CN107356929B - 一种快速扫描探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种快速扫描探测方法，用于每个扫描探测距离值的计算需要进行两次或者多于两次探测采样的旋转扫描探测装置，其中的每次探测采样包括：发射光源发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；接收装置中的光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光；所述旋转扫描探测装置在所处的每个探测角度位置，只进行一次探测采样。本申请所涉及的一种快速扫描探测方法，由于在旋转扫描探测装置所处的每个探测角度只需要一次探测采样，减少了在每个探测角度旋转扫描探测装置停留的时间，能够使得旋转扫描探测装置持续快速旋转，从而实现持续快速旋转扫描探测。

Description

一种快速扫描探测方法

技术领域

本申请涉及光学测距领域，具体而言，涉及一种快速扫描探测方法。

背景技术

光学旋转扫描探测装置是一种使用准直光束，通过三角测量、飞行时间（Time ofFlight，简称为TOF）等方法进行非接触式扫描探测的设备。目前，通常的飞行时间光学旋转扫描探测装置包括：光发射模块、光学镜头、接收并处理信号的芯片、电机、轴承及导电滑环。光发射模块发出探测光束，光学镜头位于光发射模块的光路上，经过准直的光束发射到被测物体表面，遇到障碍物后光束被反射到接收芯片上，接收芯片通过测量发射到接收之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。这类装置将用于测距的光发射模块、光学透镜、光接收模块等部件安装在一可连续旋转的平台上实现准直光束的扫描，通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号。

在现有技术中，测距装置对同一探测区域的距离测量需要经过多次的数据采样。例如在基于相位飞行时间法的计算过程中，在对某一探测区域的距离测量时，需要经过4次的数据采样，并且每次采样之后需要进行处理和传输才能进行下一次采样，最终得到一个准确的探测距离值，具体过程为：首先控制单元给测距芯片发送测量命令，测距芯片控制红外光源分4次发送脉冲调制，发射出的调制红外光信号遇到障碍物后被反射，测距芯片接收被障碍物反射的红外光信号并分别记录4次返回信号的幅值，分别作为0度，90度，180度和270度相位的探测采样信号幅值，测距芯片按照上述对同一探测区域的4次探测采样，经过计算，最终得到测距芯片与障碍物之间的距离值。

上述现有技术中，对同一探测区域，需要进行多次的探测，才能得到最终的一个距离值。在测距装置的实际使用过程中，需要快速地探测距离，例如在旋转扫描测距装置中，每秒需要旋转3-5圈或者更快，来提高距离测量速度和数据刷新频率。然而，需要经过多次数据采样才能得到一个距离值的现有探测方法中，测得一个距离值，在同一个旋转角度处，需要停留足够长的时间以进行多次探测采样及相关计算。在同一个旋转角度处停留过长时间，测距装置难以持续快速旋转，降低了扫描测距速度。在高速旋转的扫描测距装置中，多次采样计算一个位置的距离会导致采样点对应的目标不统一，会产生运动模糊，造成测距误差。并且每次测距的4次采样均控制旋转机构停在一个位置，会产生极大的抖动，并且无法实现高速旋转。

本申请基于上述现有技术存在的缺陷，提供了一种快速扫描探测方法，特别是涉及一种测距单元中使用阵列光电传感器的快速扫描探测方法。

发明内容

为了解决现有技术中探测装置的一次距离值获得，需要对同一探测区域进行多次数据采样，不能持续快速探测距离的问题，本申请提供一种快速扫描探测方法。该快速扫描探测方法，用于每个扫描探测距离值的计算需要进行两次或者多于两次探测采样的旋转扫描探测装置，其中的每次探测采样包括：发射光源发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；接收装置中的光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光；所述旋转扫描探测装置在所处的每个探测角度位置，只进行一次探测采样。

在其中的一实施例中，电传感器为由M行N列个可以独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，其中M大于等于1，N大于等于2。

在其中的一实施例中，在旋转扫描探测装置所处的每两个相邻探测角度位置，阵列光电传感器中不同区域的光电传感器对同一个空间环境中的探测区域探测采样。

在其中的一实施例中，旋转扫描探测装置在所处的X个相邻探测角度，其中X为每个扫描探测距离值计算所需的探测采样次数，阵列光电传感器中有X个不同区域的光电传感器对同一个空间环境中的探测区域探测采样。

在其中的一实施例中，阵列光电传感器中不同区域光电传感器所包含的列数最少为一列，最多包含N除以扫描探测距离值计算所需要进行探测采样次数个列。

在其中的一实施例中，在每次探测采样周期中发射光源及光电传感器不工作的数据处理时间段，旋转扫描探测装置从其中一个探测角度位置转换到下一个相邻的探测角度位置。

在其中的一实施例中，信号处理单元通过当前旋转扫描探测装置所处角度的某一光电传感器区域R1的探测采样数据、与前Y个相邻探测角度中对同一个空间环境中探测区域光电传感器的采样数据，计算当前所处角度光电传感器位置R1所对应的空间环境中物体与旋转扫描探测装置的距离值；最终将360范围内的每个角度对应的每个距离值拼接，得到水平360度、并在垂直方向上M个不同位置距离值的三维数据图；其中Y的大小为每个扫描探测距离值计算所需的探测采样次数减1。

在其中的一实施例中，快速扫描探测方法基于飞行时间法，通过四次探测采样计算距离值。

在其中的一实施例中，信号处理单元通过当前旋转扫描探测装置所处角度的某一光电传感器区域R1的探测采样数据、与前三个相邻探测角度中对同一个空间环境中探测区域光电传感器的采样数据，计算当前所处角度传感器位置R1所对应的空间环境中物体与扫描探测装置的距离值。

在其中的一实施例中，快速扫描探测方法用于行走机器人、扫地机器人或无人机对周围环境的距离探测扫描。

本申请所涉及的一种快速扫描探测方法，由于每次测试由之前的四次采样变为仅需一次采样，并且芯片四次采样的处理时间也省略了，采样和处理器的计算可以并行执行，极大的减小了单次测距的时间，减小了因旋转而造成的角度偏移，消除了运动模糊，使得扫描探测装置能持续快速旋转；另外，在发射光源发射出红外探测光及光电传感器接收完反射的红外探测光之后，旋转扫描探测装置需要时间进行数据存储与处理，利用本申请所涉及的快速扫描探测方法，可以充分利用每次探测采样中的数据处理时间来转动旋转壳体，完成从某一探测角度到下一个探测角度的变换，从而实现持续快速旋转扫描探测。

附图说明

图1是本申请中旋转扫描探测装置的其中一实施例结构示意图。

图2是本申请其中一实施例旋转扫描探测装置的光路示意图。

图3是本申请其中一实施例快速扫描探测方法的步骤流程图。

图4是本申请其中一实施例旋转扫描探测装置阵列光电传感器示意图。

图5是本申请其中一实施例快速扫描探测方法中不同旋转位置光电传感器的位置对应示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请涉及一种快速扫描探测方法，在距离探测过程中扫描探测装置旋转壳体相对于基座持续不断旋转，实现360度范围内的快速扫描，得到距离信息。本申请所涉及的快速扫描探测方法特别用于每个扫描探测距离值的计算需要进行两次或者多于两次探测采样的旋转扫描探测装置。

本申请举例出所述快速扫描探测方法所适用的其中一个装置实施例，但并不限制于该装置实施例，所有每个扫描探测距离值的计算需要进行两次或者多于两次探测采样的旋转扫描探测装置，都在本申请所涉及的快速扫描探测方法适用范围之内。如附图1-2所示，本申请所涉及的快速扫描探测方法所适用的一实施例的旋转扫描探测装置包括：

发射光源，固定于旋转壳体内部，通过控制信号的控制发射出红外探测光，红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射。其中，发射光源为LED光源或者激光光源，在空间中传播的红外探测光为具有一定横截面积的小发散角的光束。LED或者激光发出的红外探测光通过旋转壳体上的透光孔射向外部所需探测的环境中。在优选的实施例中，在发射光源的发射光光路上，设置有发射光会聚透镜，使得发射出的红外探测光会聚。

接收装置，固定于旋转壳体内部，具有光电传感器，该光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；在优选的实施例中，在光电传感器的接收光的光路上，设置有接收光会聚透镜或者成像透镜，将被障碍物等发射回来的红外探测光会聚到光电传感器上。

信号处理单元，与光电传感器电连接，通过光电传感器转换的电信号，基于飞行时间法计算旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离，或者基于任何其他需要两次或者多于两次探测采样才能最终得到一个距离值的距离计算方法。

角度确定装置，用于确定旋转壳体的角度位置。在其中的一实施例中，该角度确定装置为光电编码盘。

驱动电机，通过控制驱动电机，使得旋转壳体相对于基座不断旋转，通过控制驱动电机的转速，从而调节旋转壳体的转速。在其中的一实施例中，驱动电机位于基座内部，通过直接驱动的方式，直接驱动旋转壳体旋转；在可选的实施例中，驱动电机位于基座侧面或者下部，驱动电机通过传动装置，例如通过传动带或者齿轮，驱动旋转壳体旋转。

其中，上述接收装置中的光电传感器为由M行N列个光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，其中M大于等于1，N大于等于2，如附图4所示，该阵列光电传感器为由设置于同一平面内的M*N个独立光电传感器所组成。每个各自独立工作的光电传感器都能独立探测红外探测光，并结合信号处理单元得到各自独立的一次或者多次探测采样，或者结合信号处理单元得到各自完整的距离信息。

为了清晰说明本申请涉及的快速扫描探测方法的具体内容，以其中的一个实施例来说明，该实施例中，接收装置中的光电传感器为由8行8列、共64个独立工作光电传感器组成的一块面阵列光电传感器，光电传感器为CCD光电传感器或者为CMOS光电传感器。在采用基于飞行时间的测试方法中，需要对同一探测区域进行4次探测采样DCS0、DCS1、DCS2及DCS3，其最终距离值D的计算公式为：

其中， C为光在真空中的速度，f为调制信号的频率，DCS0、DCS1、DCS2、DCS3分别为0度，90度，180度和270度的信号探测采样幅值。在传统的TOF方法中，上述的DCS0~DCS3四次信号探测采样幅值，为旋转扫描探测装置的旋转壳体在旋转到的某一个角度，对探测区域经过4次探测采样，并完成距离值计算后，旋转扫描探测装置的旋转壳体才旋转到下一个角度进行下一个角度的4次探测采样与距离计算。

需要说明的是，本申请所涉及的快速扫描探测方法适用于所有需要进行多次探测采样，例如两次或者多于两次才能计算得到一个距离信息的扫描探测装置中，并不限制于上述的、需要4次探测采样的飞行时间扫描探测装置。

本申请所涉及的快速扫描探测方法，以采用飞行时间法探测距离为例，每个最终的距离同样需要进行4次探测采样DCS0~DCS3，才能够计算出，但该4次探测采样不是在旋转扫描探测装置的旋转壳体处于同一个角度内完成的，而是在旋转扫描探测装置的旋转壳体旋转到的每一个角度对探测目标区域只进行一次探测采样，在下一个旋转壳体旋转到的角度，通过阵列光电传感器中处于不同位置的光电传感器再对同一个探测目标区域进行另一次探测采样，然后旋转到下一个角度，即在旋转壳体旋转到的每一个角度，只进行一次探测采样，使得高速旋转的样机四次采样都探测同一个目标，减小距离误差并消除运动模糊。本申请涉及的快速扫描探测方法，以基于4次探测采样DCS0~DCS3计算一个探测距离值的实施例，如示意图 5 所示，其具体详细内容为：

步骤100：发射光源，通过调制信号的调制发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；同时，记录旋转扫描探测装置的探测方位角度，记作第一探测角度；接收装置，具有光电传感器，光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，且在此角度位置，光电传感器只进行一次探测采样（DCS0），然后将探测采样数据存入存储器。

其中，光电传感器为由M行N列个可以独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，其中M大于等于1，N大于等于2。在此实施例中，M=8，N=8，为了更好地解释说明技术方案，将光电传感器的8列光电传感器中的每2列归为一个光电传感器组，该光电传感器被分为4个依次相邻的光电传感器组R1、R2、R3及R4。

上述光电传感器之所以分为4个光电传感器组，是因为在距离计算时，需要4次探测采样，为了快速扫描探测，优选为分成4个光电传感器组，但并不限制于此，在其他的实施例中，采用4次探测采样的距离探测方法中，也可以分为8个光电传感器组，该光电传感器组最少为一列光电传感器。在其他的实施例中，如果所使用的探测方法需要2次探测采样，则将光电传感器的8列优选为每4列归为一个光电传感器组，共2个光电传感器组；如果所使用的探测方法需要8次探测采样，则将光电传感器的8列优选为每1列归为一个光电传感器组，共8个光电传感器组。其中，所述的“列”为垂直水平方向上的划分，因为扫描测距装置沿水平方向旋转，并且所述的“列”应与扫描测距旋转方向垂直。上述光电传感器组R1、R2、R3、R4的划分只是为了解释说明本申请涉及的快速扫描探测方法，只是对不同位置的光电传感器进行区域划分，光电传感器组R1、R2、R3、R4都是将光信号转换为电信号，在各自独立的功能上相同。

步骤200：旋转扫描探测装置的旋转壳体旋转到第二探测角度，同样，发射光源通过调制信号的调制发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；接收装置，具有光电传感器，光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，且在此角度位置，光电传感器只进行一次探测采样（DCS1）。

在本发明涉及的快速扫描探测方法中，第一探测角度与第二探测角度之间的角度关系为：当光电传感器处于第二探测角度时，光电传感器组R1、R2、R3所探测的空间环境中的探测区域，与当光电传感器处于第一探测角度时，光电传感器组R2、R3、R4所探测的空间环境中的探测区域相同。也就是说，在两个相邻的探测角度，错过一个探测器组所探测的水平视场角度，其余的光电传感器组所探测的空间探测区域重合。

在旋转到该第二角度后，光电传感器完成第二探测采样（DCS1），然后将探测采样数据同样存入存储器。

步骤300：旋转扫描探测装置旋转到第三探测角度，同样，发射光源通过调制信号的调制发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；接收装置，具有光电传感器，光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，且在此角度位置，光电传感器只进行一次探测采样（DCS2）。

在本发明涉及的快速扫描探测方法中，第二探测角度与第三探测角度之间角度关系为：当光电传感器处于第三探测角度时，光电传感器组R1、R2、R3所探测的空间环境中的探测区域，与当光电传感器处于第二探测角度时，光电传感器组R2、R3、R4所探测的空间环境中的探测区域相同。

在旋转到该第三角度后，光电传感器完成第三探测采样（DCS2），然后将探测采样数据同样存入存储器。

步骤400：旋转扫描探测装置旋转到第四探测角度，同样，发射光源通过调制信号的调制发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；接收装置，具有光电传感器，光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，且在此角度位置，光电传感器只进行一次探测采样（DCS3）。

在本发明涉及的快速扫描探测方法中，第四探测角度与第三探测角度之间角度关系为：当光电传感器处于第四探测角度时，光电传感器组R1、R2、R3所探测的空间环境中的探测区域，与当光电传感器处于第三探测角度时，光电传感器组R2、R3、R4所探测的空间环境中的探测区域相同。

在旋转到该第四角度后，光电传感器完成第四探测采样（DCS3），然后将探测采样数据同样存入存储器。

信号处理单元读取存储器中的第一探测角度位置时光电传感器组R4的第一探测采样DCS0、第二探测角度位置时光电传感器组R3的第二探测采样DCS1、第三探测角度位置时光电传感器组R2的第三探测采样DCS2、第四探测角度位置时光电传感器组R1的第四探测采样DCS3，基于上述的一组DCS0-DCS3计算同一空间环境中探测区域的探测距离值。

步骤500：旋转壳体不断旋转，循环测量，持续得到距离值：旋转扫描探测装置的旋转壳体不断旋转，旋转扫描探测装置的旋转壳体在所处的每个探测角度位置，光电传感器组R1、R2、R3所探测的空间环境中的探测区域，与当旋转壳体处于上一个相邻的探测角度时，光电传感器组R2、R3、R4所探测的空间环境中的探测区域相同（如附图5所示）；每个角度光电传感器都完成一次探测采样，得到DCS0、DCS1、CDS2、DCS3的探测采样数据；将每次的探测采样数据存入存储器；信号处理单元通过当前旋转壳体所处角度的光电传感器位置R1所记载的探测采样数据（此探测采样数据为DCS0~DCS3中的一个）、与前三个相邻探测角度中对同一个空间环境中探测区域光电传感器所存储的采样数据，计算当前所处角度光电传感器位置R1所对应的空间环境中物体与旋转扫描探测装置的距离值；最终将360范围内的每个角度对应的每个距离值拼接，得到水平360度、并在垂直方向上8个不同位置距离值的三维数据图。

在上述的任意一实施例中：R1~RX所占的列的个数相等，最小为占1列的组，最大占用的列数等于光电传感器所有的列数N除以所需采样次数。

在上述的任意一实施例中，光电编码器用于确定旋转壳体所处的探测角度信息。

在上述的任意一实施例中，得到一个最终的扫描探测距离值，并不限制于需要4次扫描探测采样来计算，还包括例如需要2次、6次、8次等任何需要多次扫描探测采样来得到一个最终扫描探测距离值的方法或者装置中。

在上述的任意一实施例中，所述旋转扫描探测装置在所处的X个相邻探测角度，其中X为每个扫描探测距离值计算所需的探测采样次数，所述阵列光电传感器中共有X个不同区域的光电传感器对同一个空间环境中的探测区域探测采样。

在上述的任意一实施例中，信号处理单元通过当前旋转壳体所处角度的某一光电传感器区域R1的探测采样数据、与前Y个相邻探测角度中对同一个空间环境中探测区域光电传感器的采样数据，计算当前所处角度光电传感器位置R1所对应的空间环境中物体与旋转扫描探测装置的距离值；其中Y的大小为每个扫描探测距离值计算所需的探测采样次数减1。

探测方法用于行走机器人、扫地机器人、无人机等智能机器移动设备对周围环境的单线或多线扫描探测。通过得到的距离信息，以同时定位及画图算法，重新构建周围环境的地图，确定只能移动设备在地图中的位置，自主规划移动路径及自主移动。

Claims (8)

1.一种快速扫描探测方法，其特征在于，用于每个扫描探测距离值的计算需要进行两次或者多于两次探测采样的旋转扫描探测装置，其中的每次探测采样包括：发射光源发射出红外探测光；红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；接收装置中的光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光；所述旋转扫描探测装置在所处的每个探测角度位置，只进行一次探测采样；

所述光电传感器为由M行N列个可以独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，其中M大于等于1，N大于等于2；

在旋转扫描探测装置所处的每两个相邻探测角度位置，所述阵列光电传感器中不同区域的光电传感器对同一个空间环境中的探测区域探测采样，所述阵列光电传感器中不同区域光电传感器所包含的列数最少为一列；

信号处理单元通过当前旋转扫描探测装置所处角度的某一光电传感器区域R1的探测采样数据、与前Y个相邻探测角度中对同一个空间环境中探测区域光电传感器的采样数据，计算当前所处角度光电传感器位置R1所对应的空间环境中物体与旋转扫描探测装置的距离值，其中Y的大小为每个扫描探测距离值计算所需的探测采样次数减1。

2.根据权利要求1所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，所述旋转扫描探测装置在所处的X个相邻探测角度，其中X为每个扫描探测距离值计算所需的探测采样次数，所述阵列光电传感器中有X个不同区域的光电传感器对同一个空间环境中的探测区域探测采样。

3.根据权利要求1所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，最多包含N除以扫描探测距离值计算所需要进行探测采样次数个列。

4.根据权利要求1所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，在每次探测采样周期中发射光源及光电传感器不工作的数据处理时间段，旋转扫描探测装置从其中一个探测角度位置转换到下一个相邻的探测角度位置。

5.根据权利要求1所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，将360范围内的每个角度对应的每个距离值拼接，得到水平360度、并在垂直方向上M个不同位置距离值的三维数据图。

6.根据权利要求1所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，所述快速扫描探测方法基于飞行时间法，通过四次探测采样计算距离值。

7.根据权利要求6所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，信号处理单元通过当前旋转扫描探测装置所处角度的某一光电传感器区域R1的探测采样数据、与前三个相邻探测角度中对同一个空间环境中探测区域光电传感器的采样数据，计算当前所处角度传感器位置R1所对应的空间环境中物体与扫描探测装置的距离值。

8.根据权利要求1-7之一所述的一种快速扫描探测方法，其特征在于，所述快速扫描探测方法用于行走机器人、扫地机器人或无人机对周围环境的距离探测扫描。

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