专利名称：一种可穿戴式的智能导盲系统及方法
技术领域：
本发明属于人机交互、康复辅具领域，更具体地，涉及一种可穿戴式的智能导盲系统及方法。
背景技术：
中国是世界上盲人最多的国家，视力障碍或全盲者，占全世界4500万盲人总数的20%左右。生活中人感知外界的各类信息，至少有80%以上的外界信息经视觉获得，这给盲人在生活中带来了极大的困难。如何安全行走是盲人生活中最大的问题。盲人在独自行走时主要依靠导盲装置，最简单常用的装置是普通的手杖，用它在地面上敲击，可帮助盲人发现0.5米以内的障碍物。它的主要缺点是不能发现较远一点的障碍物以及空中突出的障碍物，例如，在相当于腰部，膝盖部位高度的悬挂或者突出的物体。另外，盲人还可以利用导盲犬带路，但是不易训练且成本较高。为了方便盲人的安全出行，世界各国一直进行着导盲系统的研制，除了传统的白色手杖和导盲犬，目前研发成功的导盲系统有超声波导盲系统、红外线导向灯系统、卫星导盲、无线电导盲系统等，正逐步走进盲人的生活，增强了盲人的行走能力，提闻了盲人的生活质量。随着导盲系统技术的不断成熟和发展，人们对导盲系统的需求已经不再仅仅满足于工业自动化生产，而把更多的注意力转移到为人类的生活服务上来，于是导盲系统的研制就成为目前备受关注的问题。目前导盲系统作为助残辅具发展较为缓慢，主要原因是外界信息复杂，很难做出明确的轨迹规划，加之成本高昂很难为普通人所接受。如何设计出可靠性更强且成本低廉，更容易为人们所接受的导盲系统成为了目前的研究热点。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实用、安全可靠且便于穿戴的智能导盲系统。 本发明提供了一种可穿戴式的智能导盲系统，包括用于探测地面障碍物的地面障碍物探测装置，所述地面障碍物探测装置包括:单片机，与所述单片机连接的电压跟随器，分别与所述电压跟随器连接的倾度传感器和压力应变片，与所述单片机连接的脚部超声波传感器，固定架，支撑架以及脚部固定带；所述支撑架用于固定所述单片机，以及用于将所述单片机固定于使用者脚部的固定部件；使用时，压力应变片安装在使用者鞋的鞋垫处，用于感应使用者在行走时脚的压力并触发脚部超声波传感器探测地面障碍物距离。更进一步地，所述智能导盲系统还包括用于探测空中障碍物并被安装于使用者腰部的空中障碍物探测装置。更进一步地，所述空中障碍物探测装置包括:腰部固定带以及分别与所述单片机连接的腰部超声波传感器、加速度计和震动器；加速度计用于探测使用者行走的加速度，腰部超声波传感器用于探测空中障碍物与使用者之间的距离，震动器用于在探测到障碍物时提醒使用者；使用时，腰部超声波传感器、加速度计和震动器分别安装于腰部固定带上，所述腰部固定带固定于使用者的腰部。更进一步地，所述智能导盲系统还包括与所述单片机进行无线通信的移动终端以及与所述移动终端连接的语音模块；移动终端用于接收障碍物距离信息并启动所述语音模块给使用者进行语音提示。更进一步地，所述智能导盲系统还包括通过互联网或局域网与所述移动终端进行通信的计算机，用于为使用者提供远程指导及导航。更进一步地，所述智能导盲系统还包括与单片机连接用于提供工作电源的电源模块。本发明使用固定带和固定架将安装了单片机的支撑架固定在鞋上，不易脱落，且能够适应不同大小的鞋，实用性强；使用空中障碍物探测装置，能够有效探测到齐腰高度的障碍物(如桌子，突出的障碍物等)，更精确的探测使用者行走方向上的障碍物；将系统与移动终端(如智能手机、平板电脑等)连接，能够使本发明更加便利，操作更简单。本发明还提供了一种导盲方法，包括下述步骤:Sll:判断压力应变片的输出电压是否大于设定的电压阈值，且倾度传感器探测到的脚部倾度是否小于设定的角度阈值，若是，则进入步骤S12 ;若否，则结束；S12:判断脚部超声波传感器探测到的地面障碍物距离是否小于设定的第一距离阈值，若是，则进入步骤S13 ;若否，则结束；S13:通过震动器震动来警示使用者前方地面存在障碍物。更进一步地，所述电压阈值的范围为2-3V ;角度阈值的范围为0-45° ;第一距离阈值的范围为0.5m-2m。本发明还提供了一种导盲方法，包括下述步骤:S21:判断腰部超声波传感器探测到的空中障碍物距离是否小于设定的第二距离阈值，若是，则进入步骤S22 ;若否，则结束；S22:通过震动器震动来警示使用者前方齐腰高度存在障碍物。更进一步地，所述导盲方法还包括下述步骤:S3:单片机根据加速度计探测到的使用者行走加速度计算使用者的行走距离；S4:单片机将脚部超声波传感器和腰部超声波传感器分别探测到的障碍物距离以及所述行走距离发送至移动终端；S5:移动终端启动语音模块并给使用者语音提示障碍物距离。本发明使用压力应变片、倾度传感器、加速度计、超声波和单片机等元器件，价格低廉，具体有更好的经济效应；使用压力应变片和倾度传感器共同触发脚部超声波的方式，能够对使用者行走状态进行精确的判断；将地面障碍物探测和空中障碍物探测结合起来，能够更加精确的探测到使用者在行走方向上的障碍物信息；使用互联网或局域网将障碍物距离和使用者行走距离发送给计算机，能够达到远程指导和导航的功能，进一步保障了使用者的行走安全。
图1为本发明第一实施例提供的可穿戴 式的智能导盲系统的模块结构示意图；图2为本发明实施例提供的单片机的电路连接示意图3为本发明第二实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统的模块结构示意图；图4为本发明第三实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统的模块结构示意图；图5为本发明实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统安装结构示意图；图6为本发明实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统中地面障碍物探测装置的安装结构示意图；图7为本发明实施例提供的智能导盲方法的实现主流程示意图；图8为本发明实施例提供的智能导盲方法中地面障碍物探测方法实现流程图；图9为本发明实施例提供的智能导盲方法中空中障碍物探测方法实现流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统主要应用于人机交互、康复辅具领域，该智能导 盲系统能够在视障人士行走的过程中对地面和空中的障碍物进行探测，易穿戴，可靠性强、成本低廉。另外，该智能导盲系统还可以将采集到的信息发送到移动终端上，启动震动器和语音模块，提示使用者行走方向的障碍物距离，同时实现远程提示和导盲的功能。该发明给盲人和视障人士的日常带来了便利，保证了使用者的行走安全，增强了盲人和视障人士的行走能力，提高了他们的生活质量。图1示出了本发明第一实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下:可穿戴式的智能导盲系统包括:用于探测地面障碍物的地面障碍物探测装置，该地面障碍物探测装置包括:单片机1，与单片机I连接的电压跟随器4，分别与电压跟随器4连接的倾度传感器6和压力应变片5，与单片机I连接的脚部超声波传感器8，以及用于将单片机I固定于使用者脚部的固定部件；使用时，压力应变片5安装在使用者鞋的鞋垫处，用于感应使用者在行走时脚的压力并触发脚部超声波传感器8探测地面障碍物距离。其中，固定部件包括固定架，支撑架以及脚部固定带；支撑架用于固定单片机1，固定架用于将支撑架固定于使用者鞋的前端，脚部固定带用于防止支撑架脱落于鞋面。支撑架一般采用塑料等具有绝缘性的材料，由于固定架不与单片机和其他元器件相连，一般采用铁制材料，胶布固定带和腰部固定带一般使用松紧带。固定部件还可以采用其它结构来实现。在本发明实施例中，为了使得使用者能够同时避开空中障碍物，该智能导盲系统还包括:用于探测空中障碍物并被安装于使用者腰部的空中障碍物探测装置。其中，空中障碍物探测装置包括:腰部固定带以及分别与单片机I连接的腰部超声波传感器9、加速度计7和震动器3 ;加速度计7用于探测使用者行走的加速度，腰部超声波传感器9用于探测空中障碍物与使用者之间的距离，震动器3用于在探测到障碍物时提醒使用者；使用时，腰部超声波传感器9、加速度计7和震动器3分别安装于腰部固定带上，所述腰部固定带固定于使用者的腰部。在本发明实施例中，单片机I可以采用型号为C8051F022的单片机芯片，电压跟随器4可以采用型号为LM358的双运算放大器，倾度传感器6可以采用型号为SCA60C的单轴倾角传感器，压力应变片5可以采用型号为BE350-3AA的压力应变片，脚部超声波传感器8和腰部超声波传感器9可以采用型号为HC-SR04的超声波传感器，震动器3可以采用型号为0834L的微型电机，加速度计7可以采用型号为ADXL103的加速度计。本发明提供了一种实用、安全可靠且便于穿戴的智能导盲系统，该导盲系统安装在使用者的鞋上和腰部，利用超声波探测前方的路况信息，能有效的探测到楼梯，门槛，齐腰高度的障碍物以及其他障碍物，经过单片机处理，通过震动器和移动终端给使用者发出警示，提示使用者避开障碍物，实现安全的行走。如图2所示，电压跟随器4与单片机I的数字外设端口 10P3.1连接，脚部超声波传感器8与单片机I的数字外设端口 10P0.2连接，腰部超声波传感器9与单片机I的数字外设端口 10P1.2连接，加速度计7与单片机I的数字外设端口 10P2.2连接，震动器3与单片机I的数字外设端口 10P5.2连接。压力应变片5和倾度传感器6的电源端口与电压跟随器4的OUTPUT端口连接，压力应变片5和倾度传感器6的输出与单片机I的数字外设端口 10P3.2和数字外设端口 10P4.2连接，电源模块2的输出电压为+5V，单片机I的数字外设端口 3的输出端口 10P3.1的输出电压为+5V，电压跟随器4的输出端口 OUTPUT的输出电压为+2.5V。
作为本发明的一个实施例，该智能导盲系统还包括与单片机I连接，用于提供工作电源的电源模块2，电源模块2与单片机I的5V供电端口 VDDIO端口连接。由于工作电压的不同，电压跟随器4将单片机I和压力应变片5和倾度传感器6连接起来。电源模块2为单片机I提供电源，在人的行走过程中，一只脚处于支撑状态时，安装在鞋垫处的压力应变片5感应到压力后，其电阻值会变小，从而输出到单片机I的电压值增大，当电压值大于2V时，且安装在鞋前段的倾度传感器6探测到脚的倾度小于15°时，安装在鞋前端的脚部超声波传感器8触发，开始探测人行走前方路面的障碍物距离。安装在腰部的腰部超声波传感器9和加速度计7在系统初始化之后一直处于工作状态。加速度计7用于感知使用者的行走加速度，从而计算使用者的行走距离，当两个超声波传感器探测到障碍物时，启动震动器3警告使用者。由于导盲系统支撑架被限制在脚的六个自由度上，避免了支撑架与鞋之间相对运动，使托架不易脱落，且支撑架的设计易穿上和脱下，能适用于不同宽度，大小的鞋。使用者穿上智能导盲系统脚部装置和腰部装置，启动系统，使用者开始行走。当使用者在行走过程中，双脚交替接触地面成为支撑脚，当穿戴智能导盲系统的脚作为支撑脚时，鞋垫内的压力应变片的输出电压大于2V，同时智能导盲系统支撑架上的倾度传感器探测到倾度小于15°，于是触发脚部超声波传感器工作，探测地面的障碍物距离。当脚部或腰部超声波传感器探测到障碍物时，启动腰部的震动器，提醒使用者的行走安全。腰部的超声波传感器开始探测障碍物距离。腰部的加速度计也开始计算使用者的行走加速度，然后传输到单片机，单片机开始计算使用者的行走距离。当智能导盲系统的脚不作为支撑脚时，压力应变片和倾度传感器不触发脚部超声波传感器工作，而腰部的超声波传感器和加速度计将继续如上所述的方式工作。可穿戴只能导盲系统伴随着使用者的双脚行走如上述的步骤重复工作，知道使用者停止行走，完成一次导盲任务。
本发明采用单片机开发了该智能导盲系统，对使用者的运动能力没有限制，在使用过程中，充分发挥人的作用，导盲系统和盲人通力合作向着目标前进。该导盲系统和同类产品相比，具有低成本、实用和精确的特点。主要应用于公共场所，如大型超市、博物馆、体育场馆、医院等地面比较平整，有楼梯的地方。图3示出了本发明第二实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统的模块结构，与第一实施例相比，该智能导盲系统增加了移动终端10语音模块11 ;其中，移动终端10与单片机I进行无线通信，语音模块11与移动终端10连接；移动终端10用于接收障碍物距离信息并启动语音模块11给使用者进行语音提示。语音模块11也可以内置于移动终端10中。在第一实施例的基础上，单片机I将接收到脚部超声波传感器和/或腰部超声波传感器探测到的障碍物距离信息和使用者行走距离信息，通过无线收发方式发送给移动终端10，移动终端10接收到障碍物距离信息后，启用语音模块11，采用语音提示的方式，提醒使用者障碍物的距离。其余部分与第一实施例相同，在此不再赘述。移动终端10可以采用智能手机、平板电脑等。图4示出了本发明第三实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统的模块结构，与第二实施例相比，该智能导盲系统增加了计算机12，计算机12通过互联网或局域网与移动终端10进行通信，用于为使用者提供远程指导及导航。在第二实施例的基础上，当移动终端10接收到障碍物距离信息和使用者行走距离信息后，通过互联网/局域网把接收到的障碍物距离信息和使用者行走距离信息发送到计算机12，计算机可以实现远程的行走提示和导航功能，为视障使用者的安全出行提供了保障。其余部分与第二实施例相同，在此不再赘述。为了更进一步的说明本发明实施例提供的可穿戴式的智能导盲系统，现结合图5和图6详细描述其安装结构如下:
该可穿戴式智能导航导盲系统系统安装装置分为两部分:脚部安装装置和腰部安装装置。脚部安装装置的结构为:脚侧面固定支架13、和脚部后侧固定带14将导盲系统支撑架15固定在脚面，限制在脚的六个自由度上，不会由于使用者的行走而脱落，并且能适应不同大小的鞋。单片机1，电源模块2、脚部超声波传感器8和倾度传感器6被固定在导盲系统支撑架15上,倾度传感器6用于触发脚部超声波传感器8,脚部超声波传感器8用于探测地面障碍物距离。压力应变片5安装在鞋的鞋垫处，感应人在行走时脚的压力。腰部安装装置的结构为:腰部超声波传感器9、加速度计7和震动器3被固定在腰部固定带16上，腰部超声波传感器9用于探测空中的障碍物距离，加速度计7用于测量使用者行走加速度，计算使用者行走距离，当脚部超声波传感器8和腰部超声波传感器9探测到障碍物时启动震动器3警示使用者前方存在障碍物。本发明由地面障碍物探测和空中障碍物探测方式组成，两种方式可以分别单独使用，分别探测地面或者空中的障碍物，具有灵活的组合特性；本发明采用脚部支撑架将智能导盲系统安装在鞋上，方便盲人的穿脱，能适用于不同大小的鞋，并且不会由于使用者的行走而脱落，使整个系统易于实施。本发明采用智能终端给使用者进行语音提示，并使用互联网/局域网方式与计算机进行通讯，从而实现系统的远程控制，提高了系统控制的灵活性和使用价值。本发明实施例提供的基于上述可穿戴式的智能导盲系统的一种导盲方法SI具体包括下述步骤:Sll:判断压力应变片5的输出电压是否大于设定的电压阈值，且倾度传感器6探测到的脚部倾度是否小于设定的角度阈值，若是，则进入步骤S12 ;若否，则结束；S12:判断脚部超声波传感器8探测到的地面障碍物距离是否小于设定的第一距离阈值，若是，则进入步骤S13 ;若否，则结束；S13:通过震动器3震动来警示使用者前方地面存在障碍物。其中，电压阈值的范围为2-3V ;角度阈值的范围为0-45° ;第一距离阈值的范围为 0.5m_2m。本发明实施例提供的基于上述可穿戴式的智能导盲系统的另一种导盲方法S2具体包括下述步骤:S21:判断腰部超声波传感器9探测到的空中障碍物距离是否小于设定的第二距离阈值，若是，则进入步骤S22 ;若否，则结束；S22:通过震动器3震动来警示使用者的前方齐腰高度存在障碍物。其中，第二距离阈值的范围为:0.5-1.5米。本发明实施例提供的基于上述可穿戴式的智能导盲系统的导盲方法并行执行方法SI和方法S2的基础上，还包括下述步骤:S3:单片机I根据加速度计7探测到的使用者的行走加速度计算使用者的行走距离；S4:单片机I将脚部超声波传感器8和腰部超声波传感器9分别探测到的障碍物距离以及所述行走距离发送至移动终端10 ；S5:移动终端10启动语音模块11并给使用者语音提示障碍物距离。为了更进一步的说明本发明实施例提供的导盲方法，现以具体实例并结合图7-图9详述如下:图7示出了本发明实施例提供的智能导盲方法的实现主流程，包括:(I)使用者启动智能导盲系统，初始化，进入循环:(2)同时进行地面障碍物探测和/或空中障碍物探测；(3)单片机I通过无线收发方式将脚部超声波传感器8和腰部超声波传感器9探测到的地面和空中障碍物距离，以及使用者行走距离发送至移动终端10 ；(4)移动终端10启动语音模块11给使用者进行语音提示，并通过互联网/局域网发送障碍物距离和使用者行走距离给计算机12，进行远程指导和导航功能，再返回(2)。
图8示出了地面障碍物探测方法的实现流程，具体包括:( I)判断压力应变片5的输出电压是否大于设定的电压阈值，且倾度传感器6探测到的脚部倾度是否小于设定的角度阈值，若是，则进入步骤(2);若否，则结束；在本实例中，电压阈值为2V ;角度阈值为15°。(2)判断脚部超声波传感器8探测到的地面障碍物距离是否小于设定的第一距离阈值，若是，则进入步骤(3);若否，则结束；第一距离阈值为lm。(3)通过震动器3震动来警示使用者前方地面存在障碍物。图9示出了空中障碍物探测方法实现流程，具体包括:( I)判断腰部超声波传感器9探测到的空中障碍物距离是否小于设定的第二距离阈值，若是，则进入步骤(2);若否，则结束；在本实例中，第二距离阈值为I米。(2)通过震动器3震动来警示使用者的前方齐腰高度存在障碍物。因此，本具体实施方式
具有组合方式灵活、易于实施、成本低廉和精度高的特点。可广泛用于盲人和视障人士的室内外的导盲中，从而增强盲人和视障人士的行走能力，提高他们的生活质量。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1.一种可穿戴式的智能导盲系统，包括用于探测地面障碍物的地面障碍物探测装置，其特征在于，所述地面障碍物探测装置包括:单片机，与所述单片机连接的电压跟随器，分别与所述电压跟随器连接的倾度传感器和压力应变片，与所述单片机连接的脚部超声波传感器以及用于将所述单片机固定于使用者脚部的固定部件； 使用时，压力应变片安装在使用者鞋的鞋垫处，用于感应使用者在行走时脚的压力并触发脚部超声波传感器探测地面障碍物距离。
2.如权利要求1所述的智能导盲系统，其特征在于，所述智能导盲系统还包括用于探测空中障碍物并被安装于使用者腰部的空中障碍物探测装置。
3.如权利要求2所述的智能导盲装置，其特征在于，所述空中障碍物探测装置包括:腰部固定带以及分别与所述单片机连接的腰部超声波传感器、加速度计和震动器； 加速度计用于探测使用者行走的加速度，腰部超声波传感器用于探测空中障碍物与使用者之间的距离，震动器用于在探测到障碍物时提醒使用者； 使用时，腰部超声波传感器、加速度计和震动器分别安装于腰部固定带上，所述腰部固定带固定于使用者的腰部。
4.如权利要求1-3任一项所述的 智能导盲装置，其特征在于，所述智能导盲系统还包括与所述单片机进行无线通信的移动终端以及与所述移动终端连接的语音模块；移动终端用于接收障碍物距离信息并启动所述语音模块给使用者进行语音提示。
5.如权利要求4所述的智能导盲系统，其特征在于，所述智能导盲系统还包括通过互联网或局域网与所述移动终端进行通信的计算机，用于为使用者提供远程指导及导航。
6.如权利要求1-5任一项所述的智能导盲系统，其特征在于，所述智能导盲系统还包括与单片机连接用于提供工作电源的电源模块。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的智能导盲系统的导盲方法,其特征在于,包括下述步骤: 511:判断压力应变片的输出电压是否大于设定的电压阈值，且倾度传感器探测到的脚部倾度是否小于设定的角度阈值，若是，则进入步骤S12 ;若否，则结束； 512:判断脚部超声波传感器探测到的地面障碍物距离是否小于设定的第一距离阈值，若是，则进入步骤S13 ;若否，则结束； 513:通过震动器震动来警示使用者前方地面存在障碍物。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电压阈值的范围为2-3V;角度阈值的范围为0-45° ;第一距离阈值的范围为0.5m-2m。
9.一种基于权利要求1-6任一项所述的智能导盲系统的导盲方法,其特征在于,包括下述步骤: 521:判断腰部超声波传感器探测到的空中障碍物距离是否小于设定的第二距离阈值，若是，则进入步骤S22 ;若否，则结束； 522:通过震动器震动来警示使用者前方齐腰高度存在障碍物。
10.如权利要求8或9所述的导盲方法，其特征在于，包括下述步骤: S3:单片机根据加速度计探测到的使用者行走加速度计算使用者的行走距离； S4:单片机将脚部超声波传感器和腰部超声波传感器分别探测到的障碍物距离以及所述行走距离发送至移动终端；S5:移动终端启动语音模块 并给使用者语音提示障碍物距离。
全文摘要
本发明公开了一种可穿戴式的智能导盲系统，包括地面障碍物探测装置和空中障碍物探测装置，地面障碍物探测装置包括单片机，电压跟随器，倾度传感器，压力应变片，脚部超声波传感器，固定架，支撑架和脚部固定带；支撑架用于固定单片机，固定架用于将支撑架固定于使用者鞋的前端，脚部固定带用于防止支撑架脱落于鞋面；空中障碍物探测装置包括腰部固定带，腰部超声波传感器，加速度计和震动器；压力应变片安装在鞋的鞋垫处，用于感应使用者在行走时脚的压力并触发脚部超声波传感器探测地面障碍物距离；腰部超声波传感器用于探测空中障碍物与使用者之间的距离，并通过震动器提醒使用者。本发明具有易穿戴、实时性高、可靠性强和价格低廉等特点。
文档编号A61H3/06GK103169598SQ20131008427
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者黄剑, 徐文霞, 王永骥, 陆彦琦, 陶春静, 王喜太 申请人:华中科技大学