本申請涉及一種光電測距裝置,尤其涉及一種基于飛行時(shí)間(Time of Flight,簡稱TOF)法的小型紅外測距裝置,特別地用于測量飛行器與地面間的高度、飛行器的地形跟隨。
背景技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)中,最常見的光學(xué)測距方法為三角測距法,主要采用激光光源發(fā)出探測光。但是,采用三角測量法:(1)受環(huán)境光的影響較大,在室外工作時(shí),不能準(zhǔn)確測量距離;(2)需要將激光光源與測距單元設(shè)置成具有一定的角度與距離且處于同一平面內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu),這樣就限制了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使得測距裝置的體積較大。
并且,在采用激光光源的三角測距方法或者采用單點(diǎn)光源的飛行時(shí)間方法測距中,在探測復(fù)雜物體,比如草叢等物體,由于激光光源或者單點(diǎn)光源的高準(zhǔn)直性,用于低空飛行器探測自身與地面的高度時(shí),測距結(jié)果會產(chǎn)生很大波動。
另外,在現(xiàn)有的光學(xué)測距方法中,發(fā)出的探測光光束通常與接收裝置所接收的返回光束不在同一光軸上,并且,發(fā)出的探測光光束通常為接近準(zhǔn)直的光束,這樣的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致當(dāng)障礙物與測距裝置的距離很近時(shí),接收裝置視場角內(nèi)的障礙物不能被探測光束照射到,會出現(xiàn)探測盲區(qū),從而使得測距裝置對近距離內(nèi)的障礙物測距不準(zhǔn)確或者無法探測到。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足:(1)受環(huán)境光的影響較大,在室外強(qiáng)光下工作時(shí),不能準(zhǔn)確測量距離;(2)測距裝置體積大;(3)在探測比如草叢等物體,由于激光光源或者單點(diǎn)光源的高準(zhǔn)直性,用于低空飛行器探測自身與地面的高度時(shí),測距結(jié)果會產(chǎn)生很大波動;(4)測距裝置近距離存在探測盲區(qū),為了解決現(xiàn)有光學(xué)測量方法上述問題中的一個(gè)或者所有,根據(jù)本申請的一個(gè)方面,提供了一種基于飛行時(shí)間法的小型紅外測距裝置。
本申請所涉及的一種小型紅外測距裝置,包括外罩、內(nèi)支架、底蓋、紅外光發(fā)射模塊及光電測距模塊,其中,底蓋固定于外罩底部的開口部,內(nèi)支架固定于外罩內(nèi)部,紅外光發(fā)射模塊及光電測距模塊固定于內(nèi)支架。紅外光發(fā)射模塊發(fā)出紅外探測光,紅外探測光遇到被測物體后被反射,光電測距模塊接收到經(jīng)過反射的紅外探測光,該所述小型紅外測距裝置基于飛行時(shí)間法計(jì)算所述小型紅外測距裝置與被測物體之間的距離。
在其中的一實(shí)施例中,紅外光發(fā)射模塊上固定設(shè)置有紅外光源,紅外光源發(fā)出發(fā)散的紅外探測光。
在其中的一實(shí)施例中,所述底蓋固定于外罩底部,外罩與底蓋形成腔體結(jié)構(gòu),所述內(nèi)支架固定于腔體內(nèi)部,所述外罩對應(yīng)的紅外探測光出射位置不具有開口,并且所述外罩對應(yīng)的光電測距模塊接收經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光入射位置也不具有開口。
在其中的一實(shí)施例中,外罩全部由可見光截止紅外光透過材料制成,或者所述外罩全部由中心波長為850nm的帶通濾光材料制成。
在其中的一實(shí)施例中,外罩所對應(yīng)的紅外探測光出射位置和經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光入射位置由可見光截止紅外光透過材料制成,或者所述外罩所對應(yīng)的紅外探測光出射位置和經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光入射位置由中心波長為850nm的帶通濾光材料制成。
在其中的一實(shí)施例中,紅外光發(fā)射模塊所發(fā)出的紅外探測光光路上設(shè)置有紅外光發(fā)射透鏡,該紅外光發(fā)射透鏡固定于內(nèi)支架;所述光電測距模塊的接收紅外光光路上設(shè)置有紅外光接收透鏡,該紅外光接收透鏡固定于內(nèi)支架。
在其中的一實(shí)施例中,外罩具有導(dǎo)光裝置,所述導(dǎo)光裝置突起設(shè)置于外罩,所述外罩上的導(dǎo)光裝置位于所述紅外光源所發(fā)出的紅外探測光光路上,所述導(dǎo)光裝置用于減小所述小型紅外測距裝置的紅外光探測盲區(qū)。
在其中的一實(shí)施例中,導(dǎo)光裝置為柱狀結(jié)構(gòu),或者為半球狀結(jié)構(gòu),或者為四分之一圓柱體結(jié)構(gòu)。
在其中的一實(shí)施例中,光電測距模塊固定設(shè)置有測距芯片EPC600、EPC610或EPC660。
在其中的一實(shí)施例中,光電測距模塊包括接收紅外探測光的光電傳感器,所述光電傳感器為單獨(dú)一個(gè)光電傳感器、或者為由多個(gè)獨(dú)立工作光電傳感器構(gòu)成的一塊平面陣列光電傳感器。
在其中的一實(shí)施例中,小型紅外測距裝置用于確定飛行器與地面間的高度,或者用于飛行器地形跟隨。
在其中的一實(shí)施例中,導(dǎo)光裝置為半圓柱體結(jié)構(gòu),突起于外罩紅外探測光透射面的內(nèi)表面設(shè)置,并且該導(dǎo)光裝置位于紅外光源所發(fā)出的紅外探測光光路上。
在其中的一實(shí)施例中,半圓柱體結(jié)構(gòu)靠近光電測距模塊方向設(shè)置。
在其中的一實(shí)施例中,導(dǎo)光裝置為四分之一圓柱體結(jié)構(gòu),突出于外罩紅外探測光透射面的內(nèi)表面設(shè)置,并且位于紅外光源所發(fā)出的紅外探測光光路上。
在其中的一實(shí)施例中,該四分之一圓柱體結(jié)構(gòu)整體位于紅外光源光軸的一側(cè),并且位于紅外光源光軸的靠近光電測距模塊方向一側(cè)。
在其中的一實(shí)施例中,該四分之一圓柱體的圓側(cè)面位于遠(yuǎn)離光電測距模塊的方向,而該四分之一圓柱體的直側(cè)面位于靠近光電測距模塊的方向。
在其中的一實(shí)施例中,導(dǎo)光裝置由四分之一圓柱體的直側(cè)面延伸,形成成臺體結(jié)構(gòu),所述延伸部分截止于光電測距模塊的接收視場角范圍邊界。
本申請基于飛行時(shí)間法的小型紅外測距裝置:(1)基于飛行時(shí)間發(fā)的測試原理,使得紅外光發(fā)射模塊與光電測距模塊不需要固定的角度要求,使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,占用空間小,且沒有驅(qū)動電機(jī)等裝置,功耗小,使用壽命長;(2)采用的紅外光源發(fā)出具有一定面積的發(fā)散紅外探測光,能夠探測一定面積區(qū)域內(nèi)的距離信息,光電測距模塊的光電傳感器收集了一定視場角范圍內(nèi)的反射紅外光,同時(shí)進(jìn)行了空間分辨率上的平均,相當(dāng)于對探測區(qū)域進(jìn)行了平均距離值的探測,當(dāng)探測例如草叢等復(fù)雜物體時(shí),具有得到平滑的距離值;(3)由于采用基于TOF的測距技術(shù),計(jì)算公式為:
其中,D為所計(jì)算的距離值,C為光在真空中的速度,f為調(diào)制信號的頻率,DCS0~DCS3為信號采樣幅值,發(fā)出的探測光為經(jīng)過調(diào)制的矩形或者正弦信號,在距離計(jì)算過程中由于進(jìn)行了相減的計(jì)算,DCS0-DCS2和DCS3-DCS1可以濾除背景光的干擾;并且測距裝置還可以根據(jù)探測出的環(huán)境光強(qiáng),變換信號光強(qiáng),以此提高信噪比,因此擁有室外抗強(qiáng)光特性。(4)在外罩上設(shè)置導(dǎo)光裝置,有效減小了測距裝置近距離的探測盲區(qū)。
附圖說明
圖1是本申請小型紅外測距裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本申請小型紅外測距裝置內(nèi)支架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本申請小型紅外測距裝置爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本申請小型紅外測距裝置外罩結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本申請小型紅外測距裝置外罩中導(dǎo)光裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本申請未設(shè)置于設(shè)置導(dǎo)光裝置的盲區(qū)光路對比示意圖。
圖7是本申請其中一實(shí)施例導(dǎo)光裝置結(jié)構(gòu)及其光路示意圖。
具體實(shí)施方式
本申請實(shí)施例提供了一種小型紅外測距裝置,如附圖1-4所示,包括外罩10、內(nèi)支架20、底蓋30、紅外光發(fā)射模塊以及光電測距模塊。底蓋30固定于外罩10底部的開口部,內(nèi)支架20固定于外罩10內(nèi)部,紅外光發(fā)射模塊及光電測距模塊固定于內(nèi)支架20。
當(dāng)小型紅外測距裝置接收到工作指令后,光電測距模塊發(fā)送調(diào)制信號到紅外光發(fā)射模塊,紅外光發(fā)射模塊發(fā)出經(jīng)過調(diào)制信號調(diào)制的峰值波長在850nm的紅外探測光,該紅外探測光透過外罩,出射到外部需要探測的環(huán)境中。紅外探測光遇到被測物體后被反射,經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光再次透過外罩,入射到外罩內(nèi)部。光電測距模塊收到經(jīng)過反射的紅外探測光,該小型紅外測距裝置基于飛行時(shí)間法計(jì)算所述小型紅外測距裝置與被測物體之間的距離。本申請采用了飛行時(shí)間法測量距離,可以探測到環(huán)境中距小型紅外測距裝置15米處的被測物體。另外,通過控制調(diào)制信號的頻率,測量裝置的探測距離進(jìn)一步擴(kuò)展。
其中,紅外光發(fā)射模塊上固定設(shè)置有紅外光源40,所述紅外光源發(fā)出具有一定橫截面積的發(fā)散紅外探測光光束。在優(yōu)選的實(shí)施例中,所述紅外光源40為LED光源。其中可選的實(shí)施例中,LED光源的個(gè)數(shù)為2個(gè)或者更多。在優(yōu)選的實(shí)施例中,紅外光發(fā)射模塊中具有4個(gè)紅外LED光源。進(jìn)一步地,上述LED光源以測距模塊中的光電傳感器50為中心對稱的矩形形狀設(shè)置,4個(gè)LED光源位于矩形的直角點(diǎn)上。在可選的實(shí)施例中,紅外光發(fā)射模塊上的紅外光光源40的光軸與光電測距模塊的接收視場角的光軸平行。
由于紅外光源40發(fā)出具有一定橫截面積的發(fā)散紅外探測光光束,但是光源具有較大發(fā)散角,為了將紅外光源發(fā)出的發(fā)散光會聚,以小發(fā)散角發(fā)射出外殼,在優(yōu)選的實(shí)施例中,還在紅外光源發(fā)出的紅外探測光光路上,設(shè)置有紅外光發(fā)射透鏡21,通過優(yōu)化紅外光發(fā)射透鏡21的直徑、厚度及曲率半徑,經(jīng)過紅外光發(fā)射透鏡21后,由紅外光源發(fā)出的紅外探測光的發(fā)散角減小到2度或者更小,該出射到環(huán)境中的紅外探測光具有一定的橫截面積。其中,紅外光發(fā)射透鏡21為會聚透鏡,固定設(shè)置于內(nèi)支架。在其中的一實(shí)施例中,該紅外光發(fā)射透鏡為雙凸透鏡,透鏡的兩面具有不同的曲率。由于紅外探測光具有一定的橫截面積,對探測區(qū)域相當(dāng)于進(jìn)行了平均距離值的探測,當(dāng)測量例如草叢等復(fù)雜物體時(shí),具有平滑的距離值。
為了將更多的被物體反射的外探測光收集到光電測距模塊,在光電測距模塊的接收紅外探測光光路上設(shè)置有紅外光接收透鏡22,該紅外光接收透鏡22為會聚透鏡,將被物體反射回的紅外探測光聚焦到光電測距模塊上,該紅外光接收透鏡22固定設(shè)置于內(nèi)支架。在優(yōu)選的實(shí)施例中,紅外光接收透鏡為前后設(shè)置的兩片會聚透鏡。
底蓋固定于外罩底部,外罩與底蓋形成腔體結(jié)構(gòu),內(nèi)支架固定于腔體內(nèi)部。該外罩的紅外探測光透射面11,即在外罩對應(yīng)的紅外探測光出射位置不具有開口,并且所述外罩對應(yīng)的光電測距模塊接收經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光入射位置也不具有開口。該沒有開口的外罩設(shè)計(jì),將固定于內(nèi)支架的紅外光發(fā)射模塊、光電測距模塊、紅外光發(fā)射透鏡及紅外光接收透鏡等保護(hù)。在優(yōu)選的實(shí)施例中,該外罩整體一體成型制作。
底蓋與外罩相固定后,除了在外罩底部側(cè)面或者底蓋上還設(shè)置有用于通過數(shù)據(jù)線的小孔80外,形成了封閉的腔體,有效阻止外界的水、灰塵等對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。上述供數(shù)據(jù)線通過的小孔80處還可以通過密封裝置將其密封,使得測距裝置內(nèi)部完全為密閉結(jié)構(gòu)。所述數(shù)據(jù)線用于內(nèi)部測距裝置與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸及電源供電功能等。
根據(jù)本申請的一個(gè)方面,外罩全部由可見光截止紅外光透過材料制成,或者所述外罩全部由中心波長為850nm的帶通濾光材料制成。上述材料的選用,是為了去除環(huán)境光對紅外探測光的影響,提高信噪比。在其中的一實(shí)施例中,外罩無需全部由透光材料制成,只需外罩所對應(yīng)的紅外探測光出射位置和經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光入射位置由可見光截止紅外光透過材料制成,或者所述外罩所對應(yīng)的紅外探測光出射位置和經(jīng)過被測物體反射的紅外探測光入射位置由中心波長為850nm的帶通濾光材料制成。
在優(yōu)選的實(shí)施例中,為了消除小型紅外測距裝置的探測盲區(qū),在外罩還設(shè)置有導(dǎo)光裝置90。例如圖5所示,該導(dǎo)光裝置90用于,在測距裝置的近距離處,例如在距離測距裝置0-15厘米范圍,將經(jīng)過該導(dǎo)光裝置的紅外探測光折射到光電測距裝置的接收視場角范圍內(nèi),使得即使當(dāng)障礙物與測距裝置的距離很近時(shí),接收裝置視場角內(nèi)的障礙物也能被探測光束照射到。該導(dǎo)光裝置突起設(shè)置于外罩,所述外罩上的導(dǎo)光裝置位于所述紅外光源所發(fā)出的紅外探測光光路上,所述導(dǎo)光裝置用于減小所述小型紅外測距裝置的紅外光探測盲區(qū)。導(dǎo)光裝置為柱狀結(jié)構(gòu),或者所述突起為半球狀結(jié)構(gòu)。
如圖6所示,設(shè)置導(dǎo)光裝置90與未設(shè)置導(dǎo)光裝置90的探測盲區(qū)示意圖。當(dāng)未設(shè)置導(dǎo)光裝置90的情況下,探測盲區(qū)A較大,如圖6中紅外光發(fā)射模塊中紅外光源40的紅外探測光光路與光電測距模塊接收視場未重合的區(qū)域,即圖6中實(shí)線紅外探測光光路與實(shí)線接收視場范圍未重合部分。當(dāng)加入導(dǎo)光裝置90后,探測盲區(qū)B較小,使得紅外光源40的光路發(fā)生部分額外偏轉(zhuǎn),如圖6中虛線所示,紅外光源40在原來實(shí)線所示光路的基礎(chǔ)之上,增加了虛線所示探測區(qū)域,由于導(dǎo)光裝置90的設(shè)置,使得小型紅外測距裝置的探測盲區(qū)減小,即紅外光源40虛線所示紅外探測光光路與實(shí)線接收視場范圍未重合部分。由此可見,導(dǎo)光裝置90的設(shè)置,可以減小測距裝置的探測盲區(qū)。
在其中的一實(shí)施例中,該導(dǎo)光裝置為一半圓柱體結(jié)構(gòu),突起于外罩紅外探測光透射面11的內(nèi)表面設(shè)置,并且該導(dǎo)光裝置位于紅外光源所發(fā)出的紅外探測光光路上??蛇x地,該半圓柱突起于外罩紅外探測光透射面11的內(nèi)表面,在紅外光源所發(fā)出的紅外探測光光路上,并且靠近光電測距模塊方向設(shè)置。
可選地,為了不影響紅外探測光以小角度出射,讓更多的紅外探測光以小角度出射到遠(yuǎn)距離被測物體,設(shè)置成四分之一圓柱體91結(jié)構(gòu),該四分之一圓柱體91突出于外罩紅外探測光透射面11內(nèi)表面,并且位于紅外光源發(fā)出的紅外探測光光路上。在其中的一實(shí)施例中,該四分之一圓柱體結(jié)構(gòu)整體位于紅外光源光軸的一側(cè),該四分之一圓柱體結(jié)構(gòu)整體位于紅外光源光軸的靠近光電測距模塊一側(cè)。在其中的一實(shí)施例中,該四分之一圓柱體的圓側(cè)面位于遠(yuǎn)離光電測距模塊的方向,而該四分之一圓柱體的直側(cè)面位于靠近光電測距模塊的方向。
在可選的實(shí)施例中,為了避免該四分之一圓柱體91的直側(cè)面對紅外發(fā)出的紅外探測光的反射,將該導(dǎo)光裝置由四分之一圓柱體的直側(cè)面延伸,設(shè)置成如圖7所示,由四分之一圓柱體91和延伸部分92所構(gòu)成的臺體結(jié)構(gòu),該延伸部分92截止于光電測距模塊的接收視場角范圍邊界,避免對接收紅外探測光的影響。
該導(dǎo)光裝置由與外罩相同的透光材料制成,或者由透明材料制作而成。
可選地,在外罩內(nèi)部所對應(yīng)的紅外探測光出射位置與紅外探測光入射位置之間,還設(shè)置有防止出射紅外探測光與被障礙物反射回來的入射紅外探測光互相發(fā)生干擾的擋光裝置。在優(yōu)選的實(shí)施例中,該擋光裝置為一突出于外罩內(nèi)表面的圓形筒狀結(jié)構(gòu)。
本申請所涉及的一種小型紅外測距裝置,還包括第一電路板與第二電路板。其中,紅外光發(fā)射模塊與光電測距模塊固定設(shè)置于第一電路板上。當(dāng)小型紅外測距裝置接收到工作指令后,固定于第一電路板上的光電測距模塊通過第一電路板發(fā)送調(diào)制信號到紅外光發(fā)射模塊,在驅(qū)動電路協(xié)議下驅(qū)動紅外光發(fā)射模塊上的紅外光源發(fā)出紅外探測光。第一電路板固定于內(nèi)支架上,從而將紅外光發(fā)射模塊與光電測距模塊固定。第二電路板為主板,主要用于為第一電路板上紅外光發(fā)射模塊、光電測距模塊供電,同時(shí)讀取光電傳感器數(shù)據(jù),計(jì)算并輸出最終測量結(jié)果。在優(yōu)選的實(shí)施例中,第一電路板固定于內(nèi)支架上,第二電路板固定于底蓋上,第一、第二電路板平行設(shè)置。在其他的實(shí)施例中,第一電路板與第二電路板的位置并不限于此,第一、第二電路板可以全部固定在內(nèi)支架上,或者第一、第二電路板位于內(nèi)支架與底蓋之間的空間。在其中的一實(shí)施例中,第一電路板與第二電路板集成在同一電路板上。第一、第二電路板不限于互相平行設(shè)置,在其中的一實(shí)施例中,第二電路板垂直于第一電路板設(shè)置。
其中,光電測距模塊中設(shè)置有測距芯片,在優(yōu)選的實(shí)施例中,該測距芯片為EPC600、或者為EPC610、或者為EPC660。
其中,光電測距模塊包括接收被物體反射回的紅外探測光的光電傳感器,該光電傳感器為單獨(dú)一個(gè)光電傳感器、或者為由多個(gè)獨(dú)立工作光電傳感器構(gòu)成的一塊平面陣列光電傳感器。
在其中一實(shí)施例中,小型紅外測距裝置用于行走機(jī)器人、掃地機(jī)器人、或無人機(jī),或者類似的智能機(jī)器移動設(shè)備。
在其中一實(shí)施例中,小型紅外測距裝置用于測量飛行器與地面間的高度。該飛行器例如為無人機(jī),特別地為植保無人機(jī)。
在其中一實(shí)施例中,小型紅外測距裝置用于飛行器地形跟隨。
在其中一實(shí)施例中,在飛行器的使用過程中會遇到潮濕或者雨水等環(huán)境,通過外殼的設(shè)計(jì),使得該小型紅外測距裝置具有IP65、IP66或者IP67的防水防護(hù)等級。
以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已,并不用于限制本申請,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。