CN103385795B - 基于运动传感器的导盲眼镜及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运动传感器的导盲眼镜及其工作方法。包括安装到导盲眼镜上的处理器、超声波发射模块、超声波接收模块，导盲眼镜进一步包括：运动传感器，运动传感器检测导盲眼镜的运动状态及所处空间姿态；输入装置，用于接收使用者的操作指令；信号输出模块，输出声音或振动信号给使用者；电池模块，为导盲眼镜工作提供能量；上述各模块和部件集成到导盲眼镜镜架上。处理器通过安装到导盲眼镜上的运动传感器检测导盲眼镜的运动状态及所处空间姿态。导盲眼镜通过发射超声波并检测障碍物回波来获得周围障碍物信息。本发明导盲眼镜能够自动的调整超声的发射频率，甚至整个设备的工作状态，以达到节约电量、方便使用的目的。

Description

基于运动传感器的导盲眼镜及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种可穿戴设备，尤其涉及一种盲人使用的导盲眼镜。

背景技术

盲人是社会的弱势群体，他们的出行以及活动面临巨大的困难，这大大限制了他们的活动范围。目前盲人出行主要依靠盲杖和导盲犬的帮助。盲杖有探测范围小、探测效率低、容易忽略高处障碍物等缺点。导盲犬需要长时间训练，价格昂贵，而且饲养携带都是比较麻烦的事情。

现有技术中提出过类似功能的导盲设备，但是由于其持续工作，功耗较大，所以探测部分往往要用导线连接到一个有较大电池的电子盒。电子盒上往往还设有开关、工作频率调节旋钮等部件，用手动方式来调整设备工作状态。这些都造成了使用上的不便。还有一些方案提出了把电池、处理器和各种传感器集成到眼镜上的方法，但是由于这些设备的功耗太大，而且持续工作，耗电量更是惊人。如果坚持使用镜腿里面的小小的电池供电，那么工作时间太短。以现有技术，每几个小时就要充电一次。这些技术缺憾是造成目前市场上没有批量生产商品化的导盲眼镜来造福盲人的原因之一。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种能够自动的调整超声发射频率，甚至整个设备工作状态的导盲眼镜。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

    一种基于运动传感器的导盲眼镜，包括安装到所述导盲眼镜上的处理器、超声波发射模块、超声波接收模块，所述导盲眼镜进一步包括：

运动传感器，所述运动传感器检测所述导盲眼镜的运动状态及所处空间姿态；

输入装置，所述输入装置用于接收使用者的操作指令；

信号输出模块，所述信号输出模块输出声音或振动信号给使用者；

电池模块，所述电池模块为所述导盲眼镜工作提供能量；

上述各模块和部件集成到导盲眼镜镜架上。

所述的超声波发射模块位于导盲眼镜中间的镜框上，所述的超声接收模块包含两个接收器，分别位于眼镜的左右两侧。

所述的输入装置、电池模块安置在左右镜腿里面。

所述的处理器通过读取所述的运动传感器的输出信息，判断导盲眼镜的运动状态及所处空间姿态，进一步调整导盲眼镜的工作频率和工作状态。

所述运动传感器包括MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、电子罗盘中的一种或多种。MEMS是Micro-Electro-Mechanic System的英文缩写，中文意思是微电子机械系统。使用上述运动传感器可以检测X轴、Y轴、Z轴的轴向加速度，还可以检测绕轴旋转运动。通过所述的运动传感器提供的运动信息，可以判断导盲眼镜处于静止状态还是活动状态；导盲眼镜使用者处于平视姿态、仰视姿态还是俯视姿态；导盲眼镜使用者是否有扫视动作。

   所述信号输出模块输出端使用空气传导耳机或骨传导耳机。普通耳机（空气传导耳机）有价格低廉、功耗低的特点，骨传导耳机则能更好的解放耳道，让外部环境中各种声音顺利进入耳道，还可以在嘈杂的环境中使用。

 一种所述的导盲眼镜的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

（A1）处理器周期性的读取运动传感器的输出信息，判断导盲眼镜所处的运动状态和空间姿态。

所述工作方法进一步包括以下步骤：

（B1）当处理器判断出导盲眼镜处于静止状态，则控制导盲眼镜进入休眠或关机状态；

（B2）当处理器判断出导盲眼镜处于俯视姿态时，以较高的探测频率工作；当处理器判断出导盲眼镜处于平视姿态时，以较低的探测频率工作；

（B3）当处理器判断出导盲眼镜发生扫视动作时，以较高的探测频率工作。

 所述较低的探测频率，优选地，使用0~1Hz的探测频率；所述较高的探测频率，优选地，使用1~100Hz的探测频率。如果探测频率为1Hz，意指每秒发射一次超声波来探测。上述给出的探测频率值，意在描述频率变化的大致范围。依据本发明的精神，利用运动传感器输出信息来调整系统的探测频率均落入本发明的保护范围。

所述工作方法进一步包括以下步骤：

（C1）处理器控制超声波发射模块以上述探测频率向空间发射超声波；

（C2）超声波接收模块将接收到的超声波回波信号送入处理器；

（C3）处理器根据超声波的渡越时间，得到导盲眼镜使用者和障碍物之间的距离，根据回波的频率，得到障碍物相对于导盲眼镜使用者的移动速度并判断是朝向移动还是背向移动；

（C4）处理器根据计算出的距离信息或障碍物移动信息，调整信号输出模块的音量、音调或重复频率；

（C5）当导盲眼镜处于休眠状态或障碍物距离变化量小于一定阀值时，信号输出模块停止输出；

（C6）当处理器得到导盲眼镜使用者和障碍物之间的距离变短时提高输出模块的音量、音调或重复频率，反之则降低输出模块的音量、音调或重复频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、能根据使用者运动状态及所处空间姿态，自动调整导盲眼镜的工作频率和工作状态；

2、能减少不必要的工作，从而降低设备的功耗，使得设备有更小的体积，一次充电后有更长的使用时间；

3、在静止或无状况出现的情况下，可以自动减少对使用者的干扰；

4、由于减少了使用者的手动干预，增强了设备的易用性。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域的技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。

图1是根据本发明实施例1的基于运动传感器的导盲眼镜的外形示意图；

图2是根据本发明实施例1的基于运动传感器的导盲眼镜的内部系统结构图；

图3是根据本发明实施例1的基于运动传感器的导盲眼镜的运动检测工作方法示意图；

图4是根据本发明实施例1的基于运动传感器的导盲眼镜的工作流程图。

具体实施方式

图1-4及以下说明描述了本发明的可选实施方案以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明的技术方案，已简化或省略了一些常规方面技术方案。本领域技术人员应该理解源自这些方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。因此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1

图1示意性地给出了本发明实施例的导盲眼镜的外形示意图。如图1所示，所述导盲眼镜包括眼镜框架10、位于眼镜框架中间的超声波发射头11、位于眼镜框架左右两侧的超声波接收传感器12、位于一侧镜腿上的输入按键13以及位于左右两个镜腿上的耳机14。电路组件及电池均被安置在左右镜腿里面。所述的输入按键13为输入装置中的一种，本领域技术人员熟知利用其他触控装置或声音等输入方式来达到控制导盲眼镜的目的。

超声波发射头按处理器控制的工作频率发射超声波，超声波在遇到障碍物时反射产生回波。产生的回波被超声波接收传感器接收到，送入包括放大电路、滤波电路等在内的接收模块。由于障碍物相对于导盲眼镜使用者位置的不同，左右两侧传感器接收到的信号可能也不同。由使用者的双耳效应，能“立体”的感知到障碍物的更多信息。

输入按键被安置到一侧的镜腿上，可选地，包括开关键（模式键）、音量增加键、音量减小键。开关键（模式键）可以用来开关机或者配合切换导盲眼镜的各种工作模式。音量加减键用来增加或减小耳机的输出音量。为了便于使用中分辨这三颗按钮，按钮可设置为不同的形状，通过触摸便能辨识是什么按键。

输出模块的输出元件，两个耳机被安置到左右两个镜腿上。可选地，使用普通耳机（空气传导耳机）或骨传导耳机，普通耳机有价格低廉、功耗低的特点。骨传导耳机能将音频信号转为振动信号，再由头骨将振动信号直接导入人的内耳，这样便可以接收到清晰的声音，同时又不影响使用者听到来自周围的声音。所以能更好的解放耳道，让外部环境中各种声音顺利进入耳道，还可以在嘈杂的环境中使用。

图2示意性地给出了本发明导盲眼镜的内部系统结构图。处理器检测运动传感器信息，读取按键状态。根据上述信息，处理器控制系统在一定工作频率下工作。周期性的通过超声波发射模块发出超声波。超声波接收模块将接收到的超声波经过放大、滤波整形等操作后，送往处理器。处理器根据计算结果，送往信号输出模块输出。整个系统的工作由电池提供能量。系统电池优选地，使用一可充电锂电池。电池模块包括电池和充电管理模块。所述系统中还可包括温度传感器等辅助传感设备，用于补偿不同温度情况下超声波速度的改变。这些技术对本领域的技术人员是容易理解的基本常识。

图3示意性地给出了运动传感器的导盲眼镜的运动检测工作方法示意图。如图3所示：运动传感器被安置到一侧镜腿内。传感器可以检测相对于X、Y、Z三个轴向的加速度，以及绕轴的旋转。

处理器周期性的检测运动传感器的输出信息。根据运动传感器的输出信息，可以推断出使用者的运动状态及所处空间姿态。如果加速度计或陀螺仪输出状态没有改变，则可推断导盲眼镜处于静止状态，如果该静止状态维持了一段特定时间，特定时间一般为1~10分钟，可以根据系统调节需要，则可以让导盲眼镜进入休眠或关机模式。这样可以无需手动干预的自动关机，方便了使用，同时也可以节约了设备电力。

通过运动传感器还可以检测到导盲眼镜使用者的空间姿态，是处于平视姿态、仰视姿态还是俯视姿态。导盲眼镜使用者是否有扫视动作。如果导盲眼镜处于平视姿态，说明使用者可能在注意平行较远处障碍物，所以用较低探测频率工作即可。如果导盲眼镜处于俯视姿态，说明使用者可能在探测低处行进中的障碍物，所以用较高探测频率工作比较合适。如果使用者有扫视动作，说明使用者急于探测周围障碍物信息，应该用较高探测频率工作。

如果按照如图所示方式安装运动传感器，当导盲眼镜使用者处于平视姿态时，由于重力加速度的原因，X轴、Z轴读出加速度值约为0g，Y轴读出加速度值约为-1g 。如果使用者出现水平扫视动作时，则使用者头部会带动导盲眼镜发生绕Y轴的旋转运动，所以可以检测到绕Y轴角速度。或者通过电子罗盘以及其他加速度计，也可以达到类似的检测使用者头部旋转的目的。

同理的，当使用者处于其他姿态或动作时，运动传感器会输出相应的信号，通过处理器运算处理，均可以判断出所处姿态和发生的加速动作。本领域的技术人员应不难理解。

图4示意性地给出了本发明实施例的导盲眼镜的工作流程图，系统的工作状态及探测频率根据外部的条件变化而变化。如图4所示，所述工作方法包括以下步骤：

（A1）处理器周期性的读取运动传感器的输出信息，判断导盲眼镜所处的运动状态和空间姿态；

（B1）当处理器判断出导盲眼镜处于静止状态并已经维持了一段时间，则控制系统进入休眠或关机状态；

（B2）当处理器判断出导盲眼镜处于俯视姿态时，可以较高的探测频率工作；当处理器判断出导盲眼镜处于平视姿态时，可以较低的探测频率工作；

（B3）当处理器判断出导盲眼镜发生扫视动作，以较高的探测频率工作；

（C1）处理器控制超声波发射模块以上述探测频率向空间发射超声波；

（C2）超声波接收模块将接收到的超声波回波信号送入处理器；

（C3）处理器根据超声波的渡越时间，可以计算出导盲眼镜使用者和障碍物之间的距离，根据回波的频率，还可以计算障碍物相对于导盲眼镜使用者的移动速度并判断是朝向移动还是背向移动；

（C4）处理器根据计算出的距离信息或障碍物移动信息，调整输出模块的音量、音调或重复频率；

（C5）当导盲眼镜处于休眠状态或障碍物距离变化量小于一定阀值时，输出模块停止输出；

（C6）当处理器计算出导盲眼镜使用者和障碍物之间的距离变短时提高输出模块的音量、音调或重复频率，反之则降低输出模块的音量、音调或重复频率。

本发明减少了导盲眼镜不必要的工作，降低系统功耗，在静止或无状况出现的情况下，自动减少对使用者的干扰，增强了易用性。

Claims (6)

1.一种基于运动传感器的导盲眼镜，包括安装到所述导盲眼镜上的处理器、超声波发射模块，其特征在于：所述导盲眼镜进一步包括：

运动传感器，所述运动传感器检测所述导盲眼镜的运动状态及所处空间姿态；

超声波接收模块，所述超声波接收模块位于眼镜镜架左右两侧；

输入装置，所述输入装置用于接收使用者的操作指令；

信号输出模块，所述信号输出模块输出声音或振动信号给使用者；

电池模块，所述电池模块为所述导盲眼镜工作提供能量；

上述各模块和部件集成到导盲眼镜镜架上；

所述的处理器通过读取所述的运动传感器的输出信息，判断导盲眼镜的运动状态及所处空间姿态，进一步调整导盲眼镜的工作频率和工作状态。

2.根据权利要求1所述的导盲眼镜，其特征在于：所述运动传感器包括MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、电子罗盘中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的导盲眼镜，其特征在于：所述信号输出模块输出端使用空气传导耳机或骨传导耳机。

4.一种根据权利要求1所述的导盲眼镜的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

（A1）处理器周期性的读取运动传感器的输出信息，判断导盲眼镜所处的运动状态和空间姿态；

所述工作方法进一步包括以下步骤：

（B1）当处理器判断出导盲眼镜处于静止状态，则控制导盲眼镜进入休眠或关机状态；

（B2）当处理器判断出导盲眼镜处于俯视姿态时，以较高的探测频率工作；当处理器判断出导盲眼镜处于平视姿态时，以较低的探测频率工作；

（B3）当处理器判断出导盲眼镜发生扫视动作时，以较高的探测频率工作。

5.根据权利要求4所述的导盲眼镜的工作方法，其特征在于：所述较低的探测频率，优选地，使用0~1Hz的探测频率；所述较高的探测频率，优选地，使用1~100Hz的探测频率。

6.根据权利要求4所述的导盲眼镜的工作方法，其特征在于：所述工作方法进一步包括以下步骤：

（C1）处理器控制超声波发射模块以上述探测频率向空间发射超声波；

（C2）超声波接收模块将接收到的超声波回波信号送入处理器；

（C3）处理器根据超声波的渡越时间，得到导盲眼镜使用者和障碍物之间的距离，根据回波的频率，得到障碍物相对于导盲眼镜使用者的移动速度并判断是朝向移动还是背向移动；

（C4）处理器根据计算出的距离信息或障碍物移动信息，调整信号输出模块的音量、音调或重复频率；

（C5）当导盲眼镜处于休眠状态或障碍物距离变化量小于一定阀值时，信号输出模块停止输出；

（C6）当处理器得到导盲眼镜使用者和障碍物之间的距离变短时提高输出模块的音量、音调或重复频率，反之则降低输出模块的音量、音调或重复频率。