CN110346809A - 一种建图与导航定位用测距装置 - Google Patents

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任利学
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Abstract

本发明属于光电信息传感器技术领域，特别涉及一种建图与导航定位用测距装置。包括外壳支撑模块及设置于外壳支撑模块内的第一测距模块、第二测距模块及电子电路模块，第一测距模块和第二测距模块均与电子电路模块连接，第一测距模块包括结构光发射单元和结构光接收单元，结构光发射单元用于发射结构光至目标区域内的物体上，结构光接收单元用于接收目标区域内物体反射的反射光线、且将光信号变为电信号输送给电子电路模块，电子电路模块根据接收的电信号计算出物体上的点到装置的距离；第二测距模块用于弥补第一测距模块近处盲区的测试。本发明能够应用于室内机器人的定位及导航，具有安装方便、体积下、寿命长的特点。

Description

一种建图与导航定位用测距装置
技术领域
本发明属于光电信息传感器技术领域，特别涉及一种建图与导航定位用测距装置。
背景技术
随着智能家居的发展，家庭用、工厂用的清扫机器人越来越受到人们的重视和喜爱。现有的家庭清扫机器人中部分不具有地图构建和导航功能，在清扫过程中“乱跑”，难以实现全覆盖清扫；另一种清扫机器人则是依靠IMU惯性测量单元、电子罗盘传感器、里程计传感器、碰撞传感器实现了低精度的地图构建和导航，效果优于前者，但依旧难以实现全覆盖清扫；现阶段，能够实现较好的地图构建和导航的家庭用清扫机器人多采用旋转式激光雷达方案，该激光雷达采用三角测距的方式实现对距离的测量，但是该方案通过电机带动测量模块旋转会面临滑环寿命问题，尽管可通过无线供电和通信的方式解决该问题，但是也增加了该方案的成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种建图与导航定位用测距装置，其主要用途是为移动机器人提供经济的地图构建和导航的功能，能够应用于室内机器人的定位及导航，相比于旋转式的三角测距激光雷达具有安装方便、体积下、寿命长的特点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种建图与导航定位用测距装置，包括外壳支撑模块及设置于所述外壳支撑模块内的第一测距模块、第二测距模块及电子电路模块，所述第一测距模块和第二测距模块均与电子电路模块连接，所述第一测距模块包括结构光发射单元和结构光接收单元，所述结构光发射单元用于发射结构光至目标区域内的物体上，所述结构光接收单元用于接收所述目标区域内物体反射的反射光线、且将光信号变为电信号输送给电子电路模块，所述电子电路模块根据接收的电信号计算出所述物体上的点到装置的距离；所述第二测距模块用于弥补第一测距模块近处盲区的测量。
所述第二测距模块为基于红外或超声波原理的测距模块。
所述外壳支撑模块为长方体结构，所述光发射单元和所述结构光接收单元分别布置在所述外壳支撑模块的长度方向上的两端；所述第二测距模块位于所述结构光发射单元和所述结构光接收单元的中间。
所述结构光发射单元发射的结构光为单点、单条线形、多条平行线形、螺旋线形、同心圆线形、网格线形或网格点形；
所述结构光发射单元固定于外壳支撑模块或电子电路模块上、且与所述电子电路模块电连接。
所述结构光接收单元包括传感器和光学透镜，所述光学透镜用于将所述目标区域内物体反射的反射光线聚焦至传感器上，所述传感器用于将光信号转化为电信号。
所述传感器可为线形CCD、线形CMOS、面阵CCD或面阵CMOS。
所述结构光接收单元固定于外壳支撑模块或电子电路模块上、且与所述电子电路模块电连接。
所述外壳支撑模块上设有对外的固定孔和数据传输孔。
本发明与现有技术相比，其优点及有益效果是：
本发明采用结构光发射和接受的方案，相比于旋转式雷达，无旋转机械零部件，从而具有使用寿命长、价格成本低的优势。
相比于已有的结构光传感器，本发明结合红外或超声波测距模块，大大减小了传感器的测距盲区。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明结构光测量原理侧视图；
图3是本发明结构光测量原理俯视图。
图中：1为第一测距模块；11为结构光发射单元；12为结构光接收单元；121为传感器；122为光学透镜；2为第二测距模块；3为电子电路模块；4为外壳支撑模块；41为正面；42为背面；43为侧面；L为结构光盲区；M为物体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种建图与导航定位用测距装置，包括外壳支撑模块4及设置于外壳支撑模块4内的第一测距模块1、第二测距模块2及电子电路模块3，第一测距模块1和第二测距模块2均与电子电路模块3连接，第一测距模块1包括结构光发射单元11和结构光接收单元12，结构光发射单元11用于发射结构光至目标区域内的物体上，结构光接收单元12用于接收目标区域内物体反射的反射光线、且将光信号变为电信号输送给电子电路模块3，电子电路模块3根据接收的电信号计算出物体上的点到装置的距离；第二测距模块2用于弥补第一测距模块1近处盲区的测量。
外壳支撑模块4为长方体结构，外壳支撑模块4的背面42、侧面43或底部设有对外的固定孔和数据传输孔。
光发射单元11和结构光接收单元12分别布置在外壳支撑模块4的长度方向上的两端；第二测距模块2位于结构光发射单元11和结构光接收单元12的中间，第二测距模块2为基于红外或超声波原理的测距模块。
结构光发射单元11固定于外壳支撑模块4或电子电路模块3上、且与电子电路模块3电连接。结构光发射单元11发射的结构光为单点、单条线形、多条平行线形、螺旋线形、同心圆线形、网格线形或网格点形。
结构光接收单元12固定于外壳支撑模块4或电子电路模块3上、且与电子电路模块3电连接。结构光接收单元12包括传感器121和光学透镜122，光学透镜122用于将目标区域内物体反射的反射光线聚焦至传感器121上，传感器121用于将光信号转化为电信号。传感器121可为线形CCD、线形CMOS、面阵CCD或面阵CMOS中的一种。
电子电路模块3上根据应用需求集成IMU惯性测量单元或不集成IMU惯性测量单元。
本发明的结构光成像最基本原理是三角测距原理。如图2所示，当结构光发射单元11定向发射一束光纤后，当A处有物体时，光束经过物体反射后，部分反射光线将进入结构光接收单元12，光学透镜122将光束聚焦至传感器121上，接收点为D；同样道理，当B点有物体时，光学透镜122将光束聚焦至传感器121上的作用C点，由此，可知距离装置不同距离的物体，在传感器121上的作用点不同。由此现象反推，当知道传感器121上的作用点时，便可得到传感器与物体的距离。结构光接收单元12的视场角为α，结构光测距方法存在近处的盲区，此时结构光盲区L可通过第二测距模块2进行弥补。
如图3所示，当结构光发射单元11发射的结构光作用在前方一定角度范围内的物体上，光线经过反射，部分光线将作用到结构光接收单元12的传感器121上。以发射单条线形结构光为例说明，线形光线作用到的物体轮廓上多个点(将直线离散为多个点)，如图3所示。结构光发射单元11位于结构光接收单元12的上方，物体边沿的虚线为线形光线作用到物体的光线，光线被物体反射后，在传感器121上为线条。传感器121上的像素距离差a，对应物体上的距离差b。结合三角测距原理，通过计算即可得到前方物体的多个点到装置的距离及角度，此时便可建立物体的轮廓形状，即三维环境。通过机器人携带建图与导航定位用测距装置在环境中不断的运动，以此类推，则可构建出整个环境地图。
本发明是用于地图构建和导航的传感器，具有使用寿命长、价格成本低的优势，且通过多传感器的信息融合，能够达到满足清扫机器人等的地图构建和导航功能。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种建图与导航定位用测距装置，其特征在于，包括外壳支撑模块(4)及设置于所述外壳支撑模块(4)内的第一测距模块(1)、第二测距模块(2)及电子电路模块(3)，所述第一测距模块(1)和第二测距模块(2)均与电子电路模块(3)连接，所述第一测距模块(1)包括结构光发射单元(11)和结构光接收单元(12)，所述结构光发射单元(11)用于发射结构光至目标区域内的物体上，所述结构光接收单元(12)用于接收所述目标区域内物体反射的反射光线、且将光信号变为电信号输送给电子电路模块(3)，所述电子电路模块(3)根据接收的电信号计算出所述物体上的点到装置的距离；所述第二测距模块(2)用于弥补第一测距模块(1)近处盲区的测量。
2.根据权利要求1所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述第二测距模块(2)为基于红外或超声波原理的测距模块。
3.根据权利要求1所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述外壳支撑模块(4)为长方体结构，所述光发射单元(11)和所述结构光接收单元(12)分别布置在所述外壳支撑模块(4)的长度方向上的两端；所述第二测距模块(2)位于所述结构光发射单元(11)和所述结构光接收单元(12)的中间。
4.根据权利要求1所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述结构光发射单元(11)发射的结构光为单点、单条线形、多条平行线形、螺旋线形、同心圆线形、网格线形或网格点形。
5.根据权利要求1所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述结构光发射单元(11)固定于外壳支撑模块(4)或电子电路模块(3)上、且与所述电子电路模块(3)电连接。
6.根据权利要求1所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述结构光接收单元(12)包括传感器(121)和光学透镜(122)，所述光学透镜(122)用于将所述目标区域内物体反射的反射光线聚焦至传感器(121)上，所述传感器(121)用于将光信号转化为电信号。
7.根据权利要求6所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述传感器(121)可为线形CCD、线形CMOS、面阵CCD或面阵CMOS。
8.根据权利要求6所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述结构光接收单元(12)固定于外壳支撑模块(4)或电子电路模块(3)上、且与所述电子电路模块(3)电连接。
9.根据权利要求1所述的建图与导航定位用测距装置，其特征在于，所述外壳支撑模块(4)上设有对外的固定孔和数据传输孔。
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