PathFinder：为盲人在陌生建筑中设计无地图导航系统

文献标题

PathFinder: Designing a Map-less Navigation System for Blind People in Unfamiliar Buildings

文献信息

• 主题领域: 无地图导航技术，盲人辅助设备设计与评价
• 关键词: 视觉障碍, 定向与移动, 路口检测, 标识识别, 无地图导航

研究背景与问题

• 发现的挑战:
  • 盲人在不熟悉的建筑中难以独立导航，需要长期熟悉环境或依赖其他人提供帮助。
  • 现有导航系统需要预构建地图，但这种地图构建耗时且成本高昂，使得系统的有效覆盖范围受到限制。
• 重要性:
  • 帮助盲人独立在陌生环境中安全导航可以显著提升其生活质量和自信心，同时降低社会对无障碍环境的技术需求成本。
• 研究动机与相关工作:
  • 许多导航系统利用静态路线图与定位设备（如BLE信标或LiDAR地图）为盲人提供导航，但这些技术面临可扩展性不足的问题。
  • 希望通过无地图导航技术，削减地图构建成本，并基于参与设计研究探索盲人的实际需求与设计建议。

解决方案

• 提出的解决方案:
  • 设计并实现了一种名为 PathFinder 的无地图导航系统，依托手提箱型机器人，结合路口检测与标识识别技术，协助盲人在陌生建筑中导航。
• 创新之处:
  • 不需要依赖预构建的地图，仅通过实时环境信息（如路口和标识）帮助用户导航。
  • 添加了“Take-me-back”功能，可以返回导航起点，增强系统的整体用户体验。
• 实施步骤:
  1. 通过参与式设计研究，分析盲人对导航系统的需求（如对路口和标识信息的依赖）。
  2. 开发初步原型，包括路口检测和标识识别模块：
     • 路口检测通过 360° LiDAR 和 SLAM 构建实时地图，提取通行方向和路口形状。
     • 标识识别利用物体检测（YOLOv5）与 OCR 技术区分方向标识与文本标识，向用户反馈相关信息。
  3. 改进用户界面与反馈交互：
     • 更新路口方向反馈语音（如使用“左”“右”取代时钟方向）。
     • 优化系统按钮布局，实现快捷的标识识别触发。
     • 增加返回功能以提升用户操作便利性。
  4. 通过适应性实验调优功能模块性能，并开展定量与定性用户测试。

研究成果

• 具体成果:
  • PathFinder 可以帮盲人有效导航至目的地，提高用户自信心并降低感知负荷。
  • 在顶线系统（使用预构建地图）不可用的情况下，该系统扩展了盲人导航的适用环境。
• 优势比较:
  • 相比普通导航辅助设备（如导盲犬或手杖）：
    • PathFinder 提供实时环境信息反馈，显著提升用户感知。
  • 相比基于预构建地图的系统：
    • PathFinder 覆盖的使用场景更广泛，降低了对地图构建的依赖。
• 实验与评估结果:
  • 在两条不同属性的路线中共进行 7 次用户测试：
    • 路口检测总体检测结果准确率高达 56%，部分检测结果仍需改进（如玻璃桥导致误检）。
    • 标识识别模块在 62 次触发中涵盖 27 次有效发现。
    • 用户反馈显示 PathFinder 适用性高，用户满意度得分（SUS）平均达到 85.25。
  • 相较顶线系统，任务完成时间略长，但用户表示更具可控性与灵活性。
• 局限性与未来方向:
  • 局限性：
    • 机器人对拥挤、人流密集场景的路口检测性能较低。
    • 开放空间（如大堂或宽敞走廊）对导航算法提出挑战。
    • 分体设备形态设计限制了便携性和电池续航能力。
    • 用户需短时间内学习系统交互，缺乏更长时间的使用测试。
  • 未来方向：
    • 优化路口检测算法，在更多复杂环境中提升准确率。
    • 增强标识识别的分类能力，如直接区分方向与文本标识。
    • 开发更轻便的形式因子，探索支持多功能设备（如可穿戴技术）。
    • 实现用户自主构建部分地图或场景标注功能，扩大可导航区域。