基于振动触觉反馈的便携式环境信息感知器

摘要

对于视障人士而言，在其身处未知环境时，除了依赖自身的触觉感知能力之外，借助于手杖、导盲动物或者其他电子设备是他们进行安全有效避障的重要手段。
　　本文以面向视障人士的环境信息感知系统这一重要应用为背景，开展了基于双目立体视觉的障碍物检测、基于振动触觉反馈的障碍信息编码方式等方面的研究，并以此为基础设计实现了一种环境信息感知装置。
　　本文在分析了现有导盲工具的发展现状和他们各自的优缺点、阐述了触觉重要性的基础上，开展了基于双目立体视觉测障和振动触觉反馈障碍信息编码方式的研究，并将其应用于实现一种环境信息感知系统。该信息感知系统主要由基于DM3730处理器的控制模块、双目摄像头图像采集模块、运动传感器模块、振动触觉显示模块与电源模块组成。其中双目摄像头图像采集模块用于采集外界环境信息;运动传感器模块用于获取设备的位姿信息;振动触觉显示模块作为使用者与环境感知系统之间的交互工具，用于传达环境中障碍物的信息;基于DM3730处理器的控制模块负责协调控制各模块工作;电源模块为系统提供所需要的电源，确保系统的正常工作。
　　最后，本文通过模块化实验和系统总体实验验证了该环境信息感知系统的有效性和实用性。其中模块化实验包括障碍物检测实验、运动传感器准确度及其灵敏度实验、振动触觉编码的信息反馈效果实验。实验结果表明本文研究的环境信息感知系统，在障碍检测方面表现良好，并能以简单有效的振动触觉方式反馈障碍信息。
　　本文对于立体视觉在障碍检测中的效果，触觉信息编码的合理表达性等方面的研究，为今后基于振动触觉与立体视觉的环境感知系统的研究奠定了实验基础，具有重要的意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 环境感知装置的国内外研究现状

1．2．1 环境感知方式以及装置

1．2．2 论文的研究出发点

1．3 论文研究章节安排

第二章 基于振动触觉的环境信息感知器的系统的总体方案设计

2．1 功能需求

2．2 系统总体方案设计

2．3 系统硬件设计方案

2．4 嵌入式操作系统平台选择

2．4．1 选择嵌入式操作系统的必要性

2．4．2 选择嵌入式Linux操作系统的必要性

2．5 障碍物检测方法

2．6 本章小结

第三章 环境信息感知器系统硬件设计

3．1 基于Cortex-A8与C64+DSP核的DM3730处理器

3．2 各模块硬件电路设计

3．2．1 DM3730处理器最小系统设计

3．2．2 电源模块设计

3．2．3 视频图像输出模块

3．2．4 图像获取模块

3．2．5 运动传感器模块设计

3．2．6 振动触觉显示模块

3．2．7 TF存储模块

3．2．8 USB扩展电路设计

3．2．9 UART通信接口设计

3．2．10 JTAG模块

3．2．11 其他模块

3．3 系统印刷电路板制作

3．4 本章小结

第四章 环境信息感知器系统软件设计

4．1 构建交叉编译环境

4．2 系统编译

4．2．1 一级启动代码x-loader的编译

4．2．2 二级启动代码u-boot的编译

4．2．3 内核编译

4．2．4 文件系统

4．3 摄像头驱动设计

4．3．1 OV9650图像传感器配置

4．3．2 图像捕捉与显示

4．4 基于立体视觉的障碍物检测与测距的算法实现

4．4．1 OpenCV

4．4．2 基于Sift算法的障碍物检测

4．4．3 双目测距与摄像头标定

4．5 振动触觉参数编码与信息表达

4．6 运动传感器模块

4．7 本章小结

第五章 仿真实验以及实验结果

5．1 引言

5．2 Sift特征匹配与OpenCV双目测距实验

5．3 运动传感器灵敏度与准确度实验

5．4 振动触觉编码的信息反馈效果实验

5．5 系统总体实验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作终结

6．2 对未来工作的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录

附录1：环境信息感知器的PCB图(顶层)

附录2：环境信息感知器的PCB图(底层)

附录3：环境信息感知器的PCB图(器件布局)

附录4：OV9650相关寄存器配置源程序

附录5：摄像头标定后得到的内外参数矩阵(节选)

附录6：第五章实验场景1的双目测距结果