CN115616679B - 漫反射式探测光幕以及物体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种漫反射式探测光幕以及物体检测方法，该漫反射式探测光幕的发射管、位置敏感检测器以及聚光模块设置在被检测物体的同一侧，位置敏感检测器与聚光模块一侧的焦点位于同一平面，发射管发射用于检测物体的探测光束，被反射的探测光束经由聚光模块汇聚至位置敏感检测器的检测面；位置敏感检测器检测汇聚点到聚光模块的光轴的距离，将距离的信息发送给中央处理单元，中央处理单元根据距离、焦距进行物体检测。本发明能够不依赖物体的反射光强度来判断是否检测到物体，避免了检测过程受待检测物体表面反射率影响的可能，便于区分待检物体和背景物体，扩大了检测范围且能够精确划定有效检测区域。

Description

漫反射式探测光幕以及物体检测方法

技术领域

本发明涉及漫反射式物体探测领域，尤其涉及一种漫反射式探测光幕以及物体检测方法。

背景技术

随着国内自动化程度的不断提高，用于检测有无物体的光电传感器的使用越来越普遍，其中，由于安装方便，漫反射式光幕应用非常广泛。

漫反射式光幕具有投光部和受光部，投光部和受光部内置有发光元件以及受光元件。在使用该光幕时，投光部和受光部共同朝向物体可能出现的目标区域，当目标区域出现不存在物体时，受光元件检测不到或只能检测到较弱的反射光线，一旦探测区域出现物体，受光元件的受光量发生变化，光幕就输出一个控制信号。即，漫反射式光幕基于受光量（即反射光强度）的不同来检测有无物体。

但是，反射光的强度同时还与物体的反射率和物体的反射面积密切相关。当物体距离固定时，物体表面反射率越高则反射光越强，物体反射面积越大则反射光越强。所以当物体的反射率和体积以及背景的反射率不确定时，使用传统的漫反射式光幕会有很大的局限性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种漫反射式探测光幕以及物体检测方法，在探测单元中设置聚光模块、位置敏感检测器，利用聚光模块将反射的光汇聚到位置敏感检测器上，利用位置敏感探测器传输的数据进行物体检测，从而能够不依赖物体的反射光强度来判断是否检测到物体，避免了检测过程受待检测物体表面反射率影响的可能，便于区分待检物体和背景物体，扩大了检测范围且能够精确划定有效检测区域。

为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案为：一种漫反射式探测光幕，所述漫反射式探测光幕包括：探测单元、中央处理单元；所述探测单元包括发射管、接收模块，所述接收模块包括位置敏感检测器、聚光模块，所述发射管、位置敏感检测器以及聚光模块设置在被检测物体的同一侧，所述位置敏感检测器与所述聚光模块一侧的焦点位于同一平面，所述发射管发射用于检测物体的探测光束，被反射的探测光束经由所述聚光模块汇聚至所述位置敏感检测器的检测面；所述位置敏感检测器检测汇聚点到所述聚光模块的光轴的距离，将所述距离的信息发送给中央处理单元，所述中央处理单元根据所述距离、焦距进行物体检测。

进一步地，所述探测单元还包括控制发射管的发射控制模块以及与位置敏感检测器连接的接收控制模块，所述中央处理单元分别与所述发射控制模块、接收控制模块连接。

进一步地，所述发射管、接收模块以直线或曲线排列。

进一步地，所述发射管、接收模块独立成行排列或相互交错排列。

进一步地，所述探测单元中的发射管、接收模块的数量相同或不同。

进一步地，所述聚光模块包括遮光罩、透镜，所述遮光罩与被检测物体相对的一侧设置有开口，所述透镜固定在所述开口上，所述位置敏感检测器设置在所述遮光罩内，被检测物体反射的探测光束经由所述透镜汇聚至所述位置敏感检测器。

基于相同的发明构思，本发明还提出一种物体检测方法，物体检测方法应用于如上所述的漫反射式探测光幕，所述物体检测方法包括：S101：控制探测单元中的发射管发射探测光束，接收位置敏感检测器传输的检测信息；S102：中央处理单元根据所述检测信息计算出发射管前的反射点到漫反射式探测光幕的的距离；S103：综合不同发射管前的反射点到漫反射式探测光幕的距离判断是否检测到物体。

进一步地，所述控制发射管中的发射管依次发射探测光束的步骤还包括：在测量循环的每个子周期中控制发射管发射防冲突光脉冲，并在所述测量循环结束后的预定时段内控制发射管停止工作，获取接收单元的检测信息以进行防冲突处理。

进一步地，所述在测量循环的每个子周期中控制发射管发射防冲突光脉冲的步骤具体包括：在每预定数量的探测单元完成测量工作后，驱动所有发射管发射防冲突光脉冲，并控制所述接收模块停止工作。

进一步地，所述获取接收单元的检测信息以进行防冲突处理的步骤具体包括：在一个测量循环结束后先暂停一段时间不进入下一个测量循环，同时使用接收模块尝试接收其它光幕发出的探测光束或防冲突光脉冲；若收到，则继续保持暂停，并在所述接收模块至少一个子周期内未接收到所述探测光束或防冲突光脉冲后，再进入下一个测量循环；若未能收到，则直接进入下一个测量循环。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：在探测单元中设置聚光模块、位置敏感检测器，利用聚光模块将反射的光汇聚到位置敏感检测器上，利用位置敏感探测器传输的数据进行物体检测，从而能够不依赖物体的反射光强度来判断是否检测到物体，避免了检测过程受待检测物体表面反射率影响的可能，便于区分待检物体和背景物体，扩大了检测区域范围且能够精确划定有效检测区域。

附图说明

图1为本发明漫反射式探测光幕一实施例的结构图；

图2为本发明漫反射式探测光幕中物体检测一实施例的示意图；

图3为本发明物体检测方法一实施例的流程图。

图中：1、中央处理单元；21、发射管；31、聚光模块；32、位置敏感检测器；311、透镜；312、遮光罩。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其它优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，通常在此处附图中描述和示出的各本公开实施例在不冲突的前提下，可相互组合，其中的结构部件或功能模块可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开中的实施例，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它实施例，都属于本公开保护的范围。

在本申请公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数生式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数生式，除非上下文清楚地表示其它含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

请参阅图1-图2，其中，图1为本发明漫反射式探测光幕一实施例的结构图；图2为本发明漫反射式探测光幕中物体检测一实施例的示意图。结合图1-图2对本发明的漫反射式探测光幕进行说明。

在本实施例中，漫反射式探测光幕包括：探测单元、中央处理单元1；探测单元包括发射管21、接收模块，接收模块包括位置敏感检测器32、聚光模块31，发射管21、位置敏感检测器32以及聚光模块31设置在被检测物体的同一侧，位置敏感检测器32与聚光模块31一侧的焦点位于同一平面，发射管21发射用于检测物体的探测光束，被反射的探测光束经由聚光模块31汇聚至位置敏感检测器32的检测面；位置敏感检测器32检测汇聚点到聚光模块31的光轴的距离，将距离的信息发送给中央处理单元1，中央处理单元1根据距离、焦距进行物体检测。

具体的，位置敏感检测器32为一维PSD传感器，且聚光模块31的受光面与发射管21的发光侧设置在被检测物体的同一侧。

在本实施例中，探测单元还包括控制发射管21的发射控制模块以及与位置敏感检测器32连接的接收控制模块，中央处理单元1分别与发射控制模块、接收控制模块连接。

其中，发射控制模块与一个或多个发射管21连接，接收控制模块与位置敏感检测器32连接以控制位置敏感检测器32的工作状态和将位置敏感检测器32传输的位置信息发送给中央处理单元1。

发射管21、接收模块以直线或曲线排列。具体的，发射管21、接收模块以阵列的方式排列，可以设置一条或多条阵列，该阵列的数量、间距、形状可根据实际的检测环境以及用户需求进行设置。

在本实施例中，发射管21、接收模块独立成行排列或相互交错排列。且组成探测单元的发射管21和接收模块的数量可以相同，也可以不同，如发射管21的数量为接收模块的若干倍或接收模块的数量为发射管21的若干倍，该倍数可以根据实际需求进行设置。因此，可以一个探测单元中可以设置一个发射管21、一个接收模块，也可以设置一个发射管21、多个接收模块或多个发射管21、一个接收模块。

其中，在排列设置的发射管21、接收模块中，发射管21、接收模块可以以等间距设置的方式固定在一起，也可以以非等间距的方式设置（如重点检测区域对应的发射管21、接收模块的密度大于非重点检测区域对应的发射管21、接收模块的密度）。

聚光模块31包括遮光罩312、透镜311，遮光罩312与被检测物体相对的一侧设置有开口，透镜311固定在开口上，位置敏感检测器32设置在遮光罩312内，被检测物体反射的探测光束经由透镜311汇聚至位置敏感检测器32的检测面。位置敏感检测器32在检测到反射的探测光束后，将该光束在位置敏感检测器32上的落点与透镜311光轴的距离发送给中央处理单元1。中央处理单元1基于该距离以及透镜311的焦距得到物体的反射点到光幕的距离，进而通过物体的反射点到光幕的距离是否符合预设值来判断是否存在待检测物体。

下面以1个发射管21和1个接收模块组成的探测单元为例对物体检测方法的原理进行说明。

图2上部为待检测物体，下部分左侧为1个发射管21，右侧为接收模块，接收模块顶部为接收透镜311，底部有一个为一维PSD传感器的位置敏感检测器32。检测开始时，发射管21朝待检测物体发出探测光束，探测光束与物体相遇于点P，并于P点发生漫反射，部分漫反射光线反射向接收模块，并经接收模块中的透镜311汇聚到位置敏感检测器32的Q点。假设物体到接收透镜311光心的距离为u，位置敏感检测器32的检测面到接收透镜311光心的距离为v，透镜311焦距为f，根据透镜311成像规律，三者关系为：

1/f = 1/u + 1/v

由上式可知，当物距u远大于焦距f时，可有 v ≈ f。

在透镜311下部距离光心为f的位置放置位置敏感检测器32，则P点漫反射回的光线经过接收透镜311后将在位置敏感检测器32上的Q点汇聚。假设P点到透镜311光轴的距离为H，Q点到透镜311光轴的距离为h，当 u>>2f 可有：

H/u = h/v≈h/f

由于位置敏感检测器32可以通过电流比例的方式输出入射光点相对传感器长度方向上的位置值，故此只要知道位置敏感检测器32安装的位置并精确测量位置敏感检测器32的输出电流就能得到h的具体数值，由于H和f都是和设计相关的已知参数，根据上式就能求得u值也即P点到光幕的距离。

当光幕上有成行排列的多个探测单元时，可测量出探测光幕前的物体各部分相对探测光幕的距离。当这些位置与预设值不相同时则表明探测光幕前的物体位置发生了变化。

下面结合图2、图3以及漫反射式物探测光幕实现的物体检测方法做进一步说明。

在本实施例中，物体检测方法包括：

S101：控制探测单元中的发射管21发射探测光束，接收位置敏感检测器32传输的检测信息。

在本实施例中，检测信息包括是否检测到反射的探测光束的信息以及在检测到探测光束时，探测光束的汇聚点与透镜311光轴的距离。

进行物体检测时，每个测量循环中，中央处理单元1控制每个探测单元发出探测光束，该探测单元中的位置敏感检测器32向中央处理单元1发送检测信息，其中，探测单元中可以设置一个或多个发射管21。

S102：中央处理单元根据检测信息计算出发射管21前的反射点到漫反射式探测光幕的距离。

其中，反射点为反射发射管21发出的探测光束与物体的交点，探测光束在物体的该点上发散漫反射，物体将部分探测光束反射给接收模块，进而利用接收模块传输的检测信息得到反射点到漫反射式探测光幕的距离。

然而，在实际使用中，当探测单元中只设有1个发射管21时会对检测距离造成很大的限制，这是由于u和h的非线性变化造成的。从公式H/u = h/f中可见，H和f不变时，u增大到原来2倍时，h减少到原来的1/2，而u从2倍增加到原来3倍时，h却只从1/2变为1/3，也即当u不断增加时，虽然h也不断减少但是减少的幅度却越来越低。由于位置敏感检测器32的输出精度总是有限的，故当u增加到一定程度后，实际测量精度将无法满足实用要求。实际测试表明，使用单一发射管21时，探测单元实际可以测量的最大距离和最小距离的比例约为6~8倍，这种情况下假如需要探测的物体到光幕的最小距离为0.1米，那么最大探测距离就只能在0.6米左右，这么小的探测范围将严重制约光幕的适用范围。

因此，在一个优选的实施例中，由多个发射管21和一个接收模块组成一个探测单元，不同的发射管21到接收模块的距离不相同。在一次测量过程，中央处理单元1先驱动距离接收模块较近(即H值较小)的发射管21发射探测光束，当检测到位置敏感检测器32上的探测光束汇聚点到光轴距离较近也即h的数值较小时则判定物体距离较远，此时改为驱动距离接收模块较远(即H值较大)的发射管21发射探测光束来检测，这样就能大幅增加探测可用的最大距离和最小距离之间的比例。

在一个具体的实施例中，探测单元中设置多个发射管21，通过与接收模块不同距离的发射管21组成短距离发射管21、长距离发射管21，短距离发射管21的探测范围为0.1~0.6米，而长距离发射管21的探测范围为0.5~3米，则整个探测单元的探测范围可覆盖0.1~3米距离，这无疑将大大提高探测光幕的适用范围。

S103：综合不同发射管21前的反射点到漫反射式探测光幕的距离判断是否检测到物体。

漫反射式探测光幕有成排多个发射管和接收模块，故此能检测到物体上多个不同部分到漫反射式探测光幕的距离。在工作前，漫反射式探测光幕的中央处理单元1可用相同方法获取探测区域内背景上不同部分的距离信息，在工作过程中通过判断实时检测到的距离信息与背景距离信息之间的差异即可判断出探测区域内是否出现物体以及物体是否在预设的范围之内。

在本实施例中，还可以根据探测范围的不同选择不同的发射管21、接收模块组成探测单元。中央处理单元存储不同探测范围对应的探测单元的信息，在获取探测范围的信息后，确定组成探测单元的发射管21、接收模块，进而控制发射管21发出探测光束，根据该发射管21对应的接收模块的检测信息判断探测范围内是否存在物体。

由于光幕以测距方式工作，可精确设定探测范围，有些情况需要将两条光幕面对面安装，以探测同一片空间的不同区域，并在物体出现在不同区域时做出不同的反应。不过这样可能会出现冲突现象，也就是其中一条光幕中的发射管21发出的探测光束可能会直接投射到另一条光幕的接收模块中，使得其工作出现异常。为了保证对向安装的漫反射式探测光幕都能正常使用，需要加入防冲突机制。

具体的，控制探测单元中的发射管21发射探测光束的步骤还包括：在测量循环的每个子周期中控制发射管21发射防冲突光脉冲，并在测量循环结束后的预定时段内控制发射管21停止工作，获取接收模块的检测信息以进行防冲突处理。

其中，在测量循环的每个子周期中控制发射管21发射防冲突光脉冲的步骤具体包括：在每预定数量的探测单元完成测量工作后，驱动所有发射管21发射防冲突光脉冲，并控制接收模块停止工作。其中，测量循环由多个子周期组成，每个子周期中工作的探测单元的数量可以相同，也可以不同，且每个子周期中可以驱动的探测单元工作也可以相同或不相同。

在本实施例中，停止接收的时段不短于两个子周期。在其它实施例中，预定时段的长度也可以为其它长度，具体时间长度可根据子周期的时长等实际工作环境信息进行设置。

获取接收单元的检测信息以进行防冲突处理的步骤具体包括：在一个测量循环结束后先暂停一段时间不进入下一个测量循环，同时使用接收模块尝试接收其它光幕发出的探测光束或防冲突光脉冲；若收到，则继续保持暂停，并在所述接收模块至少一个子周期内未接收到所述探测光束或防冲突光脉冲后，再进入下一个测量循环；若未能收到，则直接进入下一个测量循环。

具体的，在一个测量循环中，中央处理单元1在每完成s个探测单元的测量工作后，先驱动所有发射管21发射若干个防冲突光脉冲，此时并不进行测量操作（完成s个探测单元的测量工作加上发射一次防冲突光脉冲的时间称为1个子周期，一个测量循环由多个子周期构成），接着再驱动下一个测量单元工作。当一个测量循环完成后，先暂停不短于2个子周期的时间，在此期间所有发射管21都暂停发射探测光束，同时启动所有接收模块以接收其它光幕的发射管21发出的探测光束和防冲突光脉冲。

如在此期间内所有接收模块都没有接收到其它光幕发出的探测光束或防冲突光脉冲则开始下一个测量循环；如在此期间任何接收模块成功接收到了其它探测光幕发出的探测光束或者放冲突光脉冲，则继续暂停并持续通过接收单元继续接收，并在至少持续1个子周期时间内没有再接收到探测光束或防冲突光脉冲时方才恢复进入下一个测量循环。

在一个具体的实施例中，有2个对向放置并存在工作冲突的光幕A和B，工作过程其中一个光幕A几乎一定能在一个工作循环结束到另一个工作循环开始的不少于2个子周期的暂停期间内接收到另一个探测光幕B发出的探测光束或者防冲突光脉冲，此时A将暂停工作并继续等待，当持续1个子周期没有检测到B发出的探测光束或防冲突光脉冲时，可判断B的工作循环已经完成，此时A将恢复进入下一个工作循环，对于探测光幕B而言，由于接收对方探测光束和防冲突光脉冲的时间不短于2个子周期，所以也几乎必然可以在暂停期间接收到A在恢复扫描循环后第1个子周期中发出的探测光束或防冲突光脉冲，继而进入持续等待A完成整个扫描循环的暂停中，在A完成测量循环并再等待1个子周期后， B又将启动下一个扫描循环。如此类推，只要2个探测光幕采用了相同的子周期长度，即使不同检测装置扫描循环的子周期数不同，也能通过上述方式进行自动避让，达成防冲突的效果。另外，不同探测光幕采用的接收防冲突光脉冲的时长可以稍有不同，比如在2个子周期基础上再加上一点随机时间或加上一个与自身唯一序列号相关的时间，这样就能很好地避免因为两者工作周期完全同步而引致的需要很长时间来解决冲突的问题。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

与传统技术相比具有以下优点：

1、不依赖物体的反射光强度来判断是否检测到物体，从而避免了检测过程受待检测物体表面反射率影响的可能。

2、可以通过待测物体与背景物体到检测装置的距离差来明确区分待检物体和背景物体。

3、实用检测距离较长，一般可达4米以上。

4、可以精确划定有效检测区域，自动屏蔽来自有效检测区域外物体对检测过程干扰。

5、成对对向使用时，两侧光幕会很快自动达成轮流工作状态，避免相互干扰。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种漫反射式探测光幕，其特征在于，所述漫反射式探测光幕包括：探测单元、中央处理单元；

所述探测单元包括发射管、接收模块，所述接收模块包括位置敏感检测器、聚光模块，所述发射管、位置敏感检测器以及聚光模块设置在被检测物体的同一侧，所述位置敏感检测器与所述聚光模块一侧的焦点位于同一平面，所述发射管发射用于检测物体的探测光束，被反射的探测光束经由所述聚光模块汇聚至所述位置敏感检测器的检测面；

所述位置敏感检测器检测汇聚点到所述聚光模块的光轴的距离，将所述距离的信息发送给中央处理单元，所述中央处理单元根据所述距离、焦距进行物体检测；

所述聚光模块包括遮光罩、透镜，所述遮光罩与被检测物体相对的一侧设置有开口，所述透镜固定在所述开口上，所述位置敏感检测器设置在所述遮光罩内，被检测物体反射的探测光束经由所述透镜汇聚至所述位置敏感检测器；

所述探测单元还包括控制发射管的发射控制模块以及与位置敏感检测器连接的接收控制模块，所述中央处理单元分别与所述发射控制模块、接收控制模块连接；

在测量循环的每个子周期中控制发射管发射防冲突光脉冲的步骤具体包括：

在每预定数量的探测单元完成测量工作后，驱动所有发射管发射防冲突光脉冲，并控制所述接收模块停止工作；

获取接收单元的检测信息以进行防冲突处理的步骤具体包括：

在一个测量循环结束后先暂停一段时间不进入下一个测量循环，同时使用接收模块尝试接收其它光幕发出的探测光束或防冲突光脉冲；

若收到，则继续保持暂停，并在所述接收模块至少一个子周期内未接收到所述探测光束或防冲突光脉冲后，再进入下一个测量循环；

若未能收到，则直接进入下一个测量循环。

2.如权利要求1所述的漫反射式探测光幕，其特征在于，所述探测单元中的发射管、接收模块的数量相同或不同。

3.一种物体检测方法，所述物体检测方法应用于如权利要求1-2任一项所述的漫反射式探测光幕，所述物体检测方法包括：

S101：控制探测单元中的发射管发射探测光束，接收位置敏感检测器传输的检测信息；

S102：中央处理单元根据所述检测信息计算出发射管前的反射点到漫反射式探测光幕的距离；

S103：综合不同发射管前的反射点到漫反射式探测光幕的距离判断是否检测到物体。

4.如权利要求3所述的物体检测方法，其特征在于，所述控制探测单元中的发射管发射探测光束的步骤还包括：

在测量循环的每个子周期中控制发射管发射防冲突光脉冲，并在所述测量循环结束后的预定时段内控制发射管停止工作，获取接收单元的检测信息以进行防冲突处理。