РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ПРИБОР ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ДЛЯ СЛАБОВИДЯЩИХ И СЛЕПЫХ ЛЮДЕЙ
SPATIAL ORIENTATION RADAR DEVICE FOR VISUALLY IMPAIRED AND BLIND PEOPLE

Изобретение относится к реабилитационной медицинской технике, а именно к носимым электронным устройствам, позволяющим облегчить слабовидящим и слепым людям процесс ориентирования в пространстве при перемещениях внутри зданий и на открытых пространствах.
В настоящее время уровень развития радиоэлектроники позволяет разрабатывать и производить различные устройства, которые дают возможность значительно улучшить качество жизни слабовидящих и слепых людей. При этом данные устройства являются компактными и удобными в использовании.
Известен ультразвуковой локатор для слепых (патент РФ №2040234, авторы: Баскакова Н.В., Голдовский В.З., Григорьев Б.П., Никифоров С.А., Скребнев Г.К., Цветков A.M.; опубликовано 25.07.1995) содержащий соединенные последовательно мультивибратор, передатчик, электроакустический преобразователь, приемник, блок селекции по дальности, индикаторный блок, а также звуковой сигнализатор, при этом в него введены модулятор, сигнальный вход которого подключен к выходу индикаторного блока, а выход к звуковому сигнализатору, и блок пеленгования, первый вход которого подключен к выходу приемника, второй вход к выходу мультивибратора, третья группа N входов к N выходам блока селекции по дальности, а выход блока пеленгования - к управляющему входу модулятора.
Недостатком устройств, использующих ультразвуковое излучение, является высокая восприимчивость к помехам, особенно техногенного происхождения, например от транспортных средств и т.п., что делает затруднительным использование такого типа устройств в условиях города.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, выбранным в качестве прототипа, является устройство акустического представления пространственной информации для пользователей (патент РФ №2515089, авторы: Владыко Андрей Геннадьевич (RU), Доценко Ю.С., Фофанова И.В., Бескин Д.А., Сапрыкин А.В., опубликовано 10.05.2014), содержащее последовательно соединенные генератор сигналов, усилитель тракта излучения и передатчик, последовательно соединенные правый ультразвуковой преобразователь (УЗП), первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый блок памяти, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), первый усилитель и правый головной телефон, последовательно соединенные второй УЗП, второй АЦП, второй блок памяти, последовательно соединенные второй ЦАП, второй усилитель и левый головной телефон, при этом выходы правого и левого головных телефонов являются соответственно первым и вторым выходами устройства, последовательно соединенные генератор синхронизирующих импульсов, первый делитель частоты, второй делитель частоты и блок задержки, первый и второй коммутаторы и счетчик, причем вторые входы первого и второго АЦП соединены 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 со вторым входом счетчика и выходом блока задержки, а третьи входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом счетчика, выход второго делителя частоты соединен со входом генератора сигналов, вторые входы первого и второго ЦАП соединены с выходом первого делителя частоты, отличающееся тем, что дополнительно введены последовательно соединенные первый набор масштабно-временных фильтров и первый сумматор, последовательно соединенные второй набор масштабно-временных фильтров и второй сумматор, причем выходы первого и второго блоков памяти подключены соответственно к информационным входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров, а выходы первого и второго сумматоров соединены с первыми входами соответственно первого и второго ЦАП, последовательно соединенные блок анализа слухового анализатора пользователя (БАСАП), третий блок памяти и мультиплексор, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров, второй выход БАСАП соединен со вторым входом мультиплексора, а вход БАСАП подключен к выходу генератора синхронизирующих импульсов.
Данное устройство также функционирует на принципах сонаров, использующих ультразвуковое излучение, и ему присущи все недостатки такого вида устройств, связанные с низкой помехоустойчивостью в городских условиях эксплуатации. Помимо этого, сложность конструкции, обусловленная необходимостью обработки и преобразования ультразвукового сигнала в акустический, влечет за собой высокую стоимость таких устройств.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание миниатюрного устройства пространственной ориентации для слабовидящих и слепых людей, которое обладает высокой помехоустойчивостью, компактными габаритными размерами, а также простотой конструкции и использования.
Технический результат достигается тем, что предлагается прибор пространственной ориентации для слабовидящих и слепых людей, содержащий два электрически связанных между собой идентичных радиолокационных датчика дальности до препятствия непрерывного режима, предназначенных для закрепления с правой и левой стороны головы человека, которые совместно образуют пространственно-разнесенную радиолокационную систему, при этом каждый радиолокационный датчик дальности до препятствия состоит из СВЧ антенны с широкой диаграммой направленности, приемо-передающего модуля и головного телефона, диаграммы направленности антенн радиолокационных датчиков дальности до препятствия имеют область пересечения в передней полусфере обзора, а приемо-передающие модули радиолокационных датчиков дальности до препятствия синхронизованы по частоте.
В предлагаемом изобретении антенны радиолокационных датчиков дальности до препятствия могут быть выполнены в виде плоских печатных антенн дипольного типа.
Предлагаемое изобретение дает слабовидящим и слепым людям возможность замены прямого зрительного восприятия слуховым восприятием. Функционирование радиолокационного прибора пространственной ориентации слабовидящего либо слепого человека основано на принципах разнесенной активной радиолокации ближнего радиуса действия с непрерывным зондирующим сигналом. Использование радиолокации позволяет обеспечить лучшую помехоустойчивость устройства, по сравнению с ультразвуковым сонаром. При этом в предлагаемом изобретении используются два разнесенных в пространстве радиолокационных датчика дальности до препятствия, которые закреплены с правой и левой стороны головы человека, например по аналогии с конструкцией наушников, или дужек очков. Оба датчика представляют собой одинаковые миниатюрные радиолокаторы непрерывного режима, функционирующие на основе линейного частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала, при этом в состав каждого датчика входит СВЧ-антенна, приемопередающий модуль и головной телефон, выполняющий функцию акустического интерфейса, позволяющего человеку воспринимать сигнал с приемо-передающего модуля. Широкие диаграммы направленности СВЧ антенн обоих радиолокационных датчиков, близкие к диаграмме направленности человеческого уха, симметричны относительно оси визирования и имеют область пересечения в передней полусфере обзора. Антенны с диаграммами направленности такого типа могут быть реализованы на основе конструкции простейших плоских печатных антенн дипольного типа.
Каждая из СВЧ антенн соединена с соответствующим приемопередающим модулем, имеющим в своем составе, передающую часть, задающий генератор, и приемную часть. Приемо-передающий модуль осуществляет излучение ЛЧМ радиолокационного сигнала посредством СВЧ антенны, прием отраженного от препятствия сигнала, и последующее его преобразование в звуковой сигнал. Сигнал с приемо-передающего модуля подается на акустический интерфейс, в качестве которого может выступать миниатюрный звуковой динамик (головной телефон). При этом дальность до препятствия пропорциональна частоте звукового сигнала, а направление на препятствие можно оценить по разнице звуковых тонов датчиков и уточнить посредством поворота головы в направлении на препятствие до совпадения тонов.
Предлагаемое устройство пространственной ориентации для слабовидящих и слепых людей рассчитано на работу в диапазоне дальностей до 5 метров. Это подтверждается нижеприведенным расчетом.
Исходные данные:
- П - радиолокационный потенциал простейшего гомодинного СВЧ-приемопередатчика;
- коэффициент направленного действия (усиление) антенны по линии визирования, в максимуме диаграммы направленности
G=10отн. ед;
бок
- уровень боковых лепестков диаграммы направленности антенны G-0,1 отн. ед;
зад
- уровень заднего лепестка диаграммы направленности антенны G-0,01 отн.ед;
- рабочая длина волны λ=0,1 м;
2
- эффективная поверхность рассеяния препятствия а от 0,01 до 0,1 м;
Формула расчета дальности:
Результаты расчетов дальности действия радиолокационных датчиков сведены в таблицу №1.
Таким образом, дальность действия в передней полусфере, в направлении оси визирования существенно, на порядок превышает дальность действия в противоположном направлении, что важно для удобства пользования прибором. Боковое «зрение» также присутствует.
Принцип действия прибора основан на пространственным разнесении правого и левого радиолокационных датчиков, что обуславливает разницу расстояний до препятствия, находящегося вне оси визирования. При этом в правое и левое ухо поступают сигналы с соответствующих радиолокационных датчиков, несколько различающиеся по тону. Направление на препятствие человек может оценить по соотношению тонов. Совмещение оси визирования с направлением на препятствие, которое человек может осуществить поворотом головы в известном ему направлении, сопровождается уменьшением разности тонов в правом и левом ухе вплоть до их совпадения. Совпадение звуковых тонов означает, что человек смотрит точно на препятствие, по крайней мере, в горизонтальной плоскости.
Локализация препятствия в вертикальной плоскости возможна по тому же принципу путем наклона головы.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена структурная схема радиолокационного СВЧ-датчика дальности до препятствия непрерывного режима на основе ЛЧМ-сигнала.
На фиг. 2 схематически показаны диаграммы направленности антенн обоих радиолокационных датчиков дальности до препятствия в горизонтальной и вертикальной плоскости.
На фиг. 3 приведен график зависимости частоты излучаемого СВЧ-сигнала от времени, поясняющий принцип действия радиолокационного СВЧ-датчика дальности до препятствия непрерывного режима на основе ЛЧМ-сигнала.
В приведенной на фиг. 1 структурной схеме радиолокационного датчика дальности до препятствия введены следующие обозначения. ЛС - логическая схема, ОКГ - опорный кварцевый генератор, СЧ ЛЧМ - синтезатор частоты линейного частотно-модулированного сигнала, HO1 - первый направленный ответвитель, НО2 - второй направленный ответвитель, ППФ - полосно-пропускающий фильтр, С - смеситель, УЗЧ - усилитель звуковой частоты.
На фиг. 2 схематически показаны диаграммы направленности антенн обоих радиолокационных датчиков дальности до препятствия в горизонтальной и вертикальной плоскости. Для наглядности показана фигура человека. G - коэффициент направленного действия антенны.
На фиг. 3 приведен эпюр, поясняющий принцип действия ЛЧМ-локатора.
где:
П
r- расстояние до препятствия;
с - скорость света;
ЗЧ
где: Δf=F - частота звукового сигнала на выходе ЛЧМ - локатора;
2
1
Δf=F-F - девиация ЛЧМ-сигнала;
Т - длительность ЛЧМ-сигнала;
Задавшись технически достижимыми для ЛЧМ-локатора 10 см диапазона длин волн параметрами:
Δf=300МГц;
п
r=0,5÷5 м;
Т=0,005 с.
ЗЧ
Получаем F=0,2÷2кГц;
То есть частота звукового сигнала на выходе такого локатора лежит в пределах комфортной слышимости человека.
r
Оценим погрешность σ определения дальности до препятствия, исходя из селективных возможностей органов слуха человека, составляющих величину около 1% от несущей частоты. Пренебрегая аппаратной погрешностью самого ЛЧМ- локатора получаем погрешность от 5 до 50 мм в зависимости от дальности до препятствия.
На основе предлагаемого изобретения был изготовлен прибор пространственной ориентации для слабовидящих и слепых людей, который функционирует следующим образом. Для корректной работы прибора необходима синхронизация его радиолокационных датчиков дальности до препятствия. При включении прибора, опорный сигнал задающего генератора каждого из радиолокационных датчиков дальности до препятствия подается через логическую схему, которая отключает собственный задающий генератор при подключении к активному задающему генератору второго датчика. Таким образом, при функционировании прибора, синхронизация осуществляется по первому или второму радиолокационному датчику дальности до препятствия. Задающие генераторы реализованы на микросхеме кварцевого генератора SG-800DC/PHM. Сигнал 16 МГц от задающего генератора используется для синхронизации работы синтезатора частоты ЛЧМ сигнала (СЧ ЛЧМ), выполненного на микросхемах ADF4153A и RS2983AM. СЧ ЛЧМ нагружен через два соединенных последовательно направленных ответвителя (НО) на приемо-передающую СВЧ-антенну. СВЧ-сигнал, отраженный от препятствия через второй направленный ответвитель и полосно-пропускающий фильтр, реализованный на микросхеме BFCN-3010+, поступает на вход смесителя, выполненного на микросхеме SIM-73L+, где взаимодействуя с сигналом гетеродина, образует промежуточную частоту, пропорциональную дальности до препятствия и лежащую в звуковом диапазоне частот. Далее этот сигнал усиливается усилителем звуковой частоты, выполненным на микросхеме SSM2019, поступает на головной телефон 26CR08FF и воспринимается органами слуха человека. Прибор осуществляет только преобразование радиолокационного сигнала дальности на звуковую частоту. Функции интерпретации окружающей действительности посредством анализа звуковых сигналов с радиолокационных датчиков полностью возлагается на интеллект человека.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения, удалось создать миниатюрное устройство пространственной ориентации для слабовидящих и слепых людей, которое обладает высокой помехоустойчивостью, компактными габаритными размерами, а также простотой конструкции и использования.