RU2085162C1 - Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids - Google Patents

Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids Download PDF

Info

Publication number
RU2085162C1
RU2085162C1 RU93011227A RU93011227A RU2085162C1 RU 2085162 C1 RU2085162 C1 RU 2085162C1 RU 93011227 A RU93011227 A RU 93011227A RU 93011227 A RU93011227 A RU 93011227A RU 2085162 C1 RU2085162 C1 RU 2085162C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
frequency
echo
information
ultrasonic
Prior art date
Application number
RU93011227A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93011227A (en
Inventor
Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Алексей Иванович Яковлев
Валентин Иванович Королев
Кира Александровна Зайцева
Виктор Петрович Горбунов
Михаил Васильевич Алексеев
Original Assignee
Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Алексей Иванович Яковлев
Валентин Иванович Королев
Кира Александровна Зайцева
Виктор Петрович Горбунов
Михаил Васильевич Алексеев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вячеслав Алексеевич Сапрыкин, Алексей Иванович Яковлев, Валентин Иванович Королев, Кира Александровна Зайцева, Виктор Петрович Горбунов, Михаил Васильевич Алексеев filed Critical Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Priority to RU93011227A priority Critical patent/RU2085162C1/en
Publication of RU93011227A publication Critical patent/RU93011227A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2085162C1 publication Critical patent/RU2085162C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: information for sight invalids. SUBSTANCE: invention relates to devices for spatial orientation of blinds. Method consists in emitting ultrasonic pulse, binaural reception of echo-signal by two ultrasonic microphones, amplification, transformation in each reception canal, and subsequent perception of signals with human acoustic analyzer. According to invention, echo- signal is transformed by way of its time extension. EFFECT: achieved conformance of frequency band and duration of acoustic signal with acoustic analyzer. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области создания приборов для ориентирования слепых в окружающем пространстве. The invention relates to the field of creating devices for orienting the blind in the environment.

Известны технические системы и приборы, предназначенные для инвалидов по зрению и позволяющие им ориентироваться в окружающей обстановке. Known technical systems and devices designed for the visually impaired and allowing them to navigate in the environment.

Известны [Авт. св. N 1445725 (СССР), Устройство для ориентации людей с ослабленным зрением; заявка N 0235460 (ФРГ), Предназначенный для слепых преобразователь зрительного сигнала в звуковой; заявка N 013616186 (ФРГ), Система для указания пути слепым; заявка N 2598316 (Франция), Проводник для слепого с переводом визуальных данных в тактильные и слуховые ощущения; заявка N 63-11987 (Япония), Устройство для оценки возможностей аппарата для помощи слепых в ходьбе]
В устройстве для помощи слепых при ходьбе (заявка N 56-5653 (Япония)) изучается ультразвуковой сигнал. Прием осуществляется на пять ультразвуковых приемников и на фазовый детектор. Если разность фаз находится в пределах заданной области, определяется, что препятствие находится в границах некоторого телесного угла, соответствующего указанному известному сдвигу фаз.
Known [Auth. St. N 1445725 (USSR), Device for orienting people with impaired vision; application N 0235460 (Germany), Designed for the blind converter of the visual signal into an audio one; application N 013616186 (Germany), a system for indicating the path of the blind; application N 2598316 (France), Guide for the blind with the translation of visual data into tactile and auditory sensations; application N 63-11987 (Japan), A device for assessing the capabilities of the apparatus for assisting the blind in walking]
In the device for assisting the blind while walking (application N 56-5653 (Japan)), an ultrasonic signal is studied. Reception is carried out on five ultrasonic receivers and on the phase detector. If the phase difference is within a given region, it is determined that the obstacle is within the boundaries of a solid angle corresponding to the specified known phase shift.

Измерение расстояния до объекта, как правило, сводится к оценке времени задержек эхо-сигнала. Примером таких технических решений может служить аппарат и способ оказания помощи в ориентировании слепыv и людям с пониженным зрением (заявка N 08 3544047 (ФРГ)). Measurement of the distance to the object, as a rule, comes down to estimating the time delay of the echo signal. An example of such technical solutions is the apparatus and method of assisting in orienting the blind and people with low vision (application N 08 3544047 (Germany)).

Аппарат выполнен, как прибор для измерения расстояний с помощью определения времени прохождения ультразвукового эхо-импульса. Данные о расстоянии преобразуют в акустически воспринимаемый звук определенной частоты. The device is designed as a device for measuring distances by determining the transit time of an ultrasonic echo pulse. Distance data is converted to acoustically perceived sound of a certain frequency.

Часть устройств представляет собой стационарные системы, например устройство для ведения слепых в городе (заявка N 2593060 (Франция)). Оно позволяет слепым и плоховидящим перемещаться по определенному маршруту без помощи проводника и состоит из кабеля или волокна, проложенного в грунте и передающего модулированный звуковой сигнал, принимаемый детектором в трости и передаваемый на приемник для сигнализации о любой опасности. Some of the devices are stationary systems, for example, a device for leading the blind in the city (application N 2593060 (France)). It allows blind and visually impaired people to move along a certain route without the help of a conductor and consists of a cable or fiber laid in the ground and transmitting a modulated sound signal received by the detector in canes and transmitted to the receiver to signal any danger.

В настоящее время выделяют три направления развития технических систем визуализации окружающего пространства в помощь слепым. Currently, there are three areas of development of technical systems for visualizing the surrounding space to help the blind.

К первому направлению относятся индикаторы свободного пути. Они наиболее просты и несут информацию только о наличии препятствия на пути следования слепого. Устройства используют узкий пучок акустической энергии и могут иметь форму карманного фонаря. Представление информации производится в звуковой или тактильной форме. The first direction includes indicators of the free path. They are the simplest and carry information only about the presence of an obstacle in the path of the blind. The devices use a narrow beam of acoustic energy and can take the form of a flashlight. Presentation of information is made in a sound or tactile form.

Примером подобных устройств являются следующие. Mower sensor. Worshald. New Zealand изобретение новозеландца Geoff Mowat. Используется ультразвуковое излучение. An example of such devices are as follows. Mower sensor. Worshald. New Zealand invention of the New Zealander Geoff Mowat. Ultrasonic radiation is used.

Воспринимается вибрация прибора, которая возрастает с приближением к субъекту. Прибор представляет собой несомую в руке коробочку размером 15х5х3 см и весом 185 г. Используется только в качестве детектора препятствий. Можно установить одну из двух величин предельного расстояния, на котором будет замечаться объект как возможное препятствие, и вибратор начнет срабатывать 1 и 4 м. В зависимости от ситуации пользователь простым поворотом прибора может выбрать, по ширине или по высоте будет производиться излучение; в первом случае поступает много информации о боковых объектах, во втором голова незрячего хорошо защищена от опасности столкновения с такими нависающими препятствиями, как кузов грузовика, сильно наклоненный столб светофора и т.д. The vibration of the device is perceived, which increases with approach to the subject. The device is a box carried in the hand measuring 15 x 5 x 3 cm and weighing 185 g. It is used only as an obstacle detector. You can set one of two values of the maximum distance at which the object will be seen as a possible obstacle, and the vibrator will start to work 1 and 4 m. Depending on the situation, the user can simply turn the device by turning the width or height of the radiation; in the first case, a lot of information about side objects comes in, in the second, the head of a blind person is well protected from the danger of collision with impending obstacles such as a truck body, a strongly tilted traffic light pole, etc.

Scoutmaster производится в Австрии и западногерманской фирмой AKG. Scoutmaster is manufactured in Austria by the West German company AKG.

Ультразвуковое излучение, восприятие вибрации. Крепится наподобие галстука на груди с поступлением вибрации на плечо, так что обе руки свободны. Информирует о наличии препятствия в заданных пользователем пределах расстояния. В отличие от аппарата Sicopilot предельное расстояние не ограничивается двумя величинами, а может регулироваться весьма широко. Кроме того, прибор имеет большой вертикальный угол излучения, что позволяет вовремя указать о наличии объекта, о который может удариться голова. Питание обеспечивает 15 ч непрерывного использования, Sicopilot. Ultrasonic radiation, vibration perception. Fastens like a tie on the chest with the arrival of vibration on the shoulder, so that both hands are free. Informs about the presence of obstacles within the user-specified distance limits. Unlike the Sicopilot, the limit distance is not limited to two values, but can be adjusted very widely. In addition, the device has a large vertical angle of radiation, which allows you to timely indicate the presence of an object, which may hit your head. Food provides 15 hours of continuous use, Sicopilot.

Habelt Electronic BRD производится фирмой Сименс (ФРГ). Habelt Electronic BRD is manufactured by Siemens (Germany).

Восприятие вибрации. Изменяется частота колебаний. Прибор имеет форму карманного фонаря размером 14х6х4 см и весом 200 г. Помещается в руке или крепится на груди. Сообщает о том, что в пределах установленной пользователем дальности появилось препятствие (можно выбрать одну из двух величин предельной дальности 1,5 и 2,5 м). По высоте звука определить, какое расстояние до объекта, если оно меньше предельного. Perception of vibration. The oscillation frequency changes. The device has the shape of a flashlight measuring 14 x 6 x 4 cm and weighing 200 g. It is placed in the hand or attached to the chest. It reports that an obstacle has appeared within the range set by the user (you can choose one of two values of the maximum range of 1.5 and 2.5 m). By the height of the sound, determine what distance to the object, if it is less than the limit.

Неся "фонарь" в руке, незрячий получает возможность уточнить направление на препятствие, а иногда форму и размеры объекта. Ширина поля на расстоянии двух метров около 50 см. Carrying a "flashlight" in his hand, the blind person gets the opportunity to clarify the direction of the obstacle, and sometimes the shape and size of the object. The width of the field at a distance of two meters is about 50 cm.

Sonie Pathfinder разработан Tony Heyes из центра мобильности в Ноттингеме (Великобритания) в 1987 г. Ультразвуковое излучение. Акустическое восприятие. Встроенный в прибор микропроцессор анализирует информацию и решает, какая и в какой момент будет полезна для пользователя, выбирает ее элементы, значимые при определении степени опасности. Основное время прибор "молчит", давая возможность активно использовать для ориентирования слух и не загружая мозг излишней информацией. Звучит за две секунды до потенциального столкновения с препятствием. При этом микропроцессор учитывает и скорость движения незрячего. Крепится на голове так, что руки свободны. Sonie Pathfinder was developed by Tony Heyes from the Mobility Center in Nottingham (UK) in 1987. Ultrasonic radiation. Acoustic perception. The microprocessor built into the device analyzes the information and decides which and at what point will be useful to the user, selects its elements that are significant in determining the degree of danger. Most of the time, the device is "silent", making it possible to actively use hearing for orientation and not loading the brain with unnecessary information. Sounds two seconds before a potential collision with an obstacle. In this case, the microprocessor also takes into account the speed of the blind. Mounted on the head so that the hands are free.

Vibraduks выпускается в ФРГ фирмой Fritz Huttinger Electronic. В основе прибора ультразвуковой радар с импульсами частотой 40 кГц. Восприятие вибрации коробочек размером 19х5х9 см и весом 190 г. Информация о расстоянии до препятствия в диапазоне 0,9-9 м. Питания хватает на 15 ч. Vibraduks is manufactured in Germany by Fritz Huttinger Electronic. The device is based on an ultrasonic radar with pulses of a frequency of 40 kHz. The vibration perception of boxes measuring 19x5x9 cm and weighing 190 g. Information on the distance to the obstacle in the range of 0.9-9 m. Power lasts for 15 hours.

Второе направление предполагает использование слуха в максимальных пределах его возможностей для восприятия окружающей обстановки. Устройство позволяет осуществить локализацию объекта, получить информацию о левом, правом или верхнем направлениях на объект, а также расстояние до него. В устройстве такого типа возможно лоцировать несколько объектов одновременно, причем звуковой сигнал несет в себе некоторую информацию о природе объекта. Для обеспечения широкого поля зрения используется бинауральное восприятие. The second direction involves the use of hearing to the maximum extent possible for perception of the environment. The device allows you to localize the object, to obtain information about the left, right or top directions to the object, as well as the distance to it. In a device of this type, it is possible to locate several objects at the same time, and an audio signal carries some information about the nature of the object. To ensure a wide field of view, binaural perception is used.

Примером устройства подобного типа является Siemens spectacles (Habelt. BRD). Разработчик фирма СИМЕНС (инженер Колани). An example of a device of this type is Siemens spectacles (Habelt. BRD). Developer company SIEMENS (engineer Kolani).

Производится ультразвуковое излучение двумя трансдукерами. Бинауральный прием. Излучатель и приемник расположены в очковой оправе. Вес всей электроники 200 г. Удаленность объекта (2,1 3,4 м) определяется по высоте тока (чем ближе, тем выше) в направлении по стереоэффекту. На расстоянии 2 м ширина поля 80 см. Ultrasonic radiation is produced by two transducers. Binaural reception. The emitter and receiver are located in a spectacle frame. The weight of the entire electronics is 200 g. The remoteness of the object (2.1 3.4 m) is determined by the height of the current (the closer, the higher) in the direction of the stereo effect. At a distance of 2 m, the field width is 80 cm.

Третье направление характеризуется попыткой моделировать зрение восприятием фронтальных образов окружающей среды с помощью набора тактильных стимуляторов на теле или даже набором электродов, вживленных в мозг, как предлагает Brindley Dobelle. Информация передается через миниатюрный блок на интегральных схемах. Примером является устройство Laser Cane (Nurion.USA). The third direction is characterized by an attempt to model vision with perception of frontal environmental images using a set of tactile stimulators on the body or even a set of electrodes implanted into the brain, as suggested by Brindley Dobelle. Information is transmitted through a miniature block on integrated circuits. An example is a Laser Cane device (Nurion.USA).

Инфракрасные излучения (3 излучателя). Акустическое восприятие через наушники и одновременно через вибраторы под указательным пальцем. В отличие от большинства приборов электронного ориентирования предусмотрено использование сразу трех пар излучателей- приемников. Они расположены в разных по высоте частях трости и "наблюдают" за соответствующими группами объектов: верхние защищают голову, средние информируют о стандартных препятствиях, а нижняя пара излучатель-приемник имеет особенность. Определяемый ими звуковой тон возникает не при появлении объекта в поле отражения, а, наоборот, при его отсутствии. Эти элементы аппарата поставлены для реакции на понижение перед ногами и сообщают о ступенях вниз, ямах, крае платформы и других опасностях этого рода. Лазерная тифлотрость разрабатывалась в США, начиная с середины 60-х годов. Сейчас подобные трости достаточно широко используются. Ограничения налагаются ценами, достигающими несколько тысяч долларов. Infrared radiation (3 emitters). Acoustic perception through headphones and simultaneously through vibrators under the index finger. Unlike most electronic orientation devices, it is envisaged to use three pairs of emitter-receivers at once. They are located in different parts of the reed in height and “observe” the corresponding groups of objects: the upper ones protect the head, the middle ones inform about standard obstacles, and the lower pair of emitter-receiver has a feature. The sound tone determined by them arises not when an object appears in the reflection field, but, on the contrary, when it is absent. These elements of the apparatus are set up to respond to lowering in front of the legs and report steps down, pits, the edge of the platform and other dangers of this kind. Laser tiflotype has been developed in the USA since the mid-60s. Now such canes are widely used. Restrictions are imposed by prices reaching several thousand dollars.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ представления пространственной информации, реализованный в приборе Sonic guide (Worshald.New Zeland), разработанный Leslie Kay, деканом факультета электротехники университета в Kanferbary (Новая Зеландия). Closest to the technical nature of the present invention is a method of representing spatial information, implemented in the Sonic guide (Worshald.New Zeland), developed by Leslie Kay, Dean of the Department of Electrical Engineering at Kanferbary University (New Zealand).

При работе прибора используется ультразвуковой излучатель. Стереофоническое восприятие на два наушника. Многоэлементный звуковой дисплей. Излучатель и два приемника сконструированы в очковой оправе. Электроника и аккумуляторное питание находится в коробочке, которую можно поместить в карман. Питания хватает на пять часов. When the device is used, an ultrasonic emitter is used. Stereophonic perception on two earphones. Multi-element sound display. The emitter and two receivers are designed in spectacle frames. Electronics and battery power are in a box that you can put in your pocket. There is enough food for five hours.

Прибор обеспечивает получение информации о расстоянии до объекта (чем он дальше, тем звук выше), а также, в известных пределах, о его форме, размерах и фактуре. Таким образом прибор представляет уже не простой индикатор препятствия, а в определенной степени анализатор среды со многими важными характеристиками. Однако, чем богаче выдается информация, тем больше нагрузка на пользователя. Необходимо перерабатывать достаточно сложную звуковую картину с привлечением таких переменных, как громкость, высота звука, тембровые характеристики. The device provides information about the distance to the object (the farther it is, the higher the sound), as well as, within certain limits, about its shape, size and texture. Thus, the device is no longer a simple obstacle indicator, but to a certain extent an environmental analyzer with many important characteristics. However, the richer the information is issued, the greater the load on the user. It is necessary to process a rather complex sound picture involving variables such as volume, pitch, timbre characteristics.

Для успешной интерпретации выдаваемых прибором сообщений требуется долгий процесс освоения. Курсы по освоению аппарата в ФРГ длятся около месяца. Цена более 3000 долларов. Successful interpretation of the messages generated by the device requires a long learning process. Courses on the development of the apparatus in Germany last about a month. Price over 3,000 dollars.

Основные технические характеристики прибора приведены в таблице. The main technical characteristics of the device are given in the table.

Структурная схема прибора показана на фиг. 1. The block diagram of the device is shown in FIG. one.

Сущность способа представления акустической информации, положенного в основу рассмотренного прибора состоит в следующем. В среду излучается ультразвуковой сигнал с линейной ЧМ, с частотным диапазоном примерно в октаву. Параметры прибора даны в таблице. The essence of the method of presenting acoustic information, the basis of the considered device is as follows. An ultrasonic signal with a linear FM is emitted on Wednesday, with a frequency range of about an octave. The parameters of the device are given in the table.

Производят бинауральный прием эхо-сигналов на два ультразвуковых приемника. Полученные сигналы перемножаются с опорным сигналом для получения сигнала биения. Осуществляют низкочастотную фильтрацию процесса. Производят частотную фильтрацию сигналов с помощью эквалайзера затухания. После усиления сигналы поступают на головные телефоны для восприятия слуховой системой человека. Расстояние до объекта представляется частотой слышимого сигнала, а направление на объект интерауральной разностью амплитуд сигналов, попадающих на оба уха. Недостаток рассмотренного способа состоит в следующем. Частота излучения зондирующего сигнала лежит в пределах 40-120 кГц. Нижняя граница диапазона определяется необходимой разрешающей способностью. Исследования животных, например летучих мышей, также показывает, что диапазон их излучения составляет 30-70 кГц, а область наибольшей интенсивности 40-50 кГц. От животных звук исходит не непрерывно, а в виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых 1-5 мС. Binaural echo signals are received at two ultrasonic receivers. The received signals are multiplied with a reference signal to obtain a beat signal. Carry out low-pass filtering of the process. Produce frequency filtering of signals using the attenuation equalizer. After amplification, the signals are sent to the head phones for perception by the human auditory system. The distance to the object is represented by the frequency of the audible signal, and the direction to the object is the interaural difference in the amplitudes of the signals falling on both ears. The disadvantage of the considered method is as follows. The radiation frequency of the probe signal is in the range of 40-120 kHz. The lower limit of the range is determined by the required resolution. Studies of animals, such as bats, also show that their radiation range is 30-70 kHz, and the area of greatest intensity is 40-50 kHz. Sound does not come from animals continuously, but in the form of discrete pulses, the duration of each of which is 1-5 mS.

В тоже время, область наилучшей слышимости человеческого уха лежит в пределах 250-4000 Гц. Поэтому для подачи эхо-сигналов на слуховой анализатор человека САЧ, их частоту следует существенно понизить. Для уменьшения частоты осуществляют операцию действительной демодуляции (детектирования), заключающуюся в перемножении исходного сигнала S(t) и гармонического высокочастотного колебания cosωot где ωo несущая частота.At the same time, the area of the best audibility of the human ear lies in the range of 250-4000 Hz. Therefore, to supply echo signals to the human auditory analyzer HAS, their frequency should be significantly reduced. To reduce the frequency, an actual demodulation (detection) operation is performed, which consists in multiplying the original signal S (t) and the harmonic high-frequency oscillation cosω o t where ω o is the carrier frequency.

Однако, спектральная плотность мощности, полученная в результате этой операции, оказывается в общем случае искаженной копией спектра сигнала. However, the power spectral density obtained as a result of this operation is, in the general case, a distorted copy of the signal spectrum.

В рассмотренном методе производится перемножение эхо-сигнала S(t) и эталонного ЛЧМ сигнала S0(t).In the considered method, the echo signal S (t) and the reference LFM signal S 0 (t) are multiplied.

При этом

Figure 00000002

где τ задержка эхо-сигнала.Wherein
Figure 00000002

where τ is the echo delay.

В результате перемножения получим

Figure 00000003

Первое слагаемое представляет собой колебание биения частот 1/2•cos(ωoτ+mtτ+μτ2/2), выделяемое в результате низкочастотной фильтрации. Поскольку мгновенная частота сигнала определяется f(t) = 1/2πdΦ/dt = μτ где v фаза сигнала, низкочастотный сигнал биения несет информацию о задержке t, определяемую дистанцией до объекта D, поскольку t 20/с. Таким образом, сигнал получаемый в результате реализации рассмотренного способа несет информацию главным образом о дистанции до объекта. Прием эхо-сигналов, отраженных от нескольких объектов или блестящих точек одного объекта, позволяет пользователю получить некоторую информацию о характере окружающей обстановки. Но и в этом случае картина воспринимается, как совокупность оцененных дальностей и направлений.As a result of multiplication, we obtain
Figure 00000003

The first term is a heartbeat fluctuation frequency 1/2 • cos (ω o τ + mtτ + μτ 2/2) generated as a result of low pass filtering. Since the instantaneous frequency of the signal is determined by f (t) = 1 / 2πdΦ / dt = μτ where v is the phase of the signal, the low-frequency beat signal carries information about the delay t, determined by the distance to the object D, since t 20 / s. Thus, the signal obtained as a result of the implementation of the considered method carries information mainly on the distance to the object. Reception of echoes reflected from several objects or brilliant points of one object allows the user to get some information about the nature of the environment. But even in this case, the picture is perceived as a set of estimated ranges and directions.

В тоже время известно, что спектральный состав эхо-сигнала зависит от формы и размеров объекта и может быть использован, как признак при решении задачи опознавания. Ухо человека представляет собой весьма совершенный частотный анализатор, позволяющий оценивать спектральный состав эхо-сигнала. At the same time, it is known that the spectral composition of the echo signal depends on the shape and size of the object and can be used as a sign in solving the recognition problem. The human ear is a very advanced frequency analyzer that allows you to evaluate the spectral composition of the echo signal.

Однако сигнал, полученный в способе- прототипе, как отмечалось, является искаженным и не позволяет использовать все возможности САЧ. Другая трудность восприятия эхо-сигнала связана с его длительностью. Порог восприятия поднимается при уменьшении длительности импульса, то есть короткие импульсы воспринимаются с большим трудом, чем длительные. However, the signal obtained in the prototype method, as noted, is distorted and does not allow you to use all the capabilities of SAS. Another difficulty in perceiving an echo is related to its duration. The perception threshold rises with decreasing pulse duration, that is, short pulses are perceived with greater difficulty than long ones.

Целью предполагаемого изобретения является согласование частотного диапазона и длительности сигнала со слуховым анализатором и получение более полной информации, содержащейся в эхо-сигнале. The aim of the proposed invention is to coordinate the frequency range and duration of the signal with the auditory analyzer and to obtain more complete information contained in the echo signal.

Поставленная цель достигается тем, что в способ акустического представления пространственной информации, заключающийся в излучении высокочастотного сигнала, бинауральном приеме эхо-сигналов на два ультразвуковых микрофона, усилении, переработке в каждом канале приема и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, вводят операцию временного растяжения эхо-сигналов в правом и левом каналах в a раз a = f1/f2 f1 несущая частота зондирующего сигнала, f2 средняя частота диапазона, воспринимаемого слуховым анализатором.This goal is achieved by the fact that in the method of acoustic representation of spatial information, which consists in the emission of a high-frequency signal, binaural reception of echo signals to two ultrasonic microphones, amplification, processing in each channel of reception and subsequent perception of signals by a human auditory analyzer, the operation of temporary stretching an echo signals in the right and left channels a times a = f 1 / f 2 f 1 the carrier frequency of the probe signal, f 2 the average frequency of the range perceived by the auditory analyzer.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем. The essence of the proposed method is as follows.

Излучается короткий высокочастотный импульс. Оценка принимаемого сигнала может быть представлена в виде свертки входного сигнала и импульсной характеристики (ИХ) приемника, осуществляющего восстановление сигнала hв(t)

Figure 00000004
(1)
С другой стороны входной сигнал представляет собой свертку зондирующего импульса S(t) с ИХ объекта локации h(t)
X(t) S(t)•h(t)(2)
Подставляя (2) в (1) и, переходя в область спектра, получим
Figure 00000005

где
Figure 00000006
передаточная функция восстанавливающего фильтра;
Figure 00000007
спектр оценки эхо-сигнала;
Figure 00000008
спектр излученного сигнала;
Figure 00000009
- передаточная функция объекта,
откуда
Figure 00000010

Выражение (5) показывает, что слуховая система человека, анализируя спектр оценки эхо-сигнала, производит и оценку передаточной функции объекта локации, определяющей его ИХ. Если излучается очень короткий (ультракороткий) ВЧ импульс, близкий к δ-функции, входной сигнал по сути представляет собой ИХ рассеивающего объекта. С учетом пространственной координаты.A short high-frequency pulse is emitted. An estimate of the received signal can be represented as a convolution of the input signal and the impulse response (ИХ) of the receiver, which performs the restoration of the signal h in (t)
Figure 00000004
(one)
On the other hand, the input signal is a convolution of the probe pulse S (t) from the object of their location h (t)
X (t) S (t) • h (t) (2)
Substituting (2) into (1) and passing into the spectral region, we obtain
Figure 00000005

Where
Figure 00000006
transfer function of the recovery filter;
Figure 00000007
echo evaluation spectrum;
Figure 00000008
spectrum of the emitted signal;
Figure 00000009
- transfer function of the object,
where from
Figure 00000010

Expression (5) shows that the human auditory system, analyzing the spectrum of the evaluation of the echo signal, also evaluates the transfer function of the location object, which determines their IC. If a very short (ultrashort) HF pulse is emitted, which is close to the δ-function, the input signal is essentially an IC of a scattering object. Given the spatial coordinate.

Figure 00000011

где
Figure 00000012
пространственная координата.
Figure 00000011

Where
Figure 00000012
spatial coordinate.

При этом

Figure 00000013

где
Figure 00000014
волновой вектор.Wherein
Figure 00000013

Where
Figure 00000014
wave vector.

Таким образом, оценка принимаемого сигнала представляет собой ИХ рассеивающего объекта с точностью до ИХ восстанавливающего фильтра, влияние которого индивидуально для каждого слухового анализатора и может быть учтено в процессе тренировок. Thus, the evaluation of the received signal is the IC of the scattering object, accurate to the IC of the recovery filter, the effect of which is individual for each auditory analyzer and can be taken into account during training.

Для того, чтобы короткий ВЧ сигнал (6) мог быть воспринят слуховым анализатором человека, (САЧ) производит временное растяжение сигнала в α раз по закону

Figure 00000015

где α = f1/f2/ ;
f1- несущая частота сигнала;
f2 средняя частота диапазона, воспринимаемого САЧ.In order for a short RF signal (6) to be perceived by a human auditory analyzer, (SAC) temporarily stretches the signal α times according to the law
Figure 00000015

where α = f 1 / f 2 / ;
f 1 - carrier frequency of the signal;
f 2 is the average frequency of the range perceived by HSA.

С учетом (6) соответственно изменится масштаб ИХ объекта

Figure 00000016

Среднюю частоту диапазона наилучшей слышимости необходимо подбирать для среднего пользователя и она несколько превышает 1 кГц.Taking into account (6), the scale of their object will accordingly change
Figure 00000016

The average frequency of the range of the best audibility must be selected for the average user and it slightly exceeds 1 kHz.

Предположим, используется зондирующий сигнал c несущей частотой 60 кГц, а средняя частота слышимого диапазона 1,2 кГц. В этом случае α составит 50. Suppose a probing signal with a carrier frequency of 60 kHz is used, and the average frequency of the audible range is 1.2 kHz. In this case, α will be 50.

Для выполнения соотношения (6) должно выполняться условие
tи≈ 1/f1
где τи длительность зондирующего импульса.
To fulfill relation (6), the condition
t and ≈ 1 / f 1
where τ and the duration of the probe pulse.

Допустим τи=20 мкс Если сигнал испытывает отражение от объекта, имеющего протяженность в пространстве L, отраженный сигнал X(t) будет испытывать растяжение во времени до величины
τэ= τи+2L/C
где c скорость распространения колебания.
Suppose τ and = 20 μs. If the signal is reflected from an object having a length in space L, the reflected signal X (t) will experience a stretching in time to the value
τ e = τ and + 2L / C
where c is the oscillation propagation velocity.

Предположим L=0,4 м. В этом случае длительность эхо-сигнала составит τэ≈ 2,44 мс. После его временного растяжения в α раз длительность atэ≈122 мс. Такое временное растяжение также важно для восприятия сигнала слуховым анализатором.Suppose L = 0.4 m. In this case, the duration of the echo signal will be τ e ≈ 2.44 ms. After its temporary extension by a factor of α, the duration is at э ≈122 ms. Such temporary stretching is also important for signal perception by the auditory analyzer.

После усиления сигналы левого и правого каналов поступают на головные телефоны для восприятия САЧ. After amplification, the signals of the left and right channels are fed to the head phones for the perception of HAS.

Пример устройства, реализующего обработку в соответствии с предложенным способом, показан на фиг.2. An example of a device that implements processing in accordance with the proposed method is shown in figure 2.

Устройство содержит:
Генератор зондирующих импульсов 1
Усилитель тракта излучения 2
Передатчик 3
Ультразвуковые преобразователи 4,5
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 6,7
Блоки памяти 8,9
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 10,11
Усилители 12,13
Генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) 14
Процессор 15
Тип АЦП 6, 7 выбирается, исходя из требуемого быстродействия, определяемого частотой зондирующих сигналов. Поскольку максимальная частота, используемая в подобных системах, составляет 120 кГц, необходимое быстродействие обеспечивает АЦП К 1108 ПВ1 с временем преобразования меньше 0,9 мкс и тактовой частотой в пределах 0,4 1,5 мГц.
The device contains:
Probe Pulse Generator 1
Radiation path amplifier 2
Transmitter 3
Ultrasonic Transducers 4.5
Analog to Digital Converters (ADCs) 6.7
8.9 memory blocks
Digital to Analog Converters (DACs) 10.11
Amplifiers 12.13
Clock Generator (GSI) 14
CPU 15
The type of ADC 6, 7 is selected based on the required speed determined by the frequency of the probing signals. Since the maximum frequency used in such systems is 120 kHz, the necessary speed provides the ADC K 1108 PV1 with a conversion time of less than 0.9 μs and a clock frequency of 0.4 to 1.5 MHz.

Емкость блоков памяти 8, 9 определяется частотой и длительностью обрабатываемой реализации Tр. Запоминающее устройство (ЗУ) должно обеспечивать кратковременное хранение N отсчетов, где
N f1Tр Tр 2D/c
D максимальная дальность работы.
The capacity of the memory blocks 8, 9 is determined by the frequency and duration of the processed implementation T p . The storage device (memory) should provide short-term storage of N samples, where
N f 1 T p T p p 2D / c
D maximum range.

При D 15 м, f1 40 кГц N≈ 4000 устройства.At D 15 m, f 1 40 kHz N≈ 4000 devices.

ЗУ широко распространены в цифровой технике. Memory devices are widely distributed in digital technology.

К ЦАП 10, 11 не предъявляется особых требований по быстродействию, поскольку частота считывания информации из блоков памяти ниже частоты записи. DAC 10, 11 does not have special performance requirements, since the frequency of reading information from memory blocks is lower than the recording frequency.

Могут быть использованы ЦАП К 572 ПА 1,10В с временем преобразования 5 мкс, током потребления 2 ма, напряжением питания 10 В. DAC K 572 1.10V can be used with a conversion time of 5 μs, a consumption current of 2 mA, and a supply voltage of 10 V.

ГСИ 14 вырабатывает импульсы с частотой следования зондирующих сигналов, синхронизирующие работу всего устройства. GSI 14 generates pulses with a repetition rate of sounding signals that synchronize the operation of the entire device.

В качестве процессора 15 может быть использована однокристальная ЭВМ К 1816. As the processor 15 can be used single-chip computer K 1816.

После излучения входная реализация поступает на АЦП 6, 7 и заносится в ВП 8, 9. Процесс 15 обеспечивает считывание информации в α раз медленнее записи и обнуление БП после каждого цикла излучение прием. After the radiation, the input implementation arrives at the ADC 6, 7 and is entered into the VP 8, 9. Process 15 provides for reading information α times slower than recording and zeroing the BP after each cycle radiation reception.

После перевода сигналов в цифровую форму с помощью ЦАП 10, 11 и последующего усиления они поступают в САЧ. After converting the signals into digital form using the DAC 10, 11 and subsequent amplification, they enter the SAC.

Применение новых по сравнению с прототипом операций:
излучение ультракороткого импульса;
временное растяжения эхо-сигналов в правом и левом каналах позволило получить положительный эффект согласовать длительность и частотный диапазон входного сигнала со слуховым анализатором.
The use of new operations compared to the prototype:
ultrashort pulse radiation;
temporary stretching of the echo signals in the right and left channels allowed to obtain a positive effect to coordinate the duration and frequency range of the input signal with the auditory analyzer.

Claims (1)

Способ акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению, заключающийся в излучении ультразвукового импульса, бинауральном приеме эхо-сигнала на два ультразвуковых микрофона, усилении, переработке в каждом канале приема и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, отличающийся тем, что переработку сигнала осуществляют путем его временного растяжения. The method of acoustic presentation of spatial information for the visually impaired, which consists in emitting an ultrasonic pulse, binaural receiving an echo signal to two ultrasonic microphones, amplifying, processing in each receiving channel and subsequent perception of signals by a human auditory analyzer, characterized in that the signal is processed by temporary stretching.
RU93011227A 1993-03-01 1993-03-01 Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids RU2085162C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93011227A RU2085162C1 (en) 1993-03-01 1993-03-01 Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93011227A RU2085162C1 (en) 1993-03-01 1993-03-01 Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93011227A RU93011227A (en) 1995-05-10
RU2085162C1 true RU2085162C1 (en) 1997-07-27

Family

ID=20138045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93011227A RU2085162C1 (en) 1993-03-01 1993-03-01 Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2085162C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2490694C2 (en) * 2008-06-30 2013-08-20 Универсидаде Ду Порту Guidance, navigation and information system especially adapted for blind or partially sighted people
RU2503436C1 (en) * 2012-04-27 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) Method for space orientation, navigation and information in individuals suffering visual dysfunctions and system for implementation thereof
RU2515089C1 (en) * 2012-11-22 2014-05-10 Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" Apparatus for acoustic presentation of spatial user information
RU2534961C2 (en) * 2012-10-29 2014-12-10 Максим Леонидович Аронов Method and system for informing and orientation of visually handicapped persons
RU2573534C2 (en) * 2014-03-18 2016-01-20 Дмитрий Георгиевич Заикин Method of informing disabled persons on public transport vehicles approaching station, improving safety for disabled persons when boarding vehicles and system therefor
RU2582045C2 (en) * 2014-03-18 2016-04-20 Дмитрий Георгиевич Заикин Method of informing disabled persons on availability of nearest stationary objects and determining required direction of movement to said objects and system therefor
RU2723821C1 (en) * 2019-10-09 2020-06-17 Леонид Львович Аронов Method for automatic selection of information on vehicles when a low-mobility passenger is at a stop of a vehicle

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Animal Sonar Systems/Под ред. R.G.Busnel, Fish Plenum, New York, 1980, p.23. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2490694C2 (en) * 2008-06-30 2013-08-20 Универсидаде Ду Порту Guidance, navigation and information system especially adapted for blind or partially sighted people
RU2503436C1 (en) * 2012-04-27 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) Method for space orientation, navigation and information in individuals suffering visual dysfunctions and system for implementation thereof
RU2534961C2 (en) * 2012-10-29 2014-12-10 Максим Леонидович Аронов Method and system for informing and orientation of visually handicapped persons
RU2515089C1 (en) * 2012-11-22 2014-05-10 Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" Apparatus for acoustic presentation of spatial user information
RU2573534C2 (en) * 2014-03-18 2016-01-20 Дмитрий Георгиевич Заикин Method of informing disabled persons on public transport vehicles approaching station, improving safety for disabled persons when boarding vehicles and system therefor
RU2582045C2 (en) * 2014-03-18 2016-04-20 Дмитрий Георгиевич Заикин Method of informing disabled persons on availability of nearest stationary objects and determining required direction of movement to said objects and system therefor
RU2723821C1 (en) * 2019-10-09 2020-06-17 Леонид Львович Аронов Method for automatic selection of information on vehicles when a low-mobility passenger is at a stop of a vehicle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kay An ultrasonic sensing probe as a mobility aid for the blind
Ifukube et al. A blind mobility aid modeled after echolocation of bats
Nada et al. Effective fast response smart stick for blind people
US5724313A (en) Personal object detector
Kay A sonar aid to enhance spatial perception of the blind: engineering design and evaluation
Catheline et al. Observation of shock transverse waves in elastic media
US3383682A (en) Radar glasses for the blind
Kay Auditory perception of objects by blind persons, using a bioacoustic high resolution air sonar
US7957224B2 (en) Human echolocation system
CN2843397Y (en) Electronic device for helping blind walking and discriminating obstacle
Brabyn A review of mobility aids and means of assessment
JPS62240033A (en) Azimuth measuring system for determining position of bounday layer in human body forming reflection
RU2085162C1 (en) Method of acoustic delivery of spatial information for sight invalids
Vítek et al. New possibilities for blind people navigation
RU2053746C1 (en) Method for acoustically representing spatial information to be useable by vision invalid people
RU2060028C1 (en) Device for acoustic representation of three- dimensional information for blind people
KR100563193B1 (en) Signal transformation method and guidance system providing auditory and tactile indoor/outdoor traveling information for the blind
Heyes Human navigation by sound
Urbanietz et al. A radar-based navigation assistance device with binaural sound interface for vision-impaired people
von Zabiensky et al. Ultrasonic waves to support human echolocation
RU2523340C2 (en) Method for acoustic representation of spatial information for users
GB2238386A (en) Rangefinder with tactile indicator
JP2828259B2 (en) Fish finder
Aziz et al. Blind echolocation using ultrasonic sensors
RU2515089C1 (en) Apparatus for acoustic presentation of spatial user information