CN103605133A - 车载激光测距装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种车载激光测距装置，包括微控制单元MCU、激光发射电路、以及接收端电路；其中，激光发射电路用于根据MCU的控制来发射激光，接收端电路用于根据被障碍物反射的激光以产生回波信号，车载激光测距装置还包括内光路检测电路，其用于提供内光路激励信号作为触发信号计数的起始信号，其中，内光路激励信号为所述激光发射电路所发射的激光被部分反射所产生的信号，且所述激光通过所述激光发射电路内部进行反射；所述MCU还用于根据所述起始信号和所述回波信号获得所述障碍物与车辆之间的距离。通过上述车载激光测距装置，使得内光路检测电路的光学部件简单化，系统应用更灵活，从而提高了激光测距的准确度和该车载激光测距装置的易安装度。
Description
技术领域
本发明涉及汽车测距系统，特别涉及一种车载激光测距装置。
背景技术
在车载激光测距中，利用车辆上设置的激光光源发射激光，并通过障碍物将激光反射回来所需要的时间来获取障碍物和车辆之间的距离。通常，利用时间计数芯片获取激光发射的起始时间和激光被反射回来的反射时间，起始时间和反射时间之间的时间差即反应了障碍物将激光反射回来所需要的时间。其中，激光发射的起始时间通过内光路的光信号作为触发信号计数获得的，反射时间是通过障碍物反射的光线获得的。
现有技术中，内光路的分光镜是借助于前挡风玻璃实现的，前挡风玻璃能够将激光发射的部分信号反射回来。具体过程是：驱动电压加载到激光光源上之后激光光源发光，第一个障碍物为前挡风玻璃，激光入射到前挡风玻璃上时产生部分反射光线，激光感光光电二极管接收到部分反射光线后送入时间计数芯片的Stop1引脚上。而穿过前挡风玻璃并照射到障碍物上被障碍物反射的光线被另外的激光感光光电二极管接收后，送入时间计数芯片的stop2引脚，作为终点，这样通过对Stop2减去Stop1的时间差值进行计算即可得到挡风玻璃到障碍物的距离。采用这种方式可以不用考虑激光发射电路以及激光器的延迟，因而可以提高距离的测量精度。
然而，前挡风玻璃的厚度、玻璃的反射率及激光测距仪的安装将对作为内光路检测电路使用的反射信号产生很大影响，加大了装配的难度。同时车辆的运动也会影响内光路的效果，从而导致激光测距精度的下降。
发明内容
为了解决以上问题中的部分或全部，本发明提供一种车载激光测距装置，从而提高激光测距的准确度和易安装度。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种车载激光测距装置，所述车载激光测距装置包括微控制单元MCU、激光发射电路、以及接收端电路；其中，所述MCU用于提供第一PWM控制信号，所述激光发射电路用于根据所述第一PWM控制信号来发射激光，所述接收端电路用于根据被障碍物反射的激光以产生回波信号，
所述车载激光测距装置还包括内光路检测电路，其用于提供内光路激励信号作为触发信号计数的起始信号，其中，所述内光路激励信号为所述激光发射电路所发射的激光被部分反射所产生的信号，且所述激光通过所述激光发射电路内部进行反射；
所述MCU还用于根据所述起始信号和所述回波信号获得所述障碍物与车辆之间的距离。
优选地，所述激光发射电路包括散射棱镜，所述激光发射电路发射的激光被所述散射棱镜部分反射，以使得所述内光路检测电路根据部分反射的反射信号生成所述内光路激励信号。
优选地，所述内光路检测电路包括接收子电路和第一故障检测子电路，
所述接收子电路包括PIN管感光元件P1、电阻R9、电阻R12、电阻R10以及电阻R11，所述第一故障检测子电路包括三极管Q2、电阻R13、以及电容C4；其中，
所述PIN管感光元件P1用于接收所述散射棱镜部分反射的反射信号，PIN管感光元件P1的负极连接至5V电压、正极通过串联的电阻R9和R12接地，所述正极还通过串联的电阻R10与R11接地，
三极管Q2的集电极接至5V电压，三极管Q2的发射极通过并联的电阻R13和电容C4接地，三极管Q2的基极通过电阻R9连接至所述PIN管感光元件P1的正极，三极管Q2的发射极连接至所述MCU以向所述MCU输出所述内光路检测电路根据所述反射信号所得到的所述内光路激励信号。
优选地，所述内光路检测电路还包括第二故障检测子电路，所述第二故障检测子电路包括三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、激光二极管D1、激光二极管D2、以及三极管Q3；其中，
三极管Q3的基极通过电阻R10连接至所述PIN管感光元件P1的正极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极分别与激光二极管D1和D2的负极相连接，电阻R3与激光二极管D1的正极相连接，电阻R4与激光二极管D2的正极相连接；
三极管Q1的发射极连接至5V电压，三极管Q1的基极连接至电阻R1，三极管Q1的基极通过阻R2连接至电阻R3，三极管Q1的集电极连接至电阻R4。
优选地，所述激光发射电路包括窄脉冲发生子电路、驱动放大子电路、以及激光发射子电路；其中，所述窄脉冲发生子电路连接至所述驱动放大子电路，所述驱动放大子电路连接至所述激光发射子电路。
优选地，所述窄脉冲发生子电路包括窄脉冲发生器U3和电容C3，其中，
窄脉冲发生器U3的VCC端连接至5V电压，GND端接地，REF端通过电容C3接地，窄脉冲发生器U3用于接收MCU输出的第一PWM控制信号和数据信号，并根据所述第一PWM控制信号和数据信号输出脉冲宽度可调的第二PWM控制信号。
优选地，所述第二PWM控制信号的上升沿为6ns～9ns。
优选地，所述驱动放大子电路包括驱动放大芯片U4和电容C2，其中，驱动放大芯片U4的INA引脚和ENB引脚用于接收窄脉冲发生器U3输出的第二PWM控制信号，驱动放大芯片U4的使能引脚ENA连接至电阻R5，ENB引脚连接至电阻R6，电阻R5和R6并联后上拉接至5V电源，驱动放大芯片U4的VCC端连接至18V电源信号，且所述VCC端通过电容C2接地，驱动放大芯片U4根据输入第二PWM控制信号获得放大后的第三PWM控制信号，并通过OUTA端和OUTB端并联输出所述第三PWM控制信号。
优选地，所述激光发射子电路包括激光发射器U5、电容C1、电阻R7、以及电阻R8，其中，
激光发射器U5的1端子通过电阻R8接收驱动放大芯片U4的OUTA端和OUTB端并联输出的所述第三PWM控制信号，激光发射器U5的2端子通过电阻R7限流后连接至18V电源，且所述2端子通过电容C1接地以实现滤波和补充能量的作用，激光发射器U5的3端子接地。
优选地，所述车载激光测距装置还包括CAN通信电路和制动控制模块，当所述第一故障检测子电路检测到激光发射电路发生故障时，由MCU生成对应的系统故障代码，并通过所述CAN通信电路将对应的系统故障代码发送给制动控制模块，以使得制动控制模块进行对应的处理动作。
本发明的有益效果包括：
本发明实施例中，激光发射电路发射的激光被所述散射棱镜部分反射，以使得所述内光路检测电路根据部分反射的反射信号生成内光路激励信号作为起始信号，避免了现有技术中，通过前挡风玻璃反射的信号生成内光路激励信号时，由于前挡风玻璃的发射率和厚度不一致带来的影响、以及激光测距仪的安装等因素对内光路检测电路使用的反射信号产生的影响，同时使内光路检测电路的光学部件简单化，系统应用更灵活，从而提高了激光测距的准确度和该车载激光测距装置的易安装度。
另外，本发明中，在激光发射电路中采用了窄脉冲发生器，通过窄脉冲发生器，能够实现通过MCU编程控制激光输出的激光脉冲的宽度，在激光发射趋于饱和之前，提高激光脉冲的宽度能够提高激光脉冲的功率，因此，本发明实施例中可以方便得实现激光脉冲的宽度和功率之间的匹配，由于激光信号的功率越高其测量的精度越高，因此也能够通过提高激光脉冲的功率来提高测量的精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种车载激光测距装置的框图；
图2为发明实施例提供的内光路检测电路400的电路结构图；
图3为本发明实施例提供的激光发射电路200的电路结构图；
图4为本发明实施例提供的MCU100和CAN通信电路500的电路结构图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例提供的车载激光测距装置进行详细描述。
本发明实施例提供的车载激光测距装置用于对车辆外部的障碍物进行测距，从而提高激光测距的准确度和该车载激光测距装置的易安装度。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种车载激光测距装置的框图。如图1所示，所述车载激光测距装置包括微控制单元MCU100、激光发射电路200、以及接收端电路300；其中，所述MCU100用于提供第一PWM控制信号，所述激光发射电路200用于根据所述第一PWM控制信号来发射激光，所述接收端电路300用于根据被障碍物反射的激光以产生回波信号。所述激光发射电路200包括窄脉冲发生子电路、驱动放大子电路、以及激光发射子电路；其中，所述窄脉冲发生子电路连接至所述驱动放大子电路，所述驱动放大子电路连接至所述激光发射子电路。
所述车载激光测距装置还包括内光路检测电路400，其用于提供内光路激励信号作为触发信号计数的起始信号，其中，所述内光路激励信号为所述激光发射电路200所发射的激光被部分反射所产生的信号，且所述激光通过所述激光发射电路内部进行反射；所述MCU100还用于根据所述起始信号和所述回波信号获得所述障碍物与车辆之间的距离。
本发明实施例中，所述激光发射电路200还包括散射棱镜，所述激光发射电路200发射的激光被所述散射棱镜部分反射，所述内光路检测电路400与接收端电路300连接，用于根据所述散射棱镜部分反射的反射信号生成所述内光路激励信号，再将所述内光路激励信号传送至接收端电路300。
本发明实施例中，接收端电路300包括时间计数芯片和激光感光光电二极管。车载激光测距装置根据stop1信号、stop2信号以及内光路检测电路400提供的start信号（起始信号，即内光路激励信号）进行障碍物的激光测距。其中，stop1信号和stop2信号是接收端电路300根据障碍物反射的激光信号生成的，stop1信号和stop2信号分别由不同的激光感光光电二极管接收，激光感光光电二极管设置在不同位置，从而能够接收不同区域的反射光，例如，分别对车辆左前方和右前方的反射光进行检测。start信号是内光路检测电路400提供的，用于反映激光发射的起始时间，由于内光路检测电路400设置的位置靠近激光感光光电二极管，因此由内光路检测电路400检测到散射棱镜部分反射的反射信号而生成内光路激励信号的时间可以认为是激光发射的起始时间。具体地，时间计数芯片与激光感光光电二极管以及内光路检测电路分别相连，激光感光光电二极管用于接收障碍物反射的激光信号，并将激光信号转换为电信号后传送给时间计数芯片，时间计数芯片根据激光感光光电二极管输出的电信号产生stop1信号和stop2信号，以及内光路检测电路400提供的start信号，计算stop1信号与start信号的时间差，以及stop2信号与start信号的时间差，并将计算得到的时间差信号提供给MCU100。MCU100根据接收到的一个或者多个时间差信号可以获得障碍物的位置和距离。下面结合一个具体的示例进行说明。例如，可以利用时间计数芯片产生的Tstop1–Tstart（即stop1信号和start信号的时间差）来计算出光飞行时间，乘以光速即可算出前方障碍物的2倍距离。stop2信号的计算原理一样。如果前方障碍物只导致stop1或stop2中一路信号的产生，说明障碍物位于车前方的一侧。如果导致stop1和stop2信号的产生，则说明障碍物处于前方中间区域。具体实施中，可以利用激光发射电路200中配置的散射棱镜调整光的分布区域，并通过光的分布区域确定测量的障碍物的范围。本发明实施例中，以产生两路stop信号为例进行了说明，另外，也可以设置为接收一路stop信号或者两路以上的stop信号，从而可以对不同区域的障碍物进行测量。
请参阅图2，为本发明实施例提供的内光路检测电路400的电路结构图，如图2所示，所述内光路检测电路400包括接收子电路和第一故障检测子电路，所述接收子电路包括PIN管感光元件P1、电阻R9、电阻R12、电阻R10以及电阻R11，所述第一故障检测子电路包括三极管Q2、电阻R13、以及电容C4；其中，所述PIN管感光元件P1用于接收所述散射棱镜反射的反射信号，PIN管感光元件P1的负极连接至5V电压、正极通过串联的电阻R9和R12接地，所述正极还通过串联的电阻R10与R11接地，三极管Q2的集电极接至5V电压，三极管Q2的发射极通过并联的电阻R13和电容C4接地，三极管Q2的基极通过电阻R9连接至所述PIN管感光元件P1的正极，三极管Q2的发射极连接至所述MCU以向所述MCU输出所述内光路检测电路根据所述反射信号所得到的所述内光路激励信号。
本发明实施例中，第一故障检测子电路用于对激光发射电路200的故障进行检测，具体地，在第一故障检测子电路中，电阻R13用于检测激光发射电路200是否完成发射，当激光发射电路200根据MCU100发射的第一PWM控制信号发射激光之后，PIN管感光元件P1会接收到被散射棱镜反射的一部分激光信号然后导通，进而导致三极管Q2的导通，这样R13电阻上将被施加5V电压，即R13上将会产生0V向5V跳变信号MCU_IN，由于R13的一端接地，一端连接至MCU100，因此MCU100的引脚将捕获到MCU_IN信号的跳变，也就是，在激光发射电路200正常发射的情况下，MCU100将能够检测到MCU_IN信号的跳变，即，如果MCU100检测到MCU_IN信号的跳变，则判断激光发射电路200工作正常，如果MCU100没有检测到MCU_IN信号的跳变，则判断激光发射电路200发生故障。其中，电容C9和电阻R21并联以实现对MCU_IN信号滤波。
如图1所示，所述车载激光测距装置还包括CAN通信电路500和制动控制模块600。当MCU100检测到激光发射电路200发生故障时，可以生成对应的系统故障代码，并通过CAN通信电路500将对应的系统故障代码发送给制动控制模块600，以使得制动控制模块600进行相应的处理动作，例如，在整车上进行报警显示。通过第一故障检测子电路，实现了内光路检测电路对激光发射器的故障检测，提高系统的自我故障诊断能力。
优选地，所述内光路检测电路400还包括第二故障检测子电路。该第二故障检测子电路用于对接收端电路300的故障进行检测。具体地，所述第二故障检测子电路包括三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、激光二极管D1、激光二极管D2、以及三极管Q3；其中，三极管Q3的基极通过电阻R10连接至所述PIN管感光元件P1的正极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极分别与激光二极管D1和D2的负极相连接，电阻R3与激光二极管D1的正极相连接，电阻R4与激光二极管D2的正极相连接；三极管Q1的发射极连接至5V电压，三极管Q1的基极连接至电阻R1，三极管Q1的基极通过电阻R2连接至电阻R3，三极管Q1的集电极连接至电阻R4。
其中，激光二极管D1和D2可以通过MCU100的控制进行发光和关闭操作，例如，可以由MCU100通过LED_CON信号来控制激光二极管D1和D2的发光与否。当激光二极管D1和D2发射激光时，接收端电路300能够检测到其激光信号并产生stop1和stop2信号，如果激光二极管D1和D2发射激光时，接收端电路300不能根据激光二极管D1和D2的发光产生stop1和stop2信号，则说明接收端电路300存在故障，从而实现了通过第二故障检测子电路对接收端电路300的故障进行检测。
请参阅图3，为本发明实施例提供的激光发射电路200的电路结构图。如图3所示，窄脉冲发生子电路包括窄脉冲发生器U3和电容C3，电容C3用于对窄脉冲发生器U3电源去耦。其中，窄脉冲发生器U3的VCC端连接至5V电压，GND端接地，REF端通过电容C3接地，窄脉冲发生器U3用于接收MCU输出的第一PWM控制信号和数据信号，并根据所述第一PWM控制信号和数据信号输出脉冲宽度可调的第二PWM控制信号。其中，所述第二PWM控制信号的上升沿为6ns～9ns。通常，MCU或单片机直接输出的信号上升沿时间（低电平到高电平的跃变时间）一般在30ns～100ns之间，通过窄脉冲发生器U3，可以将上升沿时间宿短至10ns以内，从而可以尽量减小信号迟滞时间，缩短系统电信号传输延迟，从而进一步提高测量精度。
另外，通过窄脉冲发生器U3，能够通过MCU100编程控制激光输出的激光脉冲的宽度，在激光发射趋于饱和之前，提高激光脉冲的宽度能够提高激光脉冲的功率，因此，本发明实施例中可以方便得实现激光脉冲的宽度和功率之间的匹配，由于激光信号的功率越高其测量的精度越高，因此也能够通过提高激光脉冲的功率来提高测量的精度。
如图3所示，驱动放大子电路包括驱动放大芯片U4和电容C2，其中，驱动放大芯片U4的INA引脚和ENB引脚用于接收窄脉冲发生器U3输出的第二PWM控制信号，驱动放大芯片U4的使能引脚ENA连接至电阻R5，ENB引脚连接至电阻R6，电阻R5和R6并联后上拉接至5V电源，驱动放大芯片U4的VCC端连接至18V电源信号，且所述VCC端通过电容C2接地，驱动放大芯片U4根据输入第二PWM控制信号获得放大后的第三PWM控制信号，并通过OUTA端和OUTB端并联输出所述第三PWM控制信号。电容C2用于对驱动放大芯片U4电源去耦。通过驱动放大子电路，能够实现5V信号到18V信号的转换，以对激光发射子电路进行驱动，同时，OUTA端和OUTB端的并联输出提高了输出驱动信号电流，保证了信号驱动的稳定性。
如图3所示，激光发射子电路包括激光发射器U5、电容C1、电阻R7、以及电阻R8，其中，激光发射器U5的1端子通过电阻R8接收驱动放大芯片U4的OUTA端和OUTB端并联输出的所述第三PWM控制信号，激光发射器U5的2端子通过电阻R7限流后连接至18V电源，且所述2端子通过电容C1接地以实现滤波和补充能量的作用，激光发射器U5的3端子接地。可以通过MCU100控制激光发射器的激光发射频率，具体可由软件控制，例如通过改变软件设置来改变激光发射频率。
请参阅图4，为本发明实施例提供的MCU100和CAN通信电路500的电路结构图。本发明实施例中，MCU100可以通过单片机芯片U1实现，U1可以采用XC878单片机芯片。CAN通信电路500包括信号转换芯片U2，U2可以采用TJA1040信号转换芯片，其采用5V电压工作。本实施例子中单色的激光二极管D1和D2可以采用OSRAN（欧司朗）的SFH4250单色激光LED，PIN管感光元件P1可以采用OSRAN的BPW34FAS，激光发射器U5可以采用OSRAN的SPLLL90-3。
需要说明的是，本发明实施例中图2至图4所示的电路结构为车载激光测距装置中各个功能模块的优选实现方式，在实现各个电路模块的功能的前提下，也可以对各个模块的电路结构进行等效的变换，或采用其它的电路结构。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种车载激光测距装置，所述车载激光测距装置包括微控制单元MCU、激光发射电路、以及接收端电路；其中，所述MCU用于提供第一PWM控制信号，所述激光发射电路用于根据所述第一PWM控制信号来发射激光，所述接收端电路用于根据被障碍物反射的激光以产生回波信号，其特征在于，
所述车载激光测距装置还包括内光路检测电路，其用于提供内光路激励信号作为触发信号计数的起始信号，其中，所述内光路激励信号为所述激光发射电路所发射的激光被部分反射所产生的信号，且所述激光通过所述激光发射电路内部进行反射；
所述MCU还用于根据所述起始信号和所述回波信号获得所述障碍物与车辆之间的距离。
2.如权利要求1所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述激光发射电路包括散射棱镜，所述激光发射电路发射的激光被所述散射棱镜部分反射，以使得所述内光路检测电路根据部分反射的反射信号生成所述内光路激励信号。
3.如权利要求2所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述内光路检测电路包括接收子电路和第一故障检测子电路，
所述接收子电路包括PIN管感光元件P1、电阻R9、电阻R12、电阻R10以及电阻R11，所述第一故障检测子电路包括三极管Q2、电阻R13、以及电容C4；其中，
所述PIN管感光元件P1用于接收所述散射棱镜部分反射的反射信号，PIN管感光元件P1的负极连接至5V电压、正极通过串联的电阻R9和R12接地，所述正极还通过串联的电阻R10与R11接地，
三极管Q2的集电极接至5V电压，三极管Q2的发射极通过并联的电阻R13和电容C4接地，三极管Q2的基极通过电阻R9连接至所述PIN管感光元件P1的正极，三极管Q2的发射极连接至所述MCU以向所述MCU输出所述内光路检测电路根据所述反射信号所得到的所述内光路激励信号。
4.如权利要求3所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述内光路检测电路还包括第二故障检测子电路，所述第二故障检测子电路包括三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、激光二极管D1、激光二极管D2、以及三极管Q3；其中，
三极管Q3的基极通过电阻R10连接至所述PIN管感光元件P1的正极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极分别与激光二极管D1和D2的负极相连接，电阻R3与激光二极管D1的正极相连接，电阻R4与激光二极管D2的正极相连接；
三极管Q1的发射极连接至5V电压，三极管Q1的基极连接至电阻R1，三极管Q1的基极通过阻R2连接至电阻R3，三极管Q1的集电极连接至电阻R4。
5.如权利要求1-4任一项所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述激光发射电路包括窄脉冲发生子电路、驱动放大子电路、以及激光发射子电路；其中，所述窄脉冲发生子电路连接至所述驱动放大子电路，所述驱动放大子电路连接至所述激光发射子电路。
6.如权利要求5所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述窄脉冲发生子电路包括窄脉冲发生器U3和电容C3，其中，
窄脉冲发生器U3的VCC端连接至5V电压，GND端接地，REF端通过电容C3接地，窄脉冲发生器U3用于接收MCU输出的第一PWM控制信号和数据信号，并根据所述第一PWM控制信号和数据信号输出脉冲宽度可调的第二PWM控制信号。
7.如权利要求6所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述第二PWM控制信号的上升沿为6ns～9ns。
8.如权利要求6所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述驱动放大子电路包括驱动放大芯片U4和电容C2，其中，驱动放大芯片U4的INA引脚和ENB引脚用于接收窄脉冲发生器U3输出的第二PWM控制信号，驱动放大芯片U4的使能引脚ENA连接至电阻R5，ENB引脚连接至电阻R6，电阻R5和R6并联后上拉接至5V电源，驱动放大芯片U4的VCC端连接至18V电源信号，且所述VCC端通过电容C2接地，驱动放大芯片U4根据输入第二PWM控制信号获得放大后的第三PWM控制信号，并通过OUTA端和OUTB端并联输出所述第三PWM控制信号。
9.如权利要求8所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述激光发射子电路包括激光发射器U5、电容C1、电阻R7、以及电阻R8，其中，
激光发射器U5的1端子通过电阻R8接收驱动放大芯片U4的OUTA端和OUTB端并联输出的所述第三PWM控制信号，激光发射器U5的2端子通过电阻R7限流后连接至18V电源，且所述2端子通过电容C1接地以实现滤波和补充能量的作用，激光发射器U5的3端子接地。
10.如权利要求3所述的车载激光测距装置，其特征在于，所述车载激光测距装置还包括CAN通信电路和制动控制模块，当所述第一故障检测子电路检测到激光发射电路发生故障时，由MCU生成对应的系统故障代码，并通过所述CAN通信电路将对应的系统故障代码发送给制动控制模块，以使得制动控制模块进行对应的处理动作。
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