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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 激光智能導(dǎo)盲器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)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(shí)際問(wèn)題，對(duì)于盲人來(lái)說(shuō)，導(dǎo)盲器就是自己的眼睛，一個(gè)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(shì)，作為首選。導(dǎo)盲器準(zhǔn)確測(cè)出盲人前方障礙物距離，當(dāng)盲人遇到障礙物時(shí)發(fā)出警報(bào)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(shì)，而且此導(dǎo)盲器反應(yīng)靈敏，操作方便，簡(jiǎn)單易行，滿足盲人的需求，同時(shí)也能推動(dòng)激光在導(dǎo)盲事業(yè)的發(fā)展 目前國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)、立論根據(jù) 國(guó)外利用超聲波“超高音速聲音系統(tǒng)”，國(guó)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(diǎn)： 1、激光相位測(cè)距精度高，單色性好，亮度高，反應(yīng)速度快。 2、利用語(yǔ)音系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的報(bào)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(cè)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?jī)?nèi)容 導(dǎo)盲器利用測(cè)距的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的辨認(rèn)，由于激光測(cè)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(diǎn)，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(shí)反射進(jìn)接收管，通過(guò)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(shí)前腰面的激光器會(huì)發(fā)出警報(bào)提示音，提示其避障。 預(yù)期成果 盲人在室內(nèi)行動(dòng)時(shí)，若佩戴導(dǎo)盲器便能靈活的避開(kāi)障礙物或一些危險(xiǎn)物品，提高盲人的生活安全指標(biāo)，對(duì)于后天失明的人來(lái)說(shuō)，通過(guò)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(jià)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(cè)距方法。 現(xiàn)在的激光測(cè)距方法主要有脈沖式激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距。脈沖式測(cè)距的工作原理和普通脈沖式雷達(dá)相同，是通過(guò)測(cè)定脈沖激光在側(cè)線上往返所經(jīng)過(guò)的時(shí)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(cè)距是利用激光脈沖持續(xù)時(shí)間短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中，瞬時(shí)功率很大的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測(cè)距可以達(dá)到很遠(yuǎn)的測(cè)程；在進(jìn)行幾公里的進(jìn)程測(cè)距時(shí)，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(duì)脈沖激光的漫反射所取得的反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。影響脈沖激光測(cè)距精度的因素有很多，有脈沖激光的時(shí)間寬度、光波傳播速度的測(cè)量精度、大氣折射率、時(shí)鐘頻率的誤差、計(jì)時(shí)誤差、儀器測(cè)量誤差等。在測(cè)頻一定，器件速度、電路參數(shù)受限的條件下，時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于激光測(cè)距可大為減少由于主、回波信號(hào)與計(jì)數(shù)頻率信號(hào)不同步帶來(lái)的測(cè)距誤差。 而通常相位式激光測(cè)距具有較高的測(cè)距精度。相位式激光測(cè)距是利用發(fā)射的調(diào)制光和被測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量。相位測(cè)距的方法是通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)測(cè)量調(diào)制的激光信號(hào)，在待測(cè)距離上往返傳播所形成的相移，間接測(cè)出激光在測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，根據(jù)光速，求出待測(cè)距離。 在相位測(cè)距中存在一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)測(cè)距長(zhǎng)度大于測(cè)距所用的波長(zhǎng)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生多值性問(wèn)題。即用單一的頻率測(cè)距時(shí)無(wú)法確定有多少個(gè)整波長(zhǎng)。為了解決多值問(wèn)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(duì)于中長(zhǎng)程測(cè)距，采用集中的間接測(cè)尺頻率方式，一般設(shè)定3—5個(gè)輔助頻率，而是對(duì)于短程測(cè)距，采用分散的直接測(cè)尺頻率方式，設(shè)定精測(cè)和粗測(cè)兩個(gè)調(diào)制頻率。一般精測(cè)頻率為15MHz，測(cè)尺長(zhǎng)為10m，粗頻為150KHz，測(cè)尺長(zhǎng)為1000m。在所有測(cè)距的方法中，激光相位法測(cè)距具有較高的精度。在理論上影響測(cè)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(cè)量誤差組成。其中，第一項(xiàng)可以采用實(shí)時(shí)實(shí)地的環(huán)境參數(shù)（溫度、大氣壓力等）誤差補(bǔ)償來(lái)降低，后兩項(xiàng)取決于信號(hào)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(cè)相電路是關(guān)鍵，它直接影響測(cè)距系統(tǒng)誤差的大小。另外，還必須要考慮到信號(hào)在光路和電路上傳輸時(shí)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(wú)法用修正來(lái)消 除，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。 由以上分析，在導(dǎo)盲儀的測(cè)距部分，我們采用激光相位法，并使用直接測(cè)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(hào)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(shí)和慢啟動(dòng)電路，從根本上保證了電流對(duì)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(duì)激光器的閾值電流變化進(jìn)行補(bǔ)償，需要采用自動(dòng)功率控制電路 3、接收裝置。 在本導(dǎo)盲儀中，激光接收時(shí)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(gè)制約著激光測(cè)距精度的高低。激光接收系統(tǒng)包括光電探測(cè)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(duì)于光電探測(cè)器的主要依據(jù)是工作波長(zhǎng)，然后才考慮其靈敏度、噪聲和帶寬。經(jīng)過(guò)綜合比較，我們選擇光電二極管，型號(hào)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(yùn)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(gè)系統(tǒng)中處于核心的工作地位，它承擔(dān)著所有信號(hào)的控制、處理任務(wù)，它所采用的測(cè)距算法對(duì)系統(tǒng)的測(cè)距精度起著決定性的作用。根據(jù)測(cè)距素的及數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求，我們選擇NEC公司的PPD70F3017A型號(hào)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(kāi)發(fā)。 在光電探測(cè)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(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡等，這些器件用在探測(cè)器之間可減小探測(cè)器面積，從而可以等效的提高輸入信噪比。反射回來(lái)的光是一小部分，所以得充分利用，如果只是增加探測(cè)器面積的話，會(huì)使探測(cè)器性能變壞，使整個(gè)探測(cè)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(lái)克服這一困難。 1、 場(chǎng)鏡。如果在探測(cè)器之前插入一個(gè)匯聚能力很強(qiáng)的透鏡，如下圖所示，那么這樣探測(cè)器面積就可以做得很小。 場(chǎng)鏡除了使探測(cè)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(cè)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(cè)器貼在光錐的小斷面上。 3、 浸沒(méi)透鏡。它也可以在系統(tǒng)中減小探測(cè)器的面積，浸沒(méi)透 鏡用高折射率材料制成半球形狀，探測(cè)器用光膠法粘結(jié)在它的平端，在浸沒(méi)成像中，像面未離開(kāi)浸沒(méi)透鏡，故可以把它看做是單個(gè)折射球面成像。 側(cè)重于研究室內(nèi)有障礙導(dǎo)盲問(wèn)題，探討了激光相位測(cè)距法，直接測(cè)尺頻率技術(shù)在導(dǎo)盲過(guò)程中凸顯的抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、測(cè)量范圍遠(yuǎn)、精度準(zhǔn)、低功率、低能耗等眾多優(yōu)勢(shì)以及輔加以提高實(shí)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(cè)量范圍近、計(jì)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(chǎng)產(chǎn)品開(kāi)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(duì)人類對(duì)能源的極度需求，光的眾多良好優(yōu)勢(shì)和重要地位愈發(fā)顯現(xiàn)出來(lái)，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(xiàng)目中都起到至關(guān)重要的作用，也為光學(xué)器件打開(kāi)了市場(chǎng)大門。面對(duì)盲人生活需要，科技發(fā)展趨勢(shì)，本組設(shè)計(jì)的激光導(dǎo)盲器具有廣大市場(chǎng)需求，必能取代落后導(dǎo)盲器類型，在市場(chǎng)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(hào)的激光測(cè)距器，必將帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、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(wèn)題，探討了激光相位測(cè)距法，直接測(cè)尺頻率技術(shù)在導(dǎo)盲過(guò)程中凸顯的抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、測(cè)量范圍遠(yuǎn)、精度準(zhǔn)、低功率、低能耗等眾多優(yōu)勢(shì)以及輔加以提高實(shí)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(cè)量范圍近、計(jì)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(chǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)上做了初步嘗試和創(chuàng)新。 為了能測(cè)出距離，方便使用者調(diào)整能測(cè)出的最佳距離，由于激光測(cè)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(diǎn)，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(shí)反射進(jìn)接收管，通過(guò)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(guó)外利用超聲波“超高音速聲音系統(tǒng)”，國(guó)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(cè)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(shì)，而且此導(dǎo)盲器反應(yīng)靈敏，操作方便，簡(jiǎn)單易行，滿足盲人的需求，同時(shí)也能推動(dòng)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(cè)距精度高，單色性好，亮度高，反應(yīng)速度快。 2、信號(hào)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(dòng)引入的噪聲。 3、利用語(yǔ)音系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的報(bào)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(cè)器，產(chǎn)生單一、相干波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)監(jiān)控顯示被導(dǎo)盲者實(shí)時(shí)位置，行駛方向，行駛速度。
獲獎(jiǎng)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(jí)評(píng)審并榮獲獎(jiǎng)項(xiàng)，鑒定結(jié)論：激光相位測(cè)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(shí)用價(jià)值
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品抗干擾力強(qiáng)、精度高的優(yōu)勢(shì)，而且反應(yīng)靈敏，操作方便，簡(jiǎn)單易行，智能人性化，滿足盲人的需求，同時(shí)也能推動(dòng)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(shí)前腰面的激光器會(huì)發(fā)出警報(bào)提示音，提示其避障。 隨著科技進(jìn)步和對(duì)人類對(duì)能源的極度需求，光的眾多良好優(yōu)勢(shì)和重要地位愈發(fā)顯現(xiàn)出來(lái)，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(xiàng)目中都起到至關(guān)重要的作用，也為光學(xué)器件打開(kāi)了市場(chǎng)大門。面對(duì)盲人生活需要，科技發(fā)展趨勢(shì)，本組設(shè)計(jì)的激光導(dǎo)盲器具有廣大市場(chǎng)需求，必能取代落后導(dǎo)盲器類型，在市場(chǎng)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(hào)的激光測(cè)距器，必將帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)外利用超聲波“超高音速聲音系統(tǒng)”，國(guó)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。
