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智能避障导航鞋
作者：叶俊 程冰 朱文婷
来源：《中国科技纵横》2017年第24期
摘 要：设计了一款组合多种传感器的多功能避障导航鞋，有效解决盲人出行等问题。本作品采用红外传感器检测盲人前行障碍，以便及时作出警示，该智能鞋具有检测精度高，速度快等优点，可有效检测障碍物防止盲人摔倒；设计盲人专用手机App，利用GPS模块实时获取当前经纬度坐标，实现准确导航功能；突遇紧急情况时，可通过内置的GSM模块向家人发送求助短信，实现紧急救援功能。
关键词：盲人出行；智能避障；智能导航；短信求助；手机App
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0064-02
在中国，视觉障碍给盲人的日常生活带来了诸多不便。而现代城市虽然设有一些设施，但方向感的丧失导致盲人外出极易迷路，当盲人在外突遇严重事故时，往往难以及时通知家人。 目前，市面上出现了一些盲人出行辅助设备，但功能单一，实用性低。导盲犬虽有效帮助盲人外出行走，但导盲犬价格昂贵。
为解决以上问题，保障盲人出行安全我们拟设计了一款具有导航功能的智能避障导航鞋，配合专为盲人及其家属设计的App，降低盲人的出行风险。 1 总体设计方案
智能避障导航鞋主要由红外避障模块，姿态传感器，GPS导航模块，GSM短信通知模块，Arduino主控板，以及电源电池组成。红外避障模块安装于鞋的前方部位，便于红外测距传感器实时检测；GPS导航模块配合盲人专用手机App可实现导航功能；GSM模块可在盲人遭遇严重事故后自动向家人发送紧急求助短信以及盲人位置信息。并且采用ATMEGA328P作为智能避障鞋的主控芯片；为解决供电问题，我们选用4.2V大容量可充电式锂电池，为智能避障导航鞋提供持续电能，各模块均放置或镶嵌于鞋底。 2 智能鞋避障功能 2.1 红外避障模块
采用红外避障可以避免如今大多数盲人避障系统的超声波检测速度较慢，且价格昂贵的弊端，将测距传感器安装至鞋尖部位探测障碍物，当在30cm范围内有障碍物时，安装于鞋底的微型振动电机振动提醒前方有障碍物。
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由图1可知，红外测距传感器的输出电压与距离的倒数是分段成线性相关的。我们用Execel对数据分段进行线性回归拟合，得出输出电压和距离的分段函数及距离的倒数与输出电压的关系曲线图（图2）。 2.2 步行姿态检测模块
为探究人行走过程中变化规律，我们将用GY-953姿态传感器获取人行走过程中脚的姿态，并利用蓝牙发送至电脑，再利用Labview编写的上位机软件分析显示人行走过程中姿态角度变化曲线。我们可以利用GY-953姿态传感器获取当前脚的欧拉角[1]，由查阅资料可知人在行走过程中俯仰角的波形变化具有一定的周期性，而偏航角和翻滚角几乎无明显变化。当俯仰角处在一个极限角度时，开启测距传感器，检测前方障碍物。 2.3 GPS导航模块
我们设计了一种基于路线记忆的导航方式，首先盲人在家人的辅助下完成一段路线的行走，GPS通过采集坐标点并存储到Flash芯片中。在盲人设定好目的地后，智能鞋自动读取前往该地点的数据，通过GPS获取用户当前的位置信息，确定盲人前进的方向β。鞋上姿态传感器确定用户当前的方向α。通过对比α和β的偏差，确定用户是否需要转向，将该信息通过智能鞋内置的震动电机传达给用户。
目前市面上的GPS有着许多方面的误差。[2]这些系统误差在传统的绝对定位中构成主要误差，因此智能鞋采用的GPS会是用相对位置进行定位。由于GPS的系统误差并不是常数值，所以在较大的时间跨度上依然具有一定的影响。我们将采取每隔一段时间对现有的路径数据更新来减小GPS的系统误差，从而得到更为精确的导航数据。
除系统误差外，GPS还存在多路径效应、接收机噪声等因素引起的随机误差，该部分误差难以消除，为了了解这部分的误差对定位导航的影响大小，我们在不同时间通过拟采用的GPS对几个相同的地点进行经纬度的测量，测量结果如表1：
表1是不同时间在同一地点测量的10组经纬度坐标值。通过贝塞尔公式计算10组数据的标准差： （2.1）
按照CEP定义计算得出CEP精度为0.83，10组数据的标准差反映了同一地点不同时间GPS测得数据的离散程度，即GPS测量中随机误差对于该地点的影响[3]。
通过以上数据和散点图可以发现A组数据较为分散，B组数据多路径效应影响较小，数据较为集中，重复定位精度较高。C组数据代表了导航鞋工作最一般的环境，通过图可发现，C组数据集中程度与B组相当。由此可见可以满足路线记忆导航对GPS重复定位精度的需求。
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2.4 GSM短信通知模块
我们设计了紧急短信求助功能，当盲人遭遇严重事故时，可自动发送短信告知家人，家人可通过手机APP获得盲人目前的坐标和具体位置，以便及时进行救援。为实现自动短信求助功能，需要设定重大安全事故判定依据，使得智能鞋以此判断用户是否遭遇了严重安全事故，从而执行下一步操作。此外，智能鞋发送短信需使用GSM短信模块，通过GSM短信模块将系统设定的求救短信发送至盲人用户家人手机上。 2.5 专用APP的设计
为了方便盲人用户与家人的使用，实现产品更加智能化，我们设计一款智能避障导航鞋专用APP-Smart。
Smart盲人端以语音识别和语音合成为基础，主要由导航、一键求救、语音时钟、计步、蓝牙、设置（包括我的路线、新建路线、闹钟、联系人）等6部分组成，其中盲人靠语音来实现，主界面上的按钮均有语言提示，方便盲人在智能机上实现导航灯功能。
Smart家人端是一个定位跟踪系统，家人端的设置主要是为了实时查看盲人所在位置，进行一些紧急情况的处理。 3 结语
本项目所设计的智能避障导航鞋着重于解决盲人实际生活中遇到的一系列出行问题，如出行避障困难，方向感迷失，遭遇安全事故无法及时求助等，充分考虑到盲人群体的使用习惯，将会极大地方便盲人的出行。 参考文献
[1]黄真，李艳文，高峰等.空间运动构件姿态的欧拉角表示[J].燕山大学学报，2002，26（3）：189-193.
[2]阿里根.关于GPS卫星定位系统误差的来源及影响[J].湖北科技学院学报，2009，（s1）：91-92.
[3]刘平.误差分析与数据处理[Z].北京：清华大学出版社，2013-3.