CN107049718A - 避障装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种避障装置，所述避障装置包括至少一佩戴单元，所述佩戴单元用于根据用户的自然摆动信息获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息以构建用户周边的障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向。本发明的避障装置充分利用了人体运动的工学特征，用户行走时用户自然摆动的关节与水平面形成一定的夹角，扩大了佩戴单元中超声波检测模块的散射角，减少了其在水平与垂直方向上的探测盲区，能够在更大范围进行检测，拉近了对用户周围障碍物的检测距离，提高了避障装置的性能。

Description

避障装置
技术领域
本发明涉及辅助行走设备技术领域，特别涉及一种避障装置。
背景技术
人类对外界环境信息的获取很大一部分来自视觉***，视觉缺失和视力残疾给盲人和视障患者在生活上带来极大的困难，尤其是对安全行走极具挑战性。
为了帮助盲人行走，先后出现辅助盲人行走的工具，例如经过特殊培训的导盲手杖、导盲犬，但是基于通过导盲手杖来探知障碍物信息的方法效率低下且耗费体力，而导盲犬训练周期和适应期较长、成本较高，使用并不普遍。
近年来，随着电子结合导航服务等相关技术，出现了利用GPS技术、超声波、红外、激光、摄像头等传感器研发的一系列的穿戴式设备，例如导盲腰带、盲人安全帽等。导盲腰带诸如FeelSpace智能腰带通过手机导航应用提供方位，佩戴者身体腰带的前、后、左、右某个方向发生震动，指引用户行走的方向。但FeelSpace智能腰带主要使用GPS技术，对于实时障碍物的检测能力缺失。盲人安全帽诸如Cloudmind导盲头盔通过摄像头装置捕获到使用者与前方障碍物的距离，当距离障碍物一定距离时以警报提醒用户。但Cloudmind导盲头盔需要非常高规格的处理单元和图像采样装置来实现图像检测功能，对于入门用户较难接受，且图像识别的错误率可能成为问题。
基于超声波、激光、红外线技术实现的避障功能，只能检测一定方向或高度上障碍物，而通过双摄像头采集图像以获取物体与摄像头距离的方法计算复杂度高，资源消耗量大，难以实时地提供准确的提示。
发明内容
本发明的目的在于提供一种避障装置，以弥补现有避障方式存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种避障装置，所述避障装置包括：
至少一佩戴单元，用于根据用户的自然摆动信息获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息以构建用户周边的障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向。
可选的，在所述的避障装置中，每个佩戴单元均包括：
一超声波检测模块，用于发射超声波信号，并根据所述超声波信号获得用户周边障碍物相对超声波检测模块的方向和距离；
一重力传感器，用于获得所述超声波检测模块相对地面的倾斜角度；
一陀螺仪，用于获得所述超声波检测模块相对于用户行进前方的旋转角度；
一处理模块，用于根据障碍物相对超声波检测模块的方向和距离、超声波检测模块相对地面的倾斜角度和超声波检测模块相对于用户行进前方的旋转角度，获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息，根据采样点位置信息构建障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型判定用户是否可沿当前行进方向继续行进；以及
一提示模块，用于根据所述处理模块的判定结果反馈对应提示信息给用户。
可选的，在所述的避障装置中，所述提示模块为蜂鸣器，在所述处理模块判定用户不可沿当前行进方向继续行进时，所述蜂鸣器反馈的提示信息为声音信号；反之，所述蜂鸣器反馈的提示信息为静音信号。
可选的，在所述的避障装置中，所述提示模块为振动器，在所述处理模块判定用户不可沿当前行进方向继续行进时，所述振动器反馈的提示信息为振动信号；反之，所述振动器反馈的提示信息为静音信号。
可选的，在所述的避障装置中，所述佩戴单元的数量为两个，两个提示模块均为振动器时，两个佩戴单元根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向包括情况为：
佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户向右转直至两个佩戴单元的提示模块均反馈静音信号为止，用户沿当前方向行进；
佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户向左转直至两个佩戴单元的提示模块均反馈静音信号为止，用户沿当前方向行进；
佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户沿当前行进方向行进；或
佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号时，引导用户沿任一佩戴单元的振动停止所在的方向行进。
可选的，在所述的避障装置中，所述提示模块判定用户是否可沿当前行进方向继续行进的过程包括：
根据所述障碍物空间分布模型获取的判定信息；
将判定信息与判断阈值进行比较；当判定信息超过判定阈值，则用户不能沿当前行进方向继续行进；反之，则用户能沿当前行进方向继续行进。
可选的，在所述的避障装置中，所述判定信息为缺口的高度。
可选的，在所述的避障装置中，所述判定阈值根据用户的自身情况进行设定。
可选的，在所述的避障装置中，所述佩戴单元的数量为两个时，两个佩戴单元中的超声波检测模块和处理模块采用BLE、ZigBee或WiFi进行无线通信。
可选的，在所述的避障装置中，每个佩戴单元被佩戴于用户的一个手臂和/或腰胯部位上。
可选的，在所述的避障装置中，所述用户的自然摆动信息包括手臂的摆动位置信息和/或腰胯部位的摆动位置信息。
在本发明所提供的避障装置中，所述避障装置包括至少一佩戴单元，所述佩戴单元用于根据用户的自然摆动信息获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息以构建用户周边的障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向。本发明的避障装置充分利用了人体运动的工学特征，用户行走时用户自然摆动的关节与水平面形成一定的夹角，扩大了佩戴单元中超声波检测模块的散射角，减少了其在水平与垂直方向上的探测盲区，能够在更大范围进行检测，拉近了对用户周围障碍物的检测距离，提高了避障装置的性能。
附图说明
图1是本发明一实施例中佩戴单元的结构示意图；
图2是本发明一实施例中避障装置的工作原理图。
图1中：佩戴单元-1；超声波检测模块-10；重力传感器-11；陀螺仪-12；处理模块-13；提示模块-14。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的避障装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例中避障装置包括：至少一佩戴单元，用于根据用户的自然摆动信息获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息以构建用户周边的障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向。优选的，每个佩戴单元被佩戴于用户的手臂上和/或腰胯部位，所述用户的自然摆动信息包括手臂的摆动位置信息和/或腰胯部位的摆动位置信息。
请参考图1，其为本发明的佩戴单元的结构示意图。如图1所示，所述佩戴单元1包括一超声波检测模块10、一重力传感器11、一陀螺仪12、一处理模块13及一提示模块14，所述超声波检测模块10用于发射超声波信号，并根据所述超声波信号获得用户周边障碍物相对超声波检测模块10的方向和距离；所述重力传感器11用于获得所述超声波检测模块10相对地面的倾斜角度；所述陀螺仪12用于获得所述超声波检测模块10相对于用户行进前方的旋转角度；所述处理模块13用于根据障碍物相对超声波检测模块10的方向和距离、超声波检测模块10相对地面的倾斜角度和超声波检测模块10相对于用户行进前方的旋转角度，获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息，根据采样点位置信息构建障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型判定用户是否可沿当前行进方向继续行进；所述提示模块14用于根据所述处理模块13的判定结果反馈对应提示信息给用户。
实际上，超声波检测模块发射的超声波信号散射角度是有限的，但是由于佩戴单元佩戴的位置为用户行走存在自然摆动的位置(例如手臂和/或腰胯部位)，使得超声波检测模块在用户行走时佩戴位置呈自然摆动以与水平面形成一定的夹角从而扩大了超声波信号散射角度。依次，无需设置过多超声波检测模块，每个佩戴单元仅需要一个超声波检测模块即可满足检测的需求，降低了功耗及成本。
具体的，所述提示模块14判定用户是否可沿当前行进方向继续行进的过程包括如下步骤：
S10：根据所述障碍物空间分布模型获取的判定信息；
S11：将判定信息与判断阈值进行比较；当判定信息超过判定阈值，则用户不能沿当前行进方向继续行进；反之，则用户能沿当前行进方向继续行进；其中，所述判定信息为缺口的高度；所述判定阈值根据用户的自身情况进行设定。
在本实施例中，所述提示模块为振动器，在所述处理模块判定用户不可沿当前行进方向继续行进时，所述振动器反馈的提示信息为振动信号；反之，所述振动器反馈的提示信息为静音信号。例如，当用户的左手臂和右手臂均佩戴有佩戴单元时，两个佩戴单元中的超声波检测模块采用BLE、ZigBee或WiFi进行无线通信，两个佩戴单元中的处理模块采用BLE、ZigBee或WiFi进行无线通信。
若用户感受到其中一个佩戴单元存在震动感时(此时佩戴单元的提示模块处于振动状态)，则该佩戴单元所在的手臂一侧的前方存在障碍物，用户可以选择另一佩戴单元所在的手臂一侧的前方行进。具体情况包括：佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户向右转直至两个佩戴单元的提示模块均反馈静音信号为止，用户沿当前方向行进；佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户向左转直至两个佩戴单元的提示模块均反馈静音信号为止，用户沿当前方向行进。
当用户未感受到两个佩戴单元存在震动感时，即佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户沿当前行进方向行进。
当用户感受到两个佩戴单元均存在震动感时，则需要进一步检测，可以通过将手伸至前方轻度摇摆的方式，当其中一佩戴单元的振动停止时，引导用户沿佩戴单元的振动停止所在的方向行进。
在本发明的另一实施例中，所述提示模块还可以为蜂鸣器，在所述处理模块判定用户不可沿当前行进方向继续行进时，所述蜂鸣器反馈的提示信息为声音信号；反之，所述蜂鸣器反馈的提示信息为静音信号。用户根据声音信号来判断用户周围的环境情况，以决定接下来行进的方向，有效避开障碍物，保证用户的安全。
请参考图2理解本发明避障装置的工作原理，通过陀螺仪和重力传感器贡献的数据可以计算出超声波检测模块的空间指向，之后将超声波检测模块的空间指向结合超声波检测模块上报的用户周边障碍物相对超声波模块的方向和距离构建障碍物空间分布模型，从而判断用户是否可沿当前行进方向继续行进(即能安全避障)，若不能，则提示模块输出第一提示信息(对应可以提醒用户加以注意的信息，例如当提示模块为振动器时，第一提示信息对应振动信号，使用户感受到震感)；若能，则提示模块输出第二提示信息(例如当提示模块为振动器时，第二提示信息对应静音信号，使用户不会感受到震感)，并继续监测超声波检测模块的空间指向，实时获知用户当前行进方向是否存在风险，从而及时避障。
为了较好的理解本发明的避障装置的输出结果，下面举例说明。假设在用户前进方向上采样点R的空间分布中，用户当前的行进方向存在一个超过1m宽，2.5m高的缺口，且该缺口内没有超过1cm高的点集，此时，则认为用户在当前的行进方向是可通行的。若该缺口在用户的左前方，而右边是封住的，则此时右手臂佩戴的佩戴单元会发出第一提示信息，左手臂佩戴的佩戴单元会发出第二提示信息，从而引导用户左转行进，直至方向正确为止。
综上，以佩戴单元被佩戴于用户的手臂上和腰胯部位为例，本发明所提供的避障装置具有如下优点：
1)本发明的避障装置的佩戴单元被佩戴于用户的手臂上，在用户做出伸手动作的过程中将增大避障检测的覆盖范围，同时可以支持用户主动检测某个精确位置的障碍物情况。
2)利用本发明的避障装置过程中，充分利用了人体运动的工学特征，用户行走时手臂以及腰胯部位呈自然摆动以与水平面形成一定的夹角，扩大了佩戴单元中超声波检测模块的散射角，减少了其在水平与垂直方向上的探测盲区，能够在更大范围进行检测，拉近了对用户周围障碍物的检测距离，提高了构建的障碍物空间分布模型的精准度，为准确避障奠定坚实的基础。
3)本发明的避障装置不局限于双手模式(即左右手臂都佩戴有佩戴单元)，也适用于单手模式(仅左手臂或右手臂佩戴佩戴单元)，虽然单手模式相比双手模式会导致检测范围的部分降低，但是仍然具备较大的角度，可以被应用在普通视力者视角受限的情况，如低头使用手机，打伞遮住视线等情况。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种避障装置，其特征在于，包括：
至少一佩戴单元，用于根据用户的自然摆动信息获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息以构建用户周边的障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向。
2.如权利要求1所述的避障装置，其特征在于，每个佩戴单元均包括：
一超声波检测模块，用于发射超声波信号，并根据所述超声波信号获得用户周边障碍物相对超声波检测模块的方向和距离；
一重力传感器，用于获得所述超声波检测模块相对地面的倾斜角度；
一陀螺仪，用于获得所述超声波检测模块相对于用户行进前方的旋转角度；
一处理模块，用于根据障碍物相对超声波检测模块的方向和距离、超声波检测模块相对地面的倾斜角度和超声波检测模块相对于用户行进前方的旋转角度，获得用户周边的障碍物空间中的采样点位置信息，根据采样点位置信息构建障碍物空间分布模型，并根据所述障碍物空间分布模型判定用户是否可沿当前行进方向继续行进；以及
一提示模块，用于根据所述处理模块的判定结果反馈对应提示信息给用户。
3.如权利要求2所述的避障装置，其特征在于，所述提示模块为蜂鸣器，在所述处理模块判定用户不可沿当前行进方向继续行进时，所述蜂鸣器反馈的提示信息为声音信号；反之，所述蜂鸣器反馈的提示信息为静音信号。
4.如权利要求2所述的避障装置，其特征在于，所述提示模块为振动器，在所述处理模块判定用户不可沿当前行进方向继续行进时，所述振动器反馈的提示信息为振动信号；反之，所述振动器反馈的提示信息为静音信号。
5.如权利要求4所述的避障装置，其特征在于，所述佩戴单元的数量为两个，且分别被佩戴于左手臂和右手臂上，两个提示模块均为振动器时，两个佩戴单元根据所述障碍物空间分布模型引导用户的行进方向包括情况为：
佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户向右转直至两个佩戴单元的提示模块均反馈静音信号为止，用户沿当前方向行进；
佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户向左转直至两个佩戴单元的提示模块均反馈静音信号为止，用户沿当前方向行进；
佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈静音信号时，引导用户沿当前行进方向行进；或
佩戴于左手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号，佩戴于右手臂上的佩戴单元的提示模块反馈振动信号时，引导用户沿任一佩戴单元的振动停止所在的方向行进。
6.如权利要求2所述的避障装置，其特征在于，所述提示模块判定用户是否可沿当前行进方向继续行进的过程包括：
根据所述障碍物空间分布模型获取的判定信息；
将判定信息与判断阈值进行比较；当判定信息超过判定阈值，则用户不能沿当前行进方向继续行进；反之，则用户能沿当前行进方向继续行进。
7.如权利要求6所述的避障装置，其特征在于，所述判定信息为缺口的高度。
8.如权利要求6所述的避障装置，其特征在于，所述判定阈值根据用户的自身情况进行设定。
9.如权利要求2所述的避障装置，其特征在于，所述佩戴单元的数量为两个时，两个佩戴单元中的超声波检测模块和处理模块采用BLE、ZigBee或WiFi进行无线通信。
10.如权利要求1至9中任一项所述的避障装置，其特征在于，每个佩戴单元被佩戴于用户的一个手臂和/或腰胯部位上。
11.如权利要求1至9中任一项所述的避障装置，其特征在于，所述用户的自然摆动信息包括手臂的摆动位置信息和/或腰胯部位的摆动位置信息。
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