CN106501809A - 一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，属于智能设备自动测距及自动规避障碍物领域。红外光发射模块接收到测量命令后，向外发射红外光，经过红外光发射透镜组聚焦后在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射和散射，红外光接收器收到反射回的红外光并且将信号传输至处理器得到距离。装置将障碍物的距离值传送给控制模块，让其能够识别障碍物位置并且自动避让，通过旋转本发明可以探测到周围360度的障碍物。本发明测距系统的整体布局合理，体积小，重量轻，发射和接收的距离长，分辨力强，尤其适用于无对重量和体积有要求的设备的距离测量及障碍物规避。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，特别是涉及一种无人机、无人车和行走机器人的光学测距、障碍物规避等领域。
背景技术
无人机是一种无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器，在工作中一般由操作员操作无人机的飞行路径。但由于无人机在低空飞行，会穿过很多复杂的障碍物，操作员在地面会难以精确观测无人机的实际飞行状况，容易撞到障碍物；在无人车和行走机器人工作时，要面对距离控制的问题。现有的距离检测装置，都是针对一种设备进行距离检测，这在很大程度上限制其适用范围，导致其功能单一。
目前红外测距已得到了广泛的应用，传统的红外测距方法均为反射式测量方法，红外发射器发出一束红外光信号，该红外光经被测物体/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解算出目标的距离。
发明人在实验本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足。
由于被检测物体的反光度无法确定，导致被检测距离本身存在一定的误差。环境光中存在一定的红外光部分，无法确定接收到的红外信号是否为发射出的红外光。反射光的只有少部分进入到接收器中，限制了测量的距离范围，同时红外测距系统的整体结构复杂，限制了测试系统的重量。
综上所述，现有技术的障碍物避障方法在实际应用中，其效果并非很理想，尚有很多实用性的问题需要解决。
发明内容
为了实现无人机、无人车和行走机器人的光学测距及障碍物规避的功能，本发明提出了一种精准的距离测试红外测距避让障碍的系统。
一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，本发明包括壳体、红外光发射模块、设于壳体内的红外光发射透镜组、设于壳体内的红外光接收透镜组和以，驱动电路和光信号处理器组成，其特征在于：所述方法包括以下步骤。
红外发射模块处于发射端，接收到测量命令后，在驱动电路的协助下以电压调制方式驱动红外LED发出860 nm红外线，经红外光发射透镜组后，射向待测环境中。
红外光在环境中传播，途中遇到障碍物即被反射和散射。
光信号处理器接收到反射的红外光后，与发出的光进行比相，获取发射红外光和接收红外光的相位差，使用飞行时间法（Time of Flight，简称TOF）计算得到距离信息。
光信号处理器将相对距离值传送给控制模块，向所述用户输出报警提示或者向机械控制装置输出规避障碍物的合理参数，从而实现测距和避让障碍物的功能。
本发明中，距离测量采用的测距算法为教课书中的常规技术。
本发明中，处理模块为技术成熟的市售商品，由光电转换电路、放大器等组成，实现光电转换、放大、输入阻抗匹配、自动增益控制等功能。经障碍物反射回来的红外光波聚焦在CMOS上，使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。同时为了使接收系统保持稳定工作状态，依靠单片机，采用了较大范围的自动增益控制，进行动态补偿。
本发明中，壳体可以采用聚甲醛CNC精雕或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）3D打印制作，透镜采用高透亚克力材料，也可以采用注塑工艺利用模具量产制备，适用于多种材料，如ABS、高密板（HDPE）等。整体布局简单，降低了产品重量。
本发明发出的红外线经发射透镜后射向障碍物，信号聚的更为集中，反射回来的红外光经接收透镜聚光后信号更强，测距范围为0.05 m-15 m，相对精度为±0.5%，所以适用范围更广。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为本发明的外壳爆炸图。
图4为本发明红外发射光路图。
图5为本发明的红外接收光路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
图1所示，本发明提供了一种用于无人机测距的装置。包括壳体1、设于壳体内的红外光发射模块2、红外光发射透镜组系统3、红外光接收透镜组4系统，和光信号处理器5组成。
红外发射模块2为可发出波长为860 nm的红外线LED，其发光角度为10度,处理单元的感光芯片对860 nm的红外光感应能力最强。860 nm红外光在驱动电路的驱动下，将电脉冲转换成红外波束。
发射端发出的860 nm红外光经发射透镜组3聚焦后发射到大气中，发射透镜组和接收透镜组均镀有860 nm的增透膜，该增透膜可以增加860 nm红外光的透过率。
860 nm 红外光在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射。
反射回的红外光经接收透镜组4聚光后聚焦于红外光接收单元，在接收透镜组均镀有860 nm的滤波膜，只允许860 nm附近的光通过。
红外光接收器收到反射光并将信号处理器将所述接收到的红外光与发出的光进行比相，获取发射红外光和接收红外光的相位差，计算得到相对距离。并将相对距离值传送给控制模块，实现无人机自动测距避让障碍物的功能。
Claims (8)
1.一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于：包括壳体、红外光发射模块、设于壳体内的红外光发射透镜组系统、设于壳体内的红外光接收透镜组，驱动电路和光信号处理器组成，红外光发射端接收到测量命令后，以电压调制的方式调制红外LED光源向外发射红外光，经过红外光发射透镜组后在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射，经过聚焦透镜组后聚焦于光信号处理处理器，由光信号处理器计算发射光和接收到光的相位差,得到初步相对距离，然后通过环境光强度以及工作温度等数据校准为精确相对距离，然后将距离值传送给控制模块，实现无人机、无人车和行走机器人自动测距避让障碍物的功能。
2.如权利要求1所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于：所述壳体内有发射光聚焦透镜组和接收光聚焦透镜组；红外发射模块发出的红外光经过发射光聚焦透镜组后发散角小于3 rad，接收光聚焦透镜组由聚焦透镜和滤波片组成组成，可以配合光阑形成对环境光的消除。
3.如权利要求2所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于：所述的红外发射模块可以有一组或者多组红外LED光源，对应着一组或者多组发射光聚焦透镜组。
4.如权利要求3所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于红外光发射透镜和红外光接收透镜组的透镜中均镀有红外增透膜。
5.如权利1所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于：驱动电路中包含自动调3478压模块，可以驱动1一组或多组LED在频闪的条件下工作。
6.如权利5所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于，驱动电路以电压调制的方式驱动红外LED发射模块发射红外光。
7.如权利1所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于，装置根据测量得到的和障碍物的相对距离，向所述用户输出报警提示或者向机械控制装置输出规避障碍物的合理参数。
8.如权利1所述的一种用于无人机、无人车和行走机器人等智能设备的红外测距及避障装置，其特征在于，通过旋转本发明可以探测到周围360度的障碍物。
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