Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ - Патент РФ 2053746
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ
СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ

СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к медицине и может быть использовано для создания приборов для ориентирования слепых в окружающем пространстве. Сущность изобретения: в данном способе в качестве зондирующего используется сложный сигнал. Отклик согласованной фильтрации в этом случае близок к импульсной характеристике рассеивающего объекта. Для согласования частотного и временного диапазонов сигнала со слуховым анализатором производят временное растяжение откликов согласованной фильтрации в каждом канале приема. Восприятие инвалидом по зрению совокупности сигналов, отраженных от близлежащих объектов, позволяет ему наблюдать акустическую картину окружающей обстановки. 2 ил., 1 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2053746
Класс(ы) патента: A61F9/08
Номер заявки: 93056911/14
Дата подачи заявки: 22.12.1993
Дата публикации: 10.02.1996
Заявитель(и): Сапрыкин Вячеслав Алексеевич; Яковлев Алексей Иванович; Алексеев Михаил Васильевич; Резников Роман Владимирович; Сиренко Андрей Иванович
Автор(ы): Сапрыкин Вячеслав Алексеевич; Яковлев Алексей Иванович; Алексеев Михаил Васильевич; Резников Роман Владимирович; Сиренко Андрей Иванович
Патентообладатель(и): Сапрыкин Вячеслав Алексеевич; Яковлев Алексей Иванович; Алексеев Михаил Васильевич; Резников Роман Владимирович; Сиренко Андрей Иванович
Описание изобретения: Изобретение касается создания приборов ориентирования слепых в окружающем пространстве.
Известны технические системы и приборы, предназначенные для инвалидов по зрению, позволяющие им ориентироваться в окружающей обстановке: устройство для ориентирования людей с ослабленным зрением; предназначенный для слепых преобразователь зрительного сигнала в звуковой; система для указания пути слепым; проводник для слепого с переводом визуальных данных в тактильные и слуховые ощущения; устройство для оценки возможностей аппарата для помощи слепым в ходьбе.
В устройстве для помощи слепым при ходьбе излучается ультразвуковой сигнал. Прием осуществляется на пять ультразвуковых приемников и фазовый детектор. Если разность фаз лежит 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 задержки экс-сигнала. Примером таких решений может служить способ и аппарат для оказания помощи в ориентировании слепым и людям с пониженным зрением. Аппарат выполнен как прибор для измерения расстояний с помощью определения времени прохождения ультразвукового экс-импульса. Данные о расстоянии преобразуют в акустически воспринимаемый звук определенной частоты.
Часть устройство представляет собой стационарные системы, например устройство для ведения слепых в городе. Оно позволяет слепым и плоховидящим перемещаться по определенному маршруту без помощи проводника. Состоит из кабеля или волокна, проложенного в грунте и передающего модулированных 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. Приборы используют узкий пучок акустической энергии и могут иметь форму карманного фонаря. Представление информации производится в звуковой или тактильной форме. В описании [9] представлен индикатор пути следования, работающий на ИК-излучении. С целью повышения безопасности передвижения в устройство введены блоки, позволяющие прибору реагировать не только на изменение уровня поверхности, но и ее состава. Поскольку отражение от различных поверхностей ИК-излучения неодинаково, человек может обнаруживать препятствия, например, бордюры.
Примером промышленных образцов подобного типа могут служить следующие приборы:
Sonic Pathfinder разработан TONY HEYES из центра мобильности в Ноттенгеме (Великобритания) в 1987 г. Ультразвуковое излучение. Акустическое восприятие. Встроенный в прибор микропроцессор анализирует информацию и "решает", какая и в какой момент будет полеана для пользователя, выбирает ее элементы, существенные при определении степени опасности. Основное время прибор "молчит", давая возможность активно использовать для ориентирования слух и не загружая мозг излишней информацией. Сигнал подается за две секунды до потенциального столкновения с препятствием. При этом микропроцессор учитывает и скорость движения незрячего. Крепится на голове так, что руки свободны.
Vybraduks. Выпускается в ФРГ фирмой Frits Huttingel Elektronic. В основе прибора ультразвуковой радар с импульсами частотой 40 кГц. Размеры устройства 19-5-9 см, вес 190 г. Диапазон измеряемых расстояний до препятствий 0,9-9 м. Питания хватает на 15 ч.
Второе направление предполагает использование слуха в максимальных пределах его возможностей для восприятия окружающей обстановки. Приборы позволяют осуществить локализацию объекта, получить информацию о направлении и расстоянии. В устройствах 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. К подобным устройствам можно отнести средство ориентации для слепых. Устройство содержит излучатель, посылающий измерительный луч, отражаемый препятствием, поступающий к приемнику и преобразуемый в акустические сигналы. Излучатель и приемник помещены в прибор, носимый на теле слепого. Измерительный луч представляет собой ИК-излучение, которое направляется в виде тонкого пучка на локализуемый объект. После локализации объекта происходит сканирование контуров объектов ИK-лучом. Отраженный луч преобразуется приемником в акустические сигналы.
Примером действующего прибора может служить Siemens spectacles (Hanelt. BRO). Разработчик фирма СИМНЕНС (инженер Колани). Производится ультразвуковое излучение двумя трансдукерами. Винауральный прием. Излучатель и приемник расположены в очковой оправе. Вес всей электроники 200 г. Удаленность объекта (2,1-8,4 м) определяется по высоте тона (чем ближе, тем выше), а направление по стереоэффекту. На расстоянии 2 м ширина поля 80 см.
Третье направление характеризуется попыткой моделировать зрение восприятием фронтальных образов окружающей среды с помощью тактильных стимуляторов на теле или даже электродов, вживленных в мозг. Примером является Laser Cane (Nurion. USA). Инфракрасное излучение (3 излучателя). Акустическое восприятие через наушники и одновременно через вибраторы под указательным пальцем. В отличии 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 ею звуковой тон возникает не при появлении объекта в поле отражения, а наоборот, при его отсутствии. Эти элементы аппарата служат для реакции на понижение поверхности перед ногами и сообщают о ступенях вниз, ямах, крае платформы и других опасностях этого рода. Лазерные тифлотрости разрабатываются в США, начиная с середины 60-х годов, и сейчас достаточно широко используются. Ограничения налагаются ценами, достигающими нескольких 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 Kanterbury (Новая Зеландия).
Принцип работы прибора следующий. 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 5 ч.
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 обучения. Курсы по освоению аппарата в ФРГ длятся около месяца. Цена более 3000 долларов.
Основные технические характеристики прибора приведены в таблице.
На фиг.1 показана структурная схема прибора.
Сущность способа представления акустической информации, положенного в основу рассмотренного прибора состоит в следующем. А среду излучается ультразвуковой сигнал с линейной ЧМ, с частотным диапазоном примерно в октаву.
Производят бинауральный прием экс-сигналов на два ультразвуковых приемника. Полученные сигналы перемножаются с опорным сигналом для получения сигнала биения. Осуществляют низкочастотную фильтрацию процесса. 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 то же время, область наилучшей слышимости человеческого уха лежит в пределах 250-4000 Гц. Поэтому для подачи экс-сигналов на слуховой анализатор человека (САЧ) их частоту следует существенно понизить. Для уменьшения частоты осуществляют операцию действительной демодуляции (детектирования), заключающуюся в перемножении исходного сигнала и гаpмонического высокочастотного колебания.
Однако спектральная плотность мощности, полученная в результате этой операции, оказывается в общем случае искаженной копией спектра сигнала.
В рассмотренном методе производится перемножение экс-сигнала S(t) и эталонного ЛЧМ-сигнала So(t). Выделяемое в результате низкочастотной фильтрации колебание биения частот имеет (1/3) ˙cos(ωoτ+μtτ+μ+τ2/2), где τ задержка экс-сигнала. Поскольку мгновенная частота сигнала определяется
f(t) μτ где ϕ фаза сигнала, сигнал биения несет информацию главным образом о дистанции D до объекта, поскольку τ 2D/c.
Таким образом, сигнал, получаемый рассмотренным способом, несет информацию главным образом о дистанции до объекта. Прием экс-сигналов, отраженных от нескольких объектов или блестящих точек одного объекта, позволяет пользователю получить некоторую информацию о характере окружающей обстановки. Однако непосредственного анализа импульсной характеристики рассеивающего объекта, информация о которой содержится в экс-сигнале, в указанном способе не производится.
Целью изобретения является согласование частотного диапазона и длительности акустического сигнала со слуховым анализатором и получение более полной информации, содержащейся в экс-сигнале.
Достигается это тем, что в способ акустического представления пространственной информации, заключающийся в излучении ультразвукового. ЛЧМ сигнала, бинауральном приеме эхо-сигналов на два ультразвуковых микрофона, усилении, преобразовании электрических сигналов в акустические и последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, вводят операции согласованной фильтрации экс-сигналов в каждом канале и временного растяжения откликов фильтров в правом и левом каналах в α раз, где α f1/f2, f1 несущая частота зондирующего сигнала, f2 средняя частота диапазона воспринимаемого слуховым анализатором человека.
Суть предлагаемого способа состоит в следующем. Излучается ультразвуковой ЛЧМ-импульс. Отметим, что в качестве зондирующего можно использовать любой сложный или шумоподобный сигнал, для которого выполняется условие TW > 1, где Т длительность сигнала, W его полоса. Однако исследования животных, например летучих мышей, показывает, что животные используют ЧМ сигналы с большой (до 100 кГц) девиацией частоты, в пределах его длительности, которая составляет единицы мс. Кроме того, фильтры сжатия для ЛЧМ сигналов хорошо разработаны, поэтому предполагаемый способ рассматривается применительно к ЛЧМ сигналам.
Входной сигнал Х(x,t), с учетом пространственной координаты х, представляет собой свертку зондирующего импульса S(x,t) с импульсной характеристикой рассеивающего объекта h(x,t).
X(x,t) S(х,t) ˙ h(x,t) (1)
При согласованной фильтрации входного процесса отклик будет иметь вид
X(x,t) ˙ S(x,-t) S(x,t) ˙ h(x,t) ˙ S(x,-t) (2)
Известно, что корреляционная функция ЛЧМ-сигнала вида А ˙cos(ωot+μ t2/2) записывается
R(τ)=(1/2)˙Ao2˙T˙[sin(πmx
x(1-τ/T)τ/T]˙cos(ωoτ)/πmτ/T (3) где m 2 Δ fT
Δ f девиация частоты
(1/2)Ao2T полная энергия рассматриваемого радиоимпульса.
При n >>1, что справедливо, например, для сигнала с девиацией частоты 40 кГц и длительностью 1 мс, корреляционная функция образует весьма острый пик и, следовательно свертка S(x,t)x S(x,-t) близка к δ-функции, т.е.
S(x,t). S(x,-t) ≈δ (x,t) (4)
С учетом (4) отклик согласованного фильтра составит
x(x,t) ≈ h(x,t) x δ (x,t) ≈ h(x,t) (5)
Другими словами, отклик согласованного фильтра близок к импульсной характеристике рассеивающего объекта.
Для того, чтобы ВЧ сигнал мог быть воспринят САЧ, необходимо произвести его временное растяжение по закону
X(x,t) _→ X(x/α, t/α) (6) с учетом (5) h(x,t) _→ h(x/α, t/α) где α f1/f2
f1 несущая частота зондирующего сигнала,
f2 средняя частота диапазона воспринимаемого слуховыми анализаторами человека.
Предположим, используются зондирующие импульсы с несущей частотой 80 кГц, а средняя частота слышимого диапазона 1,2 кНц. В этом случае α≈ 66. Если сигнал длительностью Т испытывает отражение от объекта с протяженностью в пространстве L, длительность отклика СФ Тсф можно оценить как 2L/c. Например, при L 0,5 м Тсф ≈ 2L/c ≈ 3 мс. После временного растяжения длительность сигнала, поступающего на САЧ, составит Тсф ≈ 200 мс. Такое увеличение длительности важно при восприятии, поскольку сигналы длительностью меньше 0,2 с распознаются с трудом.
Пример устройства реализующего обработку в соответствии с рассмотренным способом, показан на фиг.2.
Устройство содержит: 1 генератор зондирующих импульсов; 2 каскад ЧМ; 3 усилитель тракта излучения; 4 передатчик; 5, 6 ультразвуковые преобразователи; 7,8 аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 9,10 согласованные фильтры (ОФ); 11, 12 блоки памяти; 13,14 цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП); 15, 16 усилители; 17, 18 головные телефоны; 19 генератор синхронизирующих импульсов (ГСИ); 20 микропроцессор.
Тип АЦП 7, 8 выбирается исходя из требуемого быстродействия, определяемого частотой зондирующих импульсов. Поскольку максимальная частота, используемая в подобных системах, составляет 120 кГц, необходимое быстродействие обеспечивает АЦП К1108ПВ1 со временем преобразования меньше 0,9 мкс и тактовой частотой в пределах 0,4-1,5 МГц.
СФ 9, 10 (фильтры сжатия) для ЛЧМ сигналов хорошо известны в радиотехнике.
Емкость блоков памяти (БП) 11, 12 должна обеспечивать запись отчетов входной реализации. Количество отсчетов определяется
N fдТр, Тр 2D/c, где Тр длительность реализации
D дальность действия устройства
fд частота дискретизации
ЗУ используется в цифровой технике. K ЦАП 13, 14 не предъявляется особых требований по быстродействию, поскольку частота считывания информации из блоков памяти значительно ниже частоты записи, Могут быть использованы ЦАП К572ПТА1. 10В с временем преобразования 5 мкс, током потребления 2 мА, напряжением питания 10 В.
В качестве процессора 20 может быть применена однокристальная ЭВМ К1816.
После излучения входная реализация поступает на АЦП 7, 8 и далее на цифровые СФ 9, 10. Отклики СФ, соответствующие их рассеивающего объекта, записываются в блоки памяти 11, 12. Процессор 20 обеспечивает считывание информации в α раз медленнее записи и обнуление ВП после каждого цикла обработки. Полученные сигналы преобразуются в аналоговую форму с помощью ЦАП 13. 14 и после усиления поступают на головные телефоны 17, 18.
Применение новых по сравнению с прототипом операций для каждого канала обработки:
согласованной фильтрации
временного растяжения откликов согласованной фильтрации позволило получить положительный эффект согласовать частотный диапазон и длительность акустического сигнала со слуховым анализатором.
Формула изобретения: СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИНВАЛИДОВ ПО ЗРЕНИЮ, заключающийся в излучении ультразвукового частотно-модулированного импульса, бинауральном приеме эхо-сигнала на два ультразвуковых микрофона, усилении, преобразовании электрических сигналов в акустические, последующем восприятии сигналов слуховым анализатором человека, отличающийся тем, что осуществляют согласованную фильтрацию эхо-сигналов и временное растяжение полученных откликов в каждом канале приема.