一種基于可聽聲頻的人耳超聲波多障礙物探測距離感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 該技術(shù)應(yīng)用于超聲波探測領(lǐng)域，如超聲波測距、超聲波導(dǎo)盲、超聲波倒車?yán)走_(dá)等設(shè) 備。
【背景技術(shù)】
[0002] 盲人無法采用視覺感知障礙物，需要借助導(dǎo)盲設(shè)備。超聲波導(dǎo)盲手杖、導(dǎo)盲手電等 超聲波導(dǎo)盲儀器將為盲人出行起到重要作用。倒車?yán)走_(dá)是另一種重要的超聲波探測儀器， 同樣通過超聲波感知障礙物的距離。在導(dǎo)盲手杖和倒車?yán)走_(dá)等產(chǎn)品中，一般采用超聲波進 行物體探測。超聲波遇到物體后反射回波，超聲波的傳感器接收到物體回聲，測出回聲的距 離。由于超聲波空氣中傳輸速度較快，達(dá)到每砂鐘340m，傳感器一般發(fā)射毫砂量級的窄脈沖 進行障礙物的探測。處于幾米內(nèi)的物體反射的回聲在毫砂量級的時間內(nèi)回到接收器，送種 時間間隔非常短暫，W至于人的耳朵無法分辨出回聲W及多個回聲的距離。目前的導(dǎo)盲產(chǎn) 品，均采用高速計數(shù)器，對毫砂量級的時間進行精確測量，之后對距離采用語音提示。而倒 車?yán)走_(dá)中的測量原理相同，采用一定重復(fù)頻率的聲音來表示物體距離的遠(yuǎn)近，距離越遠(yuǎn)聲 音重頻越低，距離越近，聲音重頻越高。在實際使用中，導(dǎo)盲產(chǎn)品和倒車?yán)走_(dá)將面臨多個障 礙物的情況，目前的系統(tǒng)都報出多個物體的距離困難，只能給出最近的物體信息。而且在導(dǎo) 盲產(chǎn)品中采用語音提示，多個障礙物報出距離的速度降低，而且造成眾多的混亂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明原理；由于聲波的脈沖寬度都在毫砂量級，且是超聲波，人耳無法分辨。在 回聲轉(zhuǎn)化的過程中，在時間軸選擇了按比例拉伸的方法（見圖1)，在頻率軸采用了降頻表 示的方法，將其不可聽的超聲波窄脈沖轉(zhuǎn)化為人耳可聽頻率的幾百毫砂長度的脈沖。從時 間上看，將超聲測距的幾十毫砂量級的探測時間轉(zhuǎn)化為砂量級的探測時間，便于人體感知。 采用將檢測距離段進行量化分段的方法，每段距離對應(yīng)一個脈沖音頻信號，采用脈沖標(biāo)識 該距離段存在一個回聲。回聲的幅度通過提取器包絡(luò)的均值完成計算，變換后的脈沖單音 頻聲音的大小與回聲的強度成正比，從而標(biāo)識回聲的聲強。將該種變換的原理詳細(xì)分析如 下：
[0004] 1.回聲測距的時延測量原理
[0005] 超聲波探測設(shè)備發(fā)射信號為S (t)，t為時間變量。第i個接收的障礙物物體回聲 為
[0006] X (t) =S (t- T .) (1)
[0007] 式中為T 1為第i個障礙物回波的時延。X (t)為復(fù)信號，可表示為
[0008] xi(t)+j ? Xg (t) 似
[000引式中，Xi(t)為信號的同相分量，Xe(t)為正交分量，信號的包絡(luò)采用下式求解
[0010] A(t) = ^xj(t) + x^g(t) (3)
[0011] 第i個障礙物的距離為
(4)
[0013] 式中C為聲速。可見只要測得回聲的時間延遲，即可獲得物體的距離。
[0014] 2.回聲的過口限監(jiān)測
[001引當(dāng)信號的包絡(luò)滿足 [001 引 A(t) > n 妨
[0017] n為某一常數(shù)，為檢測的口限。貝IJ判斷存在脈沖回聲，否則不存在脈沖回聲。
[0018] 3.觀測距離與擴展脈沖的對應(yīng)方法
[0019] 人耳可聽首頻中選擇首頻f〇(可聽首頻指頻率小于20曲Z),定義脈沖覺度為T,即 脈沖寬度為T的單頻正弦波
[0020] y的=e邱[/(2新/ + 樹]，0 < f < 7 佩
[0021] 式中為初相。
[0022] 加入收到的回波的幅度，得到合成信號
[0023] Z的=Aexp[(2兩/ +的]，0<? <7 (7)
[0024] 幅度A。按照下式計算獲取。
[00 巧]A〇 = E{A(t)} 做
[0026] E{'}表示求均值運算。
[0027] 見圖2, W發(fā)射器發(fā)射位置視作圓必0,將可觀測距離半徑分為M段，對應(yīng)于標(biāo)記為 r〇，ri，r2, A，rMi。檢測J某一個距離段Tl,當(dāng)信號的幅度過小，沒有過口限時，即不滿足巧） 式時，將該幅度賦值為零。滿足（5)式條件時，采用式（6)來表示。當(dāng)存在多個障礙物回聲， 則將距離轉(zhuǎn)換為相應(yīng)單頻信號的對應(yīng)關(guān)系見圖3。原先的0. 5ms的超聲波回聲不論是頻段 還是發(fā)聲時間，人的耳朵都無法聽到，但是變換后的信號，不論是頻率還是脈沖長度，人的 耳朵可W很清晰的聽到，從而直觀的聽到多個物體的回聲時延，從而直觀感知多個障礙物 物體的距離。
【附圖說明】
[002引圖1為時間軸拉伸示意圖。圖2為觀測覆蓋空間的劃分。圖3為距離與單頻信號 的對應(yīng)方式。圖4為發(fā)射信號及回聲與距離的對應(yīng)關(guān)系。圖5為發(fā)射信號及回聲與時間的 對應(yīng)關(guān)系。圖6為進行脈沖擴展后的變換回聲與時間的對應(yīng)關(guān)系。
【具體實施方式】
[0029] W下通過一個實施例子說明本發(fā)明方法。超聲波導(dǎo)盲儀發(fā)射脈沖信號1ms，觀測距 離3m，距離上共10個分段，每段長度0. 3米。單頻脈沖選擇1曲Z，脈沖長度為100ms。將一 個0. 3米的分段對應(yīng)一個IOOms脈沖。設(shè)在第3段和第7段檢測到過口限信號，轉(zhuǎn)化的單 頻脈沖理論對應(yīng)關(guān)系見表1。發(fā)射脈沖與回聲的波形見圖4和圖5,分別為仿真的回聲與距 離的關(guān)系W及回聲與時間的關(guān)系。圖4和圖5還可看到包絡(luò)的差異。信號檢測的口限設(shè)置 為0. 2。通過本發(fā)明所論證方法，對應(yīng)在第3和第7時間段出現(xiàn)兩個IOOms的脈沖，其它的 時間段填零。從圖6可見，幅度和時間的對應(yīng)關(guān)系與表1理論輸入相同。該2個脈沖為適 合人耳可聽的信號脈沖，時間延遲量通過聽覺感知，即可獲得障礙物的距離感。
[0030] 表1距離與變換脈沖的對應(yīng)關(guān)系
【主權(quán)項】
1. 一種適用于超聲波導(dǎo)盲或測距的人耳感知多障礙物的超聲波回聲脈沖向可聽聲頻 的轉(zhuǎn)化方法。其特征在于按觀測范圍將距離分段，對檢測到回聲的距離段，采用一定脈沖寬 度的可聽聲頻的單品信號替換，對于沒有檢測到回聲的距離段，采用無脈沖方式處理，持續(xù) 時間同有脈沖的寬度。2. 如權(quán)利要求1所述的人耳感知多障礙物的超聲波探測回聲轉(zhuǎn)化方法，其特征在于所 采用的替換脈沖寬度在人耳可感受的脈沖寬度之內(nèi)，一般大于50ms。替換回聲沿時間軸來 看，整個時間軸被拉升，相對原先發(fā)射器發(fā)射的時間軸變長。3. 如權(quán)利要求1所述的人耳感知多障礙物的超聲波探測回聲轉(zhuǎn)化方法，其特征在于所 采用的替換脈沖頻率在人耳可感受的脈沖頻率之內(nèi)，一般小于20kHz，大于10Hz。替換回聲 沿頻率軸來看，整個信號頻率被降低。
【專利摘要】一種基于可聽聲頻的人耳超聲波多障礙物探測距離感知方法，將超聲波回聲脈沖向可聽聲頻的轉(zhuǎn)化。適用于超聲波探測領(lǐng)域，如超聲波測距、超聲波導(dǎo)盲、超聲波倒車?yán)走_(dá)等設(shè)備。按觀測范圍將距離分段，對檢測到回聲的距離段，采用一定脈沖寬度的可聽聲頻的單品信號替換，對于沒有檢測到回聲的距離段，采用無脈沖方式處理，持續(xù)時間同有脈沖的寬度。替換脈沖寬度在人耳可感受的脈沖寬度之內(nèi)，一般大于50ms。替換回聲沿時間軸來看，整個時間軸被拉升，相對原先發(fā)射器發(fā)射的時間軸變長。替換脈沖頻率在人耳可感受的脈沖頻率之內(nèi)，一般小于20kHz，大于10Hz。替換回聲沿頻率軸來看，整個信號頻率被降低。
【IPC分類】G01S15/08, G01S15/93, A61H3/06
【公開號】CN105560021
【申請?zhí)枴緾N201410566072
【發(fā)明人】王峰
【申請人】王峰
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年10月20日