基于STM32的智能盲人頭盔

李向軍，王 陽，任建波，張展鵬

(西安文理學(xué)院 信息工程學(xué)院，西安 710065)

盲人因為缺少了視覺的感知能力而行走不便,如何安全舒適獨立出行已經(jīng)成為目前困擾他們外出的最主要原因.目前最常用的導(dǎo)盲工具有拐杖和導(dǎo)盲犬，但傳統(tǒng)的導(dǎo)盲拐杖不能發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)處的障礙物且對于復(fù)雜的路況難以做出正確的判斷，不能滿足盲人獨立出行的基本需求；此外，我國導(dǎo)盲犬的數(shù)量很少，需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于供應(yīng)，而且有些盲人也可能由于各種原因不愿意使用導(dǎo)盲犬.因此，設(shè)計出一種智能導(dǎo)盲設(shè)備幫助盲人更加方便的出行已是迫在眉睫.根據(jù)盲人的出行習(xí)慣，我們舍棄了原始的導(dǎo)盲杖，設(shè)計出了智能導(dǎo)盲頭盔.

1 基于STM32的盲人頭盔的總體設(shè)計

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)等當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為盲人設(shè)計出一種智能導(dǎo)盲頭盔有十分重要的意義.本設(shè)計基于STM32模塊，結(jié)合超聲波模塊、圖像識別模塊、智能語音合成模塊與發(fā)光模塊，幫助盲人更好地實現(xiàn)避障，同時還具有社交功能[1].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，頭盔模型見圖2.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 頭盔模型圖

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計的核心模塊采用STM32模塊，它負(fù)責(zé)頭盔上各種傳感器的相互協(xié)調(diào)以及信息的存儲，保障各個模塊正常的工作，電路圖見圖3.

圖3 電路圖

2.1 STM32模塊

STM32單片機的主要硬件設(shè)計性能、集成度都比較高,功耗、電壓等均都比較低,具有實時性、數(shù)字信號邏輯優(yōu)化和預(yù)處理、開發(fā)簡易的特點[2].能更好的負(fù)責(zé)頭盔上各種傳感器的相互協(xié)調(diào)以及信息的存儲，保障各個模塊的正常工作.STM32原理見圖4.

圖4 STM32原理圖

2.2 超聲波避障模塊

2.3 導(dǎo)航模塊

導(dǎo)航功能的實現(xiàn)是通過使用百度API，對收到的坐標(biāo)和目的地坐標(biāo)發(fā)起檢索請求，百度 API將顯示出到達(dá)目的地的最佳路線以及所用時間等信息，通過語音提示引導(dǎo)用戶到達(dá)目的地[3].該模塊是通過STM32的響應(yīng)串口,獲取一個GPS響應(yīng)端口協(xié)議數(shù)據(jù),再將一個GPS的串口數(shù)據(jù)發(fā)送給需要STM32的響應(yīng)串口,由串口數(shù)據(jù)采用GPS串口協(xié)議編譯解碼,解析編譯出來后數(shù)據(jù)保存在需要響應(yīng)的串口結(jié)構(gòu)體中.

2.4 圖象識別模塊

由于超聲波模塊只能對前方4 m范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行檢測，所以為了更好地檢測和識別盲區(qū)內(nèi)的人和障礙物，以及實現(xiàn)助盲社交的功能，設(shè)計采用了圖像識別模塊.

(1)基于雙目立體圖像視覺三維儀的測量:這種雙目立體圖像視覺三維儀的測量方法是基于立體視差計算原理[4],主要通過對兩幅立體圖像進(jìn)行視差的綜合計算,直接對前方兩個物體高度進(jìn)行一定距離上的測量.基線距為兩個連線投影點或攝像機的基點基線中心的距離,用字母b表示.攝像機坐標(biāo)所在投影鏡頭的內(nèi)部有一光學(xué)坐標(biāo)中心，光學(xué)坐標(biāo)原點是作為整個投影攝像機所在鏡頭光學(xué)坐標(biāo)系的一個運動原點,坐標(biāo)的運動關(guān)系如圖5所示.設(shè)O1和O2為光軸坐標(biāo)原點距離左右俯視對象攝像機光軸以及光軸坐標(biāo)交點1 m的距離，設(shè)空間中點的坐標(biāo)為P，左反射圖像和右反射圖像中對應(yīng)的兩點坐標(biāo)分別為P1(U1，V1)和P2(U2，V2).若兩臺攝像機的圖像處于同一平面，點P上兩個點的坐標(biāo)與點y的坐標(biāo)相同，即V1=V2.f表示焦距，b表示基線距，Zc表示P點在Z軸上的坐標(biāo).

圖5 平視雙目立體成像原理圖

超聲波避障模塊部分代碼片段如圖6所示：

圖6 部分代碼片段

(2)人臉圖像識別處理:對于人臉識別以及對于紅綠燈、斑馬線的圖像識別主要基于美國opencv公司發(fā)行的一款跨行業(yè)平臺自動計算機圖形視覺和自動機器智能學(xué)習(xí)軟件庫[5].對于使用人臉識別采集功能,首先需要利用人臉數(shù)據(jù)庫采集市opencv采集中的人臉數(shù)據(jù)庫采集orl構(gòu)建人臉識別數(shù)據(jù)庫,在不同人物表情、光照、人臉識別細(xì)節(jié)的不同情況下可以采集一個熟人的嘴和臉大小作為技能測試集,采集集中包含一個陌生人和一個熟人的嘴與臉大小作為技能訓(xùn)練集;對一個熟人的嘴和臉大小進(jìn)行分割預(yù)處理,檢測一個熟人的嘴和臉大小并用新的orl進(jìn)行分割產(chǎn)生出新的人臉,通過分割改變?nèi)四槾笮】梢允顾c熟人orl利用人臉識別數(shù)據(jù)庫檢測人物的臉細(xì)節(jié)大小一致.再利用人臉識別算法檢測出熟人的臉.對于斑馬線以及紅綠燈的判定，是利用攝像頭對周圍環(huán)境進(jìn)行拍攝并按幀保存圖像；通過對圖像的預(yù)處理將圖像采集的過程中采集到的干擾項進(jìn)行剔除.圖像預(yù)分析處理之后將直接進(jìn)入二次目標(biāo)圖像定位分析階段,確定一個目標(biāo)后對其圖像進(jìn)行二次數(shù)值邊緣化與目標(biāo)邊緣化的提取,再與目標(biāo)樣本像素做高度比較,相似度較高若達(dá)到超過一個特定的圖像值則可以認(rèn)為其指的是一個目標(biāo),記錄的是目標(biāo)在其像素中的坐標(biāo).運用圖像預(yù)處理方法，可計算出每個紅綠燈光線位置，通過與紅綠燈樣本對比,確定每個紅綠燈準(zhǔn)確的光線位置,并對紅綠燈的顏色進(jìn)行判別并輸出，再根據(jù)各個燈所在位置像素的R、G、B分量來判斷燈的顏色，最后通過智能語音模塊告訴盲人.

2.5 光敏傳感模塊

光敏信號傳感器指的是一種可以利用這些光敏傳感元件將光線電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為無線電信號的電子傳感器[5],圖7所示為它的基本工作原理圖.

圖7 光敏傳感器的基本工作原理圖

圖7中光敏電阻的工作是基于光電磁場效應(yīng)，其阻值隨光強的增大而減小.LM393則是雙有源電壓比較器，不受限于vcc的兩端有源電壓設(shè)定值的最大限制，它的負(fù)載電阻可以連接輸出電壓設(shè)定范圍內(nèi)的任何功率輸出電壓，還可用亮度電位控制器自動調(diào)節(jié)顯示的亮度系數(shù)閾值亮度系數(shù)大于系統(tǒng)設(shè)定值時顯示DO會自動輸出亮度低電平,反之則會自動輸出亮度高電平.利用這個特性，可以使頭盔在夜間發(fā)光，以提醒周圍行人和車輛，保障盲人夜間出行的安全.

2.6 智能語音合成模塊

智能語音合成模塊的功能是將控制模塊發(fā)送的文本信息轉(zhuǎn)換成語音從而輸出，該部分采用XF-S4240中文語音合成模塊，其主要應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域[6].該模塊有如下特點：

(1)可通過GB2312、GBK、Big5、Unicode的快速文本合成；同時，它支持中文文本和英文的合成，能夠正確快速地識別英文、數(shù)字、時間點、日期和常用的國際度量單位符號；還支持處理各種音節(jié)和字母.

(2)擁有UART、SPI、I2C三種數(shù)據(jù)通信接口.

(3)支持合成、停止、暫停合成、繼續(xù)合成等多種控制指令.

存儲模塊用于存儲待合成的文本數(shù)據(jù)文件.存儲設(shè)備為語音控制系統(tǒng)SD卡(安全數(shù)字存儲卡)，具有便攜性、通用性和安全性三大特點.

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的主控程序采用C語言編程.使用者將導(dǎo)航指令用語音方式輸出,STM32模塊自動接收導(dǎo)航指令并將導(dǎo)航指令數(shù)據(jù)傳給一個導(dǎo)航響應(yīng)模塊,導(dǎo)航響應(yīng)模塊再將基于GPS的導(dǎo)航數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基于STM32的視頻串口,由其直接進(jìn)行基于GPS導(dǎo)航協(xié)議的視頻解碼,解析后的數(shù)據(jù)保存在導(dǎo)航響應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中,再由智能語音合成模塊將文本信息轉(zhuǎn)換成語音輸出.導(dǎo)航過程中，圖像識別模塊的雙目立體視覺三維測量和超聲波避障模塊檢查前方道路上的障礙物，確保使用者在行走過程的安全性.圖像識別模塊還會根據(jù)圖像處理進(jìn)行人臉識別以及斑馬線、紅綠燈的識別，讓盲人實現(xiàn)社交，在夜晚時，光敏傳感模塊會發(fā)出微光，用來提醒行人盡自己所能幫助使用者.智能盲人頭盔的具體軟件流程見圖8.

圖8 智能盲人頭盔的具體軟件流程

4 結(jié)語

我們所設(shè)計的智能導(dǎo)盲頭盔是基于盲人的出行習(xí)慣，具有較強的實用性.本設(shè)計以STM32單片機為核心，具有導(dǎo)航、超聲波避障、圖像識別、光敏傳感、智能語音輔助等功能.與傳統(tǒng)的導(dǎo)盲設(shè)備相比，智能導(dǎo)盲頭盔可以更加便利、安全地幫助盲人出行.此外，導(dǎo)盲頭盔還被引入了“盲人社交”的理念，利用圖像識別技術(shù)，幫助盲人辨識周圍的熟人并通過語音告知盲人，有助于盲人主動與周圍熟人和其他人員交流，較大程度上降低了盲人的社交困難，從而幫助盲人真正意義上更好地回歸社會.