CN110464610B - 一种基于超声波的避障服及避障方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波的避障服及避障方法，所述避障服包括避障服本体(1)以及设置在避障服本体内的主控模块(2)、测距模块(3)和警报器(4)，所述测距模块(3)和警报器(4)均通过导线(5)与主控模块(2)连接。所述避障方法包括通过测距模块(3)对人体附近障碍物的距离进行测量、通过主控模块(2)对测量的距离进行判定、根据避障距离形成不同的警报信息的步骤。本发明所公开的避障服，结构简单，可进行洗涤，成本低廉，导航避障准确，且不会受到穿着者行走动作干扰；所公开的避障方法能够根据障碍物的不同距离形成不同级别的警报信息，避障灵活性高。

Description

一种基于超声波的避障服及避障方法
技术领域
本发明涉及智能避障领域，具体涉及一种避障服及避障方法，尤其涉及一种基于超声波的避障服及避障方法。
背景技术
盲人作为社会中的弱势群体，正广泛受到社会的特殊照顾与重视，越来越多的人开始了解和关心他们的生活与需求。随着我国经济的快速发展，城市建筑越来越密集，导致城市道路十分复杂，虽然很多城市铺设了盲道，旨在提高盲人及视障人群出行的可能性和方便性，但在实际生活中，盲道经常被堆砌的杂物和社会车辆占据，形成了盲人行走中的陷阱和障碍，使得盲人对于盲道的使用率降低，妨碍了盲人的正常出行。
在日常生活中，盲人多利用导盲犬和多种避障导盲装置辅助出行以保障自身安全。其中，导盲犬的训练和喂养需要大量的时间与金钱，价格昂贵，普通盲人群体一般无法承担导盲犬的价格。避障导盲装置包括导盲鞋、导盲手环、导盲帽、导盲眼镜和导盲手杖等，虽然相对于导盲犬易于携带、价格适中，但多存在监测障碍物效果差、导航避障不准确、易收到使用者运动干扰等问题，且一些头戴的设备与正常人使用的设备差别大，给盲人带来心理压力，易产生排斥情绪。
因此，有必要提供一种检测障碍物效果好、导航避障准确、不受使用者运动干扰且成本低廉的避障服及避障方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于超声波的避障服及避障方法，所述避障服包括避障服本体以及设置在避障服本体内的主控模块、测距模块和警报器，所述测距模块和警报器均通过导线与主控模块连接；所述避障方法包括通过测距模块对人体附近障碍物的距离进行测量、通过主控模块对测量的距离进行处理，判定避障距离、并根据避障距离形成不同的警报信息的步骤，所述避障服结构简单，可进行洗涤，成本低廉，导航避障准确，从而完成了本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：
第一方面，提供了一种基于超声波的避障服，其中，所述避障服包括避障服本体1以及设置在避障服本体内的主控模块2、测距模块3和警报器4，
其中，所述测距模块3和警报器4均通过导线5与主控模块2连接。
第二方面，提供了一种第一方面所述避障服的制备方法，所述方法包括在避障服本体1上选取测距模块3安装位置的步骤。
第三方面，提供了一种避障方法，优选采用第一方面所述避障服或第二方面所述方法制备的避障服实现，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1，启动主控模块2，通过测距模块3对人体附近障碍物的距离进行测量；
步骤2，通过主控模块2对步骤1中测量的距离进行处理，判定避障距离；
步骤3，根据步骤2中获取的避障距离形成不同的警报信息，并通过警报器4进行响应。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明所提供的避障服，结构简单，可进行洗涤，成本低廉，可进行大规模工业生产；
(2)本发明所提供的避障服，对障碍物的检测范围大，导航避障准确，且不会受到穿着者行走动作干扰；
(3)本发明所提供的避障服，避障系统模块之间采用柔性、可缝纫导线连接，导线分布避免了大面积的与人体接触，舒适度高，不会给盲人造成心理压力；
(4)本发明所提供的避障服，采用的模块电子元件耗能低、精准度高、对人体伤害小；
(5)本发明所提供的避障方法，能够根据障碍物的不同距离形成不同级别的警报信息，避障灵活性高。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式的避障服的整体结构示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式的避障系统结构示意图；
图3示出本发明一种优选实施方式的主控模块、测距模块及警报器之间的连接示意图；
图4示出本发明一种优选实施方式的标记点位置示意图；
图5示出实施例1中相关标记点的数据缺失图；
图6示出标记点A1～A5的X轴数据整体趋势图；
图7示出标记点A1～A5的Y轴数据整体趋势图；
图8示出标记点A1～A5的Z轴数据整体趋势图。
附图标号说明：
1-避障服本体；
11-口袋；
12-搭带；
2-主控模块；
21-负极端口；
22-正极端口；
23-第一数字端口；
24-第二数字端口；
25-第三数字端口；
26-第四数字端口；
27-第五数字端口；
3-测距模块；
31-第一测距模块；
311-第一引脚；
312-第二引脚；
313-第三引脚；
314-第四引脚；
32-第二测距模块；
321-第五引脚；
322-第六引脚；
323-第七引脚；
324-第八引脚；
33-第三测距模块；
331-第九引脚；
332-第十引脚；
333-第十一引脚；
334-第十二引脚；
4-警报器；
41-正极接口；
42-负极接口；
5-导线；
51-第一导线；
52-第二导线；
53-第三导线；
54-第四导线；
001-第一模拟端口；
002-第二模拟端口；
003-第三模拟端口；
004-第四模拟端口；
A1-中线点1；
A2-中线点2；
A3-中线点3；
A4-中线点4；
A5-中线点5；
A6-左胸点；
A7-左肩点；
A8-左腹点1；
A9-左腹点2；
A10-右胸点；
A11-右肩点；
A12-右腹点1；
A13-右腹点2。
具体实施方式
下面通过附图和实施方式对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。其中，尽管在附图中示出了实施方式的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明的第一方面，提供了一种基于超声波的避障服，如图1和2所示，所述避障服包括避障服本体1以及设置在避障服本体内的主控模块2、测距模块3和警报器4，
其中，所述测距模块3和警报器4均通过导线5与主控模块2连接。
在本发明中，所述避障服中的测距模块3用于测量人体与障碍物的距离，并将测得的距离信息传输至主控模块2进行分析，所述主控模块将分析的结果形成警报信息，并通过警报器4进行响应，以告知穿着者。
根据本发明一种优选的实施方式，所述避障服本体1由PVC尼龙布、TPU膜双面复合面料或斜面防水布制成，优选由TPU膜双面复合面料制成。
其中，所述TPU膜双面复合面料由100％的涤纶构成，集防水、透气透湿、保暖耐磨性能于一体，健康环保，密度高，柔韧性好。
在进一步优选的实施方式中，所述TPU膜双面复合面料的克重为200～350g/m2，优选为250～300g/m2，如283g/m2；
密度为50～150D，优选为70～120D，如100D；
透气、透湿4000～6000K，优选为4500～5500K，如5000K。
其中，所述5000K指的是每24小时每平方米可以蒸发5000克的水汽。
根据本发明一种优选的实施方式，所述主控模块2可拆卸地连接在避障服本体1的一侧胸口位置，优选连接在左胸口位置。
在本发明中，所述“左”、“右”是指避障服在穿着状态下相对于穿着者的位置，即：靠近穿着者右半侧身躯的为右侧，靠近穿着者左半侧身躯的为左侧。
本发明人研究发现，盲人行走时的动作对左胸部影响较小，将主控模块设置在左胸口出能够保证整体系统的稳定性。
在进一步优选的实施方式中，在所述主控模块2的外部设置有口袋11，以遮盖主控模块。
在本发明中，优选将主控模块设置为可拆卸连接结构，能够实现避障服可清洗的功能，使得避障服更符合视障人群的使用需求。
根据本发明一种优选的实施方式，如图3所示，所述主控模块2为CPU，其为可充电结构。
在进一步优选的实施方式中，所述主控模块2为LilyPadSimpleSnap微控制器板，包括11个端口，其中，
所述11个端口中包括2个电源端口，5个数字端口和4个模拟端口；
优选地，所述电源端口包括负极端口21和正极端口22，
所述数字端口包括第一数字端口23、第二数字端口24、第三数字端口25、第四数字端口26和第五数字端口27，
所述模拟端口包括第一模拟端口001、第二模拟端口002、第三模拟端口003和第四模拟端口004。
其中，所述第一数字端口～第五数字端口分别对应LilyPadSimpleSnap微控制器板的数字端口5、6、9、10和11，所述第一模拟端口～第四模拟端口分别对应LilyPadSimpleSnap微控制器板的模拟端口A2～A5。
在更进一步优选的实施方式中，在所述11个端口的背侧相应位置均设置有弹簧扣母头，以与避障服本体1的子扣连接。
在本发明中，优选选用的LilyPadSimpleSnap微控制器板是一个小型可穿戴CPU，在板中间嵌入有可充电的锂电池，板的外围设置有多个子母扣母头连接口，使其能够方便得扣在SimpleSnap Protoboard或其他纺织品的弹簧扣上，然后通过导线去操控其他外部设备。
优选地，在避障服本体1的左胸口、相应于主控模块2的位置设置有子母扣子头，以与主控模块2连接。
更优选地，在所述主控模块2上设置有开关，以连通电源，使得相连接的测距模块和警报器工作。
根据本发明一种优选的实施方式，所述测距模块3为超声波测距传感器，优选为收发一体的超声波传感器。
优选地，所述测距模块的检测范围为25cm～400cm，检测角度为70度。
更优选地，所述测距模块为JSN-SRT04-2.0超声波测距模块。
其中，频率超过20000赫兹的声波称为超声波，相较于红外线测距，超声波具有较强的方向性、能够精准的进行测量。而且超声波传感器能量消耗缓慢，能够识别透明及半透明物体，可用于黑暗、有烟雾等环境中，传播距离较远，有利于实现测距。
在本发明中，优选选择JSN-SRT04-2.0超声波测距模块作为测距模块，主要由于其体积小巧，使用便捷，电压低，功耗低，测量精度高，抗干扰能力强，且可适用于潮湿、恶劣的测量环境。
在进一步优选的实施方式中，所述测距模块3具有多个，优选具有3个，分别为第一测距模块31、第二测距模块32和第三测距模块33。
根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，所述第一测距模块31设置在避障服本体1的胸口处，第二测距模块32设置在避障服本体1的左腹部，第三测距模块33设置在避障服本体1的右腹部。
在进一步优选的实施方式中，所述第一测距模块31设置在避障服本体1的前中线上、避障服本体领口中心向下6～18cm的位置，优选领口中心向下6～12cm的位置，更优选12cm的位置；
所述第二测距模块32设置在避障服本体1领口中心向下18～30cm、向左水平偏离前中线6～12cm的位置，优选设置在避障服本体1领口中心向下24～30cm、向左水平偏离前中线6cm的位置，更优选设置在避障服本体1领口中心向下24cm、向左水平偏离前中线6cm的位置；
所述第三测距模块33设置在避障服本体1领口中心向下18～30cm、向右水平偏离前中线6～12cm的位置，优选设置在避障服本体1领口中心向下24～30cm、向右水平偏离前中线6cm的位置，更优选设置在避障服本体1领口中心向下24cm、向右水平偏离前中线6cm的位置。
其中，所述避障服本体领口中心为人穿上避障服时，与人体前颈窝点对应的位置，所述颈窝点为人体左、右锁骨的胸骨端上缘的连线与正中矢状面的交点。
本发明人经过研究发现，盲人在行走过程中有不同于常人的行走特征，行走时的人体形态以及手持盲杖的动作姿势都会使穿着的服装发生变形，出现滑移、褶皱，这些变形会导致超声波传感器的测量位置以及角度发生偏移。在本发明中优选按照上述位置设置3个超声波测距传感器，能够避免盲人在行走时的动作阻碍、影响超声波测距传感器的正常探测，保证避障服具有最佳、最稳定的测距性能。
在更进一步优选的实施方式中，所述第一测距模块31设置在避障服本体1的搭带12上，所述搭带12横跨避障服本体1的前中线；
优选地，所述搭带12可拆卸的连接在避障服本体1上。
其中，所述搭带可以采用现有技术中常用的可拆卸连接的方式与避障服本体连接，如弹簧扣、魔术贴等方式，优选为魔术贴连接。
在本发明中，将第一测距模块通过搭带的方式用魔术贴固定在避障服本体上，能够实现避障服的可清洗。
根据本发明一种优选的实施方式，在所述避障服本体1上设置第二测距模块32和第三测距模块33的位置分别设置有口袋，在所述口袋上均开设窗口，
所述第二测距模块32和第三测距模块33分别设置相应的窗口中。
其中，所述第二测距模块和第三测距模块设置在左腹部和右腹部的口袋窗口中，所述测距模块(超声波测距传感器)的接收器位于口袋外部，起到装饰避障服本体的作用；导线设置在口袋内部，以隐藏线路。
在本发明中，所述第二测距模块和第三测距模块通过与导线连接，可拆卸的设置在口袋上，即：导线插接在测距模块上，使得测距模块安装在避障服本体上；导线由测距模块拔出，使得测距模块由避障服本体上拆除。
根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，所述第一测距模块31、第二测距模块32和第三测距模块33分别通过第一导线51、第二导线52和第三导线53与主控模块2连接，其中，
所述第二导线52由避障服本体1的左前襟处经过，以与主控模块2连接；
所述第三导线53由避障服本体1的下摆处穿过，然后到达左前襟处，进而与主控模块2连接。
其中，所述第一超声波传感器31的第一导线由搭带下方穿过，以与微控制器板连接，将导线设置为上述的分布方式，避免了导线大面积的与人体接触产生的不适感。
在进一步优选的实施方式中，所述第一导线51与第一测距模块31之间、第二导线52与第二测距模块32之间、第三导线53与第三测距模块33之间均为可拆卸的连接。
在本发明中，将导线与各测距模块设置为可拆卸连接，可以根据需求方便快捷的拆卸下来，以对避障服进行清洗。
在更进一步优选的实施方式中，所述可拆卸的连接为通过插头的方式连接。
其中，在导线上设置有插头，进而通过插头与超声波测距传感器模块连接，所述插头为现有技术中常用的导线插头，如杜邦2.45-4P胶壳。
根据本发明一种优选的实施方式，如图3所示，所述第一测距模块31、第二测距模块32和第三测距模块33均具有四个引脚，其中，
所述第一测距模块31的四个引脚分别为第一引脚311、第二引脚312、第三引脚313和第四引脚314，
所述第二测距模块32的四个引脚分别为第五引脚321、第六引脚322、第七引脚323和第八引脚324，
所述第三测距模块33的四个引脚分别为第九引脚331、第十引脚332、第十一引脚333和第十二引脚334。
其中，所述第一引脚311、第五引脚321和第九引脚331均为电源输入正极，所述第二引脚312、第六引脚322和第十引脚332均为信号控制端(Trig)，所述第三引脚313、第七引脚323和第十一引脚333均为信号接收端(Echo)，所述第四引脚314、第八引脚324和第十二引脚334均为电源输入负极。
在进一步优选的实施方式中，所述第一引脚311、第五引脚321和第九引脚331均与主控模块的正极端口22连接；
所述第二引脚312与第三数字端口25连接，第三引脚313与第一数字端口23连接；
所述第六引脚322与第一模拟端口001连接，第七引脚323与第二数字端口24连接；
所述第十引脚332与第二模拟端口002连接，第十一引脚333与第五数字端口27连接；
所述第四引脚314、第八引脚324和第十二引脚334均与负极端口21连接。
本发明人研究发现，同一个超声波测距传感器的信号控制端(Trig)引脚和信号接收端(Echo)引脚不能进行临近端口(如第一数字端口和第二数字端口、第三数字端口和第四数字端口、第一模拟端口和第二模拟端口)线路的连接，否则会导致超声波测距传感器无法正常运行，本发明人推断是由于相邻端口的连接会使功率达不到，从而导致传感器短路，无法工作。
在本发明中，当测距信号被Trig端触发时，给出10μs的高电平信号，超声波测距模块内部会循环发出8个40khz的脉冲，自动检测信号是否返回，接收端Echo输出高电平，高电平输出所持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，从而能够计算出所测物体与超声波测距模块之间的距离。
根据本发明一种优选的实施方式，所述导线5为能够导电的可缝纫导线，其由导电碳纤维与100％涤纶长丝混纺而成。
在本发明中，所述导线可进行电信号传递，具有高强拉力，长期性的防静电性能，不氧化、导电性能良好，电阻值低，并且不受环境影响，能够按普通衣物的洗涤方式进行洗涤，并且在反复洗涤之后，仍保持良好的导电性能，缝制在服装上，人体穿着后舒适性和灵活性不会受到影响。
在进一步优选的实施方式中，所述导线5的电阻值满足每30cm小于6欧姆，重量满足每30cm小于0.15kg。
在本发明中，所选用的导电可缝纫导线可以选用现有技术中常见的具有此功能的导线，如Lilypad配套系列的导电缝纫线210D/3股。
根据本发明一种优选的实施方式，所述警报器4为蜂鸣器，其设置在避障服本体1的衣领处。
其中，将警报器设置在衣领处，距离耳朵较近，使盲人易于听清报警的声音。
优选地，所述蜂鸣器为LilyPad蜂鸣器，其能够根据不同频率的电路产生出不同的声音，具有结构简单、功耗低、成本低、体积小等优点，能够将距离数据转换成音频信号，以作为障碍物距离过近时的报警提醒装置。
在进一步优选的实施方式中，所述衣领为翻领，所述警报器设置在与主控模块同一侧的领口处，如左领口处。
在本发明中，将避障服的衣领设计为翻领，能够将警报器进行遮盖，且将其设置在与主控模块的同一侧，便于导线排布。
优选地，所述警报器4通过第四导线54与主控模块2连接，所述第四导线54从避障服本体的内部穿过。
在更进一步优选的实施方式中，所述警报器4具有正极接口41和负极接口42，
所述警报器的正极接口41与主控模块的正极端口22连接，所述警报器的负极接口42与主控模块的第四数字端口26连接。
本发明的第二方面，提供了一种第一方面所述避障服的制备方法，所述制备方法包括在避障服本体1上选取测距模块3安装位置的步骤。
本发明人研究发现，盲人在行走过程中有不同于常人的行走特征，行走时的人体形态以及手持盲杖的动作姿势都会使穿着的服装发生变形，出现滑移、褶皱，这些变形会导致超声波传感器的测量位置以及角度发生偏移。为了在避障服本体1上获得测距模块的最佳、最稳定位置，需要进行安装位置的选取。
所述选取步骤包括以下子步骤：
步骤I，在人体静态时，选取多个标记点。
其中，所选取的标记点应互不干涉、互不影响，使得获取的标记点位置数据完整、准确。
根据本发明一种优选的实施方式，如图4所示，所述标记点具有多个，分布在人体的前中线区域，中线左部区域和中线右部区域。
优选地，所述相邻标记点之间的距离为4～8cm，优选为6cm。
本发明人研究发现，将相邻标记点之间的距离设置为4～8cm，优选为6cm时，获得的标记点数据最完整、最准确。
在进一步优选的实施方式中，所述标记点具有13个，分别标记为A1～A13，其中，
所述A1～A5位于人体前中线区域，A6～A9位于人体左部区域，A10～A13位于人体右部区域。
在更进一步优选的实施方式中，所述A1为中线点1，指的是以前颈窝点向下6cm处确定点的位置；所述A2为中线点2，指的是在人体中线上，以中线点1为定点向下6cm；所述A3为中线点3，指的是在人体中线上，以中线点2为定点向下6cm；所述A4为中线点4，指的是在人体中线上，以中线点3为定点向下6cm；所述A5为中线点5，指的是在人体中线上，以中线点4为定点向下6cm；所述A6为左胸点，指的是以前颈窝点为定点水平向左6cm；所述A7为左肩点，是以左胸点为定点在45度角方向以6cm的距离确定左肩点；所述A8为左腹点1，指的是以中线点4为定点水平向左6cm；所述A9为左腹点2，是以中线点5水平方向向左6cm，左腹点1垂直向下6cm确定；所述A10为右胸点，指的是以前颈窝点为定点水平向右6cm；所述A11为右肩点，是以右胸点为定点在45度角方向以6cm的距离确定右肩点；所述A12为右腹点1，指的是以中线点4为定点水平向右6cm；所述A13为右腹点2，是以中线点5水平向右6cm，右腹点1垂直向下6cm确定。
步骤II，获取各个标记点在行走过程中的位移动态信息。
在本发明中，为减少实验误差，模仿盲人行走的实验在实验室进行，室内温度正常，实验者在模仿行走之前需带上眼罩、手持盲杖，上半身微倾，在平地上模拟盲人手持盲杖行走的动作。待熟悉用盲杖行走后，将动作捕捉的标记点佩戴至实验者身上，所述动作捕捉的标记点优选为OptiTrack全身动作捕捉系统携带的配件：动作捕捉标志点。其中，优选地，实验者带上眼罩，右手持盲杖以0.5～0.8m/s，优选0.6m/s的速度在跑步机上匀速行走，模仿盲人行走。
根据本发明一种优选的实施方式，按照一定频率，采集行走过程中标记点A1～A13的实时空间坐标信息，
所述采集频率为80～120次/s，优选100次/s；
采集时间为8～12s，优选为10s。
在本发明中，可以采用现有技术中常用的方法或软件来获取各个标记点在行走过程中的实时位移信息，优选采用动作捕捉系统OptiTrack全身动作捕捉系统和德国h/p/cosmos专业运动跑台采集。
。所述采集的标记点的数据表示为(X，Y，Z)，即为各个标记点的空间坐标，其中，各个标记点的坐标会随着人体的运动发生变化。
步骤III，对各个标记点的位置数据进行分析，选取安装测距模块的标记点。
其中，所述步骤III包括以下子步骤：
步骤III-1，剔除遮挡标记点。
根据本发明一种优选的实施方式，所述遮挡标记点为数据存在部分缺失的标记点。
在本发明中，由于实验者手持盲杖行走，盲杖的左右摆动姿势会导致部分标记点被遮挡，出现偶尔消失的状况，导致标记点的空间坐标信息会出现部分缺失，在后续的分析中无法准确确定标记点的位置变化，如果将测距模块安装在此部分会影响正常工作，出现误测情况，无法保证检测障碍物的准确性。
因此，本发明在对标记点的位置信息分析之前首先剔除遮挡标记点，能够减小误差，提高分析效率。
步骤III-2，筛选获得有效数据。
在本发明中，由于数据获取系统以及其他因素的不稳定性，在进行数据分析之前，需要对所有数据进行筛选，以获取趋势稳定的有效数据。
根据本发明一种优选的实施方式，比较分析各标记点的整体数据趋势，获得有效数据范围，
所述有效数据为开始采集第1s后各标记点的位置数据。
步骤III-3，获取位置偏移最小、最稳定的标记点，即为可安装测距模块的标记点。
根据本发明一种优选的实施方式，通过计算各标记点位置数据分别在XYZ轴的标准差，获取位置偏移最小、最稳定的标记点。
在本发明中，通过计算各标记点数据的标准差，能够反映出各数据偏离平均值位移的程度，并且能够直观的反映出各个标记点的稳定性，通过综合比较分析各标记点位置数据分别在XYZ轴的标准差，能够获得整个行走过程中位移最小、最稳定的标记点，即可最为安装测距模块的标记点。
其中，在获取安装测距模块的标记点后，将测距模块3分别安装至相应位置，同时将主控模块2和警报器4安装至避障服本体1的相应位置，并通过导线5将测距模块3和警报器4分别与主控模块2连通，获得避障服。
本发明的第三方面，提供了一种避障方法，优选采用第一方面所述的避障服或第二方面所述方法制备的避障服实现，所述避障方法包括以下步骤：
步骤1，启动主控模块2，通过测距模块3对人体附近障碍物的距离进行测量。
在本发明中，所述测距模块3优选选择超声波测距传感器，具有3个，分别为第一测距模块31、第二测距模块32和第三测距模块33，所述第一测距模块31设置在避障服本体1的胸口处，第二测距模块32设置在避障服本体1的左腹部，第三测距模块33设置在避障服本体1的右腹部。
优选地，所述第一测距模块31设置在避障服本体1的前中线上、避障服本体领口中心向下6～18cm的位置，优选前颈窝点向下6～12cm的位置，更优选12cm的位置；
所述第二测距模块32设置在避障服本体1领口中心向下18～30cm、向左水平偏离前中线6～12cm的位置，优选设置在避障服本体1领口中心向下24～30cm、向左水平偏离前中线6cm的位置，更优选设置在避障服本体1领口中心向下24cm、向左水平偏离前中线6cm的位置；
所述第三测距模块33设置在避障服本体1领口中心向下18～30cm、向右水平偏离前中线6～12cm的位置，优选设置在避障服本体1领口中心向下24～30cm、向右水平偏离前中线6cm的位置，更优选设置在避障服本体1领口中心向下24cm、向右水平偏离前中线6cm的位置。
本发明利用的是超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射回波，碰到活动物体能够产生多普勒效应的原理。
其中，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1-1，主控模块发送测距命令至测距模块，测距模块接收到命令后触发发射信号。
在本发明中，优选采用JSN-SRT04-2.0超声波测距模块，其通过控制端触发测距。优选首先发出2μs的低电压信号，再发出10μs的高电压信号，触发发射信号。
步骤1-2，通过测距模块获得发射信号发出至返回的时间差。
在本发明中，所述测距模块选择的超声波测距传感器的信号接收端输出的电压信号持续时间即为超声波发射到返回的时间。
步骤1-3，获得测距模块与障碍物的距离。
根据s＝340t/2，其中，超声波在空气中的传播速度为340m/s，t为根据计时器记录的时间，s为出发射点距障碍物的距离，将步骤1-2中获得的时间差转换为测距模块与障碍物之间的距离。
其中，所述第一测距模块31与障碍物之间的距离为D1、第二测距模块32与障碍物之间的距离为D2，第三测距模块33与障碍物之间的距离为D3，所述测距模块将获得的与障碍物之间的距离信息传输至主控模块。
步骤2，通过主控模块2对步骤1中测量的距离进行处理，判定避障距离。
根据本发明一种优选的实施方式，所述判定避障距离的标准为：
当D1、D2与D3均相同时，判定人体与障碍物的距离为D1；
当D1与D2相同，但均与D3不同时，判定人体与障碍物的距离为D1与D3中较小的值；
当D1与D3相同，但均与D2不同时，判定人体与障碍物的距离为D1与D2中较小的值。
当D2与D3相同时，但均与D1不同时，将D2与D1比较，判断人体与障碍物的距离为D2与D1中较小的值；
当D1、D2和D3三者各不相同时，判定人体与障碍物的距离为三者中最小的值。
在本发明中，主控模块对上述判定获得的避障信息进行存储，并进行后续分析。
步骤3，根据步骤2中获取的避障距离形成不同的警报信息，并通过警报器4进行响应。
在本发明中，所述警报器优选为蜂鸣器。
根据本发明一种优选的实施方式，所述形成的不同的警报信息按照以下标准进行分类：
当判定的避障距离大于等于50cm小于80cm时，形成低级警报信息；
当判定的避障距离大于0小于50cm时，形成高级警报信息。
在进一步优选的实施方式中，所述低级警报信息为发出频率为0-2000Hz的警报声，警报间隔为1s；
所述高级警报信息为发出频率为2000-3000Hz的警报声，警报间隔为1s。
实施例
以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例1
选取身高为170cm、体重为62kg、年龄22岁的男性作为实验者，在人体静态时找出人体前中线，在前中线上选取标记点，并确定其他标记点，如图4所示，共确定13个标记点(A1～A13)，标记点的信息如表1所示：
表1
Figure BDA0002147871020000191
实验者在正式实验前进行盲人行走训练，带上眼罩，手持盲杖，上半身微倾，在平地上模拟盲人手持盲杖行走的动作。待熟悉用盲杖行走后，将动作捕捉的标记点佩戴至实验者身上，所述动作捕捉的标记点为OptiTrack全身动作捕捉系统携带的配件：动作捕捉标志点。
实验者站在跑步机上，用眼罩遮挡住眼睛，右手持盲杖，以0.6m/s的速度模仿盲人匀速行走。
采用动作捕捉系统(瑞典的QUALISYS Motion Capture System动作捕捉系统)采集13个标记点的实时坐标信息，其中，采集频率为100次/s，采集时间为10s，并将坐标信息显示在三维软件上(Qualisys Track Manager)。
对获取的13个标记点的位移动态坐标信息进行分析，相关标记点的数据缺失情况如图5所示，由图5可知，标记点A13(右腹点2)在(X，Y，Z)轴数据出现部分缺失，因此将其作为遮挡点剔除。
对剩余的12个标记点(A1～A12)的整体数据趋势进行分析，将其分为三个区域，其中，A1～A5为第一区域，A6～A9为第二区域，A10～A12为第三区域，如图6～图8所示(A1～A5的数据整体趋势图)，可以看出，采集的数据在1秒钟后整体趋势较稳定，因此，选取开始采集第1s后各标记点的位置数据作为后续分析的有效数据(趋势稳定数据)。
计算每个区域中各标记点位置数据分别在XYZ轴的标准差，第一区域至第三区域的结果分别如表2～4所示。
表2第一区域标记点XYZ轴标准差
Figure BDA0002147871020000201
由表2可以看出，标记点A1和A2的X轴标准差与其他点相比较小，标记点A2和A3的Y轴标准差与其他点相比较小，而A1～A5的Z轴标准差没有较大偏差，综合比较，可知第一区域位置偏移最小、最稳定的点为A2(中线点2)。
表3第二区域标记点XYZ轴标准差
Figure BDA0002147871020000202
Figure BDA0002147871020000211
由表3可知，标记点A8(左腹点1)和A9(左腹点2)的X轴标准差和Y轴标准差与其他点相比均较小，而A6～A9的Z轴标准差没有较大偏差，综合比较，可知第二区域位置偏移最小、最稳定的点为A8(左腹点1)和A9(左腹点2)。
表4第三区域标记点XYZ轴标准差
Figure BDA0002147871020000212
由表4可知，标记点A10(右胸点)和A12(右腹点1)的X轴标准差与其他点相比均较小，标记点A12(右腹点1)的Y轴标准差与其他点相比较小，而A10～A12的Z轴标准差没有较大偏差，综合比较，可知第三区域位置偏移最小、最稳定的点为A12(右腹点1)。
实施例2
本实施例中所述避障服，避障服本体由TPU膜双面复合面料制成，其克重为283g/m2，密度为100D，透气透湿5000K。
主控模块连接在避障服本体的左胸口，主控模块为LilyPadSimpleSnap微控制器板，其编程语言是使用Arduino编程语言(基于Wiring)和Arduino开发环境(以Processing为基础)来完成的，具有5个数字端口，分别为微控制器板上的数字端口5、6、9、10和11，具有4个模拟端口，分别为微控制器板上的模拟端口A2、A3、A4和A5，还包括2个电源端口(正极端口和负极端口)；在微控制器板中间嵌入有可充电的锂电池；所述主控模块通过弹簧扣与避障服本体连接。
测距模块选用的是JSN-SRT04-2.0超声波测距模块，包括收发一体的超声波传感器与控制电路，所述避障服上设置3个超声波测距传感器，第一超声波测距传感器设置在避障服本体的前中线上、避障服本体领口中心向下12cm的位置(标记点A2)，第二超声波测距传感器设置在避障服本体1领口中心向下24cm，向左水平偏离前中线6cm的位置(标记点A8)；第三超声波测距传感器设置在避障服本体1领口中心向下24cm，向右水平偏离前中线6cm的位置(标记点A12)；
其中，第一测距模块通过搭带的方式用魔术贴固定在避障服本体上，第二测距模块和第三测距模块设置在避障服本体左腹部和右腹部的口袋上。
警报器选用的是LilyPad蜂鸣器，其设置在避障服本体的左衣领处。
导线为Lilypad配套导电缝纫线210D/3股，每30cm电阻为5欧姆，每30cm重量为0.10kg。
其中，第一超声波传感器至第三超声波传感器的电源输入正极引脚均与微控制器板的正极端口连接，第一超声波传感器至第三超声波传感器的电源输入负极引脚均与微控制器板的负极端口连接，
第一超声波传感器的信号控制端引脚和信号接收端引脚分别与微控制器板的数字端口9和5连接，第二超声波传感器的信号控制端引脚和信号接收端引脚分别与微控制器板的模拟端口A2和数字端口6连接，第三超声波传感器的信号控制端引脚和信号接收端引脚分别与微控制器板的模拟端口A3和数字端口11连接；
蜂鸣器的正极接口与微控制器板的正极端口连接，蜂鸣器的负极接口与微控制器板的负极端口连接。
所述第一超声波传感器的导线由搭带下方穿过，以与微控制器板连接，所述第二超声波传感器的导线由避障服本体的左前襟处经过，以与微控制器板连接，所述第三超声波传感器的导线由避障服本体的下摆处穿过，然后到达左前襟处，以与微控制器板连接；
所述蜂鸣器的导线从避障服本体的内部穿过，以与微控制器板连接。
实施例3
采用实施例2中所述的避障服进行避障，其中，在距离人体20cm的位置设置障碍物。
开启微控制器板上的开关，控制第一超声波传感器至第三超声波传感器均首先发出2μs的低电压信号，再发出10μs的高电压信号，触发发射信号；确定第一超声波传感器的脉冲宽度为1206微秒，第二超声波传感器的脉冲宽度为1240微秒，第三超声波传感器的脉冲宽度为1216微秒。其中，根据脉冲宽度(微秒)除以58，就得到以厘米为单位的距离；脉冲宽度(微秒)除以148，就得到以英寸为单位的距离。
经检测，获得第一超声波传感器与障碍物之间的距离为20cm，第二超声波传感器与障碍物之间的距离为21cm，第三超声波传感器与障碍物之间的距离为20cm。
判定人体与障碍物的距离为20cm，形成高级警报信息，蜂鸣器发出频率为2000-3000Hz的警报声，警报间隔为1s。
实施例4
采用实施例2中所述的避障服进行避障，其中，在距离人体60cm的位置设置障碍物。
开启微控制器板上的开关，控制第一超声波传感器至第三超声波传感器均首先发出2μs的低电压信号，再发出10μs的高电压信号，触发发射信号；确定第一超声波传感器的脉冲宽度为3548微秒，第二超声波传感器的脉冲宽度为3538微秒，第三超声波传感器的脉冲宽度为3526微秒。其中，根据脉冲宽度除以58得到以厘米为单位的距离，脉冲宽度除以148，得到以英寸为单位的距离。
经检测，获得第一超声波传感器与障碍物之间的距离为61厘米，第二超声波传感器与障碍物之间的距离为61厘米，第三超声波传感器与障碍物之间的距离为60厘米。
判定人体与障碍物的距离为60cm，形成低级警报信息，蜂鸣器发出频率为0-2000Hz的警报声，警报间隔为1s。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于超声波的避障服的避障方法，其特征在于，所述避障服包括避障服本体(1)以及设置在避障服本体内的主控模块(2)、测距模块(3)和警报器(4)，
其中，所述测距模块(3)和警报器(4)均通过导线(5)与主控模块(2)连接，
所述导线(5)为能够导电的可缝纫导线，其由导电碳纤维与100％涤纶长丝混纺而成；所述导线(5)的电阻值满足每30cm小于6欧姆，重量满足每30cm小于0.15kg；
所述避障服本体(1)由TPU膜双面复合面料制成，所述TPU膜双面复合面料的克重为250～300g/m2；密度为70～120D；透气、透湿为4500～5500K；
所述主控模块(2)可拆卸地连接在避障服本体(1)的一侧左胸口位置，
在所述主控模块(2)的外部设置有口袋(11)，以遮盖主控模块；
所述测距模块(3)具有3个，分别为第一测距模块(31)、第二测距模块(32)和第三测距模块(33)；
所述第一测距模块(31)设置在避障服本体(1)的胸口处，第二测距模块(32)设置在避障服本体(1)的左腹部，第三测距模块(33)设置在避障服本体(1)的右腹部，
所述第一测距模块(31)设置在避障服本体(1)的前中线上、避障服本体领口中心向下6～18cm的位置；
所述第二测距模块(32)设置在避障服本体(1)领口中心向下18～30cm、向左水平偏离前中线6～12cm的位置；
所述第三测距模块(33)设置在避障服本体(1)领口中心向下18～30cm、向右水平偏离前中线6～12cm的位置；
所述第一测距模块(31)、第二测距模块(32)和第三测距模块(33)分别通过第一导线(51)、第二导线(52)和第三导线(53)与主控模块(2)连接，其中，
所述第二导线(52)由避障服本体(1)的左前襟处经过，以与主控模块(2)连接；
所述第三导线(53)由避障服本体(1)的下摆处穿过，然后到达左前襟处，进而与主控模块(2)连接；
所述第一测距模块(31)、第二测距模块(32)和第三测距模块(33)均具有四个引脚，其中，
所述第一测距模块(31)的四个引脚分别为第一引脚(311)、第二引脚(312)、第三引脚(313)和第四引脚(314)，
所述第二测距模块(32)的四个引脚分别为第五引脚(321)、第六引脚(322)、第七引脚(323)和第八引脚(324)，
所述第三测距模块(33)的四个引脚分别为第九引脚(331)、第十引脚(332)、第十一引脚(333)和第十二引脚(334)；
所述第一引脚(311)、第五引脚(321)和第九引脚(331)均与主控模块的正极端口(22)连接；
所述第二引脚(312)与第三数字端口(25)连接，第三引脚(313)与第一数字端口(23)连接；
所述第六引脚(322)与第一模拟端口(001)连接，第七引脚(323)与第二数字端口(24)连接；
所述第十引脚(332)与第二模拟端口(002)连接，第十一引脚(333)与第五数字端口(27)连接；
所述第四引脚(314)、第八引脚(324)和第十二引脚(334)均与负极端口(21)连接；
避障服的制备方法包括在避障服本体(1)上选取测距模块(3)安装位置的步骤；
所述选取测距模块(3)安装位置的步骤包括以下子步骤：
步骤I，在人体静态时，选取多个标记点；
步骤II，获取各个标记点在行走过程中的位移动态信息；
步骤III，对各个标记点的位置数据进行分析，选取安装测距模块的标记点；
所述步骤III包括以下子步骤：
步骤III-1，剔除遮挡标记点；所述遮挡标记点为数据存在部分缺失的标记点；
步骤III-2，筛选获得有效数据；所述有效数据为开始采集第1s后各标记点的位置数据；
步骤III-3，获取位置偏移最小、最稳定的标记点，即为可安装测距模块的标记点；
所述避障方法包括以下步骤：
步骤1，启动主控模块(2)，通过测距模块(3)对人体附近障碍物的距离进行测量；
步骤2，通过主控模块(2)对步骤1中测量的距离进行处理，判定最小的测量距离为避障距离；
步骤3，根据步骤2中获取的避障距离形成不同的警报信息，并通过警报器(4)进行响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述警报器(4)为蜂鸣器，其设置在避障服本体(1)的衣领处。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤3中，所述形成的不同的警报信息包括低级警报信息和高级警报信息，
当判定的避障距离大于等于50cm小于80cm时，形成低级警报信息；
当判定的避障距离大于0cm小于50cm时，形成高级警报信息。
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