激光测距装置和机器人
阅读：175发布：2020-05-08
专利汇可以提供激光测距装置和机器人专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种激光测距装置和 机器人 。激光测距装置包括发射单元和接收单元。发射单元包括用于发射脉冲激光至待被测距的目标物体的发射器和用于供所发射的脉冲激光通过的发射透镜。接收单元包括用于接收从目标物体反射的脉冲激光的 光探测器 和用于供所反射的脉冲激光通过的接收透镜。其中，接收单元的视场 角 大于发射单元的视场角，并且接收透镜的外缘与发射透镜的外缘的间距小于或等于3mm。根据本发明的激光测距装置和机器人，适于采用飞行时间法在室内环境下进行短距离高频次测距，测距 精度 更高，并且成本较低。，下面是激光测距装置和机器人专利的具体信息内容。
1.一种激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置包括：
发射单元，所述发射单元包括用于发射脉冲激光至待被测距的目标物体的发射器和用于供所发射的脉冲激光通过的发射透镜；以及
接收单元，所述接收单元包括用于接收从所述目标物体反射的脉冲激光的光探测器和用于供所反射的脉冲激光通过的接收透镜；
其中，所述接收单元的视场角大于所述发射单元的视场角，并且所述接收透镜的外缘与所述发射透镜的外缘的间距小于或等于3mm。
2.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述接收单元包括封装有所述光探测器的封装模组，所述封装模组的面向所述接收透镜的一侧构造为消光表面。
3.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述消光表面通过在所述封装模组的侧面涂覆消光材料形成。
4.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述消光表面通过在所述封装模组的侧面覆盖消光膜片形成。
5.根据权利要求2所述的激光测距装置，其特征在于，所述封装模组的至少面向所述接收透镜的一侧采用黑色基材制作。
6.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述光探测器为PIN型光电二极管。
7.根据权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于，所述接收单元的光路在所述光探测器的前端不包括光过滤片。
8.根据权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于，所述接收单元还包括与所述光探测器电连接的滤波电容。
9.根据权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于，所述激光测距装置还包括遮光罩，所述遮光罩具有第一通道和第二通道，所述第一通道和所述第二通道通过光阻隔壁隔离，所述发射透镜与所述第一通道对接，所述发射单元发射的激光脉冲经过所述第一通道传递至所述激光测距装置的外部，所述接收透镜与所述第二通道对接，从所述目标物体反射的脉冲激光经过所述第二通道由所述接收单元接收。
10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括根据权利要求1至9中任意一项所述的激光测距装置。
激光测距装置和机器人
技术领域
[0001] 本发明总地涉及智能家居的技术领域，且更具体地涉及一种激光测距装置和机器人。
背景技术
[0002] 在民用和商用领域中，用于环境探测和地图构建的激光测距方法按技术路线大体可以分为两类：一类是飞行时间法(Time of Flight，TOF)，另一类是三角测距法。其中，TOF对温度变化产生的形变不敏感，其测距精度——尤其是在远距离测距时——高于三角测距法。然而，目前TOF大多应用于远距离测距的场景，例如无人机或自动驾驶等。在室内环境下相对短距离(例如低于30米)的高频次(例如高于1000次/秒)测距场景中大多应用三角测距法。这主要是由于采用TOF测距的装置成本更高，并且近距离测距时反射的杂散光过多，各种原因导致接收光的信噪比太低，因而测距精度较差。这些因素限制了TOF测距在室内环境下相对短距离的高频次测距场景中的应用。
[0003] 为此，本发明提供了一种激光测距装置和机器人，以至少部分地解决现有技术中的问题。
发明内容
[0004] 在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0005] 为了至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种激光测距装置，所述激光测距装置包括：
[0006] 发射单元，所述发射单元包括用于发射脉冲激光至待被测距的目标物体的发射器和用于供所发射的脉冲激光通过的发射透镜；以及
[0007] 接收单元，所述接收单元包括用于接收从所述目标物体反射的脉冲激光的光探测器和用于供所反射的脉冲激光通过的接收透镜；
[0008] 其中，所述接收单元的视场角大于所述发射单元的视场角，并且所述接收透镜的外缘与所述发射透镜的外缘的间距小于或等于3mm。
[0009] 根据本发明的激光测距装置，接收单元的视场角大于发射单元的视场角。由此发射单元的发射角较小，在功率有限的情况下能够将激光脉冲发送至更远的距离。而接收单元能够具有尽量大的光场，可以使发射视场与接收视场的交叠区更大而盲区更小，能够接收更多的光强，从而可以提高接收信号的信噪比。此外，发射透镜与接收透镜的外缘间距不大于3mm，可以进一步减小发射视场与接收视场的盲区，能够避免测不到近处的物体。这些特性使得根据本发明的激光测距装置适于采用TOF在室内环境下进行短距离高频次的测距。
[0010] 根据本发明的另一个方面，还提供一种机器人，所述机器人包括如上所述的激光测距装置。
[0012] 本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。附图中：
[0013] 图1为根据本发明的一个优选实施方式的激光测距装置的立体视图；
[0014] 图2为图1所示的激光测距装置的测距组件的立体视图；
[0015] 图3为图2所示的激光测距组件的横向剖切视图；
[0016] 图4为图1所示的激光测距装置的接收单元的电路板的立体视图；
[0017] 图5为图1所示的激光测距装置的遮光罩的立体视图；以及
[0018] 图6为图1所示的激光测距装置的爆炸图。
具体实施方式
[0019] 在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
[0020] 为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。
[0021] 本发明提供了一种激光测距装置，其可以将激光脉冲发射至待被测距的目标物体，然后接收目标物体反射的激光脉冲，并且对所接收的激光脉冲进行分析计算从而得出目标物体与该激光测距装置之间的距离。根据本发明的激光测距装置适于采用TOF在室内环境中进行短距离(例如低于30米)高频次(例如高于1000次/秒)测距。下面结合附图进行详细介绍。
[0023] 外壳体20大致构造为圆饼状，其罩设在测距组件10的外部，起到固定和保护的作用。可以理解，在其他的实施方式中，外壳体20还可以构造为椭圆饼形或立方体等的形状。外壳体20上设置有供发射的激光脉冲通过的第一开口21和供待被测距的目标物体反射的激光脉冲通过的第二开口22。
[0024] 虽然附图中没有示出，本领域技术人员可以理解，激光测距装置1还可以包括固定座。外壳体20扣合在固定座上，其与固定座之间形成大致封闭的内部空间，测距组件10容纳于该内部空间内。固定座上还可以设置诸如螺钉孔或卡扣等的安装结构，可以通过安装结构将激光测距装置1安装固定至机器人、无人机等。
[0026] 如图3所示，发射单元11包括发射器111、发射电路板112和发射透镜113。发射器111用于发射测距所用的激光脉冲。在本实施方式中，发射器111构造为激光二极管。该激光二极管集成地设置在发射电路板112上。框架13上设置有第一光腔131。发射电路板112和发射透镜113固定至框架13并且分别位于第一光腔131的两端。发射器111发射的激光脉冲可以通过发射透镜113向外传递。发射透镜113能够对经过其的激光脉冲起到聚焦和准直的作用。可以理解，在其他实施方式中，还可以使用其他能够发射激光的装置作为发射器。
[0027] 优选地，发射单元11还包括调节器114。发射透镜113安装在调节器114上，并且调节器114以可调节的方式设置在框架13的第一光腔131内。由此，可以通过改变调节器114在第一光腔131内的位置来调节发射透镜113相对于发射器111的位置，以调节校准发射单元11的光路。其中，位置调节的方向可以包括沿激光脉冲传递的方向和与激光脉冲传递的方向相垂直的方向。
[0028] 在图3和图6示出的实施方式中，调节器114具有圆筒形的结构。调节器114的外侧面和第一光腔131的内侧面分别设置有螺纹。调节器114通过螺纹啮合的方式可移动地设置在第一光腔131内。在校准时，可以旋拧调节器114以调节发射透镜113的位置。调节的方式比较简单。当发射透镜113调整到位之后，可以通过诸如点胶等的工艺将调节器114和发射透镜113固定在该位置。
[0029] 为了适应在室内环境下测距，发射器111所发射的激光脉冲的中心波长可以为905nm或850nm。这些波长的光可以与通常室内环境下的环境光区分开，有利于减弱环境光的影响，提高测距的准确性。可以理解，由于室外的环境光中存在大量波长接近850nm的杂散光，因而，中心波长为850nm的激光脉冲不适于在室外环境中使用，而仅能应用于室内环境测距。
[0030] 接收单元12包括光探测器121、接收电路板122和接收透镜123。光探测器121用于感测目标物体反射回的激光脉冲，并生成相应的光电信号传递至接收电路板122。接收电路板122上的分析电路等对光电信号进行分析计算以获知目标物体与激光测距装置1之间距离。光探测器121封装在如图4中所示的封装模组124中，并集成地设置在接收电路板122上。此外，框架13上设置有与第一光腔131隔离的第二光腔132。接收电路板122和接收透镜123固定至框架13并且分别位于第二光腔132的两端。由目标物体反射回的激光脉冲在被光探测器121感测之前可以通过接收透镜123进行聚焦和准直。
[0031] 为了尽量多的接收目标物体反射的激光脉冲，以增加接收的光强，提高信噪比，接收单元12优选设置尽量大的接收窗口，也即接收透镜123尽量大。然而，如图1和图6所示，受限于安装空间，并且出于小型化的考虑，激光测距装置1本身的尺寸有限。可以理解，外壳体20大致限定激光测距装置1的外部轮廓。因而激光测距装置1在厚度方向(也即上述圆饼形状的轴向)的尺寸明显小于其在平行于外壳体20的端面23的方向(也即上述圆饼形状的径向)的尺寸。因此，如图2所示，接收透镜123设置为其沿平行于端面23的方向的尺寸大于其沿上述厚度方向的尺寸，以形成尽量大的接收窗口。例如，接收透镜123可以构造为在垂直于其光轴AX2(见图3)的平面上具有矩形的投影，其中矩形的长边与端面23平行，而矩形的短边则垂直于端面23。
[0032] 此外，发射透镜113和接收透镜123中的至少一个的外表面构造为自由曲面。也即，上述透镜的外表面满足以下公式：
[0033]
[0034] 在上述公式中，z为透镜厚度方向的值，r为曲面上任一点的极坐标值，k为二次曲面系数，c为曲面定点的曲率半径。多个αi是要设置的参数。自由曲面优选为二次曲面，其具有良好的聚焦和准直效果。因此，使用单片透镜即可，而不必设置包括多个透镜的透镜组。进一步地，发射透镜113和接收透镜123中的至少一个的透镜焦距设置为小于或等于50mm。
另外，接收透镜123的厚度可以设置为小于或等于5mm。如此设置，透镜的尺寸较小，有利于激光测距装置的小型化。
另外，接收透镜123的厚度可以设置为小于或等于5mm。如此设置，透镜的尺寸较小，有利于激光测距装置的小型化。
[0035] 激光测距装置通常在机器人、无人机或无人驾驶等的应用场景中作为感知系统的一部分使用。机器人或无人机等需要依据激光测距装置所感知的周围环境信息来构建环境地图。由此机器人或无人机能够在所构建的环境地图内规划移动路径并且主动避让障碍物，从而实现自主移动。因此，激光测距装置不能存在盲区，尤其是不能有近处的盲区。而常规设置的激光测距装置在小型化时必然导致盲区的出现甚至扩大，这是不可调和的天然矛盾。
[0036] 另外，测距准确性是衡量激光测距装置的性能的一个基本指标。而实现测距准确的前提是信噪比能够达到预定的指标，否则测准就无从谈起。因此尽量提高接收到的激光脉冲的占比，减少其他光信号噪音的引入，是激光测距装置的光路设计全程需要考虑的问题。
[0037] 综合来看，对激光测距装置的设计优化需要解决盲区、信噪比、速度漂移以及误差控制等的问题，要考量和平衡多方面的因素。
[0038] 图3示意性地示出了发射单元11的视场角θ和接收单元12的视场角β。根据本发明的激光测距装置1设置为接收单元12的视场角β大于发射单元11的视场角θ。从图3可以看出，根据此设置，接收视场与发射视场的交叠区为A区和B区之和，而二者之间的盲区仅为D区。
[0039] 相比之下，当接收单元12的视场角与发射单元11的视场角相同(均为θ)时，接收视场与发射视场的交叠区为A区，而二者之间的盲区为C区和D区。可以理解，当接收单元的视场角小于发射单元的视场角时，二者的视场的交叠区进一步减小而盲区进一步增加。
[0040] 由此可见，根据本发明，接收单元能够具有尽量大的光场，可以使接收视场与发射视场具有更大的交叠区并且减小甚至消除盲区，接收单元能够接收更多的光强，并且还可以提高接收信号的信噪比。另外，发射单元的发射角较小，在功率有限的情况下能够将激光脉冲发送至更远的距离，有利于测距。
[0041] 此外，发射单元11与接收单元12沿横向间隔布置。根据图3所示出的，可以看出，发射透镜113的外缘与接收透镜123的外缘的间距L越大，二者的光轴AX1和AX2之间的距离也越大。相应地，D区的三角形的面积也越大。也即发射视场和接收视场的盲区越大。因此，为了减小盲区，应当使发射透镜113与接收透镜123的外缘间距L尽量小。根据本发明，发射透镜113的外缘与接收透镜123的外缘的间距L设置为小于或等于3mm。由此能够尽量地减小发射视场与接收视场的盲区，能够避免测不到近处的物体。这些特性使得根据本发明的激光测距装置适于采用TOF在室内环境下进行短距离高频次的测距。
[0042] 目前利用TOF进行室外测距的激光测距装置大多使用雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)作为光探测器。这是由于APD具有很大的放大倍率，即使在室外环境中也能够捕捉相对较弱的反射激光脉冲并将其放大以供分析计算，因而适于在室外环境下进行激光测距。然而，APD在对反射的激光脉冲放大的同时，也会将其所接收的环境光噪声等比放大。因此，通常还需要设置光滤波片，将放大后的环境光噪声过滤，以免其对分析计算结果产生影响，导致测距不准。
[0043] 而根据本发明的激光测距装置1，可以使用P型半导体-杂质-N型半导体(positive-intrinsic-negative，PIN)普通光电二极管作为光探测器121。PIN光电二极管本身的价格较低，因而可以降低激光测距装置1的成本。
[0044] 进一步地，PIN光电二极管的放大倍率远小于APD探测器的放大倍率。在测距时，即使PIN光电二极管将目标物体反射的激光脉冲和环境光噪声等比放大，由于其放大倍率较小，经过放大后的环境光噪声仍然在PIN光电二极管的通过阈值之下，因而无法通过PIN光电二极管。由此，PIN光电二极管实质起到过滤环境光的作用。因此根据本发明的激光测距装置不包括光过滤片，从而可以进一步降低成本。也即，本发明用低成本的PIN取代了APD和光过滤片，仍能取得较高的信噪比，在拉低成本的同时简化激光测距装置的光路电路的设计，降低设计和实施难度。光接收端能做此简化也受益于整个光路的设计，使得接收端接收到的光信号足够强，且环境光噪音足够弱。
[0045] 另外，在高频环境中，还可以设置与PIN光电二极管电连接的滤波电容，通过交流阻断的方式过滤掉高频噪声，以确保测距的准确性。
[0046] 如图4所示，光探测器121封装在封装模组124中。该封装模组124通过第二光腔132与接收透镜123相对，以便于目标物体反射的激光脉冲能够被光探测器121感测。在测距时，近处障碍物(例如30cm范围内)反射的激光脉冲光强较强，其经接收透镜123进入第二光腔132后会被接收单元12的封装模组124的外表面反射，形成杂散光。通常，封装模组124的外表面为银灰色等浅色调的金属基材，其反射的杂散光会导致光探测器121接收到的光脉宽增加。此处的光脉宽表征的是横轴为时间，纵轴为表征能量的电压的脉冲信号。而TOF(时间飞行法)在测距原理上基于激光脉冲发射和接收的时间差进行测距，而该时间差计算方法与光脉宽的起始位置和结束位置息息相关，并不是简单地取脉宽中间位置进行计算，因此上述光脉宽增加会导致测距不准。
[0047] 针对上述问题，如图4所示，封装有光探测器121的封装模组124的至少朝向接收透镜123的外表面124a设置为消光表面，降低该外表面124a的反射作用，从而减弱甚至消除杂散光，避免杂散光对TOF测距产生干扰。
[0048] 具体地，可以在外表面124a涂覆消光材料。例如，可以使用聚丙烯酸酯树脂等的消光剂或其他消光粉、消光漆等涂覆在外表面124a上对其进行消光处理，以形成消光表面。或者，也可以在外表面124a覆盖消光膜片。再或者，还可以直接采用深色(例如黑色)基材制作封装模组124的外包装，使得至少外表面124a形成为消光表面。
[0049] 通过上面的描述可知，根据本发明的激光测距装置1的接收透镜123与发射透镜113之间的外缘间距最大为3mm。因此，很容易发生发射单元11所发射的激光脉冲的一部分还未发射至外部的目标物体即已经过内部零部件的反射而由接收单元12接收的情况，由此导致强噪声光，使得信噪比大大降低，无法实现测距。
[0050] 为了避免上述情况发生，如图1和图5所示，根据本发明的激光测距装置1进一步地包括遮光罩30。该遮光罩30具有第一通道31和第二通道32，其设置在测距组件10和外壳体20之间。其中，第一通道31的两端分别与发射透镜113和外壳体20的第一开口21对接，第二通道32的两端分别与接收透镜123和外壳体20的第二开口22对接。并且，第一通道31和第二通道32之间设置有不透光的光阻隔壁33将二者完全隔离开。由此，发射单元11发出的激光脉冲在通过发射透镜113之后只能经由第一通道31和第一开口21发射至外部，而不能在激光测距装置1的内部反射至接收透镜123处，从而避免内部反射造成的信噪比降低，有利于提高TOF测距的准确度。
[0051] 根据本发明的另一个方面，还提供一种机器人。该机器人可以包括上述激光测距装置，其能够通过激光测距装置在室内环境下利用TOF测距获取并构建室内环境的地图，并且依据所构建的地图自主地移动。
[0052] 在一个实施方式中，机器人可以是能够在地面上自主地移动以执行清扫功能的智能清洁设备。例如，该智能清洁设备可以是扫地机器人、拖地机器人或扫拖一体的机器人等。智能清洁设备可以包括清洁系统、感知系统、控制系统和驱动系统等。其中，感知系统用于智能清洁设备对例如地形等的外界环境进行感知。激光测距装置构成感知系统的一部分，其可以设置在智能清洁设备的前部或顶部。控制系统基于感知系统的感知结果控制驱动系统驱动智能清洁设备自主地移动，并且有选择地控制清洁系统执行清洁功能。
[0053] 根据本发明的激光测距装置和机器人，激光测距装置的接收单元的视场角大于发射单元的视场角。由此发射单元的发射角较小，在功率有限的情况下能够将激光脉冲发送至更远的距离。而接收单元能够具有尽量大的光场，可以使发射视场与接收视场的交叠区更大而盲区更小，能够接收更多的光强，从而可以提高接收信号的信噪比。此外，发射透镜与接收透镜的外缘间距不大于3mm，可以进一步减小发射视场与接收视场的盲区，能够避免测不到近处的物体。这些特性使得激光测距装置适于采用TOF在室内环境下进行短距离高频次的测距。
[0054] 除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
[0055] 本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。
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