一种多方向障碍物检测装置的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，具体为一种多方向障碍物检测装置。本发明也可以在包括移动设备和智能控制的其他电路中使用，诸如遥控接收电路，或者有障碍物检测需求的任何电路

背景技术：
。

在现实生活中，越来越多的智能设备都需要检测设备与障碍物之间的距离以方便进行线路规划、避障等自动控制。在无人机、扫地机器人、无人驾驶汽车等方面，障碍物检测得到了广泛的应用。特别是在小型多轴飞行器上，需要重量轻，距离测量速度快、耗电小并且能同时检测前后左右等多个方向距离的装置。以保证四轴飞行器的自动避障飞行，提高多轴飞行器自身的安全性以及防止出现多轴飞行器伤人的安全事故。

市面上常见的障碍物检测方法有激光测距、超声波测距和图像识别（视觉）测距等。但常见的障碍物检测方法和设备往往存在着成本高、功耗大、距离测量速度慢、重量和体积大的缺点。同时也因为上述原因，常见的障碍物检测装置一般只能同时进行一个方向的障碍物检测，无法简单地通过增加检测装置的数量来同时完成前后左右等多方向的障碍物检测，不利于在多轴飞行器这种需要进行前后左右运动的飞行器上使用。

因此，我们提出一种多方向障碍物检测装置，以便于解决上述中提出的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多方向避障距离传感器，以解决上述背景技术中提出的成本高、功耗大、距离测量速度慢、重量和体积大，而且无法同时完成前后左右等多方向的障碍物检测的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种多方向障碍物检测装置，包括线路板组件、遮光罩组件和底座。所述的线路板组件包括沿水平圆周等间距分布的红外发射管、沿水平圆周等间距分布的红外接收头、向上方向排列的红外发射管、向上方向排列的红外接收头、主控芯片、电源模块、红外发射管功率调整模块、功率微调模块、载波驱动模块和输出模块。所述的遮光罩组件套装于线路板组件上部，将所有红外接收头进行遮光罩组件内部的光学隔离，防止非障碍物反射的红外线信号传导到红外接收头。遮光罩主体沿水平圆周等间距向外方向设置有红外发射管的红外发射窗口和红外接收头的红外接收窗口。遮光罩组件包括遮光罩主体、上红外接收头安装座和上盖板，上红外接收头安装座位于遮光罩主体中央上部位置，与遮光罩主体粘贴连接，上盖板位于上红外接收头安装座上部中间位置，与上红外接收头安装座粘贴连接。所述的底座位于线路板组件的下方，遮光罩组件、线路板组件和底座通过螺钉固定连接。

优选的，所述沿水平圆周等间距分布的红外发射管、红外接收头的数量各为8只，呈前、后、左、右、左前、左后、右前、右后排列，结合红外发射管发射角度和红外接收头的接收角度可以完成前、后、左、右、左前、左后、右前、右后多方向的障碍物检测。

优选的，所述遮光罩主体下部开有形状与红外接收头外形相近的凹槽，该凹槽正好可以容纳红外接收头，使各个红外接收头彼此之间光学隔离，同时方便遮光罩主体套装在红外接收头外部。

优选的，所述遮光罩组件采用不透光深色塑料材质。

优选的，所述线路板组件呈圆形，直径为40—60毫米。

一种多方向障碍物检测装置，其测量距离的原理是：红外接收头是否能收到被障碍物反射的红外发射管发射的载波红外线信号，与障碍物的反射面与红外接收头的距离和红外发射管所发射的红外线信号的强度两者均有关系。当障碍物的反射面与红外接收头的距离为固定值时，通过所述的线路板组件的主控芯片和红外发射管功率调整模块由小到大阶梯状调整红外发射管发射的红外线信号的发射功率。开始时由于红外线信号的发射功率小，导致红外线信号的强度太小，红外接收头无法接收到反射面反射回来的红外线信号。随着红外线信号的发射功率的增加，当发射的红外线信号的强度增加到某个值时，红外接收头开始能够接收到反射面反射回来的红外线信号，此时的红外线信号的强度值就和反射面与红外接收头的距离值对应起来了。同样的，当红外发射管发射的载波红外线信号的强度为固定值时，反射面由远处靠近红外接收头。开始时由于反射面距离太远导致红外线信号的强度太小，红外接收头无法接收到反射面反射回来的红外线信号，当反射面由远处靠近红外接收头到某个距离值时，红外接收头开始能接收到反射面反射回来的红外线信号，此时的反射面与红外接收头的距离值就和红外线信号的强度值对应起来了。根据反射面与红外接收头的距离值和红外线信号的强度值的对应关系建立发射信号的强度值与距离值的对应关系表，就可以通过正好能接收到反射信号时所发射的红外线信号的强度值来推算距离值了。通常情况下，施加在红外发射管两端的电压越大，流过红外发射管的电流越大，红外发射管的发射功率和红外发射管发射的红外信号的强度也越大，所以也可以用红外发射管两端的电压大小来表示红外发射管的发射功率和红外发射管发射的红外信号的强度的大小。

虽然采用上述方法测量距离的精度不高，根据算法不同误差在5厘米—30厘米，但应用于障碍物的检测其精度已经足够。

所述的线路板组件的红外发射管功率调整模块在主控芯片的控制下，快速且不断地调整红外发射管的工作电压来改变发射的红外线信号的强度，同时主控芯片不断地同步地判断每个红外接收头是否收到反射回来的红外线，并且记录和分析每个红外接收头刚好收到反射信号时红外发射管的工作电压值，根据红外发射管的工作电压值与距离值的对应关系表来判断障碍物与每个红外接收头的距离。

优选的，红外发射管功率调整模块采用主控芯片的dac输出模块和输出跟随器的模式，通过改变红外发射管的工作电压来调整红外发射信号的强度值，此时主控芯片的dac模块的控制值与红外发射管的发射信号的强度值相对应。

优选的，红外发射管的发射信号采用38khz的载波频率，以提高对周围环境的红外线杂波的抗干扰能力。

优选的，红外接收头采用市场上常用的中心频率为38khz的通红外遥控器的一体化红外接收头，以提高抗干扰能力的同时，降低产品成本。

优选的，主控芯片同时测量9路红外信号的周期t为0.1秒，一秒钟可以获得10组9个方向的距离值。

术语“红外接收头”也称为红外接收模块或者红外线接收模组(infraredreceivermodule，简称irm)，是指把包括红外监测二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路、比较器等电路集成在一个元件中，共同组合封装而成的一体化红外接收头，可简化及小型化应用商品的电路设计。一体化红外接收头在接收到足够强度的红外线载波信号且载波频率符合红外接收头的规定要求时会输出低电平信号，否则输出高电平信号。一体化红外接收头被广泛应用于空调、风扇、暖风机、加湿器、电视、dvd、机顶盒、遥控玩具、灯饰照明等红外线遥控领域。

术语“dac”是指数模转换器，又称d/a转换器，简称dac，它是把数字量转变成模拟量的器件。现在常用的单片机、信号处理器等主控芯片内部已集成了数模转换器。

术语“dac的控制值”是指数模转换器工作时，把数字量转变成模拟量时的数字量的值。

术语“pwm”是指脉冲宽度调制（pulsewidthmodulation，pwm）技术，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为pwm波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。本实施例中通过改变脉冲列的周期产生间歇、频率为38khz的方波电压信号。现在常用的单片机、信号处理器等主控芯片内部已集成了脉冲宽度调制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该多方向障碍物检测装置可以同时测量前、后、左、右、左前、左后、右前、右后及上方的障碍物的距离值，且测量速度快，特别适用于需要快速运动且运动方向经常改变的运动设备使用；

2.该多方向障碍物检测装置体积小、重量轻、功耗小，特别适用于飞行类对重量和耗电要求敏感的运动设备使用；

3.该多方向障碍物检测装置采用常用的红外发射管、红外接收头等价格便宜的元器件结合专用算法进行距离测量，简化了电路、降低了成本，易于在销售价格相对便宜的玩具无人机市场上推广使用。

附图说明

在附图中，遍及不同的图，附图不需要按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的结构和原理上。

图1为本发明正视剖面结构示意图。

图2为本发明三维结构示意图。

图3为本发明移除遮光罩组件后的三维结构示意图。

图4为本发明移除底座和部分线路板组件后的三维结构示意图。

图5为本发明的一个方向上的三维装配关系示意图。

图6为本发明的另一个方向上的三维装配关系示意图。

图7为本发明的电路原理图。图7中红外发射管led1—led8对应图1—6中的沿水平圆周等间距分布的红外发射管1，红外接收头wh1—wh8对应图1—6中的沿水平圆周等间距分布的红外接收头2，红外发射管led9对应图1—6中的向上方向排列的红外发射管3，红外接收头wh9对应图1—6中的向上方向排列的红外接收头4。

图8为本发明的程序流程图。

图9为本发明的红外发射管发射强度变化的波形示意图。图9中的v_led电压值和阶梯数量能够对理解v_led电压的变化情况提供帮助，但在实际应用中，v_led电压值和阶梯数量会根据使用需求、器件性能的不同而发生改变。

图10为本发明在障碍物与红外接收头距离为1.7米时的波形示意图。

图11为本发明在障碍物与红外接收头距离为0.7米时的波形示意图。

图12为本发明的一种主控芯片的dac的控制值、v_led电压、方向x寄存器的值和距离值的对应关系图。该主控芯片的dac的控制值、v_led电压、方向x寄存器的值和距离值的对应关系图能够对理解如何通过dac的控制值、v_led电压、方向x寄存器的值获得距离值提供帮助，但对应关系图中的dac控制值、v_led电压值、方向x寄存器的值和距离值在实际应用中，会根据使用需求、器件性能的不同而发生改变。

图中：1、沿水平圆周等间距分布的红外发射管；2、沿水平圆周等间距分布的红外接收头；3、向上发射的红外发射管；4、向上接收的红外接收头；5、线路板组件；6、遮光罩主体；7、上红外接收头安装座；8、上盖板；9、底座；10、螺钉；11、红外接收窗口；12、红外发射窗口；13、向上方向的红外接收窗口；14、向上方向的红外发射窗口；15红外接收头凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1—12，本发明提供一种技术方案：一种多方向障碍物检测装置，包括线路板组件5、遮光罩组件和底座9。所述的线路板组件5包括沿水平圆周等间距分布的红外发射管1、沿水平圆周等间距分布的红外接收头2、向上发射的红外发射管3、向上接收的红外接收头4、主控芯片、电源模块、红外发射管功率调整模块、功率微调模块、载波驱动模块和输出模块。所述的遮光罩组件包括遮光罩主体6、上红外接收头安装座7和上盖板8，上红外接收头安装座7位于遮光罩主体6中央上部位置，与遮光罩主体6粘贴连接，红外接收头安装座7和遮光罩主体6分离设计的目的是为了方便将沿水平圆周等间距分布的红外发射管1装入红外发射窗口12；上盖板8位于上红外接收头安装座7上部中间位置，与上红外接收头安装座7粘贴连接；上红外接收头安装座7上部开有向上方向的红外发射窗口14，上盖板8上部开有向上方向的红外接收窗口13。遮光罩组件套装于线路板组件5上部，将所有红外接收头进行遮光罩组件内部的光学隔离,防止非障碍物反射的红外线信号传导到红外接收头。底座9位于线路板组件的下方。遮光罩主体6、线路板组件5和底座9通过螺钉10固定连接。

如图3所述线路板组件5呈圆形，直径为40—60毫米。

如图3所述的沿水平圆周等间距分布的红外发射管1、沿水平圆周等间距分布的红外接收头2的数量各为8只，呈前、后、左、右、左前、左后、右前、右后排列，其红外线发射和红外线接收面向外，结合红外发射管发射角度和红外接收头的接收角度可以实现水平面360度范围的无死角障碍物检测。然而，这些红外发射管1和红外接收头2的数量是可以变化的，以便为任何特定情况提供独特益处，或者来满足各种实施方式的具体设计要求的应用。例如，在不需要水平面360度范围无死角障碍物的检测的应用可以只需要前、后、左、右方向排列的红外发射管1和红外接收头2；在不需要水平面后方障碍物的检测的应用可以省略后、左后、右后方向排列的红外发射管1和红外接收头2。此外，尽管本实施例的红外发射管1、红外接收头2的数量各为8只，但是应当理解，可以增加或者减少红外发射管1、红外接收头2的数量，以提供所需要的方向的障碍物检测，而不偏离本说明书的范围。

如图2所述遮光罩主体6沿水平圆周等间距设置有红外发射管1的红外发射窗口12和红外接收头2的红外接收窗口11，通过调整红外发射窗口12的窗口大小和深度来调整红外发射管1发射的红外线的发射角度以控制红外发射管1的照射范围，通过调整红外接收窗口11的窗口大小和深度来调整红外接收头2接收的红外线的接收角度以控制红外接收头2的红外线接收范围。

如图4所述遮光罩主体6下部开有形状与沿水平圆周等间距分布的红外接收头2外形相近的红外接收头凹槽15，该红外接收头凹槽15正好可以容纳沿水平圆周等间距分布的红外接收头2，使各个红外接收头彼此之间光学隔离，同时方便遮光罩主体6套装在线路板组件5的上面。

所述遮光罩组件采用不透光深色塑料材质。

如图7所述一种多方向障碍物检测装置的电路包括主控芯片ic1、运算放大器ic2、稳压芯片ic3、红外发射管led1—led9、红外接收头wh1—wh9、电阻r1—r18、瓷片电容c1—c17、电解电容e1—e3、电感l1—l3、发光二极管led10、led11和三极管q1。

如图7主控芯片ic1的dac输出和运算放大器ic2组成红外发射管功率调整模块，主控芯片ic1的dac管脚14通过串接电阻r10连接运算放大器ic2的正向输入管脚3、运算放大器ic2的反向输入管脚2通过串接电阻r11接地，运算放大器ic2的反向输入管脚2通过串接电阻r12连接运算放大器ic2的输出端6。

如图7运算放大器ic2的输出端6连接v_led并与红外发射管led1—led9的正向端连接在一起，红外发射管led1—led9的负向端分别通过串接功率微调电阻r1—r9与限流电阻r13连接在一起,限流电阻r13的另一端连接三极管q1的集电极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的基极通过串接电阻r34连接主控芯片ic1的pwm管脚45。

如图7红外接收头wh1—wh9的电源端3分别与电源vcc2共同连接，红外接收头wh1—wh9的接地端2分别接地，红外接收头wh1—wh9的输出端yk1—yk9分别连接主控芯片ic1的输入管脚25—33。

如图7稳压芯片ic3的输入端1通过串接电感l1连接总电源输入端vcc_in，稳压芯片ic3的接地端2接地，稳压芯片ic3的输出端3连接vcc,电解电容e1、瓷片电容c11、c12、c13并联在vcc与地之间，发光二极管led11正向端连接vcc，发光二极管led11负向端通过串接限流电阻r16接地；vcc通过串接电感l2连接vcc2,电解电容e2、瓷片电容c14、c15并联在vcc2和地之间；vcc通过串接电感l3连接vcc1,电解电容e3、瓷片电容c16、c17并联在vcc1和地之间，以上电路组成电源模块。

如图7主控芯片ic1的串口输出脚21通过电阻r17与输出端口j1的2脚连接，主控芯片ic1的串口输入脚22通过电阻r18与输出端口j1的1脚连接；发光二极管led10正向端连接vcc，发光二极管led10负向端通过串接限流电阻r15连接主控芯片ic1的输入脚2。

工作原理：本发明的测距的基本原理是红外接收头是否能收到红外发射管发射的红外线信号，不仅与障碍物与红外接收头的距离有关，而且与红外发射管发射的红外线信号的强度有关。通常情况下，施加在红外发射管两端的电压越大，流过红外发射管的电流越大，红外发射管的发射功率和红外发射管发射的红外信号的强度也越大，所以也可以用红外发射管两端的电压大小来表示红外发射管的发射功率和红外发射管发射的红外信号的强度的大小。

在使用该多方向障碍物检测装置时，在主控芯片程序的控制下，主控芯片ic1通过改变dac的控制值来控制dac输出管脚14周期性地输出阶梯状态变化的电压信号，通过运算放大器ic2构成的缓冲器进行电流和电压放大后提供红外发射管led1—led9周期性2.1v—3.0v变化的阶梯状态的v_led电源电压，如图9中a波形所示，可以发现红外发射管led1—led9正向端电压v_led呈周期性阶梯状态变化，周期为t。在主控芯片程序的控制下，主控芯片ic1的pwm输出管脚45间歇地输出频率为38khz的方波电压信号，通过三极管q1控制红外发射管led1—led9的通断，如图9中b波形。在主控芯片ic1的dac输出管脚14和主控芯片ic1的pwm输出管脚45的共同控制下，红外发射管led1—led9分别向前、后、左、右、左前、左后、右前、右后和向上方向间歇地发射38khz的红外线信号且红外线信号的强度呈周期性阶梯状态变化,如图9中c波形所示，红外发射管led1—led9两端的电压呈周期性阶梯状态变化。

沿前、后、左、右、左前、左后、右前、右后和向上方向排布的红外接收头wh1—wh9分别接收各个方向的红外线信号，红外接收头在没有接收到中心频率为38khz红外线信号时都会将红外接收头的输出端1置为高电平，任何一个红外接收头接收到障碍物反射回来的中心频率为38khz红外线信号时都会将该红外接收头的输出端1置为低电平。

如图8—9所示，在主控芯片程序的控制下，主控芯片ic1周期性通过改变dac的控制值来调整红外发射管led1—led9的v_led电源电压，v_led电压从2.1v阶梯状态调整到3.0v，dac的控制值与v_led电压一一对应。每次主控芯片ic1改变dac输出管脚14的电压后，主控芯片程序都会判断和记录该v_led电压下主控芯片ic1的输入端口yk1—yk9的电平状态，如果是高电平则认为没有收到反射信号，如果是低电平则认为收到了反射信号、表示该红外接收头的前方出现了障碍物并且修改主控芯片的方向寄存器的值。v_led电压从2.1v阶梯状态调整到3.0v一个周期完成后，主控芯片程序会根据这一个周期t内记录的输入端口yk1—yk9的电平变化状态以及出现低电平时主控芯片ic1的dac输出电压值，来判断是哪个方向出现了障碍物以及依据图12确定障碍物的距离范围。该次距离判断完成后则开始继续进行下一个周期t的距离测量。

参阅图8，主控芯片程序的障碍物检测的具体步骤是：

a.初始化，设置循环次数终止值n=10,设置10个dac控制值的设定值dac1=179、dac2=187、dac3=196……dac10=255（这些dac的设定值分别对应10个v_led值，v_led分别为2.1v、2.2v、2.3v……3.0v），设置pwm输出管脚45输出低电平信号；

b.测量循环开始，主控芯片ic1的内部寄存器的方向1寄存器—方向9寄存器清零，设置当前循环次数i=1，配置dac的控制值=dac1=179（使v_led为2.1v），设置增量计数值k=2^(i-1)=1（二进制=0000000001b）；

c.dac的控制值改变后，dac的输出电压有一个跳变和逐渐稳定的过程。当dac的输出电压稳定后，设置pwm输出管脚45输出38khz的方波信号；

d.从设置pwm输出管脚45输出38khz的方波信号到pwm输出管脚正常输出38khz的方波信号有一个延时和稳定的过程。当输出的38khz的方波信号稳定后，读取输入管脚25—33的电平信号，如果管脚25为高电平，则主控芯片ic1的内部寄存器的方向1寄存器的值不变，如果管脚25为低电平，则主控芯片ic1的内部寄存器的方向1寄存器的值为方向1寄存器的值加上增量计数值k；如果管脚26为高电平，则主控芯片ic1的内部寄存器的方向2寄存器的值不变，如果管脚26为低电平，则主控芯片ic1的内部寄存器的方向2寄存器的值等于方向2寄存器的值加上增量计数值k；以此类推，完成管脚25—33的检测和与管脚对应的方向1寄存器—方向9寄存器的设置；

e.设置pwm输出管脚45停止38khz的方波信号且输出低电平信号；

f.设置当前循环次数值i=i+1，配置dac的控制值=daci，同时增量计数值k=2^(i-1)；

g.重复c步骤；

h.重复d步骤；

i.重复e步骤；

j.如果当前循环次数值i<n则重复f—i的步骤；

k.如果当前循环次数值i=n，配置dac的控制值=dacn=255，使v_led为3.0v，同时增量计数值k=2^(n-1)=512（二进制=1000000000b）；

l.重复c步骤；

m.重复d步骤；

n.重复e步骤；

o.如果当前循环次数值i>n时，主控芯片ic1参考图12将方向1寄存器—方向9寄存器的值换算成方向1寄存器—方向9寄存器对应的红外接收头wh1—wh9的对应方向的障碍物的距离值。例如：如果方向1寄存器的二进制值是1111111111b,则红外接收头wh1对应方向的障碍物的距离值小于0.2米；如果方向2寄存器的二进制值是1111111110b,则红外接收头wh2对应方向的障碍物的距离值为0.2—0.4米；如果方向3寄存器的二进制值是1111111100b,则红外接收头wh3对应方向的障碍物的距离值0.4—0.6米；如果方向5寄存器的二进制值是1111110000b,则红外接收头wh5对应方向的障碍物的距离值0.8—1.0米；如果方向7寄存器的二进制值是1110000000b,则红外接收头wh7对应方向的障碍物的距离值1.4—1.6米；如果方向8寄存器的二进制值是1000000000b,则红外接收头wh8对应方向的障碍物的距离值1.8—2.0米；如果方向9寄存器的二进制值是0000000000b,则红外接收头wh9对应方向的障碍物的距离值大于2.0米。距离判断完成后将红外接收头wh1—wh9对应方向的障碍物的距离值通过窜口进行发送；

p.回到b步骤再次开始新的测量循环。

如图10，例如前方的红外接收头wh1与障碍物的距离为1.7米时，在v_led电压从2.1v调整到3.0v的一个变化周期t内前方的红外接收头只有在v_led电压在2.9v和3.0v时能接收到障碍物反射的红外信号，且前方的红外接收头出现低电平信号的最小v_led电压为2.9v，方向1寄存器的二进制值是1100000000b。根据图12的对应表可以发现2.9v对应的dac值为247，对应的距离值为1.8米，所以可以确定障碍物与前方的红外接收头的距离在1.6米—1.8米之间。

如图11，例如右方的红外接收头wh4与障碍物的距离为0.7米时，右方的红外接收头只有在v_led电压在2.4v、2.5v、2.6v、2.7v、2.8v、2.9v和3.0v时能接收到障碍物反射的红外信号，且右方的红外接收头出现低电平信号的最小v_led电压为2.4v，方向4寄存器的二进制值是1111111000b。根据图12的对应表可以发现2.4v对应的dac值为204，对应的距离值为0.8米，所以可以确定障碍物与右方的红外接收头的距离在0.6米—0.8米之间。

沿前、后、左、右、左前、左后、右前、右后和向上方向排布的红外发射管分别通过功率微调电阻r1—r9进行发射功率（强度）的微调，来保证前、后、左、右、左前、左后、右前、右后和上方在相同v_led电压时红外信号发射功率（强度）基本一致。配合沿前、后、左、右、左前、左后、右前、右后和向上方向排布的红外接收头实现前、后、左、右、左前、左后、右前、右后和向上方向的距离测量。

距离测量结果通过串口输出端口j1和外部设备实现实时通讯。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。