基于FPGA技术的智能导盲犬设计

文章摘要：0 引 言随着信息化和数字化的发展，现在社会中人们的生活变得更加丰富多彩，生活更加便利。但是有一种人群却不容忽视，社会上形形色色、丰富多彩的物是与他们无缘的，他们就是盲人。众所周知眼晴是“心灵之窗”，而对于突然失去或从未拥有过“心灵之窗”的盲人来说，生活上的困难与心理上的痛苦是可想而知的。他们的衣食住行存在诸多不便，而在出行与人际交往中遇到的困难更加突出，基于此设计了智能导盲犬。生活中，导盲犬习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束；懂得“来”、“前进”、“停止”等口令；可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍和需要拐弯时，会引导主人停下以免发生危险。但是，导盲犬的培训过程长达18个月，综合费用达

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　　0  引  言

　　随着信息化和数字化的发展，现在社会中人们的生活变得更加丰富多彩，生活更加便利。但是有一种人群却不容忽视，社会上形形色色、丰富多彩的物是与他们无缘的，他们就是盲人。众所周知眼晴是“心灵之窗”，而对于突然失去或从未拥有过“心灵之窗”的盲人来说，生活上的困难与心理上的痛苦是可想而知的。他们的衣食住行存在诸多不便，而在出行与人际交往中遇到的困难更加突出，基于此设计了智能导盲犬。生活中，导盲犬习惯于颈圈、导盲牵引带和其他配件的约束；懂得“来”、“前进”、“停止”等口令；可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍和需要拐弯时，会引导主人停下以免发生危险。但是，导盲犬的培训过程长达18个月，综合费用达2.5～3万美元，如此昂贵的价格不是普通用户能承担的，所以这里设计一个智能导盲犬，从而为盲人带来便利。

　　本系统主要解决的是盲人在出行和人际交往中遇到的问题，主要功能有：行进中的障碍物检测、识别与定位，其中包括移动的物体与静止的物体识别；测定障碍物的速度与距离；对周围的路线的特定环境标志进行环境辨认，检测出熟悉的地点，方便盲人了解情况，并同时也以此为信息主动控制导盲犬，实现人的主观控制；人性化的语音提示，能够根据信息重要程度主动提示当前情况，帮助盲人获取必要信息，帮助盲人决策；系统还可以对周边环境发生的特殊情况向家属发送短消息，必要时可以发送图片，实现进一步的安全性。

　　1  设计结构

　　本设计系统通过数据采集、处理、存储、反馈等子系统构架而成。首先由两路信息采集系统——超声波测速测距系统及图像采集系统采集外部环境信息，经决策处理系统对信息进行处理，并进行多模块输出，其中有信息的反馈系统可以面向使用者提供足够的信息提示，同时，又可通过运动系统对“导盲犬”进行实时控制。存储系统可以将采集和处理的环境信息进行存取，方便查询。

　　1.1  系统的体系结构

　　图1为系统的体系结构图。

　　1.2 硬件设计结构

　　本设计主要功能模块有：

　　摄像头监测及智能识别模块，超声波测速与测距模块，电机驱动与控制模块，NiosⅡ处理器模块，语音播报模块，通信与定位模块，实时存储模块，即插即用液晶显示模块。

　　硬件框架图如图2所示。

　　1.3 软件流程结构

　　软件流程结构如图3所示。

　　2 具体模块

　　本设计基于NiosⅡ硬件平台，运用其强大的扩展及处理功能，将数字图像处理技术、超声波测距定位技术、智能控制技术协调的组合在一起，构成一个既功能强大又非常人性化的“导盲犬”。以下为各模块的设计特点及方法：

　　2.1 NiosⅡ处理器

　　NiosⅡ处理器运算速度快，能满足对图像检测与处理的要求；具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境(IDE)、JTAG调试器、实时操作系统(RTOS)和TCP／IP协议栈；其次，Altera DEl的外围接口丰富，可以满足不同的需求，必要时可以自定义外围电路进行扩展。在FPGA中使用软核处理器也是其优势所在，硬核实现没有灵活性，通常无法使用最新的技术。基于标准处理器的方案会被淘汰，而基于NiosⅡ处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新的系统需求。将处理器实现为HDL的IP核，开发者能够完全定制CPU和外设，获得恰好满足需求的处理器。

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