張文　靳偉　龍躍洲　張洋　崔帥　赫榮彬　沙亞·沙里木江

摘要：闡述超聲波導(dǎo)盲儀的超聲波產(chǎn)生類別及其測(cè)距原理，歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)外超聲波導(dǎo)盲儀的研究現(xiàn)狀，介紹一款試用中的超聲波導(dǎo)盲儀，指出現(xiàn)有超聲波導(dǎo)盲儀存在的不足，提出向多功能、智能化發(fā)展的建議，同時(shí)倡導(dǎo)關(guān)愛(ài)盲人、提供福利政策。

關(guān)鍵詞：超聲波發(fā)生器；超聲波導(dǎo)盲儀；測(cè)距

中圖分類號(hào)：TB559 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2019）01-0075-03

超聲波測(cè)距技術(shù)是一種方便快捷的非接觸式測(cè)距技術(shù)。近年來(lái)超聲波測(cè)距技術(shù)在導(dǎo)盲領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用研究。國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲波導(dǎo)盲儀的研究大多處于理論研究階段，存在響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，尚未進(jìn)行推廣使用。為實(shí)現(xiàn)超聲波導(dǎo)盲儀的智能化和多功能化，提高其響應(yīng)速度，早日造福于盲人群體，應(yīng)加快對(duì)超聲波導(dǎo)盲儀的研究進(jìn)程。

我國(guó)盲人人口數(shù)量眾多，占世界盲人人口總數(shù)的20%左右，在視力保障方面存在巨大缺口?，F(xiàn)今流行的導(dǎo)盲方式主要是利用導(dǎo)盲犬輔助導(dǎo)盲和利用導(dǎo)盲杖進(jìn)行導(dǎo)盲，但兩者均存在各自的應(yīng)用局限。目前有相關(guān)學(xué)者研究設(shè)計(jì)了一種超聲波導(dǎo)盲儀，在此基礎(chǔ)上，本課題對(duì)超聲波導(dǎo)盲儀進(jìn)行原理分析與研究現(xiàn)狀闡述，并對(duì)其發(fā)展提出建議。

1 超聲波測(cè)距的原理

1.1 超聲波發(fā)生器的類型

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波的方式有兩種，一是通過(guò)電氣方式產(chǎn)生，二是通過(guò)機(jī)械方式產(chǎn)生。電氣產(chǎn)生超聲波的有壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械產(chǎn)生超聲波的有加爾統(tǒng)笛產(chǎn)生型、液哨產(chǎn)生型和氣流旋笛產(chǎn)生型等。通過(guò)不同途徑產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率及聲波特性各不相同，其應(yīng)用范圍也有一定的區(qū)別。壓電型超聲波發(fā)生器是目前生活和科研中使用最多的一類發(fā)生器，超聲波導(dǎo)盲儀上采用的就是壓電型的。

1.2 壓電型超聲波發(fā)生器的原理

壓電型超聲波發(fā)生器的關(guān)鍵部件是壓電晶體，依靠壓電晶體產(chǎn)生的諧振來(lái)產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)生器內(nèi)部組成包括共振板和由兩個(gè)壓電晶片所組成的晶片組。在壓電晶片的兩側(cè)接入一定的脈沖信號(hào)，若脈沖信號(hào)的頻率與壓電晶片本身的固有頻率一致，則晶片組會(huì)發(fā)生振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)共振板一起振動(dòng)，此時(shí)就產(chǎn)生了超聲波。相反，將壓電晶片組置于無(wú)脈沖環(huán)境下，感受到超聲波時(shí)，將帶動(dòng)共振板振動(dòng)，使壓電晶片組也產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)超聲波的機(jī)械能便由此形式轉(zhuǎn)換為電能，這就是超聲波接收器的工作原理。

在超聲波發(fā)生器的發(fā)射端電路中，產(chǎn)生一定頻率的方波脈沖并將其發(fā)送出去，經(jīng)過(guò)前方物體的反射，再由接收器接收，此時(shí)方波的寬度即是發(fā)射超聲波直至接收器接收到超聲波返回信號(hào)的時(shí)間間隔。超聲波發(fā)生器所產(chǎn)生的方波脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)物體距離成正比，即超聲波導(dǎo)盲儀所測(cè)的物體距離越遠(yuǎn)，其產(chǎn)生的方波寬度就越大。超聲波總的傳輸時(shí)間與方波寬度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間一致，即方波脈沖由產(chǎn)生發(fā)送經(jīng)空氣介質(zhì)到物體反射后直至被接收的時(shí)間。所測(cè)的距離為超聲波傳輸總時(shí)間與介質(zhì)中聲速相乘所得距離的一半。往返時(shí)間檢測(cè)方法原理如圖1所示。

2 國(guó)內(nèi)外超聲波導(dǎo)盲儀的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究情況

國(guó)外最早出現(xiàn)的超聲波導(dǎo)盲儀是Russell Pathsounder，其基于簡(jiǎn)單的超聲波測(cè)距原理獲得被測(cè)物體的距離信息，然后通過(guò)易于感知的方式（如語(yǔ)音或振動(dòng)）提示使用者。使用時(shí)將其佩戴在脖子上，放置在胸前，能夠測(cè)量6英尺內(nèi)的障礙物。在Russell Pathsounder之后出現(xiàn)了手持式超聲測(cè)距儀器Mowat Sensor，其以振動(dòng)方式提示使用者所測(cè)得的前方障礙物的距離，且所測(cè)障礙物的距離與儀器振動(dòng)的頻率之間有一定的比例關(guān)系。后來(lái)又出現(xiàn)了超聲波導(dǎo)盲儀Nottingham Obstacle Detector，其原理和外形都類似于Mowat Sensor，但Nottingham Obstacle Detector可以根據(jù)被測(cè)距離信息的不同而發(fā)出8種不同的易于識(shí)別的音調(diào)，以提示使用者。

利用CTFM（Continuous Transmitted Frequency Modulated，連續(xù)傳輸頻率調(diào)制）模型進(jìn)行導(dǎo)盲，CTFM可以將前方障礙物的距離變化作為輸入，將聲音頻率的變化作為輸出。所測(cè)量障礙物的距離越遠(yuǎn)，所發(fā)出的聲音頻率越高；反之，所測(cè)量障礙物的距離越近，則所發(fā)出的聲音頻率越低。英國(guó)科學(xué)家Leslie Kay于1965年首次基于CTFM模型研發(fā)了Kay Sonic Torch導(dǎo)盲儀，其一共有2個(gè)超聲波轉(zhuǎn)換器，一個(gè)用于發(fā)射信號(hào)，另一個(gè)用于接收信號(hào)。Kay博士于1974年研發(fā)了Binaural Sonic Aid，其首次采用獨(dú)立的左右兩路轉(zhuǎn)換輸出。Binaural Sonic Aid的眼鏡中央安裝有超聲波發(fā)射器，具有寬聲束角的特性；左右兩邊分別有一個(gè)超聲波接收器，兩個(gè)接收器相互獨(dú)立，分別與耳機(jī)的左右聲道相連，這種雙聲道設(shè)置能使使用者對(duì)前方物體方位的辨別更加清晰，從而使導(dǎo)盲儀更加可靠。CTFM模型的導(dǎo)盲儀雖然可靠性有所改善，但其所輸出的音頻信號(hào)并非是人類熟悉的聲音，使用者需要培訓(xùn)一定時(shí)間后才能較好使用；由于輸出的聲音較為刺耳，使用者在長(zhǎng)時(shí)間佩戴后容易產(chǎn)生疲勞，在一定程度上限制了該類型導(dǎo)盲儀的發(fā)展。

2.2 國(guó)內(nèi)研究情況

我國(guó)對(duì)超聲波導(dǎo)盲儀的研究起步較晚。近十幾年，國(guó)內(nèi)各大高校積極進(jìn)行關(guān)于超聲波檢測(cè)方法、精度分析處理及超聲波的應(yīng)用等方面的理論研究和相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與推廣，超聲波導(dǎo)盲儀的研究隨之發(fā)展起來(lái)。

王揚(yáng)等人研究設(shè)計(jì)了一種基于CTFM模型的便攜式超聲波導(dǎo)盲儀。該超聲波導(dǎo)盲儀將距離信號(hào)轉(zhuǎn)換為間斷的音頻聲進(jìn)行輸出，采集距離信號(hào)周期與輸出音頻周期一致，均為200 ms；音頻輸出能量集中的頻率與物距成正比關(guān)系，物距分別為1，2，3 m時(shí)，設(shè)計(jì)的音頻輸出頻率分別對(duì)應(yīng)為3，6，9 kHz。其探測(cè)掃描角度約為15 °，在這個(gè)角度范圍內(nèi)，能使使用者具有良好的方向辨別能力。該導(dǎo)盲儀可以將使用者身邊障礙物的距離遠(yuǎn)近及其大致尺寸識(shí)別出來(lái)，使使用者輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)路面幾厘米的距離變化的辨別。

甘德成等人研制出一款智能導(dǎo)盲儀，其以低功耗單片機(jī)MSP4301247為控制核心，利用超聲波傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器與時(shí)鐘芯片等設(shè)計(jì)而成。該導(dǎo)盲儀的探測(cè)掃描角度約為180 °，前方大部分的障礙物都能被探測(cè)掃描，并采用語(yǔ)音信息的方式提示使用者。基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一系列功能拓展，支持大氣壓力、溫濕度、秒表等10余項(xiàng)功能，由電壓范圍2.2～4.2 V的電池進(jìn)行供電，并具有自動(dòng)待機(jī)節(jié)能模式。

劉紅梅等人設(shè)計(jì)了一款基于DSP處理器的智能超聲波導(dǎo)盲儀。該導(dǎo)盲儀包括3種傳感器：超聲波傳感器、溫度傳感器及微型水深傳感器，具有測(cè)積水深度、測(cè)溫、智能求救等功能，使用語(yǔ)音進(jìn)行信息提示，并具有夜晚警戒燈等感知與提示功能。該導(dǎo)盲儀的創(chuàng)新之處在于首次將水深作為一種路面信息提供給盲人，其增加的微型水深傳感器能夠有效測(cè)量路面積水深度，為盲人雨天出行及行走到涉水路段時(shí)提供安全保障，方便了他們的生活。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)超聲波導(dǎo)盲儀功能逐漸豐富化與智能化，但由研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)品生產(chǎn)尚不成熟，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化，不能滿足我國(guó)盲人群體的需求。

3 超聲波導(dǎo)盲儀的應(yīng)用實(shí)例

2016年8月，中科院聲學(xué)所在知識(shí)創(chuàng)新工程科技助殘計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，研制出一款基于仿生學(xué)的便攜式超聲波導(dǎo)盲儀。該導(dǎo)盲儀有效探測(cè)物距不小于5 m，探測(cè)掃描角度約為30 °，操作界面友好。該導(dǎo)盲儀已獲得發(fā)明專利授權(quán)，目前完成了樣機(jī)試生產(chǎn)，將與殘聯(lián)聯(lián)合向社會(huì)推廣，并開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化企業(yè)運(yùn)作方式。

將該超聲波導(dǎo)盲儀發(fā)放給北京西城區(qū)部分盲人進(jìn)行體驗(yàn)。體驗(yàn)者反饋良好，表示在一定程度上方便了他們的生活，減少了出行中與高矮樹(shù)木、車輛磕碰造成外傷的情況。體驗(yàn)者經(jīng)過(guò)短時(shí)培訓(xùn)即可對(duì)導(dǎo)盲儀的功能全面了解。該導(dǎo)盲儀在一定程度上給盲人群體帶來(lái)了福音，希望經(jīng)過(guò)全國(guó)各地殘聯(lián)的推廣，能讓更多盲人得以使用，早日改善其生活質(zhì)量。

4 存在問(wèn)題與發(fā)展方向分析

目前我國(guó)大部分盲人主要使用導(dǎo)盲杖或?qū)とM(jìn)行導(dǎo)盲，超聲波導(dǎo)盲儀的普及度還比較低。其原因主要是現(xiàn)有的超聲波導(dǎo)盲儀性能不完善，存在響應(yīng)速度慢、探測(cè)空間物體范圍窄等問(wèn)題，不能滿足盲人使用者適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的需求。

今后應(yīng)加大科研投入力度，研發(fā)出盲人可用的價(jià)格低廉、方便實(shí)用的導(dǎo)盲器械。首先，在導(dǎo)盲技術(shù)上向多功能化、智能化方向發(fā)展，例如：可以在人工智能方面進(jìn)行一定的探索，使超聲波導(dǎo)盲儀識(shí)別不同場(chǎng)景，從而有針對(duì)性地提供特定場(chǎng)景的測(cè)距、提醒、報(bào)警等服務(wù)，或者基于大數(shù)據(jù)與街道實(shí)時(shí)路況提供最優(yōu)路徑，解決盲人出行難的問(wèn)題。同時(shí)，要增強(qiáng)超聲波導(dǎo)盲儀的工作特性，減少故障率，提高可靠度，確保使用者的生命安全。此外，可以通過(guò)政策保障更好地服務(wù)于盲人群體，例如：實(shí)施低保政策，出臺(tái)盲人針對(duì)性保障制度；制定健全的法律，保障盲人的合法權(quán)益；適當(dāng)增加盲人學(xué)校數(shù)量，建立盲人教學(xué)體系，使盲人接受公平化教育。

5 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)對(duì)超聲波導(dǎo)盲儀的研究大多停留在理論研究階段，沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的產(chǎn)品推廣，尚未應(yīng)用于盲人使用者的生活中。今后應(yīng)在理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行功能拓展，提高超聲波導(dǎo)盲儀的智能化與設(shè)備穩(wěn)定性，并推廣于市場(chǎng)，以造福盲人群體。

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