰部检测装置还包含步频检测功能，主要是对三轴加速度传感器416的数据采集，可以得到人行走的速度。如图5所示，为整个系统的程序流程图。系统初始化以后，通过对头部，腰部，大腿部和小腿部四个位置的检测装置采集数据，以固定周期的传送到网关，由网关进行数据综合分析，从各个检测装置中的传感器数据中，可以提取路面凹坑、中空障碍物、悬空障碍物以及地面凸起障碍物信息。从加速度传感器数据中得知盲人的行走速度，配合障碍类型和障碍物距离给出警示，从振动的位置可以了解障碍物的类型，根据振动的频率了解障碍物的距离。具体的数据分析过程如图7、8、9中所示。如图6所示，为一个装置使用者的穿戴实例，将各个检测装置如图中穿戴。其中作图为装置使用者穿戴后的左视图和右视图。右图为装置使用者穿戴后的前视图和后视图。如图7所示的，视障人穿戴之后在站立的状态下对各种障碍物的检测。整个系统的检测装置分布为一个从头部到小腿部基本固定的高度差，这样整个系统对不同高度的障碍物均有一个较好的检测。如图中所示，四个立在地面上的实体障碍物，不同高度的障碍物被不同数量的传感器检测到。将检测到的数据发送到网关中进行分析障碍物高度判断，被障碍物覆盖的所有检测装置中振动电机工作，给予警示信息。当只有小腿部检测装置检测到的障碍物时，小腿部检测装置内振动电机振动给予警示，通过人行走的速度和障碍距离，调整振动电机的振动频率，振动频率越高说明障碍物越近。而当小腿部和大腿部检测装置均检测到障碍物时，两部分的振动电机均给出警示。以此类推，从地面凸起的障碍均可被检测到，并给出有效的警示信息。当然针对悬挂的障碍物，表面视障人员头部受伤，当只有头部检测装置检测到障碍物时，头部检测装置给予悬挂障碍物警示，让视障人员低头通过前方。而对于类似桌子的中空的障碍物，只能由不连续的检测装置检测到，如大腿部、小腿部和头部检测装置未检测到，只有腰部检测装置检测到，说明前方是一个中空障碍物，仍需要提示视障人员绕行。如图8所示，为人正常行走的分步图。在行走的过程中，大腿和小腿上穿戴的装置相对位置是随时间不断的变化，但整体是以I到4的周期性变化。检测装置内安装的红外传感器检测方向均为水平，小腿部的传感器方向变化为“上-平-下-下”的周期过程。这样在前方存在一个可以被小腿部红外传感器检测到的障碍物，红外传感器输出的距离数据做成的曲线图是一个类阻尼振动的形式。从曲线的特征中提取是否存在障碍物和障碍物距离信息，通过纽扣振动电机201的振动频率反馈给装置使用者。同样，对于大腿部装置返回的数据也采用以上方法进行处理。如图9所示，为系统对地面凹坑的检测示意图，由于人运动过程中大腿和小腿的相对位置是相互交替的，通常只是提取红外传感器在腿伸直这一自然状态时与障碍物的距离信息。而本发明中充分利用腿部的红外距离数据，从中提取小腿部非自然状态下的红外距离信息，从而得到路面的基本路况，是否有凹坑等。如图，人行走时，分为1-4四个步骤，第一步，左小腿可以检测到地面距离DL (I，i)，第二步，左小腿可以检测到地面距离DL (2，i)，第三、四步分为得到DR(1，i)，和DR(2，i)，其中i为行走过程中的第i步。当地面比较平坦时，DR(j，i)和DL(j，i)是基本保持不变的，而当如图中遇到凹坑时，其数据必然会有畸变，这样就可以及时的警示信息反馈给视障人员，从而避免摔倒。权利要求
1.一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，其特征是包括头部检测装置、腰部检测装置和腿部检测装置，各检测装置间通过无线传感器网络进行数据通信，头部检测装置针对穿戴者前后左右四个方向的障碍物和接近的人或物体进行检测；腰部检测装置对穿戴者左斜前、正前、右斜前、左斜后、正后和右斜后六个方向进行检测；腿部检测装置包括2个大腿避障子装置和2个小腿避障子装置，所述腿部检测装置对穿戴者前方、后方和腿外侧三个方向的障碍物进行检测； 头部检测装置、腰部检测装置和腿部检测装置中均设有振动反馈单元、电源管理单元、ZigBee MCU控制单元以及红外测距单元，ZigBee MCU控制单元分别发送控制信号至红外测距单元和振动反馈单元，红外测距单元反馈信号至ZigBee MCU控制单元；各检测装置的ZigBee MCU控制单元通过ZigBee通信。
2.根据权利要求I所述的一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，其 特征是所述腰部检测装置还设有步频检测单元。
3.根据权利要求I或2所述的一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，其特征是所述腰部检测装置为网络网关，头部和腿部检测装置均为网络节点。
全文摘要
一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，包括头部检测装置、腰部检测装置和腿部检测装置，各检测装置间通过无线传感器网络进行数据通信。本发明克服现有技术存在的技术缺陷和不足，提出一种基于无线传感器网络及振动反馈的穿戴式导盲装置，能够解放行走过程中视障人员的双手，能够全方位的探测视障人员身体周围的障碍，并且通过振动正确反馈障碍物位置及高度，各个穿戴装置间使用无线传感器网络通信，解决独立判断障碍物位置反馈不统一的问题，以及总线式控制的穿戴不便问题，从而保障盲人行走的安全。
文档编号A61F9/08GK102631280SQ20121011491
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者乔贵方, 吴涓, 孙洪涛, 宋光明, 宋爱国, 张军 申请人:东南大学