基于Haptic技術(shù)的盲人輔助路徑誘導(dǎo)服務(wù)研制

摘 要： 針對(duì)盲人具有敏銳于常人的觸覺資源，綜合應(yīng)用GPS、GIS和Haptic(震動(dòng))等技術(shù)，開發(fā)研制了一種盲人路徑誘導(dǎo)新模式。該模式向盲人提供路口等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和偏離規(guī)劃路徑兩種情況下的差異性震動(dòng)，具有抗噪聲干擾、反饋及時(shí)和高有效性等優(yōu)點(diǎn),具有很高的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 路徑誘導(dǎo)； Android API； 震動(dòng)； 盲人

盲人作為社會(huì)上一類特殊群體，如何讓他們能夠更安全地獨(dú)立行走[1]，越來(lái)越受到世界各國(guó)學(xué)者的關(guān)注和重視。目前已經(jīng)研制了多種盲人輔助路徑誘導(dǎo)工具，特別是近年來(lái)越來(lái)越人性化的導(dǎo)盲系統(tǒng)的研發(fā),使盲人可以更好地享受數(shù)字生活。盲杖作為行動(dòng)輔助工具被廣泛地采用，但由于行動(dòng)上的諸多受限使得使用者面臨很大挑戰(zhàn)。現(xiàn)在導(dǎo)盲市場(chǎng)上電子導(dǎo)盲設(shè)備類較為常見，通過聲音信號(hào)進(jìn)行提示的盲人語(yǔ)音提示系統(tǒng)[2]，采用超聲波對(duì)障礙物、路面變化情況等進(jìn)行探測(cè)。佛羅里達(dá)大學(xué)(University of Florida)Ran研制了適合室內(nèi)、室外的視障者行動(dòng)導(dǎo)盲裝置[3]，由該設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)障礙物的位置后, 通過語(yǔ)音提示盲人達(dá)到路徑誘導(dǎo)避障目的；日本山梨大學(xué)(University of Yamanashi)研制了一種智能手推車ROTA(Robotic Travel Aid)[4]，該款小車高1 m，重60 kg，配備視覺傳感器和聲音傳感器，能夠識(shí)別路標(biāo)、交通信號(hào)燈等，并能引導(dǎo)盲人穿過馬路，遇到問題會(huì)與服務(wù)中心取得聯(lián)系。但這些器具不但使用不便,而且造價(jià)也相當(dāng)昂貴，不適合普通消費(fèi)者使用。陳美鑾等采用超聲測(cè)距、語(yǔ)音提示的方式設(shè)計(jì)了智能盲人導(dǎo)行儀[5]；賀菊方等將超聲波轉(zhuǎn)化為聲波的方式設(shè)計(jì)幫助盲人行走、識(shí)別障礙物的電子裝置[6]。基本上都屬于語(yǔ)音導(dǎo)盲范疇,存在難以克服的弱點(diǎn)與不足。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新式的、更加人性化的導(dǎo)盲系統(tǒng)逐漸涌入導(dǎo)盲市場(chǎng)，寧志剛等設(shè)計(jì)的新型盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng)[7]利用GPS(Global Positioning System)定位、超聲測(cè)距、圖像識(shí)別方法進(jìn)行語(yǔ)音提示導(dǎo)盲；何婧等設(shè)計(jì)的聽覺引導(dǎo)助盲系統(tǒng)[8]；徐珠寶等基于Windows Mobile平臺(tái)下設(shè)計(jì)的盲人導(dǎo)航軟件系統(tǒng)[9]等。但這類產(chǎn)品也都是基于聲音達(dá)到路徑誘導(dǎo)功能的目的，當(dāng)環(huán)境噪嘈雜中時(shí)，語(yǔ)音的功效可能會(huì)大大降低甚至失去作用。AMEMIYA T [10]、YAO H Y [11]、JACOB R[12]等人基于盲人具有敏銳于常人的觸覺資源研討了震動(dòng)技術(shù)，并為其對(duì)觸覺資源產(chǎn)生的影響進(jìn)行了探索。為此，本文嘗試性地將震動(dòng)技術(shù)結(jié)合GPS、GIS等技術(shù)運(yùn)用到Android系統(tǒng)的智能手機(jī)平臺(tái)上,開發(fā)研制了一種盲人路徑誘導(dǎo)新模式，使其具有抗噪聲干擾、反饋及時(shí)和高有效性等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了語(yǔ)音導(dǎo)盲在特定環(huán)境下弱點(diǎn)和不足。在實(shí)現(xiàn)過程中可以與日益成熟的語(yǔ)音導(dǎo)盲集成使用，為盲人出行提供更安全、更人性化的輔助工具。

1 系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)與開發(fā)環(huán)境

1.1 Android平臺(tái)簡(jiǎn)介

目前智能手機(jī)的主流操作系統(tǒng)主要有Symbian、iPhone和Android。Android是Google于2007年底發(fā)布的基于Linux開放性內(nèi)核的手機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)，2008年9月T-Mobile正式發(fā)布了第一款A(yù)ndroid智能手機(jī)T-Mobile G1[13]。Android與Symbian、iPhone相比具有如下顯著特點(diǎn)[14]：(1)真正開發(fā)；(2)應(yīng)用程序相互平等；(3)應(yīng)用程序之間溝通無(wú)界限。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

Android SDK支持多種集成開發(fā)環(huán)境IDE（Integrated Development Environment），因?yàn)镋clipse與Android SDK集成最好，而且Eclipse是完全開源的，本開發(fā)采用Eclipse與Android SDK集成環(huán)境。硬件平臺(tái)選擇運(yùn)行Android操作系統(tǒng)和內(nèi)置GPS模塊的Google Legend智能手機(jī),軟件開發(fā)語(yǔ)言使用Java。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及思路

本軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是給無(wú)法獲得視覺信息的盲人用戶，在行走時(shí)提供差異性震動(dòng)而進(jìn)行路徑誘導(dǎo)，使其高效、及時(shí)、準(zhǔn)確地向正確的方向行走，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)基本框架

在分析通用導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，結(jié)合本系統(tǒng)軟件的預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，設(shè)計(jì)并初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的基本框架，由提取經(jīng)緯度信息的GPS模塊、盲人專用小區(qū)域疊加電子地圖、地圖匹配模塊、尋徑模塊、差異震動(dòng)提示模塊和人機(jī)交互界面等模塊組成。如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理：主程序運(yùn)行后載入地圖，根據(jù)用戶輸入的起點(diǎn)、終點(diǎn)，經(jīng)查詢路徑后，首先在Google Map地圖上顯示最適路徑信息，在用戶行走的過程中，再根據(jù)所在的路徑節(jié)點(diǎn)信息及讀取的GPS模塊提供的當(dāng)前經(jīng)緯度信息，實(shí)時(shí)判斷是否偏離路徑或到達(dá)下一路口節(jié)點(diǎn)，震動(dòng)模塊提供差異性震動(dòng)進(jìn)行路徑誘導(dǎo)，如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)核心模塊開發(fā)

在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，核心模塊主要包括GPS的經(jīng)緯度信息采集、在谷歌電子地圖上自制疊加地圖數(shù)據(jù)、尋徑和差異震動(dòng)提示模塊。下面將對(duì)其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.4.1 GPS的經(jīng)緯度信息采集

本系統(tǒng)使用的Google Legend手機(jī)內(nèi)置支持步行模式的GPS模塊，采用Serf star III芯片組,連接方式為RS232串口，通過手機(jī)上的GPS功能，用戶可以精確地確定自己的地理位置。

Android SDK提供了GPS API，利用LocationManager類的對(duì)象提供了位置服務(wù)，隨著位置的變化可以使應(yīng)用程序周期性地獲取設(shè)備位置數(shù)據(jù)的更新，具體方法是為L(zhǎng)ocationManager添加一個(gè)LocationListener監(jiān)聽器，用來(lái)判斷GPS坐標(biāo)的改變，一旦坐標(biāo)改變則調(diào)用OnLocationChanged()方法動(dòng)態(tài)且實(shí)時(shí)取得當(dāng)前的Location對(duì)象，在這個(gè)對(duì)象中包含了經(jīng)緯度坐標(biāo)值。

2.4.2 在谷歌電子地圖上自制疊加地圖數(shù)據(jù)

Android系統(tǒng)剛剛起步時(shí)，Google就看到了其巨大應(yīng)用潛力的位置服務(wù)，并將Google地圖的成功經(jīng)驗(yàn)帶入Android系統(tǒng)中。在開發(fā)中通過申請(qǐng)獲取Google Map API Key把Google Map服務(wù)整合到Android平臺(tái)下。在基于Google Map的導(dǎo)航應(yīng)用中，提供了駕車、公交、步行三種模式(不包含盲人導(dǎo)航模式)，即便是最精細(xì)的步行地圖模式對(duì)于小區(qū)域(如某小區(qū)或校園)的數(shù)據(jù)也是很不完善的，鑒于本模式開發(fā)利用的是小區(qū)域地圖數(shù)據(jù)供系統(tǒng)測(cè)試，考慮到地圖表達(dá)的正確性和準(zhǔn)確性，自制地圖數(shù)據(jù)疊加到Google Map上，以點(diǎn)、線以及實(shí)心圓等簡(jiǎn)單的圖形式顯示。