通過紅外線輻射進行障礙探測及距離測量的方法和裝置的製作方法
2023-06-13 00:26:01
專利名稱：通過紅外線輻射進行障礙探測及距離測量的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本方法涉及一種測量第一物體和第二物體之間距離的方法。本發明同樣涉及探測所述第二物體的方法，所述第二物體可以是可能存在於所述第一物體周邊的一個方位未知的障礙，第一物體主要是機器人之類的遙控機械裝置。本發明還涉及探測障礙及測量第一物體和第二物體之間的距離的裝置。
具體的，本發明涉及一種使用紅外線發送器和紅外線接收器的無接觸的探測障礙及進行測量距離的方法。
背景技術：
目前存在多種無接觸測量距離的系統，可根據所使用的光束(雷射、紅外線或超聲波)或測量系統的技術(幹擾、測量傳播時間、光束的截斷、三角測量)分類。主要使用如下系統-紅外線雷射測距儀，帶有一個發射雷射紅外線的光源，在雷射紅外線上迭加反射光束。兩個信號相加便產生了幹擾，幹擾取決於光束的行進長度。這種測量方法可以極為準確地測定距離並非常準確地定位一個測量點。然而，這個系統所要求的技術很複雜，成本高昂。另外，它還需要一個光學系統，這個光學系統容易被損壞。
-超聲波測距儀，工作方式為發射超聲波並測定聲音返回發射器所用的時間。由於聲音在空氣中的傳播速度很慢，因此很容易精確地測定信號的行進時間。事實上，聲音遇到障礙物的時候會反射回來，我們就可以利用接收超聲波回波的探測器所顯示的時間並根據傳播的環境來確定障礙物的距離。超聲波在空氣中的吸收現象很嚴重，距離越大吸收現象就越嚴重。因此這項技術主要應用於吸收率小許多的多水的環境或液體環境，用於海底顯影(聲納)或醫療圖像(超聲波回波掃描記)。此外，這種使用超聲波的方法也並不具備太大的指導性。事實上，它對支撐物的依賴性很強，而且會被氣流或水流擾亂。另外，它可能會對光滑的表面提供錯誤的信息，因為聲波在一個方向上會完全反射(反射鏡效應)。MURATA公司生產這種類型的傳感器，型號為MA40。
-還有一些基於紅外線輻射的探測和測量距離的方法和裝置。這些使用紅外線輻射的技術可分為以下幾種類型*第一種類型建立在傳統的三角測量原理的基礎上，並廣泛應用於商業傳感器，*第二種類型基於對發射出的信號和接收到的信號的相位差的測量，*最後一種類型是測定一束紅外線雷射傳播的時長。這樣的系統雖然測量結果非常準確，但其本身也很複雜，並且很昂貴。
LYNXMOTION公司銷售一種名為IRPD(紅外線接近探測器)的使用紅外線三角測量的測距儀，主要由兩個電子發光二極體紅外線發射器、一個紅外接收器(GP1U58Y)以及一個連續給兩個電子發光二極體供電並監測反射情況的微控制器。這種探測是不同步的，兩個電子發光二極體輪流工作。這兩個電子發光二極體由一個可調的振蕩器來進行調製。感應器的靈敏度由加在振蕩器上的頻率來控制實際上接收器上帶有過濾器，可以使它對調製在38千赫的紅外波反應敏捷，這可以使周圍環境(如自然光)的幹擾達到最小化。這個系統的主要缺陷在於探測範圍小。事實上，它只能探測到距其15到30釐米範圍內的障礙物。
還有其它一些系統，其中DIRRS(由HVW科技公司銷售的紅外線測距系統)和IRODS(同樣由HVW科技公司銷售的紅外線障礙探測系統)性能最好，它們運用的是同步三角測量原理。系統的運行全靠使用PSD(定位感應器)和聚焦反射回來的紅外信號的光學透鏡。PSD可以根據紅外線撞擊的位置來改變輸出信號的類型。上述兩種裝置的最大區別只是它們的輸出信號的類型不同，一個是模擬信號(IRODS)，另一個是數位訊號(DIRRS)。這些探測器不僅可以顯示感應器前是否有物體存在，還可以顯示潛在障礙物的距離可通過電壓實現(如IRODS)，或通過8比特編碼的數字實現(如DIRRS)。但他們只有在10釐米到80釐米的距離範圍之內能準確測定距離。DIRRS系統藉助夏普GP2DO2接收器工作，而IRODS系統則藉助夏普GP2DO5接收器工作。
-另外一些系統是建立在信號的相位差原理上的。這些裝置可以實現近距離的探測。它們由多個固定在小型的紅外接收器頂部的電子發光二極體發射器組成，並排列在機器人周圍。當其中的一個二極體接收器發射的紅外線被面前可能存在的物體反射回來時，接收器會探測到反射回來的紅外線輻射強度，該強度會被轉化為成比例的模擬電壓。根據所發射出的信號和接收到的信號之間的相位差就可以確定物體和接收器之間的距離。這些系統中通常使用對頻率在38千赫左右的波長很敏感的夏普接收器(GP1U52X或GPU58X)。
這些系統之間的主要區別一方面在於機器人周圍二極體發射器的排列，另一方面在於對所發射的紅外線之間的幹擾的考慮。事實上，接收器能探測到與其配套的發射器之外的發射器所發射的紅外線反射回來的光線。因此，物體方向和距離的變化會被曲解。
對於採用信號相位差的方法來說，幹擾的存在給距離的測定帶來麻煩。而在三角測量法中，幹擾反而有助於增加測量的準確性。
在前面介紹的裝置中，二極體的電源電路設計為每次只能為一個傳感器供電，或者傳感器(發射器和接收器的組合)被安裝在一個圍繞一條軸轉動的馬達上以便向多個方向進行探察。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種距離測量或探測障礙的系統，該系統可以輕鬆地被安裝在小型家用機器人上，因此該系統也足夠小巧輕便，以便被小型機器人負載並且不妨礙它們的行動。
本發明的另一個目的是提供一種儘可能經濟而性能最優化的距離測量或障礙探測系統，尤其是提供一種探測範圍主要在0到10米以上並且測量結果精確到釐米的系統。
本發明還有一個目的，那就是實現一種帶數字輸出口的探測和測距裝置，輸出口可以連接到一個並行的埠並由機器人的指令處理器控制。
首先，本發明涉及探測和測量第一物體和第二物體之間的距離的方法，本方法本身包括以下步驟a)自固定在上述第一物體上並被提供一電發射信號的發射器發射紅外線輻射的步驟；b)上述紅外線輻射被第二物體反射後，在接收器上探測返回的紅外線輻射的步驟；上述接收器被固定在第一物體上靠近發射器的地方，生成表示接收的電信號。
本方法的特點是它還包括以下步驟-逐漸改變發射器發出的紅外輻射的功率，控制上述表示發射的電信號，直至所發射的紅外線的功率達到探測功率(PS)，在這個探測功率(PS)上，紅外線在被第二物體反射後可以被接收器探測到。
-根據上述探測功率(PS)計算第一物體和第二物體間的距離(D)主要使用事先擬訂的刻度校準來建立距離(D)和探測功率(PS)間的關係。
本方法通常用於大氣環境，用來探測固體材料的物體。但它也可以用於所有紅外線可穿透的空間。本方法所應用的物理原理是發送調製的紅外信號並測定反射作用所接收的能量。由於距離越遠，所能接收的能量越小，所以可增加光源所發射的波的功率直至得到可以被接收器探測到的回波。本原理的一個獨特性便是如果相對於到障礙物的距離而言所發射的光波的功率(通常與發射器的控制信號的振幅相關)不夠，反射波不會被接收器探測到；因此在探測障礙物發射的反射信號的同時，通過發射器發射紅外線，其功率遞增直至接收器探測到信號，藉此來測定距離。如果系統的發射功率已達到最大值仍然沒有探測到物體，則意味著在搜索方向上給定的有意義的距離內沒有障礙物。相反，如果接收器接收到和探測到回波，最好核實一下該回波是否是所發射的信號的回波。
在此處「接收器」是指一個在接收到強度足夠大的紅外線輻射時會發射一個電信號的裝置。通常，這些紅外接收器由光電電晶體或光敏二極體組成，工作原理是將紅外線轉換為電壓。
優選在根據本發明的方法中a)通過一個帶有電子發光二極體的發射器發射特殊波長的紅外線，最好在850nm和950nm之間；b)使用一個帶有一個光電電晶體或光敏二極體的(或由光電電晶體或光敏二極體組成的)接收器，專門用於探測上述波長。
為了將發射光源和其他發射同樣波長的光源區分開來，優選使用一個接收器專門探測具有特定的脈衝頻率(又稱為「載波頻率」)的以脈衝模式發射的紅外波，該紅外波脈衝模式是通過根據雉堞電信號或「方塊信號」產生的發射器的間歇式電源生成的。
事實上，通常我們可以在市場上找到專門的接收器接收有設定的脈衝頻率以脈衝模式發射的波。這些接收器的特點是它們可應對紅外波的波長和電源電流的載波頻率的雙重特性。上述載波頻率通常在30千赫到60千赫之間，主要是38千赫。事實上我們避免使用專門針對電網頻率(50到60赫茲)的接收器。
為了生成根據雉堞形電信號或「方塊信號」產生的發射器的電源，發射器通常聯接在一個電晶體上。
更具體地說，我們可以根據有利的實現模式完成以下步驟a)根據帶有某一特定脈衝頻率的模式發射紅外線；b)只有當反射回來的波具有同樣的脈衝頻率時，接收器才能探測。
二極體發射器的脈衝式電源可以大大擴大發射範圍。事實上，當紅外波的發射時長縮短，波的發射功率就有可能會增大。事實上，只有在時間很短的情況下，紅外二極體才能發射強大的功率，並承受短暫的超負荷狀態。這樣我們就能探測到離傳感器距離很遠的物體。
而且，這種脈衝模式的紅外波發射方式可以不增加已經被紅外線環繞的空間的負荷，可以和其它系統的測量活動互不幹擾。
為了增加本裝置的獨特性，尤其是當同類的其它裝置在近處工作且它們的發射器發射載波頻率相同的紅外波時，我們可以在發射器的電源電信號中加入一個籤名(或編碼)，使發射器發射的紅外線帶有發射器本身特有的籤名。這個數字籤名有特定的位數，一般不少於4比特，它可以加載(或連接)在脈衝頻率上。
如果接收器所接收的信號的籤名與和所發射的信號一致，就意味著探測到一個障礙物。傳感器和障礙物之間的距離可以根據發射功率和探測信號所用的靈敏度推算出來。如果探測到的信號的數字籤名不一致，則說明接收的信號來自另一個信號源，我們可以認為沒有探測到任何障礙物。
因此，在以本發明為依據的方法的一種有利的實現模式中，
-上述發射器和接收器帶有電晶體或聯接在電晶體上，這樣可以根據波是否被發射器發射以及波是否被接收器探測到而生成「0」或「1」的邏輯電信號；-所發射的脈衝紅外波的上述脈衝模式是通過發射器電源根據雉堞電信號生成的，即定的脈衝頻率或稱為載波頻率主要為38千赫，提供給發射器的電信號中帶有上述數字籤名；-比較向發射器發送的電信號和幾乎同時由接收器提供的電信號，核對接收器提供的電信號是否帶有和發射器電源的電信號相同的數字籤名；就這樣，一個連接發射器和接收器的電子線路引發了紅外信號的發射，並同時開始探測這個信號。由於需要測量的最大距離為10米左右，因此本發明有另一個創新的優勢點，那就是可以假設在這種距離範圍內，紅外波的傳播時間可以忽略不計(波在10米的範圍往返一次的時間為66n)。
在以本發明為依據的方法的一種實現模式中，a)通過由有場效應的電晶體(可以為發射器提供有2的n次方個不同強度值的強度遞增的電流)控制的n個不同的電阻值，發射包括2的n次方個不同的輻射功率值的功率可變的紅外線。通過電晶體的邏輯指令調節電流，使發射功率的逐步變化通過一個以n比特編碼的數位訊號而置於在電晶體的指令下。這個數字編碼對應n電晶體發出的n邏輯指令。
b)在已經得到的2的n次方個不同的距離值(記錄在測量系統的存儲器裡)之中，根據和探測功率相對應的數位訊號確定第一物體和第二物體之間的距離D。
更具體的，我們使用一個能夠發射最大輻射功率(設為P1)的二極體發射器和一個能夠探測最小輻射功率(設為P2)的二極體接收器。P1和P2的值使我們可以測定0.5米至5米範圍內的距離，特別是當P1的值在250到500毫瓦/球面度之間而P2的值在0.1到10mw/Sr(毫瓦/球面度)之間時，更可以測定0.1米至10米範圍內的距離。
更具體的，我們的系統可以使用以下發射器和接收器-發射器
*發射100μs，電流為1A-接收器
優選發射一組功率遞增的脈衝，在可能的情況下採用有n個不同電阻值Ri(i＝1到n)的電阻的數量n。這樣的話，由上述2的n次方個可能的連續的距離值間的偏差組成的測量精確度可以達到最小10釐米，好的話可以達到最小1釐米。
上述電阻值Ri的數量n決定對障礙物測量的靈敏度。
本方法還有的一種實現模式，旨在確定一個或幾個所謂的第二物體相對於與第一物體相連的參照物的位置。根據這種模式，本方法還包括以下步驟-從第一物體向若干個方向發射紅外線，這些方向合理地分布在第一物體周圍，最好取四個以上的方向，如能取八個以上的方向則更理想；每個方向上的紅外線都呈錐形發射，與頂端的角度在5度至90度之間；使得位於第一物體周圍的那些第二物體能夠被探測到，它們相對於與第一物體相連的參照物的位置也就能計算出來。
本發明的內容也包括一個探測和測量第一物體和第二物體之間的距離的裝置；該裝置包括-一個固定在上述第一物體上的紅外線發射器，發射器通過一個表示發射的電信號取電；-一個在上述紅外線被第二物體反射後探測其回程的接收器；該接收器被固定在第一物體上靠近發射器的地方，生成表示接收的電信號。
該裝置還包括-監測上述電信號的裝置，它們可以在監測上述表示發射的電信號的同時以遞增的方式改變發射器(4)發送的紅外線的功率，直至所發射的紅外線的功率達到探測功率(PS)，在這個探測功率(PS)上，紅外線在被第二物體反射後可以被接收器探測到。
-根據上述探測功率(PS)計算第一物體和第二物體間的距離(D)的裝置，它們主要使用事先建立的校準刻度來建立距離(D)和探測功率(PS)間的關係。
更特別的是，以本發明為依據的裝置包括-一個帶有電子發光二極體的發射器，專門發射特殊波長的紅外線；-一個帶有一個光電電晶體的接收器，專門用於探測上述的已設定的紅外線波長，最好是專門用於探測已設定脈衝頻率的脈衝波，根據該裝置優先考慮的實現模式-上述電信號控制裝置可以使發射器所發射的紅外輻射功率以遞增的方式變化，它們包括用於控制表示發射的電信號的第一處理器，這樣紅外線就可以按照帶數字籤名的特定模式被發射。
-上述第一處理器被編程為使得所述發射器的特定發射模式為帶有表明所述籤名特徵的給定脈衝頻率的脈衝發射模式。
-上述控制所述電發射信號的第一處理器被編程為使得發射器的特定發射模式為包含數位訊號識別的脈衝發射方式；-上述第一處理器被編程為使得所述電發射信號定為一方波信號，並且所述紅外線輻射的數字籤名的形式為根據發射器是否由所述方波信號供電而由「1」或「0」組成的邏輯信號。
-為了確定反射回來的紅外線(紅外線源自安裝在某一指定物體上的發射器)是否被該指定物體的接收器接收，第一處理器帶有核對上述籤名的裝置，這樣就可以區分源自上述指定物體的被反射回來的紅外線和直接或間接源自其它物體的紅外線。
-上述核對籤名的裝置包括對上述指定物體的發射器電源的電信號和由同一物體的接收器提供的電信號進行比較的裝置。
-上述第一處理器，具體的為微控制器，和第二處理器(或外部處理器)的發射器和接收器互相聯接，這樣就可以使*上述第一控制器通過n比特的數位訊號，利用電晶體的場效應，控制發射器電源電路上的n個不同值的電阻，這樣發射器(尤其是電子發光二極體發射器)所發射的紅外線的功率就可以有2的n次方個遞增的值，*上述第一控制器與接收器相連，可驗證接收器提供的電信號是否帶有相同的籤名，特別是數字籤名。
*上述第一處理器向第二處理器傳送一個n比特組成的信號，該信號顯示在2的n次方種可能的探測功率(PS)值中已被驗證的那一個值。
*上述第二處理器通過校準對應2的n次方個探測功率值的2的n次方個可能的距離值來計算第一物體和第二物體之間的距離。
以本發明為依據的方法和裝備可以在各種需要測量距離的情況下使用，比如-測量機動車間距離以增加駕駛的安全性-測量容器的充滿程度-對生產線上的物品進行計數本發明還涉及探測可能存在於第一物體周圍的不知方位的第二物體的方法和裝置，其特點是利用多個感應器進行多次測量，每個感應器包括一個組合發射接收器，在這個組合中發射器和接收器互相對應地被固定。這些感應器採用前面明確的以本發明為依據的距離測量方法，可以向第一物體周圍的空間以多個方向發射紅外線，最好是取四個以上的方向，如能取八個以上的方向則更理想；每個方向上的紅外線都呈錐形發射，與頂端的角度在5度至90度之間；這樣處於第一物體周圍的那些第二物體就會被探測到，它們相對於與第一物體相連的參照物的位置也就能計算出來。
本發明同樣還涉及一個帶有若干個收發組合器的探測障礙和測量距離的裝置。收發組合器根據前文中確定的排列方式固定在上述第一物體上，並且和上述第一處理器和第二處理器相連接。
從另一方面來看，本發明產生了一個會避開障礙的移動探測機器人。這個移動機器人擁有由一個控制裝置控制的移動裝置。這個控制裝置包括一個如前所述的探測和測距裝置，這樣的話.如果移動機器人周邊有一個或幾個障礙物，.且移動機器人行進的方向碰巧是障礙物所在的方向，.如果所測出的移動機器人和障礙物之間距離小於規定值，尤其是考慮到機器人的移動速度，本裝置就會程控修改移動機器人的移動軌跡，修改時將周圍其它的障礙物考慮在內。
本發明還涉及一個使移動物體(主要是機器人)探測和避開障礙的方法，它的特點是包括一個前面介紹的以本發明為依據的測量方法，其中.所述移動中物體對應於前面所述的第一物體.所述障礙物對應於前面所述的第二物體.如果所測出的距離小於規定值，尤其是由於物體的移動速度而無法避免某個近距離的障礙物時，我們可以改變移動物體(主要是機器人)的軌跡。
本發明的內容還包括一個配備有以本發明為依據探測障礙和測定距離的裝置的移動物體(主要是機器人)。
本發明的其它特點和優勢將在隨後實踐應用發明的詳細例子裡得到體現。
圖1是根據本發明的移動機器人的示意圖，它配備了八個紅外線障礙探測感應器(pickup)。
圖2是一個部分計時圖，簡要顯示了根據本發明的代表向二極體發射器輸送的電流的八個「陰影」條的增加的情況。本計時圖可對應於在電流周期性變化中的一個周期(在命令信號編碼為3比特的情況下)或對應於該周期中的一部分(如半個周期)。
圖3詳細標示了一個用於監測、控制和處理由紅外線收發器-接收器交換的信號的電子電路(圖1中的標號3)的結構。
具體實施例方式
圖1所示的是將八個感應器安裝在一個移動物體如機器人1上的安裝示意圖。這些感應器朝向八個方向。圖中展示了紅外線發射形成的錐體13以及碰到障礙物2而向接收器5反射回來的紅外線14。
圖2展示了二極體發射器中電流的八個級別(共16個)，也就是二極體發射器發射的波的功率的八個級別，對應的10比特數字籤名為「1110111101」，紅外波是以頻率為38千赫的脈衝模式發射的。
圖3是一個電子裝配示意圖，展示了八個與微控制器8連接的二極體發射器4(D1至D8)、八個接收器5(U5至U12)以及一個外部處理器9(U13)。處理器8和9之間的聯絡是通過一個擺杆式的寄存器11(U3)進行的。
我們實現了一個帶有八個感應器(Cp0到Cp7)測距系統，八個感應器形成了一個由八個發射器4和八個接收器5組成的整體。全部感應器都被固定在機器人1上。每個接收器5都被固定在相應的發射器4的上方。發射器4可以向平均分布在第一物體周圍的八個方向發射紅外線；每個發射器向其中的一個方向的空間發射一束光線，形成一個錐形13，該錐形的頂部在發射器上，頂部角度為20°。
本系統對充當第一物體的機器人1探測障礙和避開障礙非常有用。根據探測結果以及測定的與障礙物之間的距離，如果所測出的距離小於規定值，我們可以改變是機器人的軌跡。
每一個發射器4(D1到D8)都是由紅外線電子發光二極體組成，商用參號是西門子LD274；每一個接收器5(U5到U12)都是一個光電電晶體，商用參號TEMIC TSOP 1838。二極體發射器LD724的特點是發射角度θ＝20°，電流I＝100毫安，波長λ＝950nm，輻射功率W＝350毫瓦/球面度。接收器TSOP 1838的特點是接收角度＝90°，波長λ＝950nm，輻射功率W＝0.3毫瓦/球面度，載波功率f＝38千赫。
對每一個二極體發射器，同時供應相同的電流以生成相同的紅外線。
一個微控制器8(U1)和一個外部處理器9(U13)之間通過寄存器(U3)11聯接。微控制器8(U1)和外部處理器9(U13)之間的界面通過一個寄存器10(U4)來達到同步。微控制器8(U1)直接指揮八個發射器4並分析八個接收器5通過寄存器(U12)發來的信息。
以下是所使用的元件的參考號
*集電極開路微控制器8通過脈衝模式執行對紅外線二極體發射的控制。微控制器8提供一個載波功率為38千赫的雉堞或方塊信號，信號在振幅上被進行調製，以便一方面確定每個發射器的數字籤名，另一方面監測二極體的發射水平。二極體的發射水平與圖二中的階梯高度一致，根據電晶體(Q1到Q4)的狀態而發生變化。對每個階梯水平來說，二極體的供電信號包括一個10比特製的數字籤名，其值為「1110111101」，就如圖二所表現的那樣每一個值為1的位對應一組脈衝，即載波功率的九個脈衝，在本例中總長度為237微秒左右；每一個值為0的位對應二極體的同等長度的中斷。
通過在圖2中顯示的數字籤名可以看出，如果把每個階梯分成10個時間單元，則電源(輸送功率為38千赫)在第四個和第九個時間單元中斷。
數字籤名6的核對由微控制器8完成，它會通過寄存器12對向發射器4發送的電信號和由相應的接收器5幾乎在同時發出的信號進行比較。
每一個接收器5包括一個電晶體(未在圖中顯示)，並根據以上述載波頻率輸送的波是否被接收器5探測到(也就是說波是否被發射器發射然後被障礙物反射回來)而提供一個1或0組成的邏輯信號。
每一個發射器4都聯接在電晶體72上，被一個1或0的邏輯信號控制，這樣的話，根據以上述載波頻率輸送的波是否被發送而生成脈衝紅外線。
包括四個並聯的分支並被安插在八個二極體發射器的共用電源上的組件71、72電路可以在發射器4(D1至D8)中生成十六種(或十六個梯度)的電流強度。每個分支帶有一個電阻(R1到R4)，這些電阻和FET電晶體(Q1到Q4)以串聯形式連接。
通過這樣一個電路，我們可以通過每個二極體引發有功率可變的輻射，在由電晶體72(Q1到Q4)控制的四個不同值的電阻71(R1、R4)的基礎上，可以有16種(24)不同的輻射功率值，它可以根據上述電晶體的邏輯指令(COM0到COM3)提供包括16個遞增數值的強度遞增的電流。上述每一個所發送的功率值對應一個4比特的數字信息，該信息對應的是上述四個電阻的四個邏輯指令。在距離和16個可能的探測功率中的每一個之間進行的校準使外部處理器9可以根據與探測功率相對應的數字信息在電晶體Q1到Q4的16個可能的距離值(它們由微控制器8循環發送並傳遞到處理器9)中確定機器人和障礙物之間的距離D。根據電阻R1到R4的四個指令COM0到COM3的邏輯指令(0或5伏)，我們可以規定在二極體紅外發射器D1到D8中的電流大小，這樣可由每個二極體生成一個紅外線光束，它的功率是遞增的，由此可得出一個與圖二中的編年表式圖相似的圖表。
電晶體72控制四個電阻71，電晶體的偏壓直接設置在5伏。這裡有四個指令，在16個功率值區域或階段進行偵察。所選擇的電阻的值各不相同，他們之間是2倍的關係。因此在一個電阻裡的電流是下一個的2倍。二極體發射器中的共用電流如圖二所示，它帶有一個譯成編碼的籤名，比如說可以是10比特的(在此為1110111101)。
接收器5負責探測返回的紅外線信號。它包括一個集成元件，根據它是否接收到以38千赫的頻率發射的950nm的紅外線而提供一個0或5伏的邏輯信號。我們應該用過濾器51(包括一個壓縮能力為10μF的壓縮器和一個330Ω的電阻)對接收器電源進行過濾，因為電源稍微不穩定就有可能導致錯誤的探測。
校準的過程中，我們建立了一個發射功率和感應器到障礙物之間的距離的關聯關係。校準之後，我們就可以根據得到的答案給出用數字表示的距離。
表1中提供了較為典型的以白灰牆為障礙物的測量數據，電阻值如下R1＝15Ω，R2＝35Ω，R3＝68Ω，R4＝150Ω。
表1
在圖3中顯示了可以管理八個感應器的測量的交流和傳輸的電路。
圖3中的這個電路可以傳輸八個測量，這八個測量對應八個感應器，每個感應器都給出一個8比特的信息。在這種情況下，可使用一個混合編碼，它綜合了4比特的感應器測量(16個功率值用二進位編碼成4比特)和配套的接收器的識別(也是以4比特編碼)。
測量的傳輸模式應該是並行的，因為外部處理器9上使用的是一個8比特的總線。由於不可能在8比特的總線上同時傳輸八個測量的信息，所以我們把這些測量分離開來，一個一個地上線。因此，要得到八個區分開來的測量的序列，外部處理器9必須讀取八次以得到這些信息。
微控制器8(U1)和外部處理器9(U13)之間的界面是一個擺杆式的寄存器11(U3)，它的輸出口是開放式集流器。信息裝載(或測量的寫入)由微控制器8完成，抓取(或測量的讀取)由外部處理器9完成，後者接著計算與障礙物之間的距離。
然後微控制器8通過讀取寄存器10(U4)上的擺杆(啟動/重啟)的值而知道外部處理器9是否讀取了數據。當微控制器在寄存器中記錄了一個新的測量值時，擺杆重新初始化。一旦開始向處理器傳輸數據，測量就會暫停。當外部處理器繁忙時，微控制器又回過頭來測量距離。
權利要求
1.一種對第一物體(1)和第二物體(2)之間的距離進行探測和測量的方法，所述方法包括以下步驟a)由固定至上述第一物體(1)上並被提供一電發射信號的發射器(4)發射紅外波輻射(3)的步驟，以及b)在紅外線輻射被所述第二物體(2)反射後，探測所述紅外線輻射至一接收器(5)的回波的步驟；所述接收器(5)固定在上述第一物體(1)上鄰近所述發射器(4)處，並生成接收電信號；所述方法的特徵在於，其還包括以下步驟c)通過控制上述電發射信號逐漸改變上述發射器(4)發送的紅外線輻射的功率，直至該功率達到一個探測功率(PS)的步驟，對於所述探測功率，可使得在其被第二物體反射後，能夠被上述接收器(5)探測到，d)通過建立所述距離(D)和所述探測功率之間的相互關係，或通過兩者之間的校準，從上述探測功率(PS)的值開始，計算所述第一物體(1)和所述第二物體(2)之間的距離(D)的步驟。
2.根據權利要求1的方法，所述方法使得上述紅外線輻射通過包含發射器(4)籤名特徵的特定模式發射。
3.根據權利要求2的方法，所述方法使得上述籤名以發射器(4)的特定發射模式為特徵，具體的，以具有一給定脈衝頻率的脈衝發射模式為特徵。
4.根據權利要求2或3的方法，所述方法使得所述籤名為一數字籤名，具體的為與一脈衝發射模式相關聯的數字籤名。
5.根據權利要求4的方法，上述電發射信號為方波信號，所述方法使得所述紅外線輻射的數字籤名根據發射器是否被提供方波信號而表現為由「1」或「0」組成的邏輯信號。
6.根據權利要求2至5中任何一項的方法，所述方法使得，為了確定由接收器(5)接收的從一特定物體(1)反射回來的紅外線輻射源自安裝在所述確定物體上的發射器(4)，可驗證上述籤名，這樣就有可能區分源自上述確定物體(1)上的發射器(4)反射的紅外線輻射和直接或間接源自其它物體的紅外線。
7.根據權利要求6的方法，所述方法使得，為驗證上述數字籤名，將向所述確定物體(1)的發射器(4)提供能量的電信號與由在同一所述確定物體(1)上的接收器(5)提供的電信號進行比較。
8.根據權利要求1至7中任何一項的方法，所述方法進一步更具體地被設計為關於所述第一物體(1)約定的基準幀，確定一個或多個第二物體(2)的位置，所述方法進一步包括以下步驟-從所述第一物體(1)沿幾個方向發射紅外線，所述幾個方向繞所述第一物體適當分布，優選至少沿四個方向，或者至少沿八個方向，與每個方向相聯繫的紅外線都呈錐形發射，所述錐形的頂端在5度至90度之間，使得能夠探測到位於所述第一物體(1)周圍的所述第二物體(2)，且可關於與第一物體相連的基準幀計算出它們的位置。
9.探測和測量第一物體(1)和第二物體(2)之間的距離的裝置，該裝置包括-固定在上述第一物體(1)上且被提供電發射信號的紅外線輻射發射器(4)，-在上述紅外線輻射被所述第二物體(2)反射後探測其返回的接收器(5)；所述接收器(5)被固定在第一物體(1)上靠近所述發射器(4)的位置，並產生接收電信號。該裝置的特點在於，其包括1/控制上述電信號的裝置(8)，通過控制所述電發射信號，使由所述發射器(4)發出的紅外線輻射的功率能夠逐步變化，直至所發射的紅外線輻射的功率達到這樣的探測功率(PS)，即對該探測功率(PS)，紅外線輻射在被第二物體(2)反射後可以被接收器(5)探測到。2/根據上述探測功率(PS)的值，計算第一物體(1)和第二物體(2)之間的距離(D)的計算裝置(9)，其主要使用事先尤其通過校準建立的所述距離(D)和所述探測功率(PS)之間的相互關係。
10.根據權利要求9的裝置，所述裝置使得-上述發射器(4)具有電致發光二極體，專門發射一給定紅外線波長的輻射；-上述接收器(5)具有一光電電晶體或一光電二極體，專門用於探測上述的已給定的紅外線波長。
11.根據權利要求9或10的裝置，上述電信號控制裝置(8)可以使發射器(4)所發射的紅外輻射功率逐漸變化，包括第一處理器(8)，所述第一處理器(8)用於控制所述電發射信號，使得所述紅外線輻射以包含數字籤名的特定模式被發射。
12.根據權利要求11的裝置，上述第一處理器(8)被編程為使得所述發射器(4)的特定發射模式為具有以所述籤名為特徵的一給定脈衝頻率的脈衝發射模式。
13.根據權利要求11或12的裝置，上述控制所述電發射信號的第一處理器(8)被編程為使得所述發射器(4)的特定發射模式為具有數字籤名的脈衝發射模式。
14.根據權利要求13的裝置，上述第一處理器(8)被編程為使得所述電發射信號為一個方波信號，並且所述紅外線輻射的所述數字籤名的形式根據發射器是否被提供方波信號為由「1」或「0」組成的邏輯信號。
15.根據權利要求11至14中的任何一項的裝置，所述裝置的設計使得，為了確定由接收器(5)接收的自一特定物體(1)反射的紅外線是否源自安裝在所述確定物體上的發射器(4)，所述第一處理器(8)包含驗證上述籤名的裝置，從而有可能區分源自上述確定物體(1)的發射器(4)的紅外線輻射和直接或間接源自其它物體的紅外線。
16.根據權利要求15的裝置，上述驗證所述籤名的裝置包括對所述確定物體(1)的發射器(4)的供電信號和所述同一確定物體的接收器(5)所提供的電信號進行比較的裝置。
17.根據權利要求11至16的任何一項的裝置，所述裝置為使得-上述第一控制器(8)通過n比特的數位訊號，通過場效應電晶體，控制發射器(4)電源電路上的n個不同值的電阻值，使得由發射器(4)，尤其是電致發光二極體，所發射的紅外線的功率可以有2n個遞增的值。-上述第一控制器(8)與接收器(5)相連，驗證接收器(5)提供的電信號是否包含該相同的籤名，具體地為所述數字籤名。-上述第一處理器(8)向第二處理器(9)傳送一個n比特組成的信號，該信號顯示在2n種可能的所述探測功率(PS)值中已被發現的那個值，-上述第二處理器(9)通過自關於2n個探測功率值對2n個可能的距離值的校準的相互關係來計算第一物體(1)和第二物體(2)之間的距離。
18.根據權利要求17的裝置，所述裝置使得所述發射器(4)，尤其是發射二極體，能夠發射一給定最大輻射功率P1，且所述接收器(5)，尤其是接收二極體，能夠探測到一給定的最小輻射功率P2，P1和P2的值使得有可能可以測定0.5米至5米範圍內的距離，甚至0.1米至10米範圍內的距離。
19.根據權利要求17或18的裝置，探測功率(PS)等級的數量和不同值的電阻Ri(i＝1到n)的數量n使得存在於上述2n個可能的連續的距離之間的間隔的測量精確度至少可以達到10釐米，優選至少達到1釐米。
20.根據權利要求9至17的任何一項的裝置，所述裝置進一步被具體地設計為關於約定為所述第一物體(1)的基準幀來確定一個或多個第二物體(2)的位置，所述裝置還包括-多個發射器(4)和接收器(5)沿多個方向發射和接收紅外線，所述多個方向以適當方式圍繞所述第一物體(1)分布，優選沿至少四個方向，更佳的為八個以上的方向；每個方向上的紅外線都呈錐形發射，所述錐形頂角在5度至90度之間，使得能夠探測到位於所述第一物體(1)附近的所述第二物體(4)，並計算它們關於與第一物體(1)相連的基準幀的位置。
21.探測並避開障礙的移動機器人，所述移動機器人擁有由一個控制裝置控制的位移裝置，所述控制裝置包括根據權利要求9到20中任何一項權利要求的裝置，使得.如果所述移動機器人附近有一個或幾個障礙物，.如果移動機器人行進的方向碰巧是障礙物所在的方向，.如果所測出的移動機器人和障礙物之間距離小於規定值，尤其是考慮到機器人的移動速度，所述裝置對路徑的改變編程，同時考慮位於附近的其他障礙。
22.根據權利要求1到20中的任何一項的方法和裝置應用於使車輛，尤其是機器人，探測和避開障礙.所述車輛對應於所述第一物體(1).所述障礙物對應於所述第二物體(2)使得.如果所述車輛周邊有一個或幾個障礙物，.如果所述車輛行進的方向碰巧是障礙物所在的方向，.如果所測出的車輛和障礙物之間距離小於規定值，尤其是考慮到車輛的移動速度，所述車輛會對路徑的改變進行編程，同時考慮附近存在的其他障礙。
23.車輛(1)的特點在於其包括-該車輛上至少固定安裝有兩個紅外感應器，每個感應器包括能夠向該車輛周圍空間的第一部分發射紅外線輻射的發射器以及一個對從該車輛周圍空間的第二部分接收的紅外線反應靈敏的接收器，-檢測發射器電源的電子裝置(8)，適於不斷循環改變發射器電源的電流功率，以便引起每個感應器發射的紅外線按等級遞增，-探測障礙物和/或測量該車輛和物體(2)之間距離的電子裝置(9)，一方面是基於由所述接收器從所述感應器傳送的信號，另一方面是基於由上述電子裝置(8)傳送的用於控制提供給該感應器的發射器的功率的信號和數據。
24.根據權利要求21或23的車輛，其包含-提供多個所述紅外線發射器的電源線，-插入上述共用電源線中的多個支線，每條分支具有一個電阻(R1到R4)並包含一個開關(Q1到Q4)，所述分支並聯連接，-適於向該開關(Q1到Q4)傳遞一個開啟或閉合的數字命令的裝置(8)，以便引起傳送至該發射器的電流逐漸變化的裝置(8)。
全文摘要
本發明涉及一種測量第一物體(1)和第二物體(2)之間的距離的方法。該方法在於a)由固定在上述第一物體(1)上的發射器(4)向上述第二物體(2)發送一束紅外波輻射(3)；b)檢測所述輻射被接收器(5)上的所述第二物體(2)反射後的回波輻射，所述接收器鄰近所述發射器(4)固定在所述第一物體(1)上。本發明方法的特點在於1/逐漸改變上述發射器(1)發出的紅外輻射功率直至該功率達到與該波的功率相對應的探測功率(Ps)，從此時起，所述接收機開始探測由所述第二物體反射的輻射；2/通過建立所述距離(D)和所述探測功率之間的等同相關性，基於上述探測功率的值計算第一物體(1)和第二物體(2)之間的距離(D)。本發明還涉及用於進行探測和距離測量的裝置。
文檔編號G01S17/87GK1489702SQ02804149
公開日2004年4月14日 申請日期2002年1月25日 優先權日2001年1月26日
發明者伊萬·拉瓦瑞克, 勞倫特·特邁爾, 特邁爾, 伊萬 拉瓦瑞克 申請人:威尼公司