本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種紅外測(cè)距傳感器。

背景技術(shù)：

公開號(hào)為CN105182348A的文獻(xiàn)，公開了一種基于超聲波的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)定位與跟蹤裝置及應(yīng)用技術(shù)，包括一個(gè)超聲波發(fā)射器和一個(gè)超聲波接收器；超聲波發(fā)射器包括一塊電路板一和至少一個(gè)超聲波發(fā)射頭，至少一個(gè)超聲波發(fā)射頭并聯(lián)設(shè)置在電路板一的同一位置上；超聲波接收器包括一塊電路板二和至少三個(gè)超聲波接收頭一，至少三個(gè)超聲波接收頭一并聯(lián)設(shè)置在電路板二的不同位置上，且上述超聲波接收頭一均不在同一直線上。

現(xiàn)有的測(cè)距技術(shù)除了超聲波，還可以分為雙目視覺、雷達(dá)和TOF。雙目視覺技術(shù)門檻高、響應(yīng)慢，有較多情況探測(cè)不到；超聲波的盲區(qū)較大，響應(yīng)速度、可靠性不理想；微型雷達(dá)探測(cè)距離近、成本高、批量制造工藝較復(fù)雜。

而TOF(Time Of Flight，飛行時(shí)間)測(cè)距的利用，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光(或紅光)，遇物體后反射，傳感器通過計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，來(lái)?yè)Q算被拍攝景物的距離?，F(xiàn)有的紅外TOF測(cè)距產(chǎn)品多為草帽頂?shù)腖ED和光電二極管的發(fā)射接收組合，沒有配套的光學(xué)設(shè)計(jì)，工作距離和抗環(huán)境光能力均有待提高。

ISL29501是一款基于飛行時(shí)間(TOF)的信號(hào)處理集成電路芯片。當(dāng)其與外接發(fā)射管和接受器一同使用時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低成本、低能耗和長(zhǎng)可視距離傳感。該芯片具有內(nèi)置電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)驅(qū)動(dòng)外接LED或鐳射管。調(diào)制光從發(fā)射管發(fā)出經(jīng)目標(biāo)反射后由光電管接受。光電管將返回信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠被ISL29501用于信號(hào)處理的電流。芯片上裝有數(shù)字信號(hào)處理器用于計(jì)算與目標(biāo)物距離成正比的飛行時(shí)間，且另配有I2C內(nèi)置集成電路總線接口來(lái)進(jìn)行配置和控制。同時(shí)，外接光電管和接受管可以讓用戶對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行能耗、性能和測(cè)量距離上的優(yōu)化以滿足用戶不同的需求?？梢詰?yīng)用領(lǐng)域有手機(jī)用戶應(yīng)用、工業(yè)接近式傳感、能源管理、家庭自動(dòng)化和汽車應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種紅外測(cè)距傳感器，以解決現(xiàn)有采用TOF測(cè)距時(shí)，測(cè)量距離不遠(yuǎn)的問題。

一種紅外測(cè)距傳感器，包括TOF處理芯片，有紅外發(fā)射器連接TOF處理芯片的發(fā)射驅(qū)動(dòng)器，紅外接收器連接TOF處理芯片的接收處理電路，在紅外發(fā)射器的發(fā)射方向上設(shè)置有發(fā)射準(zhǔn)直透鏡，在紅外接收器的接收方向上設(shè)置有接收聚焦透鏡。

所述的發(fā)射準(zhǔn)直透鏡和接收聚焦透鏡的前表面平面折射面和透鏡后表面自由曲面折射面為中心軸對(duì)稱形狀，

發(fā)射準(zhǔn)直透鏡相對(duì)孔徑(透鏡直徑D/透鏡焦距f)大于發(fā)散角正切值的2倍，準(zhǔn)直后的發(fā)散角小于±2°，透鏡材料為二次透鏡常用材料PMMA，折射率為n＝1.4935。

紅外發(fā)射器和紅外接收器選用的光電二極管，接收角度大于等于發(fā)散角，接收區(qū)域大于等于發(fā)射區(qū)域，目標(biāo)面上的光斑能完全成像在光電二極管上，而接收區(qū)域外的干擾光能被很好地屏蔽，

選擇的光電二極管發(fā)散角在±12°～±25°范圍內(nèi)，透鏡的相對(duì)孔徑在0.8～1.2范圍內(nèi)，

所選的光電二極管的接收面積在0.5～2.5mm²范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的接收透鏡焦距在10～15mm范圍內(nèi)，保證接收角度大于±2°。

本發(fā)明公開一種TOF(Time of Flight)紅外光電測(cè)距技術(shù)進(jìn)行測(cè)距，包括一個(gè)紅外線發(fā)射器和一個(gè)紅外接收器：紅外發(fā)射器包括一個(gè)紅外LED和發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路以及發(fā)射準(zhǔn)直透鏡；紅外接收器包括一個(gè)紅外接收管以及接收信號(hào)處理電路和接收能量匯聚透鏡。

本發(fā)明的有益效果包括：

1.光電二極管的輻通量明顯增大。

對(duì)比加透鏡前和加透鏡后的系統(tǒng)，光電二極管的輻通量由5uW增加到19uW。目標(biāo)平面的照度分布圖，光斑的均勻性很好。

2.本發(fā)明選用非球面透鏡+ISL29501紅外測(cè)距方案，降低了對(duì)發(fā)射管和接收管的要求。

無(wú)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)對(duì)發(fā)射與接收管要求較高，發(fā)射管發(fā)散角小并且光功率要大，接收面積足夠大，才能保證有效探測(cè)距離。通過光學(xué)系統(tǒng)能夠提高能量利用率，大大降低對(duì)發(fā)射接收管的選型要求。

3.產(chǎn)品性能大幅提高

發(fā)射管發(fā)散角和功率、接收管的接收面要求降低后，發(fā)射管性能可以得到提高，實(shí)際測(cè)試距離由原來(lái)的10m增加到15m。

4.降低成本。

本發(fā)明只需增加透鏡成本，但大大降低了發(fā)射管和接收管成本，并簡(jiǎn)化了外圍電路。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例中用于無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明涉及的透鏡的側(cè)視圖。

圖3是本發(fā)明涉及的透鏡的立體圖。

圖4是本發(fā)明光電二極管射線示意圖。

圖5是本發(fā)明光電二極管射線角度效果圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明所述技術(shù)實(shí)現(xiàn)組成有：紅外發(fā)射器、發(fā)射準(zhǔn)直透鏡、紅外接收器、接收聚焦透鏡、TOF光電測(cè)距專用芯片、主控芯片及接口電路組成。

系統(tǒng)電路的電源模塊將5V輸入電壓穩(wěn)壓至3.3V，為主控和測(cè)距模塊提供電源。TOF測(cè)距模塊使用Intersil品牌ISL29501TOF專用處理芯片及紅外發(fā)射器、接收器，實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)發(fā)射驅(qū)動(dòng)以及紅外光信號(hào)接收放大處理以及進(jìn)行距離計(jì)算。主控模塊用于控制TOF測(cè)距模塊進(jìn)行距離測(cè)試，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制輸出，與上位機(jī)通信等，調(diào)試接口用于調(diào)試和下載主控模塊程序。接口電路用于連接外部電源，并提供浪涌保護(hù)。

如圖2、3和4所示，為了提高光學(xué)利用率，設(shè)計(jì)時(shí)保證透鏡相對(duì)孔徑大于0.8，將LED光源安裝平面置于透鏡的焦點(diǎn)處，調(diào)節(jié)透鏡后表面自由曲面，使 透鏡對(duì)0°～30°的光線都有很好的準(zhǔn)直效果。

如圖5所示，準(zhǔn)直前配光曲線如左圖所示，能量集中在±40°內(nèi)。準(zhǔn)直后配光曲線如右圖所示，能量集中在±10°內(nèi)，且發(fā)散角在±2°內(nèi)。

本發(fā)明需要選擇合適尺寸的光電二極管，接收角度大于等于發(fā)散角，使得接收區(qū)域大于等于發(fā)射區(qū)域，目標(biāo)面上的光斑能完全成像在光電二極管上，而接收區(qū)域外的干擾光能被很好地屏蔽。

本發(fā)明光電測(cè)距專用芯片采用美國(guó)半導(dǎo)體公司Intersil品牌ISL29501TOF專用處理芯片，實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)發(fā)射驅(qū)動(dòng)以及紅外光信號(hào)接收放大處理以及進(jìn)行距離計(jì)算。紅外發(fā)射器增加非球面LED準(zhǔn)直透鏡，實(shí)現(xiàn)發(fā)射LED能量的匯聚，減小發(fā)射能量的發(fā)散角，增大光信號(hào)傳輸距離；紅外接收器增加非球面接收能量匯聚透鏡，為實(shí)現(xiàn)光信號(hào)收集，并聚焦到紅外接收管，提高光信號(hào)利用率，大大增強(qiáng)了檢測(cè)距離。

本在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)技術(shù)要點(diǎn)如下。

1.所述紅外發(fā)射器為高速響應(yīng)LED，實(shí)現(xiàn)TOF光電測(cè)距所需4.5MHz脈沖光信號(hào)發(fā)射；

2.所述紅外接收器為高速響應(yīng)光敏二極管，實(shí)現(xiàn)TOF光電測(cè)距所需發(fā)射光脈沖信號(hào)探測(cè)；

3.所述發(fā)射準(zhǔn)直透鏡為非球面LED準(zhǔn)直透鏡，實(shí)現(xiàn)發(fā)射LED能量的匯聚，減小發(fā)射能量的發(fā)散角，增大光信號(hào)傳輸距離；

4.所述接收聚焦透鏡為非球面透鏡，為實(shí)現(xiàn)光信號(hào)收集，并聚焦到紅外接收管，提高光信號(hào)利用率；

5.所述TOF光電測(cè)距專用芯片采用美國(guó)半導(dǎo)體公司Intersil品牌ISL29501TOF專用處理芯片。實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)發(fā)射驅(qū)動(dòng)以及紅外光信號(hào)接收放大處理以及進(jìn)行距離計(jì)算。

6.所述主控芯片采用Freescale Semiconductor品牌MKL03ARM處理器，該處理器是采用ARM M0+內(nèi)核，最大支持48MHz處理速度，能夠與TOF光電測(cè)距專用芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并且將測(cè)距專用芯片返回結(jié)果進(jìn)行處理后通過輸出接口傳送給飛控系統(tǒng)。因此，所述主控芯片在該產(chǎn)品中起到關(guān)鍵作用。

7.所述接口電路采用UART通信格式，最高支持115200bps數(shù)據(jù)傳輸率。能夠保證測(cè)試結(jié)果到飛控系統(tǒng)之間的及時(shí)性。

本發(fā)明對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)避障優(yōu)勢(shì)包括：

1.所述產(chǎn)品體積小測(cè)量距離大，體積只有超聲波傳感器的50％，對(duì)無(wú)人機(jī)小體積應(yīng)用非常適用，測(cè)量距離可以達(dá)到18米。

2.精度高，所述產(chǎn)品能夠在0.1米～5米內(nèi)實(shí)現(xiàn)1％精度測(cè)量；

3.測(cè)量速度快，所述產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)100Hz有效數(shù)據(jù)輸出，遠(yuǎn)高于超聲波類測(cè)距傳感器，便于飛控系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)。當(dāng)無(wú)人機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，能夠快速檢測(cè)到障礙物，通過飛控指令使無(wú)人機(jī)停止，避免造成無(wú)人機(jī)炸機(jī)，并給出操作者提示信息。

4.測(cè)量結(jié)果完全不受振動(dòng)、聲音等信號(hào)的干擾，大大提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境光條件影響，無(wú)論白天黑夜、夏天、雪地、沙漠等場(chǎng)景都能夠穩(wěn)定工作。

5.所述產(chǎn)品溫度穩(wěn)定性好，產(chǎn)品溫度適應(yīng)能力從-15℃～55℃。能夠滿足大部分無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景需求。

6.成本低。相比于激光測(cè)距產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用紅外發(fā)射器，能夠大大降低產(chǎn)品成本。

7.所述產(chǎn)品感應(yīng)面積小，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)3°發(fā)射信號(hào)指向角。在15米處能夠形成0.7米測(cè)量覆蓋范圍?；灸軌驖M足小型無(wú)人機(jī)應(yīng)用需求。

8.安全性高。相比于激光類測(cè)距傳感器對(duì)人眼的危害，紅外光電測(cè)距產(chǎn)品對(duì)人體無(wú)危害，完全能夠適用于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)。

9.所述產(chǎn)品體積小測(cè)量距離大，同測(cè)量距離條件下，體積只有超聲波傳感器的50％。對(duì)無(wú)人機(jī)小體積應(yīng)用非常適用，并且能夠有效降低無(wú)人機(jī)自身重量。