CN109562012B - 便携式环境感测设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种便携式环境感测设备(10)，其包括至少一个飞行时间传感器(11)，其能够同时检测从飞行时间传感器(11)到飞行时间传感器(11)的视野(21)内的至少两个特征的距离。该便携式环境感测设备还包括处理单元(12)，其能够将至少两个测量距离转换成至少两个不同的距离信号(16)，其中，每个距离信号(16)与相应的测量距离相关联，并且包括输出接口(13)，其同时向用户(20)提供至少两个距离信号(16)。

Description

便携式环境感测设备
本发明涉及一种便携式环境感测设备。
本发明涉及用于盲人或视力障碍者的环境传感器的领域。环境传感器能够传达关于用户附近的物体的信息。盲杖是其中一个例子。用户通过盲杖能够获得关于地面上的障碍物(例如，台阶)的信息。然而，通过在地面上移动盲杖，不能获得关于地面上方的另一高度处的障碍物或物体的信息。此外，能够检测到地板上的物体的范围受到盲杖长度的限制。
本发明的目的是提供一种便携式环境感测设备，其能够同时向用户提供环境感测设备与环境感测设备的视野中的至少两个特征之间的距离。
该目的由独立权利要求实现。另外的实施例是从属权利要求的主题。
在一个实施例中，便携式环境感测设备包括至少一个飞行时间传感器，该飞行时间传感器能够同时检测从飞行时间传感器到飞行时间传感器的视野内的至少两个特征的距离。例如，飞行时间传感器可以设计成以波束的形式发出电磁辐射脉冲。电磁波束在飞行时间传感器的视野内的特征和物体处被反射。反射的电磁辐射由飞行时间传感器检测。飞行时间传感器与在其处电磁辐射被反射的特征之间的距离能够根据电磁辐射脉冲从飞行时间传感器到特征并返回到飞行时间传感器所需要的时间来确定。
飞行时间传感器的视野内的特征可以是飞行时间传感器附近的任何特征或物体，例如车辆、人、动物或诸如墙壁和门的物体。特征也可以是物体的一部分，该部分比物体的其他部分更靠近飞行时间传感器。飞行时间传感器的视野是飞行时间传感器能够测量的特征与飞行时间传感器之间的距离的范围。这意味着，视野是由电磁波束捕获的角度范围。例如，视野能够包括锥形。例如，飞行时间传感器的视野的开口角度能够在0°至45°之间。优选地，飞行时间传感器的视野的开口角度在21°至23°之间。
在一个实施例中，便携式环境感测设备包括能够将至少两个测量距离转换成至少两个不同的距离信号的处理单元，其中，每个距离信号与相应的测量距离相关联。这意味着，可能存在测量距离如何与相应的距离信号相关联的关系。
在一个实施例中，便携式环境感测设备包括输出接口，其同时向用户提供至少两个距离信号。例如，在输出接口处能够连接另一设备以便提供距离信号给用户。作为示例，距离信号能够包括可听频率或机械振动。通过这种方式，能够给盲人或视障用户提供距离信号的信息。
通过便携式环境感测设备同时向用户提供两个或更多个距离信号，用户能够获得关于其所处环境的信息。例如，通过移动便携式环境感测设备，用户能够改变飞行时间传感器的视野，从而获得关于其环境中的不同物体的信息。因此，与盲杖相比，便携式环境感测设备不仅可以获得关于地面上的障碍物的信息，而且还可以获得不同高度处的障碍物的信息。由于飞行时间传感器的视野的开口角度优选地在21°至23°之间，因此还可以同时获得关于几个物体的信息。通过移动便携式环境感测设备的位置或通过改变飞行时间传感器的视野，能够从不同的方向或角度对物体进行检测。因此，便携式环境感测设备使盲人或视障人士能够更安全地移动。
在一个实施例中，便携式环境感测设备包括至少一个飞行时间传感器、处理单元和输出接口，输出接口同时向用户提供至少两个距离信号。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，飞行时间传感器包括发射器，该发射器能够发射电磁辐射，并且包括传感器，该传感器能够检测由该发射器发射的并且在飞行时间传感器的视野内的特征处被反射的电磁辐射。飞行时间传感器还包括数据处理单元，其能够通过测量由发射器发射电磁辐射和传感器检测到反射的电磁辐射之间的时间差，来提供飞行时间传感器和电磁辐射被反射处的特征之间的距离。
例如，发射器能够是激光器。例如，发射器能够是垂直腔表面发射激光器。有利地，电磁辐射处于红外范围内，使得用户看不到电磁辐射。可以调节电磁辐射，例如脉冲地调节电磁辐射。传感器能够检测反射的电磁辐射和环境辐射。例如，发射器可以是单光子雪崩二极管。飞行时间传感器能够包括一个或更多个发射器和一个或更多个传感器。飞行时间传感器能够在不同的光条件下测量距离，并且也能够测量具有不同的反射系数的物体的距离。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，至少两个不同的距离信号包括可听频率。例如，可听频率能够与飞行时间传感器和特征之间的测量距离相关，使得频带或单个频率能够表示特定距离。作为示例，可听频率和测量距离能够以这样的方式相关联，即测量距离越短，可听频率越高。测量距离和相应的可听频率之间的关系也能够由处理单元的特定算法或查找表给出。能够采用用于可听频率的滤波器来使可听频率对于用户来说更舒适。此外，能够在处理单元中采用算法来聚焦可听频率的峰值或者，例如，调节可听频率的音量以适应光条件。通过这种方式，向用户提供不同可听频率的直方图，其中，可听频率与从飞行时间传感器到飞行时间传感器附近的特征的距离相关联。由于飞行时间传感器的视野的开口角度优选地在21°至23°之间，因此用户能够同时获得关于其环境中的若干特征的信息。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，输出接口连接到至少一个扬声器。这意味着，输出接口能够连接到，例如，耳机。通过这种方式，能够向用户播放包括可听频率的距离信号。
在一个实施例中，便携式环境感测设备连接到至少一个麦克风，该麦克风记录来自用户环境的环境声音，并且输出接口将记录的环境声音提供给用户。例如，如果用户在双耳上佩戴耳机，则能够通过麦克风记录来自环境的声音和噪声，并通过输出接口提供给用户。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，距离信号的可听频率的强度与飞行时间传感器的视野内的相应特征的比例大小相关。对比较小物体和较大物体，在较大物体处，由飞行时间传感器发射的较大部分的电磁辐射被反射回飞行时间传感器。因此，与较小物体相比，对应于较大物体的可听频率的强度增加。因此，用户还能够获得关于其附近的特征和物体的大小的信息。
在一个实施例中，便携式环境感测设备由可佩戴眼镜或手表构成。这意味着，便携式环境感测设备能够，例如，安装在眼镜上。在这种情况下，如果用户转头，则能够改变飞行时间传感器的视野。在另一示例中，便携式环境感测设备能够安装在手表上，使得能够通过移动佩戴手表的手臂来改变飞行时间传感器的视野。
在一个实施例中，便携式环境感测设备由可佩戴眼镜构成，并且便携式环境感测设备还包括能够检测用户的眼球朝哪个方向上看的至少一个摄像头。此外，飞行时间传感器的视野朝向用户的眼球看向的方向。这意味着，在用户能够移动眼球或眼睛的任何部位到不同方向上的情况下，摄像头能够检测到这种移动。算法能够计算眼球所朝向的方向的角度，并且通过这种方式，飞行时间传感器的视野能够朝向相同的方向。例如，为此，飞行时间传感器能够包括旋转马达以改变视野。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，至少两个不同的距离信号包括机械振动，并且输出接口连接到机械马达。通过这种方式，将关于到飞行时间传感器的视野中的特征的不同距离的信息转换成不同的机械振动。因此，例如，用户能够用手感知不同的距离信号。不同的距离信号能够转换成不同的机械振动，使得用户能够获得关于其附近的特征的信息。例如，机械马达可以是手表的一部分。
在一个实施例中，便携式环境感测设备包括至少一个另外的飞行时间传感器和至少一个另外的输出接口，并且对于每个飞行时间传感器，相应的距离信号通过相应的输出接口同时提供给用户。例如，这意味着，具有不同视野的两个飞行时间传感器能够向每个扬声器提供距离信号，从而给用户提供来自每个扬声器的不同方向的距离信号。扬声器能够布置在耳机中。由于人脑能够处理立体声音频信号，因此用户能够从两个飞行时间传感器的不同视野获得关于其环境的信息。如果两个或更多个飞行时间传感器的视野重叠，则用户能够获得关于特征的更多信息并且更精确地可视化物体的形状。通过这种方式，用户能够获得更精确的信息，并且他能够更安全地移动。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，处理单元使至少两个飞行时间传感器同步。至少两个飞行时间传感器能够以这样的方式同步：例如，另外的传感器在飞行时间传感器的发射器发送脉冲信号的同一时刻不检测电磁辐射。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，至少一个飞行时间传感器的视野以预定方式重复地改变。在这种情况下，用户不必改变便携式环境感测设备的位置以改变至少一个飞行时间传感器的视野。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，便携式环境感测设备包括对反射的电磁辐射的波长敏感的至少一个颜色传感器，使得其具有与至少一个飞行时间传感器相同的或类似的视野。此外，处理单元将从至少一个颜色传感器获得的波长相关信息转换为颜色信号，并且输出接口将颜色信号提供给用户。通过这种方式，也能够为用户提供关于其附近的特征的颜色的信息，例如街道上的彩色标记。颜色信号能够以与距离信号不同的形状提供给用户。例如，与常规频率相比，颜色信号可以包括附加的谐波频率。在这种情况下，仅在需要时才提供颜色信号，并且能够打开和关闭颜色信号的提供。
在便携式环境感测设备的一个实施例中，便携式环境感测设备包括对红外光敏感的至少一个温度传感器，该温度传感器获得其视野内的物体的温度信息。此外，处理单元将由温度传感器获得的物体的温度信息转换为用于输出接口的温度信号。通过提供温度信号，能够在用户环境中存在热物体的情况下向用户发出警告。此外，温度传感器能够提供关于环境中光条件的信息，例如，以调节可听频率的音量。例如，在明亮的阳光条件下，能够调节可听频率的音量使其不是太大。
颜色信号和温度信号也能够作为脉冲信号提供给用户，这意味着，例如，相应的可听频率不是以连续方式而是以脉冲方式被提供。此外，能够打开和关闭颜色信号和温度信号。
在一个实施例中，便携式环境感测设备实现为芯片上的集成系统。这意味着，例如，传感器和处理单元能够布置为芯片上的集成系统。
以下对附图的描述可以进一步说明和解释示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件由相同的参考标记表示。相同或效果相同的部件可以仅针对它们首次出现的附图来进行描述。不一定在连续的图中重复对它们的描述。
图1示出了便携式环境感测设备的示例性实施例的设置。
图2示出了飞行时间传感器的视野。
图3和图4示出了表示测量距离的可听频率的示例性直方图。
图5A和图5B示出了由眼镜构成的便携式环境感测设备的示例性实施例。
图6示出了具有两个飞行时间传感器的便携式环境感测设备的示例性实施例的设置。
图7示出了两个飞行时间传感器的视野。
图8示出了具有两个飞行时间传感器、颜色传感器和温度传感器的便携式环境感测设备的示例性实施例的设置。
图9示出了由包括两个摄像头的眼镜构成的便携式环境感测设备的示例性实施例。
图10示出了具有两个飞行时间传感器、颜色传感器、温度传感器、两个旋转马达和两个摄像头的便携式环境感测设备的示例性实施例的设置。
图1示出了便携式环境感测设备10的示例性实施例的设置。飞行时间传感器11能够发射电磁辐射(例如电磁波束18)，其在飞行时间传感器11的视野21内的特征处被反射。在这种情况下，特征是指人的手臂。反射的电磁辐射由飞行时间传感器11检测。飞行时间传感器11包括数据处理单元19，该数据处理单元提供飞行时间传感器11和飞行时间传感器11的视野21内的特征之间的测量距离。飞行时间传感器11将测量距离提供给处理单元12。处理单元12将至少两个测量距离转换成至少两个不同的距离信号16。输出接口13提供至少两个不同的距离信号16。在这种情况下，扬声器14连接到输出接口13，使得距离信号16能够由扬声器14提供给用户20。
图2示出了具有视野21的飞行时间传感器11。由飞行时间传感器11发射的电磁波束18在飞行时间传感器11的视野21内的几个特征处被反射。在这种情况下，一部分电磁波束18在第一特征15处被反射，而较大部分的电磁波束18在第二特征17处被反射。
图3示出了表示测量距离的可听频率的示例性直方图。在可听频率f上绘制强度I。距离信号16能够转换成可听频率f，可听频率f能够同时提供给用户20。因此，为用户20提供可听频率f的直方图。在这种情况下，直方图中频率f的强度I与飞行时间传感器11的视野21内的相应特征的比例大小相关。例如，直方图中第一峰值22能够对应于到图2中所示的第一特征15的测量距离。直方图中第二峰值23能够对应于到图2中所示的第二特征17的测量距离。因为在飞行时间传感器11的视野21内第二特征17大于第一特征15，所以大部分电磁辐射在第二特征17处被反射。因此，表示到第二特征17的距离的频率f具有比表示到第一特征15的距离的第一峰值22更高的强度I。飞行时间传感器11和飞行时间传感器11的视野21内的特征之间的测量距离能够以这样的方式相关：特征越接近飞行时间传感器11，直方图中的频率f就越高。
图4示出了表示距离信号16的可听频率f的另一示例性直方图。某些频带能够表示飞行时间传感器11的视野21内的测量距离。
图5A示出了由眼镜24构成的便携式环境感测设备10的示例性实施例。飞行时间传感器11和处理单元12安装在眼镜24上。飞行时间传感器11在用户20朝向的方向上发射电磁波束18。输出接口13连接到扬声器14，在这种情况下，扬声器14是耳机。用户20通过移动头部能够改变飞行时间传感器11的视野21，并且，因此能够获取关于其所处环境的信息。
图5B示出了由眼镜24构成的便携式环境感测设备10的另一示例性实施例。飞行时间传感器11和另一飞行时间传感器25安装在眼镜24上。此外，扬声器14和另一扬声器26连接到便携式环境感测设备10。通过使用两个飞行时间传感器11、25，能够增加用户20的总视野。还可以将麦克风27布置在眼镜24上或布置在扬声器14、26的背离用户20的耳朵的一侧上。麦克风27能够记录环境的声音或噪音，该声音或噪音能够通过扬声器14、26提供给用户20。通过这种方式，用户20还能够听到环境声音，而不仅仅是表示距离信号16的可听频率f。
图6示出了具有两个飞行时间传感器11、25的便携式环境感测设备10的示例性实施例的设置。飞行时间传感器11、25都发射电磁波束18，该电磁波束18在飞行时间传感器11、25的视野21内的特征处被反射。如虚线箭头所示，飞行时间传感器11、25以这样的方式彼此同步：它们仅检测来自它们自己发射的电磁波束18的反射电磁辐射。飞行时间传感器11、25将它们的测量距离提供给处理单元12。处理单元12将测量距离转换为距离信号16，并且将一组距离信号16分别提供给输出接口13和另一输出接口32。两个扬声器14、26连接到输出接口13和另一输出接口32，其中为每个扬声器14、26提供对应于飞行时间传感器11、25之一的距离信号16，从而为用户提供来自每个扬声器14、26的不同方向的距离信号。通过使用两个飞行时间传感器11、25，用户20能够从不同的方向检测相同的特征或物体，并且因此获得关于某一特征或物体的形状的更多信息。
图7示出了安装在眼镜24上的两个飞行时间传感器11、25的增大的视野。
图8示出了具有两个飞行时间传感器11、25和颜色传感器28的便携式环境感测设备10的示例性实施例的设置。便携式环境感测设备10还包括对红外辐射敏感的温度传感器29。颜色传感器28对反射光的波长敏感，从而能够为用户20提供关于飞行时间传感器11的视野21内的特征的颜色的信息。通过这种方式，也能够为用户20提供关于其附近的特征的颜色的信息，例如街道上的彩色标记。处理单元12将由颜色传感器28获得的波长相关信息转换为颜色信号，该颜色信号被提供给用户20。温度传感器29对红外光敏感，从而能够为用户20提供关于飞行时间传感器11的视野21内的物体的温度的信息。因此，如果用户靠近热的物体时，能够向用户发出警告。
图9示出了由包括两个摄像头30的眼镜24构成的便携式环境感测设备10的示例性实施例。摄像头30检测用户20的眼球向哪个方向看，并且利用这一点，飞行时间传感器11、25的视野21能够朝向用户20的眼球看过去的方向。
图10示出了便携式环境感测设备10的另一示例性实施例的设置。如果便携式环境感测设备10由眼镜24构成，则摄像头30能够安装在眼镜24上以检测用户20的眼球的运动。摄像头30检测到的眼球的方向被提供给处理单元12。处理单元12提供该信息给旋转马达31，飞行时间传感器11、25安装在旋转马达31上。通过这种方式，能够根据用户20的眼球的运动改变飞行时间传感器11、25的视野21。飞行时间传感器11、25还包括颜色传感器28和温度传感器29。输出接口13连接到扬声器14、26。除了利用摄像头30之外，还可以通过利用旋转马达31重复地改变视野21来改变飞行时间传感器11、25的视野21。
附图标记列表
10：便携式环境感测设备
11：飞行时间传感器
12：处理单元
13：输出接口
14：扬声器
15：第一特征
16：距离信号
17：第二特征
18：电磁波束
19：数据处理单元
20：用户
21：视野
22：第一峰值
23：第二峰值
24：眼镜
25：另外的飞行时间传感器
26：另外的扬声器
27：麦克风
28：颜色传感器
29：温度传感器
30：摄像头
31：旋转马达
32：另外的输出接口
f：频率
I：强度

Claims (16)

1.一种便携式环境感测设备(10)，包括：
-至少一个飞行时间传感器(11)，其能够操作用于同时检测从所述至少一个飞行时间传感器(11)到所述至少一个飞行时间传感器(11)的视野(21)内的至少两个物体的距离，
其中，所述至少一个飞行时间传感器(11)包括：
-发射器，其能够操作用于同时朝向所述至少两个物体发射电磁辐射，
-传感器，其能够操作用于同时检测由所述发射器发射的并且从所述至少两个物体反射的电磁辐射，和
-数据处理单元(19)，其能够操作用于基于来自所述发射器的输出和来自所述传感器的输出来检测所述至少两个物体与所述至少一个飞行时间传感器(11)的至少两个距离；
-处理单元(12)，其能够操作用于将所检测的距离转换成至少两个不同的距离信号(16)，其中，所述至少两个不同的距离信号(16)中的每个距离信号(16)与所检测的距离中的相应的一个距离相关联；和
-输出接口(13)，其能够操作用于同时向用户(20)提供所述至少两个距离信号(16)。
2.根据权利要求1所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述数据处理单元(19)能够操作用于通过测量由所述发射器发射电磁辐射和所述传感器检测到反射的电磁辐射之间的时间差来提供所述至少一个飞行时间传感器(11)与反射所述电磁辐射的物体之间的所述至少两个距离。
3.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述至少两个不同的距离信号(16)包括可听频率(f)。
4.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述输出接口(13)连接到至少一个扬声器(14)。
5.根据权利要求4所述的便携式环境感测设备(10)，其中，
-所述便携式环境感测设备(10)连接到能够操作用于记录环境声音的至少一个麦克风(27)，并且
-所述输出接口(13)能够操作用于将所记录的环境声音提供给用户(20)。
6.根据权利要求3所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述至少两个距离信号(16)中的每个距离信号的可听频率(f)的强度(I)与所述至少一个飞行时间传感器(11)的视野(21)内的物体中的相应的物体的比例大小相关。
7.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述便携式环境感测设备(10)由可佩戴眼镜(24)或手表构成。
8.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，
-所述便携式环境感测设备(10)由可佩戴眼镜(24)构成，
-所述便携式环境感测设备(10)还包括至少一个摄像头(30)，其能够操作用于检测用户(20)的眼球所看向的方向，并且
-所述至少一个飞行时间传感器能够操作用于使视野(21)朝向用户(20)的眼球所看向的方向。
9.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述至少两个不同的距离信号(16)包括机械振动，并且所述输出接口(13)连接到机械马达。
10.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，
-所述便携式环境感测设备(10)包括至少一个另外的飞行时间传感器(25)和至少一个另外的输出接口(32)，并且
-所述至少一个飞行时间传感器(11)和所述至少一个另外的飞行时间传感器(25)能够操作用于将相应的距离信号(16)通过相应的输出接口(13、32)同时提供给用户(20)。
11.根据权利要求10所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述处理单元(12)能够操作用于使所述至少一个飞行时间传感器(11)和所述至少一个另外的飞行时间传感器(25)同步。
12.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述至少一个飞行时间传感器(11)的视野(21)在所述便携式环境感测设备的操作期间以预定方式重复地变化。
13.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，
-所述便携式环境感测设备(10)包括对反射光的波长敏感的至少一个颜色传感器(28)，所述至少一个颜色传感器(28)具有等同于所述至少一个飞行时间传感器(11)的视野(21)的第二视野，
-所述处理单元(12)能够操作用于将由所述至少一个颜色传感器(28)获得的波长相关信息转换成颜色信号，并且
-所述输出接口(13)配置为将所述颜色信号提供给用户(20)。
14.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，
-所述便携式环境感测设备(10)包括对红外光敏感的至少一个温度传感器(29)，并且所述至少一个温度传感器能够操作用于获得在所述至少一个温度传感器(29)的视野中的物体的温度信息，并且
-所述处理单元(12)能够操作用于将由所述至少一个温度传感器(29)获得的物体的温度信息转换成用于所述输出接口(13)的温度信号。
15.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，其中，所述便携式环境感测设备(10)实现为芯片上的集成系统。
16.根据权利要求1或2所述的便携式环境感测设备(10)，
其中，所述至少两个不同的距离信号(16)的第一距离信号包括第一可听频率或第一可听频带，
其中，所述至少两个不同的距离信号(16)的第二距离信号包括第二可听频率或第二可听频带，所述第一可听频率或第一可听频带与所述第二可听频率或第二可听频带不同，并且
其中，所述处理单元(12)能够操作用于将所检测的距离转换成至少：
来自所述两个不同的距离信号(16)中的基于所述第一可听频率或第一可听频带的第一距离信号，和
来自所述两个不同的距离信号(16)中的基于所述第二可听频率或第二可听频带的第二距离信号。
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