CN115575968B - 基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法 - Google Patents

Abstract

基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法，涉及激光测距技术领域，包括激光测距传感器、障碍判断模块、绕障光路组件和自动控制器；所述激光测距传感器通过支架可转动安装在目标物一侧，正常测距状态下传感头正对目标物的一侧，所述障碍判断模块与激光测距传感器电连接，并根据激光测距传感器是否测得目标物的距离突变来判断激光测距传感器传感头与目标物之间是否被障碍物遮挡。本发明通过障碍判断模块检测是否存在距离突变来判断激光测距传感器传感头与目标物之间是否被障碍物遮挡，通过预设的光路来绕开障碍物来检测目标物的距离，并以此来间接计算目标物的距离并输出，避免自动化控制中的误操作带来的控制安全风险。

Description

基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其是涉及基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法。

背景技术

激光测距是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；

激光测距传感器：先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

然而在实际使用过程中经常会出现激光测距传感器与被测目标之间出现障碍物阻挡激光束的情况。

例如，在工业控制中，经常会使用激光测距传感器来实时测量目标物的距离，来进行位移的精准控制，实际使用过程中经常会遇到用于精准控制行程的激光测距传感器和被测目标物之间被物料等障碍物遮挡，导致激光器发出的激光束在障碍物表面直接被反射，此时激光测距传感器得出的测距结果是传感头到障碍物表面的距离，造成误测量，误测量带来的后续的自动化控制执行动作，甚至会造成由自动化控制导致的生产事故。

发明内容

为了解决工业控制中激光测距被障碍物遮挡影响测距结果的技术问题，本发明提供基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法。采用如下的技术方案：

基于激光测距的空间障碍测距装置，包括激光测距传感器、障碍判断模块、绕障光路组件和自动控制器；

所述激光测距传感器通过支架可转动安装在目标物一侧，正常测距状态下传感头正对目标物的一侧，所述障碍判断模块与激光测距传感器电连接，并根据激光测距传感器是否测得目标物的距离突变来判断激光测距传感器传感头与目标物之间是否被障碍物遮挡，所述绕障光路组件设置在目标物所在底座的内部，用于向目标物另一侧发射测距激光束，并接收激光束反射光；

所述自动控制器根据障碍判断模块判断结果控制激光测距传感器传感头的朝向，以及激光测距传感器测距计算所使用的反射光路径，并间接计算目标物的距离输出。

通过上述技术方案，激光测距传感器正常测量时，其发出的激光束射向目标物的一侧，激光测距传感器自带的感光元件通过接收反射光的时间差来完成正常测量，当突发的目标物和激光测距传感器之间出现障碍物时，激光测距传感器发出的激光束会被障碍物遮挡，此时测得的距离相较前一时刻会出现一个突变，通过障碍判断模块检测是否存在距离突变来判断激光测距传感器传感头与目标物之间是否被障碍物遮挡，当判断出现障碍物遮挡后，自动控制器控制激光测距传感器转动朝下，改变激光测距传感器发出的激光束朝下，通过预设的光路来绕开障碍物来检测目标物的距离，并以此来间接计算目标物的距离并输出，避免自动化控制中的误操作带来的控制安全风险。

可选的，所述激光测距传感器壳体的中部通过转轴和支架安装在底座上表面；

还包括用于驱动激光测距传感器转动的旋转电机，所述旋转电机的动力轴与转轴一端传动连接，所述自动控制器与旋转电机控制电连接；

正常测距状态下激光测距传感器的传感头正对目标物的一侧，障碍判断模块判定传感头与目标物之间被障碍物遮挡时，自动控制器控制旋转电机动作，驱动激光测距传感器转动使传感头垂直向下。

通过上述技术方案，通过旋转电机的动作来实现激光测距传感器的传感头朝向的控制，实现激光测距传感器直接测量和间接测量的转换，响应速度高。

可选的，所述绕障光路组件包括感光元件支撑座、光纤光导和感光元件；

所述感光元件支撑座安装在底座上表面，并位于目标物被正常测距侧的另一侧，底座内设有光纤安装通道，所述光纤安装通道一端位于激光测距传感器下方，当激光测距传感器传感头朝下时，正对光纤安装通道的一端，所述感光元件支撑座内设有与光纤安装通道连通的光纤头安装通道和感光元件安装槽，所述光纤光导安装在光纤安装通道和光纤头安装通道中，一端垂直朝上位于激光测距传感器下方，另一端朝向目标物被正常测距侧的另一侧，所述感光元件固定安装在感光元件安装槽处，用于感知光纤光导射向目标物被反射的光，感光元件与自动控制器电连接。

通过上述技术方案，通过底座内预设光纤安装通道，并设置光纤光导来将激光测距传感器射出的激光束传导到目标物的另一侧，通过间接测量的方式来绕开障碍物完成测距。

可选的，所述光纤安装通道是U型通道。

通过上述技术方案，U型通道的各个边距离可以事先测量，并根据测量值来实现目标物距离的间接测量的计算。

可选的，所述光纤光导是黑皮塑料导光光纤，光纤直径大于4mm。

通过上述技术方案，黑皮塑料导光光纤能减少光衰减，光纤直径大于4mm能更好地匹配激光测距传感器射出的激光束。

可选的，所述障碍判断模块是单片机。

通过上述技术方案，单片机可以高效地完成激光测距传感器测量距离的变量比较。

可选的，自动控制器包括模拟量输入输出模块、芯片和开关量输出模块，激光测距传感器和感光元件分别通过模拟量输入输出模块与芯片通信电连接，芯片通过开关量输出模块与旋转电机控制电连接，并与障碍判断模块通信电连接。

通过上述技术方案，通过模拟量输入输出模块来完成激光测距传感器模拟量的转化，芯片通过开关量输出模块来输出开关量控制旋转电机的动作，芯片能高效地完成间接测量距离的计算。

基于激光测距的空间障碍测距方法，具体步骤是：

步骤1，障碍判断模块实时检测激光测距传感器输出的模拟量值，设t_n时刻激光测距传感器输出的模拟量值为S_n，n为时间值，单位是毫秒，变量X=

，当∣X∣＞20%时，判断发生距离突变，判断激光测距传感器传感头与目标物之间存在障碍物遮挡，此时障碍判断模块向芯片输出代表障碍物遮挡的信号0；

步骤2，芯片接收到代表障碍物遮挡的信号0时，通开关量输出模块控制旋转电机动作，驱动激光测距传感器转动使传感头垂直向下，激光测距传感器射出的激光束经过光纤光导传导后射向目标物被正常测距侧的另一侧，感光元件接收光纤光导射出光线的反射光，并将反射光信息传输给芯片，芯片通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器射出的激光束到目标物被正常测距侧的另一侧的总距离S，芯片输出Y为被遮挡目标物的间接测量距离。

可选的，步骤2中芯片通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器射出的激光束到目标物被正常测距侧的另一侧的总距离S，设光纤安装通道的U型底边长为A，侧边长为B，传感头距离光纤光导端部距离为C，目标物两侧之间的距离为D，激光测距传感器的长度为E，芯片间接计算目标物的距离Y=

，芯片输出Y为被遮挡目标物的间接测量距离。

通过上述技术方案，当障碍判断模块判断发生距离，并向芯片输出代表障碍物遮挡的信号0，芯片控制启动了绕障碍的间接测量模式，由于光纤安装通道的U型底边长A，侧边长B，传感头距离光纤光导端部距离C，目标物两侧之间的距离D，激光测距传感器的长度E均是可以完成精确测量的值，通过这些值，配合绕障测量的距离S，来实现目标物的距离Y的间接测量，并输出，可以实现障碍状态下的测量恢复。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

本发明能提供基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法，通过障碍判断模块检测是否存在距离突变来判断激光测距传感器传感头与目标物之间是否被障碍物遮挡，当判断出现障碍物遮挡后，自动控制器控制开启间接测量模式，通过预设的光路来绕开障碍物来检测目标物的距离，并以此来间接计算目标物的距离并输出，避免自动化控制中的误操作带来的控制安全风险。

附图说明

图1是本发明基于激光测距的空间障碍测距装置绕障测距状态结构示意图；

图2是本发明基于激光测距的空间障碍测距装置正常测距状态结构示意图；

图3是本发明基于激光测距的空间障碍测距装置的电器元件连接示意图；

图4是本发明基于激光测距的空间障碍测距方法流程示意图。

附图标记说明：1、激光测距传感器；11、转轴；12、支架；13、旋转电机；2、障碍判断模块；3、绕障光路组件；31、感光元件支撑座；311、光纤头安装通道；32、光纤光导；33、感光元件；101、底座；1011、光纤安装通道；4、自动控制器；41、模拟量输入输出模块；42、芯片；43、开关量输出模块；100、目标物；101、底座。

实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法。

参照图1－图3，基于激光测距的空间障碍测距装置，包括激光测距传感器1、障碍判断模块2、绕障光路组件3和自动控制器4；

激光测距传感器1通过支架可转动安装在目标物100一侧，正常测距状态下传感头正对目标物100的一侧，障碍判断模块2与激光测距传感器1电连接，并根据激光测距传感器1是否测得目标物100的距离突变来判断激光测距传感器1传感头与目标物100之间是否被障碍物遮挡，绕障光路组件3设置在目标物100所在底座101的内部，用于向目标物100另一侧发射测距激光束，并接收激光束反射光；

自动控制器4根据障碍判断模块2判断结果控制激光测距传感器1传感头的朝向，以及激光测距传感器1测距计算所使用的反射光路径，并间接计算目标物100的距离输出。

激光测距传感器1正常测量时，其发出的激光束射向目标物100的一侧，激光测距传感器1自带的感光元件通过接收反射光的时间差来完成正常测量，当突发的目标物100和激光测距传感器1之间出现障碍物时，激光测距传感器1发出的激光束会被障碍物遮挡，此时测得的距离相较前一时刻会出现一个突变，通过障碍判断模块2检测是否存在距离突变来判断激光测距传感器1传感头与目标物100之间是否被障碍物遮挡，当判断出现障碍物遮挡后，自动控制器4控制激光测距传感器1转动朝下，改变激光测距传感器1发出的激光束朝下，通过预设的光路来绕开障碍物来检测目标物100的距离，并以此来间接计算目标物100的距离并输出，避免自动化控制中的误操作带来的控制安全风险。

激光测距传感器1壳体的中部通过转轴11和支架12安装在底座101上表面；

还包括用于驱动激光测距传感器1转动的旋转电机13，旋转电机13的动力轴与转轴11一端传动连接，自动控制器4与旋转电机13控制电连接；

正常测距状态下激光测距传感器1的传感头正对目标物100的一侧，障碍判断模块2判定传感头与目标物100之间被障碍物遮挡时，自动控制器4控制旋转电机13动作，驱动激光测距传感器1转动使传感头垂直向下。

通过旋转电机13的动作来实现激光测距传感器1的传感头朝向的控制，实现激光测距传感器1直接测量和间接测量的转换，响应速度高。

绕障光路组件3包括感光元件支撑座31、光纤光导32和感光元件33；

感光元件支撑座31安装在底座101上表面，并位于目标物100被正常测距侧的另一侧，底座101内设有光纤安装通道1011，光纤安装通道1011一端位于激光测距传感器1下方，当激光测距传感器1传感头朝下时，正对光纤安装通道1011的一端，感光元件支撑座31内设有与光纤安装通道1011连通的光纤头安装通道311和感光元件安装槽，光纤光导32安装在光纤安装通道1011和光纤头安装通道311中，一端垂直朝上位于激光测距传感器1下方，另一端朝向目标物100被正常测距侧的另一侧，感光元件33固定安装在感光元件安装槽处，用于感知光纤光导32射向目标物100被反射的光，感光元件33与自动控制器4电连接。

通过底座101内预设光纤安装通道1011，并设置光纤光导32来将激光测距传感器1射出的激光束传导到目标物100的另一侧，通过间接测量的方式来绕开障碍物完成测距。

光纤安装通道1011是U型通道。

U型通道的各个边距离可以事先测量，并根据测量值来实现目标物100距离的间接测量的计算。

光纤光导32是黑皮塑料导光光纤，光纤直径大于4mm。

黑皮塑料导光光纤能减少光衰减，光纤直径大于4mm能更好地匹配激光测距传感器1射出的激光束。

障碍判断模块2是单片机。

单片机可以高效地完成激光测距传感器1测量距离的变量比较。

自动控制器4包括模拟量输入输出模块41、芯片42和开关量输出模块43，激光测距传感器1和感光元件33分别通过模拟量输入输出模块41与芯片42通信电连接，芯片42通过开关量输出模块43与旋转电机13控制电连接，并与障碍判断模块2通信电连接。

通过模拟量输入输出模块41来完成激光测距传感器1模拟量的转化，芯片42通过开关量输出模块43来输出开关量控制旋转电机13的动作，芯片42能高效地完成间接测量距离的计算。

参照图4，基于激光测距的空间障碍测距方法，具体步骤是：

步骤1，障碍判断模块2实时检测激光测距传感器1输出的模拟量值，设t_n时刻激光测距传感器1输出的模拟量值为S_n，n为时间值，单位是毫秒，变量X=

，当∣X∣＞20%时，判断发生距离突变，判断激光测距传感器1传感头与目标物100之间存在障碍物遮挡，此时障碍判断模块2向芯片42输出代表障碍物遮挡的信号0；

步骤2，芯片42接收到代表障碍物遮挡的信号0时，通开关量输出模块43控制旋转电机13动作，驱动激光测距传感器1转动使传感头垂直向下，激光测距传感器1射出的激光束经过光纤光导32传导后射向目标物100被正常测距侧的另一侧，感光元件33接收光纤光导32射出光线的反射光，并将反射光信息传输给芯片42，芯片42通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器1射出的激光束到目标物100被正常测距侧的另一侧的总距离S，芯片42输出Y为被遮挡目标物的间接测量距离。

步骤2中芯片42通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器1射出的激光束到目标物100被正常测距侧的另一侧的总距离S，设光纤安装通道1011的U型底边长为A，侧边长为B，传感头距离光纤光导32端部距离为C，目标物两侧之间的距离为D，激光测距传感器1的长度为E，芯片42间接计算目标物100的距离Y=

，芯片42输出Y为被遮挡目标物的间接测量距离。

当障碍判断模块2判断发生距离，并向芯片42输出代表障碍物遮挡的信号0，芯片42控制启动了绕障碍的间接测量模式，由于光纤安装通道1011的U型底边长A，侧边长B，传感头距离光纤光导32端部距离C，目标物两侧之间的距离D，激光测距传感器1的长度E均是可以完成精确测量的值，通过这些值，配合绕障测量的距离S，来实现目标物100的距离Y的间接测量，并输出，可以实现障碍状态下的测量恢复。

本发明实施例基于激光测距的空间障碍测距装置及测距方法的实施原理为：

在具体的工业控制应用场景下，激光测距传感器1被用于检测某矩形块的实时距离，生产线的自动控制装置根据距离来实现液压缸的下压动作控制，障碍判断模块2实时检测激光测距传感器1输出的模拟量值，设检测的t_n时刻激光测距传感器1输出的模拟量值为15mm，n为时间值，单位是毫秒，变量X=

，此时∣X∣=53.3%＞20%，判断发生距离突变，判断激光测距传感器1传感头与目标物100之间存在障碍物遮挡，此时障碍判断模块2向芯片42输出代表障碍物遮挡的信号0；

芯片42接收到代表障碍物遮挡的信号0时，通开关量输出模块43控制旋转电机13动作，驱动激光测距传感器1转动使传感头垂直向下，激光测距传感器1射出的激光束经过光纤光导32传导后射向目标物100被正常测距侧的另一侧，感光元件33接收光纤光导32射出光线的反射光，中芯片42通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器1射出的激光束到目标物100被正常测距侧的另一侧的总距离S120mm，设光纤安装通道1011的U型底边长为50mm，侧边长为15mm，传感头距离光纤光导32端部距离为10mm，目标物两侧之间的距离为5mm，激光测距传感器1的长度为30mm，芯片42间接计算目标物100的距离Y=

=15，芯片42输出15mm为被遮挡目标物的间接测量距离。

以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于激光测距的空间障碍测距装置，其特征在于：包括激光测距传感器（1）、障碍判断模块（2）、绕障光路组件（3）和自动控制器（4）；

所述激光测距传感器（1）通过支架可转动安装在目标物（100）一侧，正常测距状态下传感头正对目标物（100）的一侧，所述障碍判断模块（2）与激光测距传感器（1）电连接，并根据激光测距传感器（1）是否测得目标物（100）的距离突变来判断激光测距传感器（1）传感头与目标物（100）之间是否被障碍物遮挡，所述绕障光路组件（3）设置在目标物（100）所在底座（101）的内部，用于向目标物（100）另一侧发射测距激光束，并接收激光束反射光；

所述激光测距传感器（1）壳体的中部通过转轴（11）和支架（12）安装在底座（101）上表面；

还包括用于驱动激光测距传感器（1）转动的旋转电机（13），所述旋转电机（13）的动力轴与转轴（11）一端传动连接，所述自动控制器（4）与旋转电机（13）控制电连接；

正常测距状态下激光测距传感器（1）的传感头正对目标物（100）的一侧，障碍判断模块（2）判定传感头与目标物（100）之间被障碍物遮挡时，自动控制器（4）控制旋转电机（13）动作，驱动激光测距传感器（1）转动使传感头垂直向下；

所述绕障光路组件（3）包括感光元件支撑座（31）、光纤光导（32）和感光元件（33）；

所述感光元件支撑座（31）安装在底座（101）上表面，并位于目标物（100）被正常测距侧的另一侧，底座（101）内设有光纤安装通道（1011），所述光纤安装通道（1011）一端位于激光测距传感器（1）下方，当激光测距传感器（1）传感头朝下时，正对光纤安装通道（1011）的一端，所述感光元件支撑座（31）内设有与光纤安装通道（1011）连通的光纤头安装通道（311）和感光元件安装槽，所述光纤光导（32）安装在光纤安装通道（1011）和光纤头安装通道（311）中，一端垂直朝上位于激光测距传感器（1）下方，另一端朝向目标物（100）被正常测距侧的另一侧，所述感光元件（33）固定安装在感光元件安装槽处，用于感知光纤光导（32）射向目标物（100）被反射的光，感光元件（33）与自动控制器（4）电连接；

自动控制器（4）包括模拟量输入输出模块（41）、芯片（42）和开关量输出模块（43），激光测距传感器（1）和感光元件（33）分别通过模拟量输入输出模块（41）与芯片（42）通信电连接，芯片（42）通过开关量输出模块（43）与旋转电机（13）控制电连接，并与障碍判断模块（2）通信电连接；

所述自动控制器（4）根据障碍判断模块（2）判断结果控制激光测距传感器（1）传感头的朝向，以及激光测距传感器（1）测距计算所使用的反射光路径，并间接计算目标物（100）的距离输出；

自动控制器（4）间接计算目标物（100）的距离输出的方法具体步骤是：

步骤1，障碍判断模块（2）实时检测激光测距传感器（1）输出的模拟量值，设t_n时刻激光测距传感器（1）输出的模拟量值为S_n，n为时间值，单位是毫秒，变量X=

，当∣X∣＞20%时，判断发生距离突变，判断激光测距传感器（1）传感头与目标物（100）之间存在障碍物遮挡，此时障碍判断模块（2）向芯片（42）输出代表障碍物遮挡的信号0；

步骤2，芯片（42）接收到代表障碍物遮挡的信号0时，通开关量输出模块（43）控制旋转电机（13）动作，驱动激光测距传感器（1）转动使传感头垂直向下，激光测距传感器（1）射出的激光束经过光纤光导（32）传导后射向目标物（100）被正常测距侧的另一侧，感光元件（33）接收光纤光导（32）射出光线的反射光，并将反射光信息传输给芯片（42），芯片（42）通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器（1）射出的激光束到目标物（100）被正常测距侧的另一侧的总距离S，芯片（42）输出Y为被遮挡目标物的间接测量距离。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的空间障碍测距装置，其特征在于：所述光纤安装通道（1011）是U型通道。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距的空间障碍测距装置，其特征在于：所述光纤光导（32）是黑皮塑料导光光纤，光纤直径大于4mm。

4.根据权利要求1所述的基于激光测距的空间障碍测距装置，其特征在于：所述障碍判断模块（2）是单片机。

5.根据权利要求1所述的基于激光测距的空间障碍测距装置，其特征在于：步骤2中芯片（42）通过基于反射光接收到的时间信息计算激光测距传感器（1）射出的激光束到目标物（100）被正常测距侧的另一侧的总距离S，设光纤安装通道（1011）的U型底边长为A，侧边长为B，传感头距离光纤光导（32）端部距离为C，目标物两侧之间的距离为D，激光测距传感器（1）的长度为E，芯片（42）间接计算目标物（100）的距离Y=

，芯片（42）输出Y为被遮挡目标物的间接测量距离。

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