基本信息
- 项目名称：
- 红外探测空间可触摸式引导系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目提出了红外探测空间可触摸式引导系统，他通过CCD、摄影机、红外探测，所获得的连续影像，经过特殊的影像处理技术，可以感应场景中物体的种类、形状、大小、远近等信息，结合驱动微型电机群可建构出整个场景的3D模型，再加上语音提示和上下区域的感应模块，在未知环境中成功执行基本之导盲任务。这样可听可触摸式的实时稳健引导系统，给视障者可带来心理上的安全感和依赖感。
- 详细介绍：
- 研究背景： 随着社会经济的发展，空间环境的格局也变得日益丰富起来，这对于一般人来说，他们能够很快地适应这样的生活，但是对于视障人士 他们只能依赖他人的协助 才可以在这个复杂的环境中顺利到达所要前住的目的地。 在现实生活中，实际视障者有行进辅助上的大量需求。而现今普遍的导盲系统提供给视障者的信息极为有限。 盲杖作为传统视障人士的出门工具，它的原理是代替使用者探测将要经过的位置的地型和是否有危险，后来又演变出电子盲杖，它利用红外传感电子技术和超声波技术，通过它们的碰撞反射原理，制作出新式的盲杖，延长了探测范围 达到用户不需触及障碍物便可以判断方向的目的。但这些都只能达到小区域的探测功能，它们都不能起到引导的功能，所以就有导盲砖的出现，它是一些带有突出物的特殊砖块，事先把它铺在道上，视障人士可以靠足部的感觉，步行在以这些砖块铺成的路径上，便可以按指定的安全路径行走，不过这种方法并不能有效地指出唯一的确定路径，所以其后便有效法汽车利用GPS作路径导航方法衍生而出 依靠天上几个卫星和地面仪器的几何位置，计算出用户的所在坐标，并辅以电子地图，配合相应的算法，可以给用户列出适当的路径。不过卫星和地面的相距长达数万公里，相对于人行距离只是其万分之一，加上在这几万公里中不确定的自然现象，可见其精确程度比较难掌握。而当场景变得精细复杂的时候，则以上方法出现的问题就更大了，一般基于GPS地图的绘制都是对于大面积的区域，对于一般障碍物和可移动的物体时，要使用GPS作导航相对比较困难的。而现有的机器人导盲犬，它需要预先存储的街道地图，如若到达一个陌生的环境它将不能发挥它原有的功效。 基于以上问题，本项目提出了红外探测空间可触摸式引导系统，他通过CCD、摄影机、红外探测，所获得的连续影像，经过特殊的影像处理技术，可以感应场景中物体的种类、形状、大小、远近等信息，结合驱动微型电机群可建构出整个场景的3D模型，再加上语音提示和上下区域的感应模块，在未知环境中成功执行基本之导盲任务。这样可听可触摸式的实时稳健引导系统，给视障者可带来心理上的安全感和依赖感。 作品撰写的目的和基本思路： 作品的主要目的：用于导盲的一个辅助系统，可以凭借触觉感知前方的障碍物，从而起到一个保护的和引导作用。 基本思路：首先是一个景物的捕捉器，主要有几个重要的传感器功能，这些传感器包括：摄像头、深度传感器等，以及一个可处理专用软件的处理器。RGB摄像头：此摄像头它可以为捕捉器提供红、绿、蓝三个通道的颜色。它的作用在于物体的识别和对物体体积的捕捉。深度传感器：深度传感器由红外线投影机加单色CMOS传感器组成。它可以让捕捉器真正“看到”3D空间，而不是通过计算得出空间数据。此外它还拥有一个机械转动的底座，可以让摄像头本体能够看到的范围更广泛，并且可以随着人的位置灵活变动。 对于捕捉到的彩色影像、3D影像。首先是捕捉器上有3个镜头，其中的镜头是一般常见的RGB彩色摄影机，另外两个镜头则分別为红外发射器和红外线摄影机所构成的3D深度感应器，主要就是靠3D深度感感应侦测物体的实际形状和大小。然后通过芯片组把3D的影响分成一个个点阵，在进步电机上显示各个点阵的高度，一个实际的物体就显示在电机上了，只要通过手的触摸就能知道前面的障碍物。同时也能感觉到他的大致距离。 电机部分原理图 作品的科学性先进性及独特之处： 该引导装置主要由两部分构成，一个是三维取景模块，用于获取使用者周围环境的空间布局信息。另一个是由多个步进电机构成的点阵拟真盘，用于将之前摄取的三维景象按比例显现出来。盲人可以利用他们灵敏的触觉，通过触摸拟真盘上的三维模型从而了解周围的环境信息，这样就可以主动的避开前进道路上的障碍物。 人通过两只眼睛来观察世界，所以能获取有立体感的图像信息。因此我们的三维取景模块也是由两个摄像头组成的，一个是数字视频摄像头，用以捕捉三维图的二维基础图像，另一个是红外摄像头，它能识别出路上的人和宠物，并且在夜间也能很好的工作。整个模块通过先前测得的景深和周围环境的二维基础图像，利用软件算法将其还原成一幅三维图像。之后，再由通过相关算法，控制步进电机的转动，以控制拟真盘上的不同像素点升降的幅度，从而将周围环境的三维图像按一定的比例尺显现出来。通过这种方法把周围的环境状况告知盲人。 现在在导盲用具的市场上，原始的手杖还是占据着最大的份额，而在国外，导盲犬也备受青睐，但是具有相关领先技术的导盲用具却一直无法有很大的销路，只能在实验室里模拟模拟，要投放市场，却因为技术不够完善、成本太高(相较于之前两种导盲用具)、与日常生活习惯不符等等原因，造成科研作品市场化的不理想。 之前的导盲器基本上是红外或者微波，这两个主流路线的。它们与使用者的沟通是依靠声音示警的，盲人听到了示警声之后，被动的改路线，再等待是否有示警声。这是一种被动导盲方式，会让使用者感觉自己被导盲器给束缚了。而我们这套装置通过触摸的方式与盲人进行信息交互，这是他们熟悉的一种渠道，而且，使用者可以主动的选择需要拟真的三维场景。这是把主动权交还到人手里，也不会让人有被束缚的感觉。 作品的实际应用价值和现实意义： 一、实际应用价值 红外探测空间可触摸式引导系统，是将基于周边环境提取的障碍物图像处理结合红外探测技术等应用，能够很好地检测周围环境，及时地发现视障者周围的障碍物，并对周边场景进行重建，使得视障者只要通过触摸的方式，就可对身边的环境做到心中有数，为盲人安全、快速行走提供了保障。虽目前已有多种导盲系统,从最简单的导盲拐棍到借助GPRS的大型人工导盲系统,给盲人独立出行带来很多便利,但它们在不同程度上都存在不足，而本系统运行的可行性较好，其自身携带的处理功能，无需远程设备的支持，避免了一般导盲系统的盲区和距离限制的问题，从而提高了其应用效率。该系统具有精度高、可靠性强、移植性好等特点，能够在实物建模领域广泛应用。 二、现实意义 日常生活中，视障者行动常常会遇到许多阻碍。如在陌生路上行走时，会需要路人或借助于导盲犬的帮助。而从挑选、训练、熟悉一只导盲犬的时间往往是在两年左右，而我们希望通过高科技的方法、更快捷、更稳定的方式来服务于视障者，现今普遍的导盲系统(导盲砖)提供给视障者的信息极为有限。本项目希望通过可对周边环境的重建的可触摸模式的导盲系统，提供给视障者更多安全上与生活上的信息，改善视障者的行动质量。 系统框图： 步进电机：直径约6.5mm，长度11.5mm（其中电机主体4.5mm），螺杆部分直径1.5mm， 电机群初步采用15*20的规模 步进电机示意图： 工作原理： 采用单极性直流电源供电，然后对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。 开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿， 当开关SC接通电源，SA、SB、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间的磁力线作用，使得转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁力极对齐，而0、3号齿和A、B 相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，电机中的A、B、C、D绕组轮流供电，从而使得转子会绕着A、B、C、D方向转动。 步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。通过观察步进电机工作时序波形图（如图示），可以看出单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 电机控制流程图： 软件流程图： 技术问题: 目前，大多数电子导盲装置是基于单片机和超声波测距系统。 1、系统稳定性较差； 2、系统响应较慢； 3、发射和计数脉冲不同步； 4、超声波在传播过程中由于受衍射、散射和吸收等影响衰减； 5、不可触摸性，不能实现人机互动； 展望: 实现三维取景建模---多个景物捕捉器、处理芯片组及步进电机群等 1、超声波的衰减误差---红外探测。 2、人性化设计---可触摸式、语音提示等功能。 3、实物建模领域广泛应用---具有精度高、可靠性强、移植性好等特点。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目所研究的是视障者日常生活的辅助工具，希望能帮助他们在日后的生活中提供更大的便利。本系统通过摄像机取景以及三维模型搭建，通过可触摸形式能让视障者了解周围环境的情况
科学性、先进性
- 本项目致力于引导系统的空间环境的捕捉和建模，实现对周围障碍物的可触摸性。通过空间摄像机以及红外探测技术等的使用，能够对周边的环境进行捕捉和检测，使得视障人士能够通过触摸的方式对周边环境布局有着详细的了解，运用先进的取景技术和三维模型构建技术。告别了传统的语音提示引导模式以及远程控制的引导系统。而其相应的 3D视频捕捉和建模模块可以运用到三维地图、各类器件等的制作当中。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 在现实生活中，视障朋友们长期处于黑暗的世界当中，无法以视觉感官来体会这个五彩缤纷的世界，必须依靠听觉、嗅觉和触觉等感受他所生存的空间。本项目致力于引导系统的空间环境的捕捉和建模，实现对周围障碍物的可触摸性。
同类课题研究水平概述
- 目前，大多数的电子导盲装置是基于单片机和超声波测距系统，如电子式导盲器、移动式机器人、盲人导引手杖、穿戴式导盲器等 。2010.5,20，日本全国盲人福祉大会公开了一种新发明的电子导盲杖，这种导盲杖能够让使用者感受到脸部高度处的障碍物。对于现在大多数电子导盲装置而言，它的系统稳定性较差、系统响应较慢、发射和计数脉冲不同步以及超声波在传播过程中由于受衍射、散射和吸收等影响衰减，另外；它的不可触摸性，不能实现使用者对障碍物获得具体感受和互动。此外，现在的大多数引导系统都是使用内部系统来进行识别的，通过系统对信息的处理与反馈，这样会增大识别的误差，而本项目中的可触摸式引导模式，无需系统来进行判别，直接将现实情况通过步进电机反映出来，避免了现在的引导系统存在的识别误差这一难题。而且它的适应性比较好，在环境较差的情况下也可使用；拓展性好，应用领域广泛，比如；隧道探测、三维建模（如三维地图）等。
