阵列式空间感知红外激光传感模块及其检测方法

摘要

本发明属于传感器模块技术领域，具体涉及阵列式空间感知红外激光传感模块及其检测方法，包括电路基板，所述电路基板上设置有依次电性连接的接口模块、电源处理模块、主控芯片和阵列式红外激光TOF传感器，所述主控芯片电性连接有温度检测模块，所温度检测模块设置于阵列式红外激光TOF传感器的侧方。另外，还提供了应用该模块检测外界物体并输出相关数据的检测方法。本发明可提供性能稳定，检测准确且低成本的检测外界物体的传感器模块，适用于替代现有方案并有效降低该类传感器模块的硬件成本并提升性能，具有显著的实质性特点。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器模块技术领域，具体而言，涉及阵列式空间感知红外激光传感模块及其检测方法。

背景技术

随着智能化设备的日渐普及，社会对智能产品检测外界物体的需求越来越多。目前市面的检测外界物体的检测模块,大多是超声波雷达模块,或者使用深度相机,或者使用传统的红外激光雷达。

最传统的超声波雷达存在很多缺点，例如抗干扰能力弱、不稳定、容易产生误报信息。例如，现实中，人们的轿车上常采用超声波雷达作为倒车辅助装置，但是，比如当轿车挨近未熄火的大货车身侧时，超声波雷达就会常有误报信息。此为超声波雷达的抗干扰能力弱的表现。所以，超声波雷达作为周围障碍物检测设备，是不大适用的(现实中常有40KHZ的声波噪声源)。但是，因为超声波雷达的成本低廉和通讯接口简单，依然还有不少的应用场景上安装有超声波雷达作为检测外界物体的设备。

深度相机在检测周围物体的稳定性和可靠性，比超声波雷达的要好很多，但是，它的最大缺点是使用成本太大。一个普通的超声波雷达模块的成本大概是100元，但是，一台深度相机的成本最低都是上千元起步。并且，深度相机的原始数据量是非常大，需要高性能的PC工控机来进行配套使用，并需要专门的算法人员进行算法研究才能使用，进一步拉高了深度相机的使用成本。

传统的红外激光雷达模块，在检测周围物体的稳定性和可靠性，比超声波雷达的要好很多(跟深度相机的性能差不多)，并且成本比深度相机便宜很多，但是，普通的红外激光TOF传感器模块只能检测很窄的视角范围，视场角(垂直/水平)都是20°以下，用在外界物体检测使用时存在天然的检测盲区。

例如，市面应用最普及的传统红外激光TOF雷达模块为日本夏普红外激光TOF传感器模块TOF10120，其标称的视场角度为24°，实测的视场角为标称的一半。

随着科技的发展，市面上的TOF传感芯片的结构和功能亦显著革新，目前市面上已出现了平面阵列式配置有多个SPAD接收器的TOF传感芯片，理论上利用该类芯片可实现广阔范围的空间感知，可替代超声波雷达和深度相机，具有设备成本低，性能稳定的优点。但是目前市面上并未提供驱动该类芯片稳定运行的电路方案，亦没有设计出利用该传感器进行物体识别的算法。

发明内容

为了解决目前市面上普通的红外激光TOF传感器模块只能检测很窄的视角范围，用在外界物体检测使用时存在天然的检测盲区，而超声波雷达抗干扰能力较差，深度相机成本高昂，而新型阵列式红外激光TOF传感器又缺乏配套的电路模块且未设计出配套的物体检测算法的问题，提供阵列式空间感知红外激光传感模块及其检测方法。

阵列式空间感知红外激光传感模块，包括电路基板，所述电路基板上设置有依次电性连接的接口模块、电源处理模块、主控芯片和阵列式红外激光TOF传感器，所述主控芯片电性连接有温度检测模块，所温度检测模块设置于阵列式红外激光TOF传感器的侧方。

进一步地，所述阵列式红外激光TOF传感器其型号为VL53L5CX。

进一步地，所述主控芯片为STM32单片机。

阵列式空间感知红外激光传感模块的检测方法，包括以下步骤：

对阵列式红外激光TOF传感器上的所有接收器进行编号；

获取所有接收器上的数据得出检测距离数据组和信号强度数据组；

通过温度检测模块获取环境温度数值；

利用环境温度数值对检测距离数据组和信号强度数据组的数值进行校正，获得校正距离数据组和校正强度数据组；

基于校正强度数据组对校正距离数据组进行筛选，获得筛选距离数据组；

基于筛选距离数据组获得物体数据组；

基于物体数据组输出相对距离数值、投影面积数值、相对方位数值组。

进一步地，所述检测距离数据组的数值校正方法包括以下步骤：

选定一标准温度值，并固定一参照物，记录对应的标准距离数值；

以固定间距记录多组温度差值和检测距离漂移值数据组；

基于多组温度差值和检测距离漂移值数据组获得距离偏移系数；

将距离偏移系数与环境温度数值与标准温度值之差相乘后与检测距离数据组中的数据逐一相加获得校正距离数据组。

进一步地，所述信号强度数据组的数值校正方法包括以下步骤：

在标准温度值下，确定标准强度数值；

以固定间距记录多组温度差值和检测强度漂移值数据组；

基于多组温度差值和检测距离漂移值数据组获得强度偏移系数；

将强度偏移系数与环境温度数值与标准温度值之差相乘后与信号强度数据组中的数据逐一相加获得校正强度数据组。

进一步地，所述筛选距离数据组的数值筛选方法包括以下步骤：

根据需要检测的外界物体的信号强度数值范围为判定条件筛选出符合要求的接收器；

将所有符合要求的接收器对应的校正距离数据汇总得到筛选距离数据组。

进一步地，所述物体距离数据组的获得方法包括以下步骤：

找到筛选距离数据组中的最小值；

将筛选距离数据组中的最小值和其对应的接收器周边与该最小值相近的距离数值汇总得到物体距离数据组，物体距离数据组中的数据可视为是同一个物体的检测数据。

进一步地，所述相对距离数值、投影面积数值、相对方位数值组的输出方法包括以下步骤：

确认每个接收器之间的水平夹角数值和垂直夹角数值；

筛选距离数据组中的最小值作为相对距离数值并输出；

基于筛选距离数据组、水平夹角数值和垂直夹角数值代入三角函数得出每列接收器的竖直投影数值之和、每行接收器的水平投影数值之和，取竖直投影数值和水平投影数值的最大值相乘，得出投影面积数值并输出；

遍历竖直投影数值的最大值对应的接收器竖列，如接收器数量为单数，取中央接收器的校正距离数据作为列数值，如接收器数量为双数，取中央两个接收器的校正距离数据的平均值作为列数值，基于列数值代入三角函数得出X轴坐标值和Y轴坐标值；

遍历水平投影数值的最大值对应的接收器横行，如接收器数量为单数，取中央接收器的校正距离数据作为行数值，如接收器数量为双数，取中央两个接收器的校正距离数据的平均值作为行数值，基于行数值代入三角函数得出Z轴坐标值；

整合X轴坐标值、Y轴坐标值和Z轴坐标值得出相对方位数值组并输出。

进一步地，还包括取物体距离数据组在筛选距离数据组中的绝对补集，重复获得其他物体的物体距离数据组，直到所有物体距离数据组的并集在筛选距离数据组中的绝对补集为空集。

本发明的优点在于：

1、硬件成本低，体积小。

2、视角范围较大，数值准确度高，检测性能受环境的影响较小。

3、整合度高，可直接输出检测数据，不占用外部算力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为阵列式空间感知红外激光传感模块的电路原理图；

图2为温度检测模块的电路结构图；

图3为阵列式红外激光TOF传感器的接收器布局图；

图4为水平方向上阵列式红外激光TOF传感器中接收器的夹角示意图；

图5为垂直方向上阵列式红外激光TOF传感器中接收器的夹角示意图；

图6为某个接收器的校正距离数据在水平面上的投影距离数据的夹角关系图；

图7为某个接收器的校正距离数据在垂直面上的投影距离数据的夹角关系图；

图8为外界物体在阵列式红外激光TOF传感器上的投影面积示例图；

图9为某个外界物体在阵列式红外激光TOF传感器上的反馈数据分布图；

图10为P0的接收器的水平投影距离数据与X轴坐标和Y轴坐标的夹角关系图；

图11为P1的接收器的垂直投影距离数据与X轴坐标和Z轴坐标的夹角关系图；

图12为温度与电阻R7的曲线关系图；

图13为实时环境温度与实时电压的曲线关系图；

图14为阵列式红外激光TOF传感器的反馈信号强度数值与温度的曲线关系图。

附图标识：

1、阵列式红外激光TOF传感器；2、主控芯片；3、电源处理模块；4、接口模块；5、温度检测模块；6、电路基板。

具体实施方式

为了解决目前市面上普通的红外激光TOF传感器模块只能检测很窄的视角范围，用在外界物体检测使用时存在天然的检测盲区，而超声波雷达抗干扰能力较差，深度相机成本高昂，而新型阵列式红外激光TOF传感器又缺乏配套的电路模块且未设计出配套的物体检测算法的问题，提供阵列式空间感知红外激光传感模块及其检测方法。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“中”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，本实施例提供阵列式空间感知红外激光传感模块，包括电路基板6，所述电路基板6上设置有依次电性连接的接口模块4、电源处理模块3、主控芯片2和阵列式红外激光TOF传感器1，所述主控芯片2为STM32单片机，所述阵列式红外激光TOF传感器1其型号为VL53L5CX。所述主控芯片2电性连接有温度检测模块5，所温度检测模块5设置于阵列式红外激光TOF传感器1的侧方。

以阵列式红外激光TOF传感器1的型号为VL53L5CX为例，其包含64组接收器(SPAD)，接收器的具体分布结构如图3所示。

如图4所示，VL53L5CX内部的SPAD接收器在水平方向上的检测角度范围皆为8°。在八个SPAD接收器排列后，在水平方向上的整体检测范围为60°。并且光感器在水平方向上的检测角度呈等比例的扇形分布。

如图5所示，VL53L5CX内部的SPAD接收器在垂直方向上的检测角度范围皆为5°。在八个排列后，在水平方向上的整体检测范围为40°。并且SPAD接收器在垂直方向上的检测角度呈等比例的扇形分布。

本阵列式空间感知红外激光传感模块的软件算法其数据整合和校正的实现原理如下：

1)模块内置专门用于整合和校正处理的主控芯片2；

2)采集实时温度。

主控芯片2通过采集电压的变化(NTC电阻根据温度的变化而阻值发生变化而引起的)，来判断当前模块所处的实时温度。图2中，R7为阻值10K的NTC电阻，R8为高精度、低温漂的10K贴片电阻。

经过大量的数据测试后，得出不同温度下的NTC电阻(R7)阻值和分压电阻(R8)阻值和采集电压，如表1所示：

表1.不同温度下的NTC电阻阻值和分压电阻阻值和采集电压数值表

根据表1可得出如图12所示的曲线图。

公式(1)：V

根据电学公式(1)推导，采集点的实时电压V＝3.3V*(R8/(R7+R8))。

模块内置的主控芯片2，根据采集到实时电压，得知当前的实时环境温度，并得出如图13所示的实时环境温度与实时电压的曲线关系图。

3)模块内置的红外激光传感芯片(VL53L5CX)，会输出64组接收器(SPAD)的检测距离和信号强度的温漂规律。

经过测试后，发现温度变化会影响接收器(SPAD)的检测距离的关系为每增加1摄氏度,偏移数值β增加0.1mm；每降低1摄氏度,偏移数值β减少0.1mm。具体公式如下：

公式(2)：β＝ΔT*0.1

(注明：β为反馈距离的温漂数值；ΔT为温度变化数值)

不同的温度下(零下10摄氏度、25摄氏度、45摄氏度)检测距离不变的同一个物体，接收器(SPAD)的检测距离出现了有不同的偏差波动，如表2所示：

表2.红外激光传感器在各个温度段的漂移数值

接收器(SPAD)的反馈信号强度与温度变化关系为每增加1摄氏度,偏移数值α增加0.5714％；每降低1摄氏度,偏移数值α减少0.5714％。

接收器(SPAD)的反馈信号强度与温度变化关系公式：

公式(3)：α＝ΔT*0.5714％

(注明：α为反馈信号强度的温漂数值；ΔT为温度变化数值)

不同的温度下(零下10摄氏度、25摄氏度、45摄氏度)检测距离不变的同一个物体，接收器(SPAD)的检测信号强度出现了有不同的偏差波动,可得出如图14所示的阵列式红外激光TOF传感器的反馈信号强度数值与温度的曲线关系图。

不同物体之间的反馈信号强度各有不同，例如人体或玻璃或水。默认设置为检测玻璃以上级别的物体，设置的反馈信号强度数值为5。

4)对红外激光传感器的检测距离和信号强度数据进行校正。

单片机计算出当前的环境实时温度后，根据表2，对红外激光传感器反馈的检测距离进行数据校正。校正公式为如下：

公式(4)：D

(注明：Din为传感器检测出的距离数值；Dout为传感器检测出的距离数值经过校正后的实际数值)

根据表5，对红外激光传感器反馈的强度信号进行数据校正。校正公式为如下：

公式(5)：θ

(注明：θin为传感器的反馈强度数值；θout为传感器的反馈强度数值经过校正后的数值)5)某在完成校正后，可利用Dout和θout进行处理并得出检测结果。

首先，需要明确如下原理：

如图6所示，某个SPAD接收器的感应线束(水平角度Ψ，垂直角度ε)在水平面上的投影距离为D

根据空间几何公式，推算：

公式(6)：D

如图7所示，某个SPAD接收器(水平角度Ψ，垂直角度ε)在垂直面上的投影距离为D

根据空间几何公式，推算出：

公式(7)：D

6)算法的具体计算方法：

步骤一：CPU以10HZ的频率，遍历每一个SPAD接收器的实时信号数据。建立元素集合(list0)和元素集合(list1)。

步骤二：将所有的SPAD接收器的反馈信号强度(校正后的信号强度，θ

步骤三：抽取其中检测距离数值最小的SPAD接收器(标记为DIS)，将它的校正后的检测距离数值(Dout)，设定为

与元素集合(list1)中的SPAD接收器相邻位置的其他SPAD接收器，如果它们的反馈距离数值接近(差值<50CM，具体数值可调)，则被认为这些SPAD接收器同样照射在同一个外界物体上。遍历集合(list0)中的SPAD接收器，将它们都放置到元素集合(list1)中。

步骤四：在元素集合List1中，从行1的SPAD开始计算。

当前SPAD接收器的校正后的距离数值Do

根据平面几何原理，推导公式如下：

公式(8)：W

通过公式(8)，推算出当前SPAD检测到外界物的初步尺寸为W＝W

步骤五：遍历元素集合(lsit1)。在当前行中，每发现一个SPAD，并且挨着上一个SPAD(等于SPAD的检测红外激光照射在同一个外界物上)，则n自动加一。

公式(9)：Wq＝W

注明：n为同一时间该行扫描同一个外界物体的SPAD的水平个数.q为当前行数，从行1～行8

通过公式(9)，计算出该外界物体在水平方向上的该行的宽度尺寸Wq。

步骤六：检测元素集合(lsit1)的下一行中，是否有挨着的SPAD接收器(等于这些SPAD的检测红外激光都照射在同一个外界物上)。若有则，重复上面的步骤，计算下一行的W

步骤七：重复往下每一行的计算，直到每一行都遍历完毕。

步骤八：抽取W

步骤九：在元素集合(List1)中，从列1开始计算。

当前SPAD接收器的校正后的距离数值D

根据平面几何原理，推导公式如下：

公式(10)：H

通过公式(10)，推算出当前SPAD检测到外界物的初步尺寸为H＝H

步骤十：遍历元素集合(lsit1)。在当前列中，每发现一个SPAD，并且在位置上挨着上一个SPAD(等于这些SPAD的检测红外激光都照射在同一个外界物上)，则n自动加一。

公式(11)：H

注明：n为同一时间扫描到该外界物体的SPAD的垂直个数.v为当前列数，从列A～列G

通过公式(11)，计算出外界物体在垂直方向上的该行的宽度尺寸H

步骤十一：检测元素集合(lsit1)的下一列中，是否有挨着的SPAD接收器(等于这些SPAD的检测红外激光都照射在同一个外界物上)。若有则，重复上面的步骤，计算下一行的H

步骤十二：重复往下每一列的计算，直到每一列都遍历完毕。

步骤十上：抽取最大数值的那一列，并记录该列的列号(column)。将它的H

至此，如图8所示，已经得知该外界物体的大致宽度W和大致高度H，因此由面积公式S＝W*H可得出物体的大致投影面积数值。

步骤十四：遍历在元素集合(list1)。

如图9所示，根据空间几何原理和之前已经计算出的column列，选择出在column列中位置排列在最中间的SPAD接收器，标记为P0。

根据空间几何原理和之前已经计算出的line行，选择在line行中位置排列在最中间的SPAD接收器，标记为P1。

步骤十五：抽取P0的SPAD，将它的反馈距离数值(校验后的反馈距离，Dout)，通过公式(6)计算出该SPAD接收器的水平面投影距离D

步骤十六：如图10所示，P0的SPAD接收器的水平角度Ψ，根据空间几何原理，通过公式(12)和公式(13)，计算出当前SPAD接收器所检测的外界物体的方位的距离X轴坐标值与水平Y轴坐标值。

公式(12)：X＝D

公式(13)：Y＝D

步骤十七：

P0的SPAD接收器计算得出的数值(X和Y)，为

步骤十八：抽取P1的SPAD接收器的反馈距离数值(校验后的反馈距离，Dout),通过公式(7)计算出该SPAD接收器的垂直面投影距离D

步骤十九：如图11所示，P1的SPAD接收器的垂直角度Ψ，根据空间几何原理，通过公式(14)，计算出当前SPAD接收器所检测的外界物体的方位的垂直Z轴坐标值。

公式(14)：Z＝D

步骤二十：P1的那个SPAD接收器计算得出的数值(Z)，为

步骤二十一：清空元素集合(list 1)。将照射在之前外界物体上的SPAD接收器从元素集合(lsit0)中剔除。

步骤二十二：进行步骤三到步骤十八的重复计算，计算另外一个外界物体的距离和方位和面积数值。一直抽取到集合(list0)没有数据为止。实现对多个外界物体的距离和方位和面积的检测。

步骤二十三：主控制器将校正后的数据进行融合分析后，已经计算出检测到的N个外界物的方位(X、Y、Z)数值和面积(W,H)数值。

对它们进行融合，然后统一往外界的输出数据，包括N个外界物的相对距离数值(Do

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。