Устройство акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению

 

Использование: для ориентирования слепых в окружающем пространстве. Сущность изобретения: устройство содержит генератор сигналов, усилитель тракта излучения, передатчик, левый и правый ультразвуковые преобразователи, два аналого - цифровых преобразователя, два блока памяти, два цифроаналоговых преобразователя, два усилителя, два головных телефона, генератор синхронизирующих импульсов, два делителя частоты, два коммутатора, счетчик и блок задержки. 2 ил.

Изобретение относится к созданию приборов для ориентирования слепых в окружающем пространстве.

Известны технические системы и приборы, предназначенные для инвалидов по зрению и позволяющие им ориентироваться в окружающей обстановке.

В устройстве для помощи слепых при ходьбе излучается ультразвуковой сигнал. Прием осуществляется на пять ультразвуковых приемников и на фазовый детектор. Если разность фаз находится в пределах заданной области, определяется, что препятствие находится в границах некоторого телесного угла, соответствующего указанному известному сдвигу фаз.

Измерение расстояния до объекта, как правило, сводится к оценке времени задержек эхо-сигнала. Примером таких технических решений может служить аппарат и способ для оказания помощи в ориентировании слепых и людям с пониженным зрением.

Аппарат выполнен как прибор для измерения расстояния с помощью определения времени прохождения ультразвукового эхо-импульса. Данные о расстоянии преобразуют в акустически воспринимаемый звук определенной частоты.

Часть устройств представляет собой стационарные системы, например устройство для ведения слепых в городе. Оно позволяет слепым и плоховидящем перемещаться по определенному маршруту без помощи проводника. Состоит из кабеля или волокна, проложенного в грунте и передающего модулированный звуковой сигнал, принимаемый детектором в трости и передаваемый на приемник для сигнализации о любой опасности.

В настоящее время выделяют три направления развития технических систем визуализации окружающего пространства в помощь слепым.

К первому направлению относятся индикаторы свободного пути. Они наиболее просты и несут информацию только о наличии препятствия на пути следования слепого. Устройства используют узкий пучок акустической энергии и могут иметь форму карманного фонаря. Представление информации производится в звуковой или тактильной форме.

Воспринимается вибрация прибора, которая возрастает с приближением к объекту. Прибор представляет собой несомую в руке коробочку размером 15х15х3 см и весом 185 г. Используется только в качестве детектора препятствий. Можно установить одну из двух величин предельного расстояния, на котором будет "замечаться" объект как возможное препятствие, и вибратор начнет срабатывать 1 и 4 м. В зависимости от ситуации пользователь простым поворотом прибора может выбрать, по ширине или по высоте будет производиться излучение; в первом случае поступает много информации о "боковых" объектах, во втором голова незрячего хорошо защищена от опасности столкновения с такими "нависающими" препятствиями, как кузов грузовика, сильно наклоненный столб светофора и т. д.

Ультразвуковое излучение, восприятие вибрации. Крепится наподобие галстука на груди с поступлением вибрации на плечо, так что обе руки свободны. Информирует о наличии препятствия в заданных пользователем пределах расстояния. В отличие от аппарата Sicopilot предельное расстояние не ограничивается двумя величинами, а может регулироваться весьма широко. Кроме того, прибор имеет большой вертикальный угол излучения, что позволяет вовремя указать о наличии объекта, о который может удариться голова. Питание обеспечивает 15 ч непрерывного использования.

Восприятие вибрации. Изменяется частота колебаний. Прибор имеет форму карманного фонаря размером 14х6х4 см и весом 200 г. Несется в руке или крепится на груди. Сообщает о том, что в пределах установленной пользователем дальности появилось препятствие (можно выбрать одну из двух величин предельной дальности 1,5 и 2,5 м). По высоте звука определить, каково расстояние до объекта, если оно меньше предельного.

Неся "фонарь" в руке, незрячий получает возможность уточнить направление на препятствие, а иногда форму и размеры объекта. Ширина поля на расстоянии двух метров около 50 см.

Ультразвуковое излучение. Акустическое восприятие. Встроенный в прибор микропроцессор анализирует информацию и "решает", какая и в какой момент будет полезна для пользователя, выбирает ее элементы, значимые при определении степени опасности. Основное время прибор "молчит", давая возможность активно использовать для ориентирования слух и не загружая мозг излишней информацией. Звучит за две секунды до потенциального столкновения с препятствием. При этом микропроцессор учитывает и скорость движения незрячего. Крепится на голове, так что руки свободны. В основе прибора ультразвуковой радар с импульсами частотой 40 кГц. Восприятие вибрации коробочек размером 19х5х9 см и весом 190 г. Информация о расстоянии до препятствия в диапазоне 0,9-9 м. Питание хватает на 15 ч.

Второе направление предполагает использование слуха в максимальных пределах его возможностей для восприятия окружающей обстановки. Устройство позволяет осуществить локализацию объекта, получить информацию о левом, правом или верхнем направлениях на объект, а также расстояние до него. В устройстве такого типа возможно лоцировать несколько объектов одновременно, причем звуковой сигнал несет в себе некоторую информацию о природе объекта. Для обеспечения широкого поля зрения используется бинауральное восприятие.

Производится ультразвуковое излучение двумя трансдукерами. Бинауральный прием. Излучатель и приемник расположены в очковой оправе. Вес всей электроники 200 г. Удаленность объекта (2,1-3,4 м) определяется по высоте тона (чем ближе, тем выше), а направление по стереоэффекту. На расстоянии 2 м ширина поля 80 см.

Третье направления характеризуется попыткой моделировать зрение восприятием фронтальных образов окружающей среды с помощью набора тактильных стимуляторов на теле или даже набором электродов, вживленных в мозг.

Инфракрасные излучения (3 излучателя). Акустическое восприятие через наушники и одновременно через вибраторы под указательным пальцем. В отличие от большинства приборов электронного ориентирования предусмотрено использование сразу трех пар излучателей приемников. Они расположены в разных по высоте частях трости и "наблюдают" за соответствующими группами объектов: верхние защищают голову, средние информируют о стандартных препятствиях, а нижняя пара излучатель приемник имеет особенность. Определяемый ими звуковой тон возникает не при появлении объекта в поле отражения, а, наоборот, при его отсутствии. Эти элементы аппарата поставлены для реакции на понижение перед ногами и сообщают о ступенях вниз, ямах, крае платформы и других опасностях этого рода. Лазерная тифлотрость разрабатывалась в США, начиная с середины 60-х годов. Сейчас подобные трости достаточно широко используются. Ограничения налагаются ценами, достигающими несколько тысяч долларов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство представления пространственной информации [1] Используется ультразвуковой излучатель. Стереофоническое восприятие на два наушника. Многоэлементный звуковой дисплей. Излучатель и два приемника сконструированы в очковой оправе. Электроника и аккумуляторное питание находится в коробочке, которую можно поместить в карман. Питания хватает на пять часов.

Прибор обеспечивает получение информации о расстоянии до объекта (чем он дальше, тем звук выше), а также, в известных пределах, о его форме, размерах и фактуре. Таким образом, прибор представляет уже не простой индикатор препятствия, а в определенной степени анализатор среды со многими важными характеристиками. Однако, чем богаче выдается информация, тем больше нагрузка на пользователя. Необходимо перерабатывать достаточно сложную звуковую картину с привлечением таких переменных, как громкость, высота звука, тембровые характеристики.

Для успешной интерпретации выдаваемых прибором сообщений требуется долгий процесс освоения. Курсы по освоению аппарата в ФРГ длятся около месяца. Цена более 3000 долларов.

Сигнал, полученный в устройстве-прототипе, является искаженным и не позволяет использовать все возможности САЧ. Другая трудность восприятия эхо-сигнала связана с его длительностью. Порог восприятия поднимается при уменьшении длительности импульса, то есть короткие импульсы воспринимаются с большим трудом, чем длительные.

Целью изобретения является согласования частотного диапазона и длительности акустического сигнала со слуховым анализатором и получение более полной информации, содержащейся в эхо-сигнале.

Цель достигается тем, что в устройство акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению, содержащее генератор сигналов, правый и левый ультразвуковые преобразователи, последовательно соединенные первый усилитель и правый головной телефон, последовательно соединенные второй усилитель и левый головной телефон, последовательно соединенные усилитель тракта излучения и передатчик, дополнительно введены последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый вход которого соединен с выходом правого ультразвукового преобразователя (УЗП), а второй вход подключен к выходу первого коммутатора, первый блок памяти, первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход последнего является входом первого усилителя, последовательно соединенные второй АЦП, первый вход которого соединен с выходом левого УЗП, а второй вход подключен к выходу второго коммутатора, второй блок памяти, второй ЦАП, выход которого является входом второго усилителя, последовательно соединенные генератор синхронизирующих импульсов, подключенный своим выходом к первым входам коммутаторов и к первому входу счетчика, первый делитель частоты, соединенный своим выходом с вторыми входами обоих ЦАП, второй делитель частоты, выход которого является входом генератора сигналов и входом блока задержки, соединенного своим выходом с вторым входом счетчика и вторыми входами коммутаторов, третьи входы последних подключены к выходу счетчика, выход генератора сигналов соединен с входом усилителя тракта излучения.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор 1 сигналов, усилитель 2 тракта излучения, передатчик 3, правый и левый УЗП 4, 5, первый и второй АЦП 6, 7, блоки 8, 9 памяти, первый и второй ЦАП 10, 11, первый и второй усилители 12, 13, правый и левый головные телефоны 14, 15, генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) 16, первый и второй делители частоты (ДЧ) 17, 18, коммутаторы 19, 20, счетчик 21, блок 22 задержки. Генератор 1 сигналов, усилитель 2 тракта излучения, передатчик 3 образуют излучатель коротких импульсов.

В качестве УЗП 4, 5 можно использовать пьезоэлектрические преобразователи, обладающие малой инерционностью, позволяющие воспроизводить временную форму сигнала и получать сведения о его фазе, частоте и спектре [6, c. 269] АЦП 6, 7 выбираются, исходя из требуемого быстродействия, определяемого частотой зондирующих сигналов. Поскольку максимальная частота, используемая в подобных системах, составляет 120 кГц, необходимое быстродействие обеспечивает АЦП К 1108 ПВ1 с временем преобразования менее 0,9 мкс.

К ЦАП 10, 11 не предъявляется особых требований по быстродействию, поскольку частота считывания информации из блоков памяти значительно ниже частоты записи. Могут быть использованы ЦАП К 572 ПА 1 10В с временем преобразования 5 мкс, током потребления 2 ма и напряжением питания 10 В.

Коммутаторы 19, 20 обеспечивают запуск АЦП 6, 7 импульсом с выхода блока 22 задержки с некоторой задержкой после излучения зондирующего сигнала, при этом на АЦП поступают синхроимпульсы с ГСИ 16, и останов АЦП по имульсу переполнения со счетчика 21.

Счетчик 21 представляет собой двоичный счетчик, число разрядов которого выбирается из условия 2ⁿ N, где N число отсчетов входной реализации, определяемое соотношением N f_дТ_р, где f_д частота дискретизации; Т_р длительность обрабатываемой реализации; f_д 2f₁, где f₁ верхняя частота зондирующего сигнала; Т_р 2D_max/c, где D_max максимальная дальность действия устройства; c скорость распространения колебаний.

При f₁ 40 кГц D_max 15 м; T_p 0,09c N 7300.

В этом случае число разрядов n 13. Счетчик запускается импульсом с выхода блока 22 задержки.

ДЧ 17, 18 могут представлять собой двоичные счетчики [7] частота следования импульсов на выходе которых в 2ⁿ раз ниже частоты поступления входных импульсов, где n число разрядов счетчика.

Емкость блоков 8, 9 памяти должна обеспечивать запись отсчетов входной реализации. ЗУ широко распространены в цифровой технике [8] ГСИ 16 вырабатывают синхроимпульсы, задающие частоту аналого-цифрового преобразования входного процесса f_д.

Блок 22 задержки обеспечивает задержку ≈2τ_и где τ_и длительность излученного сигнала, что исключает попадание зондирующего импульса в приемный тракт. Наличие мертвой зоны, ввиду использования короткого импульса, в рассматриваемом устройстве не существенно. В качестве блока задержки можно использовать цифровые ЛЗ.

В целом устройство функционирует следующим образом.

С помощью генератора сигналов 1, усилителя тракта излучения 2, передатчика 3 в среду излучается очень короткий (ультракороткий) ультразвуковой импульс, близкий к δ-функции (временная диаграмма 1, фиг. 2). В этом случае с учетом пространственной координаты входной сигнал Х(,t) по сути представляет собой импульсную характеристику (ИХ) рассеивающего объекта x(,t) δ(,t)*h(,t) h(,t) (1) где - пространственная координата; h(,t) ИХ рассеивающего объекта;
* символ свертки.

Реализация отраженного сигнала поступает в АЦП 6, 7, где преобразуется в цифровую форму с частотой дискретизации f_д 2f₁ и заносится в блоки памяти 8, 9. Входная реализация показана на временной диаграмме 2 фиг. 2. С помощью ЦАП 10, 11 отсчеты из блоков памяти считываются в α раз медленнее, чем они заносились, что обеспечивает преобразование входной реализации по закону
x(,t) __→ x (2)
Частота считывания задается ДЧ 1. При этом
α= f₁/f₂, (3) где f₁ несущая частота сигнала;
f₂ средняя частота диапазона, воспринимаемого САЧ.

С учетом (1) соответственно изменится масштаб ИХ объекта
h(,t) __→ h (4)
Cреднюю частоту диапазона наилучшей слышимости необходимо подбирать для среднего пользователя, и она несколько превышает 1 кГц. Для выполнения соотношения (1) длительность сигнала должна быть сравнима с величиной 1/f₁.

Предположим f₁ 40 кГц, f_д 80 кГц, τ_и 50 мкс.

Если выбрать α 32, что обеспечивает 5-разрядный ДЧ 1,
f₂ 1,25 кГц.

Если сигнал испытывает отражение от объекта, имеющего протяженность в пространстве L, отраженный сигнал Х(t) будет испытывать в идеальном случае растяжение во времени до величины τ_и + 2L/c. Предположим, L 0,4 м. В этом случае длительность эхо-сигнала от рассеивающего объекта составит 2,47 мс. После его растяжения в α раз его длительность на выходах ЦАП 80 мс. Вся временная реализация на выходах ЦАП 10, 11 будет иметь длительность αT 2,9 с (временная диаграмма 3, фиг. 2).

Таким образом, сигнал на выходе ЦАП оказывается согласованным с САЧ как по частоте, так и по длительности. После усиления сигналы поступают в головные телефоны 14, 15 для слухового восприятия. Акустические сигналы на головных телефонах несут информацию об ИХ рассеивающего объекта. Частота излучения зондирующего импульса задается ДЧ 2. Целесообразно, чтобы за интервалом прослушивания следовал интервал молчания. В этом случае нет необходимости инвалиду по зрению прослушивать зондирующий сигнал для оценки дальности рассеивающих объектов.

Введение новых по сравнению с прототипом блоков позволило получить положительный эффект, а именно согласование частотного диапазона и длительности акустического сигнала со слуховым анализатором и выявление более полной информации, содержащейся в эхо-сигнале, для восприятия инвалидом по зрению.

Формула изобретения

Устройство акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению, содержащее генератор сигналов, правый и левый ультразвуковые преобразователи, последовательно соединенные первый усилитель и правый головной телефон, последовательно соединенные усилитель тракта излучения и передатчик, при этом выходы правого и левого телефонов являются соответственно первым и вторым выходами устройства, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь, второй аналого-цифровой преобразователь, второй блок памяти и второй цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные генератор синхронизирующих импульсов, первый делитель частоты, второй делитель частоты и блок задержки, первый и второй коммутаторы и счетчик, причем первые входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с выходами правого и левого ультразвуковых преобразователей, а вторые входы - соответственно с выходами первого и второго коммутаторов, первые входы которых соединены с выходом генератора синхронизирующих импульсов и первым входом счетчика, вторые входы первого и второго коммутаторов соединены с вторым входом счетчика и выходом блока задержки, а третьи входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом счетчика, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей соединены соответственно с входами первого и второго усилителей, выход второго делителя частоты соединен с входом генератора сигналов, выход которого соединен с входом усилителя тракта излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2