● 摘要
盲人和低视力者的视觉障碍严重制约了出行范围和生活质量的提高，而现有GPS定位导航系统只能满足户外导航的需求，因此研究开发面向盲人和低视力者的室内行走导航系统具有重要的现实意义。为实现无外部信号支持的准确室内定位，本课题对面向盲人的室内行走惯性导航技术进行了研究。具体研究成果如下：1. 分析了行人行走的运动学机理，总结了行走过程中步态的运动学特征，包括步态周期的阶段划分和正常步态的主要运动学参数。同时，分析了行走中典型危险情况——跌倒的运动学机理，以及跌倒的运动学描述方法。2. 基于行走的运动学原理，设计了室内行走定位导航的核心算法，包括定位算法、导航算法和误差修正算法。定位算法充分挖掘行人行走时的步态特征，利用行走时的惯性量，综合步频检测、步长估算和行进方向检测三个子算法构建行走轨迹。导航算法实现了数字地图创建、行走路径生成和实时语音导航提示等功能，可以有效利用定位信息帮助使用者到达目的地。3. 提出了基于步态序列匹配的误差修正算法。该算法利用行人行走时运动学的三个关键参数：步长、步频和方向，构建离散的步态信息序列，同时，通过匹配理想步态信息序列得到最佳位置估算。经系统实验验证，定位导航误差得到了很好的抑制，基本满足了室内行走导航的需求。4. 基于跌倒的运动学原理，设计了跌倒检测算法。该跌倒检测算法通过对人体加速度和姿态的监测，构建了基于不同跌倒阶段的阈值判断的跌倒检测逻辑。经过系统实验验证，该跌倒检测算法对常见的跌倒情况的检测准确率在95%以上，能够满足盲人和低视力者在行走过程中的危险情况检测需求。5. 设计了面向盲人和低视力者的人机交互方式。采用语音为主要人机交互方式，方便视觉障碍者使用。同时，导航系统在生成行走路径时，充分考虑用户需求，能够生成符合盲人和低视力者习惯的路径。