CN111443355B - 一种基于tof模组的测距方法、计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种TOF模组的测距方法、计算机存储介质。该TOF模组包含发光器模块、传感器模块及处理器模块，处理器模块分别电性连接发光器及传感器模块并基于指令控制发光器模块发光及控制传感器模块接收反射光，该测距方法包含：S1.建立光波形；S2.处理器模块基于预设的程序依次调节第一采样点与第二采样点开始感光的时间点，以推算出反射光首次到达传感器的时间；S3.基于推算出的时间直接计算测量的距离。该测距方法基于间接TOF测量***，通过描绘光波形，计算出光脉冲的起点，这样推算出的时间与间接光波形组合达到了直接TOF测量的目的。该测距方法测量时减小间接TOF模组的多径效应的影响，使得间接TOF模组可以适应于更复杂的应用场景。

Description

一种基于TOF模组的测距方法、计算机存储介质

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地涉及一种基于TOF模组的测距方法、计算机存储介质。

背景技术

近年来，随着无人机、人脸识别、智能家具和物流等应用场景逐步扩大，中短距离三维测距的需求越来越大，同时对测距速度与精度要求越来越高。现有的测距方法大都通过主动打光并接收反射光，并比照发射光与反射光的各项特性来计算出距离信息。其中，飞行时间(Timeof Flight，TOF)测距方法因为高精度与高速率逐渐展现其优越性。

TOF方法分为间接TOF与直接TOF，其中，直接TOF的测量机理如图1所示，测量时发射一个宽度短的脉冲并通过传感器接收物体的反射光，然后根据两者的时间差直接计算出物体与设备的距离；间接TOF其测量机理如图2，测量时发射一个宽度较长(△t)的脉冲，传感器接收端则有多个通道在不同时间开启，根据在多个通道内接收到的光计数量来推算出物体与设备的距离。一般来说直接TOF模组的测量量为光脉冲发射与接收的时间间隔，对应于真实距离；间接TOF模组的测量量为不同通道的接收光比值，使用前需要预先标定该比值与距离的映射关系，同一比值在不同量程下对应不同距离。

由于直接TOF方法是测量发光起始时间与接收时间，并直接计算距离，具有计算快、抗干扰能力强等优点。但是在实际测量的过程中，其精度正比于(受制于)时钟频率。为了达到高精度测量，需要电路结构的具有非常高的时钟频率，远高于间接TOF模组。而间接TOF模组会根据量程选择发射光的脉冲宽度，一般量程越长，光脉冲越长，通过调节两个接收器开关时间，使得两个接收器接受光比例到测量距离的影射更稳定。但是当有多个相近的反射面时，光会在反射面间多次反射，多次反射光到达传感器的时间会晚于单次反射光，会导致测量结果的不准确(即多径效应)。另外，间接TOF模组由于会有较长的发光脉冲与接收光时间，接收时会有较多的外界杂散光信号进入传感器，并增大测量误差。

因此需要一种新的基于TOF模组的测距方法。

发明内容

为此，本发明目的在于，提供一种基于TOF模组的测距方法。该方法基于间接TOF模组，实现了直接TOF测量的方法，拓宽了间接TOF模组的应用范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种TOF模组的测距方法，所述TOF模组包含发光器模块、传感器模块及处理器模块，所述处理器模块分别电性连接发光器模块及传感器模块并基于指令控制发光器模块发光及控制传感器模块接收反射光，其特征在于：所述测距方法包含如下步骤：

S1.建立光波形；

S2.所述处理器模块基于预设的程序依次调节第一采样点与第二采样点开始接收光信号的时间点，以推算出反射光首次到达传感器的时间；

S3.基于推算出的时间直接计算测量的距离。通过描绘光波形，计算光脉冲起点的方式，实现了直接TOF方法。这样该方法利用直接TOF方法与间接TOF方法组合，减小多径效应的影响，使得间接TOF模组可以适应于更复杂的应用场景。

在一实施方式中，该S2中包含同一位置采集的不同发光或传感器切换时间的信号，从而推算出反射光首次到达传感器的时间。

在一实施方式中，该S2中还包含：

通过调节第一采样点与第二采样点的开启/关闭时间来推算出反射光首次到达传感器的时间。

在一实施方式中，该步骤S2中还包含：

在测量时，保持模组与被测物间距离不变，通过预设的程序逐渐改变传感器开启时间，以推算出第一采样点的传感器首次接收到信号的时钟周期。

在一实施方式中，该步骤S2中还包含：调整与被测物间的距离来推算出反射光首次到达传感器的时间。

在一实施方式中，该步骤S1中,所述处理器模块中预设多种类型的光波形，在TOF模组启用时基于指令选择匹配的光波形。

在一实施方式中，该步骤S1中所述光波形为线性模型，其包含上升沿模型。

在一实施方式中，该步骤S1中光波的上升沿时间大于3个单位时间。

在一实施方式中，该步骤S2中还包含：在测量时，

首次接收到光能量不为零的时间为t单位时间，感光能量为a；

传感器感光后移一个单位时间之后，感光能量为b；

后移两个单位时间之后，感光能量为c；

后移三个单位时间之后，感光能量为d，

若接收到光波的时刻为t单位时间的起点，则满足a+c-2*b＝b-2*a；

若接收到光波的时刻落在t单位时间段内，则根据三角形相似定理以及面积与边长的关系来推算出反射光首次到达传感器的时间T＝t-sqrt(2*a/(a+c-2*b))。

本申请实施例提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括计算机程序，所述计算机程序运行如上述的控制方法。

有益效果

相对于现有技术中的方案，本发明的TOF测距方法，通过描绘光波形，计算光脉冲起点的方式，实现了直接TOF方法。利用直接TOF方法与间接TOF方法组合减小多径效应的影响同时提高间接TOF的测量精度，使得间接TOF模组可以适应于更复杂的应用场景。

附图说明

本申请上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的直接TOF测量的机理示意图；

图2为现有的间接TOF测量的机理示意图；

图3为本发明实施例的TOF模组的功能示意图；

图4为本发明实施例的TOF模组的测量流程示意图；

图5为本发明实施例的基于程序调整不同传感器开启时间的时序示意图；

图6为本发明一实施例的推算反射光首次到达传感器的时间的模型示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请提出本申请提供一种TOF模组的测距方法。该TOF模组包含发光器模块、传感器模块及处理器模块，处理器模块分别电性连接发光器模块及传感器模块并基于指令控制发光器模块发光及控制传感器模块接收反射光，该测距方法包含：建立光波形；处理器模块基于预设的程序依次调节第一采样点与第二采样点开始感光的时间点，以推算出反射光首次到达传感器的时间；基于推算出的时间直接计算测量的距离。该测距方法基于间接TOF测量***，通过描绘光波形，计算出光脉冲的起点，这样推算出的时间与间接光波形组合达到了直接TOF测量的目的。该测距方法测量时减小间接TOF模组的多径效应的影响，使得间接TOF模组可以适应于更复杂的应用场景。本实施方式中第一采样点与第二采样点可依据不同的设备(如，不同的传感器)进行采样。

接下来结合附图描述本申请提出的测量方法,如图3所示为本申请一实施例的TOF模组的功能示意图，该TOF模组包含发光器模块、传感器模块及处理器模块，该处理器模块分别电性连接发光器模块及传感器模块，处理器模块基于指令控制发光器模块发光、控制传感器模块接收反射光(也称返回光或感光)。该TOF模组测距时测距方法如图4所示，包含如下步骤：

S1.建立光波形，如基于预设的控制程序建立光波形用于确定最适合的上升沿模型；

S2.推算出反射光首次到达传感器的时间，在测量时，依次调节第一采样点A0与第二采样点A1开始感光的时间点，得到一组逐渐变化的数据进行统计，如：通过在同一位置采集多次不同发光或传感器切换时间的信号，从而推算出反射光首次到达传感器的时间；

S3.基于推算出的时间，直接计算出测量的距离。本实施方式中，发光器模块在接收到发光命令后开始发光，发光器模块的发光能量随着时间逐步上升，在达到一定值后保持平稳直至发光时间结束，最后发光能量逐渐降低至零。测量时对于同一距离的被测物，接收器接收到的光(反射光)与发射光形状相同且强度与发射光信号成正比。根据时钟频率，依次调节A0与A1开始感光的时间点，得到一组逐渐变化的数据，统计下一个数据与上一个数据之差即为该时间间隔内接收到的光计数，通过每个时间间隔收到的光计数描绘出光波形的轮廓。本申请提出的基于间接TOF模组测距方法，在测距时首先基于描绘的间接的光波形，推算出光脉冲的起点即推算出反射光首次到达传感器的时间，这样推算出的时间与间接光波形组合达到了直接TOF测量的目的。该测距方法测量时减小间接TOF模组的多径效应的影响，提高了间接TOF的测量精度，使得间接TOF模组可以适应于更复杂的应用场景。在其他的实施方式中，除了采样点的感光时间的时间点，以取得不同时间的计数信息外，还可以通过调节A0与A1开启/关闭时间或者移动距离等方式来计算光波形。本实施方式中，对于每个模组光波形是固定。在其他的实施方式中，可预设多种类型的光波形，在设备启用时选择匹配。本实施方式中，第一采样点(A0)及第二采样点(A1)分别匹配有对应的传感器。

作为上述实施方式的变形，如图5所示，图中A0n/A1n分别表示A0传感器和A1传感器第n次接收到的计数量，步骤S2推算出反射光首次到达传感器的时间，还包括，在测量时，保持设备与物体间距离不变，通过预设的程序逐渐改变传感器开启时间，以获取多组数据后，这样推算出A1传感器首次接收到信号的时钟周期。在实际应用时，由于间接TOF的时钟频率较低，单次修改后传感器接收信号的变化较大，A0产生计数的时间不完全等于接收到信号的时间点。通过拟合多组数据的位置，推算出光波到达时刻，以此计算测量的距离。一般的光波模型均分为三个部分，即上升部分，平缓部分以及下降部分。线性模型的光波其上升部分和下降部分都是线性的，本实验中主要讨论光波上升沿的情况，只需光波上升沿接近线性模型即可。根据传感器不同时间接收到的能量大小数据，若使用线性模型，此时即可根据能量零点位置计算出更精准的接收时间。

在一实施方式中，如图6所示所示，以使用的光波上升沿时间大于3个单位时间为例，文中涉及的单位时间均为***能识别的最小时间。若***时钟频率为f，则单位时间为1/f。

首次接收到光能量不为零的时间为t单位时间，感光能量为a；

传感器感光后移一个单位时间之后，感光能量为b；

后移两个单位时间之后，感光能量为c；

后移三个单位时间之后，感光能量为d。在上升沿大于3个单位时间的前提下，实际的大小关系会符合a<b<c<d，根据线性模型的特征在上升沿阶段单位时间内增量相等，其单位时间内的增量为c-b-(b-a)，即a+c-2*b。若接收到光波的时刻为t单位时间的起点，则符合a+c-2*b＝b-2*a；一般接收到光波的时刻落在t单位时间段内，根据三角形相似定理以及面积与边长的关系，可得实际的光接收时间可以精确到t-sqrt(2*a/(a+c-2*b))。然后再据此直接计算出测量距离。本实施方法中基于线性模型的光波形，在其他的实施方式中不限于线性模型的光波形，如可根据具体光波的上升沿模型对时间公式进行一定的修改。本实施方法中若光波的上升沿模型较复杂且下降沿模型较简单时，也可以将改公式推广至下降沿进行计算。

本申请实施例提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括计算机程序，该计算机程序运行上述的控制方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机(处理器)可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TOF模组的测距方法，所述TOF模组包含发光器模块、传感器模块及处理器模块，所述处理器模块分别电性连接发光器模块及传感器模块并基于指令控制发光器模块发光及控制传感器模块接收反射光，其特征在于：

所述测距方法包含如下步骤：

S1.建立光波形，所述处理器模块中预设多种类型的光波形，在TOF模组启用时基于指令选择匹配的光波形；

S2.所述处理器模块基于预设的程序根据时钟频率，依次调节第一采样点与第二采样点开始接收光信号的时间点，得到一组逐渐变化的数据，统计下一个数据与上一个数据之差即为该时间间隔内接收到的光计数，通过每个时间间隔收到的光计数描绘出光波形的轮廓，以推算出反射光首次到达传感器的时间；

S3.基于推算出的时间与间接光波形组合以直接计算测量的距离。

2.如权利要求1所述的TOF模组的测距方法，其特征在于：所述步骤S2中还包含：

通过调节第一采样点与第二采样点的开启/关闭时间来推算出反射光首次到达传感器的时间。

3.如权利要求2所述的TOF模组的测距方法，其特征在于：所述步骤S2中还包含：

在测量时，保持模组与被测物间距离不变，通过预设的程序逐渐改变传感器开启时间，以推算出第一采样点的传感器首次接收到信号的时钟周期。

4.如权利要求1所述的TOF模组的测距方法，其特征在于：所述步骤S2中还包含：

调整与被测物间的距离来推算出反射光首次到达传感器的时间。

5.如权利要求1所述的TOF模组的测距方法，其特征在于：所述步骤S1中所述光波形为线性模型，所述线性模型包含上升沿模型。

6.如权利要求5所述的TOF模组的测距方法，其特征在于：所述步骤S1中光波的上升沿时间大于3个单位时间。

7.如权利要求6所述的TOF模组的测距方法，其特征在于：

所述步骤S2中还包含：在测量时，

首次接收到光能量不为零的时间为t单位时间，感光能量为a；

传感器感光后移一个单位时间之后，感光能量为b；

后移两个单位时间之后，感光能量为c；

后移三个单位时间之后，感光能量为d，

若接收到光波的时刻为t单位时间的起点，则满足a+c-2*b＝b-2*a；

若接收到光波的时刻落在t单位时间段内，则根据三角形相似定理以及面积与边长的关系来推算出反射光首次到达传感器的时间T＝t-sqrt(2*a/(a+c-2*b))。

8.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括计算机程序，所述计算机程序运行如权利要求1-7中任一项所述的测距方法。

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