專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及視障人員行走輔助裝置，為一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置。
背景技術(shù)：
為了解決視障人員行走不便，尤其是避開道路上障礙物的問題，目前被廣泛采用的輔助系統(tǒng)是導盲杖和極少數(shù)的穿戴式導盲輔助系統(tǒng)。導盲杖可分為傳統(tǒng)導盲杖和電子導盲杖兩種。傳統(tǒng)導盲杖結(jié)構(gòu)簡單，僅僅是普通的木棒或其他材質(zhì)的棒，其主要功能就是通過盲人不斷的敲擊地面探明前方0. 5m距離內(nèi)的固定障礙。電子導盲杖通過加入超聲波探頭、紅外探頭或者攝像頭對前方固定和運動物體進行探測，當發(fā)現(xiàn)障礙時向盲人使用者發(fā)出危險警報引起注意，引導其避開障礙物，通過使用電子探測手段，擴大了導盲杖的可探測區(qū)域。穿戴式導盲輔助系統(tǒng)多以眼鏡上配置的超聲波探測裝置的為主，避障效果較差。由于導盲杖的高度有限，對于懸空的半高障礙物不易被探測；此外通常的導盲輔助系統(tǒng)都是采用警報音或者語音進行提示，在嘈雜的環(huán)境中，這種報警通常會受到較大影響，同時極少數(shù)有聽力障礙的視障人員，則不能使用語音警示；使用導盲棒時，需要占用一只手，這樣在視障人員需要雙手操作時，就會有些不便；某些穿戴式導盲輔助系統(tǒng)，各個穿戴裝置都是獨自判斷，比如遇到一個較高的障礙物時，障礙高度內(nèi)的身體穿戴點都會進行報警。某些集中式有線連接又對裝置的穿戴性帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有的導盲裝置避障效果不能滿足需求，使用不方便，容易受到使用環(huán)境的影響。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，包括頭部檢測裝置、腰部檢測裝置和腿部檢測裝置，各檢測裝置間通過無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，頭部檢測裝置針對穿戴者前后左右四個方向的障礙物和接近的人或物體進行檢測；腰部檢測裝置對穿戴者左斜前、正前、右斜前、左斜后、正后和右斜后六個方向進行檢測；腿部檢測裝置包括2個大腿避障子裝置和2個小腿避障子裝置，所述腿部檢測裝置對穿戴者前方、后方和腿外側(cè)三個方向的障礙物進行檢測；頭部檢測裝置、腰部檢測裝置和腿部檢測裝置中均設有振動反饋單元、電源管理單元、ZigBee MCU控制單元以及紅外測距單元，ZigBee MCU控制單元分別發(fā)送控制信號至紅外測距單元和振動反饋單元，紅外測距單元反饋信號至ZigBee MCU控制單元；各檢測裝置的ZigBee MCU控制單元通過ZigBee通信。 所述腰部檢測裝置還設有步頻檢測單元。所述腰部檢測裝置為網(wǎng)絡網(wǎng)關，頭部和腿部檢測裝置均為網(wǎng)絡節(jié)點。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，能夠解放行走過程中視障人員的雙手，能夠全方位的探測視障人員身體周圍的障礙，并且通過振動正確反饋障礙物位置及高度，各個穿戴裝置間使用無線傳感器網(wǎng)絡通信，解決獨立判斷障礙物位置反饋不統(tǒng)一的問題，以及總線式控制的穿戴不便問題，從而保障盲人行走的安全。本發(fā)明具有以下有益效果一、可以測量不同高度的障礙物，為視障人員的行走帶來方便；二、穿戴容易，釋放雙手，沒有繁雜的連線；三、振動式觸覺反饋，避免了嘈雜的周圍環(huán)境對語音警告的影響；四、性價比高，簡單實用?，F(xiàn)有的佩戴式導盲裝置或者只有單一的一個部位的檢測，或者各檢測裝置均為獨立判斷，獨立判斷只能對單個 傳感器所覆蓋的空間內(nèi)的障礙物進行檢測，需要具有較大的覆蓋性的傳感器，性價比低，通過多點檢測裝置的聯(lián)合判斷可以很好的覆蓋穿戴者周圍環(huán)境，更全面的為穿戴著提供環(huán)境信息，本發(fā)明采用的無線通信解決了多節(jié)點之間的信息聯(lián)合問題，避免有線方式的穿戴復雜問題，并且無線傳感器網(wǎng)絡還具有低功耗的優(yōu)勢。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖2是本發(fā)明的頭部檢測裝置硬件框圖。圖3是本發(fā)明的腿部檢測裝置硬件框圖。圖4是本發(fā)明的腰部檢測裝置硬件框圖。圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)程序流程圖。圖6是本發(fā)明的穿戴示意圖。圖7是本發(fā)明的障礙物檢測示意圖。圖8是本發(fā)明的行走過程中小腿部紅外測距方向變化示意圖。圖9是本發(fā)明的地面凹坑檢測示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明是面向視障人員的行走輔助系統(tǒng)，包括頭部檢測裝置、腰部檢測裝置和腿部檢測裝置三個部分，三部分通過無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。其中腰部檢測裝置為網(wǎng)絡網(wǎng)關，頭部和腿部檢測裝置均為網(wǎng)絡節(jié)點。頭部檢測裝置主要是針對前后左右四個方向的障礙物和接近的人或物體進行檢測；腰部檢測裝置對左斜前、正前、右斜前、左斜后、正后和右斜后六個方向進行檢測；腿部檢測裝置分為2個大腿避障子裝置和2個小腿避障子裝置，并且每個裝置都可以進行前方、后方和腿外側(cè)三個方向的障礙物檢測，這樣整個系統(tǒng)可以對人體周圍進行全方位的檢測，檢測通過測距類傳感器完成。頭部和腿部檢測裝置主要由振動反饋單元、電源管理單元、ZigBee MCU控制單元以及紅外測距單元四個部分構(gòu)成；其特征是=ZigBee MCU控制單元控制紅外測距單元發(fā)射紅外信號，并接收被障礙物反射回來的紅外信號，分析紅外測距傳感器方向范圍內(nèi)是否存在障礙物，若存在障礙物，控制單元通過振動反饋單元傳遞視障人員警示信號。通過采用ZigBee技術(shù)，分布式控制各個檢測裝置，不需要總線通信，同時每個檢測裝置有各自獨立的電源管理單元，采用常見的可重復使用的鋰電池作為供電方式，不需要繁雜的電源線；各個檢測裝置通過綁帶綁在人身體的各個部位。腰部檢測裝置除了具有以上四個部分，還包括一個步頻檢測單元，步頻檢測單元主要是由三軸加速度傳感器組成，用于檢測視障人員步行過程中的行走速度，根據(jù)步頻和距離障礙物距離，當前方有障礙物，檢測裝置的反饋單元會根據(jù)視障使用者的步頻來決定振動電機的振動頻率，即速度愈快距離愈短，振動電機振動頻率愈高。下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可穿戴式的導盲裝置包括頭部檢測裝置101、腰部裝置106、大腿部裝置102、105和小腿部裝置103、104。各個裝置分別都是通過綁帶穿戴在人的身上。其中腰部檢測裝置106作為無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關，其他的檢測裝置為網(wǎng)絡節(jié)點，通過自組織方式組成網(wǎng)絡。頭部檢測裝置101對穿戴人員的前后左右四個方向都有障礙物檢測單元。腰部檢測裝置106不僅在腰前方三個方向上有障礙物檢測單元，在腰后方三個方向上也有障礙物檢測單元，大腿部裝置102、105和小腿部裝置103、104均是對前、后和側(cè)向安裝有障礙物檢測單元。這樣就可以在人體周圍建立起一個以紅外傳 感器的有效測量距離的立體檢測圈。可以對視障人員周圍的障礙物以及對接近視障人員給出有人或物接近的警示信息。如圖2所示，為導盲裝置系統(tǒng)中的頭部檢測裝置的硬件框圖，系統(tǒng)主要包括綁帶201和四個障礙物檢測單元202、203、204、205。其中三個障礙物檢測單元202、204、205主要由振動電機210、213、211和紅外傳感器206、208、209組成。障礙物檢測單元203作為頭部檢測裝置的通信單元，不僅具有無線通信功能，同時具有障礙物檢測功能。主要包括電源管理207、ZigBee MCU 212、紅外傳感器214以及振動電機215。障礙物檢測單元203的電源管理207整個頭部檢測裝置的供電管理，同時ZigBee MCU控制整個頭部裝置檢測控制、數(shù)據(jù)通信以及執(zhí)行反饋警示。腿部檢測裝置主要分為左右大腿和左右小腿四個子裝置，結(jié)構(gòu)相同，檢測裝置硬件框圖如圖3所示，主要包含綁帶301和三個障礙物檢測單元302、303和304。其中障礙物檢測單元302、304分別包含紅外傳感器305、307和振動電機308、312，而障礙物檢測單元303主要由電源管理306、ZigBee MCU 309、紅外傳感器310和振動電機311組成。其中電源管理306和ZigBee MCU 309與頭部檢測單元的對應部分功能相同。如圖4所示，為腰部檢測裝置硬件框圖，主要包含綁帶401和6個障礙物檢測單元402、403、404、405、406、407。其中障礙物檢測單元402、403、405、406、407具有相同的結(jié)構(gòu)，都是由紅外傳感器和振動電機組成。而障礙物檢測單元404主要包括五部分，分別為電源管理409、ZigBee MCU 417、三軸加速度傳感器416、紅外傳感器421和振動電機422。與頭部、腿部檢測裝置不同的是腰部檢測裝置的ZigBee MCU 417要承擔無線傳感器網(wǎng)絡的組建任務，以及將其他的檢測裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進行分析融合，并反饋分析結(jié)果。同時腰部檢測裝置還包含步頻檢測功能，主要是對三軸加速度傳感器416的數(shù)據(jù)采集，可以得到人行走的速度。如圖5所示，為整個系統(tǒng)的程序流程圖。系統(tǒng)初始化以后，通過對頭部，腰部，大腿部和小腿部四個位置的檢測裝置采集數(shù)據(jù)，以固定周期的傳送到網(wǎng)關，由網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)綜合分析，從各個檢測裝置中的傳感器數(shù)據(jù)中，可以提取路面凹坑、中空障礙物、懸空障礙物以及地面凸起障礙物信息。從加速度傳感器數(shù)據(jù)中得知盲人的行走速度，配合障礙類型和障礙物距離給出警示，從振動的位置可以了解障礙物的類型，根據(jù)振動的頻率了解障礙物的距離。具體的數(shù)據(jù)分析過程如圖7、8、9中所示。如圖6所示，為一個裝置使用者的穿戴實例，將各個檢測裝置如圖中穿戴。其中作圖為裝置使用者穿戴后的左視圖和右視圖。右圖為裝置使用者穿戴后的前視圖和后視圖。如圖7所示的，視障人穿戴之后在站立的狀態(tài)下對各種障礙物的檢測。整個系統(tǒng)的檢測裝置分布為一個從頭部到小腿部基本固定的高度差，這樣整個系統(tǒng)對不同高度的障礙物均有一個較好的檢測。如圖中所示，四個立在地面上的實體障礙物，不同高度的障礙物被不同數(shù)量的傳感器檢測到。將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關中進行分析障礙物高度判斷，被障礙物覆蓋的所有檢測裝置中振動電機工作，給予警示信息。當只有小腿部檢測裝置檢測到的障礙物時，小腿部檢測裝置內(nèi)振動電機振動給予警示，通過人行走的速度和障礙距離，調(diào)整振動電機的振動頻率，振動頻率越高說明障礙物越近。而當小腿部和大腿部檢測裝置均檢測到障礙物時，兩部分的振動電機均給出警示。以此類推，從地面凸起的障礙均可被檢測到，并給出有效的警示信息。當然針對懸掛的障礙物，表面視障人員頭部受傷，當只有頭部檢測裝置檢測到障礙物時，頭部檢測裝置給予懸掛障礙物警示，讓視障人員低頭通過前方。而對于類似桌子的中空的障礙物，只能由不連續(xù)的檢測裝置檢測到，如大腿部、小腿部和頭部檢測裝置未檢測到，只有腰部檢測裝置檢測到，說明前方是一個中空障礙物，仍需要提示視障人員繞行。如圖8所示，為人正常行走的分步圖。在行走的過程中，大腿和小腿上穿戴的裝置相對位置是隨時間不斷的變化，但整體是以I到4的周期性變化。檢測裝置內(nèi)安裝的紅外傳感器檢測方向均為水平，小腿部的傳感器方向變化為“上-平-下-下”的周期過程。這樣在前方存在一個可以被小腿部紅外傳感器檢測到的障礙物，紅外傳感器輸出的距離數(shù)據(jù)做成的曲線圖是一個類阻尼振動的形式。從曲線的特征中提取是否存在障礙物和障礙物距離信息，通過紐扣振動電機201的振動頻率反饋給裝置使用者。同樣，對于大腿部裝置返回的數(shù)據(jù)也采用以上方法進行處理。如圖9所示，為系統(tǒng)對地面凹坑的檢測示意圖，由于人運動過程中大腿和小腿的相對位置是相互交替的，通常只是提取紅外傳感器在腿伸直這一自然狀態(tài)時與障礙物的距離信息。而本發(fā)明中充分利用腿部的紅外距離數(shù)據(jù)，從中提取小腿部非自然狀態(tài)下的紅外距離信息，從而得到路面的基本路況，是否有凹坑等。如圖，人行走時，分為1-4四個步驟，第一步，左小腿可以檢測到地面距離DL (I，i)，第二步，左小腿可以檢測到地面距離DL (2，i)，第三、四步分為得到DR(1，i)，和DR(2，i)，其中i為行走過程中的第i步。當?shù)孛姹容^平坦時，DR(j，i)和DL(j，i)是基本保持不變的，而當如圖中遇到凹坑時，其數(shù)據(jù)必然會有畸變，這樣就可以及時的警示信息反饋給視障人員，從而避免摔倒。權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，其特征是包括頭部檢測裝置、腰部檢測裝置和腿部檢測裝置，各檢測裝置間通過無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，頭部檢測裝置針對穿戴者前后左右四個方向的障礙物和接近的人或物體進行檢測；腰部檢測裝置對穿戴者左斜前、正前、右斜前、左斜后、正后和右斜后六個方向進行檢測；腿部檢測裝置包括2個大腿避障子裝置和2個小腿避障子裝置，所述腿部檢測裝置對穿戴者前方、后方和腿外側(cè)三個方向的障礙物進行檢測； 頭部檢測裝置、腰部檢測裝置和腿部檢測裝置中均設有振動反饋單元、電源管理單元、ZigBee MCU控制單元以及紅外測距單元，ZigBee MCU控制單元分別發(fā)送控制信號至紅外測距單元和振動反饋單元，紅外測距單元反饋信號至ZigBee MCU控制單元；各檢測裝置的ZigBee MCU控制單元通過ZigBee通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，其 特征是所述腰部檢測裝置還設有步頻檢測單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，其特征是所述腰部檢測裝置為網(wǎng)絡網(wǎng)關，頭部和腿部檢測裝置均為網(wǎng)絡節(jié)點。
全文摘要
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，包括頭部檢測裝置、腰部檢測裝置和腿部檢測裝置，各檢測裝置間通過無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡及振動反饋的穿戴式導盲裝置，能夠解放行走過程中視障人員的雙手，能夠全方位的探測視障人員身體周圍的障礙，并且通過振動正確反饋障礙物位置及高度，各個穿戴裝置間使用無線傳感器網(wǎng)絡通信，解決獨立判斷障礙物位置反饋不統(tǒng)一的問題，以及總線式控制的穿戴不便問題，從而保障盲人行走的安全。
文檔編號A61F9/08GK102631280SQ20121011491
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者喬貴方, 吳涓, 孫洪濤, 宋光明, 宋愛國, 張軍 申請人:東南大學