CN105943325A - 一种导盲设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种导盲设备，包括：杖体、处理器、两个超声波测距模块和声音输出模块，所述超声波测距模块，包括步进电机和超声波测距传感器；两个超声波测距传感器分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物；所述处理器中记录有每个所述超声波测距传感器的探头的指向与该超声波测距传感器上侧的杖体的夹角信息，所述处理器用于在所述超声波测距传感器探测到障碍物时，基于所述超声波测距传感器测到的距离、该时刻步进电机的旋转角度以及所述夹角信息，控制所述声音输出模块输出用于提示用户障碍物位置的声音。本方案解决了现有技术中的导盲设备无法针对障碍物提供准确的位置信息的问题。

Description

一种导盲设备

技术领域

本发明涉及盲人行走辅助装置技术领域，特别涉及一种导盲设备。

背景技术

盲人，由于视觉上的障碍，在行走的时候通常需要辅助装置或者导盲犬等协助他们感知周边环境，以帮助他们行走。在现今社会上，导盲杖等导盲设备的使用最为广泛，而且随着科学技术的发展，导盲设备越来越趋向于智能化，例如，现今很多导盲杖都是使用了超声波测距技术。

在现有技术中，通常把超声波测距技术获得的距离信息以声音的形式告知给盲人，以使盲人根据听到的声音判断出障碍物的大致距离。

但是，盲人听到的声音仅能反映出障碍物的距离信息，并不能让盲人获知障碍物的方位信息，而障碍物的位置需要根据包括有方位信息和距离信息的位置信息来判断，所以说，现有技术中的导盲设备不能针对障碍物提供准确的位置信息。

发明内容

本发明实施例公开了一种导盲设备，用于解决现有技术中的导盲设备无法针对障碍物提供准确的位置信息的问题。技术方案如下：

本发明实施例提供了一种导盲设备，包括：杖体、处理器、声音输出模块和两个超声波测距模块，

所述超声波测距模块，包括安装在所述杖体上的步进电机和安装在所述步进电机的输出轴上的超声波测距传感器；两个所述超声波测距传感器分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物；

所述处理器中记录有每个所述超声波测距传感器的探头的指向与该超声波测距传感器上侧的杖体的夹角信息，所述处理器用于在所述超声波测距传感器探测到障碍物时，基于所述超声波测距传感器测到的距离、该时刻步进电机的旋转角度以及所述夹角信息，控制所述声音输出模块输出用于提示用户障碍物位置的声音。

优选的，所述声音输出模块为立体声输出模块。

优选的，所述声音输出模块包括数据存储子模块和立体声输出子模块，所述数据存储子模块中存储有对应于不同位置的立体声文件。

优选的，所述存储子模块包括SD卡和与所述SD卡相适配的SD卡插槽。

优选的，所述立体声输出子模块包括蓝牙立体声耳机或普通立体声耳机。

优选的，所述导盲设备还包括红外线探测模块，所述红外线探测模块用于探测行人的位置信息；

所述处理器还用于：在所述红外线探测模块探测到行人时，基于所述红外线探测模块探测到的行人的位置信息，控制所述声音输出模块输出用于提示用户行人位置的声音。

优选的，所述红外线探测模块包括安装在所述杖体上的步进电机和安装在所述步进电机的输出轴上的红外线传感器。

优选的，所述红外线探测模块包括多个红外线传感器，各个所述红外线传感器对应的最大探测距离均不相同。

本方案中，处理器控制超声波测距模块中步进电机转动，处理器可以获知任意时刻步进电机的转动角度，处理器中还记录有每个所述超声波测距传感器的探头的指向与该超声波测距传感器上侧的杖体的夹角信息，在超声波测距传感器探测到距离时，处理器可以控制声音输出模块将超声波测距传感器测到的距离、该时刻步进电机的旋转角度、以及该夹角信息以能够让用户直接或间接获知障碍物位置的声音的形式告知用户，以解决现有技术中的导盲设备无法针对障碍物提供准确的位置信息的问题，给盲人带来极大的便利。

当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种导盲设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种导盲设备的系统控制框图；

图3为本发明实施例中用于展示两个所述超声波测距模块的局部结构示意图；

图4为本发明实施例中所述超声波测距传感器的扫描探测区域的平面示意图；

图5为本发明实施例中所述超声波测距模块探测障碍物的探测原理示意图；

图6为本发明实施例中所述红外线探测模块探测行人的探测原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所提供的一种导盲设备，如图1和图2所示，该导盲设备包括：杖体1、处理器2、声音输出模块4和两个超声波测距模块3。可以理解，该导盲设备还包括有电源7，例如可充电的锂电池等。

应该说明的是，在图1中，该导盲设备为导盲杖，可以理解，在本发明实施例中，该导盲设备可以为导盲杖但不限于导盲杖，也可以是其它导盲设备，例如常见的穿戴式导盲设备和手握式导盲设备。应该强调的是，此处所述的杖体1的结构并不限于图1中所示的结构，也可以是其它可以安装两个所述超声波测距模块3的结构。

上述超声波测距模块3，包括安装在所述杖体1上的步进电机302和安装在该步进电机302的输出轴上的超声波测距传感器301；两个所述超声波测距传感器301分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物。

如图3所示，在本发明实施例中，上述两个所述超声波测距传感器301分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物，可以理解为两个超声波测距传感器301的探头指向分别为用户的前上方和前下方。应该强调的是，此处所述的用户前上方可以分别是指用户身体前侧、头部所处高度以上的区域，对应的，用户前下方可以是用户身体前侧、头部所处高度以下的区域。

本领域技术人员可以理解的是，如图3所示，超声波测距传感器301的探头指向即为图中的带箭头的虚线所指方向，应该说明的是，图中的标号为θ的夹角为现有技术中的波束角。

应该强调的是，在实际应用中，可以通过调节超声波测距传感器301的探头的指向与该超声波测距传感器301上侧的杖体1的夹角，即图3中的夹角α和β，来调节超声波测距传感器301的探头指向。

上述处理器2中记录有每个所述超声波测距传感器301的探头的指向与该超声波测距传感器301上侧的杖体1的夹角信息，例如图3中的夹角α和β，所述处理器2用于在所述超声波测距传感器301探测到障碍物14时，基于所述超声波测距传感器301测到的距离、该时刻步进电机302的旋转角度以及所述夹角信息，控制所述声音输出模块4输出用于提示用户障碍物位置的声音。

应该说明的是，该提示用户障碍物位置的声音可以是直接告知用户障碍物位置的语音，例如“在您前上方偏右45度1米处有障碍物，请注意”、“请注意您前方偏左30度0.5米处的障碍物”等。

当然，由于盲人对听觉的灵敏度，在本发明实施例中，该提示用户障碍物位置的声音还可以是立体的提示音，例如“嘀、嘀、嘀”等带有立体音效的警报声，相应的距离可以通过该“嘀、嘀、嘀”提示音的播放速度来体现，例如，用户距离障碍物14越近，该立体的提示音的播放速度越高，显得越急促；此外声音的强弱也能体现出障碍物14的距离，显然的，用户离障碍物14越近，该立体的提示音的声音越强，离障碍物14越远，该立体的提示音的声音越弱。

在本发明实施例中，该提示用户障碍物位置的声音为立体的提示音时，所述声音输出模块4为立体声输出模块。

本领域技术人员公知的是，立体声是指具有立体感的声音。立体声经记录、放大等处理后而重放时，若声音都从一个扬声器放出来，原来的空间感也就消失了，如果从记录到重放，整个系统能够在一定程度上恢复原发生的空间感那么，这种具有一定程度的方位层次感等空间分布特性的重放声，称为音响技术中的立体声。

可以理解的是，人在感知外界的声音时，双耳所接收到的声音相位、强度以及频率均有差别，人可以据此大致判断声源的方位和距离；盲人对于听觉的灵敏度，使他们更是能够基于双耳所接收到的声音相位、强度以及频率，准确地判断声源的方位和距离。

为了让用户听到立体的提示音，可以基于上述超声波测距传感器301测到的距离、该时刻步进电机302的旋转角度以及所述夹角信息，通过现有技术对单声的提示音文件直接计算生成立体声文件。

当然，为了减少上述计算时间，使得导盲设备在探测到障碍物14时，能够及时地将障碍物14的位置信息告知用户，如图2所示，该声音输出模块4可以包括数据存储子模块和立体声输出子模块，所述数据存储子模块中存储有对应于不同位置的立体声文件。

可以理解，上述数据存储子模块中存储有对应于不同位置的立体声文件，可以是指，对应于人的头部为虚拟的原点构建的三维坐标中，对应不同坐标点的立体声文件；处理器2得到上述超声波测距传感器301测到的距离、该时刻步进电机302的旋转角度以及所述夹角信息后，直接从存储子模块中调取对应的立体声文件，该立体声文件经立体声播放设备输出给盲人后，盲人可以基于该立体声文件对应的立体声判断出障碍物14的位置。

明显的，处理器2得到上述超声波测距传感器301测到的距离、该时刻步进电机302的旋转角度以及所述夹角信息后，直接从存储子模块中调取对应的立体声文件，不需要通过实时计算来获得立体声文件，减少了处理器2的运算量，进而达到省电的目的，而且还不会影响立体的提示音的立体声音效果。

上述存储子模块可以是包括SD卡(Secure Digital Memory Card，安全数据卡)和与所述SD卡相适配的SD卡插槽6，当然，本发明实施例中，存储子模块也可以是其它可以存储立体声文件的存储设备。另外，该立体声输出子模块可以包括蓝牙立体声耳机或普通立体声耳机12，如图1所示，该导盲设备上设置有耳机插孔13，普通立体声耳机12插在耳机插孔13上，立体的提示音通过普通立体声耳机12传送给用户。

应该强调的是，空间中的坐标点的数目为无穷多个，所以在实际的应用过程中，为了减少存储的立体声文件的数量，可以用一个立体声文件对应代表一块空间区域。如图4所示，在超声波测距传感器301以一定的角度来回转动时，探头的指向所构成的平面区域内，可以构建一个扇形区域，该扇形区域对应的圆心近似为超声波测距传感器301所处位置，该扇形区域的半径可以为预设的距离，同时也可以是超声波测距传感器301的最大探测距离。

本发明实施里例中，可以将图4所示的扇形区域划分为多个圆心角和宽度相同的扇环区域，如图，每个扇环区域的圆心角均为例如5°、10°等，扇环区域的宽度为L1，此时，可以在上述存储子模块中存储与每个扇环区域一一对应的立体声文件，即用一个立体声文件对应代表该立体声文件对应的扇形区域，以减少存储的立体声文件的数量，减少所有的立体声文件占用的存储空间。

应该说明的是，对应本发明实施例的两个超声波测距传感器的所分别构建的两个扇形区域中，每个扇环区域对应的立体声文件还应可以对应体现障碍物14在竖直方向上的方位信息，例如，图3中位于上方的超声波测距传感器探测到障碍物14时，用户听到对应的立体声后可以判断该障碍物14是位于其前上方，图3中位于下方的超声波测距传感器探测到障碍物14时，用户听到对应的立体声后可以判断该障碍物14是位于其前下方。

如图5所示，超声波测距模块3中的步进电机302带动超声波测距传感器301在预设的角度范围内来回转动，当超声波测距传感器探测到障碍物14的距离S时，会立即反馈给处理器2，处理器2立即记录当前该步进电机302的旋转角度，在本发明实施例中，可以预设一条中间基准线L，可以理解，该中间基准线L指向表示用户的正前方，当前该步进电机302的旋转角度可以用探头的指向与该中间基准线L的夹角ω表示。

本发明实施例中，为了使用户能够及时地发现其身边的行人，以向行人寻求帮助等，该导盲设备还可以包括红外线探测模块5，所述红外线探测模块5用于探测行人的位置信息；

所述处理器2还用于：在所述红外线探测模块5探测到行人15时，基于所述红外线探测模块5探测到的行人15的位置信息，控制所述声音输出模块4输出用于提示用户行人15位置的声音，红外线探测模块5中可以使用常见的热释电红外传感器。

为了扩大红外线探测模块5的探测范围，所述红外线探测模块5可以包括安装在所述杖体1上的步进电机302和安装在所述步进电机302的输出轴上的红外线传感器501。

应该说明的是，红外线探测模块5中的步进电机302同样是安装在杖体1的一侧，并按照一定的角度左右转动以探测用户前方的行人15，此步进电机302的转动方式可以参照上述超声波测距模块3中的步进电机302的转动方式。红外线探测模块5中的步进电机302与处理器2通过信号连接，处理器2控制此步进电机302的转动，同时在红外线探测模块5中的任意一个红外线传感器501探测到行人15时，记录当前此步进电机302的旋转角度。

在本发明实施例中，所述红外线探测模块5包括多个红外线传感器501，各个所述红外线传感器501对应的最大探测距离均不相同。

应该说明的是，红外线传感器501可以探测一定的距离范围内有无行人15，但是，该距离范围一般比较大，例如，某一红外线传感器可探测到5米范围内有无行人15。

应该强调的是，为了得到准确的用户与行人之间的距离信息，本发明实施例中所设置的多个红外线传感器501，可以让处理器2基于各传感器返回的信息，以使处理器2更加准确地确定行人15的位置。

可以理解，当某一个红外线传感器探测到行人时，假设该红外线传感器的最大探测距离为X；在红外线探测模块内，其它任意一个对应的最大探测距离小于X的红外线传感器所分别对应的各个最大探测距离中，存在一个最大的最大探测距离Y，若该最大探测距离Y对应的红外线传感器未探测到行人，则表示行人处于离用户Y～X的范围内；特殊的，若红外线探测模块中对应的最大探测距离最小的红外线传感器探测到行人，假设此红外线传感器的最大探测距离为Z，而其它红外线传感器均未探测到行人，则表示行人处于离用户0～Z的范围内。

如图6所示，假设本发明实施例中，红外线探测模块5的步进电机302上安装有3个红外线传感器501，3个红外线传感器501对应的最大探测距离分别为S1、S2、S3，其中，S3＞S2＞S1，当对应的最大探测距离为S3的红外线传感器501探测到行人15，表明该行人15位于用户身边S3的距离范围内，而如果另外两个红外线传感器501均未探测到行人15，此时，处理器2可以进一步判断该行人15处于离用户S2～S3的距离范围内，然后将探测到的行人15的位置信息以声音的方式告知用户。

可以理解，本发明实施例中，导盲设备在红外线探测模块5探测到行人15时，发送给用户的提示音可以是直接告知用户行人位置的语音，例如“在您前方偏右45度3～4米范围内有行人”、“在您前方偏左30度5～7米的范围内有行人”等；当然，该声音也可以是立体的提示音。

应该注意，此处所述立体的提示音应该与上述提示障碍物位置信息的立体的提示音相区别，例如，此处的提示音可以是一段音乐；可以理解，上述存储子模块中可以存储有两个种类的立体声文件；此两个种类的立体声文件分别对应用于提示障碍物位置信息的立体声声音和用于提示行人位置信息的立体声声音。

应该说明的是，在本发明实施例中，立体声文件可以通过现有技术中立体声虚拟重发技术而获得。本领域技术人员公知的是，HRTF(Head Related TransferFunction，头相关传输函数)是一种音效定位算法，在现有技术中，为了获得HRTF中的相关数据，可以建立虚拟的人的头部模型来获取不同位置的声音所对应的数据。在本发明实施例中，可以先通过实验获得HRTF数据，具体的获得HRTF数据的方法可以基于现有的技术手段，本发明实施例在此不做详细介绍。

在获得了HRTF数据后，将所有的获得的HRTF数据分别与单声道的声音源文件进行卷积，使得HRTF数据中关于方位和距离的信息汇入至采用的单声道的声音源文件中，得出多个对应相应方向和距离的立体声文件，最后将获得的所有立体声文件存储到上述存储子模块中即可。

在本发明实施例中，为了加快计算速度，可以使用变化域方法对上述卷积算法进行优化：首先将HRTF数据和单声道的声音源文件分别进行快速傅里叶变换，得出两者在相应频域中的数据；然后将两者相乘，再进行快速傅里叶逆变换，即得到相应方向和距离的立体声文件，由此可以极大的减小计算量。

另外，为了提高立体声文件对应的立体声声音的音质和立体感，本发明实施例还可以对上述傅里叶变换后的HRTF数据按照不同频率的成分比例进行加权；而且，对于识别方向作用更加明显的频段进行加强，其他频段进行减弱，以增强立体声的效果。

本方案中，处理器2控制超声波测距模块3中步进电机302转动，处理器2可以获知任意时刻步进电机302的转动角度，处理器2中还记录有每个所述超声波测距传感器301的探头的指向与该超声波测距传感器301上侧的杖体1的夹角信息，在超声波测距传感器301探测到距离时，处理器2可以控制声音输出模块4将超声波测距传感器301测到的距离、该时刻步进电机302的旋转角度、以及该夹角信息以能够让用户直接或间接获知障碍物位置的声音的形式告知用户，以解决现有技术中的导盲设备无法针对障碍物提供准确的位置信息的问题，给盲人带来极大的便利。

为了清楚起见，下面通过一个具体的实例对本发明实施例提供的一种导盲设备的具体结构和使用方法做简单介绍。如图1所示，该导盲设备为一导盲杖，该导盲杖包括杖体1和杖体1顶端的的把手11，杖体1上安装有处理器ArduinoUNO以及一个作为电源7的锂电池，导盲杖中的存储子模块可以是包括SD卡和与SD卡相适配的SD卡插槽6，在该杖体1上安装有两个超声波测距模块3和一个红外线探测模块5，超声波测距模块3包括安装在杖体1上的型号为SG90的舵机和型号为HC-SR04的超声波测距传感器；红外线探测模块5包括安装在杖体1上的型号为SG90的舵机以及3个型号为HC-SR501的红外线传感器。

对应的，在把手11上设置有用于控制超声波测距模块3的电路通断的第一开关8，以及用于控制红外线探测模块5的电路通断的第二开关9，另外，还设置有控制整个导盲设备的总电路通断的总开关10。在杖体1的上端设置有耳机插孔13，该耳机插孔13连接有普通立体声耳机12。

可以理解的是，在实际的使用过程中，盲人使用导盲杖时，杖体一般与水平面存在一定的倾斜角度γ，为了能够使两个超声波测距传感器301能够实现分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物的功能，可以通过设置超声波测距传感器301的探头的指向与该超声波测距传感器301上侧的杖体1的夹角(图中α、β)来实现上述功能。

参照图1和图3，例如，根据经验，该倾斜角度γ大约为60°，为了使图3中分别位于上部和下部的两个超声波测距传感器301能够分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物，可以对应设置上述夹角β为90°，α为120°。

用户在使用该导盲杖时，首先按下总开关10开通整个设备的电路，戴上该普通立体声耳机12，然后可以选择打开第一开关8和/或第二开关9。

第一开关8打开时，两个超声波测距模块3开始工作，超声波测距传感器301在用户前方170°(左右各85°)的范围内扫描探测。

处理器2接收到其中一个超声波测距传感器301障碍物距离的同时，记录当前对应于该超声波测距传感器301的步进电机302的角度信息，处理器2基于此角度信息、距离信息以及对应的超声波测距传感器301的探头的指向与该超声波测距传感器301上侧的杖体1的夹角信息，可以计算出障碍物14相对于用户的位置信息，然后针对该位置信息，调取对应位置的立体声文件，该立体声文件通过普通立体声耳机12输出，使盲人通过立体声信息觉察到障碍物位置。

同理，第二开关9打开时，红外线探测模块5开始工作，红外线传感器501在用户前方170°(左右各85°)的范围内扫描探测。

处理器2接收到其中一个红外线传感器501探测到人体红外信号时，记录当前红外线探测模块5中的步进电机302的角度信息，并基于当前另外两个红外线传感器501是否探测到人体红外信号来判断出行人15的距离信息，然后处理器2基于此角度信息、距离信息，可以计算出行人15相对于用户的位置信息，然后针对行人15的位置信息，调取对应行人位置信息的立体声文件，该立体声文件通过普通立体声耳机12输出，使盲人通过立体声信息获知行人位置。

示意图中的标号说明：

1、杖体；2、处理器；3、超声波测距模块；301、超声波测距传感器；302、步进电机；4、声音输出模块；5、红外线探测模块；501、红外线传感器；6、SD卡插槽；7、电源；8、第一开关；9、第二开关；10、总开关；11、把手；12、普通立体声耳机；13、耳机插孔；14、障碍物；15、行人。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种导盲设备，其特征在于，包括：杖体、处理器、声音输出模块和两个超声波测距模块，

所述超声波测距模块，包括安装在所述杖体上的步进电机和安装在所述步进电机的输出轴上的超声波测距传感器；两个所述超声波测距传感器分别用于探测用户前下方障碍物和前上方障碍物；

所述处理器中记录有每个所述超声波测距传感器的探头的指向与该超声波测距传感器上侧的杖体的夹角信息，所述处理器用于在所述超声波测距传感器探测到障碍物时，基于所述超声波测距传感器测到的距离、该时刻步进电机的旋转角度以及所述夹角信息，控制所述声音输出模块输出用于提示用户障碍物位置的声音。

2.根据权利要求1所述的导盲设备，其特征在于，所述声音输出模块为立体声输出模块。

3.根据权利要求2所述的导盲设备，其特征在于，所述声音输出模块包括数据存储子模块和立体声输出子模块，所述数据存储子模块中存储有对应于不同位置的立体声文件。

4.根据权利要求3所述的导盲设备，其特征在于，所述存储子模块包括SD卡和与所述SD卡相适配的SD卡插槽。

5.根据权利要求3所述的导盲设备，其特征在于，所述立体声输出子模块包括蓝牙立体声耳机或普通立体声耳机。

6.根据权利要求1所述的导盲设备，其特征在于，所述导盲设备还包括红外线探测模块，所述红外线探测模块用于探测行人的位置信息；

所述处理器还用于：在所述红外线探测模块探测到行人时，基于所述红外线探测模块探测到的行人的位置信息，控制所述声音输出模块输出用于提示用户行人位置的声音。

7.根据权利要求6所述的导盲设备，其特征在于，所述红外线探测模块包括安装在所述杖体上的步进电机和安装在所述步进电机的输出轴上的红外线传感器。

8.根据权利要求6所述的导盲设备，其特征在于，所述红外线探测模块包括多个红外线传感器，各个所述红外线传感器对应的最大探测距离均不相同。