一种基于双超声波的导盲杖的制作方法

本实用新型涉及生活用品领域，尤其涉及一种帮助盲人出行的导盲杖。

背景技术：

盲人是指因为疾病、意外事故等原因造成视力丧失或者视力严重受损的人群。视力障碍会给盲人带来较大的生活困难，尤其不利于出行。盲人单独出行一般需要配置导盲犬、导盲杖或者其他辅助工具。普通的导盲杖只是一根棍状物体，盲人依赖手部的触觉配合导盲杖探路。随着技术的发展，一些导盲杖增加了更多的科技元素，例如在导盲杖上安装超声波发射器和接收器，利用超声波探测前方的障碍物并给予盲人以提示。目前的超声波导盲杖只能定向发射超声波，探测前方是否具有障碍物，无法识别障碍物的具体形状和尺寸，智能化程度比较低；这类超声波导盲杖对各种可以跨越的小型障碍物也会无差别警报，使用者往往在警报之后还需要使用导盲杖对障碍物进行进一步的细致探查；因此，这些超声波导盲杖能起到的预警作用非常有限，并不十分受盲人欢迎。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是现有技术的超声波导盲杖无法具体识别障碍物的形状和尺寸，对各种可跨越和不可跨越的障碍物无差别警报，智能化程度较低。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于双超声波的导盲杖，包括手柄和杖杆，手柄安装在杖杆的端部；

手柄内安装有陀螺仪、微处理器、交互装置、第一超声波传感器和第二超声波传感器；陀螺仪测量手柄的角速度和速度并将测量结果传递至微处理器；第一超声波传感器和第二超声波传感器均朝向导盲杖的前方发射和接收超声波，第一超声波传感器和第二超声波传感器的射角不同；微处理器通过交互装置与使用者交互。

第一超声波传感器和第二超声波传感器均为集发射和接收于一体的超声波传感器，第一超声波传感器和第二超声波传感器通过向前发射超声波并接收超声波的方式测量超声波发射源与障碍物之间的距离，分别记为s1和s2；导盲杖在使用时被盲人抓握在手中，不可避免的随着盲人的手臂摆动而发生姿态变化，该变化导致两个超声波传感器的射角处于不断的变化之中，所述射角是指超声波射线与铅垂方向的夹角；陀螺仪动态测量第一束超声波和第二束超声波的射角，分别记为α和β。

如果盲人行走在正常的道路上(没有障碍物和凹坑的道路)，第一超声波传感器和第二超声波传感器所测量的数值s1和s2是均匀变化的(这种均匀变化是由于导盲杖随着盲人的摆臂等动作而产生轻微的俯仰运动)；但是，如果盲人前方道路存在障碍物或者凹坑，那么超声波束在扫过障碍物或者凹坑边缘时会发生数值突变。使用一束超声波配合陀螺仪可以实现障碍物和凹坑识别，并且计算出凹坑深度，使用两束超声波配合陀螺仪则可以进一步计算出障碍物的大体高度，具体计算公式如下：

当s2的数值突然变小并且突变量超出第一设定值时，对比s1和s2；

如果s1>s2，意味着盲人前方具有障碍物，并且障碍物的高度小于h；

如果s1<s2，意味着盲人前方具有障碍物，并且障碍物的高度大于h；

其中，可以看出高度h是一个用来与障碍物高度对比的中间值，h是一个与s2、α和β有关的变量，通过合理的设置两个超声波传感器的初始射角可以控制h的变化范围；一般情况下，道路上一些可以跨越的小型障碍物(例如石块、泥土路面的一些小凸起、树枝等)的高度不超过100 毫米，因此可以将h的数值整体控制在150毫米左右；

当s2的数值突然变大并且突变量超出第二设定值时，意味着盲人前方具有凹坑，凹坑的深度为

D＝s22cosβ-s21cosβ

其中，s21为s2突变前的数值，s22为s2突变后的数值。

进一步的，所述手柄与杖杆之间铰接，杖杆为伸缩式杆件，用户可以自由调节手柄的倾斜程度以及导盲杖的整体长度。

进一步的，所述杖杆的末端设置有万向轮。

进一步的，所述交互装置包括按钮、振动器、语音播放器和麦克风；所述按钮应为带有盲文的按钮，盲人利用按钮和导盲杖的语音提示进行一些关于路线设置等操作；导盲杖在需要提醒盲人的时候同步触发振动器和语音播放器；麦克风用于接收盲人的语音，如果微处理器内置语音识别软件，盲人则可以通过麦克风实现一些关于路线设置等操作。

进一步的，导盲杖还包括定位模块和通信模块，微处理器通过定位模块获取当前位置信息，微处理器通过通信模块接入互联网；前述的陀螺仪还可以实时测量导盲杖的瞬时角加速度和瞬时直线加速度，当导盲杖的瞬时角加速度和 /或瞬时直线加速度超过设定值时，判定盲人摔倒，微处理器通过语音播放器发出现场求救语音，微处理器通过通信模块向预先设置好的求救对象发出求救信号和当时的地理位置信息。

有益效果：(1)本实用新型的导盲杖利用两束互成角度的超声波全程探测盲人的前进道路，不仅能够准确识别道路前方的障碍物和凹坑，还能够给出障碍物和凹坑的具体或者大致的尺寸，便于盲人更为细致的判断道路路况。(2) 本实用新型导盲杖的手柄角度及杖杆长度均可以自由调节，适用于各类不同身高的盲人。(3)本实用新型导盲杖的杖杆的末端设置有万向轮，使得盲人使用导盲杖探路更为省力。(4)本实用新型导盲杖利用振动器和语音播放器同时为盲人提供信息反馈，用户体验更好。

附图说明

图1是实施例1导盲杖结构示意图。

图2是实施例1导盲杖的手柄结构示意图。

图3是实施例1导盲杖的手柄结构示意图(另一个角度)。

图4是实施例1导盲杖探测障碍物尺寸的示意图。

图5是实施例1导盲杖探测凹坑尺寸的示意图。

图6是实施例1导盲杖探测障碍物方位的示意图。

其中：1、手柄；2、杖杆；3、万向轮；4、按钮；5、语音播放器；6、麦克风；7、第一超声波传感器；8、第二超声波传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例的基于双超声波的导盲杖，包括手柄1和杖杆2，手柄1安装在杖杆2的端部；手柄1与杖杆2之间铰接，杖杆2为伸缩式杆件，用户可以自由调节手柄1的倾斜程度以及导盲杖的整体长度；杖杆2 与地面接触的末端设置有万向轮3。

手柄1内安装有陀螺仪、微处理器、按钮4、振动器、语音播放器5、麦克风6、定位模块、通信模块、第一超声波传感器7和第二超声波传感器8；陀螺仪测量手柄1的角速度和速度并将测量结果传递至微处理器；第一超声波传感器7和第二超声波传感器8均朝向导盲杖的前方发射和接收超声波，第一超声波传感器7和第二超声波传感器8的射角不同。

第一超声波传感器7和第二超声波传感器8均为集发射和接收于一体的超声波传感器，第一超声波传感器7和第二超声波传感器8通过向前发射超声波并接收超声波的方式测量超声波发射源与障碍物之间的距离，分别记为s1和s2；所述射角是指超声波射线与铅垂方向的夹角；陀螺仪动态测量第一束超声波和第二束超声波的射角，分别记为α和β。

如果盲人行走在正常的道路上(没有障碍物和凹坑的道路)，第一超声波传感器7和第二超声波传感器8所测量的数值s1和s2是均匀变化的(这种均匀变化是由于导盲杖随着盲人的摆臂等动作而产生轻微的俯仰运动)；但是，如果盲人前方道路存在障碍物或者凹坑，那么超声波束在扫过障碍物或者凹坑边缘时会发生数值突变。使用一束超声波配合陀螺仪可以实现障碍物和凹坑识别，并且计算出凹坑深度，使用两束超声波配合陀螺仪则可以进一步计算出障碍物的大体高度，具体计算方法如下：

如图4所示，当s2的数值突然变小并且突变量超出第一设定值时，对比s1和s2；

如果s1>s2，意味着盲人前方具有障碍物，并且障碍物的高度小于h；

如果s1<s2，意味着盲人前方具有障碍物，并且障碍物的高度大于h；

其中，高度h是一个用来与障碍物高度对比的中间值，h是一个与s2、α和β有关的变量，通过合理的设置两个超声波传感器的初始射角可以控制h的变化范围；一般情况下，道路上一些可以跨越的小型障碍物(例如石块、泥土路面的一些小凸起、树枝等)的高度不超过100毫米，本实施例的导盲杖在使用前需要调试，将h的数值整体控制在150毫米左右；

如图5所示，当s2的数值突然变大并且突变量超出第二设定值时，意味着盲人前方具有凹坑，凹坑的深度为

D＝s22cosβ-s21cosβ

其中，s21为s2突变前的数值，s22为s2突变后的数值。

所述按钮4为带有盲文的按钮4，盲人利用按钮4和导盲杖的语音提示进行一些关于路线设置等操作；当微处理器经过计算判定前方具有障碍物或者凹坑之后，微处理器同步触发振动器和语音播放器5，提醒盲人前方具有障碍物或者凹坑，并说明障碍物的大致尺寸和凹坑的具体尺寸；麦克风6用于接收盲人的语音，本实施例导盲杖的微处理器内置语音识别软件，盲人则可以通过麦克风6实现一些关于路线设置等操作。

微处理器通过定位模块获取当前位置信息，微处理器通过通信模块接入互联网；本实施例导盲杖内置的陀螺仪实时测量导盲杖的瞬时角加速度和瞬时直线加速度，当导盲杖的瞬时角加速度和/或瞬时直线加速度超过设定值时，判定盲人摔倒，微处理器通过语音播放器5发出现场求救语音，微处理器通过通信模块向预先设置好的求救对象发出求救信号和当时的地理位置信息。

如图6所示，本实施例的导盲杖还可以通过简单的摇摆动作探测前方障碍物或者凹坑的方位。在盲人手持导盲杖正常前进时，随着盲人手臂的自然摆动，导盲杖的朝向也会向左右方向规律的摇摆，陀螺仪测量导盲杖的极限摇摆角度，微处理器拟合左右极限摇摆角度并取其中间值作为盲人的前进方向。另一方面，当盲人手持导盲杖左右摇摆时，基于同样的原理，第一超声波传感器7和第二超声波传感器8中的任意一个的测量值发生突变(突然变小或者突然变大)，微处理器判定前方具有障碍物或者凹坑，微处理器将发生突变时刻的方位角与前述计算出来的盲人前进方向(也是一个方位角)对比，即可得出障碍物位于盲人前进方向的左前方、正前方或者右前方。

本实施例的导盲杖的微处理器实时计算盲人在行走时的角加速度和直线加速度，角加速度记为(αx、αy、αz)，直线加速度记为(ax、ay、az)，当综合加速度a超过第三设定值时，判定盲人摔倒并发出警报；其中

a＝ε1|αx|+ε2|αy|+ε3|αz|+ε4|ax|+ε5|ay|+ε6|az|

ε1～ε6为参数，取值范围为0～1；所述警报的手段包括使用语音播放器5 现场语音呼救以及利用通信模块向预先设置好的求救对象发出求救信号和当时的地理位置信息。

虽然说明书中对本实用新型的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本实用新型的保护范围。在不脱离本实用新型宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本实用新型的保护范围内。