УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ

Устройство акустического представления
пространственной информации
для инвалидов по зрению.
Заявляемая полезная модель относится к медицинской технике, в частности, к устройствам для ориентирования слепых в окружающем пространстве, и может быть использована при самостоятельном передвижении слепого в недетерминированной обстановке.
Известно устройство для ориентирования слепых по патенту РФ № 2049455 МКИ6 A61F9/08, содержащее задающий генератор, передатчик, приемник, электроакустический преобразователь, индикатор и блок обратной связи, управляющий работой задающего генератора. Передатчик излучает сигнал, промодулированный частотой задающего генератора. Эхо-сигнал, отраженный от препятствия, принимается приемником, с выхода которого сигнал поступает на электроакустический преобразователь (для выделения частоты модуляции) и на блок обратной связи (для определения амплитуды отраженного сигнала). С выхода электроакустического преобразователя сигнал с частотой модуляции поступает на звуковой или тактильный индикатор. Блок обратной связи управляет работой задающего генератора, меняя частоту модуляции в зависимости от амплитуды принятого эхо-сигнала. Пользователь может судить о приближении к препятствию по изменению интенсивности и частоты сигнала на выходе индикатора.
Основным недостатком известного устройства является то, что информационная частота определяется не расстоянием до отражающего объекта, а амплитудой отраженного сигнала, зависящей как от расстояния, так и от отражающих свойств объекта. Поэтому данное устройство
позволяет судить лишь об изменении расстояния до препятствия, но не об абсолютном значении расстояния.
Также известно устройство акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению, разработанное Лэсли Кэем (Новая Зеландия) и описанное в статье Кау L. Air Sonars with Acoustical Display of Spatial Information in (Busnel, R.G., and Fish, J.F.Ed) Animal Sonar Systems, pp.769-816. Plenum, New-York, 1980, принятое в качестве бдшжайшего аналога (прототипа). Преимущество прототипа, по сравнению с устройством по патенту РФ № 2049455 МКИ6 A61F9/08, заключается в том, что частота информационного сигнала, предоставляемого пользователю, пропорциональна расстоянию до отражающего объекта и не зависит от его отражающих свойств. Прототип содержит последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, генератор качающейся частоты, управляемый нанряжением, выходной усилитель и ультразвуковой излучатель, последовательно соединенные правый ультразвуковой приемник, правый предусилитель высокой частоты, правый смеситель сигналов, правый фильтр-усилитель низкой частоты и правый головной телефон, а также последовательно соединенные левый ультразвуковой приемник, левый предусилитель высокой частоты, левый смеситель сигналов, левый фильтр-усилитель низкой частоты и левый головной телефон, при этом входы опорного сигнала правого и левого смесителей сигналов соединены с выходами опорной частоты генератора качающейся частоты (cM.FIG.4 в описании прототипа). Прототип работает следуюпщм образом. В среду излучается ультразвуковой сигнал с линейной частотной модуляпдей. Закон изменения излучаемой частоты показан вверху на FIG. 5 в описании прототипа (сплошная линия). На ультразвуковые приемники поступает эхо-сигнал, отражеьшый от препятствия. Закон изменения принимаемой частоты показан на том же графике штриховой линией. При смешении сигналов излучаемой и принимаемой частот на выходах смесителей появляется сигнал биения, причем частота биений пропорциональна времени задержки эхо-сигнала, а следовательно, пропорциональна расстоянию до отражающего объекта. Сигнал с частотой биений отфильтровывается, усиливается и подается на головные телефоны. Параметры зондирующего сигнала подобраны так, чтобы для заданного диапазона расстояний частота биений находилась в диапазоне звуковых частот (приблизительно от 300 до 3000 Гц). По частоте звука в головных телефонах пользователь может судить о расстоянии до препятствия, а по разнице амплитуд сигналов в правом и левом головных телефонах - о направлении на препятствие. Основным недостатком прототипа является то, что в начале каждого периода Tg изменения излучаемой частоты возникает пауза в звуковом сигнале, равная времени задержки эхо-сигнала (интервал т на FIG. 5 в описании прототипа). Это кратковременное пропадание звука (см. FIG.7, b в описании прототипа) выражается в виде щелчка в головных телефонах. Щелчки повторяются с частотой порядка 5-10 раз в секунду. Это приводит к затруднению восприятия информации и утомлению пользователя. Другой недостаток прототипа связан с возникновением эффекта Допплера при движении пользователя относительно препятствия. Приближение (удаление) пользователя к препятствию приводит к увеличению (уменьшению) мгновенного значения звуковой частоты по сравнению со статическими условиями. На FIG. 10 в описании прототипа пггриховой линией показано, как менялась бы звуковая частота в головных телефонах при приближении пользователя к препятствию, если бы эффекта Допплера на существовало. Сплопшой линией на этом же графике изображено фактическое изменение звуковой частоты. Очевидно, среднее значение звуковой частоты смещается от «статических значений, что приводит к ощибке в определении рассто5шия до препятствия.
Задачей заявляемой полезной модели является устранение фазовых разрывов в акустическом сигнале для уменьшения интенсивности щелчков, мешающих пользователю, а также устранение влияния эффекта Допплера на осреднешгую частоту акустического сигнала при приближении (удалении) лощ1руемого объекта к пользователю, чтобы позволить пользователю более точно определять расстояние до движущегося объекта.
Указанная задача решается за счет того, что в устройстве акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению, содержащем последовательно соединенные генератор линейно изменяющейся частоты, усилитель напряжения, ультразвуковой излучатель, а также последовательно соединенные приемный ультразвуковой преобразователь, перемножитель, фильтр низкой частоты, усилитель низкой частоты, головной телефон, при этом вход опорного сигнала перемножителя соединен с выходом генератора линейно изменяющейся частоты, автором предложено, что генератор линейно изменяющейся частоты выполнен с симметричным законом изменения частоты.
Генератор линейно изменяющейся частоты может быть выполнен в виде последовательно соединенных источника зарядного тока, конденсаторного накопителя и генератора частоты, управляемого напряжением, а также последовательно включенных гистерезисного компаратора и источника разрядного тока, при этом вход гистерезисного компаратора соединен с выходом конденсаторного накопителя, а выход источника разрядного тока соединен с входом конденсаторного накопителя.
напряжением, нри этом выход инвертирующего интегратора соединен с входом гистерезисного комнаратора.
Может быть дополнительно введен переключатель режимов работы генератора линейно изменяющейся частоты, выход которого соединен со входом выбора режима генератора линейно изменяющейся частоты.
Может быть дополнительно введен детектор уровня выходного сигнала, вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты, а выход детектора уровня выходного сигнала соединен со входом управления усилением усилителя низкой частоты.
Может быть дополнительно введен пороговый шумоподавитель, вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты, а выход порогового шумоподавителя соединен со входом головного телефона.
Может быть дополнительно введен второй канал в виде последовательно соединенных приемногоультразвукового
преобразователя, перемножителя, фильтра низкой частоты, усилителя низкой частоты, головного телефона, при этом вход опорного сигнала перемножителя второго канала соединен с выходом генератора линейно изменяющейся частоты.
Технический результат полезной модели заключается в устранении фазовых разрывов в акустическом сигнале, благодаря чему уменьшается интенсивность щелчков, мешающих пользователю, а также в устранении влияния эффекта Дошшера на осредненную частоту акустического сигнала при приближении (удалении) лоцируемого объекта к пользователю, благодаря чему пользователь получает возможность более точно определять расстояние до движущегося объекта.
Благодаря построению генератора линейно изменяющейся частоты с использованием конденсаторного накопителя и источников зарядного и разрядного токов при соответствующей настройке соотношения зарядного и разрядного токов появляется возможность получить на выходе
генератора линейно изменяющейся частоты сигнал с частотой, симметрично меняющейся во времени.
Благодаря построению генератора линейно изменяющейся частоты с использованием инвертирующего интегратора появляется возможность получить на выходе генератора линейно изменяющейся частоты сигнал с частотой, симметрично меняющейся во времени, при этом симметричность изменения частоты обеспечивается автоматически.
Благодаря дополнительному введению в устройство переключателя режимов работы генератора линейно изменяющейся частоты устройство может работать в двух режимах: «ближняя зона и «дальняя зона. Пользователь переключает режимы по своему усмотрению, в зависимости от окружающей обстановки. В режиме «б.1ижняя зона осуществляется обнаружение объектов на расстоянии 0,1-1 м с высокой степенью разрешения. В режиме «дальняя зона устройство позволяет обнаруживать объекты на расстоянии 0,5-5 м.
Благодаря дополнительному введению в устройство детектора уровня выходного сигнала, акустический информационный сигнал на выходе головного телефона автоматически поддерживается на определенном уровне, устраняя резкие перепады громкости, з гомляющие пользователя.
Благодаря дополнительному введению в устройство порогового шумоподавителя, при отсутствии препятствий в зоне обнаружения происходит отключение головного телефона, отсекая прохождение на головной телефон ШЗШЕОВЫХ сигналов, мешаюпщх пользователю.
Благодаря дополнительному введению в устройство второго канала, устройство дает пользователю информацию не только о расстоянии до препятствия, но и о направлении на препятствие, обеспечивая более полное восприятие пользователем геометрии окружающей среды.
На Фиг.2 представлена структурная схема генератора линейно изменяющейся частоты с использованием конденсаторного накопителя и источников зарядного и разрядного токов.
На Фиг.З представлена структурная схема генератора линейно изменяющейся частоты с использованием инвертирующего интегратора.
На Фиг.4 представлена структурная схема устройства с введением переключателя режимов работы генератора линейно изменяющейся частоты.
На Фиг.З представлена структурная схема устройства с введением детектора уровня выходного сигнала.
На Фиг.6 представлена структурная схема устройства с введением порогового щумоподавителя.
На Фиг.7 представлена структурная схема устройства с введением второго канала.
На Фиг. 8 представлены графики изменения во времени частоты излучаемого сигнала, частоты эхо-сигнала и частоты биений.
На Фиг.9 представлена примерная осциллограмма сигнала, поступающего на головной телефон.
На Фиг. 10 представлен характер изменения во времени частоты биений при равномерном приближении пользователя к лоцируемому объекту.
Устройство акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению содержит генератор 1 линейно изменяющейся частоты с симметричным законом изменения частоты (ГЛИЧ-С), усилитель 2 напряжения (УН), ультразвуковой излучатель 3 (УИ), приемный ультразвуковой преобразователь 4 (ПУЗП), перемножитель 5 (ПМН), фильтр 6 низкой частоты (ФНЧ), усилитель 7 низкой частоты (УНЧ), головной телефон 8 (ТФ). Выход 9 ГЛИЧ-С 1 соединен со входом 10 УН 2, выход 11 УН 2 соединен со входом 12 УИ 3,
выход 13 ПУЗП 4 соединен с сигнальным входом 14 ПМН 5, вход 15 опорного сигнала ПМН 5 соединен с выходом 9 ГЛИЧ-С 1, выход 16 ПМН 5 соединен с входом 17 ФНЧ 6, выход 18 ФНЧ 6 соединен с входом 19 УНЧ 7, выход 20 УНЧ 7 соединен с входом 21 ТФ 8. Конструктивно УИ 3 и ПУЗП 4 могут быть расположены в отдельном корпусе, оформленном в виде брошки, закрепляемой на груди пользователя, или же УИ 3 и ПУЗП 4 могут располагаться вместе с другими элементами устройства, в общем корпусе, оформленном в виде «фонарика. Акустические оси УИ 3 и ЕГУЗП 4 направлены колинеарно. В качестве УИ 3 и ПУЗП 4 используются ультразвуковые преобразователи конденсаторного типа.
ГЛИЧ-С 1 в устройстве может быть выполнен в виде последовательно соединенных источника 22 зарядного тока (ИЗТ), конденсаторного накопителя 23 (КН) и генератора 24 частоты, управляемого напряжением (ГУН), а также последовательно соединенных гизтерезисного компаратора 25 (ГК) и источника 26 разрядного тока (ИРТ), при этом выход 27 ИЗТ 22 соединен с выходом 28 ИРТ 26 и с входом 29 КН 23, выход 30 КН 23 соединен с входом 31 ГУН 24 и с входом 32 ГК 25, выход 33 ГК 25 соединен с входом 34 ИРТ 26, выход ГУН 24 является выходом 9 ГЛИЧ-С (Фиг.2). Конденсаторный накопитель представляет собой конденсатор, заряжаемый и разряжаемый токами соответственно от ИЗТ 22 и ИРТ 26, и согласующий выходной каскад, например, эмитгерный повторитель на биполярном транзисторе. В качестве ИЗТ 22 и ИРТ 26 могут быть использованы, например, полевые транзисторы КПЗОЗА с подстроечными резисторами в цепях истоков. В качестве ГК 25 может быть использован операционный усилитель, охваченный положительной обратной связью. В качестве ГУН 24 может быть использована, например, микросхема 1561 ГГ.
этом выход 33 ГК 25 соединен с входом 37 ИИ 35, выход 38 ИИ 35 соединен с входом 31 ГУН 24 и с входом 32 ГК 25, выход ГУН 24 является выходом 9 ГЛИЧ-С 1 (Фиг.З). В качестве ИИ 35 может быть использован онерационный усилитель, включенный но схеме интегратора, с конденсатором в цени отрицательной обратной связи и времязадающим резистором на инветирующем входе.
В устройство может быть дополнительно введен переключатель 39 режимов работы (ПРР), выход 40 которого соединен с входом 41 выбора режима ГЛИЧ-С 1 (Фиг.4). Переключатель представляет собой тумблер на два положения и переключается вручную .
В устройство может быть дополнительно введен детектор 42 уровня выходного сигнала (Д), вход 43 детектора 42 соединен с выходом 20 УНЧ 7, а выход 44 детектора 42 соединен с входом 45 УНЧ 7 (Фиг.5).
В устройство может быть дополнительно введен пороговый шумоподавитель 46 (ШП), вход 47 которого соединен с выходом 20 УНЧ 7, а выход 48 шумоподавителя 46 соединен с входом 21 ТФ 8 (Фиг.6).
В устройство может быть дополнительно введен второй канал, состоящий из НУЗП 49, НМН 50, ФНЧ 51, УНЧ 52, ТФ 53, при этом выход 54 НУЗН 49 соединен с сигнальным входом 55 ПМН 50, вход 56 опорного сигнала НМН 50 соединен с выходом9 ГЛИЧ-С 1, выход 57 НМН 50 соединен с входом 58 ФНЧ 51, выход 59 ФНЧ 51 соединен с входом 60 УНЧ 52, выход 61 УНЧ 52 соединен с входом 62 ТФ 53. Геометрически НУЗН 4 и НУЗН 49 располагаются так, чтобы их акустические оси были направлены в горизонтальной плоскости под углом по отношению друг к другу и симметрично по отношению к акустической оси УИ 3. Конструктивно УИ 3, НУЗН 4 и ПУЗН 49 могут располагаться в оправе очков или в корпусе, оформленном в виде «бропши.
в целом устройство функционирует следующим образом. С номощью ГЛИЧ-С 1, УН 2 и УИ 3 в среду непрерывно излучается ультразвз совой зондирующий сигнал. Характер изменения частоты излучаемого сигнала во времени fasnCt) изображен на графике 63 (Фиг.8). Отраженный от объекта 64 эхо-сигнал воспринимается ПУЗП 4. Характер изменения частоты принимаемого сигнала во времени fnp(t) изображен на графике 65 (Фиг.8). С  ПУЗП 4 сигнал поступает на сигнальный вход 14 ПМН 5. Одновременно на вход 15 опорного сигнала ПМН 5 поступает сигнал с выхода 9 ГЛИЧ-С 1 с частотой изл(1). После перемножения этих сигналов на выходе 16 ПМН 5 возникает сигнал ультразвуковой частоты с низкочастотными биениями. Частота биений:
|U(t)-fx(t)|(1).
Характер изменения (t) изображен на графике 66 (Фиг.8). В периоды монотонного изменения fnanCt) и fiip(t):
Ш  т|ц| |ц|(2),
где т - время задержки эхо-сигнала;
Ц  dfH3n(t)/dt - скорость изменения частоты в излучаемом сигнале;
L - расстояние до лоцируемого объекта;
С - скорость звука в воздухе.
До тех пор, пока С и ц постоянны, значение f пропорционально L с коэффициентом пропорциональности (2|д/С), который называется кодом расстояния. В момент нарущения монотонности Гизл(0 начинается понижение частоты (t). За время (т/2) f6(t) плавно падает до нуля, а за последующий интервал (т/2) также плавно нарастает до первоначального
значения. Общая длительность «провала :(t) равна времени задержки эхо-импульса т.
Очевидно, что в отличие от прототипа, резкие скачки  здесь отсутствуют.
С выхода 16 ПМН 5 сигнал поступает на вход 17 ФНЧ 6 для отсечки высокочастотной составляющей и выделения низкочастотного сигнала с частотой б, после чего сигнал усиливается на УНЧ 7 и поступает на ТФ 8, предоставляя пользователю информацию о расстоянии до лощфуемого объекта. Примерный вид итф(1) сигнала, поступающего на вход ТФ 8, приведен на Фиг. 9.
В случае равномерного приближения пользователя к лощфуемому объекту со скоростью V возникает эффект Допплера, приводящий к изменению частоты принимаемого эхо-сигнала fnp(t) на величину Af  fH3n(t)(2V/C). Характер изменения (t) для случая равномерного приближения пользователя к объекту изображен на графике 67 (Фиг. 10). Участки кратковременных «провалов :(t) для простоты не показаны.
На участках возрастания излучаемой частоты (Тв), согласно формуле (1), для мгновенных значений частот можно записать:
ui  fim-(fnpo + Af)  uo - Af(3),
где f 1 - частота биений на участках возрастания излучаемой частоты;
fnp о - частота принимаемого эхо-сигнала при отсутствии эффекта Допплера;
1 о - частота биений при отсутствии эффекта Допплера.
На участках убывания излз аемой частоты (Ту), согласно формуле (1), для мгновенных значений частот:
где б 2 - частота биений на участках убывания излучаемой частоты. Поэтому, среднее значение частоты биений: йср - 1бо(5).
Характер изменения :feo(t) приведен на графике 68 (Фиг. 10).
Таким образом, среднее значение частоты биений не зависит от скорости движения лоцируемого объекта относительно пользователя, а несет информацию только о расстоянии до объекта. В то же время глубина модуляции частоты биений, равная М/ ср, несет информацию о скорости объекта относительно пользователя.
При построении ГЛИЧ-С 1 с использованием ICH 23, ИЗТ 22 и ИРТ 26 частота сигнала на выходе 9 ГУН 24 определяется напряжением на выходе 30 КП 23. Напряжение на выходе 30 КН 23 линейно изменяется под воздействием постоянных токов, заряжающих и разряжающих КН 23.  Причем зарядный ток с выхода 27 ИЗТ 22 поступает на вход 29 КН 23 постоянно, а разрядный ток с выхода 28 ИРТ 26 поступает на вход 29 КН 23 только при наличии разрещающего сигнала на входе 34 ИРТ 26, приходящего с выхода 33 ПС 25. Разрядный ток с выхода 28 ИРТ 26 имеет вдвое большую величину, чем величина зарядного тока с выхода 27 ИЗТ 22 (это достигается настройкой ИТЗ 22 и ИТР 26). В результате скорость разряда КН 23 при наличии разрядного тока равна скорости заряда КН 23 при отсутствии разрядного тока. Следовательно, напряжение на выходе 30 КН 23 возрастает (при отсутствии разрядного тока) и убывает (при наличии разрядного тока) с одинаковой скоростью. Когда напряжение на выходе 30 КН 23 достигает максимально заданного значения, ГК 25 переключается, и на выходе 33 КН 25 появляется разрешающей сигнал, вызывая появление разрядного тока на выходе 28 ИРТ 26. Начинается
процесс разряда КН 23. Когда напряжение на выходе 30 КН 23 достигает минимально заданного значения, на выходе ГК 25 появляется запрещающий сигнал и начинается процесс заряда КН 23. В результате напряжение на входе 31 ГУН 24 меняется по симметричному закону, вызывая изменение частоты сигнала на выходе 9 ГУН 24 также по симметричному закону (график 63 на Фиг. 8).
При построении ГЛИЧ-С 1 с использованием ИИ 35 частота сигнала на выходе 9 ГУН 24 определяется напряжением на выходе 38 ИИ 35. Когда напряжение на выходе 38 ИИ 35 достигает максимально заданного значения, ГК 25 переключается, и на выходе 33 ГК 25 появляется напряжение, близкое к положительному напряжению питания. В результате напряжение на выходе 38 ИИ 35 начинает линейно убывать. Когда напряжение на выходе 38 ИИ 35 достигает минимально заданного значения, ГК 25 переключается в противоположное состояние и на выходе 33 ГК 25 появляется напряжение, близкое к отрицательному напряжению питания. В результате напряжение на выходе 38 ИИ 25 начинает линейно возрастать. Нри обеспечении равенства положительного и отрицательного напряжений питания схемы характер изменения напряжения на выходе 38 ИИ 35 автоматически получается симметричным, вызывая изменение частоты сигнала на выходе 9 ГУН 24 по симметричному закону (график 63 на Фиг.8).
Нри введении дополннггельного переключателя 22 режимов работы пользователь получает возможность по своему усмотреьшю менять скорость изменения излучаемой частоты (параметр |х в Г.ЛИЧ-С 1). Величина ji может принимать два различных фиксированных значения в зависимости от положения переключателя 22. Нри большем значении |j, устройство имеет большей код расстояния и работает в режиме «ближняя зона (от 0,1 до 1 м). Нри меньшем значении ц код расстояния меньще, и устройство работает в режиме «дальняя зона (от 0,5 до 5 м). Нри работе в
«ближней зоне увеличивается разрешающая способность устройства по дальности и увеличивается время «молчания (отсутствия звукового сигнала на выходе ТФ 6) при отсутствии близких препятствий. При работе в «дальней зоне 5 еличивается расстояние, на котором может быть обнаружено препятствие.
При введении в устройство дополнительного детектора 25 уровня выходного сигнала уровень сигнала на выходе 20 УНЧ 7 автоматически поддерживается постоянным, устраняя пульсации амплитуды акустического сигнала в головном телефоне, мешающие пользователю.
В случае введения в устройство дополнительного порогового шумоподавителя 46 при уменьшении амплитуды сигнала на выходе 20 УНЧ 7 ниже порогового уровня шумоподавитель отключает вход 21 ТФ 8, отсекая прохождение в ТФ 8 шумовых сигналов, мешаюпщх пользователю.
При введении в устройство дополнительного второго канала на выходах ТФ 8 и ТФ 56 формируются звз ковые сигналы, разница амплитуд которых зависит от направления на лоцируемый объект, благодаря чему пользователь получает возможность определять как расстояние до объекта, так и направление на него.
Технический результат полезной модели заключается в устранении фазовых разрывов в акустическом сигнале, благодаря чему уменьшается интенсивность шелчков, мешающих пользователю, а также в устранении влияния эффекта Допплера на осредненную частоту акустического сигнала при приближении (удалении) лоцируемого объекта к пользователю, благодаря чему пользователь получает возможность более точно определять расстояние до движущегося объекта.
Пользователь переключает режимы по своему усмотрепию, в зависимости от окружающей обстановки. В режиме «ближняя зона осуществляется обнаружение объектов на расстоянии ОД-1 м с высокой степенью разрешения. В режиме «дальняя зона устройство позволяет обнаруживать объекты на расстоянии 0,5-5 м.
Благодаря дополнительному введению в устройство детектора уровня выходного сигнала, акустический информационный сигнал на выходе головного телефона автоматически поддерживается на определенном уровне, устраняя резкие перепады громкости, утомляюпще пользователя.
Благодаря дополнительному введению в устройство порогового шумоподавителя, при отсзпгствии препятствий в зоне обнарз жения происходит отключение головного телефона, отсекая прохождение на головной телефон шумовых сигналов, мешаюпщх пользователю.
Благодаря дополнительному введению в устройство второго канала, устройство дает пользователю информацию не только о расстоянии до препятствия, но и о направлении на препятствие, обеспечивая более полное восприятие пользователем геометрии окружающей среды.
bmi(f