《为残障人特别设计的红外线遥感探测导盲犬》－第五届

《为残障人特别设计的红外线遥感探测导盲犬》

来源：发布时间：2007-12-29 浏览次数：970

铜奖

作品名称：《为残障人特别设计的红外线遥感探测导盲犬》
上海郭嘉祺

作品说明

 为残障人特别设计的红外线遥感探测导盲犬
                            上海市延安中学 郭嘉祺 张赛帅 顾骁
                             指导老师  上海市延安中学  高国强
一．引言
在现实生活中，盲人和高度近视等残障人常常遇到许多危险和阻碍。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残障人，于是我们目的是为残障人特别设计稳定的、快捷的、可实施的机器人导盲犬。
导盲机器人又称导盲犬，感觉器能不断地检测路标，以确定自己的路线，电脑可根据残障人想走的路线将这些信息与预先存储的街道地图相比较，给出控制信号，指挥行走装置向前行走,并不断进行修正。残障人和导盲犬之间还可以交流，导盲犬会按照主人的命令通过路口，遇到障碍物时，会及时提醒主人注意安全。
关键词：为残障人特别设计、红外线、单片机、遥感探测、自动计程、语音系统提示
二、设计目的
一辆四轮小车可以成为"导盲犬"？去年暑期，我们在东南大学领略了这个机器人的奇特功能。这个机器人是东南大学安康等几名同学在导师金世俊的指导下完成的，乍看上去，就像一辆越野车。不同的是，这辆小车前端竖着方方的零件，行驶起来这个部件就左右转动。金老师解释，机器人主要是通过超声波和红外线传感器（即转动的零件）来分辨周围是否有障碍物。一旦障碍出现，小车会感应到，自动避开，并且挑最近的路走。金老师告诉记者，只要在其身上再装几个传感器，比方说方向传感器、声音传感器等就可以为盲人领路。使用前，将这个机器人在盲人常去的地方走一遍，让它先认路。如果想去什么地方，只要报一下地名，机器人就会乖乖领路了。目前，他和几名学生已经开始进行实验，打算半年内完成样机。
而一般的为盲人设计的产品也有其局限性和单一性，我们通过网络和实地查询，发现同类型的产品，价格都较为昂贵，且有许多大公司的导盲犬机器人不具备对移动物体的避障能力，而只是对一些已知路径的引导。所以我们的机器人使用了是PS1016单片机 （BASIC语言）、红外线探测器、语音提示系统等设备，该产品定位在高科技、高性价比、低耗能、可自由携带的盲人导盲产品，这是我们的设计创作的目的。
三、设计原理
1、红外线遥感探测导盲犬主要是通过超声波和红外线传感器来分辨周围是否有障碍物并用智能语音系统提醒使用者，前方障碍物。
（1）当前方出现墙壁，导盲犬可以在前方半米处停下，并进行判断：向左走或向右走。
（2）当前方有移动物体出现时，机器人会示意主人停下。
2、导盲棒或绳子安装在机械头的头部上方，帮助盲人行走。
3、使用适合的可调节的速度来配合行走者的行路速度
4、能识别移动的物体（诸如移动中的人、狗、呼啸而过的汽车）、墙壁、施工工地。
5、计算使用时间，语音提示。
四、技术和方法
机器人视觉
机器视觉系统是指用计算机来实现人的视觉功能，也就是用计算机来实现对客观的三维世界的识别。按现在的理解，人类视觉系统的感受部分是视网膜，它是一个三维采样系统。
三维物体的可见部分投影到网膜上，人们按照投影到视网膜上的二维的像来 对该物体进行三维理解。所谓三维理解是指对被观察对象的形状、尺寸、离开观察点的距离、质地和运动特征（方向和速度）等的理解。
机器视觉系统的输入装置可以是摄像机、转鼓等，它们都把三维的影像作为输入源，即输入计算机的就是三维管观世界的二维投影。如果把三维客观世界到二维投影像看作是一种正变换的话，则机器视觉系统所要做的是从这种二维投影图像到三维客观世界的逆变换，也就是根据这种二维投影图像去重建三维的客观世界。
机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。
将近80的工业视觉系统主要用在检测方面，包括用于提高生产效率、控制生产过程中的产品质量、采集产品数据等。产品的分类和选择也集成于检测功能中。下面通过一个用于生产线上的单摄像机视觉系统，说明系统的组成及功能。
视觉系统检测生产线上的产品，决定产品是否符合质量要求，并根据结果，产生相应的信号输入上位机。图像获取设备包括光源、摄像机等；图像处理设备包括相应的软件和硬件系统；输出设备是与制造过程相连的有关系统，包括过程控制器和报警装置等。数据传输到计算机，进行分析和产品控制，若发现不合格品，则报警器告警，并将其排除出生产线。机器视觉的结果是CAQ系统的质量信息来源，也可以和CIMS其它系统集成。
图像的获取
图像的获取实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据，它主要由三部分组成：照明、 图像聚焦形成、图像确定和形成摄像机输出信号。
图像的数据编码和传输
数字图像的数据量是相当庞大的，一幅512*512个像素的数字图像的数据量为256K字节，若假设每秒传输25帧图像，则传输的信道速率为52.4M比特/秒。高信道速率意味着高投资，也意味着普及难度的增加。因此，传输过程中，对图像数据进行压缩显得非常重要。数据的压缩主要通过图像数据的编码和变换压缩完成。
图像数据编码一般采用预测编码，即将图像数据的空间变化规律和序列变化规律用一个预测公式表示，如果知道了某一像素的前面各相邻像素值之后，可以用公式预测该像素值。采用预测编码，一般只需传输图像数据的起始值和预测误差，因此可将8比特/ 像素压缩到2比特/像素。
变换压缩方法是将整幅图像分成一个个小的（一秀取8*8或16*16）数据块，再将这 些数据块分类、变换、量化，从而构成自适应的变换压缩系统。该方法可将一幅图像的 数据压缩到为数不多的几十个特传输，在接收端再变换回去即可。 
图像的识别
图像的识别过程实际上可以看作是一个标记过程，即利用识别算法来辨别景物中已 分割好的各个物体，给这些物体赋予特定的标记，它是机器视觉系统必须完成的一个任务。
按照图像识别从易到难，可分为三类问题。第一类识别问题中，图像中的像素表达 了某一物体的某种特定信息。如遥感图像中的某一像素代表地面某一位置地物的一定光 谱波段的反射特性，通过它即可判别出该地物的种类。第二类问题中，待识别物是有形 的整体，二维图像信息已经足够识别该物体，如文字识别、某些具有稳定可视表面的三 维体识别等。但这类问题不像第一类问题容易表示成特征矢量，在识别过程中，应先将 待识别物体正确地从图像的背景中分割出来，再设法将建立起来的图像中物体的属性图 与假定模型库的属性图之间匹配。第三类问题是由输入的二维图、要素图、2·5维图等 ，得出被测物体的三维表示。这里存着如何将隐含的三维信息提取出来的问题，当是今研究的热点。
目前用于图像识别的方法主要分为决策理论和结构方法。决策理论方法的基础是决 策函数，利用它对模式向量进行分类识别，是以定时描述（如统计纹理）为基础的；结构方法的核心是将物体分解成了模式或模式基元，而不同的物体结构有不同的基元串（ 或称字符串），通过对未知物体利用给定的模式基元求出编码边界，得到字符串，再根 据字符串判断它的属类。这是一种依赖于符号描述被测物体之间关系的方法。
1、程序框图
我们设计的程序框图如下：
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2、红外线传感器原理
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3、单片机的内部结构
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4、控制系统线路图
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五、性能测试
测试者：延安中学高一同学3人（年龄16岁）高二年级组语文老师1人（年龄53岁）均闭眼扮成盲人。
测试地点：延安中学实验室（四周有高矮不一的障碍物，四面有高墙）
项目一：反应能力 
1、静物测试：测试者手握连接机器人与盲人的手杖，当机器人遇到高墙，在高墙前1.2米处自动停止，2秒后，发出语音提示，并向左旋转90度。
2、移动物体测试：测试者手握连接机器人与盲人的手杖，前方有人物走动时，在人物脚部1.2米处停止前进，2秒后，发出语音提示，并向左旋转90度。
项目二：机器人速度
1名学生认为速度稍慢，其余2名学生认为速度适中，老师认为速度适中。
六、预期目标
1．我们在设计过程中，遇到谈论机器人灵活性和智能化的问题。如何判断导盲犬四周的环境是否适合残疾人的行走？我们计划使用热红外传感器，以及温度计，并使用单片机进行判断。
2．程序的算法有待完善，我们对死墙的判断还需要更智能化，预期将判断3面死墙的算法。
3．对深沟与台阶的判断还需要完善。
七、结论
红外线遥感探测导盲犬,感觉器能不断地检测路标,以确定自己的路线,电脑可根据盲人想走的路线将这些信息与预先存储的街道地图相比较,给出控制信号,指挥行走装置向前行走,并不断进行修正。盲人和导盲犬之间还可以交流，导盲犬会按照主人的命令通过路口，遇到障碍物时，会及时提醒主人注意安全。
第一阶段可以实现在非崎岖地貌的平地中成功避障，应用在盲人的日常生活及小范围的陌生地区的引导和避障。相信在未来的日子里，随着我们的技术水平和技术层面的提升，将有更完善的机器人问世。
参考文献
PIC单片机实用教程.基础篇 北航大学 李学海
单片机原理与接口技术 人民邮电 林全新 黄丽娟
单片机原理及应用(第二版) 电子工业 曹巧媛 
单片机原理与应用教程 电子工业 傅扬烈	
单片机原理及接口技术学习辅导 电子工业 朱定华
单片机实验与实践教程.北航大学 夏继强
PIC单片机轻松入门 清华大学

发明小故事

我们的为残障人特别设计的红外线遥感探测导盲犬机器人设计小组成立于2005年8月，目前，上海有很多盲人，生活很不方便， 他们生活不能自理，需要家人的照护，而且他们在马路上行走时处处存在着种种危险。像砖块，树枝，汽车等经常会使他们受到意外伤害。没有一只可靠的导盲犬是不方便的。但是动物导盲犬训练耗时较长，且普通百姓无力购买。
经过AutoCAD，CAXA实体设计，单片机基础知识，金工技能和电子控制系统的学习，我们突发奇想；能否用单片机作"脑子"，通过电子控制系统控制，综合运用所学知识设计一种价廉物美的机器人导盲犬。所以我们在高老师的带领下，开始这个盲人导盲犬的研制。
我们的创新之路漫长而又艰辛。由于大公司的技术垄断，在没有任何先例可以借鉴的条件下，我们决定走出自己的一条路。我们利用课余时间和双休日，到图书馆和机房查找资料，开始了前期的设计工作。在传感器的选择上，我们小组发生了一些争执。有人认为应该用声波传感器，还有人认为应该使用红外线传感器。我们咨询了高老师，并通过查阅相关文献和网上资料，结合了性价比。发现声波传感器相对比较昂贵，且国内只有少数几家厂家生产，购买和维护相对困难，不利于盲人的后续使用。所以我们目前选择了红外线传感器。在付出了大量的课余时间之后，我们完成了初步的设计。
接着我们来到了上海市延安中学金工实验室。在金工老师的帮助下，我们找来了所有的原材料。我们在那的主要任务是将单片机、传感器、各电路元件及车体装配起来，使之达到我们设计的效果。
大功即将告成，最后我们进行了调试。在调试的过程中，除了使之达到我们预先设定的各项技术指标外，我们增加了如：自动计程、语音提示系统、报警器等人性化的设计。
随后我们对动物导盲犬与我们的机器人导盲犬进行了优点对比。动物导盲犬的培训过程长达18个月，综合费用达2.5-3万美元。导盲犬的工作寿命只有8-10年。培训是从小狗出生后2个月就开始了的。主要是培养小狗熟悉人类的居住环境，比如房子，汽车，道路，其他小动物如猫狗，小孩子，这些都是日后导盲犬在工作中要接触到的。熟悉各种公共场合，比如商店，餐厅，学校，电梯，人行横道，红绿灯，公共汽车，火车，甚至飞机等；训练一些基本的服从命令，比如坐，等待，站立，行走等，训练狗走路是一项基础的任务。因为这些狗日后的工作就是带领视障主人走到任何需要的地方。随后的训练分为三个阶段：第一阶段是训练狗走直线，并在横过马路的边沿前停住；第二阶段训练狗听懂并服从所有的指令术语；第三阶段训练狗自如地完成所有导盲犬所需要的基本技术，比如：走直线，不低头闻地；行走时紧贴着主人的左边并稍微领先一点；在所有的上下楼梯前停住；在所有的十字路口停住并听从过马路的指令；避免横向和纵向（头顶）的障碍物(比如路过窄无法使人和狗一起通过)；静静地卧在餐厅或办公场所；聪明地违反指令只有当该指令可能使主人处于危险境地，比如：主人命令穿过马路，但由于视障没有发现拐角处正在驶来的汽车，这时导盲犬的职责是拒绝服从指令直到危险排除等等。而这显然是无法大众化的，我们的机器人导盲犬主要是通过超声波和红外线传感器来分辨周围是否有障碍物并用智能语音系统提醒使用者，前方障碍物。它只需简单的电脑编程，即可躲闪静止或移动的物体，而且它可以流水线大量生产。
高老师告诉我们，只要在其身上再装几个传感器，比方说方向传感器、声音传感器等就可以为盲人领路。使用前，将这个机器人在盲人常去的地方走一遍，让它先认路。如果想去什么地方，只要报一下地名，机器人就会乖乖领路了。
21世纪是科技创新的时代，我们的作品不仅弥补了国内在此领域的空白，而较大公司的产品成本更为低廉。相信在不久的将来一定会有广泛的应用前景。