作者：高睿捷 董泽彬 张冰川 刘博豪 白枚

单位：运城学院 机电工程系

指导老师：王新海

1. 项目摘要

      根据世界卫生组织的数据，全世界约有2.85亿视力障碍者，其中3900万人是盲人。由目前国家统计局发布的数据，截至2023年底，中国残疾人总人数为8591.4万人，其中视力残疾人最多，达到2856.5万人，且盲人数量正在以每年45万的速度迅速增加。在日常生活中视力残疾者即使有盲道、导盲杖的帮助，但当他们独自来到陌生且复杂的环境，也会因为无法获取足够的视觉信息而寸步难行。如何让他们更好地融入社会，发展他们的数字生活能力，已经成为人们日益关注的社会问题。而且中国作为全球人口数量最多的发展中国家，为视力障碍人群提供医疗、教育、帮助就业等服务的任务巨大。

      为顺应时代潮流，让盲人生活不再“盲”，就需要辅助工具来帮助盲人，目前盲人借助的辅助工具主要有智能盲杖、穿戴式导盲设备和移动式导盲机器人等，但具有功能单一，安全系数低；设备束缚影响出行；以及不能适应楼梯、坡面等复杂地形等的缺点。所以本项目研究设计一款更加智能化、人性化、大众化，可以更好地服务视障人士出行的全地形多功能视觉识别导盲车，对于帮助视障人士出行、提高他们的出行安全，以及增加他们的生活满意度具有十分重要的意义。

2. 绪论

2.1 选题背景

      据世界卫生组织，人们的眼部疾病非常普遍。全球至少有22亿人存在视力障碍或失明，其中至少有10亿人存在视力障碍。随着人口的增长和老龄化程度的加深，到2050年全球预计会有7.03亿人面临中重度视力损害或失明。根据现有的统计数据显示，中国约有至少2800万盲人，但是我们 在日常生活中可以看到的自由出行的盲人的数量却很少。2016年中国信息无障碍产品联盟关于《中国互联网视障用户基本情况报告》出行调研显示，在1805个视障者中，有30%的视障者基本不外出，一周出行4~6次或6次以上不需要家人陪同的仅占9%。盲人作为人类社会中的弱势群体，其出行困难一直是国 家和全社会高度重视的问题。作为社会上一类特殊群体，我们需要给予他们更多的关怀和照顾，如何让他们能够安全的独立行走，以及满足他们的基本出行与生活的需求是我们应该解决的问题。

      现阶段大多数盲人出行的方式以人员陪伴、导盲杖辅助和导盲犬引领为主。从现实角度出发，人员陪伴的方式无法做到随时随地跟随盲人，且盲人群体也有独立自主的心理需求。传统的导盲杖设计结构简单，功能基础，通过敲击来判断地形以及周围环境障碍，但是其判断高度有限，易发生危险。导盲犬通过特殊的训练可以引导盲人行走，躲避道路危险情况，但一条导盲犬从选种、培训、上岗，需要大量的时间，且价格昂贵，并不能满足大部分盲人的需求，因此也无法成为理想的导盲方式，所以盲人群体们急需一种能够帮助盲人无障碍出行，提升广大盲人的生活质量和参与社会、创造价值等能力的导盲辅助设备。为此本项目基于视觉识别设计了一款全地形多功能视觉识别导盲车，以此为盲人提供帮助与便利。

2.2 国内外研究现状

2.2.1 导盲机器人研究现状

      50多年以来，全球科研人员不断尝试通过导盲机器人帮助盲人导航、提高盲人生活质量，多形式、多功能的导盲机器人不断进入公共视野。目前功能较为完善的导盲机器人可以分为智能导盲杖、穿戴式导盲设备、手持式导盲仪、基于智能终端的导盲系统和移动式导盲机器人五类。但是部分导盲产品在使用过程中最大的限制因素就是体积过大导致盲人无法轻松携带，故在一定程度上影响盲人的出行效率。而且一些导盲器的基本使用界面十分复杂，不便于盲人进行使用。

2.2.2 国内发展现状

      同济大学马宏平等人的红外探测导盲杖使用蜂鸣器和MP3模块的双语音报警系统引导盲人快速安全地行走。张克华等人开发了基于单一kinect传感器的导盲系统（如下图所示），该系统能够运用深度图像翻转算法和障碍物识别算法同时检测盲人身高、1 m宽度、3 m距离内的所有地面障碍物、坑洞和悬空障碍物，并根据各障碍物的类型、距离规划出3 m内的最佳避障路线。

2.2.3 国外发展现状

      当盲人需要去某个确定的目的地时，需要更多的导航信息。在室内，可利用RFID射频识别技术精准定位，泰国Chumkamon S等人在室内环境中布置RFID标签，导盲杖上安装RFID阅读器，当阅读器读到某个标签时，盲人正处于该标签记录的位置。在室外环境中，印度尼西亚共和国的Mutiara G A等人在导盲杖中使用罗盘告知用户8个基本方向，并加入GPS定位功能以通知盲人是否达到目的地，但暂时不能提供具体的导航信息。

      在德国Hub A等人提出的室内定位系统中，手持设备使用摄像头拍摄前方物体的同时使用 WiFi定位确定设备位置、超声波测距仪测量设备距地高度、数字罗盘和3D倾斜传感器确定摄像头朝向，并在3D环境模型中利用上述信息确定虚拟摄像机的位置、高度和朝向进行拍摄，通过对比真实照片与虚拟照片识别被拍摄物体。手持式导盲仪结构最简单、便于携带，但同智能导盲杖一样被质量限制了功能的丰富性。在使用过程中，手持式导盲仪需要不断地手动扫描识别定位标签、检测障碍物等，探测范围小，且用户必须经过长期训练才能熟练使用，只适合在较安全的室内场合使用。

      Kayukawa 等设计的 Blind Pilot 导盲机器人（如下图所示）可以引导用户走向一张空椅子，相比于语音导航系统，牵引式导航具有更好的安全感和更少的调整方向任务，不足之处目前不允许用户在引导过程中改变引导速度。爱尔兰的Lacey G等人研制的大型移动助行器通过动力升降机调节高度，支撑盲人进行简单的散步。日本的Mori H等人推出的大型移动导盲装置则可通过扶手支撑盲人在室外行走，且能够识别交通牌、斑马线和红路灯，并通过左、右扶手的振动提示盲人转向。目前限制移动式导盲机器人普及的最大问题是不能适应复杂地形以及硬件和开发成本高。

3. 场景调研

3.1 室外调研

3.1.1 盲道

      为了帮助盲人出行，各个城市都修建了盲道，花费了巨大的投入，大部分盲道却没有起到应有的作用。其原因一方面是本身盲道修建不合格，甚至有部分城市将其作为装饰品，没有从实际为盲人考虑；一方面在盲道的使用上没有做有效地推广，盲人一方面不知道身边有盲道修建；另一方面不知道如何使用，可以说现在国内的盲道利用率是非常的低。而将这些不合格的盲道全部重建，耗费巨大也不现实，所以怎样更好的利用已建设好的导盲来最大化地利用盲道帮助盲人很有必要。

3.1.2 红绿灯

      红绿灯是道路上最常见的交通信号灯，对于盲人来说，如何安全地通过红绿灯是一个重要的问题。一方面部分城市十字路口增加了语音提示装置，但简单的路口语音提示信息量小，在路口很容易被噪声淹没；另一方面也有人利用低频电磁波的发射和接收来识别红绿灯，但低频电磁波传播过程中容易衰减，存在一个有效接收范围，且相邻路口的信号容易相互干扰，这使得盲人需要通过其他方式来确认红绿灯的状态。一些城市的红绿灯虽然有盲文提示，但是数量很少，而且位置不够明显，使得盲人很难注意到，因此本项目需要设计一种能够清晰、直观地提示红绿灯状态的导盲设备。

3.1.3 斑马线

      道路斑马线是重要的安全标志，是以导盲辅助设备中必须识别的交通标志信息。如果不能准确识别斑马线，则即使准确识别了红绿灯盲人依旧无法安全通过十字路口，识别系统因此几乎毫无意义。分析斑马线的特点：其是由一条条平行的白色长条覆盖在马路上，其本身在色彩上和马路的背景就有很大的区别，所以尝试用图像处理的方式来识别斑马线不失为一种好的方法。

3.1.4 公共交通

      公共交通是盲人出行的重要方式之一，但是盲人在乘坐公共交通时也面临着一些问题。一方面，盲人需要依靠听觉和触觉来感知车辆行驶的情况，但是这些信息往往不够准确和可靠；另一方面，公共交通的站点和线路复杂，盲人很难自己规划出行路线和乘车方式。因此本项目需要设计一种能够为盲人提供准确、可靠的交通信息的导盲设备。

3.1.5 障碍路段

      正常平坦的道路对盲人正常行走来说影响不大，危险往往发生在有障碍的路段，比如平坦的路上突然出现路肩等的情况，而这时盲人可能没有任何心理准备，最容易跌倒，发生危险。为此，本项目需要设计一款能够给予盲人语音提示，并可以成功帮助盲人跨过障碍物的导盲设备，让他们在面对未知的路况时多一份安心和保障。

3.2 室内调研

      在室内环境中，导盲设备的使用需要更为精确和安全。其中，基于超声波传感器的导盲设备在室内导航中得到了广泛应用，这种设备通过发出超声波并检测其反射回来的时间，可以确定障碍物的位置和距离。同时一些设备还结合了惯性传感器、GPS定位等技术，以提供更精确的定位和导航信息。

3.2.1 商场

      商场是盲人很少去的地方，是盲人出行的一个难点，因为商场的内部布局复杂，而且商品种类繁多，其内部装饰和陈列也会经常发生变化，盲人很难通过自己的感官来识别和记忆路线。同时商场的货架和陈列柜等障碍物也增加了盲人的行走难度，因此本项目需要设计一种能够为盲人提供清晰、直观的导航信息的导盲设备。

3.2.2 学校

      学校是盲人接受教育的重要场所之一，然而由于盲人视觉能力的缺失，他们在学校中面临着诸多问题。学校的教室和实验室等场所的布局往往较为复杂，对于盲人来说，他们很难凭借自己的感知找到正确的位置，甚至在上下楼梯时也会遇到困难，这种情况不仅给盲人的学习带来了不便，也使得他们在学校中的生活充满了挑战，因此本项目需要设计一种能够为盲人提供全面、准确的学校信息的导盲设备，这种设备可以通过盲人的听觉和触觉来提供关于学校环境、教室和实验室布局等信息，它可以帮助盲人更好地适应学校环境，提高他们的学习效率和生活质量。

3.2.3 家庭

      家庭是盲人生活的重要场所，由于视力障碍，他们在日常生活中需要借助其他感官来感知周围环境，因此家庭环境的调研对盲人来说至关重要，在家庭环境中，导盲设备的使用需要考虑到家庭成员的构成、房间的布局、家具的摆设等多个因素。例如，对于有小孩的家庭，需要考虑如何避免小孩误碰导盲设备造成危险；对于有老人的家庭，需要考虑如何方便老人使用导盲设备。所以本项目需要设计一种充分考虑室内不同环境、不同家庭成员等因素，为盲人提供全面、准确的信息，以帮助他们更好地适应日常生活。

3.3 用户需求分析

      在针对盲人的导航设备中，用户需求是最为重要的因素之一。通过对盲人使用导盲设备的情况进行调查和分析，可以了解到用户的需求和痛点主要包括以下几个方面：

      ① 安全性：导盲设备需要提供准确、可靠的导航信息，以确保用户的安全。特别是在路口、斑马线等交通节点处，设备需要提供明显的提示和警示，避免用户误入危险区域。

      ② 便携性：导盲设备需要轻便易携，方便用户随时携带和使用。同时设备的外观设计和材质也需要考虑到用户的审美和舒适度。

      ③ 智能化：随着人工智能技术的发展，导盲设备也需要具备更多的智能化功能。例如自动识别红绿灯、自动避障、语音交互等，以提高用户的使用体验和效率。

通过对用户需求的分析和研究，可以进一步优化和改进导盲设备的功能和应用范围，提高用户的使用体验和生活质量。

4. 作品介绍

4.1 作品简介

      全地形多功能视觉识别导盲车使用探索者套件搭建而成，主控板为探索者自带的Basra控制板与Bigfish扩展板。本款导盲车采用了先进的机器视觉技术和深度学习算法，可以实时感知周围环境，识别障碍物、交通标志和行人，配备有多种安全保障系统，包括车辆预警、盲道偏离预警、红绿灯预警等并根据环境信息进行智能决策，通过语音模块对视障人士进行语音提醒警示，同时配备陀螺仪为视障人士提供精准的导航和导盲服务，是一款集成了高科技和人性化设计的先进导盲设备，可为视障人士提供更加便捷、安全、舒适的出行体验。

4.2 作品展示

① 双节履带

      双节履带可适用于任何复杂地形，前节履带抬起高度不低于8cm，可用于进行爬楼行进以及路肩等小障碍物的跨越。

② 视觉识别模块

      该机器的视觉处理模块分为两部分，一个是视觉追踪模块，采用低成本，功能强大的机器视觉模块openmv；另一个是图像回传模块，采用ESP8266无线WIFI模块。视觉追踪模块OpenMV是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块，以STM32F427CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片。图像回传模块ESP8266是一个完整且自成体系的wi-fi解决方案，能独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。

③ 语音模块

      该导盲车的语音处理模块可以通过视觉识别模块传输的信息输出语音提醒，实现对视障人士行进路上遇到的危险情况进行提醒与警示。

④ 陀螺仪

      通过陀螺仪实现车体的自身定位，配合GPS对前往目的地的路线进行规划。

⑤ 置物架

      在日常生活中，视障人士可以将自己的包裹等置于置物架上，以此来解放双手，减轻其负担，为视障人士提供便利。

4.3 作品本体技术路线说明

      ① 准确识别道路中的障碍物、盲道、斑马线及红绿灯。

      ② 帮助盲人准确判定自己的具体位置。

      ③ 通过语音提醒视障人士前进以及跨越或绕过障碍物。

5. 项目创新点

① 全地形适应性

      车辆采用双节履带加全地形轮胎的设计，可适应不同地形，包括平坦路面、盲道、台阶、坡道、以及有障碍的道路等，保证视障人士行进的稳定性和通过性。

② 多功能视觉识别

      搭载高性能的摄像头和计算机视觉系统，采用基于深度学习的图像识别算法对视障人士行进路上的障碍物进行识别，通过大量的图片进行训练和学习，算法可以实现对行人、车辆、交通标志、红绿灯、盲道等的实时识别，为导盲车实时检测以及传输信号。

③ 智能决策

      采用深度学习算法和人工智能技术，根据识别到的环境信息进行智能决策，有效地对危险情况进行识别，从而实现自动避障、自动规划路径、自动调整速度以及语音提醒等功能，确保视障人士的安全出行。

④ 节能环保

      采用高效电机和节能设计，使得导盲车具有低噪音、低能耗的优点，不仅不影响对视障人士的语音提醒功能，又符合环保要求。

⑤ 外观简洁大方

      外观符合现代人的审美观念。车身采用了轻量化材料，减轻了整车重量，方便视障人士的使用。同时导盲车还配备了多种实用功能，如行李架、流线型把手等，为视障人士提供了更加贴心的服务。

6. 项目前景和应用价值

      本项目研究旨在开发一种基于视觉识别的导盲设备，通过图像识别技术来识别道路中的危险情况，并使用语音提醒的方式将信号传达给盲人，该设备不仅可以提高盲人的出行安全，减少交通事故的发生，还可以帮助他们更方便地参与社会生活，提高生活质量。

该全地形多功能视觉识别导盲车的研究不仅符合我国对于弱势群体的关注和扶持政策，更是在推动社会进步和发展方面扮演着重要的角色。随着科技的不断发展，导盲设备逐渐成为帮助视障人群独立生活的重要工具，让视障人群能够更好地融入社会，实现自我价值。

7. 作品难点及解决方案

① 视觉识别

      通过大量的的图片进行训练和学习。

② 体积偏大，不易携带

      采用轻量化材料，减轻重量，以方便视障人士进行携带。

* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。