CN112013774B - 测距系统及测距方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种测距系统及测距方法,系统包括检测单元、信号处理单元及距离确定单元;所述信号处理单元包括相互连接的多级放大检波电路,每一级放大检波电路包括依次连接的放大模块和检波模块;前一级放大检波电路的放大模块的输出端,与后一级放大检波电路的放大模块的输入端连接;所述检测单元的输出端与第一级放大检波电路的放大模块的输入端连接;距离确定单元,用于自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级放大检波电路的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级放大检波电路的输出量所对应的距离。该方案具有体积小、实时性高、能耗低、动态范围广、精度高的优点。

Description

测距系统及测距方法
技术领域
本发明一般涉及距离测量技术领域,具体涉及一种测距系统及测距方法。
背景技术
近年来,随着水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle; AUV)自主对接回收的深入研究,水下测距的需求日益迫切,一方面是安全需要,AUV携带有声、压、光等诸多传感器,在回收过程中避免碰撞,保证传感器安全;另一方面是AUV自主对接回收路径规划及动力控制系统的需要,不同的作用距离需要相应的路径规划和动力控制算法;再加上回收过程中,复杂多变的海况,导致AUV和回收站之间的位置关系时刻在变,对水下测距功能提出了更高的要求。
目前常用的水下测距方法主要依靠声学传感器及其阵列完成,但是存在定位精度低、声学传感器及其阵列体积大,往往需要复杂的算法,耗时长,功耗大等问题,影响AUV的高效回收,因此研究出具有高精度实时测距能力的技术手段是AUV回收不可逾越的难题之一。
发明内容
本申请期望提供一种测距系统及测距方法,至少用于解决现有技术中存在定位精度低问题。
第一方面,本发明提供一种测距系统,包括检测单元、信号处理单元及距离确定单元;
所述信号处理单元包括相互连接的多级放大检波电路,每一级所述放大检波电路包括依次连接的放大模块和检波模块;前一级所述放大检波电路的放大模块的输出端,与后一级所述放大检波电路的放大模块的输入端连接;
所述检测单元的输出端与第一级所述放大检波电路的放大模块的输入端连接;
所述距离确定单元,用于自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级所述放大检波电路的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级所述放大检波电路的输出量所对应的距离。
作为可实现方式,最后一级所述放大检波电路的放大模块的输出端连接有比较器,所述比较器用于在最后一级所述放大检波电路的放大模块的输出量大于比较阈值时,输出距离确定启动信号;
所述距离确定单元,响应于所述距离确定启动信号,接收各级所述放大检波电路的输出量以进行距离确定。
作为可实现方式,所述检测单元包括四象限光电探测器或声学传感器阵列,放大单元,和信号单元;
所述放大单元,用于对所述四象限光电探测器各象限的输出量进行放大滤波;
所述和信号单元,用于将放大滤波后的所述四象限光电探测器各象限的输出量或所述声学传感器阵列中各声学传感器的输出量合并输出。
作为可实现方式,各级所述放大检波电路中,后一级所述放大检波电路的电压饱和阈值大于前一级所述放大检波电路的电压饱和阈值。
作为可实现方式,所述放大模块包括第一放大器,所述第一放大器的正向输入端连接接地的第一电阻;所述第一放大器的负向输入端通过第二电阻与所述第一放大器的输出端连接。
作为可实现方式,所述检波模块包括第二放大器,所述第二放大器的正向输入端连接接地的第三电阻;所述第二放大器的负向输入端通过第一二极管与所述第二放大器的输出端连接;所述第一二极管的输出端连接有第二二极管,所述第二放大器的负向输入端通过第四电阻与所述第二二极管的输出端连接。
作为可实现方式,所述第二二极管的输出端连接有滤波模块。
作为可实现方式,所述滤波模块包括并联接地的第一电容和第五电阻。
作为可实现方式,所述第二二极管的输出端连接有隔离模块。
作为可实现方式,所述隔离模块包括第三放大器,所述第三放大器的正向输入端通过第六电阻与第二二极管的输出端连接,所述第三放大器的负向输入端与所述第三放大器的输出端连接,所述第三放大器的输出端与所述距离确定单元连接。
第二方面,本发明提供一种采用上述测距系统的测距方法,包括:
获取所述检测单元产生的,分别经各级所述放大检波电路处理后的输出量;
自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级所述放大检波电路的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级所述放大检波电路的输出量所对应的距离。
上述方案,通过多级放大检波电路对信号进行处理后,自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级放大检波电路的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级放大检波电路的输出量所对应的距离,此种方式具有动态范围广,精度高的优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明实施例提供的测距系统示意图;
图2为本发明另一实施例提供的测距系统示意图;
图3为本发明又一实施例提供的测距系统示意图;
图4为本发明实施例提供的测距方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示,本发明实施例示出的一种测距系统,包括检测单元 1、信号处理单元2及距离确定单元3;信号处理单元2包括相互连接的多级放大检波电路4,每一级放大检波电路4包括依次连接的放大模块5和检波模块6;前一级放大检波电路4的放大模块5的输出端,与后一级放大检波电路4的放大模块5的输入端连接;检测单元1的输出端与第一级放大检波电路4的放大模块5的输入端连接;距离确定单元3,用于自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级放大检波电路4的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级放大检波电路4的输出量所对应的距离。
检测单元1可以是光电检测单元,也可以是声电检测单元,这里以光电检测单元为例进行说明,光电检测单元具有体积小、实时性高、能耗低的优点。检测单元1用于接收目标光源的光线,并根据目标光源的光线的强弱生成对应的电压信号。一般地,检测单元1距离目标光源越近,接收到的目标光源的光线的强度越高,则其对应产生的电压信号越大,可以最终基于电压信号的大小来进行距离的确定。
这里所说的多级放大检波电路4,是由多个放大检波电路4相互连接构成。例如,放大检波电路4包括依次连接的放大模块5和检波模块6。第一级放大检波电路4的放大模块5的输出端,与第二级放大检波电路4的放大模块5的输入端连接,第二级放大检波电路4的放大模块5的输出端,与第三级放大检波电路4的放大模块5的输入端连接,依此规律,直至连接至最后一级放大检波电路4,以构成多级放大检波电路4。这样,检测单元1产生的电压信号,经第一级放大检波电路4的放大模块5的放大后,输入至第二级放大检波电路4,并经第二级放大检波电路4的放大模块5的放大后,输入至第三级放大检波电路4,依此规律,逐级放大至最后一级放大检波电路4。每一级放大检波电路4对应的电压信号的大小,都对应一特定范围的距离。并且第一级放大检波电路4对应的距离最小,最后一级放大检波电路 4对应的距离最大。采用多级放大检波电路4可以增加测距的动态范围,例如,每一级放大检波电路4的动态范围在10db以上,那么对应 n级放大检波电路4来说,其动态范围在10ndb以上,其中,n为自然数。
通过自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级所述放大检波电路4的输出量小于当前一级电压饱和阈值的方式,进行逐级的筛选,若最后一级放大检波电路4的输出量的电压信号高于最后一级电压饱和阈值,说明目标光源的距离小于最后一级放大检波电路4对应的距离,因此再去判断倒数第二级放大检波电路4的输出量的电压信号是否高于倒数第二级电压饱和阈值,若是,则说明目标光源的距离小于倒数第二级放大检波电路4对应的距离,继续向下一级进行判断,直至找到当前一级放大检波电路4的输出量的电压信号小于当前一级电压饱和阈值,说明目标光源的距离在该当前一级放大检波电路4对应的距离范围内,然后根据电压与距离的映射关系,确定目标光源的距离。
其中,电压与距离的映射关系可以预先进行标定。即预先标定目标光源距离检测单元1不同距离时的电压大小。标定环境参照使用环境确定。如该测距系统应用于水下,则在一定水下环境中进行标定,以保障最后测量的准确性。
一般地,距离确定单元3可以包括模数转换模块和计算模块,模数转换模块用于将级放大检波电路4传送进距离确定单元3的模拟量转化为数字量,以供计算模块进行计算处理获得所测量的距离。
上述方案,通过光电的方式进行测距,与声学的测距方式相比,具有体积小、实时性高、能耗低的优点。此外,通过多级放大检波电路4对信号进行处理后,自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级放大检波电路4的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级放大检波电路4的输出量所对应的距离,此种方式具有动态范围广,精度高的优点。
作为可实现方式,如图2所示,最后一级放大检波电路4的放大模块5的输出端连接有比较器,比较器用于在最后一级放大检波电路 4的放大模块5的输出量大于比较阈值时,输出距离确定启动信号;距离确定单元3,响应于距离确定启动信号,接收各级放大检波电路4 的输出量以进行距离确定。
为了降低功耗、提高智能化及防止测距系统误动作,在最后一级放大检波电路4的放大模块5的输出端连接有比较器,只有在最后一级放大检波电路4的放大模块5的输出量足够大时,比较器才向距离确定单元3发出距离确定启动信号,该距离确定启动信号例如但不限于为电平信号。距离确定单元3只有在接收到距离确定启动信号后,响应于该信号才开始进行测距流程。一般地,比较阈值应该大于系统噪声等级,防止系统噪声误触发。
作为可实现方式,如上所述,检测单元1可以是光电检测单元,也可以是声电检测单元,采用光电检测单元时,检测单元1包括四象限光电探测器8、放大单元9,和信号单元10;放大单元9,用于对四象限光电探测器8各象限的输出量进行初步的放大,当然根据实际情况还可进行滤波,以提高灵敏度和精度;和信号单元10,用于将放大滤波后的所述四象限光电探测器8各象限的输出量合并输出。采用声电检测单元时,检测单元1包括声学传感器阵列,放大单元,和信号单元;放大单元9,用于对声学传感器阵列中各声学传感器的输出量进行初步的放大,当然根据实际情况还可进行滤波,以提高灵敏度和精度;和信号单元10,用于将放大滤波后的声学传感器阵列中各声学传感器的输出量合并输出。
四象限光电探测器8是光电转换元件,其受光面分为四个象限,每一象限具有一个电压输出,放大单元9分别对各路电压进行滤波后输入到和信号单元10,和信号单元10将该四路信号合并为一路信号然后输入至第一级放大检波电路4。
作为可实现方式,各级放大检波电路4中,后一级放大检波电路 4的电压饱和阈值大于前一级放大检波电路4的电压饱和阈值。
作为可实现方式,以下另参见图3,放大模块5包括第一放大器U1,第一放大器U1的正向输入端连接接地的第一电阻R1;第一放大器U1的负向输入端通过第二电阻R3与第一放大器U1的输出端连接。第一放大器U1的负向输入端通过第七电阻R2与检测单元1的信号输出端连接。
作为可实现方式,检波模块6包括第二放大器U2,第二放大器 U2的正向输入端连接接地的第三电阻R5;第二放大器U2的负向输入端通过第一二极管T1与第二放大器U2的输出端连接;第一二极管 T1的输出端连接有第二二极管T2,第二放大器U2的负向输入端通过第四电阻R6与第二二极管T2的输出端连接。第二放大器U2的负向输入端还分别顺次连接的第二电容C1、第八电阻R4与第一放大器U1 的输出端连接。
作为可实现方式,第二二极管T2的输出端连接有滤波模块。
作为可实现方式,滤波模块包括并联接地的第一电容C2和第五电阻R8。在实际使用中,可以尽量减小第一电容和第五电阻的乘积值参数,以缩短充电时间,延长放电时间,降低检波电压文波,进一步提高测距精度及线性度。
作为可实现方式,第二二极管T2的输出端连接有隔离模块。用于将数字端与模拟端进行隔离,防止相互干扰,提高测距精度。
作为可实现方式,隔离模块包括第三放大器U3,第三放大器U3 的正向输入端通过第六电阻R7与第二二极管T2的输出端连接,第三放大器U3的负向输入端与第三放大器U3的输出端连接,第三放大器 U3的输出端与所述距离确定单元3连接。
第二方面,如图4所示,本发明提供一种采用上述测距系统的测距方法,包括:
S1:获取所述检测单元1产生的,分别经各级所述放大检波电路 4处理后的输出量;
S2:自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级所述放大检波电路4的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级所述放大检波电路4的输出量所对应的距离。
该测距方法是上述测距系统所对应的方法,其原理及效果参见测距系统的实施例,这里不再赘述。
需要理解的是,上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (11)

1.一种测距系统,其特征在于,包括检测单元、信号处理单元及距离确定单元;
所述信号处理单元包括相互连接的多级放大检波电路,每一级所述放大检波电路包括依次连接的放大模块和检波模块;前一级所述放大检波电路的放大模块的输出端,与后一级所述放大检波电路的放大模块的输入端连接;
所述检测单元的输出端与第一级所述放大检波电路的放大模块的输入端连接;
所述距离确定单元,用于自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级所述放大检波电路的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级所述放大检波电路的输出量所对应的距离。
2.根据权利要求1所述的测距系统,其特征在于,最后一级所述放大检波电路的放大模块的输出端连接有比较器,所述比较器用于在最后一级所述放大检波电路的放大模块的输出量大于比较阈值时,输出距离确定启动信号;
所述距离确定单元,响应于所述距离确定启动信号,接收各级所述放大检波电路的输出量以进行距离确定。
3.根据权利要求1或2所述的测距系统,其特征在于,所述检测单元包括四象限光电探测器或声学传感器阵列,放大单元,和信号单元;
所述放大单元,用于对所述四象限光电探测器各象限的输出量或所述声学传感器阵列中各声学传感器的输出量进行放大;
所述和信号单元,用于将放大滤波后的所述四象限光电探测器各象限的输出量或所述声学传感器阵列中各所述声学传感器的输出量合并输出。
4.根据权利要求1或2所述的测距系统,其特征在于,各级所述放大检波电路中,后一级所述放大检波电路的电压饱和阈值大于前一级所述放大检波电路的电压饱和阈值。
5.根据权利要求1或2所述的测距系统,其特征在于,所述放大模块包括第一放大器,所述第一放大器的正向输入端连接接地的第一电阻;所述第一放大器的负向输入端通过第二电阻与所述第一放大器的输出端连接。
6.根据权利要求1或2所述的测距系统,其特征在于,所述检波模块包括第二放大器,所述第二放大器的正向输入端连接接地的第三电阻;所述第二放大器的负向输入端通过第一二极管与所述第二放大器的输出端连接;所述第一二极管的输出端连接有第二二极管,所述第二放大器的负向输入端通过第四电阻与所述第二二极管的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的测距系统,其特征在于,所述第二二极管的输出端连接有滤波模块。
8.根据权利要求7所述的测距系统,其特征在于,所述滤波模块包括并联接地的第一电容和第五电阻。
9.根据权利要求6所述的测距系统,其特征在于,所述第二二极管的输出端连接有隔离模块。
10.根据权利要求9所述的测距系统,其特征在于,所述隔离模块包括第三放大器,所述第三放大器的正向输入端通过第六电阻与第二二极管的输出端连接,所述第三放大器的负向输入端与所述第三放大器的输出端连接,所述第三放大器的输出端与所述距离确定单元连接。
11.一种采用权利要求1-10任一项所述测距系统的测距方法,其特征在于,包括:
获取所述检测单元产生的,分别经各级所述放大检波电路处理后的输出量;
自最后一级逐级向前,直至判断出当前一级所述放大检波电路的输出量小于当前一级电压饱和阈值,并根据电压与距离的映射关系,确定当前一级所述放大检波电路的输出量所对应的距离。
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