频域投影式超声回波定位导盲仪的制作方法
【专利摘要】本发明是给盲人设计的全新频域投影式超声回波定位导盲仪，其核心在于信号处理。以前所有设计是对超声回波信号进行处理，提取障碍物信息，并通过音频或振动方式反馈给使用者。由于信号处理单元的识别分析能力有限，以上发明只能探测前方障碍物，无法感知周围的环境信息。本发明设备中的信号处理单元是通过频域投影形式将超声频段的回波信号变换成人耳可听的声音频段，声信号在降频的同时在时域上被拉伸扩展，直接将该信号通过耳机传送给人耳。人脑听觉中枢是真正的信号处理器，听觉系统通过分析双耳回波信号的强度，方向，频谱分析判断周围的环境信息。使用佩戴该设备可逐步开发人耳听觉系统的回波定位能力，可以像蝙蝠、海豚一样感知周围环境。
【专利说明】
频域投影式超声回波定位导盲仪
技术领域
[0001]本发明涉及一种频域投影式超声回波定位导盲仪，属于超声导盲技术领域
【背景技术】
[0002]由于盲人和弱视人群体无法通过视觉获取周围的环境信息，只能通过听觉和触觉感知周围环境。传统的方法是通过导盲杖的触碰和根据导盲杖敲击声音及其回声来判断周围是否有障碍物。随着科技的进步，最近出现了应用光学拍照并结合图像识别技术的导盲装置。本专利涉及的是超声导盲仪。
[0003]早在上世纪70年代，新西兰学者Leslie Kay给出超声导盲仪的设计，他把探测障碍物的距离量调制成不同频率的声信号，提示盲人前方障碍物的距离及大小。中科院声学所东海站许振夏等[专利公开号CN85100707]设计了一款超声导盲眼镜，其导盲思路简化了Leslie Kay的设计思路，仅提供最近目标的提示音，类似于汽车倒车雷达，这一发明设计可帮助盲人更有利于规避近处目标。中科院声学所的杨军等人【专利公开号CN101642405】给出了一种超声导盲方法及其便携式超声导盲装置。其设计思路是通过发射扫频式超声波探测前方障碍物，通过对回波信号进行处理得到音频提示音，障碍物距离较近时提示音频率较低，距离较远时提示音频率较高。北京航空航天大学的蒲放等人设计了一款可穿戴式的超声导盲装置【专利公开号CN101773442A】，该设计将超声收发单元分别安装在头部，躯干及膝盖等三个位置，当任何一个探头探测到前方目标时便以音频的方式提示使用者。中国人民解放军第二军医大学的叶青等人设计了一款超声导盲手套，【专利公开号CN103519975A】该设计将探测模块固定在手套本体上，发射超声波探测前方障碍，通过振动的形式反馈给使用者。
[0004]以上发明虽然发射的超声波信号不尽相同，收发单元安装的位置不同，但它们的共同点是通过对回波信号的处理提取出障碍物信息并将这一信息反馈给使用者。使用的信号处理方法往往是通过分析回波信号的延迟时间反推障碍物的距离，通过回波信号的幅度反推障碍物的大小。然而，实际应用中还有很多影响回波信号的因素，例如障碍物的形状、材质、运动状态，使用者的运动状态，身体姿态等均会影响回波信号，这些因素在以上发明的信号处理方法中尚没有考虑，当前的科技水平也无法全面的考虑以上所有因素。因此，以上各款导盲仪的主要功能是前方障碍物预警器，无法像蝙蝠海豚那样通过超声波感知周围环境的详细信息。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种频域投影式超声回波定位导盲仪，以克服现有技术的不足。
[0006]频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于包括手持控制装置，发射控制单元，超声波发射单元，超声波接收单元，信号处理单元，所述的手持控制装置通过信号处理单元向所述的发射控制单元发出指令，所述的发射控制单元根据手持控制装置的指令而驱动超声波发射单元发射单脉冲超声信号，所述超声波接收单元用于接收超声波发射单元发射的超声信号的回波信号，并将回波信号通过放大、带通滤波及AD转换电路后输送至信号处理单元，回波信号经信号处理单元处理后传输至音频信号产生模块，所述的音频信号产生模块将产生的音频信号传输至耳机;所述的超声波发射单元的工作频段是10KHz--40KHz，所述超声波接收单元的接收频段是10KHZ—40KHZ。
[0007]上述发射控制单元根据手持控制装置的指令而驱动超声波发射单元发射不同强度、不同方向、不同时间间隔的单脉冲超声信号;所述手持控制装置上设有选择发射信号时间间隔，发射信号强度，发射换能器方向功能的按键。
[0008]该导盲仪还包括一个头盔，所述超声波发射单元是安装在头盔上的前后左右四个发射换能器。
[0009]所述的超声波接收单元包括安装在头盔上的一对人工蝙蝠耳，且所述一对人工蝙蝠耳的耳朵末端各有一个高精度宽带传声器;所述高精度宽带传声器的工作频段与发射换能器相同为1KHz—40KHZ。
[0010]所述的信号处理单元是安装于所述头盔或所述手持控制装置中的MCU装置;或者所述的信号处理单元是盲人专用型智能手机，且该智能手机通过WIFI或者蓝牙方式和超声波发射单元、超声波接收单元连接。
[0011]所述的手持控制装置集成于盲人专用型智能手机上。
[0012]—种基于频域投影式超声回波定位的导盲头盔，其特征在于包括一个头盔，该头盔上设有超声波发射单元，超声波接收单元，放大、带通滤波及AD转换电路，音频信号产生模块和耳机，所述超声波发射单元是安装在头盔正前方的一个发射换能器或者是安装在头盔上的前后左右四个发射换能器;所述的超声波接收单元包括安装在头盔上的一对人工蝙蝠耳，且所述一对人工蝙蝠耳的耳朵末端各有一个高精度宽带传声器;所述高精度宽带传声器的工作频段与发射换能器的工作频段均为10KHz--40KHz;所述的放大、带通滤波及AD转换电路与所述高精度宽带传声器相连，以对超声波接收单元接收的信号进行放大、带通滤波及AD转换处理;所述的音频信号产生模块)与耳机相连，以将产生的音频信号传输至耳机。
[0013]利用上述频域投影式超声回波定位导盲仪进行探测障碍物的方法，其特征在于包括以下步骤:
[0014]步骤1:将所述的导盲仪固定于使用者身体上，并使超声波发射单元能够向前方发出信号；
[0015]步骤2:通过手持式控制装置向超声波发射单元发出指令，使超声波发射单元重复发射单脉冲信号;并调节发射信号的强度:发射信号的强度采用可线性调节的方式；
[0016]所述超声波接收单元接收周围障碍物的反射波信号；
[0017]步骤3:上述反射波信号被转换为电信号，再经放大、带通滤波和AD转换电路后发送给信号处理单元，
[0018]其中通过带通滤波以滤除低频噪声干扰，只保留发射信号频段(10KHZ-40KHZ);
[0019]步骤4:信号处理单元对AD转换后的信号依次进行直达波幅度调节和时域等比例拉伸，
[0020]所述的直达波幅度调节:利用发射单元与接收单元之间的声程差识别出直达波，并压缩直达波信号幅度，以使得压缩后的直达波信号幅度同散射波幅度属于一个量级；
[0021]所述的时域等比例拉伸:即将障碍物回波信号降低到人耳敏感的千赫兹频段；
[0022]步骤5:经上述直达波幅度调节和时域等比例拉伸处理后的信号，经耳机转换成声信号，进而输入到使用者耳朵;使用者通过耳机发出的声信号以感知周围的环境。
[0023]此时，盲人朋友听到的是周围回波信号的“滴答”声，使用者边用边学，可逐步学会像蝙蝠、海豚一样感知周围的环境。
[0024]利用上述频域投影式超声回波定位导盲仪进行探测障碍物的方法，其特征在于包括以下步骤:
[0025]步骤1:将所述的频域投影式超声回波定位导盲仪的头盔固定在使用者头部，将手持控制装置持于手中；
[0026]步骤2:通过手持式控制装置选择单脉冲信号的发射间隔时间:所述单脉冲信号在(ΙΟΚΗζ—40KHz)范围内，所述的间隔时间是在0.5s_5s之间选择；
[0027]调节发射信号的强度:发射信号的强度可以线性调节；
[0028]选择发射方向模式:发射方向模式包含全向模式和正前模式，全向模式下正前，正后，左前和右前四个发射换能器同时发射;正前模式下只有正前的发射换能器发射信号；
[0029]所述发射换能器重复发射超声波信号，所述头盔上接收单元的蝙蝠耳接收周围障碍物的反射波；
[0030]步骤3:上述反射波信号经蝙蝠耳中的高精度宽带传声器将声信号转化为电信号，该电信号经放大、带通滤波和AD转换后发送给信号处理单元，
[0031]其中通过带通滤波以滤除低频噪声干扰，只保留发射信号频段(10KHZ-40KHZ);
[0032]步骤4:信号处理单元对AD转换后的信号依次进行直达波幅度调节和时域等比例拉伸，
[0033]所述的直达波幅度调节:利用发射换能器与蝙蝠耳之间的声程差识别出直达波，并压缩直达波信号幅度，以使得压缩后的直达波信号幅度同散射波幅度属于一个量级；
[0034]所述的时域等比例拉伸:即将障碍物回波信号降低到人耳敏感的千赫兹频段；
[0035]步骤5:经上述直达波幅度调节和时域等比例拉伸处理后的信号，经耳机转换成声信号，进而输入到使用者耳朵;使用者通过耳机发出的声信号以感知周围的环境；
[0036]步骤6:若使用者首先将发射方向模式设置成正向模式时，正前方发射换能器发射单脉冲声信号(频率范围10KHz-40KHz)，蝙蝠耳接收到周围障碍物的声散射信号并使该信号经上述步骤3、4、5处理后经耳机输入使用者耳中，从而感知正前方是否存在障碍物；
[0037]若使用者首先将发射方向模式设置成全向模式时，四个发射换能器同时发射单脉冲声信号(频率范围10KHz-40KHz)，蝙蝠耳接收到周围障碍物的声散射信号并使该信号经上述步骤3、4、5处理后经耳机输入使用者耳中，利用人耳听觉系统辨别声音的方向，以判断周围360度范围是否有障碍物，并初步判断障碍物方位;当使用者对某一方位的障碍物感兴趣时，将发射方向模式设置成正前模式，将身体转向该障碍物以将正前方换能器指向该障碍物，然后重复步骤3、4、5，以感知该障碍物。
[0038]此时，盲人朋友听到的是周围回波信号的“滴答”声，使用者边用边学，可逐步学会像蝙蝠、海豚一样感知周围的环境。当使用熟练之后，盲人朋友可根据障碍物的回波判断障碍物精确的大小、距离，甚至形状、材质。
[0039]上述步骤4的信号处理是通过M⑶中实现，即所述的信号处理单元采用安装在导盲仪中的MCU;或者说是经AD转换后的回波信号通过WIFI或蓝牙通信方式发送给盲人专用智能手机，通过智能手机实现信号处理，即导盲仪主要包括头盔与发射、接收单元，以及WIFI或蓝牙模块，而将智能手机作为信号处理单元。
[0040]本发明设计的超声导盲仪目的是给盲人朋友设计一款全新的导盲设备。该设备跟以前的超声导盲仪最大不同在核心的信号处理的思路。以前所有设计都是通过对超声回波信号进行处理，提取出障碍物信息，并通过音频或振动方式反馈给使用者。由于信号处理单元的识别分析能力有限，以上发明只能探测前方障碍物无法做到像蝙蝠和海豚一样用声音感知周围的环境信息。本发明专利设备中的信号处理单元不提取障碍物信息，而是通过频域投影形式将超声频段的回波信号变换成人耳可听的声音频段，声信号在降频的同时在时域上被拉伸扩展，然后直接将该信号通过耳机传送给人耳。人脑听觉中枢是真正的信号处理器，听觉系统可通过分析双耳回波信号的强度，方向，频谱分析判断周围的环境信息。使用着佩戴该设备后，边用边学，逐步开发人耳听觉系统的回波定位能力，慢慢学会像蝙蝠、海豚一样感知周围环境的能力。
[0041 ] 有益效果
[0042]本发明给出的导盲仪与传统的超声导盲仪存在本质的区别，传统导盲仪通过对回波信号的处理提取出障碍物信息并将这一信息反馈给使用者。本发明专利设备中的信号处理单元不提取障碍物信息，而是通过频域投影形式将超声频段的回波信号变换成人耳可听的声音频段，声信号在降频的同时在时域上被拉伸扩展，然后直接将该信号通过耳机传送给人耳。人脑听觉中枢是真正的信号处理器，听觉系统可通过分析回波信号的强度，方向，频谱特征来认知周围的环境信息，因此该发明可逐步开发人耳听觉系统的回波定位能力，使用者边用边学，慢慢学会像蝙蝠、海豚一样感知周围的环境。
[0043]传统超声导盲仪由于功能简单，使用者往往可以很快掌握使用方法。本发明需要对使用者培训，同时使用者要边用边学，完全掌握后其功能可远远超过传统超声导盲仪。
【附图说明】
[0044]图1是本发明总体结构的外观示意图。
[0045]图2是本发明的模块结构示意图。
[0046]其中，丨手持控制装置，2发射控制单元，3超声波发射单元，4超声波接收单元，5信号处理单元，6放大、带通滤波及AD转换电路，7音频信号产生模块，8耳机，9头盔，10发射换能器，11人工蝙蝠耳，12盲人专用型智能手机。
【具体实施方式】
[0047]如图2所示，频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于包括手持控制装置(I)，发射控制单元(2)，超声波发射单元(3)，超声波接收单元(4)，信号处理单元(5)，所述的手持控制装置(I)通过信号处理单元(5)向所述的发射控制单元(2)发出指令，所述的发射控制单元(2)根据手持控制装置(I)的指令而驱动超声波发射单元(3)发射单脉冲超声信号，所述超声波接收单元(4)用于接收超声波发射单元(3)发射的超声信号的回波信号，并将回波信号通过放大、带通滤波及AD转换电路(6)后输送至信号处理单元(5)，回波信号经信号处理单元(5)处理后传输至音频信号产生模块(7)，所述的音频信号产生模块(7)将产生的音频信号传输至耳机(8);所述的超声波发射单元(I)的工作频段是10KHz--40KHz，所述超声波接收单元(4)的接收频段是10KHZ—40KHZ。
[0048]上述发射控制单元(2)根据手持控制装置(I)的指令而驱动超声波发射单元(3)发射不同强度、不同方向、不同时间间隔的单脉冲超声信号;所述手持控制装置(I)上设有选择发射信号时间间隔，发射信号强度，发射换能器方向功能的按键。
[0049]如图1，该导盲仪还包括一个头盔(9)，所述超声波发射单元(3)是安装在头盔(9)上的前后左右四个发射换能器(10)。
[0050]如图1，所述的超声波接收单元(4)包括安装在头盔(9)上的一对人工蝙蝠耳(11)，且所述一对人工蝙蝠耳(I I)的耳朵末端各有一个高精度宽带传声器;所述高精度宽带传声器的工作频段与发射换能器相同为10ΚΗζ--40ΚΗζ。
[0051]所述的信号处理单元(5)是安装于所述头盔(9)或所述手持控制装置(I)中的MCU装置;或者所述的信号处理单元(5)是盲人专用型智能手机(12)，且该智能手机通过WIFI或者蓝牙方式和超声波发射单元(3)、超声波接收单元(4)连接。
[0052]所述手持控制装置(I)为现有技术中的盲人专用型智能手机(12)。
[0053]如图1，一种基于频域投影式超声回波定位的导盲头盔，其特征在于包括一个头盔
(9)，该头盔(9)上设有超声波发射单元(3)，超声波接收单元(4)，放大、带通滤波及AD转换电路(6)，音频信号产生模块(7)和耳机(8)，所述超声波发射单元(3)是安装在头盔(9)正前方的一个发射换能器(10)或者是安装在头盔(9)上的前后左右四个发射换能器(10);所述的超声波接收单元(4)包括安装在头盔(9)上的一对人工蝙蝠耳(11)，且所述一对人工蝙蝠耳(11)的耳朵末端各有一个高精度宽带传声器;所述高精度宽带传声器的工作频段与发射换能器(10)的工作频段均为10KHz--40KHz;所述的放大、带通滤波及AD转换电路(6)与所述高精度宽带传声器相连，以对超声波接收单元(4)接收的信号进行放大、带通滤波及AD转换处理;所述的音频信号产生模块(7)与耳机(8)相连，以将产生的音频信号传输至耳机(8)。
[0054]利用上述频域投影式超声回波定位导盲仪进行探测障碍物的方法，其特征在于包括以下步骤:
[0055]步骤1:将所述的导盲仪固定于使用者身体上，并使超声波发射单元(3)能够向前方发出信号；
[0056]步骤2:通过手持式控制装置(I)向超声波发射单元(3)发出指令，使超声波发射单元(3)重复发射单脉冲信号;并调节发射信号的强度:发射信号的强度采用可线性调节的方式；
[0057]所述超声波接收单元(4)接收周围障碍物的反射波信号；
[0058]步骤3:上述反射波信号被转换为电信号，再经放大、带通滤波和AD转换电路(6)后发送给信号处理单元(5)，
[0059]其中通过带通滤波以滤除低频噪声干扰，只保留发射信号频段(10KHZ-40KHZ);
[0060]步骤4:信号处理单元对AD转换后的信号依次进行直达波幅度调节和时域等比例拉伸，
[0061]所述的直达波幅度调节:发射换能器10发射的超声波信号一部分会经障碍物散射并返回至蝙蝠耳11，一部分则会直接传输到蝙蝠耳11即直达波，直达波会影响对于散射波的分析和处理，因为幅度较大可能掩蔽目标回波，因此需要将直达波的幅度进行抑制，
[0062]由于发射换能器10与蝙蝠耳11之间的声程差是固定的，因此信号处理单元能够直接识别出直达波，进而压缩直达波信号幅度，以使得压缩后的直达波信号幅度同散射波幅度属于一个量级，从而有利于使用者更清楚地听到回波信号；
[0063]所述的时域等比例拉伸:由于发射单元3和接收单元4的工作频段为人耳听不到的超声频段，将时域信号等比例拉伸后，回波信号在频域上可降低到人耳敏感的千赫兹频段；同时由于各个障碍物回波的时间差较小，对于该时间差，人耳是难以区分，通过时域等比例拉伸使得障碍物回波信号时间差也被拉开，从而使人耳听觉系统更容易区分出不同的障碍物回波；
[0064]步骤5:经上述直达波幅度调节和时域等比例拉伸处理后的信号，经耳机(8)转换成声信号，进而输入到使用者耳朵;使用者通过耳机发出的声信号以感知周围的环境。
[0065]利用上述频域投影式超声回波定位导盲仪进行探测障碍物的方法，其特征在于包括以下步骤:
[0066]步骤1:将所述的频域投影式超声回波定位导盲仪的头盔(9)固定在使用者头部，将手持控制装置(I)持于手中；
[0067]步骤2:通过手持式控制装置(I)选择单脉冲信号的发射间隔时间:所述单脉冲信号在(10KHZ—40KHZ)范围内，所述的间隔时间是在0.5s_5s之间选择；
[0068]调节发射信号的强度:发射信号的强度可以线性调节；
[0069]选择发射方向模式:发射方向模式包含全向模式和正前模式，全向模式下正前，正后，左前和右前四个发射换能器(10)同时发射;正前模式下只有正前的发射换能器(10)发射信号；
[0070]所述发射换能器(10)重复发射超声波信号，所述头盔上接收单元(4)的蝙蝠耳
(11)接收周围障碍物的反射波；
[0071]步骤3:上述反射波信号经蝙蝠耳(11)中的高精度宽带传声器将声信号转化为电信号，该电信号经放大、带通滤波和AD转换后发送给信号处理单元(5)，
[0072]其中通过带通滤波以滤除低频噪声干扰，只保留发射信号频段(10KHZ-40KHZ);
[0073]步骤4:信号处理单元(5)对AD转换后的信号依次进行直达波幅度调节和时域等比例拉伸，
[0074]所述的直达波幅度调节:利用发射换能器与蝙蝠耳之间的声程差识别出直达波，并压缩直达波信号幅度，以使得压缩后的直达波信号幅度同散射波幅度属于一个量级；
[0075]所述的时域等比例拉伸:即将障碍物回波信号降低到人耳敏感的千赫兹频段；
[0076]步骤5:经上述直达波幅度调节和时域等比例拉伸处理后的信号，经耳机(8)转换成声信号，进而输入到使用者耳朵;使用者通过耳机发出的声信号以感知周围的环境；
[0077]步骤6:若使用者首先将发射方向模式设置成正向模式时，正前方发射换能器(10)发射单脉冲声信号(频率范围10KHz-40KHz)，蝙蝠耳(9)接收到周围障碍物的声散射信号并使该信号经上述步骤3、4、5处理后经耳机(8)输入使用者耳中，从而感知正前方是否存在障碍物；
[0078]当盲人朋友在陌生环境中行走时，可将发射方向模式设置成全向模式，此时，四个发射换能器同时发射单脉冲声信号(频率范围10KHz-40KHz)，蝙蝠耳接收到周围障碍物的声散射信号并把该信号经上述步骤3，4，5处理后经耳机输入给人耳，由于人耳听觉系统本身就可感知声音的方向，因此，使用者可判断周围360度范围是否有障碍物，并能初步判断其方位；当盲人朋友对某一障碍物感兴趣时，可将发射方向模式设置成正前模式，此时，将正前方换能器指向障碍物，盲人朋友可根据障碍物的回波判断障碍物精确的大小、距离，甚至形状、材质。
[0079]上述步骤4的信号处理是通过M⑶中实现，即所述的信号处理单元采用安装在导盲仪中的MCU;或者说是经AD转换后的回波信号通过WIFI或蓝牙通信方式发送给盲人专用智能手机(12)，通过智能手机实现信号处理，即导盲仪主要包括头盔(9)与发射、接收单元，以及WIFI或蓝牙模块，而将智能手机(12)作为信号处理单元。
[0080]实施例
[0081]本发明研发的一种超声频段的回波定位导盲系统，硬件上包含MCU(MicroController Unit)控制和信号处理单元、固定在使用者头顶的声发射单元及其驱动电路、声接收单元及其前置放大-滤波及AD转换电路、音频信号产生模块等构成，具体结构如图2所示。
[0082]超声发射单元和接收单元以及接收信号的前置放大、滤波电路固定在一个可佩戴在盲人头上的头盔上，合称声收发头盔。发射单元包含四个发射换能器，分别按装在正前，正后，左前和右前四个方向。发射换能器采用宽带超声发射器，工作频段10KHz--40KHz。接收单元包含一对人工蝙蝠耳和两个高精度宽带传声器。人工蝙蝠耳模拟蝙蝠外耳廓形状，用硅胶制成，传声器安装在该装置的后端。宽带传声器的工作频段与发射换能器相同为10KHz—40KHz。
[0083]该系统周期性的向周围发射超声波，并将接收的回波信号经过放大、滤波和AD转换后发送给信号处理单元，其将信号做降频处理后得到的可听声信号通过耳机发送给盲人(使用者)，盲人听到的是周围回波信号的“滴答”声，使用者边用边学，可逐步学会像蝙蝠、海豚一样感知周围的环境。
[0084]MQJ(Micro Controller Unit)控制和信号处理单元可以通过单片机实现，也可以将AD转换后的回波数字信号通过WIFI或蓝牙模块发送给盲人智能手机端，通过手机端程序实现。
[0085]M⑶控制和信号处理单元中可采用了 TI公司的TMS320F28027芯片，也可以采用TI的MSP430低功耗MCU或者ARM系列芯片。该单元可通过有线或无线方式与声收发头盔连接。控制部分的主要功能是控制发射信号的波形、强度以及发射换能器工作模式。发射信号的波形包含扫频信号和窄脉冲信号；发射信号的强度可以线性调节;发射换能器工作模式包含全向模式和正前模式，全向模式下正前，正后，左前和右前四个发射器同时发射，正前模式下只有正前的发射器发射信号。
[0086]MCU端信号处理主要实现三个功能:(I)回波数字信号的带通滤波，(2)时域信号等比例拉伸，(3)直达波幅度调节。回波数字信号带通滤波主要滤除低频噪声干扰，增强信噪比。时域等比例拉伸将接收信号在时域拉伸开，使人耳听不到的高频信号降低到人耳敏感的千赫兹频段附近的信号，同时目标回波时间差也被拉开，人耳听觉系统共容易感知目标回波。直达波幅度调节主要功能是压缩直达波信号幅度，发射换能器发出的信号直接被接收系统接收称为直达波，其幅度较大，会掩蔽目标回波，因此把直达波信号压缩到和目标回波相似的幅度有利于使用者更清楚地听到回波信号。信号被接收信号处理单元处理后直接经耳机输入到使用者耳朵。
[0087]使用者佩戴该设备后先选择工作模式，包括:发射信号的波形;发射信号的强度可以线性调节;发射换能器方向包含全向模式和正前模式，全向模式下正前，正后，左前和右前四个发射器同时发射，正前模式下只有正前的发射器发射信号；该系统周期性的向周围发射超声波；
[0088]选定工作模式后，发射系统开始发射超声波，接收系统接收周围环境的散射波。接收的回波信号经过放大、滤波和AD转换后发送给信号处理单元，其中带通滤波主要滤除低频噪声干扰；
[0089]直达波幅度调节:直达波幅度调节主要功能是压缩直达波信号幅度，发射换能器发出的信号可以直接被接收系统接收且幅度较大可能掩蔽目标回波，因此把直达波信号压缩到和目标回波相似的幅度有利于使用者更清楚地听到回波信号；
[0090]时域等比例拉伸:时域等比例拉伸将接收信号在时域拉伸开，使人耳听不到的高频信号降低到人耳可听的千赫兹频段附近的信号，同时目标回波时间差也被拉开，人耳听觉系统更容易感知目标回波；
[0091]接收的回波信号被信号处理单元处理后直接经耳机输入到使用者耳朵;使用者听到的是周围回波信号的“滴答”声，使用者边用边学，可逐步学会像蝙蝠、海豚一样感知周围的环境。
【主权项】
1.频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于包括手持控制装置(I)，发射控制单元(2)、超声波发射单元(3)、超声波接收单元(4)、信号处理单元(5)，所述的手持控制装置(I)通过信号处理单元(5)向所述的发射控制单元(2)发出指令，所述的发射控制单元(2)根据手持控制装置(I)的指令而驱动超声波发射单元(3)发射单脉冲超声信号，所述超声波接收单元(4)用于接收超声波发射单元(3)发射的超声信号的回波信号，并将回波信号通过放大、带通滤波及AD转换电路(6)后输送至信号处理单元(5)，回波信号经信号处理单元(5)处理后传输至音频信号产生模块(7)，所述的音频信号产生模块(7)将产生的音频信号传输至耳机(8);所述的超声波发射单元(I)的工作频段是1KHz—40KHz，所述超声波接收单元(4)的接收频段是10KHZ—40KHZ。2.如权利要求1所述的频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于发射控制单元(2)根据手持控制装置(I)的指令而驱动超声波发射单元(3)发射不同强度、不同方向、不同时间间隔的单脉冲超声信号;所述手持控制装置(I)上设有选择发射信号时间间隔，发射信号强度，发射换能器方向功能的按键。3.如权利要求2所述的频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于该导盲仪还包括一个头盔(9)，所述超声波发射单元(3)是安装在头盔(9)上的前后左右四个发射换能器(1)04.如权利要求3所述的频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于所述的超声波接收单元(4)包括安装在头盔(9)上的一对人工蝙蝠耳(11)，且所述一对人工蝙蝠耳(11)的耳朵末端各有一个高精度宽带传声器;所述高精度宽带传声器的工作频段与发射换能器相同为 10KHz—40KHz。5.如权利要求3所述的频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于所述的信号处理单元(5)是安装于所述头盔(9)或所述手持控制装置(I)中的MCU装置;或者所述的信号处理单元(5)是盲人专用型智能手机(12)，且该智能手机通过WIFI或者蓝牙方式和超声波发射单元(3)、超声波接收单元(4)连接。6.如权利要求5所述的频域投影式超声回波定位导盲仪，其特征在于所述的手持控制装置(I)集成于盲人专用型智能手机(12)上。7.—种基于频域投影式超声回波定位的导盲头盔，其特征在于包括一个头盔(9)，该头盔(9)上设有超声波发射单元(3)，超声波接收单元(4)，放大、带通滤波及AD转换电路(6)，音频信号产生模块(7)和耳机(8)，所述超声波发射单元(3)是安装在头盔(9)正前方的一个发射换能器(10)或者是安装在头盔(9)上的前后左右四个发射换能器(10);所述的超声波接收单元(4)包括安装在头盔(9)上的一对人工蝙蝠耳(11)，且所述一对人工蝙蝠耳(11)的耳朵末端各有一个高精度宽带传声器;所述高精度宽带传声器的工作频段与发射换能器(10)的工作频段均为1KHz—40KHZ;所述的放大、带通滤波及AD转换电路(6)与所述高精度宽带传声器相连，以对超声波接收单元(4)接收的信号进行放大、带通滤波及AD转换处理；所述的音频信号产生模块(7)与耳机(8)相连，以将产生的音频信号传输至耳机(8)。8.利用权利要求1所述的频域投影式超声回波定位导盲仪进行探测障碍物的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:将所述的导盲仪固定于使用者身体上，并使超声波发射单元(3)能够向前方发出信号； 步骤2:通过手持式控制装置(I)向超声波发射单元(3)发出指令，使超声波发射单元(3)重复发射单脉冲信号；并调节发射信号的强度:发射信号的强度采用可线性调节的方式； 所述超声波接收单元(4)接收周围障碍物的反射波信号； 步骤3:上述反射波信号被转换为电信号，再经放大、带通滤波和AD转换电路(6)后发送给信号处理单元(5)， 其中通过带通滤波以滤除低频噪声干扰，只保留发射信号频段(10KHZ-40KHZ); 步骤4:信号处理单元(5)对AD转换后的信号依次进行直达波幅度调节和时域等比例拉伸， 所述的直达波幅度调节:利用发射单元(3)与接收单元(4)之间的声程差识别出直达波，并压缩直达波信号幅度，以使得压缩后的直达波信号幅度同散射波幅度属于一个量级；所述的时域等比例拉伸:即将障碍物回波信号降低到人耳敏感的千赫兹频段； 步骤5:经上述直达波幅度调节和时域等比例拉伸处理后的信号，经耳机(8)转换成声信号，进而输入到使用者耳朵;使用者通过耳机发出的声信号以感知周围的环境。9.利用权利要求4所述的频域投影式超声回波定位导盲仪进行探测障碍物的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1:将所述的频域投影式超声回波定位导盲仪的头盔(9)固定在使用者头部，将手持控制装置(I)持于手中； 步骤2:通过手持式控制装置(I)选择单脉冲信号的发射间隔时间:所述单脉冲信号在(ΙΟΚΗζ—40KHz)范围内，所述的间隔时间是在0.5s_5s之间选择； 调节发射信号的强度:发射信号的强度可以线性调节； 选择发射方向模式:发射方向模式包含全向模式和正前模式，全向模式下正前，正后，左前和右前四个发射换能器(10)同时发射;正前模式下只有正前的发射换能器(10)发射信号； 所述发射换能器(10)重复发射超声波信号，所述头盔上接收单元(4)的蝙蝠耳(11)接收周围障碍物的反射波； 步骤3:上述反射波信号经蝙蝠耳(11)中的高精度宽带传声器将声信号转化为电信号，该电信号经放大、带通滤波和AD转换后发送给信号处理单元(5)，其中通过带通滤波以滤除低频噪声干扰，只保留发射信号频段(10KHZ-40KHZ); 步骤4:信号处理单元(5)对AD转换后的信号依次进行直达波幅度调节和时域等比例拉伸， 所述的直达波幅度调节:利用发射换能器与蝙蝠耳之间的声程差识别出直达波，并压缩直达波信号幅度，以使得压缩后的直达波信号幅度同散射波幅度属于一个量级； 所述的时域等比例拉伸:即将障碍物回波信号降低到人耳敏感的千赫兹频段； 步骤5:经上述直达波幅度调节和时域等比例拉伸处理后的信号，经耳机(8)转换成声信号，进而输入到使用者耳朵;使用者通过耳机发出的声信号以感知周围的环境； 步骤6:若使用者首先将发射方向模式设置成正向模式时，正前方发射换能器(10)发射单脉冲声信号(频率范围10KHz-40KHz)，蝙蝠耳(9)接收到周围障碍物的声散射信号并使该信号经上述步骤3、4、5处理后经耳机(8)输入使用者耳中，从而感知正前方是否存在障碍物； 若使用者首先将发射方向模式设置成全向模式时，四个发射换能器(10)同时发射单脉冲声信号(频率范围10KHZ-40KHZ)，蝙蝠耳(9)接收到周围障碍物的声散射信号并使该信号经上述步骤3、4、5处理后经耳机(8)输入使用者耳中，利用人耳听觉系统辨别声音的方向，以判断周围360度范围是否有障碍物，并初步判断障碍物方位;当使用者对某一方位的障碍物感兴趣时，将发射方向模式设置成正前模式，将身体转向该障碍物以将正前方换能器(10)指向该障碍物，然后重复步骤3、4、5，以感知该障碍物。10.如权利要求9所述的进行探测障碍物的方法，其特征在于上述步骤4的信号处理是通过MCU中实现，即所述的信号处理单元采用安装在导盲仪中的MCU;或者说是经AD转换后的回波信号通过WIFI或蓝牙通信方式发送给盲人专用智能手机(12)，通过智能手机实现信号处理，即导盲仪主要包括头盔(9)与发射、接收单元，以及WIFI或蓝牙模块，而将智能手机(12)作为信号处理单元。
【文档编号】A61H3/06GK105997448SQ201610285371
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】高大治, 刘进忠, 王好忠, 王宁
【申请人】中国海洋大学