超聲波導盲儀技術研究

張文　靳偉　龍躍洲　張洋　崔帥　赫榮彬　沙亞·沙里木江

摘要：闡述超聲波導盲儀的超聲波產生類別及其測距原理，歸納總結國內外超聲波導盲儀的研究現狀，介紹一款試用中的超聲波導盲儀，指出現有超聲波導盲儀存在的不足，提出向多功能、智能化發展的建議，同時倡導關愛盲人、提供福利政策。

關鍵詞：超聲波發生器；超聲波導盲儀；測距

中圖分類號：TB559 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2019）01-0075-03

超聲波測距技術是一種方便快捷的非接觸式測距技術。近年來超聲波測距技術在導盲領域得到了一定的應用研究。國內外對超聲波導盲儀的研究大多處于理論研究階段，存在響應速度慢的問題，尚未進行推廣使用。為實現超聲波導盲儀的智能化和多功能化，提高其響應速度，早日造福于盲人群體，應加快對超聲波導盲儀的研究進程。

我國盲人人口數量眾多，占世界盲人人口總數的20%左右，在視力保障方面存在巨大缺口?，F今流行的導盲方式主要是利用導盲犬輔助導盲和利用導盲杖進行導盲，但兩者均存在各自的應用局限。目前有相關學者研究設計了一種超聲波導盲儀，在此基礎上，本課題對超聲波導盲儀進行原理分析與研究現狀闡述，并對其發展提出建議。

1 超聲波測距的原理

1.1 超聲波發生器的類型

超聲波發生器產生超聲波的方式有兩種，一是通過電氣方式產生，二是通過機械方式產生。電氣產生超聲波的有壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械產生超聲波的有加爾統笛產生型、液哨產生型和氣流旋笛產生型等。通過不同途徑產生的超聲波的頻率、功率及聲波特性各不相同，其應用范圍也有一定的區別。壓電型超聲波發生器是目前生活和科研中使用最多的一類發生器，超聲波導盲儀上采用的就是壓電型的。

1.2 壓電型超聲波發生器的原理

壓電型超聲波發生器的關鍵部件是壓電晶體，依靠壓電晶體產生的諧振來產生超聲波。超聲波發生器內部組成包括共振板和由兩個壓電晶片所組成的晶片組。在壓電晶片的兩側接入一定的脈沖信號，若脈沖信號的頻率與壓電晶片本身的固有頻率一致，則晶片組會發生振動，驅動共振板一起振動，此時就產生了超聲波。相反，將壓電晶片組置于無脈沖環境下，感受到超聲波時，將帶動共振板振動，使壓電晶片組也產生振動，此時超聲波的機械能便由此形式轉換為電能，這就是超聲波接收器的工作原理。

在超聲波發生器的發射端電路中，產生一定頻率的方波脈沖并將其發送出去，經過前方物體的反射，再由接收器接收，此時方波的寬度即是發射超聲波直至接收器接收到超聲波返回信號的時間間隔。超聲波發生器所產生的方波脈沖個數與被測物體距離成正比，即超聲波導盲儀所測的物體距離越遠，其產生的方波寬度就越大。超聲波總的傳輸時間與方波寬度所對應的時間一致，即方波脈沖由產生發送經空氣介質到物體反射后直至被接收的時間。所測的距離為超聲波傳輸總時間與介質中聲速相乘所得距離的一半。往返時間檢測方法原理如圖1所示。

2 國內外超聲波導盲儀的研究現狀

2.1 國外研究情況

國外最早出現的超聲波導盲儀是Russell Pathsounder，其基于簡單的超聲波測距原理獲得被測物體的距離信息，然后通過易于感知的方式（如語音或振動）提示使用者。使用時將其佩戴在脖子上，放置在胸前，能夠測量6英尺內的障礙物。在Russell Pathsounder之后出現了手持式超聲測距儀器Mowat Sensor，其以振動方式提示使用者所測得的前方障礙物的距離，且所測障礙物的距離與儀器振動的頻率之間有一定的比例關系。后來又出現了超聲波導盲儀Nottingham Obstacle Detector，其原理和外形都類似于Mowat Sensor，但Nottingham Obstacle Detector可以根據被測距離信息的不同而發出8種不同的易于識別的音調，以提示使用者。

利用CTFM（Continuous Transmitted Frequency Modulated，連續傳輸頻率調制）模型進行導盲，CTFM可以將前方障礙物的距離變化作為輸入，將聲音頻率的變化作為輸出。所測量障礙物的距離越遠，所發出的聲音頻率越高；反之，所測量障礙物的距離越近，則所發出的聲音頻率越低。英國科學家Leslie Kay于1965年首次基于CTFM模型研發了Kay Sonic Torch導盲儀，其一共有2個超聲波轉換器，一個用于發射信號，另一個用于接收信號。Kay博士于1974年研發了Binaural Sonic Aid，其首次采用獨立的左右兩路轉換輸出。Binaural Sonic Aid的眼鏡中央安裝有超聲波發射器，具有寬聲束角的特性；左右兩邊分別有一個超聲波接收器，兩個接收器相互獨立，分別與耳機的左右聲道相連，這種雙聲道設置能使使用者對前方物體方位的辨別更加清晰，從而使導盲儀更加可靠。CTFM模型的導盲儀雖然可靠性有所改善，但其所輸出的音頻信號并非是人類熟悉的聲音，使用者需要培訓一定時間后才能較好使用；由于輸出的聲音較為刺耳，使用者在長時間佩戴后容易產生疲勞，在一定程度上限制了該類型導盲儀的發展。

2.2 國內研究情況

我國對超聲波導盲儀的研究起步較晚。近十幾年，國內各大高校積極進行關于超聲波檢測方法、精度分析處理及超聲波的應用等方面的理論研究和相關產品的研發與推廣，超聲波導盲儀的研究隨之發展起來。

王揚等人研究設計了一種基于CTFM模型的便攜式超聲波導盲儀。該超聲波導盲儀將距離信號轉換為間斷的音頻聲進行輸出，采集距離信號周期與輸出音頻周期一致，均為200 ms；音頻輸出能量集中的頻率與物距成正比關系，物距分別為1，2，3 m時，設計的音頻輸出頻率分別對應為3，6，9 kHz。其探測掃描角度約為15 °，在這個角度范圍內，能使使用者具有良好的方向辨別能力。該導盲儀可以將使用者身邊障礙物的距離遠近及其大致尺寸識別出來，使使用者輕松實現對路面幾厘米的距離變化的辨別。

甘德成等人研制出一款智能導盲儀，其以低功耗單片機MSP4301247為控制核心，利用超聲波傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器與時鐘芯片等設計而成。該導盲儀的探測掃描角度約為180 °，前方大部分的障礙物都能被探測掃描，并采用語音信息的方式提示使用者?；趩纹瑱C的設計實現了一系列功能拓展，支持大氣壓力、溫濕度、秒表等10余項功能，由電壓范圍2.2～4.2 V的電池進行供電，并具有自動待機節能模式。

劉紅梅等人設計了一款基于DSP處理器的智能超聲波導盲儀。該導盲儀包括3種傳感器：超聲波傳感器、溫度傳感器及微型水深傳感器，具有測積水深度、測溫、智能求救等功能，使用語音進行信息提示，并具有夜晚警戒燈等感知與提示功能。該導盲儀的創新之處在于首次將水深作為一種路面信息提供給盲人，其增加的微型水深傳感器能夠有效測量路面積水深度，為盲人雨天出行及行走到涉水路段時提供安全保障，方便了他們的生活。

總體來說，國內超聲波導盲儀功能逐漸豐富化與智能化，但由研究轉向產品生產尚不成熟，沒有形成產業化，不能滿足我國盲人群體的需求。

3 超聲波導盲儀的應用實例

2016年8月，中科院聲學所在知識創新工程科技助殘計劃項目的資助下，研制出一款基于仿生學的便攜式超聲波導盲儀。該導盲儀有效探測物距不小于5 m，探測掃描角度約為30 °，操作界面友好。該導盲儀已獲得發明專利授權，目前完成了樣機試生產，將與殘聯聯合向社會推廣，并開始進行產業化企業運作方式。

將該超聲波導盲儀發放給北京西城區部分盲人進行體驗。體驗者反饋良好，表示在一定程度上方便了他們的生活，減少了出行中與高矮樹木、車輛磕碰造成外傷的情況。體驗者經過短時培訓即可對導盲儀的功能全面了解。該導盲儀在一定程度上給盲人群體帶來了福音，希望經過全國各地殘聯的推廣，能讓更多盲人得以使用，早日改善其生活質量。

4 存在問題與發展方向分析

目前我國大部分盲人主要使用導盲杖或導盲犬進行導盲，超聲波導盲儀的普及度還比較低。其原因主要是現有的超聲波導盲儀性能不完善，存在響應速度慢、探測空間物體范圍窄等問題，不能滿足盲人使用者適應復雜多變環境的需求。

今后應加大科研投入力度，研發出盲人可用的價格低廉、方便實用的導盲器械。首先，在導盲技術上向多功能化、智能化方向發展，例如：可以在人工智能方面進行一定的探索，使超聲波導盲儀識別不同場景，從而有針對性地提供特定場景的測距、提醒、報警等服務，或者基于大數據與街道實時路況提供最優路徑，解決盲人出行難的問題。同時，要增強超聲波導盲儀的工作特性，減少故障率，提高可靠度，確保使用者的生命安全。此外，可以通過政策保障更好地服務于盲人群體，例如：實施低保政策，出臺盲人針對性保障制度；制定健全的法律，保障盲人的合法權益；適當增加盲人學校數量，建立盲人教學體系，使盲人接受公平化教育。

5 結語

目前我國對超聲波導盲儀的研究大多停留在理論研究階段，沒有進行相應的產品推廣，尚未應用于盲人使用者的生活中。今后應在理論研究基礎上進行功能拓展，提高超聲波導盲儀的智能化與設備穩定性，并推廣于市場，以造福盲人群體。

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