盲人环境感知方法和感知系统

摘要

本发明公开盲人环境感知方法和感知系统，由超声波发射装置发出连续超声波，由两个超声波接收装置连续实时接收所述超声波发射装置发出并经过障碍物反射回来的回波，对两个超声波接收装置接收到的回波分别进行降频处理降低到人耳所能听到的频率范围，分别经过两个耳机播放出来；包括超声波发射装置和两个接收装置。本发明接收到同一发射波从物体远近不同表面反射(包括漫反射和衍射)回来的回波信号，不遗漏任何物体信息，达到最大限度的保留物体的信息，实时降频，盲人通过听到声音的差异分辨出物体的轮廓、表面形状变化、远近、运动和材质等，如此就能在盲人的脑子建立起来物体或现场物件的三维模型，帮助盲人重新认知世界。

说明书

技术领域

本发明涉及一种盲人产品，特别涉及一种发射连续超声波的环境感知方 法和装置。

背景技术

在现有技术中，超声波在现有的盲人器具的应用上基本都是用作测距， 然后通过振动的快慢、力度或者转成提示语言告知盲人，这些方式的作用根 源是的盲棍的作用类似；为了帮助盲人重新认识和感知世界，市场上出现了 各种助盲器和导航器之类的等等，如专利申请号为200610134831.3的发明专 利名称为“立体声超声助盲器”以及专利申请号为01255716.1的实用新型专 利名称为“盲人用超声波回声导航器”的两篇专利文献中均提出用采用脉冲 发射和接收信号，但是脉冲发射和接收系统的致命缺点是接收到的脉冲信号 会丢失反映的物体信息，主要表现为：

1、采用脉冲发射和接收，接收到的也是脉冲回波，通常是离发射和 接收装置最近的障碍物反射回的回波，因此通常只能得到前方是 否有障碍物和障碍物远近的信息，无法反映环境和环境中的物体 形状、大小等信息。

2、采用脉冲信号，如果物体不在两个接收装置中间位置，两个接收 装置接收到的回波存在时间差，这种时间差与脉冲的时间差接近 时，难以区分，因此也无法准确反映物体信息。

因此，现有的技术和产品仅能够判断前方是否有障碍物和障碍物的远近， 和障碍物明显的锐利边界，对于障碍物斜面、弧面、凸凹变化等较缓的变化 信息无法反映出来。

为实现准确反映环境信息，采用超声波反射回波成像技术的声纳装置， 是通过设置多众接收探头构成接收基阵。但对于200610134831.3、01255716.1 这种技术来说无法适用，因为最多只有两个耳机。所以以200610134831.3、 01255716.1技术为蓝本的产品目前仍然没有实现生产和应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种盲人环境感知 方法和感知系统，能够比较全面地将环境信息以声音的方式反映给盲人，实 现盲人对环境的感知。

一种盲人环境感知方法，由超声波发射装置发出连续超声波，由两个超 声波接收装置连续实时接收所述超声波发射装置发出并经过障碍物反射回来 的回波，对两个超声波接收装置接收到的回波分别进行降频处理降低到人耳 所能听到的频率范围，分别经过两个耳机播放出来。

上述的盲人环境感知方法，所述降频处理后的频率范围为50hz-5khz。

一种盲人环境感知系统，包括超声波发射装置和两个接收装置，所述超 声波发射装置为超声波连续发射装置，包括分频电路、升压变压器T1和超 声波发射探头；所述超声波接收装置包括超声波接收探头、一次放大电路、 基频信号产生电路、混频电路和滤波电路，超声波接收探头和所述一次滤波 连接，所述一次放大电路和所述基频信号产生电路均与所述混频电路连接， 所述混频电路通过滤波电路与所述耳机S1连接。

上述的盲人环境感知系统，所述分频电路包括分频器，所述分频器外接 一个晶振Y1，晶振Y1与一个RC振荡电路并联。

上述的盲人环境感知系统，所述RC振荡电路包括电阻R1和电容C1和 电容C2，所述电容C1和电容C2的一端分别连接在所述电阻R1的两端，所 述电容C1和电容C2另一端与地连接，所述电阻R1和所述晶振Y1并联。

上述的盲人环境感知系统，还包括三极管和电阻R4，所述升压变压器 T1的一次侧的两端分别与三极管8050的基极和电阻R4连接，电阻R4接电 源，所述升压变压器T1的二次侧的两端分别与超声波发射探头U1的两端连 接，在所述升压变压器T1二次侧两端外还并联有电容C4。

上述的盲人环境感知系统，所述超声波接收探头与所述一次放大电路连 接，所述一次放大电路由两个双运算放大器集成电路串联组成。

上述的盲人环境感知系统，所述滤波电路为带通滤波电路。

上述的盲人环境感知系统，所述基频信号产生电路为基于锁相器和波形 发生器的低频锁相环函数发生器。

上述的盲人环境感知系统，所述基频信号产生电路的输出设有单刀多掷 开关，所述单刀多掷开关接多个并联的电阻，多个并联的电阻的另一端与混 频电路连接。

本发明的有益效果是：使用连续的超声波信号，并且连续接收，实时的 将接收到的反映包含所有物体信息的信号，能够接收到同一发射波从物体远 近不同表面反射回来的回波，包括漫反射和衍射后的回波信号，不遗漏任何 物体信息，达到最大限度的保留物体的信息，并将接收到的信号实时的降频 到人耳朵能听到的合适的频率，通过声音幅度的变换，两个耳朵的所听到声 音的相位差及不同的音色和音量的表现，分辨出物体的轮廓、表面形状变化、 远近、运动和材质等，如此就能在盲人的脑子建立起来物体或现场物件的三 维模型，帮助盲人建立一个重新认知世界的途径。

附图说明

图1为本发明盲人环境感知系统的超声波发射装置电路图，

图2-1和图2-2组合为本发明盲人环境感知系统的接收装置电路图，

图3为本发明盲人环境感知系统的原理图。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步的说明：

一种盲人环境感知方法，由超声波发射装置发出连续超声波，由两个超 声波接收装置连续实时接收所述超声波发射装置发出并经过障碍物反射回来 的回波，对两个超声波接收装置接收到的回波分别进行降频处理降低到人耳 所能听到的频率范围，降频处理后的频率范围为50hz-5khz，分别经过两个耳 机播放出来。

如图3所示，一种盲人环境感知系统，包括超声波发射装置和两个接收 装置，所述超声波发射装置为超声波连续发射装置，包括分频电路、升压变 压器T1和超声波发射探头；所述超声波接收装置包括超声波接收探头、一 次放大电路、基频信号产生电路、混频电路和滤波电路，超声波接收探头和 所述一次滤波连接，所述一次放大电路和所述基频信号产生电路均与所述混 频电路连接，所述混频电路通过滤波电路与所述耳机S1连接。

如图1所示，所述分频电路包括分频器，所述分频器外接一个晶振Y1， 晶振Y1与一个RC振荡电路并联，所述RC振荡电路包括电阻R1和电容C1 和电容C2，晶振Y1两端各连接20pF的电容C1和电容C2后接地，阻值为 1MΩ的电阻R1与晶振并联，所述分频器采用CD4060芯片，其第9和第10 引脚外接晶振Y1，第12引脚为CD4060芯片复位端，外接阻值10KΩ的电 阻R2后接地，第16引脚外接+5V电源并连接有一个0.1μF的电容C3后接 地，第6引脚外接一个阻值10KΩ的电阻R3连接后与三极管8050的集电极 连接，三极管8050的基极与所述升压变压器T1的一次侧的一端连接。

所述升压变压器T1的另一端与阻值为50Ω的电阻R4连接，电阻R4接 +5V电源，所述升压变压器T1的二次侧的两端分别与超声波发射探头U1的 两端连接，在所述升压变压器T1二次侧两端外还并联有一个1000pF的电容 C4。

发送过程：5.120型号的晶振产生固定频率的超声波信号经CD4060芯片 分频后成为20khz-1MHz固定频率连续的超声波信号，经升压变压器T1放 大后传到超声波发射头发射，发射出20KHz-150KHz的方波，发射头3成 扇形向前方15°-120°发射连续方波信号。

如图2-1和图2-2所示，图2-1的结点2与图2-2的结点1连接在一起即 为完整的信号接收电路，图2-2为基频信号产生电路。

所述超声波接收探头一端与地连接，另一端与一个100μF的滤波电容连 接后与所述一次放大电路连接，通过一个阻值为10KΩ的电阻所述一次放大 电路由两个双运算放大器集成电路串联组成，双运算放大器集成电路为负反 馈放大器，通过两次反向放大对接收到的声音频率放大100倍，经放大后的 声频通过乘法器MC1496的1引脚和4引脚进入到乘法器MC1496中与基频 信号产生电路产生的正弦波基准信号进行混频，乘法器MC1496的2引脚和 3引脚对信号进行增益调节；所述滤波电路所述滤波电路为带通滤波电路， 所述带通滤波电路和所述乘法器MC1496之间串联有一个功放电阻器，功放 电阻器用于调节耳机播放的声音的大小。

所述基频信号产生电路为基于锁相器MC145151和波形发生器ICL8038 的低频锁相环函数发生器，低频锁相环函数发生器用以发出基准正弦波进入 到乘法器MC1496内与接收到的声频进行混频，波形发生器ICL8038的方波 输出引脚与锁相器MC145151的N计数器输入引脚接通，波形发生器ICL8038 向锁相器MC145151输入方波信号，锁相器MC145151的19引脚、20引脚、 22引脚、23引脚、24引脚和25引脚接公共端并与锁相器MC145151的28 引脚连通，28引脚输出相位锁定信号，28引脚外接一个发光二极管用以指示 锁定状态，27引脚外接20KHz-150KHz的基准震荡频率，锁相器MC145151 的4引脚作为鉴相器输出接一个滤波器进行滤波，滤波器由一个双运放集成 电路NE5532组成，滤波器输出再接一个由双运放集成电路NE5532构成的 放大电路进行信号放大，放大器输出接波形发生器ICL8038的调频扫描输入 端。

波形发生器ICL8038接收到锁相器MC145151传回的信号后，波形发生 器ICL8038的4引脚和5引脚进行定时的周期频率调整，波形发生器ICL8038 的1引脚和12引脚外分别接滑动变阻器对正弦波形调整后将基准正弦波频率 传入到乘法器MC1496中与接收到的声频进行混频，在基频信号产生电路的 输出设有单刀双掷开关，所述单刀双掷开关接两个并联的不同阻值的电阻， 两个并联的电阻的另一端与混频电路连接，单刀双掷开关用以选择两种有效 使用距离，比如一档可以测定两米范围内的反射波，另一档可以测定四米范 围内的反射波。

混频后的信号通过MC1496的6引脚和12引脚传入到带通滤波电路进行 滤波，滤波之后的声频通过耳机播放传入到使用者的耳朵中，这时使用者就 可听到声音了，使用者通过听到的声音音色的不同、音量的大小、幅度的变 化以及两个耳机内的声音的相位差就可判断出物体的轮廓、距离自己的距离、 运动状态以及材质，以此来作出躲避的动作。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创 造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的 基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实 施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的 变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。