CN101642405B - 一种超声导盲方法及其便携式超声导盲装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声导盲方法及其便携式超声导盲装置，本发明的超声导盲方法，包括如下步骤：1)通过发射换能器向环境中发射宽带线性调频的超声探测信号；所述的超声探测信号在空气中传播，经障碍物反射，产生回波信号；2)再由接收换能器接收回波信号；所述的发射换能器和接收换能器相邻放置，并指向同一个方向；3)对回波信号进行处理，得到音频提示声；4)将音频提示声通过耳机输出，反馈给使用者；本发明的超声导盲装置包括：发射模块，所述发射模块包括：发射换能器、信号产生单元和微控制器；接收模块，所述接收模块包括：接收换能器和回波处理单元；和音频反馈模块，用于放大差频信号并驱动耳机输出音频信号。可以实现对多个物体的探测和区分。

Description

一种超声导盲方法及其便携式超声导盲装置 

技术领域

本发明涉及生物声纳技术领域，具体地说，本发明特别涉及基于生物声纳技术的一种超声导盲方法及其便携式超声导盲装置。 

背景技术

导盲装置是用于辅助盲人行进的一种电子装置，一般称作电子辅助行进(Electronic Travel Aid，ETA)装置。导盲装置装有不同类型的传感器，将探测前方三维空间中存在物体的信息以视觉障碍者可以接受的形式传递给他们，通常采用的是听觉(如声音强度的变化、频率的变化、音色等)和触觉(如振动、刺激等)的方式。根据导盲装置所采用的探测信号不同，目前成型的导盲系统包括：超声导盲装置、光学导盲装置、无线电导盲装置等。 

由于超声信号具有良好的指向性，且不受光线、温度等客观条件的影响，超声被广泛应用于导盲装置中，如：头戴式导盲装置，导盲眼镜，导盲手杖等。通常采用的技术为发射单一频率的超声脉冲，通过测量脉冲从发射，经障碍物反射到回波被接收所经历的时间算得障碍物的距离，将距离信息通过声音的频率或者语音方式显现出来。然而，这种单一频率的超声脉冲，只能探测出距离最近的物体的信息，使使用者对存在多个物体的较复杂环境感知能力较差，而且，一些产品反馈的提示声和触觉振动会使使用者感到迷茫，不易理解。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，应用生物声纳技术，提出一种可以准确反映出障碍物距离、大小、材质等信息，并能够识别和区分多个障碍物，产生易于理解和学习的音频提示声的超声导盲方法和并设计一种基于上述方法的便携式导盲装置。 

为实现上述发明目的，本发明提出的一种超声导盲方法，包括如下步骤： 

1)通过发射换能器向环境中发射宽带线性调频的超声探测信号；所述的超声探测信号在空气中传播，经障碍物反射，产生回波信号； 

2)再由接收换能器接收回波信号；所述步骤1)中的发射换能器和步骤2)中的接收换能器相邻放置，并指向同一个方向； 

3)对回波信号进行处理，得到音频提示声； 

4)将音频提示声通过耳机输出，反馈给使用者。 

作为本发明的超声导盲方法的一种改进，所述步骤1)中的超声探测信号由微控制器操作信号发生器产生并放大其功率。 

作为本发明的超声导盲方法的一种优选，所述步骤1)中的超声探测信号的带宽为40kHz～80kHz，周期为0.1s的线性调频信号。 

作为本发明的超声导盲方法的又一种改进，所述步骤3)中，对回波信号的处理方法包括步骤： 

3a)放大回波信号的幅度； 

3b)对放大后的回波信号采用解线性调频方法进行解调，用信号产生单元中的信号发生器产生的线性调频信号在时域上与放大后的回波信号相乘，得到包含有差频与和频的解调信号； 

3c)对解调信号低通滤波滤除解调信号中的和频信号，得到与障碍物距离成正比的差频信号，输出到音频反馈模块。 

作为本发明的超声导盲方法的又一种改进，所述步骤4)中，通过音频反馈模块将差频信号放大幅度，得到音频提示声。 

为实现上述发明的另一目的，本发明还提出一种便携式的超声导盲装置，其特征在于，该装置包括： 

发射模块，所述发射模块包括：发射换能器、信号产生单元和微控制器；所述的微控制器，用于控制信号产生单元产生连续周期的宽带线性调频信号并放大形成超声探测信号；所述的发射换能器，用于向环境中发射超声探测信号；所述的信号为带宽40kHz～80kHz，周期为0.1s的线性调频信号； 

接收模块，所述接收模块包括：接收换能器和回波处理单元；所述的接收换能器，用于接收所述的超声探测信号在空气中传播经障碍物反射所产生的回波信号；所述的发射换能器和接收换能器相邻放置，并指向同一个方向；所述的回波处理单元，用于对回波信号处理，进行回波放大、回波解调和低通滤波，得到差频信号；和 

音频反馈模块，用于放大差频信号并驱动耳机输出音频信号。 

作为本发明的的超声导盲装置的一种选择，所述的发射换能器和接收换能器是超声静电换能器，或者压电薄膜超声换能器。 

所述的发射换能器和接收换能器为超声静电换能器，需要为换能器提供一直流偏置电压以驱动其正常工作；所述的信号产生单元包括：信号发生器、信号增强电路和换能器驱动电路；所述的信号发生器由微控制器控制产生连续周期的宽带线性调频信号；所述的信号增强电路，用于将线性调频信号的功率放大；所述的换能器驱动电路，用于产生一直流偏置电压驱动所述的发射换能器和所述的接收换能器工作。 

作为本发明的的超声导盲装置的又一种选择，所述的回波处理单元包括回波放大电路、回波解调电路和低通滤波电路； 

所述回波解调电路使用解线性调频方法对放大后的回波信号进行解调，用信号发生器产生的线性调频信号在时域上与放大后的回波信号相乘，得到包含有差频与和频的解调信号； 

所述的低通滤波电路，用于滤除解调信号中的和频信号，只保留差频信号，所述的差频信号的频率与障碍物的距离成正比。 

作为本发明的的超声导盲装置的再一种选择，所述的音频反馈模块，用于将差频信号的幅度进行放大，并推动耳机输出放大后的音频信号。 

实际应用中，音频提示声的频率随障碍物的距离而改变，频率高表明障碍物距离较远，频率低表明障碍物距离较近。在同一距离下，音频提示声的强度大小与障碍物反射面的大小成正比。此外，使用者经过训练后，可以通过提示声音色的细微差别辨别出物体的不同材质，并且能够通过由多个频率组合的提示声辨别出多个物体的存在，即不同的音频声频率及其变化代表距离不同的物体及运动状态。例如，当使用者手持该导盲装置指向一墙面并且有一物体自墙面逐渐向使用者靠近时，使用者听到的音频提示声包含有两种成分，一种为反映静止墙面的频率不变的音频声，另一种为反映物体运动的频率逐渐变低的音频声。因此，该装置可以实现对多个物体的探测和区分。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1.本发明基于生物声纳技术，采用蝙蝠超声回波定位模型，发射宽带的超声探测信号，可以得到很高的距离分辨率，并且具有识别和区分多个障碍物的能力。 

2.接收到回波后，基于线性调频信号自身的特点，使用解线性调频方式对回波信号解调，解调方式计算量小，易于实现。通过解调信号的频率反应障碍物的距离。 

3.反馈给使用者的音频提示声易于理解和学习，能够准确反应障碍物的距离，大小，材质等信息。 

4.本发明体积小，便于盲人携带，且功耗低，用锂离子电池供电，可以较长时间工作。 

附图说明

图1表示本发明的超声导盲方法的流程图； 

图2表示基于生物声纳技术的便携式导盲装置的结构框图； 

图3表示信号产生单元的结构图； 

图4表示回波处理单元的结构图； 

图5表示音频反馈模块的结构图； 

图6表示本发明一实施例中换能器放置与障碍物位置的示意图； 

图7表示线性调频信号的时频图； 

图8表示本发明一实施例中接收到的1m处障碍物的回波信号(局部)； 

图9表示本发明一实施例中得到的音频提示信号(局部)。 

具体实施方式

本发明的具体构思是利用超声探测获取障碍物的信息，将障碍物的信息以音频提示声的方式反馈给使用者，使用线性调频信号作为超声探测信号，因为它是生物声纳探测中最主要的一种探测信号，具有较宽的带宽，探测距离分辨率可达毫米量级，并且能够探测和识别多个物体。 

超声波在传播过程中遇到障碍物会产生回波，回波包含了障碍物的距离、大小、材质等信息，通过对回波信号的一系列处理，可以将障碍物的这些信息映射到音频声的不同属性上：音频声的频率与物体的距离成正比，音频声的强度和音色可以分别反映物体的大小和材质。当环境中存在多个物体时，使用者可以通过不同的频率及其变化区分不同物体的存在及运动状态。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 

如图1所示，本发明的超声导盲方法包括如下步骤： 

1)使用发射换能器向环境中发射超声探测信号，超声信号在空气中传播，经障碍物反射，产生回波信号； 

2)使用接收换能器接收回波信号； 

3)对回波信号进行处理，得到解调信号； 

4)产生音频提示声，并通过耳机反馈给使用者。 

上述技术方案中，所述步骤1)中的超声信号由微控制器操作信号发生器产生； 

上述技术方案中，所述步骤1)中的超声信号是线性调频信号。 

上述技术方案中，所述步骤3)中，对回波信号的处理方法如下： 

3a)放大回波信号的幅度； 

3b)对放大后的回波信号进行解调，得到解调信号； 

3c)对解调信号低通滤波得到差频信号； 

3d)将差频信号幅度放大，得到音频提示声。 

上述技术方案中，所述步骤1)中的发射换能器和步骤2)中的接收换能器相邻放置，并指向同一个方向。 

上述技术方案中，所述步骤3b)中，所述对放大后的回波信号进行解调的方式是采用解线性调频方法，将放大后的回波信号与信号发生器产生的信号在时域上相乘。 

为实现上述发明目的，本发明提供的超声导盲装置包括： 

发射换能器，用于发射超声探测信号； 

接收换能器，用于接收回波信号； 

微控制器，用于软件控制信号产生单元； 

信号产生单元，用于产生超声探测信号和驱动所述发射换能器和所述接收换能器； 

回波处理单元，用于回波放大，回波解调和低通滤波； 

音频反馈单元，用于放大音频信号并驱动耳机输出。 

本发明设计的一种新型的超声导盲装置，能够适用于复杂环境，识别和提示多个物体的信息，并将易于理解和学习的提示声反馈给使用者。 

实施例1 

本发明利用超声线性调频信号的上述特点和对回波特殊的解调方式，通过硬件电路设计和软件编程，实现了识别并反馈障碍物信息的功能。本实施例具体的实施过程包括以下几步： 

如图2所示，制作一个依据本发明的便携式超声导盲装置，包括：发射换能器A，发射连续周期的超声线性调频信号，超声信号遇到障碍物反射，产生回波信号；接收换能器B，接收回波信号；微控制器1，与一信号产生单元2的输入端相连，用于软件控制信号产生单元2；所述信号产生单元2，与所述接收换能器B的输入端和所述微控制器1的输出端相连，用于产生超声探测信号和驱动所述发射换能器A和所述接收换能器B；一回波处理单元3，与所述接收换能器B的输出端相连和一音频反馈单元4的输入端相连，用于回波放大，回波解调和低通滤波；所述音频反馈单元4，与所述回波处理单元3的输出端相连，用于放大音频信号并驱动耳机输出。 

所述信号产生单元2由信号发生器、信号增强电路和换能器驱动电路组成，如图3所示；所述信号发生器产生宽带的线性调频信号；所述信号增强电路将线性调频信号的功率放大；所述换能器驱动电路产生一直流偏置电压用于驱动所述发射换能器A和所述接收换能器B工作。 

所述回波处理单元3对回波信号进行处理，包括回波放大电路、回波解调电路和低通滤波电路，如图4所示；所述回波解调电路使用解线性调频方法对放大后的回波信号进行解调。 

所述音频反馈单元将滤波后得到的音频信号幅度进行放大，并由功放推动耳机输出放大后的音频信号，如图5所示。 

本实施例中的发射换能器和接收换能器可以是超声静电换能器，或者是压电薄膜超声换能器。如图6所示，在本实施例中，发射换能器和接收换能器相邻放置，指向同一个方向，障碍物距离为1m。考虑到所需要达到的距离分辨率，探测距离和换能器的频响曲线等因素，发射换能器A连续发出40kHz～80kHz，周期为0.1s的线性调频信号，信号的时频图如图7所示。 

本实施例中将障碍物的信息以音频提示声的方式反馈给使用者，具体实施步骤如下： 

微控制器1为ARM7微控制器芯片LPC2103，信号产生单元2中的信号发生器为使用DDS技术的AD9954芯片。本实施例中需要产生频率为40kHz～80kHz，周期为0.1s的连续发射线性调频信号，微控制器1与信号发生器相连，微控制器1通过SPI三线传输方式或通用I/O口方式将相应的频率控制字和正向扫频控制字写入到信号发生器中。由于信号发生器产生的超声信号能量较小，而超声在空气中传播时衰减较为严重，需要通过信号产生单元2中的信号增强电路对调频信号进行功率放大，首先由TDA7052芯片提高调频信号的功率，然后用一小型升压变压器线圈进一步提高调频信号的输出幅度，经发射换能器1发射作为探测信号。另一方面，在本实施例中使用的发射换能器A和接收换能器B为超声静电换能器，需要为换能器提供一直流偏置电压以驱动其正常工作。信号产生单元2中的换能器驱动电路以信号增强电路的输出信号作为输入，由倍压整流模块产生一直流偏置电压，并配合匹配电感驱动发射换能器A和接收换能器B工作。 

本实施例中，障碍物距离为1m，超声探测信号遇到障碍物会产生回波，如图8所示。回波由接收换能器B接收，因为超声在空气中的衰减以及障碍物会吸收一部分超声能量，所以接收到的回波信号幅度很小，首先需要对其放大。回波处理单元3中的回波放大电路使用仪表放大器INA128放大回波信号的幅度，并能较好地抑制噪 声，回波经放大后输入到回波处理单元3中的回波解调电路。因为回波信号与发射信号同为线性调频信号，只是在时间上有一个延迟，因此我们使用解线性调频方法对回波进行解调，即用信号产生单元2中的信号发生器产生的线性调频信号在时域上与放大后的回波信号相乘，得到包含有差频与和频的解调信号。解调信号经过回波处理单元3中的低通滤波电路滤除解调信号中的和频信号，只保留与障碍物距离信息有关的差频信号，差频信号的频率与障碍物的距离成正比，因此可以通过差频信号频率的变化来反应障碍物距离的变化。下一步，滤波后的差频信号输入到音频反馈单元。音频反馈单元中的音频功放芯片TDA1308放大差频信号的幅度得到音频提示声，如图9所示，并推动耳机输出音频提示声反馈给使用者。 

在本实施列中，使用者手持该装置，头戴耳机，将探测方向对准前进方向，当听到周期性连续的音频提示声时说明前方有障碍物。音频提示声的频率随障碍物的距离而改变，频率高表明障碍物距离较远，频率低表明障碍物距离较近。在同一距离下，音频提示声的强度大小与障碍物反射面的大小成正比。此外，使用者经过训练后，可以通过提示声音色的细微差别辨别出物体的不同材质，并且能够通过由多个频率组合的提示声辨别出多个物体的存在，即不同的音频声频率及其变化代表距离不同的物体及运动状态。例如，当使用者手持该导盲装置指向一墙面并且有一物体自墙面逐渐向使用者靠近时，使用者听到的音频提示声包含有两种成分，一种为反映静止墙面的频率不变的音频声，另一种为反映物体运动的频率逐渐变低的音频声。因此，该装置可以实现对多个物体的探测和区分。 

Claims (10)

1.一种超声导盲方法，包括如下步骤：

1)通过发射换能器向环境中发射宽带线性调频的超声探测信号；所述的超声探测信号在空气中传播，经障碍物反射，产生回波信号；

2)再由接收换能器接收回波信号；所述步骤1)中的发射换能器和步骤2)中的接收换能器相邻放置，并指向同一个方向；

3)对回波信号进行处理，得到音频提示声；

4)将音频提示声通过耳机输出，反馈给使用者。

2.根据权利要求1所述的超声导盲方法，其特征在于，所述步骤1)中的超声探测信号由微控制器操作信号发生器产生并放大其功率。

3.根据权利要求1所述的超声导盲方法，其特征在于，所述步骤1)中的超声探测信号为带宽40kHz～80kHz，周期为0.1s或0.2s的线性调频信号，当探测距离在2.5m以内时，周期为0.1s，当探测距离为2.5m至5m时，周期切换到0.2s。

4.根据权利要求1所述的超声导盲方法，其特征在于，所述步骤3)中，对回波信号的处理方法包括步骤：

3a)放大回波信号的幅度；

3b)对放大后的回波信号采用解线性调频方法进行解调，用信号产生单元中的信号发生器产生的线性调频信号在时域上与放大后的回波信号相乘，得到包含有差频与和频的解调信号；

3c)对解调信号低通滤波滤除解调信号中的和频信号，得到与障碍物距离成正比的差频信号，输出到音频反馈模块。

5.根据权利要求1所述的超声导盲方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过音频反馈模块将差频信号放大幅度，得到音频提示声。

6.一种便携式超声导盲装置，其特征在于，该装置包括：

发射模块，所述发射模块包括：发射换能器、信号产生单元和微控制器；所述的微控制器，用于控制信号产生单元产生连续周期的宽带线性调频信号并放大形成超声探测信号；所述的发射换能器，用于向环境中发射超声探测信号；所述的信号为带宽40kHz～80kHz，周期为0.1s或0.2s的线性调频信号；

接收模块，所述接收模块包括：接收换能器和回波处理单元；所述的接收换能器，用于接收所述的超声探测信号在空气中传播经障碍物反射所产生的回波信号；所述的发射换能器和接收换能器相邻放置，并指向同一个方向；所述的回波处理单元，用于对回波信号处理，进行回波放大、回波解调和低通滤波，得到差频信号；和

音频反馈模块，用于放大差频信号并驱动耳机输出音频信号。

7.根据权利要求6所述的超声导盲装置，其特征在于，所述的发射换能器和接收换能器是超声静电换能器，或者压电薄膜超声换能器。

8.根据权利要求7所述的超声导盲装置，其特征在于，所述的发射换能器和接收换能器为超声静电换能器，所述的信号产生单元包括：信号发生器、信号增强电路和换能器驱动电路；所述的信号发生器由微控制器控制产生连续周期的宽带线性调频信号；所述的信号增强电路，用于将线性调频信号的功率放大；所述的换能器驱动电路，用于产生一直流偏置电压驱动所述的发射换能器和所述的接收换能器工作。

9.根据权利要求6所述的超声导盲装置，其特征在于，所述的回波处理单元包括回波放大电路、回波解调电路和低通滤波电路；

所述回波解调电路使用解线性调频方法对放大后的回波信号进行解调，用信号发生器产生的线性调频信号在时域上与放大后的回波信号相乘，得到包含有差频与和频的解调信号；

所述的低通滤波电路，用于滤除解调信号中的和频信号，只保留差频信号，所述的差频信号的频率与障碍物的距离成正比。

10.根据权利要求6所述的超声导盲装置，其特征在于，所述的音频反馈模块，用于将差频信号的幅度进行放大，并推动耳机输出放大后的音频信号。

Images