可穿戴式的超声导盲装置

1.一种超声导盲装置，其特征在于包括：
一个头部安装支架(71)，用于被使用者佩戴在头部；
一个躯干安装支架(72)，用于被使用者佩戴在躯干；
至少一个膝盖安装支架(73，74)，用于被使用者佩戴在膝盖上；
供使用者携带的一个电路盒(6)；
其中所述至少一个膝盖安装支架(73，74)包括一个左膝安装支架(73)或/和一个右膝左膝安装支架(74)，用于被使用者分别佩戴在左右膝盖上；
且所述超声导盲装置进一步包括：
安装在所述头部安装支架(71)上的一个头部超声波收发单元(11)朝向正前方，安装在所述躯干安装支架(72)上的一个躯干超声波收发单元(12)朝向正前方，安装在所述左膝安装支架(73)上的一个左膝超声波收发单元I(13)和一个左膝超声波收发单元II(15)分别朝向正前方和朝向前斜下方，
安装在所述右膝安装支架(74)上的一个右膝超声波收发单元I(14)和一个右膝超声波收发单元II(16)分别朝向正前方和朝向前斜下方，
包括在所述电路盒(6)中的路况分析及报警参数自动调节模块(3)，用于判断前方是否有障碍物以及地面平整度的变化，并通过步行参数得到当前速度行走时碰到障碍的时间，
包括在所述电路盒(6)中的步行参数检测模块(2)，用于获取盲人使用者的步行参数，包括在所述电路盒(6)中的报警模块(4)，用于向盲人使用者发出前方是否有障碍以及相应的警报信息，
包括在所述电路盒(6)中的电源模块(5)，用于向各模块供电，
其中各所述超声波收发单元(11-16)用于发射超声波和接收被障碍物反射回的超声回波。
2.根据权利要求1所述的超声导盲装置，其特征在于：
所述步行参数检测模块(2)包括：
加速度传感器(21)，用于测量被使用者步态周期中站立中期和摆动中期的时刻获得步频信息，
步长设置单元(22)，用于根据设定的被使用者身高确定被使用者的步长信息。
3.根据权利要求2所述的超声导盲装置，其特征在于：
所述路况分析及报警参数自动调节模块(3)通过头部超声波收发单元(11)、躯干超声波收发单元(12)和支撑腿膝盖处朝正前方安装的超声波收发单元(13或14)实时探测的结果判断正前方是否有障碍以及计算到最近障碍物的距离和测得该障碍物的超声波收发单元位置；
所述路况分析及报警参数自动调节模块(3)通过支撑腿膝盖处朝向前斜下方的超声波收发单元(15或16)在支撑腿小腿与地面成直角的时刻探测的结果判断前方路面是否有坑道或台阶等地面平整度的变化以及计算盲人到该障碍的距离；
所述路况分析及报警参数自动调节模块(3)根据步行参数检测模块(2)获取的被使用者步行参数将到障碍的距离转化为按当前速度行走时碰到障碍的时间，当时间小于设定的危险阈值时向报警模块(4)传输处理结果。

可穿戴式的超声导盲装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及盲人行走辅助技术领域，更具体地说是涉及一种可穿戴式的超声导盲装置。\n背景技术\n[0002] 为了解决盲人出行不便，尤其是避免道路上障碍的问题，目前被广泛采用的盲人行动辅助系统是导盲犬和导盲杖。\n[0003] 导盲犬由于需要进行长时间的严格训练，并且费用昂贵，工作寿命有限，此外还需与盲人进行长时间的配合训练才能获得更好的导盲效果，在实际的广泛使用中困难重重。\n[0004] 导盲杖可分为传统导盲杖和电子导盲杖两种。传统导盲杖结构简单，仅仅是普通的木棒或其它材质的棒，其主要功能就是通过盲人不断的敲击地面探明前方0.5米内的固定障碍。电子导盲杖通过加入超声探头、红外探头或者摄像头对前方固定和运动物体进行探测，当发现障碍时向盲人使用者发出危险警报引起注意，引导其避开障碍。通过使用电子探测手段，扩大了导盲杖的可探测区域。\n[0005] 但是由于导盲杖的高度有限，对于悬空的半高障碍不易被探测；至于采用盲人到障碍的距离信息进行报警，盲人对距离的认知本身就不准确，并且还会受到盲人步行速度的影响，行走过慢时会因报警过早引发盲人不必要的担心，行走过快时会因报警不及时导致碰撞事故的发生；对于前方路面的坑道或台阶等地面平整度的变化，需要通过导盲杖的不断敲击才能探测，容易出现遗漏；此外，无论是使用导盲杖还是导盲犬，盲人均需要占用一只手。\n发明内容\n[0006] 为了解决现有导盲技术问题的不足，本发明设计了一种可穿戴式的超声导盲装置，能够解放行走过程中盲人的双手，能够全方位探测盲人身体前方和地面前方的障碍，并且用代表当前速度行走时碰到障碍时间的音频信号来进行预警，从而保障盲人的行走安全。\n[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种超声导盲装置，其特征在于包括：\n[0008] 一个头部安装支架，用于被使用者佩戴在头部；\n[0009] 一个躯干安装支架，用于被使用者佩戴在躯干；\n[0010] 至少一个膝盖安装支架，用于被使用者佩戴在膝盖上；\n[0011] 供使用者携带的一个电路盒。\n[0012] 根据本发明的另一个方面，提供了一种可穿戴式的超声导盲装置包括：多个超声波收发单元，用于发射超声波和接收被障碍物反射回的超声回波；多个安装支架，用于安装超声波收发单元，并佩戴在盲人使用者身体相应部位；步行参数检测模块：用于获取盲人使用者的步行参数；路况分析及报警参数自动调节模块，用于判断前方是否有障碍物以及地面平整度的变化，并通过步行参数得到当前速度行走时碰到障碍的时间；报警模块，用于向盲人使用者发出前方是否有障碍以及相应的警报信息；电源模块，用于向超声波收发单元、步行参数检测模块、路况分析及报警参数自动调节模块和报警模块供电。\n[0013] 所述的安装支架，用于安装相应的超声波收发单元并通过绳带或背心分别固定在盲人使用者头部，躯干以及两侧膝盖处，保证超声波收发单元朝正前方，从而对这些位置正前方的障碍物进行有效探测。同时，为了对地面前方的障碍进行探测，两侧膝盖处的支架还可朝前斜下方安装一个超声波收发单元。\n[0014] 所述的步行参数检测模块，包括：加速度传感器，用于测量盲人使用者步行中垂直加速度为极大值的时刻，即支撑腿小腿与地面成直角的时刻，进而获得被使用者的步频；步长设置单元，用于获得被使用者的步长。\n[0015] 所述的路况分析及报警参数自动调节模块，包括：控制单元，用于控制超声波收发单元发射超声波，并向处理单元传输超声波发射时间的信息；处理单元，1)用于判断正前方是否有障碍，若有，计算瞬时所有正前方的障碍物中最近障碍物与盲人间的距离以及测得该障碍物的超声波收发单元位置；2)用于判断前方路面是否有坑道或台阶等地面平整度的变化，若有，计算盲人到该障碍的距离；3)用于根据步行参数将到障碍的距离转化为按当前速度行走时碰到障碍的时间，当时间小于设定的危险阈值时向报警模块传输处理结果。\n[0016] 所述的报警模块，包括：解码单元，将路况分析及报警参数自动调节模块计算所得的处理结果转换为相应的报警音频信号；扬声器，用于将报警音频信号向盲人使用者播报，提示其注意前方的各种情况。采用扬声器进行报警可以降低对外界其他声音信息获取的影响。\n[0017] 本发明的优点包括：\n[0018] 1、通过音频信号向盲人使用者提示以当前速度行走时碰到障碍的时间，将可以避免以前现有超声导盲装置中以使用者到障碍的距离为报警信息所带来的问题，如：对距离的认知不准确；盲人步行速度的影响，行走过慢时会因报警过早引发盲人不必要的担心，而行走过快时会因报警不及时导致碰撞事故的发生；\n[0019] 2、可以对前方路面的坑道或台阶等地面平整度的变化进行探测。\n[0020] 3、可穿戴式的超声导盲装置可适用于不同性别，不同身高的盲人，并解放其双手；\n[0021] 4、超声波收发单元通过支架安装，便于盲人使用者佩戴超声波收发单元，并且行动方便和舒适；\n[0022] 5、在头部和躯干部位安装超声波收发单元后，可以方便对悬空的半高障碍进行探测。\n附图说明\n[0023] 图1是根据本发明的一个实施例的可穿戴式的超声导盲装置的结构框图；\n[0024] 图2是根据本发明的一个实施例的可穿戴式的超声导盲装置的示意图；\n[0025] 图3是根据本发明的一个实施例的对躯干处有最近障碍物探测的示意图；\n[0026] 图4是根据本发明的一个实施例的对前方路面有向下台阶探测的示意图。\n具体实施方式\n[0027] 如图1所示，根据本发明的一个实施例的可穿戴式的超声导盲装置包括：超声波收发单元1，步行参数检测模块2，路况分析及报警参数自动调节模块3，报警模块4和电源模块5。\n[0028] 超声波收发单元，根据安放位置分为：头部超声波收发单元11，躯干超声波收发单元12，左膝超声波收发单元I13，右膝超声波收发单元I14，左膝超声波收发单元II15，右膝超声波收发单元II16。步行参数检测模块2包括：加速度传感器21和步长设置单元22。\n路况分析及报警参数自动调节模块3包括：控制单元31和处理单元32。报警模块4包括：\n解码单元41和扬声器42。\n[0029] 根据本发明的一个实施例，如图2和图3所示，用于使用者佩戴的安装支架包括头部安装支架71、躯干安装支架72，左膝安装支架73和右膝安装支架74。\n[0030] 根据本发明的一个实施例，头部安装支架71和躯干安装支架72上各朝正前方安装有一个头部超声波收发单元11和躯干超声波收发单元12。\n[0031] 根据本发明的一个实施例，左膝安装支架73上分别朝向正前方安装左膝超声波收发单元I 13和朝向前斜下方左膝超声波收发单元II15(诸如15°夹角)；右膝安装支架\n74上分别朝向正前方安装右膝超声波收发单元I 14和朝向前斜下方右膝超声波收发单元II16。\n[0032] 根据本发明的一个实施例，使用者的左右膝盖处分别佩戴一个上述左膝安装支架\n73和右膝安装支架74。\n[0033] 借助包括上述安装支架7上的超声波收发单元1，能够对头部，躯干以及膝盖处正前方的障碍物和地面平整度的变化都能进行有效探测。\n[0034] 根据本发明的一个实施例，步行参数检测模块2，路况分析及报警参数自动调节模块3，报警模块4和电源模块5封装在一个电路盒6中；超声波收发单元1通过电源线和数据线分别与该电路盒6中的电源模块5和路况分析及报警参数自动调节模块3连接。为了使加速度传感器21的测量精度更准确，盲人使用者可将封装了加速度传感器21的该电路盒6佩戴在其腰间。开启电源开关61，盲人使用者根据自己的身高在电路盒6步长设置单元22的操作面板上设定身高获得其步长，可穿戴式的超声导盲装置就会开始工作。首先，处理单元32分别比较左膝超声波收发单元I 13和右膝超声波收发单元I 14所测距离值，以及左膝超声波收发单元II15和右膝超声波收发单元II16所测距离值，选用所测距离值较大的分别作为支撑腿膝盖处到前方障碍物和地面障碍距离。接着，处理单元32通过头部超声波收发单元11，躯干超声波收发单元12，左膝超声波收发单元I 13，右膝超声波收发单元I 14发射和接收超声波的时间差来判断正前方是否有障碍物以及计算到最近障碍物的距离和测得该障碍物的超声波收发单元位置；通过支撑腿膝盖处的超声波收发单元II(15或16)在最近两个支撑腿小腿与地面成直角的时刻所探测的到地面距离的改变量来判断前方路面地面平整度的变化，并根据上一时刻所探测的到地面的距离来计算到障碍的距离；通过加速度传感器21得到的步频和步长设置单元22，用于获得被使用者的步长信息设定的步长求得盲人使用者的瞬时步速，从而将到障碍距离转化为按当前速度行走时碰到障碍的时间。当时间小于设定的危险阈值时，处理结果传入报警模块4的解码单元41转换为相应的报警音频信号通过扬声器42向盲人使用者播报，提示前方是否有障碍，障碍的高度以及当前速度行走时碰到障碍的时间，从而保障其行走安全并解放其双手。\n[0035] 实例1前方躯干高度处有障碍物且距离最近\n[0036] 如图3所示，在盲人行走的前方有一个和躯干同高的广告牌。盲人在行走时，头部超声波收发单元11，躯干超声波收发单元12，左膝超声波收发单元I13和右膝超声波收发单元I14会对前方的障碍物进行实时的探测。处理单元32计算和比较头部超声波收发单元11，躯干超声波收发单元12和左膝超声波收发单元I 13(图3所示时刻，左腿为支撑腿)所探测的障碍物距离可确定前方躯干高度处有障碍物且距离最近。同时，处理单元32根据加速度传感器21测得的步频和步长设置单元22得到的步长求得盲人使用者的瞬时步速，最终得到当前速度行走时碰到障碍物的时间。当时间小于设定的危险阈值时，将此处理结果传入报警模块4的解码单元41转换为相应的报警音频信号通过扬声器42向盲人使用者播报，提示其注意前方有在躯干处的障碍物以及当前速度行走时碰到障碍物的时间。\n[0037] 实例2前方路面有向下台阶\n[0038] 如图4所示，在盲人行走的前方路面有一个向下的台阶。盲人在行走时，左膝超声波收发单元II15和右膝超声波收发单元II16会对地面前方的障碍进行探测。在支撑腿小腿与地面成直角的时刻，支撑腿膝盖处的超声波收发单元II(15或16)所发射的超声波经地面反射后接收，由处理单元32计算可得一个距离值，与前一个时刻的距离值作差。如图\n4所示，在第一时刻，右腿为支撑腿；在第二时刻，左腿为支撑腿；在第三时刻，右腿为支撑腿。当前方路面有台阶时最新的一个距离差值会突然急剧的增大。处理单元32通过将前一时刻的距离值和斜放超声波收发单元1与水平角的余弦作乘积，再与由步长设置单元22得到的步长作差得到此时距离台阶的距离。同时，处理单元32根据加速度传感器21测得的步频和步长设置单元22得到的步长求得盲人使用者的瞬时步速，最终得到按当前速度行走时碰到台阶的时间。当时间小于设定的危险阈值时，将此处理结果传入报警模块4的解码单元41转换为相应的报警音频信号通过扬声器42向盲人使用者播报，提示其注意前方路面有台阶和按当前速度行走时碰到台阶的时间。\n[0039] 根据本发明的一个方面，提供了一种超声导盲装置，其特征在于包括：\n[0040] 一个头部安装支架71，用于被使用者佩戴在头部；\n[0041] 一个躯干安装支架72，用于被使用者佩戴在躯干；\n[0042] 至少一个膝盖安装支架73，74，用于被使用者佩戴在膝盖上；\n[0043] 供使用者携带的一个电路盒6。\n[0044] 根据本发明的一个进一步的方面，上述的超声导盲装置进一步包括：\n[0045] 安装在所述头部安装支架71上的一个头部超声波收发单元11朝向正前方，[0046] 安装在所述躯干安装支架72上的一个躯干超声波收发单元12朝向正前方，[0047] 安装在所述左膝安装支架73上的一个左膝超声波收发单元I 13和一个左膝超声波收发单元II15分别朝向正前方和朝向前斜下方，\n[0048] 安装在所述右膝安装支架74上的一个右膝超声波收发单元I 14和一个右膝超声波收发单元II16分别朝向正前方和朝向前斜下方，\n[0049] 包括在所述电路盒6中的路况分析及报警参数自动调节模块3，用于判断前方是否有障碍物以及地面平整度的变化，并通过步行参数得到当前速度行走时碰到障碍的时间；\n[0050] 包括在所述电路盒6中的步行参数检测模块2，用于获取盲人使用者的步行参数；\n[0051] 包括在所述电路盒6中的报警模块4，用于向盲人使用者发出前方是否有障碍以及相应的警报信息；\n[0052] 包括在所述电路盒6中的电源模块5，用于向各模块供电；\n[0053] 其中各所述超声波收发单元1用于发射超声波和接收被障碍物反射回的超声回波。\n[0054] 根据本发明的一个进一步的方面，上述至少一个膝盖安装支架73，74包括一个左膝安装支架73和一个右膝左膝安装支架74，用于被使用者分别佩戴在左右膝盖上。\n[0055] 根据本发明的一个进一步的方面，上述超声导盲装置的所述步行参数检测模块2包括：\n[0056] 加速度传感器21，用于测量被使用者步态周期中站立中期和摆动中期的时刻获得步频信息，\n[0057] 步长设置单元22，用于根据设定的被使用者身高确定被使用者的步长信息。\n[0058] 根据本发明的一个进一步的方面，上述路况分析及报警参数自动调节模块3通过头部超声波收发单元11、躯干超声波收发单元12和支撑腿膝盖处朝正前方安装的超声波收发单元13或14实时探测的结果判断正前方是否有障碍以及计算到最近障碍物的距离和测得该障碍物的超声波收发单元位置；\n[0059] 所述路况分析及报警参数自动调节模块3通过支撑腿膝盖处朝向前斜下方的超声波收发单元15或16在支撑腿小腿与地面成直角的时刻探测的结果判断前方路面是否有坑道或台阶等地面平整度的变化以及计算盲人到该障碍的距离；\n[0060] 所述路况分析及报警参数自动调节模块3根据步行参数检测模块2获取的被使用者步行参数将到障碍的距离转化为按当前速度行走时碰到障碍的时间，当时间小于设定的危险阈值时向报警模块4传输处理结果。\n[0061] 附图标号说明\n[0062] 超声波收发单元1，头部超声波收发单元11，躯干超声波收发单元12，左膝超声波收发单元I 13，右膝超声波收发单元I 14，左膝超声波收发单元II15，右膝超声波收发单元`16，步行参数检测模块2，加速度传感器21，步长设置单元22，路况分析及报警参数自动调节模块3，控制单元31，处理单元32，报警模块3，解码单元41，扬声器42，电源模块5，电路盒6，电源开关61，安装支架7，头部安装支架71、躯干安装支架72，左膝安装支架73，右膝安装支架73。\n[0063] 应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。