基于北斗和GIS云的智能導盲系統(tǒng)

師晨輝

摘 要：隨著第三代北斗衛(wèi)星的升空，我國已進入了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全球組網(wǎng)階段，北斗定位技術在全社會已有廣泛的應用。由于社會的快速發(fā)展，盲人外出的路況也變得更加復雜，同時網(wǎng)絡技術與GIS技術發(fā)展勢頭越發(fā)強勁，因此有必要為盲人群體開發(fā)一套全新的導盲系統(tǒng)。該導盲系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但與傳統(tǒng)的導盲儀不同，該系統(tǒng)采用后臺GIS云服務器和前端導盲儀的整體結構以及雙向通訊方式，同時結合地理信息系統(tǒng)和空間大數(shù)據(jù)，利用人工智能和深度學習算法，使導盲更加精準。

關鍵詞：北斗衛(wèi)星系統(tǒng)；GIS云；空間大數(shù)據(jù)；導盲

1引言

中國是全世界盲人最多的國家之一。據(jù)我國2010年人口普查統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全國的視力殘疾者一共有1263萬人，盲人約有500萬人[1]。目前，國內(nèi)外已有部分導盲產(chǎn)品進入市場。例：新西蘭的電子導盲犬、加拿大的聲波拐杖和中國的導盲犬[2]。但盲人的出行仍然受到很大的限制。北斗導航系統(tǒng)（BDS）是我國自主研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。隨著技術的發(fā)展，北斗導航系統(tǒng)的應用越來越廣泛。GIS分析工具與北斗系統(tǒng)緊密結合，將其應用到導盲領域，可發(fā)揮重要作用。

2系統(tǒng)設計

該導盲系統(tǒng)是基于北斗系統(tǒng)和GIS云的嵌入式系統(tǒng)，具有高速度的并行處理能力，由前端導盲儀和后端GIS云服務器構成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。導盲儀為具有導盲功能的電子手環(huán)。GIS云服務器由相關人員進行管理，系統(tǒng)以方便盲人行動為目標，考慮盲人這一群體的特征，將系統(tǒng)功能分為四大模塊，包括地圖導航模塊、障礙識別模塊、預警報警模塊和信息模塊[3]。

3 模塊功能實現(xiàn)

3.1 地圖導航模塊

該模塊基于高精細地圖和時空大數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)的精細程度應達到分米級，以達到對特殊人群用戶進行精準導航的目的。

用戶啟動模塊時應對準麥克風，輸入語音指令（如“開始導航”），導盲儀將指令傳輸給后臺服務器，后臺服務器啟動地圖導航模塊，啟動該模塊的同時障礙識別模塊也一起啟動，以確保用戶的出行安全。此時前端北斗信號接收裝置開始工作來接收北斗定位衛(wèi)星信號，然后將位置數(shù)據(jù)傳輸給服務器。

用戶根據(jù)語音提示通過語音輸入目的地，服務器接收目的地名在地圖上標注，考慮到盲人出行的特殊性，需要在路徑規(guī)劃算法中加入限制條件，如盲人道優(yōu)先，禁止在機動車道上活動，過馬路時經(jīng)過斑馬線上等等。服務器根據(jù)用戶當前位置和目的地進行路徑規(guī)劃，并實時向前端導盲儀傳輸導航報文，導盲儀對報文進行語音合成引導用戶前行，協(xié)同障礙識別模塊，盡可能地確保用戶的安全。

當前方即將拐彎時，導盲儀會隔幾秒播報一下離拐彎出的距離，直至用戶開始拐彎。

在即將通過紅綠燈時，服務器根據(jù)用戶當前的位置和紅綠燈的位置，在地圖上量測出距紅綠燈的距離，并通過導盲儀進行語音提示?？紤]到紅綠燈有等待的時間，我們可以通過長期的車輛移動大數(shù)據(jù)來計算出車輛移動的時間和車輛等待的時間，從而得出紅燈的等待時間和綠燈的通行時間以及紅燈變?yōu)榫G燈的時刻和綠燈變成紅燈的時刻，通過分析該十字路口處實時的車輛移動大數(shù)據(jù)可以得出車輛的運動狀態(tài)，從而得出此刻紅綠燈的狀態(tài)。這樣再根據(jù)盲人通常情況下通過紅綠燈的時間來判斷是否通過該十字路口。

3.2 障礙識別模塊

本文利用超聲波測距、避障技術對盲人的前方、上方和下方進行障礙識別，可以很好地幫助盲人感知障礙的位置，并實現(xiàn)防踩空。相比其他的測距、避障技術，超聲波的傳播不受磁場、光線和色彩的影響[4]。

超聲波探測器探測的障礙類型包括前方的阻擋物、上方的懸掛物和路面上的深坑，探測范圍為用戶前方5米開角為45度的空間，當其測得該范圍內(nèi)有障礙時，導盲儀會識別障礙的類型，確定障礙的距離和方位，并將障礙的類型、距離和方位發(fā)送給服務器，服務器通過計算將障礙標注在地圖上。考慮到障礙有一定的形狀大小，服務器以用戶的位置為圓心做一個半徑為2米的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)隨用戶位置的移動而移動，直至用戶通過障礙。服務器根據(jù)緩沖區(qū)、障礙的位置和障礙的類型生成障礙繞行方案，要求障礙點不能在緩沖區(qū)內(nèi)，服務器將繞行結果返回給導盲儀以進行播報，引導用戶安全通過障礙。服務器將該障礙進行編輯和編碼存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便以后使用。

3.3 預警報警模塊

為使跌倒報警功能不影響盲人的正常動作，選取人體運動的加速度信息和角速度信息作為跌倒狀態(tài)的判別依據(jù)。加速度信息可以通過三軸加速度傳感器測定，角速度信息可以通過雙軸陀螺儀測定。

當盲人正常行走時，加速度呈周期性變化，但發(fā)生跌倒時，加速度和俯仰角都會發(fā)生明顯的變化。經(jīng)一些學者的相關研究證明，人體無論朝向哪個方向發(fā)生跌倒，加速度和俯仰角都會有較大范圍的變化[5]。導盲儀檢測到盲人摔倒后，會以語音提示“檢測到您已摔倒，是否將您摔倒的時間和位置發(fā)送給家人”，導盲手環(huán)上有終止信息發(fā)送的按鍵，若用戶在一分鐘以內(nèi)按此鍵，說明用戶摔倒后無大事，否則說明用戶摔傷嚴重，導盲手環(huán)會自動以鳴笛的形式發(fā)出求助信號，并通過內(nèi)置的通訊卡，將盲人摔倒的時間和位置信息以短信的方式發(fā)送給家人。

3.4 盲人信息識別模塊

本文考慮到盲人自身的特殊性，在導盲儀上增加個人信息模塊。該模塊功能由一個二維碼實現(xiàn)。當盲人遇到突發(fā)狀況或處于某種危險，無意識的情況下，他人通過掃描導盲儀上面的二維碼可以獲取到盲人的姓名、家庭住址、家人聯(lián)系方式等個人信息，進而向盲人提供幫助。

4 結語

本文對設計的導盲系統(tǒng)從系統(tǒng)構成和具備的功能兩個方面進行了闡述，考慮了諸多安全因素。系統(tǒng)將先進的GIS空間分析技術和北斗定位技術應用于解決盲人出行問題，將導盲儀制作成電子手環(huán)形式。導盲儀的功能多樣，攜帶方便，性價比高。相信本系統(tǒng)對提升盲人的生活質(zhì)量和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用推廣有著重要的意義和價值。

參考文獻：

[1]廖慶洪，胡婉如，曾維鋆，胡靚，朱莉. 基于GPS技術與智能避障的導盲拐杖研究[J]. 電子技術，2016，45（11）：19-23.

[2]王冠生，鄭江華，瓦哈甫？哈力克，張洋，姚聚慧. 盲人導航/路徑誘導輔具研究與應用綜述[J]. 計算機應用與軟件，2012，29（12）：147-151.

[3]徐絲雨，唐彪. 基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的電子導盲犬的開發(fā)及應用[J]. 數(shù)字技術與應用，2017（02）：92-93.

[4]徐躍. 基于超聲波測距的機器人定位與避障[D].齊魯工業(yè)大學，2013.

[5] 陳煒，佟麗娜，宋全軍，葛運建. 基于慣性傳感器件的跌倒檢測系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（08）：117-119+125.