（光学工程专业论文）多功能导盲装置的若干问题研究.pdf

摘要 1 1 1 1 1 111i ii 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1iii y 18 3 3 8 9 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 邱函函 冲同期：叫6 年。钿仓碉 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑卅i 大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：邱f 1 1 日期：v ，口年p 厶。2 摘要 摘要 如何安全出行，是盲人生活中最大的问题。现实中盲人在行走中要借助盲 杖、导盲犬或者导盲设备等帮助。为了帮助盲人达到完全无障碍化出行，所丌 发的导盲装置必须要能准确识别障碍物、红绿灯、盲道、斑马线及具备定位能 力。本文在分析以上各个环节研究现状的基础上，对红绿灯、基本定位、盲道 及斑马线识别做了进一步研究。本论文的研究主要分以下三个方面： 一、红绿灯及道路信息识别的研究。应用编码芯片p t 2 2 6 2 的地址引脚的不 同编码来表征不同的路口位置信息以及红绿灯状态。并将不同的编码以3 1 5 m h z 的高频电磁波发射出去，通过软件解码来识别红绿灯及道路信息。红绿灯及道 路信息识别模块共分两个部分：红绿灯电路模块将路口编号信息和当前红绿灯 状态信息组合在一起，由编码芯片p t 2 2 6 2 的地址引脚a 0 一a 1 l 设置不同接法( 接 地、悬空、高电平) 存储；手持设备利用单片机将编码信号用软件解码后，驱 动语音芯片，发出相应提示信息。该系统具有设计简单，成本低且容易实施等 特点，实验验证可行。 二、盲道识别。论述一种基于图像分割的分类盲道识别算法，借鉴该方法 中对于盲道方向判定的思想，研究不同形式盲道的共同特性，设计一种基于盲 道内部基元的快速识别算法。工作原理是利用不同盲道内部凸起部分的形状一 致性来识别盲道，在提取出由盲道内部长条凸起部分所形成的一组平行线基础 上，计算出各对平行线之间的距离，如果满足盲道内部凸起纹理之间的距离范 围，则认为视频范围中存在盲道，计算出其在视频采集坐标中的斜率，以此来 判断盲道的方向。这种方法对于有小的杂质覆盖的盲道也有很好的识别特性。 三、斑马线识别。本文对斑马线图像的处理过程为：预处理、边缘查找、 直线查找。通过图像处理后最终查找到的直线应该是多条接近平行的直线( 因为 拍摄方向不是直上直下，所以斑马线条纹会有轻微的弧度) ，利用最小误差法来 计算这些直线的平均斜率，并根据这个斜率来调整前进的方向。 关键词：红绿灯识别盲道识别斑马线识别导盲装置 1 1 i a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb i g g e s tp r o b l e mo ft h eb l i n di sh o wt ot r a v e ls a f e i nr e a l i t y ，t h eb l i n d p e o p l en e e ds o m ee q u i p m e n tt oh e l ph i m s e l v e sw a l k ，s u c ha st h eb l i n dr o d ，g u i d e d 0 黟，b l i n dm a d t h ed e v e l o p m e n to fg u i d i n ge q u i p m e n tm u s tb ea b l et oa c c u r a t e l y i d e n t i f yo b s t a c l e s ，t r a f f i cl i g h t s ，b l i n dr o a d ，z e b r ac r o s s i n ga n dp o s i t i o n i n gc a p a b i l i t y b a s e do nt h ea n a l y s i so v e rt h ec u r r e n ts t u d y , t h i sp a p e rd o e sf u r t h e rr e s e a r c hi nt h e b a s i cp o s i t i o na n dt h ei d e n t i f i c a t i o no ft r a f f i cl i g h t s ，b l i n dw a ya n dz e b r ac r o s s i n g t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i si sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e ea r e a s f i r s t ，t r a f f i cl i g h t sa n dr o a di n f o r m a t i o ni d e n t i f i c a t i o n t h i sp a p e ra p p l yc o d e c h i pp t 2 2 6 2a d d r e s sp i n t oc h a r a c t e r i z et h ed i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dt r a f f i cl i g h t s s t a t e a n dd i f f e r e n t c o d i n gt oh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v ef r e q u e n c y 315 m h zt r a n s m i t t e do u tt h r o u g ht h es o f t w a r ed e c o d i n gt oi d e n t i f yt h et r a f f i cl i g h t s a n dr o a di n f o r m a t i o n c o d e d s i g n a l i sl a u n c h e d b y t h e h i g h - f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cw a v e so f3 15 m h z t h e n ，t h r o u g ht h es o f t w a r ed e c o d i n gt oi d e n t i f y t h et r a f f i cl i g h t sa n dr o a di n f o r m a t i o n t h ea s p e c t si ni d e n t i f i c a t i o no ft h et r a f f i cl i g h t s i sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h et r a f f i cl i g h t sc i r c u i tm o d u l ec o m b i n e dt h ej u n c t i o ni d i n f o r m a t i o nw i t hc u r r e n ts t a t u so ft h et r a f f i cl i g h ti n f o r m a t i o n ，s t o r e db yd i f f e r e n t c o n n e r c t i o n so fa d d r e s s p i n s f o rp t 2 2 6 2e n c o d e r ；h a n d h e l de q u i p m e n tu s e e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ru n i t e dt od r i v et h ev o i c ec h i ps i g n a lb ys o f t w a r ed e c o d e r , t h e ni ts e n tt h ec o r r e s p o n d i n gm e s s a g e t h es y s t e mh a sd e s i g n e dt ob es i m p l e ，l o w c o s ta n de a s yt oi m p l e m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nf e a s i b l e s e c o n d ，b l i n di d e n t i f i c a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sa na l g o r i t h m so fb l i n dw a y i d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hb a s e do i li m a g es e g m e n t a t i o n i ti sw o r t h yo fl e a r n i n gf r o mt h e d e t e r m i n a t i o no ft h eb l i n dw a y sd i r e c t i o n b ys t u d y i n gt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb l i n dw a y sd i f f e r e n tf o r m s ，t h ep a p e rd e s i g naf a s tr e c o g n i t i o na l g o r i t h mb a s e d o ni n t e r n a lm i n dp r i m i t i v e s w o r k i n gp r i n c i p l ei st ou s ec o n s i s t e n c yi nt h es h a p eo f l i a b s t r a c t t h eb u l g ei n s i d eb l i n dt oi d e n t i f yt h eb l i n dr o a d f i r s t ，w ee x t r a c tas e to fp a r a l l e l l i n e s ，w h i c hf o r m e db ys t r i pb u m p si n s i d eb l i n d ，t h e n ，c a l c u l a t et h ed i s t a n c eb e t w e e n t h ep a r a l l e ll i n e i ft h ed i s t a n c ei sa p p r o p r i a t e ，w eb e l i e v et h a tt h et h eb l i n dw a yi nt h e s c o p eo fv i d e o c a l c u l a t i n gt h es l o p eo f t h i ss e to f p a r a l l e ll i n e s i nt h ev i d e oc a p t u r e c o o r d i n a t e s ，w ed e t e r m i n et h ed i r e c t i o no fb l i n dw a y t h i sa p p r o a c hh a sv e r yg o o d i d e n t i f i c a t i o np r o p e r t i e sf o rb l i n dw a yc o v e r e ds m a l ls h e l t e r t h i r d ，t h ez e b r ac r o s s i n gi d e n t i f i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ez e b r ai m a g e p r o c e s s i n gi sp r e p r o c e s s i n g ，e d g el o o k ，l i n es e a r c h e v e n t u a l l yf i n dm o r et h a na s t r a i g h tl i n es h o u l db ec l o s et oas t r a i g h tl i n ep a r a l l e l ( b e c a u s es h o o t i n ga n g l ew a sn o t p e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n ，s ot h e r ew i l lb eas l i g h tc u r v a t u r eo fz e b r as t r i p e s ) b a s e do n t h em i n i m u me r r o rm e t h o dt oc a l c u l a t et h ea v e r a g es l o p eo ft h e s es t r a i g h tl i n e s ，w e a d j u s tt h ew a y f o r w a r da c c o r d i n gt ot h es l o p e k e y w o r d s ：i d e n t i f i c a t i o no ft r a f f i cl i g h t s ；i d e n t i f i c a t i o no fb l i n dw a y ；c r o s s i n g i d e n t i f i c a t i o n ；g u i d i n ge q u i p m e n t 1 i i 日录 目录 1 绪论1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文的主要内容4 2 红绿灯及道路信息识别研究5 2 1 交叉路口红绿灯识别背景及现状5 2 2 红绿灯及道路信息识别系统工作原理6 2 3 红绿灯及道路信息识别系统硬件设计7 2 3 1 编解码芯片p t 2 2 6 2 2 2 7 2 7 2 3 2 红绿灯状态及道路信息电路8 2 3 3 手持设备解码电路1 0 2 4 红绿灯及道路信息识别系统软件设计1 1 2 4 1 方向识别1 1 2 4 2 解码原理1 2 2 4 3 系统软件设计1 3 2 5 系统实验验证结果1 3 2 6 结论与展望1 4 3 盲道识别研究1 6 3 1 盲道识别背景及现状1 6 3 2 基于图像分割的分类盲道识别算法1 6 3 2 1 有颜色差异的盲道的处理1 7 3 2 2 利用纹理差异识别盲道1 8 3 2 3 基于盲道内部的几何特征检测1 8 i l 日录 3 3 基于盲道内部基元的快速识别算法1 9 3 3 1 盲道的现状2 0 3 3 2 基于盲道内部基元的盲道识别思想2 3 3 3 3 彩色盲道图片处理2 4 3 3 4 图像预处理。2 5 3 3 4 1 空间均值滤波2 6 3 3 4 2 统计排序滤波2 7 3 3 4 3 基于灰度图像下的形态学腐蚀操作2 7 3 3 5 边缘检测2 8 3 3 6 直线查找3 1 3 3 6 1 基于f r e e m a n 链码的直线检测3 2 3 3 6 2 霍夫变换检测直线3 2 3 3 6 3 直线检测算法比较与选择3 5 3 3 7 盲道处理结果分析3 5 3 3 7 1 无干扰盲道图片处理3 5 3 3 7 2 存在外界干扰的盲道图片处理3 6 3 3 7 3 结果分析3 8 4 道路斑马线识别研究3 9 4 1 斑马线识别背景及现状3 9 4 2 基于双极系数的斑马线识别3 9 4 3 道路斑马线的识别4 2 5 结论与展望4 5 5 1 系统工作流程4 5 5 2 总结4 6 5 3 展望4 6 参考文献4 8 i i i 作者简介 致谢5 2 i v l 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 据世界卫生组织统计，全世界有4 千多万盲人，并且有1 1 亿人j 下处于失 明的危险当中。而这其中中国盲人总数为9 5 0 万人，占整个世界盲人数的2 0 “。 在平常的生活中，我们9 成以上的信息是通过视觉获得的，所以，盲人在工作、 生活、社交等方面面临着巨大的困难。而如何安全出行，是盲人生活中最大的 问题。 盲人在行走中要借助第三方的帮助，其中包括盲杖、导盲犬、盲道、导盲 设备等。普通的盲杖只能探测到距离身体0 5 米左右的的障碍物，其缺点是不 能发现较远一点的障碍物以及空中突出的障碍物，盲人很容易因此碰到障碍物， 最终搞的头破血流。导盲犬和盲人沟通更加主动，尤其是对熟悉的地方有一个 自己主动引导的判断，但导盲犬训练严格且成本极高，现在只有2 5 万只导盲 犬在为全世界6 0 多个国家和地区残障人士服务，就是在这仅有的2 5 万只导盲 犬中，分布也是极不平衡，其中美国就占了一万只，而中国占得数量仅为个位 数。我国有关方面己认识到导盲犬的重要性，大连导盲犬培训基地的成立便是 明证。但导盲犬一方面成本高，另一方面数量少，满足不了盲人的需求：并且 在现有的城市交通法规中，不允许带宠物上路或乘坐公交，都限制了导盲犬的 功能最大化；而犬类天生就是红绿色盲，需要依靠耳朵判断车流量的大小，来 判断穿过马路的时机，在带领盲人过马路时就有一定的危险性。目前许多国家 为盲人配备了盲道和语音提示装置等导盲设施，但可以提供的信息极为有限。 并且现在国内的盲道设施建设和标准盲道有很大出入，部分地方做的是面予工 程，盲道被用来做一种装饰，还有部分在盲道上面就存在障碍物或者下水井盖 等，而在和盲人的交谈中也得知，他们一方面不知道哪里有盲道，另一方面是不 知道怎样使用盲道，可以说现在国内的盲道利用率是非常的低。而将这些不合 格的盲道全部重建，耗费巨大，不现实。所以，怎样更好的利用已建设的导盲 装置很有必要。针对盲人出行所面临的困难，世界各地都在努力研究各种各样 l 绪论 的导盲系统，这其中已经开发成功的无线电导盲系统、导盲电子眼镜、卫星导 盲、超声波导盲、红绿灯识别系统等等各式各样的导盲系统和装置。 这些系统或装置仅仅是针对一个小的区域或盲人出行面临的困难中的一 种或少数几种障碍给出的解决办法。都没有在整体上对盲人出行提供全面的帮 助。开发出一种能准确识别道路交通标志( 盲道、斑马线等) 及具备定位能力的 导盲设备对于盲人的出行尤为重要。 1 2 国内外研究现状 要帮助盲人顺利出行，所研制的导盲设备或系统要具备一下两方面作用： 第一、准确识别道路中的障碍物、盲道、斑马线及红绿灯；第二、帮助盲人准 确判定自己的具体位置。国内外对以上两个方面也做了大量的研究。 在定位方面，韩国和日本等都在无线电导盲系统上有所研究瞳1 。同本铁道 综合技术研究所研制成功一种利用无线电波为盲人提供电车车站所在地等信息 的导盲系统。该系统要预先在车站的行人可能到达的地方埋入记录有位置、方 向等简单信息的线圈和集成电路组成的圆盘型装置。以汉城国民大学林在风教 授为首的一个研究小组也成功开发出一个为盲人识别位置的无线电导盲系统。 在这个系统中，有视觉障碍的人，不论走到什么地方，当他们用手机发出信号 时，建设安装在附近建筑物撒谎那个的定点机接收到之后，会向用户手机发回各 自的位置信息。这种定点机的安装半径是5 0 m 。类似的美国还有利用卫星导盲设 计的系统。但是这仅仅是给盲人有一个简单的定位，并不能够单独使用，需要 另外的导盲设备配合使用，例如借助导盲犬可以进一步扩大它的适用范围，但 是一方面建立一个这种系统较昂贵，另一方面导盲犬也极少。 在障碍物识别方面，如比利时的盲人电子眼镜，日本研制的导盲电子狗等 大都是利用超声波测距，还有一部分利用红外测距等来检测障碍物口m 1 ，最新的 还有利用回声定位的检测障碍物装置。在障碍物检测一直研究的较多，也比较 成熟，但其也只能作为导盲设备的一部分，起一个辅助作用。 在红绿灯识别方面，一方面部分城市十字路口增加了语音提示装置，但简 2 l 绪论 单的路口语音提示，信息量小，在路口很容易被噪声淹没。另一方面也有人利 用低频电磁波的发射和接收来识别红绿灯陌1 ，但低频电磁波传播过程中容易衰 减，存在一个有效接收范围，且相邻路口的信号容易相互干扰。在这一方面， 研究的较少，也一直没有一个有效的方法。 在盲道识别方面，如果按照标准的盲道来建设，再加上对盲人的有效引导， 本身其自身就可以有一定的识别率，但是盲道建设的不规范性使这种可能几乎 降低为零。有部分人提出一种传感式盲道及盲杖，其原理是在盲道表面涂上红 色或黄色包含磁性材料的颜料，通过盲杖底部的磁性传感器检测盲道。这种方 法一是耗费大，其次是颜色随着风吹日晒及使用，容易被磨损。当然，直接将 磁粉加入盲道中无疑是避免损害的有效方法，但需要重建现有的所有盲道，这 几乎是不可能的。要帮助盲人识别盲道，但鉴于成本问题，又不能对盲道重建， 所以对现有盲道的准确识别对盲人出行尤为重要。国内上海交大针对不同的盲 道，利用不同的分割方法，将盲道分为盲道区域和人行道区域，然后进行边缘 查找，在边缘查找的基础上进行霍夫变化，查找盲道的两条平行边界，根据检 测结果判定盲道位置和方向儿7 1 。但是部分人行道也具有颜色差异，在这种情况 下，也容易对这种人行道分割后误识别为盲道。 在斑马线识别方面，由于斑马线是由一条条平行的白色长条覆盖在马路上， 其本身在色彩上和马路的背景有很大的区别，国内外大多数研究都是利用图像 处理的方式来识别斑马线。s t e p h e n 提出一种利用消逝点方法来识别道路中的斑 马线；m o h a m m a d 等试图通过分析斑马线的间隔、方向以及斑马线的条数等数据 来判断识别斑马线呻1 。此外运用神经网络识别交通标志的研究也在进行当中四1 。 对于斑马线和道路，其灰度图像对比度应该是非常明显，利用这个特性国内研 究了一种基于图像的双极系数来识别斑马线区域的方法。以上方法都是用来确 定图像中是否有斑马线以及斑马线的方向，但盲人如何行进至斑马线，仍未解 决。 以上介绍了在不同方面，为了帮助盲人，国内外所做的研究。怎样在前人 3 i 绪论 研究的基础上，将以上各个坏节联系起来，并对研究较少的一些环节做进一步 研究很有必要。 1 3 论文的主要内容 如何识别障碍物的研究已经做过很多且较成熟，本文不再赘述。对于导盲 系统中研究较少或不完善的部分：红绿灯、盲道、斑马线识别以及基本定位系 统，本文做了系统的研究。本文主要内容如下： 第一章绪论。概述了导盲设备的研究背景和意义、国内外研究现状和论文 主要内容。 第二章红绿灯及道路信息识别研究。简述了交叉路口红绿灯识别和基本定 位系统研究的现状，提出一种利用编码芯片p t 2 2 6 2 软件解码的交叉路口红绿灯 和道路信息识别方法，详细介绍了系统的硬件和软件设计。 第三章盲道识别研究。简述了盲道识别的背景和意义，论述一种基于图像 分割的分类盲道识别算法，借鉴该方法中对于盲道方向判定的思想，研究不同 形式盲道的共同特性，设计一种基于盲道内部基元的快速识别算法。这种方法 对于有异物部分遮盖的盲道也有很好的识别特性。 第四章道路斑马线识别研究。简述了斑马线识别的背景和意义，简介一种 盲道识别的算法。本文对斑马线图像的处理过程为：预处理、边缘查找、直线 查找。通过图像处理后最终查找到的直线应该是多条接近平行的直线( 因为拍摄 方向不是直上直下，所以斑马线条纹会有轻微的弧度) ，利用最小误差法来计算 这些直线的平均斜率，并根据这个斜率来调整前进的方向。 第五章结论与展望。总结了本文所做的工作和研究，展望了本系统的应用 前景。 4 2 红绿灯及道路信息识别研究 2 红绿灯及道路信息识别研究 2 1 交叉路口红绿灯识别背景及现状 一些城市已经在十字路口设立了语音提示装置，但是这种提示方法涵盖信 息量少又易于被噪声淹没，并且现有的十字路口语音提示装置分布有限，所以 研究红绿灯的自动识别就十分有意义。已设计的交叉路口红绿灯识别系统的方 法有基于图像处理的识别和基于低频电磁波的识别等方法。基于图像处理的汽 车用红绿灯识别系统，由微型摄像头、图像识别器、驱动电路、语音芯片、扬 声器组成，摄像头将拍到的红绿灯图像传输到图像识别器，利用图像处理从而 判断出红绿灯的状态。这种方法对于司机是一个帮助，但对于帮助盲人识别红 绿灯路口就有一定的局限性。一方面其抗干扰性不强，容易受雾，光线等的影 响，其次盲人本身不容易找准红绿灯的方向供摄像头拍摄。具有红绿灯识别功 能的手机及日本研制的红绿灯电子眼都属于此类。 有人利用在一定范围内发射接收低频语音信号的技术设计交叉路口电子 导盲系统，这种方法不受光线和拍摄方向影响。该系统的设计分为发射和接收 两个模块。发射部分采用两个语音芯片，分别存储“绿灯，可以通行! ”和“红 灯，禁止通行! 的语音提示信号。利用绿灯的亮灭控制继电器，选择语音芯 片，并把相应的语音提示信号传输给功率放大器进行放大，再发送到线圈上发 射。接收部分也利用线圈感应发射的语音信号，经运放放大之后驱动扬声器， 这样就可以为盲人过马路进行语音提示。这种方法设计简单，成本较低，但由 于低频电磁波在传播过程中容易衰减，因此，接收部分存在一个有效接收范围， 且实施过程中应严格考虑相邻线圈之间的干扰，否则将造成严重后果。虽然这 种方法有很多问题，但是利用电磁波传递红绿灯信息的思想对本设计也有启发 作用。 为了帮助盲人准确确定自己的位置，国内外做了很多研究，除了第一章中 介绍的无线电导盲系统和卫星定位系统之外，s m i t h - k e t t l e w e l l 协会发明的“语 音标识系统”n 引，利用固定的发射装置将信号调制在红外波上发射出去，接收 5 2 红绿灯及道路信息识别研究 模块接收并解调信息，发出语音提示。还有一种射频技术的定位装置：射频卡 安装在盲人的手杖上，盲人靠近语音提示装置时，装置上的读卡器收到射频信 号后触发i c ，i c 输出相应的语音信息，告诉盲人现在所处的位置及其它所需要 的信息。实质上这是一种触发式语音提示装置，和直接语音提示装置相比仅仅 多了人为控制语音输出的环节。一方面没有利用射频卡能包含不同的信息的特 点，另一方面，没有解决本身的语音提示的一些缺点，同时在每一个语音提示 装置附近都要安装一个读卡器，成本较高。 综上所述，如果一方面语音信号中能够包括位置信息，另一方面也能将交 叉路口红绿灯信息体现出来，有利于简化设计。本文应用编码芯片p t 2 2 6 2 的地 址引脚的不同编码来表征不同的路口位置信息以及红绿灯状态，并将不同的编 码以高频3 1 5 m h z 的高频电磁波发射出去，通过软件解码来识别红绿灯及道路信 息。虽然是利用电磁波传递信号，由于是手持设备先发信号，只让前进方向的 红绿灯电路发射信号，很好的解决了相邻路口的串扰问题，另外，利用p t 2 2 6 2 的不同编码方式，其信号所发射的波形不同n ，利用这一点可以对不同的区域 给p t 2 2 6 2 的编码引脚设置不同的编码，以此来确定具体位置，并且将事先下载 在语音芯片中的位置信息调出来播放，从而实现基本定位。 2 2 红绿灯及道路信息识别系统工作原理 该系统的设计分为红绿灯电路模块和手持设备两部分，系统工作原理如图： l 平持设蔷发射硒颧编斟铸鼍 i 方向编斟信息 圜一一圈 图2 1 系统工作原理 f i g 2 1s y s t e mp r o c e s s 当盲人通过盲道的标志确定走到路口时，开启手持设备，手持设备通过方 向识别模块检测到前进方位信息，然后通过编码器发射包含方位信息在内的高 6 2 红绿灯及道路信息识别研究 频编码信号，这时对应路口的红绿灯电路通过解码器将接收模块接收到的高频 信号解码后，输出一个负脉冲，触发红绿灯电路路口信息发射模块工作，发射 一个高频信号，此信号经手持设备中的接收模块接收后由单片机解码，然后调 出语音芯片中相应的语音，告诉使用者前进方向红绿灯信息和此路口的一些诸 如“您现在是向东走，前方1 5 0 m 是x x 医院，左手边5 0 m 有卫生间 等盲人关 心的信息。 2 3 红绿灯及道路信息识别系统硬件设计 硬件电路分为两个部分：红绿灯状态及道路信息电路和手持设备解码电路。 在本设计中主要是利用编码芯片p t 2 2 6 2 的地址引脚的不同编码来存储红绿灯状 态及道路信息，接下来介绍一下有关编解码芯片p t 2 2 6 2 2 2 7 2 的相关内容。一 2 3 1 编解码芯片p t 2 2 6 2 2 2 7 2 p ，r 2 2 6 2 p t 2 2 7 2 是台湾普城公司生产的一种c m o s 工艺制造的低功耗低价位 通用编解码电路，p t 2 2 6 2 p t 2 2 7 2 最多可有1 2 位( a o a 1 1 ) 三态地址端管脚( 悬空， 接高电平，接低电平) ，任意组合可提供5 3 1 4 4 1 地址码口2 m 引。p t 2 2 6 2 2 2 7 2 特点 是：c m o s 工艺制造，低功耗，外部元器件少，r c 振荡电阻，工作电压范围宽： 2 6 - 一1 5 v ，数据最多可达6 位，地址码最多可达5 3 1 4 4 1 种。应用范围：车辆 防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控。 p t 2 2 6 2 最多可有6 位( d o - d 5 ) 数据端管脚，设定的地址码和数据码从1 7 脚串 行输出，可用于无线遥控发射电路。p t 2 2 6 2 引脚图如下： p t 2 2 6 2 i 协 舷 舡 勰 l a 4 坯 膨籀 繇i 淡 孙l 7 蚀暑 融l l 舔c l 潮 谨 l l 翩 量l o 伪l 9 ，鼹 蠲魄络 2 红绿灯及道路信息识别研究 图2 2p t 2 2 6 2 引脚图 f i g 2 2p t 2 2 6 2p i nm a p 编码芯片p t 2 2 6 2 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完 整的码字。当1 4 脚使能端未触发时，p t 2 2 6 2 不接通电源，其1 7 脚为低电平， 信号不发射；当1 4 脚使能端触发时，p t 2 2 6 2 得电工作，其第1 7 脚输出经调制 的串行数据信号。 在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振 荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。在具体的应用中，外接 振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越 大，发码一帧的时间越长。本文中所用的震荡电阻对为2 2 6 2 4 7 m = 2 2 7 2 8 2 0 k ， 此时信号的发射频率为3 1 5 m h z 。 解码芯片p t 2 2 7 2 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，v t 脚才输 出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。p t 2 2 7 2 解码电路引脚图： i 蛹 度主 舷 鼹 秘 酗 熊 翩燃 辩，戳 孙蠢 p t 2 2 7 2 魄o v t 磁泛l 潲 dih 走1 1 月垮 焘1 0 阳l 霸腿 糍矿泌 图2 3p t 2 2 7 2 引脚图 f i g 2 3p t 2 2 7 2p i nm a p a 0 一a 1 l 地址管脚，用于进行地址编码，可置为高、低、悬空三种状态，必须与 编码芯片p t 2 2 6 2 一致，否则不解码。d 0 一d 5 为地址或数据管脚，当做为数据管脚 时，只有在地址码与2 2 6 2 一致，数据管脚才能输出与2 2 6 2 数据端对应的高电平； 否则输出为低电平，锁存型只有在接收到下一数据才能转换。 2 3 2 红绿灯状态及道路信息电路 2 红绿灯及道路信息识别研究 红绿灯电路部分分为两个部分，一个是方位信息接收电路( 如图2 4 ) ， p 1 2 2 6 2 2 2 7 2 最多可有1 2 位( a o a 1 1 ) 三态地址端管脚( 悬空，接高电平，接低电 平) ，任意组合可提供5 3 1 4 4 1 地址码，p t 2 2 6 2 最多可有6 位( d o - d 5 ) 数据端管脚， 设定的地址码和数据码从1 7 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。此电路解 码器p t 2 2 7 2 通过收发模块接收到手持设备中p t 2 2 6 2 发射过来的带方向信号的 信息，若地址匹配( 既方向相同) ，则解码，解码有效确认端( 常低) 1 7 脚解 码有效变成高电平( 瞬态) 。加一个反相器后输出一个低脉冲，触发红绿灯电 路中路口信息发射电路工作。 = _ 图2 4 红绿灯方位信息接收电路 f i g 2 4d i r e c t i o ni n f o r m a t i o nr e c e i v i n gc i r c u i to ft h et r a f f i c1 i g h t s 另一个是路口信息发射电路( 如图2 5 ) ，编码芯片p t 2 2 6 2 的编码启动端1 4 脚接收到方位信息接收电路发送过来的低电平信号后开始工作，红绿灯线通过 三极管改变地址脚a 0 的电平，剩下的a 1 到a l l 十一条地址线根据路口的地址 相应位接高低电平或悬空，总共可以识别1 7 7 1 4 7 个路口信息，这样发射出去的 信号就包括了地址和路口信息。 9 2 红绿灯及道路信息识别研究 按 图2 5 路口信息发射电路 f i g 2 5j u n c t i o ni n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e r 2 - 3 3 手持设备解码电路 手持设备主要由方向识别模块，无线收发模块，编码器，单片机以及语音 芯片，按键等组成。系统框图如图2 6 ：在十字路口使用时，方向识别模块 z c c 2 1 0 n 一2 3 2 将方向信息通过串行口传递给单片机8 9 s 5 1 n 钔n 射，单片机将包含方 位信息的信号通过编码器p t 2 2 6 2 发射出去，然后等待相应方向上的红绿灯系统 发射信号，接收到信号后，单片机利用软件解码，把数据通过串行口传给语音 芯片w t m - s d ，调出相应的语音信息，告诉行人红绿灯信息和附近位置信息。语音 芯片w t m s d 可以存储十万段语音，对于本系统完全适用。 l o 图2 6 手持设备电路 f i g 2 6h a n d h e l dd e v i c ec i r c u i t 2 4 红绿灯及道路信息识别系统软件设计 2 4 1 方向识别 把道路方向分为东西南北四个方向，对于道路不是正东、正西、j 下南、正 北的，本文按图2 7 划分，即北偏东或北偏西3 0 度以内的都作为正北方向对待， 依次类推，对于不在本文划分范围的东西南北方向的道路，可以在道路上加上 特殊箭头( 或将盲道砖铺设方向在路口稍微变化) ，指向所规定的东西南北方位 范围内，确定此路口前方方位，使用者只需将手持设备方向对准箭头方向或盲 人按照盲道指示方向将手持设备对准前方，就可以收到正确的信号。 r 1 堂f 黜 爹j 一黔蕊一 乙 硎 g 二7 。 咝。麓 o 矽 鞣l 墨 i 一1 ； 。? 。f 一 2 红绿灯及道路信息识别研究 图2 7 方位划分 f i g 2 7p o s i t i o nd i v i d e d 2 4 2 解码原理 p t 2 2 6 2 和p t 2 2 7 2 各有1 2 个地址引脚，6 个数据端，但p t 2 2 7 2 的解码只有4 - 6 位，这就限制了数据传输的应用。在此从p t 2 2 6 2 接收的信号特征入手，利用单 片机直接对接收到的信号进行解码，解释出p t 2 2 6 2 发出的全部1 2 位数据，编 码芯片p t 2 2 6 2 编码信号是由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，最 多可以有1 2 位( h o a 1 1 ) 三态地址端引脚( 悬空，高电平，低电平) ，任意组 合可提供5 3 1 4 4 1 段地址码，从1 7 脚输出到射频发射模块的数据输入端发射出 去。因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误 码，所以程序丢弃处理，我们将p t 2 2 6 2 的引脚d l ，d 3 拉高，d 2 ，d 4 拉低，截取 一段接收模块信号输出波形如图六：一组字码有1 2 位a d 码，每个a d 位是 由2 个脉冲表示：2 个窄脉冲则表示“0 ；2 个宽脉冲表示“1 ；1 个窄脉冲和 1 个宽脉冲表示“f 即地址码“悬空 ；除此之外，每组字码之间还有1 个同步 码隔开，所以每组字码共计有2 5 个宽度不同的脉冲。 图2 8p t 2 2 6 2 编码波形 f i g 2 8t h ew a v e f o r mo ft h ec o d i n g 图2 8 为实验测得的p t 2 2 6 2 编码波形，其窄脉冲宽为4 5 0l zs ，宽脉冲宽为1 3 5 0 l as ，两个窄脉冲之间宽1 3 5 0 l ls ，两个宽脉冲问宽4 5 0 l as ，在4 组字码中，每 组的字码间同步码宽度为1 4 4 0 0us 。因此，采用单片机软件解码时，只要判断 出起始码，并且识别其后面的字码脉冲宽度即可。p t 2 2 6 2 有三种编码：0 ，1 ， 和悬空( 表示为f ) ，其发送的码位如图2 9 所示： 1 2 2 红绿灯及道路信息识别研究 t 2 厂 厂 i 翌n 厂 i 图2 9p t 2 2 6 2 各码位图 f i g 2 9t h ec o d ed r a w i n go fp t 2 2 6 2 p t 2 2 6 2 每次发射时至少发射4 组字码，首先可以检测1 4 4 m s 宽度的同步 码头，有码头才开始进行编码解码，无码头则继续等待。当收到码头时，还要 检测是否已经收到过码头，若无，则丢弃第一次编码的信号，以防止误码。 从图2 9 可见，每一位码字都是有低电平到高电平，到低电平，再到高电 平，我们把接收模块j 0 4 v 的数据反向输出端3 脚接到单片机的中断0 输入端， 使码位的上升沿转化位下降沿，这样当我们用单片机解码时可以用查询中断的 方式及时截获编码。 软件解码方法是从第一个下降沿开始记时，不断的检测电平变化，一有电 平变化，立即记录电平宽度x 1 ，再继续计时直到出现第二个下降沿，记录两个 下降沿的间隔x 2 ，重复以上步骤，得到x 3 ，x 4 ，判断x l 、x 2 、x 3 、x 4 是否 在各自允许的误差之内，是则保存x 1 、x 3 ，译出一个码位，否则丢弃。连续正 确检测1 2 个码位，这种方法解码精度较高。 2 4 3 系统软件设计 单片机工作时先检测方向传感器传来的方向信息，将方向信息存入方向标 志单元，然后输出相应电平改变编码芯片的地址引脚并触发编码器工作，等待 红绿灯发射信号，信号解码，输出相应的语音信号。 2 5 系统实验验证结果 1 3 2 红绿灯及道路信息识别研究 系统已经实验验证，测试响应距离的实验分四组，分别沿东西南北四个方 向向交叉路口行进，在远离交叉路口不同的距离启动手持设备，不同方向分别 测量2 0 次，记录系统的响应及误判次数。实验结果如表1 所示，在测量次数均 为8 0 次的基础上，距离越远，响应率越低，但误判次数均为零，说明系统的识 别率为1 0 0 。在表l 中可见，当测量距离在7 0 m 以内时，响应率达到了9 7 5 以上，因此，可以认为响应距离为7 0 m 。 表l 响应距离测试实验结果 t a b l e l e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h et e s to fr e s p o n s ed