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    关 键 词:
    脚穿式 障碍 检测 设备 以及 对应 方法 计算机 程序 产品
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    摘要
    申请专利号:

    CN201580040398.4

    申请日:

    2015.07.17

    公开号:

    CN106574971A

    公开日:

    2017.04.19

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01S 15/93申请日:20150717|||公开
    IPC分类号: G01S15/93; G01S15/10; G01S15/02; G01S7/523; G01S7/521 主分类号: G01S15/93
    申请人: 意法半导体股份有限公司
    发明人: F·丹杰洛; S·科罗娜
    地址: 意大利阿格拉布里安扎
    优先权: 2014.07.25 IT TO2014A000595
    专利代理机构: 北京市金杜律师事务所 11256 代理人: 王茂华
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201580040398.4

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.05.17|||2017.04.19

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种用于检测障碍的设备(10),该设备(10)可由对象(18)穿戴在脚(19)上,特别是集成在可由对象(18)穿戴的鞋类物品(30)中,前述设备(10)包括:至少一个超声源(12T),用于发射超声发射信号(UT);超声接收器(12T),用于接收由障碍(16)反射的相应超声信号(UR);控制???11),用于测量在超声发射信号(UT)的发射和由障碍(16)反射的相应超声信号(UR)的接收之间的飞行时间(Δt),并且基于前述飞行时间(Δt),计算障碍(16)所处的距离(d)。该设备包括:惯性传感器(13)(特别地是加速度传感器),被设计成沿三个轴(x,y,z)测量脚(19)的加速度;以及控制???11),被配置用于如果由前述惯性传感器(13)测量的前述加速度值遵守用于使能测量飞行时间(Δt)的给定条件(Cen),则使能超声源(12T)的操作。

    权利要求书

    1.一种用于检测障碍的设备(10),所述设备由对象(18)可穿戴在脚(19)上,特别是集
    成在由所述对象(18)可穿戴的鞋类物品(30)中,所述设备(10)包括:
    至少一个超声源(12T),用于发射超声发射信号(UT);
    超声接收器(12T),用于接收由障碍(16)反射的相应超声信号(UR);
    控制???11),用于测量在所述超声发射信号(UT)的发射和由所述障碍(16)反射的所
    述相应超声信号(UR)的接收之间的飞行时间(Δt),并且基于所述飞行时间(Δt),计算所
    述障碍(16)所处的距离(d);
    所述设备的特征在于,其包括:
    惯性传感器(13),特别是加速度传感器,所述惯性传感器被设计成沿三个轴(x、y、z)测
    量所述脚(19)的加速度;以及
    控制???11),所述控制???11)被配置用于如果由所述惯性传感器(13)测量的所述
    加速度值遵守使能测量所述飞行时间(Δt)的给定条件(Cen),则使能所述超声源(12T)的
    操作。
    2.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述使能条件(Cen)识别在步行期间,所述
    脚(19)搁置在搁置表面(20)上的位置(22b)。
    3.根据权利要求1或2所述的设备,其特征在于,所述使能条件(Cen)设想不存在加速度
    (ax、ay、az)的变化,特别是纵向加速度(ax)和/或横向加速度(ay)为零或者常数,并且竖直
    加速度(az)为常数,特别地等于重力加速度。
    4.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其特征在于,所述设备包括限定测量链
    (10T、10R、10G)的部件(110、111、112、12T、12R、12A、113、114),所述测量链用于测量在所述
    超声发射信号(UT)的发射和由所述障碍(16)反射的所述相应超声信号(UR)的接收之间的
    所述飞行时间(Δt),并且基于所述飞行时间(Δt),计算所述障碍(16)所处的所述距离
    (d),所述测量链包括时间增益补偿部分(10G)。
    5.根据权利要求4所述的设备,其特征在于,所述时间增益补偿部分(10G)包括比较器
    (114),用于将所反射的所述超声信号(UR)的幅度与参考信号(Vc)进行比较。
    6.根据权利要求5所述的设备,其特征在于,所述参考信号(Vc)在所述控制???11)每
    次使能测量(Aint)之后随时间减小,特别地根据递减指数函数随时间减小,特别地根据所
    述超声发射信号(UT)的所述超声波在其中传播的介质的传播衰减(K)随时间减小。
    7.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其特征在于,所述惯性传感器(13)被配置
    用于验证所述使能条件(Cen)的发生并且将指示所述条件(Aint)的发生的信号,特别是中
    断,发送到所述控制???11),所述控制???11)被配置用于在接收到指示所述条件
    (Aint)的发生的所述信号时,使能所述超声源(12T)的操作。
    8.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其特征在于,所述设备包括报警指示器
    (15),特别是振动致动器,所述报警指示器(15)用于当所检测的所述障碍(16)的所述距离
    (d)落在给定的距离范围(DR)内时,生成报警信号(VP)。
    9.根据权利要求4-8中任一项所述的设备,其特征在于,所述报警信号(VP)根据所述障
    碍的所述距离(d)变化,特别地,所述报警信号(VP)是以与所检测的距离(d)成反比的方式
    增加其自身频率的脉冲列。
    10.根据前述权利要求中任一项所述的设备,其特征在于,所述设备被集成在鞋类物品
    (30)中,并且所述惯性传感器(13)被集成在所述鞋类物品(30)的鞋底(31)中。
    11.一种用于经由用于检测障碍的设备(10)来检测障碍的方法,所述设备(10)由对象
    (18)可穿戴在脚(19)上,特别是集成在由所述对象(18)可穿戴的鞋类物品(30)中,所述方
    法包括:
    发射(230)超声和接收(240)超声以检测障碍(16);
    测量(260)所述发射(230)和所述接收(240)之间的飞行时间(Δt);以及
    基于所述飞行时间(Δt),计算所述障碍(16)所处的距离(d);
    所述方法的特征在于:
    沿着三个轴(x、y、z)测量(220)所述脚(19)的加速度值(ax、ay、az);以及
    如果由所述惯性传感器(13)测量的所述加速度值(ax、ay、az)遵守给定的测量使能条
    件(Cen),则使能(225)所述超声源(12T)的操作。
    12.根据权利要求11所述的用于经由用于检测障碍的设备(10)来检测障碍的方法,包
    括:如果验证(280)所检测的所述距离(d)落在给定的距离范围(DR)内,则生成(290)报警信
    号(VP),特别是振动。
    13.一种能够加载到至少一个计算机的存储器中的计算机程序产品,所述计算机程序
    产品包括软件代码的部分,当所述程序在至少一个计算机上运行时,所述软件代码的部分
    能够执行根据权利要求11或权利要求12所述的方法的步骤。

    说明书

    脚穿式障碍检测设备以及对应的方法和计算机程序产品

    技术领域

    本说明书涉及一种用于检测障碍的设备,该设备可由对象穿戴在他或她的脚上,
    特别是集成在鞋类物品中,该设备包括:至少一个超声源,用于发射超声发射信号;超声接
    收器,用于接收由障碍反射的相应的超声信号;控制???,用于测量在超声发射信号的发射
    和由障碍反射的相应的超声信号的接收之间的飞行时间,并且基于所述飞行时间,计算所
    述障碍所处的距离。

    各种实施例可以应用于盲人或具有弱视力的人或在照明不良的条件下障碍的检
    测。

    背景技术

    现有技术中已知的是集成在鞋类物品中的可穿戴设备,其提供关于对象的脚附近
    的障碍的信息。这些设备通常由盲人或具有弱视力的人使用,并且可以采用各种检测技术
    来检测物体的距离。一种这样的检测技术采用由存在于鞋类物品上的超声源发射超声波,
    并且经由超声接收器接收可以被障碍反射的相应超声波。

    然而,上述已知设备的缺点在于,由于超声信号的发射方向所呈现的各种取向,在
    前进或行走期间精确测量与障碍的距离是有问题的,并且检测很可能引起错误信息。

    发明内容

    本文所描述的实施例的目的是改进根据如前所述的已知技术的设备的潜能。

    各种实施例由于具有在随后的权利要求中记载的特征的设备而实现上述目的。各
    种实施例还可以涉及用于检测障碍的方法,以及可以被加载到至少一个计算机(例如,网络
    中的终端)的存储器中并且包括软件代码的部分的计算机程序产品,当程序在至少一个计
    算机上运行时,软件代码能够执行该方法的步骤。如本文所使用的,上述计算机程序产品被
    理解为等同于计算机可读装置,该计算机可读装置包含用于控制计算机系统的指令以协调
    根据本发明的方法的执行。提及“至少一个计算机”意在突出以??榛问胶?或分布式形
    式实现本发明的可能性。权利要求形成本文关于本发明提供的技术教导的组成部分。

    各种实施例可以设想,设备包括:加速度传感器,设计成沿三个轴测量脚的加速
    度;以及控制???,被配置用于如果由加速度传感器测量的加速度值遵守给定条件,则使能
    超声源的操作。

    各种实施例可以设想上述条件识别脚在步行期间搁置在地面上的位置。在各种实
    施例中,该条件设想不存在加速度的变化。

    各种实施例可以设想,加速度传感器被配置用于验证上述条件并且将指示该条件
    的发生的信号(特别是中断)发送到前述控制???,该控制??楸慌渲糜糜谠诮邮罩甘咎跫?br />的发生的上述信号时,使能超声源的操作。

    各种实施例可以设想,该设备包括报警指示器(特别地是振动致动器),用于当在
    给定距离内检测到障碍时,生成警报信号,该警报信号特别地根据障碍的距离而变化。

    各种实施例可以设想,飞行时间测量链包括用于将所反射的超声信号的幅度与参
    考信号进行比较的比较器,该参考信号特别地随时间减小,特别地根据递减指数函数随时
    间减小。

    各种实施例可以设想该设备集成在鞋类物品中,并且上述加速度传感器集成在鞋
    类物品本身的鞋底中。

    各种实施例还可以涉及一种用于经由障碍检测设备来检测障碍的方法,该障碍检
    测设备可由对象穿戴在他或她的脚上,特别是集成在可由前述对象穿戴的鞋类物品中,该
    方法包括发射超声,并且接收用于检测障碍的超声并计算其距离,该方法的特征在于提供
    加速度传感器,该加速度传感器被设计成沿三个轴测量脚的加速度,并且如果由所述加速
    度传感器测量的所述加速度值遵守给定条件,则使能超声源的操作。

    附图说明

    现在将仅以示例的方式参照附图描述各种实施例,其中:

    -图1A和1B是用于障碍检测的脚穿式设备的一般实施例的示意图;

    -图2示出了用于障碍检测的脚穿式设备的框图;

    -图3示出了图2的设备的细节;

    -图4示出了用于检测由图2和图3的设备使用的障碍的方法的实施例的流程图;

    -图5和图6示出了由前面附图的设备和方法使用的信号的曲线图;以及

    -图7示出集成在鞋类物品中的图2和图3的设备。

    具体实施方式

    在随后的描述中,提供了许多具体细节以使能深入理解通过示例的方式提供的实
    施例。实施例可以在具有或不具有特定细节的情况下实现,或者与其他方法、部件、材料等
    一起实现。在其他情况下,未详细图示或描述公知的结构、材料或操作以使实施例的各方面
    不会被掩盖。在本说明书的过程中对“实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合该实施例
    描述的特定细节、结构或特征被包括在至少一个实施例中。因此,可能存在于本说明书的各
    个点中的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”的短语不一定指代同一个实施例。此外,
    特定细节、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何方便的方式组合。

    本文提供的符号和引用仅仅是为了方便读者,并不限定实施例的范围或含义。

    参考图1A和图1B所描述的是一种用于检测障碍的设备的一般原理,该设备由对象
    可穿戴在他或她的脚上,特别是集成在鞋类物品中。

    如图1A所图示的,对象18通过超声换能器???2在他或她的脚19上穿戴图中所示
    的障碍检测设备,超声换能器???2被设计成发射和接收超声信号。特别地,超声换能器模
    块12被设计成在发射时刻t0发射超声发射信号UT。超声发射信号UT在被障碍16反射的情况
    下,由超声换能器???2本身(特别是由包括在其中的接收器)在接收时刻t1接收。

    然后,由障碍检测设备计算在接收时刻t1和发射时刻t0之间的时间差,即,飞行时
    间。障碍16相对于脚19的距离d被计算为超声波的速度v(即,声速(大约334m/s))与飞行时
    间Δt的乘积:

    d=v*Δt

    障碍检测设备还包括惯性传感器(特别是加速度传感器13,在所讨论的示例中是
    三轴加速度计),惯性传感器被设计为分别沿标识笛卡尔参考系的三个正交轴x、y、z测量加
    速度值ax、ay、az。轴x和轴y位于与脚19的搁置表面20基本平行或重合的平面中。在优选实
    施例中,轴x(或轴y)可以平行于脚19的纵轴,而轴y(或轴x)可以平行于脚19的横轴。轴z是
    竖直轴,即垂直于脚19的搁置表面20。如下面更全面地讨论的,竖直轴z基本上与重力加速
    度的向量对齐。

    如上所述,在该示例中,上述传感器13是MEMS(微机电系统)加速度计,特别是由本
    申请人生产的MEMS加速度传感器LIS2DH,但是一般地,任何MEMS惯性传感器(例如,陀螺仪)
    可以执行该功能以识别测量的条件。

    上述加速度传感器13特别是通过如图2中更详细地表示的控制??榭刂瞥荒?br />器???2的操作,仅在加速度传感器13测量到用于加速度值ax、ay、az的特定使能条件发生
    时,才发出用于使能发射和接收超声波的命令。在优选实施例中,如图1B中所图示的,超声
    换能器???2仅在脚19静止在搁置表面20上的条件22B下被使能以进行操作。特别地,如果
    纵向加速度ax和横向加速度ay(即,在搁置表面20的平面中的加速度)基本上为零,并且垂
    直方向上的加速度az基本上等于重力加速度(大约9.8m/s2),则识别出脚静止在搁置表面
    上的这一条件。

    相反,当脚19处于一个搁置位置22B和另一个搁置位置之间的运动位置22A中时,
    检测到纵向加速度ax和横向加速度ay的非零值,并且还可能检测到不同于重力加速度的垂
    直加速度az的值。因此,加速度传感器13不使能对换能器???2的操作。设想验证加速度的
    变化是否为零的验证条件使能在倾斜表面上进行测量,例如,在对象在上坡时。

    图2中图示了图1的障碍检测设备10的框图。

    由11指定的是微控制器,优选地是基于ARM Cortex处理器的STM32系列的32位微
    控制器。该微控制器11被配置为通过其自身的信号输出之一发送激励信号TB(即,用于驱动
    换能器的电信号),激励信号TB通过超声换能器???2发射,特别地被发射到超声发射换能
    器???2T,超声发射换能器???2T将来自微控制器11的输出处的电信号TB转换成超声,
    并将超声发射信号UT发射到空间中。由12R指定的是包含在超声换能器???2中的超声接
    收换能器???,超声接收换能器??榻邮沼烧习?6反射的超声信号UR,并将它们以电信号
    (特别地是回声信号RB)的形式发送到微控制器11的信号输入。此外,加速度传感器13耦合
    到微控制器11。

    加速度传感器13根据所测量的加速度值ax、ay、az向微控制器11发出使能信号
    Aint,其使能换能器???2的操作,并且因此使能在下面更详细地描述的测量链10T、10R、
    10G的操作,该测量链测量飞行时间和用于障碍检测的距离。传感器13优选地被配置用于自
    主地验证加速度值是否遵守换能器???2的使能条件并且用于发射使能信号Aint,使能信
    号Aint基本上是微控制器11的中断。

    在该上下文中,脚静止的测量条件(通过示例的方式提供的条件)更具体地如下所
    述来识别。传感器13被编程用于生成中断信号Aint,该中断信号Aint具有给定的持续时间,
    该持续时间可以如下文更充分地描述的那样来设置(例如,0.16s),只要不存在沿三个轴x、
    y、z的加速度变化。例如,通过配置传感器13的信道(例如,所讨论的传感器LIS2DH的
    Interrupt1)获得该操作,以当沿三个轴x、y、z所测量的加速度ax、ay、az不呈现变化时(即,
    变化低于阈值,例如,小于80mg(0.785m/s2)),生成信号。在到达中断信道之前,传感器13中
    的加速度值ax、ay、az通过高通数字滤波器,使得在存在加速度的连续变化的情况下,总是
    存在到达传感器13的中断信道的数据。相反,当加速度稳定在任何值(例如,在水平位置稳
    定的但也倾斜的脚,其中加速度ax和/或ay不为零但是基本上是常数)时,高通滤波器通过
    将其自身的输出发送到零并且使其值降到低于导致中断信号Aint的触发的阈值(特别地,
    80mg)来去除直流(d.c.)值。因此,前面描述的水平搁置位置中的脚的条件(ax,ay=0g以及
    az=1g,即9.81m/s2,对应的加速度变化基本上为零)仅仅是对测量有效的可能条件之一。

    微控制器11还被配置为向加速度传感器13发送用于设置加速度计的参数Ast。特
    别地,在发送设置参数Ast的这个操作中,通过在特定寄存器中输入值来发送设备的配置参
    数。这些值对应于实现设备的给定功能的每个寄存器的比特的编码。作为示例,参考传感器
    LIS2DH:

    寄存器0x20:CTRL_REG1,加载值0x57,使能功能=数据速率100Hz,使能轴XYZ。这
    使能以给定的数据速率进行测量。

    寄存器0x21:CTRL_REG2,加载值0x81,使能功能=正常模式中的高通滤波器,使能
    高通滤波器用于Interrupt1上的AOI功能。该寄存器的设置确定数据的高通滤波,并且使得
    测量仅在不存在加速度变化的情况下开始。

    寄存器0x22:CTRL_REG3,加载值0x40,使能功能=INT1引脚上的AOI1中断。这在给
    定引脚上设置中断信号。

    寄存器0x23:CTRL_REG4,加载值0x00,使能功能=+/-2g的范围。这设置测量范围。

    寄存器0x24:CTRL_REG5,加载值0x00,使能功能=空。

    寄存器0x25:CTRL_REG6,加载值0x00,使能功能=中断高电平有效。

    寄存器0x30:INT1_CFG,加载值0x95,使能功能=中断事件、在Z低事件或方向识别
    上的使能中断生成、在X低事件或方向识别上的使能中断生成、在Y低事件或方向识别上的
    使能终端生成的组合。

    寄存器0x32:INT1_THS,加载值0x05,启用的功能=Interrupt1阈值80mg。这设置
    了阈值,低于该阈值,加速度的变化被认为是零。

    寄存器0x33:INT1_DURATION,加载值0x0F,使能功能=Interrupt1持续时间值
    0.16s。

    障碍检测设备10还包括报警指示器,报警指示器在该示例中由振动致动器14表
    示,振动致动器14由微控制器11发送报警信号来控制,在该示例中,报警信号由振动脉冲VP
    表示。当检测到障碍时,上述振动致动器14被激活,使得其向对象18提供触觉或振动反馈。

    障碍检测设备10还包括电池15,优选地为Li-PO(锂聚合物)类型的电池,其向微控
    制器11发送电源电压VDD。

    图3中所图示的是示出了障碍检测设备10的操作中涉及的微控制器11的??榈目?br />图。由110指定的是微控制器11的CPU。微控制器11的CPU 110通过发送激励信号TB,经由计
    时器???11和微控制器11的随后的GPIO(通用输入输出)接口112,来使能超声发射???br />12T的操作,超声发射???2T朝向障碍16发射对应的超声发射信号UT。计时器111、GPIO接
    口112和发射器12T识别障碍检测设备10的发射部分10T。对应于已被障碍16反射的给定超
    声发射信号UT的反射超声信号UR被超声接收换能器???2R收集,超声接收换能器???2R
    将其转换为电模拟信号,即,回声信号RB。接收器12R与AFE(模拟前端)电路12A(即,用于调
    节由超声接收换能器???2R提供的电模拟回声信号RB的电路)相关联,该电模拟回声信号
    RB然后被提供给微控制器11的模数转换器113的输入,其最终生成从接收的反射超声信号
    UR获得的回声信号RB的数字版本。接收换能器???2R、AFE电路12A和模数转换器113表示
    障碍检测设备10的接收部分10R。由模数转换器113生成的回声信号RB的上述数字版本被发
    送到数字比较???14的输入,在所讨论的微控制器11中,STM32由??锳WD表示。微控制器
    11中的该AWD??橥ü夭⒁宰芴逋该鞯姆绞奖冉匣厣藕臨B的数字值和由微控制器
    生成的参考信号Vc(也是数字的)来进行操作,回声信号RB的数字值从由模数转换器113接
    收并转换的反射超声信号UR获得,参考信号在数字比较???14的另一个输入上接收。参考
    信号Vc表示回声信号RB的比较阈值。如果比较的结果遵守给定条件,特别地如果回声信号
    RB的幅度大于参考信号Vc的值,则数字比较???14向微控制器11发出中断信号Vint。中断
    信号Vint的接收表示对于微控制器11的有效回声;即,其指示存在足够幅度的反射超声信
    号。上述数字比较???14以这种方式识别设备10的时间增益补偿部分10G。事实上,尽管数
    字比较???14不通过根据输入信号修改放大来进行增益补偿,然而,如将在下文更全面地
    描述的,作为根据传播衰减K随时间变化的比较阈值的参考信号Vc的使用表示一种形式的
    增益补偿。实际上应当认为,紧接在发射之后的增益原则上为零(比较器114的高阈值和回
    声信号RT的最大衰减),并且在接收结束时为最大(比较器114的低阈值和回声信号RT的最
    小衰减)。在该构思的框架中,如所描述的,随着参考信号Vc随时间变化,增益与1/Vc近似成
    比例。代表阈值的比较器114的参考信号Vc的值实际上以这样的方式计算,使得它们在介质
    中(即,在所讨论的情况下是在空气中)传播期间遵循超声波的衰减K。应当注意,如果传播
    介质不同(例如,水、或沙子或具有干扰超声波的高度的草),则改变衰减K的值就足够了,如
    果不是,计算表示阈值的参考信号Vc的上述值的公式,以使障碍检测设备10适应新的操作
    情况。在微控制器11中具有比较器114的优点在于,设备10可以适于仅仅修改软件代码(甚
    至可以从外部设置)的各种传播介质,而(诸如由放大器、电阻、电容器等分立部件组成的)
    硬件比较器将需要对电路修改,以适应于传播介质。

    在中断Vint之后,微控制器11在输出处将振动脉冲VP提供给振动致动器14。振动
    致动器14以这种方式识别设备10的用户反馈部分10F。

    此外,微控制器11经由其自身的其他端口通过信号交换与加速度传感器13通信,
    提供设置参数Ast并从加速度传感器13接收中断信号Aint,即,指示给定条件的发生、当加
    速度传感器13找到对应于脚19的给定位置(特别是稳定的搁置位置)的值时发出的信号。加
    速度传感器13以这种方式识别设备10的移动检测部分10S。

    优选地,假定使用高性能微处理器11(如上述STM32),设想禁用未使用的微处理器
    11的外围设备,并且可以降低微处理器11的内核的时钟频率,以减少能量消耗并增加设备
    10的自主性。

    图4中图示了可以由上面已描述的障碍检测设备10实现的用于障碍检测的方法
    200的一个实施例。

    在该上下文中,该方法由附图标记205指定的步骤中开始,而附图标记210指定由
    数字比较???14用作比较阈值的参考信号Vc的计算的操作。该阈值被计算为电源电压VDD
    和递减指数函数的乘积;因此参考信号Vc是由以下关系式给出的电压:

    Vc=VDDe-t/K

    其中如上所述,K是通常用于空气的传播衰减的系数,t是时间。因此,在每次由控
    制??槭鼓懿饬恐?,参考信号Vc从电源电压VDD的值开始并随时间t以指数方式减小。

    以给定的时间间隔(例如,每100μs)计算参考信号或电压Vc的值。在不使微控制器
    11过载的情况下,给计时间间隔的该值被优化以获得最高精确度。一般地,向量被填充有在
    给计时间间隔计算的参考信号Vc的值;例如,向量包含100个值。

    一旦已计算了参考信号Vc的值,在随后的步骤210中,通过将GPIO接口112和模数
    转换器113的设置参数Ast传递给传感器13来执行传感器13的设置操作。设置参数Ast已经
    在前面描述;在任何情况下,传感器13(例如,借助串行外围接口(SPI))被设置。GPIO接口
    112(特别是端口GPIOA和GPIOC)以这种方式被配置使得这些端口的IN/OUT引脚执行特定功
    能:

    GPIOA PIN2=模拟输入,ADC输入;

    GPIOA PIN3=数字输出,其驱动警告???;

    GPIOC PINO和PIN1=数字输出,超声发射器的控制信号。

    微处理器的模数转换器113(特别是STM32的ADC1的信道12)例如以以下方式被配
    置:连续转换,12比特分辨率。

    然后,在步骤220中,通过加速度传感器13获取沿着三个方向或轴x、y、z的加速度
    值ax、ay、az,并且在步骤225中验证这些加速度值ax、ay、az是否遵守给定的测量使能条件
    Cen。特别地,该给定的使能条件Cen包括这样的事实:纵向加速度ax和横向加速度ay的变化
    或者在任何情况下平行于搁置表面20的加速度的变化为零(在脚在平面中的情况下,加速
    度值基本上为零,而如果搁置表面倾斜,则它们可以是常数,但是不为零),并且垂直加速度
    az的变化为零,但是其值基本上等于重力加速度,即1g。如已描述的,这些是标称条件,而经
    常地,经由高通滤波器的使用,实际上遵守不存在加速度(例如,小于80g)的阈值。前述的测
    量使能条件Cen优选地对应于脚19的鞋底或换能器???2所在的鞋底区域搁置在搁置表面
    20上并且基本上平行于搁置表面20的位置,如前所述,搁置表面20甚至可以是倾斜的表面。

    如下面更详细地描述的,传感器???3优选地定位在前脚处;然而,基于不存在加
    速度变化的使能条件Cen对于传感器13相对于脚的鞋底的定位不是非常敏感。

    如果在步骤225中,用于加速度ax、ay、az的使能条件Cen的发生被验证,则在步骤
    230中,开始超声信号UT的发射。特别地,八个36kHz脉冲的突发被发出作为激励信号RB(如
    图5A所示),这也启动了计时器111以用于测量飞行时间Δt。

    接下来,在步骤240中,障碍检测设备10等待由接收???2R检测到的反射超声信
    号UR的可能到达,并将反射超声信号UR作为数字回声信号RB呈现在模数转换器113的输出
    上。

    在步骤250中,由比较器114将该回声信号RB的幅度与参考信号Vc的幅度进行比
    较。如果回声信号RB的幅度小于参考信号Vc的幅度,则控制返回到步骤240,等待新的回声
    信号RB。相反,如图4所示,如果回声信号RB的幅度大于参考信号Vc的幅度,则在步骤260中,
    微控制器11停止计时器111,从而执行对应于给定回声信号RB的飞行时间Δt的测量。

    然后,在步骤270中,微控制器11计算作为飞行时间Δt和声速v的乘积的障碍16的
    距离d。该乘积被减半以考虑由障碍反射的波UR的往复行程。

    然后,在步骤280中,进行检查以验证距离d的值是否落入距离值DR的给定范围(特
    别地,例如包括在30mm和1000mm之间的范围DR)内。如果不是,则控制返回到通过加速度传
    感器13获取沿三个方向或轴x、y、z的加速度值ax、ay、az的步骤220,一般以便识别由用户进
    行的新步骤以及脚19到达新的搁置位置。

    相反,如果距离d落在距离值DR的给定范围内,则微控制器11在步骤290中通过以
    与所测量的距离d的值成比例地计算的频率发送振动脉冲VP来控制致动器14。然后,在任何
    情况下,控制返回到步骤220以识别由用户进行的新步骤并且可以计算现在可能更短的距
    离d;在步骤290中,该距离d将确定振动脉冲VP的较高频率,从而向用户18指示他或她正接
    近障碍16。因此,特别地,微控制器11生成脉冲列作为报警信号,该脉冲列以与检测的距离d
    成反比的方式增加其自身的频率。

    图5中所表示的是激励信号TB的时间图、计时器111的信号的时间图和回声信号RB
    的时间图。如可以看到的,在计时器111的激励信号RB生成时,计时器111由微控制器11激
    活,使得相应的信号从高电平转变为低电平以指示脉冲计数的激活。特别地,考虑到可能的
    预分频器或分频因子,从前述计时器111启动,计时器111增加设备的时钟周期。当计时器
    111停止时,其使计数在适当的寄存器中可用。利用时钟速率以及因此的周期和可能的预分
    频器设置的知识,计算飞行时间Δt。在接收到回声信号RB时,当该激励信号RB的幅度超过
    对应于参考信号Vc的电压的给定值时,微控制器11停止计时器111,使得相应的信号变为高
    电平,因此停止计数并利用所计数的低电平处的周期的长度来识别飞行时间Δt。

    在图5中,时基为100μs/分频,因此飞行时间Δt为748μs,对应于250mm的距离d。

    如前所述,比较器???14的参考信号Vc或参考阈值电压优选地为随时间减小的
    指数函数乘以电源电压VDD。图6中所出现的是前述参考信号Vc以及回声信号RB。衰减系数K
    确定参考阈值电压Vc的值的指数减小的速度。使用值随时间指数下降的参考信号Vc防止了
    由于发射器12T和接收器12T的接近而导致的或者由于在先前步骤期间发送的超声信号的
    多个回声在正确的超声信号UR之前到达???2R所导致的任何可能的杂散信号(在图6中由
    FUR指定)。实际上,如在图6中可以看到的,参考信号Vc最初具有非常高的值,然后渐近地趋
    近于添加到其的偏移值。该偏移值优选地根据由AFE电路12A生成的电压的变化范围来设
    置。当然,在各种实施例中,还可以使用确定常数值参考阈值的参考信号Vc。

    因此,紧接在发射之后,在比较器上设置的阈值Vc尽可能高,并且任何可能的反射
    或串扰不具有足以引起比较器114的切换的幅度。来自附近的并且设置在用户前方的障碍
    的回声以相当的置信水平具有足以引起比较器114的切换的幅度。反射在接收器12R的方向
    上所发射的超声的侧面障碍几乎不能生成幅度足以引起比较器114的切换的回声。在发射
    之后,以给定速率(例如,每100μs),利用指数减小的计算值来更新比较器114的参考信号Vc
    的值,以考虑反射的信号经历与超声波覆盖的路径成比例的衰减的事实。

    利用类似于图5和图6所示的信号,在距离DR的变化范围为大约1m并且所检测的最
    小距离为30mm的情况下,可以获得大约1cm的空间分辨率。

    设备10在任何情况下呈现所包含的功耗水平,例如,功耗范围在最小30mA(在无障
    碍的情况下连续发射超声)和最大70mA(当另外通过振动致动器14发送反馈时)之间。

    图7中所图示的是障碍检测设备10在鞋类物品30中的实施方式。超声换能器???br />12包括相邻的发射???2T和接收???2R,位于鞋类物品30的鞋帮31的尖端31a的顶部部
    分,以在相对于搁置表面20的高度h处沿对象18的前进方向25发送超声发射信号UT,以便不
    检测小尺寸的障碍(例如,直径小于超声换能器???2相对于搁置表面20的高度的小石
    头)。显然,在各种实施例中,根据不同的检测和设计要求,超声换能器???2可以定位在鞋
    帮的不同点中和不同高度处。

    鞋类物品30包括鞋底32,其中布置有障碍检测设备10的其余???。特别地,加速度
    传感器13设置在鞋底32中,在与超声换能器???2的位置竖直地对应的位置中。鞋底32还
    容纳微处理器11,微处理器11与为其供电的电池15相关联,电池也位于鞋底32中。此外,振
    动致动器14优选地位于鞋底32中,在所图示的示例中,振动致动器14位于与鞋底32的鞋跟
    部分32a对应的位置中,使得鞋底32可以集成除了超声换能器???2之外的设备10的所有
    ???。

    在各种实施例中,鞋底32可以例如在其位于鞋类物品30的尖端31a下方的前部中
    也集成前述超声换能器???2。

    在各种实施例中,振动致动器14可以被设置在鞋类物品30的鞋帮或其他部分中。
    在各种实施例中,设备10的???1、12、13、14和15中的每一个可以被设置在鞋底32中或在
    鞋帮31中,或者在适合于特定??榈墓δ艿娜魏蔚胤降男辔锲?0的一些其他部分中。

    因此,从描述中清楚地浮现了所描述的解决方案的优点。

    所描述的障碍检测设备和相应的方法使能在穿戴者前进时精确测量与障碍的距
    离,而不受超声信号的发射方向所假定的不同定向的影响,只要仅在针对飞行时间测量的
    可靠性的一个给定条件下进行测量,特别是在步行期间脚搁置在地面上时进行测量。

    此外,本文描述的障碍检测设备和相应的方法使得能够通过报警信号(优选地,振
    动信号或触觉信号,特别地是取决于用户和障碍的距离的信号)向用户提供反馈。这对于盲
    人或弱视力的人的使用是特别有利的。

    此外,所描述的障碍检测设备和相应的方法使用专用电子设备用于进行测量,这
    排除例如由于杂散信号引起的误报的可能性。特别地,由于比较器的可变阈值,可以通过搁
    置表面或通过超声发射器和超声接收器之间的横向障碍或任何可能的串扰来区分所发射
    的超声的可能反射。

    当然,在不偏离本发明的原理的情况下,在不脱离?;し段У那榭鱿?,细节和实施
    例可以相对于在本文中纯粹以示例的方式描述的内容而变化,甚至显著地变化。该?;し?br />围由所附权利要求限定。

    在变形实施例中,代替用于发射部分10T的微控制器11的GPIO接口112,可以使用
    适于驱动超声换能器???2的外部驱动设备来获得更高的功率并增加障碍检测设备的范
    围。

    在变形实施例中,换能器???2可以使用单个换能器,其在发射功能和接收功能
    之间切换,以呈现更多所包含的尺寸并提高集成度。

    在变形实施例中,利用脚的位置的检测,使能条件可以设想代替固定值,执行连续
    读取沿三个轴的加速度值,并且经由从三个轴上的加速度值的时间的演变开始的处理,识
    别对应于搁置在地面上的脚的时间区域,或者在任何情况下,对应于飞行时间的可靠的测
    量条件的时间区域。在变形实施例中,本文所描述的解决方案还可以延伸到用户正在跑步
    的情况,其中可以识别出使用惯性传感器(特别是加速度计)进行测量的稳定性区域。

    在各种实施例中,电池可以被替换或伴随有设置在鞋类物品中或具体地设置在鞋
    底中的能量收集系统,用于从脚的运动中恢复能量。

    设备的部件可以被布置在印刷电路板(PCB)(特别是柔性PCB)上,以提高鞋类物品
    中的集成度。

    在各种实施例中,微控制器可以接收由加速度传感器测量的值而不是中断信号,
    并且自主地验证这些值是否遵守使能条件。

    在各种实施例中,障碍检测设备可以通过提供用于设备的??榈闹С沤峁苟淮?br />戴在脚上,而不是集成在特定的鞋类物品中,该支撑结构可以直接应用在脚上或者袜子上。

    总而言之,如所描述的和所要求?;さ?,所要求?;さ纳璞缚梢杂胧视谥С偶觳?br />设备本身的元件的任何支撑结构相关联,以保持其功能。

    关于本文
    本文标题:脚穿式障碍检测设备以及对应的方法和计算机程序产品.pdf
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