CN104068997A - 多功能导盲拐杖 - Google Patents

Abstract

本发明公开了残障人士专用设备设计技术领域中的一种多功能导盲拐杖。包括手柄、杖杆、触地开关、角度测量单元、微波泥水检测单元、超声波测距单元、报警器和电源；触地开关安装于杖杆底部，角度测量单元和微波泥水检测单元安装于杖杆内，超声波测距单元、报警器和电源安装在手柄内或杖杆内。角度测量单元计算杖杆与地面的角度，并将所述角度发送至微波泥水检测单元和超声波测距单元；微波泥水检测单元用于根据角度计算泥水深度；超声波测距单元用于根据所述角度调整超声波发射角度；报警器用于发出警报。本发明弥补了现有导盲拐杖在测量角度、泥水深度和判断前方障碍物时存在的不足。

Description

多功能导盲拐杖

技术领域

本发明属于残障人士专用设备设计技术领域，尤其涉及一种多功能导盲拐杖。

背景技术

随着社会的发展，人们对于生活质量的要求越来越高，盲人朋友也是如此。当前已有许多发明来帮助盲人改善生活，而拐杖的研究在其中又是重中之重。普通的拐杖越来越无法满足盲人需求，因此多功能导盲拐杖的重要性不言而喻。

目前国内对多功能导盲拐杖技术的研究已有一定的水平，现有的盲人多功能拐杖的主要的作用包括雨伞、板凳、收音机、报温度、探知障碍物、位置显示等，但这些作用都不能很好的满足盲人的需求。由于盲人看不到外界事物，所以需要拐杖辅助行走，仅依靠一根普通拐杖很难准确得知路面及前方的具体路况，不利于盲人的行进。为此，本发明针对盲人很难准确得知路面及前方具体路况的问题，设计了一种新型的多功能导盲拐杖。

在已有发明专利中，中国实用新型专利(公告号：CN202105150U)公开了一种为盲人探路的智能拐杖，该智能拐杖由开关、电源、无线发射器、无线接收器、超声波检测电路和报警电路组成。此智能拐杖的探测效果比较简单，不能从根本上解决盲人的出行问题。

中国实用新型专利(公告号：CN202514744U)也公开了一种多功能拐杖，该多功能拐杖的手柄前端装有红外收发装置和信号处理装置，握柄的手握位置带有振动器，并安装有报警装置及电池。此多功能拐杖的红外装置感应路面及前方的物体时，受环境影响较大，探测距离较近。

中国发明专利申请(公开号：CN102805701A)公开了一种新型可发声的盲人手杖，该手杖在利用超声波测距装置探测障碍物时提供语音提示。超声波测距具有：纵向分辨率较高，可识别透明、半透明及漫反射差的物体，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中。但超声波传感器存在测量盲区，当超声波发射角大于15度时，发出的声波被物体反射出去，无法产生回波，也就无法产生距离读数，这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。

虽然上述三种拐杖对盲人的行走有一定的帮助，但是并没有最大限度地告知盲人路面及前方的情况。

另一方面，中国发明专利申请(公开号：CN101672644A)公开了一种水平度测量方法，采用水银珠、半圆密封体、半圆密封体内沿着半圆周间隔布置的圆周电极以及与每个圆周电极相连的处理器I/O，来测量水平角度。当半圆密封体与地面产生倾角时，水银珠在半圆密封体内运动，水银珠连通两个相邻的圆周电极，通过测量处理器的I/O，可以获得倾角，这种检测方法测量的角度范围有局限，倾角不能过大。因此这种方法无法应用于拐杖接触地面时的角度测量。

中国实用新型专利(公告号：CN201208336Y)公开了一种遇水能报警的盲人拐杖，该拐杖在检测水与泥泞的方法上，采用物理方法。在遇水时，由于水的浮力使连接正负极的铁片接触从而使电路导通。此检测方法仅仅能感应到地面积水，但不能测量其具体高度(或深度)，且铁片容易生锈，使用寿命过短。

综上所述，目前导盲拐杖对于路面及前方情况探测的研究很不完善。首先，测量的角度范围有局限。其次，对于盲人来说，地面上的积水和泥的高度也是行进中很大的障碍，但目前的导盲产品中，对此问题没有很好解决。再有，超声波传感器发射角也是行进中必需实时探测的重要参数，但是目前的超声波导盲产品中，超声波传感器与拐杖的角度固定不变的，在盲人前进时超声波传感器相对于地面的倾角在不断地改变，当发射角大于15度这个范围发出的声波被物体反射出去，无法产生回波，也就无法产生距离读数，这时超声波传感器会忽视这个物体的存在，从而探测不到正前方位置的障碍物。实践表明，现有技术尚不能很好的帮助盲人得知路面及前方障碍物的情况。为此，本发明专利针对盲人很难准确得知路面及前方具体路况的问题，提出并设计了一种新型的多功能导盲拐杖。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多功能导盲拐杖，用于解决现有导盲拐杖在测量触地角度、前方泥水深度以及判断前方障碍物存在的不足。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种多功能导盲拐杖，包括手柄1和杖杆2，其特征是还包括触地开关3、角度测量单元4、微波泥水检测单元5、超声波测距单元6、报警器7和电源8；

所述触地开关3安装于杖杆2底部，并分别与角度测量单元4和电源8相连；

所述角度测量单元4安装于杖杆2的内部或者外部，并分别与触地开关3、微波泥水检测单元5和超声波测距单元6相连；

所述微波泥水检测单元5安装于杖杆2的内部，并分别与角度测量单元4、报警器7和电源8相连；

所述超声波测距单元6安装于手柄1的内部或外部，或者超声波测距单元6安装于杖杆2的内部或者外部；超声波测距单元6分别与角度测量单元4、报警器7和电源8相连；

所述报警器7安装于手柄1或杖杆2内，并分别与微波泥水检测单元5、超声波测距单元6和电源8相连；

所述电源8安装于手柄1或杖杆2内，并分别与触地开关3、微波泥水检测单元5、超声波测距单元6和报警器7相连；

所述触地开关3用于在杖杆2底部接触地面时，使电源8与角度测量单元4导通；还用于在杖杆2底部离开地面时，使电源8与角度测量单元4断开；

所述角度测量单元4用于在加电后，计算杖杆2与地面的角度，并将所述角度发送至微波泥水检测单元5和超声波测距单元6；

所述微波泥水检测单元5用于接收角度测量单元4发送的角度，并在接收到角度测量单元4发送的角度且测量到泥水时，根据所述角度计算泥水深度，在泥水深度大于设定阈值时，将第一报警信息发送至报警器7；

所述超声波测距单元6用于接收角度测量单元4发送的角度，并在接收到角度测量单元4发送的角度后，根据所述角度调整超声波发射角度，在判断前方存在障碍物时，将第二报警信息发送至报警器7；

所述报警器7用于接收第一报警信息和第二报警信息，并在接收到第一报警信息和/或第二报警信息后发出警报；

所述电源8用于为微波泥水检测单元5、超声波测距单元6和报警器7供电，并在杖杆2底部接触地面时，为角度测量单元4供电。

所述角度测量单元4包括一个环形真空玻璃管41，环形真空玻璃管41内注入水银42，水银42的体积相当于环形真空玻璃管41容积的1/2至2/3；

所述环形真空玻璃管41上半圆周内圆的外侧壁上均匀布设设定个压电薄膜片43；

每个压电薄膜片43分别与一个信号调理电路44相连；

所述信号调理电路44与编码电路45相连；

所述信号调理电路44用于根据与之相连的压电薄膜片43与水银42的相对位置输出二进制编码；

所述编码电路45用于根据每个信号调理电路44输出的二进制编码以及自身预置的二进制编码计算杖杆2与地面的角度，并将计算的角度发送至微波泥水检测单元5和超声波测距单元6。

所述信号调理电路44包括放大器46和比较器47；

所述放大器46的正向输入端与压电薄膜片43的正极相连，放大器46的反向输入端与压电薄膜片43的负极相连，放大器46的输出端与比较器47的正向输入端相连；

所述比较器47的反向输入端输入设定参考电压，比较器47的输出端与编码电路45相连。

所述放大器46的正向输入端和输出端并联一个RC电路。

所述微波泥水检测单元5包括置于杖杆2中下部的方形容置腔51；

所述方形容置腔51的底部与杖杆2的底部平齐，方形容置腔51的一个侧壁均匀布设设定个微波发射器52，与布设微波发射器52的侧壁相对应的侧壁均匀布设与每个微波发射器52相对应的微波接收器53；

所述微波接收器53用于根据角度测量单元计算的角度和自身在方形容置腔51中的位置计算泥水深度，并在泥水深度大于设定阈值时，生成第一报警信息，再将所述第一报警信息发送至报警器7。

所述超声波测距单元6包括控制器61、驱动电路62、步进电机63和超声波传感器64；

所述控制器61、驱动电路62和步进电机63顺序相连；

所述超声波传感器64安装在步进电机63上；

所述控制器61用于接收角度测量单元4发送的角度，根据所述角度确定超声波传感器64的超声波发射角，再生成包含超声波发射角的驱动指令并将所述驱动指令发送至驱动电路62；

所述驱动电路62用于接收所述驱动指令，并根据所述驱动指令中的超声波发射角控制步进电机转动相应角度；

所述步进电机63用于在驱动电路62的控制下，带动超声波传感器64转动相应的角度；

所述超声波传感器64用于发出超声波信号，并判断前方是否存在障碍物，在前方存在障碍物时，生成第二报警信息，再将第二报警信息发送至报警器7。

所述导盲拐杖包括用于清除方形容置腔51内杂物的辅助单元9。

所述辅助单元9包括弹簧91、推杆92、清洁塞93、把手94和支撑杆95；

所述弹簧91的一端91a固定在手柄1上，另一端91b固定在推杆92的顶端92a上；

所述推杆92置于杖杆2中，推杆92的底端92b固定清洁塞93；

所述把手94的一端94a轴向固定在推杆92的上部92c上，把手94的另一端94b为提拉端；

所述支撑杆95的一端95a固定在杖杆2外壁上，另一端95b轴向固定在把手94上。

本发明弥补了现有导盲拐杖在测量角度、泥水深度和判断前方障碍物时存在的不足。

附图说明

图1是本发明提供的导盲拐杖的整体结构图；

图2是导盲拐杖中各个功能单元连接示意图；

图3是角度测量单元的环形真空玻璃管结构图；

图4是角度测量单元的压电薄膜片、信号调理电路和编码电路的连接关系图；

图5是压电薄膜片对应的圆心角和压电薄膜片之间的圆周对应的圆心角示意图；

图6是信号调理电路的电路图；

图7是拐杖接触不平整地面时角度测量单元的环形真空玻璃管内部变化示意图；

图8是根据环形真空玻璃管内部变化情况计算杖杆2与地面角度的示意图；其中，(a)是杖杆偏离基准位置后与基准位置夹角以及与地面角度关系图，(b)是杖杆与地面角度推导示意图；

图9是微波泥水检测单元结构与泥水测量示意图；

图10是超声波测距单元结构图；

图11是超声波测距单元调整超声波发射角原理图；其中，(a)是超声波测距单元调整超声波发射角之前超声波测距示意图，(b)是超声波测距单元调整超声波发射角之后超声波测距示意图；

图12是辅助单元结构图；

图中，1-手柄，2-杖杆，3-触地开关，4-角度测量单元，5-微波泥水检测单元，6-超声波测距单元，7-报警器，8-电源，9-辅助单元，41-环形真空玻璃管，41a-环形真空玻璃管的管内壁，41b-环形真空玻璃管的管外壁，42-水银，43-压电薄膜片，43a-压电薄膜片的正极，43b-压电薄膜片的负极，44-信号调理电路，45-编码电路，46-放大器，47-比较器，51-方形容置腔，52-微波发射器，53-微波接收器，61-控制器，62-驱动电路，63-步进电机，64-超声波传感器，91-弹簧，91a-弹簧固定在手柄的一端，91b-弹簧固定在推杆顶端的一端，92-推杆，92a-推杆的顶端，92b-推杆的底端，92c-推杆的上部，93-清洁塞，94-把手，94a-把手固定在推杆上部的一端，94b-把手的提拉端，95-支撑杆，95a-支撑杆固定在杖杆外壁的一端，95b-支撑杆固定在把手的一端。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的导盲拐杖的整体结构图。如图1所示，本发明提供的多功能导盲拐杖包括手柄1、杖杆2、触地开关3、角度测量单元4、微波泥水检测单元5、超声波测距单元6、报警器7和电源8。

本实施例中，触地开关3安装于杖杆2底部，角度测量单元4安装于杖杆2外部，微波泥水检测单元5安装于杖杆2内部，超声波测距单元6安装于在杖杆2外部，报警器7和电源8安装在手柄1内。

触地开关3、角度测量单元4、微波泥水检测单元5、超声波测距单元6、报警器7和电源8的连接关系如图2所示。触地开关3分别与角度测量单元4和电源8相连，角度测量单元4分别与触地开关3、微波泥水检测单元5和超声波测距单元6相连，微波泥水检测单元5分别与角度测量单元4、报警器7和电源8相连，超声波测距单元6分别与角度测量单元4、报警器7和电源8相连，报警器7分别与微波泥水检测单元5、超声波测距单元6和电源8相连，电源8分别与触地开关3、微波泥水检测单元5、超声波测距单元6和报警器7相连。

上述各个功能单元的作用如下：

触地开关3用于在杖杆2底部接触地面时，使电源8与角度测量单元4导通，从而使角度测量单元4加电并进入工作状态。触地开关3还用于在杖杆2底部离开地面时，使电源8与角度测量单元4断开，从而使角度测量单元4断电并停止工作。

角度测量单元4用于在加电后，计算杖杆2与地面的角度，并将计算出的杖杆2与地面的角度发送至微波泥水检测单元5和超声波测距单元6。

微波泥水检测单元5用于接收角度测量单元4发送的杖杆2与地面的角度，并在接收到角度测量单元4发送的角度且测量到泥水时，根据杖杆2与地面的角度，计算泥水深度；在泥水深度大于设定阈值时，将第一报警信息发送至报警器7。

超声波测距单元6用于接收角度测量单元4发送的杖杆2与地面的角度，并在接收到角度测量单元4发送的杖杆2与地面的角度后，根据杖杆2与地面的角度调整超声波发射角；在判断前方存在障碍物时，将第二报警信息发送至报警器7。

报警器7用于接收第一报警信息和第二报警信息，并在接收到第一报警信息和/或第二报警信息后发出警报。

电源8用于为微波泥水检测单元5、超声波测距单元6和报警器7供电，并在杖杆2底部接触地面时，为角度测量单元4供电。

角度测量单元4包括一个环形真空玻璃管41，如图3所示，该环形真空玻璃管41内注入水银42，水银42的体积相当于环形真空玻璃管41容积的1/2至2/3。环形真空玻璃管41上半圆周内圆的外侧壁上均匀布设设定个压电薄膜片43，每个压电薄膜片43分别与一个信号调理电路44相连，每个信号调理电路44分别与编码电路45相连，如图4所示。

信号调理电路44用于根据与之相连的压电薄膜片43与水银42的相对位置输出二进制编码。比如，当与信号调理电路44相连的压电薄膜片43浸入水银42中时，信号调理电路44输出的二进制编码为1。当与信号调理电路44相连的压电薄膜片43未浸入水银42中时，信号调理电路44输出的二进制编码为0。

编码电路45用于根据每个信号调理电路44输出的二进制编码以及自身预置的二进制编码计算杖杆2与地面的角度，并将计算的角度发送至微波泥水检测单元5和超声波测距单元6。

设环形真空玻璃管41的内圆半径为R₁，外圆半径为R₂，管内壁41a与外壁41b厚度都为p₁，管壁之间的距离为p₂。环形真空玻璃管41上半圆周内圆的外侧壁上均匀布设n个压电薄膜片43，分别记为a₁，a₂，…，a_n-1，a_n。每个压电薄膜片43的长为c₁，宽为c₂，则每个压电薄膜片43所在的圆周对应的圆心角约为(单位：度)，两压电薄膜片之间圆周对应的圆心角约为(单位：度)。选择真空管可减小水银流动摩擦阻力，环形结构则能约束水银的来回流动，减少水银42的晃动。向环形真空玻璃管41注入其容积三分之二的水银42后，拐杖垂直接触地面放置时，触地开关3触发，环形真空玻璃管41内的水银42在重力作用下流动，浸没管内壁压电薄膜片43而产生压力。对于压电薄膜片43浸没区(图3中的AA’线下方的区域)的压电薄膜片a_i，会产生一个压力F_p，F_p＝ρgv。其中ρ为水银的密度，g为重力加速度，v为压电薄膜片43的体积。在压力作用下，压电薄膜片43的正极43a和负极43b之间会产生电压差V。

电压差V的大小与选取的压电薄膜片43和压电薄膜片43受到的压力F_p有关。如果电压差V较小，为了准确获得该电压差V，可以在信号调理电路44中使用放大器46。同时，为了确定压电薄膜片43是否浸入水银中，可以使用比较器47进行判断，其结构如图6所示。图6中，放大器46的正向输入端与压电薄膜片43的正极43a相连，放大器46的反向输入端与压电薄膜片43的负极43b相连，放大器46的输出端与比较器47的正向输入端相连。比较器47的反向输入端输入设定参考电压V_ref，比较器47的输出端与编码电路45相连。为了提高放大器46的响应速度，可以在放大器46的正向输入端和输出端并联一个RC电路。此时，电压差其中，C为RC电路的电容值，d₃₃为压电薄膜片43的压电电荷系数，F_p为压电薄膜片上产生的压力。

比较器47通过比较正向输入端输入的电压(该电压为经过放大器46放大的压电薄膜片正负极的电压差)与反向输入端输入的设定参考电压V_ref，确定与信号调理电路44连接的压电薄膜片43是否浸入水银42中。即，如果比较器47正向输入端输入的电压大于反向输入端的设定参考电压V_ref，则说明与信号调理电路44连接的压电薄膜片43浸入水银42中。此时，可以令比较器47输出端输出二进制编码“1”。反之，令比较器47输出端输出二进制编码“0”。

参考电压V_ref可以根据实际情况设定，如果拐杖垂直置于地面时，有压电薄膜片43恰好位于水银42的液面(图3中的AA’线)，则以该压电薄膜片43受压力后正负极产生的电压差作为设定参考电压。如果拐杖垂直置于地面时，没有压电薄膜片43位于水银42的液面(图3中的AA’线)上，则以距离水银42液面最近的压电薄膜片43受压力后正负极产生的电压差作为设定参考电压。

依据图3、图4和图6给出的结构，角度测量单元测量杖杆2与地面的角度的原理是：

以拐杖垂直置于地面作为基准位置，n个压电薄膜片中，a₁，a₂，…，a_i，…，a_n-i+1，…，a_n-1，a_n浸入到水银42中，a_i+1，…，a_n-i没有浸入水银42中，水银42的液面如图3中的AA’线。与浸入水银42的压电薄膜片43相连的信号调理电路输出二进制编码“1”，与没有浸入水银42的压电薄膜片43相连的信号调理电路输出二进制编码“0”，则编码电路收到的二进制编码为m₁。通常，二进制编码为m₁预先存储在编码电路中。如果拐杖接触地面不平，由于重力作用，环形真空玻璃管41中的水银42液面位置不会发生变化，但是浸入水银42液面的压电薄膜片会发生变化，如图7所示。此时，设n个压电薄膜片中，a₁，a₂，…，a_j，…，a_n-j+1，…，a_n-1，a_n浸入到水银42中，a_j+1，…，a_n-j没有浸入水银42中，水银42的液面如图7中的BB’线(AA’线为基准位置的水银液面)。同样，与浸入水银42的压电薄膜片43相连的信号调理电路输出二进制编码“1”，与没有浸入水银42的压电薄膜片43相连的信号调理电路输出二进制编码“0”，则编码电路收到的二进制编码为m₂。在编码电路中，对m₁和m₂进行异或处理，计算异或处理结果中二进制编码“1”的个数，该个数就是浸入水银42液面的压电薄膜片变化的个数。

如图8(a)所示，当拐杖触地不平时，拐杖会偏离基准位置一个角度，设此角度为a，该角度a恰好是8(b)中，基准位置水银液面AA’线和拐杖接触不平地面时水银液面BB’线之间的夹角。设弧AB所对应的圆心角为b，弧A'B'所对应的圆心角为c，则弧AB所对应的圆周角∠BA'A为同理，弧A'B'所对应的圆周角∠A'BB'为由于a是三角形O'A'B的外角，因此有由于b是弧AB对应的圆心角，因此可以用弧AB上的压电薄膜片个数计算角度b。而弧AB上的压电薄膜片个数，恰好是浸入水银42液面的压电薄膜片变化的个数的一半。这是因为，当拐杖接触不平地面时，会有一部分在基准位置未浸入水银的压电薄膜片浸入水银中，而一部分在基准位置浸入水银的压电薄膜片未浸入水银中，这两部分压电薄膜片个数相同。

假设浸入水银42液面的压电薄膜片的变化个数为k，则个压电薄膜片对应的圆心角为(每个压电薄膜片所在的圆周对应的圆心角为θ₁)，个压电薄膜片之间的圆周对应的圆心角为(两压电薄膜片之间圆周对应的圆心角为θ₂)，则同理可计算出角度c，进而角度a可以得到。由于环形真空玻璃管41的左右对称性，因此有b＝c，进而a＝b，所以角度a可以直接利用公式进行计算。由于角度a是拐杖偏离基准位置的角度，则拐杖与不平的地面之间的角度为90°-a。

为了更清楚地说明本发明提供的角度测量单元测量杖杆与地面的角度的过程，下面再给出一个具体的数字实例。

设环形真空玻璃管41中的压电薄膜片43共有20个，分别为a₁，a₂，…，a₁₉，a₂₀。在基准位置，浸入水银42中的压电薄膜片43分别为a₁，a₂，…，a₆以及a₁₅，a₁₆，…，a₂₀。信号调理电路44输出的二进制编码为“11111100000000111111”，该二进制编码也是编码电路45预置的编码。当拐杖接触不平地面后，浸入水银42中的压电薄膜片43发生变化，浸入水银42中的压电薄膜片43分别为a₁，a₂，…，a₉以及a₁₈，a₁₉，a₂₀。由此可见，当拐杖接触不平地面时，会有一部分在基准位置未浸入水银的压电薄膜片浸入水银中，它们是a₇，a₈和a₉。而一部分在基准位置浸入水银的压电薄膜片未浸入水银中，它们是a₁₅，a₁₆和a₁₇。这两部分压电薄膜片个数相同，都是3个，共6个。此时，信号调理电路44输出的二进制编码为“11111111100000000111”。编码电路45将这两个二进制编码进行异或运算，得到“00000011100000111000”。异或处理结果中，二进制编码“1”的个数为6个，该个数就是浸入水银42液面的压电薄膜片变化的个数。之后，根据公式计算出拐杖会偏离基准位置的角度a，则拐杖与不平的地面之间的角度为90°-a。

测量出拐杖与地面之间的角度后，会分别发送至微波泥水检测单元5和超声波测距单元6。微波泥水检测单元5利用该角度测量泥水的深度。如图9所示，微波泥水检测单元5包括置于杖杆2中下部的方形容置腔51，方形容置腔51的底部与杖杆2的底部平齐，方形容置腔51的一个侧壁均匀布设设定个微波发射器52，与布设微波发射器52的侧壁相对应的侧壁均匀布设与每个微波发射器52相对应的微波接收器53。微波接收器53用于根据角度测量单元计算的角度和自身在方形容置腔51中的位置计算泥水深度，并在泥水深度大于设定阈值时，生成第一报警信息，再将所述第一报警信息发送至报警器7。

微波接收器53根据杖杆与地面的角度测量泥水深度的原理如图9所示，在方形容置腔51的一个侧壁均匀布设的微波发射器52分别为T₁、T₂和T₃，与之对应，在方形容置腔51的对侧侧壁均匀布设的微波发射器53分别为R₁、R₂和R₃。由于微波发射器52发出的微波遇水后产生衰减，因此微波发射器52和微波接收器53之间为泥水、空气或者一半空气一半泥水时，微波接收器53接收的信号有所不同。这样微波接收器53就能判断微波发射器52和微波接收器53之间是泥水，还是空气，还是二者各占一部分。当微波接收器53测出，微波发射器52和微波接收器53之间为一部分空气一部分泥水时，微波接收器53可以根据微波信号，测出水面到微波接收器53的距离d₀。进而根据公式d₁＝d₀cosβ计算出微波接收器53到水面的垂直距离d₁，β为杖杆2与地面的角度。又由于微波接收器53到方形容置腔51底部的距离L是已知的，因此可以根据公式h₂＝Lsinβ计算出微波接收器53到地面的垂直距离h₂。最后，再根据公式h₁＝h₂+d₁计算出泥水的深度。

微波接收器53会周期性地接收角度测量单元的角度，如果微波接收器53未接收到角度测量单元计算的角度，则说明触地开关3没有使电源8与角度测量单元4导通，此时拐杖未触地，微波泥水检测单元5无需计算泥水深度，也无需向报警器7发送报警信息。

图10是超声波测距单元结构图。如图10所示，超声波测距单元6包括控制器61、驱动电路62、步进电机63和超声波传感器64。控制器61、驱动电路62和步进电机63顺序相连，超声波传感器64安装在步进电机63上。

控制器61用于接收角度测量单元4发送的角度，根据所述角度确定超声波传感器64的超声波发射角，再生成包含超声波发射角的驱动指令并将所述驱动指令发送至驱动电路62。

驱动电路62用于接收所述驱动指令，并根据所述驱动指令中的超声波发射角控制步进电机转动相应角度。

步进电机63用于在驱动电路62的控制下，带动超声波传感器64转动相应的角度。

超声波传感器64用于发出超声波信号，并判断前方是否存在障碍物，在前方存在障碍物时，生成第二报警信息，再将第二报警信息发送至报警器7。

图11是超声波测距单元调整超声波发射角原理图，图11中，虚线分别为杖杆2垂直于地面时，杖杆2与超声波测距单元6的位置。当杖杆2与地面不垂直时，即杖杆2偏离基准位置后，如果偏离角度过大，会导致超声波传感器64无法收到障碍物产生的回波，如图11(a)所示。因此，只有在杖杆2偏离基准位置的角度过大时调整超声波发射角，尽可能使超声波垂直于障碍物。从图11(b)可以看出，当杖杆2偏离基准位置角度a后，只要将超声波传感器64回调角度a，即可确保超声波信号垂直于障碍物。而杖杆2偏离基准位置角度a正好是90°与杖杆2和地面的角度之差。

控制器61会周期性地接收角度测量单元的角度，如果控制器61未接收到角度测量单元计算的角度，则说明触地开关3没有使电源8与角度测量单元4导通，此时拐杖未触地，超声波测距单元6无需调整超声波发射角，也无需向报警器7发送报警信息。控制器61可以控制驱动电路62，使步进电机63带动超声波传感器64复位，即回到基准位置，为下一次发射超声波做准备。

微波泥水检测单元5的方形容置腔51使用一段时间后，可能会存留有泥块等杂物，为了清除这些杂物，导盲拐杖还可以包括用于清除方形容置腔51内杂物的辅助单元9。如图12所示，辅助单元9包括弹簧91、推杆92、清洁塞93、把手94和支撑杆95。弹簧91的一端91a固定在手柄1上，另一端91b固定在推杆92的顶端92a上。推杆92置于杖杆2中，可以在杖杆2中上下移动，推杆92的底端92b固定清洁塞93。当推杆92在杖杆2中向下移动时，可推动清洁塞93伸入方形容置腔51。把手94的一端94a轴向固定在推杆92的上部92c，把手94的另一端94b为提拉端，可以向上(图12顺时针方向)提起。支撑杆95的一端95a固定在杖杆2外壁上，另一端95b轴向固定在把手94上。

辅助单元9的工作原理为：当方形容置腔51中存留的赃物(如泥块、碎沙石等)时，可将把手94的提拉端94b向上(图12中的顺时针方向)提起，把手94以支撑杆95的轴向固定端95b为支点，沿支点顺时针转动，从而使把手94的轴向固定端94a向下(图12中的顺时针方向)运动，进而使推杆92在杖杆2中向下移动，将清洁塞93推入方形容置腔51，从而将方形容置腔51中存留的赃物推出方形容置腔51。当推杆92在杖杆2中向下移动时，弹簧91被拉伸，当将把手94的提拉端94b松开后，在弹簧91的收缩作用下，推杆92在杖杆2中向上移动，清洁塞93在推杆92的带动下离开方形容置腔51，直至弹簧91收缩完毕且推杆92复位。

本发明通过测量拐杖触地时的角度，确定前方泥水深度和障碍物，其测量结果更加准确；同时弥补了现有导盲拐杖在测量角度、泥水深度和判断前方障碍物时存在的不足。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多功能导盲拐杖，包括手柄(1)和杖杆(2)，其特征是还包括触地开关(3)、角度测量单元(4)、微波泥水检测单元(5)、超声波测距单元(6)、报警器(7)和电源(8)；

所述触地开关(3)安装于杖杆(2)底部，并分别与角度测量单元(4)和电源(8)相连；

所述角度测量单元(4)安装于杖杆(2)的内部或者外部，并分别与触地开关(3)、微波泥水检测单元(5)和超声波测距单元(6)相连；

所述微波泥水检测单元(5)安装于杖杆(2)的内部，并分别与角度测量单元(4)、报警器(7)和电源(8)相连；

所述超声波测距单元(6)安装于手柄(1)的内部或者外部，或者超声波测距单元(6)安装于杖杆(2)的内部或者外部；超声波测距单元(6)分别与角度测量单元(4)、报警器(7)和电源(8)相连；

所述报警器(7)安装于手柄(1)或杖杆(2)内，并分别与微波泥水检测单元(5)、超声波测距单元(6)和电源(8)相连；

所述电源(8)安装于手柄(1)或杖杆(2)内，并分别与触地开关(3)、微波泥水检测单元(5)、超声波测距单元(6)和报警器(7)相连；

所述触地开关(3)用于在杖杆(2)底部接触地面时，使电源(8)与角度测量单元(4)导通；还用于在杖杆(2)底部离开地面时，使电源(8)与角度测量单元(4)断开；

所述角度测量单元(4)用于在加电后，计算杖杆(2)与地面的角度，并将所述角度发送至微波泥水检测单元(5)和超声波测距单元(6)；

所述微波泥水检测单元(5)用于接收角度测量单元(4)发送的角度，并在接收到角度测量单元(4)发送的角度且测量到泥水时，根据所述角度计算泥水深度，在泥水深度大于设定阈值时，将第一报警信息发送至报警器(7)；

所述超声波测距单元(6)用于接收角度测量单元(4)发送的角度，并在接收到角度测量单元(4)发送的角度后，根据所述角度调整超声波发射角度，在判断前方存在障碍物时，将第二报警信息发送至报警器(7)；

所述报警器(7)用于接收第一报警信息和第二报警信息，并在接收到第一报警信息和/或第二报警信息后发出警报；

所述电源(8)用于为微波泥水检测单元(5)、超声波测距单元(6)和报警器(7)供电，并在杖杆(2)底部接触地面时，为角度测量单元(4)供电。

2.根据权利要求1所述的导盲拐杖，其特征是所述角度测量单元(4)包括一个环形真空玻璃管(41)，环形真空玻璃管(41)内注入水银(42)，水银(42)的体积相当于环形真空玻璃管(41)容积的1/2至2/3；

所述环形真空玻璃管(41)上半圆周内圆的外侧壁上均匀布设设定个压电薄膜片(43)；

每个压电薄膜片(43)分别与一个信号调理电路(44)相连；

所述信号调理电路(44)与编码电路(45)相连；

所述信号调理电路(44)用于根据与之相连的压电薄膜片(43)与水银(42)的相对位置输出二进制编码；

所述编码电路(45)用于根据每个信号调理电路(44)输出的二进制编码以及自身预置的二进制编码计算杖杆(2)与地面的角度，并将计算的角度发送至微波泥水检测单元(5)和超声波测距单元(6)。

3.根据权利要求2所述的导盲拐杖，其特征是所述信号调理电路(44)包括放大器(46)和比较器(47)；

所述放大器(46)的正向输入端与压电薄膜片(43)的正极相连，放大器(46)的反向输入端与压电薄膜片(43)的负极相连，放大器(46)的输出端与比较器(47)的正向输入端相连；

所述比较器(47)的反向输入端输入设定参考电压，比较器(47)的输出端与编码电路(45)相连。

4.根据权利要求3所述的导盲拐杖，其特征是所述放大器(46)的正向输入端和输出端并联一个RC电路。

5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的导盲拐杖，其特征是所述微波泥水检测单元(5)包括置于杖杆(2)中下部的方形容置腔(51)；

所述方形容置腔(51)的底部与杖杆(2)的底部平齐，方形容置腔(51)的一个侧壁均匀布设设定个微波发射器(52)，与布设微波发射器(52)的侧壁相对应的侧壁均匀布设与每个微波发射器(52)相对应的微波接收器(53)；

所述微波接收器(53)用于根据角度测量单元计算的角度和自身在方形容置腔(51)中的位置计算泥水深度，并在泥水深度大于设定阈值时，生成第一报警信息，再将所述第一报警信息发送至报警器(7)。

6.根据权利要求5所述的导盲拐杖，其特征是所述超声波测距单元(6)包括控制器(61)、驱动电路(62)、步进电机(63)和超声波传感器(64)；

所述控制器(61)、驱动电路(62)和步进电机(63)顺序相连；

所述超声波传感器(64)安装在步进电机(63)上；

所述控制器(61)用于接收角度测量单元(4)发送的角度，根据所述角度确定超声波传感器(64)的超声波发射角，再生成包含超声波发射角的驱动指令并将所述驱动指令发送至驱动电路(62)；

所述驱动电路(62)用于接收所述驱动指令，并根据所述驱动指令中的超声波发射角控制步进电机转动相应角度；

所述步进电机(63)用于在驱动电路(62)的控制下，带动超声波传感器(64)转动相应的角度；

所述超声波传感器(64)用于发出超声波信号，并判断前方是否存在障碍物，在前方存在障碍物时，生成第二报警信息，再将第二报警信息发送至报警器(7)。

7.根据权利要求5所述的导盲拐杖，其特征是所述导盲拐杖包括用于清除方形容置腔(51)内杂物的辅助单元(9)。

8.根据权利要求7所述的导盲拐杖，其特征是所述辅助单元(9)包括弹簧(91)、推杆(92)、清洁塞(93)、把手(94)和支撑杆(95)；

所述弹簧(91)的一端(91a)固定在手柄(1)上，另一端(91b)固定在推杆(92)的顶端(92a)上；

所述推杆(92)置于杖杆(2)中，推杆(92)的底端(92b)固定清洁塞(93)；

所述把手(94)的一端(94a)轴向固定在推杆(92)的上部(92c)上，把手(94)的另一端(94b)为提拉端；

所述支撑杆(95)的一端(95a)固定在杖杆(2)外壁上，另一端(95b)轴向固定在把手(94)上。