一种激光测距传感器系统的制作方法

本申请涉及测距传感器技术领域，具体是一种激光测距传感器系统。

背景技术：

激光测距传感器是通过激光发射器发出激光，激光经由被测物反射，由激光接收器检测，通过计算激光发出时与检测到的时间差来确定距离。激光接收器、激光发射器在测距过程中，外界环境及控制部分的不同会导致接收到的激光受到影响，从而降低激光测距传感器的检测精度。

现有技术中采用了温度补偿的方式对检测过程中受到的环境影响进行补偿消除，但是，无法消除器件不同、驱动方式不同等由于硬件因素造成的对传感器检测过程的影响，导致无法保证激光接收器、激光发射器在工作时能够完全消除硬件因素及环境因素产生的非线性误差，从而无法确保激光测距传感器的检测精度。因此，亟需一种激光测距传感器系统来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述技术问题，提供一种激光测距传感器系统，能够自适应消除干扰，提高检测精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光测距传感器系统，包括主控mcu、补偿控制模块、激光模块、信号控制模块、数据处理模块、以及为系统供电的电源模块；

所述补偿控制模块与所述主控mcu相连，用于检测环境参数并根据预设补偿参数调节所述主控mcu的输出信号；

所述激光模块包括激光发射单元、激光接收单元、光路调校单元，所述光路调校单元设置于所述激光发射单元的光路出射端、所述激光接收单元的光路入射端的前方，用于对所述激光发射单元发出的激光、所述激光接收单元接收的发射光线进行准直处理；

所述信号控制模块包括锁相单元、振荡单元、脉冲驱动单元，所述锁相单元与所述主控mcu、所述脉冲驱动单元相连，用于将驱动信号输出至所述脉冲驱动单元；所述锁相单元与所述振荡单元相连，用于同步时钟信号至所述主控mcu；所述脉冲驱动单元与所述激光发射单元相连，用于驱动所述激光发射单元发射激光；所述振荡单元与所述激光发射单元、所述激光接收单元相连；所述数据处理模块与所述激光接收单元、所述主控mcu相连，用于对接收到的信号进行数据处理。

基于上述结构，主控mcu的控制信号经信号控制模块对控制激光发射单元进行控制，通过锁相单元和振荡单元的设置，使激光测距传感器系统内各器件的时钟信号同步，确保同一时间内激光接收单元接收到的信号能量是最大的，从而确保后续模块在计算被测物至激光发射单元间距离时的准确度，并在补偿控制模块的补偿下，有效地提高激光测距传感器系统的检测精度。

优选地，所述补偿控制模块包括温度检测单元、湿度检测单元、数据比对单元、参数调节单元，所述温度检测单元、所述湿度检测单元均与所述主控mcu、所述数据比对单元相连，用于检测环境参数并所述数据比对单元中预设的环境参数相比对，以获取环境参数相对应的补偿电压值；所述参数调节单元分别与所述主控mcu、所述数据比对单元相连，用于获取补偿电压值并反馈至所述主控mcu进行电压补偿控制。

进一步地，通过温度检测单元、湿度检测单元、数据比对单元、参数调节单元构成的补偿控制模块，能够全面检测环境参数，并将检测结果反馈至系统中进行相应的参数调节，从而实现系统对非线性误差的补偿处理，提高本申请激光测距传感器系统的检测精度。

优选地，所述数据比对单元包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、存储器，所述第一比较器的输入端与所述温度检测单元的输出端、所述存储器相连，用于将温度检测单元的检测结果与所述存储器内预设的环境参数进行比对；所述第二比较器的输入端与所述湿度检测单元、所述存储器相连，用于将湿度检测单元的检测结果与所述存储器内预设的环境参数进行比对；所述第三比较器的输入端与所述第一比较器、所述第二比较器的输出端相连，用于将温度比较结果、湿度比较结果进行比较，并输出较大值；所述第三比较器的输出端与所述参数调节单元的输入端相连。

进一步地，通过第一比较器、第二比较器、第三比较器、存储器构成的数据比对单元，能够对环境参数检测结果与标准补偿值进行比对，从而筛选出需要补偿的线性误差对应的电压参数，使系统精准地对误差进行补偿，提高本申请激光测距传感器系统的检测精度。

优选地，所述参数调节单元为电压偏置电路，所述电压偏置电路的输入端与所述第三比较器的输出端相连，所述电压偏置电路的输出端与所述主控mcu相连。

优选地，所述主控mcu的脉冲宽度调制引脚与所述脉冲驱动单元连接，用于将脉冲宽度调制信号输出至所述脉冲驱动单元，以控制所述激光发射单元发射的激光强度。

基于上述补偿控制模块的结构设置，通过温度补偿和湿度补偿并行的补偿方式，对激光模块工作过程中受到的环境因素的影响进行补偿，从而确保后续测距计算过程的精度，提高激光测距传感器系统的检测精度。

优选地，所述补偿控制模块包括apd高压补偿单元，所述激光发射单元为阵列apd二极管，所述apd高压补偿单元分别与所述主控mcu、所述脉冲驱动单元相连，用于生成直流驱动高压、采集所述激光发射单元上的电压信息并反馈至所述主控mcu。

进一步地，通过环境因素补偿和硬件因素补偿同步设置的方式，确保本申请激光测距传感器系统能够消除激光模块受到的非线性误差，提高检测精度。

优选地，该种激光测距传感器系统还包括人机交互模块、通讯模块，所述人机交互模块包括显示单元、操控单元；所述显示单元通过所述通讯模块与所述主控mcu相连，用于显示传感器参数；所述操控单元通过所述通讯模块与所述主控mcu相连，用于远程下发控制指令。

基于上述人机交互模块的设置，实现本申请激光测距传感器系统的远程控制，在补偿控制模块设置的基础上，使本申请的激光模块等可以与人机交互模块分离安装，从而对较为恶劣的检测环境进行检测，提高本申请激光测距传感器的实用性。

优选地，所述数据处理模块包括依次连接的滤波单元、信号放大单元、ad转换单元，所述滤波单元的输入端与所述激光接收器的输出端相连，所述ad转换单元的输出端与所述主控mcu相连。

进一步地，通过滤波单元、信号放大单元、ad转换单元构成的数据处理模块，简化了本申请激光测距传感器系统的结构，从而有效地减小系统的体积，提高激光测距传感器系统的适用性。

优选地，所述振荡单元包括本振子单元、主振子单元，所述本振子单元与所述激光接收单元相连，用于将本振信号输出至所述激光接收单元；所述主振子单元与所述激光发射单元相连，用于将主振信号输出至所述激光发射单元。

通过上述振荡单元的设置，通过主振频率与本振频率混频，变成中低频信号，由于差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经两倍检测距离后的相位延迟，由于进入系统的中低频信号的频率比主振测量信号的频率降低了多倍，使得相位周期也扩展了多倍，使测相精度提高，有利于相位测量，从而达到激光测距的目的。

优选地，所述光路调校单元包括设置于所述激光发射单元处的发射准直镜、设置于所述激光接收单元处的接收准直镜，所述发射准直镜用于将所述激光发射单元发射的光路信号聚焦后出射，所述接收准直镜用于将反射后的光路信号聚焦后入射至所述激光接收单元。

进一步地，通过光路调校单元的设置，能够提高激光发射单元的发射光路、激光接收单元的接收光路的准直度，从而提高本申请激光测距传感器的检测精度。

综上所述，本申请的激光测距传感器能够确保消除环境因素及硬件因素带来的非线性误差，具有较高的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请实施例中激光传感器系统的结构框图；

图2为本申请实施例中激光模块的结构示意图；

图3为本申请实施例中脉冲驱动单元的电路原理图；

图4为本申请实施例中电源模块的电路原理图；

图5为本申请实施例中补偿控制模块的连接关系示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例：参考图1所示的一种激光测距传感器系统，包括主控mcu、补偿控制模块、激光模块、信号控制模块、数据处理模块、以及为系统供电的电源模块。主控mcu可以是现有技术中的任意一种激光测距传感器使用的微机芯片，例如stm32微处理器。

补偿控制模块与主控mcu相连，用于检测环境参数并根据预设补偿参数调节主控mcu的输出信号。

参考图2所示，激光模块包括激光发射单元、激光接收单元、光路调校单元。

激光发射单元为现有技术中的任意一种激光发射器，激光接收单元可以是现有技术中的任意一种，例如光敏二极管。

光路调校单元设置于激光发射单元的光路出射端、激光接收单元的光路入射端的前方，用于对激光发射单元发出的激光、激光接收单元接收的发射光线进行准直处理。

在本实施例中，光路调校单元包括设置于激光发射单元处的发射准直镜、设置于激光接收单元处的接收准直镜，发射准直镜用于将激光发射单元发射的光路信号聚焦后出射，接收准直镜用于将反射后的光路信号聚焦后入射至激光接收单元。发射准直镜、接收准直镜均以现有技术为基础，在本实施例中，发射准直镜和接收准直镜均通过相互贴合的准直镜、滤光片构成。这样设置的好处是通过光路调校单元的设置，能够提高激光发射单元的发射光路、激光接收单元的接收光路的准直度，从而提高本申请激光测距传感器的检测精度。

回看图1，信号控制模块包括锁相单元、振荡单元、脉冲驱动单元。

锁相单元与主控mcu、脉冲驱动单元相连，用于将驱动信号输出至脉冲驱动单元。锁相单元与振荡单元相连，用于同步时钟信号至主控mcu。锁相单元可以是现有技术中的任意一种锁相电路，例如pwm脉冲电路。

脉冲驱动单元与激光发射单元相连，用于驱动激光发射单元发射激光。脉冲驱动单元可以是现有技术中的任意一种脉冲驱动电路。

在本实施例中，参考图3所示，脉冲驱动单元包括脉冲源pulse、电源vcc、脉冲输出端out、第一二极管d3、第二二极管d4、第三二极管d5、第一电阻r5、第二电阻r6、第三电阻r7、第四电阻r8、第一电容c5、第二电容c6、第三电容c7、第三电容c7、第一三极管q1、第二三极管q2，脉冲输出端out并联于第三二极管d5两端，并与激光发射单元相连。

电源vcc与电源模块的输出端相连，电源vcc输出直流电流，且电源vcc的正极连接到第一三极管q1的发射极，电源vcc连接到第二电容c6的一端、第四电阻r8的一端以及接地端，第二电容c6的另外一端分别连接到第三电容c7的一端、第四电阻r8的另外一端、第二二极管d4的阳极以及第二三极管q2的基极、第二三极管q2的发射极连接到接地端，第三电容c7的另外一端分别连接到第二二极管d4的阴极、脉冲源pulse、第四电阻r8的一端以及第一二极管d3的阳极，第四电阻r8的另外一端分别连接到第一电容c5的一端、第二电阻r6的一端、第一二极管d3的阴极以及第一三极管q1的基极，第一电容c5的另外一端分别连接到第二电阻r6的另外一端、第一三极管q1的集电极、第二三极管q2的集电极以及第三电容c7的一端，第三电容c7的另外一端分别连接到脉冲输出端out和第三二极管d5的阳极，第三二极管d5的阴极连接到接地端。脉冲源pulse为占空比为50％的方波脉冲信号。

第一三极管q1为pnp三极管，第二三极管q2为npn三极管。当脉冲源pulse信号为正时，第一三极管q1关断，第二三极管q2导通，脉冲信号通过第一二极管d3加在第一三极管q1的基极，由于充电时间较快，第一三极管q1充电后马上关断。脉冲源pulse为负时，第二三极管q2先关断，第一三极管q1后导通。

上述脉冲驱动单元的工作原理是：

1、第一三极管q1与第二三极管q2交替导通，第一三极管q1导通时，电源vcc经过第一三极管q1，第三电容c7以及第三二极管d5，由此给第三电容c7充上左正右负的电压，后第一三极管q1关断，第二三极管q2导通，第三电容c7通过第二三极管q2，脉冲输出端out输出驱动信号驱动激光发射单元发光。第一二极管d3、第一电阻r5、第一电容c5、第二电阻r6为第一三极管q1的驱动电路，第二二极管d4、第三电阻r7、第二电容c6、第四电阻r8为第二三极管q2的驱动电路。第一电容c5、第二电容c6可以滤除干扰信号，第二电阻r6、第四电阻r8防止静电击穿。

2、当脉冲源pulse信号为正时，第一三极管q1关断，第二三极管q2导通，脉冲信号通过第一二极管d3加在第一三极管q1的基极，充电时间较快，第一三极管q1马上关断。脉冲源pulse信号经第三电阻r7加在第二三极管q2的基极，第二电容c6上的电压上升较慢，达到三极管的开启电压的时间较长。所以第一三极管q1先关断，第二三极管q2后开通，防止了第一三极管q1，第二三极管q2同时导通造成的电源直通。

3、脉冲源pulse为负时，第二三极管q2先关断，第一三极管q1后导通。这样设置的好处是，脉冲驱动单元结构简单，能耗低，回路中不需要任何的限流器件，降低了损耗，提高了可靠性。

作为本实施例的一种优选地实施方式，振荡单元与激光发射单元、激光接收单元相连。在本实施例中，振荡单元包括本振子单元、主振子单元。本振子单元与激光接收单元相连，用于将本振信号输出至激光接收单元。主振子单元与激光发射单元相连，用于将主振信号输出至激光发射单元。

数据处理模块与激光接收单元、主控mcu相连，用于对接收到的信号进行数据处理。

本振子单元为现有技术中的本振电路(lc振荡器)，用于输出本振频率。主振子单元为现有技术中的主振电路，用于输出主振频率。这样设置的好处是，通过主振频率与本振频率混频，变成中低频信号，由于差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，测量中低频信号的相位就等于测量主振信号经两倍检测距离后的相位延迟。由于进入测量系统的中低频信号的频率比主振测量信号的频率降低了许多倍，使得相位周期也扩展了许多倍，这就大大地提高了测相精度，有利于相位测量，从而达到激光测距的目的。

基于上述结构，主控mcu的控制信号经信号控制模块对控制激光发射单元进行控制，通过锁相单元和振荡单元的设置，使激光测距传感器系统内各器件的时钟信号同步，确保同一时间内激光接收单元接收到的信号能量是最大的，从而确保后续模块在计算被测物至激光发射单元间距离时准确度，并在补偿控制模块的补偿下，有效地提高激光测距传感器系统的检测精度。

电源模块可以是现有技术中的任意一种，在本实施例中，参考图4所示，电源模块可以是包括依次连接的逆极保护电路、反馈电路、浪涌电压吸收电路、供电电源电路，供电电源电路分别与主控mcu、补偿控制模块、激光模块电性连接进行供电。

在本实施例中，逆极保护电路包括与电源模块输入端串联的逆极保护二极管d1，浪涌电压吸收电路包括与逆极保护二极管d1连接并接地的压敏电阻r1，反馈电路包括与供电电源电路输出端并联的高精度反馈电阻rf1、rf2。

具体地，电源模块的主要特点有dc12v-dc24v宽电压输入，电压输入端串联有二极管d2，二极管d2实现电源输入极性逆接保护。与二极管d2并联且接地设置有压敏电阻r3，通过如此设置的压敏电阻r3构成输入浪涌电压吸收电路。反馈电路由设置在电路中的高精度反馈电阻rf1、rf2构成，当输出电压波动时，反馈给电源模块的芯片u1(需要说明的是，u1为本技术领域人员能够显而易见想到的电源电路的芯片)，进行自动增益调整，从而输出一个稳定的5vdc电压。通过带有反馈电路的电源模块的设置，实现供电电压的自动增益调整，为系统中各个模块的电路提供稳定可靠的工作电源，使得各模块在工作中不受外界波动干扰的影响，同时降低功耗，提高测量稳定性。

在本实施例中，逆极保护二极管d1的正极通过电感l1与外部输入电源连接，逆极保护二极管d1的正极与电感l1之间连接压敏电阻r1，逆极保护二极管d1的负极与芯片u1的vin引脚相连，并连接有接地的保护电容c1。芯片u1的boot引脚与电容c3串联后与ph引脚并联，电容c3与引脚ph的公共端分别与二极管d2的负极、电感l2相连，电感l2与高精度反馈电阻rf1相连，电压输出端设置于电感l2与高精度反馈电阻rf1之间。芯片u1的ss/tr引脚通过电容c2接地，芯片u1的rt/clk引脚通过电阻器r2接地，芯片u1的gnd引脚接地，芯片u1的comp引脚连接有互相并联的压敏电阻r3和分流电阻r4，分流电阻r4串联有电容c4，压敏电阻r3与电容c4的公共端与高精度反馈电阻rf2相连并接地。高精度反馈电阻rf1、高精度反馈电阻rf2首尾相连，且芯片u1的vsense连接与高精度反馈电阻rf1、高精度反馈电阻rf2之间。

在本实施例中，数据处理模块包括依次连接的滤波单元、信号放大单元、ad转换单元。滤波单元的输入端与激光接收器的输出端相连。ad转换单元的输出端与主控mcu相连。

滤波单元可以是现有技术中的滤波电路，信号放大单元可以是现有技术中的信号放大电路，ad转换单元可以是现有技术中的ad转换电路。信号经激光接收器接收后，依次经滤波单元进行滤波、信号放大单元进行信号放大、ad转换单元进行数模转换，最后将通过至主控mcu进行信号的输出控制。

作为本实施例的一种优选地实施方式，结合图1和图5所示，补偿控制模块包括温度检测单元、湿度检测单元、数据比对单元、参数调节单元。

温度检测单元、湿度检测单元均与主控mcu、数据比对单元相连，用于检测环境参数并数据比对单元中预设的环境参数相比对，以获取环境参数相对应的补偿电压值。

参数调节单元分别与主控mcu、数据比对单元相连，用于获取补偿电压值并反馈至主控mcu进行电压补偿控制。

温度检测单元可以是现有技术中的任意一种温度检测传感器，湿度检测单元可以是现有技术中的任意一种湿度检测传感器。

在本实施例中，数据比对单元包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、存储器。

第一比较器、第二比较器、第三比较器可以是现有技术中的任意一种比较电路。

第一比较器的输入端与温度检测单元的输出端、存储器相连，用于将温度检测单元的检测结果与存储器内预设的环境参数进行比对，并在第一比较器的输出端输出与温度检测值相对应的预设的电压补偿值。

第二比较器的输入端与湿度检测单元、存储器相连，用于将湿度检测单元的检测结果与存储器内预设的环境参数进行比对，并在第二比较器的输出端输出与湿度检测值相对应的预设的电压补偿值。

第三比较器的输入端与第一比较器、第二比较器的输出端相连，用于将温度比较结果、湿度比较结果进行比较，并输出较大值。第一比较器输出端、第二比较器输出端输出的数值依次输入第三比较器，并进行数据比较，第三比较器的输出端输出第一比较器输出、第二比较器输出的电压补偿值中的较大值。

第三比较器的输出端与参数调节单元的输入端相连，参数调节单元根据第三比较器输出端的电压补偿值进行电压补偿参数调整。在本实施例中，参数调节单元为电压偏置电路，电压偏置电路的输入端与第三比较器的输出端相连，并根据参数调节单元获取的第三比较器输出的电压补偿值进行电压偏置处理，从而调整为输出相应的电压补偿。电压偏置电路的输出端与主控mcu相连，主控mcu根据电压偏置电路的输出对脉冲驱动单元进行相应的控制，从而使激光发射单元发射出补偿后的激光信号。

主控mcu的脉冲宽度调制引脚与脉冲驱动单元连接，用于将脉冲宽度调制信号输出至脉冲驱动单元，以控制激光发射单元发射的激光强度，在本实施例中，主控mcu根据参数调节单元输出的电压补偿进行脉冲驱动调整，从而使激光发射单元发出补偿后激光信号，一般地，该激光信号的强度较未补偿时的激光强度大。

基于上述补偿控制模块的结构设置，通过温度补偿和湿度补偿并行的补偿方式，对激光模块工作过程中受到的环境因素的影响进行补偿，从而确保后续测距计算过程的精度，提高激光测距传感器系统的检测精度。

作为本实施方式的进一步优选，补偿控制模块包括apd高压补偿单元。激光发射单元为阵列apd二极管，apd高压补偿单元分别与主控mcu、脉冲驱动单元相连，用于生成直流驱动高压、采集激光发射单元上的电压信息并反馈至主控mcu。apd高压补偿单元可以是现有技术中的任意一种apd高压补偿电路。这样设置的好处是，在上述温度补偿和湿度补偿的基础上，通过硬件因素补偿同步设置的方式，确保本申请激光测距传感器系统能够消除激光模块受到的非线性误差，提高检测精度。

作为本实施例的一种优选地实施方式，该种激光测距传感器系统还包括人机交互模块、通讯模块，人机交互模块包括显示单元、操控单元。

显示单元通过通讯模块与主控mcu相连，用于显示传感器参数。显示单元可以是现有技术中的任意一种显示器或数码管，其通过现有技术中的通讯模块(例如rs485通讯方式或无线通讯方式)与主控mcu相连。

操控单元通过通讯模块与主控mcu相连，用于远程下发控制指令。操控单元可以是现有技术中任意一种集成有微机芯片控制程序的按键，其通过现有技术中的通讯模块(例如rs485通讯方式或无线通讯方式)与主控mcu相连。

基于上述人机交互模块的设置，实现本申请激光测距传感器系统的远程控制，在补偿控制模块设置的基础上，使本申请的激光模块等可以与人机交互模块分离安装，从而对较为恶劣的检测环境进行检测，提高本申请激光测距传感器的实用性。

以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。