一種語音導盲裝置的制作方法

專利名稱:一種語音導盲裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種障礙檢測并給出導向的語音提示裝置，特別涉及語音導盲裝置。
背景技術：
現有的導盲工具不能檢測出障礙的方向和位置，提示不明確，給使用帶來不便或存在一些困難。
1、中國專利85100707的“一種作用距離可控的超聲導盲眼睛”，其缺點是如果要檢測近距離和遠距離是否有障礙，則需要不間斷地“低頭-抬頭”，使使用者的頸椎無法承受；因為傳感器的位置很高，探測地面障礙時需要俯視，而地面總有較強的返回信號干擾，所以對低于膝蓋地障礙顯得無能為力；提示信息也是非常單調的周期頻率聲音信息。。
2、中國專利90221811的“手電式音階語言導盲器”，它可以以不同音階來提示障礙距離，但不能直接判斷障礙的方向，因而需要使用者不停地對左右上下掃描，給使用者帶來極大不便。

發明內容本發明的目的在于設計一種便于攜帶，操作簡單，提示信息完整明確的導盲裝置，使盲人的獨立行走更方便。
本發明在結構上采用多傳感器合理分布，在算法上對采集結果進行相互比較運算，因而能夠直接給出障礙方向和位置的語音提示，給使用者帶來極大方便。
本發明包括收發一體超聲傳感器、預放大電路、帶通濾波電路、變增益放大電路、微控制處理器和超聲發射驅動電路以及語音輸出電路。微控制處理器首先通過超聲發射驅動電路驅動收發一體超聲傳感器發射超聲脈沖，超聲脈沖遇到障礙后發生反射，收發一體超聲傳感器感應到反射回波信號并傳給預放大電路，信號放大后經帶通濾波器傳輸到變增益放大電路，然后再傳輸到微控制處理器。微控制處理器對信號采集處理后控制語音芯片推動耳機或揚聲器播放提示信息，電池供電電源完成對整個電路供電。
本發明采用多個傳感器探頭，分別固定于使用者身體的不同位置。微處理器對各位置的傳感器分別檢測反射信號，并對檢測到的數據進行相互比較，從而判斷出障礙距離的遠近方向和高度，然后控制語音芯片給出“障礙位置x米”，“方向偏左或右”，“高度y”三類信息。
超聲檢測點數目最好在3個以上，以能夠同時分辨左右方向和高度信息。探頭可以采用單發、單收式配對使用作為一個檢測點，也可以用收發一體式探頭，一個探頭作為一個測試點。
因為超聲反射波(回波)信號很弱，所以檢測電路要完成預放大、濾波、變增益放大等功能。超聲反射波信號變化范圍從幾十毫伏到幾十微伏，需要檢測電路具有約一萬倍的信號放大能力和增益可變性。預放大電路一般采用三極管或集成高速放大器進行幾十倍到一百倍的交流放大。為了使信號能夠進一步放大，必須進行濾波處理。對于同一種型號的超聲探頭其中心頻率是不變的，所以濾波器設計為帶通濾波器，其中心頻率等于超聲探頭的中心頻率。可以采用LC分離元件構建，也可以采用運算放大器構建或集成濾波器芯片，其Q值一般要大于5。經濾波后的信號需要進一步放大才能滿足測量要求，由于超聲回波信號的變化范圍很寬一般60dB以上，所以要求放大電路具有變增益能力，可采用程控運算放大器或對數運算放大器，放大后的交流信號經過整流便可以被微控制處理器進行數據采集處理。完成變增益放大以及整流功能可以采用現有的專用集成電路直接實現。
超聲發射是靠交變電壓來驅動超聲發射頭壓電陶瓷形變進而發出超聲波，發射電壓的峰峰值一般需要100V左右，時間持續時間100-200微秒。而電路的供電電壓一般是5V，所以可采用變壓器來對5V發射信號進行升壓進而發射超聲波，其頻率與超聲發射頭的標稱頻率一致。
語音驅動芯片在微處理器控制下播放指定語音片段給出障礙信息提示。
微控制處理器完成各部分控制，包括各檢測點數掘采集，超聲發射信號控制，以及對采集的數掘進行分析處理，語音播放片段選擇控制等。微控制處理器首先通過超聲發射驅動電路驅動收發一體超聲傳感器發射超聲脈沖，然后在采集回波信號，計算出障礙位置信息后再控制語音芯片播放提示信息。
電池供電電源完成對整個電路供電。
微控制處理器對障礙位置計算過程如下微處理器對各傳感器進行數據采集，所得到數據是一條從發射開始計時的時間一幅度曲線。時間表示發射開始計時回波所經歷的時間，幅度表示回波的強度。這樣一條曲線可以得出障礙的距離信息。如果發現回波峰值，根據回波時間(t)，聲速(V)，可以計算出障礙距離(L)。L＝V×t/2。對左右布置的兩個傳感器所采集到的兩條曲線進行比較，可以判斷障礙的位置是在左邊還是在右邊。對同一障礙左右兩個傳感器采集到的兩條曲線會在同一時間坐標位置顯示峰值，對峰值進行比較，數值大者表示距障礙更近。如左側傳感器曲線波峰值大于右側曲線同一時刻的波峰值，則表示該障礙偏左側。在有噪聲干擾情況下，對波峰臨近區域的數據點相加求和，用該區域數掘和代表該波峰值可以減小噪聲干擾。如果波峰值數值相近則表示障礙在正前方。對不同高度上的傳感器依次采集，然后分析在該高度上是否發現障礙信息，可以判斷障礙高度。通過對以上多個傳感器的檢測分析可以得到障礙距離、方向、高度的完整信息從而給出語音提示。
圖1是本發明具體實施方式
電路原理圖，圖中1收發一體超聲傳感器，2預放大電路，3帶通濾波電路，4變增益放大電路，5微控制處理器，6超聲發射驅動電路，7語音輸出電路，8揚聲器和耳機，9電池供電電源；圖2是本發明具體實施方式
收發傳感器布置示意圖，圖中S1、S2、S3、S4、S5、S6收發一體式超聲傳感器，M主機盒；圖3是本發明裝置的采集數據示意圖；圖4是本發明障礙檢測流程框圖；圖5是本發明整機外形示意圖。B1選擇手動方式按鈕，B2選擇自動方式按鈕，B3設置自動檢測周期選擇撥碼，B4超聲傳感器引線插孔，B5耳機引出線插孔，B6手動檢測觸發按鈕，B7揚聲器，B8主機箱。
具體實施方式下面結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步說明。
本發明包括收發一體超聲傳感器1、預放大電路2、帶通濾波電路3、變增益放大電路4、微控制處理器5、超聲發射驅動電路6、語音輸出電路7，揚聲器和耳機8，電池供電電源9。如圖1所示，收發一體超聲傳感器1 NU40A18TR同時與發射驅動器6和預放大電路2相連。預放大電路2的輸出經帶通濾波電路3連接到變增益放大電路4，變增益放大電路4的輸出接到微控制處理器5 MSP430F1611，微控制處理5控制語音輸出電路7，語音輸出電路7的輸出接揚聲器8，微控制處理5同時控制超聲發射驅動電路6，超聲發射驅動電路6的輸出接收發一體超聲傳感器1。
微控制處理器5與超聲發射驅動電路6的三極管基極相連，三極管驅動變壓器工作，升壓變壓器輸出發射脈沖到收發一體超聲傳感器1，發出超聲脈沖頻率為40kHz，脈沖數是5-10個，脈沖電壓的峰峰值小于100伏。超聲脈沖的回波信號作用于收發一體超聲傳感器1NU40A18TR，會使其產生微弱的電壓信號，數值幾十毫伏到幾十微伏。收發一體超聲傳感器1與預放大電路2相連，輸入端反并聯兩支二極管對放大電路起到保護作用，預放大電路2采用高速運算放大器集成電路(如NE5532)進行交流放大，放大倍數設定為50倍。帶通濾波電路3可采用兩個運算放大器單元構成這兩個放大單元采用反并聯方式連接，它們的輸出經過一個電阻分別反饋入對方的輸入，這兩個放大單元的輸出通過一電阻和電容連接在一起，電阻與電容的接點同時與兩個放大單元的反相輸入端相連。中心頻率設定40kHz，帶寬±1kHz。帶通濾波電路3的輸出接變增益放大電路4，變增益放大電路4采用具有整流和對數放大特性的集成芯片AD8310，AD8310是具有對數放大特性的放大器，具有50微伏信號的檢測能力和95dB的動態范圍，它把交流的超聲波信號變為直流電平信號，可以直接用于數據采集。經變增益放大電路4輸出的信號送至微控制處理器5進行數據采集處理。微控制處理器5的數據采集頻率設定為40kHz，用于數據采集的轉換精度為12位，設定較高的采集頻率有利于對障礙精確的識別。從發射開始計時，采集的時間長度約30毫秒，對應的檢測距離范圍約5米。微控制處理器5同時與語音輸出電路7的語句選擇線相連控制需要發出的語音內容。語音輸出電路7主要由語音芯片APR9600組成，APR9600事先錄入需要的語句。APR9600的輸出是Sp+/Sp-兩根線可以直接和小功率揚聲器及耳機相連。可以通過控制的M1～M8腳來選擇播放的語音語句。因為一個芯片只能保存8條獨立的語句，而本發明要用到16條語句，所以實際上使用2片APR9600。微控制處理器5采用的芯片MSP430F1611有48個IO口，可選用任意16個IO口與這兩片APR9600的播放內容選擇腳M1～M8連接。工作中對某個選擇腳發送低電平脈沖，APR9600就通過揚聲器播放對應內容。供電模塊9共由2組5號電池組成，輸出±5伏，對電路供電。
本發明采用多傳感器檢測方法，傳感器的數目為6個。為了減少連線，收發一體式傳感器采用NU40A18TR，每個傳感器均有獨立發射超聲波和接受超聲波的功能。圖2是6個傳感器的位置布置方案圖。S1、S2布置在人體的膝蓋高度，S3、S4布置在腰部高度，S5、S6布置在雙肩高度，它們都指向正前方，左右對稱布置。同一高度上的S3與S4的左右間距以及S5，S6的左右間距都在30cm左右。這6個傳感器分為左右兩側分別通過屏蔽線或雙絞線用接頭插入主機M的6個插孔中。
本發明障礙檢測流程如圖4所示步驟1首先在微控制處理控制下傳感器S1發射超聲波脈沖，之后，微控制處理器對其進行反射信號檢測，得到S1對應的一條曲線，微處理器可以在1秒內完成對S1～S6六個收發一體式傳感器的循環檢測工作，得到六條數據曲線。
步驟2微控制處理器對每一條曲線進行數掘檢索，查看曲線是否出現較大幅度的上升峰值。如果六條曲線均未出現較大幅度的上升峰值，表示未發現反射波峰，則表明沒有障礙，給出“未發現障礙”提示，結束本次檢測，進入下一次檢測。
如果發現反射波峰，則進行步驟3障礙距離計算，微控制處理器根據障礙回波信號距發射的時間計算距離。例如發現反射波峰距發射18ms，距離L＝V*t/2＝330(米/秒)*0.018(秒)/2＝2.97米。則語音提示“障礙位置3米”。
步驟4如果右側回波信號強于左側，如圖3所示，則表明障礙偏右側，給出“方向偏右”，反之給出“方向偏左”。如果接近則給出“方向居中”提示。
然后進行障礙高度判斷。首先進行步驟5微控制處理器判斷傳感器S5或S6是否檢測到發射波峰，如果傳感器S5或S6檢測到反射波峰，表示障礙高度接近肩部，給出“高度3”的語音提示。結束本次檢測，進行下一輪檢測。
如果傳感器S5、S6未檢測到障礙則進入步驟6微控制處理器判斷傳感器S3或S4是否檢測到反射波峰，如果傳感器S3或S4檢測到反射波峰，而S5、S6未檢測到反射波峰，表示障礙高度接近腰部高度，將該高度定義為“高度2”，進行語音提示。結束本次檢測，進入下一輪檢測。
如果傳感器S3、S4也沒有檢測到障礙信號，則可以斷定障礙檢測到的信號來自傳感器S1或S2，表示障礙高度接近膝蓋高度，把該高度定義為“高度1”進行語音提示，進入下一輪檢測。
為了使語音提示簡潔，距離提示按照0.5米分檔；如提示“障礙位置2.5米”，“方向偏右”，“高度2”。語音芯片7APR9600首先通過錄音，錄入上述需要的全部語句。“障礙位置x米”，x可以是0.5/1/1.5/2/2.5/3/3.5/4/5米共9條；“方向偏左/偏右/居中”共3條；“高度1/2/3”共3條，如果5米內未發現障礙則提示“未發現障礙”語句一條，共16條語句。語音芯片APR9600可以方便地存儲8條語句，所以采用兩片APR9600。微處理器對采集的數據進行上述處理后，根據障礙的距離、方位、高度信息查找APR9600芯片中相應語句的地址，APR9600輸出語音流，控制揚聲器8或外接耳機進行提示。
在工作中本裝置可以設置兩種工作模式；手動工作模式和自動工作模式。如圖5，按下按鈕B1表示手動觸發檢測。在該模式工作時，只有當使用者閉合手動檢測觸發按鈕B6，才進行一次檢測。按下按鈕B2表示進入自動檢測模式。在該模式工作時，微處理器以設定的時間間隔自動檢測。時間間隔的設定由周期選擇撥碼B3左右移動換擋來選擇，可以設定3秒、5秒、10秒等時間間隔。
在自動模式下，設定好檢測時間間隔，使用者不需要做任何動作，儀器自動以設定的時間間隔進行語音提示。在某些情況下，使用者不希望其反復提示，按下B1，這是使用者按一下B6，儀器檢測一次，并只給出一次語音提示，這種模式可以節約電池電量。由此可見，使用非常方便，效果良好。
權利要求
1.一種語音導盲裝置，其特征在于包括收發一體超聲傳感器[1]、預放大電路[2]、帶通濾波電路[3]、變增益放大電路[4]、微控制處理器[5]、超聲發射驅動電路[6]、語音輸出電路[7]、揚聲器和耳機[8]和電池供電電源[9]；收發一體超聲傳感器[1]同時與超聲發射驅動電路[6]和預放大電路[2]相連，預放大電路[2]的輸出經帶通濾波器[3]連接到變增益放大電路[4]，變增益放大電路[4]的輸出接到微控制處理器[5]，微控制處理器[5]控制語音輸出電路[7]，語音輸出電路[7]的輸出接揚聲器[8]，微控制處理器[5]同時超聲發射驅動電路[6]，發射驅動器[6]的輸出接收發一體超聲傳感器[1]；微處理器對多個超聲傳感器檢測到的信號進行獨立和相互比較計算，得到障礙距離、方向和高度信息，并給出相應語音提示。
2.按照權利要求
1所述的語音導盲裝置，其特征在于2個以上超聲傳感器[1]，按照左右或上下方向布置，固定于使用者身體，方向指向前方，間距20～40厘米。
3.按照權利要求
1所述的語音導盲裝置，其特征在于在微控制處理控制下傳感器S1發射超聲波脈沖，之后，微控制處理器對S1通道進行反射信號檢測，然后類似逐個完成S2、S3、S4、S5、S6的發射超聲波脈沖與反射信號檢測，這樣就得到六條數據曲線；微控制處理器檢驗各曲線是否發現反射波峰，如果有則表示發現障礙，然后根據障礙回波信號距發射的時間計算距離，給出距離語音提示；如果右側傳感器S1、S3或S5信號大于對應左側傳感器S2、S4或S6信號則表示障礙偏右側，給出障礙方位提示；如傳感器S1、S2檢測到障礙信號，而S3、S4、S5、S6未檢測到障礙信號，表示障礙高度接近膝蓋高度，把該高度定義為“高度1”進行語音提示；如果傳感器S3、S4檢測到障礙，而S5、S6未檢測到障礙表示高度接近腰部高度，將該高度定義為“高度2”進行語音提示；如果傳感器S5、S6，檢測到障礙表示障礙高度接近肩部，給出“高度3”的語音提示。
專利摘要
一種語音導盲裝置，兩個以上超聲傳感器[1]固定在使用者身體左右或上下方位，指向前方。此裝置包括收發一體超聲傳感器[1]、預放大電路[2]、帶通濾波電路[3]、變增益放大電路[4]、微控制處理器[5]、超聲發射驅動電路[6]、語音輸出電路[7]、揚聲器和耳機[8]和電池供電電源[9]。微處理器對多個超聲傳感器檢測到的信號進行獨立處理和相互比較計算，得到障礙距離、方向和高度信息，并給出相應語音提示。本發明便于攜帶，操作簡單，提示信息完整明確，使盲人的獨立行走更加方便。
文檔編號A61H3/06GK1994245SQ200610169717
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日
發明者郭少朋, 方光榮, 韓立 申請人:中國科學院電工研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan