ДЕТЕКТОР ПРЕПЯТСТВИЙ ДЛЯ ЛЮДЕЙ С ОСЛАБЛЕННЫМ ЗРЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК A61F9/08 

Предложение относится к области офтальмологии и может быть использовано для предупреждения человека о приближении к препятствию и оценки расстояния до него, например для обеспечения безопасности передвижения людей с ослабленным зрением.

Устройства для предупреждения человека с ослабленным зрением о приближении к какому-либо препятствию (стенка, забор) или предмету известны.

Простейшим устройством является трость слепого, которой он находит препятствие, находящееся на расстоянии протянутой трости.

Значительно более функционально и обладает большей дальностью действия устройство [1], содержащее инфракрасный излучатель и приемник излучения, размещенные в одном корпусе. Инфракрасный излучатель работает в импульсном режиме и управляется генератором импульсов. Световой поток, излученный излучателем, после отражения от препятствия попадает на приемник. Сигнал с выхода приемника через усилитель и ограничитель поступает на вход управляемого генератора звуковой частоты. Сигнал будет пропорционален отражающей способности препятствия и обратно пропорционален расстоянию. Поэтому звуковой сигнал, воспроизводимый головным телефоном, будет иметь тон, частота которого плавно возрастает по мере приближения к препятствию.

Недостаток известного устройства [1] состоит в низкой точности оценки дальности до препятствия, так как частота звуковых колебаний является функцией не только искомой дальности, но и отражающей способности препятствия, которая в постоянно меняющейся обстановке не может быть спрогнозирована.

Указанный недостаток в значительной мере устранен в инфракрасном локаторе для людей с ослабленным зрением [2], который можно выбрать в качестве прототипа. Он содержит инфракрасный излучатель и приемник инфракрасного излучения, который выполнен в виде линейки точечных фотопреобразователей. Линейка точечных фотопреобразователей и инфракрасный излучатель размещены на одной линии и разнесены на базовое расстояние В. Для улучшения направленных свойств перед инфракрасным излучателем и линейкой точечных фотопреобразователей размещены фокусирующие линзы. Выход каждого фотопреобразователя через усилитель-ограничитель подключен к соответствующему входу цифроаналогового преобразователя, выходом подключенного к входу управляемого генератора звуковой частоты. Пользователь направляет устройство в интересующем его направлении. В случае наличия препятствия отраженный световой поток попадает на один из фотопреобразователей. Если мощность принятого светового потока больше некоторого порога, на выходе соответствующего усилителя-ограничителя действует логическая единица. При приближении или удалении пользователя от препятствия инфракрасный поток будет смещаться по линейке преобразователей, соответственно, в сторону инфракрасного излучателя или в противоположную сторону, и сигнал логической единицы будет генерироваться на соответствующем усилителе-ограничителе. Соответственно, с изменением цифрового кода на входе цифроаналогового преобразователя происходит уменьшение или увеличение частоты звукового сигнала на выходе управляемого генератора звуковой частоты.

Недостаток устройства прототипа заключается в низкой вероятности обнаружения препятствия при больших углах обзора. Диаграмма направленности точечного инфракрасного излучателя имеет фиксированную величину и определяет сектор рассеивания излучения, при попадании в который препятствие будет отражать световой поток (фиг.1). Для устройства прототипа угол обзора будет совпадать с углом рассеивания излучения. Величина угла обзора должна выбираться достаточно большой, чтобы пользователь был уверен, что в интересующем его направлении можно беспрепятственно продолжать движение. То, какая часть излученного светового потока будет отражена, зависит от того, какая часть угла рассеивания излучения будет перекрыта препятствием. Поскольку на выходе усилителя-ограничителя логическая единица будет действовать только в случае достаточной мощности светового потока, принятого фотопреобразователем, то в случае, если препятствие перекрывает недостаточную часть угла рассеивания излучения, оно не будет обнаружено. Таким образом, при требуемой величине угла обзора велика вероятность необнаружения препятствия.

Цель настоящего предложения состоит в повышении вероятности обнаружения препятствия при больших углах обзора. Поставленная цель достигается тем, что инфракрасный излучатель представляет собой линейку из N точечных инфракрасных излучателей (фиг.2). Линейка точечных инфракрасных излучателей и линейка точечных фотопреобразователей размещены на одной линии и разнесены на базовое расстояние В. Для улучшения направленных свойств перед линейкой инфракрасных излучателей и линейкой точечных фотопреобразователей установлены фокусирующие линзы. Точечные инфракрасные излучатели в линейке включаются по одному и последовательно с помощью сдвигового регистра, управляемого генератором импульсов. Взаимное положение излучающего точечного инфракрасного излучателя и линзы определяет направление распространения светового потока, которое изменяется в пределах угла обзора. Величина угла обзора определяется линейными размерами всего инфракрасного излучателя, параметрами соответствующей фокусирующей линзы и их взаимным расположением. Величина угла рассеивания излучения определяется линейными размерами одного точечного инфракрасного излучателя, параметрами соответствующей фокусирующей линзы и их взаимным расположением. Таким образом, угол обзора не совпадает с углом рассеивания излучения, что позволят сделать угол обзора достаточно большим без снижения вероятности обнаружения объекта. Угловая разрешающая способность определяется количеством точечных инфракрасных излучателей и точечных фотопреобразователей, их размерами и угловой разрешающей способностью фокусирующих линз. Световой поток, излученный в заданном направлении, после отражения от препятствия проецируется на тот или иной точечный фотопреобразователь, в зависимости от положения препятствия относительно оптической оси линзы. Таким образом, номер точечного инфракрасного излучателя, излучившего световой поток, и номер точечного фотопреобразователя, на который спроецировалось отраженное световое пятно, будут определять директорные углы на препятствие. Каждой комбинации директорных углов соответствует единственное значение расстояния до препятствия. Следовательно, номера излучившего точечного инфракрасного излучателя и принявшего световой поток точечного фотопреобразователя единственным образом определяют расстояние до препятствия. Таблица соответствия номеров точечных инфракрасных излучателей и точечных фотопреобразователей и соответствующих им расстояний до препятствия хранится в блоке памяти. Цифровой сигнал из блока памяти попадает на цифровой компаратор, где сравнивается со значением, хранящимся в регистре памяти, который предназначен для хранения значения расстояния до ближайшего препятствия, обнаруженного на предыдущих направлениях. Если текущее значение расстояния до препятствия меньше значения расстояния до ближайшего препятствия, то значение расстояния до ближайшего препятствия в регистре памяти обновляется, в противном случае остается прежним. Сигнал со старшего разряда сдвигового регистра соответствует завершению очередного цикла сканирования сектора обзора. По этому сигналу значение расстояния до ближайшего препятствия переписывается в буферную память, а содержимое регистра памяти устанавливается в максимально возможное значение. Буферная память через цифроаналоговый преобразователь соединена с управляемым генератором звуковой частоты, с которого подается сигнал соответствующего тона на головной телефон. Следовательно, тон звукового сигнала на выходе головных телефонов будет зависеть от расстояния до ближайшего препятствия, обнаруженного в ходе последнего сканирования сектора обзора, значение которого хранится в буферной памяти. Таким образом, пользователь будет слышать звуковой сигнал, тон которого пропорционален расстоянию до ближайшего препятствия, находящегося в сканируемом секторе обзора. При этом по сравнению с устройством прототипа данное устройстве позволяет обеспечить независимость вероятности обнаружения препятствия от величины угла обзора, что позволяет увеличить также угловую разрешающую способность устройства, а значит, и точность определения расстояния до препятствия.

Структурная схема устройства представлена на фиг.3.

Устройство содержит две фокусирующие линзы 1 и 2, разнесенные друг относительно друга на базовое расстояние В. В задней фокальной плоскости фокусирующей линзы 1 помещен инфракрасный излучатель 3 выполненный в виде линейки точечных инфракрасных излучателей 4, общее количество которых равно N. В задней фокальной плоскости фокусирующей линзы 2 помещен приемник инфракрасного излучения 5, выполненный в виде линейки точечных фотопреобразователей 6, общее количество которых равно М. Каждый точечный инфракрасный излучатель 4 предназначен для излучения светового потока. Каждый точечный фотопреобразователь 6 предназначен для преобразования светового потока в электрический сигнал. Выход каждого j-oгo (j = 1, M) точечного фотопреобразователя 6 подключен к входу соответствующего усилителя-ограничителя 7. Вход каждого i-oгo (i = 1, N) точечного инфракрасного излучателя 4 соединен с выходом соответствующей ячейки сдвигового регистра 8, предназначенного для продвижения информации в виде логической единицы от первой ячейки к последней с частотой сигнала на управляющем входе. Общее количество ячеек хранения информации сдвигового регистра 8 равно N+1. Выход каждой 1-ой (i = 1, N) ячейки сдвигового регистра 8 подключен также к соответствующему i-ому входу блока памяти 9. Выход каждого j-oгo усилителя-ограничителя 7 подключен к соответствующему (N+j)-ому входу блока памяти 9. Блок памяти 9 представляет собой двумерный массив ячеек памяти. Он предназначен для хранения таблицы, в которой на пересечении столбца с номером точечного инфракрасного излучателя и строки с номером точечного фотопреобразователя находится код, соответствующий расстоянию до препятствия. Выход генератора импульсов 10 соединен с синхронизирующим входом блока памяти 9 и с управляющим входом сдвигового регистра 8. Выход блока памяти 9 соединен с информационным входом первого ключа 11. Управляющий вход первого ключа 11 соединен с выходом цифрового компаратора 12. Первый ключ 11 предназначен для коммутации сигнала. Входы цифрового компаратора 12 соединены с выходами блока памяти 9 и регистра памяти 13. Цифровой компаратор 12 предназначен для сравнения входных сигналов, заданных в цифровой форме. Информационный вход регистра памяти 13 соединен с выходом первого ключа 11. Выход (N+1)-ой ячейки сдвигового регистра 8 подключен к управляющему входу регистра памяти 13, который предназначен для хранения информации в цифровом виде. Выход регистра памяти 13 соединен с информационным входом второго ключа 14. Управляющий вход второго ключа 14 соединен с выходом (N+1)-ой ячейки сдвигового регистра 8. Второй ключ 14 предназначен для коммутации сигнала. Выход второго ключа 14 соединен с входом буферной памяти 15, которая предназначена для кратковременного хранения цифровой информации. Выход буферной памяти 15 соединен с входом цифроаналогового преобразователя 16. Выход цифроаналогового преобразователя 16 подключен к управляющему входу управляемого генератора звуковой частоты 17, предназначенного для генерирования сигналов звуковой частоты, пропорциональных входному аналоговому сигналу. Выход управляемого генератора звуковой частоты 17 соединен с входом головных телефонов 18.

При включении устройства сдвиговый регистр 8 приводится в исходное состояние: все ячейки обнуляются, а первая ячейка приводится в состояние логической единицы. Так как только первая ячейка сдвигового регистра 8 принимает значение логической единицы, только первый точечный инфракрасный излучатель 4 излучает световой поток в направлении, которое определяется положением точечного инфракрасного излучателя относительно линзы 1. Отраженный от препятствия световой поток проецируется линзой 2 на приемник инфракрасного излучения 5. При грамотном инженерном расчете оптических элементов устройства световой поток проецируется только на один точечный фотопреобразователь 6. В результате на выходе усилителя-ограничителя 7, соответствующего освещенному отраженным световым потоком точечному фотопреобразователю 6, действует логическая единица. На выходе остальных усилителей-ограничителей 7 действуют логические нули. Сигналы с выходов усилителей-ограничителей 7, так же как и сигналы с выходов ячеек сдвигового регистра 8, поступают на вход блока памяти 9. Таким образом, на вход блока памяти 9 поступают два унитарных двоичных кода, которые определяются положением точечного инфракрасного излучателя 4, излучившего световой поток, и точечного фотопреобразователя 6, принявшего отраженный световой поток относительно линз 1 и 2, то есть они однозначно определяют направляющие углы на препятствие. Двум направляющим углам и фиксированному базовому расстоянию В соответствует единственное расстояние до препятствия. Унитарный двоичный код, поступающий с усилителей-ограничителей 7, зависящий от номера принявшего световой поток точечного фотопреобразователя, определяет столбец массива ячеек. Унитарный двоичный код, поступающий со сдвигового регистра 8, связанный с номером излучившего световой поток точечного инфракрасного излучателя, определяет строку массива ячеек. По сигналу синхронизации с выхода генератора импульсов 10 значение, хранящееся в ячейке, лежащей на пересечении заданных столбца и строки, подается на выход блока памяти 9. С выхода блока памяти 9 условное значение расстояния до препятствия подается на информационный вход второго ключа 11 и на один из входов цифрового компаратора 12, где сравнивается со значением текущего расстояния до ближайшего препятствия, которое поступает на другой вход цифрового компаратора 12 с выхода регистра памяти 13. Регистр памяти 13 предназначен для хранения цифрового кода, соответствующего значению расстояния до ближайшего препятствия, обнаруженного в ходе текущего цикла сканирования сектора обзора. Первоначально при включении устройства содержимое регистра памяти 13 устанавливается в максимально возможное значение. Если значение расстояния до препятствия меньше значения текущего расстояния до ближайшего препятствия, то цифровой компаратор 12 открывает первый ключ 11, который пропускает сигнал с выхода блока памяти 9 на информационный вход регистра памяти 13. Таким образом, в регистр памяти 13 заносится новое текущее значение расстояния до ближайшего препятствия. В противном случае первый ключ 11 не открывается, и в регистре памяти 13 остается прежнее текущее значение расстояния до ближайшего препятствия. Далее с выхода генератора импульсов 10 на управляющий вход сдвигового регистра 8 поступает очередной импульс. По мере поступления импульсов с выхода генератора импульсов 10 на управляющий вход сдвигового регистра 8 сигнал логической единицы продвигается в нем от его первой к последней ячейке. Соответственно по одному и последовательно, начиная с первого, включаются на излучение точечные инфракрасные излучатели 4 инфракрасного излучателя 3. Выход последней (N+1)-ой ячейки сдвигового регистра 8 соединен с управляющим входом регистра памяти 13 и управляющим входом второго ключа 14. Значение логической единицы на выходе последней (N+1)-ой ячейки сдвигового регистра 8 сигнализирует о завершении очередного цикла сканирования сектора обзора. При поступлении сигнала с выхода последней (N+1)-ой ячейки сдвигового регистра 8 на управляющие входы регистра памяти 13 и второго ключа 14 содержимое регистра памяти 13 через второй ключ 14 переписывается в буферную память 15, а значение регистра памяти 13 устанавливается максимально возможным. С выхода буферной памяти 15 цифровой сигнал поступает на вход цифроаналогового преобразователя 16, где преобразуется в аналоговый сигнал и затем поступает на вход управляемого генератора звуковой частоты 17. Соответственно с изменением цифрового кода на входе цифроаналогового преобразователя 16 происходит увеличение или уменьшение частоты звукового сигнала на выходе управляемого генератора звуковой частоты 17. Сигнал звуковой частоты подается в головной телефон 18, где преобразуется в звук соответствующей частоты, который воспринимает человек с ослабленным зрением. По тону звуковой частоты пользователь оценивает расстояние до ближайшего препятствия.

При составлении описания и формулировании изобретения были использованы следующие источники патентной и научно-технической информации
1. Локатор для людей с ослабленным зрением. Патент США 5508699, MПК G 08 G 1/095, 17.04.96.

2. Гринченко В.И., Разин А.В., Шабаков Е.И. Инфракрасный локатор для людей с ослабленным зрением. Патент 2153181, МПК G 01 S 17/02, 05.05.99.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к области офтальмологии, и может быть использовано для предупреждения пользователя о приближении к препятствию и оценки расстояния до него для обеспечения безопасности передвижения людей с ослабленным зрением. Детектор препятствий содержит генератор импульсов, ЦАП, генератор звуковой частоты и головной телефон. Инфракрасный излучатель выполнен в виде линейки точечных инфракрасных излучателей и установлен в задней фокальной плоскости первой фокусирующей линзы. Приемник инфракрасного излучения выполнен размещенным в задней фокальной плоскости второй фокусирующей линзы в виде линейки точечных фотопреобразователей, что позволяет определять угол на препятствие, отразившее световой поток. Устройство содержит также сдвиговый регистр, несколько усилителей-ограничителей, блок памяти, на вход которого подаются синхронизирующий сигнал с выхода генератора импульсов и два унитарных двоичных кода с выходов сдвигового регистра и усилителей-ограничителей, цифровой компаратор, ключ, регистр памяти и буферную память. Изобретение позволяет повысить вероятность обнаружения препятствия при больших углах обзора. 3 ил.

Детектор препятствий для людей с ослабленным зрением, содержащий генератор импульсов, последовательно включенные цифроаналоговый преобразователь, управляемый генератор звуковой частоты и головной телефон, а также две фокусирующие линзы, оптические оси которых ориентированы в сторону препятствия, в задней фокальной плоскости первой фокусирующей линзы размещен инфракрасный излучатель, в задней фокальной плоскости второй фокусирующей линзы размещен приемник инфракрасного излучения, ориентированный совместно с инфракрасным излучателем вдоль одной линии и выполненный в виде линейки точечных фотопреобразователей, причем выходы каждого точечного фотопреобразователя подключены к входам соответствующих усилителей-ограничителей, отличающийся тем, что дополнительно введены сдвиговый регистр, цифровой компаратор и последовательно соединенные блок памяти, первый ключ, регистр памяти, второй ключ и буферная память, причем инфракрасный излучатель выполнен в виде линейки точечных инфракрасных излучателей, ориентированной вдоль одной линии с линейкой точечных фотопреобразователей, вход каждого точечного инфракрасного излучателя соединен одновременно с соответствующим входом блока памяти и соответствующим выходом сдвигового регистра, соединенного входом с выходом генератора импульсов и синхронизирующим входом блока памяти, выход которого подключен к информационному входу первого ключа непосредственно и к управляющему входу второго ключа через цифровой компаратор, второй вход которого присоединен к выходу регистра памяти, управляющий вход которого соединен параллельно с управляющим входом второго ключа и с выходом старшей ячейки сдвигового регистра, выход второго ключа соединен с входом буферной памяти, выход буферной памяти соединен с входом цифроаналогового преобразователя, а выход каждого усилителя-ограничителя - с соответствующим входом блока памяти.