CN220491038U - 一种多点激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光测距装置，其特征在于，包括电路板、发射阵列、准直透镜、第一透镜支架、接收阵列、聚焦透镜、第二透镜支架；其中，发射阵列包含M个呈阵列排布且相对于主光轴的位置不同的发射单元；其中，接收阵列包含N个呈阵列排布且相对于与主光轴位置不同的接收单元；M和N均为大于1的正整数，且M小于或等于N；接收单元包括至少一个感光芯片。本申请采用了阵列式结构，对光发射器及光接收器的结构进行改变，能发射并接收多个不同角度的激光束，实现多点激光测距，拓宽垂直面的测量范围，提高光的接收强度；接收阵列中增加了光感芯片，在三角测距中引入了TOF测距，弥补了远距离测距精度差的缺陷，延伸了测量范围。

Description

一种多点激光测距装置

技术领域

本实用新型涉及激光探测技术领域，具体涉及一种多点激光测距装置。

背景技术

空间定位技术随着元器件的小型化，成本的低廉化，已经越来越普及到普通消费级市场中，其中最典型的应用场景为家用小型机器人，无人机等移动端的自主导航领域。空间定位技术中，光学定位较其他定位方式如超声波定位，射频电路定位等具有精度高，响应快，抗干扰性相对较强等优势，因此被广泛采纳。

激光测距(laser distance measuring)是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

现有技术中，绝大部分扫地机器人、服务机器人大多采用单线激光雷达探测空间的距离信息，以获取空间点云数据进行导航或者避障。其激光雷达往往是基于单点测距，故只能探测一个水平面的空间距离信息，难以适应复杂场景的导航和避障。如现有专利《图像传感器、光学测距方法及装置》(专利号：CN202210454219.3)中提供一种基于分区曝光以及数据采集处理的方法，实现多点测距，其不足在于受限于面阵图像传感器的垂直方向可视角过小，难以实现机器人在垂直方向上大角度的测量。

因此，如何设计一种能够适应复杂场景导航和避障的大角度、多点式激光测距装置，是待解决的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有技术存在的问题，提供一种多点激光测距装置。

本申请实施例提供了一种多点激光测距装置，包括电路板、发射阵列、准直透镜、第一透镜支架、接收阵列、聚焦透镜、第二透镜支架；

其中，所述发射阵列包含M个呈阵列排布且相对于主光轴的位置不同的发射单元；

其中，所述接收阵列包含N个呈阵列排布且相对于与主光轴位置不同的接收单元；

其中，M和N均为大于1的正整数，且M小于或等于N；

其中，所述接收单元包括至少一个感光芯片。

优选地，所述感光芯片为APD芯片或SPAD芯片。

优选地，所述接收单元还包括至少一个CMOS传感器。

优选地，M个所述发射单元发射M个不同角度的激光束。

优选地，M个不同角度的激光束照射至目标物生成M个反射激光束。

优选地，N个所述接收单元用于接收经目标物反射的M个反射激光束。

优选地，所述聚焦透镜用于将所述反射激光束会聚到所述接收阵列。

优选地，所述电路板包括处理器，用于获取所述接收阵列输出的电信号并处理。

在本申请实施例中，具有以下优点：(1)采用了低廉的阵列式CMOS传感器，对传统的光发射器及光接收器的结构进行改变，能够发射并接收多个不同角度的激光束，实现了多点激光测距，拓宽了垂直面的测量范围，提高了光的接收强度；(2)在接收阵列中设置了光感芯片(APD或SAPD)，即在传统三角测距模式中引入了TOF测距模式，弥补了三角测距模式远距离测距精度差的缺陷，延伸了测距装置的测量范围，进一步缩小了测距装置的体积。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式。

附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的平面结构示意图；

图2为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的第一种光路结构示意图；

图3为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的第二种光路结构示意图；

图4为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的第三种光路结构示意图；

图5为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的第四种光路结构示意图；

图6为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的第五种光路结构示意图；

图7为根据本申请一示例性实施例提供的一种多点激光测距装置的第六种光路结构示意图。

附图标记

1-电路板，2-发射阵列，3-第一透镜支架，4-准直透镜，5-目标物，6-聚焦透镜，7-第二透镜支架，8-接收阵列。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本申请实施例提供一种多点激光测距装置，下面结合附图进行说明。

请参考图1，其示出了本申请的一些实施方式所提供的一种多点激光测距装置，包括电路板1、发射阵列2、第一透镜支架3、准直透镜4、聚焦透镜6、第二透镜支架7和接收阵列8。

其中，发射阵列2包括M个呈阵列排布的发射激光器，多个激光器按照一定的排布方式固定在一个PCB电路板上，由于M个激光器是分布式的排列结构，故每个发射激光器相对于主光轴的位置均不一样，M个激光器发出M个光束，通过准直透镜准直后，形成M个出射角度不相同的发射光束。由于各个相邻光束之间存在一定的夹角，随着传播距离的增加，各个光束会逐渐按照不同的角度出射，最后会形成一个垂直于水平面的点阵光束，以此增大激光的扫描范围，最后达到拓宽垂直面的测量范围的目的。

其中，接收阵列8用于接收目标物5反射回来的光束并进行信号处理，具体地，接收阵列8包含N个接收单元，本实施例中，接收单元为CMOS传感器和至少一个光感芯片，多个CMOS传感器和光感芯片按照一定的排布方式固定在一个PCB板上，由于所述的多个CMOS传感器相对主光轴的位置不一样，通过镜头接收到的光束的入射角度是不一样，基于此可以实现垂直于水平面的多点探测的多线激光雷达。

本实施例中，M和N均是大于1的正整数，在一些优选的实施例中，M和N是相等的，即首先需要设置每一个激光器对应的传感器，如传感器D0对应传感器S0，由于CMOS传感器比较大。因此，可以设置几个激光器发射的激光信号由一个CMOS接收，例如传感激光器D0、D1对应传感器S0，传感器D2、D3对应传感器S1；也可是以每一个激光器对应一个CMOS传感器。

另外，多点激光测距装置在工作时，也可以选择多种不同的曝光方式以适应不同的应用场景，如为了实现异步多角度循环信号采集，将接收阵列的传感器配置为CMOS传感器1、CMOS传感器2、CMOS传感器3、...CMOS传感器n、......，分别在t1、t2、t3、...tn......时刻循环曝光；在另一优选的实施例中，还可以配置成任意CMOS传感器分别在t1、t2、t3、...tn......时刻循环曝光，通过这种方式，可以针对不同的应用场景，有针对性的重点循环信号采集。

优选地，在实际工作中，首先需要设置每一个激光器对应的CMOS传感器，如传感器D0对应传感器S0，由于CMOS传感器比较大。因此，可以设置几个激光器发射的激光信号由一个CMOS接收，例如传感激光器D0、D1对应传感器S0，传感器D2、D3对应传感器S1。

在实际使用过程中，由于在接收阵列中增加了TOF感光芯片(APD或SAPD)，用于接收远距离光信号，即提供了一种复合功能收发模组，接收端选择某一个激光器设置为基于TOF测距的激光器，设置发射功率、调整不同的激光波段，在接收端CMOS传感器阵列中额外添加基于TOF测距的感光芯片APD或SPAD等，以接收基于TOF测距的激光器反射回来的光斑信号；其他结构激光器、CMOS基于近距离三角测距；从而实现同一个模组中，实现三角测距和TOF测距的相结合的多种测试场景测距效果。

进一步地，针对图3的方案，测距装置的曝光方式可以配置为：(1)CMOS传感器1、CMOS传感器2、CMOS传感器行3、...CMOS传感器n、......分别在t1、t2、t3、...tn......时刻循环曝光；而APD或SPAD传感器S在ts时刻循环曝光。

针对图1的结构，本发明可以实现以下多种不同的探测模式：

(1)多线三角和TOF混合测距模式

参照图2，在该实施例中，需要驱动发射阵列的多个激光器发射器发射激光，接收端通过多个CMOS传感器和TOF感光芯片共同接收反射激光信号，从而实现多线三角测距和TOF混合测距模式。

(2)多线三角测距场景模式

参照图3，在该实施例中，需要驱动发射阵列的多个激光器发射器发射激光，接收端通过多个CMOS传感器接收反射激光信号，从而实现多线三角测距模式。

(3)快速扫描建图模式

参照图4，在该实施例中，仅需要驱动发射阵列的一个激光器发射器发射激光，接收端通过一个CMOS传感器接收反射激光信号，这种情况可以快速建图，相比于其他面阵激光雷达扫描3D建模节约时间、以及运算量。

(4)TOF测距模式

参照图5，在该实施例中，仅需要驱动反射阵列的一个激光反射器发射激光，接收端通过TOF光感芯片接收反射激光信号，就可以实现远距离测距。

(5)上方障碍物测距模式

参照图6，在该实施例，仅需要发射阵列靠近上方的激光发射器发射激光，接收端通过上方的CMOS传感器接收反射激光信号，以此实现上方障碍物的测距。

(6)下方障碍物测距模式

参照图7，在该实施例，仅需要发射阵列靠近下方的激光发射器发射激光，接收端通过下方的CMOS传感器接收反射激光信号，以此实现下方障碍物的测距。

在本申请实施例中，具有以下优点：(1)采用了低廉的阵列式CMOS传感器，对传统的光发射器及光接收器的结构进行改变，能够发射并接收多个不同角度的激光束，实现了多点激光测距，拓宽了垂直面的测量范围，提高了光的接收强度；(2)在接收阵列中设置了光感芯片(APD或SAPD)，即在传统三角测距模式中引入了TOF测距模式，弥补了三角测距模式远距离测距精度差的缺陷，延伸了测距装置的测量范围，进一步缩小了测距装置的体积。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种多点激光测距装置，其特征在于，包括电路板、发射阵列、准直透镜、第一透镜支架、接收阵列、聚焦透镜、第二透镜支架；

其中，所述发射阵列包含M个呈阵列排布且相对于主光轴的位置不同的发射单元；

其中，所述接收阵列包含N个呈阵列排布且相对于与主光轴位置不同的接收单元；

其中，M和N均为大于1的正整数，且M小于或等于N；

其中，所述接收单元包括至少一个感光芯片。

2.根据权利要求1所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，所述感光芯片为APD芯片或SPAD芯片。

3.根据权利要求1所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，所述接收单元还包括至少一个CMOS传感器。

4.根据权利要求1所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，M个所述发射单元发射M个不同角度的激光束。

5.根据权利要求4所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，M个不同角度的激光束照射至目标物生成M个反射激光束。

6.根据权利要求5所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，N个所述接收单元用于接收经目标物反射的M个反射激光束。

7.根据权利要求5或6所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，所述聚焦透镜用于将所述反射激光束会聚到所述接收阵列。

8.根据权利要求1所述的一种多点激光测距装置，其特征在于，所述电路板包括处理器，用于获取所述接收阵列输出的电信号并处理。