多功能导盲机器人

刘志宏1，陈伯康1，张东轩1，郑骞1
摘 要：中国的盲人和低视力患者将近1800万，而盲人的日常出行还存在很多的问题，导盲犬的培训周期长，难以满足广大的盲人群体，通过对市场上现有盲人辅助产品的了解，以及盲人群体的日常出行需求，针对性的开发导盲机器人，用来满足盲人以及低视力患者的需求。通过对机器人的底盘，视觉，传感器以及物联 等部分的开发，将各部分联动形成完整的导盲机器人。导盲机器人可通过避障以及视觉对危险的判断检测来引导盲人前进，通过物联 模块上传数据并对导盲机器人的状态进行实时的追踪。
关键词：导盲机器人；残疾人；导盲；出行；机器视觉；物联 ；传感器；避障。

Multifunctional blind guiding robot
Chen Bokang，Liu Zhihong, Zhang Dongxuan, Zheng Qian
Abstract：There are nearly 18 million blind and low vision patients in China, but there are still many problems in the daily travel of the blind, the training cycle of guide dogs is so long, and it is difficult to meet the vast number of blind people, through the understanding of the existing auxiliary products for the blind in the market and the daily travel needs of the blind group, The blind guiding robot is developed to meet the needs of the blind and low vision patients. Through the development of the robot’s territory, vision, sensors and the Internet of things, all parts are linked to form a complete guide robot. The blind guide robot can guide the blind forward through obstacle avoidance and visual hazard judgment and detection, upload data through the Internet of things module and track the state of the blind guide robot in real time.
Keywords: Blind guiding robot; Disabled; Guide blind; Travel; Machine vision; Internet of things; Sensor; Obstacle avoidance.

1 导盲机器人系统设计

1.4中央微控制器
它是以STM32F103系列单片机作为中央处理器，内置了ARM团队生产的高性能、低成本、36mA超低功耗的嵌入式 CORTEX-M3内核,频率高达72MHZ。它在本产品中充当控制核心的作用，它与不同的模块连接进行通讯，是数据的中转站，是实现原始数据的处理以及数据的调配、发送、接收的部分，保证了产品的正常运转。

1.5 定位模块
定位模块使用了ATGM336H-5N模块，该模块支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS和美国的GPS，该模块可独立工作在GPS模式或北斗模式下也可在双模式下工作。该模块基于于中科微第四代低功耗GNSSSOC 单芯片—AT6558，该芯片是一款六合一多模卫星导航定位芯片，包含32 个跟踪通道，可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS 信 ，可实现联合定位、导航与授时。ATGM336H-5N 本系列模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势，适用于车载导航、手持定位、可穿戴设备，在本作品中通过将GPS模块串口与STM32串口连接进行串口间的通讯，通过程序对NMEA0183 协议帧格式内容的解析，获取到GPS模块传回的经纬度信息，同时将传回的经纬度信息的度.分.分格式转换为度.度的格式以匹配云端的数据流，将经纬度信息处理后通过物联 模块将经纬度的数据流上传到云平台，将经纬度的信息在云平台上通过地图位置以及轨迹的方式显现。

1.7 MPU6050传感器
它内置了一个三轴MEMS陀螺仪、一个三轴 MEMS 加速度计、一个数字运动处理引擎DMP。它还有用于第三方的数字传感器接口的辅助 I2C 串行接口，MPU6050对陀螺仪和加速度计分别使用了三个16位的ADC，通过DMP结合InvenSense公司提供的运动处理资料库来实现姿态的解算。通过陀螺仪和加速度计分别测出角速度和角加速度，二者通过相应的算法结合就可以得到我们所需要的PITCH（俯仰角）,YAW（偏航角）以及ROLL（翻滚角）角了。通过对不同的角度数据的检测，我们可以准确的了解到导盲机器人的运行姿态，将测出的数据通过GPRS模块上传到云平台，并通过对相应阈值的设定，在姿态数据异常时能够及时的了解到异常状态的信息。也能进一步的保障用户安全和导盲机器人的正常工作。

;图4 MPU6050传感器
Fig.4 MPU6050 Sensor

2 导盲机器人的具体实现

本节由硬件、软件实现两部分组成。

2.1 硬件的实现
硬件部主要由上节叙述的模块组成，具体有物联 模块、GPS模块、语音播 模块MPU6050传感器，由STM32f103系列芯片作为主控；视觉部分由树莓派来进行实现并和STM32主控进行通信。系统由12V的锂电池进行供电，通过降压模块对进行降压并为STM32芯片、树莓派等部分进行供电，12V电源主要为机器人底盘的两个12V直流减速电机进行供电。

颜色空间转换函数会自动将RGB的原图像转化为HSV型的图像，转化完成后，模块会调用OpenCV函数库中另外一个用于掩膜处理的函数：

对已经生成的HSV型图像进行遮掩处理，通过参数的调整只保留感兴趣的部分。
人物边缘提取技术基于腐蚀和膨胀这两种算法。在完成了对图像的掩膜处理后，输出的图像首先进行腐蚀处理，获取到人物的边缘轮廓，然后会调用OpenCV函数库中的腐蚀函数：

利用该函数将被掩膜处理后的图像的边界提取出来，将生成的图像进行膨胀处理，通过调用OpenCV函数库中的膨胀函数：

该函数会将腐蚀得到的人物边缘轮廓进行放大，以便更好更精准的识别。

3 结束语

对于盲人以及低视力患者的出行问题来说，一直以来都是难以解决的一个问题，但人工智能、5G的到来以及机器视觉的飞速发展给给导盲机器人的未来带来了可能，对于本作品来说，其功能丰富，操作便捷，能够良好的保障用户的出行安全，通过搭载的物联 模块可让用户的家人对导盲机器人的实时状态更好的了解，利用视觉对危险判定使行进更加安全；本作品较好的满足了盲人以及低视力患者的日常出行需求，在未来，对于机器人还需要做出许多的改进和升级，对于物联 部分来说，在未来可利用最新的物联 技术来做到实时视频的查看，而机器视觉部分可进一步的完善神经 络学习来进一步提 升对危险的判断种类以及判断的速度和准确率。

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