CN105698750A - 非接触供电的低成本360度激光测距雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触供电的低成本360度激光测距雷达，该测距雷达包括非接触供电模块及测距模块，非接触供电模块包括底盘、供电线圈、供电电源及电机；测距模块包括受电单元、测距单元、无线传输数据单元、角度及转速测量单元；供电线圈、供电电源及电机设置在底盘上；电机通过减速机构与测距模块连接；测距模块设置在一轴承上并通过该轴承与底盘连接；打开供电电源，供电线圈利用电磁感应提供电力给测距模块，电机通过减速机构带动测距模块连续旋转，测距单元进行360度连续旋转拍摄并对拍摄到的图像数据进行一系列运算处理，实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，通过无线传输数据单元传输出去。
Description
技术领域
本发明属于测距技术领域，具体涉及一种非接触供电的低成本360度激光测距雷达。
背景技术
移动机器人在移动过程中需要对障碍物进行感知以确定自身的位置来达到成功避障等，考虑到精确性，在实际使用中需要安装多个测距装置来达到更好的效果。传统测距装置的供电系统采用电线滑环来连接供电，因此产品的电路寿命取决于滑环的寿命；而且设备在使用中连续360度旋转使得滑环快速消耗磨损，使用寿命有限、用户使用成本很大。在设计本发明的连续360度旋转的测距模块时，本发明采用线阵CCD，利用了线阵CCD可以实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率相应高，能够实现动态测量，并且能够在低照度下工作的特性，设计出了每秒钟可以测距1000次以上的测距设备。随着消费者对产品的要求越来越高，迫切需要开发出功能更强、体积更小、外观更美、使用寿命更长的产品。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术存在的缺陷，提供了一种非接触供电的低成本360度激光测距雷达及测距方法，相对于传统的测距雷达而言，该测距雷达的供电模块采用供电线圈和受电线圈组成的非接触供电系统来提供电力，而测距结果、转动角度、转动速度等测量数据通过无线模块传输出去，也无需数据线连接，从而实现了测距模块和底盘任何连接线相连接，同时可以保证测距模块进行高速连续360度精确测距；本发明简化了电路设计，更重要的是极大提高了整个测距装置的使用寿命，减低了用户使用成本；另一方面，简化了测距雷达整体构造，体积更小巧、美观。
在设计本发明的连续360度旋转的测距模块时，本发明采用线阵CCD，利用了线阵CCD可以实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率相应高，能够实现动态测量，并且能够在低照度下工作的特性，设计出了每秒钟可以测距1000次以上的测距设备。
本发明是通过如下技术方案实现的，一种非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于，该测距雷达包括非接触供电模块及测距模块；所述的非接触供电模块包括底盘、供电线圈、供电电源及电机；供电电源向各系统提供电源；所述测距模块包括受电单元、测距单元、无线传输数据单元、角度及转速测量单元；所述受电单元包括受电线圈、降压及稳压电路；所述供电线圈、供电电源及电机设置在所述底盘上；所述电机通过减速机构与测距模块连接；所述测距模块设置在一轴承上并通过轴承与所述底盘连接；所述受电线圈与所述供电线圈相向设置；工作时，供电电源供电给供电线圈和电机，供电线圈利用电磁感应提供电力给测距模块，测距模块的受电单元获得供电并稳压后，为测距模块的其他单元供电，电机通过减速机构带动测距模块连续旋转，测距单元在360度连续旋转的每个时间点，主动发射点激光并进行拍摄，对拍摄到的图像数据进行一系列运算处理后可以实现精确测距；测角度及速度的单元负责测量当前转动角度及转动速度；实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，最后通过无线传输数据单元传输出去。
所述的测距单元包括激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器及DSP处理单元；其中，成像透镜组进一步包括一滤光片，用以滤掉特定波长的光。
所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。
所述的用于测转动角度和转动速度的角度及转速测量单元可以基于光栅测量，也可以基于磁环测量。
所述的减速机构包括但不限于皮带传动机构、齿轮组传动机构。
所述的无线传输数据模块采用的传输协议可以为Bluetooth、WiFi、NFC、Zigbee、2.4G射频或433M射频，也可以为其他无线传输协议。
所述的受电线圈设置在测距模块的中轴所在区域上，便于始终保持与供电线圈相向设置。
上述激光测距雷达对图像数据运算处理方法如下：
1)调整激光发射器的发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面成某一角度，激光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，线阵CCD图像传感器记录对应方向的一行数字图像数据，该行图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的一行图像数据，将这一行图像数据传输给数据处理模块，实现光信号转换为电信号；
2)数据处理模块对步骤1)中所述的一行图像数据进行处理，首先进行数据平滑消除噪点，而后设定门限进行二值化；再将所有二值化后判定为高亮度线段的坐标点的坐标加起来进行平均，最后可以得到一个(Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；
3)已知激光发射器到线阵CCD镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，其中，n为上述图像中的高亮度线段质心坐标Y对应的点数，y为线阵CCD成像的总的Y轴点数；
4)同时，角度及转速测量单元记录下当前转动角度及转动速度，实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，通过无线传输数据单元传输出去。
所述的步骤2)中一行图像数据处理过程进一步包括光斑对应的线段图像的自校准过程：假设激光在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在线阵CCD上成像时，在不同的距离成像的光斑对应的线段图像的长短也不同，记录下在不同距离的光斑对应的线段长短特性和距离的关系作为自校准指标，排除掉错误测距。
该方法进一步包括无法拍摄到完整光斑某一点距离以内的物体测距方法：对其在线阵CCD范围内的不完整光斑对应的线段求取质心，同时，根据实测记录该不完整质心对应的真实距离，从而获取超出理论值的测距范围。
本发明具有如下有益效果：
1)测距模块采用非接触式供电，而测距结果、转动角度、转动速度等测量数据通过无线模块传输出去，也无需数据线连接，实现了测距模块和底盘无任何连接线连接，同时可以保证测距模块进行高速连续360度精确测距，本发明简化了电路设计，更重要的是极大的提高了整个测距装置的使用寿命，降低了用户使用成本。
2)本发明的连续360度旋转的测距模块时，采用线阵CCD，利用了线阵CCD可以实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率相应高，能够实现动态测量，并且能够在低照度下工作的特性，设计出了每秒钟可以测距1000次以上的测距设备。
3)本发明结构简单，体积小巧，在通信、航空、智能家居，尤其是机器人测距领域有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明所述的非接触供电的低成本360度激光测距雷达的结构示意图
图2为本发明所述的非接触模块结构示意图
图3为本发明所述的测距模块结构示意图
图4为本发明所述的DSP处理单元示意图
图5为本发明所述的激光测距方法原理图
图6为二值化处理后的激光光斑对应的线段图像效果图
图7为近距离拍照的不完整光斑对应的线段图像示意图
图中符号表示：1：非接触供电模块；2：测距模块；3：减速机构；4：轴承
11：底盘；12：供电线圈；13：供电电源；14：电机
21：受电单元；22：测距单元；23：无线传输数据单元；24：角度及转速测量单元；211：受电线圈；212：降压及稳压电路
221：激光发射器；222：成像透镜组223：线阵CCD图像传感器；224：DSP处理单元；
2241：FIFO模块；2242：DSP电路；2243：连接导线
a-近距离光斑对应的线段图像；b-远距离光斑对应的线段图像；c-中距离光斑对应的线段图像
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
结合附图1、图2及图3，一种非接触供电的低成本360度激光测距雷达，该测距雷达包括非接触供电模块1及测距模块2；所述的非接触供电模块1包括底盘11、供电线圈12、供电电源13及电机14；供电电源13向各系统提供电源；所述测距模块2包括受电单元21、测距单元22、无线传输数据单元23、用于测转动角度和转动速度的角度及转速测量单元24；所述受电单元21包括受电线圈211、降压及稳压电路212；所述供电线圈12、供电电源13及电机14固定在所述底盘11上；所述电机14通过减速机构3与测距模块2连接；所述的测距模块2设置在一轴承4上并通过该轴承4与所述底盘11连接；所述的受电线圈211与所述供电线圈12相向设置。
工作时，供电电源13供电给供电线圈12和电机14，供电线圈12利用电磁感应提供电力给测距模块2，测距模块2的受电单元211获得供电并稳压后，为测距模块2的其他单元供电，电机14通过减速机构3带动与轴承4连接的测距模块2连续旋转，测距单元22在360度连续旋转的每个时间点，主动发射点激光并进行拍摄，对拍摄到的图像数据进行一系列运算处理后可以实现精确测距；角度及转速测量单元24负责测量当前转动角度及转动速度；实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，最后通过无线传输数据单元23传输出去。
本实施方式中，角度及转速测量单元24可以基于光栅测量，也可以基于磁环测量；无线传输数据模块23采用的传输协议可以为Bluetooth、WiFi、NFC、Zigbee、2.4G射频或433M射，也可以为其他无线传输协议；所述的减速机构3包括但不限于皮带传动机构、齿轮组传动机构。本实施例中，受电线圈211优选设置在测距模块2的中轴所在区域上，便于始终保持与供电线圈12相向设置。
所述测距单元22包括激光发射器221、成像透镜组222、线阵CCD图像传感器223及DSP处理单元224；激光发射器221发出激光光束照射到待测目标物体表面，发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组222共同成像于线阵CCD图像传感器223上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，线阵CCD图像传感器223把图像数据传输给DSP处理单元224，实现光信号转换为电信号，经DSP处理单元224采集光斑映射所成的高亮线段，并计算其质心，进而计算出待测距离。
附图4为本发明所述的DSP处理单元示意图，DSP处理单元224包括FIFO模块2241、DSP电路2242、连接导线2243；成像透镜组222进一步包括一滤光片，滤光片安装在所述透镜组222前端，用以滤掉特定波长的光。
附图5为本发明所述的激光测距方法原理图，结合附图5进一步表述非接触供电的低成本360度激光测距雷达的测距方法：
1)调整激光发射器，使激光发射方向与线阵CCD图像传感器所在平面所成一个特定的角度，本实施例中为84.3°，也就是说激光发射器延长线与镜头组中线延长线的角度为5.7°。激光器和镜头组保持一个适当的距离，本实施例中为5cm。同时本发明中所述的角度和距离可以根据使用的镜头组和设计测距指标等进行调节。从激光发射器A发出的激光束照射到待测目标物体C表面发生漫反射，反射的光斑与当前视场角内的物体经成像透镜组共同成像于线阵CCD图像传感器上，激光光斑成像为一段高亮度线段，其他背景成像为比较低亮度的数据，线阵CCD图像传感器记录对应方向的一行数字图像数据，该行图像记录了当前时间镜头视场角内的数字化了的一行图像数据，将这一行图像数据传输给DSP处理单元，实现光信号转换为电信号；
2)DSP处理单元对步骤1)中的一行图像数据进行处理，首先进行数据平滑消除噪点，而后设定门限进行二值化，图6为二值化处理后的激光光斑对应的线段图像效果图；再将所有二值化后判定为高亮度线段的坐标点加起来进行平均，最后可以得到一个(Y)的坐标值，这个坐标值就是质心点所在位置，质心坐标Y对应从成像照片最下方开始数第n个点；
假设激光发射到目标物体上，在目标物体上形成的光斑比较固定，那么在线阵CCD上成像时，在不同的距离成像的光斑对应的线段图像的长短也不同，在近距离，成像的光斑对应的线段图像的长，线段长度可能为几十个像素点；在远距离，例如5米处，成像的光斑对应的线段短，线段长度可能只有几个像素点；记录下在不同距离的光斑对应的线段长短特性和距离的关系作为自校准指标，对于不符合该特性的测量可以判定为是一次失败的测距，丢弃本次测距。
3)已知激光发射器到线阵CCD镜头组的距离p和镜头组的视场角2α，带入公式计算出待测距离d1，其中，n为上述图像中的高亮度线段质心坐标Y对应的点数，y为线阵CCD成像的总的Y轴点数；
结合图5、图7，G点为理论上最近测距距离，但由于激光光斑不是一个像素点，而是成像为一段高亮度线段，所以最近测距在I点；同样的，H点以内的距离都不能拍照到比较完整的图像光斑；对H点以内的在线阵CCD图像传感器范围内的不完整光斑对应的线段求取质心，同时，根据实测记录该不完整质心对应的真实距离，从而获取超出理论值的测距范围。
前述实施例和优点仅是示例性的，并不应被理解为限制本公开。本发明可容易地应用于其它类型的设备。此外，本公开的示例性实施例的描述是解释性的，并不限制权利要求的范围，许多的替换、修改和变化对于本领域技术人员来说是明显的。
Claims (6)
1.一种非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于，该测距雷达包括非接触供电模块及测距模块；所述的非接触供电模块包括底盘、供电线圈、供电电源及电机；供电电源向各系统提供电源；所述测距模块包括受电单元、测距单元、无线传输数据单元、角度及转速测量单元；所述受电单元包括受电线圈、降压及稳压电路；所述供电线圈、供电电源及电机设置在所述底盘上；所述电机通过减速机构与测距模块连接；所述测距模块设置在一轴承上并通过轴承与所述底盘连接；所述受电线圈与所述供电线圈相向设置；工作时，供电电源供电给供电线圈和电机，供电线圈利用电磁感应提供电力给测距模块，测距模块的受电单元获得供电并稳压后，为测距模块的其他单元供电，电机通过减速机构带动测距模块连续旋转，测距单元在360度连续旋转的每个时间点，主动发射点激光并进行拍摄，对拍摄到的图像数据进行一系列运算处理后可以实现精确测距；测角度及速度的单元负责测量当前转动角度及转动速度；实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，最后通过无线传输数据单元传输出去。
2.根据权利要求1所述的非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于：所述的测距单元包括激光发射器、成像透镜组、线阵CCD图像传感器及DSP处理单元；
其中，所述的成像透镜组进一步包括一滤光片，用以滤掉特定波长的光；
所述的DSP处理单元包括FIFO模块、连接导线、DSP电路。
3.根据权利要求1所述的非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于：所述的角度及转速测量单元可以基于光栅测量，也可以基于磁环测量。
4.根据权利要求1所述的非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于：所述的减速机构包括但不限于皮带传动机构、齿轮组传动机构。
5.根据权利要求1所述的非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于：所述的无线传输数据模块采用的传输协议可以为Bluetooth、WiFi、NFC、Zigbee、2.4G射频或433M射频，也可以为其他无线传输协议。
6.根据权利要求1所述的非接触供电的低成本360度激光测距雷达，其特征在于：所述的受电线圈设置在测距模块的中轴所在区域上，便于始终保持与供电线圈相向设置。
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