基本信息
- 项目名称：
- 基于应答模式的盲人室内定位与导航系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目设计了一套集合了定位、导航、避障、辨向等四个功能的盲人室内辅助系统。定位功能解决盲人“我在哪里”的问题，导航功能解决盲人“我怎样走”的问题，另外还辅有避障和辨向等必要功能。
- 详细介绍：
- 针对目前盲人现实生活中室内活动的不便性，本文详细介绍了一种基于应答模式的盲人室内定位与导航系统。其设计方案为：通过在室内关键点（如楼梯口、房门口、拐弯点）的天花板上安装红外发射器，不同场所发射不同编码的红外信号，由盲人手持的接收装置接收红外信号，通过解码读取地址信息，用语音告知盲人当前的位置或场所名称，从而实现定位功能；若盲人要到达某一地点，系统可通过语音提示协助使用者确定目的地，再基于定位功能之上，系统可通过一套最优路径算法，计算出从当前位置达到目的地的最佳路线，实现导航功能；同时系统辅以电子罗盘模块和超声波避障模块以实现辨向和避障的功能。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：解决当前实际情况下盲人室内行动不便性的难题。 基本思路：设计一套集合了定位、导航、避障、辨向等四个功能的盲人室内辅助系统。另外还辅有避障和辨向等必要功能。 创新点： 1）定位 避开了室内GPS信号接收不到的难题，该系统中采用红外定位的方式以实现室内定位的功能。具体方案是：定位盲人当前位置坐标。将一个楼层网格化，每个网格对应一个特定的地址编码，在每个能通过的网格里安装一个红外发射节点，每个节点发射的红外，其编码均对应于该网格的地址编码，其发射范围也限于该网格之内，由放置在使用者身上的手持装置接收信号并解码，通过语音提示所在场所的名称，从而使用者可确定其所在的位置信息。 2）导航算法 根据楼层网格化模型，采用了高效而简洁的队列式分支限界法，来求得最优路径。相比采用其他算法，如A*算法、dijstra算法等要更加简单、高效。 3） 应答模式电源控制 安装在天花板上的发射单元长期通电工作，采用220V供电存在布线繁琐的问题，而采用电池供电，虽然不存在以上问题，但工作时间有限，需经常更换电池，最终我们采用了应答模式供电控制，即当使用者走过发射单元下方时，使用者手持装置会发射一个向上的超声波信号，激励发射单元内部一个超声波接收探头，经过低功耗放大单元（100uA以下），用以控制其内部红外发射器的电源接通。当没有使用者走过时，发射装置就一直处于低功耗待机状态,以此达到节能的目的。
科学性、先进性
- 我们的室内定位和导航技术采用红外方案为核心，红外发射接收有效范围大，正好符合了盲人行动范围的不确定性，且成本低易于普及。同时采用红外专用接收头，抗干扰性好，保证了系统的可靠性。另外，将该系统应用于盲人的室内导航，解决了室内GPS信号接收不到，普通导航仪失灵的难题。 我们通过在天花板上安装红外发射单元，使用者持手持装置，接收不同编码的红外信号，通过解码读取地址信息，用语音告知盲人当前的位置或场所名称，从而实现定位功能。 另外若盲人要到达某一地点，系统可通过语音提示协助使用者确定目的地，再基于定位功能之上，系统可通过一套最优路径算法，计算出从当前位置达到目的地的最佳路线，实现导航功能。 此外，为了避免安装在天花板上的红外发射装置，需布设电源线的问题，或采用电池供电，需频繁更换电池或充电的问题，供电方式采用应答模式，即当没有使用者走过时，发射装置处于低功耗待机状态。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月—校生课外学术科技作品竞赛特等奖 2011年5月—省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖 2011年4月走访省盲人学校，达成合作意向，获得其推荐。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；现场演示；图片；录像；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：当定位模式启动时，按下按键手持装置开始工作，控制语音输出地点信息。当导航模式启动时，单片机会实时工作确认当前地点的信息。使用者可通过按键配合语音协助方式，最终确认目的地。目的地确认后，单片机记录信息。再通过“队列式分支限界法”算法来寻求从当前地点到达目的地的最短距离及最优路径，并记录下来，实时指示使用者。 作品集合了定位、导航、避障、辨向等四个功能。成本低廉，让大部分盲人机构都有购买力；体积小而轻便，方便安装携带；采用了红外、超声和电子罗盘传感器，并结合先进算法，解决了盲人在室内活动不便的问题；采用了应答技术，降低了红外发射传感器功耗，可靠性高，便于维护。 适应范围及推广前景:从适应范围看，我们的目标市场可重点接触各地的盲人机构、残联、残奥会举办单位以及医院等。 市场分析和经济效益:中国视力残疾有500万,世界盲人总数近3000万。针对具有庞大盲人基数的市场，目前还没有一款产品能切实帮助盲人解决室内导航问题，而我们的产品便致力于以最简单有效的方法解决这一难题。
同类课题研究水平概述
- 目前，经调查，世界上对于解决盲人室外行动难题的研究较多，也做得比较好，如盲道，公交站、地铁站等公共设施的语音播报系统，室外用盲人GPS导航仪等。 然而，对于室内却少有成果出现。众所周知，GPS导航已经进入大众群体中，人们日常生活中也越来越离不开它。然而GPS导航仍有一个尚未解决的难题，就是室内导航。因为GPS卫星信号无法穿透太厚的墙壁，导航设备在大型建筑、地下建筑、高层楼房中会彻底找不到卫星信号而无法定位。因此，该项技术难题很大地限制了室内导航的发展。2010年9月，据新华社电，欧洲航天局日前研发出一种高性能导航系统，使“室内导航”成为可能。公报说，目前该系统所需设备还很笨重，需要用推车运输。 经我们实际调查了解到，盲人活动大多在于室内，即使外出，大多也是去另外的机关、医院、酒店等室内建筑，室内行动难题的对于盲人是一块很大的心病。因此，室内导航项目的研究具有极其重要的社会意义与研究价值。 目前社会上也有其他方案可实现室内导航，但是各自有其自身的缺点。 据了解，外国近年有采用射频技术实现盲人导航，不过该系统的研发是针对于室外导航。其方法是将无源电子标签埋入地面瓷砖下，盲人手杖是一个射频读写器，其读写距离很近，因此，电子标签的安装很麻烦，成本也较高。若采用VHF超高频射频识别，成本就更高了，一个读写器的成本就在二至三千左右。不适于推广。 市场上也有采用惯性导航实现室内导航的。不过，该系统成本很高，单个传感器价格就不菲，加上后续信号的处理等等，该系统若想大众普及确实有一定的难度。另外，该系统还有一个很大的弊端就在于其“累积误差”，这是该系统无法避免
