ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЛОКАТОР

Заявляемое техническое решение относится к устройствам, облегчающим ориентацию в пространстве лицам с серьезными нарушениями зрения, в частности, незрячим людям или лицам, вынужденным передвигаться в условиях ограниченной видимости (туман, дым, неосвещенное закрытое помещение и т.п.).
Проблема ориентации в условиях ограниченной видимости или при нарушениях зрения в течение многих веков решалась путем привлечения поводырей (людей или дрессированных зверей) или на основе тактильных ощущений (посохи, трости и т.п.). В XX веке в связи с развитием бионики появились системы, имитирующие аппарат ориентации дельфинов, летучих мышей и некоторых других животных, основанные на применении локации. Имеются также данные о незрячих людях, ориентирующихся в пространстве за счет звуковой локации на основе свиста или щелчков языком без использования каких-либо приборов. Тем не менее, аппаратные способы получили более широкое распространение.
В частности, известно устройство локации с помощью излучателя, вмонтированного в трость. Это компактное устройство описано в патенте РФ №2352317 [1], но из-за малой информативности оно получило ограниченное применение.
Значительно более высокой степенью информативности потенциально обладает техническое решение, описанное в патентной заявке США №20080309913 [2]. В этом решении используются лазеры, формирующие трехмерную звуковую картину окружающей среды. Предложенный способ и устройство чрезвычайно сложны в реализации, а значит и весьма дороги в производстве, что может стать препятствием для широкого использования инвалидами по зрению.
Наиболее близкими признаками с заявляемой полезной моделью обладает техническое решение, описанное в патенте РФ №2011204 [3]. Изобретение [3] относится к звуколокационным системам с отражением ультразвуковых волн и может быть использовано при ориентации человека в условиях плохой видимости или для инвалидов по зрению. Цель изобретения - повышение точности определения расстояния до объекта. Задача решается за счет того, что периодически посылают ультразвуковой сигнал в направлении обзора, принимают отраженный от объекта сигнал, определяют интервал времени между лоцирующим и отраженным сигналами, пропорциональный расстоянию до объекта, и формируют звуковой сигнал с частотой колебаний, обратно пропорциональный расстоянию до объекта. По этому сигналу судят о расстоянии до объекта. Частоту колебаний, соответствующую минимальному лоцируемому расстоянию, выбирают из интервала частот, соответствующего низкочастотному минимуму интенсивности звука при заданном уровне громкости, преимущественно из интервала частот 500 - 800 Гц при уровне громкости от 42 до 52 фон. Длительность звукового сигнала выбирают не менее 80 мс. Это изобретение решает проблемы незрячих людей лишь частично, выявляя лишь крупные препятствия на пути движения. Поэтому информативность подобных устройств, основанных на принципе «дальномера», представляется весьма ограниченной.
Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, состоит в том, чтобы обеспечить наиболее благоприятную, с точки зрения информативности, окружающую среду для незрячих людей или обеспечить ориентацию людей в условиях минимальной видимости (туман, задымление, отсутствие освещения и т.п.).
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции индивидуального ультразвукового локатора, обеспечивающего повышенный объем получаемой пользователем информации. Заявляемый индивидуальный ультразвуковой локатор повышенной информативности включает в себя:
- по меньшей мере, один ультразвуковой (УЗ) излучатель,
- два симметричных модуля обработки отраженного УЗ сигнала,
- два устройства воспроизведения звука в слышимом диапазоне,
- формирователь ультразвукового сигнала,
- генератор квантования,
- генератор масштаба времени,
- блок управления настройками,
- блок питания.
При этом каждый из симметричных модулей обработки отраженного сигнала включает в себя УЗ приемник, усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), усилитель-формирователь звукового сигнала и устройство воспроизведения звука.
Блок-схема заявляемого УЗ локатора приведена на Фиг. 1, где показаны:
101 - излучаемый ультразвуковой сигнал,
102 - препятствие,
103 - отраженный ультразвуковой сигнал,
104 - блок управления настройками,
105 - формирователь ультразвукового сигнала,
106 - генератор квантования,
107 - генератор масштаба времени,
108 - ультразвуковой излучатель (в данном варианте - один),
109 - ультразвуковой приемник (правый канал),
110 - ультразвуковой приемник (левый канал),
111 - усилитель УЗ сигнала (правый канал),
112 - усилитель УЗ сигнала (левый канал),
113 - аналого-цифровой преобразователь (правый канал),
114 - аналого-цифровой преобразователь (левый канал),
115 - блок памяти (правый канал),
116 - блок памяти (левый канал),
117 - цифро-аналоговый преобразователь (правый канал),
118 - цифро-аналоговый преобразователь (левый канал),
119 - усилитель-формирователь звукового сигнала (правый канал),
120 - усилитель-формирователь звукового сигнала (левый канал),
121 - устройство воспроизведения звука в слышимом диапазоне (правый канал),
122 - устройство воспроизведения звука в слышимом диапазоне (левый канал),
123 - модуля обработки отраженного УЗ сигнала (правый канал),
124 - модуля обработки отраженного УЗ сигнала (левый канал),
125 - голова пользователя.
126 - блок питания.
Конструктивно заявляемый УЗ локатор выполнен по следующей схеме:
- выход блока 126 питания соединен с входом блока 104 управления настройками;
- один из выходов блока 104 управления настройками соединен с входом формирователя 105 ультразвукового сигнала;
- второй выход блока 104 управления настройками соединен с входом генератора 106 квантования;
- третий выход блока 104 управления настройками соединен с входом генератора 107 масштаба времени;
- четвертый выход блока 104 управления настройками соединен с первыми входами усилителя-формирователя 119 звукового сигнала (правый канал) и усилителя-формирователя 120 звукового сигнала (левый канал),
- выход формирователя 105 ультразвукового сигнала соединен с входом УЗ излучателя 108;
- выход генератора 106 квантования соединен с первыми входами АЦП 113 и АЦП 114;
- выход генератора 107 масштаба времени соединен с первыми входами блока 115 памяти и блока 116 памяти;
- выходы ультразвуковых приемников 109 и 110 соединены с входами усилителя 111 УЗ сигнала и усилителя 112 УЗ сигнала соответственно;
- выходы усилителей 111 и 112 УЗ сигнала соединены со вторыми входами АЦП 113 и 114 соответственно;
- выходы АЦП 113 и 114 соединены со вторыми входами блоков 115 и 116 памяти соответственно;
- выходы блоков 115 и 116 памяти соединены с входами ЦАП 117 и 118 соответственно;
- выходы ЦАП 117 и 118 соединены со вторыми входами усилителей-формирователей 119 и 120 звукового сигнала соответственно;
- выходы усилителей-формирователей 119 и 120 звукового сигнала соединены с входами устройств воспроизведения звука в слышимом диапазоне 121 и 122 соответственно.
Заявляемый ультразвуковой локатор в положении «включено» работает в циклическом режиме следующим образом.
з
з
уз
Блок 104 управления настройками в начале каждого цикла вырабатывает сигнал запуска, который через формирователь 105 ультразвукового сигнала подается на ультразвуковой излучатель 108. Сигнал запуска представляет собой пачку импульсов длительностью t с периодом Т, заполненную ультразвуковой несущей частотой f. В ответ на полученную пачку импульсов ультразвуковой излучатель 108 испускает ультразвуковой сигнал 101, который, отражаясь от препятствия 102, попадает на ультразвуковые приемники 109 и 110 левого и правого каналов.
к
уз
мв
мв
к
зв
Модули 123 и 124 обработки отраженного УЗ сигнала имеют одинаковую схему и работают следующим образом. Отраженный ультразвуковой сигнал 103 поступает на ультразвуковые приемники 109, 110 и после усиления подается на аналого-цифровые преобразователи 113, 114, где оцифровывается. Частота квантования f>f поступает на аналого-цифровые преобразователи 113 и 114 с генератора 106 квантования. Оцифрованный сигнал записывается в блоки 115 и 116 памяти. Считывание из блоков 115 и 116 памяти происходит с частотой f, которая задается блоком 104 управления настройками, а вырабатывается генератором 107 масштаба времени, причем f<<f. Считанные из блоков 115 и 116 памяти цифровые значения сигнала поступают на цифро-аналоговые преобразователи 117, 118, с помощью которых переводятся в аналоговую форму. Аналоговые сигналы с выходов цифро-аналоговых преобразователей 117 и 118 подаются на усилители-формирователи 119 и 120 звукового сигнала, где происходит их сглаживание и масштабирование по амплитуде. Сигнал на выходе усилителя-формирователя звукового сигнала аналогичен по форме отраженному ультразвуковому сигналу 103, но растянут во времени, так как его несущая частота в ходе описанного преобразования была существенно уменьшена и переведена в звуковой (слышимый) диапазон. Получившуюся несущую звуковую частоту f можно рассчитать по формуле:
зв
уз
мв
к
f=f∗f/f.
уз
мв
к
Если, например, выбрать f=40 кГц, а f/f=1/40, то звуковая несущая частота будет равна 1 кГц - такая частота хорошо воспринимается человеческим ухом.
С выходов усилителей-формирователей 119 и 120 звукового сигнала звуковые сигналы, отмасштабированные (отрегулированные по громкости) в соответствии с настройками блока 104 управления настройками, подаются на устройства 121 и 122 воспроизведения звука в слышимом диапазоне.
з
Затем блок 104 управления настройками вырабатывает следующую пачку импульсов длительностью t и цикл повторяется.
За счет того, что заявляемый УЗ локатор имеет два канала, причем ультразвуковые приемники 109 и 110 правого и левого каналов преимущественно располагаются у правого и левого уха головы 125 пользователя соответственно, с помощью устройств 121 и 122 воспроизведения звука в слышимом диапазоне, например, динамиков, правого и левого канала формируется стерео-звучание, которое позволяет правильно определять направление на препятствие. Громкость позволяет оценить расстояние до препятствия, а огибающая звукового сигнала - тип препятствия.
В различных модификациях заявляемого УЗ локатора используются как один, так и два ультразвукового излучателя, - по одному в каждом канале, причем оба ультразвуковые излучателя работают синхронно.
В качестве устройств воспроизведения звука в слышимом диапазоне целесообразно использовать либо динамики, либо контактные излучатели, передающие сигналы звуковой частоты на костные выступы черепа пользователя в районе ушей. Конструктивно устройства воспроизведения звука выполняются предпочтительно в форме наушников, которые в конкретных вариантах могут включать в себя также ультразвуковые излучатели.
С целью проверки промышленной применимости заявляемого технического решения было изготовлено несколько опытных образцов УЗ локатора и проведены испытания с привлечением незрячих пользователей.
При этом, в качестве ультразвукового излучателя 108 использовался излучатель MA40S4S фирмы Murata (Япония), частота излучения которого равна 40 кГц. В качестве ультразвуковых приемников 109, 110 использовались приемники MA40S4R также фирмы Murata.
Усилители 111, 112 построены на микросхеме AD8606ARMZ фирмы Analog Devices (США).
Блок 104 управления настройками, формирователь 105 ультразвукового сигнала, генератор 106 квантования, генератор 107 масштаба времени, аналого-цифровые преобразователи 113 и 114, цифро-аналоговые преобразователи 117 и 118 входят в состав микроконтроллера ATXMEGA64A3 фирмы Atmel (США).
Блоки 115, 116 памяти выполнены на микросхемах 23K256-I/SN фирмы Microchip (США).
Усилители-формирователи 119, 120 звукового сигнала построены на микросхемах AD8544ARU фирмы Analog Devices (США) и TPA0253DGQR фирмы Texas Instruments (США).
В качестве устройств 121, 122 воспроизведения звука использовался электромагнитный капсюль HSR10A-32 фирмы JL World Co., Ltd (Hong Kong).
Предпочтительной конструкцией динамиков являются модели открытого типа или модели, передающие вибрацию через кость, что позволяет пользователю слышать шумовые сигналы внешней среды.
Ультразвуковой излучатель 108 направленного типа располагался на лицевой стороне головы пользователя по центральной оси симметрии и имел диаграмму направленности, ориентированную вперед и вниз, причем угол между осью диаграммы и горизонтом лежал в диапазоне 30-60 градусов;
Принимаемый отраженный сигнал растягивался в 50 раз, несущая частота при этом изменяется с 40 кГц до 800 Гц. На Фиг. 2, 3 и 4 приведены осциллограммы сигналов, отраженных от разных препятствий (Фиг. 2 - человек, Фиг. 3 - стул, Фиг. 4 - стена). Огибающие этих сигналов (при одной и той же несущей) сильно отличаются, видно, что разные предметы «звучат» по-разному. Поэтому после непродолжительной тренировки пользователи достаточно легко определяли не только расстояние до препятствия, но и характер препятствия. На Фиг. 2, 3 и 4 показаны звуковые сигналы, подаваемые на динамики, они имеют несущую частоту 800 Гц, одно горизонтальное деление на осциллограмме соответствует 100 мс. Принимаемый ультразвуковой сигнал имеет точно такую же форму, только у него несущая частота 40 кГц, а одно деление на осциллограмме соответствует 2 мс.
Дальность уверенного опознавания препятствия при помощи заявляемого локатора составила около 2 м.
Благодаря наличию двух независимых разнесенных по фронту каналов приема эхосигналов пользователь получает объемную звуковую (стерео) картину окружающего его мира. После сравнительно короткого периода практического курса обучения пользователь с успехом пользуется этой системой в повседневной жизни для ориентации на улицах города.