Инфракрасный локатор для людей с ослабленным зрением

 

Изобретение относится к технике приборостроения и может быть использовано для обеспечения безопасности передвижения человека с ослабленным зрением. Технический результат состоит в сокращении энергопотребления носимой аппаратуры. Для достижения технического результата дополнительно введены N линий задержки, N блоков вычитания, N квадраторов и N фильтров высоких частот, обеспечивающие преобразование светового потока в звук соответствующей частоты, который воспринимает человек. 1 ил.

Изобретение 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 индикации о приближении человека с ослабленным зрением к какому-либо препятствию (стена, забор) или предмету известны.

Простейшим устройствам является трость слепого, которой он находит препятствие, находящееся на расстоянии протянутой трости. Значительно более функционален и обладает большей дальностью действия локатор для людей с ослабленным зрением [1]. Он содержит инфракрасный излучатель и приемник излучения, размещенный в корпусе, находящемся в распоряжении пользователя. Сигнал с выхода приемника через усилитель и выпрямитель поступает на вход управляемого генератора звуковой частоты. Диаграмма направленности инфракрасного излучателя и приемника излучения ориентирована в сторону препятствия. Инфракрасный излучатель работает в импульсном режиме, для чего он управляется от генератора импульсов. Сигнал на выходе выпрямителя будет пропорционален отражающей способности препятствия и обратно пропорционален четвертой степени искомого расстояния. 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 отражательной способности препятствия, которая в постоянно меняющейся обстановке не может быть спрогнозирована.

Указанный недостаток в значительной степени устранен в локаторе для слепых [2], который можно выбрать в качестве прототипа. Устройство содержит последовательно соединенные генератор импульсов и инфракрасный излучатель, приемник излучения и последовательно соединенные несколько усилителей-ограничителей, цифроаналоговый преобразователь, управляемый генератор звуковой частоты и головной телефон, две фокусирующее линзы, оптические оси которых ориентированы в сторону препятствия, причем в задней фокальной плоскости первой линзы размещен инфракрасный излучатель, а в задней фокальной плоскости второй линзы размещен приемник излучения, выполненный в виде линейки точечных фотопреобразователей, ориентированной совместно с инфракрасным излучателем вдоль единой линии. При этом выход каждого точечного фотопреобразователя через соответствующий усилитель-ограничитель подключен к соответствующему входу цифроаналогового преобразователя, выходом соединенного с входом управляемого генератора звуковой частоты, выходом соединенного с входом головного телефона.

Инфракрасный излучатель создает на препятствии световое пятно, которое линзой 2 проецируется на один или два соседних точечных фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей, в результате чего на выход соответствующего усилителя-ограничителя действует логическая единица. При приближении или удалении пользователя от препятствия инфракрасный поток будет смещаться по линейке фотопреобразователя, соответственно в сторону инфракрасного излучателя или противоположную сторону, и сигнал логической единицы будет генерироваться на одном из других соответствующих усилителе-преобразователе. Соответственно с изменением цифрового кода на выходе цифроаналогового преобразователя происходит увеличение или уменьшение частоты звукового сигнала на выходе управляемого генератора звуковой частоты.

Устройство [2] обеспечивает надежное измерение расстояния только в случае, когда яркость светового пятна, создаваемого инфракрасным излучателем, значительно превосходит естественную освещенность препятствия, а также яркость источников излучения, возможно находящихся на препятствии. Мощность излучения инфракрасного излучателя выбирается такой, чтобы элемент препятствия, освещаемый инфракрасным излучателем, имел освещенность, значительно превышающую естественную освещенность препятствия и яркость собственных излучателей, возможно находящихся на препятствии. Только в этом случае можно обеспечить наличие логической единицы на выходе одного или двух соседних усилителей-ограничителей, соответствующих точечным фотопреобразователям линейки точечных фотопреобразователей, освещенным от инфракрасного излучателя. Следовательно, мощность инфракрасного излучателя необходимо выбирать достаточно большой, чтобы обеспечить указанное превышение освещенности. Это приводит к чрезмерному и непроизводительному расходу энергии источников питания носимой аппаратуры.

Следовательно, недостаток известного устройства [2] состоит в высоком энергопотреблении носимой аппаратуры, что требует либо частой смены источников питания, либо применения источников питания с повышенными габаритно-весовыми показателями.

Цель данного предположения состоит в уменьшении энергопотребления носимого устройства за счет обеспечения независимости работы устройства от естественной освещенности препятствия и возможно имеющихся на препятствии собственных излучателей.

Поставленная цель достигается тем, что инфракрасный излучатель излучает световые импульсы в виде “мeaндpa” с периодом Т, следовательно, в течение Т/2 импульс излучается, а в течение следующего Т/2 импульс не излучается. В том случае, если импульс не излучается и на выходе каждого точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей действует энергетический сигнал, пропорциональный естественной яркости соответствующего элемента препятствия, либо яркости искусственного источника, размещенного на препятствии. Если инфракрасный излучатель генерирует световой импульс, то на одном или двух соседних точечных фотопреобразователях линейки точечных фотопреобразователей появляется световое пятно от инфракрасного излучателя и электрический сигнал на выходе этих фотопреобразователей будет пропорционален сумме естественной освещенности препятствия и освещенности, вызванной воздействием инфракрасного излучателя носимого устройства. Выход каждого точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей подключен к соответствующей электронной цепи, содержащей линию задержки на время Т/2, блок вычитания, квадратор и фильтр высоких частот. В том случае, если точечный фотопреобразователь линейки точечных фотопреобразователей не освещен световым пятном от инфракрасного излучателя, то на выходе соответствующего фильтра высоких частот будет действовать напряжение, практически равное нулю, а на выходе соответствующего усилителя-ограничителя будет действовать сигнал логического нуля. В том случае, если i-й точечный фотопреобразователь линейки точечных фотопреобразователей освещается световым пятнам от инфракрасного излучателя, то на выходе соответствующего фильтра высоких частот будет действовать сигнал, пропорциональный разности между освещенностями элемента препятствия в момент излучения импульса инфракрасным излучателем и в момент отсутствия этого излучения. Соответствующий усилитель-ограничитель приводит этот положительный сигнал к уровню логической единицы. Следовательно, сигнал на выходе любого фильтра высоких частот не будет зависеть от естественной освещенности препятствия, а будет определяться только превышением мощности инфракрасного излучателя предлагаемого устройства уровня собственных импульсов и помех точечного фотопреобразователя. Это позволяет значительно снизить мощность излучения инфракрасного излучателя и, соответственно, существенно уменьшить его энергопотребление и габариты источника питания.

Структурная схема устройства представлена на чертеже.

Устройство содержит разнесенные друг от друга на расстоянии В линзы 1 и 2, оптические оси которых ориентированы в сторону измеряемого объекта. В задней фокальной плоскости линзы 1 помещен инфракрасный излучатель 3. В задней фокальной плоскости линзы 2 помещена линейка точечных фотопреобразователей 4, которая содержит N точечных фотопреобразователей. Линейка точечных фотопреобразователей 4 предназначена для преобразования светового сигнала в электрический сигнал. Инфракрасный излучатель 3 и линейка точечных фотопреобразователей 4 ориентированы вдоль одной линии. Устройство содержит также генератор импульсов 5, выход которого подключен к входу инфракрасного излучателя 3. Генератор импульсов 5 предназначен для формирования непрерывной последовательности импульсов типа “меандр” со скважностью 2. Выход i-го точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей 4 подключен к входу i-й линии задержки 6 и первому входу i-го блока вычитания 7 Второй вход i-го блока вычитания 7 соединен с выходам i-й линии задержки 6.

Каждая линия задержки 6 предназначена для задержки электрического сигнала на время Т/2, равное длительности излучаемого светового импульса. Блок вычитания 7 предназначен для вычитания входных сигналов. Выход i-го блока вычитания 7 подключен через последовательно соединенные i-й квадратор 8, i-й фильтр высоких частот 9 и i-й усилитель-ограничитель 10 к i-му входу цифроаналогового преобразователя 11. Каждый квадратор 8 предназначен для преобразования двухполярного входного сигнала в модуль этого сигнала. Каждый фильтр высоких частот 9 предназначен для сглаживания возможных искажений сигнала в моменты включения или выключения генератора импульсов 5, происходящие из-за возможных отклонений во времени задержки в каждой линии задержки линии задержки 6 от длительности светового импульса. Каждый усилитель-ограничитель 10 предназначен для приведения входного сигнала к уровню логической единицы в случае наличия сигнала, и к уровню логического нуля - в случае его отсутствия. Цифроаналоговый преобразователь 11 предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговый сигнал. Выход цифроаналогового преобразователя 11 подключен к управляемому входу управляемого генератора звуковой частоты 12. Управляемый генератор звуковой частоты 12 предназначен для генерирования сигналов звуковой частоты, пропорциональных входному аналоговому сигналу. Выход управляемого генератора звуковой частоты 12 подключен к управляемому входу головного телефона 13.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства генератор импульсов 5 генерирует импульсную последовательность типа “мeaндp” с частотой f=1/T. Импульсы с выхода генератора импульсов 5 поступают на инфракрасный излучатель 3, который излучает световой поток в виде импульсов с длительностью Т/2, где Т - период излучения импульсов. Световой поток фокусируется линзой 1 на объект, дальность до которого измеряется. Отраженный от объекта световой поток проецируется линзой 2 на линейку точечных фотопреобразователей 4. При грамотном инженерном расчете оптических элементов устройства, когда разрешающая способность каждой из линз 1 и 2 соответствует линейному разрешению линейки точечных фотопреобразователей 4, размер светового пятна, проецируемого на эту линейку, будет примерно соответствовать размерам светочувствительной поверхности каждого отдельного i-го точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей 4. Поэтому световое пятно может попасть либо только на один точечный фотопреобразователь, либо одновременно на два соседних точечных фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей 4. Сигнал с выхода каждого точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей 4 поступает одновременно на первый вход i-го блока вычитания 7 непосредственно и на второй вход i-го блока вычитания 7 через i-ю линию задержки 6. Время задержки в каждой линии задержки 6 составляет Т/2. Поэтому, если i-ый точечный фотопреобразователь линейки точечных фотопреобразователей 4 не освещен световым пятном, то напряжение на выходе этого точечного фотопреобразователя, определяемое естественной освещенностью элемента препятствия, будет постоянным, и сигнал на выходе соответствующего блока вычитания 7 будет отсутствовать. В том случае, если i-й точечный фотопреобразователь линейки точечных фотопреобразователей 4 освещается от инфракрасного излучателя 3, то на выходе соответствующего блока вычитания 7 будет действовать двухполярный сигнал с амплитудой, равной разности между освещенностями визируемого элемента препятствия в момент освещения его от инфракрасного излучателя 3 и в момент отсутствия этого освещения. Квадратор 8 преобразует двухполярный сигнал в однополярный, а фильтр высоких частот 9 сглаживает возможные искажения сигнала в момент включения или выключения генератора импульсов 5, происходящие из-за возможных отклонений во времени задержки в каждой линии задержки 6 от длительности светового импульса. Поэтому, если i-й точечный фотопреобразователь линейки точечных фотопреобразователей 4 не освещен световым пятнам, то на выходе i-го фильтра высоких частот 9 будет действовать напряжение, практически равное нулю и на выходе i-го усилителя-ограничителя 10 будет действовать сигнал логического нуля. В том случае, если i-й точечный фотопреобразователь линейки точечных фотопреобразователей 4 освещается световым пятном от инфракрасного излучателя 3, то на выходе i-го фильтра высоких частот 9 будет действовать сигнал, пропорциональный разности между освещенностями элемента препятствия в момент излучения импульса инфракрасным излучателем 3 и в момент отсутствия этого излучения. Соответствующий i-й усилитель-ограничитель 10 приводит этот положительный сигнал к уровню логической единицы. При приближении или удалении пользователя от объекта световое пятно будет смещаться по линейке точечных фотопреобразователей 4 соответственно в сторону инфракрасного излучателя 3 или в противоположную сторону. Сигнал логической единицы при этом будет генерироваться либо на одном соответствующем перемещению светового пятна усилителе-ограничителе 10, либо на двух соседних усилителях-ограничителях 10. Цифроаналоговый преобразователь 11 отобразит на своем выходе в виде цифрового кода номер единично освещенного точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей 4, либо номер первого из двух освещенных точечных фотопреобразователей линейки точечных фотопреобразователей 4. Так как код большего номера в цифроаналоговом преобразователе 11 будет поглощен кодом меньшего номера в силу примененной позиционной система счисления. Соответственно с изменением цифрового кода на входе цифроаналогового преобразователя 11 происходит уменьшение или увеличение частоты звукового сигнала на выходе управляемого генератора звуковой частоты 12. Сигнал звуковой частоты подается в головной телефон 13, где преобразуется в звук соответствующей частоты, который воспринимает человек с ослабленным зрением. По тону звуковой частоты и направлению устройства он оценивает дальность и направление на объект (препятствие).

При составлении описания и формулировании изобретения были использованы следующие источники патентной и научно-технической информации:

1. Инфракрасный локатор для слепых. Радио, №10, 1989, с.84-86.

2. Гринченко В.И., Разин А.В., Шабаков Е.И. Инфракрасный локатор для людей с ослабленным зрением. Патент РФ №2153181 с приоритетом от 05.05.1999 г., М. Кл.7. G 01 S 17/02.

Формула изобретения

Инфракрасный локатор для людей с ослабленным зрением, содержащий последовательно соединенные генератор импульсов и инфракрасный излучатель, N усилителей-ограничителей, цифроаналоговый преобразователь, выходом соединенный через управляемый генератор звуковой частоты с входом головного телефона, а также две фокусирующие линзы, оптические оси которых ориентированы в сторону препятствия, причем в задней фокальной плоскости первой линзы размещен инфракрасный излучатель, а в задней фокальной плоскости второй линзы размещен приемник излучения, выполненный в виде линейки точечных фотопреобразователей, состоящей из N точечных фотопреобразователей, ориентированной совместно с инфракрасным излучателем вдоль одной линии, при этом i-й усилитель-ограничитель подключен к i-му входу цифроаналогового преобразователя, отличающийся тем, что дополнительно введены N линий задержки, N блоков вычитания, N квадраторов и N фильтров высоких частот, причем выход i-го точечного фотопреобразователя линейки точечных фотопреобразователей, соединенный с первым входом блока вычитания непосредственно и с вторым входом i-го блока вычитания через i-ю линию задержки, при этом выход i-го блока вычитания через последовательно включенные i-й квадратор и i-й фильтр высоких частот подключен к входу i-го усилителя-ограничителя, а генератор импульсов выполнен в виде генератора импульсной последовательности типа "меандр".

РИСУНКИ