CN109223463A - 一种基于tof技术的3d导盲装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导盲设备技术领域，具体地说，涉及一种基于TOF技术的3D导盲装置及方法。该导盲装置包括3D导盲装置本体。其中，3D导盲装置本体内设有：感测模块，其包括ToF传感器和MEMS惯性传感器，ToF传感器用于检测人体距最近障碍物的距离并产生障碍物距离信号，MEMS惯性传感器用于检测人体姿态并产生人体姿态信号；信号处理模块，其用于对障碍物距离信号和人体姿态信号进行处理以获取人体实时位置数据，并能够根据人体实时位置数据生成导盲信息；语音提醒模块，其用于对导盲信息进行播报；以及电源模块，其用于对感测模块、信号处理模块和语音提醒模块进行供电。该方法基于该装置实现。本发明能够较佳地为使用者提供导盲服务。

Description

一种基于TOF技术的3D导盲装置及方法

技术领域

本发明涉及导盲设备技术领域，具体地说，涉及一种基于TOF技术的3D导盲装置及方法。

背景技术

盲人是社会中的弱势群体，出行是他们最大的行动障碍。现有存在多种能够对盲人进行导盲的辅助行走设备，但是以往导盲设备在辅助盲人行走的过程中仍存在诸多空间死角，且现有导盲设备在辅助行走的同时也从一定程度上带给盲人一定的附加障碍，故无法满足因生活节奏加快而带来的便捷行走的需求，从而会较大地限制盲人的生活范围，进而会较大地影响盲人的生活质量。

发明内容

本发明的内容是提供一种基于TOF技术的3D导盲装置，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其包括3D导盲装置本体。其中，3D导盲装置本体内设有：

感测模块，其包括ToF传感器和MEMS惯性传感器，ToF传感器用于检测人体距最近障碍物的距离并产生障碍物距离信号，MEMS惯性传感器用于检测人体姿态并产生人体姿态信号；

信号处理模块，其用于对障碍物距离信号和人体姿态信号进行处理以获取人体实时位置数据，并能够根据人体实时位置数据生成导盲信息；

语音提醒模块，其用于对导盲信息进行播报；以及

电源模块，其用于对感测模块、信号处理模块和语音提醒模块进行供电。

本发明中，感测模块能够集成ToF传感器和MEMS惯性传感器，从而能够较佳地实现对人体与最近障碍物的距离和人体行走姿态的检测。这使得本发明的3D导盲装置不仅能够帮助使用者避开前方障碍物，而且还能够通过对人体行走姿态的检测而实现对使用者行走方向的导航，而且语音提醒模块的设置，使得能够实时根据检测信息而播报导航信息，从而能够较佳地便于使用者使用。

本发明中，ToF传感器能够提供较为精准的距离测量，利用MEMS惯性传感器能够较佳地实现盲人行动过程中的动作识别，从而能够较佳地保证盲人真实平稳的行走，并且能够对行动进行实时跟踪，从而能够较好的避免了以往的导盲辅助设备因有视觉死角而会对盲人行走造成的影响，进而极大地提高了盲人行走的便利性。

本发明中，ToF传感器能够使用压电MEMS技术，整合MEMS超声波换能器和低功耗CMOS片上系统，从而体积和功耗均较低，便于使用。其中，ToF传感器在工作时能够使得朝向行走方向的正前方发射“Chirp(啁啾)”超声波，然后接收ToF传感器视场范围内物体的回声，根据声波传输的速度，计算往返时间，从而能够较佳地得到离最近障碍物的距离，且ToF传感器在获取距离后能够利用I2C通信传送给信号处理模块，从而较佳地实现了数据的传输。

本发明中，通过语音提醒模块的设置，使得本发明的3D导盲装置能够具有语音提示功能，这使得本发明的3D导盲装置能够根据检测的数据实时通过语音的方式对使用者进行导盲，从而较佳地实现了自主导盲功能。

作为优选，信号处理模块处还设有一存储模块，存储模块用于对人体实时位置数据进行连续存储。从而能够较佳地对使用者的位置进行实时跟踪，进而能够较佳地实现了导盲功能。

作为优选，ToF传感器与信号处理模块间通过I2C通信协议进行数据传输。从而便于数据传输。

作为优选，MEMS惯性传感器包括用于检测人体行走过程中产生的加速度大小及方向的三轴加速度传感器，用于检测人体行走过程中产生的航向偏差的三轴地磁传感器，以及用于检测人体行走过程中产生的角度及角速度的三轴陀螺仪。从而能够较佳地实现对人体行走姿态的检测。

作为优选，三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪所采集的信号经一卡尔曼滤波单元进行处理后通过串口通信发送给信号处理模块，信号处理模块基于惯性导航原理对MEMS惯性传感器所发送的信号进行处理以获取人体姿态角；同时信号处理模块通过ToF传感器所检测的障碍物距离信号获取人体行走速度，进而获取人体实时位置数据。从而能够较为准确的获取人体行走姿态。

作为优选，3D导盲装置本体处还设有绑带或按扣。从而使得本发明的3D导盲装置能够利用绑带和暗扣安装在眼镜或是衣服扣子处，从而便于设置，且能够极大地提高盲人的行走便利性。

作为优选，电源模块包括电池单元、电压转换单元以及充电单元。电池单元能够较佳的用于提供电量，通过充电单元能够较佳地为电池单元进行充电，通过电压转换单元能够较佳地实现不同电压间的转换。

基于本发明的任一种基于TOF技术的3D导盲装置，本发明还提供了一种基于TOF技术的3D导盲方法，其包括以下步骤：

步骤S1，通过一感测模块对人体姿态信息以及人体距最近障碍物的距离进行测量；

步骤S2，通过一信号处理模块对步骤S1的测量结果进行处理，并获取导盲信息；

步骤S3，通过一语音提醒模块对步骤S2中的导盲信息进行播报。

通过本发明的3D导盲方法，能够较佳地实现对盲人的导盲。

附图说明

图1为实施例1中的3D导盲装置的内部控制系统示意框图；

图2为实施例1中的3D导盲装置的工作流程示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1所示，本实施例中提供了一种基于TOF技术的3D导盲装置，其包括3D导盲装置本体。3D导盲装置本体内设有：

感测模块，其包括ToF传感器和MEMS惯性传感器，ToF传感器用于检测人体距最近障碍物的距离并产生障碍物距离信号，MEMS惯性传感器用于检测人体姿态并产生人体姿态信号；

信号处理模块，其用于对障碍物距离信号和人体姿态信号进行处理以获取人体实时位置数据，并能够根据人体实时位置数据生成导盲信息；

语音提醒模块，其用于对导盲信息进行播报；以及

电源模块，其用于对感测模块、信号处理模块和语音提醒模块进行供电。

本实施例中，语音提醒模块和感测模块均与信号处理模块相连接，电源模块用于电量供给，从而能够较佳地构成本实施例中的控制系统。

本实施例中，感测模块能够集成ToF传感器和MEMS惯性传感器，从而能够较佳地实现对人体与最近障碍物的距离和人体行走姿态的检测。这使得本实施例的3D导盲装置不仅能够帮助使用者避开前方障碍物，而且还能够通过对人体行走姿态的检测而实现对使用者行走方向的导航，而且语音提醒模块的设置，使得能够实时根据检测信息而播报导航信息，从而能够较佳地便于使用者使用。

本实施例中，ToF传感器能够提供较为精准的距离测量，利用MEMS惯性传感器能够较佳地实现盲人行动过程中的动作识别，从而能够较佳地保证盲人真实平稳的行走，并且能够对行动进行实时跟踪，从而能够较好的避免了以往的导盲辅助设备因有视觉死角而会对盲人行走造成的影响，进而极大地提高了盲人行走的便利性。

本实施例中，ToF传感器能够使用压电MEMS技术，整合MEMS超声波换能器和低功耗CMOS片上系统，从而体积和功耗均较低，便于使用。其中，ToF传感器在工作时能够使得朝向行走方向的正前方发射“Chirp(啁啾)”超声波，然后接收ToF传感器视场范围内物体的回声，根据声波传输的速度，计算往返时间，从而能够较佳地得到离最近障碍物的距离，且ToF传感器在获取距离后能够利用I2C通信传送给信号处理模块，从而较佳地实现了数据的传输。

本实施例中，通过语音提醒模块的设置，使得本实施例的3D导盲装置能够具有语音提示功能，这使得本实施例的3D导盲装置能够根据检测的数据实时通过语音的方式对使用者进行导盲，从而较佳地实现了自主导盲功能。

本实施例中，信号处理模块处还设有一存储模块，存储模块用于对人体实时位置数据进行连续存储。从而能够较佳地对使用者的位置进行实时跟踪，进而能够较佳地实现了导盲功能。

作为优选，ToF传感器与信号处理模块间通过I2C通信协议进行数据传输。从而便于数据传输。

结合图2所示，MEMS惯性传感器包括用于检测人体行走过程中产生的加速度大小及方向的三轴加速度传感器，用于检测人体行走过程中产生的航向偏差的三轴地磁传感器，以及用于检测人体行走过程中产生的角度及角速度的三轴陀螺仪。从而能够较佳地实现对人体行走姿态的检测。

本实施例中，三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪所采集的信号经一卡尔曼滤波单元进行处理后通过串口通信发送给信号处理模块，信号处理模块基于惯性导航原理对MEMS惯性传感器所发送的信号进行处理以获取人体姿态角；同时信号处理模块通过ToF传感器所检测的障碍物距离信号获取人体行走速度，进而获取人体实时位置数据。从而能够较为准确的获取人体行走姿态。

本实施例中，3D导盲装置本体处还设有绑带或按扣。从而使得本实施例的3D导盲装置能够利用绑带和暗扣安装在眼镜或是衣服扣子处，从而便于设置，且能够极大地提高盲人的行走便利性。

本实施例中，电源模块包括电池单元、电压转换单元以及充电单元。电池单元能够较佳的用于提供电量，通过充电单元能够较佳地为电池单元进行充电，通过电压转换单元能够较佳地实现不同电压间的转换。

结合图2所示，本实施例的3D导盲装置在实际使用时，能够首先通过设于3D导盲装置本体处的绑带或按扣将其设置于使用者的人体处。之后，在本实施例的3D导盲装置进行开机后，感测模块开始工作并同时将此点作为初始位置(原点)；此时，ToF传感器和MEMS惯性传感器开始工作，ToF传感器能够实时检测与最近障碍物的距离并产生用于发送给信号处理模块的障碍物距离信号；MEMS惯性传感器中的三轴加速度传感器实时检测人体行走时的加速度大小和方向并产生人体加速度信号，MEMS惯性传感器中的三轴地磁传感器实时检测人体行走过程中产生的航向偏差并产生人体航向偏差信号，MEMS惯性传感器中的三轴陀螺仪实时检测人体行走过程中产生的角度及角速度并产生人体角速度信号，人体加速度信号、人体航向偏差信号和人体角速度信号经一卡尔曼滤波单元进行卡尔曼滤波后通过串口通信传输给信号处理模块；信号处理模块能够根据惯性导航原理对MEMS惯性传感器所上传的信号进行姿态解算，进而能够较佳地获取人体行走过程中的实时姿态角，同时还能够采用一四元数算法单元对实时姿态角进行修正。其中，采用惯性导航原理对MEMS惯性传感器所上传的信号进行姿态解算以及采用四元数算法单元对数据进行修正的方法，均为现有中较为成熟的技术，此处不再赘述。此外信号处理模块能够同时根据ToF传感器所上传的障碍物距离信号，实现对人体实时位置信息的解算，此处的人体实时位置信息为相对于初始位置的位置信息，通过对人体姿态的解算以及对人体行走速度的解算，即可较佳的获取该人体实时位置信息，并且该人体实时位置信息能够存储于存储模块中，从而能够较佳地实现对人体行走轨迹的实时追踪。此外，信号处理模块能够根据所获取的人体实时位置信息和与最近障碍物的距离信息，实时生成导盲信息并通过语音提醒模块进行播报，从而较佳地实现了对使用者的导盲。

通过本实施例的3D导盲装置，能够较佳地对使用者行走的距离、行走方向、与前方最近障碍物的距离等数据进行实时检测，从而能够较佳地实现对使用者的导盲。

基于本实施例的3D导盲装置，本实施例还提供了一种基于TOF技术的3D导盲方法，其包括以下步骤：

步骤S1，通过感测模块对人体姿态信息以及人体距最近障碍物的距离进行测量；

步骤S2，通过一信号处理模块对步骤S1的测量结果进行处理，并获取导盲信息；

步骤S3，通过一语音提醒模块对步骤S2中的导盲信息进行播报。

步骤S1中，通过ToF传感器对人体距最近障碍物的距离进行测量。其中，ToF传感器基于多普勒效应，采用主动探测方式利用入射波形信号与反射波形信号的变化来进行距离测量。

ToF传感器具有发射单元和接收单元，发射单元进行信号高频调制之后，发出一系列超声波即入射信号，遇到障碍物反弹回来，接收单元接收反弹回来的信号即反射信号。并对每组入射信号和反射信号往返于物体之间的持续时间进行记录，设入射信号的发射时刻为t1、反射信号的接受时刻为t2、当地声速为c、ToF传感器的测量基准面到被测物体的距离为h，则(式中C_O＝331m/s，T为绝对温度、单位K)，进而

通过采用时间差的方式能够较佳地识别不同的反射介质，但同时由于不同距离的场景为各个不同直径的同心球面，而非平行平面，所以在实际使用时，需要对测量结果进行误差校正，从而稳定的输出低噪声的深度信息，实现复杂环境高精度三维避障和物体智能识别等功能。

本实施例中，采用神经网络实现对ToF传感器所测量数据的非线性误差校正，设超声波传感器要测量的实际距离为d，实际距离d决定t2-t1，环境温度为T，超声波传感器测量输出的结果为h。经RBF网络校正后的距离为Dr，则超声波传感器测距系统可以表示为h＝f(d，T1)，T1＝t2-t1，由于传感器产生的非线性误差受温度的影响，使得f(d,T)呈现非线性特性。校正的目的是根据测的h求未知的d，即d＝g(h，T)。超声波传感器输出Dr通过一个补偿模型，该模型的特性函数为Dr＝g(h，T)，其中Dr为非线性补偿后的输出，g(h，T)显然是一个非线性函数，通常非线性函数的表达式很难准确求解。但利用神经网络能很好地逼近非线性函数的特点，通过建立神经网络模型来逼近该非线性函数。通过神经网络建立模型对Dr＝g(h，T)进行逼近为现有较为成熟的技术，此处不再赘述。

步骤S2中，信号处理模块包括传感器误差校正单元、惯导解算单元、零速修正单元和数据整合单元。

其中，传感器误差校正单元接收卡尔曼滤波单元处理后的信号，并进行误差校正。通过对MEMS惯性传感器进行静态实验，能够辨识出MEMS惯性传感器的主要随机误差项及误差项参数，从而能够通过传感器误差校正单元建立离散形式的随机误差模型，实现对惯性器件随机误差的实时估计和校正。

其中，惯导解算单元能够利用误差补偿后的数据，通过捷联惯导解算公式，实时地解算出行人初步的导航参数。

其中，导航参数包括行人的实时姿态角、运动速度和所处地理位置(即位置信息)，其中姿态角包括航向角、俯仰角和横滚角。所处地理位置包括运动物体在地球上的纬度φ、经度λ和高度h。公式如下：

式中，λ₀，h₀为初始位置的地理纬度、地理经度和相对于水平面的高度。T_N为运动时间，表示导航坐标系相对地球的角速度在东北天地理坐标系下的分量表示。

零速修正单元利用支撑相内速度为零的步态信息，周期性地估计和校正，抑制导航误差的积累，提高系统的长期导航精度。通过直线拟合求出每个步态周期中的等效加速度零偏误差，再利用此零偏误差来修正摆动相内的速度估计和位置估计，从而提高定位精度。

数据整合单元用于将ToF传感器和MEMS惯性传感器所检测并处理后的数据进行整合，进而生产导航信息并通过语音提醒模块进行播报。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：包括3D导盲装置本体，3D导盲装置本体内设有，

感测模块，其包括ToF传感器和MEMS惯性传感器，ToF传感器用于检测人体距最近障碍物的距离并产生障碍物距离信号，MEMS惯性传感器用于检测人体姿态并产生人体姿态信号；

信号处理模块，其用于对障碍物距离信号和人体姿态信号进行处理以获取人体实时位置数据，并能够根据人体实时位置数据生成导盲信息；

语音提醒模块，其用于对导盲信息进行播报；以及

电源模块，其用于对感测模块、信号处理模块和语音提醒模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：信号处理模块处还设有一存储模块，存储模块用于对人体实时位置数据进行连续存储。

3.根据权利要求1所述的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：ToF传感器与信号处理模块间通过I2C通信协议进行数据传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：MEMS惯性传感器包括用于检测人体行走过程中产生的加速度大小及方向的三轴加速度传感器，用于检测人体行走过程中产生的航向偏差的三轴地磁传感器，以及用于检测人体行走过程中产生的角度及角速度的三轴陀螺仪。

5.根据权利要求4所述的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪所采集的信号经一卡尔曼滤波单元进行处理后通过串口通信发送给信号处理模块，信号处理模块基于惯性导航原理对MEMS惯性传感器所发送的信号进行处理以获取人体姿态角；同时信号处理模块通过ToF传感器所检测的障碍物距离信号获取人体行走速度，进而获取人体实时位置数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：3D导盲装置本体处还设有绑带或按扣。

7.根据权利要求1所述的一种基于TOF技术的3D导盲装置，其特征在于：电源模块包括电池单元、电压转换单元以及充电单元。

8.一种基于TOF技术的3D导盲方法，其包括以下步骤：

步骤S1，通过一感测模块对人体姿态信息以及人体距最近障碍物的距离进行测量；

步骤S2，通过一信号处理模块对步骤S1的测量结果进行处理，并获取导盲信息；

步骤S3，通过一语音提醒模块对步骤S2中的导盲信息进行播报。