DE2816530A1

DE2816530A1 - Blindenleitgeraet

Info

Publication number: DE2816530A1
Application number: DE19782816530
Authority: DE
Inventors: Fritz Goehring; Hansrichard Prof Dr Schulz
Original assignee: Fachhochschule Furtwangen
Current assignee: Fachhochschule Furtwangen
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1978-04-17
Publication date: 1979-10-18

Description

BLINDENLEITERAET
BLINDENLEITGERÄT Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf kleine Ultraschall-Radargeräte als Blindenleitgeräte.
In den letzten Jahren wurden Ultraschall-Radargeräte als Hindernisdetektoren vorgeschlagen, die zum Abschätzen der Entfernung einen Ton unterschiedlicher Höhe oder eine Vibration unterschiedlicher Intensität bzw Frequenz erzeugten.
Nachdem sich gezeigt hatte, daß ein Tonsignal das für den Blinden besonders wichtige Gehör zusätzlich belastet, erschien die Vibration als die geeignete Informationsausgabe.
Diese noch im Versuchsstadium befindlichen Ultraschall-Radargeräte mit Vibrationsausgabe hatten bisher den Nachteil einer sehr undeutlich erkennbaren Entfernungsanzeige, verbunden mit einer zu großen Trägheit der verwendeten Vibrationsmotoren. Ferner verhinderte die zu große Stromaufnahme dieser Geräte einen längeren Betrieb, z. B. über mehrere Tage, ohne Batteriewechsel.
Schließlich brachte die im Interesse einer guten Bündelung der Ultraschallwellen gewählte hohe Ultraschallfrequenz von z. B. 200 KIiz das Problem einer beträchtlichen Störung der Funktion durch Regentropfen und Schneeflocken, so daß derartige Versuchsgeräte nur bei schönem Wetter im Freien verwendet werden konnten.
Die oben genannten Nachteile der bisherigen Versuchsgeräte ließen eine Serienfertigung noch nicht sinnvoll erscheinen, so daß bis zum heutigen Zeitpunkt noch kein brauchbares, wettertaugliches und preisgflnstiges -Blindenleitgerät verfügbar ist.
Ziele der vorliegenden Erfindung sind die Realisierung einer für den Blinden deutlich und schnell erkennbaren Entfernungsinformation, eine lange Betriebsdauer über mehrere Monate mit einer einzigen Batterie, eine bessere Wettertauglichkeit und vor allem ein niedriger Preis des erfindungsgeinäßen Bl indenleitgerätes.
Die deutliche Erkennung der Entferungsinformation wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß mindestens zwei Entfernungsbereiche, die sich in ihrer Vibrationsfrequenz und/oder in ihrer Vibrationsintensität deutlich wahrnehmbar voneinander unterscheiden, eingeführt werden.
Das grundsätzliche Verfahren sei anhand der FIG. 1 für den Fall von zwei Bereichen erläutert.
Die Umgebung des Blinden bis etwa 4 m wird hier in einen "Nahbereich" von Null bis etwa 0,8 m und in einen "Fernbereich" von 0,8 m bis 4 m aufgeteilt.
An der Trennstelle zwischen Nah- und Fernbereich springt die Vibrationsfrequenz hier von 17 auf 7 Hz. Die Entfernung dieser vom Blinden deutlich erfühlbaren Sprungstelle wird erfindungsgemäß in der Größenordnung der Blindenstocklänge gewählt, so daß beim Annähern an ein Hindernis beim Unterschreiten der Sprungentfernung der Blinde das Gefühl einer unmittelbaren Berührung des Hindernisses mit dem Blindenstock vermittelt bekommt.
Fur die Erkennung von Treppenstufen und Bordsteinkanten ist diese erfindungsgemäße Sprungstelle eine wichtige Hilfe.
An Stelle dieser sprunghaften Anderung der Vibrationsfrequenz kann erfindungsgemäß auch ein Zusatzsignal, z. B. über einen weiteren Vibrator, erzeugt werden.
Wie aus FIG. 1 weiter zu entnehmen ist, ändert sich innerhalb eines jeden der beiden Teilbereiche die Vibrationsfrequenz quasikontinuierlich derart, daß sie mit abnehmender Entfernung zunimmt, so daß nach einiger Ubung der Blinde in der Lage ist, sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich die Entfernung ausreichend genau abzuschätzen.
Zur Gewinnung einer gut reproduzierbaren und schnell ansprechenden Verknüpfung zwischen der Entfernung, d. h. der Echolaufzeit, und der Vibrationsfrequenz wird gemäß der vorliegenden Erfindung der vom nächstgelegenen Hindernis reflektierte Echoimpuls nach definierter Verzögerung zum Auslösen des nächsten Senderimpulses, in einer Rückkopplungsschleife, herangezogen.
Hierdurch wird die Impulsfrequenz der Senderimpulse automatisch der Entfernung zum Hindernis angepaßt und direkt von der Echolaufzeit gesteuert. Bei relativ großen Entfernungen ist die Impulsfolgefrequenz und damit die Frequenz der von den Echoimpulsen gesteuerten Vibration niedrig, z. B. ist in FIG. 1 für r = 3 m die Frequenz f = 2,16 Hz. Mit abnehmender Entfernung nimmt die Frequenz zu, z. B. bei r = 0,3 m auf f = 32 Hz, so daß im besonders wichtigen Nahbereich ein häufigeres Abtasten der Umgebung des Blinden erfolgt und auftretende Hindernisse schnell erkannt werden können. I Diese erf-indungsgemäße Pulsfrequenzautomatik besitzt ferner den Vorzug einer hohen Störfestigkeit gegen Fremdstörungen. Einzelne Ultraschall-Störsignale täuschen nur sehr entfernt liegende Objekte vor.
Durch das niedrige Tastverhältnis ist außerdem die Wahrscheinlichkeit gering, daß ein Störsignal in die kurze Empfangszeit fällt. Auch die gegenseitige Beeinflussung von gleichen Blindengeraten ist durch diese Pulsfrequenzautomatik gering.
Befindet sich innerhalb der Reichweite (z. B. 4 m) des Ultraschall-Radars kein Hindernis, dann sucht automatisch der Sender mit maximaler Pulsfrequenz (im vorliegenden Beispiel wird f = 44 Hz).
max In einer Fortbildung der Erfindung werden zur trägheitsarmen und extrem stromsparenden Vibrationsausgabe an Stelle von Motoren keramische (oder elektromagnetische) Schwinger verwendet, die von den Echoimpulsen unmittelbar angesteuert werden, so daß der Blinde auf schnellstmöglichem Wege die Entfernungsinformation erhält.
Das Problem der Störung durch Regentropfen und Schneeflocken wird erfindungsgemäß durch die Wahl einer ausreichend niedrigen Ultraschallfrequenz, die z. B. kleiner als 100 KHz sein sollte, gelöst.
Der Rückstrahlquerschnitt der einzelnen Regentropfen oder Schneeflocken ist in erster Näherung proportional zur 4. Potenz der Ultraschallfrequenz, sofern der Tropfendurchmesser klein gegen die Wellenlänge bleibt. Hieraus folgt, daß die Wellenlänge der Ultraschallwellen wenigstens etwa 5 mm betragen sollte, damit die oben genannten Störungen genügend klein bleiben.
Die unter diesem Gesichtspunkt gewählte große Wellenlänge bringt andererseits ein ungünstiges Bündelungsverhalten, wenn man den Ultraschallwandler unmittelbar, ohne bündelnde Anordnungen, verwenden würde.
Als weitere Maßnahme der vorliegenden Erfindung wird eine hochfokussierende Hohlspiegelarordnung verwendet, die im Bereich der simulierten Blindenstocklänge eine optimale Bündelung der Ultraschallwellen erreicht.
Schließlich wird erfindungsgemäß durch Verwendung von elektronischen Schaltungen, die für dieses Gerät entwickelt wurden und weiter unten beschrieben werden, mit preisgünstigen Elementen der Materialaufwand für das gesamte Gerät extrem niedrig gehalten, so daß dieses nachfolgend beschriebene Blindenleitgerät sämtliche wesentliche Voraussetzungen für eine Serienherstellung erfüllt.
Die kompakte Bauweise ermöglicht die handliche Form des Gerätes als Taschenlampe.
Das vorliegende erfindungsgemäße Blindenleitgerät zur berührungslosen Abstandsmessung ist gekennzeichnet durch die Anwendung mindestens einer der beiden folgenden technischen Maßnahmen: a) sprunghafte Änderung der Informationsausgabe in ihrer Frequenz und/oder Intensität, wenn der Abstand zum Hindernis einen vorgewählten Wert in der Größenordnung der Blindenstocklänge unterschreitet.
b) eindeutige Zuordnung der Frequenz und/oder Intensität des Informationssignals bei Verwendung des Uitraschall-Impulsradar-Prinzips durch Einführen einer von der Echolaufzeit gesteuerten erneuten Auslösung des Senderimpulses, so daß die Impulsfolgefrequenz f mit dem Abstand r zum Hindernis nach der folgenden allgemeinen Beziehung: f = k / C s + r ) EHz] verknüpft ist, wobei s und k konstante Größen sind.
Die Wirkungsweise des Blindenleitgerätes und die erfindungsgeäßen technischen Maßnahmen werden anhand der Figuren 2 bis 11 erläutert.
FIG. 2 zeigt das Blockschema eines Ultraschallgerätes, das in diesem Beispiel als Impulsradar arbeitet.
Die vom Taktoszillator (1) erzeugten Impulse starten den Sender (2), der über den Ultraschallwandler (3), welcher sich z. B. im Brennpunktbereich eines Hohlspiegels (4) befindet, jeweils ein kurzes Paket von Ultraschallwellen in die vom Blinden gewählte Richtung abstrahlt.
Treffen diese Wellen auf ein Hindernis, so wird ein Teil ihrer Energie als Echo reflektiert. Dieses Echo gelangt zum Hohlspiegel (4) zurück, wird auf den Wandler (3) gebündelt und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dem Empfänger (5),zugeführt wird. Während der Senderzeit und kurz danach wird der Empfänger (5) über die Leitung (6) vom Taktoszillator gesperrt, um den direkten, also nicht reflektierten Senderimpuls für den Informationskanal zu blockieren.
Das vom Empfänger (5) verstärkte Echosignal wird im Demodulator (7) als Impuls gewonnen und der Aufbereitungsstufe (8) zugeführt.
Hier wird der Echoimpuls entsprechendseiner Laufzeit in ein von der Entfernung abhängiges Informationssignal von z.B. unterschiedlicher Frequenz und/oder Intensität umgewandelt und über den elektromechanischen Wandler (9) taktil als Vibrationssignal oder akustisch als Tonsignal ausgegeben.
Erfindungsgemäß startet der Taktoszillator (1) gleichzeitig mit dem Sender (2) einen Zeitschalter (10), der z. B. durch einen Zähler oder durch ein Monoflop realisiert werden kann und nach einer Zeit, die etwa der Echolaufzeit über die Blindenstocklänge entspricht, an die Aufbereitungsstufe (8) ein Umschaltsignal abgibt, so daß sich das Informationssignal sprunghaft ändert, wenn die Entfernung zum Hindernis die simuliert Blindenstocklänge unterschreitet.
Eine sprunghafte Änderung der Informationsausgabe beim Unterschreiten einer vorgewählten Entfernung ist unter Auswertung des entfernungsabhängigen Signals auch bei FM - CW - Ultraschall - Radargeräten und auch bei optischen Entfernungsmeßanordnungen, die z. B. auch im Infrarotbereich arbeiten können, in analoger Weise wie in FIG. 2 realisierbar.
In FIG. 3 ist das Blockschema für ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Impulsradar mit laufzeitgesteuerter Impulsfolgefrequenz dargestellt.
Der Taktoszillator (1) besitzt hier eine relativ niedrige Frequenz von z. B. weniger als 30 Hz und startet über eine Weiche ;12), die z. B.
durch ein ODER-Gatter realisiert werden kann, den Sender (2), der über den Wandler (3) und den Hohlspiegel (4) ein kurzes Paket von Ultraschallwellen abstrahlt.
Treffen diese Wellen auf ein Hindernis, so wird ein Teil ihrer Energie als Echo reflektiert und gelangt über den Hohlspiegel (4) zum Wandler (3), der ein elektrisches Echosignal an den Empfänger (5) abgibt.
Uber die Leitung (6) wird der Empfänger (5) während der Senderzeit und kurz danach gesperrt, so daß der direkte Senderimpuls im Empfangskanal blockiert ist.
Nach erfolgter Verstärkung im Empfänger (5) und Demodulation im AM-Demodulator (7) gewinnt man aus dem Echo ein impulsförmiges Signal, das die Aufbereitungsstufe (8) ansteuert, die hier einen Frequenzteiler enthalten kann und über den elektromechanischen Wandler das Informationssignal taktil oder akustisch ausgibt.
Erfindungsgemäß wird der Ausgang der AM-Demodulatorstufe (7) über die Leitung (11) mit dem zweiten Eingang der z. B. als ODER-Gatter ausgebildeten Weiche (12) verbunden, so daß der Sender (2) vom empfangenen und demodulierten Echosignal erneut zum Abstrahlen eines Ultraschallwel lenpaketes veranlaßt wird.
Beträgt die Echolaufzeit T sec, dann ist innerhalb des öffnungsintervalls einer Taktperiode der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Impulse in erster Näherung, d. h. wenn man die Laufzeiten im Gerät vernachlässigt, gleich der zum nächstgelegenen Hindernis gehörenden Echolaufzeit (Laufzeit vom Sender zum Hindernis und zurück zum Empfänger).
Dann folgt die Impulsfolgefrequenz (Pulsfrequenz) von Sender und Echos der Formel: f = 1 / T EHz) Unter Berücksichtigung des Tastverhältnisses q des Taktsignals ergibt sich, über mehrere Taktperioden gemittelt, als mittlere Impulsfolgefrequenz: f' q q/T = q * c 1 ( 2 * r ) CH-rl Die erfindungsgemäße, von der Echolaufzeit gesteuerte Impulsfolgefrequenz besitzt bereits den angestrebten eindeutigen Zusammenhang mit der Entfernung r . f Günstig ist der hyperbelförmige Frequenzverlauf, so daß im besonders interessanten Nahbereich die Frequenz f deutlich größer wird.
Allerdings ergab die praktische Erprobung, daß der Frequenzverlauf in definierter Weise etwas flacher einstellbar sein sollte.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß im Empfangsteil das zum erneuten Auslösen des Senders verwendete Echosignal um eine konstante Zeit T 4 , z. B. mit Hilfe eines Zählers oder eines Monoflops, verzögert wird.
Der Einfluß dieser Signalverzögerung gemäß der Formel: f' = q / ( T4 + T ) = q * c I ( 2 * ( s + r )) [Hzl mit der simulierten Zusatzentfernung s = T4 * c / 2 Eml ist aus FIG. 4 ersichtlich.
Hier wurden die Frequenzkurven bei einer Taktfrequenz von 1 Hz und einem Tastverhältnis von q = 0,9 für die Verzögerungszeiten T 4 = 0; T 4 = 1 m s; T 4 = 2 m s berechnet und graphisch dargestellt.
Es zeigt sich, daß für Verzögerungszeiten von etwa 1 ms ein besonders günstiger Frequenzverlauf erreicht wird. Um auf niedrige Vibrationsfrequenzen unter etwa 30 Hz zu kommen, mUßte hier in der Stufe (8) noch ein Frequenzteiler von z. B. 16 : 1 eingesetzt werden, während für die akustische Ausgabe diese Frequenzen direkt brauchbar wären.
Bei diesem bisher beschriebenen Entwicklungsstand ergaben sich vor allem im Nahbereich infolge der hohen Impulsfolgefrequenzen des Senders ein unerwünschter Anstieg der Stromaufnahme und Störungen durch Echos vom vorhergehenden Senderimpuls, die von etwas weiter entfernten Objekten, entsprechend verzögert, erzeugt wurden.
Hier entstand die Aufgabe, unter Beibehaltung des grundsätzlichen Frequenzverlaufs, wie in FIG. 4 in der mittleren Kurve dargestellt, den Betrag der Impulsfolgefrequenz des Senders und damit der Echos um einen definierten Faktor herabzusetzen, so daß bei den dann erreichten großen Pausen zwischen aufeinander folgenden Senderimpulsen die Störungen durch "ältere" Echos und die höhere Stromaufnahme vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine zusätzliche, zur laufzeit (einschließlich konstanter Verzögerung T1) proportionale Verzögerung des Echosignals vor dem erneuten Auslösen des Senders gelöst. Zur proportionalen Verzögerung eignen sich gemäß der Erfindung Vorwärts-Rückwärtszähler oder Integrationsstufen, deren Ladespannung von Schwellwertschaltern begrenzt wird.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gerätes mit echolaufzeitgesteuerter Impulsfolgefrequenz, konstanter und proportionaler Verzögerung wird anhand des Blockschemas von FIG. 5 erläutert.
Wie in FIG. 3 handelt es sich auch hier um ein Ultraschall-Impulsradar mit dem Sender (2), dem Wandler (3), dem Hohlspiegel (4), dem Empfänger (5), der Blockierleitung (6), dem AM-Demodulator (7), der Aufbereitungsstufe (Impulsformerstufe) (8) und dem elektromechanischen Wandler (9).
Neu sind hier die Gewinnung des Taktsignals in Verbindung mit dem Vorwärts-Rückwärtszähler (13) und dem RS-Flip-Flop (16).
Der Taktgeber (1) ist hier zwischen mindestens 2 verschiedenen Frequenzen umschaltbar und steuert den Zähler (13) von z. B. 8 bit.
Wenn z. B. der Zähler (13) gerade den Anfangszustand erreicht hat (gleichgültig ob durch Vorwärtszählen oder durch Rückwärtszählen), triggert er das Monoflop (14), welches mit seinem kurzen Anfangsimpuls von z. B. 250 fs Dauer den Sender (2) startet, den Empfänger (5) sperrt und den Zähler (13) über die Leitung (19) vorwählt.
Gleichzeitig setzt der Zähler (13) das RS-Flip-Flop (16) zurück, so daß von dessen Ausgängen über die Leitung (17) der Zähler (13) in die Betriebsart "Vorwärtszählen" und über die Leitung (18) der Taktoszillator (1) auf die höchste Taktfrequenz von z. B. F1 = 10 772 Hz umgeschaltet werden.
Der Zähler wurde in seinem Anfangszählerstand auf eine Zahl N1 von z. B. 16 vorprogrammiert, so daß der Zähler beim Vorwärtszählen nicht bei Null, sondern bei N1 beginnt.
Diese erfindungsgemäße Vorwahl des Zählers realisiert in exakter und einfacher Weise die oben angestrebte konstante Verzögerung T1 (Hier ist z. B. T1 = 1,18 ms) Vom kurzen Ausgangsimpuls des Monoflops (14) wird der Zähler bei Beginn des Vorwärtszählens auf den vorprogrammierten Stand N1 gesetzt.
Wenn nun bei einem Zählerstand N<256 ein Echo empfangen wird, setzt dieses das RS-Flip-Flop (16) zurück. Nun vertauschen sich die Potentiale an den Ausgängen von (16). Der Zähler wird über die Leitung (17) in die Betriebsart "Rückwärtszäh.len" umgeschaltet, und der Taktgeber (1) wird über die Leitung (18) auf eine Taktfrequenz von z. B. F2 = 886 Hz umgeschaltet. Das Ruckwärtszählen verläuft hier etwa 12mal langsamer und wird erst in ein erneutes Vorwärtszählen umgekehrt, wenn der Zählerstand O erreicht war. Dann wiederholt sich der Vorgang von Neuem.
Man erkennt, daß bei diesem Vorwärts-Rückwärts-Zählen die Verzögerung proportional zur Echolaufzeit erfolgt, so daß die gestellte Aufgabe durch diese erfindungsgemäße, für eine Serienherstellung gut geeignete Anordnung gelöst ist.
Zum Einführen einer Sprungstelle kann in Erweiterung der FIG. 5 die Rückwärts-Taktfrequenz nach einer definierten Zeit, z. B. beim Zählerstand N2 = 64, über ein weiteres RS-Flip-Flop, das beim Zählerstand N2 gesetzt und beim Zählerstand 0 zurückgesetzt wird, auf einen noch niedrigeren Wert von z. B. 328 Hz umgeschaltet werden. Für diese Dimensionierung liegt die Sprungstelle z. B. bei einer simulierten Blindenstocklänge von R1 = 0,8 m.
In FIG. 6 ist der Einfluß der für das Rückwärtszählen verwendeten Taktfrequenz für die Werte F 2 = 886 Hz; F 2 = 532 Hz; F 2 = 195Hz bei jeweils derselben Vorwärts-Taktfrequenz F 1 = 10772 Hz dargestellt.
Man erkennt die Proportionalität zwischen den drei Kurven. Durch Wahl von F 2 kann daher der Bereich der Impulsfolgefrequenz des Senders und des Echos in weiten Grenzen verändert und den Bedingungen optimal angepaßt werden.
FIG. 7 stimmt für den Nahbereich R(0,8 m mit der oberen Kurve von FIG. 6 überein Durch Umschalten der Rückwärts-Taktfrequenz mit dem oben beschriebenen zweiten RS-Flip-Flop von z. B. F 2 = 886 Hz auf F 3 = 328 Hz für den Fernbereich R> 0,8 m werden erfindungsgemäß die angestrebte Sprungstelle der Impulsfolgefrequenz f und damit der Blindenstockeffekt" realisiert.
Der Taktoszillator besteht hier aus einem gegengekoppelten Schmitt-Trigger (20), der über die als Schalter arbeitenden Transistoren (21) und (22) auf 3 verschiedene Frequenzen F 1, F , F 3 umgeschaltet werden kann, wobei für die höchste Frequenz F 1 (zum Vorwärtszählen) beide Transistoren (21) und (22) gesperrt sind, so daß nur die Kondensatoren (23) und (24) wirksam sind. Für das Rückwärtszählen im Nahbereich mit der Frequenz F 2 wird der Kondensator (25) über (21) zu (23) und (24) parallel geschaltet. Zum Rückwärtszählen im Fernbereich wird über (22) der Kondensator (26) zu (23), (24) und (25)parallel geschaltet.
Von diesem Taktoszialltor wird der 8 bit - Vorwärts-Rückwärts-Zähler (27) angesteuert, dessen Ausgangsimpuls mit seiner differenzierten Rückflanke über den Inverter (28) das RS-Flip-Flop (29) setzt und das Spegrimpuls-Monoflop (30) triggert. Uber den Inverter (31) wird das Monoflop (32), dessen Einschaltdauer die Länge des Senderimpulses bestimmt, getriggert.
Vom Ausgangsimpuls dieses Monoflops (32) werden der Senderoszillator (33) eingeschaltet, der Zähler (27) auf den vorprogrammiertenWert von z. B.
N1 = 16 gestellt und das RS-Flip-Flop (34) gesetzt, welches über das Gatter (35) den Transistor (22) zunächst sperrt. Der Transistor (21) ist vom RS-Flip-Flop (29) ebenfalls zunächst gesperrt. Vom Ausgangssignal des gesetzten RS-Flip-Flops(29) wird der Zähler in die Betriebsart "Vorwärtszählen" geschaltet. Mit der Rückflanke des Ausgangsimpulses des Monoflops (32) beginnt der Zähler mit dem Vorwärtszählen.
Der z. B. mit einer Frequenz von 40 KIIz schwingende Senderoszillator (33) steuert die Gegentakt-Endstufe (36) an, die über den Transformator (37) und den Kondensator (38) eine Wechselspannung von z. B. 170 V an den ss Ultraschallwandler (39) abgibt. Die Gleichrichterschaltung (40) gewinnt aus dieser Wechsel spannung eine Richtgleichspannung von etwa 80 V, die dem hier als Kondensatormikrofon ausgebildeten Ultraschallwandler (39) als Polarivsationsspannung zugeführt wird.
Der Wandler (39) strahlt nun das Ultraschall-Wellenpaket ab.
Das vom Hindernis reflektierte Echosignal wird vom Wandler (39) in ein elektrisches Signal umgeformt und über (38) dem hier aus 5-Transistoren bestehenden Empfänger (41) zugeführt. Aus dem verstärkten HF-Signal wird im AM-Demodulator (42) ein positiver Impuls gewonnen, der über das Gatter (43) das RS-Flip-Flop (29) zurücksetzt, sofern das Echo nach der von (30) festgelegten Sperrzeit, die eine Fehlinformation durch das direkt, also nicht reflektierte Sendersignal vermeidet, eintritt.
Das zurückgesetzte RS-Flip-Flop (29) schaltet über (21) die Taktfrequenz auf F 2. und den Zähler (27) in den Betriebszustand "Rückwärtszäl,len" um. Gleichzeitig wird das Gatter (35) für die Umschaltung auf die noch niedrigere Frequenz F 3 freigegeben, wenn der Zähler während des "Vorwärtszählens" bereits den zum Zurücksetzen von (34) vorgewählten Zählerstand von z. B. N2 = 64 erreicht hat, d. h. wenn das Hindernis weiter entfernt ist als die durch N2, Nl und F1 vorgewählte "Blindenstocklänge" R 1. Der nun langsam rückwärtszählende Zähler (27) erzeugt beim Zählerstand Null einen erneuten Ausgangsimpuls, der den oben beschriebenen Signalablauf erneut startet.
Nachdem das vom nächstgelegenen Hindernis kommende Echo als erstes Signal eintrifft und das RS-Flip-Flop (29)zurücksetzt, eignet sich das Ausgangssignal von (29) zur Anzeige der Entfernung dieses nächstgelegenen Hindernisses.
Die weiter entfernten Echos treffen später ein, erreichen zwar noch den Ausgang des Gatters (43), haben jedoch keinen Einfluß mehr auf das bereits zurückgesetzte RS-Flip-Flop (29).
Das Ausgangssignal des RS-Flip-Flops (29) triggert ein als Teiler 2:1 geschaltetes D-Flip-Flop (44), dessen mäanderförmiges Ausgangssignal über die gegenphasig angesteuerten Gegentaktendstufen (45) und (46) den elektromechanischen Wandler (47), der hier von einem Keramik-Biegeschwinger gebildet wird, treiben.
Für den Biegeschwinger (47) wird durch diese gegenphasig angesteuerten Endstufen die für die volle Aussteuerung erforderliche Antriebsspannung von 15 V ohne Transformator bei 9 V Batteriespannung erreicht.
ss Dieser Biegegeschwinger (47) erzeugt bel hohem Wirkungsgrad ausreichend en starke Vibration1, die vom Blinden infolge der kurzen Impulse deutlich hinsichtlich der Impulsfolgefrequenz wahrgenommen und ausgewertet werden können.
Das gesamte Gerät einschließlich Vibrator besitzt bei einer 9 Volt-Batterie eine Stromaufnahme von weniger als 1 Milliampere.
Ein Betrieb über mehrere Monate mit einer einzigen Batterie ist damit gewährleistet.
Für die Dimensionierung des Blindenleitgerätes bei vorgewählter "Blindenstocklänge" R 1, bei einem Anfangszählerstand N 1 und einem für das Umschalten von f 2 auf f 3 gewählten Zählerstand N 2, ergeben sich wenn die Impulsdauer des Monoflops (32) T0 beträgt, die folgenden Formeln: T1 = 2 3e R1 / c Es] ; mit z.B. c = 34 Cm/sl F1 = ( N2 - Nt ) / C Tl - To ) EHz] F2 - N2 / C l/ - Tl ) EHz] F3 = N2 / C l/f3 - Tl ) [Hz] Mit der gesamten Echolaufzeit T, d. h. der Laufzeit des Ultraschall-Wellenpaketes vom Sender zum Hindernis und wieder zurück zum Empfänger, wird bei einer Entfernung r des Hindernisses: T = 2 * r / c [s] ; und die Rueckzoehldauer bei r < R1 T2 = N / F2 [s] ; N = N1 + INT (F1 * T + 0.5 ) Dann ist die gesamte Dauer bis zum erneuten Starten eines weiteren Sender impulses: T + T2 = 2 * r / c + N / F2 Es) Die Impulsfolgefrequenz f ergibt sich dann zu: f = 1 / ( T + T2 ) E Für F l T » 1 wird näherungsweise: T + T2 = Nl 1 F2 + 2 * r 1 c * C 1 + Fl / F2 ) [s] f = k / ( s + r ) [Hz] s = N1 * c / ( 2 * C F! + F2 )) Em) k = c / ( 2 * (1 + F1 / F2 )) (m/s) Reichweite: r(ax) = R1 * ( N(max) - N1 ) / ( N2 - N! ) Em) z.B. NC«ax) = 256 Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme besteht in der Anwendung eines Hohlspiegels zur optimalen Bündelung der vom Sender abgestrahlten und vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallwellen, wobei sich der Ultraschallwandler im Brennpunktbereich des Hohispiegeis befindet. Die Form dieses Hohlspiegels kann grundsätzlich entweder ellipsoid oder paraboloid oder hyperboloid oder sphärisch sein.
Erfindungsgemäß wird entsprechend FIG. 9 ein ellipsoider Hohlspiegel (48) bevorzugt, in dessem l. Brennpunkt das Pseudozentrum der vom Ultraschallwandler (49) ausgehenden und über einen z. B. kegelförmigen Hilfsreflektor (50)auf den Hohlspiegel umgelenkten Wellen liegt und dessen 2. Brennpunkt im Bereich der simulierten Blindenstockspitze gewählt wird, so daß dort eine optimale Fokussierung stattfindet.
Diese erfindungsgemäße Dimensionierung ist im Zusammenhang mit der oben erläuterten sprungshaften Änderung der Informationsausgabe beim Unterschreiten der simulierten Blindenstocklänge R 1 die Voraussetzung für ein zuverlässiges Erkennen von Treppenstufen und Bordsteinkanten.
Bei Verwendung eines keramischen Ultraschallwandlers (51) wird in Weiterbildung der Erfindung gemäß FIG. 10 die hier nach links gerichtete Außenseite (52) sphärisch derart gekrümmt, daß ihr Krümmungsmittelpunkt im Bereich der simulierten Blindenstockspitze zu liegen kommt, so daß hier ohne Hohlspiegel eine optimale Fokussierung erreicht wird.
Leerseite

Claims

PATENTANSPRUCHE Elektronisches Blindenleitgerät zur berührungslosen Abstandsmessung,ge kennzeichnet durch die Anwendung mindestens einer der beiden folgenden technischen Maßnahmen: a) sprunghafte Änderung der Informationsausgabe in ihrer Frequenz und/oder lntensität, wenn der Abstand zum Hindernis einen vorgewählten Wert in der Größenordnung der Blindenstocklänge unterschreitet, b) eindeutige Zuordnung der Frequenz und/oder Intensität des Informationssignals bei Verwendung des Ultraschall-lmpulsradar-Prinzips durch Einführen einer von der Echolaufzeit gesteuerten erneuten Auslösung des Senderimpulses, so daß die Impulsfolgefrequenz f mit dem Abstand r zum Hindernis nach der folgenden allgemeinen Beziehung: f = k / ( s + r ) EHz) verknüpft ist, wobei s und k konstante Größen sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die simulierte Zusatzentfernung s durch eine konstante Verzögerung des empfangenen Echosignals realisiert wird nach der Formel: s = D g c /2 (rn] wenn c die Schallgeschwindigkeit und D die Verzögerungszeit darstellen.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante k durch eine zur gesamten Echolaufzeit proportionale zusätzliche Verzögerung vor dem erneuten Auslösen des Senderimpulses realisiert wird
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitschalter nach einer der simulierten Blindenstocklänge entsprechenden Zeit die Informationsausgabe in ihrer Frequenz und/oder Intensität umschaltet.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß FIG. 5 die Impulsfolgefrequenz f des Senders von einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler (17) echolaufzeitabhängig gesteuert wird, wobei dieser Zähler von einem in seiner Taktfrequenz F umschaltbaren Taktoszillator (1) das Zählsignal erhält und von einem RS-Flip-FlQp (i6), dessen Einschaltdauer T der Echolaufzeit entspricht, beim Starten des Senders in die Betrieb art "Vorwärts" und beim Eintreffen des Echos in die Betriebsart "Rückwärts" umgeschaltet wird und beim Erreichen des Zählerstandes Null einen Ausgangsimpuls zum erneuten Auslösen des Senders (2) abgibt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von dem RS-Flip-Flop (16) bzw. (29) die Taktfrequenz F des Taktoszillators (1) beim Starten des Senders auf den Wert F 1 und beim Eintreffen des Echos auf die Frequenz F 2 bzw. F 3 umgeschaltet wird.
7. Anordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen eines vorgewählten Zählerstandes N 2 während des Vorwärtszählens über ein zweites RS-Flip-Flop (34), das beim Starten des Senders gesetzt und beim Erreichen des Zählerstandes zurückgesetzt wird, die Taktfrequenz für das Rückwärtszählen auf den Wert F 3 mit F 3<F 2 zur Erzeugung der Sprungstelle umgeschaltet wird.
8. Anordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Empfänger verstärkte Echoimpuls während des Senderimpulses und kurz danach im Gatter (43) vom Sperrimpuls des Monoflops (30) blockiert wird.
9. Anordnung nach Anspruch 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß vom Ausgang des RS-Flip-Flops (29), das vom zuerst eintreffenden Echosignal zurückgesetzt wird, das als Frequenzteiler 2:1 geschaltete D-Flip-Flop (44) angesteuert wird, welches über die Gegentakt-Endstufen (45) und (46) den keramischen Schwinger (47) zur Vibrationsausgabe antreibt.
10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsverdopplung ohne Transformator der Schwinger (47) an die Ausgänge der beiden gegenphasig angesteuerten Gegentakt-Eidstufen (45) und (46) angeschlossen wird.
11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (49) gemäß FIG. 9 über einen kegelförmigen Hilfsreflektor (50) den ellipsoiden Hohlspiegel (48) anstrahlt, dessen zweiter Brennpunkt in der durch die Sprungstelle simulierten Bl indenstockspitze liegt. 1
12. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche eines scheibenförmigen Ultraschallwandlers derart spärisch gewölbt ist, daß ihr Krümmungsradius der simulierten Blindenstocklänge entspricht.