CN105548988B - 一种具有多传感器的光探测与测量雷达 - Google Patents

一种具有多传感器的光探测与测量雷达 Download PDF

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Abstract

为解决光探测与测量雷达对障碍物测量的扫描次数不足，限制测距的准确度的问题。本申请提供一种具有多传感器的光探测与测量雷达，包括旋转壳体与底座，旋转壳体相对于所述底座发生旋转；两个或者多于两个红外光发射模块，固定于旋转壳体内部，发出红外探测光；两个或者多于两个光电测距单元，固定于旋转壳体内部，每个光电测距单元上包括光电传感器，所述光电传感器用于将接收的红外光信号转换为电信号；旋转驱动电机，用于带动旋转壳体匀速旋转；滑环及对应的驱动电路。本申请通过两个或者多于两个传感器的设计，相对于单传感器的光探测与测量雷达，增加了单个测量周期内的测量次数，提高距离测量精度。

Description

一种具有多传感器的光探测与测量雷达
技术领域
本申请属于光学探测雷达领域，尤其涉及一种具有两个或者多个传感器的光探测与测量雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）。
背景技术
障碍物规避是目前智能机器人、小型无人机领域研究的重要课题。智能机器人及无人机在行动过程中要实时监测周围环境障碍物，快速且准确地判断出障碍物的位置，然后及时躲避障碍物。为了躲避障碍物，就需要通过测距装置测量机器人或无人机与障碍物之间的距离。
目前市场上已有距离测试方法，主要是基于三角测量原理的激光测距技术。激光按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体后，光束会反射回来；反射回来的光线被检测器检测到以后，利用三角关系，基于发射角度、滤镜的角度及偏移距，传感器到障碍物的距离通过几何关系计算出来。但是，这种方法有明显的盲区。目前消费级的基于三角测量法的激光测距有效距离在6米以内。
替代基于三角测量法的一种方式是通过飞行时间（TOF）方法测量距离。其工作原理为由发光二极管（LED）或激光光源发出探测光，红外探测光经过透镜，发出发散角小及准直的光，该红外探测光被障碍物反射后，由红外接收器接收，通过测量发射和接收红外光的相位差，即可算出距障碍物的距离。其中当使用激光光源时，不需要发射透镜。
然而，在室外的强光下，由于太阳光中含有大量红外光束，在光探测与测量雷达装置工作时，接收器中不仅接收了反射的探测光，而且也接收了经太阳光反射的背景光，导致光探测与测量雷达测量的数值不准确。另外，现有的光学扫描探测装置中，扫描探头以顺时针或者逆时针360度旋转，在旋转的每个角度状态中，对障碍物测量的扫描次数有限，限制了测距的准确度。
发明内容
为了提高红外光探测与测量雷达的距离测量准确度与测量速度，以及减少背景红外光对测量的影响，本申请提供了一种具有两个或者多个传感器的红外光探测与测量雷达，通过两个或者多个传感器结构的设计，相对于单传感器的光探测与测量雷达，增加了单个测量周期内的测量次数，整体上提高了距离测量速度。同时在增加的测量次数基础之上，将传感器中的其中一些传感单元专门用于测量背景光，而在用于测量距离的传感器中，通过将测得的背景光数据去除，减小背景光对距离测量的影响。在可选的实施例中，通过将两个或者多于两个的传感器分别各自分开工作，在功能上互补，从而在整体上提高雷达装置的测距准确度。
本申请为解决其技术问题，是通过以下技术方案来实现的。一种具有两个或者多个传感器的光探测与测量雷达，包括旋转壳体、红外光发射模块、红外光发射透镜、红外光接收透镜、光电测距单元、底座、旋转驱动电机、滑环和对应的驱动电路。其中，红外光发射模块、红外光发射透镜、红外光接收透镜、光电测距单元各自都分别具有两个或者多于两个，在优选的实施例中各自为两个，且都固定于旋转壳体内。红外光发射透镜位于红外光发射模块发出的红外光光路上，红外光接收透镜位于光电测距单元接收的红外光光路上。光电测距单元包括光电传感器及电路组件。滑环位于旋转壳体下部的旋转中心轴处，用于光探测与测量雷达装置旋转壳体和底座之间的供电并传输数据。旋转壳体位于底座上方，在光探测与测量雷达工作状态下，旋转壳体相对于底座发生旋转。驱动电路用于为旋转壳体内的元件供电及控制。
在可选择的技术方案中，滑环由无线供电装置和无线通信装置代替。例如，在底座设置第一耦合线圈，在旋转壳体内设置第二耦合线圈，对第一耦合线圈通电，通过耦合作用，第二线圈产生电能，为旋转壳体内元件供电。另外，例如在底座设置第一无线通信装置，在旋转壳体内设置第二无线通信装置，光电测距单元的数据通信通过所述第一、第二无线通信装置传输。所述无线通信装置具体为现有已知的方式，例如光通信模块、蓝牙模块、Wi-Fi模块、NRF24L01模块等方式。
光探测与测量雷达装置具体工作过程中，固定于旋转壳体内部的红外光发射模块接收到测量命令后，以电压或者电流调制方式驱动红外光源发出红外光。红外光发射透镜位于红外光发射模块的发射光路上，经红外光发射透镜聚焦、均光及准直后，从位于旋转壳体圆周面上的透光口射向环境中。其中红外发射模块中的红外光源为发光二极管（LED）光源或者为激光光源，光源个数根据具体光强的需要设置。当选择激光为光源的技术方案时，所述的红外光发射透镜、红外光接收透镜省略去除。
其中所述红外光发射透镜为位于红外发光光源光路上的凸透镜。
发射后的红外光在空气中传播，途中遇到障碍物或者环境的边界即被反射和散射，经过反射和散射的红外光，一部分射入红外光接收透镜，红外光接收透镜聚焦后传输至光电测距单元。经过反射和散射的红外光，一部分射入红外光接收透镜，经红外光接收透镜聚焦后传输至光电测距单元。光电测距单元固定于旋转壳体内部，红外光接收透镜位于光电测距单元接收光路上。所述红外光接收透镜为两个聚光透镜，其中一个聚光透镜靠近光电测距单元，另一个聚光透镜位于旋转壳体外周面上，两个聚光透镜的光轴在一条直线上。
光电测距单元将上述接收到的红外光与发出的光进行相位比较，获取发射红外光和接收红外光的光学相位差，使用飞行时间（TOF）法计算，测得光探测与测量雷达与障碍物之间的距离。
光电测距单元上包括光电测距芯片及电路组件，其中所述光电传感器集成于光电测距芯片中，所述光电测距芯片为EPC600、EPC610或者EPC660，在可选的方案中光电传感器集成于S11961-01CR 距离线阵图像传感器中。经障碍物反射回来的红外光入射聚焦在光电测距单元的传感器后，接收的红外光信号转换成电信号。
旋转电机位于底座内部或者底座下方外部，带动旋转壳体匀速旋转，系统即可完成360度快速扫描。
在可选的技术方案中，由于两个或者多于两个传感器结构的设计，单个旋转周期内对环境的测距数据加倍，部分传感器用于探测背景环境光。
本申请通过两个或者多于两个传感器的设计，相对于单传感器的光探测与测量雷达，增加了单个测量周期内的测量次数，同时在增加的测量次数基础之上，不同传感器分开工作，例如其中一个传感器负责测量背景光，另一个传感器负责测量距离，通过将测得的背景光数据去除，减小背景光对距离测量的影响；或者两个光探测与测量雷达通过不同的频率一个用来测试远距离，一个用来测试近距离，从而最大的消除距离盲区；或者一个通过强光信号采集弱反光和散光的物体，一个用弱光信号检测高亮物体而不至于使得传感器饱和；或者两个红外光发射模块一个是LED光源以面扫描方式避免两个测试点之间的盲区，一个使用激光探测提供精准的单点距离测试。这些功能探头之间可以有更多组合方式，例如测试近距离的探头和负责测量背景光的探头组合，并且可以通过多个传感器完成多种功能同时存在。同时，光学雷达的旋转部分的寿命，通常是影响整个雷达寿命的关键因素。而这个设计可以实现不改变探测频率的情况下，转速降低为传统单向探头的1/2或者更小（降低比例随探头数量而变），这样就提高了器件的使用寿命。除此之外，这个设计可以提高系统的稳定性。例如，某一个探头工作异常时，另一个可以做补充、校准、甚至变为出现异常探头的功能。
附图说明
图1为具有多传感器的光探测与测量雷达整体结构示意图。
图2A为具有多传感器的光探测与测量雷达旋转壳体内部结构立体结构示意图。
图2B为具有多传感器的光探测与测量雷达旋转壳体内部结构俯视图。
图3为具有多传感器的光探测与测量雷达光路示意图。
具体实施方式
如图1、图2A及图2B所示，一种具有两个或者多于两个传感器的光探测与测量雷达装置，优选的实施例为具有两个光电传感器14及14’的光探测与测量雷达装置，包括旋转壳体1、红外光发射模块、红外光发射透镜11及11’、红外光接收透镜12及12’、光电测距单元、底座2、旋转驱动电机、滑环和对应的驱动电路。其中，红外光发射模块、红外光发射透镜、红外光接收透镜、光电测距单元各自都分别具有两个，且都固定于旋转壳体内。红外光发射透镜位于红外光发射模块发出的红外光光路上，红外光接收透镜位于光电测距单元接收的红外光光路上。光电测距单元包括光电传感器及电路组件。滑环位于旋转壳体下部的旋转中心轴处，用于光探测与测量雷达装置旋转壳体和底座之间的供电并传输数据。旋转壳体位于底座上方，在光探测与测量雷达工作状态下，旋转壳体相对于底座发生旋转。驱动电路用于为旋转壳体内的元件供电。
如附图2A、图2B及图3所示，光探测与测量雷达装置具体工作过程中，固定于旋转壳体内部的红外光发射模块接收到测量命令后，以电压或者电流调制方式驱动红外光源13及13’发出红外光，经红外光发射透镜聚焦、均光及准直后，从旋转壳体圆周面上的透光口3射向环境中。所述红外光发射透镜为位于红外发光光源光路上的凸透镜。其中红外光源为发光二极管（LED）光源或者为激光光源，当选择激光为光源的技术方案时，所述的红外光发射透镜、红外光接收透镜单独省略去除，或者所述的红外光发射透镜和红外光接收透镜同时省略去除。在优选的实施例中，选择LED作为红外光源，个数为4个，对称设置于光信号处理器中的光电传感器四周。
如图3所示光路示意图，发射后的红外光在空气中传播，途中遇到障碍物4或者环境的边界即被反射和散射，经过反射和散射的红外光，一部分射入红外光接收透镜，红外光接收透镜聚焦后传输至光电测距单元。所述红外光接收透镜为两个聚光透镜，其中一个聚光透镜靠近光电测距单元，另一个聚光透镜位于旋转壳体外圆周面上，两个聚光透镜的光轴在一条直线上。
光电测距单元将上述接收到的红外光与发出的红外光进行相位比较，获取发射红外光和接收红外光的光学相位差，使用飞行时间（TOF）法计算，测得光探测与测量雷达装置与障碍物之间的距离。
光电测距单元包括光电传感器14、14’及电路组件，其中所述光电传感器集成于光电测距芯片EPC600、EPC610或者EPC660中，在可选的方案中光电传感器集成于S11961-01CR距离线阵图像传感器中。经障碍物反射回来的红外光波聚焦在光电测距单元的传感器后，光信号转换成电信号，经阻抗变换放大器与主放大器耦合，由差动放大器作互补输出。
旋转电机位于底座内部或者底座下方外部，带动旋转壳体匀速旋转，系统即可完成360度快速扫描。
在可选的技术方案中，由于两个或者多个传感器结构的设计，单个旋转周期内对环境的测距数据加倍，其中部分传感器用于探测背景环境光。
在可选择的技术方案中，滑环由无线供电装置和无线通信装置代替。例如，在底座设置第一耦合线圈，在旋转壳体内设置第二耦合线圈，对第一耦合线圈通电，通过耦合作用，第二线圈产生电能，为旋转壳体内元件供电。另外，例如在底座设置第一无线通信装置，在旋转壳体内设置第二无线通信装置，光电测距单元的数据通信通过所述第一、第二无线通信装置传输。所述无线通信装置具体为现有已知的方式，例如光通信模块、蓝牙模块、Wi-Fi模块、NRF24L01模块等方式。
在可选的技术方案中，旋转驱动电机转子处设置有传动带轮，一传动带套在传动带和旋转壳体外周，电机通过传动带使得旋转壳体均匀旋转。
本申请通过两个或者多于两个传感器的设计，相对于单传感器的光探测与测量雷达，增加了单个测量周期内的测量次数，同时在增加的测量次数基础之上，不同传感器分开工作，例如其中一个传感器负责测量背景光，另一个传感器负责测量距离，通过将测得的背景光数据去除，减小背景光对距离测量的影响；或者两个光探测与测量雷达通过不同的频率一个用来测试远距离，一个用来测试近距离，从而最大的消除距离盲区；或者一个通过强光信号采集弱反光和散光的物体，一个用弱光信号检测高亮物体而不至于使得传感器饱和；或者两个红外光发射模块一个是LED光源以面扫描方式避免两个测试点之间的盲区，一个使用激光探测提供精准的单点距离测试。这些功能探头之间可以有更多组合方式，例如测试近距离的探头和负责测量背景光的探头组合，并且可以通过多个传感器完成多种功能同时存在。同时，光学雷达的旋转部分的寿命，通常是影响整个雷达寿命的关键因素。而这个设计可以实现不改变探测频率的情况下，转速降低为传统单向探头的1/2或者更小，降低比例随探头数量而变，这样就提高了器件的使用寿命。除此之外，这个设计可以提高系统的稳定性。例如，某一个探头工作异常时，另一个可以做补充、校准、甚至变为出现异常探头的功能。

Claims (8)

1.一种具有多传感器的光探测与测量雷达，包括旋转壳体与底座，旋转壳体位于底座上方，所述旋转壳体相对于所述底座发生旋转；其特征在于，所述具有多传感器的光探测与测量雷达还包括两个或者多于两个红外光发射模块，固定于旋转壳体内部，发出红外探测光，并经过旋转壳体上的透光孔射出；两个或者多于两个光电测距单元，固定于旋转壳体内部，每个光电测距单元上包括光电传感器，所述光电传感器用于将接收的红外光信号转换为电信号；旋转驱动电机，用于带动旋转壳体匀速旋转；滑环及对应的驱动电路，所述滑环用于旋转壳体和底座之间的供电并传输数据；两个传感器通过不同的频率，一个传感器用来测试远距离，一个传感器用来测试近距离，从而最大的消除距离盲区。
2.根据权利要求1所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，还包括两个或者多于两个红外光发射透镜，位于红外光发射模块发出的红外光光路上。
3.根据权利要求1或2所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，还包括两个或者多于两个红外光接收透镜，位于接收的红外光光路上。
4.根据权利要求1或2所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，所述光电测距单元获取发射红外光和接收红外光的光学相位差，使用飞行时间法测得光探测与测量雷达和障碍物之间的距离。
5.根据权利要求1或2所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，每个光电测距单元上包括光电传感器，所述光电传感器集成于光电测距芯片EPC600、EPC610或者EPC660中，或者所述光电传感器集成于S11961-01CR 距离线阵图像传感器中。
6.根据权利要求1或2所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，所述滑环由无线供电装置和无线通信装置代替。
7.根据权利要求1或2所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，所述红外发射模块中的红外光源为发光二极管或者为激光光源。
8.根据权利要求1或2所述的具有多传感器的光探测与测量雷达，其特征在于，旋转驱动电机转子处设置有传动带轮，一传动带套在传动带和旋转壳体外周，电机通过传动带使得旋转壳体均匀旋转。
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