引 言
隨著信息化和數(shù)字化的發(fā)展，現(xiàn)在社會中人們的生活變得更加豐富多彩，生活更加便利。但是有一種人群卻不容忽視，社會上形形色色、豐富多彩的物是與他們無緣的，他們就是盲人。眾所周知眼晴是“心靈之窗”，而對于突然失去或從未擁有過“心靈之窗”的盲人來說，生活上的困難與心理上的痛苦是可想而知的。他們的衣食住行存在諸多不便，而在出行與人際交往中遇到的困難更加突出，基于此設(shè)計了智能導(dǎo)盲犬。生活中，導(dǎo)盲犬習(xí)慣于頸圈、導(dǎo)盲牽引帶和其他配件的約束；懂得“來”、“前進(jìn)”、“停止”等口令；可以帶領(lǐng)盲人安全地走路，當(dāng)遇到障礙和需要拐彎時，會引導(dǎo)主人停下以免發(fā)生危險。但是，導(dǎo)盲犬的培訓(xùn)過程長達(dá)18個月，綜合費(fèi)用達(dá)2.5～3萬美元，如此昂貴的價格不是普通用戶能承擔(dān)的，所以這里設(shè)計一個智能導(dǎo)盲犬，從而為盲人帶來便利。
本系統(tǒng)主要解決的是盲人在出行和人際交往中遇到的問題，主要功能有：行進(jìn)中的障礙物檢測、識別與定位，其中包括移動的物體與靜止的物體識別；測定障礙物的速度與距離；對周圍的路線的特定環(huán)境標(biāo)志進(jìn)行環(huán)境辨認(rèn)，檢測出熟悉的地點(diǎn)，方便盲人了解情況，并同時也以此為信息主動控制導(dǎo)盲犬，實(shí)現(xiàn)人的主觀控制；人性化的語音提示，能夠根據(jù)信息重要程度主動提示當(dāng)前情況，幫助盲人獲取必要信息，幫助盲人決策；系統(tǒng)還可以對周邊環(huán)境發(fā)生的特殊情況向家屬發(fā)送短消息，必要時可以發(fā)送圖片，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的安全性。
1 設(shè)計結(jié)構(gòu)
本設(shè)計系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、反饋等子系統(tǒng)構(gòu)架而成。首先由兩路信息采集系統(tǒng)——超聲波測速測距系統(tǒng)及圖像采集系統(tǒng)采集外部環(huán)境信息，經(jīng)決策處理系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并進(jìn)行多模塊輸出，其中有信息的反饋系統(tǒng)可以面向使用者提供足夠的信息提示，同時，又可通過運(yùn)動系統(tǒng)對“導(dǎo)盲犬”進(jìn)行實(shí)時控制。存儲系統(tǒng)可以將采集和處理的環(huán)境信息進(jìn)行存取，方便查詢。
1.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
圖1為系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖。
1.2 硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)
本設(shè)計主要功能模塊有：
攝像頭監(jiān)測及智能識別模塊，超聲波測速與測距模塊，電機(jī)驅(qū)動與控制模塊，NiosⅡ處理器模塊，語音播報模塊，通信與定位模塊，實(shí)時存儲模塊，即插即用液晶顯示模塊。
硬件框架圖如圖2所示。
1.3 軟件流程結(jié)構(gòu)
軟件流程結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2 具體模塊
本設(shè)計基于NiosⅡ硬件平臺，運(yùn)用其強(qiáng)大的擴(kuò)展及處理功能，將數(shù)字圖像處理技術(shù)、超聲波測距定位技術(shù)、智能控制技術(shù)協(xié)調(diào)的組合在一起，構(gòu)成一個既功能強(qiáng)大又非常人性化的“導(dǎo)盲犬”。以下為各模塊的設(shè)計特點(diǎn)及方法：
2.1 NiosⅡ處理器
NiosⅡ處理器運(yùn)算速度快，能滿足對圖像檢測與處理的要求；具有完善的軟件開發(fā)套件，包括編譯器、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、JTAG調(diào)試器、實(shí)時操作 系統(tǒng)(RTOS)和TCP／IP協(xié)議棧；其次，Altera DEl的外圍接口豐富，可以滿足不同的需求，必要時可以自定義外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展。在FPGA中使用軟核處理器也是其優(yōu)勢所在，硬核實(shí)現(xiàn)沒有靈活性，通常無 法使用最新的技術(shù)。基于標(biāo)準(zhǔn)處理器的方案會被淘汰，而基于NiosⅡ處理器的方案是基于HDL源碼構(gòu)建的，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求。將處理器實(shí)現(xiàn)為 HDL的IP核，開發(fā)者能夠完全定制CPU和外設(shè)，獲得恰好滿足需求的處理器。
2.2 圖像采集模塊
利用的地貌比對是對被檢測到的環(huán)境特征在環(huán)境圖像庫中進(jìn)行目標(biāo)搜索以及進(jìn)行地點(diǎn)的確認(rèn)。實(shí)際上，將采樣到的環(huán)境圖像與庫存的圖像依次進(jìn)行比對， 并找出最佳的匹配對象。所以，環(huán)境的描述決定了環(huán)境識別的具體方法與性能。該應(yīng)用的核心是“圖形識別算法”，這種算法是利用了環(huán)境中的各主要特點(diǎn)及一些特 征部分而形成的方法。
圖像采集系統(tǒng)主要由視頻信號A／D轉(zhuǎn)換，PFGA控制模塊，邏輯控制模塊，存儲模塊等組成。系統(tǒng)采集圖像的命令由 計算機(jī)發(fā)出，通過Avalon總線將命令傳送至FPGA同步采集模塊。同步采集模塊則發(fā)出采集信號采集一幀圖像，利用寫信號將數(shù)據(jù)存儲至SRAM1中。經(jīng) 過邊緣檢測處理后存儲到SRAM2中，將圖像信息讀出傳送給FPGA至處理。對比FPGA中環(huán)境圖片的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)，對數(shù)字信息進(jìn)行分析， 在合理誤差范圍之內(nèi)，可確定特定的位置，達(dá)到環(huán)境識別的目的。
2.3 超聲波測距模塊
利用超聲波測距模塊可實(shí)現(xiàn)多障礙物的定位及運(yùn)動狀態(tài)的跟蹤，可以精確地測出物體距離盲人的距離、物體相對于盲人的運(yùn)動方向及運(yùn)動速度。由于超聲波測距誤 差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。而超聲波的傳播速度的誤差影響最大，且其與環(huán)境的溫度有關(guān)，故本設(shè)計中采用了帶溫度補(bǔ)償?shù)某?聲測距，通過高精度的溫度傳感器實(shí)時跟蹤外界溫度的變換，能很好地補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。而傳播時間的誤差則通過NiosⅡ來消除，NiosⅡ 內(nèi)部具有高頻晶振信號，通過其內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)可以滿足超聲波測距的微秒級要求，能保證測距1 cm的誤差。
2.4 電機(jī)控制模塊
本設(shè)計中用到的電機(jī)為直流電機(jī)，控制著導(dǎo)盲儀的運(yùn)動， 以及超聲波傳感器的循環(huán)掃描和攝像頭的動態(tài)攝取，運(yùn)用工程整定方法，通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定，由控制器輸出控制各個電機(jī)協(xié)調(diào) 運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲儀的自動運(yùn)動及多個超聲波測量儀的平面覆蓋式掃描，消除掃描中的死角。測速電路用于測量導(dǎo)盲小車的速度，反饋電路輸出控制調(diào)速系統(tǒng)可控 制預(yù)先設(shè)定的速度。
2.5 短信息發(fā)送功能
能夠?qū)⒚と擞龅降那闆r的描述自動發(fā)送 給其家人。短信息的發(fā)送需要GSM模塊和FPGA處理器共同協(xié)作完成。發(fā)送中文短信采用PDU模式Unicode編碼方式，將所要發(fā)送的信息存儲在SIM 卡中。發(fā)送過程中，F(xiàn)PGA通過發(fā)送及接收AT命令與GSM模塊形成回路，通過AT命令實(shí)現(xiàn)對GSM模塊的操作。通過簡單的按鍵分配各個對應(yīng)的信息內(nèi)容， 能夠使不同的信息通過短信息模塊發(fā)送。
3 結(jié) 語
本設(shè)計基于FPGA技術(shù)在 Altera公司的DEl開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計中需要大量進(jìn)行實(shí)時圖像處理，波形處理，以及多個進(jìn)程的并行處理，對處理器的性能要求比較高，而基于 Altera NiosⅡ可以很好地滿足算法的速度和精度的雙重要求。同時豐富的IP盒可供直接使用，方便高效。在設(shè)計構(gòu)架過程中，需要將Avalon總線上各個IP的 時序進(jìn)行綜合，方便FPGA處理器進(jìn)行處理，避免錯誤和損失。同時，如何提高導(dǎo)盲系統(tǒng)的魯棒性也是一個值得解決的有意義的工作。