CN103595469A

CN103595469A - 红外光导遥控系统

Info

Publication number: CN103595469A
Application number: CN201310040536.1A
Authority: CN
Inventors: 彭海涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-02
Filing date: 2013-02-02
Publication date: 2014-02-19

Abstract

一种红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，采用多路分时发射红外线方位信号、单路串行接收检测和遥控制导技术，避免采用多个光电接收器时元器件特性参数的不一致性问题，提高测量的精确度和距离。由导引端和移动端组成，移动端的运动载体上由多个红外线发射管组成阵列，分时依次发射方位检测用的多路红外线信号；导引端安装一个高灵敏度的红外线接收器，串行接收并检测各路红外线信号的参数，经过数据计算处理后得到方位角等信息，形成控制指令信号，再通过遥控发射器发送到移动端，控制运动载体进行跟踪、导引；导引端用可见光的导引光斑指示导引位置和方向；移动端和导引端之间传送同步信号，保持发射和接收的各路信号的同步对应关系。

Description

红外光导遥控系统

技术领域

本发明是一种红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，采用多路分时发射红外线方位信号、单路串行接收检测和遥控制导技术，涉及红外线、发光二极管、光电传感、光度测量、方位检测、导引跟踪、遥控制导、时分复用、同步等领域。

背景技术

在雷达、导航、声纳等领域，利用天线的方向性测量目标的方位，探测距离远，但天线尺寸很大。

光电传感器具有体积小的优点，使用多个光电元件组成传感器阵列，通过测量空间中的光强分布，也可以进行方位检测，应用于光源跟踪和寻迹的模型车、光感导引的玩具机器人等。

但这些系统采用多个光电接收器多路检测的工作方式，各个光电接收器的光电元件、放大器和其它部件的特性参数存在离散性和差异性，各路之间很难保持一致性，对测量结果的影响很大，需要进行复杂的校正，限制了测量精确度和距离的提高。

发明内容

本发明采用多路分时发射红外线方位信号、单路串行接收检测和遥控制导的技术方案，设计了一种红外光导遥控系统。

如图1所示：该系统由导引端和移动端两大部分组成。移动端的运动载体11（例如模型车、玩具机器人、动物玩具等）上，由多个红外线发射管1组成阵列，分时依次发射方位检测用的多路红外线信号3；导引端安装一个高灵敏度的红外线接收器2，串行接收并检测各路红外线信号3的参数，经过数据计算处理后得到方位角等信息，形成控制指令信号，再通过遥控发射器7发送到移动端，控制运动载体11进行跟踪、导引。

导引端用可见光的导引光斑16指示导引位置和方向。移动端和导引端之间传送同步信号，保持发射和接收的各路信号的同步对应关系。

该系统只使用一个红外线接收器，串行接收红外线发射管阵列分时发射的各路方位检测信号，避免了采用多个光电接收器时元器件特性参数的离散性和差异性对测量结果的影响，提高了检测精确度。而且可以采用高放大倍数的接收器，提高检测灵敏度和检测距离，实现远距离的信号检测（可以达到普通红外线遥控的距离数量级）。

该系统具有检测距离远、精度高、体积小、操作简单、成本低等优点。

附图说明

图1为系统示意图；

图2为系统组成结构图；

图3为红外线发射管的红外线发射图；

图4为8个红外线发射管排列成的正八边形阵列图，包括分别由4个发射管排列成的十字形和X形阵列；

图5为红外线发射管阵列图，其中图5(a)为2个发射管排列成的V形阵列，图5(b)为具有俯仰角的3个发射管排列成的阵列；

图6为6个红外线发射管排列成的正六边形阵列图；

图7为红外线同步信号发射管的示意图；

图8为红外线发射管阵列分时发射的脉冲信号的帧结构图；

图9为红外线接收器输出的各路脉冲信号的帧结构图；

图10为红外线发射管的载波调制和功率驱动电路框图；

图11为红外线发射管的载波波形图；

图12为多路信号同步分配器和分离器的电路结构框图；

图13为红外线接收器的组成结构图；

图14为发射管阵列的光度参量和方位角计算用图，其中图14(a)为发射管阵列的光度参量空间分布计算用图，图14(b)为2个发射管的方位角计算函数曲线图，图14(c)为3个发射管的方位角计算函数曲线图；

图15为信号处理流程图；

图16为白光和彩色LED阵列与导引光斑的结构图；

图17为导引端整体设计图；

图18为移动端分布式共形安装的红外线发射管单元的结构图；

图19为移动端集中式安装的整体设计图。

具体实施方式

图2为系统组成结构图：该系统由导引端和移动端两大部分组成。移动端包括红外线发射管阵列12、脉冲信号发生器19、多路信号同步分配器123、载波调制17和功率驱动18电路、遥控接收器6、运动载体11等部分；导引端的组成包括红外线接收器2、多路信号同步分离器123、脉冲参数测量13、方位角等数据计算处理9、控制信号产生9、遥控发射器7、白光和彩色LED阵列160等部分。其中方位角等数据计算处理和控制信号产生功能9也可以配置在移动端。

移动端由多个红外线发射管1组成红外线发射阵列12；脉冲信号发生器19产生具有一定脉冲宽度和间隔的脉冲序列；在同步信号121的作用下，由多路信号同步分配器123将脉冲序列中的各个脉冲循环分配到各个发射管的驱动电路18，经过载波调制17，分时依次发射出去。

各路红外线信号经过直线传播或由地面、墙壁等物体表面（漫反射面5）漫反射，在空间中形成方位检测用的红外线光强分布。

导引端的工作方式分为导引方式和指引方式。导引方式中红外线接收器2直接接收红外线发射阵列的直射光信号，红外线接收器本身即为导引点；指引方式中红外线接收器2的光轴指向漫反射面5上的一个位置点，接收该点处的漫反射光信号，该点为导引点。

导引端的红外线接收器2串行接收各路红外线脉冲信号，放大后输出一个脉冲参数（例如宽度或幅度）随着红外线信号的光度参量（例如光强度、照度或亮度）变化的脉冲序列；在同步信号121的作用下，按照与发射端相同的次序，由多路信号同步分离器123将各路脉冲信号从脉冲序列中分离出来，分别进行脉冲参数的测量13。

然后对各路信号值进行数据计算处理，得到方位角等信息9，产生控制指令信号9，控制运动载体11上的动作机构执行相应的动作，向导引点移动，实现导引、跟踪和其它控制功能。

导引端安装遥控发射器7，移动端安装遥控接收器6，将各种控制指令和数据从导引端发送到移动端。

导引端用白光和彩色LED阵列160发射可见光光束，形成以导引点为中心的导引光斑16，指示导引位置和方向。

移动端和导引端之间传送同步信号121，用于确定各个脉冲信号的时序位置，保持发射和接收的各路信号的同步对应关系。

图3为红外线发射管的红外线发射图。红外线发射管（Infrared LED）1是一种发射红外线的发光二极管，发射功率与正向工作电流成正比，发射的红外线31具有方向性，与可见光一样直线传播，投射到地面、墙壁等物体表面（漫反射面5）会发生漫反射32。

与激光发射管发射的激光束相比，红外线发射管发射的红外线光束具有较大的发散角，但安全性好，工作可靠，成本低。与无线电波、声纳天线相比，红外线发射管具有体积小、安装方便、组阵灵活、控制和驱动电路简单等优点。与发射可见光的LED发光二极管相比，红外线发射管发射的红外线抗杂散光干扰能力强。

多个红外线发射管按照一定的几何形状在空间排布，组成红外线发射管阵列。例如：2个发射管排列成V形（图5(a)），3个发射管排列成Y形或△形，4个发射管排列成十字形（图4中的A、C、E、G）或者X形（图4中的B、D、F、H），6个发射管排列成六边形（图6）、8个发射管排列成八边形（图4）等。此外还有圆形、球形、圆锥形等阵型。

各发射管的光轴之间形成一定的夹角（例如半强度辐射角θ _1/2），相对阵列基点（阵列中心）、方向基线或漫反射面具有特定的方位角和俯仰角（参见图5(a)、(b)）。发射的红外线在空间交叉重叠，形成方位检测用的空间光强分布。

红外线发射阵列中，为提高发射作用距离，可以分层设置近光（近程）和远光（远程）发射管。为提高方位角度分辨率，可以设置专用的辅助发射管。还有用于发射红外线同步脉冲的同步信号发射管等。

当检测距离远大于发射管和发射阵列的几何尺寸时，可以将发射管视为位于阵列中心的点光源，计算阵列的光度参量（例如光强度、照度或亮度）分布。

如图14(a)所示：以发射阵列的中心旋转对称轴为z轴建立坐标系，检测点或漫反射面位于xy平面，x轴为方位角基线；阵列中心位于z轴上O'点，在xy平面上的投影点为坐标原点O，高度为h；发射管A的光轴与x轴交于O _A点（方位角为0°），与xy平面夹角（俯仰角）为α；检测点（导引点）Q位于xy平面半径为r的圆上，方位角为φ，光线O'Q与xy平面夹角（俯仰角）为γ，与发射管光轴O'O _A的夹角为θ，O'到Q距离为l。

由各点坐标

　　　与三角函数关系式：

　　　计算得：

(1)

　　　发射管光强分布近似表示为：

　其中I ₀为光轴方向的光强度，

　　　θ为发射光线的方向角（与光轴的夹角），

　　　，θ _1/2为半强度辐射角；

　　　将(1)式代入计算得Q点处的光强I(φ)为：

　　　　　 (2)

　　　反射面上的照度计算公式为：

　　　将(2)式代入计算得Q点处的照度E(φ)为：

(3)

　　　理想条件的漫反射在各个方向上的亮度相同，与入射光的照度成正比。漫反射面上的亮度计算公式为：

　　　其中σ为漫反射系数；

　　　将(3)式代入计算得Q点处的亮度L(φ)为：

　　　　　 (4)

　　　当发射管水平安装时，光轴位于同一个平面，俯仰角α为0°，公式(1)简化为：

　　　Q点处的光强I(φ)为：

(5)

　　　根据旋转对称性，当发射管在发射阵列中的方位角为φ ₀时，只需在上述各光度参量计算公式中用(φ-φ ₀)代换φ即可。

红外线发射管阵列中的全部或部分发射管根据需要，按照一定的次序和组合分时发射方位检测用的红外线脉冲信号。例如在搜索模式时，全部发射管依次发射，实现全向扫描。在跟踪模式时，只有用于跟踪的部分发射管分时发射，以提高发射重复频率，增加测量精度。还可以让近程、远程、辅助测角等发射管分别发射。

发射次序有邻位顺序、相对位顺序、邻位组合顺序等。以图6所示的6个发射管组成的正六边形发射阵列为例：各个发射管的发射次序可以按照它们在发射阵列中的邻位顺序A-B-C-D-E-F，或者采用相对位置顺序A-D-B-E-C-F。为了提高发射距离，采用邻位组合A+B、B+C、…、F+A等。

脉冲发生器产生具有一定脉冲宽度和脉冲间隔的脉冲序列，在同步信号的作用下，由多路信号同步分配器将脉冲序列中的各个脉冲循环分配到各个红外线发射管，依次发射。

图8为分时发射的脉冲信号的帧结构图。同步脉冲信号121和多个方位检测脉冲86构成一帧。同步脉冲信号121用于标记一帧的开始，对同步时钟80进行调整，确定各个脉冲在帧中的时序位置（节拍T₁、T₂、T₃等）。

依次分配给各个发射管的各个发射脉冲，包括脉冲A801、脉冲B802、脉冲C803等，组成一个发射循环，其时间长度称为一个发射周期87。每帧脉冲序列可以包含一组或多组发射循环。

脉冲宽度、脉冲间隔、帧长度88、帧间隔89应符合红外线接收器的信号要求。发射周期不应过长，因为在此期间运动载体的运动可能引起发射阵列的基点和基线的位置移动，造成方位测量的误差。

多路信号同步分配器在同步信号的作用下，将帧脉冲序列中的各个脉冲循环分配到各个红外线发射管。

图12所示的为一种由数字和模拟电路构成的多路信号同步分配器123。时钟发生器120在同步信号121的作用下产生同步时钟，输入到由计数器等构成的脉冲节拍发生器122，依次产生T₁、T₂、…、T₆等时序节拍，控制相应的模拟开关127，将脉冲序列126中的各个脉冲依照节拍提取出来，分别构成A路脉冲1201、B路脉冲1202、…、F路脉冲1206等。

多路信号同步分配器也可以由程序软件实现。

图10为红外线发射管的载波调制和功率驱动电路框图，图11为红外线发射管的载波波形图。红外线发射管1以脉冲发射的方式工作，红外线信号106通过开关电路107调制在载波脉冲上发射出去，以增加发射距离、降低功耗、提高抗干扰能力。

红外线发射管的红外线发射功率与正向工作电流I _F111成正比，为保持工作稳定，避免受温度、电源电压变化等的影响，可以使用恒流源105驱动。恒流源的输出驱动电流通过外接的可变电阻104等方式调节。

根据功率控制信号101等对载波振荡器103产生的载波脉冲进行PWM（脉冲宽度）调制102，改变载波脉冲的宽度110和占空比，可以改变红外线发射管的平均工作电流的大小，调节红外线发射管的平均发射功率。

红外线发射阵列中不同的红外线发射管的特性参数存在离散性和差异性，但只需调节正向工作电流的大小就可以很容易地进行一致性校正。例如分别调节每个驱动恒流源的输出电流，就可以对红外线发射管的发射功率进行调整，保持各路红外线信号的发射强度相同。

调节红外线发射管的正向工作电流111或载波脉冲的宽度110，可以调节红外线发射阵列的发射功率，用于发射功率的自动控制等。

导引端的红外线接收器串行接收红外线发射管阵列分时发射的各路红外线信号，实现红外线信号的光电转换、放大、信号输出功能。

图13为红外线接收器的组成结构图，由光学系统130、光电元件131、放大器132、AGC（自动增益控制）133、带通滤波器134、信号解调135、输出136等部分构成。

红外线接收器的光学系统对直射光或漫反射光的光度参量（光强度、照度或亮度）进行检测，根据测量光强度、照度或亮度的不同要求，参考光度计、照度计、亮度计等的设计，组件包括滤光片、透镜、光阑、反射镜等，红外线接收方向角应沿着光轴旋转对称。

红外线接收器的电路可以采用专用集成电路、通用集成电路或分立器件构成。应采用高灵敏度的光电元件（例如PIN光电二极管）和高增益的放大器，以检测微弱的红外线信号，提高接收距离。输出信号强度（例如脉冲宽度或幅度）与输入红外线信号的光度参量（例如光强度、照度或亮度）有较好的线性关系。

家电遥控用的一体化红外接收头（Infrared Receiver Modules，红外接收器模块）将全部红外接收电路封装在一起，外壳上配有起会聚作用的圆形透镜，当红外线信号强度较小时，输出的脉冲宽度与红外光强度有较好的（对数）线性关系，还具有灵敏度高（接收距离可达数米到数十米），体积小，抗干扰性强等优点，是一种可选器件。

因为只使用一个红外线接收器，串行接收分时发射的各路红外线信号，所有信号都经过同一个光学系统和光电转换元件接收、由单通道的放大器放大和脉冲信号形成电路处理，避免了采用多个光电接收器时元器件特性参数的离散性和差异性对测量结果的影响，提高了检测精确度。而且可以采用高放大倍数的接收器，提高检测灵敏度和检测距离，实现远距离的信号检测（可以达到普通红外线遥控的距离数量级）。

图9为红外线接收器输出的各路脉冲信号的帧结构图。红外线接收器输出由各路红外线信号组成的脉冲序列，在同步信号121的作用下，按照与发射端相同的次序，根据同步时钟90的节拍位置，由多路信号同步分离器将各路脉冲信号（脉冲A901、脉冲B902、脉冲C903等）从帧脉冲序列96中分离出来，分别进行脉冲参数的测量。

导引端的多路信号同步分离器与移动端的多路信号同步分配器同步工作，可以采用相同组成结构的装置或程序，参见图12。

图15为信号处理流程图。信号处理流程包括信号检测、参数测量、数据处理、数值计算、控制信号产生等，处理步骤为：初始化1501，对红外线接收器输出的脉冲的参数（宽度或幅度）进行测量1502，识别出同步脉冲后1503设置帧计时器、节拍发生器等1504。根据脉冲的节拍位置检查脉冲的有效性1505，对有效的方位检测脉冲1506进行同步分离，分别进行参数值累加1507。一帧结束后1508，在帧间隔时间内对帧内或多帧的各路脉冲进行平均值、最大值、最小值、离差、方差等计算和平滑滤波等数据处理1509，再计算方位角等信息1510，然后发出控制信号1511。

信号处理可以使用模拟电路、数字电路、可编程逻辑器件、微控制器（单片机）等实现。

对于脉冲参数测量，当采用模拟电路时可以采取低通滤波，对直流平均值进行测量，采用运算放大器、模拟除法器、数字电路等进行数据处理。采用单片机时用数字计时方式测量脉冲宽度，用A/D转换方式测量脉冲幅度，并对帧内或多帧脉冲的测量结果进行数字滤波等数据处理。

根据不同的检测模型和算法，对各路信号值进行数值比较、逻辑运算、算术运算、函数运算等计算，得到离散值或连续值的方位角信息。

各路信号值的总和或平均值可以作为信号强度、相对距离的参考。

控制信号包括运动载体的跟踪制导信号、红外线发射阵列的阵型转换信号、发射功率调节信号等。

根据运动载体的驱动方式、跟踪制导算法和方位角、距离等信息产生相应的动作机构控制信号。例如对于模型车产生前进、后退、左转、右转等方向控制信号和速度档位、转弯角度、加速度等比例控制信号。

根据导引端方位信号检测的需要，产生红外线发射阵列的阵型控制信号，让发射阵列在搜索模式、跟踪模式、近程、远程、辅助测角等工作方式之间转换，实现有效的方位检测。

根据各路信号的平均值、最大值、最小值等参数产生发射功率调节信号，改变红外线发射管的正向工作电流或载波脉冲的宽度，调节红外线发射阵列的发射功率，保证红外线接收器工作在线性范围内。

信号处理流程中的各项信号处理功能都可以在导引端设计实现，也可以将方位角计算、控制指令产生等信号处理功能放在移动端实现。

对于方位角离散值的计算，以图6所示的6个发射管组成的正六边形阵列为例：基于各个发射管在发射阵列中位置排布的对称性，利用发射管的光轴61和阵列方向图中的等信号线（面）62对空间区域进行划分。

使用数值比较、逻辑运算装置或程序，对各路信号值进行数值大小比较，包括相邻位、相对位、间隔位等位置发射管信号值的比较，对比较结果进行逻辑组合运算，确定最大值信号所在的象限、区域并进行细分，根据得到的方位角范围产生相应的控制信号。

对图6所示的6个发射管组成的正六边形阵列进行的方位角范围划分和相应的控制信号如表1所示：

　　　　　　　　　表1 正六边形阵列的方位角范围划分和控制信号

。

使用开方、和、差、比（除）、乘、三角函数、反三角函数等计算装置或程序，对导引点的方位角进行连续值计算。计算装置或程序的输入为各路红外线信号的测量值（与导引点处的光度参量例如光强度、照度或亮度成正比），输出为导引点相对发射阵列的方位角，计算公式根据发射管的数量与发射阵型的几何参数（例如各发射管在发射阵列中的方位角和俯仰角）选择。

对于发射管的光轴的俯仰角为α的阵列（参见图5(b)），设3个发射管A、B、C在发射阵列中的方位角分别为-Δφ、0、Δφ，导引点处检测到的照度值分别为E _A、E _B、E _C（参考图14(c)的方位角计算函数曲线图）。

根据公式(3)得：

　　　三式两边分别作m次开方运算得：

　　　记

　　　则

　　　利用三角函数公式进行和、差、比、乘运算得：

　　　取反三角函数得：

　　　所以导引点的方位角φ的计算公式为：

　　　　　 (6)

　　　设导引点处检测到的光强度值分别为I _A、I _B、I _C，根据公式(2)计算得方位角φ为：

(7)

　　　设导引点处检测到的亮度值分别为L _A、L _B、L _C，根据公式(4)计算得方位角φ为：

(8)

　　　设f表示各路红外线信号的测量值，与导引点处的光度参量例如光强度I、照度E或亮度L成正比，则公式(7)、(8)、(9)可统一写为：

。

对于发射管的俯仰角为0°、光轴位于同一个平面的阵列，方位角计算得到简化（参见图5(a)）：设2个发射管A和B在发射阵列中的方位角分别为-Δφ和Δφ，导引点处检测到的光强度值分别为I _A和I _B（参考图14(b)的方位角计算函数曲线图）。

根据公式(5)得：

　　　两式两边分别作m次开方运算得：

　　　记

　　　利用三角函数公式进行和、差、比运算得：

　　　取反三角函数得：

　　　所以导引点的方位角φ的计算公式为：

　　　对于照度值E或亮度值L，可以推导出同样形式的计算公式：

(9)

　　　其中f表示各路红外线信号的测量值。

用同样的算法可以得到：

　　　对于图4中按照十字形排列的4个发射管A、C、E、G，在发射阵列中的方位角分别为0°、90°、180°、270°，方位角φ的计算公式为：

(10)

　　　对于图4中按照X形排列的4个发射管B、D、F、H，在发射阵列中的方位角分别为45°、135°、225°、315°，方位角φ的计算公式为：

(11)

　　　对于按照正多边形或圆形均匀排列的N个发射管（例如图6中6个红外线发射管排列成的正六边形阵列、图4中8个红外线发射管排列成的正八边形阵列），方位角φ的计算公式为：

(12)

　　　其中f表示各路红外线信号的测量值。

这些方位角算法以统一的形式列于表2中：

　　　　　　　　　　　　表2 导引点的方位角算法

。

由于红外线接收器和相应的信号处理位于导引端，需要通过另外的遥控信道，将各种控制指令和数据发送到移动端，实现相应的控制。

参见图2，导引端安装遥控发射器7，移动端安装遥控接收器6。遥控信号15的有效作用距离大于红外线方位检测信号3的范围，全向发射和接收，保证遥控指令和数据的可靠传输。传送的信号包括方位角数据、信号强度（相对距离）数据、运动载体跟踪制导信号、红外线发射阵列的阵型转换信号、发射功率调节信号、同步信号等。

遥控方式包括无线电遥控、红外线遥控、超声波遥控或有线遥控等，可采用通用的多通道比例遥控设备。采用红外线遥控方式时，为避免与方位检测用的红外线信号互相干扰，应采用不同的载波频率或采用时分复用工作方式。

同步信号在移动端与导引端之间传送，用于确定各路脉冲信号在帧中的时序位置，保证发射和接收的各个脉冲之间的对应关系。

如图7所示，同步信号由移动端发送，与方位检测用的脉冲信号一样，采取红外线发射的方式。在红外线发射阵列12中设置专用的红外线同步信号发射管71，相对其它发射管垂直安装，具有较大的发射角和发射功率，发射的红外线同步信号70的有效作用范围大于方位检测信号的范围，保证同步信号的可靠接收。

或者由红外线发射阵列中的全部或部分红外线发射管以同时发射的方式发射红外线同步信号，接收端接收到的信号强度将不小于任何一个发射管单独发射的信号强度，满足同步信号可靠传输的要求。

同步脉冲必须与方位检测脉冲区别，红外线接收器输出的同步脉冲的最小脉冲宽度或幅度必须大于方位检测脉冲的最大脉冲宽度或幅度，例如脉宽大1倍或幅度大1/3等。参见图12，接收端检测到同步信号121后，对多路信号同步分离器123所用的时钟发生器120进行同步调整，与发射端保持同步状态。

同步信号也可以由导引端通过遥控信道发送，参见图2，采用与其它遥控信号15相同的格式，由遥控发射器7发送，移动端通过遥控接收器6接收到同步信号121后，按照规定的时序控制红外线方位检测信号3的发射。

导引端的红外线接收器的光轴指向位于空间某个位置的导引点，检测该处各路红外线信号的强度。但该导引点并不可见，因此采用发射可见光的发光二极管（LED）166，发射白色和彩色光束，形成以导引点8为中心的导引光斑16，指示导引位置和方向。

图16为白光和彩色LED阵列与导引光斑的结构图。白光LED和红、橙、黄、绿、蓝、紫等彩色LED组成阵列160，以红外线接收器2为中心均匀排布，各LED166的光轴与红外线接收器2的光轴平行。

LED阵列还包括由透镜、反射镜、投影镜片等组成的配光系统167。透镜、反射镜等构成聚光系统，提高LED的照射亮度和距离；投影镜片投射出各种图形、图案163。

白光LED发射的白色光的照明亮度高，构成白色导引光斑161；彩色LED发射的彩色光组成彩色光斑162，具有各种彩灯样式效果；投影镜片投射出的各种图形、图案163可更换。

LED阵列采用LED手电筒和LED彩灯的控制、驱动电路165，具有亮度调节、设置各种闪光模式和彩灯样式效果等功能。

图17为导引端的一种整体设计图，采用手电筒式的指引棒状外观造型设计。前部正中安装红外线接收器2，周围安装白光与彩色LED阵列组件160，中部装有电路板170和电池177，尾部装有遥控发射器与天线7，外壳上安装各种按键、旋钮、开关等操作钮。

各种操作钮包括：

　导引按钮173：按下时导引端对移动端进行导引操作；

　亮度调节旋钮172：调节LED阵列的白色和彩色光束的亮度；

　彩灯设置键171：设置LED阵列的各种彩灯样式效果等；

　其它控制键、操作键和开关等：完成系统的其它功能设置和操作，例如电源开关等。

电池177可采用干电池、铅蓄电池、锂电池等。

导引端还配备计算机接口等其它部件。

移动端的红外线发射管阵列在运动载体上的安装方式可分为分布式共形安装和集中式安装。

在图18所示的分布式共形安装方式中，红外线发射阵列中的各个发射管1根据阵列配置要求，以一定的角度分别安装在运动载体的壳体181的前、后、左、右、上、下等处，壳体181表面的相应位置设置红外线窗口，安装与载体表面形状相同（共形）的红外线透光片182，壳体内部根据需要安装遮光罩、遮光板183等。

在图19所示的集中式安装方式中，将红外线发射管阵列集中安装在单独设置的光学罩190中。光学罩190架设在运动载体的顶部等处，采用碟形、球形、圆盘形等造型。光学罩190壳体的中部安装红外线发射阵列的各个红外线发射管单元196，上部安装方位角指示灯191、信号强度（相对距离）指示条192、雷达式的旋转扫描线193等，底部是安装支架199和信号线、电源线等连接线197；光学罩190内部安装电路板198等组件，还有发声装置，例如蜂鸣器或喇叭等。

本发明的红外光导遥控系统具有光电方位检测和跟踪、导引功能，检测距离远，可以达到普通红外线遥控的距离数量级，具有较高的精确度；操作简单，只需将指引棒指向导引位置；体积小，成本低。

该系统具有广泛的用途，例如应用在遥控模型车、玩具车、爬墙车上，通过导引光斑引导模型车前进、后退、转弯、加减速等；应用在玩具机器人上，控制机器人的移动方向和动作；应用在动物玩具上，用导引光斑模拟小猎物、滚动球等物体，诱导玩具动物模型做出转身、接近、扑捉等动作。

Claims

1. 一种红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：采用多路分时发射红外线方位信号、单路串行接收检测和遥控制导技术。

2. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：该系统由导引端和移动端两大部分组成；移动端的组成包括红外线发射管阵列、脉冲信号发生器、多路信号同步分配器、载波调制和功率驱动电路、遥控接收器、运动载体；导引端的组成包括红外线接收器、多路信号同步分离器、脉冲参数测量、方位角信息数据计算处理、控制信号产生、遥控发射器、白光和彩色LED阵列；其中方位角信息数据计算处理和控制信号产生功能也可以配置在移动端；

　　移动端由多个红外线发射管组成红外线发射阵列；脉冲信号发生器产生具有一定脉冲宽度和间隔的脉冲序列；在同步信号的作用下，由多路信号同步分配器将脉冲序列中的各个脉冲循环分配到各个发射管的驱动电路，经过载波调制，分时依次发射出去；

　　各路红外线信号经过直线传播或由地面、墙壁物体表面漫反射，在空间中形成方位检测用的红外线光强分布；

　　导引端的红外线接收器串行接收各路红外线脉冲信号，放大后输出一个脉冲参数（例如宽度或幅度）随着红外线信号的光度参量（例如光强度、照度或亮度）变化的脉冲序列；在同步信号的作用下，按照与发射端相同的次序，由多路信号同步分离器将各路脉冲信号从脉冲序列中分离出来，分别进行脉冲参数的测量；

　　然后对各路信号值进行数据计算处理，得到方位角和其它信息，产生控制指令信号，控制运动载体上的动作机构执行相应的动作，向导引点移动；

　　导引端安装遥控发射器，移动端安装遥控接收器，将各种控制指令和数据从导引端发送到移动端；

　　导引端用白光和彩色LED阵列发射可见光光束，形成以导引点为中心的导引光斑；

　　移动端和导引端之间传送同步信号。

3. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：多个红外线发射管按照一定的几何形状在空间排布，组成红外线发射管阵列；

　　各发射管的光轴之间形成一定的夹角，相对阵列基点（阵列中心）、方向基线或漫反射面具有特定的方位角和俯仰角；发射的红外线在空间交叉重叠，形成方位检测用的空间光强分布；

　　红外线发射阵列中还包括近光（近程）和远光（远程）发射管、辅助测角发射管、同步信号发射管；

　　当检测距离远大于发射管和发射阵列的几何尺寸时，将发射管视为位于阵列中心的点光源，使用数值比较、逻辑运算、开方、和、差、比（除）、乘、三角函数、反三角函数计算装置或程序，对方位角信息进行计算。

4. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：红外线发射管阵列中的全部或部分发射管，按照一定的次序和组合，分时发射方位检测用的红外线脉冲信号；

　　在搜索模式时，全部发射管依次发射，全向扫描；在跟踪模式时，只有用于跟踪的部分发射管分时发射，提高发射重复频率；还有近程、远程、辅助测角发射管的分时发射；

　　发射次序有邻位顺序、相对位顺序、邻位组合顺序。

5. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：同步脉冲信号和多个方位检测脉冲构成一帧；依次分配给各个发射管的各个脉冲组成一个发射循环，其时间长度称为一个发射周期；每帧脉冲序列包含一组或多组发射循环。

6. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：只使用一个红外线接收器串行接收红外线发射管阵列分时发射的各路红外线信号，所有信号都经过同一个光学系统和光电转换元件接收、由单通道的放大器放大和脉冲信号形成电路处理。

7. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：红外线接收器的光学系统对直射光或漫反射光的光度参量（光强度、照度或亮度）进行检测，参考光度计、照度计或亮度计光学系统的设计；采用高灵敏度的光电元件和高增益的放大器；输出信号强度（例如脉冲宽度或幅度）与输入红外线信号的光度参量（例如光强度、照度或亮度）有较好的线性关系。

8. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：在移动端与导引端之间传送同步信号，用于确定各路脉冲信号在帧中的时序位置，保证发射和接收的各个脉冲之间的对应关系；

　　移动端配备称为多路信号同步分配器的装置或程序，在同步信号的作用下，将帧脉冲序列中的各个脉冲循环分配到各个红外线发射管，依次发射；

　　导引端配备称为多路信号同步分离器的装置或程序，在同步信号的作用下，按照与发射端相同的次序，将各路脉冲信号从接收到的帧脉冲序列中分离出来。

9. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：信号处理流程包括信号检测、参数测量、数据处理、数值计算、控制信号产生，处理步骤为：对红外线接收器输出的脉冲的参数（宽度或幅度）进行测量，识别出同步脉冲后设置帧计时器、节拍发生器；根据脉冲的节拍位置检查脉冲的有效性，对有效的方位检测脉冲进行同步分离，分别进行参数值累加；一帧结束后，在帧间隔时间内对帧内或多帧的各路脉冲进行数据处理，包括平均值、最大值、最小值、离差、方差计算、平滑滤波；再根据不同的检测模型和算法，计算离散值或连续值的方位角信息；然后发出控制信号，包括运动载体的跟踪制导信号、红外线发射阵列的阵型转换信号、发射功率调节信号。

10. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：导引端安装遥控发射器，移动端安装遥控接收器，将各种控制指令和数据从导引端发送到移动端；遥控信号的有效作用距离大于红外线方位检测信号的范围，全向发射和接收；遥控方式采用无线电遥控、红外线遥控、超声波遥控或有线遥控。

11. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：导引端检测各路红外线信号的强度参数，包括平均值、最大值、最小值，通过遥控发射器发送红外线信号强度数据或发射功率调节指令；移动端使用遥控接收器接收，根据接收到的数据或指令，改变红外线发射管的正向工作电流或载波脉冲的宽度，调节红外线发射功率。

12. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：同步信号由移动端发送，与方位检测用的脉冲信号一样，采取红外线发射的方式，但脉冲宽度或幅度较大；

　　在红外线发射阵列中设置专用的红外线同步信号发射管，发射的同步信号的有效作用范围大于红外线方位检测信号的范围；或者由发射阵列中的全部或部分红外线发射管以同时发射的方式发射红外线同步信号；

　　导引端根据脉冲宽度或幅度对同步脉冲进行检测识别。

13. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：采用发射可见光的发光二极管（LED）组成阵列，发射白色和彩色光束，形成以导引点为中心的可见的导引光斑；

　　组成阵列的LED包括白光LED和彩色LED，以红外线接收器为中心均匀排布，各LED的光轴与红外线接收器的光轴平行；

　　由透镜、反射镜、投影镜片组成配光系统；透镜、反射镜构成聚光系统，提高LED的照射亮度和距离，投影镜片投射出各种图形、图案；

　　LED阵列的光束亮度可调节，彩灯样式效果可设置，投影的图形、图案可更换。

14. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：导引端采用手电筒式的指引棒状外观造型设计；前部正中安装红外线接收器，周围安装白光与彩色LED阵列组件，中部装有电路板和电池，尾部装有遥控发射器与天线，外壳上安装各种操作钮，包括导引按钮、亮度调节旋钮、彩灯设置键、电源开关。

15. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：在分布式共形安装方式中，红外线发射阵列中的各个发射管根据阵列配置要求，以一定的角度分别安装在运动载体的壳体的前、后、左、右、上、下各处，壳体表面的相应位置设置红外线窗口，安装与载体表面形状相同（共形）的红外线透光片，壳体内部根据需要安装遮光罩、遮光板。

16. 根据权利要求1所述的红外线光电方位检测和遥控跟踪导引系统，其特征是：在集中式安装方式中，将红外线发射管阵列集中安装在单独设置的光学罩中；

　　光学罩架设在运动载体的顶部；造型有碟形、球形、圆盘形；光学罩壳体的中部安装红外线发射阵列的各个红外线发射管单元，上部安装有方位角指示灯、信号强度（相对距离）指示条、雷达式的旋转扫描线，底部是安装支架和连接线，连接线包括信号线与电源线；光学罩内部安装电路板，还有发声装置，例如蜂鸣器或喇叭。