基于FPGA技術(shù)與超聲波測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)

引 言

隨著信息化和數(shù)字化的發(fā)展，現(xiàn)在社會(huì)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(huì)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(duì)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(jì)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(shí)，會(huì)引導(dǎo)主人停下以免發(fā)生危險(xiǎn)。但是，導(dǎo)盲犬的培訓(xùn)過程長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月，綜合費(fèi)用達(dá)2.5～3萬美元，如此昂貴的價(jià)格不是普通用戶能承擔(dān)的，所以這里設(shè)計(jì)一個(gè)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(cè)、識(shí)別與定位，其中包括移動(dòng)的物體與靜止的物體識(shí)別；測(cè)定障礙物的速度與距離；對(duì)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(cè)出熟悉的地點(diǎn)，方便盲人了解情況，并同時(shí)也以此為信息主動(dòng)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(dòng)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(duì)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(shí)可以發(fā)送圖片，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的安全性。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、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(cè)速測(cè)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(duì)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(shí)，又可通過運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)“導(dǎo)盲犬”進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。存儲(chǔ)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(jì)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要功能模塊有：

攝像頭監(jiān)測(cè)及智能識(shí)別模塊，超聲波測(cè)速與測(cè)距模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊，NiosⅡ處理器模塊，語音播報(bào)模塊，通信與定位模塊，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(jì)基于NiosⅡ硬件平臺(tái)，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(cè)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(gè)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(jì)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(duì)圖像檢測(cè)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(shí)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(shí)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(shì)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)?；跇?biāo)準(zhǔn)處理器的方案會(huì)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(duì)是對(duì)被檢測(cè)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(duì)，并找出最佳的匹配對(duì)象。所以，環(huán)境的描述決定了環(huán)境識(shí)別的具體方法與性能。該應(yīng)用的核心是“圖形識(shí)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(hào)A／D轉(zhuǎn)換，PFGA控制模塊，邏輯控制模塊，存儲(chǔ)模塊等組成。系統(tǒng)采集圖像的命令由計(jì)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(hào)采集一幀圖像，利用寫信號(hào)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SRAM1中。經(jīng)過邊緣檢測(cè)處理后存儲(chǔ)到SRAM2中，將圖像信息讀出傳送給FPGA至處理。對(duì)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(duì)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(shí)別的目的。

2.3 超聲波測(cè)距模塊

利用超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)多障礙物的定位及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的跟蹤，可以精確地測(cè)出物體距離盲人的距離、物體相對(duì)于盲人的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度。由于超聲波測(cè)距誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)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(jì)中采用了帶溫度補(bǔ)償?shù)某暅y(cè)距，通過高精度的溫度傳感器實(shí)時(shí)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(shí)間的誤差則通過NiosⅡ來消除，NiosⅡ內(nèi)部具有高頻晶振信號(hào)，通過其內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)可以滿足超聲波測(cè)距的微秒級(jí)要求，能保證測(cè)距1 cm的誤差。

2.4 電機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)中用到的電機(jī)為直流電機(jī)，控制著導(dǎo)盲儀的運(yùn)動(dòng)，以及超聲波傳感器的循環(huán)掃描和攝像頭的動(dòng)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(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，由控制器輸出控制各個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲儀的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)及多個(gè)超聲波測(cè)量?jī)x的平面覆蓋式掃描，消除掃描中的死角。測(cè)速電路用于測(cè)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(dòng)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(chǔ)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(duì)GSM模塊的操作。通過簡(jiǎn)單的按鍵分配各個(gè)對(duì)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(jì)基于FPGA技術(shù)在Altera公司的DEl開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)中需要大量進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，波形處理，以及多個(gè)進(jìn)程的并行處理，對(duì)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(shí)豐富的IP盒可供直接使用，方便高效。在設(shè)計(jì)構(gòu)架過程中，需要將Avalon總線上各個(gè)IP的時(shí)序進(jìn)行綜合，方便FPGA處理器進(jìn)行處理，避免錯(cuò)誤和損失。同時(shí)，如何提高導(dǎo)盲系統(tǒng)的魯棒性也是一個(gè)值得解決的有意義的工作。 (房 鑫 山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院)