CN104039293A - 一种视障人士与盲人的电子助行器 - Google Patents

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Abstract

一种为视障人士与盲人实时导航的电子行走工具带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口而无数码相机与复杂的硬件。重要地，电子行走工具内有与实时情况相关且存储于闪存内用于帮助视障人士与盲人的语音信息。电子行走工具包括无线与有线技术并为视障人士与盲人提供低成本、结实、可靠且容易使用的方案。

Description

一种视障人士与盲人的电子助行器
发明领域
本发明涉及一种为视障人士与盲人(使用对象)的电子助行器，优选地一种带有迷你物理接口而无需设置数码相机与复杂硬件便可为视障人士与盲人实时导航的电子助行器；重要地，该电子助行器还将存储于闪存内的语音信息与实时状况进行关联以帮助视障人士与盲人；该电子助行器包含无线或有线技术且以低耗、牢固、可靠且易操作的方式为视障人士与盲人服务。
背景技术
根据2009年由世界卫生组织发起的一项调查显示，世界存在314百万视障人士与45百万盲人。当然，为视障人士提供流动性帮助的可靠且负担得起的解决方案对于政府、实验室与产业而言具有重大社会与商业利益。
现有电子助行器通常采用包括数码相机与若干传感器如超声波，光学，激光，声纳等的机器视觉导航。发明者也将全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、无线射频识别、条形码技术应用于盲人导航中。
现有的高端系统是有发展前景的，但一般比较笨重、昂贵、具有较大的物理接口且使用者需要长期练习使用。
虽然现有市场存在一些用于帮助视障人士的障碍检测器/监测系统和/或电子移动/行动辅助系统，现有技术中仍有必要开发这样一种系统，其经济、易负担且带有迷你物理接口，而无需数码相机与复杂硬件的助行器即可执行实时导航，助行器还能够将语音警告与实时状况关联且还包括用于侦测烟雾、液体与金属的安全指示器且能被视障人士大范围接受。
发明目的
本发明的主要目的旨在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器，该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口，该电子助行器能够在前后左右方向侦测由地面至其顶部之间物体或障碍物。
本发明的另一目的在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器；该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口；该电子助行器能够侦测楼梯以采用更好且安全的指引系统帮助上下楼梯。
本发明的另一目的在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器；该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口；该电子助行器包括用于侦测烟雾、液体与金属的安全指示器，且还包括装置，用于将所述侦测到的情况通过内置于所述系统内的语音通告装置传送给使用对象。
本发明的另一目的在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器；该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口；该电子助行器能够检测所述被测到障碍物的非正常/正常障碍距离范围，并进一步提供语音播放服务。
本发明的另一目的在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器；该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口；该电子助行器包括任何需要语言的语音警告信息，由此满足从事于各行各业的视障人士的需求。
本发明的另一目的在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器；该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口；该电子助行器可与主体采用无线或有线技术进行通信。
本发明的另一目的在于提供一种用于视障人士与盲人的电子助行器；该电子助行器带有用于对实时情况进行实时导航的迷你物理接口；该电子助行器可靠、低成本、低耗能、轻巧、便捷、能抵御风化且视障人士与盲人易于学会使用。
发明内容
本发明涉及一种为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其包括：
一拐杖如器械/手杖包括可选择性配置的物体/障碍物的检测传感器装置以及包括从任何一个或者多个烟雾检测传感器、液体检测传感器与金属检测传感器中选择的安全指示传感器；
微控制器与收发器装置用于接收传感器输入的信号并产生输出信号以帮助视障人士与盲人；以及工作电源。
本发明中涉及另一种为视障人士与盲人导航的电子助行器，其包括：
设置于拐杖如器械/手杖内的发射部件，拐杖如器械/手杖的前方进一步设置有手柄；该传送件包括：
地平面至腰部水平面物体/障碍物检测传感器装置，其内设置有八个超声波感应器，其中四个超声波感应器设置于其前方，两个感应器设置于其后方，一个设置于其左方，一个设置于其右方；
所述安全指示传感器包括超声波感应器组，其中包括烟雾/火灾探测传感器、液体检测传感器以及金属检测传感器；
以及所述微控制器与无线收发器；
可操作地连接接收部件包括无线收发器、微控制器以及音频装置，该音频装置用于产生音频输出，该音频输出可为用于协助视障人士或盲人的蜂鸣声、预录信息或语音、音频录制与回放快闪记忆体；
以及工作电源，该工作电源为正9V直流电源。
本发明还涉及一种为视障人士与盲人导航的电子助行器，其中所述四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个设置于左方，一个设置于右方；
所述安全指示传感器包括超声波感应器组，其中包括烟雾/火灾探测传感器、液体检测传感器以及金属检测传感器；考虑到视障人士与盲人的高度/舒适，所述安全指示传感器根据电子助行器的高度可选择性地被提供。
本发明进一步涉及一种为视障人士与盲人导航的电子助行器，包括：
DCPS(data collection and processing，数据收集与处理装置)，其包括DCPS显示模组，该DCPS显示部分包括超声波传感器组形成的网状系统，用于对前方、左侧与右侧方障碍物侦测以及侦测对象由地面至腰部的高度，也可应用于上下楼时楼梯的侦测；
DCPS安全部分，其包括烟雾、液体以及金属检测传感器形成的网状系统，该烟雾、液体以及金属检测传感器用于通过向使用对象传达烟雾、火灾、燃气的存在、地板上的液体/水溢出的存在以及金属围栏、金属套、金属地板的存在避免危及生命的伤害；
以及DCPS决定与控制部分，其包括：8位微控制器，该8位微控制器用于处理由设置于显示部分与安全部分内传感器收集的实时数据，从而能够根据比例范围内障碍物警告、基于实时侦测情况调用预先存储的语音信息的有效使用中断以及在与一个判决通信之前通过反复抽样了解到的现状进行实时导航；以及用于包括语音通告的语音/音频公告部分(SAS)的装置，该装置可通过无线/有线模式有效连接，及具有语言灵活性，以将检测的情况传送至使用对象，该装置包含音频录制以及回放快闪记忆体，该回放快闪记忆体带有用于存储所需持续时间的语音信息的容量，该所需持续时间的语音信息在信息数量上具有一个特定的控制，该信息数量通过减少每个信息的持续时间来增加以及采用通用语言去记录语音警告信息，从而由闪存中调用一个相关信息并通过头戴式耳机/塞式耳机传送至使用对象，以警告被检测障碍物情况。
进一步，本发明电子助行器中无线模式的连接采用半双工无线通信，该半双工无线通信包括一个无线电频率调制解调器，优选地，为2.4GHz可操作的无线电频率调制解调器与一个波特率9600比特每秒通信，所述有线模式的通信包括设置于数据收集与处理装置与语音/音频公告部分之间的可拆卸式连接器。
进一步，本发明电子助行器中前方四个传感器用于检测前方位于地平面至腰部水平面之间的障碍物，其中前面较低的三个超声波传感器用于检测上楼梯；左右传感器用于检测左侧与右侧的障碍物，两个超声波传感器被设置于后面较低位置用于有效的检测下楼梯。
进一步，本发明电子助行器中前方较低的三个超声波传感器能够检测上楼梯，该电子助行器包含一个由三个超声波传感器检测到距离变动相互影响的组织模式，用于采用重复数据取样推断得到楼梯检测以使使用对象能在存储的语音信息的帮助下上楼并知道楼梯的结束；其中，两个超声波传感器设置于手杖后下方，使用对象能够在存储的语音信息的帮助下楼并知道楼梯的结束。
进一步，本发明电子助行器中所述用于检测楼梯的传感器装置包括第一前方低位传感器(S1)、第二前方低位传感器(S2)、第三前方低位传感器(S3)、前方高位传感器(S4)、第一后方低位传感器(S5)、第二后方低位传感器(S6)、左侧传感器(S7)以及右侧传感器(S8)，所述微控制器以及收发器装置用于检测楼梯基于所述传感器输入，该传感器输入基于：
d(x)由一个传感器检测的距离(cm)
x踏板深度(tread depth)(cm)
e理论与实际数据之间的误差；
以及上升高度与踏板纹深度由此产生：
(ⅰ)由传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)获得的平均距离读数d(s1),d(s2),d(s3),d(s4),d(s5)以及d(s6)
(ⅱ)验证：
d(s4)≌d(s3)+x+e …(1)
d(s3)≌d(s2)+x+e …(2)
d(s2)≌d(s1)+x+e …(3)
(ⅲ)d(s1)、d(s5)以及d(s6)之间的相关性
(ⅳ)计算x与误差值e之间的距离数值
(ⅴ)假如模式指示现在为上楼或下楼，通过语音信息装置通告并指导涉及装置的使用对象按照此通告上下楼梯，较优地，为蜂鸣声。
进一步，本发明电子助行器包括用于计算使用对象与物体/障碍物动态距离的超声波传感器与微控制器装置，地板状态包括干的、湿的、金属的、非金属的，并且根据检测的烟雾/火灾产生安全指示。
进一步，本发明电子助行器包括两个液体检测传感器与一个金属检测传感器，其中第一液体检测传感器的两个探头间隔设置于助步器/手杖顶部的周围，该金属检测传感器设置于助步器/手杖内离地面大约2厘米的位置，第二液体检测传感器的两个探头安装并设置于金属检测传感器上方，这样，可基于以下方式来区分金属与液体：
进一步，本发明电子助行器包括非正常障碍距离范围，该非正常障碍距离范围包括视力障碍人士的步法分析以及正常走路时的平均步长(40厘米)，这些非正常障碍距离范围与前方障碍物距离相关联，其中，前方整个距离检测范围被划分成平均步长(40厘米)的整数倍数，如下所示：
m = d ( s ) 40
p＝d(s)mod40
其中，d(s)为检测的障碍物距离
m为到达障碍物的频数
p为余数
由此基于m与p的数值产生需要的非正常障碍距离范围。
进一步，本发明电子助行器用于产生使用对象与物体/障碍物动态距离包括所述超声波传感器与微控制器装置并将非正常障碍距离范围与语音信息结合，优选地依据手或步(步法分析的基础)距离选择整个非正常障碍距离范围警告信息，如图表
距离(厘米) 语音信息
少于60 非常近
60-79 两步距离
80-159 四步距离
160-239 六步距离
240-319 八步距离
和/或
序号 厘米距离 非正常障碍距离范围(带语音信息)
1 少于70厘米 物体非常近
2 70厘米-79厘米 物体在一手距离
3 80厘米-139厘米 物体在两手距离
4 140厘米-209厘米 物体在三手距离
5 210厘米-279厘米 物体在四手距离
6 280厘米-349厘米 物体在五手距离
7 350厘米-419厘米 物体在六手距离
8 420厘米-500厘米 物体在七手距离
根据本发明电子助行器另一方面包括用于寻路的微处理装置，微处理装置通过在每个传感器周期(ψ)减少信息重载，八个超声波传感器以一定的序列被激发：
ψ＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt…(6)
其中，F(s1,s5,s6)为同时激发s1,s5,s6超声波传感器
Wt为等待时间(35毫秒)
其中，包含由独立传感器检测到的用于记录平均距离值的两个传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)并被减少信息重载(WRIO)实施，通过产生一个周围相关传感器输出信号的逻辑图并将带有外部声音信息的最小阻塞的最优基本信息传送给的使用对象，如此当它推断存在上楼或下楼时，它调用专用线路并适应性地激发对应的传感器并执行与楼梯相关数据的专用程序，以做出实用的决断。
进一步，本发明电子助行器保持一个步行的安全边界距离，以避免与前方、左右方向可能存在的障碍发生碰撞，较优地，采用用于上下楼梯导航的各种频率蜂鸣声。
进一步，本发明电子助行器用于保持所述减少信息重载，所述减少信息重载包括：
(ⅰ)记录所述传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)的输出信号
ψ(i)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
ψ(i+1)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
(ⅱ)比较检测的状态、计算障碍物距离以及两者大致方向。
(ⅲ)建设一个周围相关传感器输出信号的逻辑图。
(ⅳ)估计在建立的周围地图中可能障碍物的安全边界距离。
(ⅴ)优先收到周围的信息；并
(ⅵ)从通信媒体的可行方案中选择期望的提示(语音信息与各种频率蜂鸣声)并将最佳信息传送至使用对象，包括(a)中断：分别设置有各种频率的蜂鸣声与外部中断的楼梯导航与安全指示器被执行，(b)产生与周围环境相关的最佳信息与提示。
结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步描述。
附图说明
图1a为本发明电子助行器中发射器的功能模块图；
图1b为本发明电子助行器中接收器的功能模块图；
图2a为电子助行器的前视图；
图2b为液体传感器探针与金属传感器的设置位置；
图2c为电子助行器的后视图；
图2d为微控制器芯片；
图2e为音频录制与重放电路；
图2f为烟雾检测传感器；
图2g为液体检测传感器；
图2h为金属检测传感器；
图3为电子助行器处于无线模式状态图；
图4为电子助行器的有线模式状态图；
图5为电子助行器的使用示意图；
图6为电子助行器应用于需要反复转弯的最佳环境示意图；
图7a为电子助行器应用于上楼梯的检测以及帮助上楼梯示意图；
图7b为电子助行器应用于下楼梯的检测以及帮助下楼梯示意图；
图7c为电子助行器应用于金属地面检测的导航示意图；
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
上述用于视力障碍与盲人的电子助行器(ETA)提供实时导航而无需设置数码相机与复杂硬件。该电子助行器为一种真正的嵌入式系统，其集成有八个超声波传感器，一个烟雾(深陷火中)检测传感器，两个液体检测传感器，一个金属检测传感器，音频录制与重放闪存，耳机以及带有微控制器的报警器。电子助行器对位于前方与左右方向5米内的障碍物进行检测。电子助行器能识别地板状态(干/湿/金属/非金属)。电子助行器也能对5.30米范围内的烟雾(深陷火中)进行检测。电子助行器通过语音信息将所有检测的情况传送给使用对象。电子助行器提供无线/有线、低成本、坚固的、可靠的以及友好的解决方案以为盲人导航。
电子助行器大体为白色手杖。使用对象当行走时将电子助行器握于自己的前方。电子助行器为适用于视力障碍与盲人的音频辅助嵌入式导航系统。电子助行器工作于9V直流电源。
图1为本发明较佳实施例中用于为视力障碍或盲人导航的电子助行器中发射器与接收器的功能模块图。其中，图1(a)为发射器模组，图1(b)为接收器模组。图1(b)中接收器放置于使用对象口袋或随身袋中。
电子助行器在发射器及接收器之间提供无线或有线的连接。其中，图2为电子助行器的真实图片。
本发明中用于视力障碍或盲人的电子助行器采用一种不同的途径进行盲人导航，其包括：
通过个性化的手杖设计检测其前方、左右方向由地面至其顶部之间物体/障碍的检测：
如图2为个性化设计电子助行器。电子助行器其内设置有八个超声波传感器。其中，四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个传感器设置于左方且一个传感器设置于右方。电子助行器的正面设置有中央手柄。电子助行器中超声波传感器相对于地面(平面)的具体位置以及距离详细列于下表1。
表1：电子助行器中超声波传感器的具体位置
传感器位置 对应名称 传感器相对于的距离(厘米)
前下方1 S1 07
前下方2 S2 26
前下方3 S3 48
前上方 S4 83
后下方1 S5 08
后下方2 S6 27
左侧 S7 80
右侧 S8 79
使用四个前方传感器，用于完成地面至腰部之间的物体/障碍的检测。左右传感器设置于腰部位置，用于完成左侧与右侧物体/障碍的检测。通过助行器的使用训练，使用对象能够抓住手杖中心，将手指放置于手柄上，以检测头部任意方向的物体/障碍。这样握着能使正确的传感器保持一致。后方两个传感器使用于下楼的情况。
楼梯的检测并帮助上下楼
图2示意八个超声波传感器的位置。前下方三个超声波传感器按表1距离进行设置，电子助行器采用这种设置方式以检测上楼。电子助行器中前方四个超声波传感器与后方两个超声波传感器用于对窄巷道以及上下楼梯进行检测。电子助行器推断正前方139厘米存在上楼梯。
电子助行器采用一种由感应循环结果、射束宽度计算以及用于楼梯建设的标准住宅编码集成的新的组合，用于上下楼梯的检测。当一个距离变动的有序结构模式随着每一个制定的数学模型被检测，当前上楼或下楼将会被宣布。当检测到最高台阶的急速下降后，电子助行器通过使用S1,S5与S6确保坑洼或下楼梯的存在。对于每个用于楼梯建设的标准住宅编码，表2显示楼梯宽度、踏板深度(楼梯被踩上的部分)以及上升高度(楼梯上每个踏板的垂直部分)的最大尺寸。使用对象能够在音频的辅助下上下楼梯并在语音信息的帮助下了解到楼梯的结束。一种用于楼梯检测的算法被提出如下。
表2：楼梯建设的标准住宅编码
详情 尺寸(厘米)
楼梯宽度 91.4
上升高度 19.6
踏板深度 25.4
假设，
d(x)传感器检测的距离(厘米)
x踏板深度(厘米)
e理论与实际的误差
算法
输入：
上升高度与踏板深度
重复：
(ⅰ)由传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)获得的平均距离读数d(s1),d(s2),d(s3),d(s4),d(s5)以及d(s6)
(ⅱ)验证：
d(s4)≌d(s3)+x+e …(1)
d(s3)≌d(s2)+x+e …(2)
d(s2)≌d(s1)+x+e …(3)
(ⅲ)d(s1)、d(s5)以及d(s6)之间的相关性
(ⅳ)计算x与误差值e之间的距离
(ⅴ)基于检测的距离值计算一个模式
(ⅵ)假如模式指示上楼或者下楼存在，采用语音信息通知并通过蜂鸣声指导使用对象继续上下楼梯。
输出：
持续检测并辅助上下楼梯
两个超声波传感器设置于电子助行器的后下方。两个传感器按表1中距离进行设置且专用于下楼梯的检测。使用对象能够下楼梯并在存储的语音信息帮助下了解楼梯的结束。两个传感器保持0-20厘米的范围。电子助行器采用用于物体/障碍检测的超声波传感器，楼梯检测并应用于上楼梯与下楼梯。超声波传感器根据声波的回波工作，不受环境光线/情况的影响。超声波传感器距离范围(5米)与性能优于红外线传感器(前案：RecogizeCane)。红外传感器应用于较小的范围(几厘米)，且可能在环境光线/情况下被误触发并给出错误结果。
安全指示器
当在室内与室外环境中步行时，周围环境，例如地板/表面信息对于使用对象来说非常重要。为了能明白这些信息，电子助行器采用烟雾检测传感器(深陷火中)，液体检测传感器以及金属检测传感器。提前利用上述信息，以避免危及生命的伤害。在烟雾与气体检测传感器的帮助下，使用对象能够知道远方存在烟雾/火灾/气体泄漏。
在金属检测传感器的帮助下，使用对象能够知道金属地板/金属围墙/盖子等。
在液体检测传感器的帮助下，使用对象能够知道液体的存在。现有地板通常采用大理石饰面砖。假设水洒落在地面，甚至一个正常人也不会去注意。如果地面是湿的且滑，使用对象可能滑倒并导致生命危险的伤害。在这种情况下，电子助行器将会提前警告使用对象。液体检测传感器探针设置于手杖底部外围。电子助行器提供最高安全优先级给使用对象。表3显示电子助行器提供的安全指示器的优先级结构。
表3：电子助行器内安全指示器的优先级结构
序号 传感器项目 优先级
1 烟雾(深陷火灾)检测 1
2 湿地面检测 2
3 金属地面检测 3
在电子助行器中，安全指示器采用微控制器的外部中断来执行。烟雾检测根据外部中断0被执行，液体以及金属检测根据微控制器的外部中断1被执行。电子助行器采用不同方式去准确知道地面液体与金属的存在。
液体检测传感器利用导电原理进行工作。液体检测传感器设有两个探针(线)。基于导电性当这此探针靠近液体(水、牛奶、油、泥等)时，传感器知道液体的存在。金属是最好的导体。当这些探针靠近金属时，由于金属导电性，液体检测传感器将金属误识别为液体。(前案：RecognizeCane)
电子助行器采用两个液体检测传感器与一个金属检测传感器准确检测地面的液体与金属。第一液体检测传感器的两个探针间隔设置于电子助行器底部的外围。金属检测传感器设置于电子助行器内部并距离地面2厘米高。第二液体检测传感器的两个探针被绝缘并设置于金属检测传感器上方。电子助行器基于表4来识别液体与金属。
表4：电子助行器识别液体与金属的原则
仅当金属与液体检测传感器均发出正响应时，助行器才识别第二液体检测传感器的输出信号。根据表4，电子助行器做出准确判断。第二液体检测传感器用于了解地面液体的水平。其中上表中“/”为非可用的(不用考虑)。
非正常/正常障碍距离范围：
现有技术中，许多发明人设计有用于检测使用对象周围远距离的物体/障碍。发明人采用基于音频弹片的触觉传感器、触觉或蜂鸣器表示使用对象与物体/障碍的距离。有些采用文本转换成语音的方式通知上述距离。
电子助行器采用超声波传感器与微控制器计算使用对象与物体/障碍的动态距离。电子助行器能够知道任意方向5米范围内的物体/障碍。电子助行器能够采用语音信息通知计算的实时距离当位于数米或数厘米内时。为了使距离的理解更加有吸引力，电子助行器采用非正常障碍距离范围方式。非正常障碍距离范围的示例列于下面表5中。
表5：电子助行器中非正常障碍距离范围的示例
基于视力障碍人士的步法分析，当正常走路时，得到平均步长(40厘米)，并能够与用于非正常距离范围的前方障碍物距离相关联。前方整个距离检测范围能够被划分成40厘米的整数。
m = d ( s ) 40 . . . 4
p＝d(s)mod40 …5
其中，d(s)为检测的障碍物距离
m为到达障碍物的频数
p为余数
基于m与p的数值产生需要的非正常障碍距离范围。步法分析基于示意前方非正常距离范围信息被列出于表6中。
按照手或步法(基于步法分析)的距离分析的全距非正常距离比例警告信息的选择将提供给使用对象。采用基于非正常距离范围的手距离为默认操作。
表6：非正常距离(前方)信息示例
距离(厘米) 语音信息
少于60 非常近
60-79 两步距离
80-159 四步距离
160-239 六步距离
240-319 八步距离
用于将所检测的状态传送给使用对象的语音警告信息
现有技术中，许多发明人采用振动阵列、基于音频弹片的蜂鸣声或文本与语音的转换，将任何检测的状态通知给使用对象。电子助行器采用预录的语音信息，将任何检测的状态通知给使用对象。电子助行器使用音频录音与重放闪存存储器。电子助行器能够存储64条语音信息，每条持续7.5秒。信息的数量能够增加通过减少每条信息的持续时间。微控制器处理由超声波、烟雾检测、液体检测以及金属检测传感器收集的实时数据、、并做出准确的判断。基于判断结果，相关信息从闪存存储器内调用并通过耳机传送至使用对象。
用于减少信息重载的寻路的新算法通过微控制器执行。如等式(6)，在每个传感器周期ψ(i)内，八个超声波传感器以一定的序列被激发。
ψ＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt…(6)
其中，F(s1,s5,s6)为同时激发s1,s5,s6超声波传感器
Wt为等待时间(35毫秒)
两个传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)用于记录由独立传感器检测到的平均距离值。在实时环境中，新信息产生率是非常高的且直接将如此庞大的信息量传送给盲人可能会产生混淆并影响移动。
算法：
用于减少信息重载的寻路的新算法被执行。新算法将建设周围相关传感器输出信号的逻辑地图并将带有外部声音信息的最小阻塞的最优基本信息传送给的使用对象。当推断上下楼梯的存在，电子助行器将调用专用路线，适应性地激发对应的传感器并执行楼梯相关数据的专用程序，以做出实用的决断。各种频率蜂鸣器用于楼梯导航。电子助行器建立一个使用对象前方、左右方且径向距离500厘米内的逻辑地图。系统将在使用对象前方、左右方保持一个安全边界距离，以避免使用对象与前方、左右方可能存在的障碍发生碰撞。
减少信息重载算法
反复：
记录传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)的输出信号
ψ(i)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
ψ(i+1)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
比较检测的状态、计算障碍物距离以及两者大致方向。
根据相关的传感器输出信号建立一张周围环境的逻辑地图。
估计在建立的周围环境的地图中可能障碍物的安全边界距离。
优先收到周围环境的信息。
从通信媒体的可行方案中选择期望的提示(语音信息与各种频率蜂鸣声)并将最佳信息传送至使用对象。
中断：
分别设置有各种频率蜂鸣声与外部中断的楼梯导航与安全指示器被执行。
输出：
产生与周围环境相关的最佳信息与提示。
灵活使用任何语音的语音警告信息
现有技术中，用于导航的语音，许多发明人使用文本转换成语音。这种情况中，发明人只能将文本转换成英语一种语言。由于电子助行器使用闪存存储器存储预录的语音信息，如此可使用任何语言而不存阻碍。任何吸引人的通用语言能够被用于录制语音警告信息。电子助行器提供一个用于录制与存储该语音警告信息的简单机械。
电子助行器包括两个主要部分：
(1)DCPS以及
(2)SAS
1.DCPS
这部分形成了电子助行器的发射器，且设置于中空的电子助行器内。数据收集与处理部分进一步包括三个部分。
1.显示部分
2.安全部分
3.决定与控制部分
DCPS显示部分
在电子助行器中，采用八个超声波传感器组成的网状系统进行显示。传感器的设置位置显示于图2中。四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个传感器设置于左侧，另一个传感器设置于右侧。一个中央手柄设置于电子助行器的前方。前方超声波传感器的具体设置位置与距离显示于表1中。采用这四个传感器，可以完成由地面至腰部的物体/障碍的检测。采用左传感器与右传感器便能完成左侧与右侧的物体/障碍的检测。根据提供的使用训练，使用对象能够抓住电子助行器的中心并将手指放置于手柄上，以检测头部任意方向的物体/障碍。在这种情况下握持能保持正确的传感器校准。
系统不同元件的描述由以下附图2(a)-2(h)提示：
1.前上方超声波传感器；2.前第一下方超声波传感器；3.前第二下方超声波传感器；4.前第三下方超声波传感器；5.后第一下方超声波传感器；6.后第二下方超声波传感器；7.左下方超声波传感器；8.右下方超声波传感器；9.烟雾检测传感器(设置于手杖内)；10.烟雾检测传感器窗口；11.液体检测传感器(设置于手杖内)；12.第一液体检测传感器探针；13.第二液体检测传感器探针；14.金属检测传感器(设置于手杖内)；15.音频录制与重放闪存(电子助行器接收器)；16.微控制器卡(设置于手杖内)；17.无线发射器；18.蜂鸣器(设置于电子助行器手柄内)；19.9V直流电源(设置于电子助行器手柄内)；20.开关；21.中央手柄。
前下方三个超声波传感器的具体位置与距离显示于表1内。电子助行器采用这种布置方式以对上楼进行检测。一个由三个传感器检测的距离变化的相关结构模式被用于检测楼梯。数据的重复取样是为了结束楼梯检测。使用对象能在存储的语音信息的帮助下上楼并知道楼梯结束。两个超声波传感器设置于电子助行器的后下方。这两个超声波传感器的具体位置与距离显示于表1中，且专用于下楼的检测。使用对象在存储的语音信息的帮助下楼并知道楼梯的结束。两个传感器相互保持0厘米至20厘米的间隔。电子助行器采用超声波传感器进行物体/障碍检测、楼梯检测、上楼与下楼的应用。电子助行器采用超声波传感器与微控制器计算使用对象与物体/障碍的动态距离，其可知道任意方向5米内的物体/障碍。电子助行器能够采用语音信息播报计算的实时距离当它为数米或数厘米时。电子助行器使用非正常障碍范围的方式使距离通告更加有吸引力。非正常障碍距离范围的示例显示于下表7中。
表7：电子助行器中非正常障碍距离范围示例
序号 厘米距离 非正常障碍距离范围(带语音信息)
1 少于70厘米 物体非常近
2 70厘米-79厘米 物体在一手距离
3 80厘米-139厘米 物体在两手距离
4 140厘米-209厘米 物体在三手距离
5 210厘米-279厘米 物体在四手距离
6 280厘米-349厘米 物体在五手距离
7 350厘米-419厘米 物体在六手距离
8 420厘米-500厘米 物体在七手距离
超声波传感器根据声波的回波工作，不受环境光线/情况的影响。超声波传感器的范围(5米)与性能优于红外线传感器。红外线传感器应用于较小的范围(几厘米)，且可能在环境光线/情况下被误触发并给出错误结果。
数据收集与处理的安全部分
当在室内与室外环境中步行时，周围环境，例如地板/表面信息对于使用对象来说非常重要。为了能明白这些信息，电子助行器采用烟雾检测传感器(深陷火中)，液体检测传感器以及金属检测传感器。提前利用上述信息，以避免危及生命的伤害。在烟雾与气体检测传感器的帮助下，使用对象能够知道远方存在烟雾/火灾/气体泄漏。在金属检测传感器的帮助下，使用对象能够知道金属地板/金属围墙/盖子等。在液体检测传感器的帮助下，使用对象能够知道液体的存在。现有地板通常采用大理石饰面砖。假设水洒落在地面，甚至一个正常人也不会去注意。如果地面是湿的且滑，使用对象可能滑倒并导致生命危险。在这种情况下，电子助行器将会提前警告使用对象。液体检测传感器探针设置于手杖底部外围。电子助行器提供最高安全优先级给使用对象。表8将显示电子助行器提供的安全指示器的优先级结构。
表8：电子助行器内安全指示器的优先级结构
序号 传感器项目 优先级
1 烟雾(深陷火灾)检测 1
2 湿地面检测 2
3 金属地面检测 3
在电子助行器中，安全指示器采用微控制器的外部中断来执行。烟雾检测实现外部中断0，液体以及金属检测实现微控制器的外部中断1。液体检测传感器利用导电原理进行工作。液体检测传感器设有两个探针(线)。基于导电性当这此探针靠近液体(水、牛奶、油、泥等)时，传感器知道液体的存在。金属是最好的导体。当这些探针靠近金属时，由于金属导电性，液体检测传感器将金属误识别为液体。电子助行器采用两个液体检测传感器与一个金属检测传感器准确检测地面的液体与金属。第一液体检测传感器的两个探针间隔设置于电子助行器底部的外围。金属检测传感器设置于电子助行器内部并距离地面2厘米高。第二液体检测传感器的两个探针被绝缘并设置于金属检测传感器上方。电子助行器基于表9来识别液体与金属。
表9：电子助行器识别液体与金属的原则
其中上表中“/”为非可用的(不用考虑)。
仅当金属与液体检测传感器均发出正响应时，助行器才识别第二液体检测传感器的输出信号。使用表2电子助行器做出准确判断。第二液体检测传感器用于了解地面液体的水平。当检测到前方、左右方存在障碍时，电子助行器开启蜂鸣器在1分钟内以指示所有方向障碍的情况。
数据收集与处理的决定与控制部分
采用11.0592兆赫兹的8比特微控制器处理由上述提及的传感器收集的实时数据。实时导航根据比例范围内障碍物警告以及微控制器的有效使用中断被执行。在做出决定之前数据被重复取样。微控制器根据实时检测与了解的问题调用预录的语音信息。
2.语音通知部分(SAS)
电子助行器采用预录的语音信息，将任何检测的状态通知给使用对象。电子助行器使用音频录音与重放闪存存储器。电子助行器能够存储64条语音信息，每条持续7.5秒。信息的数量能够增加通过减少每条信息的持续时间。微控制器处理超声波收集的实时数据、烟雾检测、液体检测以及金属检测传感器并做出准确的判断。基于判断结果，从闪存存储器内调用相关信息并通过耳机传送至使用对象。由于电子助行器使用闪存存储器存储预录的语音信息，如此可使用任何语言而不存阻碍。任何吸引人(针对使用对象)的通用语言能够被用于录制语音警告信息。电子助行器提供一个用于录制与存储该语音警告信息的简单机械。
基于数据收集与处理模组与语音通知部分之间的通信，电子助行器具有两种工作模式：
A.无线模式
B.有线模式
A.无线模式
在无线模式中，一种无线连接用于分享决策并在数据收集与处理模组与语音通知部分之间调用相关的语音信息。在这种模式中，采用2.4GHz可操作的无线电频率调制解调器的半双工无线通信被执行。一个波特率9600比特每秒被应用于该通信中。
图3显示该无线模式中的电子助行器
B.有线模式
在有线通信模式中，可拆卸式连接器设置于数据收集与处理装置与语音/音频公告部分之间。该连接器传递这些决定以调用存储于语音部分的相关信息。在这种模式，无线发射器中的收发端与接收端被禁用。图4显示无线模式中的电子助行器系统。
根据使用对象的需求，任何一种模式均可被选择以用于导航。模式选择开关设置于电子助行器内。用于导航所有模式都是舒适的。无线模式减少了使用对象的物理接口。
使用的最佳方式
电子助行器的设计符合人体工程学。使用对象可以将电子助行器放于其前方，并垂直于地面。为了方便行走，使用对象与手杖之间需要保持至少20-30厘米。电子助行器的使用方式显示于图5中，其中，使用对象鼓励扫描头部水平障碍，无论何时他/她在任意方向遭遇下方或腰部高度的障碍。
检测详情：
所有使用的传感器，作为一个系统它们的功能与特征是单独的。超声波传感器组、液体检测传感器、金属检测传感器以及火灾检测传感器的范围、精确度以及可重复性均被测试。范围详情与传感器与微控制器的连接显示于表10中。
表10：传感器与其它设备的连接、原理以及验证范围
其中上表中“/”为非可用的(不用考虑)。
障碍距离范围以每一块70厘米被完成。为了对距离更好的了解，70厘米的距离被认为距离使用对象一手之长。
性能评估
为了评估性能，电子助行器通过初学者与受过培训者在室内与室外环境进行测试。为了更顺利的使用，需要对电子助行器进行基础训练。总共八组训练被记录。四组无楼梯与四组有楼梯被记录，一组四个蒙住眼睛的使用对象在模拟的室内与室外环境中。其中，一组中两个为受过培训的使用对象，两个为初学者。
具有反复转弯的测试环境
在蒙住眼睛后，使用对象被要求行走，其前方、左右方向15米范围内被设置有不同类型障碍。障碍与其它计划的情况被准备于室内测试环境如图6所示。
测试环境的具体障碍的位置与距离列于表11中。
表11：带有反复转变的测试环境的障碍与计划的情形
受过培训者与初学者成功通过测试环境所需时间被测量，受过培训的与初学者的行走速度被计算并列于表12中。
表12：使用对象在带有反复转弯测试环境性能表
具有上下楼梯的测试环境
该测试执行于两个受过培训者与两个初学者上。
在蒙住眼睛后，使用对象被要求行走，其前方、左右方向30米范围内被设置有不同类型障碍。障碍与其它带有金属地板、上下楼梯情况被选择设置于该测试环境中，具体如图7(a)、(b)与(c)。
具体测试环境列于表13内。
表13：带有上下楼梯的测试环境
序号 障碍位置/情况 与使用对象的距离
1 障碍位于前方与左方 2
2 上楼梯 4
3 障碍位于左方与前方 9
4 湿下楼梯 10
5 金属地板 16
6 障碍在前上方与右方 20
7 火包围 25
8 障碍位于前方、左方与右方 30
受过培训者与初学者成功通过测试环境所需时间被测量，受过培训的与初学者的行走速度被计算并列于表14中。
表14：使用对象上下楼梯性能表
上述测试通过传授一个对蒙住眼睛的使用对象14小时(一周)的培训被记录。定期使用电子助行器将改进受过培训者的行走速度。
在上述两个测试中，当导航时，电子助行器基于表15中的语音信息调用非正常距离范围与情形样本。
表15：电子助行器调用的语音信息样本
该用于视力障碍与盲人的电子助行器为用于符合障碍距离与检测情况的相关传感器的集成。电子助行器进一步用于调用重复数据样本与平均方法，以解决任何障碍距离或情况冲突。
因此有必要提供一种用于视力障碍与盲人的电子助行器，以帮助视力障碍与盲人，其包括以下独特且技术先进的特征：
1.个性化的手杖以及传感器位置设计
2.无线与有线模式操作
3.前方、左侧与右侧障碍检测
4.前方、左侧与右侧地面至头部高度障碍检测
5.用于已检测障碍/情况的语音播报
6.已检测障碍的非正常距离范围
7.上楼梯的检测
8.辅助上楼梯的语音
9.下楼梯的检测
10.辅助下楼梯的语音
11.烟雾火灾检测
12.液体以及液体水平检测
13.金属检测
14.语音信息灵活运用各种语言
用于视力障碍与盲人的电子助行器的优点包括：
1.前方、左侧与右侧障碍检测
2.前方、左侧与右侧地面至头部高度障碍检测
3.楼梯导航
4.用于已检测障碍/情况的语音播报
5.已检测障碍的非正常距离范围
6.烟雾、液体以及金属的安全指示器
7.较少的训练时间
8.低能量消耗
9.轻巧
10.便携
11.结实
12.易负担
13.使用极小物理接口
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括：
一拐杖如器械/手杖，其包括可选择设置的用于对使用对象由地面至腰部的高度任意方向物体/障碍检测包括楼梯检测、上楼梯与下楼梯的传感器装置；
以及选自于任意一个或多个烟雾检测传感器、液体检测传感器、金属检测传感器的安全指示传感器；
微控制器以及用于接收传感器输入信号的收发器装置，因此能够进行实时导航以检测非正常/正常障碍物并产生输出信号，包括距离范围不同警告语音信息以表明所述障碍物距离以帮助视障人士与盲人；
所述用于提供所述实时导航的微控制器装置包括记录并比较传感器输出信号并根据相关的传感器输出信号建立一张周围环境的逻辑地图；估计在建立的周围环境地图中可能障碍物的安全边界距离并优先收到周围环境的信息；传送与周围环境相关的最佳信息与提示；
以及工作电源。
2.如权利要求1所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括设置于所述拐杖内的发射器模组，该拐杖前方设置有手柄，发射器模组包括地面至腰部物体/障碍检测传感器装置，地面至腰部物体/障碍检测传感器装置包括设置于其内的八个超声波传感器，其中四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个传感器设置于左方且一个传感器设置于右方；发射器模组包括所述安全指示传感器，安全指示传感器包括嵌入的超声波传感器组，超声波传感器组包括烟雾/火灾检测传感器、液体检测传感器以及金属检测传感器；发射器模组包括所述微控制器以及无线收发装置；
可操作连接的接收模组，其包括无线收发器、微控制器以及用于产生的音频输出的音频装置，音频输出选自蜂鸣声、预录信息/语音、音频录制以及重放闪存以帮助视障人士与盲人；
以及工作电源，该工作电源为正9V直流电源。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：所述四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个设置于左方且一个设置于右方；所述安全指示传感器包括内嵌的超声波传感器组，考虑到视障人士与盲人的高度/舒适，所述安全指示传感器根据电子助行器的高度可选择性地被提供。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括装置用于数据收集与处理(DCPS,data collection and processing)包括：
DCPS显示部分，其包括由超声波传感器组形成的网状系统，用于对前方、左侧与右侧方障碍物侦测以及侦测对象由地面至腰部的高度，也可应用于上下楼时楼梯的侦测；
DCPS安全部分，其包括烟雾、液体以及金属检测传感器形成的网状系统，用于通过向使用对象传达烟雾、火灾、燃气的存在、地板上的液体/水溢出的存在以及金属围栏、金属套、金属地板的存在避免危及生命的伤害；
DCPS决定与控制部分，其包括8位微控制器，该8位微控制器用于处理由设置于显示部分与安全部分内传感器收集的实时数据，从而能够根据比例范围内障碍物警告、基于实时侦测情况调用预先存储的语音信息的有效使用中断以及在与一个判决通信之前通过反复抽样了解到的现状进行实时导航；以及
用于语音/音频公告部分(SAS)的装置，可通过无线/有线模式有效连接，及具有语言灵活性，以将检测的情况传送至使用对象，该装置包含音频录制以及回放快闪记忆体，该回放快闪记忆体带有用于存储所需持续时间的语音信息的容量，该所需持续时间的语音信息在信息数量上具有一个特定的控制，该信息数量通过减少每个信息的持续时间来增加以及采用通用语言去记录语音警告信息，从而由闪存中调用一个相关信息并通过头戴式耳机/塞式耳机传送至使用对象，以警告被检测障碍物情况。
5.如权利要求4所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：无线模式的连接采用半双工无线通信，该半双工无线通信包括一个无线电频率调制解调器，特别为2.4GHz可操作的无线电频率调制解调器与一个波特率9600比特每秒通信，所述有线通信模式包括设置于数据收集与处理装置与语音/音频公告部分之间可拆卸式连接器。
6.如权利要求2-5中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：前方四个传感器用于检测前方位于地平面至腰部水平面之间的障碍物，其中前面较低的三个超声波传感器用于检测上楼梯；左右传感器用于检测左侧与右侧的障碍物，两个超声波传感器被设置于后面较低位置用于有效的检测下楼梯。
7.如权利要求6所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：前方较低的三个超声波传感器能够检测上楼梯，该电子助行器包含一个由三个超声波传感器检测到距离变动相互影响的组织模式，用于采用重复数据取样检测楼梯且用于结束楼梯检测使使用对象能在存储的语音信息的帮助下上楼并知道楼梯的结束；其中，两个超声波传感器设置于手杖后下方，使用对象能够在存储的语音信息的帮助下楼并知道楼梯的结束。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：用于检测楼梯的传感器装置包括第一前方低位传感器(S1)、第二前方低位传感器(S2)、第三前方低位传感器(S3)、前方高位传感器(S4)、第一后方低位传感器(S5)、第二后方低位传感器(S6)、左侧传感器(S7)以及右侧传感器(S8)，所述微控制器以及收发器装置用于检测楼梯基于所述传感器输入，该传感器输入基于：
d(x)由一个传感器检测的距离(cm)
x踏板深度(tread depth)；
e理论与实际数据之间的误差；
以及上升高度与胎纹深度由此产生：
(ⅰ)由传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)获得的平均距离读数d(s1),d(s2),d(s3),d(s4),d(s5)以及d(s6)
(ⅱ)验证：
d ( s 4 ) ≅ d ( s 3 ) + x + e . . . ( 1 )
d ( s 3 ) ≅ d ( s 2 ) + x + e . . . ( 2 )
d ( s 2 ) ≅ d ( s 1 ) + x + e . . . ( 3 )
(ⅲ)d(s1)、d(s5)以及d(s6)之间的相关性
(ⅳ)计算x与误差值e之间的距离
(ⅴ)假如模式指示现在为上楼或下楼，通过语音信息装置通告
较优地为蜂鸣声指导涉及装置的使用对象按照此通告上下楼梯。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括用于产生使用对象与物体/障碍物动态距离的超声波传感器与微控制器装置，地板状态包括干的、湿的、金属的、非金属的，并且根据检测的烟雾/火灾产生安全指示。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括两个液体检测传感器与一个金属检测传感器，其中第一液体检测传感器的两个探头间隔设置于助步器/手杖顶部的周围，该金属检测传感器设置于助步器/手杖内离地面2厘米的位置，第二液体检测传感器的两个探头安装并设置于金属检测传感器上方，基于以下方式来区分金属与液体：
11.如权利要求1-10中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括非正常障碍距离范围，该非正常障碍距离范围包括视力障碍人士的步法分析以及正常走路时的平均步长(40厘米)，这些非正常障碍距离范围与前方障碍物距离相关联，其中，前方整个距离检测范围被划分成平均步长(40厘米)的整数倍数，如下所示：
m = d ( s ) 40
p＝d(s) mod40
其中，d(s)为检测的障碍物距离
m为到达障碍物的频数
p为余数
由此基于m与p的数值产生需要的非正常障碍距离范围。
12.如权利要求1-11中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括用于产生使用对象与物体/障碍物动态距离包括所述超声波传感器与微控制器装置并将非正常障碍距离范围与语音信息结合，较优地依据手或步(步法分析的基础)距离选择整个非正常障碍距离范围警告信息，如图表
距离(厘米) 语音信息
少于60 非常近
60-79 两步距离
80-159 四步距离
160-239 六步距离
240-319 八步距离
和/或
序号 厘米距离 非正常障碍距离范围(带语音信息)
1 少于70厘米 物体非常近
2 70厘米-79厘米 物体在一手距离
3 80厘米-139厘米 物体在两手距离
4 140厘米-209厘米 物体在三手距离
5 210厘米-279厘米 物体在四手距离
6 280厘米-349厘米 物体在五手距离
7 350厘米-419厘米 物体在六手距离
8 420厘米-500厘米 物体在七手距离
13.如权利要求1-12中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括用于寻路的微处理装置，微处理装置通过在每个传感器周期(ψ)减少信息重载，八个超声波传感器以一定的序列被激发：
ψ＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt…(6)
其中，F(s1,s5,s6)为同时激发s1,s5,s6超声波传感器
Wt为等待时间(35毫秒)
其中，包含由独立传感器检测到的用于记录平均距离值的两个传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)并被减少信息重载(WRIO)实施，微处理装置通过产生一个周围相关传感器输出信号的逻辑图并将带有外部声音信息的最小阻塞的最优基本信息传送给的使用对象，如此当它推断存在上楼或下楼时，微控制器装置调用专用线路并适应性地激发对应的传感器并执行与楼梯相关数据的专用程序，以做出实用的决断。
14.如权利要求1-13中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：电子助行器保持一个步行的安全边界距离，以避免与前方、左右方向可能存在的障碍发生碰撞，较优地，采用用于上下楼梯导航的变频蜂鸣声。
15.如权利要求13-14中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：电子助行器用于保持所述减少信息重载，所述减少信息重载包括：
(ⅰ)记录所述传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)的输出信号
ψ(i)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
ψ(i+1)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
(ⅱ)比较检测的状态、计算障碍物距离以及两者大致方向。
(ⅲ)建设一个周围相关传感器输出信号的逻辑图。
(ⅳ)估计在建立的周围地图中可能障碍物的安全边界距离。
(ⅴ)优先收到周围的信息；并
(ⅵ)从通信媒体的可行方案中选择期望的提示(语音信息与变频蜂鸣声)并将最佳信息传送至使用对象，包括(a)中断：分别设置有变频蜂鸣声与外部中断的楼梯导航与安全指示器被执行，(b)产生与周围环境相关的最佳信息与提示。

Claims (16)

1.一种为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：
包括：
一拐杖如器械/手杖，其包括可选择地设置物体/障碍检测传感器装置以及选自于任意一个或多个烟雾检测传感器、液体检测传感器、金属检测传感器的安全指示传感器；
微控制器以及用于接收传感器输入信号并产生帮助视障人士与盲人输出信号的收发器装置；以及工作电源。
2.如权利要求1所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括设置于所述拐杖内的发射器模组，该拐杖前方设置有手柄，发射器模组包括地面至腰部物体/障碍检测传感器装置，地面至腰部物体/障碍检测传感器装置包括设置于其内的八个超声波传感器，其中四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个传感器设置于左方且一个传感器设置于右方；发射器模组包括所述安全指示传感器，安全指示传感器包括嵌入的超声波传感器组，超声波传感器组包括烟雾/火灾检测传感器、液体检测传感器以及金属检测传感器；发射器模组包括所述微控制器以及无线收发装置；
可操作连接的接收模组，其包括无线收发器、微控制器以及用于产生音频输出的音频装置，音频输出选自蜂鸣声、预录信息/语音、音频录制以及重放闪存以帮助视障人士与盲人；
以及工作电源，该工作电源为正9V直流电源。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：所述四个超声波传感器设置于前方，两个传感器设置于后方，一个设置于左方且一个设置于右方；所述安全指示传感器包括内嵌的超声波传感器组，考虑到视障人士与盲人的高度/舒适，所述安全指示传感器根据电子助行器的高度可选择性地被提供。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括装置用于数据收集与处理(DCPS,data collection and processing)包括：
DCPS显示部分，其包括由超声波传感器组形成的网状系统，用于对前方、左侧与右侧方障碍物侦测以及侦测对象由地面至腰部的高度，也可应用于上下楼时楼梯的侦测；
DCPS安全部分，其包括烟雾、液体以及金属检测传感器形成的网状系统，用于通过向使用对象传达烟雾、火灾、燃气的存在、
地板上的液体/水溢出的存在以及金属围栏、金属套、金属地板的存在避免危及生命的伤害；
DCPS决定与控制部分，其包括8位微控制器，该8位微控制器用于处理由设置于显示部分与安全部分内传感器收集的实时数据，从而能够根据比例范围内障碍物警告、基于实时侦测情况调用预先存储的语音信息的有效使用中断在与一个判决通信之前通过反复抽样了解到的现状进行实时导航；以及
用于语音/音频公告部分(SAS)的装置，可通过无线/有线模式有效连接，及具有语言灵活性，以将检测的情况传送至使用对象，该装置包含音频录制以及回放快闪记忆体，该回放快闪记忆体带有用于存储所需持续时间的语音信息的容量，该所需持续时间的语音信息在信息数量上具有一个特定的控制，该信息数量通过减少每个信息的持续时间来增加以及采用通用语言去记录语音警告信息，从而由闪存中调用一个相关信息并通过头戴式耳机/塞式耳机传送至使用对象，以警告被检测障碍物情况。
5.如权利要求4所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：无线模式的连接采用半双工无线通信，该半双工无线通信包括一个无线电频率调制解调器，特别为2.4GHz可操作的无线电频率调制解调器与一个波特率9600比特每秒通信，所述有线模式的通信包括设置于数据收集与处理装置与语音/音频公告部分之间可拆卸式连接器。
6.如权利要求2-5中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：前方四个传感器用于检测前方位于地平面至腰部水平面之间的障碍物，其中前面较低的三个超声波传感器用于检测上楼梯；左右传感器用于检测左侧与右侧的障碍物，两个超声波传感器被设置于后面较低位置用于有效的检测下楼梯。
7.如权利要求6所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：前方较低的三个超声波传感器能够检测上楼梯，该电子助行器包含一个由三个超声波传感器检测到距离变动相互影响的组织模式，用于采用重复数据取样推断得到楼梯检测以使使用对象能在存储的语音信息的帮助下上楼并知道楼梯的结束；其中，两个超声波传感器设置于手杖后下方，使用对象能够在存储的语音信息的帮助下楼并知道楼梯的结束。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：用于检测楼梯的传感器装置包括第一前方低位传感器(S1)、第二前方低位传感器(S2)、第三前方低位传感器(S3)、前方高位传感器(S4)、第一后方低位传感器(S5)、第二后方低位传感器(S6)、左侧传感器(S7)以及右侧传感器(S8)，所述微控制器以及收发器装置用于检测楼梯基于所述传感器输入，该传感器输入基于：
d(x)由一个传感器检测的距离(cm)
x踏板深度(tread depth)(cm)
e理论与实际数据之间的误差；
以及上升高度与踏板纹深度由此产生：
(ⅰ)由传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)获得的平均距离读数d(s1),d(s2),d(s3),d(s4),d(s5)以及d(s6)
(ⅱ)验证：
d ( s 4 ) ≅ d ( s 3 ) + x + e . . . ( 1 )
d ( s 3 ) ≅ d ( s 2 ) + x + e . . . ( 2 )
d ( s 2 ) ≅ d ( s 1 ) + x + e . . . ( 3 )
(ⅲ)d(s1)、d(s5)以及d(s6)之间的相关性
(ⅳ)计算x与误差值e之间的距离
(ⅴ)假如模式指示现在为上楼或下楼，通过语音信息装置通告较优地为蜂鸣声指导涉及装置的使用对象按照此通告上下楼梯。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括用于产生使用对象与物体/障碍物动态距离的超声波传感器与微控制器装置，地板状态包括干的、湿的、金属的、非金属的，并且根据检测的烟雾/火灾产生安全指示。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括两个液体检测传感器与一个金属检测传感器，其中第一液体检测传感器的两个探头间隔设置于助步器/手杖顶部的周围，该金属检测传感器设置于助步器/手杖内离地面2厘米的位置，第二液体检测传感器的两个探头安装并设置于金属检测传感器上方，基于以下方式来区分金属与液体：
11.如权利要求1-10中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括非正常障碍距离范围，该非正常障碍距离范围包括视力障碍人士的步法分析以及正常走路时的平均步长(40厘米)，这些非正常障碍距离范围与前方障碍物距离相关联，其中，前方整个距离检测范围被划分成平均步长(40厘米)的整数倍数，如下所示：
m = d ( s ) 40
p＝d(s) mod40
其中，d(s)为检测的障碍物距离
m为到达障碍物的频数
p为余数
由此基于m与p的数值产生需要的非正常障碍距离范围。
12.如权利要求1-11中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：用于产生使用对象与物体/障碍物动态距离包括所述超声波传感器与微控制器装置并将非正常障碍距离范围与语音信息结合，较优地依据手或步(步法分析的基础)距离选择整个非正常障碍距离范围警告信息，如图表
距离(厘米) 语音信息 少于60 非常近 60-79 两步距离 80-159 四步距离 160-239 六步距离 240-319 八步距离
和/或
序号 厘米距离 非正常障碍距离范围(带语音信息) 1 少于70厘米 物体非常近 2 70厘米-79厘米 物体在一手距离 3 80厘米-139厘米 物体在两手距离 4 140厘米-209厘米 物体在三手距离 5 210厘米-279厘米 物体在四手距离 6 280厘米-349厘米 物体在五手距离 7 350厘米-419厘米 物体在六手距离 8 420厘米-500厘米 物体在七手距离
13.如权利要求1-12中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：包括用于寻路的微处理装置，微处理装置通过在每个传感器周期(ψ)减少信息重载，八个超声波传感器以一定的序列被激发：
ψ＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt…(6)
其中，F(s1,s5,s6)为同时激发s1,s5,s6超声波传感器
Wt为等待时间(35毫秒)
其中，包含由独立传感器检测到的用于记录平均距离值的两个传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)并被减少信息重载(WRIO)实施，通过产生一个周围相关传感器输出信号的逻辑图并将带有外部声音信息的最小阻塞的最优基本信息传送给的使用对象，如此当它推断存在上楼或下楼时，微控制器装置调用专用线路并适应性地激发对应的传感器并执行与楼梯相关数据的专用程序，以做出实用的决断。
14.如权利要求1-13中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：电子助行器保持一个步行的安全边界距离，以避免与前方、左右方向可能存在的障碍发生碰撞，较优地，采用用于上下楼梯导航的各种频率蜂鸣声。
15.如权利要求13-14中任意一项所述的为视障人士与盲人实时导航的电子助行器，其特征在于：电子助行器用于保持所述减少信息重载，所述减少信息重载包括：
(ⅰ)记录所述传感器周期ψ(i)与ψ(i+1)的输出信号
ψ(i)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
ψ(i+1)＝F(s1,s5,s6)+Wt+F(s2,s7,s8)+Wt+F(s3,s4,s5)+Wt
(ⅱ)比较检测的状态、计算障碍物距离以及两者大致方向。
(ⅲ)建设一个周围相关传感器输出信号的逻辑图。
(ⅳ)估计在建立的周围地图中可能障碍物的安全边界距离。
(ⅴ)优先收到周围的信息；并
(ⅵ)从通信媒体的可行方案中选择期望的提示(语音信息与各种频率蜂鸣声)并将最佳信息传送至使用对象，包括(a)中断：分别设置有各种频率蜂鸣声与外部中断的楼梯导航与安全指示器被执行，(b)产生与周围环境相关的最佳信息与提示。
16.一种为视障人士与盲人实时导航的电子助行器被描述与阐明结合对应的附图。
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