CN103083134A - 一种替代盲人视觉的环境感知技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盲人视觉替代技术，特别是一种基于超声波的替代盲人视觉的环境感知技术。本技术包括超声传感器阵列，触觉感知阵列，中央控制器。超声传感器阵列和触觉感知阵列覆盖全身并一一对应。超声传感器发射超声波并接收反射的回波，回波转换成电信号送入中央控制器处理，中央控制器计算每个传感器距离障碍物的距离，根据距离控制相应的触觉感知器件发出不同程度对人体皮肤的电刺激和机械刺激，多个传感器和多个触觉感知器件组成的阵列就形成了一幅覆盖全身的触觉“图像”。本发明可使盲人在日常生活和出行上获得方便，比盲杖和导盲犬能提供更为丰富的环境信息，使盲人通过自身的触觉自主形成对周边环境的感知，提高了盲人的生存体验质量。

Description

一种替代盲人视觉的环境感知技术

技术领域

本发明涉及一种盲人视觉替代技术，特别是一种基于超声波的替代盲人视觉的环境感知技术。 

背景技术

现有专利的一些盲人视觉替代技术(TVSS)，基本都是用于帮助盲人阅读文字的技术，然而生活中方便盲人出行、代替盲杖的视觉替代技术对盲人是非常有实用意义的，通过检索，这方面的技术还没有被发现。 

现有的盲杖是以接触前方障碍物或下方地面的点接触方式来探索周围环境的，这种方法不能给盲人以周边环境的全面整体的认识；导盲犬方式则是依赖于导盲犬引路，没有盲人本身对环境的认知，成本高。这两种目前的常用方法只能有限地在生活到上帮助盲人，不能提高盲人的生存体验质量，比如拥有和视觉类似的自我感知能力。 

发明内容

本发明就是为了解决以上问题而设计的。 

它由三部分构成：传感器阵列，触觉感知阵列，中央控制器。(图1) 

传感器阵列是负责感知周边障碍物的。本发明使用使用超声波作为传感介质。超声波是指振动动频率大于20KHz的声波，超声波具有束射性，有较好的直线传播特性，遇到障碍物后具有类似光学特性的反射性，能量集中、传输过程中衰减较小，超声波实现起来也比较简单。在本设计中，超声波工作频率为40KHz，超声传感器有效作用距离范围为0.1米(盲区)～3米。 

中央控制器负责障碍物距离的计算和总体控制系统各个部件的运行； 

触觉感知阵列是负责把障碍物的距离信息以触觉的形式传递给使用者； 

超声传感器阵列以护胸、护臂、护腿、头箍、脚夹的形式覆盖在身体的前面；触觉感知阵列以护胸、护臂、护腿、头箍，脚背电极的形式覆盖身体的后面；除了脚夹以外，超声传感器阵列中的每一个传感器都和安装在身体对侧(后面)的的触觉感知器件在水平位置上一致，即一一对应。 

工作原理：安装在身体前部的传感器阵列上的某个传感器向前发射超声波，超声波在遇到前方的障碍物后会反射回来，又被超声传感器所接收，接收到的超声波被转换成电信号送入超声接收电路放大整形，处理后的信号最后被中央控制器检测，中央控制器计量出从发射出超声波到接收到回波之间的时间差，然后根据公式：S＝V*T/2(其中S为传感器到障碍物 的距离，T是发射到接收的时间差，V是在15℃时声波在空气中的传播速度，数值为340米/秒，因精度要求不高，忽略了温度和大气密度等因素对声速的影响)，计算出传感器距离障碍物之间的长度，中央控制器控制和这个超声传感器对应的那个触觉感知器件动作，触觉感知器件就会发出对人体皮肤的刺激，中央控制器根据障碍物距离的不同控制触觉感知器件的工作电压、电流的大小，触觉感知器件就发出不同强度的刺激，刺激量和障碍物距离成反比，即障碍物距离越近时刺激越强，距离越远刺激就越弱(脚背电极除外)。这种刺激可以是电刺激，也可以是机械刺激。因为传感器和触觉感知器件在身体前后的一一对应性，所以这个触觉感知器件发出的刺激就能代表这个器件所在位置的身体对侧——身体前方的障碍物的距离情况。这样，一对超声传感器和触觉感知器件所形成的从视觉到触觉的转换就完成了。 

当传感器阵列中的所有超声传感器都工作起来，经由上述转换，触觉感知阵列中就会在身体后面形成多达几十个的刺激点，这些刺激点结合起来就形成了一个刺激感觉面，刺激感觉面会给人一个对前方障碍物的整体认识，这就相当于形成了一幅覆盖全身的代表前方障碍物的触觉“图像”，从而实现了用触觉替代视觉对空间障碍物进行认知。 

使用者通过移动位置可以对更广阔的环境情况进行认知，就能够避开障碍物进行行走。这种触觉感知的能力，使用者通过一段时间的使用、训练和适应就可以获得。 

由于脸部到颈部、腰部以下大腿以上、膝盖的这三部分无法放置传感器和电极，因此这三部分不具有主动探测能力。可用如下方法来解决：对于前两部分，使用者可以把前臂放在脸部或小腹部前方，借用前臂的超声波传感护臂和触觉感知护臂来感知在这两个区域的障碍物情况；对于后者，在特殊情况下，可以提起小腿利用小腿的传感器来感知膝盖部分前方的障碍物情况。对于地面情况，分地面下陷和地面突起两种情形。地面下陷是最需要防范的，脚夹就是专门用于这方面探测的；地面突起可用如下方法探测：向前水平伸展并转动双臂可以感知地面突起的情况，以右臂举例，右臂从左前方转动到右后方，可感知接近180°范围内地面的情况。 

触觉感知器件使用了按摩/理疗电极片和机械感知器件两种方式。电极片用于身体，它的好处有：对人体无任何刺激和副作用，产品柔软、有弹性，可贴在身上任何不平整的地方，因此身体后背、四肢皮肤的感知都用了电极片。由于头部安装电极不便，头部触觉的感知器件，使用了不平衡舵轮，不平衡舵轮转动时会对头部会施以不平衡的压力。为方便安装，头部的超声波传感器和机械触觉感知器件都安装在同一个头箍中。 

脚夹是固定在鞋子前端的一个超声波探测装置，专门用于探测地面是否下陷(如下行的台阶)，它包括探测头、立柱和夹子(图6)。探测头里面有1个探测方向偏向前下方的超声波传感器，偏向前方可以提前发现前方地面是否有下陷情况，但是偏角也不能太大，否则影 响回波的强度。立柱用于支撑探测头，夹子的作用是把鞋夹固定在鞋子上。脚夹中的超声传感器所对应的电极是安装在脚背上的，这是全身所有超声传感器和触觉感知器件中唯一在空间上不是一一对应的部分。 

对于一个身高1.7米左右，体型正常的的人来说，全身至少使用77个超声波传感器和77个触觉感知器件。所有这些传感器和触觉感知器件基本覆盖了身体的绝大部分(图2)，可以全范围感知前方障碍物情况。 

为降低瞬时功耗，同时也是为了避免各个超声传感器发出的超声波之间的相互干扰，超声波传感器发射和接收超声波时不是同步进行的，而是一个一个逐个进行的。因此总的处理时间是一个超声传感器发射接收的时间乘以传感器的数目。综合考虑盲区和超声波在空气中的衰减等因素，设定发射盲区为0.1m，因此每个传感器每次发射接收超声波的最短时间为588us；以障碍物的最远距离3米计算，每个超声波传感器的发射接收时间最长为17.6ms；以图2中的75个超声传感器计算，(脚夹上的两个传感器单独处理，不算在内)，传感器发射接收总耗时最短为0.558*75＝41.85ms，最长为17.6*75＝1320ms；电极控制矩阵执行时间500us，所有触觉感知器件的控制是同步进行的，触觉感知器件中动作时间最长的是不平衡舵轮，它的动作时间为200ms，因此加上触觉感知器件控制时间后的总时间最短为41.85+0.5+200＝242.35ms，最长为：1320+0.5+200＝1520.5ms，也即最长时间约1.5秒即可形成一幅触觉“图像”，实际时间会在242.35ms和1520.5ms之间。对于行走速度不快的盲人来说，这个时间基本是小于或等于使用者行走时的移步周期的。 

为了保证使用者能毫无延迟地及时发现前方地面的下陷情况(比如下行台阶等其他地面边界)，脚夹的超声波传感器信号不通过发射和接收扫描阵列，是直接连接到中央控制器的外部中断，这样中央控制器对脚夹上超声波传感器和脚背电极可以进行实时检测和实时处理。脚背电极的处理方式和全身其他部位是相反的，即脚夹传感器探测到障碍物距离的长短和电极刺激强度成正比，距离越近，刺激越弱，距离越远，刺激越强。因脚夹传感器和地面之间的距离比较近(约5cm)，所以脚夹的超声传感器的盲区也要求比其它部位的传感器更短，3cm左右，相应的，中央控制器对它发射超声波的时间也要缩短，需要特殊控制。 

为减少传感器的数量、缩短形成一幅触觉“图像”所消耗的时间，在对精度要求不高的情况下，矩阵中传感器可采用用交错排布(图3)。即在每一行内，传感器的列间距为行间距的2倍，在每一行中的传感器之间的较大空隙依靠下面一行传感器来弥补。 

从中央控制器引出一个控制开关，这个开关可以挂在使用者手指上，用来控制系统何时工作。 

由于使用直流低电压(12v)锂电池供电和工作，因此对人体安全无危险。 

本发明可使盲人在日常生活和出行上获得方便，不但比盲杖和导盲犬能提供更为丰富的环境信息，而且是盲人通过自身的触觉自主形成对周边环境的感知，提高了盲人的生存体验质量，增加了盲人的乐趣和可以获得更多的安全感。 

附图说明

图1系统构成框图 

图2传感器和电极的分布示意图 

图中红色圆点表示超声波传感器，蓝色圆点表示电极 

图3交错排布示意图 

图4中央控制器框图 

图中虚线表示控制线，实线表示信号线。 

图5电极控制单元和机械感知控制单元框图 

图6机械感知器件的不平衡舵轮示意图 

图7脚夹结构图 

具体实施方式

1，超声波传感器阵列和触觉感知器件阵列的排布： 

附图2是一个由77个超声波传感器组成的超声波传感阵列和75个电极刺激感知器件、2个机械触觉感知器件组成的触觉感知阵列的排布实例。 

超声波传感器阵列：超声波传感器阵列位于身体前面，包括有1个护胸，2个护臂，2个护腿，1个头箍，2个脚夹。 

护胸内有45个超声波传感器；每个护臂内有4个超声波传感器，上臂2个，下臂2个；每个护腿内有10个超声波传感器，大腿6个，小腿4个；头箍内有2个超声波传感器；脚夹内有1个传感器。 

超声波传感器使用发射接收一体头，使用窄波束超声传感器，传感器本身盲区小于10cm，(脚夹处的超声传感器要求小于等于3cm)声压大于110dB，接收灵敏度大于-65dB，方向角小于15°。为使制作后的阵列更加轻薄，便于安装，选用(或定制)较薄的超声波传感器来制作。 

触觉感知阵列：触觉感知阵列位于身体后面，包括有1个护背，2个护臂，2个护腿，1个头箍，2个脚背电极。 

和传感器相对应的，护胸内有45个电极；每个护臂内有4个电极，上臂2个，下臂2个；每个护腿内有10个电极，大腿6个，小腿4个，脚背1个；头箍内有2个机械触觉感知器件。 

传感器、电极的数量决定了阵列的覆盖密度。这个数量和人的身高、胖瘦，以及电极、 超声传感器的尺寸、还有超声传感器的指向角都有关。从提高测量障碍物轮廓精度的角度，覆盖密度越大越好，但是覆盖密度过大使得传感器矩阵的重量，整幅图像的检测时间都会增加；而太少的覆盖密度将会使测量误差增大，判断难度增大，比如遇到较细的柱状物的时候。因此在尽量提高检测精度的前提下尽量减小覆盖密度，两者之间做折中考虑。考虑以上因素，电极、超声传感器的直径为2～3cm；手臂以外的地方，以每2个传感器(电极)之间的中心间距为4～8cm的密度排布较为合适。在图2的实例中，为了减少传感器、电极的数量，护胸和护腿大腿部分采用错开排布方式。 

在具体实施中，阵列中超声传感器和电极的数量应该随着身高、胖瘦等的变化数量适当增减。 

2，各个部件的安装： 

中央控制器和电池装在一个保护盒(套)内挂于腰部一侧的皮带上，引出2个外部接口，分别用于连接传感器护胸和电极护胸。 

为防止护臂和护腿在重力作用下下坠，护胸、护臂、护腿缝合于一体，头箍通过线缆连接护胸，脚夹通过线缆连接护腿。 

传感器护胸覆盖于使用者胸腹部，为防止下坠，使用固定套套在肩周部(环绕在肩部和腋下)，下端有尼龙搭扣围绕腰部固定。传感器护胸内部有柔性电路板(FPC)一直把电路延伸至传感器护臂和传感器护腿。传感器护胸下端引出一个外部接口用于连接中央控制器，上端引出一个外部接口用于连接头箍。 

传感器护臂使用两个尼龙搭扣固定在使用者上臂和下臂部的前侧。 

传感器护腿使用尼龙搭扣固定在使用者大腿和小腿前部，下端引出一个外部接口用于连接脚夹。 

为保证超声波能够不被衰减地发射出去，传感器护胸、护臂、护腿直接绑在衣服外面，或者绑在外套里面但外面最多穿一件薄的外套，不能穿大衣之类的厚衣服。 

为防止电极护臂和护腿下坠，电极护背、护臂、护腿缝合于一体，头箍通过线缆连接护背，脚背电极通过线缆连接护腿。 

电极护背胸覆盖于使用者背部，为防止下坠，使用固定套套在肩周部(环绕在肩部和腋下)，下端有尼龙搭扣围绕腰部固定。护背伸出一些电极线连接各个电极片，电极线是可插拔的；电极片一端引出一个几厘米长的线头，这样使用者可以先把各个电极片在背部贴好固定，留下的接线头串过一个贴身穿的带孔背心，背心上留有一个个的小孔供电极线穿过。穿过的电极线再接到电极护背引出的电极线头上。电极护背紧贴带孔背心捆绑固定。有了这个贴身的带孔背心会使使用者感觉更加舒服。电极护背内部有柔性电路版(FPC)把电路延伸至电 极护臂和电极护腿。电极护背上端有一个外部接口，用于连接头箍，下部一个外部接口用以连接中央控制器。 

电极护臂贴身安装，护臂使用尼龙搭扣贴身绑在使用者上下臂后侧。护臂的4个电极片是缝合在护臂里面的，不需要另行安装。 

电极护腿贴身安装，护腿使用尼龙搭扣贴身绑在使用者大小腿后面，护腿的电极片也是缝合在护腿里面的，不需要另行安装。下端引出一个外部接口用于连接脚背电极。 

头箍戴在头部，在头箍内部，前面固定有2个超声传感器，后面固定有2个机械感知器件，前面的传感器和后面的机械部件位置上一一对应。两侧为松紧带。使用时从上而下带在头上，超声波传感一面朝前，触觉感知器件在后。头箍内引出两个接口，一个接传感器护胸，另一个接电极护胸。 

脚夹的安装：把下面的夹子夹在鞋子头部两侧即可。脚夹的探测部件引出一根电缆连接到腿部的传感器护腿，传感器护腿内部通过柔性电路板把这根线连接到中央控制器。 

脚背电极片使用带状尼龙搭扣固定在脚背上，电极片引出的电极线连接电极护腿，电极护腿内部通过柔性电路板把电极线连接到中央控制器。 

3，护胸护臂护腿的制作： 

传感器的护胸护臂护腿是用机械强度较强的厚合成纤维制作，要求穿上后没有弯曲，整体为一个平面，内部夹层里有柔性电路板(FPC)连接电路各部分元件，还有起支撑和定型作用的部件，超声波传感器焊接到夹层内的柔性电路板上，并与纤维布连为一体，定型部件使传感器的方向一直保持向前方。 

电极护胸护臂护腿不要求平整，而要求和人体皮肤的完全贴合。为保证舒适性，电极的护胸护臂护腿是用厚的棉布制作，接触皮肤的那层表面外部再覆盖一层较为柔软的棉布，夹层里有柔性电路板连接各部分器件。电极护背上没有电极片，只引出了电极线接头用于连接电极片，电极片需要单独安装；而对于电极护臂和电极护腿，电极片是缝合在护臂、护腿上的，电极片无需单独安装。 

头箍制作时要使用弹力较好的松紧带，以保证戴上头箍后，机械感知器件和后脑枕部的充分接触。 

4，中央控制器：(图4) 

中央控制器的主要部件有微控制器MCU，超声波信号发生电路，发送扫描切换电路，接收扫描切换电路，超声波接收电路，控制扫描切换电路，电极控制单元，机械感知器件控制单元，电源转换等电路模块构成。 

MCU内部有控制和运算程序，控制整个系统工作过程的执行，并计算障碍物距离；由于 要对传感器矩阵中众多的传感器进行发送和接收控制，以及对触觉感知矩阵控制，还要进行时间测量和距离计算，因此对MCU的执行速度要求是指令的吞吐能力不低于20MIPS，使用32位的ARM低功耗微控制器实现。 

超声波发生电路的目的是产生和超声传感器指标符合的具有一定频率、占空比和幅度的脉冲电压； 

发射扫描切换电路通过控制总线和MCU相连，在MCU的控制下把超声发生器送出来的信号逐个发送到各个超声波传感器，并保持一定的时间用于接收回波；这部分电路需要使用耐压较高的模拟开关阵列。 

接收扫描切换电路也是受控于控制总线，它把各个超声波传感器的接收信号切换给超声接收电路；这部分电路需要使用模拟开关阵列。 

超声接收电路把微弱的回波信号进行放大，滤波，整形，比较判断，最后得到触发信号被MCU检测； 

控制扫描切换电路和MCU通过控制和数据总线相连，地址总线发送地址，数据总线发送控制数据；控制扫描切换电路把控制信号发送给相应的电极控制单元或机械感知器件控制单元；这部分电路需要使用可编程逻辑阵列(CPLD/FPGA)来实现。 

电极控制单元内有逻辑电路和电极驱动电路，逻辑电路负责把总线上的不同数据信息转换成一定幅度和占空比的电脉冲，驱动电路负责提供一定的驱动能力来驱动电极；(图5) 

机械感知器件控制单元内部也有逻辑电路和驱动电路，逻辑电路根据总线上的不同数据来控制微型电机的转动的角度，驱动电路负责提供符合要求的电流和电压。(图5) 

脚夹由单独的超声波发射电路驱动，回波信号通过单独的接收处理电路处理，最后进入MCU的外部中断口，由中断处理程序实时处理回波信息、及时发出告警刺激信号。 

电源转换电路把12v的电池电压降压为5v，3.3v供电路中其他部分使用。电路中有电池电压检测电路，当电池没电时进行告警提示；充电电路负责对电池充电控制。 

由于是电池供电，MCU和其他电路部件都采用低功耗设计。 

5，机械感知器件：(图7) 

机械感知器件使用微型直流步进电机带动不平衡不对称半圆舵轮构成。随着电机转动的角度不同，舵轮与头部皮肤的接触面也随之改变，舵轮给头部皮肤带来的压力也随之变化。 

Claims (6)

1.一种基于替代盲人视觉的的环境感知技术，其特征在于系统由固定于身体前面的传感器阵列和固定于身体后面的触觉感知阵列，中央控制器组成；位于身体前面的每一个传感器都和位于身体后面的每一个触觉感知器件在平面位置上一一对应起来，根据每个传感器检测到的障碍物的距离来控制和它对应的触觉感知器件的刺激强度，整个阵列从而形成一幅触觉“图像”。

2.根据权利要求，1其特征在于传感器阵列由一个护胸，两个护臂，两个护腿，一个头箍，两个脚夹组成，护胸、护臂、护腿缝合于一体，头箍通过线缆连接传感器护胸，脚夹通过线缆连接传感器护腿；触觉感知阵列由一个护背，两个护臂，两个护腿，两个脚背电极组成，护背、护臂、护腿缝合于一体，头箍通过线缆连接护背，脚背电极通过线缆连接电极护腿。

3.根据权利要求2其特征在于头箍中的触觉感知器件是由微型直流步进电机带动不平衡不对称半圆舵轮实现。

4.根据权利要求2其特征在于对地面的探测使用了脚夹，脚夹由探测头，立柱、夹子组成；和脚夹超声传感器相对应的电极是固定于脚背的。

5.根据权利要求2其特征在于传感器和电极护胸护背护臂护腿都使用双层纤维布或棉布制作，夹层内有柔性电路板，元件焊接在柔性电路板上。

6.在实现方法方面，其特征在于为了降低功耗和防止超声传感器之间的干扰，采用了发射扫描切换阵列和接收扫描切换阵列，发射和接收超声波时逐个进行；脚夹超声波传感器单独控制和采用中断接收。 

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