一种基于可听声频的人耳超声波多障碍物探测距离感知方法
【技术领域】
[0001] 该技术应用于超声波探测领域，如超声波测距、超声波导盲、超声波倒车雷达等设 备。
【背景技术】
[0002] 盲人无法采用视觉感知障碍物，需要借助导盲设备。超声波导盲手杖、导盲手电等 超声波导盲仪器将为盲人出行起到重要作用。倒车雷达是另一种重要的超声波探测仪器， 同样通过超声波感知障碍物的距离。在导盲手杖和倒车雷达等产品中，一般采用超声波进 行物体探测。超声波遇到物体后反射回波，超声波的传感器接收到物体回声，测出回声的距 离。由于超声波空气中传输速度较快，达到每砂钟340m，传感器一般发射毫砂量级的窄脉冲 进行障碍物的探测。处于几米内的物体反射的回声在毫砂量级的时间内回到接收器，送种 时间间隔非常短暂，W至于人的耳朵无法分辨出回声W及多个回声的距离。目前的导盲产 品，均采用高速计数器，对毫砂量级的时间进行精确测量，之后对距离采用语音提示。而倒 车雷达中的测量原理相同，采用一定重复频率的声音来表示物体距离的远近，距离越远声 音重频越低，距离越近，声音重频越高。在实际使用中，导盲产品和倒车雷达将面临多个障 碍物的情况，目前的系统都报出多个物体的距离困难，只能给出最近的物体信息。而且在导 盲产品中采用语音提示，多个障碍物报出距离的速度降低，而且造成众多的混乱。
【发明内容】
[0003] 本发明原理；由于声波的脉冲宽度都在毫砂量级，且是超声波，人耳无法分辨。在 回声转化的过程中，在时间轴选择了按比例拉伸的方法（见图1)，在频率轴采用了降频表 示的方法，将其不可听的超声波窄脉冲转化为人耳可听频率的几百毫砂长度的脉冲。从时 间上看，将超声测距的几十毫砂量级的探测时间转化为砂量级的探测时间，便于人体感知。 采用将检测距离段进行量化分段的方法，每段距离对应一个脉冲音频信号，采用脉冲标识 该距离段存在一个回声。回声的幅度通过提取器包络的均值完成计算，变换后的脉冲单音 频声音的大小与回声的强度成正比，从而标识回声的声强。将该种变换的原理详细分析如 下：
[0004] 1.回声测距的时延测量原理
[0005] 超声波探测设备发射信号为S (t)，t为时间变量。第i个接收的障碍物物体回声 为
[0006] X (t) =S (t- T .) (1)
[0007] 式中为T 1为第i个障碍物回波的时延。X (t)为复信号，可表示为
[0008] xi(t)+j ? Xg (t) 似
[000引式中，Xi(t)为信号的同相分量，Xe(t)为正交分量，信号的包络采用下式求解
[0010] A(t) = ^xj(t) + x^g(t) (3)
[0011] 第i个障碍物的距离为
(4)
[0013] 式中C为声速。可见只要测得回声的时间延迟，即可获得物体的距离。
[0014] 2.回声的过口限监测
[001引当信号的包络满足 [001 引 A(t) > n 妨
[0017] n为某一常数，为检测的口限。贝IJ判断存在脉冲回声，否则不存在脉冲回声。
[0018] 3.观测距离与扩展脉冲的对应方法
[0019] 人耳可听首频中选择首频f〇(可听首频指频率小于20曲Z),定义脉冲觉度为T,即 脉冲宽度为T的单频正弦波
[0020] y的=e邱[/(2新/ + 树]，0 < f < 7 佩
[0021] 式中为初相。
[0022] 加入收到的回波的幅度，得到合成信号
[0023] Z的=Aexp[(2兩/ +的]，0<? <7 (7)
[0024] 幅度A。按照下式计算获取。
[00 巧]A〇 = E{A(t)} 做
[0026] E{'}表示求均值运算。
[0027] 见图2, W发射器发射位置视作圆必0,将可观测距离半径分为M段，对应于标记为 r〇，ri，r2, A，rMi。检测J某一个距离段Tl,当信号的幅度过小，没有过口限时，即不满足巧） 式时，将该幅度赋值为零。满足（5)式条件时，采用式（6)来表示。当存在多个障碍物回声， 则将距离转换为相应单频信号的对应关系见图3。原先的0. 5ms的超声波回声不论是频段 还是发声时间，人的耳朵都无法听到，但是变换后的信号，不论是频率还是脉冲长度，人的 耳朵可W很清晰的听到，从而直观的听到多个物体的回声时延，从而直观感知多个障碍物 物体的距离。
【附图说明】
[002引图1为时间轴拉伸示意图。图2为观测覆盖空间的划分。图3为距离与单频信号 的对应方式。图4为发射信号及回声与距离的对应关系。图5为发射信号及回声与时间的 对应关系。图6为进行脉冲扩展后的变换回声与时间的对应关系。
【具体实施方式】
[0029] W下通过一个实施例子说明本发明方法。超声波导盲仪发射脉冲信号1ms，观测距 离3m，距离上共10个分段，每段长度0. 3米。单频脉冲选择1曲Z，脉冲长度为100ms。将一 个0. 3米的分段对应一个IOOms脉冲。设在第3段和第7段检测到过口限信号，转化的单 频脉冲理论对应关系见表1。发射脉冲与回声的波形见图4和图5,分别为仿真的回声与距 离的关系W及回声与时间的关系。图4和图5还可看到包络的差异。信号检测的口限设置 为0. 2。通过本发明所论证方法，对应在第3和第7时间段出现两个IOOms的脉冲，其它的 时间段填零。从图6可见，幅度和时间的对应关系与表1理论输入相同。该2个脉冲为适 合人耳可听的信号脉冲，时间延迟量通过听觉感知，即可获得障碍物的距离感。
[0030] 表1距离与变换脉冲的对应关系
【主权项】
1. 一种适用于超声波导盲或测距的人耳感知多障碍物的超声波回声脉冲向可听声频 的转化方法。其特征在于按观测范围将距离分段，对检测到回声的距离段，采用一定脉冲宽 度的可听声频的单品信号替换，对于没有检测到回声的距离段，采用无脉冲方式处理，持续 时间同有脉冲的宽度。2. 如权利要求1所述的人耳感知多障碍物的超声波探测回声转化方法，其特征在于所 采用的替换脉冲宽度在人耳可感受的脉冲宽度之内，一般大于50ms。替换回声沿时间轴来 看，整个时间轴被拉升，相对原先发射器发射的时间轴变长。3. 如权利要求1所述的人耳感知多障碍物的超声波探测回声转化方法，其特征在于所 采用的替换脉冲频率在人耳可感受的脉冲频率之内，一般小于20kHz，大于10Hz。替换回声 沿频率轴来看，整个信号频率被降低。
【专利摘要】一种基于可听声频的人耳超声波多障碍物探测距离感知方法，将超声波回声脉冲向可听声频的转化。适用于超声波探测领域，如超声波测距、超声波导盲、超声波倒车雷达等设备。按观测范围将距离分段，对检测到回声的距离段，采用一定脉冲宽度的可听声频的单品信号替换，对于没有检测到回声的距离段，采用无脉冲方式处理，持续时间同有脉冲的宽度。替换脉冲宽度在人耳可感受的脉冲宽度之内，一般大于50ms。替换回声沿时间轴来看，整个时间轴被拉升，相对原先发射器发射的时间轴变长。替换脉冲频率在人耳可感受的脉冲频率之内，一般小于20kHz，大于10Hz。替换回声沿频率轴来看，整个信号频率被降低。
【IPC分类】G01S15/08, G01S15/93, A61H3/06
【公开号】CN105560021
【申请号】CN201410566072
【发明人】王峰
【申请人】王峰
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2014年10月20日