CN108919287A - 一种狭小空间点式激光测距装置及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种狭小空间点式激光测距装置及其测距方法，该装置包括控制器，用于分别测距的第一测道和第二测道，用以将发射光分为两束的前级分束镜，用以将反射光分为两束的后级分束镜以及用于发光的发光源，其中，控制器与单稳态触发器通信连接，第一测道和第二测道均与控制器通信连接，采用该测距方法能够实现更精确的测距。

Description

一种狭小空间点式激光测距装置及其测距方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种狭小空间点式激光测距装置及其测距方法。

背景技术

激光具有方向性强、亮度高、聚焦温度高的特点，常用在激光测距装置上，用于测距，激光测距具有精度高、效率高的特点，但这种设备的尺寸比较大，激光的聚焦温度高，在使用激光发射器时，产生大量的热量，激光器的散热量高，不易实现轻型、小型化的设计，尤其在狭小空间中采用激光测距***，散热空间有限，如不及时对热量进行疏导，将极大地减小激光测距装置的使用寿命。

激光测距***的测距与激光发射脉冲的功率情况因素有关，其中，激光发射脉冲的功率直接影响测距的精确度。

激光测距***发射脉冲激光测距时测距精确度主要受到时间差测量精确度的影响，然而由于时间测量技术的限制，现有技术中激光测距装置对上述时间差的测量精度较差，这就导致激光测距装置对距离的测量精度也较差。

而且，目前激光测距还采用红外测距方式进行测量距离，但是采用红外测距时长受被测物体的颜色、光反射率不同影响光电亮度大小的变化将使检测精度变差，且背景光对检测精度影响很大。

上述现有技术存在以下缺点；

1、目前激光测距设备尺寸较大，激光器散热量高，不易实现轻型小型化设计，当在狭小空间内使用时，散热空间有限，将极大地减小激光测距装置的使用寿命。

2、激光发射脉冲的功率直接影响测距的精确度，但现有的激光测距设备没有对激光发射脉冲的功率进行实时监控并及时调节的功能。

3、现有技术中激光测距装置对时间差的测量精度较差，这直接导致测距装置对距离的测量精度也较差。

4.采用红外测距的方式受被测物的影响较大，测量的精度受到很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种狭小空间点式激光测距装置，该一种狭小空间点式激光测距装置具有结构简单、适合在散热空间有限的狭小空间使用、测量精度高的优点。

本发明还提供了一种狭小空间点式激光测距装置的测距方法，该方法测量精度高，方便使用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种狭小空间点式激光测距装置包括控制器，用于分别测距的第一测道和第二测道，用以将发射光分为两束的前级分束镜和用以将反射光分为两束的后级分束镜，其中，所述控制器通过单稳态触发器触发发光源；

所述第一测道包括第一透光镜、第二透光镜、光电位置敏感器、专用集成电路、差分放大器和第一模数转换器，其中，所述专用集成电路与所述单稳态触发器相连接，所述专用集成电路与所述发光源发光相连接，所述发光源通过所述前级分束镜后一束光经所述第一透光镜照射到待测定物上，反射光经后级分束镜后一束光经第二透光镜照射到光电位置敏感器上，所述光电位置敏感器通过所述专用集成电路与所述差分放大器相连接，所述差分放大器与所述第一模数转换器相连接，所述第一模数转换器与所述控制器通信连接；

所述第二测道包括光电探测器，以及输出至所述的控制器的滤波电路，前级分束镜另一束光及后级分束镜另一束光分别先后照射在所述光电探测器并通过滤波电路将信号传输到所述控制器。

在上述技术方案中，所述专用集成电路上连接有电容MCP和电容MCM。

在上述技术方案中，所述滤波电路为高通阻容滤波电路，由电容C1和电阻R1组成，所述电阻R1的一端接地，所述电阻R1的另一端与所述电容C1的一端均连接在所述控制器上，所述电容C1的另一端与所述光电探测器相连接。

在上述技术方案中，还包括显示器，所述显示器通过接口芯片与所述控制器通信连接，所述接口芯片的型号为8279。

在上述技术方案中，还包括与所述控制器通信连接的打印机。

在上述技术方案中，还包括用于测量所述发光源的功率的功率控制模块，所述功率控制模块与所述控制器通信连接，所述功率控制模块由环境光测量传感器和第二模数转换器组成，其中，所述环境光测量传感器与所述发光源通信连接。

在上述技术方案中，所述发光源与所述待测定物之间设置有滤片。

在上述技术方案中，所述控制器为FPGA。

在上述技术方案中，所述专用集成电路为H2476，所述光电位置敏感器为PSD。

在上述技术方案中，所述单稳态触发器是由555定时器构成的单稳态触发器。

一种狭小空间点式激光测距装置的测距方法包括以下步骤：

1)控制器触发发光源发光；

2)第一测道和第二测道均接收到待测定物反射光，第一测道采用电学法和平均值的方法测量，第二测道采用***法和多次测量取平均值求时间差的方法测量；

3)第一测道和第二测道将测量的结果在控制器内进行比较，并将比较结果与提前设置在控制器中标准范围进行比较，当比较结果在标准范围内，取第一测道测量值，当比较结果不在标准范围，控制器控制第一测道和第二测道重新测量。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的一种狭小空间点式激光测距装置结构简单，激光器散热量低，实现了轻型小型化设计，适合在散热空间有限的狭小空间内使用，延长了该装置的使用寿命。

2、本发明的一种狭小空间点式激光测距装置的功率控制模块用于实时测量发光源的功率，并采用控制器控制发光源的功率，减小了发光源的功率变化造成的精度影响。

3、本发明的一种狭小空间点式激光测距装置采用第一测道和第二测道测量距离，并将测量的结果通过控制器进行判断，能够使获得精度更高的测距数值。

4、本发明一种狭小空间点式激光测距装置的测量方法中第一测道采用光电位置敏感器、专用集成电路和电学法减少了受待测定物对测距的影响，提高了精度。

5、本发明的一种狭小空间点式激光测距装置的测量方法中第一测道采用***法和多次测量取平均值求时间差的方法测量距离，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明的一种狭小空间点式激光测距装置的示意图。

图2是本发明的一种狭小空间点式激光测距装置的第二测道的计算时间模块的脉冲波形示意图。

图3是本发明的一种狭小空间点式激光测距装置的第二测道的滤波电路图及信号波形变换图。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图1-3和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

一种狭小空间点式激光测距装置包括控制器，用于分别测距的第一测道和第二测道，用以将发射光分为两束的前级分束镜，用以将反射光分为两束的后级分束镜以及用于发光的发光源，其中，发光源为半导体激光器，控制器与单稳态触发器通信连接，用于控制单稳态触发器触发，第一测道包括第一透光镜、第二透光镜、光电位置敏感器、专用集成电路、差分放大器和第一模数转换器，其中，专用集成电路与单稳态触发器相连接，控制器通过控制单稳态触发器控制专用集成电路开始工作(控制器控制单稳态触发器开始工作，单稳态触发器发出触发信号触发专用集成电路工作)，专用集成电路与发光源相连接，发光源发射的发射光通过前级分束镜后一束光经第一透光镜照射到待测定物上，待测定位将接收到的发射光反射出反射光，反射光经后级分束镜后一束光经第二透光镜照射到光电位置敏感器上，光电位置敏感器通过专用集成电路与差分放大器相连接，差分放大器与第一模数转换器相连接，第一模数转换器与控制器通信连接，第二测道包括光电探测器，以及输出至控制器的滤波电路，前级分束镜另一束光及后级分束镜另一束光分别先后照射在所述光电探测器并通过滤波电路将信号传输到所述控制器。

进一步，前级分束镜和后级分束镜均为棱镜，用于将接收到的一束光分成多束光。

本发明的一种狭小空间点式激光测距装置采用的元器件和结构简单，占地位置少，并且激光器的散热量低，实现了轻型小型化设计，适合在散热空间有限的狭小空间内使用，延长了该装置的使用寿命，该装置采用第一测道和第二测道测量待测定物的距离，能够实现对第一测道和第二测道测量的距离进行对比，采用对比值获得更精确的测量值。

实施例二

如图1所示，一种狭小空间点式激光测距装置的控制器向单稳态触发器发送一个触发信号，其中，单稳态触发器是由555定时器构成的单稳态触发器，单稳态触发器与集成电路的外触发引脚相连接，并能够触发集成电路工作，集成电路产生一个与单稳触发器相同频率的脉冲信号，并将该信号发送到发光源使该发光源工作，发光源发射激光，激光通过滤片照射到前级分束镜上，并通过前级分束镜照射到第一透光镜上，其中，第一透光镜和待测定物之间的距离为D,待测定物将接收到的激光发射到第二棱镜上，并通过第二棱镜将发射光照射到第二透光镜上，并通过第二透光镜照射到光电位置敏感器上，其中，光电位置敏感器为PSD，光电位置敏感器将接收到的反射光转换为电信号，并将该电信号传输到专用集成电路上，专用集成电路为H2476，其中，为了消除光电位置敏感器受专用集成电路的背景光和暗电流的影响，在专用集成电路的两个引脚上分别连接一个电容MCP和一个电容MCM，其中，电容MCP用于存储光电位置敏感器在接收到光信号之前受专用集成电路的背景光影响产生的直流电流IP，电容MCM用于存储光电位置敏感器在接收到光信号之前受专用集成电路的暗电流影响产生的直流电流IM，专用集成电路接收到电信号，受背景光、暗电流影响产生的信号和该电信号依次通过差分放大器，差分放大器将接收到的电信号与背光产生的信号和暗电流产生的信号做差值，并将该差值转化成模拟电压信号，并将该模拟电压信号传输到第一模数转化器，其中，该第一模数转换器的型号为AD574，第一模数转化器将模拟信号转化为数字电压信号，并将该数字电压信号传输到控制器，其中，该数字电压信号为反射光照射在光电位置敏感器的位置与光电位置敏感器的中心位置的距离，控制器通过内部程序将测定物的距离值计算出来。

进一步，第一透光镜与第二透光镜的距离为B。

进一步，第二透光镜与光电位置敏感器的中心位置距离为L。

进一步，反射光照射在光电位置敏感器的位置与光电位置敏感器的中心位置的距离为X。

进一步，第一透光镜和待测定物之间的距离为D'，并根据计算公式：D'＝BL/X，计算出D'的值。

进一步，第一测道将多次测量的距离值依次传输到控制器并进行存储，控制器通过内部软件程序将多次测量的距离值进行平均值计算获得最终的距离值。

进一步，控制器为FPGA，运算速度快。

进一步，专用集成电路为H2476。

本发明的本发明一种狭小空间点式激光测距装置的测量方法中第一测道采用光电位置敏感器、专用集成电路提高了精度，其中，采用电学法的保持法即在专用集成电路的两个引脚分别连接电容MCP和电容MCM用来减少由于专用集成电路的背景光和暗电流对测距产生影响，采用555定时器组成的单稳态触发器具有较大的驱动能力，能够及时的驱动专用集成电路正常工作，工作效率高，其中，控制器采用FPGA使其内部能够分为多个模块进行工作，运行速度快，方便使用，本发明的专用集成电路采用H2476，该电路体积小，质量轻，可靠性高，寿命长，安装方便，速度快，具有较强的测距性能，能够方便的在狭小空间工作，并且产生少量的热量，满足了很好的测距效果。

实施例三

如图1所示，发光源发射激光，并通过前级分束镜使该激光被光电探测器接收到，并将该光束转换为第一电信号，并将该第一电信号传输到控制器中的时间计算模块，其中，时间计算模块包括时间鉴别单元、间隔时间发生器和时间间隔测量单元，时间鉴别单元接收到第一电信号，其中，时间鉴别单元连接的间隔时间发生器，间隔时间发生器为标准的时间间隔发生器，间隔时间发生器采用同步时钟脉冲发射时钟信号，保证了记录时间点的准确，时间鉴别单元用于鉴别并记录该第一电信号的时间点t1，并将该时间点t1传输到时间间隔测量单元，其中该时间间隔测量单元的计数脉冲频率达到1GHz,运算速度快，能够使计数量化误差的测量精度达到1ns，进一步，直接照射到第一透光镜上的光束照射到待测定物上，待测定物反射并通过第二棱镜，将发射光分为两束，一束光反射到第二透光镜，另一束光反射到光电探测器，该光电探测器将反射光束转换为第二电信号，并将该电信号传输到时间鉴别单元，时间鉴别单元鉴别并记录第二电信号的时间点t2，并将第二电信号的时间点t2传输到时间间隔测量单元，时间间隔测量单元通过软件计算出第一电信号和第二电信号之间的时间差△t＝t2-t1，控制器根据时间差△t和计算公式：通过软件程序计算出待测定物的距离D，其中，c为脉冲激光信号在大气中的传播速度，控制器将计算出的距离数值。

进一步，时间鉴别单元根据光电探测器传输的第一电信号和第二电信号的时间点t1和t2，其中，时间间隔发生器产生时钟信号，且该时钟信号的周期为T，时间间隔测量单元根据第一电信号和第二电信号的时间点t1和t2的时间差△t，时间间隔发生器根据时钟信号测得的时间点t1和t2的时间差为nT，时间差nT与实际时间差△t产生的误差为△T＝nT-△t，为了实现精确测量，减少误差△T，在时间鉴别单元接收第一电信号和第二电信号时，采用***法高精度测量第一电信号和第二电信号的时间点t1和t2，其中，***法就是使时间鉴别单元不停的检测第一电信号的时间点t1和第二电信号的时间点t2,并获得多个第一电信号时间点和多个第二电信号时间点且将这些时间点传输到时间间隔测量单元，时间测量单元计算出多个时间差，并通过平均值法(对多个时间差求平均值)获得精确的时间差数值，采用多次测量时间差求平均值的方法，使测量精度达到1mm。

进一步，为了实现更精确的测量，在光电探测器和控制器之间设置有滤波电路，其中，该滤波电路为高通阻容滤波电路，是由电容C1和电阻R1组成，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端与电容C1的一端均连接在控制器的引脚(用于连接时间计算模块的引脚)上，其中，电容C1的另一端与光电探测器相连接，进一步，光电探测器通过滤波电路将第一电信号和第二电信号传输到时间计算模块，其中，该滤波电路能够将传输的第一电信号和第二电信号的极值点变为零点，以变化后的第一电信号和第二电信号的时间点作为时间点，时间间隔测量单元采用该时间点计算时间差，由于测量的时间差的数值受第一电信号和第二电信号的时间点的极大值附近的斜率的影响，采用该滤波电路将第一电信号和第二电信号的极值点变为零能够将第一电信号和第二电信号的极大值附近的斜率产生的漂移误差控制在±3.5ps，减少了误差范围，提高了精度。

本发明的本发明的本发明一种狭小空间点式激光测距装置的第二测道，采用光电探测器和控制器测量待测定物的距离，结构简单方便使用，其中，采用滤波电路分别对第一电信号和第二电信号的极值进行处理，减少了误差，提高了精度，该装置的测量方法中采用***法和求平均值法，极大的提高了测量精度，使测量数字更加精确。

实施例四

如图1所示，发射源发射激光，通过滤片将发射的激光照射到前级分束镜上，其中该滤片能够减少环境光源对第一测道和第二测道在测距过程的干扰，前级分束镜能够将接收到发光源发射的激光分散成三束光，该三束光分别照射到第一透镜、光电探测器和环境光传感器，其中，环境光传感器为激光传感器，该激光传感器为雪崩二极管，并将接收到的光束转换为电信号，激光传感器将电信号传输到第二模数转化器，该第二模数转化器的型号为AD1674AD，第二模数转换器将电信号转化为数字信号，并将该数字信号传输到控制器，控制根据获得的数字信号通过软件程序计算发光源的功率，控制器对发光源的功率与内部设置的标准数值(发光源的功率标准值)进行比较，并调节发光源的功率，使发光源的功率一直处于最佳的状态。

本发明的一种狭小空间点式激光测距装置的功率控制模块能够实时检测发光源的功率，并进行及时调整，使发光源的功率一直处在稳定的状态，减小了发光源的功率变化造成的精度影响，提高了测距的精度。

实施例五

如图1所示，根据实施例1和实施例2，控制器将第一测道测量的最终的距离值与第二测道测量的距离值通过控制器内部的软件程序进行比较并得出结果(即第一测道测量的最终的距离值与第二测道测量的距离值的差值除以第一测道测量的最终的距离值获得的比例)，控制器根据比较的结果作出相应控制，进一步，当比较结果超过设定的标准范围时，控制器控制第一测道和第二测道重新测量；当比较结果相差在设定的标准范围内，选择第一测道测定的值(或者选择第二测道测定的值)作为待测定物的距离值。其中，控制器上连接有显示器(该显示器为LED显示屏)，用于显示测定的待测定物的距离值，显示器通过型号为8279的接口芯片与控制器连接。控制器与打印机相连，该打印机用于打印出每一次第一测道和第二测道测出的距离数值，方便记录和分析。

进一步，标准范围设定为﹣5％～+5％。

一种狭小空间点式激光测距装置的测距方法包括以下步骤：

1)控制器触发发光源发光；

2)第一测道和第二测道均接收到待测定物反射光，第一测道采用***法和多次测量取平均值求时间差的方法测量，第二测道采用电学法的方法测量；

3)第一测道和第二测道将测量的结果在控制器中进行比较，并将比较结果与提前设置在控制器中标准范围进行比较，当比较结果在标准范围内，取第一测道测量值，当比较结果不在标准范围，控制器控制第一测道和第二测道重新测量。

本发明的一种狭小空间点式激光测距装置采用第二测道和第二测道测出的距离值进行比较并择一取值的方法进行测距，使测量的数值更加准确，而且第一测道和第二测道能够互补的测量待测定物的距离，获得更好的测量效果，采用显示器对测量距离直接显示，方便使用，采用打印机对测量值进行打印，能够方便使用和对测量过程的值进行分析、判断，该装置的第一测道采用***法和多次测量取平均值的方法降低了误差，第二测道采用电学法有效的避免了由于专用集成电路的背光和暗电流的影响造成的误差，方便使用。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，包括控制器，用于分别测距的第一测道和第二测道，用以将发射光分为两束的前级分束镜，用以将反射光分为两束的后级分束镜以及用于发光的发光源，其中，所述控制器与单稳态触发器通信连接；

所述第一测道包括第一透光镜、第二透光镜、光电位置敏感器、专用集成电路、差分放大器和第一模数转换器，其中，所述专用集成电路与所述单稳态触发器相连接，所述专用集成电路与所述发光源相连接，所述发光源通过所述前级分束镜后一束光经所述第一透光镜照射到待测定物上，反射光经后级分束镜后一束光经第二透光镜照射到光电位置敏感器上，所述光电位置敏感器通过所述专用集成电路与所述差分放大器相连接，所述差分放大器与所述第一模数转换器相连接，所述第一模数转换器与所述控制器通信连接；

所述第二测道包括光电探测器，以及输出至所述控制器的滤波电路，前级分束镜另一束光及后级分束镜另一束光分别先后照射在所述光电探测器并通过滤波电路将信号传输到所述控制器。

2.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，所述专用集成电路上连接有电容MCP和电容MCM。

3.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，所述滤波电路为高通阻容滤波电路，由电容C1和电阻R1组成，所述电阻R1的一端接地，所述电阻R1的另一端与所述电容C1的一端均连接在所述控制器上，所述电容C1的另一端与所述光电探测器相连接。

4.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，还包括显示器，所述显示器通过接口芯片与所述控制器通信连接，所述接口芯片的型号为8279。

5.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，还包括与所述控制器通信连接的打印机。

6.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，还包括用于测量所述发光源的功率的功率控制模块，所述功率控制模块与所述控制器通信连接，所述功率控制模块由环境光测量传感器和第二模数转换器组成，其中，所述环境光测量传感器与所述发光源通信连接。

7.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，所述发光源与所述待测定物之间设置有滤片。

8.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，所述控制器为FPGA。

9.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，所述专用集成电路为H2476，所述光电位置敏感器为PSD。

10.根据权利要求1所述的一种狭小空间点式激光测距装置，其特征在于，所述单稳态触发器是由555定时器构成的单稳态触发器。

11.一种狭小空间点式激光测距装置的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制器触发发光源发光；

2)第一测道和第二测道均接收到待测定物反射光，第一测道采用电学法和平均值的方法测量，第二测道采用***法和多次测量取平均值求时间差的方法测量；

3)第一测道和第二测道将测量的结果在控制器内进行比较，并将比较结果与提前设置在控制器中标准范围进行比较，当比较结果在标准范围内，取第一测道测量值，当比较结果不在标准范围，控制器控制第一测道和第二测道重新测量。