智能语音导航导盲杖.docx

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智能语音导航导盲杖

智能语音导航导盲杖

作品名称：

爱路德电子科技有限责任公司商业计划书

团队名称：

爱路德（Eyesroad）

来源：

第八届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛作品

一、发明产品的原因

导盲杖人性化功能不足关

毫无疑问，实用性、便利性的导盲杖是盲人群体对导盲杖的基本要求。

目前市场上的导盲杖外形设计上普遍一致，功能单一，无法解决盲人在现实生活中所遇到的各种不便与困难。

科学技术日益发达的今天，导盲杖的功能应该更为贴近生活，例如便利的语音避障导航、简单的人机交互。

这些人性化的功能必将会添加到未来的导盲杖设计中，使得盲人的独立生活更为便利。

导盲杖技术落后关

随着生活节奏加快，生活越为多彩，盲人及视力障碍群体对导盲杖的性能及功能要求在不断地提高。

目前市场上的导盲犬及导盲杖的使用无法解决生活中出现的各种不便及意外，更已经无法满足他们的需求。

此时盲人及视力障碍者的需求无疑是导盲杖的功能要求和性能设计上的考验。

每个盲人及视力障碍患者都希望能拥有一根能在外出时最大程度上解决各种不便的导盲杖。

因此，当前导盲杖研发者需要攻克避障方面的障碍物定位精确度和路况类型问题、人机交互方面的响应时间和反馈准确度问题、定位系统中导航系统与实际街道结合问题。

导盲杖市场脱节关

中国的智能导盲杖市场，现在还处于初始阶段，通过查阅网络上相关资料我们发现世界上已经有日本，美国等国家正在研制智能导盲杖，但还未投入市场。

中国市场上已经有智能型导盲杖，通过对盲人的问卷调查，我们发现多数盲人更侧重于使用一般的导盲杖，原因是智能的导盲杖存在精准度、价格与性能等因素限制。

在调查中我们还发现，由于导盲工具的限制，多数盲人的活动范围特别狭窄，基本限定在自己熟悉的环境内，并且采访中的每个盲人都希望能够“出去走走”扩大自己的活动范围，并明确表示了自己对智能导盲杖的需求。

“爱路德”公司研制的带有GPS的导航导盲杖正好迎合了盲人的这一需求。

导盲杖售后维护薄弱关

在调查问卷过程中，通过与盲人朋友的交流，我们发现绝大多数盲人朋友在购买智能导航导盲杖时普遍关心的都是售后服务问题。

鉴于此，爱路德公司会本着真诚为顾客服务的原则，对所有类型导盲杖实施购买后一年内免费上门维修的服务。

我们用真心打造最出色的售后服务。

让客户没有后顾之忧，可以安心、放心、舒心得使用。

我们坚持做盲人朋友最需要的导盲杖，做让盲人朋友满意的售后服务。

二、简介：

随着社会的发展，传统的导盲杖已经远远不能满足盲人的雏形需要了我们设计的这个导盲杖可以帮助盲人在无他人帮助的情况下感知周围环境并且能够自己行走，帮助盲人安全出行，有助于盲人回归社会。

我们设计的智能导盲杖可以实现前方障碍物自动报警或手柄震动报警功能，语音指示方向功能，语音指示当前时间功能，夜间警示路人功能，家人可以GPS定位盲人功能。

导盲杖使用方便，实用性强，是盲人出行的好助手。

三、作品详细介绍

这是一种智能的导盲杖，使用超声波检测前方是否有障碍物，如果前方1.8米内有障碍物，则盲杖自动语音提示“前方危险，请慢行”；如果前方1.8米内没有障碍物，无提示音。

导盲杖上有三个功能按钮，分别为指示当前方向功能、指示当前时间功能、启动手柄震动功能。

当指示当前方向按钮按下时，语音播报当前方向，最高精度为1度，且精度可调，范围为360度任意方向。

当指示当前时间按钮按下时，语音播报当前的时间，精确到分，范围为24小时任意时间。

当启动手柄震动按钮后，当前方1.8米内有障碍物时，手柄开始震动，这样在喧闹的环境下，盲人听不到语音报警时，可以感觉到手柄的震动报警，再次按下改键则关闭手柄震动功能。

GPS功能，当盲人外出时，就可以开启导盲杖的GPS功能，这样家人就可以通过互联网确定盲人的位置了，以防盲人迷路走丢。

夜间警示路人功能，在夜间时，或者灯光昏暗的环境时，盲杖上的指示灯自动亮，可以警示前方路人注意盲人的位置，注意避让盲人。

（作品如图1）

图1

四、产品系统

 1.语音导航导盲杖及性能要求

智能电子产品是属于自动控制的产品，一般由单片机来做控制中心，加上外围多个功能模块。

我们的智能语音导航导盲杖使用探测传感器采集当前的环境信息，传给主控制模块---单片机来处理，经过数据处理判断出当前环境信息，然后通过语音或震动形式来提醒使用者；如果选择开启导盲杖的导航功能时，电子导盲杖可以自动做出最优的决策。

此类语音导航导盲杖必须具备良好精度的电子传感器，响应快，误差小等优点。

由于市场上还没有一个关于电子导盲杖性能标准，依据国家普通盲杖标准的GB/T16930-2009文件，我们推荐语音导航导盲杖的性能指标的最低要求如下：

（1）检测范围：

距离0.02~5m，高度0.2~1.5m，扇形角度60度

（2）响应周期：

不超过2s

（3）语音工作响度：

要求在10~70分贝之间

（4）误差：

测距精度误差0.03m，测高误差0.05m，定位误差1.5m~3m，定位角度误差5~10度

（5）工作时间：

12~24小时

（6）工作电压：

4.5v到12v

      这里需要说明的是普通导盲杖和智能电子导盲杖两者的区别。

对于普通导盲杖，盲人及视力障碍者是利用盲杖的杖尖敲击地面产生的回音来识别路况的，而电子导盲产品是使用一系列的传感器采集环境信息，然后以盲人及视力障碍者可识别的方式输出。

在技术标准方面，国家就普通导盲杖规定了相关的技术标准，重点在于导盲杖的结构及材料设计，可见附录的GB/T16930-2009文件。

对于电子导盲杖，我们更侧重于导盲杖的性能。

 2.语音导航导盲杖的结构设计

语音导航导盲杖主要由电子设备、盲杖体、控制电路及电源等部件组合而成。

其中电子设备包括了避障模块、信息处理器、导航模块、信息提示模块、无线模块。

（1）避障模块结构设计

超声波传感器是避障模块中的一部分，是导盲杖的“眼睛”。

它性能的优劣会在很大程度上影响该导盲杖功能的发挥。

目前世界上各科研机构对导盲杖的研究中有采用超声波、激光或红外装置，但超声波方面的技术相对于其他的来讲是比较成熟的。

语音导航导盲杖中的超声波模块采用HC-SR04或者URM37为核心芯片，通过其对外围电路的控制，比如超声波发射器、超声波接收器、比例放大电路等来收集信号，从而充当了盲杖的眼睛。

由于该超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，容易实现实时控制，并且在测量精度上能达到一般人使用的要求，因而可以很好的运用在导盲杖研发中。

我们将超声波传感器及控制电路嵌入在杖体的空心中，只在杖体表面上露出发射和接收探头。

为了使得导盲杖能够全方面的采集环境信息，我们在导盲杖的杖尖两侧安装两对超声波探头，呈一定角度分开，从而能够感应一定范围内的二维环境，若安排得当能够检测一定高度的物体。

为了能够更好实现避障功能，我们在导盲杖的杖脚前端加入红外光电传感器。

因为超声波传感器不能有效地检测到靠近超声波传感器的物体，即存在盲区，而红外光电传感器精确的短距离测距功能弥补了这一点。

红外传感器由红外发射管、红外接收管、控制电路组成。

两者互为补充，增加了系统的稳定性，增强了避障的功能。

另外在盲杖下端，距离地面的几厘米处，安置一个红外传感器，它起到了检测地面的路况的作用。

由于红外受光和路面颜色的影响较大，因而我们依据导盲杖的不同定位而选用不同灵敏度的红外光电传感器。

（2）信息处理器

       信息处理器是与导盲杖分离的，集成了主控制单元和存储单元组成，使得外观大小和MP3的大小差不多，大大减轻了导盲杖的重量。

主控制单元通过无线数据传输与导盲杖相连，通过耳机与使用者相连，使得盲人更容易接收到导盲杖的语音提示。

导盲杖将采集的距离、方位等信息通过无线传输送到信息处理器，信息处理器经过数据处理和分析，将一些信息提示通过耳机播放给使用者。

存储器是SD存储卡，存储自己收集环境信息（经度和纬度）和保存导航模块发送过来的数据。

      信息处理器的作用相当于一个神经中枢，导盲杖的核心处理芯片就在这个小装置里面。

所以信息处理器的外形及性能在一定程度上决定了导盲杖的档次和价格。

 不同的信息处理器，其外形及颜色可以是各种各样的，但不同档次的信息处理器的核心芯片基本是一致的。

  （3）导航模块结构设计

导航模块的添加，是为了解决盲人及视力障碍者不熟悉当前环境及不知如何去目的地的问题，它可以实现使用者的定位和导航功能。

这些不仅要求导盲杖能够识别出当前的环境信息，还需具有强大的智能算法处理。

由于GPS定位系统是能够提供全天候的定位、实时、测速功能，所以我们很自然选用GPS定位系统作为导航模块的主要部分。

我们在导盲杖的杖柄处内嵌GPS接收模块，可以实时的接收当前使用者的经纬度甚至高度速度信息。

盲人可以根据需求播报当前位置，初期导航模块由于技术限制只能识别部分重要位置信息，但随着技术不断成熟，导航模块可以根据盲人朋友位置的细微变换判断当前不同位置，从而更加准确的语音提示给盲人。

导航模块另一功能是能自动的为盲人寻找一条最佳合适路径。

当盲人想去往某个目的地，导盲杖的导航模块可以帮助盲人朋友找到一条最佳路径，盲人仅需根据导盲杖的语音提示可以到达目的地。

 （4）信息提示模块结构设计

      信息提示模块的作用主要是可听的方式（耳机）或可触摸的方式（微型振动器）将障碍信息提供给盲人或视力障碍者，使用者可以依据提示信息做出下一步决策。

      微型振动器安装在导盲杖的手柄中，是直接将震感传到盲人手中。

震感的强弱依据导盲杖距离障碍物的远近而定。

语音传感器是盲杖的“嘴巴”，是导盲杖不可缺少的一部分。

语音系统的完善与否直接影响到使用者的方便快捷性，对于盲人来说，不可使用视觉，听觉就显得尤为重要，而语音传感器的语音信息播报则可以很好满足了盲人朋友的。

我们的导盲杖产品视不同的产品档次及功能使用不同的芯片，如经济型导盲杖仅使用ISD4004芯片，而实用性导盲杖使用凌阳语音芯片。

 导盲杖中采用的ISD4004芯片是一种长时语音录放电路，这种录放电路采用了多频直接模拟量存储技术，能够非常真实、自然的再现语音，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。

我们利用这种特性使得语音提示更具有一般人性化特点。

而我们采用的SPCE06A凌阳语音芯片，是为了配合语音交互使用，它是一个内嵌语音的单片机，由于其快速的处理能力受到我们的偏爱。

它可以接收外界准确的语音信息，经过内部的算法处理，得到一系列的命令操作。

（5）无线模块结构设计

      无线模块是用来负责导盲杖和信息处理器之间的通信。

我们采用的无线模块收发模块可以工作在433MHz公用频段，符合欧洲ETSI（EN300-220-1和EN301-439-3），满足无线管制要求，无需申请频率使用许可证。

无线模块一般都被设计成天线形状安装到杖柄和信息处理器中，利用单片机之间的串口或者SPI进行通信。

对于不同的导盲杖，数据传输的快慢会间接影响到导盲杖的灵敏度和准确度，因此如何配置单片机的端口资源和无线接收发部件的选择尤其重要的。

（6）转向轮

转向轮在导盲杖中起到支撑作用。

根据功能需求，在导盲杖杖尖安置一两个轮子，这些轮子可以随意360度进行旋转。

这些轮子的转动应该灵活，耐磨、绝缘，并且在水泥、沥青、砖制等硬质路面上使用时，前进无障碍。

（7）盲杖结构设计

盲杖结构可分为杖柄、杖体、杖尖。

这是整个产品的骨架和主要电子器件的外壳。

杖体的作用看似在产品整体功能中所起的作用不大，但它是消费者直接接触的部件，也是隐藏主要电子器件的保护伞，不仅要求其必须使用起来轻便舒适，而且还不失手杖的外观。

杖体在工艺上可采用轻薄高品质铝合金和中空塑件设计，杖体的颜色设计成白色或者红白相间。

杖体的长度可进行调节，以便符合使用者对导盲杖长度的不同要求。

杖脚部位可以与转向轮连接，也可进行拆卸，配置成普通导盲杖的杖脚。

杖柄部位的结构设计始终符合盲人盲杖使用中的正确握持，且不易从手中滑脱。

在选材方面通过喷涂高触感塑胶漆或者套上柔软的塑胶套，可使人们使用起来手感舒适不易滑落例，在结构方面，我们符合盲人使用手杖相关标准。

由于不同人使用习惯不同，所以其盲杖的形状必然各种各样。

但是电子器件大小又决定了其盲杖大同小异。

对于盲杖的材料，目前市场上的盲杖基本采用轻质铝合金，具有良好的塑性和优良的耐蚀性，是杖体和杖脚的理想材料。

而杖柄还要考虑材料是否有对人的皮肤刺激性作用，是否易于擦洗、防滑绝缘等，这些方面要求其杖柄对材料的要求相当高。

盲杖的外形和材质，也在一定程度上决定了它的档次和价格。

经济型和实用型盲杖的外壳采用普通的合金，其产品的侧重点在于追求产品的实用性和舒适度。

而全能产品的重点在于追求产品的品质和完美，因此高端产品的杖体会迥异于其他产品，甚至部分杖体采用上等木质或碳纤维等材料来去除金属带来的不适感。

 3.语音导航导盲杖的部件装配

语音导航导盲杖的部件主要分为2个大部分：

电子导盲杖和信息处理器。

电子导盲杖的部件有：

超声波传感器、GPS接收发模块、振动电机、无线弹簧天线、电源、电路板、导盲杖外壳。

信息处理器的部件有：

无线弹簧天线、语音芯片部分、主控制芯片、SD卡、控制主板、处理器外壳。

五、产品照片

图2图3

图4

图5

图6

六、作品专业信息

1.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

作品设计、发明的目的：

盲人是一个特殊的群体，其借助的辅助工具主要有导盲杖和导盲犬，其中，使用导盲杖最为普遍，然而传统的导盲杖仅仅是一根拐棍，随着社会的日益变化，已经远远不能满足盲人的出行需求了，盲人迫切的需要一种智能的导盲杖，我们设计的这个智能导盲杖可以方便盲人在无他人帮助的情况下感知周围环境并且能够自己行走，也为盲人回归社会，实现“平等、参与、共享”创造了条件。

 基本思路、创新点、技术指标：

我们设计的智能导盲杖是市面上没有卖的产品。

本作品由超声波测距功能、前方障碍物语音警示和振动警示功能、语音播报时间功能、语音播报方向功能、GPS定位功能组成。

在盲人走路时，如果前方有障碍物则自动语音提示盲人“前方危险，请慢行”；如果前方1.8米内没有障碍物，无提示音。

盲杖可以语音播报当前时间，最高精度为1度，且精度可调，范围为360度任意方向。

盲杖可以语音播报当前的时间，精确到分，范围为24小时任意时间。

手柄震动功能，在喧闹的环境下，盲人听不到语音报警时，可以感觉到手柄震动报警。

GPS功能，当盲人外出时，家人可以通过互联网确定盲人的位置，以防盲人迷路走丢。

夜间警示路人功能，在夜间时，盲杖上的指示灯自动亮，可以警示前方路人注意盲人位置，注意避让盲人。

盲杖具有使用方便，功耗低，实用性，是盲人出行外出的好助手。

2.科学性、先进性

整个控制系统中各个模块间存在一定的先后顺序且程序模块数量较少，为了减少系统的程序量，设计过程中系统的监控程序采用了传统的前后台方式。

整个监控程序主要有指南针模块驱动，实时时钟驱动，语音芯片驱动和串口驱动组成。

整个系统监控程序流程。

当系统上电后，最先执行的就是对系统各个部件进行初始化的代码，其中主要包括对系统的内部定时器，实时时钟，语音芯片驱动，指南针模块以及对系统通信串口的初始化，同时，光敏传感器系统作为一个独立的系统存在，自动根据光线的强弱进行控制。

GPS模块也是一个独立的模块，上点后自动工作，家人可以通过互联网定位盲人的位置了。

3.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

导盲杖上有三个功能按钮，分别为指示当前方向功能、指示当前时间功能、启动手柄震动功能。

当指示当前方向按钮按下时，语音播报当前方向，最高精度为1度，且精度可调，范围为360度任意方向。

当指示当前时间按钮按下时，语音播报当前的时间，精确到分，范围为24小时任意时间。

当启动手柄震动按钮后，当前方1.8米内有障碍物时，手柄开始震动，这样在喧闹的环境下，盲人听不到语音报警时，可以感觉到手柄的震动报警，再次按下改键则关闭手柄震动功能。

GPS功能，当盲人外出时，就可以开启导盲杖的GPS功能，这样家人就可以通过互联网确定盲人的位置了，以防盲人迷路走丢。

夜间警示路人功能，在夜间时，或者灯光昏暗的环境时，盲杖上的指示灯自动亮，可以警示前方路人注意盲人的位置，注意避让盲人。

注意：

当导盲杖处在障碍物报警状态时不可以开启功能按键，这时功能键的功能可能不能实现。

启动功能键时，需要长时间按，直到听到语音方可松手。

4.同类课题研究水平概述

盲人是一个特殊的群体，其借助的辅助工具主要有导盲杖和导盲犬，其中，使用导盲杖最为普遍，然而传统的导盲杖仅仅是一根拐棍，随着社会的日益变化，已经远远不能满足盲人的出行需求了，盲人迫切的需要一种智能的导盲杖，我们设计的这个智能导盲杖，完全自主设计完成，可以方便盲人在无他人帮助的情况下感知周围环境并且能够自己行走，也为盲人回归社会，实现“平等、参与、共享”创造了条件。

目前，国内的市面上还没有电子智能导盲杖的产品，国内的智能导盲杖的研究大都还在实验室阶段，没有达到成熟的产品，稳定性，便捷性，实用性，耐用性都有待提高，目前，在国际上，电子智能导盲杖的产品也不多。

日本秋田县立大学副教授刚按光博开发了一款电子导盲杖,2010年5月，在秋田县举行的日本全国盲人福利大会上公布。

但是该导盲杖上面只有两个超声波模块，只能用来检测障碍物，功能相对单一，而我们开发的导盲杖，除了具有超声波模块测量前方障碍物之外，还具有时钟，电子指南针，夜间识别系统，以及定位系统等组成，并且可以通过语音或者震动来告知盲人，功能有了比较全面的进步。

七、具体介绍链接