CN112083398A - 测量装置、自主移动设备、清洁机器人及测量方法 - Google Patents

测量装置、自主移动设备、清洁机器人及测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种测量装置、自主移动设备、清洁机器人及测量方法。其中，测量装置包括：驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；信号处理单元，用于根据所述探测信号，确定测量结果。本申请实施例提供的技术方案，直接将驱动单元生成的脉冲电流作为发射单元的注入电流，简化了测量装置的整体结构，同时可以减小发射脉冲的脉宽，从而提高测距精度。

Description

测量装置、自主移动设备、清洁机器人及测量方法
技术领域
本申请属于智能检测领域，尤其涉及一种测量装置、自主移动设备、清洁机器人及测量方法。
背景技术
目前，机器人上的激光雷达的发射端发射激光信号后，激光信号经目标物体反射的回波信号由接收端接收，然后该回波信号需通过放大器和高速比较器等等硬件进行处理。
激光雷达的整体结构复杂，成本较高，且因噪声的存在，需对硬件进行屏蔽处理。
发明内容
为解决或改善现有激光雷达存在的问题，本申请提供一种测量装置、自主移动设备、清洁机器人及测量方法。
在本申请的一个实施例中，提供了一种测量装置，包括：
驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；
发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；
信号处理单元，用于根据所述探测信号，确定测量结果。
在本申请的另一个实施例中，提供了一种自主移动设备。该自主移动设备包括自主移动体及测量装置；所述自主移动体根据所述测量装置的测量结果自主行进；其中，
所述测量装置，包括：
驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；
发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；
信号处理单元，用于根据所述探测信号确定测量结果。
在本申请的又一个实施例中，提供了一种清洁机器人。该清洁机器人包括清洁执行体及测量装置，所述清洁执行体根据所述测量装置的测量结果自主行进执行清洁任务；其中，
所述测量装置，包括：
驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；
发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；
信号处理单元，用于根据所述探测信号确定测量结果。
在本申请的又一个实施例中，提供了一种测量方法。该测量方法，包括：
通过测量装置中的驱动单元，生成脉冲电流；
将所述脉冲电流作为所述测量装置中发射单元的注入电流，以使所述发射单元工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
通过所述测量装置中接收单元包含的至少一个光子探测元件，探测所述光信号返回的光子，并基于探测到的光子产生相应的探测信号；
根据所述探测信号确定测量结果。
本申请实施例提供的方案中，由于接收单元包含光子探测元件，该光子探测元件可对信号强度较为弱的光子进行探测，因此直接将驱动单元生成的脉冲电流作为发射单元的注入电流，使得发射单元工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号，而没有必要驱动发射单元工作在额定功率；这样就可去除为驱动发射元件工作在额定功率所需增加的电子元件，简化了测量装置的整体结构，同时可以减小发射脉冲的脉宽，从而提高测距精度。此外，本申请实施例中选用了包含光子探测元件的接收单元，光子探测元件可探测到信号强度较弱的光子，并能基于探测到的光子产生相应的探测信号，因此在测量装置中增添信号放大等电子元件并不是必须，这就进一步的简化了测量装置的整体结构。可见，本申请实施例提供的技术方案，能提高测距精度，且结构简单，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术中的激光器驱动方案的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的测量装置的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的测量装置中驱动单元与发射单元的一种实现方式的示意图；
图4为本申请一实施例提供的测量装置中驱动单元与发射单元连接的原理性示意图；
图5为本申请一实施例提供的自主移动设备的一种实现的结构示意图；
图6为本申请一实施例提供的测量方法的流程示意图；
图7为本申请另一实施例提供的测量装置的结构示意图；
图8为本申请一实施例提供的稳压电路的电路示意图；
图9为本申请一实施例提供的升压电路的电路示意图；
图10为本申请一实施例提供的升压电路与稳压电路的连接方式示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。应当理解，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的元件、设备等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于监测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果监测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当监测(陈述的条件或事件)时”或“响应于监测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
本申请实施例提供的技术方案采用包含有至少一个光子探测元件的接收单元，用来探测发射单元发出的光信号返回的回波信号中的光子，然后基于探测到的光子产生相应的探测信号。然后，采用TOF测距技术，即通过计算光子探测元件探测到的光子的飞行时间，然后根据飞行时间来计算距离。飞行时间是通过光子接收到的时间减去发射单元发出光信号的时间得到的。
同一距离下，不同反射率的回波信号是有一定的动态范围的。换言之，激光回波信号又依赖于目标特性，不同特性的目标，反射率不同，发射回的激光能量不同，使得接收单元接收到的回波信号特征也不同，从而产生了一定的测量偏差，即上述的动态范围。这个动态范围导致飞行时间存在一个时间误差△t。飞行时间的时间误差大小，直接影响到最终测量结果的精度。若能尽量减小△t，也就提高了测量精度。
通过分析发现：通过压缩驱动发射单元的脉冲信号的脉冲宽度，可以极大的减小△t所带来的误差。
参见图1所示，现有激光器的驱动方案，一般由微控制器MCU(图中未示出)向门驱动(Gate Drive)1发送驱动信号；门驱动1接收到该驱动信号后，迅速产生几A的脉冲电流；门驱动1产生的脉冲电流对电路的等效电容充电以在金属-氧化物半导体场效应晶体管(Mosfet)3的控制端产生脉冲电压。Mosfet3在脉冲电压的作用下迅速打开，电源2产生的几十A的电流迅速灌向激光器，从而驱动激光器4发光，使得激光器4工作在额定功率下发出足够能量的光信号。
图1所示的驱动方案，驱动激光器4的驱动信号的脉冲宽度为：脉冲宽度＝门驱动1产生的脉冲电流延时+Mosfet3打开关闭延时+电源2对电路的等效电容充电的延时+激光器4开启关闭延时。
可见，若能通过减少电路中的电器元件，也就能消除电器元件自身延时对脉冲宽度的影响。减少电器元件不仅对压缩脉冲宽度有帮助，还能简化测量装置的整体结构、结构简单，成本也就相应的降低了。为此，本申请提出了如下各实施例。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图2为本申请一示例性实施例提供的一种测量装置的结构示意图。该测量装置100包括驱动单元21、发射单元22、接收单元23以及信号处理单元24。其中，驱动单元21用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流。发射单元22，与所述驱动单元21电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；接收单元23，包含至少一个光子探测元件43，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；信号处理单元24，用于根据所述探测信号，确定测量结果。
具体实施时，上述驱动信号可以接收自如图1所示示例中的处理器，如微控制器MCU。所述驱动单元21可以为低侧栅极驱动器，例如但不限于如下型号的驱动芯片211：LM5114、IX4340。所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述发射单元22电连接。上述发射单元22可包括至少一个垂直腔面发射激光器VECSEL或边发射激光器LD；具体的，所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述垂直腔面发射激光器VECSEL或边发射激光器LD的正极电连接。
其中，有关VECSEL及LD的内容可参见现有技术中的相关内容，本文不作赘述。
参见图3所示的驱动芯片211与发射单元22的电连接示例图。如图3所示，驱动芯片的输出端，即OUTB接脚与发射单元22(如垂直腔面发射激光器)的正极电连接。
具体的，发射单元的出射功率与注入电流有关。发射单元的注入电流增加，出射功率也会增加。例如，当注入电流小于一阈值电流(不同型号或类型的发射单元可能会不同)时，发射单元的出射功率小，且会随注入电流的增加缓慢增加。但当注入电流大于该阈值电流时，发射单元的出射功率会随注入电流的增加而急剧增加。
而本实施例中，将所述驱动单元输出的脉冲电流作为发射单元的注入电流，所述驱动单元输出的脉冲电流较低，并不能使发射单元工作在额定功率下；但通过实践和理论分析，发射单元以该注入电流对应的功率发射光信号，就已能满足10m左右量程的需求了。
在一些实施例中，接收单元23中的光子探测元件可以为SPAD(Single PhotonAvalanche Diode，单光子雪崩二极管)。SPAD也就是工作在盖革模式下的雪崩式光电二极管，其基于内光电响应，具有高增益的特点，单个光子产生的光电子在强电场作用下可以快速(10ps左右)产生一次雪崩响应。故SPAD具备单个光子响应能力，在激光功率较低、探测距离较远的情况下，也能探测到反射回来的微弱激光信号。同时，SPAD具有亚纳秒级的上升时间，可以大幅度提高激光测距中的信号采集速度和信号分辨能力，提高系统对物体的辨识能力。由于SPAD对光信号非常灵敏，可以接收低功率激光信号；因此本实施例可直接将驱动单元产生的脉冲电流作为发射单元的注入电流。
图4示出了本实施例提供的方案中，发射单元驱动电路的原理性示意图。相较于图1所示的现有技术，本实施例中去除了电源、Mosfet等。相应的，发射单元的驱动信号(脉冲电流同时作为注入电流及驱动信号)的脉冲宽度：
脉冲宽度＝驱动单元产生脉冲电流延时+发射单元(如LD/VECSEL)开启关闭延时。
显然，与图1所示的现有技术相比，少了Mosfet打开关闭延时以及电源对电路的等效电容充电的延时。本实施例提供的技术方案，通过简化发射单元的驱动电路的方式，实现了压缩脉冲宽度的目的，进而可极大的减小上文中提及的△t所带来的误差，有助于提高测量装置的测量精度。
在本实施例提供的测量装置工作过程中，除了会受到环境噪声、系统噪声的影响外，还会受到温度变化的影响。温度的变化，也会导致发射单元启动的延时发生变化，进而引起接收单元探测到光子的时间会出现偏差。基于此，本实施例提供的上述测量装置还可以包括误差补偿单元。具体的，误差补偿单元，用于获取所述测量装置的温度参数；根据所述温度参数，确定测量误差；基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
在一可实现的技术方案中，所述误差补偿单元可包括温度传感器及计算元件。其中，所述温度传感器，用于感测所述测量装置的温度参数。所述计算元件，用于获取补偿系数；根据所述补偿系数及所述温度参数，计算所述测量误差，基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。这里需要说明的是；计算元件可与所述信号处理单元为同一器件，换句话，即所述信号处理单元可具有“获取补偿系数；根据所述补偿系数及所述温度参数，计算所述测量误差，基于所述测量误差对所述测量结果进行修正”的功能。
在一具体实施例中，根据补偿系数及温度参数，计算测量误差的方式可通过以下公式进行实现：
ΔD＝k1*T*T+k2*T+k3
其中，k1、k2以及k3是补偿系数，T为温度传感器感测到的温度参数，ΔD为测量误差。具体实施时，可采用如下公式对测量结果进行修正：D’＝D+△D；其中，D为测量结果，D’为修正后的测量结果。
上述补偿系数可以是通过实验或理论计算得出的值；该补偿系数可预先存储，在需要结果修正(或称补偿)时，直接从存储区域调取使用。
本文对实验方式确定补偿系数进行简要说明。即，本实施例中所述的温度传感器，还用于感测所述测量装置在不同温度环境中对已知目标进行测量时的工作温度。所述计算元件，还用于根据所述测量装置在不同温度环境中工作时的工作温度，以及在不同温度环境中对已知目标进行测量时得到的测量结果，确定所述补偿系数。
例如：将测量装置放置在温度可调的环境中。温度传感器感测的测量装置在不同温度环境中对已知目标进行测量时的工作温度可以为：T1、T2、T3……、Tn。测量装置距离已知目标的距离已知，该距离为标准距离。计算元件可基于标准距离，计算出各个工作温度时测得的测量结果与标准距离的误差，如分别为：ΔD1、ΔD2、ΔD3……ΔDn；计算元件可根据这该组数据使用最小二乘法拟合出温度系数k1、k2以及k3。
综上，本申请实施例提供的方案，直接将驱动单元生成的脉冲电流作为发射元件的注入电流，简化了驱动电路的结构；节省成本的同时，还极大的压缩了驱动发射元件的脉冲信号的脉冲宽度，提高了测量装置对于不同反射率材料下表现出来的精度；另外，本实施例还利用温度对测量结果进行修正；进一步的提升了测量精度。
上述实施例提供的测量装置可应用在各种类型的自主移动设备上，如无人驾驶车辆、服务型机器人、清洁机器人等等，以便于自主移动设备基于测量结果实现自主行进导航、行进规划、避障等等功能。具体的，图5为本申请一示例性实施例提供的一种自主移动设备的结构示意图。该自主移动设备包括自主移动体31及测量装置32。其中，所述自主移动体31根据所述测量装置32的测量结果自主行进。可结合图2所示，所述测量装置32，可包括：驱动单元21、发射单元22、接收单元23及信号处理单元24。具体的，驱动单元21用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流。发射单元22，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号。接收单元23，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号。信号处理单元24，用于根据所述探测信号得到测量结果。
其中，自主移动体，可包括：驱动装置、工作装置、控制单元，其中，驱动装置用于驱动自主移动设备移动；工作装置安装有作业工具，如：机械手臂、清洁装置等，用于执行相应的任务；控制单元用于根据所述测量装置测得的测量结果，规划路径、避障等处理。
具体的，本实施例中的所述驱动单元为低侧栅极驱动器；所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述发射单元电连接。
进一步的，所述测量装置32还包括误差补偿单元。该误差补偿单元，用于获取所述测量装置的温度参数；根据所述温度参数，确定测量误差；基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
再进一步的，所述误差补偿单元可包括：温度传感器及计算元件。其中，温度传感器，用于感测所述测量装置的温度参数；计算元件，用于获取补偿系数；根据所述补偿系数及所述温度参数，计算所述测量误差，基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
这里需要说明的是：本自主移动设备的实施例中，测量装置的各个单元的结构及执行原理可参见上述实施例的描述，此处不再赘述。
下面结合一具体应用场景对本实施例提供的自主移动设备的工作过程进行说明。
应用场景一、
以自主移动设备为商超导购机器人为例。导购机器人基于用户输入或说出的欲购买商品的名称，确定目标位置，并基于当然位置及目标位置规划出引导路径。导购机器人在按照引导路径行进过程中，还需使用其上安装的测量装置测量周围的障碍物和人等。测量过程中，导购机器人的MCU向测量装置的驱动单元发送驱动信号，进而使驱动单元产生脉冲电流。导购机器人的发射单元在接收该脉冲电流后，将基于该脉冲电流对应的发射功率发射测量光信号；测量装置中接收单元的SPAD探测到障碍物或人发射回的光子后，产生探测信号。测量装置的信号处理单元可基于光信号发射至探测到光子之间的时间，计算出距离，以及时做出相应的调整，如距离太近，做出避让动作，若距离还远，可继续按照引导路径行进。
在测量过程中，因驱动单元生成的脉冲电流直接作为发射单元的注入电流，简化了驱动电路的结构，因电路中电器元件的减少，减少了各电器元件所带来的延迟，进而实现了压缩驱动信号的脉冲宽度的目的，有助于提供测量精度。
导购机器人工作一阵子后，机器人的温度会有所升高，致使测量装置的工作环境温度升高；此时，测量装置上的温度传感器采集温度参数，然后基于测得的温度参数，确定补偿系数；然后利用补偿系数对测量结果进行修正；进一步的提高了测量装置的测量精度。
导购机器人显得更灵敏，更智能；用户体验会更好。
本申请还提供一种清洁机器人，该清洁机器人的结构可参见上述图5。该清洁机器人包括清洁执行体及测量装置，所述清洁执行体根据所述测量装置的测量结果自主行进执行清洁任务；其中，所述测量装置包括：驱动单元、发射单元、接收单元及信号处理单元。驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；信号处理单元，用于根据所述探测信号确定测量结果。
这里需要说明的是：本实施例的清洁机器人可以：扫地机器人、擦窗机器人、拖地机器人、扫拖一体机器人等等，本实施例不作具体限定。所述清洁执行体的结构，本实施例不作限定，清洁面不同相应的结构也会有所不同。本实施例中测量装置的各个单元的结构及执行原理可参见上述实施例的描述，此处不再赘述。
下面结合一具体应用场景对本实施例提供的清洁机器人的工作过程进行说明。
应用场景二
以清洁机器人为扫地机器人为例。扫地机器人在家中进行清扫，清扫过程中会实时的测量周围是否有障碍物，以便于及时避让，避免碰撞。扫地机器人的顶部设有测量装置，测量装置在测量过程中，扫地机器人的MCU向测量装置的驱动单元发送驱动信号，进而使驱动单元产生脉冲电流。扫地机器人的发射单元在接收该脉冲电流后，将基于该脉冲电流对应的发射功率发射测量光信号；测量装置中接收单元的SPAD探测到障碍物或人发射回的光子后，产生探测信号。测量装置的信号处理单元可基于光信号发射至探测到光子之间的时间，计算出距离，以及时做出相应的调整，如距离太近，做出避让动作，若距离还远，可继续按照规划路径进行清扫。
中午因太阳照射室内温度升高。此时，扫地机器人再启动工作时，可通过温度传感器采集温度参数，然后基于测得的温度参数，确定补偿系数；然后利用补偿系数对测量装置测得的结果进行修正；进一步的提高了测量装置的测量精度。
扫地机器人避障更加灵敏、显得更智能，用户体验会更好。
参见图6所示，针对上述实施例提供的测量装置，本申请还提供一种测量方法。该测量方法包括：
S1、通过测量装置中的驱动单元，生成脉冲电流；
S2、将所述脉冲电流作为所述测量装置中发射单元的注入电流，以使所述发射单元工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
S3、通过所述测量装置中接收单元包含的至少一个光子探测元件，探测所述光信号返回的光子，并基于探测到的光子产生相应的探测信号；
S4、根据所述探测信号确定测量结果。
进一步的，本实施例提供的所述方法还可包括：
S5、获取所述测量装置的温度参数；
S6、根据所述温度参数，对所述测量结果进行修正。
在一具体实施方式中，步骤S6、“根据所述温度参数，对所述测量结果进行修正”可具体包括：
S61、获取补偿系数；
S62、根据所述补偿系数及所述温度参数，计算测量误差；
S63、基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
进一步的，本实施例提供的所述方法还可包括：
S7、通过所述测量装置中的温度传感器，感测所述测量装置在不同温度环境中对已知目标进行测量时的工作温度；
S8、根据所述测量装置在不同温度环境中工作时的工作温度，以及在不同温度环境中对已知目标进行测量时得到的测量结果，确定所述补偿系数。
本实施例提供的所述方法的执行主体可以是上述测量装置实施例中的信息处理单元。
上文中各实施例中提及的光子探测元件可以是基于SPAD(单光子雪崩二极管)技术的探测元件。SPAD用于接收光子以产生光生电子，并且需SPAD处于反向偏置状态(即处于盖革“Geiger”模式)，当偏置电压使SPAD被击穿时，可产生工作电场，使得处于所述工作电场内的光生电子产生相应的探测信号。即在具体实施时，SPAD需要一个较高的偏置电压用来建立这个工作电场；光子探测元件的感光区域接收到一个光子时，会受到光子撞击产生游离电子。游离的电子在外部高压产生的工作电场作用下撞击其他电子，从而产生更多的游离电子；大量的游离电子，使得SPAD在非常短的时间内雪崩击穿，并且电子的大量流动产生大电流，基于该大电流，即可产生相应的探测信号。
偏置电压的高低决定了内建工作电场的强弱；偏置电压低，内建工作电场弱，会导致光子探测元件的感光灵敏度低甚至失效。偏置电压高，会导致噪声过大引发测距错误，严重会导致SPAD损坏。可见，偏置电压的精度和稳定性，决定了测量装置的测量精度。
现有技术，比如安装在移动服务机器人上的测量装置，系统提供给测量装置的电为低电压。如果想产生高电压(如30V)，一般需要采用升压电路。经升压电路升压后得到的高电压，存在一定范围的波动。该波动有时会比较大，最大的情况可能会到达0.6V，即最终提供给SPAD的偏置电压为30.6V。若能将提供给SPAD的电压动态范围控制在±0.2V，会比较理想。
为此，本申请还提供了如下的实施例。参见图7所示，所述测量装置包括：升压电路41、稳压电路42以及光子探测元件43。如图7所示，所述光子探测元件43可包含在上述实施例中提及的接收单元23中。图7中仅示意性的示出了一个光子探测元件43；实际应用中，所述接收单元23可包含多个光子探测元件43，多个光子探测元件43可阵列排布。其中，所述升压电路41，用于将接入的第一电压升至第二电压。稳压电路42，与所述升压电路41电连接，用于对所述第二电压进行稳压处理，得到稳压电压。光子探测元件43，与所述稳压电路42电连接，用于接收光子以产生光生电子；将所述稳压电压作为偏置电压以产生工作电场，使得处于所述工作电场内的光生电子产生相应的探测信号。
本实施例提供的技术方案，通过在电路中增加稳压电路，将光子探测元件的偏置电压稳定在一个较为合适的范围内，缩小了偏置电压的动态范围，有助于提高测量装置的测量精度。
本实施例对于升压电路41的具体实现不作具体限定，可以是任意能实现升压的电路结构。
具体地，上述光子探测元件为SPAD；所述SPAD的正极与所述稳压电路的低电位端电连接；所述SPAD的负极与所述稳压电路的高电位端电连接。通过稳压电路与SPAD的上述连接方式，SPAD可处于反向偏置状态。SPAD偏置在20～30V量级的高电压“VHV”，这种反向偏置的二极管即能处于盖革模式。
在一具体实施方案中，稳压电路42可采用图8所示的电路结构实现。具体的，稳压电路42包括限流电阻R0、稳压二极管D0、第一分压电阻R1以及第二分压电阻R2。所述限流电阻R0的一端与所述升压电路电连接，另一端与稳压电路42的输出端Vout电连接。所述第一分压电阻R1的一端与所述稳压电路42的输出端Vout电连接，另一端与所述稳压二极管D0的参考极REF电连接。所述第二分压电阻R2的一端与所述稳压二极管D0的参考极REF电连接，另一端与所述稳压二极管D0的正极电连接；稳压二极管D0的正极接地。所述稳压二极管D0的阴极与所述稳压电路42的输出端Vout电连接，所述稳压电路42的输出端Vout与所述光子探测元件(即SPAD的负极)电连接。其中，稳压电路42的输出端Vout的电压用于提供上述偏置电压。进一步的，如图8所示，稳压电路42还包括电容C1，电容C1的一端与所述稳压电路42的输出端Vout电连接，另一端接地。
具体地，图8中的所述稳压二极管D0的参考极REF对应的参考电压Vref可为：2.483～2.507V。具体实现时，可根据所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2的阻值确定倍压系数K，即通过调整第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的阻值，便可调整倍压系数K。例如，倍压系数K与R1和R2存在如下数学关系：K＝(1+R1/R2)。
假设所需偏置电压为30V，根据VOUT＝倍压系数K*Vref，则可将倍压系数K设置为：12.002～12.047。这样，Vout为29.8V～30.2V，可控制在±0.2V的范围。比如，设计倍压系数K为12.02，这样实际的电压范围为29.85～30.13；电压动态范围小于±0.15V。
在一些可选的实施例中，本实施例中的稳压电路可以是可控精密稳压源。同样的，该可控精密稳压源的参考电压Vref可以是：2.483～2.507V，参考电压的基准电压为2.5V。该可控精密稳压源对应的倍压系数K可以为12.002～12.047。比如，可控精密稳压源的等效电路同图8。参见图8，当在参考极REF引入输出反馈时，可通过D0负极到正极很宽范围的分流，控制输出的电压VOUT。当R1和R2的阻值确定时，两者对VOUT的分压引入反馈。若VOUT增大，反馈量增大，D0的分流也就增大，从而导致VOUT下降。限流电阻的作用防止D0分流的电阻过大，导致D0损坏。
而对于升压电路41的结构可参见图9所示，其输入端用于接入系统的低供电电压VCC，也就是第一电压，输出端用于输出第二电压VOUT’。该升压电路41包括电感L1、二极管D1、第一电容C2、第二电容C01、第三电容C02、第一电阻R01、第二电阻R02、升压芯片、第三分压电阻R3以及第四分压电阻R4。其中，该电感L1的一端连接升压电路的输入端、升压芯片的VIN引脚、第一电阻R01的一端以及第二电容C01的一端，另一端连接二极管D1的正极，以及升压芯片的SW引脚；第二电容C01的另一端接地，第一电阻R01的另一端连接升压芯片的EN引脚，二极管D1的阴极连接升压电路的输出端、第一电容C2的一端，以及第三分压电阻R3的一端；第一电容C2的另一端连接升压芯片的FB引脚、以及第三分压电阻R3的另一端，第三分压电阻R3的另一端还连接第四分压电阻R4的一端，第四分压电阻R4的另一端接地；第二电阻R02的一端与升压芯片的COMP引脚连接，另一端连接第三电容C02的一端，第三电容C02的另一端接地，升压芯片的引脚GND接地。升压电路41中的升压芯片可以为SGM6607，SG6607的Vref典型值为1.211V，范围为1.186V～1.236V。如按典型值Vref升压到30V，倍压系数为24.77。实际的输出电压，也就是第二电压为29.37～30.6V。其中，实际倍压系数是通过电阻分压获取。
升压电路41与稳压电路42的连接方式可参见图10所示。
综上，本实施例提供的所述测量装置在原有电路中增加了稳压电路，以将提供给SPAD的偏置电压控制在一个较小的范围内，使得SPAD能保持在一个较为合适的工作状态下，有助于提高测量装置的测量精度。
参见图7所示，本实施例提供的所述测量装置还可包括：驱动单元21、发射单元22及信号处理单元24。其中，驱动单元21，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流。发射单元22，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号。本实施例中的光子探测元件43可以为多个，测量装置的接收单元23包含有本实施例中的光子探测元件43。或者说，所述一个或多个光子探测元件43作为所述测量装置的接收单元。信号处理单元24用于根据所述至少一个光子探测元件产生的探测信号，确定测量结果。
即本实施例还可包含上述图2所示实施例中各单元。上述图2所示的实施例是对发射单元侧的驱动电路进行了改进，以通过压缩驱动脉冲的脉冲宽度以及温度补偿来提高测量装置的测量精度；而本实施例提供的方案专注于接收单元侧的光子探测元件的偏置电压，从提供一个稳定的偏置电压入手，使得光子探测元件工作在灵敏度较高且准确度较高的状态下，进而提高测量装置的测量精度。
同上文图2提及的实施例，本实施例中的所述驱动单元21可以为低侧栅极驱动器；所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述发射单元22电连接。
进一步的，上述测量装置还可包括误差补偿单元，用于获取所述测量装置的温度参数；根据所述温度参数，确定测量误差；基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
需要说明的是，上述测量装置中，接收单元除包含有光子探测元件43外，还可包含升压电路41、稳压电路42等；当然，升压电路41和稳压电路42也可独立出所述接收单元，本实施例不做限定。更具体的，当所述接收单元包含多个光子探测元件时，多个光子探测元件可采用阵列的方式进行排布，具体排布方式，本实施例不作具体限定。
在本申请的一些可选的实施例中，测量装置可采用TOF法测距。TOF即飞行时间测距法，通过测量发射单元发出光信号到探测到光子之间的时间，来计算距离。光子探测元件，特别是SPAD对光信号放大倍数是普通雪崩式光电二极管的1万倍，是光电二极管的100万倍。由于SPAD感光区域过于灵敏，系统噪声和环境噪声会导致误触发。为了解决感光区域过于灵敏导致测距错误的问题，可采用直方图统计的方式消除误触发。具体实施方法可以为：测试一个距离数据，发射单元发送N个脉冲的光信号，其SPAD感光区域(即接收单元)中有18个像素点，每个像素点分别采集数据；总共获取18*N数据。对18*N进行概率统计，系统噪声和环境噪声造成的触发数据较离散，发射单元发出的光信对应的回波信号触发的数据较集中。通过数据概率分布，可以排除系统噪声和环境噪声而得到实际的飞行时间。基于该飞行时间便可计算出距离。
在另一些可选的实施例中，为了降低环境噪声对光子飞行时间的影响，上述装置中还可包括光学透镜/滤波器。返回光子可以由光学滤波器聚焦在一个或多个SPAD上。在SPAD前面的光学透镜会限制SPAD的视野，从而检测到来自VECSEL的更多光子或更少的周围光子。该视野范围可以基于具体的设计需求等来确定。
本申请还提供了一种自主移动设备。该自主移动设备的外部结构图同上述图5。具体的，所述自主移动设备包括自主移动体31及测量装置32；所述自主移动体31根据所述测量装置32的测量结果自主行进。其中，结合图7所示，所述测量装置32，包括：升压电路41、稳压电路42及光子探测元件43。所述光子探测元件43可包含在上述实施例中提及的接收单元23中。图7中仅示意性的示出了一个光子探测元件43；实际应用中，所述接收单元23可包含多个光子探测元件43，多个光子探测元件43可阵列排布。其中，升压电路41用于将接入的第一电压升至第二电压；稳压电路42与所述升压电路电连接，用于对所述第二电压进行稳压处理，得到稳压电压；光子探测元件43，与所述稳压电路电连接，用于接收光子以产生光生电子；将所述稳压电压作为偏置电压以产生工作电场，使得处于所述工作电场内的光生电子产生相应的探测信号。
具体的，所述光子探测元件可为单光子雪崩二极管；所述单光子雪崩二极管的正极与所述稳压电路的低电位端电连接；所述单光子雪崩二极管的负极与所述稳压电路的高电位端电连接。
进一步的，所述稳压电路包括限流电阻、稳压二极管、第一分压电阻以及第二分压电阻；其中，所述限流电阻的一端与所述升压电路电连接，另一端与输出端电连接；所述第一分压电阻的一端与所述输出端电连接，另一端与所述稳压二极管的参考极电连接；所述第二分压电阻的一端与所述稳压二极管的参考极电连接，另一端与所述稳压二极管的正极电连接；所述稳压二极管的阴极与所述输出端电连接，所述输出端与所述光子探测元件电连接。所述稳压电路还包括电容；所述电容的一端与所述输出端电连接，另一端接地。
参见图2和图7所示，上述测量装置32还可以包括：驱动单元21、发射单元22以及信号处理单元24等。本实施例测量装置32中的光子探测元件可以为一个或多个，测量装置的接收单元可包含一个或多个光子探测元件。
本实施例中，本自主移动设备的实施例中，测量装置的各个单元的结构及执行原理可参见上述实施例的描述，此处不再赘述。
同样的，本实施例提供的所述自主移动设备可以是：无人驾驶车辆、无人飞行器、服务型机器人(导购机器人、酒店或商超引导机器人等)、清洁机器人(如扫地机器人、擦窗机器人、拖地机器人、扫拖一体机器人)等等。
下面结合具体应用场景，对本申请各实施例提供的技术方案进行说明。
应用场景三
以自主移动设备为服务机器人为例，在服务机器人对在路径规划过程中，需要测量所处环境的环境参数，如服务机器人周围多少距离处有障碍物等。服务机器人上安装有本申请一实施例提供的测量装置。该测量装置的升压电路的输出端与单光子雪崩二极管之间接入稳压电路，使单光子雪崩二极管的偏置电压的动态范围处于±0.2V以内，单光子雪崩二极管的偏置电压越稳定，其感光灵敏度高，且系统噪声会降低，有助于提高距离测量的准确度。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种测量装置，其特征在于，包括：
驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；
发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；
信号处理单元，用于根据所述探测信号，确定测量结果。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述驱动单元为低侧栅极驱动器；
所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述发射单元电连接。
3.根据权利要求2所述测量装置，其特征在于，所述发射单元包括至少一个垂直腔面发射激光器VECSEL或边发射激光器LD；
所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述垂直腔面发射激光器VECSEL或边发射激光器LD的正极电连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述测量装置，其特征在于，还包括：
误差补偿单元，用于获取所述测量装置的温度参数；根据所述温度参数，确定测量误差；基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述误差补偿单元，包括：
温度传感器，用于感测所述测量装置的温度参数；
计算元件，用于获取补偿系数；根据所述补偿系数及所述温度参数，计算所述测量误差，基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，
所述温度传感器，还用于感测所述测量装置在不同温度环境中对已知目标进行测量时的工作温度；
所述计算元件，还用于根据所述测量装置在不同温度环境中工作时的工作温度，以及在不同温度环境中对已知目标进行测量时得到的测量结果，确定所述补偿系数。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述计算元件与所述信号处理单元为同一器件。
8.一种自主移动设备，其特征在于，包括自主移动体及测量装置；所述自主移动体根据所述测量装置的测量结果自主行进；其中，
所述测量装置，包括：
驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；
发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；
信号处理单元，用于根据所述探测信号确定测量结果。
9.根据权利要求8所述自主移动设备，其特征在于，所述驱动单元为低侧栅极驱动器；
所述低侧栅极驱动器的信号输出端与所述发射单元电连接。
10.根据权利要求8或9所述的自主移动设备，其特征在于，所述测量装置还包括：
误差补偿单元，用于获取所述测量装置的温度参数；根据所述温度参数，确定测量误差；基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
11.根据权利要求10所述的自主移动设备，其特征在于，所述误差补偿单元，包括：
温度传感器，用于感测所述测量装置的温度参数；
计算元件，用于获取补偿系数；根据所述补偿系数及所述温度参数，计算所述测量误差，基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
12.一种清洁机器人，其特征在于，包括清洁执行体及测量装置，所述清洁执行体根据所述测量装置的测量结果自主行进执行清洁任务；其中，
所述测量装置，包括：
驱动单元，用于根据接收到的驱动信号，生成脉冲电流；
发射单元，与所述驱动单元电连接，用于将所述脉冲电流作为注入电流，以工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
接收单元，包含至少一个光子探测元件，用于探测所述光信号返回的光子，基于探测到的光子产生相应的探测信号；
信号处理单元，用于根据所述探测信号确定测量结果。
13.一种测量方法，其特征在于，包括：
通过测量装置中的驱动单元，生成脉冲电流；
将所述脉冲电流作为所述测量装置中发射单元的注入电流，以使所述发射单元工作于所述注入电流对应的发射功率发射光信号；
通过所述测量装置中接收单元包含的至少一个光子探测元件，探测所述光信号返回的光子，并基于探测到的光子产生相应的探测信号；
根据所述探测信号确定测量结果。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
获取所述测量装置的温度参数；
根据所述温度参数，对所述测量结果进行修正。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据所述温度参数，对所述测量结果进行修正，包括：
获取补偿系数；
根据所述补偿系数及所述温度参数，计算测量误差；
基于所述测量误差对所述测量结果进行修正。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
通过所述测量装置中的温度传感器，感测所述测量装置在不同温度环境中对已知目标进行测量时的工作温度；
根据所述测量装置在不同温度环境中工作时的工作温度，以及在不同温度环境中对已知目标进行测量时得到的测量结果，确定所述补偿系数。
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