CN107367737A - 一种多线旋转扫描探测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种多线旋转扫描探测方法，用于测量多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离，该方法包括如下方法步骤：发射光源发射出红外探测光，同时，记录多线旋转扫描探测装置的探测方位角度；光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光；信号处理单元，基于飞行时间法计算多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离；探测装置不断旋转，记录方位角度与距离信息。本申请采用LED作为光源发射出具有小发散角的光束，避免了现有技术中使用多个激光光源所造成的互相干扰。传感器采用阵列传感器，在水平和对垂直方向对多个位置进行扫描，得到360度视场范围的多线扫描三维点云距离数据。在工作过程中，发射光源与接收装置结构设计简单。
Description
技术领域
本申请涉及光学测距领域，具体而言，涉及一种多线旋转扫描探测装置及方法。
背景技术
光学扫描测距装置是一种使用准直光束，通过三角测量、飞行时间（Time of Flight，简称为TOF）等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的飞行时间光学扫描测距装置包括：光发射模块、光学镜头、接收并处理信号的芯片、电机、轴承及导电滑环。光发射模块发出单个光束，光学镜头位于光发射模块的光路上，经过准直的光束发射到被测物体表面，遇到障碍物后光束被反射到接收芯片上，接收芯片通过测量发射到接收之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。这类装置将用于测距的光发射模块、光学透镜、光接收模块等部件安装在一可连续旋转的平台上实现准直光束的扫描，通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号。该常见的光学扫描测距装置在每个角度只能得到单点的距离信息。
在现有技术中，CN101688774A公开了一种高精确度激光雷达***，该激光雷达***采用64个激光二极管作为探测光发射光源，构成在竖直方向上的64线激光雷达。上述现有技术中的多线激光雷达***，由64个单独测距***（激光光源/探测器对）组成，且单独的激光光源/探测器都需要设置固定的角度，制造复杂。然而，当使用多个激光作为探测光源时，在探测过程中优选（参见上述现有技术说明书第6页）一次只发射几个激光或者只发射一个激光，所有激光同时发射探测光会产生色度亮度干扰，或当激光束遭遇返回的激光光束发生眩目，而一次只发射几个激光降低了在同一个角度所探测的效率。另外，所述64个激光二极管只是对同一垂直方向上的64个角度进行距离探测，在激光雷达所处的同一角度，不能在水平方向上扩展。在激光雷达旋转到的同一角度，其中的一个激光只能对一点进行扫描探测，而不能对具有一定面积的区域进行探测。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种多线旋转扫描探测方法，采用发光二极管（Light Emitting
Diode，简称LED）作为光源；另外，通过使用由多个独立工作的传感器所构成的光电传感器作为接收装置的一部分。
一种多线旋转扫描探测方法，用于测量多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离，该方法包括如下方法步骤：
发射光源，通过调制信号的调制发射出红外探测光，红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；同时，记录多线旋转扫描探测装置的探测方位角度；
接收装置，具有光电传感器，该光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；
信号处理单元，通过传感器转换的电信号，基于飞行时间法计算多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离；
控制所述多线旋转扫描探测装置不断旋转，记录每个旋转方位角度，并计算在旋转过程中每一个方位角度所对应的距离信息；
其中，所述发射光源为LED光源，光电传感器为包含多个独立工作传感器的阵列光电传感器，多线旋转扫描探测装置根据方位角度及其对应的距离信息，得到360度水平视角、并且在垂直方向多线扫描的距离数据。
在其中的一实施例，LED光源的个数为一个或者多个，同时发出红外探测光，每个LED光源的发射光路上设置有发射光会聚透镜，发射光会聚透镜将由LED光源直接发出的发散光线会聚，在空间中传播的红外探测光发散角为1-20度。在其中的一实施例，在空间中传播的红外探测光发散角为2度或者3度。
在其中的一实施例，LED光源在接收装置周围均匀布置。
在其中的一实施例，光电传感器为由N行M列个传感器所组成的一块阵列传感器，在多线旋转扫描探测装置旋转到的每个探测角度，对探测区域在水平方向上的N个不同位置、及在垂直方向上的M个不同位置进行距离探测。
在其中的一实施例，在多线旋转扫描探测装置旋转到的每个探测角度，所述光电传感器中的N行M列个传感器各自分别独立探测距离。
在其中的一实施例，在多线旋转扫描探测装置旋转到的两个相邻探测角度，对同一探测区域有重叠的距离探测信息。
在其中的一实施例，在多线旋转扫描探测装置旋转到的两个相邻探测角度，对同一探测区域没有重叠的距离探测信息。
在其中的一实施例，通过改变发射光源调制信号的调制频率，改变多线旋转扫描探测装置的距离探测范围。
在其中的一实施例，光电传感器为CCD传感器或者为CMOS传感器。
在其中的一实施例，探测方法用于行走机器人、扫地机器人、无人机等智能机器移动设备对周围环境的多线扫描探测。
本申请所涉及的一种多线旋转扫描探测方法，通过采用LED作为光源，避免了现有技术中同时使用多个激光光源所造成的互相干扰，发射出的LED探测光为具有一定横截面积的小发散角度光束，工作时对环境中的区域进行面探测，提高探测装置在旋转到的每个角度的距离探测范围。多线扫描所需的发射光源为同一个（多个发射光源是为了增加光强，互相在测距上没有区分），并不需要每个垂直方向上的扫描，都需要各自固定角度设置的多个单独光源。所述传感器为具有多个独立工作传感器组成的阵列传感器，不仅能够对扫描探测装置位于同一角度在垂直方向上进行多线扫描，同时也能在水平方向上的多个位置进行扫描，从而得到360度视场范围的多线扫描三维点云距离数据。
本申请中的多线旋转扫描探测方法，在工作过程中，发射光源与接收装置为一组，而不需要现有技术中的多线激光雷达需要多个单独的激光光源/探测器对，结构设计简单，避免了多个测距***间的干扰。
附图说明
图1是本申请其中一实施例多线旋转扫描探测装置的示意图。
图2是本申请其中一实施例多线旋转扫描探测装置的光路示意图。
图3是本申请其中一实施例多线旋转扫描探测方法的步骤流程图。
图4是本申请其中一实施例多线旋转扫描探测装置阵列传感器示意图。
具体实施方式
本申请涉及一种多线旋转扫描探测方法，实现360度范围内的多线扫描，得到三维点云距离信息。如附图1-2所示，其中多线旋转扫描探测装置包括：
发射光源，固定于旋转壳体内部，通过调制信号的调制发射出红外探测光，红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；
接收装置，固定于旋转壳体内部，具有光电传感器，该光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；
信号处理单元，与光电传感器电连接，通过传感器转换的电信号，基于飞行时间法计算多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离；
光电编码盘，用于确定旋转壳体的角度位置；
驱动电机，通过控制驱动电机，使得旋转壳体不断旋转，并且可以控制驱动电机的转速，从而调节旋转壳体的转速；
轴承及滑环，其中滑环位于旋转壳体底部中心轴处，滑环的一端与旋转探测部分内部的电路板连接，另一端与外部设备联系；电路板与发射光源及接收装置连接。
在多线旋转扫描探测装置工作时，以360度不断旋转，用于测量多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离，如附图3所示，多线旋转扫描探测方法包括如下方法步骤：
发射光源，通过调制信号的调制发射出红外探测光，调制信号的波形可以为矩形波，或者正弦波，在优选的实施例中为周期性的调制信号，且调制信号的周期根据具体应用的需要选择控制。LED发出的红外探测光通过旋转壳体上的透光孔射向外部所需探测的环境中，红外探测光在空间中传播，遇到被测物体或者障碍物被反射；同时，通过光电编码盘，记录多线旋转扫描探测装置的探测方位角度。
接收装置，其具有光电传感器单元，该光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号。在优选的实施例中，在光电传感器的接收光的光路上，设置有接收光会聚透镜，将被障碍物等发射回来的红外探测光会聚到光电传感器上。在优选的实施例中，接收光会聚透镜为两片前后设置的凸透镜。
信号处理单元，通过传感器转换的电信号，通过对比发射出的红外探测光与被反射的红外探测光的相位差，基于飞行时间法计算多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离。其中，相位差的计算基于四步相移法。
控制所述多线旋转扫描探测装置不断旋转，记录每个旋转方位角度，并计算在旋转过程中每一个方位角度所对应的距离信息；
其中，发射光源为LED光源，在空间中传播的红外探测光为具有一定横截面积的小发散角的光束，光电传感器为包含多个独立工作传感器的一块集成阵列光电传感器，其中阵列传感器中的每个独立传感器都能各自探测反射的红外探测光，并且结合信号处理单元，能够各自单独得到探测距离。所述多线旋转扫描探测装置根据方位角度及其对应的距离信息，得到360度水平视角、并且在垂直方向能够探测多个不同位置的多线扫描的距离三维点云图。
在其中的一实施例，LED光源的个数为一个或者多个，LED光源个数的选择原则为，根据探测不同的探测距离，需要不同的红外探测光能量，例如探测几十米的距离，需要4个或者6个或者更多的LED光源，而当只需要测试几米的距离时，一个LED光源是能够满足探测需求的。多个LED在工作时同时发出红外探测光，由于LED光源的发散特性，不会产生互相的干扰。
在其中的一实施例，为了将LED直接发出的发散光会聚，以具有小发散角的状态发射出。所述每个LED光源的发射光路上设置有发射光会聚透镜，发射光会聚透镜将由LED光源直接发出的发散光线会聚。该发射光会聚透镜为凸透镜，或者为全内反射（Total Internal
Reflection，简称：TIR）透镜。通过设置发射光会聚透镜，控制在空间中传播探测光束的发散角，发散角的控制根据所需探测区域的需要选择设置，例如在优先探测位于近距离的被测物体时，所述在空间中传播的红外探测光发散角控制为较大发散角，例如20度，当需要探测远距离的被测物体时，需要通过发射光会聚透镜将发散角控制在例如1度、2度、或3度。
在其中的一实施例，多个LED光源在接收装置周围均匀布置，例如以接收传感器为对称中心点，多个LED以三角形、矩形、圆形、多边形等均匀布置，当为两个LED时在传感器两侧对称设置。
光电传感器为由N行M列个传感器所组成的一块阵列传感器，如附图4所示，该阵列传感器为由设置于同一平面内的N*M个独立传感器所组成。每个独立传感器都能独立探测红外探测光，并结合信号处理单元得到独立的距离信息。在多线旋转扫描探测装置工作时，在多线旋转扫描探测装置旋转到的每个探测角度，对探测区域在水平方向上的N个不同位置、及在垂直方向上的M个不同位置进行距离探测，得到N*M个距离信息。在其中的一实施例中，该阵列传感器为由8*8个独立传感器所构成。光电传感器为CCD传感器或者为CMOS传感器。
在多线旋转扫描探测装置旋转到的两个相邻探测角度，对同一探测区域有重叠的距离探测信息，也可以对同一探测区域没有重叠的距离探测信息。在旋转扫描探测装置工作时，该装置旋转到的每一个角度，LED光源发出的探测光对具有一定面积的区域进行探测，阵列传感器对于该装置旋转到的每一个角度，传感器所探测到的距离范围在水平方向上是具有一夹角的。在优选的实施例中，在旋转扫描探测装置工作时，水平方向上的探测夹角与LED光源的发散角角度在数值上相等。因此，在探测装置旋转到的两个相邻的探测角度，通过控制传感器的探测间隔，对同一探测区域有重叠的距离探测信息，也可以对同一探测区域没有重叠的距离探测信息。
根据具体探测的需要，通过改变发射光源调制信号的调制频率，改变多线旋转扫描探测装置的距离探测范围。
探测方法用于行走机器人、扫地机器人、无人机等智能机器移动设备对周围环境的多线扫描探测。通过得到的距离信息，以同时定位及画图算法，重新构建周围环境的地图，确定只能移动设备在地图中的位置，自主规划移动路径及自主移动。
Claims (10)
1.一种多线旋转扫描探测方法，用于测量多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离，其特征在于，该方法包括如下方法步骤：
发射光源，通过调制信号的调制发射出红外探测光，红外探测光在空间中传播，遇到被测物体被反射；同时，记录多线旋转扫描探测装置的探测方位角度；
接收装置，具有光电传感器，该光电传感器接收由被测物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；
信号处理单元，通过传感器转换的电信号，基于飞行时间法计算多线旋转扫描探测装置与被测物体之间的距离；
控制所述多线旋转扫描探测装置不断旋转，记录每个旋转方位角度，并计算在旋转过程中每一个方位角度所对应的距离信息；
其中，所述发射光源为LED光源，所述光电传感器为包含多个独立工作传感器的阵列光电传感器，所述多线旋转扫描探测装置根据方位角度及其对应的距离信息，得到360度水平视角、并且在垂直方向多线扫描的距离数据。
2. 根据权利要求1所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，所述LED光源的个数为一个或者多个，同时发出红外探测光，所述每个LED光源的发射光路上设置有发射光会聚透镜，发射光会聚透镜将由LED光源直接发出的发散光线会聚，所述在空间中传播的红外探测光发散角为1-20度。
3. 根据权利要求2所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，所述LED光源在接收装置周围均匀布置；在空间中传播的红外探测光发散角通过发射光会聚透镜，具有2度或者3度的发散角。
4. 根据权利要求1所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，所述光电传感器为由N行M列个传感器所组成的一块阵列传感器，在多线旋转扫描探测装置旋转到的每个探测角度，对探测区域在水平方向上的N个不同位置、及在垂直方向上的M个不同位置进行距离探测。
5. 根据权利要求1所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，所述光电传感器为由N行M列个传感器所组成的一块阵列传感器，在多线旋转扫描探测装置旋转到的每个探测角度，所述光电传感器中的N行M列个传感器各自分别独立探测距离。
6. 根据权利要求4或5所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，在多线旋转扫描探测装置旋转到的两个相邻探测角度，对同一探测区域有重叠的距离探测信息。
7. 根据权利要求4或5所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，在多线旋转扫描探测装置旋转到的两个相邻探测角度，对同一探测区域没有重叠的距离探测信息。
8. 根据权利要求1所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，通过改变发射光源调制信号的调制频率，改变多线旋转扫描探测装置的距离探测范围。
9. 根据权利要求1所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，所述光电传感器为CCD传感器或者为CMOS传感器。
10. 根据权利要求1所述的一种多线旋转扫描探测方法，其特征在于，所述探测方法用于行走机器人、扫地机器人、无人机等智能机器移动设备对周围环境的多线扫描探测。
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