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基本信息
- 項目名稱：
- 激光智能導(dǎo)盲器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 伴隨著信息技術(shù)的不斷飛躍，高科技電子產(chǎn)品向著小型化，集成化，高精度化和人性化前進(jìn)，滿足著人們的生活需要。 在生活中遇到諸多不便和障礙的盲人更加需要高科技光電產(chǎn)品幫助自己解決實際問題，對于盲人來說，導(dǎo)盲器就是自己的眼睛，一個高性能，高質(zhì)量的導(dǎo)盲器尤為重要。激光導(dǎo)盲器憑借精度高且單色性好等眾多自身優(yōu)勢，作為首選。導(dǎo)盲器準(zhǔn)確測出盲人前方障礙物距離，當(dāng)盲人遇到障礙物時發(fā)出警報提示音，提示其避障。
- 詳細(xì)介紹：
- 《智能激光導(dǎo)盲器》 意義和應(yīng)用前景 智能激光導(dǎo)盲器利用光電的特殊性能，發(fā)揮了激光抗干擾力強(qiáng)、精度高的優(yōu)勢，而且此導(dǎo)盲器反應(yīng)靈敏，操作方便，簡單易行，滿足盲人的需求，同時也能推動激光在導(dǎo)盲事業(yè)的發(fā)展 目前國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢、立論根據(jù) 國外利用超聲波“超高音速聲音系統(tǒng)”，國內(nèi)的“交叉路口導(dǎo)盲器”，“紅外導(dǎo)盲器”。導(dǎo)盲器正在向反應(yīng)速度快，提示準(zhǔn)確，避障靈活等方面發(fā)展。 創(chuàng)新點： 1、激光相位測距精度高，單色性好，亮度高，反應(yīng)速度快。 2、利用語音系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的報出盲人與障礙物的距離，讓盲人更多的了解前方情況。 3、利用激光二極管作為光電探測器，響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，供電電壓低，工作穩(wěn)定。 4、用鎖相環(huán)作為頻率發(fā)生器。 研究內(nèi)容 導(dǎo)盲器利用測距的方法實現(xiàn)對障礙物的辨認(rèn)，由于激光測距精度高且單色性好，所以作為首選。為消除激光發(fā)散角度小這一特點，在發(fā)射器發(fā)射端放置一擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束，當(dāng)激光遇到障礙物時反射進(jìn)接收管，通過發(fā)射與接收所得激光的相位差，便可算出盲人與障礙物的距離。將導(dǎo)盲器放置于盲人的腰間，當(dāng)盲人遇到障礙物時前腰面的激光器會發(fā)出警報提示音，提示其避障。 預(yù)期成果 盲人在室內(nèi)行動時，若佩戴導(dǎo)盲器便能靈活的避開障礙物或一些危險物品，提高盲人的生活安全指標(biāo)，對于后天失明的人來說，通過借助導(dǎo)盲儀可以讓他盡可能的適應(yīng)生活，彌補(bǔ)了導(dǎo)盲犬價格昂貴，訓(xùn)練復(fù)雜等缺陷。 研究方法、技術(shù)路線 1、激光測距方法。 現(xiàn)在的激光測距方法主要有脈沖式激光測距和相位式激光測距。脈沖式測距的工作原理和普通脈沖式雷達(dá)相同，是通過測定脈沖激光在側(cè)線上往返所經(jīng)過的時間，然后乘以光的大氣中的速度，再乘以1/2，就得到距離值。脈沖激光測距是利用激光脈沖持續(xù)時間短，能量在時間上相對集中，瞬時功率很大的特點進(jìn)行測距，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測距可以達(dá)到很遠(yuǎn)的測程；在進(jìn)行幾公里的進(jìn)程測距時，如果精度要求不高，即使不使用合作目標(biāo)，只是利用被合作目標(biāo)對脈沖激光的漫反射所取得的反射信號，也可以進(jìn)行測距。影響脈沖激光測距精度的因素有很多，有脈沖激光的時間寬度、光波傳播速度的測量精度、大氣折射率、時鐘頻率的誤差、計時誤差、儀器測量誤差等。在測頻一定，器件速度、電路參數(shù)受限的條件下，時間間隔測量系統(tǒng)應(yīng)用于激光測距可大為減少由于主、回波信號與計數(shù)頻率信號不同步帶來的測距誤差。 而通常相位式激光測距具有較高的測距精度。相位式激光測距是利用發(fā)射的調(diào)制光和被測目標(biāo)反射的接收光之間光強(qiáng)的相位差包含的距離信息來實現(xiàn)對被測目標(biāo)距離的測量。相位測距的方法是通過對光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制實現(xiàn)的，通過測量調(diào)制的激光信號，在待測距離上往返傳播所形成的相移，間接測出激光在測量點與目標(biāo)間的往返時間，根據(jù)光速，求出待測距離。 在相位測距中存在一個問題，當(dāng)測距長度大于測距所用的波長時，可能會產(chǎn)生多值性問題。即用單一的頻率測距時無法確定有多少個整波長。為了解決多值問題，可以采用在內(nèi)設(shè)置若干輔助的調(diào)制頻率，主要有兩種方案，一是對于中長程測距，采用集中的間接測尺頻率方式，一般設(shè)定3—5個輔助頻率，而是對于短程測距，采用分散的直接測尺頻率方式，設(shè)定精測和粗測兩個調(diào)制頻率。一般精測頻率為15MHz，測尺長為10m，粗頻為150KHz，測尺長為1000m。在所有測距的方法中，激光相位法測距具有較高的精度。在理論上影響測距精度主要是由于光速誤差（傳輸光的氣體媒介折射率變化等原因引起）、調(diào)制頻率誤差及相位測量誤差組成。其中，第一項可以采用實時實地的環(huán)境參數(shù)（溫度、大氣壓力等）誤差補(bǔ)償來降低，后兩項取決于信號處理電路的能力。因此，在電路系統(tǒng)中，頻率產(chǎn)生電路和測相電路是關(guān)鍵，它直接影響測距系統(tǒng)誤差的大小。另外，還必須要考慮到信號在光路和電路上傳輸時產(chǎn)生的附加相移。附加相移是隨機(jī)的，隨著外界環(huán)境、元器件性能及其穩(wěn)定度等變化，無法用修正來消 除，會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。 由以上分析，在導(dǎo)盲儀的測距部分，我們采用激光相位法，并使用直接測尺頻率技術(shù)。 2、發(fā)射裝置。 根據(jù)要求，我們使用半導(dǎo)體激光器作為發(fā)射裝置。半導(dǎo)體激光器選擇索尼公司的SLD1133VL。這種型號的激光器是由激光二極管和光學(xué)透鏡組合封裝在一起的。 在本系統(tǒng)中，我們采取了延時和慢啟動電路，從根本上保證了電流對激光二極管的安全工作。另外，為了保持激光二極管發(fā)射功率的恒定，必須對激光器的閾值電流變化進(jìn)行補(bǔ)償，需要采用自動功率控制電路 3、接收裝置。 在本導(dǎo)盲儀中，激光接收時十分重要的組成環(huán)節(jié)。光電接收電路的完整與合理同化成那個制約著激光測距精度的高低。激光接收系統(tǒng)包括光電探測器、濾波電路和放大電路等部分，光學(xué)器件也是很重要的組成部分。 對于光電探測器的主要依據(jù)是工作波長，然后才考慮其靈敏度、噪聲和帶寬。經(jīng)過綜合比較，我們選擇光電二極管，型號為OPT301,此二極管是一種集光電二極管和電流/電壓轉(zhuǎn)換器于一體的光電集成器件。其中的電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器由精密的FET輸入運算放大器和片內(nèi)金屬薄膜電阻組成。受光面積為0.09*0.09英寸的光電二極管在零偏下具有很好的線性和很低的暗電流。 4、控制處理系統(tǒng)。 單片機(jī)在整個系統(tǒng)中處于核心的工作地位，它承擔(dān)著所有信號的控制、處理任務(wù)，它所采用的測距算法對系統(tǒng)的測距精度起著決定性的作用。根據(jù)測距素的及數(shù)據(jù)處理的實時性要求，我們選擇NEC公司的PPD70F3017A型號的單片機(jī)。此款芯片配有閃存，以便使用者在面包板上進(jìn)行開發(fā)。 在光電探測系統(tǒng)中，有些光學(xué)元件是它特有的，在普通光學(xué)系統(tǒng)中不存在，例如，場鏡、光錐、浸沒透鏡等，這些器件用在探測器之間可減小探測器面積，從而可以等效的提高輸入信噪比。反射回來的光是一小部分，所以得充分利用，如果只是增加探測器面積的話，會使探測器性能變壞，使整個探測系統(tǒng)性能受損，即減小了輸入信噪比。為此，可以用一些輔助光學(xué)器件來克服這一困難。 1、 場鏡。如果在探測器之前插入一個匯聚能力很強(qiáng)的透鏡，如下圖所示，那么這樣探測器面積就可以做得很小。 場鏡除了使探測器面積減小外，還能使其上的照度均勻，避免假目標(biāo)的干擾。 2、 光錐。光錐也可以起到減小探測器的作用。光錐的大端放 在物鏡焦平面附近，接收物鏡匯聚的光通量在光錐內(nèi)壁連續(xù)反射，最后將光能聚集在小端，通常探測器貼在光錐的小斷面上。 3、 浸沒透鏡。它也可以在系統(tǒng)中減小探測器的面積，浸沒透 鏡用高折射率材料制成半球形狀，探測器用光膠法粘結(jié)在它的平端，在浸沒成像中，像面未離開浸沒透鏡，故可以把它看做是單個折射球面成像。 側(cè)重于研究室內(nèi)有障礙導(dǎo)盲問題，探討了激光相位測距法，直接測尺頻率技術(shù)在導(dǎo)盲過程中凸顯的抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、測量范圍遠(yuǎn)、精度準(zhǔn)、低功率、低能耗等眾多優(yōu)勢以及輔加以提高實際應(yīng)用性能的聲音提示系統(tǒng)，很好的解決了導(dǎo)盲中遇到的測量范圍近、計算誤差大、靈敏度低、處理性能弱、受外界環(huán)境影響大等難題，使光學(xué)在市場產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)上做了初步嘗試和創(chuàng)新。 隨著科技進(jìn)步和對人類對能源的極度需求，光的眾多良好優(yōu)勢和重要地位愈發(fā)顯現(xiàn)出來，伴隨著光學(xué)技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，光學(xué)在廣大科研課題和高精端項目中都起到至關(guān)重要的作用，也為光學(xué)器件打開了市場大門。面對盲人生活需要，科技發(fā)展趨勢，本組設(shè)計的激光導(dǎo)盲器具有廣大市場需求，必能取代落后導(dǎo)盲器類型，在市場上占據(jù)高份額。 此外以本激光導(dǎo)盲器為基礎(chǔ)在建筑工程、城市規(guī)劃、汽車行駛輔助安全系統(tǒng)、家庭裝修等眾多領(lǐng)域都具有極強(qiáng)的產(chǎn)品延伸性，可研發(fā)多系列多版本多型號的激光測距器，必將帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 側(cè)重于研究有障礙導(dǎo)盲問題，探討了激光相位測距法，直接測尺頻率技術(shù)在導(dǎo)盲過程中凸顯的抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、測量范圍遠(yuǎn)、精度準(zhǔn)、低功率、低能耗等眾多優(yōu)勢以及輔加以提高實際應(yīng)用性能的聲音提示系統(tǒng)，很好的解決了導(dǎo)盲中遇到的測量范圍近、計算誤差大、靈敏度低、處理性能弱、受外界環(huán)境影響大等難題，使光學(xué)在市場產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)上做了初步嘗試和創(chuàng)新。 為了能測出距離，方便使用者調(diào)整能測出的最佳距離，由于激光測距比較精確單色性好，所以作為首選。為消除激光發(fā)散角度小這一特點，在發(fā)射器發(fā)射端放置一擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束，當(dāng)激光在前進(jìn)中遇到障礙物時反射進(jìn)接收管，通過發(fā)射與接收所得激光的相位差，便可算出使用者與障礙物的距離。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 國外利用超聲波“超高音速聲音系統(tǒng)”，國內(nèi)的“交叉路口導(dǎo)盲器”，“紅外導(dǎo)盲器”。導(dǎo)盲器正在向反應(yīng)速度快，提示準(zhǔn)確，避障靈活等方面發(fā)展。 激光測距避障儀利用光電的特殊性能，發(fā)揮了激光抗干擾力強(qiáng)、精度高的優(yōu)勢，而且此導(dǎo)盲器反應(yīng)靈敏，操作方便，簡單易行，滿足盲人的需求，同時也能推動激光在導(dǎo)盲事業(yè)的發(fā)展 主要參考內(nèi)容如下: 1、激光相位測距精度高，單色性好，亮度高，反應(yīng)速度快。 2、信號調(diào)理電路中，利用恒流源控制思想，進(jìn)一步減小由于外界光影晃動引入的噪聲。 3、利用語音系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的報出盲人與障礙物的距離，讓盲人更多的了解前方情況。 4、利用激光二極管作為光電探測器，產(chǎn)生單一、相干波長光源，方向性好，響應(yīng)頻率高，響應(yīng)速度快，供電電壓低，工作穩(wěn)定。 5、加入GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在較小范圍內(nèi)實現(xiàn)監(jiān)控顯示被導(dǎo)盲者實時位置，行駛方向，行駛速度。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 于2011年4月在北京信息科技大學(xué)進(jìn)行校級評審并榮獲獎項，鑒定結(jié)論：激光相位測距精度高，單色性好，亮度高，反應(yīng)速度快，裝置性能靈敏可靠，具有實用價值
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 本作品抗干擾力強(qiáng)、精度高的優(yōu)勢，而且反應(yīng)靈敏，操作方便，簡單易行，智能人性化，滿足盲人的需求，同時也能推動激光在導(dǎo)盲事業(yè)的發(fā)展。適應(yīng)范圍20-30cm. 將導(dǎo)盲器放置于盲人的腰間，當(dāng)盲人遇到障礙物時前腰面的激光器會發(fā)出警報提示音，提示其避障。 隨著科技進(jìn)步和對人類對能源的極度需求，光的眾多良好優(yōu)勢和重要地位愈發(fā)顯現(xiàn)出來，伴隨著光學(xué)技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，光學(xué)在廣大科研課題和高精端項目中都起到至關(guān)重要的作用，也為光學(xué)器件打開了市場大門。面對盲人生活需要，科技發(fā)展趨勢，本組設(shè)計的激光導(dǎo)盲器具有廣大市場需求，必能取代落后導(dǎo)盲器類型，在市場上占據(jù)高份額。 此外以本激光導(dǎo)盲器為基礎(chǔ)在建筑工程、城市規(guī)劃、汽車行駛輔助安全系統(tǒng)、家庭裝修等眾多領(lǐng)域都具有極強(qiáng)的產(chǎn)品延伸性，可研發(fā)多系列多版本多型號的激光測距器，必將帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 國外利用超聲波“超高音速聲音系統(tǒng)”，國內(nèi)的“交叉路口導(dǎo)盲器”，“紅外導(dǎo)盲器”。導(dǎo)盲器正在向反應(yīng)速度快，提示準(zhǔn)確，避障靈活等方面發(fā)展。
