CN109781037A - 一种具有测距功能的高精度激光传感器和激光控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有测距功能的高精度激光传感器，包括：用于检测激光信号、并进行光电转换输出电信号的光电探测模块，将电信号调制成TTL电平信号的信号调制模块，通过微处理器将TTL电平信号转换成数字信号并进行算法处理的信号处理模块，通过总线与控制器进行通信的通信传输模块，数显模块；光电探测模块包括多个光电二极管，多个光电二极管排列成光电转换阵列；在高度方向上，光电二极管的数量为多个，用于检测激光信号的高程位置信息。还涉及一种激光控制系统，包括控制器、激光发射器、一种具有测距功能的高精度激光传感器。本发明实现同步检测激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息，属于激光传感器技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光传感器，尤其涉及一种具有测距功能的高精度激光传感器，和采用该激光传感器的激光控制系统。
背景技术
目前，在农田耕整、建筑施工、道路建造等领域中广泛使用激光控制系统进行精准平整作业。该系统利用旋转的激光信号作为基准平面，利用固定在平地铲上的激光传感器接收激光基准平面信号，检测平地铲的高程偏差，以偏差信号控制液压驱动系统进行平地铲的升降调节，从而实现精准平整作业。
为了实现激光控制系统的精准平整作业，如CN102506834A公开了一种激光接收器，包括激光接收器电路和用于识别激光信号位置的主机。CN203190976U公开了一种激光接收器，该激光接收器选用硅光电池，进行激光信号检测。CN103959944A公开了一种用于激光平地机的激光接收器，通过传感单元检测激光信号。CN107820745A公开了一种与农用激光平地机配套使用的激光接收器，通过激光接收单元检测激光信号。目前已有产品在实际应用中存在多种问题和不足：光电探测器对激光信号的检测误差较大；在平整作业过程中不能实时检测接收距离，使得操作人员无法判断所在位置是否超出激光传感器的工作范围，从而导致平整精度无法得到保障。
因此，有必要提供一种具有测距功能的高精度激光传感器，提高对激光信号检测、转换、调制和处理的准确性，实现同步检测激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息，使得操作人员在平整作业过程中能够准确判断出激光传感器与激光发射器之间的距离，从而保证平地机始终在有效范围内进行平整作业。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有测距功能的高精度激光传感器和激光控制系统，实现同步检测激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息，使得操作人员在平整作业过程中能够准确判断出激光传感器与激光发射器之间的距离，从而保证平地机始终在有效范围内进行平整作业。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有测距功能的高精度激光传感器，包括：(1)用于检测激光信号、并进行光电转换输出电信号的光电探测模块，(2)将电信号调制成TTL电平信号的信号调制模块，(3)通过微处理器将TTL电平信号转换成数字信号并进行算法处理的信号处理模块，(4)通过总线与控制器进行通信的通信传输模块，(5)数显模块；光电探测模块包括多个光电二极管，多个光电二极管排列成光电转换阵列；在高度方向上，光电二极管的数量为多个，用于检测激光信号的高程位置信息。
光电探测模块包括竖直设置的电路板和安装在电路板上的四竖列光电二极管，四竖列光电二极管沿着左右方向依次排列，左侧相邻两列光电二极管相互靠近，右侧相邻两列光电二极管相互靠近；光电二极管包括本体和引脚，本体上设有感光面；左侧第一列中，光电二极管的本体向左倾斜，与电路板夹角为45度，感光面朝向电路板；左侧第二列中，光电二极管的本体向右倾斜，与电路板夹角为45度，感光面背对电路板；右侧第一列中，光电二极管的本体向右倾斜，与电路板夹角为45度，感光面朝向电路板；右侧第二列中，光电二极管的本体向左倾斜，与电路板夹角为45度，感光面背对电路板；同一列相邻两个光电二极管在竖直方向上紧靠设置。
左侧相邻两列光电二极管引脚之间的间距为5mm，右侧相邻两列光电二极管引脚之间的间距为5mm，中间两列光电二极管引脚之间的间距为90mm。
光电二极管的光谱波长响应范围为100～1100nm，波峰为900nm。
信号调制模块包括：滤除干扰的带通滤波器，将滤除干扰后的电信号放大的高增益放大器，将放大后的电信号整形展宽成TTL电平信号的电压比较器和锁存器。
数显模块包括：电源指示灯，通信指示灯，高程位置指示灯，实时反馈通信状态、激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息的显示屏。
信号处理模块通过算法对激光信号照射光电转换阵列的位置与精度激光传感器对应的高程位置的对应关系进行解算，对激光光斑直径与激光传输距离的对应关系进行解算。
激光信号照射光电转换阵列的位置与高精度激光传感器的高程位置的对应关系定义为：若激光信号照射在一片光电二极管的表面，则激光信号高程位置定义为被照射光电二极管中心所在的位置；随接收距离增加，激光信号光斑扩散，若激光信号同时照射在多片光电二极管表面，则激光信号高程位置定义为同时被照射的多片光电二极管中心所在的位置。
接收距离由激光光斑直径计算得到，计算公式如下：
其中，D——激光光斑直径，
D0——激光光斑直径的初始值，
λ——激光波长，
S——接收距离。
一种激光控制系统，包括控制器、激光发射器、一种具有测距功能的高精度激光传感器。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明以入射激光信号特性为理论依据，设计了光电转换阵列的排布方式，提高了光电探测模块对激光信号检测的准确性。
2.本发明通过激光束传输特性，实现同步检测激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息。高程位置检测精度可达±3mm，测距精度达到米量级，操作人员在作业过程中能够准确判断出作业范围，从而保证作业精度。
3.通过在高度方向上设置多个光电二极管，用于检测激光信号高程位置信息。
4.中间相邻两行光电二极管之间有一定距离的间隔，用于设定高程位置检测精度。
5.光电二极管本体倾斜排布，同时设置摆放位置各不相同的四列光电二极管，可以实现360°无死角检测激光信号。
6.采用特定响应范围和波峰的光谱，与激光发射器产生的激光信号具有较好的光谱响应特性。
7.与相应的控制器和激光发射器组成激光控制系统，用于农田平整、建筑施工和道路建造等领域，应用范围广，检测误差小，保障平整精度。
附图说明
图1是激光控制系统的原理图。
图2是光电转换阵列的主视图。
图3是光电转换阵列的仰视图。
图4是本发明的电路原理示意图。
图5是激光照射光电转换阵列的示意图。
其中，1为光电转换阵列，2为带通滤波器，3为高增益放大器，4为电压比较器，5为锁存器，6为微处理器，7为总线，8为数显模块，9为本体，10为引脚，11为感光面，12为激光发射器，13为激光束。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，一种具有测距功能的高精度激光传感器包括：光电探测模块、信号调制模块、信号处理模块、通信传输模块和数显模块。
光电探测模块用于检测激光信号，并进行光电转换输出电信号。信号调制模块将电信号调制成TTL电平信号。信号处理模块通过微处理器将TTL电平信号转换成数字信号并进行算法处理。通信传输模块通过总线与控制器进行通信。数显模块实时反馈通信状态、高程位置信息和距激光发射器的距离信息。
如图2和图3所示，光电探测模块选用光电二极管构成光电转换阵列，用于检测激光信号的高程位置信息。具体结构为：光电探测模块包括竖直设置的电路板和安装在电路板上的四竖列光电二极管，四竖列光电二极管沿着左右方向依次排列，左侧相邻两列光电二极管相互靠近，右侧相邻两列光电二极管相互靠近；光电二极管包括本体和引脚，本体上设有感光面；左侧第一列中，光电二极管的本体向左倾斜，与电路板夹角为45度，感光面朝向电路板；左侧第二列中，光电二极管的本体向右倾斜，与电路板夹角为45度，感光面背对电路板；右侧第一列中，光电二极管的本体向右倾斜，与电路板夹角为45度，感光面朝向电路板；右侧第二列中，光电二极管的本体向左倾斜，与电路板夹角为45度，感光面背对电路板；同一列相邻两个光电二极管在竖直方向上紧靠设置。左侧相邻两列光电二极管引脚之间的间距为5mm，右侧相邻两列光电二极管引脚之间的间距为5mm，中间两列光电二极管引脚之间的间距为90mm。相邻两行光电二极管之间有一定距离的间隔，高程位置检测精度可达±3mm，可实现360°无死角检测激光信号。光电转换阵列还具有任意高程位置清零功能，当激光信号照射在高程零位置上方时定义为正，照射在高程零位置下方时定义为负。
如图4所示，为本发明的电路原理示意图，包括光电转换阵列1、带通滤波器2、高增益放大器3、电压比较器4、锁存器5、微处理器6、总线7以及数显模块8。图4仅用于示例性说明，而非实物图，不能理解为对本发明的限制。光电转换阵列1由光电二极管构成，其响应速度快、灵敏度高，光电二极管通过半导体结吸收激光的能量来释放半导体中的载流子，从而产生电信号。光电转换后的光电流信号与入射激光信号具有较好的线性关系，因此，将光电二极管作为电流源使用。光电二极管的光谱波长响应范围为100～1100nm，波峰为900nm，与激光发射器产生的激光信号具有较好的光谱响应特性。带通滤波器2将光电转换后电信号的频率范围设置为滤波器的带宽，滤除背景光和噪声信号的干扰。高增益放大器3将滤波处理后毫伏级的微弱电信号放大至伏量级，更易于被后续电路处理。电压比较器4和锁存器5将放大后电信号整形展宽成TTL电平信号。微处理器6对TTL电平信号所代表的高程位置信息和水平接收距离信息进行算法处理，并通过编码传输驱动总线7和数显模块8。总线7通过航空插头与平地机控制器进行通信，传输高程位置信息与接收距离信息。数显模块8包括电源指示灯、通信指示灯、高程位置指示灯和显示屏。当激光照射在高程零位置时，中间绿色指示灯4HZ闪亮；当激光照射在高程零位置上方时，向上红色指示灯长亮；当激光照射在高程零位置下方时，向下黄色指示灯长亮。显示屏可以直接读取激光传感器与激光发射器之间的距离信息。
如图5所示，图中激光发射器产生光斑直径不断扩散的激光信号，虚线为激光信号所提供的高程基准平面，当激光传感器与激光发射器之间距离为S1时，其光电转换阵列从下至上第16片光电二极管被照射，激光信号高程位置为-3mm；当激光传感器与激光发射器之间距离为S2时，其光电转换阵列从下至上，第17～22片光电二极管同时被照射，激光信号高程位置为9mm。通过研究激光传输扩散特性，建立激光信号照射光电转换阵列位置与其高程位置的对应关系模型和激光信号光斑直径与其接收距离的对应关系模型，以此为理论依据设计算法处理方式。当激光信号照射光电转换阵列后，对其照射光电转换阵列的位置和光斑直径大小进行检测、转换和调制，并通过微处理器对调制后的信号进行算法处理，从而解算出高程位置信息和接收距离信息，实现同步检测激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息，高程位置检测精度达到±3mm，测距精度达到米量级。
实施例二
在实际应用中，将实施例一提供的激光传感器与混凝土整平机控制系统配套使用，进行建筑地面平整作业，要求平整精度达到±3mm，通过实时检测接收距离信息，使得操作人员在平整作业过程中能够准确判断出激光传感器与激光发射器之间的距离，从而保证混凝土整平机始终在几十米高精度范围内进行平整作业。
实施例三
在实际应用中，将实施例一提供的激光传感器与水田或旱地激光平地机控制系统配套使用，进行农田平整作业，要求平整精度达到±20mm，通过实时检测接收距离信息，使得操作人员在平整作业过程中能够准确判断出激光传感器与激光发射器之间的距离，从而保证平地机始终在几百米有效范围内进行平整作业。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：包括
-用于检测激光信号、并进行光电转换输出电信号的光电探测模块，
-将电信号调制成TTL电平信号的信号调制模块，
-通过微处理器将TTL电平信号转换成数字信号并进行算法处理的信号处理模块，
-通过总线与控制器进行通信的通信传输模块，
-数显模块；
光电探测模块包括多个光电二极管，多个光电二极管排列成光电转换阵列；在高度方向上，光电二极管的数量为多个，用于检测激光信号的高程位置信息。
2.按照权利要求1所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：光电探测模块包括竖直设置的电路板和安装在电路板上的四竖列光电二极管，四竖列光电二极管沿着左右方向依次排列，左侧相邻两列光电二极管相互靠近，右侧相邻两列光电二极管相互靠近；光电二极管包括本体和引脚，本体上设有感光面；左侧第一列中，光电二极管的本体向左倾斜，与电路板夹角为45度，感光面朝向电路板；左侧第二列中，光电二极管的本体向右倾斜，与电路板夹角为45度，感光面背对电路板；右侧第一列中，光电二极管的本体向右倾斜，与电路板夹角为45度，感光面朝向电路板；右侧第二列中，光电二极管的本体向左倾斜，与电路板夹角为45度，感光面背对电路板；同一列相邻两个光电二极管在竖直方向上紧靠设置。
3.按照权利要求2所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：左侧相邻两列光电二极管引脚之间的间距为5mm，右侧相邻两列光电二极管引脚之间的间距为5mm，中间两列光电二极管引脚之间的间距为90mm。
4.按照权利要求2所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：光电二极管的光谱波长响应范围为100～1100nm，波峰为900nm。
5.按照权利要求1所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：信号调制模块包括
-滤除干扰的带通滤波器，
-将滤除干扰后的电信号放大的高增益放大器，
-将放大后的电信号整形展宽成TTL电平信号的电压比较器和锁存器。
6.按照权利要求1所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：数显模块包括
-电源指示灯，
-通信指示灯，
-高程位置指示灯，
-实时反馈通信状态、激光信号的高程位置信息和距激光发射器的距离信息的显示屏。
7.按照权利要求1所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：信号处理模块通过算法对激光信号照射光电转换阵列的位置与精度激光传感器对应的高程位置的对应关系进行解算，对激光光斑直径与激光传输距离的对应关系进行解算。
8.按照权利要求7所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：激光信号照射光电转换阵列的位置与高精度激光传感器的高程位置的对应关系定义为：若激光信号照射在一片光电二极管的表面，则激光信号高程位置定义为被照射光电二极管中心所在的位置；随接收距离增加，激光信号光斑扩散，若激光信号同时照射在多片光电二极管表面，则激光信号高程位置定义为同时被照射的多片光电二极管中心所在的位置。
9.按照权利要求7所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器，其特征在于：接收距离由激光光斑直径计算得到，计算公式如下：
其中，D——激光光斑直径，
D0——激光光斑直径的初始值，
λ——激光波长，
S——接收距离。
10.一种激光控制系统，其特征在于：包括控制器、激光发射器、权利要求1至9中任一项所述的一种具有测距功能的高精度激光传感器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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