CN116381703A - 一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法 - Google Patents

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CN116381703A CN202310185616.XA CN202310185616A CN116381703A CN 116381703 A CN116381703 A CN 116381703A CN 202310185616 A CN202310185616 A CN 202310185616A CN 116381703 A CN116381703 A CN 116381703A
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Abstract

本发明提供了一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，包括如下步骤：1)设置近距离探测器，实现高噪比及满足工作区间要求，根据能量变化规律形成多个区间，近距离探测器在使用时，只使用信号随障碍物距离变大而渐弱区；2)近距离探测器的工作区间满足与距离满足f(x)，f(x)是单调递减函数；3)在dx距离生成h(x)函数，得到距离x与h(x)的数据表；4)在x1位置测试信号s1；5)移动ds距离；6)在x2位置测试信号s2；7)计算得到h(x)值，查数据表得到位置x1，计算得x2；8)多个测试位置取值，重复上述动作。仅通过一对发射与接收元件，消除被测物的反射率的影响，准确的探测物体的距离。

Description

一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法
技术领域
本发明涉及探测器技术领域，具体涉及一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法。
背景技术
简单的近距离传感器主要采用三角测距原理，每个传感器由一个红外发射管(IRLED)和一个红外接收管(IR PD)组成，距离远近仅以接收的信号强度来判定。接收到的信号强，表明被测物距离较近，接收到的信号弱，表明被测物距离较远。但这种方法有明显的缺陷，因为忽视了被测物的反射性质。如果被测物是高反射物体(如白墙)，即使相对较远也能有较强信号，而相反，被测物是强吸收的低反射物体(如黑色墙面)，即使距离较近信号仍较弱。所以仅依靠信号强弱，会导致测试的距离结果不准确。
中国申请公布号CN114296088 A，申请公布日为2022年04月08日，其公开了一种近距离探测器，包括黑色挡板、发射源、接收芯片、第一透镜、第二透镜；所述发射源发射的光线经过所述第一透镜的折射，在所述第一透镜上侧形成发射照亮区；所述发射照亮区与所述接收可视区具有交集，并形成近端交集区、最大交集区、远端交集区。本发明的近距离探测器，在发射源、接收芯片上侧分别增加了第一透镜、第二透镜，第一透镜上侧形成发射照亮区，第二透镜上侧形成接收可视区，并设计了第一透镜、第二透镜特定的结构以及各面的参数，使得发射照亮区与接收可视区在不同的障碍物距离下，平均相交的有效可视区域较大，提升了能量利用率，从而提高信号强度。而在实际应用过程中，该现有技术存在的缺陷是：受被测物体的反射特性影响，测量结果不准确。亟待改善。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，仅通过一对发射与接收元件，消除被测物的反射率的影响，准确的探测物体的距离。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来解决：
一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，包括如下步骤：
1)设置近距离探测器，实现高噪比及满足工作区间要求，近距离探测器包括黑色挡板以及分别设置在黑色挡板两侧的红外发射管和红外接收管，对红外发射管设置发射透镜，对红外接收管设置接收透镜，使分别红外发射照亮区与红外理论接收区除盲区外从近到远交集逐渐变小，红外接收管接收到的能量逐渐变小，根据能量变化规律形成多个区间，近距离探测器在使用时，只使用信号随障碍物距离变大而渐弱区；
2)近距离探测器的工作区间满足与距离满足f(x)，f(x)是单调递减函数，即f(x)＝s'(x)/s(x)，其中，s(x)为信号随障碍物距离变大而渐弱区在反射率为100％时的漫反射探测物下关于距离x的函数表达；
3)在dx距离生成h(x)函数，得到距离x与h(x)的数据表；即间隔dx距离，多次获取被测物信号，设某两次信号分别为s1/s2,则被测物体的探测物的距离为
Figure BDA0004103796450000021
或是/>
Figure BDA0004103796450000022
假设实际被探测物体的反射率为r,那么此时探测信号为s1＝r×s(x),此时与探测物发生微小位移dx,则有探测信号s2＝r×s(x+dx).所以有:
Figure BDA0004103796450000023
根据导数的定义有：
Figure BDA0004103796450000024
即探测物的距离
Figure BDA0004103796450000025
其中f-1表示f(x)的反函数；
假设dx>0，则对式(2)进行变形有
Figure BDA0004103796450000026
Figure BDA0004103796450000027
由于f(x)为单调递减函数，故而g(x),h(x)也为单调递减函数；即探测物的距离
Figure BDA0004103796450000028
其中h-1表示h(x)的反函数,即只需要得到两点的实测信号值，即可得到探测物距离，实际使用时，可以根据图7直接读取到探测距离，或是设定以某一固定距离为间距，比如2mm，生成数据表，查数据表得到x位置；
4)在x1位置测试信号s1；
5)移动ds距离；
6)在x2位置测试信号s2；
7)计算得到h(x)值，查数据表得到位置x1，计算得x2；
8)多个测试位置取值，重复上述动作。
具体的，上述步骤1)中根据能量变化规律形成五个区间，分别为
第一区间A：发射区与接收区无交集，近处信号盲区，设置为小于7mm；
第二区间B：发射区与接收区部分交集，为信号渐强区，设置为7mm-15mm；
第三区间C：发射区与接收区交集最大，为信号最强处，设置为15mm以内；
第四区间D：发射区与接收区部分交集，信号随障碍物距离变大而渐弱区；
第五区间E：发射区与接收区无交集，远处信号盲区，设置为60mm以外；
所述信号随障碍物距离变大而渐弱区即为第四区间D。
具体的，所述红外发射管还包括与所述发射透镜配合的发射源，所述红外接收管还包括与所述接收透镜配合的接收芯片；
所述发射透镜具有靠向物侧的第一出光面、靠向所述发射源一侧的第一入光面、靠向所述黑色挡板一侧的第一侧面，所述第一出光面为平面；
所述接收透镜具有靠向物侧的第二入光面、靠向所述接收芯片一侧的第二出光面、靠向所述黑色挡板一侧的第二侧面，所述第二入光面为平面。
具体的，所述第一入光面、第二出光面均为自由曲面、普通球面或非球面。
具体的，所述发射源的中心光线在所述第一入光面上的入射点设定为点O1，点O1位置的法线与所述发射源的中心光线的夹角设定为θ1，3°＜θ1＜30°；
所述接收芯片的中心光线在所述第二出光面上的出射点设定为点O2，点O2位置的法线与所述接收芯片的中心光线的夹角设定为θ2，3°＜θ2＜30°。
具体的，所述第一入光面的最低点P1与所述发射源连成的直线与所述发射源的中心光线形成的夹角为t1，5°＜t1＜50°；
所述第二出光面的最低点P2与所述接收芯片连成的直线与所述接收芯片的中心光线形成的夹角为t2，5°＜t2＜50°。
具体的，所述发射透镜还具有第三侧面，所述第三侧面远离所述黑色挡板一侧设置，所述第三侧面与所述第一入光面的交界处具有点E1，所述点E1与所述点O1连成的直线与所述发射源的中心光线形成的钝角为δ1，105°＜δ1＜135°；
所述接收透镜还具有第四侧面，所述第四侧面远离所述黑色挡板一侧设置，所述第四侧面与所述第二出光面的交界处具有点E2，所述点E2与所述点O2连成的直线与所述接收芯片的中心光线形成的钝角为δ2，105°＜δ2＜135°。
具体的，所述第一侧面与所述黑色挡板之间形成夹角γ1，0°＜γ1＜90°；所述第二侧面与所述黑色挡板之间形成夹角γ2，0°＜γ2＜90°。
本发明的有益效果是：
1.本发明的近距离探测器从原理上消除被测物体的表面反射率的影响，仅通过一对接收与发射，实现更准确的距离测量，弥补传统三角法的对被测物的反射率敏感的不足。
2.本发明的近距离探测器，在发射源、接收芯片上侧分别增加了第一透镜、第二透镜，第一透镜上侧形成发射照亮区，第二透镜上侧形成接收可视区，并设计了第一透镜、第二透镜特定的结构以及各面的参数，使得发射照亮区与接收可视区在不同的障碍物距离下，平均相交的有效可视区域较大，提升了能量利用率，从而提高信号强度；
3.设计了多种消杂光方式，降低了噪光，使得远距离信号探测能力增强，提高了性噪比。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为实施例1的近距离探测器的结构及光线模拟图。
图3为实施例1的近距离探测器的尺寸结构图。
图4为近距离探测器与传感器出光面结构关系示意图。
图5为工作区的信号强度与距离的关系示意图。
图6为工作区的信号变换后函数f(x)与距离的关系示意图。
图7为工作区的信号变换后函数h(x)与距离的关系示意图。
图8为实施例2的近距离探测器的结构及光线模拟图。
附图标记为：黑色挡板10、发射源20、接收芯片30、发射透镜40、第一出光面41、第一入光面42、第一侧面43、第三侧面44、接收透镜50、第二入光面51、第二出光面52、第二侧面53、第四侧面54、有害可视区84。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参照图1，一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，包括如下步骤：
1)设置近距离探测器，实现高噪比及满足工作区间要求，近距离探测器包括黑色挡板10以及分别设置在黑色挡板10两侧的红外发射管和红外接收管，对红外发射管设置发射透镜40，对红外接收管设置接收透镜50，使分别红外发射照亮区与红外理论接收区除盲区外从近到远交集逐渐变小，红外接收管接收到的能量逐渐变小，根据能量变化规律形成多个区间，近距离探测器在使用时，只使用信号随障碍物距离变大而渐弱区，如图4和图5所示。
2)近距离探测器的工作区间满足与距离满足f(x)，f(x)是单调递减函数，即f(x)＝s'(x)/s(x)，其中，s(x)为信号随障碍物距离变大而渐弱区在反射率为100％时的漫反射探测物下关于距离x的函数表达，如图5和图6所示；
3)在dx距离生成h(x)函数，如图7所示，也可以具体的得到距离x与h(x)的数据表；即间隔dx距离，多次获取被测物信号，设某两次信号分别为s1/s2,则被测物体的探测物的距离为
Figure BDA0004103796450000051
或/>
Figure BDA0004103796450000052
假设实际被探测物体的反射率为r,那么此时探测信号为s1＝r×s(x),此时与探测物发生微小位移dx,则有探测信号s2＝r×s(x+dx).所以有:
Figure BDA0004103796450000053
根据导数的定义有：
Figure BDA0004103796450000054
即探测物的距离
Figure BDA0004103796450000055
其中f-1表示f(x)的反函数；
当dx取为某定值，比如dx＝1mm，而两次测试信号s1和s2为已知量，而f(x)为已知的单调递减函数，所以对应的距离x可以求出。而被探测物体的反射率r在计算处理过程已被消除，所以本近距离探测器的发明方法不会受反射物的反射率影响，无论是白墙还是黑墙，都能准确的探测出真实距离，能提升探测精度。
假设dx>0，则对式(2)进行变形有
Figure BDA0004103796450000056
Figure BDA0004103796450000057
由于f(x)为单调递减函数，故而g(x),h(x)也为单调递减函数；即探测物的距离
Figure BDA0004103796450000058
其中h-1表示h(x)的反函数,即只需要得到两点的实测信号值，即可得到探测物距离，实际使用时，可以根据图7直接读取到探测距离，或是设定以某一固定距离为间距，比如2mm，生成数据表，查数据表得到x位置；
4)在x1位置测试信号s1；
5)移动ds距离；
6)在x2位置测试信号s2；
7)计算得到h(x)值，查数据表得到位置x1，计算得x2；
8)多个测试位置取值，重复上述动作。
实施例1，参照图2-7所述，应用本发明一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，根据能量变化规律形成五个区间，分别为
第一区间A：发射区与接收区无交集，近处信号盲区，设置为小于7mm；由于探测器自身在机器人中有一定安装高度，故而为非工作区；
第二区间B：发射区与接收区部分交集，为信号渐强区，设置为7mm-15mm；
第三区间C：发射区与接收区交集最大，为信号最强处，设置为15mm以内；
第四区间D：发射区与接收区部分交集，信号随障碍物距离变大而渐弱区；
第五区间E：发射区与接收区无交集，远处信号盲区，设置为60mm以外；说明障碍物较远，处于悬崖边缘；
信号随障碍物距离变大而渐弱区即为第四区间D。
红外发射管还包括与发射透镜40配合的发射源20，红外接收管还包括与接收透镜50配合的接收芯片30；发射透镜40具有靠向物侧的第一出光面41、靠向所述发射源20一侧的第一入光面42靠向黑色挡板10一侧的第一侧面43，第一出光面41为平面；接收透镜50具有靠向物侧的第二入光面51、靠向所述接收芯片30一侧的第二出光面52靠向所述黑色挡板10一侧的第二侧面53，第二入光面51为平面。通过将第一出光面41和第二入光面51设置为平面，一方面便于生产制造，另一方面美观，易于外形设计。
第一入光面42第二出光面52均为自由曲面、普通球面或非球面。
发射源20的中心光线在所述第一入光面42上的入射点设定为点O1，点O1位置的法线与发射源20的中心光线的夹角设定为θ1，3°＜θ1＜30°；接收芯片30的中心光线在第二出光面52上的出射点设定为点O2，点O2位置的法线与接收芯片30的中心光线的夹角设定为θ2，3°＜θ2＜30°。这个角度影响了信号最强位置，角度越小，则最强位置越远。
第一入光面42的最低点P1与发射源20连成的直线与发射源20的中心光线形成的夹角为t1，5°＜t1＜50°；第二出光面52的最低点P2与接收芯片30连成的直线与接收芯片30的中心光线形成的夹角为t2，5°＜t2＜50°。该角度会对能量的近处分布有影响。该角度越小，盲区会越大，角度越大，盲区越小。
发射透镜40还具有第三侧面43，第三侧面43远离黑色挡板10一侧设置，第三侧面43与第一入光面42的交界处具有点E1，点E1与所述点O1连成的直线与发射源20的中心光线形成的钝角为δ1，105°＜δ1＜135°；接收透镜50还具有第四侧面53，第四侧面53远离黑色挡板10一侧设置，第四侧面53与第二出光面52的交界处具有点E2，点E2与点O2连成的直线与接收芯片30的中心光线形成的钝角为δ2，105°＜δ2＜135°。该取值会影响测距长度和能量利用率。如果该取值小时，发射源能量照射位置更远，较大时，照射位置更近。即可以调节远处盲区的位置。但该角度不能过小，否则能量发散，与接收区无交集，发射能量只能耗散，从而造成信号弱。该角度不宜过大，否能能量过于集中于近处，探测距离短。
在实际使用过程中，可把接收芯片视为发射芯片看待，则接收透镜与发射透镜的原则一致。
通过联合设计，使得接收透镜与发射透镜上述3个角度的差异<20度，最佳情况为对称设计，参数一样，这样发射区与可视区在不同的障碍物距离下，平均相交的有效可视区域最大，从而提升能量利用率，从而提高信号强度。
经上述设计，使得近距离探测器的工作区间满足与距离满足f(x)，f(x)是单调递减函数，即f(x)＝s'(x)/s(x)，其中，s(x)为信号随障碍物距离变大而渐弱区在反射率为100％时的漫反射探测物下关于距离x的函数表达；s(x)与f(x)分别如图5与图6所示。
根据图5的s(x)信号曲线，我们可以根据公式4，计算生成距离x与h(x)的数据关系曲线.如图7也可以把此曲线图转化为数据表储存。
不妨设针对同一物体，第1次测量信号s1＝5个电流单位，然后移动2mm后，测得s2＝4个电流单位,那么计算得到h(x)＝0.8,根据图7，可知此时物体离探测器距离约为12mm.
采用本发明方法，完全不受被测物体的反射性质影响，大大提升了测量的准确性。本实施方式的近距离探测器从原理上消除被测物体的表面反射率的影响，仅通过一对接收与发射，实现更准确的距离测量，弥补传统三角法的对被测物的反射率敏感的不足。采用本实施方式的近距离探测器，在发射源、接收芯片上侧分别增加了第一透镜、第二透镜，第一透镜上侧形成发射照亮区，第二透镜上侧形成接收可视区，并设计了第一透镜、第二透镜特定的结构以及各面的参数，使得发射照亮区与接收可视区在不同的障碍物距离下，平均相交的有效可视区域较大，提升了能量利用率，从而提高信号强度；本实施方式消杂光，降低了噪光，使得远距离信号探测能力增强，提高了性噪比。
实施例2，参照图8，使用上述实施例1的近距离探测器对近处障碍物进行探测时，由于发射透镜40的第一侧面43以及接收透镜50的第二侧面53存在内全反射，发射源20会产生发射杂光区，接收芯片30能接收到有害可视区84的信号，从而产生杂光污染，影响近距离探测器的判断；近距离探测器对远处障碍物进行探测时，由于接收可视区边缘与有害可视区84具有交集，交集处产生可视杂光区，从而产生杂光污染，影响近距离探测器的判断。为了消除杂光，避免信号串扰，在第一实施方式的基础上，第一侧面43与黑色挡板10之间形成夹角γ1，0°＜γ1＜90°；第二侧面53与黑色挡板10之间形成夹角γ2，0°＜γ2＜90°。即将第一侧面43设计成一定的倾斜角度，从而使出射的杂光光线被中间的黑色挡板10吸收，从而避免杂光光线出射；将第二侧面53设计成具有一定的倾斜角度，从而使入射光线偏折，使得有害可视区84的光线无法被接收芯片30接收。
经上述设计，使得近距离探测器的工作区间满足与距离满足f(x)，f(x)是单调递减函数，即f(x)＝s'(x)/s(x)，其中，s(x)为信号随障碍物距离变大而渐弱区在反射率为100％时的漫反射探测物下关于距离x的函数表达；s(x)与f(x)分别如图5与图6所示。
根据图5的s(x)信号曲线，我们可以根据公式4，计算生成距离x与h(x)的数据关系曲线.如图7.也可以把此曲线图转化为数据表储存。
不妨设针对同一物体，第1次测量信号s1＝5个电流单位，然后移动2mm后，测得信号s2＝4.5个电流单位,那么计算得到h(x)＝0.9,根据图7，可知此时物体离探测器距离约为38mm.
采用本发明方法，完全不受被测物体的反射性质影响，大大提升了测量的准确性。
以上实施例仅表达了本发明的2种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)设置近距离探测器，实现高噪比及满足工作区间要求，近距离探测器包括黑色挡板(10)以及分别设置在黑色挡板(10)两侧的红外发射管和红外接收管，对红外发射管设置发射透镜(40)，对红外接收管设置接收透镜(50)，使分别红外发射照亮区与红外理论接收区除盲区外从近到远交集逐渐变小，红外接收管接收到的能量逐渐变小，根据能量变化规律形成多个区间，近距离探测器在使用时，只使用信号随障碍物距离变大而渐弱区；
2)近距离探测器的工作区间满足与距离满足f(x)，f(x)是单调递减函数，即f(x)＝s'(x)/s(x)，其中，s(x)为信号随障碍物距离变大而渐弱区在反射率为100％时的漫反射探测物下关于距离x的函数表达；
3)在dx距离生成h(x)函数，得到距离x与h(x)的数据表；即间隔dx距离，多次获取被测物信号，设某两次信号分别为s1/s2,则被测物体的探测物的距离为
Figure FDA0004103796440000011
或
Figure FDA0004103796440000012
假设实际被探测物体的反射率为r,那么此时探测信号为s1＝r×s(x),此时与探测物发生微小位移dx,则有探测信号s2＝r×s(x+dx).所以有:
Figure FDA0004103796440000013
根据导数的定义有：
Figure FDA0004103796440000014
即探测物的距离
Figure FDA0004103796440000015
其中f-1表示f(x)的反函数；
假设dx>0，则对式(2)进行变形有
Figure FDA0004103796440000016
Figure FDA0004103796440000017
由于f(x)为单调递减函数，故而g(x),h(x)也为单调递减函数；即探测物的距离
Figure FDA0004103796440000021
其中h-1表示h(x)的反函数,即只需要得到两点的实测信号值，即可得到探测物距离，实际使用时，设定以某一固定距离为间距，生成数据表，查数据表得到x位置；
4)在x1位置测试信号s1；
5)移动ds距离；
6)在x2位置测试信号s2；
7)计算得到h(x)值，查数据表得到位置x1，计算得x2；
8)多个测试位置取值，重复上述动作。
2.根据权利要求1所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，上述步骤1)中根据能量变化规律形成五个区间，分别为
第一区间A：发射区与接收区无交集，近处信号盲区，设置为小于7mm；
第二区间B：发射区与接收区部分交集，为信号渐强区，设置为7mm-15mm；
第三区间C：发射区与接收区交集最大，为信号最强处，设置为15mm以内；
第四区间D：发射区与接收区部分交集，信号随障碍物距离变大而渐弱区；
第五区间E：发射区与接收区无交集，远处信号盲区，设置为60mm以外；
所述信号随障碍物距离变大而渐弱区即为第四区间D。
3.根据权利要求1所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，所述红外发射管还包括与所述发射透镜(40)配合的发射源(20)，所述红外接收管还包括与所述接收透镜(50)配合的接收芯片(30)；
所述发射透镜(40)具有靠向物侧的第一出光面(41)、靠向所述发射源(20)一侧的第一入光面(42)、靠向所述黑色挡板(10)一侧的第一侧面(43)，所述第一出光面(41)为平面；
所述接收透镜(50)具有靠向物侧的第二入光面(51)、靠向所述接收芯片(30)一侧的第二出光面(52)、靠向所述黑色挡板(10)一侧的第二侧面(53)，所述第二入光面(51)为平面。
4.根据权利要求3所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，所述第一入光面(42)、第二出光面(52)均为自由曲面、普通球面或非球面。
5.根据权利要求4所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，所述发射源(20)的中心光线在所述第一入光面(42)上的入射点设定为点O1，点O1位置的法线与所述发射源(20)的中心光线的夹角设定为θ1，3°＜θ1＜30°；
所述接收芯片(30)的中心光线在所述第二出光面(52)上的出射点设定为点O2，点O2位置的法线与所述接收芯片(30)的中心光线的夹角设定为θ2，3°＜θ2＜30°。
6.根据权利要求5所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，所述第一入光面(42)的最低点P1与所述发射源(20)连成的直线与所述发射源(20)的中心光线形成的夹角为t1，5°＜t1＜50°；
所述第二出光面(52)的最低点P2与所述接收芯片(30)连成的直线与所述接收芯片(30)的中心光线形成的夹角为t2，5°＜t2＜50°。
7.根据权利要求6所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，所述发射透镜(40)还具有第三侧面(43)，所述第三侧面(43)远离所述黑色挡板(10)一侧设置，所述第三侧面(43)与所述第一入光面(42)的交界处具有点E1，所述点E1与所述点O1连成的直线与所述发射源(20)的中心光线形成的钝角为δ1，105°＜δ1＜135°；
所述接收透镜(50)还具有第四侧面(53)，所述第四侧面(53)远离所述黑色挡板(10)一侧设置，所述第四侧面(53)与所述第二出光面(52)的交界处具有点E2，所述点E2与所述点O2连成的直线与所述接收芯片(30)的中心光线形成的钝角为δ2，105°＜δ2＜135°。
8.根据权利要求7所述的一种近距离探测器消除被测物反射率影响的方法，其特征在于，所述第一侧面(43)与所述黑色挡板(10)之间形成夹角γ1，0°＜γ1＜90°；所述第二侧面(53)与所述黑色挡板(10)之间形成夹角γ2，0°＜γ2＜90°。
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