CN106371101A - 一种智能测距及避障的装置 - Google Patents

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Abstract

说明书摘要本发明公开了一种用于红外测距及避障的装置，包括壳体、红外光发射模块、红外光发射透镜组、红外光接收透镜组及红外光发射/接收***的防交叉隔板和光信号处理器单元组成。在工作过程中，红外光发射端接收到测量命令后，向外发射红外光，经过红外光发射透镜组聚焦后在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射；红外光接收器收到反射回的红外光光并且将信号传输至光信号处理器，由光信号处理器计算发射光和接收到光的相位差，得到相对距离。随后相对距离值传送给设备的机械控制模块，实现自动测距避让障碍物的功能。本发明红外测距及避障装置的整体布局合理，体积小，重量轻，功耗低，发射和接收的距离长，分辨力强。

Description

一种智能测距及避障的装置
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种可自动测距避让障碍的装置。
背景技术
在高新技术中，红外测距及避障得到了广泛的应用。例如无人机在工作中一般由操作员操作飞行路径。但由于无人机在低空飞行，会穿过很多复杂的障碍物，操作员在地面会难以精确观测无人机的实际飞行状况，容易撞到障碍物。例如机器人在行动过程中要实时监测周围环境障碍物，快速且准确的判断出障碍物的位置。然后及时躲避障碍物。为了尽可能降低撞击风险，设备的防撞功能就摆在我们面前。
目前红外测距方法均为反射式测量方法，其主要原理如下：红外发射器发出一束红外光信号，该红外光经被测物体/障碍物反射后由红外接收器接收，通过测量发射和接收红外光的相位差即可解算出目标的距离。
发明人在实验本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足:由于被检测物体的对红外光的反光度不同，导致被检测距离本身存在一定的误差。环境光中存在一定的红外光部分，无法确定接收到的红外信号是否为发射出的红外光。反射光的只有少部分进入到接收器中，限制了测量的距离范围，同时红外测距***的整体结构复杂，限制了测试***的重量和体积。
综上所述，现有技术的避障方法对于复杂作业的测距避障，其效果并非很理想，尚有很多实用性的问题需要解决。设计一个简单实用，且能够快速识别障碍物的避障***是非常有必要和有现实意义的。
发明内容
为了实现设备工作过程中发现障碍物测量障碍物距离的功能，本发明提出了一种智能测距及避障的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案，构造一种智能测距及避障的装置，本发明包括壳体、红外光发射模块、设于壳体内的红外光发射透镜组***、设于壳体内的红外光接收透镜组和以及红外光发射/接收***的防交叉隔板构成和处理单元组成，所述方法包括以下步骤。
(1) 红外发射模块处于发射端，接收到测量命令后，以电压调制方式驱动红外LED发出850 nm红外线，经镜头透镜组聚焦后，直接射向大气中。
(2)红外光在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射和散射,红外光接收器收到反射光并将信号发送至处理器。
(3)信号处理器将所述接收到的红外光与发出的光进行比相，获取发射红外光和接收红外光的相位差，使用TOF法计算得到相对距离,并通过环境光和温度的数据校准为精确距离数值，然后将距离值传送给控制模块，实现智能设备自动测距避让障碍物的功能。
本发明中，信号处理模块，由光电转换电路、放大器等组成，实现光电转换、放大、输入阻抗匹配、自动增益控制等功能。经障碍物反射回来的红外光波聚焦在CMOS上，使光信号转换成电信号，经阻抗变换放大器与主放大器耦合，由差动放大器作互补输出。同时为了使接收***保持稳定工作状态，依靠单片机，采用了较大范围的自动增益控制，进行动态补偿。
本发明所述的一种智能测距及避障的装置,具有以下有益效果。
本发明壳体可以采用聚甲醛CNC精雕或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）3D打印制作，透镜采用高透亚克力材料，整体布局简单，降低了产品重量。也可以采用注塑工艺利用模具量产制备，适用于多种材料，如ABS、高密板（HDPE）等。
本发明发出的红外线经发射透镜后射向障碍物，信号聚的更为集中。反射回来的红外光经接收透镜聚光后信号更强，测距最远距离为15m ，相对精度为±0.5%。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
附图说明
图1为本发明一种智能测距及避障的装置的工作原理示意图。
图2为本发明一种智能测距及避障的装置的结构示意图。
图3为本发明一种智能测距及避障的装置的透镜3的尺寸图。
图4为本发明一种智能测距及避障的装置的透镜4的尺寸图。
图5为本发明一种智能测距及避障的装置的透镜5的尺寸图。
图6位本发明一种智能测距及避障的装置的接收透镜组距离图。
图7为发明的一种智能测距及避障的装置的发射部分前视图。
图8为发明的一种智能测距及避障的装置的接受部分前视图。
图9为发明的一种智能测距及避障的装置的光学仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细描述。
图2所示，本发明提供了一种智能测距及避障的装置。由壳体、红外光发射模块、红外光发射透镜组、红外光接收透镜组及红外光发射/接收***的防交叉隔板和光信号处理器单元组成。
如图3所示，本红外发射模块包括4个可发出波长为860 nm的红外LED,其发光半角为10度。860 nm红外光在驱动电路的驱动下，将电脉冲转换成红外波束。
红外发射模块LED光源2发出的860 nm红外光经发射透镜组3聚焦后发射到大气中；发射透镜组为4个聚光凸透镜，且每个聚光凸透镜都有与其对应的红外LED；发射透镜均镀有增透膜，可以增加860 nm红外光的透过率。
860 nm 红外光在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射。
如图4所示，反射回的红外光经接收透镜组聚光后聚焦于红外光接收单元，接受透镜组包括一平凸透镜4，另一平凸透镜5和860 nm滤光片10。接收透镜组中的凸透镜4和凸透镜5的表面均镀有860 nm的增透膜；在光信号处理器前有镀有860 nm的滤波片10，只允许860 nm附近的光通过。
光信号处理器收到反射光并将所述接收到的红外光与发出的光进行比相，获取发射红外光和接收红外光的相位差，计算得到相对距离。并将相对距离值传送给控制模块，实现自动测距避让障碍物的功能。

Claims (10)

1.一种智能测距及避障的装置，其特征在于：包括壳体、红外光发射模块、设于壳体内的红外光发射透镜组、设于壳体内的红外光接收透镜组、红外光发射/接收***的防交叉隔板构成和光信号处理器单元组成；在工作过程中，红外光发射端接收到测量命令后，向外发射红外光，经过红外光发射透镜组后在空气中传播，途中遇到障碍物即被反射和散射；红外光接收器收到反射回的红外光光并且将信号传输至光信号处理器，由基于TOF法的可测距光信号处理器（集成CMOS光电测距芯片：EPC600、EPC610和EPC660芯片）计算发射光和接收到光的相位差，得到相对距离，随后将相对距离值传送给机械控制模块，实现自动测距避让障碍物的功能。
2.根据权利要求1所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：集成CMOS光电测距芯片包含EPC600,EPC610，EPC660，但不仅限于这三种。
3.根据权利要求1所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：所述壳体内设有一个红外光接收透镜组；红外光接收透镜组包括两个聚光透镜；接收透镜位于壳体表面,在接收透镜和信号处理单元之间有光阑。
4.根据权利要求3所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：在接收透镜组中包含滤光片，只允许波长在860 nm左右的红外光通过，固定在光信号处理器的表面。
5.根据权利要求3所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：接收组透镜上均镀有860 nm增透膜。
6.根据权利要求3所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：接收透镜组中靠近光信号处理器的透镜的厚度为4 mm，一侧的曲率半径为4 mm，直径为7 mm；另一侧的曲率半径为3 mm，直径为6 mm。
7.根据权利要求3所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：
接收透镜组中离光信号处理器较远的透镜的厚度为6mm；一侧的曲率半径为22.5 mm，直径为20 mm；另一侧的曲率半径为101 mm，直径为20 mm；接收透镜组中两组透镜相邻表面到表面的最近距离为23 mm。
8.根据权利要求1所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：所述壳体内设有红外发射模块，红外发射模块为一组或多组红外LED；且每个LED具有与之对应的发射光聚焦***，发出的红外光经过光聚焦透镜组后发散角小于3 rad。
9.根据权利要求8所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：红外LED光源发光波长中包含860 nm。
10.根据权利要求8所述的一种智能测距及避障的装置，其特征在于：发射光聚焦***为一个凸透镜，透镜上镀有860 nm增透膜；发射透镜的厚度为2 mm；靠近LED光源侧曲率半径为22.5 mm，直径为8mm；远离LED侧曲率半径为10.3 mm，直径为8mm；透镜中心距离LED表面的距离为13.3 mm。
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