TW202127061A - 鐳射測距裝置與機器人 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種鐳射測距裝置與機器人。鐳射測距裝置包括發射單元及接收單元。發射單元包括用於發射脈衝鐳射至待被測距之目標物體之發射器及用於供所發射之脈衝鐳射通過之發射透鏡。接收單元包括用於接收從目標物體反射之脈衝鐳射之光探測器及用於供所反射之脈衝鐳射通過之接收透鏡。其中，接收單元之視場角大於發射單元之視場角，並且接收透鏡之外緣與發射透鏡之外緣之間距小於或等於3mm。根據本發明所提供之鐳射測距裝置與機器人，適於採用飛行時間法於室內環境下進行短距離高頻次測距，測距精度更高，並且成本較低。

Description

鐳射測距裝置與機器人

本發明涉及智能家居之技術領域，且更具體地涉及一種鐳射測距裝置與機器人。

於民用與商用領域中，用於環境探測及地圖構建之鐳射測距方法按技術路線大體可以分為兩類：一類是飛行時間法（Time of Flight，TOF），另一類是三角測距法。其中，TOF對溫度變化產生之形變不敏感，其測距精度(尤其是於遠距離測距時)高於三角測距法。然而，目前TOF大多應用於遠距離測距之場景，例如無人機或自動駕駛等。於室內環境下相對短距離（例如低於30米）之高頻次（例如高於1000次/秒）測距場景中大多應用三角測距法。這主要是由於採用TOF測距之裝置成本更高，並且近距離測距時反射之雜散光過多，各種原因導致接收光之信噪比太低，因而測距精度較差。這些因素限制了TOF測距於室內環境下相對短距離之高頻次測距場景中之應用。

於本部分引入了一系列簡化形式之概念，這將於具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明之發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護之技術方案之關鍵特徵及必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護之技術方案之保護範圍。

為了至少部分地解決上述技術問題，本發明之實施例提供了一種鐳射測距裝置，所述鐳射測距裝置包括：

發射單元，所述發射單元包括用於發射脈衝鐳射至待被測距之目標物體之發射器及用於供所發射之脈衝鐳射通過之發射透鏡；以及

接收單元，所述接收單元包括用於接收從所述目標物體反射之脈衝鐳射之光探測器及用於供所反射之脈衝鐳射通過之接收透鏡；

其中，所述接收單元之視場角大於所述發射單元之視場角，並且所述接收透鏡之外緣與所述發射透鏡之外緣之間距小於或等於3mm。

根據本發明之實施例所提供之鐳射測距裝置，接收單元之視場角大於發射單元之視場角。於由此發射單元之發射角較小之情況下，於功率有限之情況下能夠將雷射脈衝發送至更遠之距離。而接收單元能夠具有儘量大之光場，可以使發射視場與接收視場之交疊區更大而盲區更小，能夠接收更多之光強，從而可以提高接收信號之信噪比。此外，發射透鏡與接收透鏡之外緣間距不大於3mm，可以進一步減小發射視場與接收視場之盲區，能夠避免測不到近處之物體。這些特性使得根據本發明之鐳射測距裝置適於採用TOF於室內環境下進行短距離高頻次之測距。

根據本發明實施例之另一個方面，還提供一種機器人，所述機器人包括如上所述之鐳射測距裝置。

根據本發明實施例所提供之機器人，其所裝備之鐳射測距裝置適於採用TOF於室內環境下進行短距離高頻次之測距，測距精度更高，並且成本較低。

於下文之描述中，給出了大量具體之細節以便提供對本發明更為徹底之理解。然而，對於所屬技術領域中具有通常知識者來說顯而易見的是，本發明實施方式可以無需一個或複數個這些細節而得以實施。於其他之例子中，為了避免與本發明實施方式發生混淆，對於本領域公知之一些技術特徵未進行描述。

為了徹底瞭解本發明實施方式，將於下列之描述中提出詳細之結構。顯然，本發明實施方式之施行並不限定於本領域之技術人員所熟習之特殊細節。

本發明之實施例提供了一種鐳射測距裝置，其可以將雷射脈衝發射至待被測距之目標物體，然後接收目標物體反射之雷射脈衝，並且對所接收之雷射脈衝進行分析計算從而得出目標物體與該鐳射測距裝置之間之距離。根據本發明之實施例所提供之鐳射測距裝置適於採用TOF於室內環境中進行短距離（例如低於30米）高頻次（例如高於1000次/秒）測距。下面結合附圖進行詳細介紹。

如圖1所示，根據本發明之一個可優選實施方式之鐳射測距裝置1主要包括測距元件10及外殼體20。其中，測距元件10是鐳射測距裝置1實現測距功能之核心部件。

外殼體20大致構造為圓餅狀，其罩設於測距元件10之外部，起到固定及保護之作用。可以理解，於其他之實施方式中，外殼體20還可以構造為橢圓餅形或立方體等之形狀。外殼體20上設置有供發射之雷射脈衝通過之第一開口21及供待被測距之目標物體反射之雷射脈衝通過之第二開口22。

雖然附圖中沒有示出，所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，鐳射測距裝置1還可以包括固定座。外殼體20扣合於固定座上，其與固定座之間形成大致封閉之內部空間，測距元件10容納於該內部空間內。固定座上還可以設置諸如螺釘孔或卡扣等之安裝結構，可以通過安裝結構將鐳射測距裝置1安裝固定至機器人、無人機等。

如圖2及圖6所示，測距元件10包括發射單元11、接收單元12及框架13。發射單元11及接收單元12分別固定於框架13上，形成一個整體。

如圖3所示，發射單元11包括發射器111、發射電路板112及發射透鏡113。發射器111用於發射測距所用之雷射脈衝。於本發明之一個實施方式中，發射器111構造為鐳射二極體。該鐳射二極體集成地設置於發射電路板112上。框架13上設置有第一光腔131。發射電路板112及發射透鏡113固定至框架13並且分別位於第一光腔131之兩端。發射器111發射之雷射脈衝可以通過發射透鏡113向外傳遞。發射透鏡113能夠對經過其之雷射脈衝起到聚焦及准直之作用。可以理解，於其他實施方式中，還可以使用其他能夠發射鐳射之裝置作為發射器。

可選地，發射單元11還包括調節器114。發射透鏡113安裝於調節器114上，並且調節器114以可調節之方式設置於框架13之第一光腔131內。由此，可以通過改變調節器114於第一光腔131內之位置來調節發射透鏡113相對於發射器111之位置，以調節校準發射單元11之光路。其中，位置調節之方向可以包括沿雷射脈衝傳遞之方向及與雷射脈衝傳遞之方向相垂直之方向。

於圖3及圖6示出之實施方式中，調節器114具有圓筒形之結構。調節器114之外側面及第一光腔131之內側面分別設置有螺紋。調節器114通過螺紋嚙合之方式可移動地設置於第一光腔131內。於校準時，可以旋擰調節器114以調節發射透鏡113之位置。調節之方式比較簡單。當發射透鏡113調整到位之後，可以通過諸如點膠等之工藝將調節器114及發射透鏡113固定於該位置。

為了適應於室內環境下測距，發射器111所發射之雷射脈衝之中心波長可以為905nm或850nm。這些波長之光可以與通常室內環境下之環境光區分開，有利於減弱環境光之影響，提高測距之準確性。可以理解，由於室外之環境光中存在大量波長接近850nm之雜散光，因而，中心波長為850nm之雷射脈衝不適於於室外環境中使用，比較適合應用於室內環境測距。

接收單元12包括光探測器121、接收電路板122及接收透鏡123。光探測器121用於感測目標物體反射回之雷射脈衝，並生成相應之光電信號傳遞至接收電路板122。接收電路板122上之分析電路等對光電信號進行分析計算以獲知目標物體與鐳射測距裝置1之間距離。光探測器121封裝於如圖4中所示之封裝模組124中，並集成地設置於接收電路板122上。此外，框架13上設置有與第一光腔131隔離之第二光腔132。接收電路板122及接收透鏡123固定至框架13並且分別位於第二光腔132之兩端。由目標物體反射回之雷射脈衝於被光探測器121感測之前可以通過接收透鏡123進行聚焦及准直。

為了儘量多之接收目標物體反射之雷射脈衝，以增加接收之光強，提高信噪比，接收單元12可以設置儘量大之接收視窗，也即接收透鏡123儘量大。然而，如圖1及圖6所示，受限於安裝空間，並且出於小型化之考慮，鐳射測距裝置1本身之尺寸有限。可以理解，外殼體20大致限定鐳射測距裝置1之外部輪廓。因而鐳射測距裝置1於厚度方向（也即上述圓餅形狀之軸向）之尺寸明顯小於其於平行於外殼體20之端面23之方向（也即上述圓餅形狀之徑向）之尺寸。因此，如圖2所示，接收透鏡123設置為其沿平行於端面23之方向之尺寸大於其沿上述厚度方向之尺寸，以形成儘量大之接收視窗。例如，接收透鏡123可以構造為於垂直於其光軸AX2（見圖3）之平面上具有矩形之投影，其中矩形之長邊與端面23平行，而矩形之短邊則垂直於端面23。

此外，發射透鏡113及接收透鏡123中之至少一個之外表面構造為自由曲面。也即，上述透鏡之外表面滿足以下公式：

於上述公式中，z為透鏡厚度方向之值，r為曲面上任一點之極座標值，k為二次曲面係數，c為曲面定點之曲率半徑。複數個αi是要設置之參數。自由曲面優選為二次曲面，其具有良好之聚焦及准直效果。因此，使用單片透鏡即可，而不必設置包括複數個透鏡之透鏡組。進一步地，發射透鏡113與接收透鏡123中之至少一個之透鏡焦距設置為小於或等於50mm。另外，接收透鏡123之厚度可以設置為小於或等於5mm。如此設置，透鏡之尺寸較小，有利於鐳射測距裝置之小型化。

鐳射測距裝置通常於機器人、無人機或無人駕駛等之應用場景中作為感知系統之一部分使用。機器人或無人機等需要依據鐳射測距裝置所感知之周圍環境資訊來構建環境地圖。由此機器人或無人機能夠於所構建之環境地圖內規劃移動路徑並且主動避讓障礙物，從而實現自主移動。因此，鐳射測距裝置最好避免存在盲區，尤其是避免存在近處之盲區。而常規設置之鐳射測距裝置於小型化時通常會導致盲區之出現甚至擴大，這是不可調和之天然矛盾。

另外，測距準確性是衡量鐳射測距裝置之性能之一個基本指標。而實現測距準確之前提是信噪比能夠達到預定之指標，否則測准就無從談起。因此儘量提高接收到之雷射脈衝之占比，減少其他光信號噪音之引入，是鐳射測距裝置之光路設計全程需要考慮之問題。

綜合來看，對鐳射測距裝置之設計優化需要解決盲區、信噪比、速度漂移以及誤差控制等之問題，要考量及平衡多方面之因素。

圖3示意性地示出了發射單元11之視場角θ及接收單元12之視場角β。本發明實施例所提供之鐳射測距裝置1設置為接收單元12之視場角β大於發射單元11之視場角θ。從圖3可以看出，根據此設置，接收視場與發射視場之交疊區為A區與B區之和，而二者之間之盲區僅為D區。

相比之下，當接收單元12之視場角與發射單元11之視場角相同（均為θ）時，接收視場與發射視場之交疊區為A區，而二者之間之盲區為C區與D區。可以理解，當接收單元之視場角小於發射單元之視場角時，二者之視場之交疊區進一步減小而盲區進一步增加。

由此可見，根據本發明實施例所提供之技術方案，接收單元能夠具有儘量大之光場，可以使接收視場與發射視場具有更大之交疊區並且減小甚至消除盲區，接收單元能夠接收更多之光強，並且還可以提高接收信號之信噪比。另外，發射單元之發射角較小，於功率有限之情況下能夠將雷射脈衝發送至更遠之距離，有利於測距。

此外，發射單元11與接收單元12沿橫向間隔佈置。根據圖3所示出之，可以看出，發射透鏡113之外緣與接收透鏡123之外緣之間距L越大，二者之光軸AX1與AX2之間之距離也越大。相應地，D區之三角形之面積也越大。也即發射視場與接收視場之盲區越大。因此，為了減小盲區，應當使發射透鏡113與接收透鏡123之外緣間距L儘量小。根據本發明實施例所提供之技術方案，發射透鏡113之外緣與接收透鏡123之外緣之間距L設置為小於或等於3mm。由此能夠儘量地減小發射視場與接收視場之盲區，能夠儘量避免測不到近處之物體。這些特性使得本發明實施例所提供之鐳射測距裝置適於採用TOF於室內環境下進行短距離高頻次之測距。

目前利用TOF進行室外測距之鐳射測距裝置大多使用雪崩光電二極體（avalanche photodiode，APD）作為光探測器。這是由於APD具有很大之放大倍率，即使於室外環境中也能夠捕捉相對較弱之反射雷射脈衝並將其放大以供分析計算，因而適於於室外環境下進行鐳射測距。然而，APD於對反射之雷射脈衝放大之同時，也會將其所接收之環境光雜訊等比放大。因此，通常還需要設置光濾波片，將放大後之環境光雜訊過濾，以免其對分析計算結果產生影響，導致測距不准。

而根據本發明實施例所提供之鐳射測距裝置1，可以使用P 型半導體-雜質-N 型半導體（positive-intrinsic-negative，PIN）普通光電二極體作為光探測器121。PIN光電二極體本身之價格較低，因而可以降低鐳射測距裝置1之成本。

進一步地，PIN光電二極體之放大倍率遠小於APD探測器之放大倍率。於測距時，即使PIN光電二極體將目標物體反射之雷射脈衝及環境光雜訊等比放大，由於其放大倍率較小，經過放大後之環境光雜訊仍然於PIN光電二極體之通過閾值之下，因而無法通過PIN光電二極體。由此，PIN光電二極體實質起到過濾環境光之作用。因此本發明實施例所提供之鐳射測距裝置可以不包括光過濾片，從而可以進一步降低成本。也即，本發明實施例所提供之鐳射測距裝置可以用低成本之PIN取代APD及光過濾片，仍能取得較高之信噪比，於拉低成本之同時簡化鐳射測距裝置之光路電路之設計，降低設計及實施難度。光接收端能做此簡化也受益于整個光路之設計，使得接收端接收到之光信號足夠強，且環境光噪音足夠弱。

另外，於高頻環境中，還可以設置與PIN光電二極體電連接之濾波電容，通過交流阻斷之方式過濾掉高頻雜訊，以確保測距之準確性。

如圖4所示，光探測器121封裝於封裝模組124中。該封裝模組124通過第二光腔132與接收透鏡123相對，以便於目標物體反射之雷射脈衝能夠被光探測器121感測。於測距時，近處障礙物（例如30cm範圍內）反射之雷射脈衝光強較強，其經接收透鏡123進入第二光腔132後會被接收單元12之封裝模組124之外表面反射，形成雜散光。通常，封裝模組124之外表面為銀灰色等淺色調之金屬基材，其反射之雜散光會導致光探測器121接收到之光脈寬增加。此處之光脈寬表徵之是橫軸為時間，縱軸為表徵能量之電壓之脈衝信號。而TOF（時間飛行法）於測距原理上基於雷射脈衝發射及接收之時間差進行測距，而該時間差計算方法與光脈寬之起始位置及結束位置息息相關，並不是簡單地取脈寬中間位置進行計算，因此上述光脈寬增加會導致測距不准。

針對上述問題，如圖4所示，封裝有光探測器121之封裝模組124之至少朝向接收透鏡123之外表面124a設置為消光表面，降低該外表面124a之反射作用，從而減弱甚至消除雜散光，避免雜散光對TOF測距產生干擾。

於本發明一些實施例中，可以於外表面124a塗覆消光材料。例如，可以使用聚丙烯酸酯樹脂等之消光劑或其他消光粉、消光漆等塗覆於外表面124a上對其進行消光處理，以形成消光表面。或者，也可以於外表面124a覆蓋消光膜片。再或者，還可以直接採用深色（例如黑色）基材製作封裝模組124之外包裝，使得至少外表面124a形成為消光表面。

通過上面之描述可知，本發明之實施例所提供之鐳射測距裝置1之接收透鏡123與發射透鏡113之間之外緣間距最大可以為3mm。因此，很容易發生發射單元11所發射之雷射脈衝之一部分還未發射至外部之目標物體即已經過內部零部件之反射而由接收單元12接收之情況，由此導致強雜訊光，使得信噪比大大降低，無法實現測距。

為了避免上述情況發生，如圖1及圖5所示，本發明實施例所提供之鐳射測距裝置1可以進一步地包括遮光罩30。該遮光罩30具有第一通道31及第二通道32，其設置於測距元件10及外殼體20之間。其中，第一通道31之兩端分別與發射透鏡113及外殼體20之第一開口21對接，第二通道32之兩端分別與接收透鏡123及外殼體20之第二開口22對接。並且，第一通道31及第二通道32之間設置有不透光之光阻隔壁33將二者完全隔離開。由此，發射單元11發出之雷射脈衝於通過發射透鏡113之後只能經由第一通道31及第一開口21發射至外部，而不能於鐳射測距裝置1之內部反射至接收透鏡123處，從而避免內部反射造成之信噪比降低，有利於提高TOF測距之準確度。

本發明其他實施例提供一種機器人。該機器人可以包括上述鐳射測距裝置，其能夠通過鐳射測距裝置於室內環境下利用TOF測距獲取並構建室內環境之地圖，並且依據所構建之地圖自主地移動。

於一個實施方式中，機器人可以是能夠於地面上自主地移動以執行清掃功能之智慧清潔設備。例如，該智慧清潔設備可以是掃地機器人、拖地機器人或掃拖一體之機器人等。智慧清潔設備可以包括清潔系統、感知系統、控制系統及驅動系統等。其中，感知系統用於智慧清潔設備對例如地形等之外界環境進行感知。鐳射測距裝置構成感知系統之一部分，其可以設置於智慧清潔設備之前部或頂部。控制系統基於感知系統之感知結果控制驅動系統驅動智慧清潔設備自主地移動，並且有選擇地控制清潔系統執行清潔功能。

根據本發明實施例所提供之鐳射測距裝置與機器人，鐳射測距裝置之接收單元之視場角大於發射單元之視場角。由此發射單元之發射角較小，於功率有限之情況下能夠將雷射脈衝發送至更遠之距離。而接收單元能夠具有儘量大之光場，可以使發射視場與接收視場之交疊區更大而盲區更小，能夠接收更多之光強，從而可以提高接收信號之信噪比。此外，發射透鏡與接收透鏡之外緣間距不大於3mm，可以進一步減小發射視場與接收視場之盲區，能夠避免測不到近處之物體。這些特性使得鐳射測距裝置適於採用TOF於室內環境下進行短距離高頻次之測距。

除非另有定義，本發明中所使用之技術及科學術語與本發明實施例所提供之技術方案之技術領域之技術人員通常理解之含義相同。本發明中使用之術語只是為了描述具體之實施目的，不是旨於限制本發明之範圍。本發明中出現之諸如“設置”等術語既可以表示一個部件直接附接至另一個部件，也可以表示一個部件通過中介軟體附接至另一個部件。本發明中於一個實施方式中描述之特徵可以單獨地或與其它特徵結合地應用於另一個實施方式，除非該特徵於該另一個實施方式中不適用或是另有說明。

本發明已經通過上述實施方式進行了說明，但應當理解之是，上述實施方式只是用於舉例及說明之目的，而非意於將本發明限制於所描述之實施方式範圍內。所屬技術領域中具有通常知識者可以理解之是，根據本發明之教導還可以做出更多種之變型及修改，這些變型及修改均落於本發明所要求保護之範圍以內。

10:測距組件 11:發射單元 111:發射器 112:發射電路板 113:發射透鏡 114:調節器 12:接收單元 121:光探測器 122:接收電路板 123:接收透鏡 124:封裝模組 124a:外表面 13:框架 131:第一光腔 132:第二光腔 20:外殼體 21:第一開口 22:第二開口 23:端面 30:遮光罩 31:第一通道 32:第二通道 33:光阻隔壁

本發明之下列附圖於此作為本發明之一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明之實施例及其描述，用來解釋本發明之原理。附圖中： 圖1為根據本發明之一個可選實施方式之鐳射測距裝置之立體視圖； 圖2為圖1所示之鐳射測距裝置之測距元件之立體視圖； 圖3為圖2所示之鐳射測距元件之橫向剖切視圖； 圖4為圖1所示之鐳射測距裝置之接收單元之電路板之立體視圖； 圖5為圖1所示之鐳射測距裝置之遮光罩之立體視圖；以及 圖6為圖1所示之鐳射測距裝置之爆炸圖。

111:發射器

112:發射電路板

113:發射透鏡

114:調節器

121:光探測器

122:接收電路板

123:接收透鏡

13:框架

131:第一光腔

132:第二光腔

Claims (18)

1. 一種鐳射測距裝置，其中，所述鐳射測距裝置包括： 發射單元，所述發射單元包括用於發射脈衝鐳射至待被測距之目標物體之發射器及用於供所發射之脈衝鐳射通過之發射透鏡；以及 接收單元，所述接收單元包括用於接收從所述目標物體反射之脈衝鐳射之光探測器及用於供所反射之脈衝鐳射通過之接收透鏡； 其中，所述接收單元之視場角大於所述發射單元之視場角，並且所述接收透鏡之外緣與所述發射透鏡之外緣之間距小於或等於3mm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述接收單元包括封裝有所述光探測器之封裝模組，所述封裝模組之面向所述接收透鏡之一側構造為消光表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述消光表面通過於所述封裝模組之側面塗覆消光材料形成。
4. 如申請專利範圍第2項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述消光表面通過於所述封裝模組之側面覆蓋消光膜片形成。
5. 如申請專利範圍第2項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述封裝模組之至少面向所述接收透鏡之一側採用黑色基材製作。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中，所述 所述光探測器為PIN型光電二極體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述接收單元之光路於所述光探測器之前端不包括光過濾片。
8. 如申請專利範圍第6項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述接收單元還包括與所述光探測器電連接之濾波電容。
9. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述鐳射測距裝置還包括遮光罩，所述遮光罩具有第一通道及第二通道，所述第一通道及所述第二通道通過光阻隔壁隔離，所述發射透鏡與所述第一通道對接，所述發射單元發射之雷射脈衝經過所述第一通道傳遞至所述鐳射測距裝置之外部，所述接收透鏡與所述第二通道對接，從所述目標物體反射之脈衝鐳射經過所述第二通道由所述接收單元接收。
10. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述接收透鏡於垂直於光軸之平面上之投影為矩形。
11. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述發射透鏡與/或所述接收透鏡之外表面構造為自由曲面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述發射透鏡與/或所述接收透鏡為單片透鏡。
13. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述發射透鏡與/或所述接收透鏡之焦距小於或等於50mm。
14. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述接收透鏡之厚度小於或等於5mm。
15. 如申請專利範圍第1項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述發射器發出之雷射脈衝之波長約為905nm或850nm。
16. 如申請專利範圍第1至15項中任一項所述之鐳射測距裝置，其中， 所述鐳射測距裝置為TOF測距裝置。
17. 一種機器人， 包括如申請專利範圍第1至16項中任意一項所述之鐳射測距裝置。
18. 如申請專利範圍第18項所述之機器人，其中， 所述機器人為能夠自主移動之智慧清潔設備。

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