本發(fā)明屬于人身安全領(lǐng)域，具體涉及一種基于智能手機(jī)的盲人引領(lǐng)式導(dǎo)航及路線規(guī)劃的方法。
背景技術(shù)：
：據(jù)新華社2016年5月份發(fā)布的新聞來看，我國服役導(dǎo)盲犬過百，但我國視力殘疾人達(dá)到1700余萬，他們需要擁有自己的導(dǎo)盲犬幫助出行，參與社會生活，提升生活品質(zhì)，導(dǎo)盲犬服務(wù)行業(yè)的現(xiàn)狀遠(yuǎn)不能滿足需求。而且導(dǎo)盲犬培養(yǎng)成本過高，使得絕大多數(shù)盲人無法承受。目前市場上有很多電子導(dǎo)盲儀，例如：超聲波導(dǎo)盲儀、移動式機(jī)器人、穿戴式導(dǎo)盲儀和導(dǎo)引式手仗等。但它們存在著很多缺陷與不足：超聲波導(dǎo)盲儀行進(jìn)的速度慢，只能進(jìn)行局部障礙物的識別；移動式機(jī)器人結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，受地形限制，硬件開發(fā)成本高；穿戴式導(dǎo)盲儀重量重，缺乏安全感；導(dǎo)引式手仗體積大、不便于攜帶。這幾種導(dǎo)盲裝置都普遍存在成本高、不實用的缺點，而盲人的經(jīng)濟(jì)水平相對普遍較低，自主行動不便，這使得價格高昂、不便于攜帶的電子導(dǎo)盲儀無法真正應(yīng)用于他們的實際生活當(dāng)中。而市面上所提供的導(dǎo)航方法服務(wù)對象基本為視力正常者，本發(fā)明設(shè)計的基于智能手機(jī)的引領(lǐng)式盲人導(dǎo)航方法區(qū)別于現(xiàn)有的GPS、慣性導(dǎo)航、WIFI、基站等定位導(dǎo)航方式，是將引領(lǐng)者預(yù)存儲的語音和軟件導(dǎo)航生成語音在GPS導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航結(jié)合的基礎(chǔ)上結(jié)合為盲人提供一種新型的語音提示的導(dǎo)航方式。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是解決引領(lǐng)者初次引領(lǐng)時的軌跡生成和路線生成后的語音提示點設(shè)置的問題。采用的技術(shù)方案如下：一種基于智能手機(jī)的盲人引領(lǐng)式導(dǎo)航路線規(guī)劃的方法，由引領(lǐng)者先帶領(lǐng)盲人走到目的地，記錄路線，采用基于慣性導(dǎo)航的算法，生成路線軌跡，并在路線軌跡生成后根據(jù)實際情況設(shè)置語音提示點，并設(shè)置語音描述點；所述軌跡生成的步驟的包括：(1)獲取加速度數(shù)據(jù)：手機(jī)加速度傳感器記錄下三軸的加速度值，即為：A＝{a1,a2,...,an}，對手機(jī)原始加速度進(jìn)行降噪及去除重力影響：a′=αaxi+(1-α)axi-1-g]]>其中，α∈[0,1]，i＝{1,2,3,...,n}，n表示加速度序列的長度，g為重力；(2)判斷行走狀態(tài)：用戶在水平步行運動中，垂直和前進(jìn)兩個加速度會呈現(xiàn)周期性變化，在步行收腳的動作中，重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反；水平加速度在收腳時減小，在邁步時增加；(3)計算步數(shù)：通過計算得出3個加速度的大小和方向，獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡；然后進(jìn)行峰值檢測，通過和上一次記錄的加速度大小進(jìn)行比較，如果相反，表示剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄；通過對峰值次數(shù)的累積可得到用戶步行步數(shù)；根據(jù)人的步數(shù)、步長、行走的方向來計算人的位置，最終得到運動軌跡；所述語音提示點設(shè)置包括直線段的語音點設(shè)置和非直線段的語音點設(shè)置：所述直線段包括室外直線和室內(nèi)樓梯直線；在室外直線時，每隔10米取一個語音提示點；在室內(nèi)樓梯直線時，在樓梯口前3m左右設(shè)置語音提示點，然后在樓梯上每隔6個臺階設(shè)置一個提示點，在樓梯拐角口前1m處設(shè)置一個語音提示點；所述非直線段包括環(huán)形段和尖銳段；在環(huán)形段時，在內(nèi)接于曲線的路徑上設(shè)置語音提示點，個數(shù)為盲人每前行6-8步設(shè)置一個；在尖銳段時，借助于引領(lǐng)者預(yù)存儲的語音，即盲人的行進(jìn)過程與語音提示過程相同步。進(jìn)一步，所述步驟(3)的具體步驟包括：1)計算方向：利用手機(jī)的方向傳感器可獲得方向數(shù)據(jù)，方向傳感器返回的3個角度分別表示手機(jī)頂部的朝向與正北方向的夾角、手機(jī)的頂部或尾部翹起的角度和左側(cè)或右側(cè)翹起的角度，利用這3個角度即可確定手機(jī)的擺放位置；2)基于最小二乘法計算步長：行走時的步長由行走時的所產(chǎn)生的加速度計算出來；3)生成軌跡：慣性導(dǎo)航軌跡生成算法根據(jù)人的步數(shù)、步長、行走的方向來計算人的位置：首先根據(jù)起點的坐標(biāo)(x0,y0)為原點，第j步的坐標(biāo)為(xj,yj),則第j步坐標(biāo)為：(xj,yj)＝(x0+Lcos(φ+γj),y0+Lcos(φ+γj))其中，L為步長，φ為j步內(nèi)所發(fā)生的方向變化之和；最終得出實際運動軌跡。進(jìn)一步，所述步驟1)還包括校正的步驟：①首先記錄人在行走過程中的水平手持手機(jī)時三軸陀螺儀所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)疊加去除高頻噪聲，得到人在水平方向的行走的角速度變化，即為R＝{r1,r2,...,rn}；②計算每一步所發(fā)生的方向變化，則第j步過程中的方向變化為：γj=∫tjstjerjdt]]>③行走過程中同時記錄指南針讀數(shù)，記作：C＝{c1,c2,...,cn}，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理；獲取指南針的第j步和第j+k步之間的方向變化獲取三軸陀螺儀的第j步和第j+k步之間的方向變化設(shè)置的角度閾值，當(dāng)超過閾值時，利用指南針第j+k步的方向?qū)θS陀螺儀讀數(shù)計算得到的第j+k步的方向變化進(jìn)行修正，并將修正后的數(shù)據(jù)作為人在第j+k步的方向。進(jìn)一步，所述步驟2)的具體步驟包括：①采集用戶以規(guī)定步長行走時所產(chǎn)生的加速度，記作a，所對應(yīng)的步長，記作l；②計算加速度的方差，記作s；③利用最小二乘法對s和l作最佳線性擬合，得到兩者的關(guān)系：l＝(s-q)/p其中，p和q是最佳線性擬合系數(shù)，其中為多次采樣的均方差，為平均步長。本發(fā)明的有益效果：1、本發(fā)明采用智能手機(jī)為載體，與電子導(dǎo)盲設(shè)備相比體積小、價格低、便于攜帶，并且目前很多智能手機(jī)都具備盲人模式，便于盲人操作。2、采用室內(nèi)外引領(lǐng)式導(dǎo)航，并結(jié)合設(shè)定語音提示點的方法，使得行走路徑更加精確。附圖說明圖1基于Mealy狀態(tài)機(jī)的計步算法；圖2室外直線段；圖3樓梯情形；圖4環(huán)形路線；圖5拐角比較尖銳。具體實施方式盲人引領(lǐng)式導(dǎo)航分為室內(nèi)、室外兩種導(dǎo)航情況，針對導(dǎo)航中出現(xiàn)的障礙點，本發(fā)明采用設(shè)置語音提示的方法，并給出語音提示點如何設(shè)置。由引領(lǐng)者先帶領(lǐng)盲人走到目的地，記錄該路線，考慮到盲人的視覺的限制，通過算法生成路線設(shè)置語音提示點，并給予一定的語音描述，方便盲人對于自己前進(jìn)方向的確認(rèn)。引領(lǐng)者帶領(lǐng)盲人，采用基于慣性導(dǎo)航的算法，生成路線軌跡。本發(fā)明將路線分為直線段和非直線段兩種情況如下。直線段分為室外地面直線段和室內(nèi)樓梯直線段，根據(jù)實際情況設(shè)置語音提示點。非直線段考慮到障礙物形狀，如障礙物為環(huán)形，引領(lǐng)線路為環(huán)形，在環(huán)形路線上設(shè)置語音提示點，指引盲人改變行走方向；障礙物為銳角狀，引領(lǐng)路線為比較尖銳的拐角，則根據(jù)實際情況由引領(lǐng)者設(shè)置引領(lǐng)點。本發(fā)明中語音提示點是在軌跡路線形成后規(guī)劃形成，而引領(lǐng)點是引領(lǐng)者在帶領(lǐng)盲人行進(jìn)過程中由引領(lǐng)者設(shè)定的，并給予一定的語言描述。具體實現(xiàn)過程如下：一、軌跡的生成：1.基于Mealy狀態(tài)機(jī)的計步算法：(1)獲取加速度數(shù)據(jù)：當(dāng)人拿著手機(jī)進(jìn)行軌跡生成時，一般將手機(jī)拿在手上，手機(jī)加速度傳感器記錄下三軸的加速度值，即為：A＝{a1,a2,...,an}。對手機(jī)原始加速度進(jìn)行降噪及去除重力影響：a′=αaxi+(1-α)axi-1-g---(1)]]>其中，α∈[0,1]，i＝{1,2,3,...,n}，g為重力。2.判斷行走狀態(tài)：用戶在水平步行運動中，垂直和前進(jìn)兩個加速度會呈現(xiàn)周期性變化，如圖1所示，在步行收腳的動作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時減小，在邁步時增加?；贛ealy狀態(tài)機(jī)的計步算法如圖1所示。在步行運動時，垂直方向和步行方向所產(chǎn)生的加速度與時間的關(guān)系大致上市一條正弦曲線，而且在某一點上會出現(xiàn)峰值，通過對峰值的檢測和計算，并將加速度的值與閾值進(jìn)行比較和決策，就可以判斷用戶的步行狀態(tài)。3.計算步數(shù)：由于多重因素的影響，用戶放置手機(jī)位置的不確定性，導(dǎo)致無法確定手機(jī)的放置方向，為解決此類問題，首先通過計算得出3個加速度的大小和方向，從而獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。然后進(jìn)行峰值檢測，通過和上一次記錄的加速度大小進(jìn)行比較，如果相反，表示剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數(shù)的累積可得到用戶步行步數(shù)。并且由于手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，或是我們自己的手抖，對這些所謂的干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。可以通過給檢測加上閾值和步頻來判斷過濾干擾數(shù)據(jù)。最后獲取用戶的每一步的時間戳T。(1)計算方向：利用手機(jī)的方向傳感器可獲得方向數(shù)據(jù)，方向傳感器返回的3個角度分別表示手機(jī)頂部的朝向與正北方向的夾角、手機(jī)的頂部或尾部翹起的角度和左側(cè)或右側(cè)翹起的角度，利用這3個角度即可確定手機(jī)的擺放位置。但是此時由于外部環(huán)境的干擾和三軸陀螺儀捕捉數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的噪聲，導(dǎo)致三軸陀螺儀捕捉的加速度數(shù)據(jù)存在偏差，此時需要借助其他傳感器進(jìn)行校正。校正步驟如下：①首先記錄人在行走過程中的水平手持手機(jī)時三軸陀螺儀所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)疊加去除高頻噪聲。由此得到人在水平方向的行走的角速度變化，即為R＝{r1,r2,...,rn}。②計算每一步所發(fā)生的方向變化，則第j步過程中的方向變化為：γj=∫tjstjerjdt---(2)]]>③行走過程中同時記錄指南針讀數(shù)，記作：C＝{c1,c2,...,cn}，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理；獲取指南針的第j步和第j+k步之間的方向變化獲取三軸陀螺儀的第j步和第j+k步之間的方向變化設(shè)置的角度閾值，當(dāng)超過閾值時，利用指南針第j+k步的方向?qū)θS陀螺儀讀數(shù)計算得到的第j+k步的方向變化進(jìn)行修正，并將修正后的數(shù)據(jù)作為人在第j+k步的方向。(2)基于最小二乘法計算步長：慣性導(dǎo)航中，運動的距離由步數(shù)與步長相乘所得，因此，每一步步長的準(zhǔn)確度對慣性導(dǎo)航的精度都有很大的影響。其中人行走時的步長可由行走時的所產(chǎn)生的加速度估算出來。步驟如下:①采集用戶以規(guī)定步長行走時所產(chǎn)生的加速度，記作a，所對應(yīng)的步長，記作l。②計算加速度的方差，記作s。③利用最小二乘法對s和l作最佳線性擬合，得到兩者的關(guān)系：l＝(s-q)/p(3)其中，p和q是最佳線性擬合系數(shù)，其中為多次采樣的均方差，為平均步長。(3)生成軌跡：慣性導(dǎo)航軌跡生成算法根據(jù)人的步數(shù)、步長、行走的方向來計算人的位置。首先根據(jù)起點的坐標(biāo)(x0,y0)為原點，第j步的坐標(biāo)為(xj,yj),則第j步坐標(biāo)為：(xj,yj)＝(x0+Lcos(φ+γj),y0+Lcos(φ+γj))(4)其中，L為步長，φ為j步內(nèi)所發(fā)生的方向變化之和。最終得出實際運動軌跡。二、路線規(guī)劃(語音提示點的設(shè)置)：1.直線段(1)室外直線段如圖2所示：直線段時，綜合考慮盲人步行速度與提示語音輸出時間，每隔10米取一個語音提示點。(2)樓梯情形如圖3所示：在樓梯口前3m左右設(shè)置語音提示點，然后在樓梯上每隔6個臺階設(shè)置一個提示點，根據(jù)樓梯拐角口情況，在樓梯拐角口前1m處設(shè)置一個語音提示點。2.非直線段(考慮到有障礙物、拐角等情形)(1)路線軌跡為環(huán)形本發(fā)明的目標(biāo)是選擇定標(biāo)點的連線形成的折線，盡可能地與引領(lǐng)的線路相契合，如圖4所示，A線路采取內(nèi)接于曲線的方式，B線路采取外接于曲線的方式。比較A線路與B線路與引領(lǐng)路線的契合度：考慮長度與距離偏差長度：①當(dāng)為內(nèi)接路徑A時：半徑為R，在半圓路徑上選擇n個語音提示點，使得相鄰提示點的距離相同。設(shè)∠A2OB2＝θ2θ2=π2(n-1)---(5)]]>LA1A2=2R·cosθ2---(6)]]>SA=(n-1)LA1A2=(n-1)R·cosπ2(n-1)---(7)]]>②當(dāng)為外接路徑B時，即以A線路曲線上的(n-2)個定標(biāo)點為B線路的切點時：設(shè)∠A1OA2＝θ1，∠A2OB2＝θ2θ1=πn-1---(8)]]>LB1A2=R·tanθ1---(9)]]>LA2B2=R·tanθ2---(10)]]>SB=2LB1A2+2(n-3)·LA2B2=2R·tanπn-1+2(n-3)·tanπ2(n-1)---(11)]]>假設(shè)：R＝5m,n＝5.A線路：A線路的切入點與切出點如圖2所示，使得相鄰兩個定標(biāo)點的距離相同，則θ2=π8]]>SA=20(6-2)m]]>B線路：B線路的切入點與切出點如圖2所示，使得3個定標(biāo)點為切點，則OA2⊥B1B2θ1=π4]]>θ2=π8]]>LB1A2=R·tanπ4]]>LA2B2=R·tanπ8]]>SB=2LB1A2+2(n-3)·LA2B2=(90-403)m]]>原路線:S＝5π；則對于長度比較而言：選取A線路較為合理；距離偏差：設(shè)：∠A2OB2＝θ①當(dāng)為內(nèi)接路徑時：n為設(shè)置的語音提示點個數(shù)，2(n-1)為正多邊形邊數(shù)，R為半徑，Rn為邊心距，θ為邊所對圓心角的一半，Δd1為誤差大小。θ=π2(n-1)---(12)]]>Rn＝R·cosθ(13)Δd1=R-Rn=R·(1-cosπ2(n-1))---(14)]]>②當(dāng)為外接路徑時：Rm為圓心到語音提示點距離，Δd2為誤差大小。Rm＝R·cos-1θ(15)Δd2=Rm-R=R·(cos-1π2(n-1)-1)---(16)]]>假設(shè)：R＝5m,n＝5.θ=π8]]>A線路：Δd1=5·(1-cosπ8)≈0.3806m]]>B線路：Δd2=5·(cos-1π8-1)≈0.4120m]]>則對于距離偏差而言：Δd1<Δd2，選取A線路比較合理。綜合兩種路線長度及距離偏差的比較，當(dāng)R＝5m,n＝5時，可以看出依據(jù)內(nèi)接路徑設(shè)置語音提示點更加適合環(huán)形路線。說明2：本發(fā)明中基于數(shù)學(xué)幾何運算進(jìn)行語音提示點的設(shè)置，是在路線軌跡已經(jīng)生成的前提下，依據(jù)軌跡給出半徑和語音提示點設(shè)置個數(shù)的多少。當(dāng)障礙物為環(huán)形時，軌跡生成后即可得出半徑大小，而語音提示點設(shè)置個數(shù)的多少依據(jù)盲人前行6-8步的長度設(shè)置A線路的相鄰語音提示點的距離，繼而A線路在曲線上的點為切點形成B線路，再對以上公式進(jìn)行計算得出哪種線路更合理，最終得出語音提示點的設(shè)置。(2)拐角比較尖銳如圖5所示：當(dāng)拐角較為尖銳的時候，此時依賴于引領(lǐng)者的預(yù)存儲語音解決問題，即盲人的行進(jìn)過程與語音提示過程相同步，不再局限于語音提示點的選取。綜上所述，由于盲人在視覺上的限制，我們設(shè)計了一種新型的語音提示的導(dǎo)航方式：將引領(lǐng)者預(yù)存儲的語音和軟件導(dǎo)航生成語音在GPS導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航結(jié)合的基礎(chǔ)上結(jié)合。本發(fā)明著重解決兩點問題：引領(lǐng)者帶領(lǐng)盲人如何生成路線軌跡和軌跡路線定好后，手機(jī)語音提示點如何生成。本發(fā)明提供了基于智能手機(jī)的慣性導(dǎo)航的生成算法解決路線軌跡的生成問題和基于數(shù)學(xué)幾何運算解決語音提示點的生成問題。本發(fā)明的目標(biāo)就是基于語音提示這一更適合視障者群體的導(dǎo)航方式讓盲人的出行更加方便、可靠。上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3