一种光斑检测模块及基于光斑检测的激光定位系统

摘要

本发明公开了一种光斑检测模块及基于光斑检测的激光定位系统，属于动态目标激光定位领域。所述光斑检测模块以太阳能硅光电池为基本感光元件，根据输出的开路电压的变化，判断是否有激光照射。所述激光定位系统包括光斑检测板、自适应光斑检测模块、激光测距仪和定位模块。光斑检测板为一个光斑检测模块，或多个光斑检测模块拼接而成。自适应光斑检测模块利用经试验设计好的阈值表对光斑进行检测。定位模块根据测距和光斑位置对运动车辆(工业机器人)姿态进行控制。本发明的光斑检测模块实现在不同环境下的光斑检测，具有较强的鲁棒性，激光定位系统定位精度较高，可用于较大型车辆的中等精度定位，适用于目的地空间狭小、要求低成本的场合。

说明书

技术领域

本发明属于动态目标激光定位领域，涉及光斑检测模块，以及基于光斑检测的激光定位系统。

背景技术

激光定位技术在工业控制、位置变化检测、武器制导与跟踪等领域具有广泛的应用。现有的激光定位技术普遍存在成本高的问题，很难满足低成本场合的要求。如图1所示的情况，运动车辆(工业机器人)需要停靠在目的地，但由于应用场合的限制，目的地空间狭小，所以需要较高的定位精度，100mm左右。采用激光扫描定位系统，虽然能很好的满足精度要求，但是该系统的成本比运动车辆本身还高，很难大范围推广。

光斑检测是非扫描式激光定位的基础技术。目前常用的光斑检测器件有PSD(Position Sensitive Detector)位置敏感器、CCD相机等。其中PSD属于半导体器件，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点。但其敏感面积极小，主要应用于高精密仪器。CCD相机也属于半导体器件，同PSD一样，虽然定位精度很高，仍然受到敏感面积的限制，无法适用于图1所示的场合。

发明内容

针对现有光斑检测器件成本高、受到敏感面积的限制，不能适用于目的地空间狭小、要求低成本场合的问题，本发明提供了一种新颖的光斑检测模块以及基于光斑检测的激光定位系统。

本发明首先提供了一种新颖的光斑检测模块，包括衬板、硅光电池片阵列和隔板。所述的硅光电池片阵列中的每个硅光电池片的尺寸相同。所述的隔板用于隔离各硅光电池片。所述的衬板用于封装硅光电池片和信号采集。不同的光照强度照射在硅光电池片阵列上，所述的衬板将输出不同的开路电压，根据输出的开路电压的变化，判断是否有激光照射。

硅光电池片阵列中每个硅光电池片的尺寸，依据期望检测精度确定。优选地，硅光电池片为不大于10mm×10mm的矩形。

所述的光斑检测模块根据实际需要进行拼接，形成光斑检测板，扩大光斑的检测范围。

基于上述光斑检测模块，本发明还提供了一种基于光斑检测的激光定位系统，包括光斑检测板、自适应光斑检测模块、激光测距仪和定位模块。在运动车辆左右两侧各安装一块具有相同结构的光斑检测板，在目的地两侧各设置一个激光测距仪。

所述的光斑检测板为一个光斑检测模块，或者两个以上光斑检测模块拼接而成。所述的自适应光斑检测模块利用经试验设计好的阈值表对光斑进行检测。所述的阈值表记录在不同等级的自然光条件下，不同类型的硅光电池片被激光照射后的开路电压的增量。所述的激光测距仪用于测距和发射激光束。所述的定位模块根据激光测距仪测量的距离和光斑检测板上检测的光斑位置，调整运动车辆相对目的地的位置。测量的距离的变化反映运动车辆的运动方向，光斑位置的变化反映运动车辆相对目的地的位置。所述的定位模块根据测量距离对运动车辆的偏航角进行控制，根据光斑位置的变化对运动车辆的偏航方向进行调整。

所述的定位模块根据光斑位置变化对运动车辆的姿态进行调整，若检测到左右两光斑位置不变或者移动方向不一致，则车体正对目的地移动，若检测到左右两光斑位置朝同一个方向移动，则调整车体行进方向。所述的定位模块通过测激光测距仪测量的距离

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明提供的光斑检测模块，以太阳能硅光电池为基本感光元件，对其通过一定的封装技术和软件控制方法，实现在不同环境下的光斑检测，进而完成大型移动目标的精确定位，具有较强的鲁棒性，还可以独立用于其它感光场合，仅用做光敏传感器；

(2)本发明提供了一种简单易行、成本低廉的裸片制作方法，在能保证定位精度的前提下，弥补现有光斑检测器件成本高的不足，具有较高的经济价值。

(3)本发明的光斑检测模块可以根据实际需要进行不同情况的拼接，形成光斑检测板，扩大光斑的检测范围，克服了PSD、CCD相机等设备的缺点。

(4)本发明提供的激光定位系统，采用一种基于查表的自适应检测方法，在大量实验的基础上，将硅光电池片进行分类，为每一类电池建立不同自然光条件下的输出特性表，通过查表快速进行光斑位置检测。

(5)本发明提供的激光定位系统，根据光斑检测位置和测量的距离，实现对运动车辆的运行姿态调整，所用的光斑检测板由光斑检测模块拼接而成，扩大了激光接收面积，可用于较大型车辆(工业机器人)的中等精度定位，适用于目的地空间狭小、要求低成本的场合。

附图说明

图1是本发明的激光定位系统的应用场合示意图；

图2是本发明所采用的光斑检测模块示意图；

图3是本发明的裸片制作流程图；

图4是本发明实施例中设计的隔板尺寸图；

图5是本发明的光斑检测模块的衬板与信息采集功能电路板的连接示意图；

图6是本发明实施例拼接光斑检测模块的金属框架的示意图；

图7是本发明的光斑检测流程图；

图8是本发明的激光定位原理示意图；

图9是本发明的运动车辆和目的地的相对位置关系示意图；

图10是本发明的运动车辆和目的地的相对位置解算的简化模型示意图；

图11是本发明激光测距仪的安装位置不对称的示意图；

图12是本发明通过测距进行偏航角解算的原理图；

图13是本发明求解安装误差角的原理图；

图14是本发明通过光斑变化判断偏航角的方向原理图；

图15是本发明进行定位的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的技术方案。

本发明首先提供了一种新颖的光斑检测模块，然后基于该光斑检测模块提供了一种基于光斑检测的激光定位系统。

本发明的光斑检测模块以硅光电池片作为基本的感光元件，不同的光照强度输出不同的开路电压，根据开路电压的变化，判断是否有激光照射。如图2所示，所述的光斑检测模块包括衬板、硅光电池阵列和隔板。衬板为电路板，用于封装硅光电池片和信号的采集。衬板上设置有与其他电路进行连接的电气接口，输出对光斑信号的检测与采集。硅光电池阵列中，每个硅光电池片的尺寸相同，硅光电池片阵列中每个硅光电池片的尺寸，依据期望检测精度确定。本发明实施例中切割的每个硅光电池片的尺寸为10mm×10mm，硅光电池阵列为8×8阵列。硅光电池片使用正方形100mm²面积时可实现1cm的光斑定位精度。隔板用于将各硅光电池片隔离，以防止因散射等原因造成的入射光线误检测。

工业上，小尺寸的硅光电池片称之为裸片，市场上裸片价格较高，不满足低成本要求。本发明提供了一种简单易行、成本低廉的裸片制作方法，通过将低成本的大面积硅光电池进行切割制作而成，流程图如图3所示：首先挑选大尺寸的硅光电池片，此处挑选的硅光电池片是大于阵列中每个小硅光电池片尺寸的电池片；然后根据实际需要将其进行切割，获取符合硅光电池片阵列中的规格尺寸的硅光电池片，本发明实施例切割尺寸为10mm×10mm；之后将切割好的小硅光电池片用焊带焊接，从而引出正负极，得到裸片；最后在设定的一定光照强度下测量成型的裸片，将不符合输出要求的裸片筛选掉。在筛选得到符合要求的裸片后，进行硅光电池片阵列的封装。本发明实施例中将裸片排成8×8阵列，实现方法如下所述。

首先设计衬板，衬板上有裸片的焊接孔，裸片间距2.5mm，衬板尺寸为100mm×100mm；将裸片焊接好以后粘贴隔板，如图2所示，黑色格子架即为隔板，本发明实施例对应的隔板尺寸如图4所示，厚度为10mm，可以起到隔光、遮光的作用。本发明实施例中，每个硅光电池片与相邻的隔板之间间距为0.5mm。最后将隔板、硅光电池片阵列用树脂进行灌胶、封胶处理。

封装好的电池衬板需要与信息采集电路板连接，用于采集64个硅光电池片的开路电压信号。如图5所示，信息采集板与衬板之间用插针连接，可以起到电气连接与机械固定的双重作用。本发明实施例中，采用两个1.27mm的双排插针进行连接，插针大小为2×17，其中包含2个地线、32个信号线。整板共包含4个地线和64个信号线。

为了扩大光斑检测的敏感面积，克服PSD、CCD相机等设备的缺点，可以将光斑检测模块进行任意拼接，形成适合实际需要的光斑检测板。本发明实施例中，将16个光斑检测模块以4×4阵列固定在一个金属框架上，金属框架尺寸如图6所示。金属框架上面开有一些固定孔用于固定光斑检测模块，另外还有一些备用的过孔用于固定金属框架本身和一些指示灯的显示，可根据实际需要进行取舍处理。图6中数据的单位均为mm。

本发明提供的基于光斑检测的激光定位系统，包括光斑检测板、自适应光斑检测模块、激光测距仪和定位模块。光斑检测板是一个光斑检测模块，或者用多个光斑检测模块拼接而成。

裁剪出来的硅光电池片虽然成本低，但是开路电压的输出特性不一致，而且硅光电池片本身的输出特性的线性度也很差。所以同一自然光条件下，不同的硅光电池片输出不一致，不同自然光条件下，同一硅光电池片的输出也存在非线性。

设在一定的自然光条件P_i下，硅光电池片N_k的开路电压为V_k,i，当有激光照射时，开路电压的增量为ΔV_k,i，理论上这些量之间有一定的函数关系：ΔV_k,i＝f(P_i,N_k)，但是建模极为复杂。本发明提供了一种基于查表的自适应检测方法。在大量试验的基础上，将硅光电池片进行分类，为每一类电池片建立代表不同自然光条件下的输出特性的阈值表。此处的i、k均为正整数。

首先对硅光电池片进行分类。在相同自然光条件P下，输出电压最高，记为V_max的硅光电池片，光电转化效率较高，对光照变化更为敏感，以V_max为参考划分取值区间，将所有的硅光电池片进行分类。本发明实施例中将硅光电池片分为4类，其中在任何光照条件都没有输出的硅光电池片为坏点，记为A类；开路电压符合区间(0.1V_max，0.5V_max]的硅光电池片记为B类；开路电压符合区间(0.5V_max，0.75V_max]的硅光电池片记为C类；开路电压符合区间(0.75V_max，V_max]的硅光电池片记为D类。在不同等级的自然光条件下，依照分类方法获取对应的电池片分类。

然后建立阈值表。所谓阈值表，就是在不同等级的自然光条件P_i下，被激光照射的硅光电池片开路电压的增量ΔV_k,i构成的映射表。相同类别的硅光电池片的输出特性相似，可以建立相同的阈值表。本发明实施例中，以硅光电池片中的最高输出电压V_max作为衡量当前光照等级的标尺。按照V_max的值，将自然光强度分为不同的等级，每一个等级下，不同类别的硅光电池对应不同的ΔV_k,i。

本发明的自适应光斑检测模块利用经试验设计好的阈值表对光斑进行检测。所述的阈值表记录在不同等级的自然光条件P_i下，不同类型的硅光电池片被激光照射后的开路电压的增量ΔV_k,i。此处的P_i表示第i个等级的自然光条件，ΔV_k,i表示在自然光条件P_i下第k个类型的硅光电池片被激光照射后的开路电压的增量，i、k均为正整数。

自适应光斑检测模块具体进行光斑检测的流程如图7所示，系统在初始化时，将经试验设计好的阈值表写入单片机的Flash内；进行自然光采集，在光斑检测前，获取对应等级的自然光条件下各硅光电池片的分类，设共有Y个硅光电池片；在每一个采样周期内，计算各个硅光电池片开路电压的变化值，并对照阈值表进行查询，筛选变化量高于阈值的硅光电池片，此处的阈值就是阈值表中记载的对应增量ΔV_k,i。如果没有变化量高于阈值的硅光电池片，则说明无激光照射，进行数据更新后进入下一个采样周期。如果筛选到变化量高于阈值的硅光电池片，判断这些硅光电池片的个数是否大于Y的45％，如果是，说明光照环境发生了变化，此时在新的环境下对硅光电池片进行重新分组；当这些硅光电池片的个数较少，个数没有大于Y的45％时，进行光斑位置判断，具体是对这些硅光电池片进行相邻性判断，相邻硅光电池片即为被激光照射到的位置，从而将激光照射的光斑检测出来。

本发明使用激光测距仪作为激光发射器，一方面可以产生光斑，另一方面可以测距，能够更加准确地确定运动车辆的相对位置。

所述的定位模块根据激光测距仪测量的距离和光斑检测板上检测的光斑位置，调整运动车辆相对目的地的位置。测量的距离的变化反映运动车辆(工业机器人)的运动方向。如果运动车辆(工业机器人)朝正前方运动，则测距信息的变化量相同；如果运动车辆(工业机器人)向左偏转，则左侧检测板向前移动的方向小于右侧，进而使得测距信息的变化量有所不同。光斑位置的变化反映运动车辆(工业机器人)相对目的地的位置。如果两车正对，则激光束产生的光斑应该位于检测板的中心位置，如果两车存在偏差，则光斑相对中心位置也有一定的偏差。通过上述两方面的信息，可以较准确的计算出两车的相对位置，为控制系统提供定位信息。

如图8所示，本发明的激光定位原理是，在运动车辆左右两侧各安装一块具有相同结构的光斑检测板，在目的地两侧各设置一个激光测距仪。激光测距仪产生光斑，通过光斑检测板检测光斑，从而实现激光定位。

建立运动模型。如图9所示，运动车辆的车头相对目的地行驶，标记运动车辆的对称面为G₁，标记目的地的对称面为G₂，G₁与G₂重合时，运动车辆的行驶方向正对目的地。如图9所示，标记点O₁为运动车辆两侧设置的光斑检测板中心的连线的中点，标记点O₂为目的地两侧设置的激光测距仪中心的连线的中点。考虑到运动车辆相对路面的俯仰角对定位算法没有耦合关系，可将问题进一步简化为如图10所示的二维模型：线段A、B分别表示运动车辆与目的地，设S₁、S₂分别为线段A、B的中垂线。线段A、B正对时，两线段的中垂线S₁、S₂重合；线段A、B非正对时，标记ψ为中垂线S₂到中垂线S₁的夹角，称这个夹角为偏航角，设定向右偏为正，标记线段A的中点O₁相对线段B的中点O₂的偏移为δ，称δ为偏心距，设向左偏为正。

两激光测距仪的相对位置对解算有明显影响。如图11所示，左侧激光测距仪安装在目的地的底部，右侧激光测距仪的安装位置则与底部有一定的偏差，这将导致左右测距仪的测距基准不一致，使得左右的激光测距没有可比性。

如图12所示，进行偏航角的解算的原理图。两激光测距仪间距M，左激光测距仪相距左光斑检测板的真实距离为L₁，右激光测距仪相距右光斑检测板的真实距离为L₂，实际左激光测距仪探测到距离左光斑检测板的距离为L₁'，探测距离为L₁'、L₂'。定义角度Ψ为：

当L_1<L₂时，车辆龙门右偏，偏航角为正值，反之为负值。

而安装误差角ε₁与ε₂都很小，所以有L₁≈L'₁,L₂≈L'₂,得到：

其中，为偏航角Ψ的估计值。

对安装误差角ε的估计。本发明需要根据光斑的位置求解偏心距，而光斑的位置受激光测距仪安装误差角的影响较大，所以有必要对两个激光测距仪的误差角进行估计。应该明确，误差角在水平方向和铅垂方向都有分量，在偏航角已知的情况下，这个误差角是可以估计出来的。如图13所示：在偏航角为0的基础上，运动车辆的前进方向与激光束的理想方向平行，光斑在检测板上的位置变化是由激光测距仪的安装误差角引起的。如图13所示，设平行与地面的方向为y轴，与地面相垂直的方向为x轴。

设光斑的当前坐标为(q,t)，前一次的坐标为(p,s)，则坐标变化量Δx和Δy为：

Δx＝p–q,Δy＝s–t(3)

设前后两次测量中激光测距仪测量的变化值为ΔL，水平方向的安装误差角为ε_x，高度方向的安装误差角为ε_y，则由几何关系不难看出，安装误差角

对每侧的激光测距仪都可通过公式(3)～(5)来确定安装误差角。

对偏心距δ的估计。运动车辆朝目的地逼近的初期，精确的偏心距求解对于最终结果是没有什么重要意义的。只有在即将到达目的地的时候，才对偏心距的精度有较高的要求。所以在运动的初始阶段，只要保证激光能打在光斑检测板上对偏心距进行粗略估计即可。以左侧为例，偏航角为0，若当前光斑在光斑检测板上的横坐标为x，激光测距为L'，计算的水平安装误差角为ε_x，则左侧偏心距

δ_L＝x-L'sinε_x(6)

同理，可以获得右侧偏心距δ_R。取左右的平均值，从而计算出偏心距δ如下：

δ＝0.5(δ_L+δ_R)(7)

从上面的分析中可以看出，只要能找到偏航角为0的方向并对激光测距仪的安装误差角进行估计，即可对龙门进行准确定位。在图11所示的情况下，两激光器的测距信息没有可比性，偏航角信息不能直接获得。需要采用不同的方法对龙门的偏航角进行估计。

在前面的分析中知道，激光测距仪摆放好以后，已经保证了两激光束有了一定程度的平行度。在这种情况下，不同的偏航角将导致光斑位置发生不同的变化。所以可通过检测光斑的位置变化来判断是否存在偏航，判断规则如下：

车体沿当前姿态向前平移(无姿态角的变化)时，如果偏航角为0，则两光斑位置不变或者移动方向不一致，如果偏航角不为0，则两个光斑朝同一个方向有规律的移动。

如图14所示，当车体向前平移一段距离后，由于偏航角的存在，导致两个光斑的位置都向左偏移。由此可判断，车体存在向右的偏航角。反之，若两个光斑的位置都向右偏移，则存在向左的偏航角。根据上述现象，对运动车辆进行反复调整，使其偏航角逐渐趋于0。

如图14所示，两激光测距仪的安装基准不一致，二者的位置偏差为Δ，需要对此偏差量进行估计，从而实现对激光测距的补偿。

当偏航角为0时，两测距信息的差异由安装误差角和二者的位置偏差Δ造成，其中安装误差角可以忽略，所以有下式成立

Δ≈(L₂-L₁)|_Ψ＝0(8)

对Δ进行估计以后，可进一步计算安装误差角，求解偏航角和偏心距。

定位模块实现对运动车辆的控制，如图15所示：先通过光斑位置变化对车辆龙门的偏航方向进行调整，反复几次使偏航角接近0，之后对Δ进行估计，然后求解激光测距仪的安装误差角；在此基础上可将两激光测距的位置进行补偿，再按照上面方法对以后行进中的偏航角和偏心距进行估计，从而对车辆进行姿态控制。