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

關鍵詞： 路徑誘導； Android API； 震動； 盲人

盲人作為社會上一類特殊群體，如何讓他們能夠更安全地獨立行走[1]，越來越受到世界各國學者的關注和重視。目前已經(jīng)研制了多種盲人輔助路徑誘導工具，特別是近年來越來越人性化的導盲系統(tǒng)的研發(fā),使盲人可以更好地享受數(shù)字生活。盲杖作為行動輔助工具被廣泛地采用，但由于行動上的諸多受限使得使用者面臨很大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在導盲市場上電子導盲設備類較為常見，通過聲音信號進行提示的盲人語音提示系統(tǒng)[2]，采用超聲波對障礙物、路面變化情況等進行探測。佛羅里達大學(University of Florida)Ran研制了適合室內(nèi)、室外的視障者行動導盲裝置[3]，由該設備測量系統(tǒng)探測障礙物的位置后, 通過語音提示盲人達到路徑誘導避障目的；日本山梨大學(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，能夠識別路標、交通信號燈等，并能引導盲人穿過馬路，遇到問題會與服務中心取得聯(lián)系。但這些器具不但使用不便,而且造價也相當昂貴，不適合普通消費者使用。陳美鑾等采用超聲測距、語音提示的方式設計了智能盲人導行儀[5]；賀菊方等將超聲波轉(zhuǎn)化為聲波的方式設計幫助盲人行走、識別障礙物的電子裝置[6]?；旧隙紝儆谡Z音導盲范疇,存在難以克服的弱點與不足。

隨著電子計算機技術的快速發(fā)展，各種新式的、更加人性化的導盲系統(tǒng)逐漸涌入導盲市場，寧志剛等設計的新型盲人導行識別系統(tǒng)[7]利用GPS(Global Positioning System)定位、超聲測距、圖像識別方法進行語音提示導盲；何婧等設計的聽覺引導助盲系統(tǒng)[8]；徐珠寶等基于Windows Mobile平臺下設計的盲人導航軟件系統(tǒng)[9]等。但這類產(chǎn)品也都是基于聲音達到路徑誘導功能的目的，當環(huán)境噪嘈雜中時，語音的功效可能會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技術，并為其對觸覺資源產(chǎn)生的影響進行了探索。為此，本文嘗試性地將震動技術結(jié)合GPS、GIS等技術運用到Android系統(tǒng)的智能手機平臺上,開發(fā)研制了一種盲人路徑誘導新模式，使其具有抗噪聲干擾、反饋及時和高有效性等優(yōu)點，彌補了語音導盲在特定環(huán)境下弱點和不足。在實現(xiàn)過程中可以與日益成熟的語音導盲集成使用，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)平臺與開發(fā)環(huán)境

1.1 Android平臺簡介

目前智能手機的主流操作系統(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)核的手機操作系統(tǒng)平臺，2008年9月T-Mobile正式發(fā)布了第一款Android智能手機T-Mobile G1[13]。Android與Symbian、iPhone相比具有如下顯著特點[14]：(1)真正開發(fā)；(2)應用程序相互平等；(3)應用程序之間溝通無界限。

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），因為Eclipse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。硬件平臺選擇運行Android操作系統(tǒng)和內(nèi)置GPS模塊的Google Legend智能手機,軟件開發(fā)語言使用Java。

2 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計目標及思路

本軟件系統(tǒng)的總體設計目標是給無法獲得視覺信息的盲人用戶，在行走時提供差異性震動而進行路徑誘導，使其高效、及時、準確地向正確的方向行走，具體設計如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)基本框架

在分析通用導航系統(tǒng)的結(jié)構框架基礎上，結(jié)合本系統(tǒng)軟件的預期實現(xiàn)目標，設計并初步實現(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、差異震動提示模塊和人機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：主程序運行后載入地圖，根據(jù)用戶輸入的起點、終點，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)點信息及讀取的GPS模塊提供的當前經(jīng)緯度信息，實時判斷是否偏離路徑或到達下一路口節(jié)點，震動模塊提供差異性震動進行路徑誘導，如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)核心模塊開發(fā)

在整個系統(tǒng)的設計與開發(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)、尋徑和差異震動提示模塊。下面將對其設計與實現(xiàn)進行詳細介紹。

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類的對象提供了位置服務，隨著位置的變化可以使應用程序周期性地獲取設備位置數(shù)據(jù)的更新，具體方法是為LocationManager添加一個LocationListener監(jiān)聽器，用來判斷GPS坐標的改變，一旦坐標改變則調(diào)用OnLocationChanged()方法動態(tài)且實時取得當前的Location對象，在這個對象中包含了經(jīng)緯度坐標值。

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，Google就看到了其巨大應用潛力的位置服務，并將Google地圖的成功經(jīng)驗帶入Android系統(tǒng)中。在開發(fā)中通過申請獲取Google Map API Key把Google Map服務整合到Android平臺下。在基于Google Map的導航應用中，提供了駕車、公交、步行三種模式(不包含盲人導航模式)，即便是最精細的步行地圖模式對于小區(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)測試，考慮到地圖表達的正確性和準確性，自制地圖數(shù)據(jù)疊加到Google Map上，以點、線以及實心圓等簡單的圖形式顯示。

2.4.3 尋徑模塊

關于尋徑問題，即最短路徑問題,目前所公認的最好的求解方法是1959年由DIJKSTRA E W提出的標號法，即經(jīng)典的Dijkstra算法，該算法是目前多數(shù)系統(tǒng)解決最短路徑問題采用的理論基礎[15]。

在經(jīng)典Dijkstra算法的基礎之上,在存儲結(jié)構方面對算法作了一定的改進,使用了一些獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構,如前趨表和最短路徑結(jié)構體鏈表,使算法的性能有了較大的提高,能更有效地求出圖中一個頂點到其他頂點的所有最短路徑。計算最短路徑完畢后，對最短路徑經(jīng)過的所有路段建立單向結(jié)構體鏈表以表示預規(guī)劃路徑，如圖4所示[9]。

2.4.4 差異震動提示模塊

鑒于常人的觸覺靈敏度是視覺的近20倍，而盲人具有敏銳于常人的觸覺資源[12]以及震動形式提示具有抗噪聲干擾、反饋及時和高有效性等優(yōu)點，在開發(fā)過程中開創(chuàng)性地提出利用差異性震動作為路徑誘導的主要驅(qū)動力。

Android SDK提供了震動API，首先創(chuàng)建Vibrator對象，通過調(diào)用vibrate方法設置震動時間的長短、震動事件的周期等來實現(xiàn)差異性震動。主要核心代碼如下：

Vibrator = (Vibrator)getSystemService(Service.VIBRATOR_

SERVICE);                                         //創(chuàng)建Vibrator對象

vibrator.vibrate(new long[]{t1,t2,t3,t4}，repeat);

//調(diào)用vibrate方法設置震動(以4個參數(shù)為例)

在Vibrator構造器中有4個參數(shù)，其中t1、t3是等待多長時間啟動震動， t2、t4是震動持續(xù)時間, 單位為ms(1 000 ms=1s)；repeat用來設置是否重復震動，當repeat=0時，震動會一直持續(xù)，若repeat=-1時，震動只會出現(xiàn)一輪。

3 系統(tǒng)測試與討論

為了驗證本路徑誘導新模式的實用性和可靠性，選用小區(qū)域地圖數(shù)據(jù)供系統(tǒng)測試，以大學校園為測試區(qū),并自制了校園的簡單地圖來進行實地路徑誘導測試。

測試環(huán)境選在室外較為空曠地帶，當獲取的GPS定位信息滿足路徑誘導定位需求時,運行程序并載入地圖。尋徑模塊根據(jù)輸入的起始位置與目的地規(guī)劃出一條最適路徑，再根據(jù)預設的偏離路徑閾值、震動持續(xù)時間和周期，在行走過程中，當不同程度的與規(guī)劃路徑偏離或到達路口節(jié)點時，能夠以不同形式的震動提示報警，測試者能明顯地感覺到震動的差異性，從而達到測試目的。

根據(jù)設置等待時間、震動持續(xù)時間以及是否重復震動的不同來控制震動的差異性。在此設定輕微偏離路徑為短震動，嚴重偏離路徑為長震動，而到達路口節(jié)點為一般震動，以此三組為例加以討論說明。(1)短震動4個參數(shù)設置為vibrator.vibrate(new long[]{200,200,200,200}，0)，震動持續(xù)時間、等待時間均為200 ms；(2)一般震動4個參數(shù)設置為vibrator.vibrate(new long[]{200,500,200,500}，0)，震動持續(xù)時間和等待時間分別為500 ms和200 ms；(3)長震動4個參數(shù)設置為vibrator.vibrate(new long[]{200, 1 000,200,1 000}，0)，震動持續(xù)時間為1 000 ms，等待時間為200 ms，這三組震動主要基于震動持續(xù)時間區(qū)分，具體如圖5所示。根據(jù)測試能夠明顯地感覺到震動的差異性，較易區(qū)別。后續(xù)工作還可以考慮震動頻率大小來設計震動差異性等。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了盲人路徑誘導所必須的基本功能,能夠有效地對兩地點間路徑進行最優(yōu)規(guī)劃并提供差異性震動提示，使用戶高效、及時、準確地行走。對于日益成熟的語音導盲來說，當在極其嘈雜的環(huán)境中時，語音功效就會大打折扣甚至失去作用，而這種差異性震動路徑誘導新模式的研制則能很好地彌補語音的不足，二者的集成使用將增強盲人路徑誘導服務系統(tǒng)的環(huán)境適應性，增大了其市場化的潛力。

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