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    一种 红外 测距 传感器
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610715306.4

    申请日:

    2016.08.24

    公开号:

    CN106405524A

    公开日:

    2017.02.15

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/481申请日:20160824|||公开
    IPC分类号: G01S7/481; G01S17/08 主分类号: G01S7/481
    申请人: 上海兰宝传感科技股份有限公司
    发明人: 许用疆
    地址: 201404 上海市奉贤区金汇镇金碧路228号
    优先权:
    专利代理机构: 上海伯瑞杰知识产权代理有限公司 31227 代理人: 孟旭彤
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610715306.4

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.03.15|||2017.02.15

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开的红外测距传感器,包括TOF处理芯片,有红外发射器连接TOF处理芯片的发射驱动器,红外接收器连接TOF处理芯片的接收处理电路,在红外发射器的发射方向上设置有发射准直透镜,在红外接收器的接收方向上设置有接收聚焦透镜。

    权利要求书

    1.一种红外测距传感器,其特征在于,包括TOF处理芯片,有红外发射器连接TOF处理芯
    片的发射驱动器,红外接收器连接TOF处理芯片的接收处理电路,在红外发射器的发射方向
    上设置有发射准直透镜,在红外接收器的接收方向上设置有接收聚焦透镜。
    2.如权利要求1所述的红外测距传感器,其特征在于,所述的发射准直透镜和接收聚焦
    透镜的前表面平面折射面和透镜后表面自由曲面折射面为中心轴对称形状,
    发射准直透镜相对孔径(透镜直径D/透镜焦距f)大于发散角正切值的2倍,准直后的发
    散角小于±2°,透镜材料为二次透镜常用材料PMMA,折射率为n=1.4935,
    红外发射器和红外接收器选用的光电二极管,接收角度大于等于发散角,接收区域大
    于等于发射区域,目标面上的光斑能完全成像在光电二极管上,而接收区域外的干扰光能
    被很好地屏蔽,
    选择的光电二极管发散角在±12°~±25°范围内,透镜的相对孔径在0.8~1.2范围
    内,
    所选的光电二极管的接收面积在0.5~2.5mm2范围内,对应的接收透镜焦距在10~15mm
    范围内,保证接收角度大于±2°。

    说明书

    一种红外测距传感器

    技术领域

    本发明属于传感器技术领域,特别涉及一种红外测距传感器。

    背景技术

    公开号为CN105182348A的文献,公开了一种基于超声波的无人机实时定位与跟踪
    装置及应用技术,包括一个超声波发射器和一个超声波接收器;超声波发射器包括一块电
    路板一和至少一个超声波发射头,至少一个超声波发射头并联设置在电路板一的同一位置
    上;超声波接收器包括一块电路板二和至少三个超声波接收头一,至少三个超声波接收头
    一并联设置在电路板二的不同位置上,且上述超声波接收头一均不在同一直线上。

    现有的测距技术除了超声波,还可以分为双目视觉、雷达和TOF。双目视觉技术门
    槛高、响应慢,有较多情况探测不到;超声波的盲区较大,响应速度、可靠性不理想;微型雷
    达探测距离近、成本高、批量制造工艺较复杂。

    而TOF(Time Of Flight,飞行时间)测距的利用,即传感器发出经调制的近红外光
    (或红光),遇物体后反射,传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差,来换算被拍摄
    景物的距离。现有的红外TOF测距产品多为草帽顶的LED和光电二极管的发射接收组合,没
    有配套的光学设计,工作距离和抗环境光能力均有待提高。

    ISL29501是一款基于飞行时间(TOF)的信号处理集成电路芯片。当其与外接发射
    管和接受器一同使用时可以实现低成本、低能耗和长可视距离传感。该芯片具有内置电流
    数模转换器(DAC)来驱动外接LED或镭射管。调制光从发射管发出经目标反射后由光电管接
    受。光电管将返回信号转化为能够被ISL29501用于信号处理的电流。芯片上装有数字信号
    处理器用于计算与目标物距离成正比的飞行时间,且另配有I2C内置集成电路总线接口来
    进行配置和控制。同时,外接光电管和接受管可以让用户对所设计的系统进行能耗、性能和
    测量距离上的优化以满足用户不同的需求??梢杂τ昧煊蛴惺只没вτ?、工业接近式传
    感、能源管理、家庭自动化和汽车应用。

    发明内容

    本发明提供一种红外测距传感器,以解决现有采用TOF测距时,测量距离不远的问
    题。

    一种红外测距传感器,包括TOF处理芯片,有红外发射器连接TOF处理芯片的发射
    驱动器,红外接收器连接TOF处理芯片的接收处理电路,在红外发射器的发射方向上设置有
    发射准直透镜,在红外接收器的接收方向上设置有接收聚焦透镜。

    所述的发射准直透镜和接收聚焦透镜的前表面平面折射面和透镜后表面自由曲
    面折射面为中心轴对称形状,

    发射准直透镜相对孔径(透镜直径D/透镜焦距f)大于发散角正切值的2倍,准直后
    的发散角小于±2°,透镜材料为二次透镜常用材料PMMA,折射率为n=1.4935。

    红外发射器和红外接收器选用的光电二极管,接收角度大于等于发散角,接收区
    域大于等于发射区域,目标面上的光斑能完全成像在光电二极管上,而接收区域外的干扰
    光能被很好地屏蔽,

    选择的光电二极管发散角在±12°~±25°范围内,透镜的相对孔径在0.8~1.2范
    围内,

    所选的光电二极管的接收面积在0.5~2.5mm2范围内,对应的接收透镜焦距在10
    ~15mm范围内,保证接收角度大于±2°。

    本发明公开一种TOF(Time of Flight)红外光电测距技术进行测距,包括一个红
    外线发射器和一个红外接收器:红外发射器包括一个红外LED和发射驱动电路以及发射准
    直透镜;红外接收器包括一个红外接收管以及接收信号处理电路和接收能量汇聚透镜。

    本发明的有益效果包括:

    1.光电二极管的辐通量明显增大。

    对比加透镜前和加透镜后的系统,光电二极管的辐通量由5uW增加到19uW。目标平
    面的照度分布图,光斑的均匀性很好。

    2.本发明选用非球面透镜+ISL29501红外测距方案,降低了对发射管和接收管的
    要求。

    无光学系统会对发射与接收管要求较高,发射管发散角小并且光功率要大,接收
    面积足够大,才能保证有效探测距离。通过光学系统能够提高能量利用率,大大降低对发射
    接收管的选型要求。

    3.产品性能大幅提高

    发射管发散角和功率、接收管的接收面要求降低后,发射管性能可以得到提高,实
    际测试距离由原来的10m增加到15m。

    4.降低成本。

    本发明只需增加透镜成本,但大大降低了发射管和接收管成本,并简化了外围电
    路。

    附图说明

    图1本发明实施例中用于无人机的系统框图。

    图2是本发明涉及的透镜的侧视图。

    图3是本发明涉及的透镜的立体图。

    图4是本发明光电二极管射线示意图。

    图5是本发明光电二极管射线角度效果图。

    具体实施方式

    如图1所示,本发明所述技术实现组成有:红外发射器、发射准直透镜、红外接收
    器、接收聚焦透镜、TOF光电测距专用芯片、主控芯片及接口电路组成。

    系统电路的电源??榻?V输入电压稳压至3.3V,为主控和测距??樘峁┑缭?。TOF
    测距??槭褂肐ntersil品牌ISL29501TOF专用处理芯片及红外发射器、接收器,实现红外光
    信号发射驱动以及红外光信号接收放大处理以及进行距离计算。主控??橛糜诳刂芓OF测
    距??榻芯嗬氩馐?,采集数据并进行数据处理,控制输出,与上位机通信等,调试接口用
    于调试和下载主控??槌绦?。接口电路用于连接外部电源,并提供浪涌?;?。

    如图2、3和4所示,为了提高光学利用率,设计时保证透镜相对孔径大于0.8,将LED
    光源安装平面置于透镜的焦点处,调节透镜后表面自由曲面,使 透镜对0°~30°的光线都
    有很好的准直效果。

    如图5所示,准直前配光曲线如左图所示,能量集中在±40°内。准直后配光曲线如
    右图所示,能量集中在±10°内,且发散角在±2°内。

    本发明需要选择合适尺寸的光电二极管,接收角度大于等于发散角,使得接收区
    域大于等于发射区域,目标面上的光斑能完全成像在光电二极管上,而接收区域外的干扰
    光能被很好地屏蔽。

    本发明光电测距专用芯片采用美国半导体公司Intersil品牌ISL29501TOF专用处
    理芯片,实现红外光信号发射驱动以及红外光信号接收放大处理以及进行距离计算。红外
    发射器增加非球面LED准直透镜,实现发射LED能量的汇聚,减小发射能量的发散角,增大光
    信号传输距离;红外接收器增加非球面接收能量汇聚透镜,为实现光信号收集,并聚焦到红
    外接收管,提高光信号利用率,大大增强了检测距离。

    本在具体实现时技术要点如下。

    1.所述红外发射器为高速响应LED,实现TOF光电测距所需4.5MHz脉冲光信号发
    射;

    2.所述红外接收器为高速响应光敏二极管,实现TOF光电测距所需发射光脉冲信
    号探测;

    3.所述发射准直透镜为非球面LED准直透镜,实现发射LED能量的汇聚,减小发射
    能量的发散角,增大光信号传输距离;

    4.所述接收聚焦透镜为非球面透镜,为实现光信号收集,并聚焦到红外接收管,提
    高光信号利用率;

    5.所述TOF光电测距专用芯片采用美国半导体公司Intersil品牌ISL29501TOF专
    用处理芯片。实现红外光信号发射驱动以及红外光信号接收放大处理以及进行距离计算。

    6.所述主控芯片采用Freescale Semiconductor品牌MKL03ARM处理器,该处理器
    是采用ARM M0+内核,最大支持48MHz处理速度,能够与TOF光电测距专用芯片进行实时通
    信,并且将测距专用芯片返回结果进行处理后通过输出接口传送给飞控系统。因此,所述主
    控芯片在该产品中起到关键作用。

    7.所述接口电路采用UART通信格式,最高支持115200bps数据传输率。能够保证测
    试结果到飞控系统之间的及时性。

    本发明对于实现无人机避障优势包括:

    1.所述产品体积小测量距离大,体积只有超声波传感器的50%,对无人机小体积
    应用非常适用,测量距离可以达到18米。

    2.精度高,所述产品能够在0.1米~5米内实现1%精度测量;

    3.测量速度快,所述产品能够实现100Hz有效数据输出,远高于超声波类测距传感
    器,便于飞控系统及时调整飞行姿态。当无人机在高速运动的时候,能够快速检测到障碍
    物,通过飞控指令使无人机停止,避免造成无人机炸机,并给出操作者提示信息。

    4.测量结果完全不受振动、声音等信号的干扰,大大提高产品的稳定性。测量结果
    不受环境光条件影响,无论白天黑夜、夏天、雪地、沙漠等场景都能够稳定工作。

    5.所述产品温度稳定性好,产品温度适应能力从-15℃~55℃。能够满足大部分无
    人机应用场景需求。

    6.成本低。相比于激光测距产品,该产品采用红外发射器,能够大大降低产品成
    本。

    7.所述产品感应面积小,产品能够实现3°发射信号指向角。在15米处能够形成0.7
    米测量覆盖范围?;灸芄宦阈⌒臀奕嘶τ眯枨?。

    8.安全性高。相比于激光类测距传感器对人眼的危害,红外光电测距产品对人体
    无危害,完全能够适用于消费级无人机。

    9.所述产品体积小测量距离大,同测量距离条件下,体积只有超声波传感器的
    50%。对无人机小体积应用非常适用,并且能够有效降低无人机自身重量。

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