基本信息
- 项目名称：
- 激光智能导盲器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 伴随着信息技术的不断飞跃，高科技电子产品向着小型化，集成化，高精度化和人性化前进，满足着人们的生活需要。 在生活中遇到诸多不便和障碍的盲人更加需要高科技光电产品帮助自己解决实际问题，对于盲人来说，导盲器就是自己的眼睛，一个高性能，高质量的导盲器尤为重要。激光导盲器凭借精度高且单色性好等众多自身优势，作为首选。导盲器准确测出盲人前方障碍物距离，当盲人遇到障碍物时发出警报提示音，提示其避障。
- 详细介绍：
- 《智能激光导盲器》 意义和应用前景 智能激光导盲器利用光电的特殊性能，发挥了激光抗干扰力强、精度高的优势，而且此导盲器反应灵敏，操作方便，简单易行，满足盲人的需求，同时也能推动激光在导盲事业的发展 目前国内外研究概况、水平和发展趋势、立论根据 国外利用超声波“超高音速声音系统”，国内的“交叉路口导盲器”，“红外导盲器”。导盲器正在向反应速度快，提示准确，避障灵活等方面发展。 创新点： 1、激光相位测距精度高，单色性好，亮度高，反应速度快。 2、利用语音系统可以准确的报出盲人与障碍物的距离，让盲人更多的了解前方情况。 3、利用激光二极管作为光电探测器，响应频率高，响应速度快，供电电压低，工作稳定。 4、用锁相环作为频率发生器。 研究内容 导盲器利用测距的方法实现对障碍物的辨认，由于激光测距精度高且单色性好，所以作为首选。为消除激光发散角度小这一特点，在发射器发射端放置一扩束镜进行扩束，当激光遇到障碍物时反射进接收管，通过发射与接收所得激光的相位差，便可算出盲人与障碍物的距离。将导盲器放置于盲人的腰间，当盲人遇到障碍物时前腰面的激光器会发出警报提示音，提示其避障。 预期成果 盲人在室内行动时，若佩戴导盲器便能灵活的避开障碍物或一些危险物品，提高盲人的生活安全指标，对于后天失明的人来说，通过借助导盲仪可以让他尽可能的适应生活，弥补了导盲犬价格昂贵，训练复杂等缺陷。 研究方法、技术路线 1、激光测距方法。 现在的激光测距方法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距。脉冲式测距的工作原理和普通脉冲式雷达相同，是通过测定脉冲激光在侧线上往返所经过的时间，然后乘以光的大气中的速度，再乘以1/2，就得到距离值。脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点进行测距，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到很远的测程；在进行几公里的进程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被合作目标对脉冲激光的漫反射所取得的反射信号，也可以进行测距。影响脉冲激光测距精度的因素有很多，有脉冲激光的时间宽度、光波传播速度的测量精度、大气折射率、时钟频率的误差、计时误差、仪器测量误差等。在测频一定，器件速度、电路参数受限的条件下，时间间隔测量系统应用于激光测距可大为减少由于主、回波信号与计数频率信号不同步带来的测距误差。 而通常相位式激光测距具有较高的测距精度。相位式激光测距是利用发射的调制光和被测目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。相位测距的方法是通过对光的强度进行调制实现的，通过测量调制的激光信号，在待测距离上往返传播所形成的相移，间接测出激光在测量点与目标间的往返时间，根据光速，求出待测距离。 在相位测距中存在一个问题，当测距长度大于测距所用的波长时，可能会产生多值性问题。即用单一的频率测距时无法确定有多少个整波长。为了解决多值问题，可以采用在内设置若干辅助的调制频率，主要有两种方案，一是对于中长程测距，采用集中的间接测尺频率方式，一般设定3—5个辅助频率，而是对于短程测距，采用分散的直接测尺频率方式，设定精测和粗测两个调制频率。一般精测频率为15MHz，测尺长为10m，粗频为150KHz，测尺长为1000m。在所有测距的方法中，激光相位法测距具有较高的精度。在理论上影响测距精度主要是由于光速误差（传输光的气体媒介折射率变化等原因引起）、调制频率误差及相位测量误差组成。其中，第一项可以采用实时实地的环境参数（温度、大气压力等）误差补偿来降低，后两项取决于信号处理电路的能力。因此，在电路系统中，频率产生电路和测相电路是关键，它直接影响测距系统误差的大小。另外，还必须要考虑到信号在光路和电路上传输时产生的附加相移。附加相移是随机的，随着外界环境、元器件性能及其稳定度等变化，无法用修正来消 除，会对测量结果产生很大的影响。 由以上分析，在导盲仪的测距部分，我们采用激光相位法，并使用直接测尺频率技术。 2、发射装置。 根据要求，我们使用半导体激光器作为发射装置。半导体激光器选择索尼公司的SLD1133VL。这种型号的激光器是由激光二极管和光学透镜组合封装在一起的。 在本系统中，我们采取了延时和慢启动电路，从根本上保证了电流对激光二极管的安全工作。另外，为了保持激光二极管发射功率的恒定，必须对激光器的阈值电流变化进行补偿，需要采用自动功率控制电路 3、接收装置。 在本导盲仪中，激光接收时十分重要的组成环节。光电接收电路的完整与合理同化成那个制约着激光测距精度的高低。激光接收系统包括光电探测器、滤波电路和放大电路等部分，光学器件也是很重要的组成部分。 对于光电探测器的主要依据是工作波长，然后才考虑其灵敏度、噪声和带宽。经过综合比较，我们选择光电二极管，型号为OPT301,此二极管是一种集光电二极管和电流/电压转换器于一体的光电集成器件。其中的电流/电压转换放大器由精密的FET输入运算放大器和片内金属薄膜电阻组成。受光面积为0.09*0.09英寸的光电二极管在零偏下具有很好的线性和很低的暗电流。 4、控制处理系统。 单片机在整个系统中处于核心的工作地位，它承担着所有信号的控制、处理任务，它所采用的测距算法对系统的测距精度起着决定性的作用。根据测距素的及数据处理的实时性要求，我们选择NEC公司的PPD70F3017A型号的单片机。此款芯片配有闪存，以便使用者在面包板上进行开发。 在光电探测系统中，有些光学元件是它特有的，在普通光学系统中不存在，例如，场镜、光锥、浸没透镜等，这些器件用在探测器之间可减小探测器面积，从而可以等效的提高输入信噪比。反射回来的光是一小部分，所以得充分利用，如果只是增加探测器面积的话，会使探测器性能变坏，使整个探测系统性能受损，即减小了输入信噪比。为此，可以用一些辅助光学器件来克服这一困难。 1、 场镜。如果在探测器之前插入一个汇聚能力很强的透镜，如下图所示，那么这样探测器面积就可以做得很小。 场镜除了使探测器面积减小外，还能使其上的照度均匀，避免假目标的干扰。 2、 光锥。光锥也可以起到减小探测器的作用。光锥的大端放 在物镜焦平面附近，接收物镜汇聚的光通量在光锥内壁连续反射，最后将光能聚集在小端，通常探测器贴在光锥的小断面上。 3、 浸没透镜。它也可以在系统中减小探测器的面积，浸没透 镜用高折射率材料制成半球形状，探测器用光胶法粘结在它的平端，在浸没成像中，像面未离开浸没透镜，故可以把它看做是单个折射球面成像。 侧重于研究室内有障碍导盲问题，探讨了激光相位测距法，直接测尺频率技术在导盲过程中凸显的抗干扰性强、灵敏度高、测量范围远、精度准、低功率、低能耗等众多优势以及辅加以提高实际应用性能的声音提示系统，很好的解决了导盲中遇到的测量范围近、计算误差大、灵敏度低、处理性能弱、受外界环境影响大等难题，使光学在市场产品开发、生产上做了初步尝试和创新。 随着科技进步和对人类对能源的极度需求，光的众多良好优势和重要地位愈发显现出来，伴随着光学技术的不断成熟和进步，光学在广大科研课题和高精端项目中都起到至关重要的作用，也为光学器件打开了市场大门。面对盲人生活需要，科技发展趋势，本组设计的激光导盲器具有广大市场需求，必能取代落后导盲器类型，在市场上占据高份额。 此外以本激光导盲器为基础在建筑工程、城市规划、汽车行驶辅助安全系统、家庭装修等众多领域都具有极强的产品延伸性，可研发多系列多版本多型号的激光测距器，必将带来巨大经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 侧重于研究有障碍导盲问题，探讨了激光相位测距法，直接测尺频率技术在导盲过程中凸显的抗干扰性强、灵敏度高、测量范围远、精度准、低功率、低能耗等众多优势以及辅加以提高实际应用性能的声音提示系统，很好的解决了导盲中遇到的测量范围近、计算误差大、灵敏度低、处理性能弱、受外界环境影响大等难题，使光学在市场产品开发、生产上做了初步尝试和创新。 为了能测出距离，方便使用者调整能测出的最佳距离，由于激光测距比较精确单色性好，所以作为首选。为消除激光发散角度小这一特点，在发射器发射端放置一扩束镜进行扩束，当激光在前进中遇到障碍物时反射进接收管，通过发射与接收所得激光的相位差，便可算出使用者与障碍物的距离。
科学性、先进性
- 国外利用超声波“超高音速声音系统”，国内的“交叉路口导盲器”，“红外导盲器”。导盲器正在向反应速度快，提示准确，避障灵活等方面发展。 激光测距避障仪利用光电的特殊性能，发挥了激光抗干扰力强、精度高的优势，而且此导盲器反应灵敏，操作方便，简单易行，满足盲人的需求，同时也能推动激光在导盲事业的发展 主要参考内容如下: 1、激光相位测距精度高，单色性好，亮度高，反应速度快。 2、信号调理电路中，利用恒流源控制思想，进一步减小由于外界光影晃动引入的噪声。 3、利用语音系统可以准确的报出盲人与障碍物的距离，让盲人更多的了解前方情况。 4、利用激光二极管作为光电探测器，产生单一、相干波长光源，方向性好，响应频率高，响应速度快，供电电压低，工作稳定。 5、加入GPS定位导航系统，在较小范围内实现监控显示被导盲者实时位置，行驶方向，行驶速度。
获奖情况及鉴定结果
- 于2011年4月在北京信息科技大学进行校级评审并荣获奖项，鉴定结论：激光相位测距精度高，单色性好，亮度高，反应速度快，装置性能灵敏可靠，具有实用价值
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品抗干扰力强、精度高的优势，而且反应灵敏，操作方便，简单易行，智能人性化，满足盲人的需求，同时也能推动激光在导盲事业的发展。适应范围20-30cm. 将导盲器放置于盲人的腰间，当盲人遇到障碍物时前腰面的激光器会发出警报提示音，提示其避障。 随着科技进步和对人类对能源的极度需求，光的众多良好优势和重要地位愈发显现出来，伴随着光学技术的不断成熟和进步，光学在广大科研课题和高精端项目中都起到至关重要的作用，也为光学器件打开了市场大门。面对盲人生活需要，科技发展趋势，本组设计的激光导盲器具有广大市场需求，必能取代落后导盲器类型，在市场上占据高份额。 此外以本激光导盲器为基础在建筑工程、城市规划、汽车行驶辅助安全系统、家庭装修等众多领域都具有极强的产品延伸性，可研发多系列多版本多型号的激光测距器，必将带来巨大经济效益。
同类课题研究水平概述
- 国外利用超声波“超高音速声音系统”，国内的“交叉路口导盲器”，“红外导盲器”。导盲器正在向反应速度快，提示准确，避障灵活等方面发展。
