專利名稱：光學(xué)位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光學(xué)傳感器測量目標(biāo)角度位置的設(shè)備及方法。特別涉及一種與設(shè)備軸線和發(fā)光或反光目標(biāo)有關(guān)，用來確定橫向偏移角的三角正切值的設(shè)備和方法。
位移測量在制造工業(yè)中十分重要，對那些依賴信號反饋進(jìn)行控制的制造業(yè)來說，尤其重要。光學(xué)傳感器在工業(yè)定位中十分有用，因為它們可以進(jìn)行非接觸性測量并可不受電磁干擾。
近來，許多固定的設(shè)備中都含有光學(xué)傳感器，它們可以用來確定一個目標(biāo)的存在，也就是物體探測；或確定與一個目標(biāo)的直線距離，即距離測量。以下專利對上述一些光學(xué)傳感器的類型進(jìn)行了討論。
在美國專利4,865,443(Howe et al.)中，介紹了一種光學(xué)位移傳感器。它利用從一個散射表面反射回來的光是按平方反比規(guī)律進(jìn)行衰減的原理來計算反射面和傳感器之間的直線距離。該傳感器由兩個光學(xué)傳感器和一個激光源或準(zhǔn)直光源構(gòu)成。兩光學(xué)傳感器是共線安裝的，它們的尾端與反光目標(biāo)間的距離不同。這種傳感器只能在它與目標(biāo)共線時測量距離。
在美國專利5,056,913(Tanaka et al.)中，介紹了另一種光學(xué)位移傳感器。它裝有多個光源，光源的光學(xué)特性隨它們與目標(biāo)距離的變化而變化，并與距離成函數(shù)關(guān)系。無論通過將光源安裝在不同位置，還是通過透鏡或分光鏡將光源發(fā)出的光處理為光束，距離都會被改變。這種傳感器只適用于測量直線距離。
在美國專利5,196,689(Sugita et al.)中，介紹了一種物體探測設(shè)備。該設(shè)備的特征在于它裝有兩個或更多的光接收器，這些接收器部分交疊，從而形成了物體探測區(qū)域。其光探測區(qū)的二次曲線圖形被分成多個部分。每個部分代表一個區(qū)域，在此區(qū)域中不同的一個或多個接收器對光進(jìn)行探測。通過對各個部分進(jìn)行識別，就可以確定位于總探測區(qū)內(nèi)的物體的位置。該探測設(shè)備只能探測一個物體出現(xiàn)的區(qū)域，而不能探測一個區(qū)域內(nèi)任一指定的位置。
還有另一種類型的光學(xué)傳感器，它可以產(chǎn)生一個可變的輸出信號電平，從而說明當(dāng)前遮擋程度占整個反光物的百分比。這種傳感器已經(jīng)用于在目標(biāo)范圍被限制為一個的情況下，監(jiān)視目標(biāo)的有效中心位置，也可用來監(jiān)視傳感器60度有效前視區(qū)的各個邊緣。這種單一的探測器對其光源的變化十分敏感，它也只能通過非常有限的實用線性位置數(shù)據(jù)。還有一些可移動或旋轉(zhuǎn)的激光探測器，它們也利用光來測量目標(biāo)的角度位置。所有前面提到的光學(xué)傳感器都不能利用固定的或非旋轉(zhuǎn)的傳感器組件來測量光學(xué)目標(biāo)的角度位置和(或)橫向位置。
因此，本發(fā)明的目的之一就是提供一種能夠測量與光學(xué)傳感器軸線有關(guān)的目標(biāo)角度位置的光學(xué)傳感器。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種光學(xué)傳感器，它可以利用一個簡單、不需要較高光學(xué)特性或機(jī)械精密度的組件來確定目標(biāo)的角度位置。
本發(fā)明還提供了一種光學(xué)傳感器，它能夠確定目標(biāo)的角度位置，并消除了對目標(biāo)反光性能和瞬時發(fā)光功率的依賴性。
本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種方法，它可以確定與設(shè)備敏感區(qū)軸線相關(guān)的目標(biāo)的角度，并能通過獲知其它參量來確定目標(biāo)與軸線或傳感器的距離。
本發(fā)明涉及一種可以進(jìn)行光學(xué)探測和確定目標(biāo)角度位置的設(shè)備和方法。該設(shè)備含有一對光學(xué)傳感器，對它們的安裝應(yīng)保證兩個敏感區(qū)至少有一部分交疊。這部分交疊區(qū)域稱為總敏感區(qū)，或稱為設(shè)備的有效敏感區(qū)。該設(shè)備中的每個光學(xué)傳感器對總敏感區(qū)內(nèi)的目標(biāo)無論是其發(fā)出還是反射的光都敏感，并可產(chǎn)生與感光量相對應(yīng)的信號。信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后，就可根據(jù)與光學(xué)傳感器有關(guān)的信號來確定目標(biāo)的角度位置。
通過將兩傳感器的敏感區(qū)相互交疊，并對光學(xué)傳感器產(chǎn)生的有關(guān)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本發(fā)明所提出的方法就可以確定一個位于某區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的角度位置。一旦角度位置被確定，且如果知道其它的一些參量，則目標(biāo)及與傳感器陣列的中心線相垂直或平行的一條直線之間的距離就可以計算出來。


圖1是本發(fā)明中所討論的一個光學(xué)傳感器組件平面圖。
圖2是圖1中所示的用于探測目標(biāo)位置傳感器組件的工作原理圖。
圖3是一個原理圖，它包含有兩個光學(xué)傳感器的特征靈敏度曲線和一個理想的圓形靈敏度曲線。該曲線可用于本發(fā)明中所討論的光學(xué)傳感器組件。
圖1所畫的是一種光學(xué)傳感器設(shè)備10，它含有一個第一光學(xué)傳感器12，一個第二光學(xué)傳感器14，一個濾波器16，一列發(fā)光器18(a-d)和一個處理器8。第一和第二光學(xué)傳感器12和14是紅外光敏二極管，也可以是適于本目的的其它光敏元件。盡管光學(xué)傳感器的設(shè)計可能有些差異，但它們最好有基本相同的靈敏度特性。
光學(xué)傳感器12和14中的每一個傳感器都有一個有限的敏感區(qū)，還有一個與角度方向成函數(shù)關(guān)系的靈敏度。一個傳感器的靈敏度可以用靈敏度與光源的角位移之間的函數(shù)關(guān)系曲線(即靈敏度曲線)來表征。具有玫瑰形或心形靈敏度曲線31和33(圖3)的光學(xué)傳感器十分常見，并在本發(fā)明中工作得很好。圖3畫出了這些特征靈敏度曲線，同時還畫出了一個理想的圓形靈敏度曲線32。
光學(xué)傳感器12和14的設(shè)置必須使它們的兩個敏感區(qū)相互交疊。該交疊區(qū)域就稱為設(shè)備的總敏感區(qū)22，見圖2。由于出射光的強(qiáng)度與距離成函數(shù)關(guān)系，則最好將光學(xué)傳感器12和14相互緊密地放置在一起，從而保證它們與目標(biāo)20之間的距離相等。實際安裝時，兩光學(xué)傳感器被相鄰對稱地安裝在本設(shè)備總敏感區(qū)軸線24的兩側(cè)。由于光學(xué)傳感器的相對角度位置依賴于它們的特征靈敏度曲線和使用的特殊性，對于具有心形靈敏度曲線的光學(xué)傳感器來說，在安裝時最好使每個傳感器都與該設(shè)備的總敏感區(qū)軸線向外成45°角，從而使兩傳感器之間成90°角，見圖2。這種較好的安排使得軸線兩側(cè)的敏感區(qū)都超過45°。在每個光學(xué)傳感器軸線26(a和b)都以45°角向外伸出的情況下，將得到范圍為90°角的總敏感區(qū)22。
光學(xué)傳感器設(shè)備可選擇地配備多個發(fā)光器18(a-d)。發(fā)光器最好是一個紅外LED，當(dāng)然也可以是其它類型的光敏發(fā)射器，包括紫外或可見光發(fā)射器。所選擇的發(fā)光器應(yīng)與光學(xué)傳感器12和14相匹配。
光源或發(fā)光器18(a-d)可以安裝在位于光學(xué)傳感器設(shè)備10內(nèi)的光學(xué)傳感器12和14的相鄰處。通過使用如分隔器之類的器件，可以將從任何安裝在光學(xué)傳感器設(shè)備組件之內(nèi)的光源出射的光與光學(xué)傳感器隔離起來，從而使傳感器只能探測到反射回來的光而不能探測射出的光。在這種情況下，目標(biāo)20將作為一個反光鏡?？梢允褂媚軌蜻m合本發(fā)明的任何類型的反光鏡。作為反光鏡的器件最好是一個平面反光鏡，或是一個柱狀或球狀類型的反光鏡。這些類型反光鏡的特征在于，它們反射回探測器的光與由光源照射到反光鏡上的入射光相互平行。另一方面，目標(biāo)上也可含有發(fā)光器，或者發(fā)光器也可以從不是光學(xué)傳感器設(shè)備組件的其它點(diǎn)反射到目標(biāo)上。
光源(或發(fā)光器)的尺寸和功率(或通量)可根據(jù)實用情況而定。無論光是經(jīng)反射還是直接射到傳感器上，傳感器上的光強(qiáng)都應(yīng)足夠的大，從而為任何位于敏感區(qū)內(nèi)的目標(biāo)提供一個可接受的信噪比。但如果光強(qiáng)太大，則會使傳感器達(dá)到飽和。
如圖2和圖3所示的一個含有兩個光學(xué)傳感器并具有理想的圓形靈敏度曲線的設(shè)備，它可以根據(jù)相關(guān)信號利用簡單的三角學(xué)方法計算出目標(biāo)的角度位置，說明如下。盡管具有理想的圓形靈敏度曲線32的光學(xué)傳感器并不象其它一些類型的傳感器那樣常見，但通過使用濾波器、透鏡或類似器件，就可以近似地用具有心形靈敏度曲線31的光學(xué)傳感器來代替具有理想的圓形靈敏度曲線32的光學(xué)傳感器。實際安裝時，具有心形靈敏度曲線31的光學(xué)傳感器被安裝在位于安裝段30內(nèi)的凹槽28中，從而使傳感器的敏感區(qū)最邊緣上的光被遮住。此舉使得靈敏度曲線在180°前視區(qū)內(nèi)近似為圓形，由此簡化了根據(jù)相關(guān)信號確定目標(biāo)角度位置所做的計算。
通過使用如圖1所描述的光學(xué)傳感器設(shè)備并如上所述，與總敏感區(qū)22的軸線24(或0度角)有關(guān)的目標(biāo)角度位置(θ)就可以用三角學(xué)知識計算出來，見圖2。一個位于設(shè)備總敏感區(qū)22(或稱有效區(qū))內(nèi)的目標(biāo)20將一已知強(qiáng)度的光反射回設(shè)備10。用A和B分別代表光學(xué)傳感器12和14上的光強(qiáng)，則在該設(shè)備內(nèi)A和B將產(chǎn)生一個幅值與角偏移(分別為α和β)相對應(yīng)的信號。上述角偏移是目標(biāo)分別與特殊軸線26(a和b)所成的角度。兩光學(xué)傳感器的輸出信號可用數(shù)學(xué)方法表示出來，如下所述
信號“A”的幅值 A＝I·COS(α)信號“B”的幅值 B＝I·COS(β)其中α＝45-θ 并且β＝45+θ則A＝I·COS(45-θ) 并且B＝I·COS(45+θ)根據(jù)余弦和角定理，有A＝I·COS(45-θ)＝I·COS(45)·COS(θ)+I·SIN(45)·SIN(θ)B＝I·COS(45+θ)＝I·COS(45)·COS(θ)-I·SIN(45)·SIN(θ)將A與B的差除以A與B的和，則可以正切函數(shù)的形式得出角度θ的值，如下A-B＝(I·COS(45)·COS(θ)+I·SIN(45)·SIN(θ))-(I·COS(45)·COS(θ)-I·SIN(45)·SIN(θ))A+B＝(I·COS(45)·COS(θ)+I·SIN(45)·SIN(θ))+(I·COS(45)·COS(θ)-I·SIN(45)·SIN(θ))(A-B)/(A+B)＝(2·I·SIN(45)·SIN(θ))/(2·I·COS(45)·COS(θ))由于SIN(45)=COS(45)=1/2:]]>(A-B)/(A+B)＝SIN(θ)/COS(θ)＝TAN(θ)或者有(θ)＝ARCTAN(A-B)/(A+B)一旦得到θ角的正切值，則目標(biāo)與設(shè)備總敏感區(qū)軸線之間的橫向偏移距離“±X”與光學(xué)傳感器至目標(biāo)的直線距離“Y”之間有如下關(guān)系X＝Y(jié)·TAN(θ)其中TAN(θ)＝X/Y對于具有不同靈敏度曲線的光學(xué)傳感器來說，通過使用一個適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)對傳感器的靈敏度曲線進(jìn)行處理，就可以相似地確定和得出角度位置和偏移距離。通過使用其它適當(dāng)?shù)姆椒?包括實驗獲得的真值表)，目標(biāo)的角度位置就可以從光學(xué)傳感器產(chǎn)生的、與角度位置相關(guān)的信號中得到確定。
本發(fā)明所述的光學(xué)傳感器有很多用途。例如可以將光學(xué)傳感器放置在一輛傳統(tǒng)的無人駕駛汽車上，使得該車能夠跟蹤一個附著在懸起的傳送機(jī)上的、可以做水平和直線移動的目標(biāo)。隨著目標(biāo)的移動，光學(xué)傳感器將感知到移動，并產(chǎn)生一個與偏移角相對應(yīng)的信號，該偏移角是光學(xué)傳感器軸線和目標(biāo)位置之間的夾角。由于目標(biāo)是水平且直線移動的，則目標(biāo)與汽車經(jīng)過的地面之間的距離是固定的，進(jìn)而也與光學(xué)傳感器之間的距離固定。所以，一旦目標(biāo)的角度偏移位置被確定，則目標(biāo)的絕對偏移距離也確定。因此，無人駕駛汽車就可保持以目標(biāo)為準(zhǔn)的所需位置或中心位置。
如前所述，本發(fā)明中介紹的光學(xué)傳感器設(shè)備已經(jīng)用于無人駕駛汽車。其方法在于，該傳感器可以產(chǎn)生與目標(biāo)角度偏移位置相關(guān)的信號，此信號與在美國專利5,434,781(作為本文的參考文獻(xiàn))中介紹的在無人駕駛汽車中利用傳感器線圈進(jìn)行線控時所產(chǎn)生的信號相類似。因此，可以很明顯地看出，本發(fā)明所述的光學(xué)傳感器可以馬上取代傳感器線圈，從而使無人駕駛汽車的控制由線控轉(zhuǎn)變?yōu)楣饪亍?br> 本發(fā)明中所述的光學(xué)傳感器組件也可配備透鏡組、濾波器或其它類似元件。在圖1中所示的設(shè)備中，畫出了一個紅外濾波器16，它可以保護(hù)傳感器不受塵土或其它的物理干擾而只允許紅外光通過。該設(shè)備也可含有一個處理器8以用于接收從傳感器傳來的信號并確定一個目標(biāo)的角度位置。處理器8可以與設(shè)備10集成為一體，也可以作為一個部分單獨(dú)安裝。例如一個在無人駕駛汽車中使用的光學(xué)傳感器，它的處理器可以是能滿足要求的任何類型的處理器，包括微處理器或由一些分立的集成電路構(gòu)成的處理器。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，其特征在于一個其總敏感區(qū)具有中心軸線的光學(xué)傳感器組件，包括一個含有第一敏感區(qū)的第一光學(xué)傳感器；一個含有第二敏感區(qū)的第二光學(xué)傳感器；以及第一和第二敏感區(qū)相互交疊形成的總敏感區(qū)；用于根據(jù)在第一和第二傳感器中所接收的相關(guān)信號確定在所述總敏感區(qū)內(nèi)目標(biāo)角度位置的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述的第一敏感區(qū)的軸線與上述的第二敏感區(qū)的軸線不平行。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述的傳感器位于上述的總敏感區(qū)軸線的相對兩側(cè)。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述的第一敏感區(qū)軸線與上述總敏感區(qū)軸線所成的夾角和上述的第二敏感區(qū)軸線與上述總敏感區(qū)軸線所成的夾角相等。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述的第一和第二傳感器的感應(yīng)面直接面向與上述總敏感區(qū)軸線相垂直的一條直線。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述目標(biāo)的角度位置的確定與上述總敏感區(qū)的軸線有關(guān)。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述第一和第二傳感器對同類的光信號都敏感。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述第一和第二傳感器具有相同的靈敏度特性。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于上述傳感器組件進(jìn)一步含有至少一個發(fā)光器。
10.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于上述傳感器組件進(jìn)一步含有至少一個光源，并且該光源發(fā)出的光線射向與上述總敏感區(qū)軸線相垂直的一條直線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可進(jìn)行光探測和確定目標(biāo)角度位置的設(shè)備和方法。該設(shè)備含有一對光學(xué)傳感器,對它們的安裝應(yīng)保證兩敏感區(qū)至少有一部分交疊。這部分交疊區(qū)域稱為總敏感區(qū),該設(shè)備中的每個光學(xué)傳感器對總敏感區(qū)內(nèi)的目標(biāo)無論是其發(fā)出還是反射的光都敏感,并可產(chǎn)生與感光量相對應(yīng)的信號。信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后,就可根據(jù)與光學(xué)傳感器有關(guān)的信號來確定目標(biāo)的角度位置。通過將兩傳感器的敏感區(qū)相互交疊,并對光學(xué)傳感器產(chǎn)生的有關(guān)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
文檔編號G01B11/26GK1170869SQ9710429
公開日1998年1月21日 申請日期1997年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月22日
發(fā)明者康奈爾W·阿洛夫斯, 羅納爾德R·德倫斯 申請人:杰維斯·B·韋布國際公司