CN106580642A - 一种基于双频超声波的导盲装置和导盲方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双频超声波的导盲装置和导盲方法，所述导盲装置结构包括主要装有蓄电池的控制手柄、控制按键、主电路盒、第一超声波发射换能器、第二超声波发射换能器、第一超声波接收换能器、第二超声波接收换能器；所述的主电路盒的内部装有主控制电路，可以对所述的第一超声波接收换能器和所述的第二超声波接收换能器接收到的对应频率的超声波信号进行解析，并根据解析结果控制报警装置发出警报，告知盲人障碍物的距离及运动状态；本发明的导盲方法，在检测障碍物距离的基础上还可以帮助盲人预判障碍物的运动状态，具有精度高、操作简单和省电等优点。

Description

一种基于双频超声波的导盲装置和导盲方法

技术领域

本发明涉及一种基于双频超声波的导盲装置和导盲方法。

背景技术

据国家权威部门统计，截至2006年8月8日，中国是世界盲人最多的国家，约有500万，占全世界盲人口的18％。同时，每年我国新增45万盲人，专家指出，如果保持目前的发展趋势不变，到2020年预期中国的盲人数量将增加4倍。与健全人相比，盲人的生活中存在着许多不便，最突出的就是行走。盲人在独自行走时，主要依靠导盲装置和导盲犬，但导盲犬不易训练且成本较高。许多城市都在人行道上设置了盲道，但很多时候，盲道被非法占用，盲人行走不方便的问题也一直无法得到较好解决。

为了更好地帮助盲人，国内外各个科研院所研制了各种导盲装置。导盲装置的形式也非常多，包括导盲帽、导盲棍等。导盲原理也丰富多样，包括超声导盲、红外导盲等，其中以基于超声检测技术的导盲原理的应用最广。超声检测技术是无损检测方法之一，该技术始于20世纪30年代，具推广主要归功于脉冲回波式超声检测仪的研制。20世纪40年代，美国科学家Firestone率先推出了一种脉冲回波式超声检测仪的研究方案，该检测仪能够实现对小缺陷的检测，并可以较准确地确定其位置及深度等功能。20世纪60年代，超声检测仪的分辨力、灵敏度及其放大器线性等主要性能取得了进一步发展，并且在焊缝探伤等问题上得到了很好的应用。由于超声波测距是一种非接触式检测方式，利用其可测范围广，不受光线和被测物体颜色的影响等特性，可以解决很多问题。随着现代科技的发展，超声测距技术在工业控制、勘探测量、精确定位、交通安全、卫生保障等领域得到了广泛的应用。目前超声测距技术的应用比较成熟，测量精度和测量时间都很很快，可以很好地应用于导盲器装置的研制中。

刘等提出一种基于双频超声波技术的超声波导盲器(参考在先技术[1]，刘雪林等，基于双频超声波技术的导盲实验设计[J]，大学物理实验，27(5)，2014)，实现了十几米距离内的较精确的导盲目的。但是该装置存在的问题是：导盲设备只能测量出使用者(盲人)与障碍物之间的距离，但是无法预判出运动障碍物的运动状态。王扬等提出一种基于CTFM原理研制的超声波导盲系统(参考在先技术[2]，王扬，许勇，杨军，CTFM超声波导盲系统的探测性能研究[J]，电声技术，36(5)，2012)，采用连续不断检测某个指定方向障碍物的距离的方 式，初步实现了短距离内的移动性障碍物运动状态的粗略探测。但是该装置存在的问题是：为了实现对移动性障碍物状态的粗略检测，需要连续不断地开启超声波换能器，并且一直指定某个探测方向，严重浪费电池的功率，造成电池的使用寿命的缩减。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供了一种基于双频超声波测距的导盲装置，在检测障碍物距离的基础上还可以帮助盲人预判障碍物的运动状态，具有精度高、操作简单和省电等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于双频超声波的导盲装置，其特点在于：沿着超声波发出方向依次是装有蓄电池的控制于柄、控制按键、主电路盒、第一超声波发射换能器、第二超声波发射换能器、第一超声波接收换能器、第二超声波接收换能器；所述的控制按键位于所述的装有蓄电池的控制手柄的上方；所述的第一超声波发射换能器、第二超声波发射换能器、第一超声波接收换能器、第二超声波接收换能器位于所述的主电路盒前表面，并且在同一直线上；

所述的装有蓄电池的控制手柄内部装有可以充电的蓄电池、供电电路、报警输出模块；

所述的控制按键为本系统的导盲控制开关；

所述的可以充电的蓄电池可以是锂电池、镍氢电池或其他充电效率更好的电池；

所述的报警输出模块位于装有蓄电池的控制手柄的后端，可以采用有线耳机、无线耳机等将报警信息传递给盲人；

所述的主电路盒的内部装有主控制电路，可以控制所述的第一超声波发射换能器和所述的第二超声波发射换能器分别发射相应频率的超声波；

所述的主电路盒的内部装有主控制电路，可以对所述的第一超声波接收换能器和所述的第二超声波接收换能器接收到的对应频率的超声波信号进行解析，并根据解析结果控制报警装置发出警报，告知盲人障碍物的距离及运动状态；

所述的主电路盒连接系统设置按键组，包括本系统的电源开关和系统参数设置按键，用以设置本发明导盲报警的第一阈值、第二阈值等系统参数；

所述的第一阈值可以表示发明导盲报警的距离阈值系统参数；

所述的第二阈值可以表示发明导盲报警的障碍物运动状态变化阈值等系统参数；

所述第一阈值和第二阈值可以是事先设定的，使用过程中如果需要更改设定可以重新设置，如果不需要更改设定则为默认值；

所述的第一超声波发射换能器可以发射频率为f1的超声波束；

所述的第二超声波发射换能器可以发射频率为f2的超声波束；

所述的第一超声波接收换能器用来接收所述的第一超声波发射换能器发出的超声波的回波：

所述的第二超声波接收换能器用来接收所述的第二超声波发射换能器发出的超声波的回波；

所述的发射频率f1和所述的发射频率f2之间的数值大小差异很大，用以避免系统将所述第二超声波接收换能器接收的第一超声波发射换能器发射的频率认定为所述第二超声波接收换能器接收的第二超声波发射换能器发射的频率；

所述的发射频率f1和所述的发射频率f2之间的数值大小差异很大，用以避免系统将所述第一超声波接收换能器接收的第二超声波发射换能器发射的频率认定为所述第一超声波接收换能器接收的第一超声波发射换能器发射的频率；

所述第一超声波发射换能器和第一超声波接收换能器的组合作用是检测障碍物的距离，所述第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器的组合作用是检测障碍物的运动状态，或者，所述第一超声波发射换能器和第一超声波接收换能器的组合作用是检测障碍物的运动状态，所述第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器的组合作用是检测障碍物的距离；

一种基于双频超声波的导盲方法，实现步骤如下：

(1)将对应的有线耳机或无线耳机等可以为盲人提供警报信息的输出装备连接到位于装有蓄电池的控制手柄后端的报警输出模块；

(2)打开本系统的电源开关：

(3)可选地，如果需要更改第一阈值和第二阈值的数值大小设置，则通过系统设置按键组进行重新设定，否则系统读取默认参数值；

(4)假定第一超声波发射换能器和第一超声波接收换能器的组合作用是检测障碍物的距离，第二超声波发射换能器和第二超声波接收换能器的组合作用是检测障碍物的运动状态；使用时，将本发明的导盲装置指向需要探测的方向，打开控制按键，主控制电路分别为第一超声波发射换能器和第二超声波发射换能器分别提供激励信号；

(5)第一超声波发射换能器发出时间长度较短的、频率为f1的超声波束，第二超声波发射换能器发出时间长度较长的、频率为f2的超声波束，两束超声波束在遇到障碍物后分别产生回波；

(6)第一超声波接收换能器和第二超声波接收换能器接收回波，主控制电路对接收到的回波信号进行处理分析，分别计算出障碍物的距离和大概的运动状态；

(7)系统通过位于装有蓄电池的控制手柄后端的报警输出模块将报警信息告知盲人，从而实现了高精度的导盲目的；

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

1.采用双频超声测距的方法，可以在传统测量障碍物距离的基础上，进一步检测出障碍物的运动状态，可以有效地给盲人做出精确的导盲指示。

2.采用基于多普勒效应的方式测量障碍物的运动状态的方法，避免了连续不断地开启超声波换能器的方式进行超声波回波测距，从而可以有效地减少导盲器的功耗进而延长其使用寿命。

附图说明

图1为基于双频超声波的导盲器原理示意图；

图2为超声波换能器位置示意图；

图3为障碍物距离和运动状态报警流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

由图1看出基于双频超声波的导盲装置结构包括：沿着超声波发出方向依次是装有蓄电池的控制手柄1、控制按键2、主电路盒3、第一超声波发射换能器5、第二超声波发射换能器6、第一超声波接收换能器7、第二超声波接收换能器8；所述的控制按键2位于所述的装有蓄电池的控制手柄1的上方；所述的第一超声波发射换能器5、第二超声波发射换能器6、第一超声波接收换能器7、第二超声波接收换能器8位于所述的主电路盒3前表面，并且在同一直线上，如附图2所示；

所述的装有蓄电池的控制手柄1内部装有可以充电的蓄电池、供电电路、报警输出模块9；所述的可以充电的蓄电池可以是锂电池、镍氢电池或其他充电效率更好的电池；所述的报警输出模块9位于装有蓄电池的控制手柄1的后端，可以采用有线耳机、无线耳机等将报警信息传递给盲人；所述的主电路盒3的内部装有主控制电路，可以对所述的第一超声波接收换能器7和所述的第二超声波接收换能器8接收到的对应频率的超声波信号进行解析，并根据解析结果控制报警装置发出警报，告知盲人障碍物的距离及运动状态；所述的主电路盒3连接系统设置按键组4，包括本系统的电源开关和系统参数设置按键，用以设置本发明导盲报警的第一阈值、第二阈值等系统参数；所述第一阈值和第二阈值可以是事先设定的，使用过程中如果需要更改设定可以重新设置，如果不需要更改设定则为默认值；所述的第一超声波发射换能器5可以发射频率为f1的超声波束；所述的第二超声波发射换能器6可以发射频率为f2的超声波束；所述第一超声波发射换能器5和第一超声波接收换能器7的组合作用是检测障碍物的距离，所述第二超声波发射换能器6和第二超声波接收换能器8的组合作用是检测障碍物的运动状态，或者，所述第一超声波发射换能器5和第一超声波接收换能器7的 组合作用是检测障碍物的运动状态，所述第二超声波发射换能器6和第二超声波接收换能器8的组合作用是检测障碍物的距离；

实施例：

在目前超声波导盲检测领域，对障碍物的距离检测技术应用广泛，但是对其运动状态的检测较少，而实际上盲人及时了解障碍物运动状态非常重要。因此，以运动速度为30km/h的汽车作为障碍物，采用本发明的基于双频超声波的导盲装置进行探测。

主控制电路对第二超声波接收换能器8接收到的信号主要分析其频率大小，并根据多普勒效应计算速度，障碍物靠近和远离所引起的频率的变化分别如下：

其中，v为探测到的频率；v₀为盲人的移动速度，由于盲人行走较慢，默认可以取零或其他较小数值；v_s为超声波发射源速度，由于这里是指装置发出的运动物体的回波，因此发射源速度与障碍物速度呈一定的函数关系，因此可以计算v_s获得障碍物运动速度。f₂为第二超声波发射换能器8发出的超声波束的频率；判断障碍物是靠近和远离的方式是，第一超声波发射换能器5在第二超声波发射换能器6的开始发射和即将结束的时刻分别发射一次超声波束，判断两次检测的距离，如果距离变远则说明是障碍物运动远离，如果距离变近则说明是障碍物运动靠近；

一种基于双频超声波的导盲方法，实现步骤如下：

(1)将对应的有线耳机或无线耳机等可以为盲人提供警报信息的输出装备连接到位于装有蓄电池的控制手柄1后端的报警输出模块9；

(2)打开本系统的电源开关；

(3可选地，如果需要更改第一阈值和第二阈值的数值大小设置，则通过系统设置按键组4进行重新设定，否则系统读取默认参数值；

(4)假定第一超声波发射换能器5和第一超声波接收换能器6的组合作用是检测障碍物的距离，第二超声波发射换能器7和第二超声波接收换能器8的组合作用是检测障碍物的运动状态；使用时，将本发明的导盲装置指向需要探测的方向，打开控制按键2，主控制电路分别为第一超声波发射换能器5和第二超声波发射换能器6分别提供激励信号；

(5)第一超声波发射换能器5发出时间长度较短的、频率为f1的超声波束，第二超声波发射换能器6发出时间长度较长的、频率为f2的超声波束，两束超声波束在遇到障碍物后分别产生回波；

(6)第一超声波接收换能器7和第二超声波接收换能器8接收回波，主控制电路对接收到的回波信号进行处理分析，分别计算出障碍物的距离和大概的运动状态；

(7)系统通过位于装有蓄电池的控制手柄1后端的报警输出模块2将报警信息告知盲人，从而实现了高精度的导盲目的；

本发明的障碍物距离和运动状态报警的实施例如图3所示。本装置软件的控制核心为AT89S52单片机，单片机通过读取系统参数设置值对初始设置状态进行修改，控制第一超声波发射换能器5和第二超声波发射换能器6分别发射超声波，同时启动定时器计时，为了避免接收传感器直接接受发出的超声波，可在发射超声波后设置一段延时。当第一超声波接收换能器5探测到回波时，读取时间差，根据回波测距原理计算出障碍物距离。第二超声波发射换能器6发射超声波的持续时间比第一超声波发射换能器5发射超声波的持续时间稍长，第二超声波接收换能器8接收第二超声波发射换能器6发出的声波后，系统计算出获得超声波的频率，从而计算出运动状态；软件判断，当距离大于第一阈值时，说明距离太远，不需要报警，返回第一步重新进行探测，否则进一步判断速度信息；当速度大于第二阈值时，说明运动速度非常快，需要及时避让，则采用报警方式一进行报警，所述的报警方式一可以是发出尖锐的警报声；如果速度不大于第二阈值时，说明运动状态正常，采用报警方式一进行报警，所述的报警方式一将障碍物的速度、运动状态信息通过语音等方式告知盲人。

本技术领域中的普通技术人员应该认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化和变形，都属于本发明权利要求书的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双频超声波的导盲装置和导盲方法，其特征在于：沿着超声波发出方向依次是装有蓄电池的控制手柄1、控制按键2、主电路盒3、第一超声波发射换能器5、第二超声波发射换能器6、第一超声波接收换能器7、第二超声波接收换能器8；所述的控制按键2位于所述的装有蓄电池的控制手柄1的上方；所述的第一超声波发射换能器5、第二超声波发射换能器6、第一超声波接收换能器7、第二超声波接收换能器8位于所述的主电路盒3前表面，并且在同一直线上；所述的装有蓄电池的控制手柄1内部装有可以充电的蓄电池、供电电路、报警输出模块9；所述的主电路盒3连接系统设置按键组4，包括本系统的电源开关和系统参数设置按键，用以设置本发明导盲报警的第一阈值、第二阈值等系统参数；利用该装置进行导盲的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

①将对应的有线耳机或无线耳机等可以为盲人提供警报信息的输出装备连接到位于装有蓄电池的控制手柄1后端的报警输出模块9；

②打开本系统的电源开关；

③可选地，如果需要更改第一阈值和第二阈值的数值大小设置，则通过系统设置按键组4进行重新设定，否则系统读取默认参数值；

④假定第一超声波发射换能器5和第一超声波接收换能器6的组合作用是检测障碍物的距离，第二超声波发射换能器7和第二超声波接收换能器8的组合作用是检测障碍物的运动状态；使用时，将本发明的导盲装置指向需要探测的方向，打开控制按键2，主控制电路分别为第一超声波发射换能器5和第二超声波发射换能器6分别提供激励信号；

⑤第一超声波发射换能器5发出时间长度较短的、频率为f1的超声波束，第二超声波发射换能器6发出时间长度较长的、频率为f2的超声波束，两束超声波束在遇到障碍物后分别产生回波；

⑥第一超声波接收换能器7和第二超声波接收换能器8接收回波，主控制电路对接收到的回波信号进行处理分析，分别计算出障碍物的距离和大概的运动状态；

⑥系统通过位于装有蓄电池的控制手柄1后端的报警输出模块2将报警信息告知盲人，从而实现了高精度的导盲目的。