专利名称：基于多调频的编码振动及语音提示的导盲方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导盲方法与装置技术领域，尤其涉及到一种基于多调频的编码振动及语音提示的导盲方法与装置。
背景技术：
随着社会现代化进程的加快，人们对弱势群体的关注也与日俱增。人类70%的信息都是通过视觉来获取的，所以失明和低视力的人群在感知世界方面是极其无助的，他们在生活中会有诸多的不便。据国家权威部门统计，中国是世界上盲人最多的国家，约有500万，占全世界盲人口的18%，低视力者600多万，儿童斜弱视者1000万。同时，每年我国新增45万盲人，专家指出，如果允许目前的趋势继续保持不变，到2020年预期中国的盲人将增加4倍。因此，给盲人和低视力者开发导盲产品非常必要，这也是一个具有发展潜力的产 业。失明和低视力者出行一般需要导盲器的协助，传统的方法是利用导盲杖或者训练导盲犬。导盲杖一般是一根长竿，使用者用导盲杖点击地面，来感知前方地面情况，但前方地面的连续情况经常不能完整掌握，尤其是凹凸不平的路况，使失明和低视力者寸步难行。而且经常点击地面在行走较远的路程，手部比较累，使用导盲犬带路的训练成本较高，因此，盲人行走不方便，一直是一个没有得到较好解决的社会问题。电子类导盲器一般采用超声波、红外线探头等回波探测原理来设计的，也有利用图像传感器和激光测距方法对障碍物进行探测。由于超声信号有良好的指向性，不受光线、温度等客观条件的影响，而且成本低廉、可靠性强，所以得到广泛使用。现有的超声导盲工具在许多方面有着局限性和不足1.现有的超声导盲仪器一般使用单一频率的超声脉冲或者调频脉冲，探测时间长、距离有所限制，对较复杂环境感知能力较差。因为不同频率的超声波有不同的性质，比如恒频波集中了大量能量，不易在空气中衰减，有利于探测到更远距离目标，而且回声效果更佳；调频波在空气中较易衰减，但带宽越大、平均基频越高，可以用来区分目标的精细结构；所以，不同的探测距离可以采用信号也不同，远距离一般利用恒频信号，而近距离的精细目标可以用调频信号探测。恒频、调频信号各有优点，但目前的导盲仪器却很少有同时采用的。2.现有的超声导盲仪器大多仅能给出有障碍物的提示，不能检测出障碍的方向和位置，提示不明确，给使用者带来不便。目前，大多数的超声导盲仪使用单个超声探头或多个超声探头，但很少用到相控阵技术，所以一般只能探测探头前方的障碍物，如果需要探测不同方向的障碍物，则需要使用者不停地对左右上下扫描，给使用者带来不便。3.现有的超声导盲仪器大多是用音频提示的方式提示使用者障碍物的情况，由于声音是盲人获取外界信息的一个重要途径，仅用语音或者一定频率的声音提示使用者需要使用者集中注意力，从而影响使用者获取其他外界信息，如果长期用耳机堵住耳朵，对使用者的听力和心情也有所影响。4.现有的超声导盲仪器大多只提供单一的超声探测功能，不能提供其他环境信息，比如目前所在的区域、道路，不能满足使用者对定位信息的需求。

发明内容
本发明针对现有导盲工具使用单一频率的超声脉冲或者调频脉冲、探测时间长、距离有所限制、不能检测出障碍的方向和位置、只提供单一的超声探测功能等不足，提出基于多调频的编码振动及语音提示的导盲方法与装置。采用了多频率超声同时探测、相控阵波束形成技术、多种模式提示、多参数测量，有效地提高了探测的准确度和实时性。多频率是指通过发射恒频波、第一调频波、第二调频波实现了远距离、中距离、近距离的障碍物同时探测，该方法还将通过使用相控阵波束形成技术改变探测方向，使装置能沿不同方向自动扫描，通过振动提示手表和语音给使用者提供障碍物的触觉及听觉的提示，通过GPSd^度及湿度传感器为使用者采集位置及天气等环境信息。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案 基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，包括语音提示模块、振动提示手表、湿度传感器模块、温度传感器模块、时钟模块、控制模块、无线发射模块、超声发射模块、超声接收模块、GPS模块和电源模块；
超声发射模块和超声接收模块分别与控制模块相连，超声发射模块和超声接收模块负责超声探测障碍物，探测回波经过控制模块处理；
控制模块分别与语音提示模块和无线发射模块相连，控制模块负责控制超声波发射、回波接收、信号处理和传递；如有障碍物则通过语音提示模块输出，并通过无线发射模块发射信号，振动提示手表接收无线发射模块发射的信号并振动；
温度传感器模块、湿度传感器模块、时钟模块、GPS模块分别与控制模块相连，温度传感器和湿度传感器模块采集天气信息，测量当前温度、湿度，控制模块处理温度、湿度传感器数据，并通过语音提示模块输出；GPS模块接收GPS信号，控制模块识别GPS信号判断使用者所处地点，并通过语音提示模块输出；时钟模块采集当前时间信息，信息经过控制模块处理并通过语音提示模块输出。进一步的，所述电源模块由充电电路模块、可充电电池和电源转换模块顺次相连，可充电电池通过电源转换电路模块，把电压转换为多种供电电压，给控制模块、传感器模块、超声发射模块和超声接收模块、语音提示模块供电；充电电路与可充电电池相连，当电量不足时，对其充电。进一步的，所述超声发射模块包括顺次连接的发射控制器、D/A转换器、信号放大器、超声发射阵列探头，负责发射超声波；所述超声接收模块包括顺次连接的超声接收阵列探头、程控放大器、滤波检波器、A/D转换器、采样缓存器，负责超声波的接收与缓存；
进一步的，超声发射阵列探头由三组超声相控发射阵列探头组成，能实现使用不同频率的超声波同时探测；超声接收阵列探头由一组相控发射阵列探头组成，能接收多种频率的回波；三组超声相控发射阵列探头分别发射恒频波、第一调频波和第二调频波，分别探测远、中、近距离的障碍物；三组超声相控发射阵列探头相比比，第一超声相控发射阵列探头发射持续时间最长的恒频信号，它的信号持续时间长，信号频率较低，其探测距离长，通过其回波识别大范围内是否存在障碍物；第二超声相控发射阵列探头发射周期较短的调频信号，它的发射频率范围宽，其探测距离较第一波束阵列短，用来发现中等距离内的障碍物；第三三组超声相控发射阵列探头发射周期最短的调频信号，持续时间短，频率迅速下降，这种信号有利于探测近距离精细的目标，更准确地分辨近距离是否存在障碍物；为了实现实时探测、节约时间的目的，三个超声发射相控阵列不同频率的信号分别同时发射，一个接收阵列对回波全部接收，对远、中、近距离的障碍物的同时测量，并通过控制模块处理回波信号辨别是否存在障碍物，从而减少超声波探测的时间，提高探测精度。进一步的，所述控制模块控制三个超声波相控阵列发射的超声波频率和相位，发射时改变超声波角度，使波束沿水平、垂直方向依次扇形扫描，从而对不同方向的障碍物进行探测；接收回波时，采用具有水平波束指向性和宽带特性的超声波接收器，对各个方向的·多种频率的回波同时接收，并统一送回控制模块进行数据处理。进一步的，当超声模块探测到有障碍物时，无线发射模块发出信号，振动提示手表接收该信号，并使手表发出振动提示；该振动提示手表设有多个振点，不同振点振动代表不同方向存在障碍物，振动的模式和时间长度代表障碍物的距离；振动提示手表佩戴在手或身上其他部位。使用者可以根据需要选择振动提示、语音提示或振动和语音同时提示。上述基于多调频的编码振动及语音提示装置的导盲方法，包括如下步骤
步骤1:各传感器开始采集参数，超声探测模块开始探测障碍物；如果使用者根据装置上的档位选择GPS、天气、报时模式，进入相应的语音提示；GPS模式下语音提示由GPS接收到的定位信息；天气模式下语音提示当前温度、湿度；时间模式下语音提示报时信息；如果没有选择进入上述模式，则进入默认的超声探测程序；
步骤2 :三个超声相控发射阵列探头分别发射恒频波、第一调频波和第二调频波，恒频波探测远距离的障碍物，第一调频波探测中距离的障碍物，第二调频波探测近距离的障碍物；控制模块控制相控阵元的相位，使超声波依照设定速度沿水平、垂直方向依次扇形扫描，达到对不同方向环境信息探测的目的；
步骤3 :接收回波时，接收阵列探头对多个方向多种频率的回波一并接收，再将回波的信息送往数据处理单元，判断是否有障碍物；如无障碍物，继续上述探测步骤；
步骤4 :当探测到有障碍物时，计算障碍物的距离；
步骤5 :根据超声波束的角度，判断障碍物的方向，方向包括正前方、左前方、右前方或下前方；
步骤6.1 :控制模块把距离、方向信息传送到语音提示模块，语音提示该障碍物距离和方向；
步骤6.2 :无线发射器发射信号，振动提示手表接收信号，并振动提示；不同振点的振动表示不同方向的障碍物，短振、短振两次、长振分别表示障碍物存在于近、中、远距离；步骤6. 3 :如果收到结束指令，则结束导盲，否则重复步骤1飞.3。上述方法中，如果调到GPS模式，语音提示由GPS接收到的位置信息；GPS接收传感器接收到定位信息后，通过数据处理模块转换为城市、区域、路名的信息，信息再通过语音库输出相应城市、区域、路名的语音提示；如果调到天气模式，则语音提示当前温度和湿度；温度传感器探测当前温度，湿度传感器探测湿度，并识别是否下雨，这些数据经过数据处理模块处理，转换成语音信号，提示当前温度和湿度；如果调到报时模式，语音提示当前时间；时钟模块提供当前时间数据，数据传送到数据处理单元，转换为语音提示输出；如果没有选择进入其他模式，则进入默认的超声探测程序；
以下对本发明的原理作进一步说明；
目前，生物声纳技术不断发展，人们已经有能力把生物技术作为各种技术思想、发明创造的源泉。蝙蝠在捕食时，蝙蝠捕捉目标要完成三个任务监测、识别、定位。蝙蝠要对目标的距离、方位角、俯仰角进行确定，才能实现对目标的精确定位。蝙蝠距离目标由远及近的过程中，蝙蝠主要通过恒频和调频两种信号成分来实现这三项任务。我们借鉴蝙蝠探测信号的特点，同时发射恒频波、第一调频波、第二调频波。(I)在距离较远时，利用持续时间长、信号频率较低的恒频信号监测和确定目标。随着信号持续时间的增加，信号重叠带变宽，如果无干扰的监测在这个信号重叠带以外进行，那么最小监测距离就增大了，另外低频信号在空气中衰减较慢，监测范围广，有利于探测到更远距离目标，而且回声效果佳。(2)不断接近时，利用调频信号识别和定位目标。调频信号有利于确定环境的精细结构，因为声波信号的回波会随着目标的改变而发生明显的变化，所以调频信号携带了比较多的目标信息。调频蝙蝠从频谱的变化、频率成分的调节、幅度的变化、回声强度的调节中得到目标的信息。目标大小的差异可通过回声的强度差异来确定，形状和组织的差异主要是通过带宽和平均基频这两个参数来确定。谐波带宽越大、平均基频越高，分辨能力就越高。因此，结合生物声纳的优点，导盲装置进行超声探测时，可以参考蝙蝠捕食的策略，发射恒频、调频 多种频率的超声探测信号，同时为了提高效率，将多种频率的信号同时发送，以达到同时测量不同距离障碍物的目的。超声相控阵技术的逐渐发展和成熟为超声导盲提供了更加方便、准确和快捷的方法。超声相控阵由许多超声换能器组成，通过控制各个换能器的幅度和相位，就能使特定方向的声波叠加增强，其他方向的声波减弱甚至抵消，实现声束的聚焦、偏转和扫描等多种相控效果。这样，探测不同方向的障碍物，只需要预先设定相控阵换能器的幅度和相位，就能改变声束的方向，而不需要用手上下左右地移动探测器，使探测更方便。本装置的超声探测模块采用相控面阵，探测时，通过控制各阵元的相位延迟，实现声速的偏转，从而实现水平、垂直方向依次扇形扫描。N*N面阵中，每一行的阵元的偏转可根据下面的公式计算
当N为偶数时
权利要求
1.基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，其特征在于包括语音提示模块、振动提示手表、湿度传感器模块、温度传感器模块、时钟模块、控制模块、无线发射模块、超声发射模块、超声接收模块、GPS模块和电源模块；超声发射模块和超声接收模块分别与控制模块相连，超声发射模块和超声接收模块负责超声探测障碍物，探测回波经过控制模块处理；控制模块分别与语音提示模块和无线发射模块相连，控制模块负责控制超声波发射、 回波接收、信号处理和传递；如有障碍物则通过语音提示模块输出，并通过无线发射模块发射信号，振动提示手表接收无线发射模块发射的信号并振动；温度传感器模块、湿度传感器模块、时钟模块、GPS模块分别与控制模块相连，温度传感器和湿度传感器模块采集天气信息，测量当前温度、湿度，控制模块处理温度、湿度传感器数据，并通过语音提示模块输出；GPS模块接收GPS信号，控制模块识别GPS信号判断使用者所处地点，并通过语音提示模块输出；时钟模块采集当前时间信息，信息经过控制模块处理并通过语音提示模块输出。
2.根据权利要求1所述的基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，其特征在于所述电源模块由充电电路模块、可充电电池和电源转换模块顺次相连，可充电电池通过电源转换电路模块，把电压转换为多种供电电压，给控制模块、传感器模块、超声发射模块和超声接收模块、语音提示模块供电；充电电路与可充电电池相连，当电量不足时，对其充电。
3.根据权利要求1所述的基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，其特征在于所述超声发射模块包括顺次连接的发射控制器、D/A转换器、信号放大器、超声发射阵列探头，负责发射超声波；所述超声接收模块包括顺次连接的超声接收阵列探头、程控放大器、 滤波检波器、A/D转换器、采样缓存器，负责超声波的接收与缓存。
4.根据权利要求3所述的基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，其特征在于超声发射阵列探头由三组超声相控发射阵列探头组成，能实现使用不同频率的超声波同时探测；超声接收阵列探头由一组相控发射阵列探头组成，能接收多种频率的回波；三组超声相控发射阵列探头分别发射恒频波、第一调频波和第二调频波，分别探测远、中、近距离的障碍物；三组超声相控发射阵列探头相比比，第一超声相控发射阵列探头发射持续时间最长的恒频信号，它的信号持续时间长，信号频率较低，其探测距离长，通过其回波识别大范围内是否存在障碍物；第二超声相控发射阵列探头发射周期较短的调频信号，它的发射频率范围宽，其探测距离较第一波束阵列短，用来发现中等距离内的障碍物；第三三组超声相控发射阵列探头发射周期最短的调频信号，持续时间短，频率迅速下降，这种信号有利于探测近距离精细的目标，更准确地分辨近距离是否存在障碍物；三个超声发射相控阵列不同频率的信号分别同时发射，一个接收阵列对回波全部接收，对远、中、近距离的障碍物的同时测量，并通过控制模块处理回波信号辨别是否存在障碍物，从而减少超声波探测的时间，提闻探测精度。
5.根据权利要求3所述的基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，其特征在于所述控制模块控制三个超声波相控阵列发射的超声波频率和相位，发射时改变超声波角度，使波束沿水平、垂直方向依次扇形扫描，从而对不同方向的障碍物进行探测；接收回波时，采用具有水平波束指向性和宽带特性的超声波接收器，对各个方向的多种频率的回波同时接收，并统一送回控制模块进行数据处理。
6.根据权利要求1所述的基于多调频的编码振动及语音提示的导盲装置，其特征在于当超声模块探测到有障碍物时，无线发射模块发出信号，振动提示手表接收该信号，并使手表发出振动提示；该振动提示手表设有多个振点，不同振点振动代表不同方向存在障碍物， 振动的模式和时间长度代表障碍物的距离；振动提示手表佩戴在手或身上其他部位。
7.权利要求f6任一项所述基于多调频的编码振动及语音提示装置的导盲方法，其特征在于包括如下步骤步骤1:各传感器开始采集参数，超声探测模块开始探测障碍物；如果使用者根据装置上的档位选择GPS、天气、报时模式，进入相应模式的语音提示；GPS模式下语音提示由GPS 接收到的定位信息；天气模式下语音提示当前温度、湿度；时间模式下语音提示报时信息； 如果没有选择进入上述模式，则进入默认的超声探测程序；步骤2 :三个超声相控发射阵列探头分别发射恒频波、第一调频波和第二调频波，恒频波探测远距离的障碍物，第一调频波探测中距离的障碍物，第二调频波探测近距离的障碍物；控制模块控制相控阵元的相位，使超声波依照设定速度沿水平、垂直方向依次扇形扫描，达到对不同方向环境信息探测的目的；步骤3 :接收回波时，接收阵列探头对多个方向多种频率的回波一并接收，再将回波的信息送往数据处理单元，判断是否有障碍物；如无障碍物，继续上述探测步骤；步骤4 :当探测到有障碍物时，计算障碍物的距离；步骤5 :根据超声波束的角度，判断障碍物的方向，方向包括正前方、左前方、右前方或下前方；步骤6.1 :控制模块把距离、方向信息传送到语音提示模块，语音提示该障碍物距离和方向；步骤6. 2 :无线发射器发射信号，振动提示手表接收信号，并振动提示；不同振点的振动表示不同方向的障碍物，短振、短振两次、长振分别表示障碍物存在于近、中、远距离；步骤6. 3 :如果收到结束指令，则结束导盲，否则重复步骤1飞.3。
全文摘要
本发明公开基于多调频的编码振动及语音提示的导盲方法与装置，所述装置包括语音提示模块、振动提示手表、湿度传感器模块、温度传感器模块、时钟模块、控制模块、无线发射模块、超声发射模块、超声接收模块、GPS模块和电源模块。本发明采用了多频率超声同时探测、相控阵波束形成技术、多种模式提示，通过发射恒频波、第一调频波、第二调频波实现了远距离、中距离、近距离的障碍物同时探测，还通过使用相控阵波束形成技术改变探测方向，使装置能沿不同方向自动扫描，通过振动提示手表和语音给使用者提供障碍物的触觉及听觉的提示。本发明有效地提高了探测的准确度和实时性，具有功能丰富，操作方便的优点。
文档编号G01S15/08GK102988155SQ20121035417
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者韦岗, 岑珊珊, 郑培创, 杨萃 申请人:华南理工大学