CN105700131B - 一种用于机器人的后视光学扫描装置 - Google Patents

一种用于机器人的后视光学扫描装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种后视光学扫描镜组与扫描装置，解决测距雷达安装在机器人前方造成的后向扫描浪费，无法获得机器人后方物体距离信息的缺点。包括第一反射镜与第一透镜，第一反射镜将照射到其上的入射扫描光线反射至第一透镜，第一透镜将扫描光线透射到第二反射镜，第二反射镜位于第一透镜透过的扫描光线光路上，第二反射镜将扫描光线反射，反射的扫描光线依次透射过第二透镜与第三透镜，透射到第三反射镜，第三反射镜将扫描光线反射至第四透镜，第四透镜将扫描光线透射至第四反射镜，射出光线。从而实现将机器人前方的测距雷达后向扫描光转化为机器人后方的后视扫描光，对机器人后方的盲区进行扫描。

Description

一种用于机器人的后视光学扫描装置
技术领域
本申请提供了一种控制光束传播方向的光学装置，特别是一种与安装在机器人前方的旋转扫描式测距雷达配合使用的光学装置，用于将测距雷达向后水平扫描的、原本被机器人前面板遮挡浪费的探测光，转化为在机器人后方的后视水平扫描探测光。
背景技术
机器人、无人机、扫地机等智能设备为了实现自主移动，需要对工作环境进行探测，目前多使用测距雷达来探测自身与工作环境中物体之间的距离。测距雷达通过发出探测光，照射入工作环境中，该探测光遇到物体之后被反射，该被反射的探测光束被测距雷达中的光信号处理单元所接收，光信号处理单元基于三角测量、飞行时间等方法计算得到自身与工作环境中物体之间的距离。
机器人使用的测距雷达多采用以下两种安装方式，其一是将机器人机体中腹的相应高度的一层挖空，在其中安置雷达，该方法的主要缺陷是对于上方能够承载的重量和负载物的尺寸有较大限制。另一种方法是将测距雷达安装在机器人前方，该方法的主要缺陷有以下两点：1、当在旋转朝向后方时，由于探测光被机器人前面板遮挡，无法采集有效的测距信息，造成浪费；2、旋转扫描只能得到机器人前方约180°内的距离信息，对于机器人后方物体的距离信息无法探测。
针对目前将测距雷达安装在机器人前方的方案所造成的后向水平扫描浪费，以及无法获得机器人后方物体距离信息的缺点，本申请将给出一种由若干聚焦透镜和平面反射镜组成的光学镜组，将机器人前方的测距雷达旋转朝向后方时的水平扫描光，转化为机器人后方的后视水平扫描光，将原本浪费的后向扫描光利用起来，以获取机器人后方物体的距离信息。
发明内容
本申请提供
一种用于机器人的后视光学扫描装置，包括机器人、用于探测机器人周围物体位置信息的测距雷达和后视光学扫描镜组，所述测距雷达位于机器人的前方，所述后视光学扫描镜组包括第一反射镜(M1)与第一透镜(L1)，所述第一反射镜(M1)将照射到其上的入射扫描光线反射至所述第一透镜(L1)，所述第一透镜(L1)将扫描光线透射到第二反射镜(M2)，第二反射镜(M2)位于第一透镜(L1)透过的扫描光线光路上，所述第二反射镜(M2)将扫描光线反射，反射的扫描光线依次透射过第二透镜(L2)与第三透镜(L3)，透射到第三反射镜(M3)，所述第三反射镜(M3)将扫描光线反射至第四透镜(L4)，第四透镜(L4)将扫描光线透射至第四反射镜(M4)，所述第四反射镜(M4)将扫描光线反射出，其中，所述后视光学扫描镜组将入射到第一反射镜(M1)上的扫描光线转化为从第四反射镜(M4)反射出的后视扫描光线；
所述后视光学扫描镜组将机器人前方的测距雷达后向扫描光转化为机器人后方的后视扫描光，其中第一反射镜(M1)位于机器人与测距雷达之间；
所述测距雷达位于机器人的前方中央处，后向扫描光入射扫描角度α，测距雷达底面半径R，后向扫描光光束直径a，雷达与第一反射镜(M1)距离d1之间需要满足：
后向水平扫描角度为β，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，因此f1、f2、f3和f4之间需要满足：
经过第一透镜透过的光线传播方向，与经过第三反射镜反射的光线传播方向相反。第二反射镜以所述第一透镜后焦点为中心旋转45度安置，所述第二反射镜将光线传播方向改变90度；所述第三反射镜以第三透镜后焦点为中心旋转45度安置，所述第三反射镜将光线传播方向改变90度。照射到第一反射镜上的入射扫描光线传播方向与从第四反射镜反射出的扫描光线传播方向相同。第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜为汇聚透镜，所述第二透镜与所述第三透镜的焦距相等。
入射到第一反射镜上的入射扫描光线为平行光束，第一透镜将反射到其上的扫描光线汇聚到第二反射镜上。第二透镜将发散的被第二反射镜反射的扫描光线准直成平行光，所述第三透镜将平行光线聚焦到第三反射镜。
在可选的实施例中，后视光学扫描镜组不包括所述第二透镜和第三透镜，所述第二反射镜将扫描光线反射，反射的扫描光线直接射入到第三反射镜，所述第二反射镜与所述第三反射镜的夹角为90度，所述照射到所述第一反射镜上的入射光线为发散光束，经过第一透镜透射为平行光束。
本申请还公开了一种用于机器人的后视光学扫描装置，包括机器人、用于探测机器人周围物体位置信息的测距雷达和后视光学扫描镜组，所述测距雷达位于机器人的前方，所述后视光学扫描镜组将机器人前方的测距雷达后向扫描光转化为机器人后方的后视扫描光，其中第一反射镜位于机器人与测距雷达之间。
本申请的技术方案具体为一种将机器人前方的测距雷达后向扫描光转化为机器人后方的后视水平扫描光的光学装置，由参数组(H,W,α,β,a,R,d1,d2,f1,f2,f3,f4)来表征，其中H为矩形机器人前面板的长度，W为矩形机器人的侧面板的长度，α为入射装置的后向水平扫描光旋转过的角度(α<90°)，β为从装置中出射的后视水平扫描光旋转过的角度，a为相位测距雷达发出的准直光束的直径，R为圆柱体测距雷达底面半径，d1为相位测距雷达中的光源距离装置中第一面反射镜M1的距离，d2为出射后向扫描光束汇聚处与最后一面反射镜M4的距离，f1～f4为透镜L1～L4的焦距。具体光学结构以及各个参数的含义如图1所示，建立右手空间直角坐标系如图1所示，扫描测距雷达沿z轴旋转，其探测光束中心一直在z＝0平面上，当探测光出射方向与y轴正向夹角为钝角时，称为前向水平扫描，当探测光出射方向与y轴正向夹角为锐角时，为后向水平扫描，在没有后视水平扫描装置时，大部分后向扫描光直接被机器人前面板遮挡，无法获取机器人后方的物体位置信息。当有后视水平扫描装置时，在y轴正向附近α角度范围内的后向水平扫描光被M1接收，随后在装置中经过反射镜和透镜的折转、聚焦和再准直，最终从M4出射，形成后视水平扫描光，获得物体后方β角度范围内的物体距离信息。
在测距雷达旋转测距的过程中，雷达发出具有一定宽度的平行光，其出射方向在z＝0平面内沿z轴不断匀速旋转，当雷达旋转朝向后方(图1中y轴正向)与y轴正向夹角为范围内时，探测平行光束从M1进入后视扫描光学装置，由M1折转90°，沿x轴正向入射到透镜L1，由于经过折转后雷达旋转的中心(即坐标原点)恰好在透镜L1的焦点上，因此在范围内的水平扫描光束经过L1后都会沿着x轴正向传播，但是原本是平行光束的各个方向的探测光经过L1后将汇聚在距离L1之后f1的平面上(即L1的后焦面上)，以L1后焦点为中心安置90°折转镜M2，使得各个光束在M2附近聚焦后，折转90°沿着y轴正向发散传播f2的距离，入射到L2上，此时各个发散光束自身都被L2重新准直成为平行光，但是各个角度的平行光束汇聚在L2后焦点处，之后再发散传播f3，入射到L3上，各个角度的平行光束再次都沿着y轴正向传播，但是平行光束由于L3的汇聚作用聚焦到L3后距离为f3的平面上(即L3的后焦面上)，以L3后焦点为中心安装90°折转镜M3，使得各个光束在M3附近聚焦后，折转90°沿x轴负方向发散入射到透镜L4，L4使得各个发散光束重新准直为平行光束，但各个平行光束不再沿x轴负向传播，而是朝一点汇聚，经过M4折转90°后形成在机器人后方的后视水平扫描。入射装置的各个角度的探测光束在装置中反复聚焦，再准直以及折转的过程可以在图4的仿真中清晰地看出。
在可选的实施例中，测距雷达旋转测距的过程中，雷达发出的探测光不是平行光，而是具有一小角度的发散探测光束，第一透镜L1将由第一反射镜M1反射的散射光整形为平行光，该平行光。在此实施例中，透镜L2和透镜L3可以省略，在具有透镜L2和透镜L3的实施例中，透镜L2与透镜L3具有相同的焦距，入射到反射镜M1的光线方向与从反射镜M4反射出的光线方向一致；而在不具有透镜L2和透镜L3的实施例中，入射到反射镜M1的光线方向与从反射镜M4反射出的光线以y轴为对称的方向。
当(H,W,α,β,a,R,d1,d2,f1,f2,f3,f4)参数组唯一确定时，后视水平扫描装置中平面反射镜M1～M4和聚焦透镜L1～L4的位置、尺寸、透镜焦距等参数也得到唯一确定。下面介绍各个参数之间的约束关系。
由于圆柱体测距雷达具有一定的尺寸，为了防止第二象限中的后向扫描光经过M1折转后被测距雷达外壳遮挡，所以入射扫描角度α，圆柱体底面半径R，光束直径a和雷达与M1距离d1之间需要满足：
当R与a已知，设计需要满足的α值给定时，由上式可以确定d1。如果测距雷达处于机器人前方中央处，则f1需要满足：
当H值已知，设计需要满足的α值给定，且d1确定时可以由上式确定f1。一般来说为了保证光路的尺寸一致，将各个角度的入射探测光最终转换成与出射时具有相同的扫描探测方向，可以取f2＝f3，则f2,f3需要满足：
当W已知，α值给定，f1值确定后，f2,f3可以由上两式确定。由于光路需要把α角度的后向水平扫描转化为β角度的后视水平扫描，因此f1和f4之间需要满足：
当α,β值给定，f1,f2,f3值确定后，可以由上式确定f4。最后d2需要满足：
由上式可以确定d2，得到的d2值可能为正值，负值或者0。当d2为正时，说明由L4汇聚的光在经过M4折转后会聚，随后发散；当d2为负时，说明由L4汇聚的光在被M4折转就已经会聚，然后发散；d2为0时，说明L4汇聚的光束的聚焦点恰好在M4镜上。
M1～M4反射镜面的尺寸如图2所示，当(H,W,α,β,a,R,d1,d2,f1,f2,f3,f4)参数组唯一确定时，其尺寸满足下列关系：
lM4,1和lM4,2的约束条件取决于d2的正负号，当d2>0时：
当d2<0时：
当d2＝0时：
而hM1～hM4则满足：
hM1≥a
hM2≥a
L1～L4透镜镜面的尺寸如图3所示，当(H,W,α,β,a,R,d1,d2,f1,f2,f3,f4)参数组唯一确定时，其尺寸lL1～lL4满足下列关系：
而hL1～hL4则满足：
hL1≥a
通过以上参数的计算，我们可以在图1所示的右手直角坐标系中计算出各个矩形反射镜和透镜镜面端点的坐标值，从而唯一地确定镜面的空间位置及姿态，在假定测距雷达中光源中心的坐标为(0,0,0)的情况下：
M1反射镜的四个顶点坐标分别为：
M2反射镜的四个顶点坐标分别为：
M3反射镜的四个顶点坐标分别为：
M4镜的四个顶点坐标分别为：
L1透镜的四个顶点坐标分别为：
L2透镜的四个顶点坐标分别为：
L3透镜的四个顶点坐标分别为：
L4透镜的四个顶点坐标分别为：
与现有技术相比，本申请的有益效果是可以在相位测距雷达旋转扫描方向向后时，可以将原本被机器人前面板挡住的后向水平扫描光转化为机器人后方的后视水平扫描，避免浪费的同时获取机器人后方的物体距离信息。使用器件简单易得，成本低廉。
附图说明
图1为后视光学扫描装置整体结构示意图。
图2为各个反射镜尺寸示意图。
图3为各个透镜尺寸示意图。
图4为后视光学扫描装置在TracePro中的建模仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请进一步说明。
取参数组(H,W,α,β,a,R,d1,d2,f1,f2,f3,f4)中各参数的值分别为(462mm,402mm,30°,30°,20mm,25mm,70mm,70mm,185mm,150mm,150mm,185mm)，可以计算得到各个镜面的尺寸分别为：
lM1,1＝lM4,1＝52mm
lM1,2＝lM4,2＝70mm
lM2＝lM3＝200mm
hM1＝hM2＝hM3＝hM4＝23mm
lL1＝lL2＝lL3＝lL4＝130mm
hL1＝hL2＝hL3＝hL4＝23mm
假设测距雷达光源中心的位置坐标(单位为mm，下同)为(0,0,0)，经过计算得到各个镜面中端点坐标分别为：
M1反射镜的四个顶点坐标分别为：
(-36.770,33.230,11.5)，(-36.770,33.230,-11.5)，
(49.497,119.497,11.5)，(49.497,119.497,11.5)。
M2反射镜的四个顶点坐标分别为：
(229.289,-0.711,11.5)，(229.289,-0.711,-11.5)，
(370.711,140.711,11.5)，(370.711,140.711,11.5)。
M3反射镜的四个顶点坐标分别为：
(229.289,740.711,11.5)，(229.289,740.711,-11.5)，
(370.711,599.289,11.5)，(370.711,599.289,-11.5)。
M4镜的四个顶点坐标分别为：
(-36.770,706.770,11.5)，(-36.770,706.770,-11.5)，
(49.497,620.503,11.5)，(49.497,620.503,-11.5)。
L1透镜的四个顶点坐标分别为：
(115,5,11.5)，(115,5,-11.5)，(115,135,11.5)，(115,135,-11.5)。
L2透镜的四个顶点坐标分别为：
(235,220,11.5)，(235,220,-11.5)，(365,220,11.5)，(365,220,-11.5)。
L3透镜的四个顶点坐标分别为
(235,520,11.5)，(235,520,-11.5)，(365,520,11.5)，(365,520,-11.5)。
L4透镜的四个顶点坐标分别为：
(115,605,11.5)，(115,605,-11.5)，(115,735,11.5)，(115,735,-11.5)。
利用光学追迹软件TracePro对镜组进行建模仿真，结果如图4所示。

Claims (8)

1.一种用于机器人的后视光学扫描装置，包括机器人、用于探测机器人周围物体位置信息的测距雷达和后视光学扫描镜组，所述测距雷达位于机器人的前方，其特征在于：所述后视光学扫描镜组包括第一反射镜(M1)与第一透镜(L1)，所述第一反射镜(M1)将照射到其上的入射扫描光线反射至所述第一透镜(L1)，所述第一透镜(L1)将扫描光线透射到第二反射镜(M2)，第二反射镜(M2)位于第一透镜(L1)透过的扫描光线光路上，所述第二反射镜(M2)将扫描光线反射，反射的扫描光线依次透射过第二透镜(L2)与第三透镜(L3)，透射到第三反射镜(M3)，所述第三反射镜(M3)将扫描光线反射至第四透镜(L4)，第四透镜(L4)将扫描光线透射至第四反射镜(M4)，所述第四反射镜(M4)将扫描光线反射出，其中，所述后视光学扫描镜组将入射到第一反射镜(M1)上的扫描光线转化为从第四反射镜(M4)反射出的后视扫描光线；
所述后视光学扫描镜组将机器人前方的测距雷达后向扫描光转化为机器人后方的后视扫描光，其中第一反射镜(M1)位于机器人与测距雷达之间；
所述测距雷达位于机器人的前方中央处，后向扫描光入射扫描角度α，测距雷达底面半径R，后向扫描光光束直径a，雷达与第一反射镜(M1)距离d1之间需要满足：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>4</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
后向水平扫描角度为β，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，因此f1、f2、f3和f4之间需要满足：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mn>3</mn> </msub> <mi>tan</mi> <mfrac> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mn>4</mn> </msub> <mi>tan</mi> <mfrac> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：所述经过第一透镜(L1)透过的光线传播方向，与经过第三反射镜(M3)反射的光线传播方向相反。
3.根据权利要求1所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：所述第二反射镜(M2)以所述第一透镜(L1)后焦点为中心旋转45度安置，所述第二反射镜(M2)将光线传播方向改变90度；所述第三反射镜(M3)以第三透镜(L3)后焦点为中心旋转45度安置，所述第三反射镜(M3)将光线传播方向改变90度。
4.根据权利要求1所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：照射到第一反射镜(M1)上的入射扫描光线传播方向与从第四反射镜(M4)反射出的扫描光线传播方向相同。
5.根据权利要求1-4之一所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)及第四透镜(L4)为汇聚透镜，所述第二透镜(L2)与所述第三透镜(L3)的焦距相等。
6.根据权利要求5所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：入射到第一反射镜(M1)上的入射扫描光线为平行光束，第一透镜(L1)将反射到其上的扫描光线汇聚到第二反射镜(M2)上。
7.根据权利要求6所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：所述第二透镜(L2)将发散的被第二反射镜(M2)反射的扫描光线准直成平行光，所述第三透镜(L3)将平行光线聚焦到第三反射镜(M3)。
8.根据权利要求1-3之一所述的用于机器人的后视光学扫描装置，其特征在于：所述后视光学扫描镜组不包括所述第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，所述第二反射镜(M2)将扫描光线反射，反射的扫描光线直接射入到第三反射镜(M3)，所述第二反射镜(M2)与所述第三反射镜(M3)的夹角为90度，所述照射到所述第一反射镜(M1)上的入射光线为发散光束，经过第一透镜(L1)透射为平行光束。
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