CN217879630U

CN217879630U - 一种小型多维度全自动tof传感器距离校准装置

Info

Publication number: CN217879630U
Application number: CN202221437984.6U
Authority: CN
Inventors: 胡庆涛; 葛昊; 徐松岩; 黎俊鹿
Original assignee: Shanghai Data Miracle Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Data Miracle Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2032-06-09

Abstract

本实用新型公开的一种小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，包括：机柜；设置在所述机柜的保温腔室内的相机固定机构；设置在所述机柜的保温腔室内的温度控制子系统；设置在所述机柜内的传感信号引导管；设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室内的环境光模拟照明子系统；设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室内的物理参考平面切换子系统；主控系统，所述主控系统分别与所述温度控制子系统、环境光模拟照明子系统、物理参考平面切换子系统和待校准的TOF相机连接；以及为各个系统提供电能的电源管理系统。本实用新型降低了制造成本，提高了校准效率。

Description

一种小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置

技术领域

本实用新型涉及传感器校准设备技术领域，尤其涉及一种小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置。

背景技术

TOF(Time of Flight)传感器采用飞行时间法测距，是目前用于3D成像相机的一种主流传感器。TOF传感器通过测量脉冲发射光到达物体并反射回到传感器所用的时间，通过计算进而获得物体与传感器之间的距离。

由于电路延迟、温度、环境光照等诸多因素会造成TOF传感器测距存在误差，为了获取准确的距离值，需要对TOF传感器进行距离校准。传统的TOF传感器的校准方式是使用机械导轨式校准装置直接对TOF相机进行校准。

传统的机械导轨式校准装置对TOF相机进行距离校准的一般过程为：

1.将TOF相机固定并连接至计算机；

2.将标靶安装在机械导轨上，通过机械导轨的等间距机械式运动带动标靶进行等间距移动，从而改变标靶与TOF相机的物理距离；

3.机械导轨每移动一点，TOF相机测量一次与标靶之间的距离，直至测量结束(一般采用12点法或者24点法)；

4.计算机读取TOF相机采集到的距离原始值，再通过校准软件进行计算从而完成对TOF相机的距离校准。

这种采用机械式导轨进行校准的方式存在以下几种弊端：

1.机械导轨的尺寸长(一般需要6m)，且TOF相机需安装镜头，随着距离增大，TOF相机的视野会变大，则要求标靶即物理参考平面的面积要更大(一般至少1m²)，从而导致整个装置占地面积会很大，制造成本很高，不利于生产线多线并行作业；

2.由于机械装置移动缓慢，导致校准效率非常低，成为制约生产线产能的最大因素，极大地降低了生产效率；

3.由于机械导轨的长度有限，则校准距离也是有限的(一般为6m)；

4.TOF相机直接裸露于室内环境中，无法或者难以对TOF相机的使用环境温度进行调节控制，从而无法对温度变化造成TOF传感器测距误差进行校准补偿；

5.无法对室外环境光照变化造成TOF传感器测距误差进行校准补偿。

为此，本申请人经过有益的探索和研究，找到了解决上述问题的方法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：针对现有技术的不足而提供一种提高校准效率、降低制造成本、提高生产效率、解决校准距离受限问题、对温度变化和环境光照变化造成的误差进行校准补偿的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置。

本实用新型所要解决的技术问题可以采用如下技术方案来实现：

一种小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，包括：

机柜，所述机柜内设置有保温腔室和物理参考平面容置腔室；

设置在所述机柜的保温腔室内的用于固定待校准的TOF相机的相机固定机构；

设置在所述机柜的保温腔室内的用于对所述保温腔室内的温度进行控制的温度控制子系统；

设置在所述机柜内的传感信号引导管，所述传感信号引导管的一端延伸入所述保温腔室内并靠近待校准的TOF相机，其另一端延伸入所述物理参考平面容置腔室内；

设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室内的用于对校准环境光照进行调节的环境光模拟照明子系统；

设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室内的用于对不同的物理参考平面进行切换的物理参考平面切换子系统；

主控系统，所述主控系统分别与所述温度控制子系统、环境光模拟照明子系统、物理参考平面切换子系统和待校准的TOF相机连接；以及

电源管理系统，所述电源管理系统分别与所述主控系统、温度控制子系统、环境光模拟照明子系统和物理参考平面切换子系统连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述柜体包括底座柜体、保温柜体以及物理平面容置柜体，所述保温柜体和物理平面容置柜体沿所述底座柜体的长度方向并排布置在所述底座柜体上，所述保温柜体内形成有所述保温腔室，所述物理平面容置柜体内形成有所述物理平面容置腔室。

在本实用新型的一个优选实施例中，在所述机柜的保温腔室的内周面上设置有保温层。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述温度控制子系统包括：

设置在所述机柜内且与所述主控系统连接的温控器；

设置在所述机柜的保温腔室内且与所述温控器连接的用于对所述保温腔室内的温度进行实时检测的温度传感器；

设置在所述机柜的保温腔室内且与所述温控器连接的用于对所述保温腔室进行加热的加热组件；以及

设置在所述机柜的保温腔室内且与所述主控系统连接的用于对所述保温腔室进行散热的散热组件。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述加热组件包括分别与所述温控器连接的陶瓷加热器和加热风扇，所述散热组件为与所述主控系统连接的散热风扇。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述环境光模拟照明子系统包括：

间隔设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室的顶面上的第一红外光源和第二红外电源；以及

红外光源数字控制器，所述红外光源数字控制器一方面分别与所述第一红外光源和第二红外电源连接，另一方面与所述主控系统连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一红外光源为850mm红外光源，所述第二红外光源为940mm红外光源。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述物理参考平面切换子系统包括：

设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室的中部底面上且与所述主控系统连接的舵机；

安装在所述舵机的转轴上的第一物理参考平面板，所述第一物理参考平面板在所述舵机的带动下转动至水平位置或垂直位置；以及

设置在所述机柜的物理参考平面容置腔室内且位于所述物理参考平面容置腔室远离待校准的TOF相机的内侧面上的第二物理参考平面板。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述主控系统由主控模块和通信模块构成，所述主控模块通过所述通信模块分别与所述温度控制子系统、环境光模拟照明子系统、物理参考平面切换子系统和待校准的TOF相机连接。

由于采用了如上技术方案，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型的柜体采用分体式设计，安装方便，节省空间；

2.本实用新型中的待校准的TOF相机无需配备镜头，其使用一根传感信号引导管替代TOF相机的镜头，直接对TOF相机内的TOF传感器进行距离校准，大幅度地缩小物理参考平面的尺寸；

3.本实用新型通过设计两个小间距的物理参考平面，并结合现有的校准软件引用的虚拟相位技术，极大地减小了校准装置的尺寸，有效地降低了制造成本；

4.本实用新型在一次校准过程只需对第一物理参考平面板进行一次机械切换，极大地提高了校准效率；

5.本实用新型制造成本低，体积小占地空间小且重量轻，可直接放置于工作台面，为生产线实现多线作业提供有利保障，同时校准效率高，可极大地提高生产效率，解决生产线产能不足问题；

6.本实用新型为待校准的TOF相机设计的保温腔室内可实现温度调节，可以连续改变待校准的TOF相机的工作环境温度，从而为实现对TOF传感器测距进行温度补偿提供必要的条件；

7.本实用新型针对目前TOF相机使用的主流的850nm和940nm两种照明波段为待校准的TOF相机设计的850nm红外光源和940nm红外光源，可模拟环境光照明，且可改变光照度大小，从而为实现对TOF传感器测距进行环境光补偿提供必要的条件。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的电气连接示意图。

图3是本实用新型对TOF传感器基于120Mhz调制频率的校准结果示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1和图2，图中给出的是一种小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，包括机柜100、相机固定机构200、温度控制子系统300、传感信号引导管400、环境光模拟照明子系统500、物理参考平面切换子系统600、主控系统700以及电源管理系统800。

机柜100包括底座柜体110、保温柜体120以及物理平面容置柜体130，保温柜体120以及物理平面容置柜体130沿底座柜体110的长度方向并排布置在底座柜体110上，保温柜体120内形成有保温腔室121，物理平面容置柜体130内形成有物理平面容置腔室131。保温柜体120的保温腔室121的内周面上设置有保温层122，有效地提高保温腔室121的保温效果。

相机固定机构200设置在机柜100的保温腔室121内，其用于固定待校准的TOF相机10。在本实施例中，相机固定机构200可采用相机固定支架或者相机夹持架等，只要能将待校准的TOF相机10进行固定在指定的位置即可。

温度控制子系统300设置在机柜100的保温腔室121内，其用于对保温腔室121内的温度进行控制。具体地，温度控制子系统300包括温控器310、温度传感器320、加热组件以及散热组件。温控器310设置在机柜100的底座柜体110内且与主控系统700连接。温度传感器320设置在机柜100的保温腔室121内且与温控器310连接，其用于对保温腔室121内的温度进行实时检测。加热组件设置在机柜100的保温腔室121内且与温控器310连接的用于对所述保温腔室进行加热。在本实施例中，加热组件包括分别与温控器320连接的陶瓷加热器331和加热风扇332。散热组件设置在机柜100的保温腔室121内且与主控系统700连接，其用于对保温腔室121进行散热。在本实施例中，散热组件为与主控系统700连接的散热风扇340。

温度控制子系统300的工作过程如下：

1.温控器310接收并响应主控系统700发送的指令，自动设置需要达到的温度值；

2.温控器310同时启动陶瓷加热器331和加热风扇332，对保温腔室121加热；

3.温度传感器320实时检测保温腔室121内的温度并反馈至温控器310；

4.当保温腔室121内的温度达到温控器310的温度预设值时，温控器310关闭陶瓷加热器331和加热风扇332；

5.当需要散热时，温控器310反馈给主控系统700，由主控系统700来启动散热风扇340，从而达到快速散热的目的。

本实用新型为待校准的TOF相机10设计的保温腔室121内可实现温度调节，可以连续改变待校准的TOF相机10的工作环境温度，从而为实现对TOF传感器11测距进行温度补偿提供必要的条件。

传感信号引导管400设置在机柜100内，其一端延伸入保温腔室121内并靠近待校准的TOF相机10，其另一端延伸入物理参考平面容置腔室131内。本实用新型使用一根传感信号引导管替代TOF相机10的镜头，直接对TOF相机10内的TOF传感器11进行距离校准，大幅度地缩小物理参考平面的尺寸。

环境光模拟照明子系统500设置在机柜100的物理参考平面容置腔室131内，其用于对校准环境光照进行调节。具体地，环境光模拟照明子系统500包括第一红外光源510、第二红外电源520以及红外光源数字控制器530。第一红外光源510和第二红外电源520间隔设置在机柜100的物理参考平面容置腔室131的顶面上。在本实施例中，第一红外光源510为850mm红外光源，第二红外电源520为940mm红外光源。红外光源数字控制器530设置在机柜100的底座柜体110内，其一方面分别与第一红外光源510和第二红外电源520连接，另一方面与主控系统700连接。

环境光模拟照明子系统500的工作过程如下：

1.红外光源数字控制器530接收并响应主控系统700发送的指令，自动设置需要达到的光照度等级；

2.红外光源数字控制器530选择启动第一红外光源510或者第二红外电源520；

3.第一红外光源510或者第二红外电源520发出的红外光经第一物理参考平面板620反射至TOF传感器11的光敏面，从而到达模拟环境光照明的目的；

4.直至环境光补偿校准结束，红外光源数字控制器530关闭第一红外光源510或者第二红外电源520。

本实用新型针对目前TOF相机使用的主流的850nm和940nm两种照明波段为待校准的TOF相机10设计的850nm红外光源和940nm红外光源，可模拟环境光照明，且可改变光照度大小，从而为实现对TOF传感器测距进行环境光补偿提供必要的条件。

物理参考平面切换子系统600设置在机柜100的物理参考平面容置腔室131内，其用于对不同的物理参考平面进行切换。具体地，

物理参考平面切换子系统600包括舵机610、第一物理参考平面板620以及第二物理参考平面板630。

舵机610设置在机柜100的物理参考平面容置腔室131的中部底面上且与主控系统700连接。

第一物理参考平面板620安装在舵机610的转轴上，其可在所述舵机的带动下转动至水平位置或垂直位置。

第二物理参考平面板630设置在机柜100的物理参考平面容置腔室131内且位于物理参考平面容置腔室131远离待校准的TOF相机10的内侧面(图1中的物理平面容置柜体130的右侧内壁)上。

物理参考平面切换子系统600的工作过程如下：

1.舵机610在初始状态时位于零位(转轴水平)，此时第一物理参考平面板620位于水平位置；

2.系统开始参考第二物理参考平面板630对TOF传感器11进行校准；

3.第二物理参考平面板630校准完成后，主控系统700控制舵机610旋转90°(转轴垂直)，带动第一物理参考平面板620转动至垂直位置；

4.系统开始参考第一物理参考平面板620对TOF传感器11进行校准；

5.同时参考第一物理参考平面板620系统完成对TOF传感器11的温度和环境光补偿校准；

6.校准全部完成后，主控系统700控制舵机610反向旋转90°，使得舵机610返回零位，同时带动第一物理参考平面板620返回至水平位置。

主控系统700分别与温度控制子系统300、环境光模拟照明子系统500、物理参考平面切换子系统600和待校准的TOF相机10连接。主控系统700由主控模块710和通信模块(图中未示出)构成，主控模块710安装在机柜100的底座柜体110内，其通过通信模块分别与温度控制子系统300、环境光模拟照明子系统500、物理参考平面切换子系统600和待校准的TOF相机10连接。

主控系统700是整个装置实现自动化校准的大脑，其主要功能为：

1.主控系统700通过RS485总线与温控器310交互，从而控制温度控制子系统300运行来调节待校准的TOF相机10的工作环境温度；

2.主控系统700通过GPIO控制物理参考平面切换子系统600进行物理参考平面切换；

3.主控系统700通过RS232协议控制环境光模拟照明子系统500运行来调节系统的环境光光照度；

4.主控系统700通过USB3.0接口连接至计算机20，运行计算机校准软件可启动一键式全自动校准，同时完成与计算机20的数据通信；

5.主控系统700通过USB或者Ethernet接口连接至待校准的TOF相机10，可将待校准的TOF相机10采集到的距离原始数据送至计算机20，通过计算机校准软件进行分析计算并生成校准文件，同时可将计算机生成的校准文件自动下载至待校准的TOF相机10。

电源管理系统800安装在机柜100的底座柜体110内，其分别与主控系统700、温度控制子系统300、环境光模拟照明子系统500和物理参考平面切换子系统600连接，其通过采用市电供电便于生产线布线且带过流保护功能，为主控系统700、温度控制子系统300、环境光模拟照明子系统500和物理参考平面切换子系统600提供稳定可靠的电源。

本实用新型对TOF传感器进行了120MHz频率的校准，校准后最大测量误差为1.6mm，校准效果良好，如图3所示。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述机柜包括底座柜体、保温柜体以及物理平面容置柜体，所述保温柜体和物理平面容置柜体沿所述底座柜体的长度方向并排布置在所述底座柜体上，所述保温柜体内形成有所述保温腔室，所述物理平面容置柜体内形成有所述物理平面容置腔室。

3.如权利要求2所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，在所述机柜的保温腔室的内周面上设置有保温层。

4.如权利要求1所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述温度控制子系统包括：

设置在所述机柜内且与所述主控系统连接的温控器；

5.如权利要求4所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述加热组件包括分别与所述温控器连接的陶瓷加热器和加热风扇，所述散热组件为与所述主控系统连接的散热风扇。

6.如权利要求1所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述环境光模拟照明子系统包括：

7.如权利要求6所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述第一红外光源为850mm红外光源，所述第二红外光源为940mm红外光源。

8.如权利要求1所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述物理参考平面切换子系统包括：

9.如权利要求1所述的小型多维度全自动TOF传感器距离校准装置，其特征在于，所述主控系统由主控模块和通信模块构成，所述主控模块通过所述通信模块分别与所述温度控制子系统、环境光模拟照明子系统、物理参考平面切换子系统和待校准的TOF相机连接。