CN105242277B - 一种带背景抑制的立体区域测距传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带背景抑制的立体区域测距传感器，包括指示模块，通信模块，输出模块，MCU，电源部分，专用芯片，设置模块及LED发射电路；所述指示模块用于示意系统工作在不同模式；通信模块用于MCU来上位机以及和输出模块的通信；输出模块用于系统输出信号给其它控制部分使用；MCU微处理器模块用于处理各种数据及协调各个模块；电源部分用于给系统供电；设置模块用于设置系统的工作模式；LED发射电路用于向空间发射调制信号；专用芯片用于控制LED发射，采集返回来的信号，放大，处理信号然后输出距离信息给MCU。

Description

一种带背景抑制的立体区域测距传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体地说，特别涉及到一种带背景抑制的立体区域测距传感器。

背景技术

随着工业的发展，人们对检测的要求越来越高，特别是检测物的种类颜色形状都逐渐增多，但是目前市场上主流的传感器对物体的颜色很敏感，即同一款传感器对白色的物体和对黑色的物体输出两种不同的开关量，虽然有很多公司都开发出了具有一定背景抑制功能的传感器，但是效果并不是很理想，它们对白色的物体和黑色物体测得误差一般都接近10％，特别是检测距离更远时，黑白物体之间的误差更大。

随着科技的发展，人们对传感器的要求越来越高，传感器使用的环境也越来越复杂，目前市场上主流的区域传感器因为它只能检测一个单一的面，而且只能检测发射器与接收器这间的区域，它也无法满足人们的需求。如在饮料，制酒及化工产业中，这些公司在产品包装时，经常会出现这个现象，在包装好的一整箱中，出现漏个一瓶或者两瓶。这些传统的区域传感器，不适合这样场合。人们只能每个该瓶的地方都配一个传感器检测，检测是否有漏瓶，这种方案使用的传感器数量多，成本高，安装不方便。针对这种情况设计一种立体的传感器，不但能够克服目前使用的区域传感器无法检测延着光轴方向的问题，而且能够检测立体空间的传感器更适用于复杂的检测环境，同时检测范围也更广泛，检测物体种类更多。

在工业控制上，随着自动化的提高，越来越多的货物都是小车自动运输传递，但是小车自动运输的过程中，经常会出现小车的运输途中有物体突然掉落挡住，或者突然有人经过，这时就会发生一些不必要的碰撞事故，对人造成一定的伤害以及对公司财产都会造成一定的损失。因此，车载前方障碍物检测系统越来越受到人们的重视。

1)背景抑制的技术方案

背景抑制功能的实现是利用了光学三角测距原理，不同距离的物体反射回来的光线，经过接收透镜聚焦后形成的光斑位置不同，传感器检测光斑位置，判定物体是否在关断点内，实现了检测距离不衰减，现有的实现方案主要有两种：

其一，是采用光电位置传感器PSD器件进行接收光斑位置检测，通过光斑位置其可以判断目标物的距离远近。

参见图1，发射脉冲驱动电路，发射器，被检测物，PSD位置传感器将接收光点的位置信息转换成两路电流信号I1和I2，双路前置放大电路实现电流转电压并进行信号放大，双通道同步模数转换电路通过CH1和CH2的ADC通道实现信号的同步采集，将其转化为数字量，SPI串行数据采集接口将数字量信号传送给MCU，MCU微处理芯片对数据信号进行运算处理。

其二，是采用实现方案是采用双单元接收二极管，鉴别光斑位置在近光区或远光区域，通过两路前置放大，滤波，再进行差放大，阈值比较，MCU处理判断，完成远近光区域的接收光信号强度的比对，以判断目标位置。

参见图2，发射脉冲驱动电路，发射器，被检测物，双单元接收二极管，双路前置放大电路，差分放大电路，阈值比较电路，MCU微处理芯片。发射信号被设定成脉冲输出，当远光区域信号强度大于近光区域信号强度，即可认定为检测区域内没有目标物，反之认定为有目标物，通过运算放大器可以提高信号的分辨率，差分放大电路比较并放大差值信号，阈值比较电路是由比较器加参考电压构成，判断差值信号的幅值，MCU进行信号处理。

2)传统的区域传感器检测方案

参见图3，该方案是由发射器和接收器两部分组成，发射器发射光束被接收器接收到，当有物体挡住部分光线时，接收器通过输出线会输出信号，示意检测区域内有物体。

该类区域传感器，所检测的物体运动方向只能是垂直于光轴方向，并且检测的范围受发射器和接收器的长度所限，增加检测区域就必须增加发射器和接收器的长度。

3)障碍检测系统的技术方案

参见图4，该系统主要是由设置模块，中央处理模块，输出模块，电源模块，探测障碍物模块及测距模块组成。

其中：设置模块，指用来设置系统的功能；中央处理模块是用来处理相关数据；输出模块是用来输出信息给控制系统；电源模块是用来给系统供电；探测障碍物模块是用来探测障碍物；测距模块是用来测出障碍物跟传感器的距离。测距模块可以是：激光测距模块，超声波测距模块，红外线测距模块，微波测距模块。

1.目前测距技术的缺点

第一、激光测距所使用的成本太高。第二、超声波测距不适合于复杂的工业环境，工业环境越复杂受干扰越大。第三、红外测距精度不高。第四、微波测距检测的距离短。

2.背景技术抑制的缺点

第一、距离的准确性受结构的影响大，即对结构要求高。第二、背景抑制所测得的误差受距离的影响大，即检测距离越大，所测得误差越大。

第三、传感器采用模拟电路进行放大，处理传感器抗干扰能力比较弱。

3.区域传感器的缺点

第一，光幕传感器的检测范围仅为一面，无法实现空间的检测；如果要实现空间检测必须多个产品配合使用；第二、光幕传感器的检测区域为发射器与接收器之间的区域即垂直与光轴方向，且只能检测物体的运动方向与光轴方向垂直，无法检测延着光轴方向运动的物体。

4)车载障碍系统的缺点

其检测的区域为一个面，即为一扇形的平行于地面的水平面。无法识别悬空于其检测面的物体。

检测的距离不准确，其受检测物体的颜色、光泽，大小等不同其检测距离也不同，即不带背景抑制功能。

其测量的精度受测距传感器的影响，选择激光测距传感器则成本高，选择超声波测距传感器则容易受到工业环境的干扰，选择红外测距传感器，则其测量的精度不太高，选择微波测距则受测量的距离比较近适用于范围小。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种带背景抑制的立体区域测距传感器，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种带背景抑制的立体区域测距传感器，包括指示模块，通信模块，输出模块，MCU，电源部分，专用芯片，设置模块及LED发射电路；所述指示模块用于示意系统工作在不同模式；通信模块用于MCU来上位机以及和输出模块的通信；输出模块用于系统输出信号给其它控制部分使用；MCU微处理器模块用于处理各种数据及协调各个模块；电源部分用于给系统供电；设置模块用于设置系统的工作模式；LED发射电路用于向空间发射调制信号；专用芯片用于控制LED发射，采集返回来的信号，放大，处理信号然后输出距离信息给MCU。

进一步的，所述传感器具有背景抑制功能，其步骤如下：

首先MCU发送命令给专用芯片开始测量，专用芯片控制LED发出调制波，当调制波遇到检测体返回给专用芯片，专用芯片根据返回来光信号进行计算处理，输出距离信息给MCU；

当检测体的颜色，对上的角度及表面状况发生变化时，检测体反射回去给专用芯片光的信号强度是不一样的，本发明把这些情况统称为检测体的反射率发生改变；当检测体的反射率发生改变时，MCU通过专用芯片控制LED发光时间即t,控制方式为：当检测体的反射率增加时，MCU控制专用芯片减小时间t；当检测体的反射率减小时，MCU控制专用芯片增加时间t；然后MCU根据返回来信号的幅值A以及LED的发光时间T，它们的比值R＝A/T，来识别物体的反射率，然后根据不同的R值进行补偿校正，实现不同反射率物体都能够准确的检测其距离信息，从而实现背景抑制的功能,该方案是通过LED的发光时间和返回信号光强度两个参数实现背景抑制功能，相对于使用普通的接收管采用三角测距的原理实现的背景抑景具有更好的背景抑制功能检测的距离信息更准确。

进一步的，所述传感器具有立体区域检测功能，其步骤如下：

1)所述专用芯片具有由8*8个接收管按照矩阵的方式排列成的一个面；

2)每个接收管都能够单独的接收前方物体反射回来的光信息，并且能够根据光信号的强度线性的输出信号的幅值；

3)每个接收管都能够自动的计算出传感器距检测体之间的距离信息。

进一步的，所述传感器具有前方障碍物检测功能，其实现方法如下：

所述传感器安装在小车上面，由于传感器的检测区域是立体的，故它不但能够在运动过程中检测到前方立在地面上的物体，也能够检测到悬空的物体。

进一步的，所述传感器具有复杂环境检测功能，其实现方法如下：

把检测区域范围分成64个立体的检测区域，当设定传感器时，传感器把每个区域内的背景距离信息分别记录下来，当检测区域内有检测体时，传感器探测的64个区域中，其中一个或者多个区域内的距离信息都会发生改变，这时传感器输出信息，示意检测区域内有检测体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、采用TOF技术实现距离检测，具有优越的性价比。运用光学技术实现距离测量，让该产品能够应用于更加复杂的工作环境，具有更强的抗干扰能力。相对于激光测距，具有更低的成本。

2、背景抑制效果：减小了传统的传感器检测黑白物体误差大的问题；该方案可以实现3米至5米的背景抑制，增加了检测范围。

3、立体检测效果:可以检测立体区域的物体，可以在多种复杂环境中使用。使用本方案，可以代替饮料行业使用多个传感器检测包装是否漏装的现象；也可以代替常规的小车障碍物检测以及AGV小车上使用的障碍检测；也可以代替部分光幕产品的应用范围。

4、适用的多种复杂环境的检测的功能。克服传统的传感器在检测区域内有其它物体无法正常检测的缺陷，很大程度上提高了该传感器的应用范围。

附图说明

图1为本发明所述的现有PSD实现背景抑制技术示意图。

图2为本发明所述的现有双单元接收二极管的示意图。

图3为本发明所述的光幕产品的检测示意图。

图4为本发明所述的障碍检测系统的示意图。

图5为本发明所述的系统的组成结构示意图。

图6为本发明所述的TOF测时间原理。

图7为本发明所述的背景抑制实现原理。

图8为本发明所述的立体区域检测空间图。

图9为本发明所述的前方障碍的检测示意图。

图10为本发明所述的复杂环境的检测示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图5，本发明主要是由指示模块，通信模块，输出模块，MCU，电源部分，专用芯片，设置模块及LED发射电路组成，

指示模块：用来示意系统工作在不同模式；通信模块，主要是用来MCU来上位机以及和输出模块的通信；输出模块，主要是用来系统输出信号给其它控制部分使用；MCU微处理器模块主要是用来处理各种数据及协调各个模块；电源部分，给系统供电；设置模块，设置系统的工作模式；LED发射电路，系统向空间发射调制信号。专用芯片：主要是用来控制LED发射，采集返回来的信号，放大，处理信号然后输出距离信息给MCU。

该系统使用的专用芯片自带信号的转换、放大、滤波比其它使用多个器件组合使用的电路具有更高的稳定性，更强的抗干扰能力。同时该芯片具有12位的ADC具有很高的分辨率。

该系统可以设定检测距离的上限，当检测范围小时可以缩小检测范围上限，提高ADC的分辨率从面提高检测距离的精度。当检测范围更大时，可以设定大范围的检测距离，从而能够检测更远的检测距离。

参见图6，本方案采用的TOF(TimeOfFlight)技术实现距离的测量，首先MCU给专用芯片发送开始测量命令，专用芯片控制LED连续发送一系列的调制脉冲(分四次发送)同时记录发出去信号的周期及幅值，发射去的调制光信号遇到障碍物后反射回来给专用芯片，专用芯片分别记下四次返回信号的幅值，分别做为0度，90度，180度和270度的幅值。然后按照以下公式计算出光从发射到返回来信号的时间。公式为：

故距离信息可以用以下公式计算出：

其中，D所测得距离信息单位m；C光在真空中的速度300000000m/s调制光的频率；光在传播过程中的飞行时间产生的相位差；DCS0～DCS3信号采样的幅值。采用TOF(TimeOfFlight)技术实现测距相比于激光测距采用的光学三角法使用的线性CCD阵列和时分法使用分辨3ps时间的器件，具有超低的成本，并且具体光学测距的广泛的应用环境。

参见图7，所述传感器具有背景抑制功能，其步骤如下：

首先MCU发送命令给专用芯片开始测量，专用芯片控制LED发出调制波，当调制波遇到检测体返回给专用芯片，专用芯片根据返回来光信号进行计算处理，输出距离信息给MCU；

当检测体的颜色，对上的角度及表面状况发生变化时，检测体反射回去给专用芯片光的信号强度是不一样的，本文把这些情况统称为检测体的反射率发生改变；当检测体的反射率发生改变时，MCU通过专用芯片控制LED发光时间即t,控制方式为：当检测体的反射率增加时，MCU控制专用芯片减小时间t；当检测体的反射率减小时，MCU控制专用芯片增加时间t；然后MCU根据返回来信号的幅值A以及LED的发光时间T，它们的比值R＝A/T，来识别物体的反射率，然后根据不同的R值进行补偿校正，实现不同反射率物体都能够准确的检测其距离信息，从而实现背景抑制的功能,该方案是通过LED的发光时间和返回信号光强度两个参数实现背景抑制功能，相对于使用普通的接收管采用三角测距的原理实现的背景抑景具有更好的背景抑制功能检测的距离信息更准确。

参见图8，所述传感器具有立体区域检测功能，其步骤如下：

1)所述专用芯片具有由8*8个接收管按照矩阵的方式排列成的一个面；

2)每个接收管都能够单独的接收前方物体反射回来的光信息，并且能够根据光信号的强度线性的输出信号的幅值；

3)每个接收管都能够自动的计算出传感器距检测体之间的距离信息。

这样专用芯片与最大检测距离之间就构成了一个立体的可检测区域。在该检测区域任何一个地方有检测体，其某个点或者几点的距离信息就会改变，MCU通过SPI的方式与专用芯片通信，当MCU检测到其距离信息改变，就会控制输出部分做出相应的输出响应。本方案不但能够检测垂直于光轴方向的检测体，而且也能够检测延着光轴方向运动的检测物。

参见图9，所述传感器具有前方障碍物检测功能，其实现方法如下：

所述传感器安装在小车上面，由于传感器的检测区域是立体的，故它不但能够在运动过程中检测到前方立在地面上的物体，也能够检测到悬空的物体。本发明的传感器带有背景抑制功能，故不管前方障碍是什么颜色，什么光泽都不影响其检测距离。克服传统的障碍检测系统什对不同的检测物会设定不同的检测距离以防撞上。

参见图10，所述传感器具有复杂环境检测功能，其实现方法如下：

把检测区域范围分成64个立体的检测区域，当设定传感器时，传感器把每个区域内的背景距离信息分别记录下来，当检测区域内有检测体时，传感器探测的64个区域中，其中一个或者多个区域内的距离信息都会发生改变，这时传感器输出信息，示意检测区域内有检测体。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种带背景抑制的立体区域测距传感器，其特征在于：包括指示模块，通信模块，输出模块，MCU，电源部分，专用芯片，设置模块及LED发射电路；所述指示模块用于示意系统工作在不同模式；通信模块用于MCU来上位机以及和输出模块的通信；输出模块用于系统输出信号给其它控制部分使用；MCU微处理器模块用于处理各种数据及协调各个模块；电源部分用于给系统供电；设置模块用于设置系统的工作模式；LED发射电路用于向空间发射调制信号；专用芯片用于控制LED发射，采集返回来的信号，放大，处理信号然后输出距离信息给MCU；

所述传感器具有背景抑制功能，其步骤如下：

首先MCU发送命令给专用芯片开始测量，专用芯片控制LED发出调制波，当调制波遇到检测体返回给专用芯片，专用芯片根据返回来光信号进行计算处理，输出距离信息给MCU；

当检测体的反射率发生改变时，MCU通过专用芯片控制LED发光时间即t,控制方式为：当检测体的反射率增加时，MCU控制专用芯片减小时间t；当检测体的反射率减小时，MCU控制专用芯片增加时间t；然后MCU根据返回来信号的幅值A以及LED的发光时间T，它们的比值R＝A/T，来识别物体的反射率，然后根据不同的R值进行补偿校正，实现不同反射率物体都能够准确的检测其距离信息。

2.根据权利要求1所述的带背景抑制的立体区域测距传感器，其特征在于：所述传感器具有立体区域检测功能，其步骤如下：

1)所述专用芯片具有由8*8个接收管按照矩阵的方式排列成的一个面；

2)每个接收管都能够单独的接收前方物体反射回来的光信息，并且能够根据光信号的强度线性的输出信号的幅值；

3)每个接收管都能够自动的计算出传感器距检测体之间的距离信息。

3.根据权利要求1所述的带背景抑制的立体区域测距传感器，其特征在于：所述传感器具有前方障碍物检测功能，其实现方法如下：

所述传感器安装在小车上面，由于传感器的检测区域是立体的，故它不但能够在运动过程中检测到前方立在地面上的物体，也能够检测到悬空的物体。

4.根据权利要求1所述的带背景抑制的立体区域测距传感器，其特征在于：所述传感器具有复杂环境检测功能，其实现方法如下：

把检测区域范围分成64个立体的检测区域，当设定传感器时，传感器把每个区域内的背景距离信息分别记录下来，当检测区域内有检测体时，传感器探测的64个区域中，其中一个或者多个区域内的距离信息都会发生改变，这时传感器输出信息，示意检测区域内有检测体。