基本信息
- 項目名稱：
- 紅外探測空間可觸摸式引導(dǎo)系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本項目提出了紅外探測空間可觸摸式引導(dǎo)系統(tǒng)，他通過CCD、攝影機、紅外探測，所獲得的連續(xù)影像，經(jīng)過特殊的影像處理技術(shù)，可以感應(yīng)場景中物體的種類、形狀、大小、遠近等信息，結(jié)合驅(qū)動微型電機群可建構(gòu)出整個場景的3D模型，再加上語音提示和上下區(qū)域的感應(yīng)模塊，在未知環(huán)境中成功執(zhí)行基本之導(dǎo)盲任務(wù)。這樣可聽可觸摸式的實時穩(wěn)健引導(dǎo)系統(tǒng)，給視障者可帶來心理上的安全感和依賴感。
- 詳細介紹：
- 研究背景： 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，空間環(huán)境的格局也變得日益豐富起來，這對于一般人來說，他們能夠很快地適應(yīng)這樣的生活，但是對于視障人士 他們只能依賴他人的協(xié)助 才可以在這個復(fù)雜的環(huán)境中順利到達所要前住的目的地。 在現(xiàn)實生活中，實際視障者有行進輔助上的大量需求。而現(xiàn)今普遍的導(dǎo)盲系統(tǒng)提供給視障者的信息極為有限。 盲杖作為傳統(tǒng)視障人士的出門工具，它的原理是代替使用者探測將要經(jīng)過的位置的地型和是否有危險，后來又演變出電子盲杖，它利用紅外傳感電子技術(shù)和超聲波技術(shù)，通過它們的碰撞反射原理，制作出新式的盲杖，延長了探測范圍 達到用戶不需觸及障礙物便可以判斷方向的目的。但這些都只能達到小區(qū)域的探測功能，它們都不能起到引導(dǎo)的功能，所以就有導(dǎo)盲磚的出現(xiàn)，它是一些帶有突出物的特殊磚塊，事先把它鋪在道上，視障人士可以靠足部的感覺，步行在以這些磚塊鋪成的路徑上，便可以按指定的安全路徑行走，不過這種方法并不能有效地指出唯一的確定路徑，所以其后便有效法汽車利用GPS作路徑導(dǎo)航方法衍生而出 依靠天上幾個衛(wèi)星和地面儀器的幾何位置，計算出用戶的所在坐標，并輔以電子地圖，配合相應(yīng)的算法，可以給用戶列出適當?shù)穆窂健２贿^衛(wèi)星和地面的相距長達數(shù)萬公里，相對于人行距離只是其萬分之一，加上在這幾萬公里中不確定的自然現(xiàn)象，可見其精確程度比較難掌握。而當場景變得精細復(fù)雜的時候，則以上方法出現(xiàn)的問題就更大了，一般基于GPS地圖的繪制都是對于大面積的區(qū)域，對于一般障礙物和可移動的物體時，要使用GPS作導(dǎo)航相對比較困難的。而現(xiàn)有的機器人導(dǎo)盲犬，它需要預(yù)先存儲的街道地圖，如若到達一個陌生的環(huán)境它將不能發(fā)揮它原有的功效。 基于以上問題，本項目提出了紅外探測空間可觸摸式引導(dǎo)系統(tǒng)，他通過CCD、攝影機、紅外探測，所獲得的連續(xù)影像，經(jīng)過特殊的影像處理技術(shù)，可以感應(yīng)場景中物體的種類、形狀、大小、遠近等信息，結(jié)合驅(qū)動微型電機群可建構(gòu)出整個場景的3D模型，再加上語音提示和上下區(qū)域的感應(yīng)模塊，在未知環(huán)境中成功執(zhí)行基本之導(dǎo)盲任務(wù)。這樣可聽可觸摸式的實時穩(wěn)健引導(dǎo)系統(tǒng)，給視障者可帶來心理上的安全感和依賴感。 作品撰寫的目的和基本思路： 作品的主要目的：用于導(dǎo)盲的一個輔助系統(tǒng)，可以憑借觸覺感知前方的障礙物，從而起到一個保護的和引導(dǎo)作用。 基本思路：首先是一個景物的捕捉器，主要有幾個重要的傳感器功能，這些傳感器包括：攝像頭、深度傳感器等，以及一個可處理專用軟件的處理器。RGB攝像頭：此攝像頭它可以為捕捉器提供紅、綠、藍三個通道的顏色。它的作用在于物體的識別和對物體體積的捕捉。深度傳感器：深度傳感器由紅外線投影機加單色CMOS傳感器組成。它可以讓捕捉器真正“看到”3D空間，而不是通過計算得出空間數(shù)據(jù)。此外它還擁有一個機械轉(zhuǎn)動的底座，可以讓攝像頭本體能夠看到的范圍更廣泛，并且可以隨著人的位置靈活變動。 對于捕捉到的彩色影像、3D影像。首先是捕捉器上有3個鏡頭，其中的鏡頭是一般常見的RGB彩色攝影機，另外兩個鏡頭則分別為紅外發(fā)射器和紅外線攝影機所構(gòu)成的3D深度感應(yīng)器，主要就是靠3D深度感感應(yīng)偵測物體的實際形狀和大小。然后通過芯片組把3D的影響分成一個個點陣，在進步電機上顯示各個點陣的高度，一個實際的物體就顯示在電機上了，只要通過手的觸摸就能知道前面的障礙物。同時也能感覺到他的大致距離。 電機部分原理圖 作品的科學(xué)性先進性及獨特之處： 該引導(dǎo)裝置主要由兩部分構(gòu)成，一個是三維取景模塊，用于獲取使用者周圍環(huán)境的空間布局信息。另一個是由多個步進電機構(gòu)成的點陣擬真盤，用于將之前攝取的三維景象按比例顯現(xiàn)出來。盲人可以利用他們靈敏的觸覺，通過觸摸擬真盤上的三維模型從而了解周圍的環(huán)境信息，這樣就可以主動的避開前進道路上的障礙物。 人通過兩只眼睛來觀察世界，所以能獲取有立體感的圖像信息。因此我們的三維取景模塊也是由兩個攝像頭組成的，一個是數(shù)字視頻攝像頭，用以捕捉三維圖的二維基礎(chǔ)圖像，另一個是紅外攝像頭，它能識別出路上的人和寵物，并且在夜間也能很好的工作。整個模塊通過先前測得的景深和周圍環(huán)境的二維基礎(chǔ)圖像，利用軟件算法將其還原成一幅三維圖像。之后，再由通過相關(guān)算法，控制步進電機的轉(zhuǎn)動，以控制擬真盤上的不同像素點升降的幅度，從而將周圍環(huán)境的三維圖像按一定的比例尺顯現(xiàn)出來。通過這種方法把周圍的環(huán)境狀況告知盲人。 現(xiàn)在在導(dǎo)盲用具的市場上，原始的手杖還是占據(jù)著最大的份額，而在國外，導(dǎo)盲犬也備受青睞，但是具有相關(guān)領(lǐng)先技術(shù)的導(dǎo)盲用具卻一直無法有很大的銷路，只能在實驗室里模擬模擬，要投放市場，卻因為技術(shù)不夠完善、成本太高(相較于之前兩種導(dǎo)盲用具)、與日常生活習(xí)慣不符等等原因，造成科研作品市場化的不理想。 之前的導(dǎo)盲器基本上是紅外或者微波，這兩個主流路線的。它們與使用者的溝通是依靠聲音示警的，盲人聽到了示警聲之后，被動的改路線，再等待是否有示警聲。這是一種被動導(dǎo)盲方式，會讓使用者感覺自己被導(dǎo)盲器給束縛了。而我們這套裝置通過觸摸的方式與盲人進行信息交互，這是他們熟悉的一種渠道，而且，使用者可以主動的選擇需要擬真的三維場景。這是把主動權(quán)交還到人手里，也不會讓人有被束縛的感覺。 作品的實際應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義： 一、實際應(yīng)用價值 紅外探測空間可觸摸式引導(dǎo)系統(tǒng)，是將基于周邊環(huán)境提取的障礙物圖像處理結(jié)合紅外探測技術(shù)等應(yīng)用，能夠很好地檢測周圍環(huán)境，及時地發(fā)現(xiàn)視障者周圍的障礙物，并對周邊場景進行重建，使得視障者只要通過觸摸的方式，就可對身邊的環(huán)境做到心中有數(shù)，為盲人安全、快速行走提供了保障。雖目前已有多種導(dǎo)盲系統(tǒng),從最簡單的導(dǎo)盲拐棍到借助GPRS的大型人工導(dǎo)盲系統(tǒng),給盲人獨立出行帶來很多便利,但它們在不同程度上都存在不足，而本系統(tǒng)運行的可行性較好，其自身攜帶的處理功能，無需遠程設(shè)備的支持，避免了一般導(dǎo)盲系統(tǒng)的盲區(qū)和距離限制的問題，從而提高了其應(yīng)用效率。該系統(tǒng)具有精度高、可靠性強、移植性好等特點，能夠在實物建模領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 二、現(xiàn)實意義 日常生活中，視障者行動常常會遇到許多阻礙。如在陌生路上行走時，會需要路人或借助于導(dǎo)盲犬的幫助。而從挑選、訓(xùn)練、熟悉一只導(dǎo)盲犬的時間往往是在兩年左右，而我們希望通過高科技的方法、更快捷、更穩(wěn)定的方式來服務(wù)于視障者，現(xiàn)今普遍的導(dǎo)盲系統(tǒng)(導(dǎo)盲磚)提供給視障者的信息極為有限。本項目希望通過可對周邊環(huán)境的重建的可觸摸模式的導(dǎo)盲系統(tǒng)，提供給視障者更多安全上與生活上的信息，改善視障者的行動質(zhì)量。 系統(tǒng)框圖： 步進電機：直徑約6.5mm，長度11.5mm（其中電機主體4.5mm），螺桿部分直徑1.5mm， 電機群初步采用15*20的規(guī)模 步進電機示意圖： 工作原理： 采用單極性直流電源供電，然后對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。 開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 當開關(guān)SC接通電源，SA、SB、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間的磁力線作用，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁力極對齊，而0、3號齒和A、B 相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，電機中的A、B、C、D繞組輪流供電，從而使得轉(zhuǎn)子會繞著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。通過觀察步進電機工作時序波形圖（如圖示），可以看出單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 電機控制流程圖： 軟件流程圖： 技術(shù)問題: 目前，大多數(shù)電子導(dǎo)盲裝置是基于單片機和超聲波測距系統(tǒng)。 1、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差； 2、系統(tǒng)響應(yīng)較慢； 3、發(fā)射和計數(shù)脈沖不同步； 4、超聲波在傳播過程中由于受衍射、散射和吸收等影響衰減； 5、不可觸摸性，不能實現(xiàn)人機互動； 展望: 實現(xiàn)三維取景建模---多個景物捕捉器、處理芯片組及步進電機群等 1、超聲波的衰減誤差---紅外探測。 2、人性化設(shè)計---可觸摸式、語音提示等功能。 3、實物建模領(lǐng)域廣泛應(yīng)用---具有精度高、可靠性強、移植性好等特點。
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 本項目所研究的是視障者日常生活的輔助工具，希望能幫助他們在日后的生活中提供更大的便利。本系統(tǒng)通過攝像機取景以及三維模型搭建，通過可觸摸形式能讓視障者了解周圍環(huán)境的情況
科學(xué)性、先進性
- 本項目致力于引導(dǎo)系統(tǒng)的空間環(huán)境的捕捉和建模，實現(xiàn)對周圍障礙物的可觸摸性。通過空間攝像機以及紅外探測技術(shù)等的使用，能夠?qū)χ苓叺沫h(huán)境進行捕捉和檢測，使得視障人士能夠通過觸摸的方式對周邊環(huán)境布局有著詳細的了解，運用先進的取景技術(shù)和三維模型構(gòu)建技術(shù)。告別了傳統(tǒng)的語音提示引導(dǎo)模式以及遠程控制的引導(dǎo)系統(tǒng)。而其相應(yīng)的 3D視頻捕捉和建模模塊可以運用到三維地圖、各類器件等的制作當中。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示 圖片 錄像 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 在現(xiàn)實生活中，視障朋友們長期處于黑暗的世界當中，無法以視覺感官來體會這個五彩繽紛的世界，必須依靠聽覺、嗅覺和觸覺等感受他所生存的空間。本項目致力于引導(dǎo)系統(tǒng)的空間環(huán)境的捕捉和建模，實現(xiàn)對周圍障礙物的可觸摸性。
同類課題研究水平概述
- 目前，大多數(shù)的電子導(dǎo)盲裝置是基于單片機和超聲波測距系統(tǒng)，如電子式導(dǎo)盲器、移動式機器人、盲人導(dǎo)引手杖、穿戴式導(dǎo)盲器等 。2010.5,20，日本全國盲人福祉大會公開了一種新發(fā)明的電子導(dǎo)盲杖，這種導(dǎo)盲杖能夠讓使用者感受到臉部高度處的障礙物。對于現(xiàn)在大多數(shù)電子導(dǎo)盲裝置而言，它的系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、系統(tǒng)響應(yīng)較慢、發(fā)射和計數(shù)脈沖不同步以及超聲波在傳播過程中由于受衍射、散射和吸收等影響衰減，另外；它的不可觸摸性，不能實現(xiàn)使用者對障礙物獲得具體感受和互動。此外，現(xiàn)在的大多數(shù)引導(dǎo)系統(tǒng)都是使用內(nèi)部系統(tǒng)來進行識別的，通過系統(tǒng)對信息的處理與反饋，這樣會增大識別的誤差，而本項目中的可觸摸式引導(dǎo)模式，無需系統(tǒng)來進行判別，直接將現(xiàn)實情況通過步進電機反映出來，避免了現(xiàn)在的引導(dǎo)系統(tǒng)存在的識別誤差這一難題。而且它的適應(yīng)性比較好，在環(huán)境較差的情況下也可使用；拓展性好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，比如；隧道探測、三維建模（如三維地圖）等。
