CN113181015A - 一种盲人头戴多源辅助导航装置及方法 - Google Patents

一种盲人头戴多源辅助导航装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种盲人头戴多源辅助导航装置，包括主体、电路模块、图像获取模块、供电模块、输出模块，主体贴合盲人头部，电路模块、供电模块、输出模块设置于主体内部，图像获取模块包括前向图像获取装置、右向图像获取装置、左向图像获取装置，以获取主体外部空间的前向、右向、左向的图像信息，电路模块包括处理器、惯性测量单元、卫星信号接收单元、移动网络信号收发单元，所述输出模块包括扬声器。通过使用视觉SLAM、惯导、卫星导航三种方式进行盲人辅助导航，能够同时适用于室外场景与室内场景，提高了辅助导航的效果和可用性。本发明还提供了一种导航方法，通过盲人头戴多源辅助导航装置进行局部地图路径和全局地图路径的规划与导航。

Description

一种盲人头戴多源辅助导航装置及方法
技术领域
本发明涉及导航定位领域，具体涉及一种盲人头戴多源辅助导航装置及方法。
背景技术
在生活中，盲人面临的最大困难是如何避免与物体发生碰撞。如何避免盲人与物体发生碰撞，是促进盲人参与社会活动的重要环节之一。
随着科技的发展，提供给盲人的辅助性设备也越来越多。例如：文献CN111631927A公开了一种基于视觉信息的盲人辅助导航方案，包括数据采集设备、个人智能设备和服务提供商数据中心；所述数据采集设备通过激光测距扫描、深度摄像头和传统光学摄像头拍摄获取环境自然环境三维信息；获取后的三维信息发送至个人智能设备中进行融合，在个人智能设备上实现其所处环境的三维信息构建，并将该三维信息变换成语言信息传递给盲人；同时个人智能设备将采集的数据和演变的模型上传到服务提供商数据中心，服务提供商数据中心采集和整合盲人处数据和模型，反馈给个人智能设备并将三维信息变换成语音传递给盲人。但是，该技术方案将三维信息传递给盲人，在实际使用中盲人无法根据三维信息自行选择路径，对盲人的辅助作用较为有限。
文献CN104771297A公开了头戴式GPS定位***，包括***、控制器、储电器、线束、话筒、耳机，***、控制器、储电器均布置在遮阳帽的顶部，***内部带有GPS定位装置，***、控制器、储电器之间通过线束相连接，话筒、耳机通过线束与控制器相连接。在该发明中，盲人可以通过话筒说出自己要去的目的地，控制器根据***所确定的位置信息，逐步告诉盲人前进方向，设计合理，结构简单，适用于导向***的优化设计。但是，该技术方案的定位方式依赖于GPS信号，在盲人进入室内的情况下定位效果较差，难以发挥辅助作用。
因此，亟需一种能够兼顾室内和室外场景的盲人辅助导航装置。
发明内容
为了提供一种能够兼顾室内和室外场景的盲人辅助导航装置，本发明提供了盲人头戴多源辅助导航装置及方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种盲人头戴多源辅助导航装置，其特征在于：包括主体、电路模块、图像获取模块、供电模块、输出模块，所述主体被配置成能够贴合盲人头部外形的形状，所述电路模块、供电模块、输出模块设置于所述主体内部，所述供电模块被配置成为所述电路模块、图像获取模块、输出模块供电的形式，所述图像获取模块包括前向图像获取装置、右向图像获取装置、左向图像获取装置，所述前向图像获取装置、右向图像获取装置、左向图像获取装置分别被配置成能够获取所述主体外部空间的前向、右向、左向的图像信息的形式，所述电路模块包括处理器、惯性测量单元、卫星信号接收单元、移动网络信号收发单元，所述图像获取模块、输出模块、惯性测量单元、卫星信号接收单元、移动网络信号收发单元分别与所述处理器通信连接，所述输出模块包括扬声器。
优选地，所述前向图像获取装置、右向图像获取装置、左向图像获取装置均为双目摄像头。
根据本发明的优选方案，进一步地，所述双目摄像头的水平视角范围为120度，垂直视角范围为90度。
根据本发明的优选方案，优选地，所述双目摄像头的两个摄像头沿水平方向设置，两个所述摄像头之间留有间隔。
优选地，所述输出模块还包括振动发生装置，所述振动发生装置为不少于四个，所述振动发生装置在水平方向上环绕盲人头部均匀设置。通过振动发生装置在对应方向产生振动，从而提醒盲人相应方向存在障碍物。
优选地，所述盲人头戴辅助导航装置还包括脑电电极，所述供电模块与所述脑电电极电连接，所述脑电电极与所述处理器通信连接。
当本发明盲人头戴辅助导航装置正确佩戴时，主体与盲人头部贴合，此时脑电电机能够与盲人头部准确接触，从而获取盲人的脑电信号，通过所述脑电信号，能够进一步分析盲人的情绪状态、精神压力、信息处理能力，从而优化所述输出装置的输出信息密度和输出形式。
根据本发明的优选方案，进一步地，所述脑电电极为干电极。
在本发明提出的盲人头戴多源辅助导航装置的基础上，本发明还提供了一种导航方法，其特征在于：所述处理器通过所述图像获取模块获取的数据进行障碍物三维建图，所述处理器通过所述图像获取模块、惯性测量单元获取的数据进行实时位置空间定位，所述处理器通过所述障碍物三维建图、实时位置空间定位获得的数据计算局部地图路径，所述处理器通过所述卫星信号接收单元和所述局部地图路径计算全局地图路径。
优选地，所述处理器通过所述卫星信号接收单元、图像获取模块获得的数据判断所述盲人头戴辅助导航装置是否处于室内，若是，使用所述局部地图路径进行导航；若否，使用所述全局地图路径进行导航。
优选地，所述处理器间隔预设时间重新计算所述局部地图路径、全局地图路径。
本发明具有以下有益效果：通过融合视觉SLAM与惯导技术，使辅助导航装置在室内仍能保持较高的定位精度，从而保证路线规划和导航的顺利进行；通过卫星信号接收单元获取卫星定位信号，从而在室外场景下能够通过卫星定位信号进行定位，从而保证路线规划和导航的顺利进行；通过使用融合视觉SLAM与惯导技术的导航方式、使用卫星定位信号的导航方式，使得辅助导航装置能够同时适用于室外场景与室内场景，更加符合盲人的实际生活场景，能够提高辅助导航的效果和可用性；通过扬声器等输出装置输出导航信息，使盲人能够理解路线信息。
此外，本发明的优选方案还具有以下有益效果：通过振动发生装置产生振动提醒盲人，保证嘈杂环境中的导航和路线信息输出能够有效传递给盲人；通过脑电电极获取盲人的脑电信号，以此分析盲人的精神、情感、信息处理状态，调整辅助导航装置的信息输出密度和输出方式，保证盲人能够有效接收并利用导航信息。
附图说明
图1为盲人头戴多源辅助导航装置的外部结构示意图。
图2为盲人头戴多源辅助导航装置的整体结构示意图。
图3为盲人头戴多源辅助导航装置的水平视角范围示意图。
图4为电路模块的连接关系示意图。
图5为导航方法示意图。
图中：1为主体，1-1为电路模块，1-2为前向图像获取装置，1-3为右向图像获取装置，1-4为左向图像获取装置，1-5为供电模块，2为固定环，3-1为处理器，3-2为惯性测量单元，3-3为卫星信号接收单元，3-4为移动网络信号收发单元，3-5为图像传感器。
具体实施方式
下面，结合附图具体实施方式，对本发明作进一步描述。
需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下所描述的各个实施例之间或各个技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一：
在本实施例中，图4所示的图像传感器3-5为前向图像获取装置1-2、右向图像获取装置1-3、左向图像获取装置1-4的其中至少之一，用以说明电路模块1-1内各个部分之间的连接关系，并非对本发明保护范围的限制。
如图1至图4所示，一种盲人头戴多源辅助导航装置，其特征在于：包括主体1、电路模块1-1、图像获取模块、供电模块1-5、输出模块，所述主体1被配置成能够贴合盲人头部外形的形状，所述电路模块1-1、供电模块1-5、输出模块设置于所述主体1内部，所述供电模块1-5被配置成为所述电路模块1-1、图像获取模块、输出模块供电的形式，所述图像获取模块包括前向图像获取装置1-2、右向图像获取装置1-3、左向图像获取装置1-4，所述前向图像获取装置1-2、右向图像获取装置1-3、左向图像获取装置1-4分别被配置成能够获取所述主体1外部空间的前向、右向、左向的图像信息的形式，所述电路模块1-1包括处理器3-1、惯性测量单元3-2、卫星信号接收单元3-3、移动网络信号收发单元3-4，所述图像获取模块、输出模块、惯性测量单元3-2、卫星信号接收单元3-3、移动网络信号收发单元3-4分别与所述处理器3-1通信连接，所述输出模块包括扬声器。
本发明的原理说明：将主体1佩戴于盲人头部，并使前向图像获取装置1-2、右向图像获取装置1-3、左向图像获取装置1-4分别指向相应方向，通过前向图像获取装置1-2、右向图像获取装置1-3、左向图像获取装置1-4获取盲人前方、右方、左方的图像信息，并将获取到的图像信息传递至处理器3-1；与此同时，惯性测量单元3-2、卫星信号接收单元3-3、移动网络信号收发单元3-4将获取到的信号传递给处理器3-1；处理器3-1根据获得的信息进行定位与导航，处理器3-1将导航路径与其他信息通过输出模块输出给盲人，通过扬声器等输出装置输出导航信息，使盲人能够理解路线信息，从而实现盲人的辅助导航。
处理器3-1根据盲人前方、右方、左方的图像信息进行障碍物判断、SLAM，并根据判断结果和SLAM的定位结果调整导航路径、通过输出模块输出导航信息；处理器3-1根据图像获取模块、惯性测量单元3-2获取到的数据，进行室内场景下的定位与导航，使辅助导航装置在室内仍能保持较高的定位精度，从而保证路线规划和导航的顺利进行；处理器3-1根据惯性测量单元3-2与卫星信号接收单元3-3获得的数据，或单独使用卫星信号接收单元3-3获得的数据，进行室外场景下的定位与导航。通过前述的室内与室外的导航方式，使得辅助导航装置能够同时适用于室外场景与室内场景，更加符合盲人的实际生活场景，能够提高辅助导航的效果和可用性。另一方面，作为一种实施方案，移动网络信号收发单元3-4获取到的信息中包含地图数据，处理器3-1根据地图数据进行导航和路径规划。更进一步地，地图数据可以包括局部地图数据、全局地图数据的其中至少之一，以实现对局部场景、全局范围的导航与定位。
在本实施例中，使用扬声器作为输出模块，可以通过以下方式输出路径与导航信息：一旦计算出路径，设备将通过语音的形式以向左、向右、向前或向后的指令来告知盲人接下来该如何行走。既提高了安全性，也提高了效率。
作为一种可选方案，所述前向图像获取装置1-2、右向图像获取装置1-3、左向图像获取装置1-4均为双目摄像头。使用双目摄像头能够从两个位置提供是图像信息，使用双目摄像头得到的图像信息，能够更加精确的进行三维建图和空间定位，从而为导航和路径规划提供支持。
优选地，如图2所示，所述双目摄像头的水平视角范围为120度，垂直视角范围为90度。如图3所示，使用改技术方案的导航装置的水平视角范围达到了300度，能够完整覆盖盲人前方、左侧、右侧的范围，为定位和导航提供完整的图像信息；盲人后侧存在60度的盲区，由于行走时均为向前行走，后方的部分并不处于路径规划的范围内，因此后方的部分盲区对导航和定位的影响较低。
所述双目摄像头的两个摄像头沿水平方向设置，两个所述摄像头之间留有间隔。
在上述输出装置的基础上，还可以进一步增加其他类型的输出装置，以丰富向盲人输出导航信息的方式，保证嘈杂环境中的导航和路线信息输出能够有效传递给盲人。作为一种可行的方案，所述输出模块还包括振动发生装置，所述振动发生装置为不少于四个，所述振动发生装置在水平方向上环绕盲人头部均匀设置。通过振动发生装置在对应方向产生振动，从而提醒盲人相应方向存在障碍物。进一步的，还能够通过震动装置的震动幅度、频率、震动节奏等方式，向盲人输出不同的信息，例如，通过较小的震动幅度表示障碍物距离较远，通过较快的频率震动提示障碍物正在移动，通过预设的节奏震动提示转向。
优选地，由于人能够同时处理的信息有限，向盲人输入的信息量并非越多越好，需要对盲人获取信息的状态进行监测，以调整向盲人输出的信息的信息量。作为一种可行的方案，所述盲人头戴辅助导航装置还包括脑电电极，所述供电模块1-5与所述脑电电极电连接，所述脑电电极与所述处理器3-1通信连接。在本实施例中，如图2所示，导航装置通过固定环2固定于盲人的头部，因此，在本实施例中，脑电电极设置于固定环2中，当盲人佩戴导航装置时，脑电电极与盲人头部接触，获取盲人脑电信息，处理器3-1根据脑电信息分析盲人的情绪状态、精神压力并评估信息处理能力，从而优化所述输出装置的输出信息密度和输出形式。
根据本发明的优选方案，进一步地，所述脑电电极为干电极。与湿电极相比，干电极的使用和维护更加方便，可以方便盲人独自佩戴。
实施例二：
在实施例一的盲人头戴多源辅助导航装置的基础上，本发明还提供了一种导航方法，如图5所示，所述处理器3-1通过所述图像获取模块获取的数据进行障碍物三维建图，所述处理器3-1通过所述图像获取模块、惯性测量单元3-2获取的数据进行实时位置空间定位，所述处理器3-1通过所述障碍物三维建图、实时位置空间定位获得的数据计算局部地图路径，所述处理器3-1通过所述卫星信号接收单元3-3和所述局部地图路径计算全局地图路径。
通过先计算局部地图路径，并使用局部地图路径计算全局地图路径，使局部导航与全局导航能够有效融合，便于在局部导航和全局导航之间进行切换。
所述处理器3-1通过所述卫星信号接收单元3-3、图像获取模块获得的数据判断所述盲人头戴辅助导航装置是否处于室内，若是，使用所述局部地图路径进行导航；若否，使用所述全局地图路径进行导航。
所述处理器3-1间隔预设时间重新计算所述局部地图路径、全局地图路径，从而对局部地图路径、全局地图路径进行定期更新，避免盲人经过一端时间的移动或环境状况变化导致现有路径不符合导航需求。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种盲人头戴多源辅助导航装置，其特征在于：包括主体(1)、电路模块(1-1)、图像获取模块、供电模块(1-5)、输出模块，所述主体(1)被配置成能够贴合盲人头部外形的形状，所述电路模块(1-1)、供电模块(1-5)、输出模块设置于所述主体(1)内部，所述供电模块(1-5)被配置成为所述电路模块(1-1)、图像获取模块、输出模块供电的形式，所述图像获取模块包括前向图像获取装置(1-2)、右向图像获取装置(1-3)、左向图像获取装置(1-4)，所述前向图像获取装置(1-2)、右向图像获取装置(1-3)、左向图像获取装置(1-4)分别被配置成能够获取所述主体(1)外部空间的前向、右向、左向的图像信息的形式，所述电路模块(1-1)包括处理器(3-1)、惯性测量单元(3-2)、卫星信号接收单元(3-3)、移动网络信号收发单元(3-4)，所述图像获取模块、输出模块、惯性测量单元(3-2)、卫星信号接收单元(3-3)、移动网络信号收发单元(3-4)分别与所述处理器(3-1)通信连接，所述输出模块包括扬声器。
2.如权利要求1所述的盲人头戴多源辅助导航装置，特征在于：所述前向图像获取装置(1-2)、右向图像获取装置(1-3)、左向图像获取装置(1-4)均为双目摄像头。
3.如权利要求2所述的盲人头戴多源辅助导航装置，特征在于：所述双目摄像头的水平视角范围为120度，垂直视角范围为90度。
4.如权利要求2所述的盲人头戴多源辅助导航装置，特征在于：所述双目摄像头的两个摄像头沿水平方向设置，两个所述摄像头之间留有间隔。
5.如权利要求1所述的盲人头戴多源辅助导航装置，特征在于：所述输出模块还包括振动发生装置，所述振动发生装置为不少于四个，所述振动发生装置在水平方向上环绕盲人头部均匀设置。
6.权利要求1所述的盲人头戴多源辅助导航装置，特征在于：所述盲人头戴辅助导航装置还包括脑电电极，所述供电模块(1-5)与所述脑电电极电连接，所述脑电电极与所述处理器(3-1)通信连接。
7.权利要求6所述的盲人头戴多源辅助导航装置，特征在于：所述脑电电极为干电极。
8.一种导航方法，作用于如权利要求1所述的盲人头戴多源辅助导航装置，其特征在于：所述处理器(3-1)通过所述图像获取模块获取的数据进行障碍物三维建图，所述处理器(3-1)通过所述图像获取模块、惯性测量单元(3-2)获取的数据进行实时位置空间定位，所述处理器(3-1)通过所述障碍物三维建图、实时位置空间定位获得的数据计算局部地图路径，所述处理器(3-1)通过所述卫星信号接收单元(3-3)和所述局部地图路径计算全局地图路径。
9.如权利要求8所述的导航方法，其特征在于：所述处理器(3-1)通过所述卫星信号接收单元(3-3)、图像获取模块获得的数据判断所述盲人头戴辅助导航装置是否处于室内，若是，使用所述局部地图路径进行导航；若否，使用所述全局地图路径进行导航。
10.如权利要求9所述的导航方法，其特征在于：所述处理器(3-1)间隔预设时间重新计算所述局部地图路径、全局地图路径。
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CN114712181A (zh) * 2022-05-07 2022-07-08 河海大学 一种基于视觉slam的盲人避障导航***

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