CN108020846A - 一种可探测障碍物方位的传感器避障系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可探测障碍物方位的传感器避障系统及方法，包括处理器、信号分路器、多路发射器、发射信号处理模块、接收信号处理模块和接收器；所述处理器含TOF芯片,在多路发射器的发射方向设置有发射信号处理模块，在光信号的接收方向上设置有接收信号处理模块，接收信号处理模块的聚光方向设置接收器与处理器连接。多路发射器按照时序依次发送具有相位调制的红外光信号，由发射信号处理模块将多路红外信号进行空间调制，使其按照固定方位角进行指定方位红外信号发射。处理器处理运算每个方位测试距离信息，对所有方位距离信息进行分析，得到障碍物距离、方位及尺寸信息，便于运动设备进行动作，实现障碍物识别并绕行功能。

Description

一种可探测障碍物方位的传感器避障系统及方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种可探测障碍物方位的传感器避障系统及方法。

背景技术

近年来随着移动机器人、无人驾驶汽车以及无人机的发展，对避障传感器需求越来越多。传统的可用来避障的传感器有毫米波雷达、激光雷达、双目视觉传感器、超声波传感器、红外测距传感器、激光测距仪、光电漫反射传感器、视觉传感器。

而可移动的机器设备对避障的要求也可分为两个等级：一是只需要能探明障碍物，给出停车信号即可；二是除了能探明障碍物以外，需要给出障碍物距离、方向、大小信息给移动设备，移动设备根据这些信息做出判断，实现自主避开障碍物，继续前进目的。

通常能够实现避开障碍物自主运行的传感器有：激光雷达、双目视觉传感器。其余传感器单靠一个很难实现移动设备的自主避障功能，采用多只传感器又需要额外付出更多的成本。而目前激光雷达以及双目视觉传感器成本都较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可探测障碍物方位的传感器避障系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，包括处理器、信号分路器、多路发射器、发射信号处理模块、接收信号处理模块和接收器；

所述处理器含TOF芯片,所述处理器、所述信号分路器和所述多路发射器依次连接，在所述多路发射器的发射方向设置有所述发射信号处理模块，所述多路发射器的发射光经所述发射信号处理模块发射后被目标物反射，在所述反射方向上设置有接收信号处理模块，所述接收信号处理模块的聚光方向设置所述接收器，所述接收器与所述处理器连接。

进一步的，所述多路发射器是两个以上各自封装或封装在一起电气性能独立的发射器，所述发射器包括红外发射管、发射二极管和激光二极管中的任意一种。

进一步的，所述发射信号处理模块包括单个正透镜、广角透镜组和微透镜阵列中的任意一种。

进一步的，所述多路发射器由多个发射器依次并排构成，所述正透镜的几何中心与所述多路发射器排列方向两侧对应的发散角为±12°，所述正透镜的几何中心与所述多路发射器排列方向垂直的两侧对应的发散角为±4°。

进一步的，所述接收信号处理模块具有大角度接收视场角，包括正透镜、透镜组、TIR透镜、反光杯和蝶形透镜中的任意一种。

进一步的，所述接收器包括具有感光特性的光敏二极管或光电倍增管。

多路发射系统通过所述多路发射器与所述发射信号处理模块组成，具有以下几个参数：1.系统发射区域大小；2.单个发射区域大小；3.相邻两发射区域之间的夹角。系统发射区域越大，传感器视场角越大，所能避障的区域也越大；单个发射区域大小主要由发射器发射晶圆尺寸大小及发射信号处理模块光学参数确定。总体讲，发射器晶圆尺寸越大，单个发射区域越大，发射信号处理模块光学参数中等效焦距越小，发射区域越大。可以通过调整多发射器之间间距来调整相邻两发射区域之间的夹角。

多个探测区域要和多路发射管的位置呈一一对应关系，理想的情况是各个探测区域互不重叠又能相接，保证在大视场角方向上能够准确分辨障碍物的方向，同时不存在盲区。

一种可探测障碍物方位的传感器避障方法，包括以下步骤：

S1、所述处理器发射脉冲信号给所述信号分路器；

S2、所述信号分路器将所述脉冲信号按照一定时序分发给所述多路发射器；

S3、所述多路发射器按照时序依次发射具有相位调制的多路红外光信号；

S4、所述发射信号处理模块将所述多路红外光信号进行空间调制，将每路红外光信号按照固定方位角发射，每路所述红外光信号经目标物后被反射；

S5、所述接收信号处理模块接收被所述目标物反射的红外光信号；

S6、所述接收器将所述接收信号处理模块接收到的红外光信号转化为电信号供所述处理器处理运算；

S7、所述处理器将所述发射脉冲信号与接收的所述电信号对比，得到相位信息，计算得到每个方位测试距离，并对所有方位角的距离信息进行分析，得到障碍物距离、方位及尺寸信息。

相比现有技术,本发明具有如下有益效果：

1.相比于传统避障传感器不仅能够输出障碍物的距离信息，还能输出障碍物方位信息，便于运动设备进行动作，实现障碍物识别并绕行功能。

2.相比于激光雷达，无需旋转机构，系统稳定可靠、简单易行。

3.相比于固态激光雷达，方案简单，容易进行区域调节。

附图说明

图1为传感器工作示意图；

图2为本发明一种可探测障碍物方位的传感器避障系统结构图；

图3为多路发射器及发射信号处理模块工作原理图；

图4为单个正透镜与多路发射器之间配合关系图；

图5为正透镜角度与光能量分布关系图；

图6为正透镜1m处的黑色板卡上能量分布图；

图7为微透镜阵列与多路发射器之间配合关系图；

图8为信号分路器功能框图；

图9为处理器与信号分路器之间连接关系图；

图10为处理器与信号分路器之间逻辑关系图；

图11为本发明一种可探测障碍物方位的传感器避障系统时序图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

如图1为传感器工作示意图，扇形区域是传感器的感应区域，目标物进入感应区域后，传感器能够测试出目标物到传感器的距离，同时，传感器将感应区域分割成多个小区域。通过信号处理方法，能够得到目标物距离传感器的方位，通过多少区域内出现目标物，传感器能够判断目标物的大小。

如图2为本发明系统结构图，包括处理器、信号分路器、多路发射器、发射信号处理模块、接收信号处理模块和接收器。

如图3所示，多路发射器按照时序依次发送具有相位调制的红外光信号，由发射信号处理模块将多路红外信号进行空间调制，使其按照固定方位角进行指定方位红外信号发射。

发射信号处理模块包括单个正透镜、广角透镜组和微透镜阵列中的任意一种。

如图4～6所示，发射信号处理模块为单个正透镜42，正透镜42的圆心与多路发射器41排列方向两侧对应的发散角为±12°，正透镜42的圆心与多路发射器41排列方向垂直的两侧对应的发散角为±4°。图5为正透镜42角度与光能量分布关系图；图5中，横坐标表示角度，指的是多路发射器41和正透镜42的光轴与发射光线之间的角度；纵坐标W/sr，是光能量强度分布单位，表示每球面度内光强大小。图5可以看出，在多路发射器排列平行方向上，正透镜42在±12°范围内都能很好的输出光能量；在与发射器排列垂直方向上，正透镜42将发射光能量角度聚焦在±4°范围内，最终发射信号呈窗口分布。在正透镜42出射光线的一侧1m处设置黑色板卡，对应的能量分布如图6所示，可观察到不同的发射之间存在着明显的分界线，表明：使用正透镜处理多路发射，能够保证各路发射对应的探测区域互不重叠、相互衔接。其中，W/m2是光能量强度分布单位，表示1平方米范围内接收到光能量强度大小。

如图7所示，发射信号处理模块为微透镜阵列，每个微透镜71配合一路发射信号的处理。微透镜71的光心与发射器72中点共同决定每路发射器的指向角及探测范围，因此微透镜阵列中相邻微透镜之间需要有一定夹角θ，为避免相互干扰，在各路发射器与微透镜之间增加物理阻隔设备73和74。

处理器含TOF芯片,基于TOF相位测距原理，产生发射脉冲信号以及将发射脉冲信号与接收信号进行对比，得到相位信息，以此来实现距离测量。计算公式如下：

其中D：目标距离；C：光速；Δφ：发射与接收信号的相位差；fm：调制频率。

同时，处理器控制信号分路器在多路发射器之间切换。

如图8～10所示，处理器通过GPIO口产生地址编码信号，该信号给信号分路器，信号分路器通过逻辑转换，将测量脉冲信号COM端口转接到NO0，NO1…，分别对应不同发射器。以此来实现多路发射器分时扫描功能。

信号分路器负责将处理器发送的调制信号分发给多路发射器。信号分路器接收处理器指令，将用于测量的调制信号分发给每个发射器，发射器轮次进行发射，最终由处理器处理运算所有距离信息计算出障碍物距离及方位信息。

如图11所示系统实施时序图中，系统对传感器状态进行初始化，之后按照多路发射器个数进行循环距离检测，每次测量之前将信号分路器切换到对应的多路发射器；然后将所有通道的距离信号输出到D数组中。一次扫描完成之后，处理器首先判断检测范围内是否有目标物，如果无，输出无障碍物信息；若有，通过查找数组D中最小值，找到最小值索引位置，输出(imin,D(imin))，其中imin表示了与障碍物方位对应的方位信息，D(imin)表示所在方位的障碍物距离传感器的距离信息。通过以上完整系统，所述传感器能够输出障碍物方位及距离信息。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，其特征在于：包括处理器、信号分路器、多路发射器、发射信号处理模块、接收信号处理模块和接收器；

所述处理器含TOF芯片,所述处理器、所述信号分路器和所述多路发射器依次连接，在所述多路发射器的发射方向设置有所述发射信号处理模块，所述多路发射器的发射光经所述发射信号处理模块发射后被目标物反射，在所述反射方向上设置有接收信号处理模块，所述接收信号处理模块的聚光方向设置所述接收器，所述接收器与所述处理器连接。

2.根据权利要求1所述的一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，其特征在于，所述多路发射器是两个以上各自封装或封装在一起电气性能独立的发射器，所述发射器包括红外发射管、发射二极管和激光二极管中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，其特征在于，所述发射信号处理模块包括单个正透镜、广角透镜组和微透镜阵列中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，其特征在于，所述多路发射器由多个发射器依次并排构成，所述正透镜的几何中心与所述多路发射器排列方向两侧对应的发散角为±12°，所述正透镜的几何中心与所述多路发射器排列方向垂直的两侧对应的发散角为±4°。

5.根据权利要求1所述的一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，其特征在于，所述接收信号处理模块包括正透镜、透镜组、TIR透镜、反光杯和蝶形透镜中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的一种可探测障碍物方位的传感器避障系统，其特征在于，所述接收器包括具有感光特性的光敏二极管或光电倍增管。

7.一种基于权利要求1所述的一种可探测障碍物方位的传感器避障系统的可探测障碍物方位的传感器避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、所述处理器发射脉冲信号给所述信号分路器；

S2、所述信号分路器将所述脉冲信号按照一定时序分发给所述多路发射器；

S3、所述多路发射器按照时序依次发射具有相位调制的多路红外光信号；

S4、所述发射信号处理模块将所述多路红外光信号进行空间调制，将每路红外光信号按照固定方位角发射，每路所述红外光信号经目标物后被反射；

S5、所述接收信号处理模块接收被所述目标物反射的红外光信号；

S6、所述接收器将所述接收信号处理模块接收到的红外光信号转化为电信号供所述处理器处理运算；

S7、所述处理器将所述发射脉冲信号与接收的所述电信号对比，得到相位信息，计算得到每个方位角测试距离，并对所有方位角的距离信息进行分析，得到障碍物距离、方位及尺寸信息。