CN105849620B - 扫描测距仪 - Google Patents

Abstract

一种移动机器人中的扫描光学测距仪包括光学发射器电路、非成像光学元件、光学检测器电路以及测距电路。所述非成像光学元件被布置成响应于所述光学发射器电路的操作在所述非成像光学元件的进入孔处接收光信号，并且将所述光信号导引至所述非成像光学元件的输出孔。所述光学检测器电路被配置成从所述非成像光学元件的输出孔接收所述光信号，并且基于所述光信号相对于所述光学发射器电路的相对应的输出的相应的相位差，来产生检测信号。所述测距电路被配置成由所述检测信号所指示的相位差来计算目标的距离。还论述了相关的装置和操作方法。

Description

扫描测距仪

优先权要求

本申请要求2013年11月1日提交的标题为“SCANNING RANGE FINDER”的美国临时专利申请号61/899,045的权益和优先权，该公开通过引用整体地结合于本文中。

技术领域

本公开涉及扫描光学测距仪。具体而言，本文描述了与移动机器人中的扫描光学测距仪相关的系统和方法，所述移动机器人例如草坪修剪机器人和远程临场机器人。

背景技术

激光测距仪可以基于从激光器输出的光的传播速度来测量到物体的距离。典型的激光测距仪基于飞行时间的原理来操作，这是通过在朝向目标的窄光束中发送激光脉冲，并且测量待从所述目标反射并且返回到发送器的脉冲所用的时间。光在空气中的传播速度相对地不受温度、湿度等影响。与声纳相比，准直的激光束能够允许对准确已知的位置的测量。使用光的速度的这种测量能够是非常快的，但可能还需要用于精确测量的快速的检测器电子装置。

激光测距仪还可以基于间接的飞行时间或相移方法来操作，这是通过将具有正弦调制的光功率的激光束发送到目标。监测反射光（来自漫反射或镜面反射），并且将功率调制的相位与所发送的光的相位相比较。所获得的相移可以是2π乘以飞行时间乘以调制频率，这说明较高的调制频率能够导致较高的空间分辨率。

发明内容

根据一些实施例，一种移动机器人中的扫描光学测距仪包括光学发射器电路、非成像光学元件、光学检测器电路以及测距电路。所述非成像光学元件被布置成响应于所述光学发射器电路的操作在所述非成像光学元件的进入孔处接收不同的光信号，并且将所述光信号导引至所述非成像光学元件的输出孔。所述光学检测器电路被配置成从所述非成像光学元件的输出孔接收所述光信号，并且基于所述光信号相对于所述光学发射器电路的相对应的输出的相应的相位差，来产生相应的检测信号。所述测距电路被配置成由所述检测信号所指示的相位差来计算多个距离，并且将所述多个距离中的一个认定为目标的距离。

在一些实施例中，所述非成像光学元件可以是复合抛物面收集器元件。所述机器人还可包括可旋转的转台，所述转台包括收集光学器件（collection optics），所述收集光学器件被布置成响应于所述转台的旋转而将所述光信号导引至所述复合抛物面收集器元件。所述复合抛物面收集器元件可以包括：抛物面，其在其相对的端部处限定了所述进入孔和所述输出孔；以及凸缘，其绕与所述抛物面的进入孔相邻的所述抛物面的周缘延伸。所述凸缘可以具有比所述进入孔大的直径，并且可以限定从所述抛物面突出的唇缘。

在一些实施例中，所述光学发射器电路可以被配置成在所述转台的旋转期间在不同的频率之间顺序地切换所述光学发射器电路的输出。

在一些实施例中，所述光学发射器电路可以被配置成在所述转台的旋转期间动态地改变所述光学发射器电路的输出的功率级别。

在一些实施例中，所述光信号可以具有不同的频率。所述测距电路可以被配置成基于所述相应的检测信号所指示的所述多个距离的比较，来计算所述目标的距离。

在一些实施例中，所述光学检测器电路可以包括平均化检测器（averaging 检测器），所述平均化检测器配置成基于所述相应的相位差来输出表示平均电压的相应的检测信号。对于相应的检测信号，所述测距电路可以被配置成由相应的检测信号的平均电压来计算多个距离，并且基于所述多个距离的最小公倍数来将所述多个距离中的一个认定为所述目标的距离。

在一些实施例中，所述光学发射器电路可以被配置成在所述光学发射器电路的相应的输出之间提供相移。

在一些实施例中，所述测距电路可以被配置成确定在所述输出中的一个从所述光学发射器电路发射和所述光信号中相对应的一个到达所述光学检测器电路处之间的时间延迟，并且基于所述时间延迟来将所述多个距离中的一个认定为所述目标的距离。

在一些实施例中，来自光学发射器的输出可以相应地包括多个选通的突发（gatedburst）。所述测距电路可以被配置成基于所述光信号中的一个的突发的超过阈值的信号强度，来确定所述光信号中的一个的到达时间。

在一些实施例中，所述测距电路可以被配置成由所述光信号中的一个的突发的信号强度来推断所述突发的上升沿，以确定所述到达时间。例如，所述光学检测器电路可以被配置成计算指示所述信号强度的接收信号强度指示（RSSI）信号，并且对接收信号强度指示（RSSI）本底噪声采样，以限定所述阈值，并且所述测距电路可以被配置成基于所述RSSI信号相对于所述RSSI本底噪声的上升时间，来推断所述突发的上升沿的时间。

在一些实施例中，所述平均化检测器可以被配置成响应于对所述平均化检测器的强制成预定状态的输入信号，而输出表示平均电压的相应的检测信号。

在一些实施例中，所述光学发射器电路可以包括耦接到光学发射器的可编程频率时钟。所述光学发射器电路可以被配置成当所述光学发射器指向固定距离的校准目标时改变所述时钟的频率，以由所述光学发射器在相应的频率下输出多个校准信号，并且可以被配置成将所述时钟动态地调整至与所述校准信号中具有所述光学检测器电路所指示的最高的接收信号强度的一个相对应的所述相应的频率中的一个。

在一些实施例中，所述相应的频率中的一个可以对应于在光学检测器电路中包括的带通滤波器的中心频率。

在一些实施例中，所述相应的频率可以包括所述时钟的电流频率、大于所述电流频率的频率以及小于所述电流频率的频率。所述光学发射器电路可以被配置成在移动机器人的操作期间设定所述时钟的频率。

根据另外的实施例，在一种操作非成像光学测距仪电路的方法中，从光学发射器电路发射不同的测距信号，并且响应于所述发射，相应的光信号经由非成像光学元件在光学检测器电路处被接收。基于在所述光学检测器电路处接收的光信号相对于从所述光学发射器电路发射的相对应的测距信号的相应的相位差，来产生相应的检测信号。由检测信号所指示的相位差来计算多个距离，并且所述多个距离中的一个被认定为目标的距离。

在一些实施例中，所述光信号可以具有不同的频率。目标的距离可以通过比较相应的检测信号所指示的所述多个距离来计算。

在一些实施例中，所述相应的检测信号可以基于相应的相位差来表示平均电压。在比较所述相应的检测信号时，可由检测信号的平均电压来计算所述多个距离，并且基于所述多个距离的最小公倍数，所述多个距离中的一个可以被认定为目标的距离。

在一些实施例中，通过在不同的频率之间顺序地切换，可以从光学发射器电路发射所述相应的测距信号。

在一些实施例中，可以确定在所述测距信号中的一个从光学发射器电路发射和所述光信号中相对应的一个到达光学检测器电路处之间的时间延迟，并且基于所述时间延迟，所述多个距离中的一个可以被认定为目标的距离。

在一些实施例中，来自光学发射器的测距信号可以相应地包括多个选通的突发，并且所述光信号中的一个的到达时间可以基于所述光信号中的一个的突发的超过阈值的信号强度来确定。

在一些实施例中，所述到达时间可以通过由所述突发的信号强度推断所述突发的上升沿来确定。例如，可以对接收信号强度指示（RSSI）本底噪声采样，以限定所述阈值，可以计算指示所述信号强度的接收信号强度指示（RSSI）信号，并且可以基于所述RSSI信号相对于所述RSSI本底噪声的上升时间，来推断所述突发的上升沿的时间。

根据再另外的实施例，一种光学测距仪电路包括光学发射器电路、光学检测器电路以及测距电路。所述光学发射器电路被配置成输出具有不同的频率的相应的测距信号。所述光学检测器电路被配置成响应于所述光学发射器电路的操作来接收具有所述不同的频率的相应的光信号，并且产生包括平均电压的相应的检测信号，所述相应的检测信号表示所述相应的光信号相对于所述相应的测距信号的相应的相位差。所述测距电路被配置成基于所述相应的检测信号的平均电压的比较来计算目标的距离。

在一些实施例中，所述测距电路可以被配置成针对所述相应的检测信号，基于所述相应的检测信号的平均电压来计算多个距离，并且基于所述多个距离的最小公倍数，将所述多个距离中的一个认定为所述目标的距离。

在一些实施例中，所述相应的光信号可以被连续地调制，并且在所述相应的光信号之间可以具有相应的相移。

在一些实施例中，所述光学发射器电路可以被配置成在相应的频率之间顺序地切换，以输出所述相应的测距信号。

在一些实施例中，所述光学发射器电路可以被配置成动态地改变从所述光学发射器电路输出的相应的测距信号的功率级别。

根据又另外的实施例，一种用于具有前进速度的移动机器人的激光测距仪，可以包括以下各项中的三项：电路，其将激光信号发送到远处的物体；电路，其从所述远处的物体接收激光信号的反射；电路，其以一定更新率将激光信号反射处理成从机器人飞行到所述远处的物体并且返回的估计时间；以及电路，其基于在沿近似但已知的轨迹的空间中的一系列不同位置处所取的相应的距离测量结果的比较，来减小或消除不精确的读数（reading）。

在一些实施例中，例如，基于前进速度（30cm/s）*期望的更新（1）/前向间隔（3.6cm），所述更新率可大于每秒8次更新。

应注意的是，本文关于一些实施例所述的方面可以被结合在不同的实施例中，但未就所述不同的实施例具体地描述。即，所有的实施例和/或任何实施例的特征能够按照任何方式和/或组合来结合。而且，在查阅以下的附图和详细描述的基础上，对于本领域技术人员而言，根据实施例的其他的系统、方法和/或计算机程序产品将会是显而易见的或将变得显而易见。所有这种附加的系统、方法和/或计算机程序产品意在被包括在本说明书内，落入本公开的范围内，并且通过所附权利要求来保护。

附图说明

本公开的各方面借助于示例来说明，并且不受附图限制，在附图中，相同的附图标记指示相同的元件。

图1为图示了根据本公开的一些实施例的光学测距仪的放大的剖视图。

图2为图示了移除了其外罩的根据本公开的一些实施例的光学测距仪的透视图。

图3为图示了根据本公开的一些实施例的光学测距仪的剖视图。

图4为图示了根据本公开的一些实施例的光学测距仪电路的电气框图。

图5A为图示了检测信号中的相位卷回（wraparound）的示图。

图5B为图示了根据本公开的一些实施例的用于解决检测信号中的相位卷回的操作的示图。

图5C为图示了根据本公开的一些实施例的用于解决检测信号中的相位卷回的操作的示图。

图5D为图示了根据本公开的一些实施例的用于解决检测信号中的相位卷回的操作的示图。

图6A-6B为图示了根据本公开的一些实施例的用于解决检测信号中的相位卷回的操作的流程图。

图7为图示了在扫描房间的角落之后根据本公开的一些实施例的光学测距仪的输出的绘图。

图8为图示了根据本公开的一些实施例的光学测距仪的针对具有接近建筑墙的树的室外空间的输出的绘图。

图9为图示了根据本公开的一些实施例的光学测距仪的针对在其中具有椅子腿的空间的输出的绘图。

图10A-10C和图11A-11C为图示了根据本公开的一些实施例的用于减小或最小化准直部件的高度的准直透镜部件的配置的示意图。

图12A-12D为图示了根据本公开的一些实施例的复合抛物面聚光器（CPC）元件的示意图。

图13A和图13B分别为侧视图和顶视图，其图示了根据本公开的一些实施例的处于移动机器人上的光学测距仪的各种定位。

图14A和图14B分别为图示了根据本公开的一些实施例的用于改进对回归反射信标的角（heading）分辨率的操作的绘图和示图。

具体实施方式

执行例如地板清洁和修剪草坪之类的功能的自主式机器人依靠确定障碍（通常为用户定义或不可见的障碍），以便限制它们的运动。这样的机器人能够使用基于三角测量（triangulation）的定位系统来确定边界内的机器人位置。在割草机的示例中，在位于花园住宅（property）中的割草机和草坪周围的信标或环境特征之间发送的信号允许割草机通过计算飞行时间并且使用三角法计算机器人的当前位置来估计角度和距离。本文描述了与用于与机器人割草机和其他机器人装置一起使用的扫描测距仪相关的系统和方法。在本文所述的一些示例中，扫描测距仪包括非成像光学元件。在一些附加的实施例中，本文描述的系统和方法识别和考虑到卷回，所述卷回能够使超出卷回的距离表现为更近的距离。识别和考虑到卷回在例如草坪修剪之类的应用中能够是有益的，其中，激光测距仪能够从定位成与机器人相距相当大的距离的物体接收信号反射。

在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以按照许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将完全地将本发明的范围传达给本领域技术人员。在附图中，层和区域的尺寸和相对尺寸可为了清楚而被扩大。

将理解的是，当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接到”或“耦接到”另一元件或层时，它能够直接地在另一个元件或层上、连接或耦接到另一个元件或层，或者可存在介于中间的元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或层时，则不存在介于中间的元件或层。如本文所用的，术语“和/或”包括相关联的列出的项目中的一个或多个的任何和所有的组合。自始至终相同的附图标记表示相同的元件。

将理解的是，尽管术语“第一”和“第二”在本文中被用于描述各种信号和/或其他元件，但这些信号和/或元件不应受到这些术语限制。这些术语仅用于将一个信号或元件与另一信号或元件区分。因此，下面论述的第一信号或元件能够被称为第二信号或元件，并且类似地，第二信号或元件可以被称为第一信号或元件，而不脱离本公开的范围。

此外，相对的术语，例如“下”或“底部”和“上”或“顶部”在本文中可以被用于描述一个元件与另一元件的关系，如附图中所示。将理解的是，相对的术语意在涵盖除附图中所描绘的定向外的装置的不同的定向。例如，如果将附图中的装置翻过来，则描述为在其他元件的“下”侧上的元件将被定向为在所述其他元件的“上”侧上。因此，取决于附图的具体定向，示例性术语“下”能够涵盖“下”和“上”的定向二者。类似地，如果将在附图中的一个中的装置翻过来，则描述为在其他元件“下方”或“之下”的元件将被定向为在所述其他元件“上方”。因此，示例性术语“下方”或“之下”能够涵盖上方和下方的定向二者。

本文所用的术语仅是用于描述具体实施例的目的，并且不意在作为本发明的限制。如本文所用的，单数形式“一”、“一个”和“一种”意在也包括复数形式，除非上下文明确地另外指出。还将理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包括”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不预先排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

本文参照剖视图描述本发明的实施例，这些剖视图是本发明的理想化的实施例的示意图。如此，例如，由于正常的制造公差，来自这些图示的形状的变化将是预期的。因此，附图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不意在图示装置的区域的精确形状，并且不意在限制本发明的范围。

除非另外定义，否则本文所用的所有术语（包括技术和科学术语）与本发明所属领域的一般技术人员通常理解的具有相同的意义。还将理解的是，例如在通常使用的字典中定义的那些术语的术语应当被解释为与它们在本公开和相关领域的背景下的意义具有一致的意义，并且将不以理想化或过于正式意义来解释，除非在本文中明确地如此定义。

本公开的一些实施例可源自如下实现，即：在扫描测距仪中通常可见的光学系统基于成像光路，其中，从目标投射到检测器的光线映射1:1，使得如果检测器被替换为图像传感器，则能够拍摄‘照片’。然而，这样的成像光学器件在单像素测距系统中可能是不必要的，所述单像素测距系统替代地依靠总体光强度。此外，基于成像的光学系统关于光学元件的放置容差（placement tolerance）可具有固有的限制。此外，照到检测器的光线的位置可随着非孔可见（non-bore-sighted）的光路而改变，并且在发射和接收光路之间的某种偏移度在相位检测测距仪的情况下可能是必要的（因为可能不容忍串扰（crosstalk））。

本公开的实施例能够解决上述问题，这是通过在移动机器人中设置光学测距仪，所述光学测距仪使用非成像或阿尼多里克（anidolic）光学系统，而非基于成像的光路。在一些实施例中，所述阿尼多里克光学系统可以包括复合抛物面聚光器或收集器（CPC）元件，其将光线导引至光学检测器，而不限定其上的源的图像。在包括如本文所述的非成像光学系统的测距仪中，可以增加对光学元件失准的容忍度，进入光学系统的光子可以被聚集并且以较大的入射角导引到光学检测器的活性区域上，并且可以维持发送接收偏移（non-bore-sighted）的光路。一般而言，非成像光学器件是设计用于光辐射在源和目标之间的传输的光学器件，不像传统的成像光学器件，所述光学器件不试图形成源的图像；替代地，非成像光学器件提供一种用于从源到目标的光学辐射传输的光学系统。

如图1-3中所示的本公开的一些实施例针对一种移动机器人，其包括扫描激光测距仪100，所述扫描激光测距仪100具有可旋转的或转动的转台110，所述转台110包含反射多边形表面（图示为折叠镜120）和收集光学器件（collection optics）（包括菲涅耳透镜115）。如在图1的放大的剖视图的中心区域中所示，在操作中，转台110旋转收集光学器件115和折叠镜120，从而为收集入射光信号提供360度的扫描机构。参考本文所述的光信号的术语‘返回’、‘接收’以及‘反射’可交换地被用于表示作为从本文所述的一个或多个光学发射器发射的测距信号的反射的光信号。

在转台110之上是激光和准直调整部件135，其包括至少一个光学发射器（图示为激光二极管140）和准直透镜145。激光准直部件135被耦接到俯仰/横滚座155。在图1-3中，激光准直部件135以竖直配置图示，其中，激光二极管140发射的激光经由接近转台110的顶部的发射管150离开。在一些实施例中，激光测距仪100可以被配置成减小或最小化系统的总体高度，以便获得用于家庭的低轮廓，例如，地板清洁机器人的应用。低轮廓能够是有用的，因为在360度的扫描应用中，激光测距仪100将通常是结构的最顶部的元件（以提供多达360度的无障碍的可见性），但可能需要系统高度的相当大的部分（添加到系统高度或从系统的内部设计容积减去）。如此，图10A-10C和图11A-11C图示了可用于减小总体高度的激光部件135的替代性配置。具体而言，图10A-10C图示了激光准直部件的水平配置，而图11A-11C图示了根据本公开的实施例的激光准直部件的替代性的竖直配置。在用于减小或最小化准直部件135的高度和另外增加或最大化突出障碍的检测的其他选择之中，图10A-10C和图11A-11C中所示的示例包括折转的光路、利用滑环嵌入转台110中的激光器和/或非准直的光源140。

虽然上文关于最顶部的位置进行论述，但图13A-13B图示了扫描激光测距仪可以被安装在移动机器人1300上的各种和/或多个位置。特别地，由于其他传感器和/或用户接口元件可能竞争机器人1300上的顶部中心位置，所以图13A-13B的示例图示了安装在处于机器人1300的相对的端部（例如，前端和后端）处的两个位置100’、100”处的扫描激光测距仪。扫描激光测距仪在所述两个位置100’、100”处的旋转可以覆盖绕机器人1300的相应的扫描区域1305、1310。由于可由相应的位置100’、100”施加的对旋转的限制，扫描区域1305、1310可以各自覆盖小于360度，但可以重叠，使得扫描区域1305、1310的组合提供完全的360度覆盖。扫描激光测距仪的其他位置也是可能。更一般而言，尽管本文主要参考安装在机器人或其他结构上的最顶部位置处的扫描激光测距仪100描述，但将理解的是，根据本公开的实施例的扫描激光测距仪不限于任何特定的位置，并且甚至可以位于机器人或其他结构上的多个位置处。

在一些示例中，移动机器人1300是配置成修剪草坪的自主式机器人割草机。所述自主式机器人割草机绕草坪移动，并且在它横过草坪时切除杂草。所述机器人割草机包括机器人主体、固定到所述机器人主体的表面处理机、具有通过所述机器人主体承载的至少一个表面传感器并且响应于至少一个表面特性的传感器系统以及包括至少一个机轮的驱动系统。所述驱动系统通过机器人主体来承载，并且配置成操纵机器人割草机穿过草坪。在该示例中，所述表面处理机为往复式对称切割机。所述机器人主体还支承用于给机器人割草机的任何电气部件供能的功率源（例如，电池），所述电气部件包括驱动系统、表面处理机以及导航系统。当不修剪草坪时，机器人割草机可以被停靠在基站或泊位（dock）处。在一些示例中，所述泊位包括用于给机器人主体100所收容的电池充电的充电系统。关于机器人割草机的设计和操作的另外的细节能够在例如2014年10月10日提交的并且标题为“Autonomous Robot Localization”的美国专利申请号14/512013中找到，该美国专利申请的内容在此通过引用结合。

为了割草操作，机器人割草机被放置在草坪上，使得它能够修剪通过周界限制的草坪。所述机器人割草机被约束，以不向所述周界外行进。为了区别（demark）所述周界，一个或多个边界标记能够被放置在草坪中或周围，和/或例如树和人造结构之类的环境特征能够被用于识别草坪周围的位置。所述边界标记和/或环境特征反射机器人割草机中包括的激光器所产生的信号。基于机器人中的CPC所接收和收集的信号，机器人中的控制器使用三角法来估计机器人的位置。一般而言，机器人割草机的姿态或位置能够基于边界标记和环境特征所反射的信号来确定。更具体而言，机器人割草机发送信号（例如，激光信号），所述信号被所述边界标记或环境特征中的一个反射。基于接收到信号的位置，机器人割草机能够确定机器人割草机相对于边界标记或环境特征之间的角度。此外，基于信号的发送和反射信号的接收之间的飞行时间，机器人割草机能够确定机器人割草机和边界标记或环境特征之间的距离。因此，基于所述信息，机器人割草机的姿态能够基于从边界标记或环境特征中的每一个接收到的飞行时间信息（距离/前进方向）通过三边测量法来确定。一般而言，三边测量法是使用圆形、球形或三角形的几何构型通过距离的测量来确定点的绝对或相对位置的过程。在一个示例中，三边测量法能够基于使用距离/飞行时间的测量结果的最小二乘法。

再次参照图1-3，在转台110中的镜块120之下是非成像或阿尼多里克光学元件，（图示为复合抛物面聚光器（CPC）元件125），其将光子导引至至少一个光学检测器（图示为光电二极管130）。CPC元件125是非成像元件，其布置在转台110内，以在转台的旋转期间从镜120接收光。CPC元件125收集入射光并将之导引到光电二极管130上而不在其上形成源的图像，并且在图12A-12D中更详细地图示。如图12A（以侧视图）和图12B（以透视图）中所示，CPC元件125被布置成接收通过镜块120导引至其的入射光1200。包括激光二极管140所发射的反射的光信号的入射光1200在与凸缘1210相邻的输入或进入孔处被接收，并且通过反射（其可以是抛物面1215的表面或全内反射）被导引至输出孔或表面1205，所述输出孔或表面1205提供将光1200提供给光电二极管130。CPC元件125允许对光学失准的增加的容忍度，并且能够以比一些常规的抛物面聚光器元件大的入射角来收集光。

图12C和图12D分别图示了在CPC元件125的示例性尺寸的情况下的替代性的透视图和侧视图。如图12C和图12D中所示，凸缘1210被尺寸设定和配置成有利于CPC元件125的制造和/或CPC元件125在测距仪100的组装期间的搬运。CPC元件125由注射成型的塑料形成，其提供了允许CPC元件125使用注射成型过程来制造的益处。CPC元件125包括两个部分，即：抛物面1215和凸缘1210，二者形成为注射成型的塑料的单件。CPC元件的顶表面和底表面（例如，凸缘1210的顶表面和抛物面1215的底表面）二者都是基本上平面的。凸缘1210限定了从抛物面1215的边缘突出的唇缘或环，并且具有大于抛物面元件的进入孔所限定的相邻开口的直径的直径。凸缘1210在形状上是大致圆筒形的，具有一个平面表面1220，所述平面表面1220对应于在CPC元件125的制造中塑料被注射到模具型腔中的区域。因此，包括凸缘1210允许CPC元件使用注射成型过程更容易地制造，这是因为产生平坦表面的模浇口能够位于CPC元件125的不需要旋转对称的部分上（例如，它不是抛物面1215的设计成旋转对称以提供全内反射表面的部分）。

凸缘1210相对于进入孔的较大的直径可允许从制造模具容易地移除，以及允许容易地组装到测距仪中（例如，使用拾取和放置方法）。例如，如图12D中所示，凸缘1210可以具有大约5.00mm的外径和大约0.50mm的高度。在其他实施例中，凸缘1210可具有在大约3mm和大约7mm之间的外径和在大约0.25mm和大约0.75mm之间的高度。在一些实施例中，凸缘1210与抛物面1215的进入孔相邻的部分可相对于其5.00mm的直径变尖细大约0.05mm。抛物面1215可以具有一定的高度和/或曲率，其限定了输出孔1205的期望的直径，和或其限定了相对于凸缘1210的外径的期望的角度或斜率。例如，在中图12D的示例中，抛物面1215具有大约5.50mm的高度，这相对于凸缘1210的边缘限定了大约15度的角度。在一些附加的实施例中，抛物面1215能够具有在大约4mm和大约8mm之间的高度，并且相对于凸缘1210的边缘具有在大约10-20度之间的角度。协调所述高度和角度以提供全内反射表面。然而，尽管作为示例参考特定的尺寸在图12D中图示，但将理解的是，如本文所述的CPC元件不限于这样的尺寸。在一些示例中，抛物面1215的顶表面（例如，抛物面1215联接凸缘1210的位置）与抛物面1215的底表面（例如，输出表面1205）的直径的比率能够在大约3:1和大约4:1之间（例如，大约3:1、大约3.5:1、大约4:1）。在一些示例中，凸缘1210的顶表面（例如，输入表面1210）与抛物面1215的底表面（例如，输出表面1205）的直径的比率能够在大约4:1和大约6:1之间（例如，大约4:1、大约5:1、大约6:1）。

在一些实施例中，以大约30cm/s移动并且具有大约36cm的平台直径的室内移动机器人可以在扫描之间平移小于其直径的大约1/10。对于大约2-5cm（例如，3.6cm）的扫描的平移，光学检测器130的期望的更新率可为大约5-15Hz，例如，8Hz。因此，扫描速率可以为大约2-20Hz，例如，对于地板护理机器人为5-10Hz。如果一个范围对于弧长的每一度是期望的，则在10Hz下的采样率将为3.6kHz（即，旋转的扫描测距仪100的每次旋转360次采样）。在图1-3的实施例中，CPC元件125和光电二极管130是处于转台110内的固定或静止的元件，而镜块120和收集光学器件115随着转台110旋转以扫描环境。然而，将理解的是，本公开不限于这样的配置，并且在其他实施例中，CPC元件和/或光电二极管130可以是可旋转的。

图2为图示了移除了其外罩的激光测距仪100的透视图。图3为激光测距仪100的整体的剖视图。图3的剖视图还图示了右边的使转台110转动的马达195，以及内部校准壁105，所述内部校准壁105以与转台110相同的半径弯曲。因此，校准壁105提供了在扫描期间在所有点处等距离的参考点。操作马达195的电子装置还可以包括冗余编码器；如果转台110的旋转速度下降到阈值水平，则可以关闭激光二极管140以限制眼睛的暴露（eye exposure）。

如图1-3中所示，在一些实施例中，激光测距仪100可以具有8mm的转台高度，以及32mm的系统高度。激光测距仪100可以在暗光（例如，0 lux）和亮光（例如，阳光明媚的户外）环境二者中操作。在一些实施例中，激光测距仪100可以具有3.6kHz的采样率，伴有1度的角前进方向分辨率（angular heading resolution）和10Hz的扫描速率。图1-3中所描绘的实施例可以具有大约2cm至4m的景深测量范围，精度为在4m处大约±3cm（其在不同的距离处可改变，这取决于目标的颜色和/反射率）。一些实施例可以不包括滑环，并且仅光学器件115可转动。在特定的实施例中，激光测距仪100能够以在4m处大约±3cm内的规格检测白色的目标；在5m处，这可以增加至大约±7cm。在3m的距离处的灰色的目标可以具有大约±7cm的误差带。所述±3cm的规格能够被维持在2.5m处。在4m处可能不会很好地看到黑色的目标（误差带为大约±45cm）。在1m处，黑色目标的误差带可以为大约±4cm。一些实施例可以使用相移测量，如下面详细描述的，并且可以具有大约286度或更多的扫描角度（在有罩的情况下，大约226º或更多）。

图7-10为图示了来自在各种操作环境中的根据本公开的一些实施例的光学测距仪的输出数据集的绘图。在图7-10中所示的数据集中，绘图可以图示出所有收集的数据，包括噪声数据点；然而，将理解的是，不具有足够的信号强度和/或另外被认为不值得信赖的数据点可以在本公开的另外的实施例中被删除。此外，在图7-10中，采样/扫描在0.5度的弧长上进行，使得360度的扫描包包括720个采样。如此，如果当在此弧长上进行一个采样时激光束在不同距离处的物体之间‘跳跃’，则所报告的距离可能是两个距离的平均。虽然这可能是一些采样的误差源，但将理解的是，统计模型可以被构建到占据网格记录（occupancygrid recording）中。因此，在根据本公开的实施例的机器人映射（robot mapping）应用中，在两个距离上‘分割采样（split sample）’可不显著地影响机器人映射和定位（localization）。

特别地，图7图示了在扫描了房间的角落之后的激光测距仪100的输出。绘图上的大多数样本指示房间的角落和墙壁。

图8图示了针对具有接近建筑墙的树的室外空间的激光测距仪输出。图8的样本图示了如下情况，即：其中，激光束间歇性地落在两个不同的表面上，其中，圈出的产生范围读数为来自两个表面的读数的平均。然而，圈出的输出数据在时间上表示一个点；因此，当激光测距仪被安装至移动机器人时，在机器人行进时圈出的平均数据点可落在后续的读数之外，并且圈出的数据能够被认定为能够忽略的噪声。

图9图示了针对具有椅子腿的空间的激光测距仪输出。同样，图9的样本图示了如下情况，即：其中，激光束间歇性地落在两个不同的表面上，其中，圈出的点指示椅子腿。因此，图9图示了对于通过‘杂波（clutter）’或其他小的物体的精确导航而言相当精细的角分辨率的重要性。这种精细的角分辨率可以通过使用相移测量借助本公开的实施例来提供，如下文更详细地描述的。

基于脉冲的飞行时间（ToF）测量和相移测量包含一些差异。例如，峰值和平均的激光功率通常在相移测量中低得多，这是因为测量以不同的方式进行。特别地，基于相移的系统的激光被连续地调制，并且通常仅发射频率（或频率）在测量中被观察到。在这方面，基于相移的系统依靠频域测量而非时域。在本公开的一些实施例中，扫描激光测距仪100可以使用时钟脉冲门（clock gate）来执行飞行时间测量，以提供粗糙的目标距离，并且可以执行相移测量，以提供精细的距离分解度。即，根据本公开的实施例的激光测距仪100在测量中可以依靠飞行时间和相移二者。

本公开的另外的实施例可以源自如下实现，即：虽然基于相移的范围检测本质上可比脉冲飞行时间敏感，但例如由于使用带通滤波器所提供的检测系统的噪声免疫和测量采集的平均性质，相移测量通常采用连续地调制的发射器和平均化检测器，而非直接的ToF和单一（或少量）的脉冲。然而，利用连续地调制的发射信号，返回信号的相移‘卷回（wraparound）’。这在乘法（multiplying）或XOR类型的相位检测器（180度往返行程）的情况下能够每90度发生。因此，相移方法关于测量距离引入模糊性，这是因为在增加距离的情况下，相位可以周期性地改变。如此，对于基于相移的检测器系统，长距离的相移能够导致混淆为较短的距离。可以解决此模糊性的本公开的另外的实施例在下文中参照图4、图5A-5D以及图6A-6B来描述。

图4为根据本公开的实施例的测距仪电路400的电气框图，并且图6A为图示了根据本公开的实施例的测距仪电路的操作的流程图。如参照图6A的图4中所示，可编程的时钟源401供给包括驱动器402和至少一个光学发射器（图示为激光二极管440）的光学发射器电路。驱动器402驱动二极管440发射光信号（在本文中也称为测距信号）（框600），并且发送参考信号RefClk到校准模块403。从目标接收的光信号被收集（例如，通过图1-3的收集光学器件115）和导引（例如，通过图1-3的镜块120和CPC 125）至光学检测器电路（框605）。所述光学检测器电路包括至少一个光学检测器（图示为光电二极管430）和图4中所示的元件403-410。在光学检测器电路的操作中，从光电二极管430输出的电信号通过跨阻放大器（transimpedance amp）（TIA）404转换成电压。TIA 404的输出可以是微分的，或如果是单端的，则来自TIA 404的信号可以通过单端至差分转换放大器405放大，通过带通滤波器406过滤，输送到对数放大器407用于动态范围压缩和信号强度测量，并且发射到相位检测器或比较器408。校准模块403还发射已知的信号给相位检测器408，用于因热漂移引起的补偿。基于两个输入信号之间的相位差，相位检测器408产生指示平均电压的输出信号（在本文中也称为检测信号）（框610）到低通滤波器409，所述输出信号被输出到缓冲410以便输送到主机/CPU 411。主机/CPU 411还从对数放大器407接收返回信号强度指示信号RSSI。主机/CPU411控制校准例程，捕捉模拟信号并将之转变成数字数据，并且剔除具有不足的信号强度的样本。主机/CPU 411（在本文中也称为测距电路）计算到目标的距离或间隔（框615），所述距离或间隔可以与相位检测器408的低通滤波的输出电压成比例。

本公开的特定实施例组合上文所述的元件以实现一种非成像扫描测距仪，其包括实时校准系统、高噪声免疫2-Pi相位检测器、光子采集系统、混合相位鉴别/飞行时间测距系统、动态范围增强、源同步带通滤波器以及补偿针对振幅相关的定时误差（ADTE），如下面详细描述的。

用于根据本公开的一些实施例的扫描光学测距仪中的实时校准系统可以使用混合信号规模补偿方案，其中，逻辑输出的模拟电压电平被用于确定距离数据开始点和结束点（针对最小/最大距离的电压）。通过适当地减弱逻辑输入，输出电压电平能够被检测到，并且斜率和偏移能够被分解到补偿方案中。这可以通过将对相位检测器的输入信号强制为已知的或预定状态来实现。在本实施方式中，对称的差分的输出级（例如LVPECL）的逻辑门可被利用，以及两种极性的波动能有效地从一个逻辑状态推断。

校准系统可以进一步利用动态时钟和滤波频率同步，通过提供高Q带通滤波器在中接收信号路径减小或最小化噪声带宽和改进信噪比。该过滤器可以与无源器件来实现，并且可具有从理想频率显著变化。为了传送最大信号，基准时钟信号频率应与此带通滤波器的频率。来确定该频率，由此而激光照射到校准目标的信号强度测量的补偿方案，可以采用（例如，内部校准壁105示于图2-3）。在进行该测量之后，参考时钟频率可以被改变了和下降从标称频率，并且新的标称频率可以被设置为频率段这将产生最高的信号强度。该方法可周期性地重复，以确保发射频率的带通滤波器的频率相匹配，而不管温度或其它部件属性的变化。

在执行校准时，可以理解的是该系统内的某些部件参数可具有初始耐受性，并且还可以随时间漂移（主要是由于温度，而且由于长期老化）。为了解决这些影响，并保持适当的测距能力，校准可进行既作为一次性可编程（OTP）工厂步骤，并作为一个连续的上即时（OTF）的过程。在本公开的具体实施方案中，OTF校准发生每次扫描（目前为10Hz）一次，并包括以下的操作：

1. 噪声基底测量 - 的激光二极管（在图中所示元件4404）被关闭，返回信号强度指示（RSSI）被采样64次，取平均值设定基准的系统的当前底噪声。本底噪声可以在扫描期间被用作度量来确定是否测量是有效的（例如，测量应为至少10％的底噪声计数作为一个有效的测量以上），以及推断的水平环境光所存在；

2. 静音校准 - 在此期间，整个信号链达相位检测器（元件408在图4所示）是使用模拟开关的相位检测器电断开。电路内部的相位检测器拉的输入这导致输出摆动到最大值的已知状态。输出从而模拟了180度的外的相位信号状况。由于全差分信号路径的对称性，一个完全在相位（0度移）状态可以推断。这个信号被采样多次，平均被存储用于随后的测量。这些数据可以是一个逻辑的真实如火如荼可以从标称稍微偏离有用。由于这种输出的全系列可直接对应到全距离或测量测距仪（回绕之前）的范围内，输出摆幅范围应该精确已知关联到的距离。例如，在8MHz的调制，以异或型相位检测器卷回的距离是9525mm。一个LVPECL异或门的额定输出摆幅为1.6V，给予9525/1.6=5953mm/V的标称转换系数。然而，如果初始容差和温度效应推此输出摆幅1.7V，例如，则转换系数将变成9525/1.7=5603毫米/V，导致在每一个测量一个350毫米误差；

3. 偏移校准 - 即使目标理论上可以在0毫米（即空白点测量）来测量由于相移和传播延迟固有到返回信号路径中的电子电路，返回的信号不会回来同相，但会有一些标称相移。虽然标称值可以计算出，也可能是主要未知由于元件容差和温度变化。因此，本公开的实施例可以测量一个已知的，固定的距离来确定相移，使用测距仪100（在图2-3示出）内的校准壁105。校准壁105是弯曲的以相同的半径转台110，并且因此在所有点等距离测量期间。校准壁105范围中相同的方式作为在现实世界中的任何其它点上，所不同的是所得到的数据存储为一个恒定用于下次扫描（之后它可再次计算的）偏移。

与此相反，OTP校准可以是特定工厂校准操作，这是测距仪100，它是在器件被读启动的执行一次在存储器中存储的参数（如闪存存储器模块）。所存储的参数在匹配电带通滤波器（BPF）中心频率使用。在BPF包括无源元件（电感器和电容器），所以最初的公差可能引起的中心频率从标称变化。如果使用高Q滤波器和激光以比真实中心频率以外的频率调制时，信噪比（SNR）可能遭受和系统性能可能降级。而部件可以手选择并调谐以匹配所需的中心频率，该方法是劳动密集的，并用于制造大批量是不可行的。

在一些实施方案中，在BPF的中心频率可以使用可编程频率时钟，它包括一个分数-N锁相环（PLL），可以由主机通过串行连接（I2C或SPI）被改变来确定。在该方法中，测距仪100可以与其中转台110不旋转特殊模式来实现，但指出在固定距离的目标，如内部校准壁105。时钟可通过一个频率范围进行扫描，并为每一个测量的RSSI可以被用来确定哪些频率是BPF的实际中心频率。

如果PLL响应足够快（即，频率改变和锁定是足够快），那么这也可以包括在如OTF校准的操作，例如，以考虑BPF温度漂移。这可能需要稍微修改，以加快的结果，也就是，代替扫一个宽的频率范围，校准程序可能需要一个样品（上日校准壁105）在当前标称频率和一个样品在一个个频率以上和名义下的频率。频率因此可以根据这三个测量的指示最高RSSI相应地设置。

在执行校准时，一个高度准确的（但有点慢）16位Sigma-Delta ADC也可以用于采样信号链的最后阶段，并提供范围的测量。然而，由于在系统中的噪音，这种测量的较低位未必有用并可能引入误差。因此，根据本公开的一些实施例中扫描测距仪可以利用快12位SAR转换器，以使多个样品可以采取在各目标和信号处理方法可以被用于帮助确定正确的范围内。在本公开的特定的实施例中，目标采集包括以下操作：

1. 激光二极管（在图中所示元件440。4）被接通，并接收返回的信号。采样尚未发生，因为有一个内置的超时周期以允许BPF沉降；

2. 采样周期开始。相输出和RSSI是为64个样品同时取样。样本被存储在存储器中，例如，通过直接存储器存取（DMA）；

3. 激光二极管440被关闭，并且没有为下一采样的缓冲器开关。这是一个乒乓式（ping-pong）的缓冲方案。特别是，由于操作1和2上方正在发生的范围内，算法被施加到前一组样品。顺序是：输入采样到缓冲液B，计算上缓冲A，输入采样到缓冲A，计算上缓冲液B，并重复；

4. 计算范围 - 相位和RSSI样本两者的平均被确定。如果平均RSSI的是小于10％的噪声地板上方的范围内，被认为是坏的，一个零输入到扫描缓冲区。如果是10％以上，算法继续通过施加在校正例程中确定的转换。该系统被认为是线性时的RSSI为10％以上，并且基本方程y= mx + b中被利用，其中，y是的范围内，x是平均ADC计数从操作上述3确定，将m中确定的斜率静音校准和b是偏移量从偏移校准确定。这个值被存储在扫描缓冲器作为距离；

5. 一旦一个完整的扫描完成时，扫描缓冲区写入并存储在另一个乒乓式缓冲器。只有完整的扫描将被发送到主机（元件411示于图4），从而为扫描A被记录，先前扫描B被发送到主机411。缓冲器然后切换以便扫描A将被发送到主机411而被记录扫描。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪还可以包括高抗干扰2-Pi相位检测器，其可以提供从时钟占空比偏差的免疫力。例如，传统的模拟乘法器和异或类型的相位检测器可能是“1-Pi'（0-180度）鉴相器，其非沿触发操作（任何给定的周期内非锁定的行为）可能会产生高噪声免疫力；然而，对于往返相位检测时，有效检测可能只有90度。此外，这种1-Pi相检测器可以不必鉴别相对于几乎同相，或者为近180度的相位信号的信号，如果参考和返回信号不具有准确的50％的能力占空比。

本公开内容的地址上述通过使用正交或延迟的参考时钟的一些实施例的馈给双（2-Pi）相位检测器，它从时钟参考信号和接收信号之间测量相位。此配置允许辨别作为目标是否是第一或第二相位回绕“窗口”之内，并且还允许相位确定即使参考或接收的信号不具有准确50％的占空比。识别和占概括可以是应用，例如草坪修剪有利，其中激光测距仪可接收信号从位于从机器人一个显著距离的物体反射，并且可以在其临场感机器人可能沿一个长走廊行进应用是有益的还是在一个大房间，如大型会议室。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪还可以包括一个紧凑，高效光子收集系统。如上参考图1-3指出，在扫描测距仪发现光学系统经常围绕成像光路的基础（其中光线从目标投射到光学检测器图1:1），它们通常不需要在单个像素范围取决于系统总光强度。此外，成像光学系统可具有关于光学元件的放置公差固有的局限性。此外，射线撞击检测器的位置可以用非孔视力的光路发生变化，并在一定程度的发射之间的偏移和接收光路可能是必要的（例如，用相位检测测距仪，其中串扰是不能耐受）。

与此相反，在本公开的一些实施方案使用用于光子采集具有增加的效率的更紧凑，非成像光学系统。在具体的实施方案，而不是基于成像的光学，复合抛物面聚光器（CPC）125（示于图1、图3和图12A-12D）被用来引导光的光线的光学探测器，而不限定其上的源的图像。CPC元件允许耐受性提高到光学元件对准，收集和在较大的入射角引导光子到光学检测器的有效区域，同时保持发送 - 接收的偏移（non-bore-sighted）的光路。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪还可以包括混合相鉴别/飞行时间（TOF）测距系统。特别是，基于移相位范围检测可固有比基于飞行范围检测的脉冲时间更敏感，由于例如通过使用带通滤波器和测量的平均性质，得到的检测系统的噪声免疫力收购。但是，相移测量通常采用一连续调制的光发射器/发送器（如激光二极管440图4）和一个平均检测器（如异或型相位检测器图4084），而不是直接飞行时间和单（或少量）脉冲。与连续调制的发射信号，所述返回信号的相移'卷回'每90度（与异或型相位检测器180充分往返）。这样，对于基于相位的检测器系统，用于远距离的相移会导致混淆以更短的距离。

图5A更详细地图示了相位卷回的概念。如图。图5A，通过返回的具有频度Freq A对应于两个距离，d1和d2，这是不能区分的相移或接收的光信号指示的平均电压Va。因此，相重叠的后果是，超出卷回的距离可以显示为一个更近的距离。卷回的距离可依赖于激光调制频率和用于相位检测器的类型。例如，与异或型相位检测器（如图4的相位检测器408），只0-180°相位检测可以无歧义（来回）进行。然而，异或型相位检测器可以允许相电压相对于在噪声存在比闩锁边沿触发相位检测器（例如，没有抖动引起的偏移）的距离更好的线性度，并且可以是完全差分提供电串扰的降低。

因此，本公开内容的实施方式提供了几种方法，使异或型相位检测器，以确定或其中“回绕窗口”标识一个目标驻留。例如，参考图5B和图6B，相重叠可通过发射具有一个不同的，第二频度Freq B，其是故意具有第一频度Freq A相移相对于第一信号的第二信号处理。特别是，如图5B参考图的测距仪电路400，图4中，扫描是通过在频率A（框601）驱动光发射器440，以输出一第一信号启动。在扫描期间，光学发射器440被切换到输出第二信号在处频率B（框602）。返回在两个频率频率A和频率B通过光学检测器430采样（框606），从其中产生相应的检测信号（框611）从目标反射的信号。这些信号被用于由CPU 411来计算每个检测信号的至少两个距离（框616），代表各频率最接近的可能距离。计算出的距离进行比较（框617），如果在协议，被确定为目标的实际范围或距离（框618）。如果计算出的距离不一致（框617），通过每个频率指示的距离的最小公倍数由CPU 411计算的，例如，通过在跨越式的方式步进距离出来（框619）。由每个频率指示的距离的本最小公倍数表示目标的实际范围或距离。

有独特的签名两种信号的组合疗法可用于解决重叠。更具体地，参照图5B，返回或具有不同频率频率A和频率B接收的光信号进行采样，并存储在存储器中作为相应的检测信号。由于相卷回，在频率A上的返回信号的平均电压Va指示多个距离D1，D2，D3和D4的。为了解决这个距离，使用从频率B测定样品的电压。例如，如果平均电压被发现是VB1，这将指示d1的。相反，如果它被发现是VB3，分辨率算法将计算D1为VA的距离，但发现从VB3计算出的距离为D3。由于这些不匹配，算法将逐步执行频率A和频率B概括距离的公倍数，直到它发现在D3常见的公倍数。b然后，这将被选择作为目标的真实距离。

这样，本公开的一些实施例可使用具有不同频率的信号，多个接收路径，并单独测量值的比较，以解决相卷回。将理解的是，卷回可以仍时有发生，尽管在处的两个调制频率跳动频率。如较低的频率有较长的回绕距离，卷回可以推到较大的超过100m与频率的适当选择。在选择频率下，折衷，可以在该接近的频率存在可能会导致较慢的拍频，并且因此，不再重叠。然而，如果各信号的选定频率过于接近，它们可能是不可区分的。例如，如果频率A和频率B是相似的，平均电压VA和VB将接近从一个卷回窗口到下一个相同的。相反，如果各信号的频率相距很远太，它们可限定一个陡峭的带通的两侧滤波器BPF，因此，从中心越远，其可以被丢弃的信号的多。在一些实施例中频率大约为200千赫相距都可以使用。例如，在频率4MHz的两侧，如3.9兆赫和4.1兆赫，可分别选择了频率A和频率B。

此外，光发射器可以动态地离散频率频率A和频率B之间切换，以依次发射多种测距信号。例如，对于0.5度的扫描弧，一个0.25度的弧线可对应于频率A，和0.25度的弧线可以对应于频率B.然而，由于转台110被采样期间转动，应当理解的是，在一些情况下，第一样本集可以对应于一个不同的目标比第二样本集；尽管如此，本发明的实施例可用于许多目标提供准确的距离。此外，对于动态切换，所述样本集的大小可以减小为每个频率（因为只有尽可能多的时间来样的一半），这可能会导致噪音较大数据集。此外，计算出的距离可能从未真正地一致，作为基于样本集计算可以表示比其它略微不同的距离，并且该错误可通过卷回区域被放大。

应该理解的是，虽然以上主要参照样品在两个不同的频率频率A和频率B中实施例的方式，两个以上的离散频率可以通过以类似的方式，本公开的实施例中使用说明。此外，虽然上面参考讨论的顺序分立频率之间的切换，但可以理解的是，本公开的实施例可以利用多个光发射器，以不同的频率的每个发射的信号，或一个混合器的频率结合为一个光学发射器到同时发射在本文所描述的相位基于移位测距测量中使用的信号。

图5C示出了用于确定或鉴定，其中‘回绕窗口’的目标驻留在根据本公开的实施例进一步的方法。参照图5C，相移测量值可以通过使用的RSSI（接收信号强度），并发送选通脉冲串505从光发射器，以解决相位回绕飞行测距测量的脉冲时间相结合。特别是，通过观察在光检测器接收的信号并测量所发送的脉冲串的开始和接收信号的到达之间的时间延迟，所述的毛'相移或往返时间延迟可以被确定。以这种方式“飞行时间”被用于确定一个粗或原始'相窗口“目标距离（即，卷回歧视），和长期平均相移用于精确或精细的距离测量。在一些实施方案中，可以用于飞行时间的基于测量的第二信号路径。

结合相移和基于测距测量来确定，其中，目标所在，如以上所讨论的相卷回窗口的飞行时间，可以在假定由带通滤波器被滤波后的RSSI的上升时间是快速的，或者说，带通操作滤波器是低Q和RSSI信号超过一个预测的时间周期内的噪声阈值水平。特别是，由于PIN光电二极管基于信号链可能会导致在嘈杂的RSSI信号，带通滤波器（元件406在图4）可用于噪音减少/抑制；然而，这可能减慢RSSI上升时间，使得目标窗口的确定更加困难。

参照图5D，为解决在确定目标窗口由于使用带通滤波器的困难，本公开的实施例可以推断，从采样RSSI信号基于RSSI的上升时间的上升边缘或脉冲串的开始时间t0。特别是，RSSI的底噪声被采样，然后作为时钟门被移除它们RSSI信号进行采样。基于RSSI波形（包络线），样品振幅对时间被用来推断RSSI信号的上升的起始T0由于从目标接收到的信号的阶跃函数。以此计算，而计算密集，是独立的信号的强度，只要信号强度噪声基底足够的上方。时刻t0是用来确定与参考图5C上面讨论的飞行时间计算的时间延迟。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪还可以提供动态范围增强。特别是，由于目标反射率和距离可以变化很大，特别是在室外环境中，所接收的信号的动态范围可能非常大。在一些实施方案中，这种大范围的信号振幅可以通过使所接收的信号通过一个对数放大器（图4的元件407）来处理。虽然现实世界的信号的动态范围可能超过大多数对数放大器，该系统的有效的动态范围可以通过在选通时钟脉冲串早期采样RSSI信号被增强。如果信号强度超过预定值时，所发射的信号的调制指数可以由CPU（图4的元件411）被降低。这样，由光发射器（图4的元件440）发射的信号的功率电平可被动态地改变，这可以允许范围在超出压缩系统的能力的限制。在包括一些高反射目标（如逆反射信标）的环境中，所发射的信号功率可以降低对于具有较高的反射率的目标，增加用于具有低反射率的目标，并在不同功率水平所收集的数据集可被合并的范围计算。另外地或替代地，如果RSSI信号较弱，调制指数（即，信号强度或消光比）可以被增加，从而不符合规定的（反射很差）目标可以正确地检测。

图14A和14B图示了根据本公开的一些实施例的用于改进对回归反射信标的角（heading）分辨率的操作的示图。测距仪通常会报告给定的标题，在标题是在一个特定的粒度量化范围。图14A是示出多个范围的样品上的扫描角φ接收响应1405到激光二极管440的256个脉冲以大约1°的同步的一极坐标图，而激光测距仪（LRF）100是在约旋转10赫兹（即，在十分之一秒一次旋转）。参考标志1401表明角度内的反光灯标φ由激光测距仪100扫描。

图14B是通过图14A的环境幅度随激光扫描的时间的曲线图。从图14A的一个报告范围发生在图14B中所示的时间段，而图14B中的样品代表单个ADC样本（其响应于激光二极管440的各脉冲接收，以同步的小于1°）。如图14B所示，作为从激光二极管输出的激光440扫描过的信标1401中，从相对嘈杂水平的范围的信号转变的振幅相对稳定的水平，并回到相对嘈杂的水平的基础上，高信标1401的反射率。相应地，所接收的信号强度（RSSI）的幅度从一个较低的水平，以更高的水平，并返回到较低的水平过渡。

图14B中所示的范围和RSSI信号表明，而区段信号的幅度，可能需要一些时间，由于沉降到噪声的存在，所述RSSI信号的振幅沉降更快，而较低和较高的急剧转变水平/状态指示反光灯标1401的存在。当信标1401存在时，取样之间的时间距离可以是比较细，允许更高的精度。特别是，在图14A-14B，每个样品对应于约1度，样品之间的距离小于1度，允许改进分辨率的信标1401的位置。图14A-14B的实施例示出了单频扫描或扫描；然而，激光二极管输出的信号强度/功率和/或频率可以在扫描期间内变化。扫描可以在初始上电时在一个地区被执行以验证边界，和/或检测到的边界从以前扫描与存储边界。

在一些实施例中，多个扫或扫描可以进行。例如，为了识别信标1401，快速的初始扫描的存在下（例如，在较高的旋转频率）在角φ可被执行。如果在信号强度（或在噪声突然下降）的急剧增加是由初始扫所示，随后的扫描或扫描可以较慢的速度，以提供更高的分辨率或集中于预期向后反射的信标位置来执行。即，在随后的扫描可以在预期含有向后反射的信标一个或多个区域低旋转频率进行，如在初始扫描从突然跃迁指示。

基于信标的预期存在下，从光发射器的输出信号的信号强度可以动态地在从初始扫描所指示的一个或多个区域增加，以确保所接收的信号强度时检测的信标是否高于阀值。换句话说，电源向激光二极管440可以在随后的，速度较低的扫描来增加RSSI振幅的某些部分被改变（并且因此，测距测量的精度）的基础上的存在的指示信标中的初始，更高速度的扫描。

功率激光二极管440，也可以动态地减少，以避免从漫目标反射近距离，这可能与反射混淆从向后反射目标当返回信号强。特别是，如果信号强度是已知的漫射目标，然后资格可以针对信号强度与距离的。例如，对于白色目标，信号强度与距离可以比一个向后反射目标显著以下。因此，阈值可以对所接收的信号强度被设置，并且将电源到光发射器可以相应地改变。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪还可以包括一个源同步带通滤波器。如上面参考的实时校准所讨论的，源时钟频率和带通滤波器峰值频率亦宜。而时钟频率可以如上所述进行动态调整，（图4的元件406）的带通滤波器可使用在一些实施例中开关电容滤波器来实现。这样，如果对于这样的开关电容滤波器的时钟是从系统时钟导出，则带通滤波器的峰值频率可以匹配到系统时钟频率。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪可进一步包括自动激光对准校准。在激光测距系统，发射光束的光路应落在视接收光路的视野内。这样，光检测器（如光电二极管图1的130）可以具有多个光检测器来代替（例如，排列成阵列），每个都有自己的范围检测电路，可进一步减少对准临界的发射激光。由此可以发生范围检测任何地方的激光点聚焦像素的阵列中（例如，由图1的光学装置115、反射镜块120和CPC元件125）。

在一些实施方案中，光学测距仪可包括集成电路IC（如电路图4的400），使在发射器和采集系统的精细控制。具体地，电路可被配置成采取样品在高达1.8kHz，在3.6kHz或者更大来样，来控制所述发射器偏置和调制电流，以提供的信号强度的指示，以提供的信号强度一些生指示（生电压），提供的范围（原始电压）一些生指示，和/或改变光学发射器的频率。该IC可以与激光测距仪光学器件（发送和接收）和眼安全管理相结合。

根据本公开的一些实施例中扫描光学测距仪可以进一步允许对振幅依赖定时误差（ADTE）的补偿。例如，可能有在可能无法在某些本文描述的方法来解释范围测量系统的非线性和/或其他错误。特别是，因为通过系统的相位延迟不能完全独立的信号振幅的，有可能是依赖于信号幅度范围的误差。这种类型的错误可能是有问题的，特别是在接收信号链由于所涉及的实质的动态范围。然而，也可以发生在参考时钟这样的错误，特别是当参考时钟导出电而非光学。这些错误在本文中称为振幅依赖性的定时误差（ADTE）。

如果没有光学产生的基准时钟（例如，通过监测从激光二极管或其他光源发射的光子），本公开的一些实施例可以补偿使用监视器光电二极管中发射链ADTE即常包括在许多激光二极管，通过发射从激光二极管的已知信号；测量从激光二极管发射的信号的光功率，并在同一时间，测定从监视器光电二极管的信号的装置；并存储在监视器光电二极管的输出电平与激光二极管的输出电平之间的关系。一旦已知监视器光电二极管的输出电平与激光二极管的输出电平之间的关系，它可以被用于设置偏置电流电平（使得激光二极管是上述阈值）以及消光比（即，峰值功率除以偏置功率）。一旦通过激光二极管的电流高于阈值，并且被保持在消光比，延迟可以是均匀和ADTE可降低到可接受的水平。

本公开的一些实施例可以补偿使用的激光二极管，发光二极管或其它光发射器不包括一个监视器光电二极管时，通过监控电流通过光发射器在所述发射链的定时误差，并使用电流作为信号源的参考时钟，因为有可能通过光的发射极电流流之间可忽略的延迟与被发射的光子。另外，在接收信号链中，本公开的一些实施例可以通过测量（或以其它方式表征）的RSSI和关于各种目标反射率和距离相，并产生这些值的查找表补偿ADTE。在光检测器的操作，相位和电压RSSI可测；但是根据使用的补偿方案，即所报告的范围可以是从该查找表中一个内插数。因此，对于一个给定的信号幅度和相位延迟的误差可以从原始距离估计中减去。上面讨论的补偿方案可以被编程到在工厂的传感器，以及所需要的补偿，可为每个传感器或者通过在工厂的每个传感器的测量或用于通过表征所有传感器来确定。

附图中的流程图和框图图示了根据本公开的各个方面的结构，功能和系统，方法和/或计算机程序产品的可能实现的操作。在这方面，框图中的每个框可以表示模块、段或代码的一部分，所述代码的一部分包括用于实施指定的逻辑功能（或多个逻辑功能）的一个或多个可执行指令。还应注意的是，在一些替代性实施方式中，在框中注明的功能可以离开附图中注明的顺序发生。例如，连续示出的两个框可以，实际上可以基本上同时执行，或者这些块有时可以以相反的顺序，这取决于所涉及的功能执行。还将注意的是，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图中的框的组合，能够通过执行指定的功能或动作的专用的基于硬件的系统或专用硬件和计算机指令的结合来实施。

这里使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而不是意在限制本公开。如本文所用的，单数形式“一”、“一个”和“一种”意在也包括复数形式，除非上下文明确地另外指出。还将理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定声明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。相应的结构，材料，动作，和任何手段或在下面的权利要求书步骤加功能元件等同物旨在包括任何公开的结构，材料或动作为与其它要求的元件执行功能与具体要求保护。

本公开的描述是为了说明和描述的目的，但并不意在穷举或限制为所公开的形式的公开内容。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文所公开的方面进行了选择，并且为了最佳地解释本公开内容和实际应用的原理，以及使本领域的技术人员能够理解的各种修改的公开内容适合于预期的特定用途的描述。

Claims (20)

1.一种利用自主式割草机器人来给一区域割草的方法，所述方法包括：

控制所述割草机器人自主地横过以预定的边界为边界的区域，包括在所述边界处或附近改变所述割草机器人的方向，以便使所述割草机器人转向回到有界区域中；以及

相对于处于所述有界区域内的至少两个回归反射信标的位置确定所述割草机器人的姿态，其中，相对于所述至少两个回归反射信标的所述位置确定所述割草机器人的所述姿态包括：

在绕旋转轴线的平面扫描期间，使旋转的激光测距仪产生脉冲，其包括改变所述激光测距仪的旋转速度，其中在较低速扫描期间，从所述激光测距仪的光学发射器电路到激光二极管的功率被配置成在所述至少两个回归反射信标的位置处动态地增加，从而基于在初始的较高速度扫描中识别所述至少两个回归反射信标的位置而增加接收信号强度的振幅；

响应于所述产生脉冲，监测接收信号强度的振幅；

识别平面扫描角，在所述平面扫描角处，所述接收信号强度从低级别状态急剧地过渡到高级别状态，由此指示所述至少两个回归反射信标中的一个的存在；以及

计算从所述割草机器人到所述至少两个回归反射信标的前进方向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光测距仪包括：

光学发射器电路；

非成像光学元件，其布置成响应于所述光学发射器电路的操作在其进入孔处接收不同的光信号，并且将所述光信号导引至其输出孔；

光学检测器电路，其配置成从所述非成像光学元件的输出孔接收所述光信号，并且基于所述光信号相对于所述光学发射器电路的相对应输出的相应相位差，来产生相应的检测信号；以及

测距电路，其耦接到所述光学检测器电路，并且配置成针对一个目标由所述检测信号所指示的相位差来计算多个距离，并且将所述多个距离中的一个认定为所述目标的距离。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在旋转扫描期间，所述激光测距仪在1度的同步的情况下激发激光二极管的256个脉冲。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光测距仪以至少10Hz的速度旋转。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光测距仪在所述平面扫描期间改变激光二极管输出的频率或功率。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非成像光学元件包括复合抛物面收集器元件，并且还包括：

可旋转的转台，其配置成绕所述旋转轴线旋转，并且包括收集光学器件，所述收集光学器件被布置成在所述平面扫描期间响应于所述转台的旋转而将所述光信号导引至所述复合抛物面收集器元件。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述复合抛物面收集器元件包括：

抛物面，其在其相对的端部处限定了所述进入孔和所述输出孔；以及

凸缘，其绕与所述抛物面的进入孔相邻的所述抛物面的周缘延伸，所述凸缘具有比所述进入孔大的直径，并且限定了从所述抛物面突出的唇缘。

8.如权利要求1所述的方法，还包括减小给所述激光测距仪的激光二极管的功率，以避免来自短距离处的漫射目标的反射，所述漫射目标具有已知的信号强度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回归反射信标利用独特的识别标记来编码，并且所述回归反射信标之间的距离是已知的。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个回归反射信标包括三个回归反射信标，并且其中，确定所述姿态包括：

对所述三个回归反射信标执行三角测量，以在所述有界区域内计算所述姿态。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回归反射信标相对于所述预定的边界的坐标是已知的，并且基于所述回归反射信标来确定所述姿态还包括相对于所述区域的预定的边界来确定所述姿态。

12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述不同的光信号具有不同的频率，并且其中，所述认定包括比较所述相应的检测信号所指示的所述多个距离。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述相应的检测信号基于所述相应相位差来表示平均电压，并且其中，所述比较包括：

对于所述相应的检测信号，由所述相应的检测信号的平均电压来计算所述多个距离；以及

基于所述多个距离的最小公倍数而将所述多个距离中的一个认定为所述目标的距离。

14.如权利要求13所述的方法，还包括：

在所述不同的频率之间顺序地切换，以从所述光学发射器电路发射所述相应的测距信号。

15.如权利要求2所述的方法，还包括：

确定在测距信号从所述光学发射器电路发射和所述光信号中相对应的一个到达所述光学检测器电路处之间的时间延迟；以及

基于所述时间延迟而将所述多个距离中的一个认定为所述目标的距离。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，来自所述光学发射器的测距信号相应地包括多个选通的突发，并且还包括：

基于所述光信号中的一个的突发的超过阈值的信号强度，来确定所述光信号中的一个的到达时间。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，确定所述光信号中的一个的到达时间包括：

由所述突发的信号强度来推断所述突发的上升沿。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，推断包括：

对接收信号强度指示本底噪声采样，以限定所述阈值；

计算指示所述信号强度的接收信号强度指示信号；以及

基于所述接收信号强度指示信号相对于所述接收信号强度指示本底噪声的上升时间，来推断所述突发的上升沿的时间。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学发射器电路包括耦接到光学发射器的可编程频率时钟，并且其中，所述光学发射器电路被配置成当所述光学发射器指向固定距离的校准目标时改变所述时钟的频率，以由所述光学发射器在相应的频率下输出多个校准信号，并且被配置成将所述时钟动态地调整至与所述校准信号中具有所述光学检测器电路所指示的最高的接收信号强度的一个相对应的所述相应的频率中的一个。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述相应的频率包括所述时钟的电流频率、大于所述电流频率的频率以及小于所述电流频率的频率，并且其中，所述光学发射器电路被配置成在所述割草机器人的操作期间设定所述时钟的频率。