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用於環境空間感知與導航的全向聲場干擾生成、反射分析與熱管理穿戴式系統

December 7, 2025

防禦性技術揭露書 (Defensive Technical Disclosure)

標題： 用於環境空間感知與導航的全向聲場干擾生成、反射分析與熱管理穿戴式系統
Title: Wearable Omnidirectional Acoustic Field Interference Generation, Reflection Analysis, and Thermal Management System for Environmental Spatial Awareness and Navigation

發布日期： 2025年12月7日
發明人/構想人： 韓博鈞 (Bo-Jun Han)
聯絡方式： seiferthan999@gmail.com
技術領域： 穿戴式電子設備、聲學工程、輔助科技 (Assistive Technology)、信號處理、熱管理系統

1. 法律聲明與公開目的 (Legal Notice & Purpose)

本文件之目的在於公開「SilentEyes」技術構想及其具體實施方式，以建立先前技術（Prior Art）。根據 35 U.S.C. § 102 及全球相關專利法規，本文件所揭露之技術內容進入公有領域（Public Domain），旨在防止任何第三方針對本揭露書涵蓋之技術特徵、邏輯算法或機械結構申請專利。本發明人保留對本技術之著作權與原創性主張，並授權公眾於非商業用途下研究與實施。

2. 摘要 (Abstract)

本揭露描述了一種穿戴式環境感知系統，旨在為視覺障礙者提供360度全向空間探測能力，同時解決小型穿戴裝置在24小時連續運作下的熱管理難題。該系統包含分佈式的主動聲場生成單元（如無刷直流馬達陣列），配置於使用者周身（如腰帶），用於產生受控的氣流擾動或高頻聲波干擾場。系統利用中心化或分佈式的聲學感測單元（如MEMS麥克風陣列）偵測環境物體對上述聲場的反射、繞射或擾動信號。

關鍵技術特徵包括：(1) 聲學-機械解耦結構，利用導波管將水平放置的致動器聲波轉向輸出，以符合腰帶厚度限制；(2) 分時多工（TDM）驅動邏輯，透過輪替啟動聲源降低75%的熱累積；(3) 動態熱回授控制，確保裝置表面溫度維持在人體舒適範圍（<37°C）。

3. 背景技術 (Background)

現有的盲人導航輔助裝置通常依賴單向超音波發射器或雷達（LiDAR/ToF）。這些裝置存在視野狹窄（FOV限制）、硬體成本高昂以及需手持操作等缺點。此外，主動式雷達系統在高負載下往往面臨功耗過高與發熱問題，難以滿足24小時連續穿戴的需求。既有技術未能提供一種低成本（< USD 70）、低功耗、且具備非接觸式全向感知能力的解決方案。

4. 詳細說明 (Detailed Description)

4.1 系統硬體架構 (System Hardware Architecture)

本系統主要由以下子系統構成：

  1. 聲場生成子系統 (Acoustic Field Generation Subsystem)：
    • 包含複數個（例如四個，分別對應前、後、左、右）微型致動器。在一實施例中，致動器為高速無刷直流馬達（BLDC）。
    • 致動器配置為產生高於人耳聽覺閾值（>18kHz）的氣動聲波，或產生受控的近場氣流擾動。
  2. 聲學感測子系統 (Acoustic Sensing Subsystem)：
    • 包含環狀配置的MEMS麥克風陣列（Microphone Array），具備全向收音能力。
    • 麥克風配置有防風噪濾網，並與致動器進行機械隔振（Damping）。
  3. 處理與控制單元 (Processing and Control Unit)：
    • 包含微控制器（MCU）或數位訊號處理器（DSP），負責馬達驅動（PWM控制）與音頻信號分析。
    • 集成 NTC 熱敏電阻網路，實時監控各馬達節點溫度。

4.2 機械封裝與聲學隔離結構 (Mechanical Packaging & Acoustic Isolation)

為滿足穿戴式裝置的尺寸限制（垂直高度 $H < 40mm$，厚度 $T < 15mm$）並防止自激干擾，本系統採用以下結構：

  • 側向發聲導波結構 (Side-Firing Waveguide)：
    馬達軸心平行於腰帶長軸（水平放置）。馬達前方連接一「L型亥姆霍茲共振腔」或指數型號角，將聲波轉折 90 度導向外部。導波管經過調諧以放大特定載波頻率（如 18kHz-22kHz）。
  • 雙重懸浮隔振 (Dual-Suspension Isolation)：
    • 第一級：馬達包覆於邵氏硬度 30-50 的矽膠套中。
    • 第二級：麥克風陣列安裝於獨立懸浮的子板上，阻斷固體傳導聲。
  • 熱流管理路徑：
    馬達產生的熱量通過導熱膠傳導至裝置外側的金屬裝飾條（散熱器）。裝置內側（接觸人體面）設有氣凝膠（Aerogel）或空氣隔熱層，確保熱量向外輻射。

4.3 韌體控制邏輯與熱管理演算法 (Firmware Logic & Thermal Management)

本節揭露具體的控制演算法，以實現 24 小時連續運作不超過 37°C 的目標。

核心邏輯：分時多工與熱補償 (TDM & Thermal Throttling)
系統不持續同時驅動所有馬達，而是採用輪詢（Polling）機制，並結合隨機頻率抖動（Jitter）以增強信號辨識度。

以下為該邏輯的 C 語言偽代碼實作範例：

// 定義系統常數
#define MAX_MOTORS 4
#define MAX_SKIN_TEMP_CELSIUS 37.0f // 人體舒適閾值
#define CRITICAL_TEMP_THRESHOLD 45.0f // 硬體保護閾值
#define BASE_PWM_DUTY 180 // 基礎轉速
#define TDM_SLOT_DURATION_MS 250 // 分時多工掃描窗口

typedef struct {
uint8_t id;
float current_temp; // NTC 讀數
uint8_t active_duty; // 實際輸出 PWM
} MotorState;

MotorState motors[MAX_MOTORS];
uint8_t current_active_motor_idx = 0;

// 函數：熱補償計算
uint8_t calculate_safe_duty_cycle(uint8_t target_pwm, float temp) {
if (temp >= CRITICAL_TEMP_THRESHOLD) return 0; // 強制關斷

// 接近體溫時線性降低功率
if (temp > 35.0f) {
float throttle = 1.0f - ((temp - 35.0f) / (MAX_SKIN_TEMP_CELSIUS - 35.0f));
if (throttle < 0.1f) throttle = 0.1f;
return (uint8_t)(target_pwm * throttle);
}
return target_pwm;
}

// 函數：頻率抖動 (防止駐波與特徵化聲源)
uint8_t apply_frequency_jitter(uint8_t base_pwm) {
int8_t jitter = (rand() % 11) - 5;
return (uint8_t)(base_pwm + jitter);
}

// 主掃描邏輯
void update_motor_sequence(uint32_t system_tick_ms) {
// 1. 切換時隙 (Time Slot)
if (system_tick_ms % TDM_SLOT_DURATION_MS == 0) {
current_active_motor_idx = (current_active_motor_idx + 1) % MAX_MOTORS;
}

for (int i = 0; i < MAX_MOTORS; i++) {
motors[i].current_temp = read_ntc_sensor(i);
uint8_t target = 0;

// 僅驅動當前時隙的馬達，其餘休眠散熱
if (i == current_active_motor_idx) {
target = apply_frequency_jitter(BASE_PWM_DUTY);
}

// 應用熱限制
motors[i].active_duty = calculate_safe_duty_cycle(target, motors[i].current_temp);
set_hardware_pwm(motors[i].id, motors[i].active_duty);
}
}

4.4 信號處理邏輯 (Signal Processing Logic)

為了從噪聲中提取障礙物資訊，處理單元執行以下步驟：

  1. 自適應濾波 (Adaptive Filtering)：利用 update_motor_sequence 函數提供的當前主動馬達索引，載入對應的背景噪聲模型並相減。
  2. 特徵提取：分析反射信號的振幅變化與頻率偏移（Doppler Shift）。
  3. 回饋映射：將計算出的距離向量映射至腰部觸覺回饋陣列（LRA Motors）。

5. 列舉的實施例 (Enumerated Example Embodiments)

為了最大化防禦範圍，本技術揭露涵蓋以下實施態樣：

  1. 基本系統：一種穿戴式環境探測系統，包含複數個聲場生成單元、至少一聲學感測單元、以及一處理單元，用於產生全向聲場並分析反射信號。
  2. 馬達類型：如實施例 1，其中聲場生成單元為無刷直流（BLDC）馬達，配置為產生超音波頻段（>18kHz）或次聲波氣流擾動。
  3. 驅動方法：如實施例 1，其中處理單元採用分時多工（Time-Division Multiplexing）方式輪替驅動馬達，以降低平均功耗。
  4. 熱管理：如實施例 1，包含一主動熱管理機制，當偵測到溫度接近攝氏 37 度時，自動降低驅動功率或強制馬達進入滑行模式。
  5. 機械結構：如實施例 1，其中馬達呈水平放置，並透過一 L 型導波管（Waveguide）將聲能轉向垂直於使用者身體方向輸出。
  6. 隔振設計：如實施例 1，其中麥克風單元安裝於獨立懸浮的電路板上，與馬達外殼物理隔離。
  7. 變體擴充：如實施例 1，其中聲源可替換為壓電陶瓷致動器（Piezoelectric Actuators）或流體放大器噴嘴（Fluidic Amplifier Nozzles）。
  8. 成本優化：一種製造方法，使用通用非雷達元件（馬達與麥克風）構建盲人導航系統，使物料清單（BOM）成本低於 70 美元。
  9. 回饋機制：如實施例 1，感官回饋包含配置於腰部的線性諧振致動器（LRA）陣列，震動強度與障礙物距離成反比。
  10. 軟體特徵：一種控制方法，包含在馬達驅動信號中加入隨機頻率抖動（Jitter），以區分自我聲源與環境噪聲。

6. 圖式說明 (Brief Description of Drawings)

  • 圖 1：系統方塊圖，顯示馬達陣列、麥克風陣列、MCU、熱感測器與觸覺回饋介面的連接關係。
  • 圖 2：分時多工（TDM）時序圖，說明四顆馬達如何在不同時間窗口內輪替工作以分散熱點。
  • 圖 3：機械截面圖，詳細描繪「水平馬達+L型導波管」的配置，以及「雙重懸浮」隔振結構。
  • 圖 4：熱管理邏輯流程圖，對應於上述 C 語言偽代碼的控制策略。

結語
本技術揭露書完整描述了「SilentEyes」系統的架構、邏輯與實施細節。藉由公開此文件，發明人旨在促進盲人輔助科技的發展，並確保此低成本導航方案之核心技術保持開放，供大眾研究與改進。