测距传感器主流之激光测距传感器工作原理

测距传感器主流之激光测距传感器工作原理

激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲.经目标反射后激光向各方向散射.部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上.雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号.记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离．激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快.

激光测距传感器与超声波测距传感器之性能对比

激光测距传感器原理及应用

一、激光距离传感器的发展

激光在检测领域中的应用十分广泛,技术含量十分丰富,对社会生产和生活的影响也十分明显.激光测距是激光最早的应用之一.这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点．1９６5年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（3844０1km)误差只有250ｍ.１969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有１５cm.

利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离.即: .

激光测距虽然原理简单、结构简单,但以前主要用于军事和科学研究方面,在工业自动化方面却很少见.因为激光测距传感器售价太高,一般在几千美元．实际上,所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器.因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制,如今的激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难．

二、工作原理

激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲.经目标反射后激光向各方向散射.部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上.雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号．记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离.激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快.

例如,光速约为3１０8m/s,要想使分辨率达到1mm,则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间:

0.001ｍ(3108ｍ／s）＝3ps

要分辨出3ｐs的时间，这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高.但是如今廉价的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mｍ的分辨率,并且能保证响应速度．

三、解决其它技术无法解决的问题

激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合.例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务.但是,当目标距离较远内或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了.

虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差.此外,三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内．

超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响.但是，超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合.

①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合．因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内.

②需要光束直径很小的场合．因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0．7６cｍ.

③需要可见光斑进行位置校准的场合.

④多风的场合．

⑤真空场合.

⑥温度梯度较大的场合.因为这种情况下会造成声速的变化．

⑦需要快速响应的场合.

而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测．

四、在自动化领域的广泛用途

如今,自动检测和控制的方法中,除了超声波传感器和普通光电传感器外，又增加了一个能解决长距离测量和检验的新方法-激光距离传感器．它为各种不同场合提供了应用的灵活性,这些场合可包括如下:

①设备定位．

②测量料包的料位.

③测量传送带上的物体距离和物体高度.

④测量原木直径.

⑤保护高架起重机免于碰撞.

⑥无误差检查场合.

五、几个应用实例

1、测量传送带上箱子的宽度

使用两个激光传感器,在传送带的两侧面对面安装.因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的,这样,每个传感器都测量出自己与箱子的距离，设一个距离为Ｌ1，另一个为L2.此信息送给ＰLC,ＰLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2,从而可计算出箱子的宽度W.

2、保护液压成型冲模

机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中,操作者必须保证每次放的位置准确．在上部冲模落下之前,一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离，这样可保证冲模闭合前处于正确位置.

3、二轴起重机定位

用两个反射型传感器面对反射器安装,反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上．一个单元前后运动,另一个左右运动.当起重机驱动板架辊时,两个传感器监测各自到反射器的距离，通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置．有了这种新式廉价激光测距传感器,反射性或多颜色的目标长距离位置检测即使在检测角度变化的情况下也没问题了

基于DＳP的多超声测距传感器数据采集处理系统

移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行,必须具备自动导航和避障功能．在移动机器人的导航系统中,传感器起着举足轻重的作用.视觉、激光、红外、超声传感器[1］等都在实际系统中得到了广泛的应用．其中,超声波传感器

以其信息处理简单、速度快和价格低,被广泛用作移动机器人的测距传感器,以实现避障、定位、环境建模和导航等功能.

传统的轮式移动机器人超声数据采集系统大多采用单片机作为微处理器,以此来测量移动机器人到障碍物的距离，并将距离通过串口传输到上位机.采用这种设计,系统制作简单、成本低.但是,对于多超声传感器测距系统,如果仍采用单片机来完成测距任务,由于系统中超声传感器数量较多,为保证系统的实时性,就需要多个单片机才能完成数据采集，这使得采集系统不可避免地存在设计复杂和一些算法难以实现等缺陷.随着微电子工艺的发展,数字信号处理器（DSP)的应用领域已从通信行业拓展到工业控制领域.ＴＩ公司推出的ＴMＳ3２0ＬＦ２

407A是专门针对控制领域应用的ＤSP,它具有高速信号处理和数字控制功能所

必需的体系结构，其指令执行速度高达40MＩPＳ，且大部分的指令都可以在一个25ｎs的单周期内执行完毕.另外,它还具有非常强大的片内Ｉ／0端口和其它外围设备,可以简化外围电路设计,降低系统成本.正是基于这种思想，中国科学院自动化研究所在国家"86３＂计划的支持下，利用多DSP和嵌入式PCI04自行设计和研制了轮式移动机器人CASIA－I.本文着重介绍其超声数据采集系统，同时对通过CAN总线完成的超声数据与上位机通讯的原理和设计过程进行分析说明,并给出实验结果.

1超声测距原理

超声测距的原理较简单,一般采用渡越时间法,即：

D＝cｔ/2 (1)

其中Ｄ为移动机器人与被测障碍物之间的距离,ｃ为声波在介质中的传输速率.声波在空气中传输速率为:

其中,T为绝对温度,c．=331．4ｍ/ｓ.在不要求测距精度很高的情况下,一般可以认为c为常数.渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔ｔ，即"渡越时间"，然后根据式(1)计算距离．

2系统硬件设计

在距地面高度为45ｃm、相隔为22.5°的同一环上均匀分布着16个Polaroｉd生产的超声传感器,其编号为１#～16#(逆时针安排），超声传感器波束角为30°,超声传感器的最小作用距离为0．4５ｍ.超声数据采集板主要有两大模块:一是16路超声传感器的超声波发射和回波的接收模块，二是与上位机(机器人中央控制器)的CAN总线通讯模块.其硬件结构见图１.