RU2185640C2

RU2185640C2 - Infrared locator for people with poor eyesight

Info

Publication number: RU2185640C2
Application number: RU2000115424A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гринченко; А.В. Гусев; В.А. Телеш; Е.И. Шабаков
Original assignee: Военный инженерно-космический университет им.А.Ф.Можайского
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2002-07-20

Abstract

FIELD: medicine, optics. SUBSTANCE: invention is meant to warn man approaching obstacle and to evaluate distance to it to secure safety of man's movement. Infrared locator for people with poor eyesight incorporates frequency divider, pulse counter and storage register. Strip of point photoconverters comes in the form of line charge-coupled device which output is connected through amplifier-limiter to controlling input of storage register whose information input is coupled to output of pulse counter which counting input is linked in parallel with output of pulse generator, controlling input of line charge- coupled device and input of frequency divider. Output of frequency divider is connected to infrared radiator and reading reset input of pulse counter. Output of storage register is connected to output of digital-to-analog converter. EFFECT: increased precision in measurement of distance to obstacle. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области офтальмологии и может быть использовано для предупреждения о приближении человека к препятствию и оценки расстояния до него, например для обеспечения безопасности передвижения людей с ослабленным зрением. The invention relates to the field of ophthalmology and can be used to warn of a person approaching an obstacle and to assess the distance to him, for example, to ensure the safety of movement of people with low vision.

Устройство для индикации о приближении человека с ослабленным зрением к какому-либо препятствию (стена, забор) или предмету известны. A device for indicating the proximity of a visually impaired person to an obstacle (wall, fence) or object is known.

Простейшим устройством является трость слепого, которой он находит препятствие, находящееся на расстоянии протянутой трости. Значительно более функционален и обладает большей дальностью действия локатор для людей с ослабленным зрением [1]. Он содержит размещенный на требуемом объекте передатчик, генерирующий ультразвуковой сигнал, и приемник, размещенный в корпусе, находящийся в распоряжении пользователя. Расстояние до препятствия определяется по амплитуде принятого сигнала. В соответствии с результатами определения дальности формируется звуковой сигнал, связанный с расстоянием между передатчиком и приемником. Основной недостаток устройства [1] состоит в необходимости размещения передатчика на каждом возможном препятствии, что не позволяет использовать его в меняющейся обстановке, например при передвижении по улице, общественным местам и т.д. Указанный недостаток в значительной степени устранен в локаторе для слепых [2], который можно выбрать в качестве прототипа. Устройство содержит инфракрасный излучатель и приемник излучения, размещенные в корпусе, находящийся в распоряжении пользователя. Сигнал с выхода приемника через усилитель и выпрямитель поступает на вход управляемого генератора звуковой частоты. Диаграмма направленности инфракрасного излучателя и приемника излучения ориентированы в сторону препятствия. Инфракрасный излучатель работает в импульсном режиме, для чего он управляется от генератора импульсов. Сигнал на выходе выпрямителя будет пропорционален отражающей способности препятствия и обратно пропорционален четвертой степени искомого расстояния. Поэтому звуковой сигнал, воспроизводимый головным телефоном, будет иметь тон, частота которого плавно возрастает по мере приближения к препятствию. Недостаток известного устройства [2] состоит в низкой точности оценки дальности до препятствия, так как частота звуковых колебаний является функцией не только искомой дальности, но и отражательной способности препятствия, которая в постоянно меняющейся обстановке не может быть спрогнозирована. The simplest device is the blind cane, with which he finds an obstacle located at a distance of the extended cane. Significantly more functional and has a greater range of action of the locator for people with impaired vision [1]. It contains a transmitter located at the required site that generates an ultrasonic signal, and a receiver located in the housing at the user's disposal. The distance to the obstacle is determined by the amplitude of the received signal. In accordance with the results of determining the range, an audio signal is generated associated with the distance between the transmitter and receiver. The main disadvantage of the device [1] is the need to place the transmitter on every possible obstacle, which does not allow using it in a changing environment, for example, when moving along the street, public places, etc. The specified disadvantage is largely eliminated in the locator for the blind [2], which can be selected as a prototype. The device comprises an infrared emitter and a radiation receiver located in a housing at the user's disposal. The signal from the output of the receiver through the amplifier and rectifier is fed to the input of a controlled sound frequency generator. The radiation pattern of the infrared emitter and the radiation receiver are oriented towards the obstacle. The infrared emitter operates in a pulsed mode, for which it is controlled by a pulse generator. The signal at the rectifier output will be proportional to the reflectivity of the obstacle and inversely proportional to the fourth power of the desired distance. Therefore, the sound signal reproduced by the headset will have a tone, the frequency of which gradually increases as you approach the obstacle. A disadvantage of the known device [2] is the low accuracy of estimating the distance to the obstacle, since the frequency of sound vibrations is a function of not only the desired range, but also the reflectivity of the obstacle, which cannot be predicted in a constantly changing environment.

Цель данного предложения состоит в повышении точности измерения расстояния до препятствия. The purpose of this proposal is to improve the accuracy of measuring the distance to an obstacle.

Поставленная цель достигается тем, что вместо одного приемника излучения используется линейный прибор с зарядовой связью, выход которого подключен к входу усилителя-ограничителя, выходом соединенного с управляющим входом регистра памяти. Управляющий вход линейного прибора с зарядовой связью соединен с выходом генератора импульсов, подключенному также к счетному входу счетчика импульсов и через делитель частоты одновременно к входу инфракрасного излучателя и входу сброса показаний этого счетчика импульсов. В процессе считывания информации с линейного прибора с зарядовой связью на выходе усилителя-ограничителя будет действовать сигнал логической единицы только в момент считывания с той светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью, которая освещена отраженным от препятствия излучением инфракрасного излучателя. Так как счетчик импульсов считает управляющие импульсы сдвига зарядовых пакетов в линейном приборе с зарядовой связью, т.е. номера светочувствительных ячеек линейного прибора с зарядовой связью, то в момент появления логической единицы на выходе усилителя-ограничителя в счетчике импульсов будет зафиксирован номер максимально освещенной светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью. Сигнал логической единицы с выхода усилителя-ограничителя поступает на управляемый вход регистра памяти. По этой команде показания счетчика переписываются в регистр памяти. Таким образом, в регистре памяти постоянно хранится номер ячейки линейного прибора с зарядовой связью, освещенной отраженным от препятствия излучением инфракрасного излучателя. Этот номер светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью функционально связан с дальностью до препятствия. Поэтому генератор звуковой частоты будет генерировать сигнал с частотой, пропорциональной числу, записанному в регистр памяти, а головной телефон будет излучать частоту, которая функционально связана с расстоянием до препятствия. This goal is achieved by the fact that instead of a single radiation receiver, a linear device with charge coupling is used, the output of which is connected to the input of the amplifier-limiter, the output connected to the control input of the memory register. The control input of the charge-coupled linear device is connected to the output of the pulse generator, which is also connected to the counting input of the pulse counter and through the frequency divider simultaneously to the input of the infrared emitter and the reset input of this pulse counter. In the process of reading information from a linear device with a charge coupling at the output of the amplifier-limiter, the signal of a logical unit will act only at the time of reading from that photosensitive cell of a linear device with a charge coupling, which is illuminated by the radiation of an infrared emitter reflected from an obstacle. Since the pulse counter counts the control pulses of the shift of the charge packets in a charge-coupled linear device, i.e. numbers of photosensitive cells of a charge-coupled linear device, then at the moment of appearance of a logical unit at the output of the amplifier-limiter, the number of the maximum illuminated photosensitive cell of a charge-connected linear device will be recorded in the pulse counter. The signal of a logical unit from the output of the amplifier-limiter is fed to the controlled input of the memory register. By this command, the counter readings are overwritten in the memory register. Thus, in the memory register the cell number of a linear device with a charge coupling illuminated by the radiation of an infrared emitter reflected from an obstacle is constantly stored. This number of the photosensitive cell of the charge-coupled linear device is functionally related to the distance to the obstacle. Therefore, the sound frequency generator will generate a signal with a frequency proportional to the number recorded in the memory register, and the headphone will emit a frequency that is functionally related to the distance to the obstacle.

Устройство содержит две линзы 1 и 2, оптические оси которых ориентированы в сторону измеряемого объекта. В задней фокальной плоскости линзы 1 помещен инфракрасный излучатель 3. В задней фокальной плоскости линзы 2 помещен линейный прибор с зарядовой связью 4. Он предназначен для преобразования светового сигнала в электрический сигнал. Инфракрасный излучатель 3 и линейный прибор с зарядовой связью 4 ориентированы вдоль одной линии и разнесены друг относительно друга на расстояние В. Выход линейного прибора с зарядовой связью 4 подключен к входу усилителя-ограничителя 5. Устройство содержит также генератор импульсов 6, выход которого подключен к управляющему входу линейного прибора с зарядовой связью 4, к входу делителя частоты 7 и к счетному входу счетчика импульсов 8. Выход делителя частоты 7 соединен с инфракрасным излучателем 3 и входом сброса показаний счетчика импульсов 8. Генератор импульсов предназначен для генерирования импульсов. Выход усилителя-ограничителя 5 подключен к управляющему входу регистра памяти 9. Выход счетчика импульсов 8 подключен к информационному входу регистра памяти 9. Выход регистра памяти 9 подключен к входу цифро-аналогового преобразователя 10. Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговый. Выход цифро-аналогового преобразователя 10 подключен к управляющему входу управляемого генератора звуковой частоты 11. Управляемый генератор звуковой частоты 11 предназначен для генерирования сигналов звуковой частоты с частотой, пропорциональной входному аналоговому сигналу. Выход управляемого генератора звуковой частоты 11 подключен к входу головного телефона 12. The device contains two lenses 1 and 2, the optical axis of which are oriented towards the measured object. An infrared emitter 3 is placed in the rear focal plane of the lens 1. In the rear focal plane of the lens 2, a charge-coupled linear device 4 is placed. It is designed to convert a light signal into an electrical signal. The infrared emitter 3 and the linear device with charge coupling 4 are oriented along the same line and spaced relative to each other by a distance B. The output of the linear device with charge coupling 4 is connected to the input of the amplifier-limiter 5. The device also contains a pulse generator 6, the output of which is connected to the control the input of the linear device with charge coupling 4, to the input of the frequency divider 7 and to the counting input of the pulse counter 8. The output of the frequency divider 7 is connected to an infrared emitter 3 and the pulse reset counter input s 8. The pulse generator is designed to generate pulses. The output of the amplifier-limiter 5 is connected to the control input of the memory register 9. The output of the pulse counter 8 is connected to the information input of the memory register 9. The output of the memory register 9 is connected to the input of the digital-to-analog converter 10. The digital-to-analog converter is designed to convert a digital signal to an analog one. The output of the digital-to-analog converter 10 is connected to the control input of the controlled sound frequency generator 11. The controlled sound frequency generator 11 is designed to generate sound frequency signals with a frequency proportional to the input analog signal. The output of the controlled sound frequency generator 11 is connected to the input of the headphone 12.

При включении устройства генератор импульсов 6 генерирует импульсы с частотой f. Импульсы с выхода генератора импульсов 6 одновременно поступают на вход линейного прибора с зарядовой связью 4, на счетный вход счетчика импульсов 8 и на вход делителя частоты 7. Делитель частоты 7 уменьшает частоту импульсов f в М раз, причем M>N, где N - количество светочувствительных ячеек линейного прибора с зарядовой связью 4. При появлении импульса на выходе делителя частоты 7 он включает на время своей длительности инфракрасный излучатель 3 и обнуляет счетчик импульсов 8. Световой поток линзой 1 фокусируется на объект, дальность до которого изменяется. Мощность излучения инфракрасного излучателя 3 выбирается такой, что яркость светового пятна на объекте измерения существенно превышает собственную яркость объекта измерения, вызванную другими источниками излучения. Отраженный от объекта световой поток линзой 2 фокусируется на линейный прибор с зарядовой связью 4. Сигнал с выхода линейного прибора с зарядовой связью 4 поступает на вход усилителя-ограничителя 5. Порог усиления усилителя-ограничителя 5 выбран таким, чтобы на его выходе действовал сигнал логической единицы только в случае фокусирования светового пятна от инфракрасного излучателя 3. При грамотном инженерном расчете оптических элементов устройства, когда разрешающая способность каждой из линз 1 и 2 соответствует линейному разрешению линейного прибора с зарядовой связью 4 и размеру светоизлучающей поверхности инфракрасного излучателя 3, размер светового пятна, проецируемого на линейный прибор с зарядовой связью 4, будет примерно соответствовать размерам светочувствительной поверхности каждой светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью 4. Поэтому световое пятно может попасть либо только на одну, например с номером i, светочувствительную ячейку линейного прибора с зарядовой связью 4, либо одновременно на две соседних светочувствительные ячейки линейного прибора с зарядовой связью 4. В результате на выходе усилителя-ограничителя 5, в момент считывания i-й светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью 4 действует логическая единица, а в остальные моменты времени считывания зарядовых пакетов с линейного прибора с зарядовой связью 4 действуют логические нули. При приближении или удалении пользователя от объекта световое пятно будет смещаться по светочувствительным ячейкам линейного прибора с зарядовой связью 4 соответственно в сторону инфракрасного излучателя 3 или в противоположную сторону. Сигнал логической единицы при этом будет генерироваться соответственно либо на светочувствительной ячейке линейного прибора с зарядовой связью 4 с номером k > i, либо с номером j < i. С выхода усилителя-ограничителя 5 сигнал поступает на управляющий вход регистра памяти 9. Следовательно, в регистр памяти будет записываться номер светочувствительной ячейки линейного прибора с зарядовой связью 4, на которую фокусируется световой поток от инфракрасного излучателя 3, причем при удалении объекта измерения номер этой ячейки будет уменьшаться, а при приближении увеличиваться. Цифро-аналоговый преобразователь 10 преобразует цифровой сигнал, поступающий из регистра памяти 9 в аналоговый, который управляет частотой управляемого генератора звуковой частоты 11. Следовательно, на выходе генератора звуковой частоты 11 происходит уменьшение или увеличение частоты звукового сигнала. Сигнал звуковой частоты подается в головной телефон 12, где преобразуется в звук соответствующей частоты, который воспринимается человеком с ослабленным зрением. По тону звуковой частоты и направлению устройства он оценивает дальность и направление на объект (препятствие). When you turn on the device, the pulse generator 6 generates pulses with a frequency f. The pulses from the output of the pulse generator 6 simultaneously arrive at the input of the linear device with charge coupling 4, to the counting input of the pulse counter 8 and to the input of the frequency divider 7. The frequency divider 7 reduces the pulse frequency f by M times, and M> N, where N is the number of photosensitive cells of a charge-coupled linear device 4. When a pulse appears at the output of the frequency divider 7, it turns on the infrared emitter 3 for a duration and resets the pulse counter 8. The luminous flux of lens 1 focuses on an object whose range is is changing. The radiation power of the infrared emitter 3 is selected such that the brightness of the light spot at the measurement object significantly exceeds the intrinsic brightness of the measurement object caused by other radiation sources. The light flux reflected from the object by the lens 2 is focused on the linear device with charge coupling 4. The signal from the output of the linear device with charge communication 4 is fed to the input of the amplifier-limiter 5. The amplification threshold of the amplifier-limiter 5 is chosen so that a logical unit signal acts on its output only in case of focusing a light spot from an infrared emitter 3. With competent engineering calculation of the optical elements of the device, when the resolution of each of the lenses 1 and 2 corresponds to the linear resolution of the line of a charge-coupled device 4 and the size of the light-emitting surface of the infrared emitter 3, the size of the light spot projected onto the charge-coupled linear device 4 will approximately correspond to the sizes of the photosensitive surface of each photosensitive cell of the charge-coupled linear device 4. Therefore, the light spot can either hit only on one, for example, with the number i, the photosensitive cell of the linear device with charge coupling 4, or simultaneously on two adjacent photosensitive cells linearly of the charge-coupled device 4. As a result, at the output of the limiter amplifier 5, at the moment of reading the i-th photosensitive cell of the charge-coupled linear device 4, the logical unit is in effect, and at the other time points of reading charge packets from the charge-coupled linear device 4, logical zeros. As the user approaches or moves away from the object, the light spot will shift along the photosensitive cells of the charge-coupled linear device 4, respectively, towards the infrared emitter 3 or in the opposite direction. The signal of the logical unit will be generated either on the photosensitive cell of the linear device with charge coupling 4 with the number k> i, or with the number j <i. From the output of the amplifier-limiter 5, the signal is supplied to the control input of the memory register 9. Therefore, the number of the photosensitive cell of the linear device with charge coupling 4 will be recorded in the memory register, onto which the light flux from the infrared emitter 3 is focused, and when this object is removed the number of this cell will decrease, and increase as you approach. A digital-to-analog converter 10 converts a digital signal coming from the memory register 9 into an analog one, which controls the frequency of the controlled sound frequency generator 11. Therefore, the output or frequency of the sound frequency generator 11 decreases or increases the frequency of the sound signal. The audio frequency signal is supplied to the headphone 12, where it is converted into sound of the corresponding frequency, which is perceived by a person with impaired vision. According to the tone of the sound frequency and the direction of the device, he estimates the range and direction to the object (obstacle).

Источники информации
1. Локатор для людей с ослабленным зрением. Патент США 5508699, МПК G 08 G 1/095, 16.04.96.Sources of information
1. Locator for visually impaired people. U.S. Patent 5508699, IPC G 08 G 1/095, 04/16/96.

2. ИК локатор для слепых. Радио, 10, 1989, с. 84-86. 2. IR locator for the blind. Radio, 10, 1989, p. 84-86.

Claims

An infrared locator for visually impaired people, containing two focusing lenses whose optical axes are oriented towards the obstacle, with an infrared emitter located in the rear focal plane of the first lens and a radiation detector in the form of a line of point photoconverters placed in the rear focal plane of the second lens, oriented along with an infrared emitter along one line, a pulse generator, an amplifier-limiter, a digital-to-analog converter, and a serial connection a controlled audio frequency generator and a headphone, characterized in that an additional frequency divider, a pulse counter and a memory register are introduced, and the line of point photoconverters is made in the form of a linear device with charge coupling, and the pulse counter output is connected to the information input of the memory register, register output the memory is connected to the input of the digital-to-analog converter, the output of the pulse generator is connected in parallel with the input of the frequency divider and the counting input of the pulse counter to the control the charge-coupled device input, the output of which is connected to the input of the limiter amplifier, the output of which is connected to the control input of the memory register, and the output of the frequency divider is connected to an infrared emitter and a pulse counter reset input, while the output of the digital-to-analog converter is connected to the input of a controlled generator sound frequency.