1.一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,包括身份识别的步骤和引导导航的步骤;
所述身份识别的步骤包括:
(1)数据获取:利用手机内置加速度传感器,测得三轴加速度值,将手机放置在手中采集用户的生理振动数据;
(2)数据预处理:将获取的数据先去除重力的影响,再进行去噪处理;
(3)特征提取:提取均值、标准差特征,并对数据进行标准化处理;
(4)训练认证:利用DTW算法通过动态规划使两个序列的特征排列一致,并使序列间的总距离最小化,设x轴上的模板序列P=p1,p2,...,pj,...,pn和信号的特征序列S=s1,s2,...,sk,...,sn,序列长度均为n,构造一个n×n的矩阵,矩阵中的元素点pj和sk的距离如下:2
d(pj-sk)=(pj-sk)
定义W=w1,w2,...,wm,...,wM,n≤M≤2n,W为p,s间的映射,W中的第m个元素为wm=(j,k),1≤j,k≤n,则DTW可表示为如下最优化问题:设置一个阈值:即在初始阶段,将采集到的初始信号分别获取其均值 标准差σ,设三条模板的x轴上的均值、标准差分别为 σ1,σ2,σ3,取均值即:采用同样方法,得到其他两条轴的的模板Py,Pz,再用DTW算法与认证模板进行匹配,得到三个DTW距离,求其平均:设置y轴和z轴的阈值为:
μ1=α(μx+μy+μz)
其中:
α为不小于1的常数,α越接近1,则要求认证信号越接近模板;μx,μy,μz:分别表示模板与三条测试序列的x轴,y轴,z轴的DTW距离的均值,其中,用来计算的模板通过分别选取三条模板各轴数值的均值,最后取平均,测试序列取三条测试序列各轴的均值;μ1,μ2均为阈值;
分别表示模板与三条测试序列的x轴,y轴,z轴的DTW距离的均值,其中模板取三条模板序列的标准差值的平均,测试序列分别取三条测试序列各轴的标准差;
用户采集一个新的数据,经过预处理后,得到三个轴上的特征序列为 然后分别利用DTW算法,得到三个DTW距离,求三个距离之和:最后,将θ与阈值μ进行比较,若θ<μ,则认证成功;否则,认证失败;
所述引导导航采用基于地标修正的机器学习的惯性导航定位方法,包括如下步骤:(5)计步:对加速度峰值进行检测和计算,并将加速度的值与阈值进行比较,判断用户的步行状态;
(6)判断行走状态:在步行收脚的动作中,由于重心向上单只脚触地,垂直方向加速度是呈正向增加的趋势,之后继续向前,重心下移两脚触地,加速度相反;水平加速度在收脚时减小,在迈步时增加;
(7)计算步数:首先得出3个加速度的大小和方向,从而获得一条步行运动的正弦曲线轨迹;然后进行峰值检测,通过和上一次记录的加速度大小进行比较,如果相反,表示刚过峰值状态,则进行计步,否则舍弃;通过对峰值的次数的累积可得到用户步行步数;并生成轨迹,最终根据运动轨迹进行导航。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,所述步骤(5)中计步的算法采用基于Mealy状态机的计步算法。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,所述步骤(7)的具体步骤如下:
1)计算方向:利用手机的方向传感器可获得方向数据,方向传感器返回的3个角度分别表示手机顶部的朝向与正北方向的夹角、手机的顶部或尾部翘起的角度和左侧或右侧翘起的角度,利用这3个角度即可确定手机的摆放位置;
2)基于最小二乘法计算步长:人行走时的步长由行走时的所产生的加速度估算出来,具体步骤包括:①采集用户以规定步长行走时所产生的加速度,记作a,所对应的步长,记作l;
②计算加速度的方差,记作s;
③利用最小二乘法对s和l作最佳线性拟合,得到两者的关系:l=(s-q)/p
其中,p和q是最佳线性拟合系数, 其中 为多次采样的均方差,为平均步长;
3)生成轨迹:根据人的步数、步长、行走的方向来计算人的位置;首先将起点的坐标(x0,y0)为原点,第j步的坐标为(xj,yj),则第j步坐标为:(xj,yj)=(x0+Lcos(φ+γj),y0+Lcos(φ+γj))其中,L为步长,φ为j步内所发生的方向变化之和;γj表示第j步过程中的方向变化;
最终根据实际得出的运动轨迹进行导航。
4.根据权利要求3所述的一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,所述步骤1)还包括校正的步骤:①记录人在行走过程中的水平手持手机时三轴陀螺仪所产生的数据,利用数据叠加去除高频噪声;得到人在水平方向的行走的角速度变化,即为R={r1,r2,...,rn};
②计算每一步所发生的方向变化,第j步过程中的方向变化为:行走过程中同时记录指南针读数,记作:C={c1,c2,...,cn},对数据进行滤波平滑处理;获取指南针的第j步和第j+k步之间的方向变化 获取三轴陀螺仪的第j步和第j+k步之间的方向变化 设置 的角度阈值,当超过阈值时,利用指南针第j+k步的方向对三轴陀螺仪读数计算得到的第j+k步的方向变化进行修正,并将修正后的数据作为人在第j+k步的方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,所述步骤(7)还包括:在轨迹路段中每个一段距离设置一个定标,盲人触碰到定标后提示手机进行下一个定标的导航。
6.根据权利要求5所述的一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,所述定标可以是楼梯扶手,或者柱子,或者桌子。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能手机的盲人识别及引导式导盲的方法,其特征在于,在室外时采用GPS导航系统,在室内时采用手机惯性导航系统。