一种用于盲人避障的穿戴装置的制作方法

1.本发明涉及超声测距技术领域，尤其涉及一种用于盲人避障的穿戴装置。


背景技术：

2.盲人出行存在各种困难，需要采取辅助措施进行避障。目前盲人出行时主要是依靠导盲杖或导盲犬，然而导盲杖存在无法探知身体上部障碍物等缺点，导盲犬则存在使用成本太高以及数量少等缺点，因此有必要研发一款智能且有效的盲人避障辅助设施。
3.近年来，有各种各样的盲人避障专利出现，但普遍都不实用，因此在市面上也没有一款比较成熟的用于盲人避障的产品。例如现有技术中的盲人避障装置，能够检测前方障碍物，并通过语音播报或者振动反馈的形式告知盲人，但是这些装置并不实用。
4.然而，现有技术存在一些明显的不足之处，例如，现有技术中使用红外传感器进行测距，而红外传感器在强光环境下，探测距离会产生较大误差，不能准确地测算出障碍物距离，而且红外传感器针对于玻璃等障碍物，也无效有效测算出距离，因此该装置在实际使用中无法可靠地判断障碍物位置；另外，红外传感器探测范围有限，对于栏杆等障碍物可能无法有效测距，而且由于现有技术中的避障装置的传感器数量较少，只能探测盲人行进过程所经过的空间中的小部分空间的障碍物。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明公开了一种用于盲人避障的穿戴装置，所述穿戴装置包括：
6.三个超声波传感器(1)(2)(3)，镜架(4)，电池(5)，两个发声单元(6)和一个控制单元(7)，其中，所述超声波传感器(1)(2)(3)能探测障碍物的距离，两个所述发声单元(6)能发出声音让盲人感知障碍物的信息，所述控制单元(7)控制超声波传感器进行探测，并根据第一所述超声波传感器(1)和第二所述超声波传感器(2)反馈的距离信息判定障碍物的方位，以及控制发声单元发声让盲人感知障碍物信息，所述电池(5)通过电力总线给所述穿戴装置的避障系统进行供电。
7.更进一步地，第一所述超声波传感器(1)和第二所述超声波传感器(2)的探测范围中心线相互之间成一定角度，即其探测范围分别指向右方和左方，并使其探测范围有重合部分，第三所述超声传感器(3)的探测范围指向下方，对盲人行进过程所经过区域中的前方障碍物都进行探测，对于传感器(1)和(2)，使其探测范围中心线稍微向下，与水平线成一定角度α，而传感器(3)则在传感器(1)(2)探测范围的基础下继续往下倾斜一定角度以使传感器的探测范围能更好地覆盖人前方的上下空间。
8.更进一步地，所述三个超声波传感器被配置为：
9.取一平面使其包含第一所述超声波传感器(1)和第二所述超声波传感器(2)探测范围的中心线，若把超声波传感器探测范围近似为一个锥体，在预设距离内所述平面与所述超声波传感器(1)和第二所述超声波传感器(2)探测范围相交形成的交线，将围成的区域
分成左中右(abc)三个区域，左区域和右区域都是只有单个传感器能检测的范围，而中间区域则配置为第一超声波传感器和第二超声波传感器协同检测的区域。
10.更进一步地，再对障碍物可能出现的距离划分为若干个区间。
11.更进一步地，划分为0～800mm，800～1400mm，1400～2000mm以及2000mm以外这4个区间，并分别记为区间0，1，2，3，其中，设定区间0～2为所需探测区间，对于第一所述超声波传感器(1)和第二所述超声波传感器(2)的探测平面划分为9个区域后，判断障碍物方位，并指定所需探测区间为第一距离区间，非所需探测距离区间为第二距离区间”12.更进一步地，所述判断障碍物方位的方法包括：
13.首先让第一所述超声波传感器(1)和第二所述超声波传感器(2)分别进行探测，并分别得到障碍物的距离信息dl和dr，若dl和dr都不在所述第一距离区间，则判定为无障碍物；若dl或者dr在所述第一距离区间，则判断dl和dr所在距离区间是否相等，若相等，就判断障碍物在正前方，即障碍物在中间区域，若不相等，则判断dl和dr是否在所述第一距离区间，是则判断障碍物在左或/和右区域。
14.更进一步地，发声单元(6)可以使用蜂鸣器或其它简单的发声元件，主要负责接受控制单元(7)的指令，让盲人感知障碍物的方位和距离信息，其可以使用如下形式中的一种或多种的组合让盲人感知：
15.形式一：选择语音播报的形式，当利用第一所述超声传感器(1)和第二所述超声传感器(2)判断出所述9个区域中是否存在有障碍物，则发声单元将发出语音播报不同区域有障碍物，对于第三超声传感器(3)，也可以如第一所述超声传感器(1)和第二所述超声传感器(2)一样，对距离划分区间，并对障碍物所处区间进行语音播报；
16.形式二，采用提示音的形式，对于距离越近的障碍物，音量越高，或者使其提示频率越高，其中，当第三超声传感器(3)检测到下方有障碍物，发声单元(6)可以发出低音调的提示音，当第一超声传感器(1)和第二超声传感器(2)检测到所述9个区域中有障碍物时，发声单元(6)可以发出高音调的提示音，并且，若障碍物在左区域，则只让左边的发声单元发声而右边的发声单元不发声，若障碍物在右区域，则让右边的发声单元发声而左边的发声单元不发声，若障碍物在b区域，则让两个发声单元都发声，这样可以让盲人直观地感知障碍物在哪个区域；
17.形式三，通过发声单元(6)直接利用立体声场让盲人感知障碍物的方位和距离，即指通过声音构建出一种能反映声源位置的声场，而声源的方位可以用来代表障碍物的方位，从而达到感知立体声场信息即能感知障碍物位置信息的效果，其中，超声波传感器把障碍物的距离信息传输给控制单元，控制单元根据距离信息和相应算法判断出障碍物所处方位，再根据障碍物所处方位控制音频模块，对应不同区域的障碍物则播放能体现不同方位的立体效果音，使盲人能更加直观根据立体效果音判断出障碍物在空间中的哪个方位，其中，使用音频模块提前存储立体声场录音，在遇到障碍物时再播放对应录音，也可以实时制作并播放所检测到的障碍物方位所对应的立体声场音频。
18.更进一步地，对于立体音场录音的制作，可以使用专业的音频软件设置声源在不同方位以代表障碍物在不同方位，将所述第一、第二超声传感器(1)(2)探测平面划分为12个区域，则可以根据这12个区域，利用音频软件制作出声源分别在这12个区域的立体效果音，在实际遇到障碍物时，则根据障碍物所处方位播放对应方位的声源的立体效果音，制作
立体效果音时，要制作能代表障碍物在正前方的音频时，可以直接设置声源分别在不同区域，其中，要制作能代表障碍物在左方的音频时，可以设置音源在一个比左方障碍物更靠左的方位；要制作能代表右方的音频时，可以设置音源在一个比右方障碍物更靠右的方位。这样子能让盲人更容易辨识障碍物在左边，右边还是中间。
19.更进一步地，所述超声波传感器进一步包括与编码器进行连接，所述超声传感器根据所述编码器的特定编码进行定位反馈，同时检测环境中是否存在高频信号，若检测环境中存在高频信号，则判断所述高频信号与超声传感器的工作频率的相似度是否在第一相似区间，若存在，则将超声传感器的工作频率从第一主频率跳频至第二备用频率，其中，所述第一、第二、第三超声传感器采用不同的工作频率。
20.更进一步地，设置应急反应库，通过otg(on the go技术)进行更新，将接受的声源的动态特征与应急反应库中的声源已知特征进行匹配，若满足紧急情况下的声源特征，则发声单元(6)进行特殊提醒。
21.本发明与现有技术相比，检测障碍物方位既能检测人行进路径上方的障碍物，也能检测下方靠近地面的障碍物，检测范围大，能够有效对人行进过程所将会碰到的障碍物都进行探测，使盲人出行更安全；能够利用算法判断障碍物的大致方位，使盲人能够根据障碍物方位轻松为下一步的行进路径应该往左走还是右走作出选择；发声单元除了可以简单地提示盲人外，还能够发出立体声场让盲人感知，使盲人能够利用敏锐的听觉更直接地判断障碍物的方位，能达到更好的人机交互。
22.本发明的有益效果更进一步为采用多个超声波传感器，采用超声波传感器，因为超声波传感器探测范围大，且不会像激光和红外等光学传感器一样受环境光影响，因此将超声波传感器用于避障装置是一个更好的选择。传感器(1)和(2)主要负责探测空间中靠近上方的障碍物，传感器(3)主要负责探测空间中靠近下方的障碍物。通过对重点区域的分块检测，对障碍物可能出现的距离划分为若干个区间，通过第一所述超声波传感器和第二所述超声波传感器的探测范围中心线相互之间成一定角度，即其探测范围分别指向右方和左方，并使其探测范围有重合部分并以此增加识别准确率，同时能够对障碍物进行空间定位。
23.同时，本发明采用信号加密保全的方式对超声波进行设置，以防止环境中的其他干扰信号对装置的影响，设置应急反应库将接受的声源的动态特征与应急反应库中的声源已知特征进行匹配，若满足紧急情况下的声源特征，则发声单元进行特殊提醒。
附图说明
24.从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
25.图1为本发明一种用于盲人避障的穿戴装置的结构示意图；
26.图2为本发明一实施例的探测范围侧视示意图；
27.图3为本发明一实施例的探测范围轴测示意图；
28.图4为本发明一实施例的传感器(1)和(2)探测范围平面图；
29.图5为本发明的一实施例的探测平面的区域划分示意图；
30.图6为本发明的一实施例的盲人避障的穿戴装置结构简化框图；
31.图7为本发明的一实施例的立体声场示意图；
32.图8为本发明的一实施例的超声波传感器传感器布局示意图；
33.图9为本发明的另一实施例的超声波传感器传感器布局示意图。
具体实施方式
34.本发明所呈现的外观类似眼镜，如图1所示，主要由三个超声波传感器(1)(2)(3)，镜架(4)，电池(5)，两个发声单元(6)和一个控制单元(7)组成。其中超声波传感器(1)(2)(3)能探测障碍物的距离，两个发声单元(6)能发出声音让盲人感知障碍物的信息，控制单元(7)能控制超声波传感器进行探测，并根据超声波传感器(1)和(2)反馈的距离信息判定障碍物的方位，以及控制发声单元发声让盲人感知障碍物信息等，电池(5)则给整套系统进行供电。
35.其中，传感器(1)和(2)的探测范围中心线相互之间成一定角度，即其探测范围分别指向右方和左方，并使其探测范围有重合部分，传感器(3)的探测范围指向下方。为了能够更好地对盲人行进过程所经过区域中的前方障碍物都进行探测，对于传感器(1)和(2)，使其探测范围中心线稍微向下，与水平线成一定角度α，而传感器(3)则在传感器(1)(2)探测范围的基础下继续往下倾斜一定角度，以使传感器的探测范围能更好地覆盖人前方的上下空间。若把超声波传感器探测范围近似为一个锥体，则三个传感器总的探测范围的侧视图如图2所示，轴测图如图3所示。
36.传感器(1)和(2)采用超声波传感器，因为超声波传感器探测范围大，且不会像激光和红外等光学传感器一样受环境光影响，因此将超声波传感器用于避障装置是一个更好的选择。传感器(1)和(2)主要负责探测空间中靠近上方的障碍物，传感器(3)主要负责探测空间中靠近下方的障碍物。
37.特别地，传感器(1)和(2)除了能测出障碍物的距离外，还能测出障碍物的大致方位，即能判断障碍物是在左方，正前方或右方。为了直观易懂地说明本方法，现将空间上的探测范围简化到平面上进行描述。取一平面使其包含传感器(1)和(2)探测范围的中心线，若把超声波传感器探测范围近似为一个锥体，并取其2米内的探测范围研究，则该平面与传感器探测范围相交形成的交线图如图4所示，即存在左中右(abc)三个区域，左区域和右区域都是只有单个传感器能检测的范围，而中间区域则是传感器(1)和(2)都能检测到的区域。再对障碍物可能出现的距离划分为若干个区间，例如可以划分为0～800mm，800～1400mm，1400～2000mm以及2000mm以外这4个区间，并分别记为区间0，1，2，3，设定区间0～2为所需探测区间，对于2000mm以外的障碍物，本装置将进行忽略。对于传感器(1)和(2)如图4所示的探测平面，
38.在理想条件下，可以根据前述左中右(abc)区域以及所需探测距离区间(0～2)划分为如图5所示从a0到c2共9个区域。
39.划分为9个区域后，判断障碍物方位：首先让左传感器(2)和右传感器(1)分别进行探测，并分别得到障碍物的距离信息dl和dr，若dl和dr都不在距离区间0～2，则判定为无障碍物；若dl或者dr在距离区间0～2，则判断dl和dr所在距离区间是否相等，若相等，就判断障碍物在正前方，即障碍物在b区域，若不相等，则判断dl和dr是否在区间0～2，是则判断障碍物在a或/和c区域。
40.发声单元(6)可以使用蜂鸣器或其它简单的发声元件，主要负责接受控制单元(7)的指令，让盲人感知障碍物的方位和距离信息，其可以使用多种形式让盲人感知，如：
41.可以选择语音播报的形式，当利用传感器(1)和(2)判断出在如图5所示的9个区域中有障碍物，则发声单元将发出语音播报不同区域有障碍物，对于传感器(3)，也可以如前述一样，对距离划分区间，并对障碍物所处区间进行语音播报；
42.也可以采用提示音的形式，对于距离越近的障碍物，音量越高，或者使其提示频率越高。当传感器(3)检测到下方有障碍物，发声单元(6)可以发出低音调的提示音，当传感器(1)(2)检测到在如图5所示9个区域中有障碍物时，发声单元(6)可以发出高音调的提示音，并且，若障碍物在a区域，则只让左边的发声单元发声而右边的发声单元不发声，若障碍物在c区域，则只让右边的发声单元发声而左边的发声单元不发声，若障碍物在b区域，则让两个发声单元都发声，这样可以让盲人直观地感知障碍物在在哪个区域；
43.还能通过发声单元(6)直接利用立体声场让盲人感知障碍物的方位和距离，即指通过声音构建出一种能反映声源位置的声场，而声源的方位可以用来代表障碍物的方位，从而达到感知立体声场信息即能感知障碍物位置信息的效果。本装置中，超声波传感器把障碍物的距离信息传输给控制单元，控制单元根据距离信息和相应算法判断出障碍物所处方位，再根据障碍物所处方位控制音频模块，对应不同区域的障碍物则播放能体现不同方位的立体效果音，使盲人能更加直观根据立体效果音判断出障碍物在空间中的哪个方位，其原理可以简化为如图6所示。其中，可以使用音频模块提前存储立体声场录音，在遇到障碍物时再播放对应录音，也可以实时制作并播放所检测到的障碍物方位所对应的立体声场音频。现就播放录音这一功能进行说明，对于立体音场录音的制作，可以使用专业的音频软件，设置声源在不同方位以代表障碍物在不同方位。例如，如前所述把传感器(1)(2)探测平面划分为9个区域，则可以根据这9个区域，利用音频软件制作出声源分别在这9个区域的立体效果音，在实际遇到障碍物时，则根据障碍物所处方位播放对应方位的声源的立体效果音。制作立体效果音时，如图7所示，要制作能代表障碍物在正前方的音频时，可以直接设置声源分别在正前方的点b0到b2，分别对应障碍物图5中的b0到b2区域；要制作能代表障碍物在左方a区域的音频时，可以直接设置声源分别在左方的点a0到a2，分别对应障碍物图5中的a0到a2区域；要制作能代表障碍物在右方c区域的音频时，可以直接设置声源分别在右方的点c0到c2，分别对应障碍物图5中的c0到c2区域。其中点a0到a2所形成的连线和c0到c2所形成的连线可以设置成与中心线夹角更大，这样能使立体音场的效果更明显，以让盲人能更清楚地分辨障碍物是在左边还是右边。
44.在一个实施例中，我们开发的设备中，三个传感器轮询探测，不需要对三个传感器区分不同的工作频率。
45.而在另外一个实施例中，所述超声波传感器进一步包括与编码器进行连接，所述超声传感器根据所述编码器的特定编码进行定位反馈，同时检测环境中是否存在高频信号，若检测环境中存在高频信号，则判断所述高频信号与超声传感器的工作频率的相似度是否在第一相似区间，若存在，则将超声传感器的工作频率从第一主频率跳频至第二备用频率，其中，所述第一、第二、第三超声传感器采用不同的工作频率。
46.更进一步地，本实施例还可以在装置中增加其它超声波传感器，这些传感器探测范围可以更大，探测距离可以更短，以增加本装置的探测范围，确保盲人更加安全。例如，如
图8，图9所示，增加一左一右两个超声波传感器，这两个超声波传感器探测范围更大，探测距离更短。这样，当盲人左右两边有其它障碍物靠近时，盲人也可以进行感知。当然，还可以增加探测后方区域的传感器，反正在合理范围内，都可以在本装置中增加更多传感器使盲人能感知更多范围上的障碍物。
47.对地面情况的探测做了更进一步地设计，在另一个实施例中，为了实现对地面情况的探测，在开发设备中，增加一个对地面探测的超声波传感器，即探测范围比传感器(3)还要往下，其探测波束角极小，探测距离远，可以对盲人杖所触及地面范围外的前方的凹陷和凸起进行探测，而不会探测到盲人杖。具体来说，当行走在平地上，传感器一直检测到一个稳定的距离值，可以利用这样的机制判断前方地面为平地；当前方突然遇到凹陷，传感器将返回一个较大的距离值甚至是探测不到障碍物距离，则可以利用这样的机制探测凹陷；当前方突然遇到凸起，则传感器将返回一个较小的距离值，则可以利用这样的机制探测地面小凸起。
48.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
49.本领域技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
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rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
50.虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。