CN106291574B - 一种小型红外测距装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种小型红外测距装置，包括外罩、内支架、底盖、红外光发射模块及光电测距模块，底盖固定于外罩底部的开口部，内支架固定于外罩内部，红外光发射模块及光电测距模块固定于内支架，红外光发射模块发出红外探测光，红外探测光遇到被测物体后被反射，光电测距模块接收到经过反射的红外探测光，基于飞行时间法计算所述小型红外测距装置与被测物体之间的距离。其中，红外光发射光源为发散红外光源，外罩上设置有导光装置，用于减小红外探测光的探测盲区。本申请的小型红外测距装置体积小、重量轻、耗能低，且具有室外抗环境光特性，测量的数据平滑，尤其应用于飞行器的定高测量与飞行器的地形跟随，并且能够有效减小测距盲区。

Description

一种小型红外测距装置

技术领域

本申请涉及一种光电测距装置，尤其涉及一种基于飞行时间（Time of Flight，简称TOF）法的小型红外测距装置，特别地用于测量飞行器与地面间的高度、飞行器的地形跟随。

背景技术

现有技术中，最常见的光学测距方法为三角测距法，主要采用激光光源发出探测光。但是，采用三角测量法：（1）受环境光的影响较大，在室外工作时，不能准确测量距离；（2）需要将激光光源与测距单元设置成具有一定的角度与距离且处于同一平面内的支撑结构，这样就限制了结构的设计，使得测距装置的体积较大。

并且，在采用激光光源的三角测距方法或者采用单点光源的飞行时间方法测距中，在探测复杂物体，比如草丛等物体，由于激光光源或者单点光源的高准直性，用于低空飞行器探测自身与地面的高度时，测距结果会产生很大波动。

另外，在现有的光学测距方法中，发出的探测光光束通常与接收装置所接收的返回光束不在同一光轴上，并且，发出的探测光光束通常为接近准直的光束，这样的结构会导致当障碍物与测距装置的距离很近时，接收装置视场角内的障碍物不能被探测光束照射到，会出现探测盲区，从而使得测距装置对近距离内的障碍物测距不准确或者无法探测到。

发明内容

针对现有技术存在的不足：（1）受环境光的影响较大，在室外强光下工作时，不能准确测量距离；（2）测距装置体积大；（3）在探测比如草丛等物体，由于激光光源或者单点光源的高准直性，用于低空飞行器探测自身与地面的高度时，测距结果会产生很大波动；（4）测距装置近距离存在探测盲区，为了解决现有光学测量方法上述问题中的一个或者所有，根据本申请的一个方面，提供了一种基于飞行时间法的小型红外测距装置。

本申请所涉及的一种小型红外测距装置，包括外罩、内支架、底盖、红外光发射模块及光电测距模块，其中，底盖固定于外罩底部的开口部，内支架固定于外罩内部，红外光发射模块及光电测距模块固定于内支架。红外光发射模块发出红外探测光，红外探测光遇到被测物体后被反射，光电测距模块接收到经过反射的红外探测光，该所述小型红外测距装置基于飞行时间法计算所述小型红外测距装置与被测物体之间的距离。

在其中的一实施例中，红外光发射模块上固定设置有红外光源，红外光源发出发散的红外探测光。

在其中的一实施例中，所述底盖固定于外罩底部，外罩与底盖形成腔体结构，所述内支架固定于腔体内部，所述外罩对应的红外探测光出射位置不具有开口，并且所述外罩对应的光电测距模块接收经过被测物体反射的红外探测光入射位置也不具有开口。

在其中的一实施例中，外罩全部由可见光截止红外光透过材料制成，或者所述外罩全部由中心波长为850nm的带通滤光材料制成。

在其中的一实施例中，外罩所对应的红外探测光出射位置和经过被测物体反射的红外探测光入射位置由可见光截止红外光透过材料制成，或者所述外罩所对应的红外探测光出射位置和经过被测物体反射的红外探测光入射位置由中心波长为850nm的带通滤光材料制成。

在其中的一实施例中，红外光发射模块所发出的红外探测光光路上设置有红外光发射透镜，该红外光发射透镜固定于内支架；所述光电测距模块的接收红外光光路上设置有红外光接收透镜，该红外光接收透镜固定于内支架。

在其中的一实施例中，外罩具有导光装置，所述导光装置突起设置于外罩，所述外罩上的导光装置位于所述红外光源所发出的红外探测光光路上，所述导光装置用于减小所述小型红外测距装置的红外光探测盲区。

在其中的一实施例中，导光装置为柱状结构，或者为半球状结构，或者为四分之一圆柱体结构。

在其中的一实施例中，光电测距模块固定设置有测距芯片EPC600、EPC610或EPC660。

在其中的一实施例中，光电测距模块包括接收红外探测光的光电传感器，所述光电传感器为单独一个光电传感器、或者为由多个独立工作光电传感器构成的一块平面阵列光电传感器。

在其中的一实施例中，小型红外测距装置用于确定飞行器与地面间的高度，或者用于飞行器地形跟随。

在其中的一实施例中，导光装置为半圆柱体结构，突起于外罩红外探测光透射面的内表面设置，并且该导光装置位于红外光源所发出的红外探测光光路上。

在其中的一实施例中，半圆柱体结构靠近光电测距模块方向设置。

在其中的一实施例中，导光装置为四分之一圆柱体结构，突出于外罩红外探测光透射面的内表面设置，并且位于红外光源所发出的红外探测光光路上。

在其中的一实施例中，该四分之一圆柱体结构整体位于红外光源光轴的一侧，并且位于红外光源光轴的靠近光电测距模块方向一侧。

在其中的一实施例中，该四分之一圆柱体的圆侧面位于远离光电测距模块的方向，而该四分之一圆柱体的直侧面位于靠近光电测距模块的方向。

在其中的一实施例中，导光装置由四分之一圆柱体的直侧面延伸，形成成台体结构，所述延伸部分截止于光电测距模块的接收视场角范围边界。

本申请基于飞行时间法的小型红外测距装置：（1）基于飞行时间发的测试原理，使得红外光发射模块与光电测距模块不需要固定的角度要求，使得结构设计简单，占用空间小，且没有驱动电机等装置，功耗小，使用寿命长；（2）采用的红外光源发出具有一定面积的发散红外探测光，能够探测一定面积区域内的距离信息，光电测距模块的光电传感器收集了一定视场角范围内的反射红外光，同时进行了空间分辨率上的平均，相当于对探测区域进行了平均距离值的探测，当探测例如草丛等复杂物体时，具有得到平滑的距离值；（3）由于采用基于TOF的测距技术，计算公式为：

其中，D为所计算的距离值，C为光在真空中的速度，f为调制信号的频率，DCS0~DCS3为信号采样幅值，发出的探测光为经过调制的矩形或者正弦信号，在距离计算过程中由于进行了相减的计算，DCS0-DCS2和DCS3-DCS1可以滤除背景光的干扰；并且测距装置还可以根据探测出的环境光强，变换信号光强，以此提高信噪比，因此拥有室外抗强光特性。（4）在外罩上设置导光装置，有效减小了测距装置近距离的探测盲区。

附图说明

图1是本申请小型红外测距装置整体结构示意图。

图2是本申请小型红外测距装置内支架结构示意图。

图3是本申请小型红外测距装置爆炸结构示意图。

图4是本申请小型红外测距装置外罩结构示意图。

图5是本申请小型红外测距装置外罩中导光装置结构示意图。

图6是本申请未设置于设置导光装置的盲区光路对比示意图。

图7是本申请其中一实施例导光装置结构及其光路示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种小型红外测距装置，如附图1-4所示，包括外罩10、内支架20、底盖30、红外光发射模块以及光电测距模块。底盖30固定于外罩10底部的开口部，内支架20固定于外罩10内部，红外光发射模块及光电测距模块固定于内支架20。

当小型红外测距装置接收到工作指令后，光电测距模块发送调制信号到红外光发射模块，红外光发射模块发出经过调制信号调制的峰值波长在850nm的红外探测光，该红外探测光透过外罩，出射到外部需要探测的环境中。红外探测光遇到被测物体后被反射，经过被测物体反射的红外探测光再次透过外罩，入射到外罩内部。光电测距模块收到经过反射的红外探测光，该小型红外测距装置基于飞行时间法计算所述小型红外测距装置与被测物体之间的距离。本申请采用了飞行时间法测量距离，可以探测到环境中距小型红外测距装置15米处的被测物体。另外，通过控制调制信号的频率，测量装置的探测距离进一步扩展。

其中，红外光发射模块上固定设置有红外光源40，所述红外光源发出具有一定横截面积的发散红外探测光光束。在优选的实施例中，所述红外光源40为LED光源。其中可选的实施例中，LED光源的个数为2个或者更多。在优选的实施例中，红外光发射模块中具有4个红外LED光源。进一步地，上述LED光源以测距模块中的光电传感器50为中心对称的矩形形状设置，4个LED光源位于矩形的直角点上。在可选的实施例中，红外光发射模块上的红外光光源40的光轴与光电测距模块的接收视场角的光轴平行。

由于红外光源40发出具有一定横截面积的发散红外探测光光束，但是光源具有较大发散角，为了将红外光源发出的发散光会聚，以小发散角发射出外壳，在优选的实施例中，还在红外光源发出的红外探测光光路上，设置有红外光发射透镜21，通过优化红外光发射透镜21的直径、厚度及曲率半径，经过红外光发射透镜21后，由红外光源发出的红外探测光的发散角减小到2度或者更小，该出射到环境中的红外探测光具有一定的横截面积。其中，红外光发射透镜21为会聚透镜，固定设置于内支架。在其中的一实施例中，该红外光发射透镜为双凸透镜，透镜的两面具有不同的曲率。由于红外探测光具有一定的横截面积，对探测区域相当于进行了平均距离值的探测，当测量例如草丛等复杂物体时，具有平滑的距离值。

为了将更多的被物体反射的外探测光收集到光电测距模块，在光电测距模块的接收红外探测光光路上设置有红外光接收透镜22，该红外光接收透镜22为会聚透镜，将被物体反射回的红外探测光聚焦到光电测距模块上，该红外光接收透镜22固定设置于内支架。在优选的实施例中，红外光接收透镜为前后设置的两片会聚透镜。

底盖固定于外罩底部，外罩与底盖形成腔体结构，内支架固定于腔体内部。该外罩的红外探测光透射面11，即在外罩对应的红外探测光出射位置不具有开口，并且所述外罩对应的光电测距模块接收经过被测物体反射的红外探测光入射位置也不具有开口。该没有开口的外罩设计，将固定于内支架的红外光发射模块、光电测距模块、红外光发射透镜及红外光接收透镜等保护。在优选的实施例中，该外罩整体一体成型制作。

底盖与外罩相固定后，除了在外罩底部侧面或者底盖上还设置有用于通过数据线的小孔80外，形成了封闭的腔体，有效阻止外界的水、灰尘等对内部结构的影响。上述供数据线通过的小孔80处还可以通过密封装置将其密封，使得测距装置内部完全为密闭结构。所述数据线用于内部测距装置与外部设备的数据传输及电源供电功能等。

根据本申请的一个方面，外罩全部由可见光截止红外光透过材料制成，或者所述外罩全部由中心波长为850nm的带通滤光材料制成。上述材料的选用，是为了去除环境光对红外探测光的影响，提高信噪比。在其中的一实施例中，外罩无需全部由透光材料制成，只需外罩所对应的红外探测光出射位置和经过被测物体反射的红外探测光入射位置由可见光截止红外光透过材料制成，或者所述外罩所对应的红外探测光出射位置和经过被测物体反射的红外探测光入射位置由中心波长为850nm的带通滤光材料制成。

在优选的实施例中，为了消除小型红外测距装置的探测盲区，在外罩还设置有导光装置90。例如图5所示，该导光装置90用于，在测距装置的近距离处，例如在距离测距装置0-15厘米范围，将经过该导光装置的红外探测光折射到光电测距装置的接收视场角范围内，使得即使当障碍物与测距装置的距离很近时，接收装置视场角内的障碍物也能被探测光束照射到。该导光装置突起设置于外罩，所述外罩上的导光装置位于所述红外光源所发出的红外探测光光路上，所述导光装置用于减小所述小型红外测距装置的红外光探测盲区。导光装置为柱状结构，或者所述突起为半球状结构。

如图6所示，设置导光装置90与未设置导光装置90的探测盲区示意图。当未设置导光装置90的情况下，探测盲区A较大，如图6中红外光发射模块中红外光源40的红外探测光光路与光电测距模块接收视场未重合的区域，即图6中实线红外探测光光路与实线接收视场范围未重合部分。当加入导光装置90后，探测盲区B较小，使得红外光源40的光路发生部分额外偏转，如图6中虚线所示，红外光源40在原来实线所示光路的基础之上，增加了虚线所示探测区域，由于导光装置90的设置，使得小型红外测距装置的探测盲区减小，即红外光源40虚线所示红外探测光光路与实线接收视场范围未重合部分。由此可见，导光装置90的设置，可以减小测距装置的探测盲区。

在其中的一实施例中，该导光装置为一半圆柱体结构，突起于外罩红外探测光透射面11的内表面设置，并且该导光装置位于红外光源所发出的红外探测光光路上。可选地，该半圆柱突起于外罩红外探测光透射面11的内表面，在红外光源所发出的红外探测光光路上，并且靠近光电测距模块方向设置。

可选地，为了不影响红外探测光以小角度出射，让更多的红外探测光以小角度出射到远距离被测物体，设置成四分之一圆柱体91结构，该四分之一圆柱体91突出于外罩红外探测光透射面11内表面，并且位于红外光源发出的红外探测光光路上。在其中的一实施例中，该四分之一圆柱体结构整体位于红外光源光轴的一侧，该四分之一圆柱体结构整体位于红外光源光轴的靠近光电测距模块一侧。在其中的一实施例中，该四分之一圆柱体的圆侧面位于远离光电测距模块的方向，而该四分之一圆柱体的直侧面位于靠近光电测距模块的方向。

在可选的实施例中，为了避免该四分之一圆柱体91的直侧面对红外发出的红外探测光的反射，将该导光装置由四分之一圆柱体的直侧面延伸，设置成如图7所示，由四分之一圆柱体91和延伸部分92所构成的台体结构，该延伸部分92截止于光电测距模块的接收视场角范围边界，避免对接收红外探测光的影响。

该导光装置由与外罩相同的透光材料制成，或者由透明材料制作而成。

可选地，在外罩内部所对应的红外探测光出射位置与红外探测光入射位置之间，还设置有防止出射红外探测光与被障碍物反射回来的入射红外探测光互相发生干扰的挡光装置。在优选的实施例中，该挡光装置为一突出于外罩内表面的圆形筒状结构。

本申请所涉及的一种小型红外测距装置，还包括第一电路板与第二电路板。其中，红外光发射模块与光电测距模块固定设置于第一电路板上。当小型红外测距装置接收到工作指令后，固定于第一电路板上的光电测距模块通过第一电路板发送调制信号到红外光发射模块，在驱动电路协议下驱动红外光发射模块上的红外光源发出红外探测光。第一电路板固定于内支架上，从而将红外光发射模块与光电测距模块固定。第二电路板为主板，主要用于为第一电路板上红外光发射模块、光电测距模块供电，同时读取光电传感器数据，计算并输出最终测量结果。在优选的实施例中，第一电路板固定于内支架上，第二电路板固定于底盖上，第一、第二电路板平行设置。在其他的实施例中，第一电路板与第二电路板的位置并不限于此，第一、第二电路板可以全部固定在内支架上，或者第一、第二电路板位于内支架与底盖之间的空间。在其中的一实施例中，第一电路板与第二电路板集成在同一电路板上。第一、第二电路板不限于互相平行设置，在其中的一实施例中，第二电路板垂直于第一电路板设置。

其中，光电测距模块中设置有测距芯片，在优选的实施例中，该测距芯片为EPC600、或者为EPC610、或者为EPC660。

其中，光电测距模块包括接收被物体反射回的红外探测光的光电传感器，该光电传感器为单独一个光电传感器、或者为由多个独立工作光电传感器构成的一块平面阵列光电传感器。

在其中一实施例中，小型红外测距装置用于行走机器人、扫地机器人、或无人机，或者类似的智能机器移动设备。

在其中一实施例中，小型红外测距装置用于测量飞行器与地面间的高度。该飞行器例如为无人机，特别地为植保无人机。

在其中一实施例中，小型红外测距装置用于飞行器地形跟随。

在其中一实施例中，在飞行器的使用过程中会遇到潮湿或者雨水等环境，通过外壳的设计，使得该小型红外测距装置具有IP65、IP66或者IP67的防水防护等级。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种小型红外测距装置，其特征在于，包括外罩、内支架、底盖、红外光发射模块及光电测距模块，其中，底盖固定于外罩底部的开口部，内支架固定于外罩内部，红外光发射模块及光电测距模块固定于内支架，

所述外罩具有导光装置，所述导光装置突起设置于外罩，所述外罩上的导光装置位于所述红外光源所发出的红外探测光光路上，所述导光装置用于减小所述小型红外测距装置的红外光探测盲区，所述导光装置为四分之一圆柱体结构、或者所述导光装置为半球状结构、或者所述导光装置为半圆柱体结构，

所述光电测距模块包括接收红外探测光的光电传感器，

所述红外光发射模块所发出的红外探测光光路上设置有红外光发射透镜，所述光电测距模块的接收红外光光路上设置有红外光接收透镜，

所述红外光发射模块发出红外探测光，红外探测光遇到被测物体后被反射，光电测距模块接收到经过反射的红外探测光，所述小型红外测距装置基于飞行时间法计算所述小型红外测距装置与被测物体之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述红外光发射模块上固定设置有红外光源，所述红外光源发出发散的红外探测光。

3.根据权利要求1所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述底盖固定于外罩底部，外罩与底盖形成腔体结构，所述内支架固定于腔体内部，所述外罩对应的红外探测光出射位置不具有开口，并且所述外罩对应的光电测距模块接收经过被测物体反射的红外探测光入射位置也不具有开口。

4.根据权利要求3所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述外罩全部由可见光截止红外光透过材料制成，或者所述外罩全部由中心波长为850nm的带通滤光材料制成。

5.根据权利要求3所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述外罩所对应的红外探测光出射位置和经过被测物体反射的红外探测光入射位置由可见光截止红外光透过材料制成，或者所述外罩所对应的红外探测光出射位置和经过被测物体反射的红外探测光入射位置由中心波长为850nm的带通滤光材料制成。

6.根据权利要求3所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述红外光发射透镜固定于内支架；所述接收透镜固定于内支架。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，光电测距模块固定设置有测距芯片EPC600、EPC610或EPC660。

8.根据权利要求1-6之一所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述光电传感器为单独一个光电传感器、或者为由多个独立工作光电传感器构成的一块平面阵列光电传感器。

9.根据权利要求1-6之一所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述小型红外测距装置用于确定飞行器与地面间的高度，或者用于飞行器地形跟随。

10.根据权利要求1-6之一所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述导光装置为半圆柱体结构，突起于外罩红外探测光透射面的内表面设置，并且该导光装置位于红外光源所发出的红外探测光光路上。

11.根据权利要求10所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述半圆柱体结构靠近光电测距模块方向设置。

12.根据权利要求1-6之一所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述导光装置为四分之一圆柱体结构，突出于外罩红外探测光透射面的内表面设置，并且位于红外光源所发出的红外探测光光路上。

13.根据权利要求12所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述该四分之一圆柱体结构整体位于红外光源光轴的一侧，并且位于红外光源光轴的靠近光电测距模块方向一侧。

14.根据权利要求12所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，该四分之一圆柱体的圆侧面位于远离光电测距模块的方向，而该四分之一圆柱体的直侧面位于靠近光电测距模块的方向。

15.根据权利要求12所述的一种小型红外测距装置，其特征在于，所述导光装置由四分之一圆柱体的直侧面延伸，形成台体结构，所述延伸部分截止于光电测距模块的接收视场角范围边界。