專利名稱：一種基于多超聲波傳感器的導(dǎo)盲避碰裝置及其控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)導(dǎo)盲裝置，涉及信號(hào)處理、障礙物探測(cè)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國(guó)目前約有1000萬盲人，占全世界盲人總數(shù)的18%。盲人在獨(dú)自行走時(shí)主要依靠導(dǎo)盲裝置，最簡(jiǎn)單的裝置是普通的手杖，用它在地面上敲擊，可幫助盲人發(fā)現(xiàn)0. 5米以內(nèi)的障礙物。其缺點(diǎn)是探測(cè)距離近、需要使用人力來避碰障礙物，因此設(shè)計(jì)一款智能電子導(dǎo)盲裝置勢(shì)在必行。為了增加探測(cè)距離，電子導(dǎo)盲裝置一般采用超聲波傳感器，但是，現(xiàn)有的導(dǎo)盲裝置大多采用單超聲波傳感器，當(dāng)超聲波傳感器與障礙物形成一定角度時(shí)，超聲波會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，由此產(chǎn)生“幻影”現(xiàn)象，單傳感器不能有效地消除“幻影”現(xiàn)象，其智能性不高。 實(shí)用新型專利(專利號(hào)95235311. 3)公開了一種集收音、報(bào)警、導(dǎo)盲于一體的手持式多功能導(dǎo)盲裝置。該導(dǎo)盲裝置功能較多，但是其導(dǎo)盲功能僅僅是通過單傳感器超聲波探測(cè)前方是否有障礙物，將距離信號(hào)轉(zhuǎn)換為與周期或頻率成比例的脈沖信號(hào)，從而通過語音信號(hào)提醒盲人。該專利的不足之處在于該單超聲波導(dǎo)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(hào)，從而不能在復(fù)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(dǎo)盲裝置的“幻影”現(xiàn)象。發(fā)明專利(專利申請(qǐng)?zhí)?200610169717. 4)公開了一種智能的語音導(dǎo)盲裝置，該裝置特點(diǎn)在于采用兩個(gè)以上傳感器進(jìn)行多方位障礙物探測(cè)，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(yù)放大電路、帶通濾波電路等回波信號(hào)預(yù)處理電路，一個(gè)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(jiǎn)單的數(shù)量判決方法——依據(jù)相關(guān)位置檢測(cè)到障礙物的超聲波傳感器數(shù)量來判決是哪一類障礙物。該數(shù)量判決方法僅僅依靠檢測(cè)到障礙物的超聲波數(shù)量進(jìn)行判決，不能夠在復(fù)雜障礙物環(huán)境中有效的為盲人提供導(dǎo)目{曰息。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)不能夠在復(fù)雜障礙物環(huán)境中有效的為盲人提供導(dǎo)盲信息的不足，本發(fā)明提供一種基于多超聲傳感導(dǎo)盲避障裝置，在多傳感器測(cè)距的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊導(dǎo)盲控制算法，大大提高了導(dǎo)盲裝置在復(fù)雜障礙物環(huán)境情況下的適應(yīng)能力。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括多個(gè)收發(fā)一體的超聲波傳感器、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路、程控開關(guān)切換電路、主控制器、蜂鳴提醒電路、震動(dòng)提醒電路和溫度傳感器。主控制器控制溫度傳感器采集環(huán)境溫度信息，在程控開關(guān)切換電路的控制下，采取循環(huán)掃描方式逐個(gè)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器循環(huán)工作。工作過程中，主控制器通過超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)收發(fā)一體超聲波傳感器的探頭發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)超聲波遇到障礙物后反射并經(jīng)過探頭接收后，經(jīng)過超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路的放大、濾波、和固定電平比較之后，將得到的信號(hào)傳輸至主控制器，主控制器計(jì)算發(fā)射與接收時(shí)間差Δ t，依據(jù)之
4前采集到的環(huán)境溫度，根據(jù)聲速近似計(jì)算公式得出當(dāng)前環(huán)境溫度下的聲速c ^ c0+0. 607T, 其中Ctl = 331. 45m/s，T為當(dāng)前環(huán)境的攝氏溫度，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)超聲波傳感與障礙物之間距
h=\, 2、3，采用模糊導(dǎo)盲控制算法計(jì)算出盲人的行走方向，通過蜂鳴提醒
電路發(fā)出障礙報(bào)警，并通過安裝在使用者身體前方、左側(cè)和右側(cè)等不同部位的震動(dòng)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(gè)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(dǎo)盲裝置的視野范圍決定，一般選擇20°。在多傳感器發(fā)射、接收控制方面，采用程控開關(guān)切換電路，多個(gè)傳感器共用一套超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、超聲波接受驅(qū)動(dòng)電路，此設(shè)計(jì)方法一方面減少了芯片數(shù)量，節(jié)約了 PCB板面積，有助于導(dǎo)盲裝置小型化設(shè)計(jì)，節(jié)約了系統(tǒng)功耗，從而延長(zhǎng)了導(dǎo)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(shí)工作會(huì)產(chǎn)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(guān)切換電路的控制是在主CPU的控制下進(jìn)行通道的切換選擇的。超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路主要是將主控制器或者經(jīng)過主控制器觸發(fā)的外圍電路產(chǎn)生的一定頻率的超聲波脈沖信號(hào)，通過變壓器線圈耦合產(chǎn)生峰值為360V的高壓，從而驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射信號(hào)。變壓器線圈一方面起到了升壓作用，以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，另一方面，由于超聲波傳感器是收發(fā)一體化設(shè)計(jì)，因此起到了隔離發(fā)射與接收的作用。超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路主要是將接收到的微弱回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、與固定電平比較。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路包括放大電路、濾波電路和檢測(cè)電路，放大電路采用2 3級(jí)放大，輸出信號(hào)給濾波電路，濾波電路采用中心頻率為發(fā)射脈沖信號(hào)頻率的帶通濾波器，回波信號(hào)經(jīng)過濾波、放大之后，進(jìn)入信號(hào)檢測(cè)電路，該檢測(cè)電路依據(jù)檢測(cè)到的衰減的信號(hào)特性進(jìn)行檢測(cè)，輸出一個(gè)與回波信號(hào)有關(guān)的三角脈沖信號(hào)，該信號(hào)與固定電平(0. 7V)通過比較器比較輸出方波脈沖信號(hào)，該信號(hào)的上升沿代表接收回波時(shí)刻，該時(shí)刻與觸發(fā)超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊工作的時(shí)刻之差就是發(fā)射與接收時(shí)間差A(yù)t。本發(fā)明為了減小導(dǎo)盲裝置的體積，采取集成濾波放大芯片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(cè)電路由芯片TL852內(nèi)部電路完成，當(dāng)接收到4個(gè)脈沖時(shí)，通過REC引腳輸出三角脈沖信號(hào)，比較功能是由集成超聲波控制芯片TL851內(nèi)部的比較器完成的。其中的LC選頻電路是由電感和電容并聯(lián)組成的。主控制器的主要功能是(1)驅(qū)動(dòng)超聲波驅(qū)動(dòng)電路工作，發(fā)射超聲波脈沖；(2)計(jì)算發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)延差，從而計(jì)算與障礙物的距離；C3)控制溫度傳感器工作，讀取當(dāng)前環(huán)境溫度，以計(jì)算當(dāng)前環(huán)境溫度下聲波傳播速度；(4)依據(jù)模糊導(dǎo)盲控制算法，在復(fù)雜障礙物背景下計(jì)算出行走方向，并且控制蜂鳴、震動(dòng)傳感器工作，以給出提示信息。一般而言， 由于導(dǎo)盲裝置是電池供電產(chǎn)品，為了延長(zhǎng)導(dǎo)盲裝置的使用壽命，對(duì)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(diǎn)。當(dāng)主控制器選擇功耗較低的器件時(shí)，一般都是低電壓供電，因此IO電壓也是低電壓，當(dāng)外圍器件是5V邏輯時(shí)，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。主控制器的工作步驟如下(1)啟動(dòng)溫度傳感器工作，采集當(dāng)前環(huán)境溫度并記錄； (2)控制程控開關(guān)切換電路選擇某一位置超聲波傳感器，產(chǎn)生超聲波脈沖，控制超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路工作，發(fā)射脈沖，并啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；(3)信號(hào)經(jīng)過空氣衰減，遇到障礙物后反射，產(chǎn)生回波信號(hào)，經(jīng)過程控開關(guān)切換電路選擇和超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路的放大濾波，進(jìn)入主控制器，停止定時(shí)器，計(jì)算發(fā)射和接收時(shí)延差，求解與障礙物之間距離；(4)循環(huán)步驟 (2), (3)，直至所有超聲波傳感器測(cè)距完畢；( 在建立距離隸屬度函數(shù)、方向隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ)上，采取模糊數(shù)學(xué)中模糊乘法得出模糊避障算法的輸出左轉(zhuǎn)、前進(jìn)、右轉(zhuǎn)；(6)控制蜂鳴提醒電路和震動(dòng)提醒電路工作，給出行走方向的提示信息。根據(jù)實(shí)際導(dǎo)盲裝置設(shè)計(jì)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(cè)出的距離信息，超聲波布放的方向參數(shù)隸屬度的語言集合為{左前(Left Front, LF)，前(Front，F(xiàn)T)，右前(Right Front, RF)}，與障礙物距離參數(shù)隸屬度的語言集合為{近(Near Distance，ND)，中(Middle Distance，MD)，遠(yuǎn)(Far Distance，F(xiàn)D)，}。所述的模糊導(dǎo)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?yàn)檎较虻淖鴺?biāo)系。根據(jù)超聲波傳感器之間的角度關(guān)系，將全體超聲波傳感器的視野范圍分為以下幾個(gè)區(qū)域{右前 (-60° -40° )，前方(-40° 40° )，左前^)。 60° )}，依據(jù)右前隸屬度函數(shù)
權(quán)利要求
1. 一種基于多超聲波傳感器的導(dǎo)盲避碰裝置，包括多個(gè)收發(fā)一體的超聲波傳感器、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路、程控開關(guān)切換電路、主控制器、蜂鳴提醒電路、震動(dòng)提醒電路和溫度傳感器，其特征在于主控制器控制溫度傳感器采集環(huán)境溫度信息，在程控開關(guān)切換電路的控制下，采取循環(huán)掃描方式逐個(gè)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器循環(huán)工作，主控制器通過超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)收發(fā)一體超聲波傳感器的探頭發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)超聲波遇到障礙物后反射并經(jīng)過探頭接收后，經(jīng)過超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路的放大、濾波、和固定電平比較之后，將得到的信號(hào)傳輸至主控制器，主控制器計(jì)算發(fā)射與接收時(shí)間差A(yù)t，依據(jù)之前采集到的環(huán)境溫度得出當(dāng)前環(huán)境溫度下的聲速c ^ c0+0. 607T，其中C。= 331. 45m/s, T為當(dāng)前環(huán)境的攝氏溫度，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)超聲波傳感與障礙物之間距離& =C-At 2h=\, 2、 3，采用模糊導(dǎo)盲控制算法計(jì)算出盲人的行走方向，通過蜂鳴提醒電路發(fā)出障礙報(bào)警，并通過安裝在使用者身體不同部位的震動(dòng)提醒電路給出不同的行走方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多超聲波傳感器的導(dǎo)盲避碰裝置，其特征在于所述的多個(gè)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，傳感器之間存在水平夾角α，20° < α <40°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多超聲波傳感器的導(dǎo)盲避碰裝置，其特征在于所述的超聲波接收驅(qū)動(dòng)電路包括放大電路、濾波電路和檢測(cè)電路，放大電路采用2 3級(jí)放大，輸出信號(hào)給濾波電路，濾波電路采用中心頻率為發(fā)射脈沖信號(hào)頻率的帶通濾波器，回波信號(hào)經(jīng)過濾波、放大之后，進(jìn)入信號(hào)檢測(cè)電路，該檢測(cè)電路依據(jù)檢測(cè)到的衰減的信號(hào)特性進(jìn)行檢測(cè)，輸出一個(gè)與回波信號(hào)有關(guān)的三角脈沖信號(hào)，該信號(hào)與固定電平通過比較器比較輸出方波脈沖信號(hào)，該信號(hào)的上升沿代表接收回波時(shí)刻，該時(shí)刻與觸發(fā)超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊工作的時(shí)刻之差就是發(fā)射與接收時(shí)間差A(yù)t。
4.一種權(quán)利要求1所述基于多超聲波傳感器的導(dǎo)盲避碰裝置的控制算法，其特征在于包括下述步驟(1)建立以盲人正前方為0°，以盲人左手方向?yàn)檎较虻淖鴺?biāo)系，將全體超聲波傳感器的視野范圍分為{右前(-60(4060° )}，依據(jù)右前隸屬度函數(shù)傘=-40° )，前方(-40 1 -60。<θ< -40。 θ_ 40一40" <θ<040° )，左前前方隸屬度函數(shù)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(shù)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(shù)關(guān)系，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(yuǎn)(彡450cm)}，依據(jù)近距離隸屬度函數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制算法，其特征在于所述的二值化處理中，當(dāng)向量V中元素Vl<T時(shí)，ν'工=。，當(dāng)向量V中元素Vl>T，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(jù)權(quán)利要求5所述的控制算法，其特征在于所述的判決門限T選擇范圍是 0. 2 ≤ T ≤0. 5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多超聲波傳感器的導(dǎo)盲避碰裝置及其控制算法，主控制器控制溫度傳感器采集環(huán)境溫度信息，采取循環(huán)掃描方式逐個(gè)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器循環(huán)工作，超聲波反射并經(jīng)過探頭接收后，經(jīng)過放大、濾波和比較，將信號(hào)傳輸至主控制器，主控制器計(jì)算發(fā)射與接收時(shí)間差，依據(jù)之前采集到的環(huán)境溫度得出當(dāng)前環(huán)境溫度下的聲速計(jì)算每個(gè)超聲波傳感與障礙物之間距離，采用模糊導(dǎo)盲控制算法計(jì)算出盲人的行走方向，通過蜂鳴提醒電路發(fā)出障礙報(bào)警，并通過安裝在使用者身體不同部位的震動(dòng)提醒電路給出不同的行走方向。本發(fā)明大大提高了導(dǎo)盲裝置在復(fù)雜障礙物環(huán)境情況下的適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)G01S15/93GK102385056SQ20111023049
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)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(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)