CN1489702A - 通过红外线辐射进行障碍探测及距离测量的方法和装置 - Google Patents

通过红外线辐射进行障碍探测及距离测量的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量第一物体(1)和第二物体(2)之间的距离的方法。该方法在于：a)由固定在上述第一物体(1)上的发射器(4)向上述第二物体(2)发送一束红外波辐射(3)；b)检测所述辐射被接收器(5)上的所述第二物体(2)反射后的回波辐射，所述接收器邻近所述发射器(4)固定在所述第一物体(1)上。本发明方法的特点在于：1/逐渐改变上述发射器(1)发出的红外辐射功率直至该功率达到与该波的功率相对应的探测功率(Ps)，从此时起，所述接收机开始探测由所述第二物体反射的辐射；2/通过建立所述距离(D)和所述探测功率之间的等同相关性，基于上述探测功率的值计算第一物体(1)和第二物体(2)之间的距离(D)。本发明还涉及用于进行探测和距离测量的装置。

Description

通过红外线辐射进行障碍探测及距离测量的方法和装置
技术领域
本方法涉及一种测量第一物体和第二物体之间距离的方法。本发明同样涉及探测所述第二物体的方法，所述第二物体可以是可能存在于所述第一物体周边的一个方位未知的障碍，第一物体主要是机器人之类的遥控机械装置。本发明还涉及探测障碍及测量第一物体和第二物体之间的距离的装置。
具体的，本发明涉及一种使用红外线发送器和红外线接收器的无接触的探测障碍及进行测量距离的方法。
背景技术
目前存在多种无接触测量距离的系统，可根据所使用的光束(激光、红外线或超声波)或测量系统的技术(干扰、测量传播时间、光束的截断、三角测量)分类。主要使用如下系统：
-红外线激光测距仪，带有一个发射激光红外线的光源，在激光红外线上迭加反射光束。两个信号相加便产生了干扰，干扰取决于光束的行进长度。这种测量方法可以极为准确地测定距离并非常准确地定位一个测量点。然而，这个系统所要求的技术很复杂，成本高昂。另外，它还需要一个光学系统，这个光学系统容易被损坏。
-超声波测距仪，工作方式为发射超声波并测定声音返回发射器所用的时间。由于声音在空气中的传播速度很慢，因此很容易精确地测定信号的行进时间。事实上，声音遇到障碍物的时候会反射回来，我们就可以利用接收超声波回波的探测器所显示的时间并根据传播的环境来确定障碍物的距离。超声波在空气中的吸收现象很严重，距离越大吸收现象就越严重。因此这项技术主要应用于吸收率小许多的多水的环境或液体环境，用于海底显影(声纳)或医疗图像(超声波回波扫描记)。此外，这种使用超声波的方法也并不具备太大的指导性。事实上，它对支撑物的依赖性很强，而且会被气流或水流扰乱。另外，它可能会对光滑的表面提供错误的信息，因为声波在一个方向上会完全反射(反射镜效应)。MURATA公司生产这种类型的传感器，型号为MA40。
-还有一些基于红外线辐射的探测和测量距离的方法和装置。这些使用红外线辐射的技术可分为以下几种类型：
*第一种类型建立在传统的三角测量原理的基础上，并广泛应用于商业传感器，
*第二种类型基于对发射出的信号和接收到的信号的相位差的测量，
*最后一种类型是测定一束红外线激光传播的时长。这样的系统虽然测量结果非常准确，但其本身也很复杂，并且很昂贵。
LYNXMOTION公司销售一种名为IRPD(红外线接近探测器)的使用红外线三角测量的测距仪，主要由两个电子发光二极管红外线发射器、一个红外接收器(GP1U58Y)以及一个连续给两个电子发光二极管供电并监测反射情况的微控制器。这种探测是不同步的，两个电子发光二极管轮流工作。这两个电子发光二极管由一个可调的振荡器来进行调制。感应器的灵敏度由加在振荡器上的频率来控制：实际上接收器上带有过滤器，可以使它对调制在38千赫的红外波反应敏捷，这可以使周围环境(如自然光)的干扰达到最小化。这个系统的主要缺陷在于探测范围小。事实上，它只能探测到距其15到30厘米范围内的障碍物。
还有其它一些系统，其中DIRRS(由HVW科技公司销售的红外线测距系统)和IRODS(同样由HVW科技公司销售的红外线障碍探测系统)性能最好，它们运用的是同步三角测量原理。系统的运行全靠使用PSD(定位感应器)和聚焦反射回来的红外信号的光学透镜。PSD可以根据红外线撞击的位置来改变输出信号的类型。上述两种装置的最大区别只是它们的输出信号的类型不同，一个是模拟信号(IRODS)，另一个是数字信号(DIRRS)。这些探测器不仅可以显示感应器前是否有物体存在，还可以显示潜在障碍物的距离：可通过电压实现(如IRODS)，或通过8比特编码的数字实现(如DIRRS)。但他们只有在10厘米到80厘米的距离范围之内能准确测定距离。DIRRS系统借助夏普GP2DO2接收器工作，而IRODS系统则借助夏普GP2DO5接收器工作。
-另外一些系统是建立在信号的相位差原理上的。这些装置可以实现近距离的探测。它们由多个固定在小型的红外接收器顶部的电子发光二极管发射器组成，并排列在机器人周围。当其中的一个二极管接收器发射的红外线被面前可能存在的物体反射回来时，接收器会探测到反射回来的红外线辐射强度，该强度会被转化为成比例的模拟电压。根据所发射出的信号和接收到的信号之间的相位差就可以确定物体和接收器之间的距离。这些系统中通常使用对频率在38千赫左右的波长很敏感的夏普接收器(GP1U52X或GPU58X)。
这些系统之间的主要区别一方面在于机器人周围二极管发射器的排列，另一方面在于对所发射的红外线之间的干扰的考虑。事实上，接收器能探测到与其配套的发射器之外的发射器所发射的红外线反射回来的光线。因此，物体方向和距离的变化会被曲解。
对于采用信号相位差的方法来说，干扰的存在给距离的测定带来麻烦。而在三角测量法中，干扰反而有助于增加测量的准确性。
在前面介绍的装置中，二极管的电源电路设计为每次只能为一个传感器供电，或者传感器(发射器和接收器的组合)被安装在一个围绕一条轴转动的马达上以便向多个方向进行探察。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种距离测量或探测障碍的系统，该系统可以轻松地被安装在小型家用机器人上，因此该系统也足够小巧轻便，以便被小型机器人负载并且不妨碍它们的行动。
本发明的另一个目的是提供一种尽可能经济而性能最优化的距离测量或障碍探测系统，尤其是提供一种探测范围主要在0到10米以上并且测量结果精确到厘米的系统。
本发明还有一个目的，那就是实现一种带数字输出口的探测和测距装置，输出口可以连接到一个并行的端口并由机器人的指令处理器控制。
首先，本发明涉及探测和测量第一物体和第二物体之间的距离的方法，本方法本身包括以下步骤：
a)自固定在上述第一物体上并被提供一电发射信号的发射器发射红外线辐射的步骤；
b)上述红外线辐射被第二物体反射后，在接收器上探测返回的红外线辐射的步骤；
上述接收器被固定在第一物体上靠近发射器的地方，生成表示接收的电信号。
本方法的特点是它还包括以下步骤：
-逐渐改变发射器发出的红外辐射的功率，控制上述表示发射的电信号，直至所发射的红外线的功率达到探测功率(PS)，在这个探测功率(PS)上，红外线在被第二物体反射后可以被接收器探测到。
-根据上述探测功率(PS)计算第一物体和第二物体间的距离(D)：主要使用事先拟订的刻度校准来建立距离(D)和探测功率(PS)间的关系。
本方法通常用于大气环境，用来探测固体材料的物体。但它也可以用于所有红外线可穿透的空间。本方法所应用的物理原理是：发送调制的红外信号并测定反射作用所接收的能量。由于距离越远，所能接收的能量越小，所以可增加光源所发射的波的功率直至得到可以被接收器探测到的回波。本原理的一个独特性便是：如果相对于到障碍物的距离而言所发射的光波的功率(通常与发射器的控制信号的振幅相关)不够，反射波不会被接收器探测到；因此在探测障碍物发射的反射信号的同时，通过发射器发射红外线，其功率递增直至接收器探测到信号，借此来测定距离。如果系统的发射功率已达到最大值仍然没有探测到物体，则意味着在搜索方向上给定的有意义的距离内没有障碍物。相反，如果接收器接收到和探测到回波，最好核实一下该回波是否是所发射的信号的回波。
在此处“接收器”是指一个在接收到强度足够大的红外线辐射时会发射一个电信号的装置。通常，这些红外接收器由光电晶体管或光敏二极管组成，工作原理是将红外线转换为电压。
优选在根据本发明的方法中：
a)通过一个带有电子发光二极管的发射器发射特殊波长的红外线，最好在850nm和950nm之间；
b)使用一个带有一个光电晶体管或光敏二极管的(或由光电晶体管或光敏二极管组成的)接收器，专门用于探测上述波长。
为了将发射光源和其他发射同样波长的光源区分开来，优选使用一个接收器专门探测具有特定的脉冲频率(又称为“载波频率”)的以脉冲模式发射的红外波，该红外波脉冲模式是通过根据雉堞电信号或“方块信号”产生的发射器的间歇式电源生成的。
事实上，通常我们可以在市场上找到专门的接收器接收有设定的脉冲频率以脉冲模式发射的波。这些接收器的特点是它们可应对红外波的波长和电源电流的载波频率的双重特性。上述载波频率通常在30千赫到60千赫之间，主要是38千赫。事实上我们避免使用专门针对电网频率(50到60赫兹)的接收器。
为了生成根据雉堞形电信号或“方块信号”产生的发射器的电源，发射器通常联接在一个晶体管上。
更具体地说，我们可以根据有利的实现模式完成以下步骤：
a)根据带有某一特定脉冲频率的模式发射红外线；
b)只有当反射回来的波具有同样的脉冲频率时，接收器才能探测。
二极管发射器的脉冲式电源可以大大扩大发射范围。事实上，当红外波的发射时长缩短，波的发射功率就有可能会增大。事实上，只有在时间很短的情况下，红外二极管才能发射强大的功率，并承受短暂的超负荷状态。这样我们就能探测到离传感器距离很远的物体。
而且，这种脉冲模式的红外波发射方式可以不增加已经被红外线环绕的空间的负荷，可以和其它系统的测量活动互不干扰。
为了增加本装置的独特性，尤其是当同类的其它装置在近处工作且它们的发射器发射载波频率相同的红外波时，我们可以在发射器的电源电信号中加入一个签名(或编码)，使发射器发射的红外线带有发射器本身特有的签名。这个数字签名有特定的位数，一般不少于4比特，它可以加载(或连接)在脉冲频率上。
如果接收器所接收的信号的签名与和所发射的信号一致，就意味着探测到一个障碍物。传感器和障碍物之间的距离可以根据发射功率和探测信号所用的灵敏度推算出来。如果探测到的信号的数字签名不一致，则说明接收的信号来自另一个信号源，我们可以认为没有探测到任何障碍物。
因此，在以本发明为依据的方法的一种有利的实现模式中，
-上述发射器和接收器带有晶体管或联接在晶体管上，这样可以根据波是否被发射器发射以及波是否被接收器探测到而生成“0”或“1”的逻辑电信号；
-所发射的脉冲红外波的上述脉冲模式是通过发射器电源根据雉堞电信号生成的，即定的脉冲频率或称为载波频率主要为38千赫，提供给发射器的电信号中带有上述数字签名；
-比较向发射器发送的电信号和几乎同时由接收器提供的电信号，核对接收器提供的电信号是否带有和发射器电源的电信号相同的数字签名；
就这样，一个连接发射器和接收器的电子线路引发了红外信号的发射，并同时开始探测这个信号。由于需要测量的最大距离为10米左右，因此本发明有另一个创新的优势点，那就是可以假设在这种距离范围内，红外波的传播时间可以忽略不计(波在10米的范围往返一次的时间为66n)。
在以本发明为依据的方法的一种实现模式中，
a)通过由有场效应的晶体管(可以为发射器提供有2的n次方个不同强度值的强度递增的电流)控制的n个不同的电阻值，发射包括2的n次方个不同的辐射功率值的功率可变的红外线。通过晶体管的逻辑指令调节电流，使发射功率的逐步变化通过一个以n比特编码的数字信号而置于在晶体管的指令下。这个数字编码对应n晶体管发出的n逻辑指令。
b)在已经得到的2的n次方个不同的距离值(记录在测量系统的存储器里)之中，根据和探测功率相对应的数字信号确定第一物体和第二物体之间的距离D。
更具体的，我们使用一个能够发射最大辐射功率(设为P1)的二极管发射器和一个能够探测最小辐射功率(设为P2)的二极管接收器。P1和P2的值使我们可以测定0.5米至5米范围内的距离，特别是当P1的值在250到500毫瓦/球面度之间而P2的值在0.1到10mw/Sr(毫瓦/球面度)之间时，更可以测定0.1米至10米范围内的距离。
更具体的，我们的系统可以使用以下发射器和接收器：
-发射器
  参考号     生产厂家     功率*(mW/Sr)
  LD274     Siemens     350
  SFH4391     Siemens     280
  SFH4500     Siemens     500
*发射100μs，电流为1A
-接收器
  参考号   生产厂家 灵敏度(mW/Sr)
TSOP1838     Temic     0.3
 SFH5110     Infineon     0.35
优选发射一组功率递增的脉冲，在可能的情况下采用有n个不同电阻值Ri(i＝1到n)的电阻的数量n。这样的话，由上述2的n次方个可能的连续的距离值间的偏差组成的测量精确度可以达到最小10厘米，好的话可以达到最小1厘米。
上述电阻值Ri的数量n决定对障碍物测量的灵敏度。
本方法还有的一种实现模式，旨在确定一个或几个所谓的第二物体相对于与第一物体相连的参照物的位置。根据这种模式，本方法还包括以下步骤：
-从第一物体向若干个方向发射红外线，这些方向合理地分布在第一物体周围，最好取四个以上的方向，如能取八个以上的方向则更理想；
每个方向上的红外线都呈锥形发射，与顶端的角度在5度至90度之间；
使得位于第一物体周围的那些第二物体能够被探测到，它们相对于与第一物体相连的参照物的位置也就能计算出来。
本发明的内容也包括一个探测和测量第一物体和第二物体之间的距离的装置；该装置包括：
-一个固定在上述第一物体上的红外线发射器，发射器通过一个表示发射的电信号取电；
-一个在上述红外线被第二物体反射后探测其回程的接收器；
该接收器被固定在第一物体上靠近发射器的地方，生成表示接收的电信号。
该装置还包括：
-监测上述电信号的装置，它们可以在监测上述表示发射的电信号的同时以递增的方式改变发射器(4)发送的红外线的功率，直至所发射的红外线的功率达到探测功率(PS)，在这个探测功率(PS)上，红外线在被第二物体反射后可以被接收器探测到。
-根据上述探测功率(PS)计算第一物体和第二物体间的距离(D)的装置，它们主要使用事先建立的校准刻度来建立距离(D)和探测功率(PS)间的关系。
更特别的是，以本发明为依据的装置包括：
-一个带有电子发光二极管的发射器，专门发射特殊波长的红外线；
-一个带有一个光电晶体管的接收器，专门用于探测上述的已设定的红外线波长，最好是专门用于探测已设定脉冲频率的脉冲波，
根据该装置优先考虑的实现模式：
-上述电信号控制装置可以使发射器所发射的红外辐射功率以递增的方式变化，它们包括用于控制表示发射的电信号的第一处理器，这样红外线就可以按照带数字签名的特定模式被发射。
-上述第一处理器被编程为使得所述发射器的特定发射模式为带有表明所述签名特征的给定脉冲频率的脉冲发射模式。
-上述控制所述电发射信号的第一处理器被编程为使得发射器的特定发射模式为包含数字信号识别的脉冲发射方式；
-上述第一处理器被编程为使得所述电发射信号定为一方波信号，并且所述红外线辐射的数字签名的形式为根据发射器是否由所述方波信号供电而由“1”或“0”组成的逻辑信号。
-为了确定反射回来的红外线(红外线源自安装在某一指定物体上的发射器)是否被该指定物体的接收器接收，第一处理器带有核对上述签名的装置，这样就可以区分源自上述指定物体的被反射回来的红外线和直接或间接源自其它物体的红外线。
-上述核对签名的装置包括对上述指定物体的发射器电源的电信号和由同一物体的接收器提供的电信号进行比较的装置。
-上述第一处理器，具体的为微控制器，和第二处理器(或外部处理器)的发射器和接收器互相联接，这样就可以使：
*上述第一控制器通过n比特的数字信号，利用晶体管的场效应，控制发射器电源电路上的n个不同值的电阻，这样发射器(尤其是电子发光二极管发射器)所发射的红外线的功率就可以有2的n次方个递增的值，
*上述第一控制器与接收器相连，可验证接收器提供的电信号是否带有相同的签名，特别是数字签名。
*上述第一处理器向第二处理器传送一个n比特组成的信号，该信号显示在2的n次方种可能的探测功率(PS)值中已被验证的那一个值。
*上述第二处理器通过校准对应2的n次方个探测功率值的2的n次方个可能的距离值来计算第一物体和第二物体之间的距离。
以本发明为依据的方法和装备可以在各种需要测量距离的情况下使用，比如：
-测量机动车间距离以增加驾驶的安全性
-测量容器的充满程度
-对生产线上的物品进行计数
本发明还涉及探测可能存在于第一物体周围的不知方位的第二物体的方法和装置，其特点是利用多个感应器进行多次测量，每个感应器包括一个组合发射接收器，在这个组合中发射器和接收器互相对应地被固定。这些感应器采用前面明确的以本发明为依据的距离测量方法，可以向第一物体周围的空间以多个方向发射红外线，最好是取四个以上的方向，如能取八个以上的方向则更理想；每个方向上的红外线都呈锥形发射，与顶端的角度在5度至90度之间；这样处于第一物体周围的那些第二物体就会被探测到，它们相对于与第一物体相连的参照物的位置也就能计算出来。
本发明同样还涉及一个带有若干个收发组合器的探测障碍和测量距离的装置。收发组合器根据前文中确定的排列方式固定在上述第一物体上，并且和上述第一处理器和第二处理器相连接。
从另一方面来看，本发明产生了一个会避开障碍的移动探测机器人。这个移动机器人拥有由一个控制装置控制的移动装置。这个控制装置包括一个如前所述的探测和测距装置，这样的话：
.如果移动机器人周边有一个或几个障碍物，
.且移动机器人行进的方向碰巧是障碍物所在的方向，
.如果所测出的移动机器人和障碍物之间距离小于规定值，尤其是考虑到机器人的移动速度，
本装置就会程控修改移动机器人的移动轨迹，修改时将周围其它的障碍物考虑在内。
本发明还涉及一个使移动物体(主要是机器人)探测和避开障碍的方法，它的特点是包括一个前面介绍的以本发明为依据的测量方法，其中：
.所述移动中物体对应于前面所述的第一物体
.所述障碍物对应于前面所述的第二物体
.如果所测出的距离小于规定值，尤其是由于物体的移动速度而无法避免某个近距离的障碍物时，我们可以改变移动物体(主要是机器人)的轨迹。
本发明的内容还包括一个配备有以本发明为依据探测障碍和测定距离的装置的移动物体(主要是机器人)。
本发明的其它特点和优势将在随后实践应用发明的详细例子里得到体现。
附图说明
图1是根据本发明的移动机器人的示意图，它配备了八个红外线障碍探测感应器(pickup)。
图2是一个部分计时图，简要显示了根据本发明的代表向二极管发射器输送的电流的八个“阴影”条的增加的情况。本计时图可对应于在电流周期性变化中的一个周期(在命令信号编码为3比特的情况下)或对应于该周期中的一部分(如半个周期)。
图3详细标示了一个用于监测、控制和处理由红外线收发器-接收器交换的信号的电子电路(图1中的标号3)的结构。
具体实施方式
图1所示的是将八个感应器安装在一个移动物体如机器人1上的安装示意图。这些感应器朝向八个方向。图中展示了红外线发射形成的锥体13以及碰到障碍物2而向接收器5反射回来的红外线14。
图2展示了二极管发射器中电流的八个级别(共16个)，也就是二极管发射器发射的波的功率的八个级别，对应的10比特数字签名为“1110111101”，红外波是以频率为38千赫的脉冲模式发射的。
图3是一个电子装配示意图，展示了八个与微控制器8连接的二极管发射器4(D1至D8)、八个接收器5(U5至U12)以及一个外部处理器9(U13)。处理器8和9之间的联络是通过一个摆杆式的寄存器11(U3)进行的。
我们实现了一个带有八个感应器(Cp0到Cp7)测距系统，八个感应器形成了一个由八个发射器4和八个接收器5组成的整体。全部感应器都被固定在机器人1上。每个接收器5都被固定在相应的发射器4的上方。发射器4可以向平均分布在第一物体周围的八个方向发射红外线；每个发射器向其中的一个方向的空间发射一束光线，形成一个锥形13，该锥形的顶部在发射器上，顶部角度为20°。
本系统对充当第一物体的机器人1探测障碍和避开障碍非常有用。根据探测结果以及测定的与障碍物之间的距离，如果所测出的距离小于规定值，我们可以改变是机器人的轨迹。
每一个发射器4(D1到D8)都是由红外线电子发光二极管组成，商用参号是西门子LD274；每一个接收器5(U5到U12)都是一个光电晶体管，商用参号TEMIC TSOP 1838。二极管发射器LD724的特点是：发射角度θ＝20°，电流I＝100毫安，波长λ＝950nm，辐射功率W＝350毫瓦/球面度。接收器TSOP 1838的特点是：接收角度＝90°，波长λ＝950nm，辐射功率W＝0.3毫瓦/球面度，载波功率f＝38千赫。
对每一个二极管发射器，同时供应相同的电流以生成相同的红外线。
一个微控制器8(U1)和一个外部处理器9(U13)之间通过寄存器(U3)11联接。微控制器8(U1)和外部处理器9(U13)之间的界面通过一个寄存器10(U4)来达到同步。微控制器8(U1)直接指挥八个发射器4并分析八个接收器5通过寄存器(U12)发来的信息。
以下是所使用的元件的参考号：
  参考号     名称     功能   生产厂家
U1  AT89C2051 微控制器 Atmel
U2  74HCT573 寄存器CO* Philips
U3  74HCT574 寄存器CO* Philips
U4  74HCT74 R/S触发器 Philips
U13  80C51 处理器 Philips
Q1到Q4  ZVN4310A 晶体管 Zetex
U5到U12  TSOP1838 红外探测器 Temec
D1到D8  LD274 红外二体管 Siemens
*集电极开路
微控制器8通过脉冲模式执行对红外线二极管发射的控制。微控制器8提供一个载波功率为38千赫的雉堞或方块信号，信号在振幅上被进行调制，以便一方面确定每个发射器的数字签名，另一方面监测二极管的发射水平。二极管的发射水平与图二中的阶梯高度一致，根据晶体管(Q1到Q4)的状态而发生变化。对每个阶梯水平来说，二极管的供电信号包括一个10比特制的数字签名，其值为“1110111101”，就如图二所表现的那样：每一个值为1的位对应一组脉冲，即载波功率的九个脉冲，在本例中总长度为237微秒左右；每一个值为0的位对应二极管的同等长度的中断。
通过在图2中显示的数字签名可以看出，如果把每个阶梯分成10个时间单元，则电源(输送功率为38千赫)在第四个和第九个时间单元中断。
数字签名6的核对由微控制器8完成，它会通过寄存器12对向发射器4发送的电信号和由相应的接收器5几乎在同时发出的信号进行比较。
每一个接收器5包括一个晶体管(未在图中显示)，并根据以上述载波频率输送的波是否被接收器5探测到(也就是说波是否被发射器发射然后被障碍物反射回来)而提供一个1或0组成的逻辑信号。
每一个发射器4都联接在晶体管72上，被一个1或0的逻辑信号控制，这样的话，根据以上述载波频率输送的波是否被发送而生成脉冲红外线。
包括四个并联的分支并被安插在八个二极管发射器的共用电源上的组件71、72电路可以在发射器4(D1至D8)中生成十六种(或十六个梯度)的电流强度。每个分支带有一个电阻(R1到R4)，这些电阻和FET晶体管(Q1到Q4)以串联形式连接。
通过这样一个电路，我们可以通过每个二极管引发有功率可变的辐射，在由晶体管72(Q1到Q4)控制的四个不同值的电阻71(R1、R4)的基础上，可以有16种(24)不同的辐射功率值，它可以根据上述晶体管的逻辑指令(COM0到COM3)提供包括16个递增数值的强度递增的电流。上述每一个所发送的功率值对应一个4比特的数字信息，该信息对应的是上述四个电阻的四个逻辑指令。在距离和16个可能的探测功率中的每一个之间进行的校准使外部处理器9可以根据与探测功率相对应的数字信息在晶体管Q1到Q4的16个可能的距离值(它们由微控制器8循环发送并传递到处理器9)中确定机器人和障碍物之间的距离D。根据电阻R1到R4的四个指令COM0到COM3的逻辑指令(0或5伏)，我们可以规定在二极管红外发射器D1到D8中的电流大小，这样可由每个二极管生成一个红外线光束，它的功率是递增的，由此可得出一个与图二中的编年表式图相似的图表。
晶体管72控制四个电阻71，晶体管的偏压直接设置在5伏。这里有四个指令，在16个功率值区域或阶段进行侦察。所选择的电阻的值各不相同，他们之间是2倍的关系。因此在一个电阻里的电流是下一个的2倍。二极管发射器中的共用电流如图二所示，它带有一个译成编码的签名，比如说可以是10比特的(在此为1110111101)。
接收器5负责探测返回的红外线信号。它包括一个集成元件，根据它是否接收到以38千赫的频率发射的950nm的红外线而提供一个0或5伏的逻辑信号。我们应该用过滤器51(包括一个压缩能力为10μF的压缩器和一个330Ω的电阻)对接收器电源进行过滤，因为电源稍微不稳定就有可能导致错误的探测。
校准的过程中，我们建立了一个发射功率和感应器到障碍物之间的距离的关联关系。校准之后，我们就可以根据得到的答案给出用数字表示的距离。
表1中提供了较为典型的以白灰墙为障碍物的测量数据，电阻值如下：R1＝15Ω，R2＝35Ω，R3＝68Ω，R4＝150Ω。
        表1
距离(厘米) 功率指数
    30     1
    75     2
    90     3
    108     4
    120     5
    140     6
    165     7
    195     8
    210     9
    225     10
    255     11
    270     12
    300     13
    315     14
    380     15
    450     16
在图3中显示了可以管理八个感应器的测量的交流和传输的电路。
图3中的这个电路可以传输八个测量，这八个测量对应八个感应器，每个感应器都给出一个8比特的信息。在这种情况下，可使用一个混合编码，它综合了4比特的感应器测量(16个功率值用二进制编码成4比特)和配套的接收器的识别(也是以4比特编码)。
测量的传输模式应该是并行的，因为外部处理器9上使用的是一个8比特的总线。由于不可能在8比特的总线上同时传输八个测量的信息，所以我们把这些测量分离开来，一个一个地上线。因此，要得到八个区分开来的测量的序列，外部处理器9必须读取八次以得到这些信息。
微控制器8(U1)和外部处理器9(U13)之间的界面是一个摆杆式的寄存器11(U3)，它的输出口是开放式集流器。信息装载(或测量的写入)由微控制器8完成，抓取(或测量的读取)由外部处理器9完成，后者接着计算与障碍物之间的距离。
然后微控制器8通过读取寄存器10(U4)上的摆杆(启动/重启)的值而知道外部处理器9是否读取了数据。当微控制器在寄存器中记录了一个新的测量值时，摆杆重新初始化。一旦开始向处理器传输数据，测量就会暂停。当外部处理器繁忙时，微控制器又回过头来测量距离。

Claims (24)

1、一种对第一物体(1)和第二物体(2)之间的距离进行探测和测量的方法，所述方法包括以下步骤：
a)由固定至上述第一物体(1)上并被提供一电发射信号的发射器(4)发射红外波辐射(3)的步骤，以及
b)在红外线辐射被所述第二物体(2)反射后，探测所述红外线辐射至一接收器(5)的回波的步骤；
所述接收器(5)固定在上述第一物体(1)上邻近所述发射器(4)处，并生成接收电信号；
所述方法的特征在于，其还包括以下步骤：
c)通过控制上述电发射信号逐渐改变上述发射器(4)发送的红外线辐射的功率，直至该功率达到一个探测功率(PS)的步骤，对于所述探测功率，可使得在其被第二物体反射后，能够被上述接收器(5)探测到，
d)通过建立所述距离(D)和所述探测功率之间的相互关系，或通过两者之间的校准，从上述探测功率(PS)的值开始，计算所述第一物体(1)和所述第二物体(2)之间的距离(D)的步骤。
2、根据权利要求1的方法，所述方法使得上述红外线辐射通过包含发射器(4)签名特征的特定模式发射。
3、根据权利要求2的方法，所述方法使得上述签名以发射器(4)的特定发射模式为特征，具体的，以具有一给定脉冲频率的脉冲发射模式为特征。
4、根据权利要求2或3的方法，所述方法使得所述签名为一数字签名，具体的为与一脉冲发射模式相关联的数字签名。
5、根据权利要求4的方法，上述电发射信号为方波信号，所述方法使得所述红外线辐射的数字签名根据发射器是否被提供方波信号而表现为由“1”或“0”组成的逻辑信号。
6、根据权利要求2至5中任何一项的方法，所述方法使得，为了确定由接收器(5)接收的从一特定物体(1)反射回来的红外线辐射源自安装在所述确定物体上的发射器(4)，可验证上述签名，这样就有可能区分源自上述确定物体(1)上的发射器(4)反射的红外线辐射和直接或间接源自其它物体的红外线。
7、根据权利要求6的方法，所述方法使得，为验证上述数字签名，将向所述确定物体(1)的发射器(4)提供能量的电信号与由在同一所述确定物体(1)上的接收器(5)提供的电信号进行比较。
8、根据权利要求1至7中任何一项的方法，所述方法进一步更具体地被设计为关于所述第一物体(1)约定的基准帧，确定一个或多个第二物体(2)的位置，所述方法进一步包括以下步骤：
-从所述第一物体(1)沿几个方向发射红外线，所述几个方向绕所述第一物体适当分布，优选至少沿四个方向，或者至少沿八个方向，
与每个方向相联系的红外线都呈锥形发射，所述锥形的顶端在5度至90度之间，
使得能够探测到位于所述第一物体(1)周围的所述第二物体(2)，且可关于与第一物体相连的基准帧计算出它们的位置。
9、探测和测量第一物体(1)和第二物体(2)之间的距离的装置，该装置包括：
-固定在上述第一物体(1)上且被提供电发射信号的红外线辐射发射器(4)，
-在上述红外线辐射被所述第二物体(2)反射后探测其返回的接收器(5)；
所述接收器(5)被固定在第一物体(1)上靠近所述发射器(4)的位置，并产生接收电信号。
该装置的特点在于，其包括：
1/控制上述电信号的装置(8)，通过控制所述电发射信号，使由所述发射器(4)发出的红外线辐射的功率能够逐步变化，直至所发射的红外线辐射的功率达到这样的探测功率(PS)，即对该探测功率(PS)，红外线辐射在被第二物体(2)反射后可以被接收器(5)探测到。
2/根据上述探测功率(PS)的值，计算第一物体(1)和第二物体(2)之间的距离(D)的计算装置(9)，其主要使用事先尤其通过校准建立的所述距离(D)和所述探测功率(PS)之间的相互关系。
10、根据权利要求9的装置，所述装置使得：
-上述发射器(4)具有电致发光二极管，专门发射一给定红外线波长的辐射；
-上述接收器(5)具有一光电晶体管或一光电二极管，专门用于探测上述的已给定的红外线波长。
11、根据权利要求9或10的装置，上述电信号控制装置(8)可以使发射器(4)所发射的红外辐射功率逐渐变化，包括第一处理器(8)，所述第一处理器(8)用于控制所述电发射信号，使得所述红外线辐射以包含数字签名的特定模式被发射。
12、根据权利要求11的装置，上述第一处理器(8)被编程为使得所述发射器(4)的特定发射模式为具有以所述签名为特征的一给定脉冲频率的脉冲发射模式。
13、根据权利要求11或12的装置，上述控制所述电发射信号的第一处理器(8)被编程为使得所述发射器(4)的特定发射模式为具有数字签名的脉冲发射模式。
14、根据权利要求13的装置，上述第一处理器(8)被编程为使得所述电发射信号为一个方波信号，并且所述红外线辐射的所述数字签名的形式根据发射器是否被提供方波信号为由“1”或“0”组成的逻辑信号。
15、根据权利要求11至14中的任何一项的装置，所述装置的设计使得，为了确定由接收器(5)接收的自一特定物体(1)反射的红外线是否源自安装在所述确定物体上的发射器(4)，所述第一处理器(8)包含验证上述签名的装置，从而有可能区分源自上述确定物体(1)的发射器(4)的红外线辐射和直接或间接源自其它物体的红外线。
16、根据权利要求15的装置，上述验证所述签名的装置包括对所述确定物体(1)的发射器(4)的供电信号和所述同一确定物体的接收器(5)所提供的电信号进行比较的装置。
17、根据权利要求11至16的任何一项的装置，所述装置为使得：
-上述第一控制器(8)通过n比特的数字信号，通过场效应晶体管，控制发射器(4)电源电路上的n个不同值的电阻值，使得由发射器(4)，尤其是电致发光二极管，所发射的红外线的功率可以有2n个递增的值。
-上述第一控制器(8)与接收器(5)相连，验证接收器(5)提供的电信号是否包含该相同的签名，具体地为所述数字签名。
-上述第一处理器(8)向第二处理器(9)传送一个n比特组成的信号，该信号显示在2n种可能的所述探测功率(PS)值中已被发现的那个值，
-上述第二处理器(9)通过自关于2n个探测功率值对2n个可能的距离值的校准的相互关系来计算第一物体(1)和第二物体(2)之间的距离。
18、根据权利要求17的装置，所述装置使得所述发射器(4)，尤其是发射二极管，能够发射一给定最大辐射功率P1，且所述接收器(5)，尤其是接收二极管，能够探测到一给定的最小辐射功率P2，P1和P2的值使得有可能可以测定0.5米至5米范围内的距离，甚至0.1米至10米范围内的距离。
19、根据权利要求17或18的装置，探测功率(PS)等级的数量和不同值的电阻Ri(i＝1到n)的数量n使得存在于上述2n个可能的连续的距离之间的间隔的测量精确度至少可以达到10厘米，优选至少达到1厘米。
20、根据权利要求9至17的任何一项的装置，所述装置进一步被具体地设计为关于约定为所述第一物体(1)的基准帧来确定一个或多个第二物体(2)的位置，所述装置还包括：
-多个发射器(4)和接收器(5)沿多个方向发射和接收红外线，所述多个方向以适当方式围绕所述第一物体(1)分布，优选沿至少四个方向，更佳的为八个以上的方向；
每个方向上的红外线都呈锥形发射，所述锥形顶角在5度至90度之间，
使得能够探测到位于所述第一物体(1)附近的所述第二物体(4)，并计算它们关于与第一物体(1)相连的基准帧的位置。
21、探测并避开障碍的移动机器人，所述移动机器人拥有由一个控制装置控制的位移装置，所述控制装置包括根据权利要求9到20中任何一项权利要求的装置，
使得：
.如果所述移动机器人附近有一个或几个障碍物，
.如果移动机器人行进的方向碰巧是障碍物所在的方向，
.如果所测出的移动机器人和障碍物之间距离小于规定值，尤其是考虑到机器人的移动速度，
所述装置对路径的改变编程，同时考虑位于附近的其他障碍。
22、根据权利要求1到20中的任何一项的方法和装置应用于使车辆，尤其是机器人，探测和避开障碍：
.所述车辆对应于所述第一物体(1)
.所述障碍物对应于所述第二物体(2)
使得
.如果所述车辆周边有一个或几个障碍物，
.如果所述车辆行进的方向碰巧是障碍物所在的方向，
.如果所测出的车辆和障碍物之间距离小于规定值，尤其是考虑到车辆的移动速度，
所述车辆会对路径的改变进行编程，同时考虑附近存在的其他障碍。
23、车辆(1)的特点在于其包括：
-该车辆上至少固定安装有两个红外感应器，每个感应器包括能够向该车辆周围空间的第一部分发射红外线辐射的发射器以及一个对从该车辆周围空间的第二部分接收的红外线反应灵敏的接收器，
-检测发射器电源的电子装置(8)，适于不断循环改变发射器电源的电流功率，以便引起每个感应器发射的红外线按等级递增，
-探测障碍物和/或测量该车辆和物体(2)之间距离的电子装置(9)，一方面是基于由所述接收器从所述感应器传送的信号，另一方面是基于由上述电子装置(8)传送的用于控制提供给该感应器的发射器的功率的信号和数据。
24、根据权利要求21或23的车辆，其包含：
-提供多个所述红外线发射器的电源线，
-插入上述共用电源线中的多个支线，每条分支具有一个电阻(R1到R4)并包含一个开关(Q1到Q4)，所述分支并联连接，
-适于向该开关(Q1到Q4)传递一个开启或闭合的数字命令的装置(8)，以便引起传送至该发射器的电流逐渐变化的装置(8)。
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