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，基于此設計了智能導盲犬,。生活中,，導盲犬習慣于頸圈、導盲牽引帶和其他配件的約束,；懂得“來”,、“前進”、“停止”等口令,；可以帶領盲人安全地走路,，當遇到障礙和需要拐彎時，會引導主人停下以免發(fā)生危險,。但是,，導盲犬的培訓過程長達18個月，綜合費用達2.5～3萬美元,，如此昂貴的價格不是普通用戶能承擔的,，所以這里設計一個智能導盲犬，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)境標志進行環(huán)境辨認，檢測出熟悉的地點,，方便盲人了解情況,，并同時也以此為信息主動控制導盲犬，實現(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,，實現(xiàn)進一步的安全性,。
1 設計結構
本設計系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、處理,、存儲,、反饋等子系統(tǒng)構架而成。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,，經決策處理系統(tǒng)對信息進行處理,，并進行多模塊輸出，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,，又可通過運動系統(tǒng)對“導盲犬”進行實時控制。存儲系統(tǒng)可以將采集和處理的環(huán)境信息進行存取,，方便查詢,。
1.1 系統(tǒng)的體系結構
圖1為系統(tǒng)的體系結構圖。
1.2 硬件設計結構
本設計主要功能模塊有：
攝像頭監(jiān)測及智能識別模塊,，超聲波測速與測距模塊,，電機驅動與控制模塊，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 軟件流程結構
軟件流程結構如圖3所示。
2 具體模塊
本設計基于NiosⅡ硬件平臺,，運用其強大的擴展及處理功能,，將數(shù)字圖像處理技術、超聲波測距定位技術,、智能控制技術協(xié)調的組合在一起,，構成一個既功能強大又非常人性化的“導盲犬”。以下為各模塊的設計特點及方法：
2.1 NiosⅡ處理器
NiosⅡ處理器運算速度快,，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調試器、實時操作 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行擴展,。在FPGA中使用軟核處理器也是其優(yōu)勢所在，硬核實現(xiàn)沒有靈活性,，通常無 法使用最新的技術,。基于標準處理器的方案會被淘汰,，而基于NiosⅡ處理器的方案是基于HDL源碼構建的，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求,。將處理器實現(xiàn)為 HDL的IP核,，開發(fā)者能夠完全定制CPU和外設，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)境圖像庫中進行目標搜索以及進行地點的確認,。實際上，將采樣到的環(huán)境圖像與庫存的圖像依次進行比對,， 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 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)與當前圖像數(shù)據(jù),，對數(shù)字信息進行分析,， 在合理誤差范圍之內，可確定特定的位置,，達到環(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現(xiàn)多障礙物的定位及運動狀態(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動方向及運動速度,。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,，故本設計中采用了帶溫度補償?shù)某?聲測距，通過高精度的溫度傳感器實時跟蹤外界溫度的變換,，能很好地補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 內部具有高頻晶振信號,，通過其內部計數(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 電機控制模塊
本設計中用到的電機為直流電機,，控制著導盲儀的運動,， 以及超聲波傳感器的循環(huán)掃描和攝像頭的動態(tài)攝取，運用工程整定方法,，通過試驗,，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定，由控制器輸出控制各個電機協(xié)調 運動,，可以實現(xiàn)導盲儀的自動運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盲小車的速度,，反饋電路輸出控制調速系統(tǒng)可控 制預先設定的速度,。
2.5 短信息發(fā)送功能
能夠將盲人遇到的情況的描述自動發(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命令實現(xiàn)對GSM模塊的操作,。通過簡單的按鍵分配各個對應的信息內容， 能夠使不同的信息通過短信息模塊發(fā)送,。
3 結 語
本設計基于FPGA技術在 Altera公司的DEl開發(fā)平臺進行開發(fā),，設計中需要大量進行實時圖像處理，波形處理,，以及多個進程的并行處理,，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。在設計構架過程中,，需要將Avalon總線上各個IP的 時序進行綜合,，方便FPGA處理器進行處理，避免錯誤和損失,。同時,，如何提高導盲系統(tǒng)的魯棒性也是一個值得解決的有意義的工作。