頻域投影式超聲回波定位導盲儀的制作方法
【專利摘要】本發明是給盲人設計的全新頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其核心在于信號處理。以前所有設計是對超聲回波信號進行處理，提取障礙物信息，并通過音頻或振動方式反饋給使用者。由于信號處理單元的識別分析能力有限，以上發明只能探測前方障礙物，無法感知周圍的環境信息。本發明設備中的信號處理單元是通過頻域投影形式將超聲頻段的回波信號變換成人耳可聽的聲音頻段，聲信號在降頻的同時在時域上被拉伸擴展，直接將該信號通過耳機傳送給人耳。人腦聽覺中樞是真正的信號處理器，聽覺系統通過分析雙耳回波信號的強度，方向，頻譜分析判斷周圍的環境信息。使用佩戴該設備可逐步開發人耳聽覺系統的回波定位能力，可以像蝙蝠、海豚一樣感知周圍環境。
【專利說明】
頻域投影式超聲回波定位導盲儀
技術領域
[0001]本發明涉及一種頻域投影式超聲回波定位導盲儀，屬于超聲導盲技術領域
【背景技術】
[0002]由于盲人和弱視人群體無法通過視覺獲取周圍的環境信息，只能通過聽覺和觸覺感知周圍環境。傳統的方法是通過導盲杖的觸碰和根據導盲杖敲擊聲音及其回聲來判斷周圍是否有障礙物。隨著科技的進步，最近出現了應用光學拍照并結合圖像識別技術的導盲裝置。本專利涉及的是超聲導盲儀。
[0003]早在上世紀70年代，新西蘭學者Leslie Kay給出超聲導盲儀的設計，他把探測障礙物的距離量調制成不同頻率的聲信號，提示盲人前方障礙物的距離及大小。中科院聲學所東海站許振夏等[專利公開號CN85100707]設計了一款超聲導盲眼鏡，其導盲思路簡化了Leslie Kay的設計思路，僅提供最近目標的提示音，類似于汽車倒車雷達，這一發明設計可幫助盲人更有利于規避近處目標。中科院聲學所的楊軍等人【專利公開號CN101642405】給出了一種超聲導盲方法及其便攜式超聲導盲裝置。其設計思路是通過發射掃頻式超聲波探測前方障礙物，通過對回波信號進行處理得到音頻提示音，障礙物距離較近時提示音頻率較低，距離較遠時提示音頻率較高。北京航空航天大學的蒲放等人設計了一款可穿戴式的超聲導盲裝置【專利公開號CN101773442A】，該設計將超聲收發單元分別安裝在頭部，軀干及膝蓋等三個位置，當任何一個探頭探測到前方目標時便以音頻的方式提示使用者。中國人民解放軍第二軍醫大學的葉青等人設計了一款超聲導盲手套，【專利公開號CN103519975A】該設計將探測模塊固定在手套本體上，發射超聲波探測前方障礙，通過振動的形式反饋給使用者。
[0004]以上發明雖然發射的超聲波信號不盡相同，收發單元安裝的位置不同，但它們的共同點是通過對回波信號的處理提取出障礙物信息并將這一信息反饋給使用者。使用的信號處理方法往往是通過分析回波信號的延遲時間反推障礙物的距離，通過回波信號的幅度反推障礙物的大小。然而，實際應用中還有很多影響回波信號的因素，例如障礙物的形狀、材質、運動狀態，使用者的運動狀態，身體姿態等均會影響回波信號，這些因素在以上發明的信號處理方法中尚沒有考慮，當前的科技水平也無法全面的考慮以上所有因素。因此，以上各款導盲儀的主要功能是前方障礙物預警器，無法像蝙蝠海豚那樣通過超聲波感知周圍環境的詳細信息。
【發明內容】
[0005]本發明目的是提供一種頻域投影式超聲回波定位導盲儀，以克服現有技術的不足。
[0006]頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于包括手持控制裝置，發射控制單元，超聲波發射單元，超聲波接收單元，信號處理單元，所述的手持控制裝置通過信號處理單元向所述的發射控制單元發出指令，所述的發射控制單元根據手持控制裝置的指令而驅動超聲波發射單元發射單脈沖超聲信號，所述超聲波接收單元用于接收超聲波發射單元發射的超聲信號的回波信號，并將回波信號通過放大、帶通濾波及AD轉換電路后輸送至信號處理單元，回波信號經信號處理單元處理后傳輸至音頻信號產生模塊，所述的音頻信號產生模塊將產生的音頻信號傳輸至耳機;所述的超聲波發射單元的工作頻段是10KHz--40KHz，所述超聲波接收單元的接收頻段是10KHZ—40KHZ。
[0007]上述發射控制單元根據手持控制裝置的指令而驅動超聲波發射單元發射不同強度、不同方向、不同時間間隔的單脈沖超聲信號;所述手持控制裝置上設有選擇發射信號時間間隔，發射信號強度，發射換能器方向功能的按鍵。
[0008]該導盲儀還包括一個頭盔，所述超聲波發射單元是安裝在頭盔上的前后左右四個發射換能器。
[0009]所述的超聲波接收單元包括安裝在頭盔上的一對人工蝙蝠耳，且所述一對人工蝙蝠耳的耳朵末端各有一個高精度寬帶傳聲器;所述高精度寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器相同為1KHz—40KHZ。
[0010]所述的信號處理單元是安裝于所述頭盔或所述手持控制裝置中的MCU裝置;或者所述的信號處理單元是盲人專用型智能手機，且該智能手機通過WIFI或者藍牙方式和超聲波發射單元、超聲波接收單元連接。
[0011]所述的手持控制裝置集成于盲人專用型智能手機上。
[0012]—種基于頻域投影式超聲回波定位的導盲頭盔，其特征在于包括一個頭盔，該頭盔上設有超聲波發射單元，超聲波接收單元，放大、帶通濾波及AD轉換電路，音頻信號產生模塊和耳機，所述超聲波發射單元是安裝在頭盔正前方的一個發射換能器或者是安裝在頭盔上的前后左右四個發射換能器;所述的超聲波接收單元包括安裝在頭盔上的一對人工蝙蝠耳，且所述一對人工蝙蝠耳的耳朵末端各有一個高精度寬帶傳聲器;所述高精度寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器的工作頻段均為10KHz--40KHz;所述的放大、帶通濾波及AD轉換電路與所述高精度寬帶傳聲器相連，以對超聲波接收單元接收的信號進行放大、帶通濾波及AD轉換處理;所述的音頻信號產生模塊)與耳機相連，以將產生的音頻信號傳輸至耳機。
[0013]利用上述頻域投影式超聲回波定位導盲儀進行探測障礙物的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0014]步驟1:將所述的導盲儀固定于使用者身體上，并使超聲波發射單元能夠向前方發出信號；
[0015]步驟2:通過手持式控制裝置向超聲波發射單元發出指令，使超聲波發射單元重復發射單脈沖信號;并調節發射信號的強度:發射信號的強度采用可線性調節的方式；
[0016]所述超聲波接收單元接收周圍障礙物的反射波信號；
[0017]步驟3:上述反射波信號被轉換為電信號，再經放大、帶通濾波和AD轉換電路后發送給信號處理單元，
[0018]其中通過帶通濾波以濾除低頻噪聲干擾，只保留發射信號頻段(10KHZ-40KHZ);
[0019]步驟4:信號處理單元對AD轉換后的信號依次進行直達波幅度調節和時域等比例拉伸，
[0020]所述的直達波幅度調節:利用發射單元與接收單元之間的聲程差識別出直達波，并壓縮直達波信號幅度，以使得壓縮后的直達波信號幅度同散射波幅度屬于一個量級；
[0021]所述的時域等比例拉伸:即將障礙物回波信號降低到人耳敏感的千赫茲頻段；
[0022]步驟5:經上述直達波幅度調節和時域等比例拉伸處理后的信號，經耳機轉換成聲信號，進而輸入到使用者耳朵;使用者通過耳機發出的聲信號以感知周圍的環境。
[0023]此時，盲人朋友聽到的是周圍回波信號的“滴答”聲，使用者邊用邊學，可逐步學會像蝙蝠、海豚一樣感知周圍的環境。
[0024]利用上述頻域投影式超聲回波定位導盲儀進行探測障礙物的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0025]步驟1:將所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀的頭盔固定在使用者頭部，將手持控制裝置持于手中；
[0026]步驟2:通過手持式控制裝置選擇單脈沖信號的發射間隔時間:所述單脈沖信號在(ΙΟΚΗζ—40KHz)范圍內，所述的間隔時間是在0.5s_5s之間選擇；
[0027]調節發射信號的強度:發射信號的強度可以線性調節；
[0028]選擇發射方向模式:發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，左前和右前四個發射換能器同時發射;正前模式下只有正前的發射換能器發射信號；
[0029]所述發射換能器重復發射超聲波信號，所述頭盔上接收單元的蝙蝠耳接收周圍障礙物的反射波；
[0030]步驟3:上述反射波信號經蝙蝠耳中的高精度寬帶傳聲器將聲信號轉化為電信號，該電信號經放大、帶通濾波和AD轉換后發送給信號處理單元，
[0031]其中通過帶通濾波以濾除低頻噪聲干擾，只保留發射信號頻段(10KHZ-40KHZ);
[0032]步驟4:信號處理單元對AD轉換后的信號依次進行直達波幅度調節和時域等比例拉伸，
[0033]所述的直達波幅度調節:利用發射換能器與蝙蝠耳之間的聲程差識別出直達波，并壓縮直達波信號幅度，以使得壓縮后的直達波信號幅度同散射波幅度屬于一個量級；
[0034]所述的時域等比例拉伸:即將障礙物回波信號降低到人耳敏感的千赫茲頻段；
[0035]步驟5:經上述直達波幅度調節和時域等比例拉伸處理后的信號，經耳機轉換成聲信號，進而輸入到使用者耳朵;使用者通過耳機發出的聲信號以感知周圍的環境；
[0036]步驟6:若使用者首先將發射方向模式設置成正向模式時，正前方發射換能器發射單脈沖聲信號(頻率范圍10KHz-40KHz)，蝙蝠耳接收到周圍障礙物的聲散射信號并使該信號經上述步驟3、4、5處理后經耳機輸入使用者耳中，從而感知正前方是否存在障礙物；
[0037]若使用者首先將發射方向模式設置成全向模式時，四個發射換能器同時發射單脈沖聲信號(頻率范圍10KHz-40KHz)，蝙蝠耳接收到周圍障礙物的聲散射信號并使該信號經上述步驟3、4、5處理后經耳機輸入使用者耳中，利用人耳聽覺系統辨別聲音的方向，以判斷周圍360度范圍是否有障礙物，并初步判斷障礙物方位;當使用者對某一方位的障礙物感興趣時，將發射方向模式設置成正前模式，將身體轉向該障礙物以將正前方換能器指向該障礙物，然后重復步驟3、4、5，以感知該障礙物。
[0038]此時，盲人朋友聽到的是周圍回波信號的“滴答”聲，使用者邊用邊學，可逐步學會像蝙蝠、海豚一樣感知周圍的環境。當使用熟練之后，盲人朋友可根據障礙物的回波判斷障礙物精確的大小、距離，甚至形狀、材質。
[0039]上述步驟4的信號處理是通過M⑶中實現，即所述的信號處理單元采用安裝在導盲儀中的MCU;或者說是經AD轉換后的回波信號通過WIFI或藍牙通信方式發送給盲人專用智能手機，通過智能手機實現信號處理，即導盲儀主要包括頭盔與發射、接收單元，以及WIFI或藍牙模塊，而將智能手機作為信號處理單元。
[0040]本發明設計的超聲導盲儀目的是給盲人朋友設計一款全新的導盲設備。該設備跟以前的超聲導盲儀最大不同在核心的信號處理的思路。以前所有設計都是通過對超聲回波信號進行處理，提取出障礙物信息，并通過音頻或振動方式反饋給使用者。由于信號處理單元的識別分析能力有限，以上發明只能探測前方障礙物無法做到像蝙蝠和海豚一樣用聲音感知周圍的環境信息。本發明專利設備中的信號處理單元不提取障礙物信息，而是通過頻域投影形式將超聲頻段的回波信號變換成人耳可聽的聲音頻段，聲信號在降頻的同時在時域上被拉伸擴展，然后直接將該信號通過耳機傳送給人耳。人腦聽覺中樞是真正的信號處理器，聽覺系統可通過分析雙耳回波信號的強度，方向，頻譜分析判斷周圍的環境信息。使用著佩戴該設備后，邊用邊學，逐步開發人耳聽覺系統的回波定位能力，慢慢學會像蝙蝠、海豚一樣感知周圍環境的能力。
[0041 ] 有益效果
[0042]本發明給出的導盲儀與傳統的超聲導盲儀存在本質的區別，傳統導盲儀通過對回波信號的處理提取出障礙物信息并將這一信息反饋給使用者。本發明專利設備中的信號處理單元不提取障礙物信息，而是通過頻域投影形式將超聲頻段的回波信號變換成人耳可聽的聲音頻段，聲信號在降頻的同時在時域上被拉伸擴展，然后直接將該信號通過耳機傳送給人耳。人腦聽覺中樞是真正的信號處理器，聽覺系統可通過分析回波信號的強度，方向，頻譜特征來認知周圍的環境信息，因此該發明可逐步開發人耳聽覺系統的回波定位能力，使用者邊用邊學，慢慢學會像蝙蝠、海豚一樣感知周圍的環境。
[0043]傳統超聲導盲儀由于功能簡單，使用者往往可以很快掌握使用方法。本發明需要對使用者培訓，同時使用者要邊用邊學，完全掌握后其功能可遠遠超過傳統超聲導盲儀。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發明總體結構的外觀示意圖。
[0045]圖2是本發明的模塊結構示意圖。
[0046]其中，丨手持控制裝置，2發射控制單元，3超聲波發射單元，4超聲波接收單元，5信號處理單元，6放大、帶通濾波及AD轉換電路，7音頻信號產生模塊，8耳機，9頭盔，10發射換能器，11人工蝙蝠耳，12盲人專用型智能手機。
【具體實施方式】
[0047]如圖2所示，頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于包括手持控制裝置(I)，發射控制單元(2)，超聲波發射單元(3)，超聲波接收單元(4)，信號處理單元(5)，所述的手持控制裝置(I)通過信號處理單元(5)向所述的發射控制單元(2)發出指令，所述的發射控制單元(2)根據手持控制裝置(I)的指令而驅動超聲波發射單元(3)發射單脈沖超聲信號，所述超聲波接收單元(4)用于接收超聲波發射單元(3)發射的超聲信號的回波信號，并將回波信號通過放大、帶通濾波及AD轉換電路(6)后輸送至信號處理單元(5)，回波信號經信號處理單元(5)處理后傳輸至音頻信號產生模塊(7)，所述的音頻信號產生模塊(7)將產生的音頻信號傳輸至耳機(8);所述的超聲波發射單元(I)的工作頻段是10KHz--40KHz，所述超聲波接收單元(4)的接收頻段是10KHZ—40KHZ。
[0048]上述發射控制單元(2)根據手持控制裝置(I)的指令而驅動超聲波發射單元(3)發射不同強度、不同方向、不同時間間隔的單脈沖超聲信號;所述手持控制裝置(I)上設有選擇發射信號時間間隔，發射信號強度，發射換能器方向功能的按鍵。
[0049]如圖1，該導盲儀還包括一個頭盔(9)，所述超聲波發射單元(3)是安裝在頭盔(9)上的前后左右四個發射換能器(10)。
[0050]如圖1，所述的超聲波接收單元(4)包括安裝在頭盔(9)上的一對人工蝙蝠耳(11)，且所述一對人工蝙蝠耳(I I)的耳朵末端各有一個高精度寬帶傳聲器;所述高精度寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器相同為10ΚΗζ--40ΚΗζ。
[0051]所述的信號處理單元(5)是安裝于所述頭盔(9)或所述手持控制裝置(I)中的MCU裝置;或者所述的信號處理單元(5)是盲人專用型智能手機(12)，且該智能手機通過WIFI或者藍牙方式和超聲波發射單元(3)、超聲波接收單元(4)連接。
[0052]所述手持控制裝置(I)為現有技術中的盲人專用型智能手機(12)。
[0053]如圖1，一種基于頻域投影式超聲回波定位的導盲頭盔，其特征在于包括一個頭盔
(9)，該頭盔(9)上設有超聲波發射單元(3)，超聲波接收單元(4)，放大、帶通濾波及AD轉換電路(6)，音頻信號產生模塊(7)和耳機(8)，所述超聲波發射單元(3)是安裝在頭盔(9)正前方的一個發射換能器(10)或者是安裝在頭盔(9)上的前后左右四個發射換能器(10);所述的超聲波接收單元(4)包括安裝在頭盔(9)上的一對人工蝙蝠耳(11)，且所述一對人工蝙蝠耳(11)的耳朵末端各有一個高精度寬帶傳聲器;所述高精度寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器(10)的工作頻段均為10KHz--40KHz;所述的放大、帶通濾波及AD轉換電路(6)與所述高精度寬帶傳聲器相連，以對超聲波接收單元(4)接收的信號進行放大、帶通濾波及AD轉換處理;所述的音頻信號產生模塊(7)與耳機(8)相連，以將產生的音頻信號傳輸至耳機(8)。
[0054]利用上述頻域投影式超聲回波定位導盲儀進行探測障礙物的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0055]步驟1:將所述的導盲儀固定于使用者身體上，并使超聲波發射單元(3)能夠向前方發出信號；
[0056]步驟2:通過手持式控制裝置(I)向超聲波發射單元(3)發出指令，使超聲波發射單元(3)重復發射單脈沖信號;并調節發射信號的強度:發射信號的強度采用可線性調節的方式；
[0057]所述超聲波接收單元(4)接收周圍障礙物的反射波信號；
[0058]步驟3:上述反射波信號被轉換為電信號，再經放大、帶通濾波和AD轉換電路(6)后發送給信號處理單元(5)，
[0059]其中通過帶通濾波以濾除低頻噪聲干擾，只保留發射信號頻段(10KHZ-40KHZ);
[0060]步驟4:信號處理單元對AD轉換后的信號依次進行直達波幅度調節和時域等比例拉伸，
[0061]所述的直達波幅度調節:發射換能器10發射的超聲波信號一部分會經障礙物散射并返回至蝙蝠耳11，一部分則會直接傳輸到蝙蝠耳11即直達波，直達波會影響對于散射波的分析和處理，因為幅度較大可能掩蔽目標回波，因此需要將直達波的幅度進行抑制，
[0062]由于發射換能器10與蝙蝠耳11之間的聲程差是固定的，因此信號處理單元能夠直接識別出直達波，進而壓縮直達波信號幅度，以使得壓縮后的直達波信號幅度同散射波幅度屬于一個量級，從而有利于使用者更清楚地聽到回波信號；
[0063]所述的時域等比例拉伸:由于發射單元3和接收單元4的工作頻段為人耳聽不到的超聲頻段，將時域信號等比例拉伸后，回波信號在頻域上可降低到人耳敏感的千赫茲頻段；同時由于各個障礙物回波的時間差較小，對于該時間差，人耳是難以區分，通過時域等比例拉伸使得障礙物回波信號時間差也被拉開，從而使人耳聽覺系統更容易區分出不同的障礙物回波；
[0064]步驟5:經上述直達波幅度調節和時域等比例拉伸處理后的信號，經耳機(8)轉換成聲信號，進而輸入到使用者耳朵;使用者通過耳機發出的聲信號以感知周圍的環境。
[0065]利用上述頻域投影式超聲回波定位導盲儀進行探測障礙物的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0066]步驟1:將所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀的頭盔(9)固定在使用者頭部，將手持控制裝置(I)持于手中；
[0067]步驟2:通過手持式控制裝置(I)選擇單脈沖信號的發射間隔時間:所述單脈沖信號在(10KHZ—40KHZ)范圍內，所述的間隔時間是在0.5s_5s之間選擇；
[0068]調節發射信號的強度:發射信號的強度可以線性調節；
[0069]選擇發射方向模式:發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，左前和右前四個發射換能器(10)同時發射;正前模式下只有正前的發射換能器(10)發射信號；
[0070]所述發射換能器(10)重復發射超聲波信號，所述頭盔上接收單元(4)的蝙蝠耳
(11)接收周圍障礙物的反射波；
[0071]步驟3:上述反射波信號經蝙蝠耳(11)中的高精度寬帶傳聲器將聲信號轉化為電信號，該電信號經放大、帶通濾波和AD轉換后發送給信號處理單元(5)，
[0072]其中通過帶通濾波以濾除低頻噪聲干擾，只保留發射信號頻段(10KHZ-40KHZ);
[0073]步驟4:信號處理單元(5)對AD轉換后的信號依次進行直達波幅度調節和時域等比例拉伸，
[0074]所述的直達波幅度調節:利用發射換能器與蝙蝠耳之間的聲程差識別出直達波，并壓縮直達波信號幅度，以使得壓縮后的直達波信號幅度同散射波幅度屬于一個量級；
[0075]所述的時域等比例拉伸:即將障礙物回波信號降低到人耳敏感的千赫茲頻段；
[0076]步驟5:經上述直達波幅度調節和時域等比例拉伸處理后的信號，經耳機(8)轉換成聲信號，進而輸入到使用者耳朵;使用者通過耳機發出的聲信號以感知周圍的環境；
[0077]步驟6:若使用者首先將發射方向模式設置成正向模式時，正前方發射換能器(10)發射單脈沖聲信號(頻率范圍10KHz-40KHz)，蝙蝠耳(9)接收到周圍障礙物的聲散射信號并使該信號經上述步驟3、4、5處理后經耳機(8)輸入使用者耳中，從而感知正前方是否存在障礙物；
[0078]當盲人朋友在陌生環境中行走時，可將發射方向模式設置成全向模式，此時，四個發射換能器同時發射單脈沖聲信號(頻率范圍10KHz-40KHz)，蝙蝠耳接收到周圍障礙物的聲散射信號并把該信號經上述步驟3，4，5處理后經耳機輸入給人耳，由于人耳聽覺系統本身就可感知聲音的方向，因此，使用者可判斷周圍360度范圍是否有障礙物，并能初步判斷其方位；當盲人朋友對某一障礙物感興趣時，可將發射方向模式設置成正前模式，此時，將正前方換能器指向障礙物，盲人朋友可根據障礙物的回波判斷障礙物精確的大小、距離，甚至形狀、材質。
[0079]上述步驟4的信號處理是通過M⑶中實現，即所述的信號處理單元采用安裝在導盲儀中的MCU;或者說是經AD轉換后的回波信號通過WIFI或藍牙通信方式發送給盲人專用智能手機(12)，通過智能手機實現信號處理，即導盲儀主要包括頭盔(9)與發射、接收單元，以及WIFI或藍牙模塊，而將智能手機(12)作為信號處理單元。
[0080]實施例
[0081]本發明研發的一種超聲頻段的回波定位導盲系統，硬件上包含MCU(MicroController Unit)控制和信號處理單元、固定在使用者頭頂的聲發射單元及其驅動電路、聲接收單元及其前置放大-濾波及AD轉換電路、音頻信號產生模塊等構成，具體結構如圖2所示。
[0082]超聲發射單元和接收單元以及接收信號的前置放大、濾波電路固定在一個可佩戴在盲人頭上的頭盔上，合稱聲收發頭盔。發射單元包含四個發射換能器，分別按裝在正前，正后，左前和右前四個方向。發射換能器采用寬帶超聲發射器，工作頻段10KHz--40KHz。接收單元包含一對人工蝙蝠耳和兩個高精度寬帶傳聲器。人工蝙蝠耳模擬蝙蝠外耳廓形狀，用硅膠制成，傳聲器安裝在該裝置的后端。寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器相同為10KHz—40KHz。
[0083]該系統周期性的向周圍發射超聲波，并將接收的回波信號經過放大、濾波和AD轉換后發送給信號處理單元，其將信號做降頻處理后得到的可聽聲信號通過耳機發送給盲人(使用者)，盲人聽到的是周圍回波信號的“滴答”聲，使用者邊用邊學，可逐步學會像蝙蝠、海豚一樣感知周圍的環境。
[0084]MQJ(Micro Controller Unit)控制和信號處理單元可以通過單片機實現，也可以將AD轉換后的回波數字信號通過WIFI或藍牙模塊發送給盲人智能手機端，通過手機端程序實現。
[0085]M⑶控制和信號處理單元中可采用了 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。該單元可通過有線或無線方式與聲收發頭盔連接。控制部分的主要功能是控制發射信號的波形、強度以及發射換能器工作模式。發射信號的波形包含掃頻信號和窄脈沖信號；發射信號的強度可以線性調節;發射換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，左前和右前四個發射器同時發射，正前模式下只有正前的發射器發射信號。
[0086]MCU端信號處理主要實現三個功能:(I)回波數字信號的帶通濾波，(2)時域信號等比例拉伸，(3)直達波幅度調節。回波數字信號帶通濾波主要濾除低頻噪聲干擾，增強信噪比。時域等比例拉伸將接收信號在時域拉伸開，使人耳聽不到的高頻信號降低到人耳敏感的千赫茲頻段附近的信號，同時目標回波時間差也被拉開，人耳聽覺系統共容易感知目標回波。直達波幅度調節主要功能是壓縮直達波信號幅度，發射換能器發出的信號直接被接收系統接收稱為直達波，其幅度較大，會掩蔽目標回波，因此把直達波信號壓縮到和目標回波相似的幅度有利于使用者更清楚地聽到回波信號。信號被接收信號處理單元處理后直接經耳機輸入到使用者耳朵。
[0087]使用者佩戴該設備后先選擇工作模式，包括:發射信號的波形;發射信號的強度可以線性調節;發射換能器方向包含全向模式和正前模式，全向模式下正前，正后，左前和右前四個發射器同時發射，正前模式下只有正前的發射器發射信號；該系統周期性的向周圍發射超聲波；
[0088]選定工作模式后，發射系統開始發射超聲波，接收系統接收周圍環境的散射波。接收的回波信號經過放大、濾波和AD轉換后發送給信號處理單元，其中帶通濾波主要濾除低頻噪聲干擾；
[0089]直達波幅度調節:直達波幅度調節主要功能是壓縮直達波信號幅度，發射換能器發出的信號可以直接被接收系統接收且幅度較大可能掩蔽目標回波，因此把直達波信號壓縮到和目標回波相似的幅度有利于使用者更清楚地聽到回波信號；
[0090]時域等比例拉伸:時域等比例拉伸將接收信號在時域拉伸開，使人耳聽不到的高頻信號降低到人耳可聽的千赫茲頻段附近的信號，同時目標回波時間差也被拉開，人耳聽覺系統更容易感知目標回波；
[0091]接收的回波信號被信號處理單元處理后直接經耳機輸入到使用者耳朵;使用者聽到的是周圍回波信號的“滴答”聲，使用者邊用邊學，可逐步學會像蝙蝠、海豚一樣感知周圍的環境。
【主權項】
1.頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于包括手持控制裝置(I)，發射控制單元(2)、超聲波發射單元(3)、超聲波接收單元(4)、信號處理單元(5)，所述的手持控制裝置(I)通過信號處理單元(5)向所述的發射控制單元(2)發出指令，所述的發射控制單元(2)根據手持控制裝置(I)的指令而驅動超聲波發射單元(3)發射單脈沖超聲信號，所述超聲波接收單元(4)用于接收超聲波發射單元(3)發射的超聲信號的回波信號，并將回波信號通過放大、帶通濾波及AD轉換電路(6)后輸送至信號處理單元(5)，回波信號經信號處理單元(5)處理后傳輸至音頻信號產生模塊(7)，所述的音頻信號產生模塊(7)將產生的音頻信號傳輸至耳機(8);所述的超聲波發射單元(I)的工作頻段是1KHz—40KHz，所述超聲波接收單元(4)的接收頻段是10KHZ—40KHZ。2.如權利要求1所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于發射控制單元(2)根據手持控制裝置(I)的指令而驅動超聲波發射單元(3)發射不同強度、不同方向、不同時間間隔的單脈沖超聲信號;所述手持控制裝置(I)上設有選擇發射信號時間間隔，發射信號強度，發射換能器方向功能的按鍵。3.如權利要求2所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于該導盲儀還包括一個頭盔(9)，所述超聲波發射單元(3)是安裝在頭盔(9)上的前后左右四個發射換能器(1)04.如權利要求3所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于所述的超聲波接收單元(4)包括安裝在頭盔(9)上的一對人工蝙蝠耳(11)，且所述一對人工蝙蝠耳(11)的耳朵末端各有一個高精度寬帶傳聲器;所述高精度寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器相同為 10KHz—40KHz。5.如權利要求3所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于所述的信號處理單元(5)是安裝于所述頭盔(9)或所述手持控制裝置(I)中的MCU裝置;或者所述的信號處理單元(5)是盲人專用型智能手機(12)，且該智能手機通過WIFI或者藍牙方式和超聲波發射單元(3)、超聲波接收單元(4)連接。6.如權利要求5所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀，其特征在于所述的手持控制裝置(I)集成于盲人專用型智能手機(12)上。7.—種基于頻域投影式超聲回波定位的導盲頭盔，其特征在于包括一個頭盔(9)，該頭盔(9)上設有超聲波發射單元(3)，超聲波接收單元(4)，放大、帶通濾波及AD轉換電路(6)，音頻信號產生模塊(7)和耳機(8)，所述超聲波發射單元(3)是安裝在頭盔(9)正前方的一個發射換能器(10)或者是安裝在頭盔(9)上的前后左右四個發射換能器(10);所述的超聲波接收單元(4)包括安裝在頭盔(9)上的一對人工蝙蝠耳(11)，且所述一對人工蝙蝠耳(11)的耳朵末端各有一個高精度寬帶傳聲器;所述高精度寬帶傳聲器的工作頻段與發射換能器(10)的工作頻段均為1KHz—40KHZ;所述的放大、帶通濾波及AD轉換電路(6)與所述高精度寬帶傳聲器相連，以對超聲波接收單元(4)接收的信號進行放大、帶通濾波及AD轉換處理；所述的音頻信號產生模塊(7)與耳機(8)相連，以將產生的音頻信號傳輸至耳機(8)。8.利用權利要求1所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀進行探測障礙物的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:將所述的導盲儀固定于使用者身體上，并使超聲波發射單元(3)能夠向前方發出信號； 步驟2:通過手持式控制裝置(I)向超聲波發射單元(3)發出指令，使超聲波發射單元(3)重復發射單脈沖信號；并調節發射信號的強度:發射信號的強度采用可線性調節的方式； 所述超聲波接收單元(4)接收周圍障礙物的反射波信號； 步驟3:上述反射波信號被轉換為電信號，再經放大、帶通濾波和AD轉換電路(6)后發送給信號處理單元(5)， 其中通過帶通濾波以濾除低頻噪聲干擾，只保留發射信號頻段(10KHZ-40KHZ); 步驟4:信號處理單元(5)對AD轉換后的信號依次進行直達波幅度調節和時域等比例拉伸， 所述的直達波幅度調節:利用發射單元(3)與接收單元(4)之間的聲程差識別出直達波，并壓縮直達波信號幅度，以使得壓縮后的直達波信號幅度同散射波幅度屬于一個量級；所述的時域等比例拉伸:即將障礙物回波信號降低到人耳敏感的千赫茲頻段； 步驟5:經上述直達波幅度調節和時域等比例拉伸處理后的信號，經耳機(8)轉換成聲信號，進而輸入到使用者耳朵;使用者通過耳機發出的聲信號以感知周圍的環境。9.利用權利要求4所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀進行探測障礙物的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:將所述的頻域投影式超聲回波定位導盲儀的頭盔(9)固定在使用者頭部，將手持控制裝置(I)持于手中； 步驟2:通過手持式控制裝置(I)選擇單脈沖信號的發射間隔時間:所述單脈沖信號在(ΙΟΚΗζ—40KHz)范圍內，所述的間隔時間是在0.5s_5s之間選擇； 調節發射信號的強度:發射信號的強度可以線性調節； 選擇發射方向模式:發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，左前和右前四個發射換能器(10)同時發射;正前模式下只有正前的發射換能器(10)發射信號； 所述發射換能器(10)重復發射超聲波信號，所述頭盔上接收單元(4)的蝙蝠耳(11)接收周圍障礙物的反射波； 步驟3:上述反射波信號經蝙蝠耳(11)中的高精度寬帶傳聲器將聲信號轉化為電信號，該電信號經放大、帶通濾波和AD轉換后發送給信號處理單元(5)，其中通過帶通濾波以濾除低頻噪聲干擾，只保留發射信號頻段(10KHZ-40KHZ); 步驟4:信號處理單元(5)對AD轉換后的信號依次進行直達波幅度調節和時域等比例拉伸， 所述的直達波幅度調節:利用發射換能器與蝙蝠耳之間的聲程差識別出直達波，并壓縮直達波信號幅度，以使得壓縮后的直達波信號幅度同散射波幅度屬于一個量級； 所述的時域等比例拉伸:即將障礙物回波信號降低到人耳敏感的千赫茲頻段； 步驟5:經上述直達波幅度調節和時域等比例拉伸處理后的信號，經耳機(8)轉換成聲信號，進而輸入到使用者耳朵;使用者通過耳機發出的聲信號以感知周圍的環境； 步驟6:若使用者首先將發射方向模式設置成正向模式時，正前方發射換能器(10)發射單脈沖聲信號(頻率范圍10KHz-40KHz)，蝙蝠耳(9)接收到周圍障礙物的聲散射信號并使該信號經上述步驟3、4、5處理后經耳機(8)輸入使用者耳中，從而感知正前方是否存在障礙物； 若使用者首先將發射方向模式設置成全向模式時，四個發射換能器(10)同時發射單脈沖聲信號(頻率范圍10KHZ-40KHZ)，蝙蝠耳(9)接收到周圍障礙物的聲散射信號并使該信號經上述步驟3、4、5處理后經耳機(8)輸入使用者耳中，利用人耳聽覺系統辨別聲音的方向，以判斷周圍360度范圍是否有障礙物，并初步判斷障礙物方位;當使用者對某一方位的障礙物感興趣時，將發射方向模式設置成正前模式，將身體轉向該障礙物以將正前方換能器(10)指向該障礙物，然后重復步驟3、4、5，以感知該障礙物。10.如權利要求9所述的進行探測障礙物的方法，其特征在于上述步驟4的信號處理是通過MCU中實現，即所述的信號處理單元采用安裝在導盲儀中的MCU;或者說是經AD轉換后的回波信號通過WIFI或藍牙通信方式發送給盲人專用智能手機(12)，通過智能手機實現信號處理，即導盲儀主要包括頭盔(9)與發射、接收單元，以及WIFI或藍牙模塊，而將智能手機(12)作為信號處理單元。
【文檔編號】A61H3/06GK105997448SQ201610285371
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月30日
【發明人】高大治, 劉進忠, 王好忠, 王寧
【申請人】中國海洋大學