CN106405565A - 一种无人机避障／定高系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种无人机避障/定高系统，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。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别涉及一种无人机避障/定高系统。
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。可以应用领域有手机用户应用、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
本发明提供一种无人机避障/定高系统，以解决现有采用TOF测距时，测量距离不远，以及无人机定高不准确的问题。
一种无人机避障/定高系统，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°。
本发明采用一种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显示，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。
系统电路的电源模块将5V输入电压稳压至3.3V，为主控和测距模块提供电源。TOF测距模块使用Intersil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。主控模块用于控制TOF测距模块进行距离测试，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模块程序。接口电路用于连接外部电源，并提供浪涌保护。
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。基本能够满足小型无人机应用需求。
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。
Claims (3)
1.一种无人机避障/定高系统，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所述的无人机避障/定高系统，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。
3.如权利要求1所述的无人机避障/定高系统，其特征在于，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°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170215 |