CN114413750A - 基于激光散射光斑的定位传感器、定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光散射光斑的定位传感器、定位系统及定位方法，其中传感器包括：滤光片，用于过滤环境光波段，减少入射的激光中的杂质；感光板主体，包括漫反射介质、玻璃板和多个光敏元件，所述漫反射介质的第一面作为激光的入射面，所述漫反射介质的第二面与所述玻璃板的第一面连接；所述漫反射介质用于散射所述入射激光，以在所述玻璃板上出现激光散射光斑；多个所述光敏元件以稀疏阵列的形式排布在所述玻璃板的第二面上，用于采集激光信号，并根据激光信号产生电信号。本发明提供一种通过漫反射介质散射激光的方案，使得激光散射的光斑能被光敏元件更灵敏地检测到，进而提高定位的精确度，可广泛应用于定位技术领域。

Description

基于激光散射光斑的定位传感器、定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于激光散射光斑的定位传感器、定位系统及定位方法。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的无人机、无人车、移动机器人等机器被应用到多种领域。在大多数场合，这些无人设备都依赖定位系统进行控制以完成某种任务。然而，当需要高精准度的获取位置信息时，一般的定位方法就不再适合：基于无线电的定位，例如wifi定位、蓝牙定位、GPS定位等，定位的精度一般只能到达几十厘米甚至几米；基于计算机视觉的定位，运算量相对较大，在摄像头需要运动的场景下，图像识别率受限，精度一般也只能达到厘米级别；基于激光雷达的定位，虽然精度可达到厘米甚至毫米级别，但需要提前构建地图并以某个参考点建立坐标系，并且对于小型飞行器而言，激光雷达也占用较大的载重量。

目前广泛使用的激光光感高精度传感器，常见有两种：一种是基于PIN型二极管的正方形光敏元件，另一种是基于CCD(电荷耦合元件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)的阵列型感光器件。这些传感器的定位精度虽然可达到微米级别，但成本过高，且无法大面积铺设，限制了其应用范围，无法应用在大空间运动目标的精确定位上。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于激光散射光斑的定位传感器及其定位方法

本发明所采用的技术方案是：

一种基于激光散射光斑的定位传感器，，包括：

滤光片，用于过滤环境光波段，减少入射的激光中的杂质；

感光板主体，包括漫反射介质、玻璃板和多个光敏元件，所述漫反射介质的第一面作为激光的入射面，所述漫反射介质的第二面与所述玻璃板的第一面连接；

所述漫反射介质用于散射所述入射激光，以在所述玻璃板上出现激光散射光斑；

多个所述光敏元件以稀疏阵列的形式排布在所述玻璃板的第二面上，用于采集激光信号，并根据激光信号产生电信号。

进一步地，所述感光板主体还包括遮光部件，所述遮光部件包裹住所述漫反射介质的侧面、所述玻璃板的侧面以及所述玻璃板的的第二面。

进一步地，所述光敏元件以M*N的稀疏矩阵排列；其中，M、N为大于或等于2的整数。

进一步地，所述根据激光信号产生电信号，包括：

根据光敏元件与所述激光入射点的距离，产生相应的所述电信号，将所述电信号反馈至数据处理模块。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于激光散射光斑的定位系统，包括传感器和数据处理模块；

所述传感器用于采集激光信号，根据激光信号产生多个电信号；

所述数据处理模块用于根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，作为定位坐标；

所述传感器采用如上所述的一种基于激光散射光斑的定位传感器来实现。

进一步地，所述根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，包括：

根据多个所述电信号，采用二维高斯函数拟合激光散射光斑的曲面；

根据散射模型计算解得拟合曲面中最高值的坐标，作为光斑中心的坐标。

进一步地，所述散射模型采用辐射传输方程来表示，所述辐射传输方程的表达式为：

其中，t是时间，

是矢量位置，

是入射的传播方向，

是由散射理论得出的散射相位函数，dΩ′是跨越

的实体角，c是周围介质中的光速，μ_e是散射系数与吸收系数之和，I是光束穿过的总长度，μ_s是散射系数。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种基于激光散射光斑的定位方法，应用于如上所述的一种基于激光散射光斑的定位系统，包括以下步骤：

将入射激光转换为激光散射光斑；

根据激光散射光斑生成多个电信号；

根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标作为定位坐标，作为定位坐标。

进一步地，所述根据激光散射光斑生成多个电信号，包括：

根据光敏元件与激光入射点的距离，产生相应的所述电信号，将所述电信号反馈至数据处理模块。

进一步地，所述根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，包括：

根据多个所述电信号，采用二维高斯函数拟合激光散射光斑的曲面；

根据散射模型计算解得拟合曲面中最高值的坐标，作为光斑中心的坐标。

本发明的有益效果是：本发明提供一种通过漫反射介质散射激光的方案，使得激光散射的光斑能被光敏元件更灵敏地检测到，进而提高定位的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种基于激光散射光斑的定位传感器的示意图；

图2是本发明实施例中感光板主体的示意图；

图3是本发明实施例中一种基于激光散射光斑的定位方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于激光散射光斑的定位传感器，包括：

滤光片1，用于过滤环境光波段，减少入射的激光中的杂质；

感光板主体2，包括漫反射介质3、玻璃板4和多个光敏元件5，漫反射介质3的第一面作为激光的入射面，漫反射介质3的第二面与玻璃板4的第一面连接；

漫反射介质3用于散射入射激光，以在玻璃板上出现激光散射光斑；

多个光敏元件5以稀疏阵列的形式排布在玻璃板的第二面上，用于采集激光信号，并根据激光信号产生电信号。其中，漫反射介质3的第一面和漫反射介质3的第二面相对，玻璃板4的第一面与玻璃板4的第二面相对。

在本实施例中，滤光板的作用是过滤环境光波段，减少射入光的杂质，保证入射激光的纯净度，在一定程度上能减少其他光线对激光检测的影响；可采用现有的滤光材料制成即可。其中，环境光波段可理解为在环境中除了需要接受的激光外的所有光波。如图2所示，图2为感光板主体的结构图，感光板主体包括漫反射介质、玻璃板和光敏元件。漫反射介质依附在感光板的入射面，用于散射入射的激光，使整个感光板内充斥着以入射点为中心扩散分布的激光散射光斑，目的就是为了让尽可能多的光敏元件获取到光信号，从而能推算出更精确的坐标。玻璃板在漫反射介质的后面，目的是让激光散射的光斑能在感光板内部充分传导。光敏元件以稀疏阵列的形式排布在漫反射介质背后以接收激光散射的光斑，依照相关的散射模型，光敏元件将根据与激光入射点的距离关系产生大小不一的电信号，然后将电信号传输给数据处理模块。

关于激光的散射模型，可以归纳为下列方程：

公式(1)为辐射传输方程(RTE)，指定入射、出射、吸收和散射辐射在介质中传播的能量平衡。

其中，t是时间，

是矢量位置，

是入射的传播方向，

是由适当的散射理论得出的散射相位函数(例如Lorentz-Mie(洛伦兹-米氏)或Rayleign-Gans(雷利-甘斯)理论)，dΩ′是跨越

的实体角，c是周围介质中的光速。辐射传输方程(RTE)可以总结如下：沿视线的辐射度变化(公式(1)中(a)项)，对应于由于入射光的消光(公式(1)中(b)项)加上从所有其他方向

散射到入射方向

的辐射度的损失(公式(1)中(c)项)，公式(1)中(b)项所代表的总消光量等于由于入射光线在所有其他方向的散射而损失的辐射度，减去在每个光-液滴相互作用中吸收的辐射度。

公式(2)为根据上述的散射模型修改后的Beer-Lambert(比尔-朗伯)关系。

OD为光学深度，系数α和β与检测接收角和颗粒直径D有关，而[-OD+α·OD^β]始终为负数，这意味着α·OD^β＜OD。

结合公式(1)(2)，可以推导出激光散射光斑以激光照射点为中心原点，入射角正方向为长半径，入射角负方向为短半径的卵形线状向中心点外均匀扩散开的一个散射状态。具体的长短半径由入射角角度而定，激光扩散范围由激光强度决定。

在一些可选的实施例中，光敏元件以M*N的稀疏矩阵排列。

一般情况下，光敏元件至少以2*2的稀疏矩阵排列；在远距离的测量环境中往往需要更大的传感器来接收激光信号，此时光敏元件可以根据定位精度要求增加到M*N的稀疏矩阵排列；在具体的使用环境中可以使用不同长宽的稀疏矩阵排列光敏元件，有着很高的适用性。

光敏元件矩阵接收到光信号后，数据处理模块获取到传输来的电压测量值v[M][N]，并对数值进行处理：使用二维高斯函数拟合曲面，通过模型方程计算解得拟合曲面中最高值的坐标，也就是光斑中心的坐标。

在一些可选的实施例中，感光板主体还包括遮光部件，遮光部件包裹住漫反射介质的侧面、玻璃板的侧面以及玻璃板的的第二面。遮光部件包裹除了激光入射面，也就是漫反射介质的第一面以外所有的部分，以遮蔽其他方向的环境光的干扰，防止其他方向的光线影响激光的检测。

本实施例还提供一种基于激光散射光斑的定位系统，包括传感器和数据处理模块；

传感器用于采集激光信号，根据激光信号产生多个电信号；

数据处理模块用于根据散射模型对多个电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，作为定位坐标；

传感器采用如上所述的一种基于激光散射光斑的定位传感器来实现。

在本实施例中，该数据处理模块安装的位置并不固定，可以按照使用场景做个性化调整，前提是不能遮挡激光入射后散射的光斑即可。数据处理模块的作用是接收光敏元件传来的电信号，根据相关的激光散射模型，计算得出激光照射的精确坐标，可以通过各种接口向外传输数据。

数据处理模块在获取到传输来的电压测量值v[M][N]，对电压测量值进行处理：使用二维高斯函数拟合曲面，通过散射模型的方程计算解得拟合曲面中最高值的坐标，也就是光斑中心的坐标。

其中，散射模型可以归纳为下列方程：

公式(1)为辐射传输方程(RTE)，指定入射、出射、吸收和散射辐射在介质中传播的能量平衡。

其中，t是时间，

是矢量位置，

是入射的传播方向，

是由适当的散射理论得出的散射相位函数(例如Lorentz-Mie(洛伦兹-米氏)或Rayleign-Gans(雷利-甘斯)理论)，dΩ′是跨越

的实体角，c是周围介质中的光速。辐射传输方程(RTE)可以总结如下：沿视线的辐射度变化(公式(1)中(a)项)，对应于由于入射光的消光(公式(1)中(b)项)加上从所有其他方向

散射到入射方向

的辐射度的损失(公式(1)中(c)项)，公式(1)中(b)项所代表的总消光量等于由于入射光线在所有其他方向的散射而损失的辐射度，减去在每个光-液滴相互作用中吸收的辐射度。

公式(2)为根据上述的散射模型修改后的Beer-Lambert(比尔-朗伯)关系。

OD为光学深度，系数α和β与检测接收角和颗粒直径D有关，而[-OD+α·OD^β]始终为负数，这意味着α·OD^β＜OD。

结合公式(1)(2)，可以推导出激光散射光斑以激光照射点为中心原点，入射角正方向为长半径，入射角负方向为短半径的卵形线状向中心点外均匀扩散开的一个散射状态。具体的长短半径由入射角角度而定，激光扩散范围由激光强度决定。

如图3所述，本实施例还提供一种基于激光散射光斑的定位方法，该方法应用于上所述的一种基于激光散射光斑的定位系统，包括以下步骤：

S1、将入射激光转换为激光散射光斑。

S2、根据激光散射光斑生成多个电信号。

其中，步骤S2具体为：根据光敏元件与激光入射点的距离，产生相应的所述电信号，将所述电信号反馈至数据处理模块。

S3、根据散射模型对多个电信号进行处理，获得光斑中心的坐标作为定位坐标，作为定位坐标。

在本实施例中，通过激光透过漫反射介质时产生散射现象，让排列以稀疏阵列排布在漫反射介质背后的光敏元件接收激光散射的光斑，依照相关的散射模型，光敏元件将产生与激光入射点距离相关大小的电信号，传入数据处理模块，数据处理模块通过传入的电信号计算出激光照射的精确坐标。本实施例通过激光的散射让稀疏布局的光敏元件，分别按照光敏元件和激光入射点的空间关系获取到强弱不同的光强信号，并通过光散射模型计算出定位点在二维平面内的精确坐标。

其中，步骤S3包括步骤S31-S32：

S31、根据多个所述电信号，采用二维高斯函数拟合激光散射光斑的曲面；

S32、根据散射模型计算解得拟合曲面中最高值的坐标，作为光斑中心的坐标。

其中，散射模型可以归纳为下列方程：

公式(1)为辐射传输方程(RTE)，指定入射、出射、吸收和散射辐射在介质中传播的能量平衡。

其中，t是时间，

是矢量位置，

是入射的传播方向，

是由适当的散射理论得出的散射相位函数(例如Lorentz-Mie(洛伦兹-米氏)或Rayleign-Gans(雷利-甘斯)理论)，dΩ^′是跨越

的实体角，c是周围介质中的光速。辐射传输方程(RTE)可以总结如下：沿视线的辐射度变化(公式(1)中(a)项)，对应于由于入射光的消光(公式(1)中(b)项)加上从所有其他方向

散射到入射方向

的辐射度的损失(公式(1)中(c)项)，公式(1)中(b)项所代表的总消光量等于由于入射光线在所有其他方向的散射而损失的辐射度，减去在每个光-液滴相互作用中吸收的辐射度。

公式(2)为根据上述的散射模型修改后的Beer-Lambert(比尔-朗伯)关系。

OD为光学深度，系数α和β与检测接收角和颗粒直径D有关，而[-OD+α·OD^β]始终为负数，这意味着α·OD^β＜OD。

结合公式(1)(2)，可以推导出激光散射光斑以激光照射点为中心原点，入射角正方向为长半径，入射角负方向为短半径的卵形线状向中心点外均匀扩散开的一个散射状态。具体的长短半径由入射角角度而定，激光扩散范围由激光强度决定。

光敏元件矩阵接收到光信号后，数据处理模块获取到传输来的电压测量值v[M][N]，并对数值进行处理：使用二维高斯函数拟合曲面，通过模型方程计算解得拟合曲面中最高值的坐标，也就是光斑中心的坐标。

综上所述，本实施例的定位方案，相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)本实施例提出的一种基于激光散射光斑的定位传感器，通过漫反射介质对激光的散射来扩散光斑，使用成本较低的光敏元件组装成稀疏矩阵，将各个光敏元件产生的电信号传入数据处理模块，由数据处理模块计算得出激光照射的精确位置坐标，可以很好的平衡成本与精度之间的关系，性价比高。

(2)基于本激光的特性。只要能受到激光的照射，就可以精确测量射入激光的点坐标，在实际应用中不受距离的限制。本实施例提供的定位传感器，不仅可用于精确定位中，还可用于定位矫正、跟踪定位等需要高精度的定位系统中。

(3)本实施例提供的一种基于激光散射光斑的定位方法，减少了光敏元件的成本开销，只需要通过对其返回的电信号进行处理即可精确定位；对于降低精确定位的门槛有极大的现实意义。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光散射光斑的定位传感器，其特征在于，包括：

滤光片，用于过滤环境光波段，减少入射的激光中的杂质；

感光板主体，包括漫反射介质、玻璃板和多个光敏元件，所述漫反射介质的第一面作为激光的入射面，所述漫反射介质的第二面与所述玻璃板的第一面连接；

所述漫反射介质用于散射所述入射激光，以在所述玻璃板上出现激光散射光斑；

多个所述光敏元件以稀疏阵列的形式排布在所述玻璃板的第二面上，用于采集激光信号，并根据激光信号产生电信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光散射光斑的定位传感器，其特征在于，所述感光板主体还包括遮光部件，所述遮光部件包裹住所述漫反射介质的侧面、所述玻璃板的侧面以及所述玻璃板的的第二面。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光散射光斑的定位传感器，其特征在于，所述光敏元件以M*N的稀疏矩阵排列；其中，M、N为大于或等于2的整数。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光散射光斑的定位传感器，其特征在于，所述根据激光信号产生电信号，包括：

根据光敏元件与所述激光入射点的距离，产生相应的所述电信号，将所述电信号反馈至数据处理模块。

5.一种基于激光散射光斑的定位系统，其特征在于，包括传感器和数据处理模块；

所述传感器用于采集激光信号，根据激光信号产生多个电信号；

所述数据处理模块用于根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，作为定位坐标；

所述传感器采用如权利要求1-4任一项所述的一种基于激光散射光斑的定位传感器来实现。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光散射光斑的定位系统，其特征在于，所述根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，包括：

根据多个所述电信号，采用二维高斯函数拟合激光散射光斑的曲面；

根据散射模型计算解得拟合曲面中最高值的坐标，作为光斑中心的坐标。

7.根据权利要求5所述的一种基于激光散射光斑的定位系统，其特征在于，所述散射模型采用辐射传输方程来表示，所述辐射传输方程的表达式为：

其中，t是时间，

是矢量位置，

是入射的传播方向，

是由散射理论得出的散射相位函数，dΩ′是跨越

的实体角，c是周围介质中的光速，μ_e是散射系数与吸收系数之和，I是光束穿过的总长度，μ_s是散射系数。

8.一种基于激光散射光斑的定位方法，应用于如权利要求5-7任一项所述的一种基于激光散射光斑的定位系统，其特征在于，包括以下步骤：

将入射激光转换为激光散射光斑；

根据激光散射光斑生成多个电信号；

根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标作为定位坐标，作为定位坐标。

9.根据权利要求8所述的一种基于激光散射光斑的定位方法，其特征在于，所述根据激光散射光斑生成多个电信号，包括：

根据光敏元件与激光入射点的距离，产生相应的所述电信号，将所述电信号反馈至数据处理模块。

10.根据权利要求8所述的一种基于激光散射光斑的定位方法，其特征在于，所述根据散射模型对多个所述电信号进行处理，获得光斑中心的坐标，包括：

根据多个所述电信号，采用二维高斯函数拟合激光散射光斑的曲面；

根据散射模型计算解得拟合曲面中最高值的坐标，作为光斑中心的坐标。

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