CN103439980B - 一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统 - Google Patents

Abstract

一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，涉及一种激光定位系统，包括运动导轨（1）、移动设备（2）、激光发射和接收模块（3）、定位光栅条（4）。所述的运动导轨（1）用于提供移动设备的运动约束和运动轨迹；所述的移动设备（2）底部安装在运动导轨上并沿运动导轨左右移动；所述的激光发射和接收模块（3）固定在移动设备（2）上，用于发射激光和接收反射激光信号；所述的定位光栅条（4）安装在放置待定位物体的固定物架（5）上，用于提供不同强度和形式的反射激光信号。本发明的定位误差小于2mm，具有较高的定位精度和可靠性，其制造成本低，尤其适用于轨道移动设备的精确定位。

Description

一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统

技术领域

本发明涉及一种激光定位系统，尤其涉及一种基于激光全反射和漫反射原理的用于轨道移动设备的激光光栅精确定位系统。

背景技术

随着科学技术和社会的发展，大量智能移动设备不断涌现，如智能仓储系统、智能图书馆系统和图书ATM机系统等。在这些系统中，机械手、机械臂以及堆垛机等的精确定位技术至关重要，而现有的定位技术中大都采用激光测距、运动轨迹计算和条码扫描等方法。这些现有技术存在价格较高、定位精度和可靠性较差的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，以解决现有技术存在的上述价格较高、定位精度和可靠性较差的不足之处。

解决上述技术问题的技术方案是：一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，包括运动导轨、移动设备、激光发射和接收模块、定位光栅条，所述的运动导轨用于提供移动设备的运动约束和运动轨迹；所述的移动设备底部安装在运动导轨上并沿运动导轨左右移动；所述的激光发射和接收模块固定在移动设备上，用于发射激光和接收反射激光信号；所述的定位光栅条安装在放置待定位物体的固定物架上，用于提供不同强度和形式的反射激光信号。

本发明的进一步技术方案是：所述的定位光栅条由区域Ⅰ和区域Ⅱ交替排列而成；所述的区域Ⅰ为不吸收光的漫反射区域，该区域Ⅰ上涂覆有具有反光性能的漫反射材料，以便保证在该区域Ⅰ具有足够的激光反射强度，使每个激光接收管都能接收到足够强度的反射信号；所述的区域Ⅱ用于提供移动设备精确定位的标识，该区域Ⅱ为全反射区域或吸收光的漫反射区域，所述的全反射区域具有较好的光学平整度，当激光入射在该区域Ⅱ上时具有良好的光学全反射性能，使其产生的一束主反射光束不能使离散分布的多个激光接收管同时有信号输出；所述的吸收光的漫反射区域涂覆较好吸光性能的漫反射材料，以便保证当激光入射在该区域上时，激光的强度被大量吸收，少量的漫反射激光不足以使每个激光接收管均有信号输出。

本发明的再进一步技术方案是：所述的区域Ⅰ上涂覆的漫反射材料为白色哑光涂料；所述的区域Ⅱ涂覆的漫反射材料为黑色哑光涂料。

本发明的再进一步技术方案是：所述的激光发射和接收模块包括电源模块、调频模块、调压模块、控制模块、激光发射模块、激光接收模块、逻辑判断模块、信号放大模块、信号输出模块，所述的电源模块用于为各模块提供电源；所述的调频模块、调压模块、控制模块、激光发射模块依次连接，所述的激光接收模块、逻辑判断模块、信号放大模块、信号输出模块依次连接，所述的激光发射模块经过调频模块、调压模块和控制模块作用后，发射一定频率的激光光束，并随移动设备扫描定位光栅条，激光接收模块将定位光栅条的反射光转换为相应的电平信号，再经逻辑判断模块、信号放大模块处理后通过信号输出模块输出给控制系统进行计数定位，以便由控制系统控制电机对移动设备进行精确定位。

本发明的再进一步技术方案是：所述的激光发射模块包括至少一个激光发射管。

所述的激光接收模块包括至少两个激光接收管，当激光光束入射在定位光栅条的区域Ⅰ上时，激光接收模块的每个激光接收管能同时接收到一定强度的漫反射激光信号，使每个激光接收管同时有输出信号；当激光束射在定位光栅条的区域Ⅱ上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号，或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号。

所述的调频模块用于调制激光光束的频率，使其在激光接收模块的接收频率范围内，以减少外界光源的干扰；所述的调压模块用于调整激光发射管的工作电压和电流，以调节激光发射管的光束强度；

所述的逻辑判断模块用于将获取的接收管信号进行逻辑判断，当每个激光接收管同时接收到定位光栅条上区域Ⅰ的漫反射激光信号时，逻辑模块输出为高电平，当至少有一个激光接收管接收不到定位光栅条上区域Ⅱ的全反射激光信号，或每个激光接收管都接收到不足以使其有输出信号的漫反射激光信号时，逻辑模块输出为低电平；所述的信号放大模块对逻辑判断模块输出的电平进行信号放大处理，信号输出模块输出最终信号，以便使控制系统根据高低电平的变化进行定位计算。

所述的激光发射模块至少有两个激光发射管，其中一个为正常工作状态的激光发射管Ⅰ，另一个为备用状态的激光发射管Ⅱ；所述的激光发射和接收模块还包括有控制模块，该控制模块用于控制激光发射管Ⅰ和激光发射管Ⅱ的开断，当激光发射管Ⅰ出现故障时，激光发射管Ⅱ自动投入工作，以便提高可靠性。

所述的激光接收模块中的激光接收管离散布置在激光发射管的周围。

由于采用上述结构，本发明之一种基于轨道移动设备的激光光栅定位系统与现有技术相比，具有以下有益效果：

1．定位精度高：

由于本发明包括运动导轨、移动设备、激光发射和接收模块、定位光栅条，工作时移动设备沿着导轨运动，移动设备带着激光发射和接收模块一起运动，激光发射和接收模块向定位光栅条发射激光，发射的激光照射在定位光栅条的区域Ⅰ上时，光束经漫反射返回被激光发射和接收模块的接收模块接收，当发射的激光照射在定位光栅条的区域Ⅱ上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号时，计数一次；移动设备带着激光发射和接收模块一起继续向前运动，当下一次的激光照射在定位光栅条的区域Ⅱ上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号时，又计数一次，以此类推，移动设备继续向前运动，控制系统将继续计数，当计数到目标数时也就到了目标位置，从而实现移动设备的精确定位功能。因此，本发明采用了激光全反射和漫反射原理进行闭环精确定位控制，能使移动设备的定位误差小于2mm，其定位精度非常高。

2．可靠性高：

由于本发明包括运动导轨、移动设备、激光发射和接收模块、定位光栅条，采用了激光全反射和漫反射原理进行闭环精确定位控制，避免了激光测距、运动轨迹计算和条码扫描等定位技术所产生的误差，其可靠性较高。

3．制造成本低：

本发明包括的器件均比较简单，无需复杂的元件，其制造成本较低。

4．易于推广使用：

与现有技术相比，本发明无论在制造成本、定位精度还是可靠性方面都有较大优势，易于推广使用，尤其适用于轨道移动设备的精确定位。

下面，结合附图和实施例对本发明之一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本发明之一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统的结构示意图，

图2：实施例一所述定位光栅条的结构示意图，

图3：实施例一所述激光发射和接收模块的结构原理框图，

图4：实施例一所述两个激光发射管、多个激光接收管的布局示意图。

上述附图中，各标号如下：

1-运动导轨，2-移动设备，3-激光发射和接收模块，

3.1-电源模块，3.2-调频模块，3.3-调压模块，3.4-控制模块

3.5-激光发射模块，3.51-激光发射管Ⅰ，3.52-激光发射管Ⅱ，

3.6-激光接收模块，3.61-激光接收管，

3.7-逻辑判断模块，3.8-信号放大模块，3.9-信号输出模块，

4-定位光栅条，4.1-区域Ⅰ，4.2-区域Ⅱ，

5-固定物架。

具体实施方式

实施例一：

一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，包括运动导轨1、移动设备2、激光发射和接收模块3、定位光栅条4（参见图1），所述的运动导轨1用于提供移动设备的运动约束和运动轨迹；所述的移动设备2底部安装在运动导轨上并沿运动导轨左右移动；所述的激光发射和接收模块3固定在移动设备2上，用于发射激光和接收反射激光信号；所述的定位光栅条4安装在放置待定位物体的固定物架5（如货架、书柜和药品柜等）上，用于提供不同强度和形式的反射激光信号。

所述的定位光栅条4由区域Ⅰ4.1和区域Ⅱ4.2交替排列而成（参见图2）；所述的区域Ⅰ4.1为不吸收光的漫反射区域，该区域Ⅰ4.1上涂覆有具有反光性能的漫反射材料，该漫反射材料为白色哑光涂料，以便保证在该区域Ⅰ4.1具有足够的激光反射强度，使每个激光接收管都能接收到足够强度的反射信号；所述的区域Ⅱ4.2是用于提供移动设备精确定位的标识，该区域Ⅱ4.2为全反射区域或吸收光的漫反射区域，所述的全反射区域是具有较好的光学平整度，当激光入射在该区域Ⅱ上时具有良好的光学全反射性能，使其产生的一束主反射光束不能使离散分布的多个激光接收管同时有信号输出；所述的吸收光的漫反射区域是涂覆有具有较好吸光性能的漫反射材料，该漫反射材料为黑色哑光涂料，以便保证当激光入射在该区域上时，激光的强度被大量吸收，少量的漫反射激光不足以使每个激光接收管均有信号输出。

所述的激光发射和接收模块3包括电源模块3.1、调频模块3.2、调压模块3.3、控制模块3.4、激光发射模块3.5、激光接收模块3.6、逻辑判断模块3.7、信号放大模块3.8、信号输出模块3.9（参见图3）。

所述的电源模块3.1用于为各模块提供电源；所述的调频模块3.2、调压模块3.3、控制模块3.4、激光发射模块3.5依次连接，所述的激光接收模块3.6、逻辑判断模块3.7、信号放大模块3.8、信号输出模块3.9依次连接，所述的激光发射模块3.5经过调频模块3.2、调压模块3.3以及控制模块3.4作用后，发射一定频率的激光光束，并随移动设备2扫描定位光栅条4，激光接收模块3.6将定位光栅条4的反射光转换为相应的电平信号，再经逻辑判断模块3.7、信号放大模块3.8处理后通过信号输出模块3.9输出给公知的控制系统进行计数定位，以便由控制系统控制电机对移动设备进行精确定位。

上述的激光发射模块3.5包括两个激光发射管，其中一个为正常工作状态的激光发射管Ⅰ3.51，另一个为备用状态的激光发射管Ⅱ3.52。

上述的激光接收模块3.6包括多个激光接收管3.61，该多个激光接收管3.61离散布置在激光发射管的周围（参见图4）。当激光光束入射在定位光栅条4的区域Ⅰ4.1上时，激光接收模块的每个激光接收管能同时接收到一定强度的漫反射激光信号，使每个激光接收管同时有输出信号；当激光束射在定位光栅条4的区域Ⅱ4.2上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号，或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号。

上述的调频模块3.2用于调制激光光束的频率，使其在激光接收模块的接收频率范围内，以减少外界光源的干扰。

上述的调压模块3.3用于调整激光发射管的工作电压和电流，以调节激光发射管的光束强度。

上述的控制模块3.4用于控制激光发射管Ⅰ3.51和激光发射管Ⅱ3.52的开断，当激光发射管Ⅰ3.51出现故障时，激光发射管Ⅱ3.52自动投入工作，以便提高可靠性。

上述的逻辑判断模块3.7用于将获取的接收管信号进行逻辑判断，当每个激光接收管同时接收到定位光栅条4上区域Ⅰ4.1的漫反射激光信号时，逻辑判断模块3.7输出为高电平，当至少有一个激光接收管接收不到定位光栅条4上区域Ⅱ4.2的全反射激光信号，或每个激光接收管都接收到不足以使其有输出信号的漫反射激光信号时，逻辑判断模块3.7输出为低电平。

上述的信号放大模块3.8对逻辑判断模块3.7输出的电平进行信号放大处理，信号输出模块3.9输出最终信号，以便使控制系统根据高低电平的变化进行定位计算。

作为本实施例一的一种变换，所述的激光发射管和激光接收管的数量可以增加或减少，但所述的激光发射模块3.5包括至少一个激光发射管；所述的激光接收模块3.6包括至少两个激光接收管，以提高可靠性。

本发明之一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统的工作原理如下：

工作时移动设备沿着导轨运动，移动设备带着激光发射和接收模块一起运动，激光发射和接收模块向定位光栅条发射激光，发射的激光照射在定位光栅条的区域Ⅰ上时，光线经漫反射返回被激光发射和接收模块的接收模块接收，当发射的激光照射在定位光栅条的区域Ⅱ上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号时，计数一次；移动设备带着激光发射和接收模块一起继续向前运动，当下一次的激光照射在定位光栅条的区域Ⅱ上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号时，又计数一次，以此类推，移动设备继续向前运动，控制系统将继续计数，当计数到目标数时也就到了目标位置，从而可实现移动设备的精确定位功能。

Claims (8)

1.一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，其特征在于：包括运动导轨（1）、移动设备（2）、激光发射和接收模块（3）、定位光栅条（4），所述的运动导轨（1）用于提供移动设备的运动约束和运动轨迹；所述的移动设备（2）底部安装在运动导轨上并沿运动导轨左右移动；所述的激光发射和接收模块（3）固定在移动设备（2）上，用于发射激光和接收反射激光信号；所述的定位光栅条（4）安装在放置待定位物体的固定物架（5）上，用于提供不同强度和形式的反射激光信号；

所述的定位光栅条（4）由区域Ⅰ（4.1）和区域Ⅱ（4.2）交替排列而成；所述的区域Ⅰ（4.1）为不吸收光的漫反射区域，该区域Ⅰ（4.1）上涂覆有具有反光性能的漫反射材料，以便保证在该区域Ⅰ（4.1）具有足够的激光反射强度，使每个激光接收管都能接收到足够强度的反射信号；所述的区域Ⅱ（4.2）用于提供移动设备精确定位的标识，该区域Ⅱ（4.2）为全反射区域或吸收光的漫反射区域，所述的全反射区域具有较好的光学平整度，当激光入射在该区域Ⅱ上时具有良好的光学全反射性能，使其产生的一束主反射光束不能使离散分布的多个激光接收管同时有信号输出；所述的吸收光的漫反射区域涂覆较好吸光性能的漫反射材料，以便保证当激光入射在该区域上时，激光的强度被大量吸收，少量的漫反射激光不足以使每个激光接收管均有信号输出；

所述的激光发射和接收模块（3）包括电源模块（3.1）、调频模块（3.2）、调压模块（3.3）、控制模块（3.4）、激光发射模块（3.5）、激光接收模块（3.6）、逻辑判断模块（3.7）、信号放大模块（3.8）、信号输出模块（3.9），所述的电源模块（3.1）用于为各模块提供电源；所述的调频模块（3.2）、调压模块（3.3）、控制模块（3.4）、激光发射模块（3.5）依次连接，所述的激光接收模块（3.6）、逻辑判断模块（3.7）、信号放大模块（3.8）、信号输出模块（3.9）依次连接，所述的激光发射模块（3.5）经过调频模块（3.2）、调压模块（3.3）和控制模块（3.4）作用后，发射一定频率的激光光束，并随移动设备（2）扫描定位光栅条（4），激光接收模块（3.6）将定位光栅条（4）的反射光转换为相应的电平信号，再经逻辑判断模块（3.7）、信号放大模块（3.8）处理后通过信号输出模块（3.9）输出给控制系统进行计数定位，以便由控制系统控制电机对移动设备进行精确定位。

2.根据权利要求1所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，其特征在于：所述的区域Ⅰ（4.1）上涂覆的漫反射材料为白色哑光涂料；所述的区域Ⅱ（4.2）涂覆的漫反射材料为黑色哑光涂料。

3.根据权利要求1所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统,其特征在于：所述的激光发射模块（3.5）包括至少一个激光发射管。

4.根据权利要求1所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统,其特征在于：所述的激光接收模块（3.6）包括至少两个激光接收管（3.61），当激光光束入射在定位光栅条（4）的区域Ⅰ（4.1）上时，激光接收模块的每个激光接收管能同时接收到一定强度的漫反射激光信号，使每个激光接收管同时有输出信号；当激光束入射在定位光栅条（4）的区域Ⅱ（4.2）上时，激光接收模块中至少有一个激光接收管不能接收到全反射激光信号，或每个激光接收管都接收到不足以使其有信号输出的漫反射激光信号。

5.根据权利要求1所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统,其特征在于：所述的调频模块（3.2）用于调制激光光束的频率，使其在激光接收模块的接收频率范围内，以减少外界光源的干扰；所述的调压模块（3.3）用于调整激光发射管的工作电压和电流，以调节激光发射管的光束强度。

6.根据权利要求1所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统，其特征在于：所述的逻辑判断模块（3.7）用于将获取的接收管信号进行逻辑判断，当每个激光接收管同时接收到定位光栅条（4）上区域Ⅰ（4.1）的漫反射激光信号时，逻辑判断模块（3.7）输出为高电平，当至少有一个激光接收管接收不到定位光栅条（4）上区域Ⅱ（4.2）的全反射激光信号，或每个激光接收管都接收到不足以使其有输出信号的漫反射激光信号时，逻辑判断模块（3.7）输出为低电平；所述的信号放大模块（3.8）对逻辑判断模块（3.7）输出的电平进行信号放大处理，信号输出模块（3.9）输出最终信号，以便使控制系统根据高低电平的变化进行定位计算。

7.根据权利要求1所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统,其特征在于：所述的激光发射模块（3.5）至少有两个激光发射管，其中一个为正常工作状态的激光发射管Ⅰ（3.51），另一个为备用状态的激光发射管Ⅱ（3.52），通过控制模块（3.4）控制激光发射管Ⅰ（3.51）和激光发射管Ⅱ（3.52）的开断，当激光发射管Ⅰ（3.51）出现故障时，激光发射管Ⅱ（3.52）自动投入工作，以便提高可靠性。

8.根据权利要求4所述的一种用于轨道移动设备的激光光栅定位系统,其特征在于：所述的激光接收模块（3.6）中的激光接收管（3.61）离散布置在激光发射管的周围。