CN111045018A - 机器人的光学装置及定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人的光学装置及定位系统，其中，装置包括：发射光学组件，用于发射探测信号；接收光学组件，与发射光学组件不共光轴设置的接收光学组件包括探测器与焦距不同的第一接收镜和第二接收镜，以根据第一接收镜探测的目标物和第二接收镜探测的目标物的反射信号与探测信号确定机器人的定位信息。由此，解决了无论是采取共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式，均无法同时满足测量精度和整体结构的使用需求，无法及时地、有效地应对复杂多变的环境，降低机器人的使用性能等问题。

Description

机器人的光学装置及定位系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别涉及一种机器人的光学装置及定位系统。

背景技术

目前，激光雷达如应用于室内建筑机器人的二维激光雷达，如同人的眼睛，实现在室内对机器人进行定位、避障等功能，但是激光雷达的近场探测盲区过多，无法及时地、有效地应对复杂多变的室内环境，将导致室内建筑机器人使用性能的下降。

相关技术中，二维激光雷达的光路主要采用收发同路的共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式。其中，共光轴方式激光雷达的盲区范围较小，但存在的问题是采用的光学元件的口径较大，导致整体结构难以小巧，另外激光雷达因反射光直射到接收光路，易导致第一个回波信号失真，降低探测测量精度；离轴方式的激光雷达存在固有的较大盲区，当前常用的降低盲区的方法有：一种是收发光学元件加工成“D”型镜，并使收发光学元件尽可能靠近，但存在的问题是收发光学元件的光机装调工艺的精度要求较高，同时收发两光路存在杂光干扰；另一种是接收光学系统采用两个接收镜，一个接收镜与发射光学系统光轴平行，另一个接收镜与发射光学系统光轴形成一定角度，光机结构的体积相对较大，光机装调难度较大。

因此，无论是采取共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式，均无法同时满足测量精度和整体结构的使用需求，亟待改进。

发明内容

本发明提供一种机器人的光学装置及定位系统，以解决无论是采取共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式，均无法同时满足测量精度和整体结构的使用需求，无法及时地、有效地应对复杂多变的环境，降低机器人的使用性能等问题。

本发明第一方面实施例提供一种机器人的光学装置，包括：发射光学组件，用于发射探测信号；和接收光学组件，与所述发射光学组件不共光轴设置的所述接收光学组件包括探测器与焦距不同的第一接收镜和第二接收镜，以根据所述第一接收镜探测的目标物和所述第二接收镜探测的目标物的反射信号与所述探测信号确定机器人的定位信息。

本发明第一方面实施例提供一种机器人的定位系统，包括：上述的机器人的光学装置。

将接收光学组件与发射光学组件不共光轴设置的同时，使用长焦接收镜和短焦接收镜的组合透镜组，实现通过长焦透镜探测远场的目标物和短焦透镜探测近场目标物的目的，有效地消除激光雷达的盲区，克服了发射与接收不共轴存在探测盲区的技术缺陷，有效满足测量精度和整体结构的使用需求，及时地、有效地应对复杂多变的环境，提高机器人的使用性能。由此，解决了无论是采取共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式，均无法同时满足测量精度和整体结构的使用需求，无法及时地、有效地应对复杂多变的环境，降低机器人的使用性能等问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的机器人的光学装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的机器人的光学装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的机器人的光学装置及定位系统。针对上述背景技术中心提到的无论是采取共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式，均无法同时满足测量精度和整体结构的使用需求的问题，本发明提供了一种机器人的光学装置，在该装置中，将接收光学组件与发射光学组件不共光轴设置的同时，使用长焦接收镜和短焦接收镜的组合透镜组，实现通过长焦透镜探测远场的目标物和短焦透镜探测近场目标物的目的，有效地消除激光雷达的盲区，克服了发射与接收不共轴存在探测盲区的技术缺陷，有效满足测量精度和整体结构的使用需求，及时地、有效地应对复杂多变的环境，提高机器人的使用性能。由此，解决了无论是采取共光轴方式和收发光路不共轴的离轴方式，均无法同时满足测量精度和整体结构的使用需求，无法及时地、有效地应对复杂多变的环境，降低机器人的使用性能等问题。

具体而言，图1为本发明实施例所提供的一种机器人的光学装置的方框示意图。

如图1所示，该机器人的光学装置包括：发射光学组件和接收光学组件20。

其中，发射光学组件用于发射探测信号。

接收光学组件与发射光学组件不共光轴设置，其包括探测器1、与焦距不同的第一接收镜2和第二接收镜3，以根据第一接收镜2探测的目标物和第二接收镜3探测的目标物的反射信号与探测信号确定机器人的定位信息。

举例而言，第一接收镜2和第二接收镜3为两个不同焦距的正光焦度透镜，以第一接收镜2为长焦接收镜，第二接收镜3为短焦接收镜为例，使长焦接收镜与短焦接收镜共焦，实现长焦透镜探测远场的目标物和短焦透镜探测近场目标物，从而有效的消除了激光雷达的盲区，克服了发射与接收不共轴存在探测盲区的技术缺陷。

可选地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：平面反射镜4。

其中，平面反射镜4设置于偏心于第一接收镜2的第二接收镜3和探测器1之间，以使第一接收镜2与第二接收镜3共焦。

可以理解的是，在确定发射光学组件和接收光学组件不共光轴，且接收光学组件中使用长焦接收镜和短焦接收镜的组合透镜组的情况下，在偏心于长焦接收镜的短焦接收镜和探测器1之间设置一个平面反射镜4，使长焦接收镜与短焦接收镜共焦，避免了同轴模式的激光雷达因反射光直射导致第一个回波信号失真，而且光路结构简单紧凑、装调方便、体积小，满足使用要求。

其中，在本发明的一个实施例中，如图1所示，发射光学组件包括：激光器5和激光准直镜6。

具体而言，本发明实施例的发射光学组件包括一个激光器5和一个激光准直镜6，并且接收光学组件包括接收镜(包括第一接收镜2和第二接收镜3)和一个探测器1，需要说明的是，发射光学组件和接收光学组件不共光轴。

需要说明的是，根据离轴方式的激光雷达光学系统盲区计算公式(1)：

其中，L为激光雷达的盲区大小，h为激光准直镜6与接收镜中透镜边缘之间的最近距离，φ为探测器1的靶面直径，W为激光器5出射的激光束的光斑尺寸，f′₁为激光准直镜6的焦距，f′₂为接收镜的焦距，θ为激光雷达发射光学组件光轴与激光雷达接收光学组件光轴之间的夹角。

因此，本发明实施例减小盲区的方法主要体现在3个参数减小和2个参数增大，发射光学组件光轴与接收光学组件光轴之间的距离减小、接收镜的焦距减小、激光准直镜6的焦距减小，探测器1靶面尺寸和激光束的光斑尺寸增大。其中，探测器1靶面尺寸和激光束的光斑尺寸受当前元器件本身工艺的制约，激光准直镜6的焦距减小会增大出射激光束的发散角，直接影响探测的角分辨率。

如图2所示，h的大小受制于激光准直镜6和接收镜的机械外框7，带机械外框8的激光准直镜6与带机械外框7的接收镜两者尽可能靠近，且不相互干涉。

可选地，在本发明的一个实施例中，第一接收镜2与第二接收镜3绕对应光轴旋转对称设置。也就是说，接收光学组件中设置两个绕各自光轴旋转对称的接收镜。

可选地，在本发明的一个实施例中，第一接收镜2的焦距大于或等于第一预设倍数的第二接收镜3的焦距。

例如，第一接收镜2的焦距可以取但不限于大于135mm且小于500，且第二接收镜3的焦距可以取但不限于小于40mm且大于18mm。

可选地，在本发明的一个实施例中，第一接收镜2的通光孔径大于或等于第二预设倍数的第二接收镜3的通光孔径。

需要说明的是，一个接收镜的焦距f′₂₁较长，为长焦接收镜，另一个接收镜的焦距f′₂₂较短，为短焦接收镜，长焦接收镜和短焦接收镜均为正光焦度透镜，f′₂₁≥3f′₂₂，D₂₁为所述长焦接收镜的通光孔径，D₂₂为所述短焦接收镜的通光孔径，D₂₁≥2D₂₂。

可选地，在本发明的一个实施例中，第二接收镜3设置于靠近发射光学组件的一侧，第一接收镜2设置于相对靠近发射光学组件的一侧的另一侧。

可以立即的是，长焦接收镜的光轴与短焦接收镜的光轴不重合，短焦接收镜相对于长焦接收镜产生偏心量，且短焦接收镜位于靠近发射光学组件一侧

可选地，在本发明的一个实施例中，第一接收镜2和第二接收镜3的口径边缘对齐设置。

即言，位于发射光学组件的一侧，长焦接收镜的口径边缘与短焦接收镜的口径边缘对齐，短焦接收镜相对于长焦接收镜靠近探测器1一侧的工作表面中心的位置坐标为

另外，在本发明的一个实施例中，其中，探测器1的靶面中心位于第一接收镜2的光轴上，并位于第一接收镜2的像方近轴焦点上，探测器1的靶面位于第一接收镜2的像方焦平面上，且第二接收镜3的光轴偏离探测器1的靶面，第二接收镜3的像方近轴焦点位于探测器1的靶面之外。

具体而言，探测器1的靶面中心位于长焦接收镜的光轴上，并位于长焦接收镜的像方近轴焦点上，探测器1的靶面位于长焦接收镜的像方焦平面上。短焦接收镜的光轴偏离探测器1的靶面，短焦接收镜的像方近轴焦点位于探测器1的靶面之外。

在本发明的实施例中，为了使短焦接收镜的像方焦平面落在探测器1的靶面上，短焦接收镜与探测器1之间设置一个上述的镀有金属膜的平面反射镜4，平面反射镜4与长焦接收镜光轴之间的夹角α，夹角α为平面反射镜的设置角度，夹角α的约束条件为：

且

l为从短焦接收镜到平面反射镜之间的直线距离，H为长焦接收镜光轴到平面反射镜4中心的垂直距离。

平面反射镜4相对于长焦接收镜靠近探测器1一侧的工作表面中心的位置坐标和角度方向为：(0，H，f′₂₁-f′₂₂+l，α，0，0)，平面反射镜4的尺寸大小

以使短焦接收镜的光轴经由平面反射镜折转后到达探测器4的靶面上，此时，短焦接收镜的焦平面与长焦接收镜的焦平面共面，且公用一个唯一的探测器1。

综上，按照接收光学组件的光线走向，远场目标物反射或散射激光束通过第一接收镜2(长焦接收镜)直接聚焦于探测器1的靶面上，近场目标物反射或散射激光束通过第一接收镜2(长焦接收镜)边缘的工作表面折射，再经过第二接收镜3(短焦接收镜)之后，由平面反射镜4折转到达探测器1的靶面上。

下面结合图2对本发明实施例的工作原理进行举例描述。

如图2所述，，“X”、“Y”、“Z”指示为基于附图所示光路的水平方向、竖直方向和沿光线传播方向，仅是为了方便描述，而不是指示或暗示所指光路必须具有特定的方位，故不能理解为对本发明的限制

本发明实施例的装置包括发射光学组件和接收光学组件。其中，发射光学组件包括一个激光器5和一个激光准直镜6，接收光学组件包括接收镜(第一接收镜2和第二接收镜3)和一个探测器1。发射光学组件和接收光学组件不共光轴。

图中示出了激光雷达盲区计算的原理图，根据离轴方式的激光雷达光学系统盲区计算公式(1)：

其中，L为激光雷达的盲区大小，h为激光准直镜6与接收镜中透镜边缘之间的最近距离，φ为探测器1的靶面直径，W为激光器5出射的激光束的光斑尺寸，f′₁为激光准直镜6的焦距，f′₂为接收镜的焦距，θ为激光准直镜6光轴与激光雷达接收光学组件光轴之间的夹角。减小盲区的方法主要体现在3个参考量减小和2个参考量增大，发射光学组件光轴与接收光学组件光轴之间的距离减小、接收镜的焦距减小、激光准直镜6的焦距减小，探测器1靶面尺寸和激光束的光斑尺寸增大，其中探测器1靶面尺寸和激光器5出射的激光束光斑尺寸受当前元器件本身工艺的制约，激光准直镜6的焦距减小会增大出射激光束的发散角，直接影响探测的角分辨率。

如图2所示，h的大小受制于激光准直镜6的机械外框8和接收镜的机械外框7，带机械外框8的激光准直镜6与带机械外框7的接收镜两者之间的距离为d，d＞0且d≤0.5，主要是带机械外框8的激光准直镜6与带机械外框7的接收镜尽可能靠近，又不相互干涉，方便于两者的光机结构装调。

进一步地，接收光学组件中设置两个绕各自光轴旋转对称的接收镜，其中一个接收镜的焦距f′₂₁较长，为长焦接收镜2，另一个接收镜的焦距f′₂₂较短，为短焦接收镜3，长焦接收镜2和短焦接收镜3均为正光焦度透镜，f′₂₁≥3f′₂₂，D₂₁为长焦接收镜2的通光孔径，D₂₂为短焦接收镜3的通光孔径，D₂₁≥2D₂₂；长焦接收镜2的光轴与短焦接收镜3的光轴不重合，即短焦接收镜3相对于长焦接收镜2产生偏心量，且短焦接收镜3位于靠近发射光学组件的一侧B；在位于发射光学组件的一侧B，长焦接收镜2的口径边缘与短焦接收镜3的口径边缘对齐，短焦接收镜3相对于长焦接收镜2靠近探测器1一侧的工作表面中心的位置坐标为

进一步地，探测器1的靶面中心位于长焦接收镜2的光轴上，并位于长焦接收镜2的像方近轴焦点上，探测器1的靶面位于长焦接收镜2的像方焦平面上；短焦接收镜3的光轴偏离探测器1的靶面，短焦接收镜3的像方近轴焦点位于探测器1的靶面之外；为了使短焦接收镜3的像方焦平面落在探测器1的靶面上，短焦接收镜3与探测器1之间设置一个镀有金属膜的平面反射镜4，连线A沿顺时针旋转至平面反射镜4之间的夹角α为锐角，夹角α为平面反射镜4的设置角度，夹角α的约束条件为：

且

l为从短焦接收镜3到平面反射镜4之间的直线距离，H为长焦接收镜2光轴到平面反射镜4中心的垂直距离。

平面反射镜4相对于长焦接收镜2靠近探测器1一侧的工作表面中心的位置坐标和角度方向为：(0，H，f′₂₁-f′₂₂+l，α，0，0)，平面反射镜4的尺寸大小

以使短焦接收镜3的光轴经由平面反射镜4折转后到达探测器1的靶面上，此时，短焦接收镜3的焦平面与长焦接收镜2的焦平面共面，且公用一个唯一的探测器1。

按照接收光学组件的光线走向，远场目标物反射或散射激光束通过长焦接收镜2直接聚焦于探测器1的靶面上，近场目标物反射或散射激光束通过长焦接收镜2边缘的工作表面折射，再经过短焦接收镜3之后，由平面反射镜4折转到达探测器1的靶面上。

根据本发明实施例提出的机器人的定位装置，将接收光学组件与发射光学组件不共光轴设置的同时，使用长焦接收镜和短焦接收镜的组合透镜组，实现通过长焦透镜探测远场的目标物和短焦透镜探测近场目标物的目的，有效地消除激光雷达的盲区，克服了发射与接收不共轴存在探测盲区的技术缺陷，有效满足测量精度和整体结构的使用需求，及时地、有效地应对复杂多变的环境，提高机器人的使用性能。

此外，本发明实施例还提出了机器人的定位系统，其包括上述实施例所述的机器人的光学装置。该定位系统可以将接收光学组件与发射光学组件不共光轴设置的同时，使用长焦接收镜和短焦接收镜的组合透镜组，实现通过长焦透镜探测远场的目标物和短焦透镜探测近场目标物的目的，有效地消除激光雷达的盲区，克服了发射与接收不共轴存在探测盲区的技术缺陷，有效满足测量精度和整体结构的使用需求，及时地、有效地应对复杂多变的环境，提高机器人的使用性能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机器人的光学装置，其特征在于，包括：

发射光学组件，用于发射探测信号；和

接收光学组件，与所述发射光学组件不共光轴设置的所述接收光学组件包括探测器与焦距不同的第一接收镜和第二接收镜，以根据所述第一接收镜探测的目标物和所述第二接收镜探测的目标物的反射信号与所述探测信号确定机器人的定位信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

平面反射镜，所述平面反射镜设置于偏心于所述第一接收镜的第二接收镜和所述探测器之间，以使所述第一接收镜与所述第二接收镜共焦。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述探测器的靶面中心位于所述第一接收镜的光轴上，并位于所述第一接收镜的像方近轴焦点上，所述探测器的靶面位于所述第一接收镜的像方焦平面上，且所述第二接收镜的光轴偏离所述探测器的靶面，所述第二接收镜的像方近轴焦点位于所述探测器的靶面之外。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射光学组件包括：激光器和激光准直镜。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一接收镜的焦距大于或等于第一预设倍数的第二接收镜的焦距。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一接收镜的通光孔径大于或等于第二预设倍数的第二接收镜的通光孔径。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二接收镜设置于靠近所述发射光学组件的一侧，所述第一接收镜设置于相对靠近所述发射光学组件的一侧的另一侧。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一接收镜和所述第二接收镜的口径边缘对齐设置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一接收镜与所述第二接收镜绕对应光轴旋转对称设置。

10.一种机器人的定位系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的机器人的光学装置。

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