基于智能感应技术的视障人士导航安全辅助智行系统的研究与实现

（基金项目：天津校级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号202410066145））

摘要

随着全球盲人人口数量的增长（据WHO统计，中国视力障碍人士数量超1700万），传统导盲工具已无法满足复杂环境下的安全出行需求。本文提出一种集成激光测距、图像识别、语音导航及物联网技术的基于智能感应技术的视障人士导航安全辅助智行系统，通过模块化架构实现障碍物预判、路径规划与实时交互功能。系统采用32位单片机为核心控制器，构建多传感器数据融合框架，显著提升视障用户的出行安全性与自主性。通过分析国内外技术现状与市场需求，探讨该系统的创新性、实用价值及社会意义，并展望其未来发展方向。

关键词：多传感器融合；模块化设计；语音交互；无障碍技术

1 绪论

随着全球视障人口超2.5亿（中国约500万）[1]，传统导盲工具局限性凸显：导盲杖仅能提供基础触觉反馈，难以应对夜间、雨雪等复杂环境；导盲犬培养成本高达20万元/只且国内持证仅200余只，难以普及。在此背景下，智能导盲杖应运而生，通过集成激光测距仪、光敏传感器等硬件模块，结合AI算法构建全天候辅助出行方案。该设备采用模块化设计，支持北斗/GPS双模导航实现室内外无缝衔接（如温州医科大学案例），并创新性融合多传感器数据：三轴激光雷达以1.5米探测半径构建三维障碍物模型，摄像头结合机器学习实时识别动态目标，光敏与水位传感器触发语音预警及智能照明调节，配合震动与语音双重提示系统。（日本秋田大学（2010）：开发带LED照明与振动反馈的电子杖，成功将碰撞风险降低60%以上[2]。）

2. 方案设计与技术分析

项目采用模块化设计，将传感器、震动提醒、语音模块等功能独立划分，提升维护升级效率并降低生产成本。智能化方面集成多类型传感器（水位、光敏、激光测距等），结合智能算法实现环境感知与障碍物检测，其中激光测距技术通过多角度覆盖弥补传统测距缺陷，显著提升准确性。实时反馈系统通过杖体震动与头盔检测联动预警障碍物，语音模块则增强导航信息交互便捷性。

2.1技术路线

2.1.1障碍物检测：采用OV2640摄像头进行图像识别，结合激光测距仪（HC-SR04）实现多维度探测。

2.1.2环境感知：水位传感器检测路面积水[3]，光敏传感器监测夜间光线强度[4]。

2.1.3导航与控制：STM32F103C8T6单片机处理数据，通过蓝牙HC-05与手机APP联动，实现路径规划与SOS呼叫。

2.2系统架构

2.2.1硬件层：传感器模块、主控芯片、通讯模块、电源管理。

2.2.2软件层：ROS机器人操作系统用于多传感器数据融合[5]，Python算法实现障碍预测与路径优化。

2.2.3 硬件设计

3.1核心控制模块

3.1.1. 微控制器

应用：负责数据采集、处理及设备控制（如STM32、51单片机等）。

开发：需配置GPIO、定时器、ADC等外设接口，实现传感器数据整合与指令下发。

示例：STM32通过I2C协议连接MAX30100心率传感器，实时获取健康数据。

3.2.2. 传感器融合模块

应用：多传感器协同提升环境感知精度（如超声波+红外+摄像头组合）。

开发：需设计数据融合算法（如卡尔曼滤波[6]），结合机器视觉实现障碍物识别。

示例：斯坦福团队通过激光雷达+GPS+IMU实现SLAM导航，提升复杂环境适应性。

3.2环境感知模块

3.2.1 避障检测

传感器：超声波（测距）、红外（障碍物方向）、激光雷达。

应用：实时预警前方障碍物，支持自动路径规划。

开发：需编写阈值判断逻辑（如距离<0.5m触发警报）及舵机控制代码。

3.2.2 定位与导航

技术：GPS/北斗定位（室外）、预置地图+惯性导航（室内）。

应用：语音播报路径、自动转向引导。

开发：集成地图引擎，规划最优路线。

3.2.3 环境参数监测

传感器：光照传感器（自动照明）、温湿度传感器、积水检测（超声波）。

应用：夜间自动亮灯、极端天气预警、路面安全提示。

开发：需设计阈值触发逻辑与硬件保护电路。

3.3交互与通信模块

3.3.1 人机交互

功能：语音识别（ASR模块）、触控屏、振动反馈。

开发：集成科大讯飞语音SDK或自研指令识别模型，支持离线语音控制。

示例：温州团队通过北斗短报文实现紧急SOS，同步位置至云端。

3.3.2 数据通信

技术：设计软件与硬件相结合。

应用：实时上传健康数据至手机APP，亲友远程监控。

开发：需设计数据加密协议与云端接口（如阿里云IoT平台）。

3.4能源与安全模块

3.4.1 电源管理

方案：锂电池+太阳能充电、低功耗设计（如STM32休眠模式）。

开发：需优化电路功耗，支持续航>12小时。

3.4.2 安全防护

功能：跌倒检测（加速度传感器）、紧急呼叫、防误触锁定。

开发：通过阈值判断跌倒动作，触发报警并发送GPS坐标。

3.5扩展功能模块

3.5.1 增强现实（AR）

应用：通过摄像头识别路标、物体，叠加虚拟导航箭头。

开发：需集成ARKit/ARCore框架，结合视觉SLAM技术。

3.5.2 多模态交互

功能：触觉反馈（振动）、语音播报。

开发：需协调多通道输出，避免信息冲突。

4  结语

本研究开发的基于智能感应技术的视障人士导航安全辅助智行系统通过多传感器融合与模块化设计，旨在提升了视障人士的出行安全与自主性。导盲杖通过技术创新填补了传统辅助工具的不足。未来，随着AI与柔性电子技术的进步，设备将向更轻量化、智能化方向发展（如集成皮肤感知、情感交互），最终实现视障人士的“无障碍自由行走”。本系统通过多技术融合实现了视障人士出行的智能化升级。对未来的展望将以优化算法以降低功耗，并探索与智能家居、社区服务的深度联动等方向探索。

参考文献：

[1] 2019年全球疾病负担盲症和视力损害合作者；全球疾病负担视力丧失问题专家组的研究报告。“2020年盲症和视力损害原因及30年来的趋势，以及与‘视觉2020：享有看见的权利’有关的可预防盲症流行率”：一项全球疾病负担分析。《柳叶刀——全球健康》。2021年2月；9（2）：e144-e160。doi： 10.1016/S2214-109X（20）30489-7。

[2] 秋田大学工学部.提出一种结合触觉振动（不同频频率对应方向）和动态 LED 照明（箭头式光指引）的导盲系统，通过蓝牙与智能手机APP联动实现实时路径规划。Sensors（ Elsevier 期刊，2021年 Vol .21， No .15）。

[3] 张翀，詹洋，张志伟，等.基于F-P 腔的地浸采铀水位实时监测传感器研制[J]. 光通信技术，2025，49（1）：71-77.

[4] 张明，韩晓羽.基于光敏传感器在雨量设备采集及防护中的应用 [A]. 2024（第十二届）中国水利信息化技术论坛论文集[C]. 河海大学、江苏省水利学会、浙江省水利学会、上海市水利学会： 2024： 558-575.

[5] 左培良，王建平，郑鑫， 周琴.基于ROS的移动工业机器人定位算法分析 [J]. 现代制造技术与装备， 2024， 60 （11）： 70-72.

[6] 杨昌其，周浩敏，刘君豪.基于拓展卡尔曼滤波算法的无人机迎角估计分析 [J]. 电子技术， 2024， 53 （02）： 42-43.