СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ Российский патент 1997 года по МПК A61F9/08 

Изобретение относится к области создания приборов для ориентирования слепых в окружающем пространстве.

Известны технические системы и приборы, предназначенные для инвалидов по зрению и позволяющие им ориентироваться в окружающей обстановке.

Известны [Авт. св. N 1445725 (СССР), Устройство для ориентации людей с ослабленным зрением; заявка N 0235460 (ФРГ), Предназначенный для слепых преобразователь зрительного сигнала в звуковой; заявка N 013616186 (ФРГ), Система для указания пути слепым; заявка N 2598316 (Франция), Проводник для слепого с переводом визуальных данных в тактильные и слуховые ощущения; заявка N 63-11987 (Япония), Устройство для оценки возможностей аппарата для помощи слепых в ходьбе]
В устройстве для помощи слепых при ходьбе (заявка N 56-5653 (Япония)) изучается ультразвуковой сигнал. Прием осуществляется на пять ультразвуковых приемников и на фазовый детектор. Если разность фаз находится в пределах заданной области, определяется, что препятствие находится в границах некоторого телесного угла, соответствующего указанному известному сдвигу фаз.

Измерение расстояния до объекта, как правило, сводится к оценке времени задержек эхо-сигнала. Примером таких технических решений может служить аппарат и способ оказания помощи в ориентировании слепыv и людям с пониженным зрением (заявка N 08 3544047 (ФРГ)).

Аппарат выполнен, как прибор для измерения расстояний с помощью определения времени прохождения ультразвукового эхо-импульса. Данные о расстоянии преобразуют в акустически воспринимаемый звук определенной частоты.

Часть устройств представляет собой стационарные системы, например устройство для ведения слепых в городе (заявка N 2593060 (Франция)). Оно позволяет слепым и плоховидящим перемещаться по определенному маршруту без помощи проводника и состоит из кабеля или волокна, проложенного в грунте и передающего модулированный звуковой сигнал, принимаемый детектором в трости и передаваемый на приемник для сигнализации о любой опасности.

В настоящее время выделяют три направления развития технических систем визуализации окружающего пространства в помощь слепым.

К первому направлению относятся индикаторы свободного пути. Они наиболее просты и несут информацию только о наличии препятствия на пути следования слепого. Устройства используют узкий пучок акустической энергии и могут иметь форму карманного фонаря. Представление информации производится в звуковой или тактильной форме.

Примером подобных устройств являются следующие. Mower sensor. Worshald. New Zealand изобретение новозеландца Geoff Mowat. Используется ультразвуковое излучение.

Воспринимается вибрация прибора, которая возрастает с приближением к субъекту. Прибор представляет собой несомую в руке коробочку размером 15х5х3 см и весом 185 г. Используется только в качестве детектора препятствий. Можно установить одну из двух величин предельного расстояния, на котором будет замечаться объект как возможное препятствие, и вибратор начнет срабатывать 1 и 4 м. В зависимости от ситуации пользователь простым поворотом прибора может выбрать, по ширине или по высоте будет производиться излучение; в первом случае поступает много информации о боковых объектах, во втором голова незрячего хорошо защищена от опасности столкновения с такими нависающими препятствиями, как кузов грузовика, сильно наклоненный столб светофора и т.д.

Scoutmaster производится в Австрии и западногерманской фирмой AKG.

Ультразвуковое излучение, восприятие вибрации. Крепится наподобие галстука на груди с поступлением вибрации на плечо, так что обе руки свободны. Информирует о наличии препятствия в заданных пользователем пределах расстояния. В отличие от аппарата Sicopilot предельное расстояние не ограничивается двумя величинами, а может регулироваться весьма широко. Кроме того, прибор имеет большой вертикальный угол излучения, что позволяет вовремя указать о наличии объекта, о который может удариться голова. Питание обеспечивает 15 ч непрерывного использования, Sicopilot.

Habelt Electronic BRD производится фирмой Сименс (ФРГ).

Восприятие вибрации. Изменяется частота колебаний. Прибор имеет форму карманного фонаря размером 14х6х4 см и весом 200 г. Помещается в руке или крепится на груди. Сообщает о том, что в пределах установленной пользователем дальности появилось препятствие (можно выбрать одну из двух величин предельной дальности 1,5 и 2,5 м). По высоте звука определить, какое расстояние до объекта, если оно меньше предельного.

Неся "фонарь" в руке, незрячий получает возможность уточнить направление на препятствие, а иногда форму и размеры объекта. Ширина поля на расстоянии двух метров около 50 см.

Sonie Pathfinder разработан Tony Heyes из центра мобильности в Ноттингеме (Великобритания) в 1987 г. Ультразвуковое излучение. Акустическое восприятие. Встроенный в прибор микропроцессор анализирует информацию и решает, какая и в какой момент будет полезна для пользователя, выбирает ее элементы, значимые при определении степени опасности. Основное время прибор "молчит", давая возможность активно использовать для ориентирования слух и не загружая мозг излишней информацией. Звучит за две секунды до потенциального столкновения с препятствием. При этом микропроцессор учитывает и скорость движения незрячего. Крепится на голове так, что руки свободны.

Vibraduks выпускается в ФРГ фирмой Fritz Huttinger Electronic. В основе прибора ультразвуковой радар с импульсами частотой 40 кГц. Восприятие вибрации коробочек размером 19х5х9 см и весом 190 г. Информация о расстоянии до препятствия в диапазоне 0,9-9 м. Питания хватает на 15 ч.

Второе направление предполагает использование слуха в максимальных пределах его возможностей для восприятия окружающей обстановки. Устройство позволяет осуществить локализацию объекта, получить информацию о левом, правом или верхнем направлениях на объект, а также расстояние до него. В устройстве такого типа возможно лоцировать несколько объектов одновременно, причем звуковой сигнал несет в себе некоторую информацию о природе объекта. Для обеспечения широкого поля зрения используется бинауральное восприятие.

Примером устройства подобного типа является Siemens spectacles (Habelt. BRD). Разработчик фирма СИМЕНС (инженер Колани).

Производится ультразвуковое излучение двумя трансдукерами. Бинауральный прием. Излучатель и приемник расположены в очковой оправе. Вес всей электроники 200 г. Удаленность объекта (2,1 3,4 м) определяется по высоте тока (чем ближе, тем выше) в направлении по стереоэффекту. На расстоянии 2 м ширина поля 80 см.

Третье направление характеризуется попыткой моделировать зрение восприятием фронтальных образов окружающей среды с помощью набора тактильных стимуляторов на теле или даже набором электродов, вживленных в мозг, как предлагает Brindley Dobelle. Информация передается через миниатюрный блок на интегральных схемах. Примером является устройство Laser Cane (Nurion.USA).

Инфракрасные излучения (3 излучателя). Акустическое восприятие через наушники и одновременно через вибраторы под указательным пальцем. В отличие от большинства приборов электронного ориентирования предусмотрено использование сразу трех пар излучателей- приемников. Они расположены в разных по высоте частях трости и "наблюдают" за соответствующими группами объектов: верхние защищают голову, средние информируют о стандартных препятствиях, а нижняя пара излучатель-приемник имеет особенность. Определяемый ими звуковой тон возникает не при появлении объекта в поле отражения, а, наоборот, при его отсутствии. Эти элементы аппарата поставлены для реакции на понижение перед ногами и сообщают о ступенях вниз, ямах, крае платформы и других опасностях этого рода. Лазерная тифлотрость разрабатывалась в США, начиная с середины 60-х годов. Сейчас подобные трости достаточно широко используются. Ограничения налагаются ценами, достигающими несколько тысяч долларов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ представления пространственной информации, реализованный в приборе Sonic guide (Worshald.New Zeland), разработанный Leslie Kay, деканом факультета электротехники университета в Kanferbary (Новая Зеландия).

При работе прибора используется ультразвуковой излучатель. Стереофоническое восприятие на два наушника. Многоэлементный звуковой дисплей. Излучатель и два приемника сконструированы в очковой оправе. Электроника и аккумуляторное питание находится в коробочке, которую можно поместить в карман. Питания хватает на пять часов.

Прибор обеспечивает получение информации о расстоянии до объекта (чем он дальше, тем звук выше), а также, в известных пределах, о его форме, размерах и фактуре. Таким образом прибор представляет уже не простой индикатор препятствия, а в определенной степени анализатор среды со многими важными характеристиками. Однако, чем богаче выдается информация, тем больше нагрузка на пользователя. Необходимо перерабатывать достаточно сложную звуковую картину с привлечением таких переменных, как громкость, высота звука, тембровые характеристики.

Для успешной интерпретации выдаваемых прибором сообщений требуется долгий процесс освоения. Курсы по освоению аппарата в ФРГ длятся около месяца. Цена более 3000 долларов.

Основные технические характеристики прибора приведены в таблице.

Структурная схема прибора показана на фиг. 1.

Сущность способа представления акустической информации, положенного в основу рассмотренного прибора состоит в следующем. В среду излучается ультразвуковой сигнал с линейной ЧМ, с частотным диапазоном примерно в октаву. Параметры прибора даны в таблице.

Производят бинауральный прием эхо-сигналов на два ультразвуковых приемника. Полученные сигналы перемножаются с опорным сигналом для получения сигнала биения. Осуществляют низкочастотную фильтрацию процесса. Производят частотную фильтрацию сигналов с помощью эквалайзера затухания. После усиления сигналы поступают на головные телефоны для восприятия слуховой системой человека. Расстояние до объекта представляется частотой слышимого сигнала, а направление на объект интерауральной разностью амплитуд сигналов, попадающих на оба уха. Недостаток рассмотренного способа состоит в следующем. Частота излучения зондирующего сигнала лежит в пределах 40-120 кГц. Нижняя граница диапазона определяется необходимой разрешающей способностью. Исследования животных, например летучих мышей, также показывает, что диапазон их излучения составляет 30-70 кГц, а область наибольшей интенсивности 40-50 кГц. От животных звук исходит не непрерывно, а в виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых 1-5 мС.

В тоже время, область наилучшей слышимости человеческого уха лежит в пределах 250-4000 Гц. Поэтому для подачи эхо-сигналов на слуховой анализатор человека САЧ, их частоту следует существенно понизить. Для уменьшения частоты осуществляют операцию действительной демодуляции (детектирования), заключающуюся в перемножении исходного сигнала S(t) и гармонического высокочастотного колебания cosω_ot где ω_o несущая частота.

Однако, спектральная плотность мощности, полученная в результате этой операции, оказывается в общем случае искаженной копией спектра сигнала.

В рассмотренном методе производится перемножение эхо-сигнала S(t) и эталонного ЛЧМ сигнала S₀(t).

При этом

где τ задержка эхо-сигнала.

В результате перемножения получим

Первое слагаемое представляет собой колебание биения частот 1/2•cos(ω_oτ+mtτ+μτ²/2), выделяемое в результате низкочастотной фильтрации. Поскольку мгновенная частота сигнала определяется f(t) = 1/2πdΦ/dt = μτ где v фаза сигнала, низкочастотный сигнал биения несет информацию о задержке t, определяемую дистанцией до объекта D, поскольку t 20/с. Таким образом, сигнал получаемый в результате реализации рассмотренного способа несет информацию главным образом о дистанции до объекта. Прием эхо-сигналов, отраженных от нескольких объектов или блестящих точек одного объекта, позволяет пользователю получить некоторую информацию о характере окружающей обстановки. Но и в этом случае картина воспринимается, как совокупность оцененных дальностей и направлений.

В тоже время известно, что спектральный состав эхо-сигнала зависит от формы и размеров объекта и может быть использован, как признак при решении задачи опознавания. Ухо человека представляет собой весьма совершенный частотный анализатор, позволяющий оценивать спектральный состав эхо-сигнала.

Однако сигнал, полученный в способе- прототипе, как отмечалось, является искаженным и не позволяет использовать все возможности САЧ. Другая трудность восприятия эхо-сигнала связана с его длительностью. Порог восприятия поднимается при уменьшении длительности импульса, то есть короткие импульсы воспринимаются с большим трудом, чем длительные.

Целью предполагаемого изобретения является согласование частотного диапазона и длительности сигнала со слуховым анализатором и получение более полной информации, содержащейся в эхо-сигнале.

Поставленная цель достигается тем, что в способ акустического представления пространственной информации, заключающийся в излучении высокочастотного сигнала, бинауральном приеме эхо-сигналов на два ультразвуковых микрофона, усилении, переработке в каждом канале приема и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, вводят операцию временного растяжения эхо-сигналов в правом и левом каналах в a раз a = f₁/f₂ f₁ несущая частота зондирующего сигнала, f₂ средняя частота диапазона, воспринимаемого слуховым анализатором.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.

Излучается короткий высокочастотный импульс. Оценка принимаемого сигнала может быть представлена в виде свертки входного сигнала и импульсной характеристики (ИХ) приемника, осуществляющего восстановление сигнала h_в(t)
(1)
С другой стороны входной сигнал представляет собой свертку зондирующего импульса S(t) с ИХ объекта локации h(t)
X(t) S(t)•h(t)(2)
Подставляя (2) в (1) и, переходя в область спектра, получим

где передаточная функция восстанавливающего фильтра;
спектр оценки эхо-сигнала;
спектр излученного сигнала;
- передаточная функция объекта,
откуда

Выражение (5) показывает, что слуховая система человека, анализируя спектр оценки эхо-сигнала, производит и оценку передаточной функции объекта локации, определяющей его ИХ. Если излучается очень короткий (ультракороткий) ВЧ импульс, близкий к δ-функции, входной сигнал по сути представляет собой ИХ рассеивающего объекта. С учетом пространственной координаты.

где пространственная координата.

При этом

где волновой вектор.

Таким образом, оценка принимаемого сигнала представляет собой ИХ рассеивающего объекта с точностью до ИХ восстанавливающего фильтра, влияние которого индивидуально для каждого слухового анализатора и может быть учтено в процессе тренировок.

Для того, чтобы короткий ВЧ сигнал (6) мог быть воспринят слуховым анализатором человека, (САЧ) производит временное растяжение сигнала в α раз по закону

где α = f₁/f_2/ ;
f₁- несущая частота сигнала;
f₂ средняя частота диапазона, воспринимаемого САЧ.

С учетом (6) соответственно изменится масштаб ИХ объекта

Среднюю частоту диапазона наилучшей слышимости необходимо подбирать для среднего пользователя и она несколько превышает 1 кГц.

Предположим, используется зондирующий сигнал c несущей частотой 60 кГц, а средняя частота слышимого диапазона 1,2 кГц. В этом случае α составит 50.

Для выполнения соотношения (6) должно выполняться условие
t_и≈ 1/f₁
где τ_и длительность зондирующего импульса.

Допустим τ_и=20 мкс Если сигнал испытывает отражение от объекта, имеющего протяженность в пространстве L, отраженный сигнал X(t) будет испытывать растяжение во времени до величины
τ_э= τ_и+2L/C
где c скорость распространения колебания.

Предположим L=0,4 м. В этом случае длительность эхо-сигнала составит τ_э≈ 2,44 мс. После его временного растяжения в α раз длительность at_э≈122 мс. Такое временное растяжение также важно для восприятия сигнала слуховым анализатором.

После усиления сигналы левого и правого каналов поступают на головные телефоны для восприятия САЧ.

Пример устройства, реализующего обработку в соответствии с предложенным способом, показан на фиг.2.

Устройство содержит:
Генератор зондирующих импульсов 1
Усилитель тракта излучения 2
Передатчик 3
Ультразвуковые преобразователи 4,5
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 6,7
Блоки памяти 8,9
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 10,11
Усилители 12,13
Генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ) 14
Процессор 15
Тип АЦП 6, 7 выбирается, исходя из требуемого быстродействия, определяемого частотой зондирующих сигналов. Поскольку максимальная частота, используемая в подобных системах, составляет 120 кГц, необходимое быстродействие обеспечивает АЦП К 1108 ПВ1 с временем преобразования меньше 0,9 мкс и тактовой частотой в пределах 0,4 1,5 мГц.

Емкость блоков памяти 8, 9 определяется частотой и длительностью обрабатываемой реализации T_р. Запоминающее устройство (ЗУ) должно обеспечивать кратковременное хранение N отсчетов, где
N f₁T_р T_р 2D/c
D максимальная дальность работы.

При D 15 м, f₁ 40 кГц N≈ 4000 устройства.

ЗУ широко распространены в цифровой технике.

К ЦАП 10, 11 не предъявляется особых требований по быстродействию, поскольку частота считывания информации из блоков памяти ниже частоты записи.

Могут быть использованы ЦАП К 572 ПА 1,10В с временем преобразования 5 мкс, током потребления 2 ма, напряжением питания 10 В.

ГСИ 14 вырабатывает импульсы с частотой следования зондирующих сигналов, синхронизирующие работу всего устройства.

В качестве процессора 15 может быть использована однокристальная ЭВМ К 1816.

После излучения входная реализация поступает на АЦП 6, 7 и заносится в ВП 8, 9. Процесс 15 обеспечивает считывание информации в α раз медленнее записи и обнуление БП после каждого цикла излучение прием.

После перевода сигналов в цифровую форму с помощью ЦАП 10, 11 и последующего усиления они поступают в САЧ.

Применение новых по сравнению с прототипом операций:
излучение ультракороткого импульса;
временное растяжения эхо-сигналов в правом и левом каналах позволило получить положительный эффект согласовать длительность и частотный диапазон входного сигнала со слуховым анализатором.

Использование: в медицине, а именно в приборах для ориентирования слепых в окружающем пространстве. Сущность: способ акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению заключается в излучении ультразвукового импульса, бинауральном приеме эхо-сигнала на два ультразвуковых микрофона, усилении, переработке в каждом канале приема и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, при этом переработку эхо-сигнала осуществляют путем его временного растяжения. Технический результат: согласование частного диапазона и длительности акустического сигнала со слуховым анализатором. 2 ил., 1 табл.

Способ акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению, заключающийся в излучении ультразвукового импульса, бинауральном приеме эхо-сигнала на два ультразвуковых микрофона, усилении, переработке в каждом канале приема и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, отличающийся тем, что переработку сигнала осуществляют путем его временного растяжения.