Original title:
Navigation and Information System for Visually Impaired
Translated title:
Navigation and Information System for Visually Impaired
Authors:
Hrbáček, Jan ; Volf, Jaromír (referee) ; Grepl, Robert (referee) ; Singule, Vladislav (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2018
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[eng][cze]
Poškození zraku je jedním z nejčastějších tělesných postižení -- udává se, že až 3 % populace trpí vážným poškozením nebo ztrátou zraku. Oslepnutí výrazně zhoršuje schopnost orientace a pohybu v okolním prostředí -- bez znalosti uspořádání prostoru, jinak získané převážně pomocí zraku, postižený zkrátka neví, kudy se pohybovat ke svému cíli. Obvyklým řešením problému orientace v neznámých prostředích je doprovod nevidomého osobou se zdravým zrakem; tato služba je však velmi náročná a nevidomý se musí plně spolehnout na doprovod. Tato práce zkoumá možnosti, kterými by bylo možné postiženým ulehčit orientaci v prostoru, a to využitím existujících senzorických prostředků a vhodného zpracování jejich dat. Téma je zpracováno skrze analogii s mobilní robotikou, v jejímž duchu je rozděleno na část lokalizace a plánování cesty. Zatímco metody plánování cesty jsou vesměs k dispozici, lokalizace chodce často trpí značnými nepřesnostmi určení polohy a komplikuje tak využití standardních navigačních přístrojů nevidomými uživateli. Zlepšení odhadu polohy může být dosaženo vícero cestami, zkoumanými analytickou kapitolou. Předložená práce prvně navrhuje fúzi obvyklého přijímače systému GPS s chodeckou odometrickou jednotkou, což vede k zachování věrného tvaru trajektorie na lokální úrovni. Pro zmírnění zbývající chyby posunu odhadu je proveden návrh využití přirozených význačných bodů prostředí, které jsou vztaženy ke globální referenci polohy. Na základě existujících formalismů vyhledávání v grafu jsou zkoumána kritéria optimality vhodná pro volbu cesty nevidomého skrz městské prostředí. Generátor vysokoúrovňových instrukcí založený na fuzzy logice je potom budován s motivací uživatelského rozhraní působícího lidsky; doplňkem je okamžitý haptický výstup korigující odchylku směru. Chování navržených principů bylo vyhodnoceno na základě realistických experimentů zachycujících specifika cílového městského prostředí. Výsledky vykazují značná zlepšení jak maximálních, tak středních ukazatelů chyby určení polohy.
Visual impairment is one of the most widespread physical handicaps -- as much as 3 % of the world's population suffers from visual impairment or complete blindness. Vision loss substantially worsens one's ability to orient in the environment -- without the knowledge of spatial arrangement, normally acquired predominantly by one's vision, the impaired simply does not know which way to go. The most usual solution is an accompanying person; this service is very demanding though and the sightless have to fully rely on the accompaniment. This thesis explores ways to support visually impaired users' orientation in space by employment of existing sensory technology and application of appropriate processing methods. The subject is researched through an analogy to mobile robotics, by partitioning the subject to the separate problems of localization and path planning. While the methods of path planning are generally existing, pedestrian localization often suffers from major inaccuracies and complicates usage of standard navigation devices by the visually impaired users. An improvement of pose estimate quality can be accomplished by a multitude of approaches studied by the analytical section. In the first stage, the thesis proposes data fusion between an ordinary GPS receiver and a pedestrian dead reckoning unit, leading to preserving local trajectory shape feature faithfully. To mitigate remaining offset errors, design of a globally referenced mechanism of natural landmark detection and matching is provided. Building on the existing graph search formalism, the path planning part of the thesis examines optimality criteria suitable for navigating the visually impaired user through urban terrain. A human-oriented fuzzy logic driven high-level instructions generator is then devised together with a real-time haptic feedback delivering heading directions. The performance of the proposed techniques was evaluated in real-world scenarios, aiming to capture the particularities of the target urban environment. The outcomes have shown considerable improvements in both maximum and mean positioning errors.
Keywords:
detekce význačných bodů prostředí; fuzzy logika; fúze dat; particle filtr; plánování trasy; pěší lokalizace; unscented Kalmánův filtr; zpracování obrazu; Data Fusion; Fuzzy Logic; Image Processing; Natural Landmark Detection; Particle Filter; Path Planning; Pedestrian Localization; Unscented Kalman Filter
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/137351
guest ::
