CN109031332A - 飞行时间测距传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行时间测距传感器及其控制方法，飞行时间测距传感器包括：传感模块，包括具有多个像素单元的像素阵列，用于感应光信号并将光信号转换为对应的感应电信号；处理模块，与传感模块连接，用于获取像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并根据感应电信号获取像素阵列内的有效感应区域信息，有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合；控制模块，与处理模块连接，用于根据有效感应区域信息对像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖有效感应区域。飞行时间测距传感器能够根据有效感应区域的变化不断对感应区域进行调整，从而减少计算量，提高传感器的工作效率，减少功耗。

Description

飞行时间测距传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种飞行时间测距传感器及其控制方法。

背景技术

飞行时间法(Time Of Flight，TOF)通过测量仪器发出的脉冲信号从发射到接收的时间间隔或激光往返被测物体一次所产生的相位来实现对被测物体的三维结构或三维轮廓的测量。TOF测量仪器可同时获得灰度图像和距离图像，广泛应用在体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3D建模等诸多领域。

飞行时间测距(TOF)传感器一般包括：光源模块和感光模块；所述光源模块用于发射特定波段和频率的光波，所述光波在被测物体的表面发生反射，反射光被所述感光模块所接收；所述感光模块根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差计算出被测物体的深度信息。

通常在进行测量过程中，感光模块只有部分区域能够接收到被测物体的反射光线，即部分作为感应区域，并且，随着被测物体与感光模块之间相对位置的变化，感光模块的感应区域位置也会发生变化。但是现有技术中，通常会将整个感光模块的像素区域均作为感应区域，在数据处理过程中，会对所有像素单元的信号进行处理，从而功耗较大，且效率较低。

如何降低TOF传感器的功耗并提高检测效率是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞行时间测距传感器及其控制方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种飞行时间测距传感器，包括：传感模块，包括具有多个像素单元的像素阵列，用于感应光信号并将所述光信号转换为对应的感应电信号；处理模块，与所述传感模块连接，用于获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合；控制模块，与所述处理模块连接，用于根据所述有效感应区域信息对像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖所述有效感应区域。

可选的，所述处理模块包括：传感数据处理单元和有效感应区域分析单元；所述传感数据处理单元用于获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并区分出所述电信号中的有效感应信号；所述有效感应区域分析单元，与所述传感数据处理单元连接，用于根据输出所述有效感应信号的像素单元位置获取有效感应区域信息。

可选的，所述有效感应区域分析单元还用于将当前的感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值与一阈值进行比较，当小于所述阈值时，所述控制模块对当前的感应区域进行调整。

可选的，所述阈值为一固定值或者所述阈值为所述有效感应区域在x和y方向的最大长度的10％。

可选的，所述调整后的感应区域形状与当前感应区域形状相同。

为了解决上述问题，本发明的具体实施方式还提供一种飞行时间测距传感器的控制方法，所述飞行时间测距传感器包括具有多个像素单元的像素阵列，包括：通过所述像素阵列感应光信号并形成对应的电信号；获取所述像素阵列的感应区域所输出的感应电信号；根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合；根据所述有效感应区域信息对所述像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖所述有效感应区域。

可选的，根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域位置的步骤进一步包括：获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并区分出所述电信号中的有效感应信号；根据输出所述有效感应信号的像素单元位置获取有效感应区域信息。

可选的，还包括将当前的感应区域与有效感应区域之间的位置差值与一阈值进行比较，当小于所述阈值时，对当前的感应区域进行调整。

可选的，所述阈值为一固定值或者所述阈值为所述有效感应区域在x和y方向的最大长度的10％。

可选的，所述调整后的感应区域形状与当前感应区域形状相同。

本发明的飞行时间测距传感器及其控制方法能够根据检测过程中有效感应区域的变化不断对感应区域进行调整，使得感应区域能够跟随被测物体的运动动态调整，减少无效信号。因此，可以减少在进行数据处理时的计算量，提高传感器的工作效率，减少功耗。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的感应区域的调整示意图；

图3为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的感应区域的调整示意图；

图4为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的飞行时间测距传感器及其控制方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的结构示意图。

所述飞行时间测距传感器，包括传感模块101、处理模块102以及控制模块103。所述飞行时间测距传感器还包括光源模块(图中未示出)，所述光源模块包括发光元件，可以为LED二极管、激光二极管或VCSEL激光器等，用于向被测物体发送经调制的脉冲光。

所述传感模块101，包括具有多个像素单元的像素阵列，用于感应光信号并将所述光信号转换为对应的感应电信号。通常所述像素阵列为矩形，在该具体实施方式中，所述像素阵列为矩形，包括m行、n列排列的像素单元，即m×n个像素单元。在其他具体实施方式中，所述像素阵列也可以为圆形、多边形等，在此不作限定。

所述像素单元为光敏感单元，当外界光线入射至所述像素阵列，使得像素单元接收到光信号后将光信号转换成对应的电信号，例如电压或电流信号。光信号特征信息可以由电信号的特征信息表征。当所述飞行时间测距传感器在工作时，外界入射的光信号包括环境光信号、被测物体的反射光信号。通过将检测到的被测物体反射光信号与发出的脉冲光进行比较可以得到被测物体的距离信息。

所述处理模块102，与所述传感模块101连接，用于获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合。

所述像素阵列的部分区域被设定为感应区域，所述处理模块102仅接收所述感应区域内的像素单元输出的感应电信号。在该具体实施方式中，所述像素阵列初始感应区域为整个像素阵列区域，随着被测物体的距离变化，所述感应区域的形状、尺寸以及位置等均可进行调整。所述处理模块102对于接收到的感应区域内各个像素单元输出的感应电信号进行处理，包括模数转换、积分运算、以及比较等计算方式中的至少一种，可以判断接收到的哪些感应电信号为有效感应信号。所谓有效感应信号就是由被测物体反射光信号而产生的感应电信号，被测物体对于脉冲光的反射光信号也是脉冲光信号，因此产生的感应电信号也会是脉冲电信号；而与有效感应信号不同的，周围环境光信号通常是一连续光信号，因此根据有效感应信号的特征，可以判断出哪些感应电信号为有效感应信号。

通常，接收到被测物体反射光信号的像素单元仅位于整个像素阵列中的局部区域内，而非整个像素阵列。因此，所述处理模块102根据有效感应信号可以获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合。所述有效感应区域信息包括有效感应区域的位置、尺寸、形状等特征信息，所述特征信息为有效感应区域内各个像素单元的特征信息集合。在物体位置和距离发生变化的过程中，所述有效感应区域也会相应发生变化。现有技术中，通常将整个像素阵列均作为感应区域，处理模块需要对整个像素阵列内的所有像素单元输出的信号进行处理，运算量大，功耗大。

所述控制模块103，与所述处理模块102和传感模块101连接，用于根据所述有效感应区域信息对像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖所述有效感应区域。随着被测物体距离的变化，有效感应区域也会发生变化。在一个具体实施方式中，当一被测物体距离逐渐接近所述飞行时间测距传感器时，所述有效感应区域会逐渐增大，此时，需要相应的逐渐增大感应区域的面积以使得输出感应电信号的感应区域完全覆盖所述有效感应区域，以避免有效感应信号的丢失。在另一具体实施方式中，当一被测物体距离逐渐原理所述飞行时间测距传感器时，所述有效感应区域会逐渐减小，此时，可以在感应区域完全覆盖所述有效感应区域的前提下，逐渐减小感应区域的面积，从而避免所述处理模块102获取过多无效信号，以减小数据运算量。在另一具体实施方式中，所述被测物体发生横向运动，那么有效感应区域也会随着被测物体的运动而向对应发现发生移动，此时，需要相应的调整感应区域的位置。

请参考图2，在一个具体实施方式中，初始感应区域201为整个像素阵列区域，包括m×n个像素单元；被测物体向远离传感器方向运动，因此，有效感应区域会逐渐变小，控制模块随着被测物体的距离增大，将感应区域面积逐渐缩小，由初始感应区域201逐渐变为感应区域202、感应区域203。感应区域面积缩小，使得后续处理模块102需要处理的数据量减小，从而可以提高处理效率，减小功耗。图2中仅示意感应区域调整过程中的部分调整，在传感器的实际测距过程中，所述感应区域的调整频率与被测物体的运动状态相关，运动速度越快，感应区域调整越频繁。

请参考图3，在一个具体实施方式中，初始感应区域201为整个像素阵列区域，包括m×n个像素单元；处理模块102通过对有效感应信号的分析判断被测物体为球形，有效感应区域为一圆形区域，控制模块103根据处理模块120获取的有效感应区域的尺寸和大小，将感应区域从初始感应区域201调整为感应区域301，在继续对被测物体检测过程中，被测物体与传感器之间的距离不变，但是向传感器左侧移动，因此有效感应区域也相应左移，控制模块103根据被测物体的移动速度等信息，将感应区域也相应调整左移，调整为感应区域302。在这种情况下，由于被测物体与传感器之间的距离不变，仅发生横向移动，因此感应区域的尺寸无需调整，仅需要调整感应区域的位置。

为了提高传感器的测距准确性，设定的感应区域至少覆盖有效感应区域，以使得处理模块102能够获取全部有效感应信号。所述调整后的感应区域边缘与当前获取的所述有效感应区域边缘之间的距离大于或等于一阈值，以确保后续检测过程中，所述感应区域能够获取全部被测物体的反射光信号，并将所有有效感应信号完全输出至处理模块102，从而确保检测结果的准确性。在一个具体实施方式中，所述阈值为所述有效感应区域在x或y方向上最大长度的10％。例如，有效感应区域为一矩形区域，包括X1×Y1个像素单元，以一个像素单元作为长度单位，X1为X方向上的长度，Y1为Y方向上的长度，且X1>Y1，那么所述阈值为10％·X1，调整后的感应区域与当前获取的所述有效感应区域各位置处边缘之间的距离大于或等于10％·X1。在其他具体实施方式中，所述阈值还可以为一固定值，例如10～100像素单元长度。

所述调整后的感应区域形状与当前感应区域形状相同，在对感应区域进行调整的过程中，仅对感应区域的位置和尺寸进行调整，不改变形状。在其他具体实施方式中，也可以对感应区域的形状同时进行调整，可以根据实际情况进行调整。

请参考图4，为本发明另一具体实施方式的飞行时间测距传感器的结构示意图。

所述处理模块102进一步包括：传感数据处理单元401和有效感应区域分析单元402；所述传感数据处理单元401与所述传感模块101连接，用于获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并区分出所述电信号中的有效感应信号；所述有效感应区域分析单元402，与所述传感数据处理单元401和控制模块103连接，用于根据输出所述有效感应信号的像素单元位置获取有效感应区域信息。所述有效感应区域为所有输出有效感应信号的像素单元的集合，所述有效感应区域信息为所有输出有效感应信号的像素单元的特征信息的集合。

所述有效感应区域分析单元402还用于将当前的感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值与一阈值进行比较，当小于所述阈值时，所述控制模块103对当前的感应区域进行调整。在一个具体实施方式中，随着被测物体与传感器之间距离逐渐缩短，有效感应区域逐渐增大，感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值也不断缩小，当所述距离差值小于所述阈值时，控制模块103需要对感应区域进行调整，增大感应区域的尺寸，以提高感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值。所述阈值可以根据实际需求进行设定，较佳的，所述阈值为所述有效感应区域在x和y方向的最大长度的10％；也可以为一个定值，例如10～100像素单元长度。

上述飞行时间测距传感器在测距过程中，处理模块102根据传感模块101获取的光信息，获取传感模块101的有效传感区域，根据所述有效传感区域的信息，对传感模块101中输出感应点信号的感应区域进行调整，使得感应区域能够跟随被测物体的运动动态调整。因此，可以减少处理模块102在进行数据处理时的计算量，提高传感器的工作效率，减少功耗。

本发明的具体实施方式还提供一种飞行时间测距传感器的控制方法。

请参考图5，为本发明一具体实施方式的飞行时间测距传感器的控制方法的流程示意图。所述飞行时间测距传感器包括具有多个像素单元的像素阵列。

所述飞行时间测距传感器的控制方法包括步骤S101～S104。

步骤S101：通过所述像素阵列感应光信号并形成对应的电信号。

通常所述传感器的像素阵列为矩形，在该具体实施方式中，所述像素阵列为矩形，包括m行、n列排列的像素单元，即m×n个像素单元。在其他具体实施方式中，所述像素阵列也可以为圆形、多边形等，在此不作限定。所述像素单元为光敏感单元，当外界光线入射至所述像素阵列，使得像素单元接收到光信号后将光信号转换成对应的电信号，例如电压或电流信号。光信号的特征信息可以由电信号的特征信息表征。当所述飞行时间测距传感器在工作时，外界入射的光信号包括环境光信号、被测物体的反射光信号。通过将检测到的被测物体反射光信号与发出的脉冲光进行比较可以得到被测物体的距离信息。

步骤S102：获取所述像素阵列的感应区域所输出的感应电信号。

所述像素阵列的部分区域被设定为感应区域，仅接收所述感应区域内的像素单元输出的感应电信号。在一个具体实施方式中，所述像素阵列初始感应区域为整个像素阵列区域，所述感应区域的形状、尺寸以及位置等均可进行调整。所述感应电信号可以是模拟信号也可以为数字信号。

步骤S103：根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合。

对于接收到的感应区域内像素单元输出的感应电信号进行处理，包括模数转换、积分运算以及比较等计算方式中的至少一种，可以判断接收到的哪些感应电信号为有效感应信号。所谓有效感应信号就是由被测物体对于脉冲光的反射光信号而产生的感应电信号，被测物体对于脉冲光的反射光信号也是脉冲光信号，因此产生的感应电信号也会是脉冲电信号；而与有效感应信号不同的，周围环境光信号通常是一连续光信号，因此根据有效感应信号的特征，可以判断出哪些感应电信号为有效感应信号。

通常，接收到被测物体反射光信号的像素单元仅位于整个像素阵列中的局部区域内，而非整个像素阵列。因此，根据有效感应信号可以获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合。所述有效感应区域信息包括有效感应区域的位置、尺寸、形状等特征信息，所述特征信息为有效感应区域内各个像素单元的特征信息集合。在物体位置和距离发生变化的过程中，所述有效感应区域也会相应发生变化。现有技术中，通常将整个像素阵列均作为感应区域，处理模块需要对整个像素阵列内的所有像素单元输出的信号进行处理，运算量大，功耗大。

在另一具体实施方式中，所述步骤S103具体包括：获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并区分出所述电信号中的有效感应信号；根据输出所述有效感应信号的像素单元位置确定有效感应区域信息。

步骤S104：根据所述有效感应区域信息对所述像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖所述有效感应区域。

随着被测物体与传感器之间距离的变化，有效感应区域也会发生变化。在一个具体实施方式中，当一被测物体距离逐渐接近所述飞行时间测距传感器时，所述有效感应区域会逐渐增大，此时，需要相应的逐渐增大感应区域的面积以使得输出感应电信号的感应区域完全覆盖所述有效感应区域，以避免有效感应信号的丢失。在另一具体实施方式中，当一被测物体距离逐渐原理所述飞行时间测距传感器时，所述有效感应区域会逐渐减小，此时，可以在感应区域完全覆盖所述有效感应区域的前提下，逐渐减小感应区域的面积，从而避免获取过多无效信号，以减小数据运算量。在另一具体实施方式中，所述被测物体发生横向运动，那么有效感应区域也会随着被测物体的运动而向对应发现发生移动，此时，需要相应的调整感应区域的位置。

在一个具体实施方式中，被测物体向远离传感器方向运动，因此，有效感应区域会逐渐变小，此时，随着被测物体的距离增大，将感应区域面积逐渐缩小；在另一具体实施方式中，被测物体与传感器之间的距离不变，但是向传感器左侧移动，因此有效感应区域也相应左移，根据被测物体的移动速度等信息，将感应区域也相应调整左移。在这种情况下，由于被测物体与传感器之间的距离不变，仅发生横向移动，因此感应区域的尺寸无需调整，仅需要调整感应区域的位置。

为了提高传感器的测距准确性，设定的感应区域至少覆盖有效感应区域，以使得在检测过程中，能够获取全部有效感应信号。所述调整后的感应区域边缘与当前获取的所述有效感应区域边缘之间的距离大于或等于一阈值，以确保所述感应区域的有效感应信号能够被传感器完全获取，以确保检测结果的准确性。在一个具体实施方式中，所述阈值为所述有效感应区域在x或y方向上最大长度的10％。例如，有效感应区域为一矩形区域，包括X1×Y1个像素单元，以一个像素单元作为长度单位，X1为x方向上的长度，Y1为y方向上的长度，且X1>Y1，那么所述阈值为10％·X1，调整后的感应区域与当前获取的所述有效感应区域各位置处边缘之间的距离大于或等于10％·X1。所述阈值还可以为一固定值，例如10～100像素单元长度。

所述调整后的感应区域形状与当前感应区域形状相同，在对感应区域进行调整的过程中，仅对感应区域的位置和尺寸进行调整，不改变形状。在其他具体实施方式中，也可以对感应区域的形状同时进行调整，可以根据实际情况进行调整。

在另一具体实施方式中，所述步骤S103进一步还包括：将当前的感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值与一阈值进行比较，当小于所述阈值时，才会执行后续步骤S104。在一个具体实施方式中，随着被测物体与传感器之间距离逐渐缩短，有效感应区域逐渐增大，感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值也不断缩小，当所述距离差值小于所述阈值时，需要对感应区域进行调整，增大感应区域的尺寸，以提高感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值。所述阈值可以根据实际需求进行设定，较佳的，所述阈值为所述有效感应区域在x和y方向的像素值中的最大长度的10％；也可以为一个定值，例如10～100像素单元长度。

上述飞行时间测距传感器的控制方法根据有效感应区域的变化不断对感应区域进行调整，使得感应区域能够跟随被测物体的运动动态调整，减少无效信号。因此，可以减少在进行数据处理时的计算量，提高传感器的工作效率，减少功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞行时间测距传感器，其特征在于，包括：

传感模块，包括具有多个像素单元的像素阵列，用于感应光信号并将所述光信号转换为对应的感应电信号；

处理模块，与所述传感模块连接，用于获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合；

控制模块，与所述处理模块连接，用于根据所述有效感应区域信息对像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖所述有效感应区域。

2.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，所述处理模块包括：传感数据处理单元和有效感应区域分析单元；所述传感数据处理单元用于获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并区分出所述电信号中的有效感应信号；所述有效感应区域分析单元，与所述传感数据处理单元连接，用于根据输出所述有效感应信号的像素单元位置获取有效感应区域信息。

3.根据权利要求2所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，所述有效感应区域分析单元还用于将当前的感应区域边缘与有效感应区域边缘的距离差值与一阈值进行比较，当小于所述阈值时，所述控制模块对当前的感应区域进行调整。

4.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，所述阈值为一固定值或者所述阈值为所述有效感应区域在x和y方向的最大长度的10％。

5.根据权利要求1所述的飞行时间测距传感器，其特征在于，所述调整后的感应区域形状与当前感应区域形状相同。

6.一种飞行时间测距传感器的控制方法，所述飞行时间测距传感器包括具有多个像素单元的像素阵列，其特征在于，包括：

通过所述像素阵列感应光信号并形成对应的电信号；

获取所述像素阵列的感应区域所输出的感应电信号；

根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域信息，所述有效感应区域为像素阵列内接收到被测物体反射光信号的像素单元的集合；

根据所述有效感应区域信息对所述像素阵列当前的感应区域进行调整，使得调整后的感应区域完全覆盖所述有效感应区域。

7.根据权利要求6所述的飞行时间测距传感器的控制方法，其特征在于，根据所述感应电信号获取所述像素阵列内的有效感应区域位置的步骤进一步包括：获取所述像素阵列的感应区域输出的感应电信号，并区分出所述电信号中的有效感应信号；根据输出所述有效感应信号的像素单元位置获取有效感应区域信息。

8.根据权利要求6所述的飞行时间测距传感器的控制方法，其特征在于，还包括将当前的感应区域与有效感应区域之间的位置差值与一阈值进行比较，当小于所述阈值时，对当前的感应区域进行调整。

9.根据权利要求6所述的飞行时间测距传感器的控制方法，其特征在于，所述阈值为一固定值或者所述阈值为所述有效感应区域在x和y方向的最大长度的10％。

10.根据权利要求6所述的飞行时间测距传感器的控制方法，其特征在于，所述调整后的感应区域形状与当前感应区域形状相同。