CN218191604U - 激光测距装置及自动清洁设备 - Google Patents

Abstract

一种激光测距装置及自动清洁设备，所述激光测距装置包括：激光器，配置为发射激光；驱动器，配置为驱动所述激光器；分光器，配置为将所述激光分成测试激光和参考激光；参考部件，配置为接收并反射所述参考激光；探测器，配置为接收并探测由参考部件反射的所述参考激光以及由障碍物反射的所述测试激光；以及处理器，配置为基于所述探测器的探测结果确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。

Description

激光测距装置及自动清洁设备

技术领域

本公开涉及激光探测技术领域，具体而言，涉及一种激光测距装置及自动清洁设备。

背景技术

激光测距装置已广泛应用在工业现场、智慧交通、智能家居等领域，尤其在自动清洁设备，例如清扫机器人领域，凭借低成本、高可靠性、易集成等优点，激光测距装置已成为清扫机器人非常重要的导航和避障传感器。

实用新型内容

本公开一些实施例提供一种激光测距装置，所述激光测距装置包括：

激光器，配置为发射激光；

驱动器，配置为驱动所述激光器；

分光器，配置为将所述激光分成测试激光和参考激光；

参考部件，配置为接收并反射所述参考激光；

探测器，配置为接收并探测由参考部件反射的所述参考激光以及由障碍物反射的所述测试激光；以及

处理器，配置为基于所述探测器的探测结果确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。

在一些实施例中，所述处理器配置为：

基于所述探测器探测的所述参考激光确定所述参考部件与所述分光器之间的第一探测距离；

基于所述探测器探测的所述测试激光确定所述障碍物与所述分光器之间的第二探测距离；以及

基于所述参考部件与所述分光器之间的标定距离与所述第一探测距离之间的偏差修正所述第二探测距离以获得所述障碍物与所述分光器之间的修正距离。

在一些实施例中，所述探测器包括：

成像透镜，配置为透射由参考部件反射的所述参考激光以及由障碍物反射的所述测试激光；以及

成像器，配置为接收由所述成像透镜透射的所述参考激光以及测试激光，

所述参考激光投射在所述成像器上的光斑位置与所述测试激光投射在所述成像器上的光斑位置不交叠。

在一些实施例中，所述处理器配置为基于三角测距法确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。

在一些实施例中，所述参考部件具有反射表面。

在一些实施例中，所述激光测距装置包括激光测距模组，所述激光器、分光器、探测器以及参考部件集成在所述激光测距模组内。

在一些实施例中，所述激光测距装置包括激光测距模组，所述激光器、分光器、探测器集成在所述激光测距模组内，所述参考部件位于所述激光测距模组外。

在一些实施例中，所述激光器配置为发射连续激光或者发射具有预设占空比的间歇激光。

在一些实施例中，所述激光器包括点激光器、线激光器中的至少一个。

在一些实施例中，所述激光的波长大于808nm。

本公开一些实施例提供一种自动清洁设备，包括前述实施例所述的激光测距装置。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。在附图中：

图1为本公开一些实施例提供的激光测距装置的结构示意图；

图2为本公开一些实施例提供的激光三角测距原理图；

图3为本公开一些实施例提供的自动清洁设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

本领域中，激光测距装置，例如基于三角法原理的测距仪、激光雷达等，测量精度受诸多因素影响，包括但不限于透镜组件热离焦、透镜组件俯仰角温漂、激光器俯仰角温漂、结构支架的热变形及湿度形变、粘接胶水的热应力变化以及光学透镜的热变形及湿度形变。

激光测距装置受上述因素影响，高低温下的测量精度较常温(标定温度)时劣化明显，导致装配有激光测距装置的自动清洁设备，例如清扫机器人等，在环境温度较低或者较高时出现碰撞或漏扫等问题，严重影响用户体验。自动清洁设备，例如清扫机器人等在运输过程中，可能长时间置于高温高湿环境中，也会造成其上的激光测距装置的非金属件(光学透镜、结构支架等)发生不可逆的形变，影响测距精度。针对上述情况，需要在激光测距装置内部设置自修正系统，用于实时或定时修正上述因素引起的测距偏差。

相关技术中，可以在激光测距装置内部处理器中写入精度漂移修正曲线，该曲线横坐标例如为激光测距装置工作的环境温度，单位一般为摄氏度，纵坐标为测距修正值，单位一般为毫米。激光测距装置通过内部或外部的温度传感器获知工作环境温度，然后根据工作环境温度值，在精度漂移修正曲线上查找到对应的测距修正值，运行在激光测距装置内部的测距修正算法根据实时的测距值和查找到的测距修正值，综合运算，输出修正后的测距值。

采用上述方案通常是为了确保生产效率，所有激光测距装置内部均写入同一精度漂移修正曲线，该精度漂移修正曲线通过研发阶段和批量试制阶段的摸底测试获得，基于一定样本量数据的归纳和折中，难以完全适配量产的所有激光测距装置，不可避免的会引入过修正或欠修正的问题。另外对于大部分激光测距装置，其精度漂移修正曲线为单调曲线，所有激光测距装置内部均写入同一精度漂移修正曲线的前提是默认所有激光测距装置的精度漂移方向一致。但在实际生产过程中，受物料批次、工艺管控能力等方面影响，不可避免的会出现部分激光测距装置精度漂移方向非单调甚至与既有精度漂移曲线相反，此时激光测距装置按照既有精度漂移曲线进行测距值修正，将造成误修正，严重劣化测量结果。再者该精度漂移修正曲线仅能修正环境温度变化引入的激光测距装置测距误差，无法修正环境湿度引入的激光测距装置测距误差。

在另一相关技术中，通过牺牲生产效率，确保激光测距装置的测距精度。具体地，激光测距装置内部处理器中不再统一写入同一精度漂移修正曲线，各激光测距装置在变温环境(温箱)中采集各自的精度漂移曲线，可有效避免过修正或欠修正的问题，也可以有效规避精度漂移方向非单调及反向所引入的误修正。

采用该种方案生产效率较低，生产成本较高，无法满足大规模消费类产品生产的要求，仅适合高价值小批量产品的生产。再者该精度漂移修正曲线仅能修正环境温度变化引入的激光测距装置测距误差，无法修正环境湿度引入的激光测距装置测距误差。

为了克服上述缺陷，本公开提供一种激光测距装置，所述激光测距装置包括：激光器，配置为发射激光；分光器，配置为将所述激光分成测试激光和参考激光；参考部件，配置为接收并反射所述参考激光；探测器，配置为接收并探测由参考部件反射的所述参考激光以及由障碍物反射的所述测试激光；以及处理器，配置为基于所述探测器的探测结果确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。

通过引入参考部件，基于探测器接收到的由参考部件反射的参考激光，实时修正基于探测器接收到的由障碍物反射的测试激光而确定的测距结果。可以在保证生成效率的同时，针对每个自动清洁设备的激光测距装置独立地进行测距值修正，保证测量结果。

下面结合附图详细说明本公开的可选实施例。

图1为本公开一些实施例提供的激光测距装置的结构示意图。如图1所示，一种激光测距装置100，其特征在于，所述激光测距装置100包括激光器10、分光器20、参考部件30、探测器40以及处理器。

激光器10配置为发射激光，激光器例如包括驱动电路，用以驱动激光器产生激光，激光可以为连续激光或按照特定占空比间歇性激光。在一些实施例中，激光例如为波长为808nm及以上近的红外波段激光，激光波长包括但不限于808nm、850nm、905nm、940nm等。在一些实施例中，所述激光器可以为单点激光器、线激光器或它们的组合。

分光器20，例如为分光镜等配置为将激光器10发射的激光分成测试激光和参考激光，测试激光用于执行激光测距，可以采用激光三角测距原理等来进行测量物体，例如障碍物与激光测距装置之间的距离。参考激光用于执行修正激光测距。在一些实施例中，分光器20还可以使用激光测距装置的透光罩执行分光操作，将透光罩反射的杂散光作为参考光束。

参考部件30配置为接收并反射所述参考激光，参考部件30与分光器20之间的距离是提前标定的，记为标定距离，参考部件30可以选择受温湿度影响小的材质制成。

探测器40配置为接收并探测由参考部件30反射的所述参考激光以及由障碍物200反射的所述测试激光。探测器40，例如为光电探测器，包括但不限于CMOS、CCD、SPAD和SIPM等探测器。

处理器配置为基于所述探测器40的探测结果确定所述障碍物200与所述分光器20之间的距离，该距离是经过修正后的测量距离，可以认为是比较准确的激光测距装置100与障碍物200之间的距离。

本公开一些实施例中的激光测距装置中，通过引入参考部件，基于探测器接收到的由参考部件反射的参考激光，实时修正基于探测器接收到的由障碍物反射的测试激光而确定的测距结果。可以在保证生成效率的同时，针对每个自动清洁设备的激光测距装置独立地进行测距值修正，保证测量结果。

本公开的激光测距装置例如采用激光三角测距原理来进行测距，以下具体介绍激光三角测距原理。

图2为本公开一些实施例提供的激光三角测距原理图，如图2所示，激光发射器1与透镜组件2位于基准线上，两者之间的距离为s，透镜组件2的焦距为f，激光发射器1的激光出射方向与基准线的夹角为β。s、f以及β均为已知量。

假设目标物体3在点状激光的照射下，反射回透镜组件2，并在透镜组件2的像平面的成像位置为成像点P。

由几何知识可作相似三角形，具体地，平行于激光出射方向作辅助线，且该辅助线经过透镜组件2，该辅助线与透镜组件2的像平面交于辅助点P’。激光发射器1、透镜组件2与目标物体3组成的三角形，相似于透镜组件2、成像点P与辅助点P′组成的三角形。

如图2所示，设成像点P与辅助点P′之间的举例为x，q表示目标物体3到基准线的距离、d表示激光发射器1与目标物体3之间的距离。如图2所示，根据上述两相似三角形可得：

f/x＝q/s

进而，q＝fs/x

x可以分为两部分，如图2所述x＝x1+x2，x1为辅助点P′与透镜组件2的光轴之间的距离，x2为成像点P与透镜组件2的光轴之间的距离。

其中x1＝f/tanβ

x2可以根据位于透镜组件像平面处的探测部件的像素单元的尺寸以及具体地成像位置确定。

最后，可以计算获得激光发射器1与目标物体3之间的距离d＝q/sinβ。

在一些实施例中，激光测距装置的具有实施修正测量距离的工作原理如下：

基于所述探测器40探测的所述参考激光确定所述参考部件30与所述分光器20之间的第一探测距离。该第一探测距离例如基于上述的激光三角测距原理确定，分光器20可以认为是参考激光的出射点。

基于所述探测器40探测的所述测试激光确定所述障碍物200与所述分光器20之间的第二探测距离，该第二探测距离例如基于上述的激光三角测距原理确定，分光器20可以认为是测试激光的出射点。

基于所述参考部件30与所述分光器20之间的标定距离与所述第一探测距离之间的偏差修正所述第二探测距离以获得所述障碍物200与所述分光器20之间的修正距离。

激光测距装置可以在预设环境，例如预设温度及湿度等条件下，利用上述激光三角测距原理测定参考部件30与分光器20之间距离作为标定距离。可以认为参考部件30采用选择受温湿度影响小的材质制成，可以认为参考部件30与分光器20之间的标定距离基本上不会随着环境因素而变化，激光测距装置组装完成后，该标定距离基本固定。激光测距装置在受环境温度、湿度等变化影响会发生测距漂移时，采用激光三角测距原理测量获得的参考部件30与分光器20之间的第一测量距离也将同时发生漂移，即与标定距离之间存在偏差。同样采用激光三角测距原理测量获得的障碍物200与分光器20之间的第二测量距离也将同时发生漂移，即与障碍物200和分光器20之间的实际距离存在偏差。利用第一测量距离与标定距离之间的偏差可以在进行障碍物距离测量中实时地修正测量获得的第二测量距离，从而得到所述障碍物200与所述分光器20之间的基本接近真实距离的修正距离。

在一些实施例中，如图1所示，所述述探测器40包括成像透镜41和成像器42。成像透镜41配置为透射由参考部件30反射的所述参考激光以及由障碍物200反射的所述测试激光。成像器42配置为接收由所述成像透镜41透射的所述参考激光以及测试激光。成像透镜41将参考激光以及测试激光分别成像在成像器42上，便于后续的测量计算。

如图1所示，成像器42位于成像透镜41的像平面处，其基本上垂直于成像透镜41的光轴AX，成像器42与成像透镜41之间的距离为成像透镜41的焦距。

所述参考激光投射在所述成像器42上的光斑位置与所述测试激光投射在所述成像器上的光斑位置不交叠。具体地，可以通过测试激光和参考激光可以设置不同的出光角度来实现。如图1所示，经过成像透镜41的中线与测试激光出光方向平行的辅助线与成像器42相交于A点，成像器42两端点分别为B和C点。由障碍物200反射的测试激光在成像器42上的成像光斑位于AB之间，由参考部件30反射的参考激光在成像器42上的成像光斑位于AC之间，两者不会交叠。如此设置，可以避免参考激光和测试激光的相互干扰，避免影响测距效果。

在一些实施例中，如上所述，所述处理器配置为基于激光三角测距法确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。在其他实施例中，处理器还可以配置为基于其他测距方法，例如脉冲测距法、相位测距法等来测量所述障碍物与所述分光器之间的距离。

在一些实施例中，测量激光的光强大于参考激光的光强，在激光光源总功率一定的情况下，参考激光的光强可以尽可能的减小，满足正常的测距即可，激光能量可以尽可能地集中在测量激光上，使得激光测距装置可以测量较远的障碍物。

在一些实施例中，所述参考部件30具有反射表面。参考部件30例如可以采用高反射率靶标，充分利用光强较低的参考激光来实现探测探测距离。在其他实施例中，参考部件30表面还可以涂覆高反射涂层，同时增大探测器的曝光时间和增益。

在一些实施例中，所述激光测距装置100包括激光测距模组，所述激光器10、分光器20、探测器40以及参考部件30集成在所述激光测距模组内。使得激光测距模组结构紧凑，各组件，尤其是分光器20、参考部件30之间的位置关系相对固定，基本上不会受外界环境影响，分光器20与参考部件30之间标定距离基本保持不变。

在一些实施例中，所述激光测距装置100包括激光测距模组，所述激光器10、分光器20、探测器40集成在所述激光测距模组内，所述参考部件30可以位于所述激光测距模组外。参考部件30需要选择受温度及湿度影响小的材质，避免其形变影响自修正精度。

图3为本公开一些实施例提供的自动清洁设备的结构示意图，如图3所示，本公开一些实施例提供一种自动清洁设备300，例如为清扫机器人、扫拖一体机等。所述自动清洁设备300包括前述实施例所述的激光测距装置100。激光测距装置100例如设置在自动清洁设备300的侧壁上，用于探测自动清洁设备300前进方向上的障碍物，并确定障碍物的距离信息，便于自动清洁设备执行避障操作。

本公开实施例提供的自动清洁设备，可以不受外界环境因素干扰，准确地测定障碍物的距离信息，利于自动清洁设备的避障操作。

最后应说明的是：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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置包括：

激光器，配置为发射激光；

驱动器，配置为驱动所述激光器；

分光器，配置为将所述激光分成测试激光和参考激光；

参考部件，配置为接收并反射所述参考激光；

探测器，配置为接收并探测由参考部件反射的所述参考激光以及由障碍物反射的所述测试激光；以及

处理器，配置为基于所述探测器的探测结果确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。

2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其中，所述处理器配置为：

基于所述探测器探测的所述参考激光确定所述参考部件与所述分光器之间的第一探测距离；

基于所述探测器探测的所述测试激光确定所述障碍物与所述分光器之间的第二探测距离；以及

基于所述参考部件与所述分光器之间的标定距离与所述第一探测距离之间的偏差修正所述第二探测距离以获得所述障碍物与所述分光器之间的修正距离。

3.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述探测器包括：

成像透镜，配置为透射由参考部件反射的所述参考激光以及由障碍物反射的所述测试激光；以及

成像器，配置为接收由所述成像透镜透射的所述参考激光以及测试激光，

所述参考激光投射在所述成像器上的光斑位置与所述测试激光投射在所述成像器上的光斑位置不交叠。

4.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述处理器配置为基于三角测距法确定所述障碍物与所述分光器之间的距离。

5.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述参考部件具有反射表面。

6.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述激光测距装置包括激光测距模组，所述激光器、分光器、探测器以及参考部件集成在所述激光测距模组内。

7.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述激光测距装置包括激光测距模组，所述激光器、分光器、探测器集成在所述激光测距模组内，所述参考部件位于所述激光测距模组外。

8.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述激光器配置为发射连续激光或者发射具有预设占空比的间歇激光。

9.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述激光器包括点激光器、线激光器中的至少一个。

10.根据权利要求1或2所述的激光测距装置，其中，所述激光的波长大于808nm。

11.一种自动清洁设备，其特征在于，所述自动清洁设备包括权利要求1至10中任一项所述的激光测距装置。

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