一种超声波探测导盲杖及控制系统的制作方法

本实用新型涉及导盲杖领域，尤其涉及一种超声波探测导盲杖及控制系统。

背景技术：

世界上视觉障碍者数量众多，他们只能通过感觉来获取信息。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来很大的困难，如何安全行走，成为盲人生活中最大的问题。因此，导盲杖成为盲人生活中不可或缺的工具。

现有导盲杖多为一根拐杖，盲人通过手握拐杖，供拐杖的端部触碰路面以感知障碍物的位置；这种方式主要依靠的是盲人的经验，很多障碍物存在触碰不到的情况，因此，使用拐杖类导盲杖并不能为盲人带来很大的便利。

目前，电子导盲杖应运而生。例如，安装红外传感器的导盲杖，通过红外线传感器感应路面情况，但是这种导盲杖易受环境影响、探测距离较近；也有一些安装超声波传感器的导盲杖，但是其发射角度太大，容易出现扫描不全的现象。

综上所述，现有技术中对于如何设计一种无间隙扫描的导盲杖问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种超声波探测导盲杖及控制系统，其具有能够无间隙的探测障碍、操作方便、能够精确探测到障碍物与人体的间距、能够将所需障碍物信息通过语音告知盲人的效果。

本实用新型采用下述技术方案：

一种超声波探测导盲杖，包括杖杆和手柄，还包括驱动装置、连接轴和探测装置，所述连接轴与杖杆相连，连接轴的一端由驱动装置提供动力，连接轴的另一端设有探测装置；

其中，探测装置包括超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器发出的锥形波束在驱动装置的带动下实现无间隙扫描。

进一步的，所述手柄垂直于杖杆，连接轴垂直于手柄和杖杆；所述连接轴的一端分别设有方向完全相反的两个反射罩，反射罩的内侧固定有超声波发射器，连接轴上与超声波发射器同侧设置超声波接收器，两个超声波发射器的波束中轴线垂直于连接轴并且在同一条直线上。

进一步的，所述连接轴与杖杆的连接部位设有用于检测波束中轴线与杖杆的夹角的角度传感器。

进一步的，所述连接轴的一端分别设有方向完全相反的反射罩，超声波发射器通过伸缩机构设于反射罩的内侧以实现超声波发射器发射波束角可调，超声波接收器设于反射罩相同一侧。

进一步的，所述手柄上安装有用于检测手柄转动角度的电子罗盘，所述杖杆上设有检测杖杆倾斜角的重力感应器；所述手柄上设有第一按键、第二按键、第三按键和第四按键。

进一步的，所述超声波发射器发射波束的角度为6°～0°。

一种超声波探测导盲控制系统，包括cpu、超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器发射信号输入端与cpu的控制信号输出端连接，超声波接收器接收信号端输出端与cpu的检测信号输入端连接；所述cpu根据超声波发射器发出波束的时间、超声波接收器接收波束的时间、声速、角度传感器、电子罗盘显示的夹角、重力感应器测出的角度、杖杆与连接轴的交点到杖杆底端的距离计算出杖杆距障碍物的水平距离、垂直距离和电子罗盘的指南针与手柄的夹角；cpu根据超声波发射器发出脉冲的调整好的波束角和发射脉冲间隔时间确定上下扫描的转速及杖杆转速。

进一步的，还包括电子罗盘、角度传感器、重力感应器，角度传感器将角度信号反馈至cpu，cpu控制上下扫描转速；电子罗盘将手柄转速信号反馈至cpu，手柄转速接近杖杆转速语音提示；重力感应器测得杖杆的倾斜角并反馈至cpu，倾斜过大时语音提示；可调节波束角输入到cpu，cpu定出发射脉冲时间间隔、上下扫描的转速及杖杆的转速范围。

进一步的，还包括语音播报器，通过第一按键控制探测模式，第二按键控制语音播报器播报探测到的障碍物坐标信息，第三按键控制播报手柄正前方障碍物坐标信息，第四按键控制播报坐标不变的障碍物坐标信息(其前提是扫描同一区域两次)。

超声波探测导盲杖的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：以杖杆、连接轴所在平面的法线为第一坐标轴，以平行于杖杆的直线为第二坐标轴，以电子罗盘的指针读数为第三坐标建立坐标系，杖杆由竖直变为正前正后的摆动角度、正左正右的摆动角度为两个变量，这两个变量在所述坐标系绝对竖直时为零；上下扫描的超声波波束照射到障碍物时，根据发射接收超声波的时间差和声速计算出声波发生器到障碍物的距离，再根据角度传感器得到这时波束中轴线与杖杆的角度，再根据正弦、余弦关系计算出第一坐标轴的坐标和第二坐标轴的坐标；

步骤2：在杖杆有摆动时，杖杆由竖直变为正前正后的摆动角度、正左正右的摆动角度和第一坐标轴的坐标、第二坐标轴的坐标、电子罗盘读数、连接轴到杖杆底部的距离、反射罩轴线到连接轴与杖杆中心的距离计算探测到的障碍物在杖杆绝对竖直即两个摆动角度为零时坐标系的坐标；以两个上下调整操作者头顶的水平线、两个上下调整地面的水平线、两个调整正前方竖直的线形成矩形区域二；每个线对应一个按键控制并通过语音播报位置；根据左右旋转角度对应的矩形区域二内探测障碍物的个数，对左右旋转角度由少到多排序，按该顺序播报各左右旋转角度对应的上至头顶的水平面远至探测距离，下至地面凹凸障碍，根据扫描到的地面及地面上的障碍物，cpu计算出扫描到的障碍物和地面坐标·，地面如果是平面，地面的水平距离与向下的位移是线性关系，从而cpu识别出地平面，播报障碍物的坐标时只报地面上凸起的坐标和地面上凹坑的坐标；

步骤3：杖杆与地面接触位置不变，转动手柄进行障碍物的探测，在探测并转换坐标过程中始终保持杖杆与地面接触的位置不变；

首先，预先设定超声波发射器发射脉冲的间隔及连接轴的转速范围，以反射罩中轴线与杖杆平行为初始位置；

然后，握住手柄使杖杆随手柄转动，同时启动电机，启动连接轴一端的超声波发射器和超声波接收器；根据超声波发射器上下扫描的转速、超声波发射器发射的锥形波束和手柄转动的角速度进行无间隙扫描；cpu通过角度传感器检测反射罩的中轴线与杖杆的角度，从而测出连接轴的转速；波束中轴线与杖杆平行时，关闭连接轴一侧的超声波发射器及其对应的超声波接收器，启动连接轴另一侧的超声波发射器和及其对应的超声波接收器；

步骤4：根据所需信息按下相对应的按键，语音播报系统播报探测到的障碍物信息：

按一下第一按键进入探测模式进行扫描，再按一下退出探测模式；在扫描探测完毕后，按一下第二按键同时转动杖杆，cpu通过语音播报器报出手柄与电子罗盘的指针的夹角b，同时通过在该矩形范围内的和角度b下障碍物被探测到的水平位移和竖直位移的坐标，把障碍物坐标、手柄与电子罗盘指针的角度用通过语音播报器告诉盲人；按一下第三按键，语音播报系统报手柄正前方障碍物的坐标；按下第四按键，cpu控制语音播报器对三个坐标不变的被扫描两次的障碍物播报其坐标，根据以上矩形内的三个坐标不变被扫描两次的某手柄与电子罗盘指针的夹角的障碍物探测到的次数对左右旋转角由少到多排序播报。

进一步的，超声波发射器上下扫描每秒转动角度为：

α＝a/2/2l/340

其中，a为超声波发射器发射波束的角度。

进一步的，所述步骤3中，当连接轴转速小于设定转速时，cpu将加速信号传给角度传感器使连接轴加速；当连接轴转速大于设定转速时，cpu控制电机断电使连接轴减速；当手柄转速超过预设速度，电子罗盘将转速信号传至cpu，cpu发出报警信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的导盲杖在杖杆上设置连接轴，连接轴的一端连接电机及电池，另一端设置超声波发射、接收装置，使连接轴的两端配重均衡，重心位置落在杖杆与连接轴的连接处，提高导盲杖的稳定性；

(2)本实用新型的超声波发射器安装在反射罩内，通过抛物线型的反射罩限制超声波发射器发射波束的角度，保证无间隙扫描；

(3)本实用新型根据超声波发射器发出脉冲的波束角和发射脉冲间隔时间确定上下扫描的转速及杖杆转速；角度传感器将角度信号反馈至cpu，cpu控制上下扫描转速；电子罗盘将手柄转速信号反馈至cpu，cpu通过语音播报系统提示使用者改变手柄转动速度；能够辅助盲人获得障碍物的精确信息；

(4)本实用新型的手柄上设置多个按键，通过按下不同的按键，告知盲人所需要的信息，操作方便；

(5)本实用新型预先设定发射脉冲的时间，通过两个超声波发射器的交替发射进一步保证扫描精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型的主视图；

图2为本实用新型的侧视图；

图3为本实用新型的控制系统结构示意图；

其中，1-手柄，2-杖杆，3-连接轴，4-超声波发射器，5-反射罩，6-第一按键，7-第二按键，8-第三按键，9-驱动装置。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在电子导盲杖的探测距离较近、扫描不全、探测精度不高的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种超声波探测导盲杖及控制系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提供了一种超声波探测导盲杖，包括杖杆2、手柄1、驱动装置9、连接轴和探测装置，连接轴3的一端由驱动装置9提供动力，连接轴3的另一端设有探测装置。

所述驱动装置9为电机。

所述手柄1垂直固定在杖杆2的顶端，杖杆2的杆体上偏上位置垂直设有连接轴3，所述连接轴3穿过杖杆2且与固定在杖杆2内部的轴承连接；所述连接轴3的一端通过联轴器连接电机。

所述电机连接为其供电的电池；通过电机与电池实现连接轴3两端的配重均衡，使连接轴3的重心落在连接轴3与杖杆2的交点上。

所述连接轴3的一端分别设有方向完全相反的两个反射罩5，反射罩5的内侧固定有超声波发射器4，连接轴3上与超声波发射器4同侧固定超声波接收器，两个超声波发射器4的波束中轴线垂直于连接轴3并且在同一条直线上；通过设置反射罩5使超声波发射器4发出的波束呈锥形，将波束角度限定为6°～0°，提高扫描精度。

本申请的导盲杖通过超声波探测导盲控制系统实现智能探测障碍物，超声波探测导盲控制系统如图3所示，包括cpu、超声波发射器4、超声波接收器、电子罗盘、角度传感器、重力感应器和语音播报器。

所述cpu安装于杖杆2上，语音播报器和电子罗盘安装于手柄1上，重力感应器设于杖杆上，角度传感器固定于连接轴3与杖杆2的连接部位。

超声波发射器4发射信号输入端与cpu的控制信号输出端连接，超声波接收器接收信号端输出端与cpu的检测信号输入端连接；所述电子罗盘、角度传感器、重力感应器将检测到的信号传输至cpu，cpu控制语音播报器播报所需探测信息。

所述cpu根据超声波发射器4发出波束的时间、超声波接收器接收波束的时间、声速、角度传感器、电子罗盘显示的夹角、重力感应器测出的角度、杖杆2与连接轴3的交点到杖杆2底端的距离计算出杖杆2距障碍物的水平距离和垂直距离。

cpu根据可调节波束角，这个角输入到cpu，cpu定出发射脉冲时间间隔、上下扫描的转速及杖杆的转速范围；角度传感器将角度信号反馈至cpu，cpu控制上下扫描转速。

电子罗盘将手柄1的转速信号反馈至cpu，杖杆转速不在设定范围之内时，cpu通过语音播报系统提示使用者改变杖杆2的转动速度；根据重力感应器测得杖杆2的倾斜角并反馈至cpu，当倾斜角不在设定范围内，cpu通过语音播报让盲人使用者纠正倾斜角。

使用超声波探测导盲杖的探测过程为：

步骤1：建立坐标系：

以杖杆2、连接轴3所在平面的法线为第一坐标轴，以平行于杖杆2的直线为第二坐标轴，以电子罗盘的指针与杖杆2的夹角为第三坐标，杖杆由竖直变为正前正后的摆动角度、正左正右的摆动角度为两个变量，这两个变量在所述坐标系绝对竖直时为零；上下扫描的超声波波束照射到障碍物时，根据发射接收超声波的时间差和声速计算出声波发生器到障碍物的距离，再根据角度传感器得到这时波束中轴线与杖杆2的角度，再根据正弦、余弦关系计算出第一坐标轴的坐标和第二坐标轴的坐标。

步骤2：坐标系转换：

在杖杆有摆动时，杖杆由竖直变为正前正后的摆动角度、正左正右的摆动角度和第一坐标轴的坐标、第二坐标轴的坐标、电子罗盘读数、连接轴到杖杆底部的距离、反射罩轴线到连接轴与杖杆中心的距离计算探测到的障碍物在杖杆绝对竖直即两个摆动角度为零时坐标系的坐标；

以两个上下调整操作者头顶的水平线、两个上下调整地面的水平线、两个调整正前方竖直的线形成矩形区域二；每个线对应一个按键控制并通过语音播报位置，共6个按键；根据左右旋转角度对应的矩形区域二内探测障碍物的个数(所谓障碍物个数是指在扫描过程中有几次有超声波返回，并且每次返回的坐标转换后的(转化成杖杆绝对竖直时的坐标)坐标在三条直线包围的矩形内)对左右旋转角度由少到多排序，按该顺序播报各左右旋转角度对应的上至头顶的水平面远至探测距离，下至地面凹凸障碍，根据扫描到的地面及地面上的障碍物，cpu计算出扫描到的障碍物和地面坐标，地面如果是平面，地面的水平距离与向下的位移是线性关系，从而cpu识别出地平面，播报障碍物的坐标时只报地面上凸起的坐标和地面上凹坑的坐标。

所述手柄1的一端还设有三个按键，分别为第一按键6、第二按键7、第三按键8和第四按键，第一按键6，按一下进入探测模式(杖杆与地面接触点不变)进行扫描，再按一下退出探测模式(这时即使退出电机仍然驱动连接轴旋转，为下一次探测做准备)；第二按键7在扫描探测完毕(退出)，按一下报探测到的障碍物三个坐标；第三按键8，按一下，语音播报系统报手柄1正前方障碍物的坐标；对于第四按键，首先按第一按键6一对一区域扫描两次，然后按一下第四按键，cpu只选择三个坐标不变的被扫描两次的障碍物播报其坐标，根据以上矩形内的三个坐标不变被扫描两次的某手柄与电子罗盘指针的夹角的障碍物探测到的次数对左右旋转角由少到多排序播报。

步骤3：杖杆与地面接触位置不变，转动手柄进行障碍物的探测，在探测并转换坐标过程中始终保持杖杆与地面接触的位置不变；

预先设定超声波发射器4发射脉冲的间隔及连接轴3的转速范围；超声波发射器4上下扫描每秒转动角度为：

α＝a/2/2l/340(2)

式(2)中，a为超声波发射器4发射波束的角度，l为导盲杖探测到的最远距离，声速为340m/s。

超声波发射器4发射一次脉冲的间隔时间为：

反射罩5中轴线与杖杆平行为初始位置，按下第一按键6启动连接轴3一侧的超声波发射器4及其对应的超声波接收器，超声波发射器4发出的波束上下扫描，同时转动手柄1，杖杆2方向保持不变，手柄1转动速度不高于设定速度；cpu通过角度传感器检测连接轴3转速的设定范围。

当连接轴3转速小于设定转速时，cpu将加速信号传给角度传感器使连接轴3加速；当连接轴3转速大于设定转速时，cpu控制电机断电使连接轴3减速。

控制手柄1的每秒转动角度为：

波束中轴线与杖杆2平行时，关闭连接轴3一侧的超声波发射器4及其对应的超声波接收器，启动连接轴3另一侧的超声波发射器4及其对应的超声波接收器；连接轴3两侧的超声波发射器4交替发射探测波束，且连接轴3另一侧的超声波发射器4发射的波束比上一超声波发射器4的波速靠前(以靠近障碍物的方向为前方)，实现无间隙扫描。

握住手柄1使杖杆2随手柄1转动，同时启动电机，连接轴3旋转，启动连接轴3一侧的超声波发射器4及其对应的超声波接收器；根据超声波发射器4上下扫描的转速、超声波发射器6发射的锥形波束和手柄1转动的角速度进行无间隙扫描；cpu通过角度传感器检测反射罩5的中轴线与杖杆2的角度，从而测出连接轴3的转速；波束中轴线与杖杆2平行时，关闭连接轴3一侧的超声波发射器4和超声波接收器，启动另一侧的超声波发射器和超声波接收器。

步骤4：根据所需信息按下相对于的按键，语音播报系统播报探测到的障碍物信息：

按一下第一按键6进入探测模式进行扫描，再按一下退出探测模式；在扫描探测完毕后，按一下第二按键7同时转动杖杆2，cpu通过语音播报器报出手柄1与电子罗盘的指针的夹角b，同时通过在该矩形范围内的和角度b下障碍物被探测到的水平位移和竖直位移的坐标，把障碍物坐标、手柄1与电子罗盘指针的角度b用通过语音播报器告诉盲人；按一下第三按键8，语音播报系统报手柄1正前方障碍物的坐标；按下第四按键11，cpu控制语音播报器对三个坐标不变的被扫描两次的障碍物播报其坐标。

本申请的另一种实施方式中，提供一种超声波探测导盲杖，包括手柄、杖杆、连接轴和电机，连接轴穿过杖杆，一端与电机相连，另一端至反射罩，超声波发射器通过伸缩机构设于反射罩的内侧以实现超声波发射器发射波束的位置可调，与反射罩相背一侧设有超声波接收器。

所述伸缩机构为现有技术，只要能够实现超声波发射器的位置可调节即可，此处不再赘述。

其他结构与上述实施方式相同，此处不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。