超声波导盲仪技术研究

张文　靳伟　龙跃洲　张洋　崔帅　赫荣彬　沙亚·沙里木江

摘要：阐述超声波导盲仪的超声波产生类别及其测距原理，归纳总结国内外超声波导盲仪的研究现状，介绍一款试用中的超声波导盲仪，指出现有超声波导盲仪存在的不足，提出向多功能、智能化发展的建议，同时倡导关爱盲人、提供福利政策。

关键词：超声波发生器；超声波导盲仪；测距

中图分类号：TB559 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）01-0075-03

超声波测距技术是一种方便快捷的非接触式测距技术。近年来超声波测距技术在导盲领域得到了一定的应用研究。国内外对超声波导盲仪的研究大多处于理论研究阶段，存在响应速度慢的问题，尚未进行推广使用。为实现超声波导盲仪的智能化和多功能化，提高其响应速度，早日造福于盲人群体，应加快对超声波导盲仪的研究进程。

我国盲人人口数量众多，占世界盲人人口总数的20%左右，在视力保障方面存在巨大缺口。现今流行的导盲方式主要是利用导盲犬辅助导盲和利用导盲杖进行导盲，但两者均存在各自的应用局限。目前有相关学者研究设计了一种超声波导盲仪，在此基础上，本课题对超声波导盲仪进行原理分析与研究现状阐述，并对其发展提出建议。

1 超声波测距的原理

1.1 超声波发生器的类型

超声波发生器产生超声波的方式有两种，一是通过电气方式产生，二是通过机械方式产生。电气产生超声波的有压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械产生超声波的有加尔统笛产生型、液哨产生型和气流旋笛产生型等。通过不同途径产生的超声波的频率、功率及声波特性各不相同，其应用范围也有一定的区别。压电型超声波发生器是目前生活和科研中使用最多的一类发生器，超声波导盲仪上采用的就是压电型的。

1.2 压电型超声波发生器的原理

压电型超声波发生器的关键部件是压电晶体，依靠压电晶体产生的谐振来产生超声波。超声波发生器内部组成包括共振板和由两个压电晶片所组成的晶片组。在压电晶片的两侧接入一定的脉冲信号，若脉冲信号的频率与压电晶片本身的固有频率一致，则晶片组会发生振动，驱动共振板一起振动，此时就产生了超声波。相反，将压电晶片组置于无脉冲环境下，感受到超声波时，将带动共振板振动，使压电晶片组也产生振动，此时超声波的机械能便由此形式转换为电能，这就是超声波接收器的工作原理。

在超声波发生器的发射端电路中，产生一定频率的方波脉冲并将其发送出去，经过前方物体的反射，再由接收器接收，此时方波的宽度即是发射超声波直至接收器接收到超声波返回信号的时间间隔。超声波发生器所产生的方波脉冲个数与被测物体距离成正比，即超声波导盲仪所测的物体距离越远，其产生的方波宽度就越大。超声波总的传输时间与方波宽度所对应的时间一致，即方波脉冲由产生发送经空气介质到物体反射后直至被接收的时间。所测的距离为超声波传输总时间与介质中声速相乘所得距离的一半。往返时间检测方法原理如图1所示。

2 国内外超声波导盲仪的研究现状

2.1 國外研究情况

国外最早出现的超声波导盲仪是Russell Pathsounder，其基于简单的超声波测距原理获得被测物体的距离信息，然后通过易于感知的方式（如语音或振动）提示使用者。使用时将其佩戴在脖子上，放置在胸前，能够测量6英尺内的障碍物。在Russell Pathsounder之后出现了手持式超声测距仪器Mowat Sensor，其以振动方式提示使用者所测得的前方障碍物的距离，且所测障碍物的距离与仪器振动的频率之间有一定的比例关系。后来又出现了超声波导盲仪Nottingham Obstacle Detector，其原理和外形都类似于Mowat Sensor，但Nottingham Obstacle Detector可以根据被测距离信息的不同而发出8种不同的易于识别的音调，以提示使用者。

利用CTFM（Continuous Transmitted Frequency Modulated，连续传输频率调制）模型进行导盲，CTFM可以将前方障碍物的距离变化作为输入，将声音频率的变化作为输出。所测量障碍物的距离越远，所发出的声音频率越高；反之，所测量障碍物的距离越近，则所发出的声音频率越低。英国科学家Leslie Kay于1965年首次基于CTFM模型研发了Kay Sonic Torch导盲仪，其一共有2个超声波转换器，一个用于发射信号，另一个用于接收信号。Kay博士于1974年研发了Binaural Sonic Aid，其首次采用独立的左右两路转换输出。Binaural Sonic Aid的眼镜中央安装有超声波发射器，具有宽声束角的特性；左右两边分别有一个超声波接收器，两个接收器相互独立，分别与耳机的左右声道相连，这种双声道设置能使使用者对前方物体方位的辨别更加清晰，从而使导盲仪更加可靠。CTFM模型的导盲仪虽然可靠性有所改善，但其所输出的音频信号并非是人类熟悉的声音，使用者需要培训一定时间后才能较好使用；由于输出的声音较为刺耳，使用者在长时间佩戴后容易产生疲劳，在一定程度上限制了该类型导盲仪的发展。

2.2 国内研究情况

我国对超声波导盲仪的研究起步较晚。近十几年，国内各大高校积极进行关于超声波检测方法、精度分析处理及超声波的应用等方面的理论研究和相关产品的研发与推广，超声波导盲仪的研究随之发展起来。

王扬等人研究设计了一种基于CTFM模型的便携式超声波导盲仪。该超声波导盲仪将距离信号转换为间断的音频声进行输出，采集距离信号周期与输出音频周期一致，均为200 ms；音频输出能量集中的频率与物距成正比关系，物距分别为1，2，3 m时，设计的音频输出频率分别对应为3，6，9 kHz。其探测扫描角度约为15 °，在这个角度范围内，能使使用者具有良好的方向辨别能力。该导盲仪可以将使用者身边障碍物的距离远近及其大致尺寸识别出来，使使用者轻松实现对路面几厘米的距离变化的辨别。

甘德成等人研制出一款智能导盲仪，其以低功耗单片机MSP4301247为控制核心，利用超声波传感器、温湿度传感器、压力传感器与时钟芯片等设计而成。该导盲仪的探测扫描角度约为180 °，前方大部分的障碍物都能被探测扫描，并采用语音信息的方式提示使用者。基于单片机的设计实现了一系列功能拓展，支持大气压力、温湿度、秒表等10余项功能，由电压范围2.2～4.2 V的电池进行供电，并具有自动待机节能模式。

刘红梅等人设计了一款基于DSP处理器的智能超声波导盲仪。该导盲仪包括3种传感器：超声波传感器、温度传感器及微型水深传感器，具有测积水深度、测温、智能求救等功能，使用语音进行信息提示，并具有夜晚警戒灯等感知与提示功能。该导盲仪的创新之处在于首次将水深作为一种路面信息提供给盲人，其增加的微型水深传感器能够有效测量路面积水深度，为盲人雨天出行及行走到涉水路段时提供安全保障，方便了他们的生活。

总体来说，国内超声波导盲仪功能逐渐丰富化与智能化，但由研究转向产品生产尚不成熟，没有形成产业化，不能满足我国盲人群体的需求。

3 超声波导盲仪的应用实例

2016年8月，中科院声学所在知识创新工程科技助残计划项目的资助下，研制出一款基于仿生学的便携式超声波导盲仪。该导盲仪有效探测物距不小于5 m，探测扫描角度约为30 °，操作界面友好。该导盲仪已获得发明专利授权，目前完成了样机试生产，将与残联联合向社会推广，并开始进行产业化企业运作方式。

将该超声波导盲仪发放给北京西城区部分盲人进行体验。体验者反馈良好，表示在一定程度上方便了他们的生活，减少了出行中与高矮树木、车辆磕碰造成外伤的情况。体验者经过短时培训即可对导盲仪的功能全面了解。该导盲仪在一定程度上给盲人群体带来了福音，希望经过全国各地残联的推广，能让更多盲人得以使用，早日改善其生活质量。

4 存在问题与发展方向分析

目前我国大部分盲人主要使用导盲杖或导盲犬进行导盲，超声波导盲仪的普及度还比较低。其原因主要是现有的超声波导盲仪性能不完善，存在响应速度慢、探测空间物体范围窄等问题，不能满足盲人使用者适应复杂多变环境的需求。

今后应加大科研投入力度，研发出盲人可用的价格低廉、方便实用的导盲器械。首先，在导盲技术上向多功能化、智能化方向发展，例如：可以在人工智能方面進行一定的探索，使超声波导盲仪识别不同场景，从而有针对性地提供特定场景的测距、提醒、报警等服务，或者基于大数据与街道实时路况提供最优路径，解决盲人出行难的问题。同时，要增强超声波导盲仪的工作特性，减少故障率，提高可靠度，确保使用者的生命安全。此外，可以通过政策保障更好地服务于盲人群体，例如：实施低保政策，出台盲人针对性保障制度；制定健全的法律，保障盲人的合法权益；适当增加盲人学校数量，建立盲人教学体系，使盲人接受公平化教育。

5 结语

目前我国对超声波导盲仪的研究大多停留在理论研究阶段，没有进行相应的产品推广，尚未应用于盲人使用者的生活中。今后应在理论研究基础上进行功能拓展，提高超声波导盲仪的智能化与设备稳定性，并推广于市场，以造福盲人群体。

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