针对视障人士的红外导盲杖路径规划与导航技术研究

针对视障人士的红外导盲杖路径规划与导航技术研究

张步,常军豪,郭雅

郑州科技学院 

摘要：为了解决视障人士在日常生活中遇到的导航和移动挑战提出了一种创新性的基于红外技术的导盲杖路径规划与导航解决方案，这项技术通过在导盲杖中集成红外传感器来探测前方的障碍物并结合先进的机器视觉算法来进行实时的路径规划，为了提供直观的导航指引该系统采用振动反馈机制；通过不同的振动模式指导用户绕过障碍物、安全到达目的地；通过一系列实验验证结果显示这种基于红外导盲杖的技术不仅能够有效地识别和规避障碍，还能为视障人士提供一种安全可靠的导航方式，显著提升他们的自主行走能力及生活质量进一步促进其社会融合和独立生活。

关键词：视障辅助、路径规划、机器视觉、导航技术、红外导盲杖

引言：

视障是一种严重影响生活质量的残疾根据世界卫生组织统计全球约有2.53亿视障人士，他们在日常活动中面临诸多障碍尤其是独立行走和导航方面的困难，现有的白手杖和导盲犬虽然起到一定作用，但仍存在局限性因此开发先进的视障辅助技术对于提高视障人士的生活质量至关重要。

一、红外导盲杖系统设计

（一）硬件组成

本系统的设计理念在于利用高科技手段为视障人士提供安全、可靠的导航辅助以增强他们的独立行走能力，手持式红外导盲杖作为本系统的核心硬件载体整合了多项先进技术，红外传感器阵列作为系统的“眼睛”负责探测前方的障碍物。这些传感器能够精确地测量障碍物的位置和大小为路径规划提供重要数据。微控制器是系统的“大脑”负责接收红外传感器的数据，通过复杂的算法处理这些数据计算出一条避开障碍物的最优路径。振动反馈模块根据微控制器的指令通过不同频率和强度的振动向用户提供导航指引指导用户绕过障碍物，最后电源模块确保系统的持续运作、设计了高效能的电源管理方案、保障了系统的长时间使用寿命。

（二）软件算法

软件算法是实现红外导盲杖功能的关键包括障碍物检测、路径规划和导航控制三个核心模块，障碍物检测模块首先接收来自红外传感器的数据，利用图像处理算法对这些数据进行分析识别出障碍物的具体位置和形状，这一步是确保视障人士能够安全行走的基础需要高度的准确性和实时性。路径规划模块则是在障碍物检测的基础上采用A*算法等智能算法，计算出从当前位置到目的地的最优路径，该模块能够根据实时环境变化动态调整路径保证导航的灵活性和准确性。导航控制模块将计算出的路径转换为视障人士能够理解的导航指引，主要是通过振动反馈模块实现，该模块根据路径规划结果控制振动反馈模块产生不同的振动模式，如不同的振动频率和强度以指导视障人士绕过障碍物、安全到达目的地。通过这一系列的硬件组合和软件算法的密切配合，红外导盲杖能够为视障人士提供一个安全、高效的导航辅助工具，它不仅能够帮助视障人士在复杂的环境中独立行走，而且还大大提高了他们的生活质量和社会参与度。未来随着技术的进一步发展和优化，红外导盲杖将会拥有更多的功能如集成语音导航、智能避障、环境感知等为视障人士提供更加全面和人性化的导航体验[1]。

二、路径规划及导航策略

（一）动态路径规划

动态路径规划是红外导盲杖系统中的关键技术之一，它能够根据用户当前的位置和环境中障碍物的实时信息，动态地计算出一条最优的行走路径，这种策略的核心优势在于其强大的适应性和灵活性能够即时响应环境中的变化，如新出现的障碍物或人流的变动。系统通过不断地接收红外传感器阵列以及其他可能集成的传感器提供的数据实时更新环境模型和障碍物信息，一旦检测到新的障碍物算法会立即重新评估当前路径的可行性，如果必要就计算出一条新的避障路径。然后系统通过振动反馈模块向用户提供导航指引告知其调整行走方向，这种动态路径规划能够大大减少视障人士在未知或复杂环境中行走的风险，提高他们的安全感和自信心。

（二）多传感器融合导航

为了进一步提升系统的障碍物检测精度和导航的准确性，红外导盲杖还采用了多传感器融合技术，除了核心的红外传感器阵列系统可以集成激光雷达（LiDAR）、超声波传感器、甚至是摄像头等其他类型的传感器实现对环境的全方位感知。每种传感器都有其独特的优势和局限性，例如激光雷达在探测远距离障碍物方面性能出色，而红外传感器则更适合近距离的精细探测，数据融合不仅提高了障碍物检测的准确性还能够提供更丰富的环境信息，为路径规划提供更为准确的数据支持，系统通过振动反馈和语音提示的结合为视障人士提供了一种多模态的导航体验。这种多模态反馈机制不仅可以增加导航信息的接收效率，还能根据用户的偏好和具体情况调整信息的呈现方式从而使导航过程更加直观和便捷，通过这种高度集成和智能化的设计，红外导盲杖能够为视障人士提供一个更加安全、可靠的导航辅助极大地提升他们的独立行走能力和生活质量[2]。

三、系统性能评估

（一）实验设置

为了全面评估红外导盲杖系统的性能我们设计了一系列的实验，在模拟的环境中进行这些实验旨在测试系统在不同的环境条件下的避障能力、路径规划的合理性以及整体的导航体验，实验环境被设置为包含多种障碍物布置和不同行人流量的场景以模拟视障人士在现实生活中可能遇到的多样化条件，实验还特别考虑了各种光照条件和障碍物类型以评估系统在极端或特殊情况下的表现。

为了确保实验结果的客观性和准确性，我们邀请了多位视障人士参与测试以便直接收集他们使用红外导盲杖时的反馈，实验过程中参与者被要求在模拟环境中完成特定的导航任务，系统性能如避障效率、路径规划的逻辑性和导航指引的清晰度等方面均在实验中得到了综合评估。

（二）实验结果与分析

经过一系列严谨的实验测试结果显示红外导盲杖系统具有出色的性能，系统能够在不同环境条件下及时准确地识别和定位障碍物并基于实时数据动态规划出合理的避障路径，无论是在人流密集的环境中还是在复杂多变的障碍物布置场景下，系统均能保证视障用户的安全行走、有效避免碰撞事故的发生。参与测试的视障人士普遍反馈，红外导盲杖系统极大提升了他们的行走自信和安全性，用户特别赞赏系统的振动反馈机制，认为它提供了一种直观且有效的导航方式使得避障和导航变得更加简单易行，一些参与者还指出相比传统的导盲工具如白手杖，红外导盲杖在提供环境信息的丰富性和准确性方面具有明显优势，大大增强了他们在陌生环境中独立导航的能力。

实验还揭示了系统在某些极端条件下的局限性，如在特别复杂或动态变化的环境中系统的避障效率和路径规划精度有待进一步优化，这些宝贵的反馈为未来的系统升级和优化提供了指导指明了技术改进和功能增强的方向。红外导盲杖系统通过这一系列的性能评估实验，不仅证明了其在技术层面的先进性和可靠性，更重要的是它在提高视障人士独立行走能力和生活质量方面展现了巨大的潜力，未来通过持续的技术创新和用户反馈的整合，红外导盲杖有望成为视障人士的重要辅助工具帮助他们更自信、更安全地探索这个世界[3]。

结束语：

本研究提出的红外导盲杖路径规划与导航技术为解决视障人士遇到的导航困难提供了新的技术方案，该技术整合先进的传感器、算法和人机交互技术能够有效规避障碍物为视障人士提供安全可靠的导航指引、极大地提高了他们的独立行走能力、有利于融入社会，未来该技术可通过持续优化和创新为视障人士带来更加智能化和人性化的辅助体验。

参考文献

[1]杨锦,檀玉磊,徐郑等.基于STC89C52单片机的智能导盲杖系统设计[J].科学技术创新,2023,(13):87-91.

[2]高尚尚,唐静.一种智能导盲杖的设计[J].科技创新与应用,2018,(09):25-26.

[3]李超.导盲杖图像采集模块的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2015.