一種基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置及其控制算法的製作方法
2023-05-22 11:34:41
專利名稱：一種基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置及其控制算法的製作方法
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，佔全世界盲人總數的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，電子導盲裝置一般採用超聲波傳感器，但是，現有的導盲裝置大多採用單超聲波傳感器，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、導盲於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衝信號，從而通過語音信號提醒盲人。該專利的不足之處在於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，從而不能在複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。因此採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，該裝置特點在於採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，但是該裝置採取預放大電路、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，該裝置採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，不能夠在複雜障礙物環境中有效的為盲人提供導目{曰息。
發明內容
為了克服現有技術不能夠在複雜障礙物環境中有效的為盲人提供導盲信息的不足，本發明提供一種基於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複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採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採集環境溫度信息，在程控開關切換電路的控制下，採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髮射超聲波脈衝，當超聲波遇到障礙物後反射並經過探頭接收後，經過超聲波接收驅動電路的放大、濾波、和固定電平比較之後，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Δ t，依據之
4前採集到的環境溫度，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Ctl = 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
h=\, 2、3，採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，並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於盲人身體中部位置，傳感器布放於腰帶之上，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範圍決定，一般選擇20°。在多傳感器發射、接收控制方面，採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晶片數量，節約了 PCB板面積，有助於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，由於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幹擾，採用切換工作模式有效的避免了傳感器之間的幹擾。 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衝信號，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，由於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。超聲波接收驅動電路主要是將接收到的微弱回波信號進行放大、濾波、與固定電平比較。為了實現上述功能，超聲波接收驅動電路包括放大電路、濾波電路和檢測電路，放大電路採用2 3級放大，輸出信號給濾波電路，濾波電路採用中心頻率為發射脈衝信號頻率的帶通濾波器，回波信號經過濾波、放大之後，進入信號檢測電路，該檢測電路依據檢測到的衰減的信號特性進行檢測，輸出一個與回波信號有關的三角脈衝信號，該信號與固定電平(0. 7V)通過比較器比較輸出方波脈衝信號，該信號的上升沿代表接收回波時刻，該時刻與觸發超聲波發射驅動模塊工作的時刻之差就是發射與接收時間差At。本發明為了減小導盲裝置的體積，採取集成濾波放大晶片TL852，其中的濾波電路的中心頻率通過外圍的 LC選頻電路選擇。檢測電路由晶片TL852內部電路完成，當接收到4個脈衝時，通過REC引腳輸出三角脈衝信號，比較功能是由集成超聲波控制晶片TL851內部的比較器完成的。其中的LC選頻電路是由電感和電容並聯組成的。主控制器的主要功能是(1)驅動超聲波驅動電路工作，發射超聲波脈衝；(2)計算發射和接收信號的時延差，從而計算與障礙物的距離；C3)控制溫度傳感器工作，讀取當前環境溫度，以計算當前環境溫度下聲波傳播速度；(4)依據模糊導盲控制算法，在複雜障礙物背景下計算出行走方向，並且控制蜂鳴、震動傳感器工作，以給出提示信息。一般而言， 由於導盲裝置是電池供電產品，為了延長導盲裝置的使用壽命，對主控制器以及其他外圍電路要求是具有低功耗特性，在主控制器的選擇上尤其注意這一點。當主控制器選擇功耗較低的器件時，一般都是低電壓供電，因此IO電壓也是低電壓，當外圍器件是5V邏輯時，需要進行電平轉換。主控制器的工作步驟如下(1)啟動溫度傳感器工作，採集當前環境溫度並記錄； (2)控制程控開關切換電路選擇某一位置超聲波傳感器，產生超聲波脈衝，控制超聲波發射驅動電路工作，發射脈衝，並啟動定時器開始計時；(3)信號經過空氣衰減，遇到障礙物後反射，產生回波信號，經過程控開關切換電路選擇和超聲波接收驅動電路的放大濾波，進入主控制器，停止定時器，計算發射和接收時延差，求解與障礙物之間距離；(4)循環步驟 (2), (3)，直至所有超聲波傳感器測距完畢；( 在建立距離隸屬度函數、方向隸屬度函數的基礎上，採取模糊數學中模糊乘法得出模糊避障算法的輸出左轉、前進、右轉；(6)控制蜂鳴提醒電路和震動提醒電路工作，給出行走方向的提示信息。根據實際導盲裝置設計需求，模糊算法輸入量為超聲波傳感器所在的方向信息和超聲波傳感器測出的距離信息，超聲波布放的方向參數隸屬度的語言集合為{左前(Left Front, LF)，前(Front，FT)，右前(Right Front, RF)}，與障礙物距離參數隸屬度的語言集合為{近(Near Distance，ND)，中(Middle Distance，MD)，遠(Far Distance，FD)，}。所述的模糊導盲控制算法包括以下步驟(1)建立以盲人正前方為0°，以盲人左手方向為正方向的坐標系。根據超聲波傳感器之間的角度關係，將全體超聲波傳感器的視野範圍分為以下幾個區域{右前 (-60° -40° )，前方(-40° 40° )，左前^)。 60° )}，依據右前隸屬度函數
權利要求
1. 一種基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置，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，其特徵在於主控制器控制溫度傳感器採集環境溫度信息，在程控開關切換電路的控制下，採取循環掃描方式逐個驅動超聲波傳感器循環工作，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髮射超聲波脈衝，當超聲波遇到障礙物後反射並經過探頭接收後，經過超聲波接收驅動電路的放大、濾波、和固定電平比較之後，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At，依據之前採集到的環境溫度得出當前環境溫度下的聲速c ^ c0+0. 607T，其中C。= 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& =C-At 2h=\, 2、 3，採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，並通過安裝在使用者身體不同部位的震動提醒電路給出不同的行走方向。
2.根據權利要求1所述的基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置，其特徵在於所述的多個超聲波傳感器以腰帶方式置於盲人身體中部位置，傳感器布放於腰帶之上，傳感器之間存在水平夾角α，20° < α <40°。
3.根據權利要求1所述的基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置，其特徵在於所述的超聲波接收驅動電路包括放大電路、濾波電路和檢測電路，放大電路採用2 3級放大，輸出信號給濾波電路，濾波電路採用中心頻率為發射脈衝信號頻率的帶通濾波器，回波信號經過濾波、放大之後，進入信號檢測電路，該檢測電路依據檢測到的衰減的信號特性進行檢測，輸出一個與回波信號有關的三角脈衝信號，該信號與固定電平通過比較器比較輸出方波脈衝信號，該信號的上升沿代表接收回波時刻，該時刻與觸發超聲波發射驅動模塊工作的時刻之差就是發射與接收時間差At。
4.一種權利要求1所述基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置的控制算法，其特徵在於包括下述步驟(1)建立以盲人正前方為0°，以盲人左手方向為正方向的坐標系，將全體超聲波傳感器的視野範圍分為{右前(-60(4060° )}，依據右前隸屬度函數傘=-40° )，前方(-40 1 -60。<θ< -40。 θ_ 40一40" <θ<040° )，左前前方隸屬度函數00<θ< 60。dr2O汐+ 4040 40-Θ40 0-60° <θ< -40。 一40。<θ<00 < 6 < 40。、左前隸屬度函數dr、=0 -60" <θ<0 η—0<θ< 40° 400 40' <θ< 60。確定傳感器與障40° <θ< 60。礙物之間的方向隸屬度函數關係，其中θ是傳感器與正前方之間的夾角；將障礙物距離分為{近(彡150cm)，中(150cm 450cm)，遠(彡450cm)}，依據近距離隸屬度函數
5.根據權利要求4所述的控制算法，其特徵在於所述的二值化處理中，當向量V中元素VlT，V'工=1，得到二值化處理的向量V'，其中1 < 1 < 3，表示距離盲人近的障礙物所處方向，1 = 1表示左前方有障礙物，1 = 2表示前方有障礙物，1 = 3表示右前方有障礙物。
6.根據權利要求5所述的控制算法，其特徵在於所述的判決門限T選擇範圍是 0. 2 ≤ T ≤0. 5。
全文摘要
本發明公開了一種基於多超聲波傳感器的導盲避碰裝置及其控制算法，主控制器控制溫度傳感器採集環境溫度信息，採取循環掃描方式逐個驅動超聲波傳感器循環工作，超聲波反射並經過探頭接收後，經過放大、濾波和比較，將信號傳輸至主控制器，主控制器計算發射與接收時間差，依據之前採集到的環境溫度得出當前環境溫度下的聲速計算每個超聲波傳感與障礙物之間距離，採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，並通過安裝在使用者身體不同部位的震動提醒電路給出不同的行走方向。本發明大大提高了導盲裝置在複雜障礙物環境情況下的適應能力。
文檔編號G01S15/93GK102385056SQ20111023049
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月11日 優先權日2011年8月11日
發明者張譯欠, 李保軍, 楊伏洲, 梁武, 王海燕, 王璇, 申曉紅, 白峻, 花飛, 閆永勝 申請人:西北工業大學