专利名称：一种语音导盲装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种障碍检测并给出导向的语音提示装置，特别涉及语音导盲装置。
背景技术：
现有的导盲工具不能检测出障碍的方向和位置，提示不明确，给使用带来不便或存在一些困难。
1、中国专利85100707的“一种作用距离可控的超声导盲眼睛”，其缺点是如果要检测近距离和远距离是否有障碍，则需要不间断地“低头-抬头”，使使用者的颈椎无法承受；因为传感器的位置很高，探测地面障碍时需要俯视，而地面总有较强的返回信号干扰，所以对低于膝盖地障碍显得无能为力；提示信息也是非常单调的周期频率声音信息。。
2、中国专利90221811的“手电式音阶语言导盲器”，它可以以不同音阶来提示障碍距离，但不能直接判断障碍的方向，因而需要使用者不停地对左右上下扫描，给使用者带来极大不便。
发明内容
本发明的目的在于设计一种便于携带，操作简单，提示信息完整明确的导盲装置，使盲人的独立行走更方便。
本发明在结构上采用多传感器合理分布，在算法上对采集结果进行相互比较运算，因而能够直接给出障碍方向和位置的语音提示，给使用者带来极大方便。
本发明包括收发一体超声传感器、预放大电路、带通滤波电路、变增益放大电路、微控制处理器和超声发射驱动电路以及语音输出电路。微控制处理器首先通过超声发射驱动电路驱动收发一体超声传感器发射超声脉冲，超声脉冲遇到障碍后发生反射，收发一体超声传感器感应到反射回波信号并传给预放大电路，信号放大后经带通滤波器传输到变增益放大电路，然后再传输到微控制处理器。微控制处理器对信号采集处理后控制语音芯片推动耳机或扬声器播放提示信息，电池供电电源完成对整个电路供电。
本发明采用多个传感器探头，分别固定于使用者身体的不同位置。微处理器对各位置的传感器分别检测反射信号，并对检测到的数据进行相互比较，从而判断出障碍距离的远近方向和高度，然后控制语音芯片给出“障碍位置x米”，“方向偏左或右”，“高度y”三类信息。
超声检测点数目最好在3个以上，以能够同时分辨左右方向和高度信息。探头可以采用单发、单收式配对使用作为一个检测点，也可以用收发一体式探头，一个探头作为一个测试点。
因为超声反射波(回波)信号很弱，所以检测电路要完成预放大、滤波、变增益放大等功能。超声反射波信号变化范围从几十毫伏到几十微伏，需要检测电路具有约一万倍的信号放大能力和增益可变性。预放大电路一般采用三极管或集成高速放大器进行几十倍到一百倍的交流放大。为了使信号能够进一步放大，必须进行滤波处理。对于同一种型号的超声探头其中心频率是不变的，所以滤波器设计为带通滤波器，其中心频率等于超声探头的中心频率。可以采用LC分离元件构建，也可以采用运算放大器构建或集成滤波器芯片，其Q值一般要大于5。经滤波后的信号需要进一步放大才能满足测量要求，由于超声回波信号的变化范围很宽一般60dB以上，所以要求放大电路具有变增益能力，可采用程控运算放大器或对数运算放大器，放大后的交流信号经过整流便可以被微控制处理器进行数据采集处理。完成变增益放大以及整流功能可以采用现有的专用集成电路直接实现。
超声发射是靠交变电压来驱动超声发射头压电陶瓷形变进而发出超声波，发射电压的峰峰值一般需要100V左右，时间持续时间100-200微秒。而电路的供电电压一般是5V，所以可采用变压器来对5V发射信号进行升压进而发射超声波，其频率与超声发射头的标称频率一致。
语音驱动芯片在微处理器控制下播放指定语音片段给出障碍信息提示。
微控制处理器完成各部分控制，包括各检测点数掘采集，超声发射信号控制，以及对采集的数掘进行分析处理，语音播放片段选择控制等。微控制处理器首先通过超声发射驱动电路驱动收发一体超声传感器发射超声脉冲，然后在采集回波信号，计算出障碍位置信息后再控制语音芯片播放提示信息。
电池供电电源完成对整个电路供电。
微控制处理器对障碍位置计算过程如下微处理器对各传感器进行数据采集，所得到数据是一条从发射开始计时的时间一幅度曲线。时间表示发射开始计时回波所经历的时间，幅度表示回波的强度。这样一条曲线可以得出障碍的距离信息。如果发现回波峰值，根据回波时间(t)，声速(V)，可以计算出障碍距离(L)。L＝V×t/2。对左右布置的两个传感器所采集到的两条曲线进行比较，可以判断障碍的位置是在左边还是在右边。对同一障碍左右两个传感器采集到的两条曲线会在同一时间坐标位置显示峰值，对峰值进行比较，数值大者表示距障碍更近。如左侧传感器曲线波峰值大于右侧曲线同一时刻的波峰值，则表示该障碍偏左侧。在有噪声干扰情况下，对波峰临近区域的数据点相加求和，用该区域数掘和代表该波峰值可以减小噪声干扰。如果波峰值数值相近则表示障碍在正前方。对不同高度上的传感器依次采集，然后分析在该高度上是否发现障碍信息，可以判断障碍高度。通过对以上多个传感器的检测分析可以得到障碍距离、方向、高度的完整信息从而给出语音提示。
图1是本发明具体实施方式
电路原理图，图中1收发一体超声传感器，2预放大电路，3带通滤波电路，4变增益放大电路，5微控制处理器，6超声发射驱动电路，7语音输出电路，8扬声器和耳机，9电池供电电源；图2是本发明具体实施方式
收发传感器布置示意图，图中S1、S2、S3、S4、S5、S6收发一体式超声传感器，M主机盒；图3是本发明装置的采集数据示意图；图4是本发明障碍检测流程框图；图5是本发明整机外形示意图。B1选择手动方式按钮，B2选择自动方式按钮，B3设置自动检测周期选择拨码，B4超声传感器引线插孔，B5耳机引出线插孔，B6手动检测触发按钮，B7扬声器，B8主机箱。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步说明。
本发明包括收发一体超声传感器1、预放大电路2、带通滤波电路3、变增益放大电路4、微控制处理器5、超声发射驱动电路6、语音输出电路7，扬声器和耳机8，电池供电电源9。如图1所示，收发一体超声传感器1 NU40A18TR同时与发射驱动器6和预放大电路2相连。预放大电路2的输出经带通滤波电路3连接到变增益放大电路4，变增益放大电路4的输出接到微控制处理器5 MSP430F1611，微控制处理5控制语音输出电路7，语音输出电路7的输出接扬声器8，微控制处理5同时控制超声发射驱动电路6，超声发射驱动电路6的输出接收发一体超声传感器1。
微控制处理器5与超声发射驱动电路6的三极管基极相连，三极管驱动变压器工作，升压变压器输出发射脉冲到收发一体超声传感器1，发出超声脉冲频率为40kHz，脉冲数是5-10个，脉冲电压的峰峰值小于100伏。超声脉冲的回波信号作用于收发一体超声传感器1NU40A18TR，会使其产生微弱的电压信号，数值几十毫伏到几十微伏。收发一体超声传感器1与预放大电路2相连，输入端反并联两支二极管对放大电路起到保护作用，预放大电路2采用高速运算放大器集成电路(如NE5532)进行交流放大，放大倍数设定为50倍。带通滤波电路3可采用两个运算放大器单元构成这两个放大单元采用反并联方式连接，它们的输出经过一个电阻分别反馈入对方的输入，这两个放大单元的输出通过一电阻和电容连接在一起，电阻与电容的接点同时与两个放大单元的反相输入端相连。中心频率设定40kHz，带宽±1kHz。带通滤波电路3的输出接变增益放大电路4，变增益放大电路4采用具有整流和对数放大特性的集成芯片AD8310，AD8310是具有对数放大特性的放大器，具有50微伏信号的检测能力和95dB的动态范围，它把交流的超声波信号变为直流电平信号，可以直接用于数据采集。经变增益放大电路4输出的信号送至微控制处理器5进行数据采集处理。微控制处理器5的数据采集频率设定为40kHz，用于数据采集的转换精度为12位，设定较高的采集频率有利于对障碍精确的识别。从发射开始计时，采集的时间长度约30毫秒，对应的检测距离范围约5米。微控制处理器5同时与语音输出电路7的语句选择线相连控制需要发出的语音内容。语音输出电路7主要由语音芯片APR9600组成，APR9600事先录入需要的语句。APR9600的输出是Sp+/Sp-两根线可以直接和小功率扬声器及耳机相连。可以通过控制的M1～M8脚来选择播放的语音语句。因为一个芯片只能保存8条独立的语句，而本发明要用到16条语句，所以实际上使用2片APR9600。微控制处理器5采用的芯片MSP430F1611有48个IO口，可选用任意16个IO口与这两片APR9600的播放内容选择脚M1～M8连接。工作中对某个选择脚发送低电平脉冲，APR9600就通过扬声器播放对应内容。供电模块9共由2组5号电池组成，输出±5伏，对电路供电。
本发明采用多传感器检测方法，传感器的数目为6个。为了减少连线，收发一体式传感器采用NU40A18TR，每个传感器均有独立发射超声波和接受超声波的功能。图2是6个传感器的位置布置方案图。S1、S2布置在人体的膝盖高度，S3、S4布置在腰部高度，S5、S6布置在双肩高度，它们都指向正前方，左右对称布置。同一高度上的S3与S4的左右间距以及S5，S6的左右间距都在30cm左右。这6个传感器分为左右两侧分别通过屏蔽线或双绞线用接头插入主机M的6个插孔中。
本发明障碍检测流程如图4所示步骤1首先在微控制处理控制下传感器S1发射超声波脉冲，之后，微控制处理器对其进行反射信号检测，得到S1对应的一条曲线，微处理器可以在1秒内完成对S1～S6六个收发一体式传感器的循环检测工作，得到六条数据曲线。
步骤2微控制处理器对每一条曲线进行数掘检索，查看曲线是否出现较大幅度的上升峰值。如果六条曲线均未出现较大幅度的上升峰值，表示未发现反射波峰，则表明没有障碍，给出“未发现障碍”提示，结束本次检测，进入下一次检测。
如果发现反射波峰，则进行步骤3障碍距离计算，微控制处理器根据障碍回波信号距发射的时间计算距离。例如发现反射波峰距发射18ms，距离L＝V*t/2＝330(米/秒)*0.018(秒)/2＝2.97米。则语音提示“障碍位置3米”。
步骤4如果右侧回波信号强于左侧，如图3所示，则表明障碍偏右侧，给出“方向偏右”，反之给出“方向偏左”。如果接近则给出“方向居中”提示。
然后进行障碍高度判断。首先进行步骤5微控制处理器判断传感器S5或S6是否检测到发射波峰，如果传感器S5或S6检测到反射波峰，表示障碍高度接近肩部，给出“高度3”的语音提示。结束本次检测，进行下一轮检测。
如果传感器S5、S6未检测到障碍则进入步骤6微控制处理器判断传感器S3或S4是否检测到反射波峰，如果传感器S3或S4检测到反射波峰，而S5、S6未检测到反射波峰，表示障碍高度接近腰部高度，将该高度定义为“高度2”，进行语音提示。结束本次检测，进入下一轮检测。
如果传感器S3、S4也没有检测到障碍信号，则可以断定障碍检测到的信号来自传感器S1或S2，表示障碍高度接近膝盖高度，把该高度定义为“高度1”进行语音提示，进入下一轮检测。
为了使语音提示简洁，距离提示按照0.5米分档；如提示“障碍位置2.5米”，“方向偏右”，“高度2”。语音芯片7APR9600首先通过录音，录入上述需要的全部语句。“障碍位置x米”，x可以是0.5/1/1.5/2/2.5/3/3.5/4/5米共9条；“方向偏左/偏右/居中”共3条；“高度1/2/3”共3条，如果5米内未发现障碍则提示“未发现障碍”语句一条，共16条语句。语音芯片APR9600可以方便地存储8条语句，所以采用两片APR9600。微处理器对采集的数据进行上述处理后，根据障碍的距离、方位、高度信息查找APR9600芯片中相应语句的地址，APR9600输出语音流，控制扬声器8或外接耳机进行提示。
在工作中本装置可以设置两种工作模式；手动工作模式和自动工作模式。如图5，按下按钮B1表示手动触发检测。在该模式工作时，只有当使用者闭合手动检测触发按钮B6，才进行一次检测。按下按钮B2表示进入自动检测模式。在该模式工作时，微处理器以设定的时间间隔自动检测。时间间隔的设定由周期选择拨码B3左右移动换挡来选择，可以设定3秒、5秒、10秒等时间间隔。
在自动模式下，设定好检测时间间隔，使用者不需要做任何动作，仪器自动以设定的时间间隔进行语音提示。在某些情况下，使用者不希望其反复提示，按下B1，这是使用者按一下B6，仪器检测一次，并只给出一次语音提示，这种模式可以节约电池电量。由此可见，使用非常方便，效果良好。
权利要求
1.一种语音导盲装置，其特征在于包括收发一体超声传感器[1]、预放大电路[2]、带通滤波电路[3]、变增益放大电路[4]、微控制处理器[5]、超声发射驱动电路[6]、语音输出电路[7]、扬声器和耳机[8]和电池供电电源[9]；收发一体超声传感器[1]同时与超声发射驱动电路[6]和预放大电路[2]相连，预放大电路[2]的输出经带通滤波器[3]连接到变增益放大电路[4]，变增益放大电路[4]的输出接到微控制处理器[5]，微控制处理器[5]控制语音输出电路[7]，语音输出电路[7]的输出接扬声器[8]，微控制处理器[5]同时超声发射驱动电路[6]，发射驱动器[6]的输出接收发一体超声传感器[1]；微处理器对多个超声传感器检测到的信号进行独立和相互比较计算，得到障碍距离、方向和高度信息，并给出相应语音提示。
2.按照权利要求1所述的语音导盲装置，其特征在于2个以上超声传感器[1]，按照左右或上下方向布置，固定于使用者身体，方向指向前方，间距20～40厘米。
3.按照权利要求1所述的语音导盲装置，其特征在于在微控制处理控制下传感器S1发射超声波脉冲，之后，微控制处理器对S1通道进行反射信号检测，然后类似逐个完成S2、S3、S4、S5、S6的发射超声波脉冲与反射信号检测，这样就得到六条数据曲线；微控制处理器检验各曲线是否发现反射波峰，如果有则表示发现障碍，然后根据障碍回波信号距发射的时间计算距离，给出距离语音提示；如果右侧传感器S1、S3或S5信号大于对应左侧传感器S2、S4或S6信号则表示障碍偏右侧，给出障碍方位提示；如传感器S1、S2检测到障碍信号，而S3、S4、S5、S6未检测到障碍信号，表示障碍高度接近膝盖高度，把该高度定义为“高度1”进行语音提示；如果传感器S3、S4检测到障碍，而S5、S6未检测到障碍表示高度接近腰部高度，将该高度定义为“高度2”进行语音提示；如果传感器S5、S6，检测到障碍表示障碍高度接近肩部，给出“高度3”的语音提示。
全文摘要
一种语音导盲装置，两个以上超声传感器[1]固定在使用者身体左右或上下方位，指向前方。此装置包括收发一体超声传感器[1]、预放大电路[2]、带通滤波电路[3]、变增益放大电路[4]、微控制处理器[5]、超声发射驱动电路[6]、语音输出电路[7]、扬声器和耳机[8]和电池供电电源[9]。微处理器对多个超声传感器检测到的信号进行独立处理和相互比较计算，得到障碍距离、方向和高度信息，并给出相应语音提示。本发明便于携带，操作简单，提示信息完整明确，使盲人的独立行走更加方便。
文档编号A61H3/06GK1994245SQ20061016971
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者郭少朋, 方光荣, 韩立 申请人:中国科学院电工研究所