基于多传感器的智能语音导盲服研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 24 日 作者简介：温家炜（2002），男，汉族，广东肇庆人，广州应用科技学院，本科在读，研究方向为电气工程及其自动化。-158-基于多传感器的智能语音导盲服研究 温家炜 陈开潭 陈俊贤 何铭志 陈增楠 广州应用科技学院，广东 肇庆 526070 摘要：摘要：本论文旨在设计一种智能导盲服，以帮助视障人士在日常生活中更好地移动和导航。该导盲服通过使用先进的传感技术和人工智能算法，能够感知周围环境，并给予使用者实时的导航指引和预警。首先，我们引入了超声波传感器，用于检测行走过程中的障碍物和距离。这些传感器配合人工智能算法，能够精确地测量距离和识别障碍物的位置，可以及时发出警报并指导使用者绕过障碍物。此外，导盲服还配备了震动反馈装置，能够通过震动向使用者传递信息。当出现紧急情况或需要特殊提示时，导盲服会通过震动模块向使用者传递相关信息，帮助使用者及时做出反应。本论文还通过实验和测试验证了智能导盲服的可行性和实用性。结果表明，导盲服能够显著提高视障人士的导航能力，减少事故风险，并提升他们的生活质量。关键词：关键词：智能导盲服；一键求助；智能避障；语音播报 中图分类号：中图分类号：TS941 0 引言 目前，导盲犬和盲杖是盲人生活中最常见的辅助工具。虽然它们都可以帮助盲人在日常生活中移动，但是它们都存在一些问题，比如造价高，用起来不够灵活等。因此，在本论文中，我们将介绍一种基于 51单片机的导盲服，这种导盲服可以在一定程度上解决这些问题。1 设计理念 1.1 现有导盲产品的不足 目前的导盲产品在以下几个方面存在一些不足：定位精度不高：大部分导盲产品主要依靠 GPS 定位来提供导航信息，但 GPS 的精度有限，尤其在城市地区高楼密集、信号干扰多的情况下，定位的准确性会受到影响，导致导航指引的不准确。环境感知不全面：传统导盲产品通常只能提供基本的路线导航功能，无法全面感知环境中的障碍物和危险因素。对于盲人来说，除了导航，及时发现和避开人群、障碍物等也非常重要。使用方式不便捷：一些导盲产品需要通过外部设备（如智能手柄）或手机来进行操作和接收导航信息，这对于盲人来说可能不太方便。另外，一些产品的用户界面设计复杂，操作界面不易上手，使用起来可能存在一定的困难。缺乏个性化定制：不同盲人的导航需求和偏好各异，但目前的导盲产品缺乏个性化定制的功能。无法根据用户的特殊需求进行灵活调整和优化，无法提供个性化的导航体验。价格较高：一些高级导盲产品的价格较高，使得普通盲人难以承担。这限制了产品的普及和推广，使很多盲人无法享受到先进导盲技术带来的便利。针对上述问题，未来的发展方向可以是结合人工智能、机器视觉和传感器技术，开发更智能、全面、易用且个性化定制的导盲产品。可以考虑使用更精准的定位技术（如基站定位、惯性导航等）、引入计算机视觉来实现障碍物检测和环境感知、改善操作界面的设计和交互方式等。同时，还需不断降低成本，提高产品的可负担性，以更好地满足盲人用户的需求。本产品智能导盲杖是一种利用人工智能技术来辅助视力障碍人士行动的辅助工具。1.2 作品设计理念 高精度感知：作品应在导航和避障方面具备高精度感知能力。通过使用先进的传感器技术，实时感知周围环境，包括障碍物、斜坡、楼梯等，提供准确的导航引导和避障功能。多感官反馈：除了视觉提示之外，作品应提供多种感官反馈，如声音、振动等。通过声音提示用户前方的障碍物类型和距离，振动提示方向转向等信息，使用户能够更直观地感知环境。智能导航：作品应提供导航功能，可根据用户目中国科技期刊数据库 工业 A-159-的地提供路径规划和导航指引。通过声音提示和振动反馈，指示用户在路线上的行进方向，帮助他们到达目的地。辅助通信功能：作品设计可以考虑加入通信功能，使用户能够与亲友或导盲人士进行交流。这样，用户在遇到困难或需要帮助时，可以与他人进行即时沟通。长续航时间：作品应具备长续航时间，以确保用户在出行过程中不会因为电池耗尽而受限。轻量化设计：导盲服的重量是用户关注的重点之一。作品设计可以注重轻量化材料的选择，以减轻用户长时间使用导致的疲劳感。根据用户的需求，作品设计的目标是提供准确的导航和避障功能、方便的通信和长续航时间的智能导盲服，以提高用户的出行安全和生活质量。2 功能实现 导盲服是一种针对视障人士设计的智能辅助装备，旨在通过结合物联网、传感器技术和人工智能的应用，提供视障人士在日常生活中的导航和安全保障，见图 1。图 1 系统框架图 2.1 障碍物检测功能 导盲服配备了多种传感器，能够实时检测周围环境中的障碍物，如行人、车辆、墙壁等，并及时向使用者发出警示，避免碰撞和意外事故的发生。避障功能需要超声波测距模块，本产品选用由超声波发射器、超声波接收器以及控制电路组成 HC-SR04 模块，探测盲区为 2 cm，最大探测距离为 400 cm。超声波由发射器发射遇障碍物折射后被接收器接收，根据超声波从射出和折射回来的时间差与超声波的传播速度，方可计算得出障碍物和超声波模块间距离1。本产品依靠产生波测距并将数据传输给单片机，令单片机判断是否要让蜂鸣器和语音模块发出预警声音，距离低于设定值时警示灯亮绿灯，高于设定值则亮红灯并蜂鸣器报警提示。2.2 语音交互功能 导盲服可通过语音交互与使用者进行对话，回答使用者的问题，并提供实时的语音反馈。使用者可以通过语音指令控制导航和一键求助等功能。由于考虑到使用群体的可能分布在各个年龄段，必须选择一款稳定性强，发音清晰准确的语音模块，所以本产品选用天问 ASPRO 语音模块，该芯片内置脑神经网络处理器，支持 DNNTDNNRNN 等神经网络及卷积运算硬件运算，非软件运算，支持语音识别、声纹识别、语音增强、语音检测、单麦克风降噪增强、单麦克风回声消除、360 度全方位拾音等功能。当语音模块启动后，天问 ASPRO 使用麦克风来采集用户的语音输入，对采集到的语音信号经过预处理进行降噪、降采样等操作，以提高语音识别的准确性和性能，基于深度学习技术，ASPRO 使用训练好的语音识别模型来将语音特征向量转化为对应的文本，同时也可以让 ASPRO 对单片机输入高电平或低电平。2.3 紧急求助功能 导盲服内置紧急求助按钮，当使用者遇到危险或需要帮助时，可以通过按钮发送紧急求助信号，并将所在位置信息传达给紧急联系人。SIM900A 在本产品中可以起到一键求助2的功能，按下产品中的K1键是发送定位求助短信和拨打紧急联系人电话，让紧急联系人知道使用者需要求助，从而保障使用者的安全，本产品使用 ATGM332D 定位模块3，稳定可靠，定位误差小，能使紧急联系人在最短时间内找到使用者。由于本产品配有天问 ASPRO 模块，使用者也可以通过用语音输入代替按键输入来控制一键求助功能的使用。2.4 健康监测功能 导盲服还可以监测使用者的生理参数，如心率、血压等，以及环境参数，如温度、湿度等，通过数据分析和预警功能提供健康管理和安全保障。本产品使用 DHT11 温湿度检测模块和 MAX30102 心率检测模块实现该功能。DHT11 可以实时监测环境的温度、湿度，并通过语音模块播报，DHT11 是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有可靠的稳定性，响应快，抗干扰能力强。传感器包括一个高分子电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件。MAX301021 一通中国科技期刊数据库 工业 A-160-过光溶积法，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量的；二通过光源，采用对动脉血中氧合血红蛋白(Hb02)和血红蛋白，(Hb)有选择性的特定波长的发光二极管；三通过透光率转化为电信号动脉搏动充血容积化导到光的透光率发生改变,此时由光电变换接收经人体组织反射光线,转变为电信号并将其放大和输出，从而完成本产品中健康监测功能。2.5 光敏与灯光功能 本设计 LED 灯由光照传感器控制，光照传感器检测到的光照强度将转换成电压值，当光照强度低于某一设定值时自动打开导盲服上的 LED 灯，警示周围的行人及车辆及时避让，给使用者带来更大的安全。3 软件设计 软件代码程序使用 Keil uVision5 和天问 Block软件开发，用 C 语言进行程序编写。主程序包括超声波模块、GSM 通信模块、语音播报模块、光敏灯光模块、GPS 模块、温湿度检测模块和心率检测模块七个子模块，它们共同构成了整个系统的核心功能。系统在启动时，超声波模块会立即监测周围的距离。如果检测到距离低于预设值，系统将触发蜂鸣器发出警报信号，并启动 GPS 模块获取用户所在位置的经纬度信息。用户也可以通过按下相应按钮、语音指令或其他触发方式来主动启动GPS定位和发送短信功能。例如，用户可以按下特定按钮，或说出“启动定位”等语音指令，系统会立即启动 GPS 模块获取当前位置，并发送短信给预设号码和备用号码。心率检测模块可以实时监测用户的心率情况，主程序直接处理心率数据，实现对用户心率信息的实时监测和处理。系统会根据心率情况提醒用户是否需要及时就医或采取其他应对措施。语音播报模块可以通过语音提示用户当前的环境信息、警告信息和操作指引，帮助视障人士更好地了解自己的身体状况和周围环境情况。温湿度检测模块可以实时检测周围环境的温度和湿度情况，并且可以通过语音播报模块进行实时读取。这样，用户可以根据环境温湿度情况进行相应调整，保障身体状况健康。通过 GSM 通信模块，用户可以使用按键触发打电话功能、发送短信功能，或者使用语音识别输入触发发送短信和打电话功能。系统通过语音识别功能识别用户的语音指令，并执行相应的操作。例如，用户可以说“向家人求助”，系统会根据语音指令实现相应的操作。这些更新后的功能将有助于导盲服系统更加准确地感知用户的状态，并在需要时提供及时的帮助和支持，见表 2。图 2 程序流程图 4 实验测试 4.1 目标群体选择 实验人员选择我们团队里能够自主行走且具有独立意识的成员 A 与成员 B，使其分别穿着智能导盲服参加实验测试。4.2 测试环境准备 选择一个适合测试的室内环境。确保测试场所的安全性和可控性。提供不同的测试场景，包括走廊、校园内封闭道路等。4.3 测试指标（1）超声波测距的精准性。（2）光敏 LED 的灵敏性。（3）一键求助的成功率。4.4 测试过程 成员 A 身穿智能导盲服，以 3.3km/h 的速度向前走，安全员在旁负责保障测试者的安全，记录员负责记录产品的测距数据。在成员 A 前进方向正前方放置一个障碍物，当成员 A 靠近障碍物，成员 A 与锥桶距离小于 50cm 时，蜂 中国科技期刊数据库 工业 A-161-表 1 超声波测距测试结果（cm）测量距离 20 30 35 40 45 50 65 80 90 100 实际距离 21 30.5 36 39 46 51 65.5 81 90.5 101 误差 1 0.5 1 1 1 1 0.5 1 0.5 1 鸣器会发出嘀嘀嘀的响声，同时亮起红色警示灯，成员 A 听到警报声后减速慢行，同时记录员实时记录语音播报的灵敏度和准确性，成员 A 不断调整前进的方向，寻找一条没有障碍物的出路。成员 A 从室外环境走入黑暗的室内环境，安全员观察并记录智能导盲服上的 LED 灯是否会自动亮起，同时制造噪音模拟真实街区环境，成员 A 向智能导盲服发出语音指令“向家人求助”，语音模块回复“正在拨打电话、正在发送短信”，15S 后指定号码就会收到SIM900A 发来的求助短信和电话，记录员记录下成员 A按下一键求助的成功率。试验结束，成功完成试验。成员 B 以同样步骤进行该试验，智能导盲服测试结果相同。5 数据收集和分析 5.1 超声波测距调试分析 从表 1 的实验数据中可以看出，超声波测距会与实际距离存在一定的误差，误差范围在 0-2cm 之间，造成这些误差的原因主要是测量环境的温度、湿度等因素带来的声速偏差，以及超声波发射出与计时器开始计时之间的时间差、回波到达与被检出之间的时间差等，但误差在可接受范围内，符合本产品基本要求。5.2 光敏 LED 的灵敏性分析 对光敏 LED 的灵敏性测试我们一共进行了 50 次实验，让测试人员从环境光强高于设定值的环境进入到环境光强低于设定值的环境，观察并记录数据，测试结果如表 2 所示。表 2 光敏 LED 的测试结果分析 环境光强低于设定值次数 成功次数 失败次数 50 50 0 5.3 一键求助的成功率分析 一键求助功能时我们进行了 50 次重复实验，我们记录每按下一次一键求助，设定的手机号是否能收到智能导盲服发来的求助短信，如表 3 所示。表 3 一键求助成功率分析 按下一键求助次数 成功次数 失败次数 50 50 0 6 结论 基于51单片机的导盲服是一种有效的盲人辅助工具。它采用多传感器检测技术，可以帮助盲人避免障碍物。该导盲服还结合震动提示模块和 LED 灯来提醒盲人注意危险和前方障碍物距离等方面的信息，具有一定的实用性。通过本文的研究，我们成功设计并实现了一种基于 51 单片机的语音导盲服。该导盲服具有良好的实用性和可靠性，为盲人提供了更便捷的导航辅助。未来，我们将继续完善语音导盲服的功能，提高系统的智能化水平，为盲人提供更加便利的生活辅助。参考文献 1霍海波.基于单片机的超声波测距系统设计J.电子技术与软件工程,2019(14):246-247.2黄毓芯.一款多功能智能手杖的设计与研究D.泉州:华侨大学,2015.3方仁杰,朱维兵.基于 GPS 定位与超声波导盲拐杖的设计J.计算机测量与控制,2011,19(05):1154-1157.4隋海燕,李陆勋.GPS 应用中应注意的若干问题J.林业建设,2008(05):38-40.基金项目：2023 年度校级大学生创新训练项目，项目名称：“互联网+助盲”指引装置的研究，项目编号（202313657016）。