一种盲人及弱视群体用导航设备的制作方法

本发明涉及出行辅助设备领域，具体涉及一种盲人及弱视群体用导航设备。

背景技术：

盲人是一个特殊的群体，他们由于先天或者后天的原因丧失了视觉机能，日常生活特别是出行受到很大的制约。世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万，我国有视力残疾患者近1300万，其中盲人约550万，低视力约750万。现实生活中，大部分的盲人都是通过普通的竹、木杖或者普通盲杖来辅助行走，这种盲杖仅是一根普通的长杆，它只能通过探测局部的障碍、对路面及空中的危险障碍只能限制在盲杖所能触及的范围，即使目前普通盲杖通过夜视发光油漆等来提高被动识别能力，但盲人无法主动知晓是否被他人已经有效识别。

现有的手杖不具备主动寻找功能，使用者一旦忘记其所在位置，将难以寻找。现有的带有导航功能的手杖通常将电子设备全集中在手杖上，而手杖自身的体积容量有限，会使得自身电池容量小，导致续航能力差，且过多的在手杖上集成电子设备，加重了手杖的重量，增加了使用者手部的负荷，会极大的影响使用者的正常使用。此外，现有的带导航功能的手杖均依赖于gps进行导航，其实质是将普通的导航设备装于手杖中，其并不能解决室内导航需求和固定场所的短距离导航需求，使得使用者在使用时依然存在诸多不便。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种盲人及弱视群体用导航设备解决了现有导航手杖使用不便的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种盲人及弱视群体用导航设备，其包括服务器、手杖、背包和rfid主动标签；手杖包括杖体和把手；杖体内设置有第一电池、第一控制模块、第一无线通信模块、第一陀螺仪、rfid识别器和第一扬声器，杖体的前端设置有双目相机、超声波检测器、照明灯和光线传感器；把手上设置有物理反馈模块和第一麦克风；第一控制模块分别与第一电池、物理反馈模块、第一无线通信模块、第一扬声器、双目相机、超声波检测器、照明灯、光线传感器、第一陀螺仪和rfid识别器相连接；

背包包括控制盒，控制盒内设置有第二控制模块、第二麦克风、gps模块、第二电池、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第二陀螺仪、第二扬声器、存储器和有线充电器；控制盒的后端设置有警示灯；第二控制模块分别与第二电池、第二麦克风、gps模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第二陀螺仪、第二扬声器、存储器、警示灯和有线充电器相连接；

rfid主动标签，用于对放置地点进行标定；

第一电池，用于向手杖中的电子器件供电；

物理反馈模块，用于根据第一控制模块的信号通过物理接触式向用户反馈信息；

第一无线通信模块，用于与第二无线通信模块无线连接，使第一控制模块与第二控制模块进行无线通信；

rfid识别器，用于识别rfid主动标签的信息，并将获取的信息发送至第一控制模块；

第一陀螺仪，用于获取手杖的位姿信息；

第一扬声器，用于根据第一控制模块的信号播报声音信息；

双目相机，用于获取手杖前方的立体空间信息和图像信息，并将立体空间信息和图像信息发送至第一控制模块；

超声波检测器，用于获取与障碍物的距离信息，并将获取的信息发送至第一控制模块；

照明灯，用于根据第一控制模块的信号对手杖前方的环境进行照明；

光线传感器，用于获取周围环境的明暗信息，并将获取的信息发送至第一控制模块；

第一麦克风，用于获取所接收到的声音信息，并将其发送至第一控制模块；

第一控制模块，用于解析来自第一麦克风的信息所包含的指令并控制手杖上的器件进行对应的操作，当指令不指向手杖上的器件时，将其发送至第二控制模块；用于解析来自rfid识别器的信息，获取与对应rfid主动标签的距离，并将该距离信息发送至第二控制模块；用于控制第一扬声器播报声音信息；用于根据第二控制模块的数据控制物理反馈模块工作；用于将双目相机的数据和第一陀螺仪的数据进行预处理后发送至第二控制模块；用于获取超声波检测器的数据，获取与周围障碍物的距离；用于获取光线传感器的数据，并根据该数据控制照明灯工作；用于获取来自第二控制模块的数据并根据该数据对手杖上的器件进行对应的操作；

第二麦克风，用于获取所接收到的声音信息，并将其发送至第二控制模块；

gps模块，用于获取背包所在位置，并将其发送至第二控制模块；

第二电池，用于提供电能；

第二无线通信模块，用于与第一无线通信模块无线连接，使第二控制模块与第一控制模块进行无线通信；

第三无线通信模块，用于与服务器相连接，并用于访问互联网；

第二陀螺仪，用于获取背包的位姿信息，并将该信息发送至第二控制模块；

第二扬声器，用于根据第二控制模块的信号播报声音信息；

存储器，用于存储数据；

警示灯，用于向周围的人发出灯光警示；

有线充电器，用于接入市电并向第一电池和第二电池充电；

第二控制模块，用于获取来自第一控制模块的数据，并判断该数据中的指令信息是否指向控制盒中的电子器件，若是则进行相应的操作，否则将该指令信息发送至服务器；用于将来自第一控制模块的数据存入存储器；用于根据双目相机的数据获取路标信息、手杖所在环境的位置以及路面状况信息，并根据第一陀螺仪的数据进行位置修正，根据位置修正后的数据和路面状况信息进行实时通行预警；用于根据用户指令、通过rfid识别器得到的距离信息和rfid主动标签的布设位置进行基于rfid的导航规划；用于解析来自第二麦克风的信息所包含的指令，判断该指令是否指向控制盒或手杖中的电子器件，若是则对该电子器件进行对应操作，否则将该指令发送至服务器；用于根据gps模块的数据对背包进行定位；用于根据背包的位姿信息和导航设备的工作状态获取使用者的状态，并将使用者的状态发送至服务器；用于控制第二扬声器播报声音信息；用于向存储器写入导航设备工作时产生的数据，并读取预存在存储器中的数据；用于控制警示灯工作；用于根据来自服务器的导航数据进行语音导航；

服务器，用于根据背包的位置信息和目的地信息在线规划导航路线，并将导航数据发送至第二控制模块；在线解析语音数据中的指令，并获取互联网中与该指令所对应的音频资源，将该音频资源发送至第二控制模块并通过第一扬声器和/或第二扬声器播放。

进一步地，背包的侧面设置有带无线充电的耳机收纳盒，无线充电的耳机收纳盒内放置有无线充电式蓝牙耳机；带无线充电的耳机收纳盒的充电部件与第二电池相连接；控制盒内还设置有蓝牙模块，蓝牙模块与第二控制模块相连接。

进一步地，背包的侧面还设置有与第二控制模块相连接的声音通道切换开关，声音通道切换开关用于控制音频由第一扬声器和/或第二扬声器和/或无线充电式蓝牙耳机输出。

进一步地，第一无线通信模块和第二无线通信模块均为wifi模块。

进一步地，第三无线通信模块为5g模块和/或4g模块。

进一步地，手杖与背包之间设置有弹簧线。

进一步地，背包的侧面还设置有用于挂放手杖的卡套。

进一步地，控制盒设置在背包的下端，背包内设置有位于控制盒上端的空室。

进一步地，控制盒的下端设置有散热器。

进一步地，物理反馈模块包括至少由9个物理反馈单元构成的m×n点阵，每个物理反馈单元均包括活动导管，活动导管内活动设置有永磁体；活动导管的一端封设有弹性材质的封口，另一端设置有铁块，活动导管的封口端为物理反馈端；铁块上绕设有与第一控制模块相连接的线圈，线圈在通电时产生排斥永磁体的磁场，使得永磁体在物理反馈单元断电时向铁块方向运动，永磁体在物理反馈单元通电时向封口运动并冲击封口；其中m和n均为正整数且均大于等于3。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以在室内或短距离环境中通过布置rfid主动标签对各个位置进行标定，通过识别rfid的标签以及标签的信号强度来进行环境位置定位，进而实现在室内环境中或短距离环境下的导航。

2、本发明可以通过第一麦克风和第二麦克风获取使用者的语音指令，可语音控制照明灯和警示灯的开启与关闭，可语音控制获取互联网中的音频数据，通过互联网收音，解决烦闷问题。亦可通过语音查询目的地信息，获取导航数据。此外，使用者还可以通过语音唤醒手杖或背包，通过第一扬声器或第二扬声器的应答来帮助使用者大致定位手杖或背包的位置，有助于寻找手杖或背包。

3、本发明缩减了手杖中的数据处理器件，减少了体积占用，可以为第一电池提供更大的空间，进而有效提高手杖的续航能力，减轻手杖的重量，减少使用者的负荷。本发明将功耗较大的电子器件设置在背包中，通过背的形式减少导航设备的自重对使用者出行过程中手上的负担。

4、本发明可以通过第一陀螺仪的数据来修正双目相机在手杖使用过程中晃动造成的图像波动，使双目相机获取的图像在校正后维持正常，进而通过双目相机的图像数据对手杖所在环境进行三维建模，将三维模型中的空间数据以语音的形式进行播报，提醒使用者前方的路面情况，并结合导航路线向使用者播报具体行进方向。

5、本发明可自动检测环境的明暗程度，当明暗程度低于阈值时，自动开启照明灯进行补光，超声波检测器也可检测手杖前方障碍物的距离，辅助双目相机的检测给出避障提醒。

6、由于第二陀螺仪产生持续变化的信号可以表示背包在运动过程中，即可认为使用者带着背包在行走，故本发明的警示灯可以在第二控制模块检测到第二陀螺仪产生持续变化的信号时进行点亮，提醒使用者后方人员注意避让，保证使用者及其他行人的安全。

7、本发明设置的声音通道切换开关可以手动选择输出方式，避免使用者并未佩戴无线充电式蓝牙耳机，但无线充电式蓝牙耳机却与蓝牙模块连接时主动切断第一扬声器和/或第二扬声器的音频输出所造成的音频断源，保证选定的输出方式可持续输出音频数据。

8、第一无线通信模块和第二无线通信模块均为wifi模块，可以使背包和手杖的无线连接距离达到数十米，满足在普通家庭中背包和手杖放置在不同地方依然保持数据连接，便于通过语音指令查找手杖或背包的大概位置。

9、弹簧线可以将手杖和背包进行连接，避免使用者在户外驻足时丢失手杖；且设置在背包侧面的卡套也可以挂放手杖，避免使用者在驻足时也不能放开手杖的尴尬。

10、背包内设置在控制盒上端的空室也可以存放其他物品，散热器有助于控制盒内部的电子器件散热。

11、物理反馈模块通过控制每个物理反馈单元的通电时间来控制铁块对封口的冲击，当人手握于物理反馈模块处时，即可感受到冲击感。本发明通过点阵的形式在不同的时间点控制不同的物理反馈单元工作，可形成带有方向的反馈路线，根据导航中的前进方向指令控制物理反馈模块即可通过物理感知形式向使用者传递前进方向，可减少环境噪音对语音播报的干扰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路框图；

图3为物理反馈单元的结构示意图。

其中：1、杖体；2、把手；3、双目相机；4、光线传感器；5、超声波检测器；6、照明灯；7、rfid识别器；8、第一扬声器；9、物理反馈模块；10、第一麦克风；11、声音通道切换开关；12、第二扬声器；13、卡套；14、警示灯；15、控制盒；16、空室；17、带无线充电的耳机收纳盒；18、活动导管；19、永磁体；20、封口；21、铁块；22、线圈；23、弹簧线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，该盲人及弱视群体用导航设备包括服务器、手杖、背包和rfid主动标签；手杖包括杖体1和把手2；杖体1内设置有第一电池、第一控制模块、第一无线通信模块、第一陀螺仪、rfid识别器7和第一扬声器8，杖体1的前端设置有双目相机3、超声波检测器5、照明灯6和光线传感器4；把手2上设置有物理反馈模块9和第一麦克风10；第一控制模块分别与第一电池、物理反馈模块9、第一无线通信模块、第一扬声器8、双目相机3、超声波检测器5、照明灯6、光线传感器4、第一陀螺仪和rfid识别器7相连接；

背包包括控制盒15，控制盒15内设置有第二控制模块、第二麦克风、gps模块、第二电池、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第二陀螺仪、第二扬声器12、存储器和有线充电器；控制盒15的后端设置有警示灯14；第二控制模块分别与第二电池、第二麦克风、gps模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第二陀螺仪、第二扬声器12、存储器、警示灯14和有线充电器相连接；

rfid主动标签，用于使用者自定义放置，进而对放置地点进行标定；

第一电池，用于向手杖中的电子器件供电；

物理反馈模块9，用于根据第一控制模块的信号通过物理接触式向用户反馈信息；

第一无线通信模块，用于与第二无线通信模块无线连接，使第一控制模块与第二控制模块进行无线通信；

rfid识别器7，用于识别rfid主动标签的信息，并将获取的信息发送至第一控制模块；

第一陀螺仪，用于获取手杖的位姿信息；

第一扬声器8，用于根据第一控制模块的信号播报声音信息；

双目相机3，用于获取手杖前方的立体空间信息和图像信息，并将立体空间信息和图像信息发送至第一控制模块；

超声波检测器5，用于获取与障碍物的距离信息，并将获取的信息发送至第一控制模块；

照明灯6，用于根据第一控制模块的信号对手杖前方的环境进行照明；

光线传感器4，用于获取周围环境的明暗信息，并将获取的信息发送至第一控制模块；

第一麦克风10，用于获取所接收到的声音信息，并将其发送至第一控制模块；

第一控制模块，用于解析来自第一麦克风10的信息所包含的指令并控制手杖上的器件进行对应的操作，当指令不指向手杖上的器件时，将其发送至第二控制模块；用于解析来自rfid识别器7的信息，获取与对应rfid主动标签的距离，并将该距离信息发送至第二控制模块；用于控制第一扬声器8播报声音信息；用于根据第二控制模块的数据控制物理反馈模块9工作；用于将双目相机3的数据和第一陀螺仪的数据进行预处理后发送至第二控制模块；用于获取超声波检测器5的数据，获取与周围障碍物的距离；用于获取光线传感器4的数据，并根据该数据控制照明灯6工作；用于获取来自第二控制模块的数据并根据该数据对手杖上的器件进行对应的操作；

第二麦克风，用于获取所接收到的声音信息，并将其发送至第二控制模块；

gps模块，用于获取背包所在位置，并将其发送至第二控制模块；

第二电池，用于提供电能；

第二无线通信模块，用于与第一无线通信模块无线连接，使第二控制模块与第一控制模块进行无线通信；

第三无线通信模块，用于与服务器相连接，并用于访问互联网；

第二陀螺仪，用于获取背包的位姿信息，并将该信息发送至第二控制模块；

第二扬声器12，用于根据第二控制模块的信号播报声音信息；

存储器，用于存储数据；

警示灯14，用于向周围的人发出灯光警示；

有线充电器，用于接入市电并向第一电池和第二电池充电；

第二控制模块，用于获取来自第一控制模块的数据，并判断该数据中的指令信息是否指向控制盒15中的电子器件，若是则进行相应的操作，否则将该指令信息发送至服务器；用于将来自第一控制模块的数据存入存储器；用于根据双目相机3的数据获取路标信息、手杖所在环境的位置以及路面状况信息，并根据第一陀螺仪的数据进行位置修正，根据位置修正后的数据和路面状况信息进行实时通行预警；用于根据用户指令、通过rfid识别器7得到的距离信息和rfid主动标签的布设位置进行基于rfid的导航规划；用于解析来自第二麦克风的信息所包含的指令，判断该指令是否指向控制盒15或手杖中的电子器件，若是则对该电子器件进行对应操作，否则将该指令发送至服务器；用于根据gps模块的数据对背包进行定位；用于根据背包的位姿信息和导航设备的工作状态获取使用者的状态，并将使用者的状态发送至服务器；用于控制第二扬声器12播报声音信息；用于向存储器写入导航设备工作时产生的数据，并读取预存在存储器中的数据；用于控制警示灯14工作；用于根据来自服务器的导航数据进行语音导航；

服务器，用于根据背包的位置信息和目的地信息在线规划导航路线，并将导航数据发送至第二控制模块；在线解析语音数据中的指令，并获取互联网中与该指令所对应的音频资源，将该音频资源发送至第二控制模块并通过第一扬声器8和/或第二扬声器12播放。

背包的侧面设置有带无线充电的耳机收纳盒17，带无线充电的耳机收纳盒17内放置有无线充电式蓝牙耳机；带无线充电的耳机收纳盒17的充电部件与第二电池相连接；控制盒15内还设置有蓝牙模块，蓝牙模块与第二控制模块相连接。

背包的侧面还设置有与第二控制模块相连接的声音通道切换开关11，声音通道切换开关11用于控制音频由第一扬声器8和/或第二扬声器12和/或无线充电式蓝牙耳机输出。

第一无线通信模块和第二无线通信模块均为wifi模块。第三无线通信模块为5g模块和/或4g模块。

手杖与背包之间设置有可拆卸式的弹簧线23，弹簧线23的内部可以设置用于连接第一电池和第二电池的导线，使得第一电池和第二电池可以相互补充电量。背包的侧面还设置有用于挂放手杖的卡套13。控制盒15设置在背包的下端，背包内设置有位于控制盒15上端的空室16。控制盒15的下端设置有散热器。

如图3所示，物理反馈模块9包括至少由9个物理反馈单元构成的m×n点阵，每个物理反馈单元均包括活动导管18，活动导管18内活动设置有永磁体19；活动导管18的一端封设有弹性材质的封口20，另一端设置有铁块21，活动导管18的封口20端为物理反馈端；铁块21上绕设有与第一控制模块相连接的线圈22，线圈22在通电时产生排斥永磁体19的磁场，使得永磁体19在物理反馈单元断电时向铁块21方向运动，永磁体19在物理反馈单元通电时向封口20运动并冲击封口20；其中m和n均为正整数且均大于等于3。

在本发明的一个实施例中，相关人员可以将rfid主动标签设置在使用者的主要生活环境中，并对不同的rfid主动标签所在位置进行标定，将标定信息存入存储器，建立基于rfid主动标签的具体场景导航模型。当使用者需要在该区域中导航行走时，通过语音指令下达导航需求，第二控制模块根据导航需求调取存储器中的基于rfid主动标签的具体场景导航模型并建立路线，第二控制模块判断手杖位于目的地时是否可能超出手杖与背包的数据连接极限距离，若是则先通过第一扬声器8提醒使用者带上背包，否则将导航线路发送至第一控制模块，第一控制模块在获取导航路线后，通过第一扬声器8向使用者播报前行方向。导航过程中，rfid识别器7持续识别rfid主动标签的信息，第二控制模块实时根据来自rfid识别器7的数据更新手杖的位置与导航路线，直至手杖位于目的地。在导航过程中，若手杖与背包的连接信号弱于阈值时，第一控制模块通过第一扬声器8和/或物理反馈模块9提醒使用者手杖与背包即将断开连接，谨慎前行。

当使用者需要带上手杖和背包外出时，使用者可以通过第一麦克风10或第二麦克风下达寻找唤醒手杖或背包的语音指令，当手杖或背包在收到语音指令后会进行声音回馈，便于使用者快速获取手杖或背包。当使用者已获取手杖，但未收到背包的声音回馈时，使用者可以向手杖发送查找背包的语音指令，第一控制模块将查找指令通过第一无线通信模块和第二无线通信模块发送至第二控制模块，第二控制模块控制第二扬声器12发出反馈声音。反之也可通过背包寻找手杖，使使用者快速获取手杖与背包。

当使用者在未设立rfid主动标签的环境下需要导航时，导航设备通过第一麦克风10或第二麦克风获取目的地数据，并通过服务器建立导航数据，第二控制模块在获取来自服务器的导航数据时，通过第一扬声器8、第二扬声器12和无线充电式蓝牙耳机同时提醒使用者通过声音通道切换开关11选择导航音频的输出方式，并在每次使用声音通道切换开关11后通过所选择的方式语音提醒使用者所选中的音频输出方式，例如使用者选中的音频输出方式为“仅无线充电式蓝牙耳机输出音频”，则只通过无线充电式蓝牙耳机提醒使用者所选中的音频输出方式为“仅无线充电式蓝牙耳机输出音频”。声音通道切换开关11可以是多个按键分别对应至少一种音频输出方式，也可以是单个按键通过单次按压切换音频输出方式。音频输出方式包括仅无线充电式蓝牙耳机输出、仅第一扬声器8输出、仅第二扬声器12输出、无线充电式蓝牙耳机与第一扬声器8共同输出、第一扬声器8与第二扬声器12共同输出、无线充电式蓝牙耳机与第二扬声器12共同输出和无线充电式蓝牙耳机、第一扬声器8和第二扬声器12共同输出七种方式。

使用者在导航前行过程中，第二控制模块启动控制盒15内除有线充电器外的电子器件工作，并实时获取第二陀螺仪的数据、gps模块的数据、来自第二麦克风的语音数据、来自服务器的数据和来自第一控制模块的数据。第一控制模块启动手杖内的电子器件工作，并实时获取第一陀螺仪的数据、光线传感器4的数据、双目相机3的数据、超声波检测器5的数据、rfid识别器7的数据、来自第一麦克风10的语音数据和来自第二控制模块的数据。

本发明通过第一陀螺仪的数据来修正双目相机3在手杖使用过程中晃动造成的图像波动，使双目相机3获取的图像在校正后维持正常，进而通过双目相机3的图像数据对手杖所在环境进行三维建模，将三维模型中的空间数据以语音的形式进行播报，提醒使用者前方的路面情况(例如台阶、门槛、石墩等)，并结合导航路线向使用者播报具体行进方向。

通过控制每个物理反馈单元的通电时间来控制铁块21对封口20的冲击，当人手握于物理反馈模块9处时，即可感受到冲击感。本发明通过点阵的形式在不同的时间点控制不同的物理反馈单元工作，可形成带有方向的反馈路线，根据导航中的前进方向指令控制物理反馈模块9即可通过物理感知形式向使用者传递前进方向，可减少环境噪音对语音播报的干扰。例如前方路口是直行，当使用者到达路口时，位于点阵中间一排的物理反馈单元从后往前依次工作，给使用者直线向前的冲击线路，用来表示路口向前；当需要转弯时，从点阵的后端向左前方或者右前方一起驱动物理反馈单元，形成朝向左前方或右前方的冲击路线，表示左转或右转。同理，在点阵上形成回形的冲击路线可表示需要掉头行进。

当行进途中超声波检测器5或第二控制器从双目相机3获取的图像中检测出障碍物时，通过语音播报的形式对使用者进行预警。当使用者需要休息解闷时，可以通过下发语音指令的方式获取互联网中的音频信息。第二控制模块还可以从双目相机3的图像数据中识别路标信息和公交车线路信息，增加使用者的信息获取量。

当第二陀螺仪在导航过程中出现数据波动超出一般行走的数据时，可表示使用者出现跌倒等意外状况，第二控制模块向服务器发送警告，并由服务器将该警告以及gps信号发送至使用者的亲友处，向使用者的亲友报警。当第三无线通信模块无法与服务器进行连接时，第二控制模块可以根据存储器中预存的离线地图数据进行离线导航。当第三无线通信模块与服务器保持连接时，优先采取服务器在线导航模式。

综上所述，本发明可进行室内导航和室外导航，并对导航过程中的环境进行监控，不仅可以进行障碍物预警，还可以提前向使用者预告路面信息，减少使用者的探路时间，并缓解使用者手上的负荷，适用于盲人及弱视群体。