[發明專利]一種基于多超聲波傳感器的導盲避碰裝置及其控制算法

無效

• 申請號: 201110230493.4
• 申請日: 2011-08-11
• 公開（公告）號: CN102385056A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 王璇;王海燕;閆永勝;申曉紅;張譯欠;李保軍;白峻;楊伏洲;梁武;花飛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S15/93
• 分類號: G01S15/93;A61H3/06
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明是一種計算機控制自動導盲裝置，涉及信號處理、障礙物探測等領域。

背景技術

我國目前約有1000萬盲人，占全世界盲人總數的18％。盲人在獨自行走時主要依靠導盲裝置，最簡單的裝置是普通的手杖，用它在地面上敲擊，可幫助盲人發現0.5米以內的障礙物。其缺點是探測距離近、需要使用人力來避碰障礙物，因此設計一款智能電子導盲裝置勢在必行。為了增加探測距離，電子導盲裝置一般采用超聲波傳感器，但是，現有的導盲裝置大多采用單超聲波傳感器，當超聲波傳感器與障礙物形成一定角度時，超聲波會產生鏡面反射，由此產生“幻影”現象，單傳感器不能有效地消除“幻影”現象，其智能性不高。實用新型專利(專利號：95235311.3)公開了一種集收音、報警、導盲于一體的手持式多功能導盲裝置。該導盲裝置功能較多，但是其導盲功能僅僅是通過單傳感器超聲波探測前方是否有障礙物，將距離信號轉換為與周期或頻率成比例的脈沖信號，從而通過語音信號提醒盲人。該專利的不足之處在于：該單超聲波導盲裝置僅僅給出是否有障礙物的提醒，而沒有給出具體的向左行走或向右行走的提示信號，從而不能在復雜的障礙物背景下有效的給出向左行走還是向右行走的提示信息，智能性不高。

因此采用多超聲波傳感器消除導盲裝置的“幻影”現象。發明專利(專利申請號：200610169717.4)公開了一種智能的語音導盲裝置，該裝置特點在于采用兩個以上傳感器進行多方位障礙物探測，能夠給出障礙物的距離、方向、高度等信息，但是該裝置采取預放大電路、帶通濾波電路等回波信號預處理電路，一個傳感器需要一套電路，致使電路體積增加；此外，在障礙物方位、類型等信息提示方面，該裝置采取簡單的數量判決方法——依據相關位置檢測到障礙物的超聲波傳感器數量來判決是哪一類障礙物。該數量判決方法僅僅依靠檢測到障礙物的超聲波數量進行判決，不能夠在復雜障礙物環境中有效的為盲人提供導盲信息。

發明內容

為了克服現有技術不能夠在復雜障礙物環境中有效的為盲人提供導盲信息的不足，本發明提供一種基于多超聲傳感導盲避障裝置，在多傳感器測距的基礎上，結合模糊導盲控制算法，大大提高了導盲裝置在復雜障礙物環境情況下的適應能力。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：包括多個收發一體的超聲波傳感器、超聲波發射驅動電路、超聲波接收驅動電路、程控開關切換電路、主控制器、蜂鳴提醒電路、震動提醒電路和溫度傳感器。主控制器控制溫度傳感器采集環境溫度信息，在程控開關切換電路的控制下，采取循環掃描方式逐個驅動超聲波傳感器循環工作。工作過程中，主控制器通過超聲波發射驅動電路驅動收發一體超聲波傳感器的探頭發射超聲波脈沖，當超聲波遇到障礙物后反射并經過探頭接收后，經過超聲波接收驅動電路的放大、濾波、和固定電平比較之后，將得到的信號傳輸至主控制器，主控制器計算發射與接收時間差Δt，依據之前采集到的環境溫度，根據聲速近似計算公式得出當前環境溫度下的聲速c≈c₀+0.607T，其中c₀＝331.45m/s，T為當前環境的攝氏溫度，進而計算每個超聲波傳感與障礙物之間距離采用模糊導盲控制算法計算出盲人的行走方向，通過蜂鳴提醒電路發出障礙報警，并通過安裝在使用者身體前方、左側和右側等不同部位的震動提醒電路給出不同的行走方向：直線行走、左前方行走、右前方行走。

所述的多個超聲波傳感器以腰帶方式置于盲人身體中部位置，傳感器布放于腰帶之上，傳感器之間存在一定的水平夾角α，夾角的選擇由超聲波傳感器的波束角和導盲裝置的視野范圍決定，一般選擇20°≤α≤40°。在多傳感器發射、接收控制方面，采用程控開關切換電路，多個傳感器共用一套超聲波發射驅動電路、超聲波接受驅動電路，此設計方法一方面減少了芯片數量，節約了PCB板面積，有助于導盲裝置小型化設計，節約了系統功耗，從而延長了導盲裝置的使用壽命；另一方面，由于障礙物的漫反射等作用，超聲波傳感器同時工作會產生相互之間的干擾，采用切換工作模式有效的避免了傳感器之間的干擾。程控開關切換電路的控制是在主CPU的控制下進行通道的切換選擇的。

超聲波發射驅動電路主要是將主控制器或者經過主控制器觸發的外圍電路產生的一定頻率的超聲波脈沖信號，通過變壓器線圈耦合產生峰值為360V的高壓，從而驅動超聲波傳感器發射信號。變壓器線圈一方面起到了升壓作用，以驅動超聲波傳感器，另一方面，由于超聲波傳感器是收發一體化設計，因此起到了隔離發射與接收的作用。