CN106291577B - 一种扫描测距传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种扫描测距传感器，包括旋转部件和固定部件。旋转部件位于外侧并围绕固定部件旋转。旋转部件包括至少三个测距单元，每个测距单元包括光发射模块、光接收模块、安装结构件及信号处理电路。固定部件包括底座及信号接收单元。无线供电模块，包括发射线圈和接收线圈，分别安装于固定部件和旋转部件，藉由线圈之间的磁耦合来传递电能。相比于现有技术，本发明融合了诸如三角测距、相位测距和脉冲测距等多种方式，从而能充分发挥不同类型的测距单元各自的最佳测距范围，使测距传感器在近距离、中距离和远距离均实现较高精度的距离测量。此外，本发明采用无线供电模块替代现有技术中的滑环连接方式，可提高测距频率和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光测距技术，尤其涉及一种基于多个测距单元的扫描测距传感器。
背景技术
光学扫描测距是一种使用准直光束对目标物体进行非接触式扫描测距的新技术，通过将用于测距的准直光束(如激光)进行一定范围内的旋转，即可实现对所在环境内物体进行扫描测距，并提取出环境的轮廓信息。相比超声波、图像检测等手段，使用光学扫描测距技术可以实现非常高的测距精度，并且测距速度快。因此在工业和民用领域具有非常高的应用价值，目前广泛的应用到诸如机器人自主建图与导航定位(SLAM)、3D场景重建、安防检测等领域。
在现有技术中，早期的扫描测距装置使用了光学飞行时间测量原理(Time ofFlight，TOF)的激光测距并配合多组光学镜片实现扫描式测距。由于使用的TOF测距模块尺寸较大，并且包含的多组光学镜片需要在工作中保证精密的固定，因此给设计和生产这类扫描测距装置带来了很大挑战，并导致这类扫描测距装置的成本较高。同时，复杂的光学设备也增加了装置的尺寸和重量。这些因素很大地限制这类扫描测距装置在成本和体积敏感的消费品领域应用。此外，随着机器人技术的发展，对测距装置的尺寸要求亦越来越高，传统的测距装置在尺寸上仍然偏大，而且采用滑环方式供电和传输信号时，使用寿命也会大大降低。再者，扫描电机通过皮带轮或齿轮带动旋转部分的测距单元旋转时，皮带轮或齿轮长时间运作后往往出现磨损，影响测距装置的正常工作。
有鉴于此，如何设计一种新的扫描测距传感器，以解决现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的光学扫描测距装置所存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于多个测距单元的扫描测距传感器。
依据本发明的一个方面，提供了一种扫描测距传感器，所述扫描测距传感器包括旋转部件和固定部件，所述旋转部件位于外侧并围绕所述固定部件旋转，其中，
所述旋转部件包括至少三个测距单元，每个测距单元包括一光发射模块、一光接收模块、一安装结构件以及一信号处理电路，所述光发射模块和所述光接收模块设置于所述安装结构件的一侧，所述信号处理电路设置于所述安装结构件的另一侧，所述信号处理电路包括一信号发送单元；
所述固定部件包括底座及安装于所述底座的信号接收单元，所述信号接收单元用于接收来自所述信号发送单元的测距信号；以及
无线供电模块，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈安装于所述固定部件，所述接收线圈安装于所述旋转部件，藉由所述发射线圈和所述接收线圈之间的磁耦合来传递电能。
在其中的一实施例，所述信号发送单元和所述信号接收单元以光电方式、Wi-Fi方式、蓝牙方式或磁耦合方式进行信号传输。
在其中的一实施例，所述光接收模块包括光电二极管(PIN)、雪崩式光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体器件(CMOS)。
在其中的一实施例，所述旋转部件包括三种类型的测距单元：脉冲测距单元、相位测距单元和三角测距单元。
在其中的一实施例，当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第一数值范围时，所述旋转部件的脉冲测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第二数值范围时，所述旋转部件的相位测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第三数值范围时，所述旋转部件的三角测距单元投入工作。
在其中的一实施例，所述第三数值范围小于所述第二数值范围，且所述第二数值范围小于所述第一数值范围。
在其中的一实施例，所述信号处理电路还包括均值计算单元，用于连续采样同一测距单元的N次测量数据并进行平均，以便将平均值作为所述测距信号，N大于或等于3。
在其中的一实施例，当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第一数值范围时，所述旋转部件的脉冲测距单元和相位测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第二数值范围时，所述旋转部件的相位测距单元和三角测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第三数值范围时，所述旋转部件的三角测距单元投入工作。
在其中的一实施例，所述测距信号为不同类型的测距单元各自所测量数据的加权信号。
在其中的一实施例，所述扫描测距传感器还包括一驱动电机，该驱动电机具有一转子和一定子，所述转子与所述旋转部件相连接，所述定子与所述固定部件相连接。
在其中的一实施例，所述多个测距单元放置在同一平面且彼此相邻设置，该平面位于所述定子和所述转子之间且相互平行。
在其中的一实施例，所述光发射模块包括光源和第一驱动电路，所述光源为发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，所述光源的光谱为紫外光、可见光或红外光。
在其中的一实施例，所述光源出射的光为连续光、脉冲光或调制光。
在其中的一实施例，所述光接收模块包括光探测器和第二驱动电路，所述光探测器用于将所接收的光信号转换为电信号，所述第二驱动电路与所述光探测器电性耦接。
采用本发明的扫描测距传感器，其包括旋转部件和固定部件，旋转部件位于外侧并围绕固定部件旋转。旋转部件包括至少三个测距单元，每个测距单元包括一光发射模块、一光接收模块、一安装结构件以及一信号处理电路，光发射模块和光接收模块设置于安装结构件的一侧，信号处理电路设置于安装结构件的另一侧，信号处理电路包括一信号发送单元。固定部件包括底座及安装于底座的信号接收单元，信号接收单元用于接收来自信号发送单元的测距信号。无线供电模块包括发射线圈和接收线圈，发射线圈安装于固定部件，接收线圈安装于旋转部件，藉由发射线圈和接收线圈之间的磁耦合来传递电能。相比于现有技术，本发明的扫描测距传感器融合了诸如三角测距、相位测距和脉冲测距等多种方式，从而能充分发挥不同类型的测距单元各自的最佳测距范围，使得测距传感器在近距离、中距离和远距离均实现较高精度的距离测量。此外，本发明采用无线供电模块替代现有技术中的滑环连接方式，可提高测距频率和使用寿命。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出依据本发明的一实施方式，基于多个测距单元的扫描测距传感器的立体视图；
图2示出图1的扫描测距传感器的分解示意图；
图3A示出图2的扫描测距传感器的多个测距单元的主视图；
图3B示出图2的扫描测距传感器的多个测距单元的俯视图；以及
图4示出图1的扫描测距传感器中的单个测距单元的分解示意图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出依据本发明的一实施方式，基于多个测距单元的扫描测距传感器的立体视图。图2示出图1的扫描测距传感器的分解示意图。图3A示出图2的扫描测距传感器的多个测距单元的主视图。图3B示出图2的扫描测距传感器的多个测距单元的俯视图。图4示出图1的扫描测距传感器中的单个测距单元的分解示意图。
参照图1、图2、图3A～图3B以及图4，在该实施方式中，本发明的扫描测距传感器包括旋转部件和固定部件。旋转部件位于外侧并围绕固定部件旋转。较佳地，该扫描测距传感器还包括驱动电机，该驱动电机具有定子21和转子23，转子23与旋转部件相连接，定子21与固定部件相连接。旋转部件包括至少三个测距单元(如图2中的数字标记1所示)，由测距单元10A、测距单元10B和测距单元10C构成。这些测距单元放置在同一平面且彼此相邻设置，该平面位于定子21和转子23之间且相互平行。
以测距单元10A、10B和10C中的任一测距单元为例，单个测距单元包括一光发射模块121、一光接收模块123、一安装结构件125以及一信号处理电路127。光发射模块121和光接收模块123设置于安装结构件125的一侧，信号处理电路127设置于安装结构件125的另一侧。信号处理电路127包括一信号发送单元，该信号发送单元用来传送测距信号。对应地，固定部件包括底座及安装于底座的信号接收单元，该信号接收单元用于接收来自信号发送单元的测距信号。例如，信号发送单元和信号接收单元以光电方式、Wi-Fi方式、蓝牙方式或磁耦合方式进行信号传输。信号发送单元为红外二极管，信号接收单元为PIN二极管。此外，测距单元还可包括散热部件，设置于光发射模块和/或光接收模块。
较佳地，旋转部件包括三种类型的测距单元，即，脉冲测距单元、相位测距单元和三角测距单元。例如，测距单元10A根据三角法的光学测距原理来测量目标物体的距离；测距单元10B根据相位法的光学测距原理来测量目标物体的距离；测距单元10C根据脉冲法的光学测距原理来测量目标物体的距离。这是因为，传统的光学扫描测距传感器通常仅仅基于三角法或者相位法或者脉冲法进行测量，而这几种测距方法各有优缺点。举例来说，三角测距法在近距离测量时的精度高，却难以测得远(如，在近距离时的精度可达到0.5mm，但测量距离最多仅为十几米)。相位测距法的测量精度也较高，通常情况下，整个量程范围内可保持小于1mm的精度，但是相位测距的量程范围却难以超过100米。脉冲测距法的测量距离远、速度快，却难以测得精确，通常情况下，脉冲法的量程范围可以轻易到100米以上，但是其测量精度一般是厘米级别。从上述可知，本发明的扫描测距传感器融合了三角测距、相位测距和脉冲测距等多种方式，从而能充分发挥不同类型的测距单元各自的最佳测距范围，使得测距传感器在近距离、中距离和远距离均实现较高精度的距离测量。
无线供电模块包括发射线圈30和接收线圈32。发射线圈30安装于固定部件，接收线圈32安装于旋转部件，藉由发射线圈30和接收线圈32之间的磁耦合来传递电能。如此一来，本发明采用无线供电模块替代现有技术中的滑环连接方式，可提高测距频率和使用寿命。
在一具体实施例，当扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第一数值范围时，旋转部件的脉冲测距单元(诸如测距单元10C)投入工作。当扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第二数值范围时，旋转部件的相位测距单元(诸如测距单元10B)投入工作。当扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第三数值范围时，旋转部件的三角测距单元(诸如测距单元10A)投入工作。这里，第三数值范围小于第二数值范围，且第二数值范围小于第一数值范围。例如，第一数值范围为100米以上，第二数值范围为20米～100米，第三数值范围为0～20米。此外，该信号处理电路还可包括均值计算单元，用于连续采样同一测距单元的N次测量数据并进行平均，以便将平均值作为测距信号，N大于或等于3。
在一具体实施例，当扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第一数值范围时，旋转部件的脉冲测距单元和相位测距单元投入工作。当扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第二数值范围时，旋转部件的相位测距单元和三角测距单元投入工作。当扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第三数值范围时，旋转部件的三角测距单元投入工作。此时，第一数值范围与第二数值范围彼此交叠，且第二数值范围与第三数值范围彼此交叠。例如，第一数值范围为100米以上，第二数值范围为15米～150米，第三数值范围为0～20米。测距信号为不同类型的测距单元各自所测量数据的加权信号。
此外，光发射模块121包括光源和第一驱动电路，光源为发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，光源的光谱为紫外光、可见光或红外光。光源出射的光可为连续光、脉冲光或调制光。
此外，光接收模块123包括光探测器和第二驱动电路，光探测器用于将所接收的光信号转换为电信号，第二驱动电路与光探测器电性耦接。光探测器为光电二极管(PIN)、雪崩式光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体器件(CMOS)。
采用本发明的扫描测距传感器，其包括旋转部件和固定部件，旋转部件位于外侧并围绕固定部件旋转。旋转部件包括至少三个测距单元，每个测距单元包括一光发射模块、一光接收模块、一安装结构件以及一信号处理电路，光发射模块和光接收模块设置于安装结构件的一侧，信号处理电路设置于安装结构件的另一侧，信号处理电路包括一信号发送单元。固定部件包括底座及安装于底座的信号接收单元，信号接收单元用于接收来自信号发送单元的测距信号。无线供电模块包括发射线圈和接收线圈，发射线圈安装于固定部件，接收线圈安装于旋转部件，藉由发射线圈和接收线圈之间的磁耦合来传递电能。相比于现有技术，本发明的扫描测距传感器融合了诸如三角测距、相位测距和脉冲测距等多种方式，从而能充分发挥不同类型的测距单元各自的最佳测距范围，使得测距传感器在近距离、中距离和远距离均实现较高精度的距离测量。此外，本发明采用无线供电模块替代现有技术中的滑环连接方式，可提高测距频率和使用寿命。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
Claims (11)
1.一种扫描测距传感器，其特征在于，所述扫描测距传感器包括旋转部件和固定部件，所述旋转部件位于外侧并围绕所述固定部件旋转，其中，
所述旋转部件包括至少三个测距单元，每个测距单元包括一光发射模块、一光接收模块、一安装结构件以及一信号处理电路，所述光发射模块和所述光接收模块设置于所述安装结构件的一侧，所述信号处理电路设置于所述安装结构件的另一侧，所述信号处理电路包括一信号发送单元；
所述固定部件包括底座及安装于所述底座的信号接收单元，所述信号接收单元用于接收来自所述信号发送单元的测距信号；以及
无线供电模块，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈安装于所述固定部件，所述接收线圈安装于所述旋转部件，藉由所述发射线圈和所述接收线圈之间的磁耦合来传递电能；
当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第一数值范围时，所述旋转部件的脉冲测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第二数值范围时，所述旋转部件的相位测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第三数值范围时，所述旋转部件的三角测距单元投入工作；
或者
当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第一数值范围时，所述旋转部件的脉冲测距单元和相位测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第二数值范围时，所述旋转部件的相位测距单元和三角测距单元投入工作；当所述扫描测距传感器与目标物体之间的距离介于第三数值范围时，所述旋转部件的三角测距单元投入工作；
所述旋转部件包括三种类型的测距单元：脉冲测距单元、相位测距单元和三角测距单元。
2.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述信号发送单元和所述信号接收单元以光电方式、Wi-Fi方式、蓝牙方式或磁耦合方式进行信号传输。
3.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述光接收模块包括光电二极管(PIN)、雪崩式光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体器件(CMOS)。
4.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述第三数值范围小于所述第二数值范围，且所述第二数值范围小于所述第一数值范围。
5.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述信号处理电路还包括均值计算单元，用于连续采样同一测距单元的N次测量数据并进行平均，以便将平均值作为所述测距信号，N大于或等于3。
6.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述测距信号为不同类型的测距单元各自所测量数据的加权信号。
7.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述扫描测距传感器还包括一驱动电机，该驱动电机具有一转子和一定子，所述转子与所述旋转部件相连接，所述定子与所述固定部件相连接。
8.根据权利要求7所述的扫描测距传感器，其特征在于，多个测距单元放置在同一平面且彼此相邻设置，该平面位于所述定子和所述转子之间且相互平行。
9.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述光发射模块包括光源和第一驱动电路，所述光源为发光二极管(LED)或激光二极管(LD)，所述光源的光谱为紫外光、可见光或红外光。
10.根据权利要求9所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述光源出射的光为连续光、脉冲光或调制光。
11.根据权利要求1所述的扫描测距传感器，其特征在于，所述光接收模块包括光探测器和第二驱动电路，所述光探测器用于将所接收的光信号转换为电信号，所述第二驱动电路与所述光探测器电性耦接。
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