自适应漫反射物体检测方法以及漫反射式物体检测装置与流程

1.本发明涉及物体检测技术领域，尤其涉及一种自适应漫反射物体检测方法以及漫反射式物体检测装置。


背景技术：

2.漫反射式物体检测装置在工业上非常多用，尤其是在自动化设备上，基本上可以说是每台都有，甚至一台设备上装有多个。
3.传统的漫反射式物体检测装置的内部装有成排的发射管，能对外发出探测光线，同时还装有成排的接收管，用于接收外部物体反射回来的光线。接收管是一种带有受光面的电子元件，当受光面受到适合波长范围的光线照射时接收管的导通性能将发生改变，在电路中具体表现为输出的电压出现变化，电压的变化幅度与光照强度相关。当检测装置前出现待测物体时，反射回接收器的光线总量将发生变化，同时引起接收管输出的电压发生变化，电路通过对比各个接收管输出的电压与无物体时的阈值电压差异就能判断出检测装置前是否存在待检测的物体，当接收装置的接收管较多时，还能判断出待检测物体相对于检测装置的大致位置。
4.虽然这种通过判断反射光强度来检测物体的传统检测装置结构比较简单，价格也相对低廉，但存在非常明显的局限性，具体包括：
5.1.对待检测物体的反射率有较高的要求。当物体表面的反射率比较低时(比如深色的哑光表面)，能反射回接收管的光线将相当有限，此时接收管的输出电压很可能无法高于设定的阈值，导致检测失败。
6.2.抗环境光能力较差。当环境照度较高时，物体反射的由发射管发出的光线相对接收管收到的包含环境光在内的光线总量中的占比将较低，此时接收器将因无法分辨出环境光还是反射光而出现误检。
7.3.对检测环境的背景反射率有特定要求。当背景的反射率和待测物体的反射率接近时，是否有物体都几乎不会改变进入接收管的光线总量，探测器也就无法检测出物体。
8.4.有效检测距离比短，距离稍远时只能检测到体积较大的物体。在漫反射状态下，接收管能接收到的反射光量与物体到接收器的距离大致成平方反比关系，而与物体的反射面面积则成正比，故此即使小幅的距离增加也会导致接收到的光量大幅减少。这使得检测装置有效检测距离通常非常有限，如果需要增加检测距离，则要求被检物体有较大的反射面积。实际使用中，即使在环境光比较弱的室内，能稳定可靠检测的距离也很难超过2米。
9.5.无法适应复杂的检测环境。由于检测装置的多个接收管通常使用相同的判断阈值，故此当环境狭小复杂时，为了忽略掉检测装置附近的既有物体，就不得不把判断阈值设置得较高，这时检测装置的灵敏度将大大下降，导致检测性能严重劣化。


技术实现要素：

10.为了克服现有技术的不足，本发明提出一种自适应漫反射物体检测方法以及漫反
射式物体检测装置，在物体检测前，进行自适应检测获取每个发射管对应的最小光子飞行时间，并在物体检测时，根据当前的光子飞行时间与最小光子飞行时间的比较结果获取物体检测结果，从而避免了现有的光强检测容易受反射率和外界环境影响的问题，检测效果好，不容易出现误检，且灵敏度高，延长了检测距离，提升了检测装置的检测性能。
11.为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案为：一种自适应漫反射物体检测方法，所述自适应漫反射物体检测方法应用于漫反射式物体检测装置，所述自适应漫反射物体检测方法包括：s101：物体检测前，控制漫反射式物体检测装置在未放置待检测物品的工作环境执行预定次数的扫描循环，根据扫描循环中发射管的光子飞行时间获取每个发射管对应的最小光子飞行时间；s102：物体检测时，循环驱动所述发射管工作，获取发射管在物体检测时的光子飞行时间，根据物体检测时的光子飞行时间与所述最小光子飞行时间的比较结果发出物体检测信息。
12.进一步地，所述控制漫反射式物体检测装置在未放置待检测物品的工作环境执行预定次数的扫描循环的步骤具体包括：控制所述漫反射式物体检测装置中的发射管轮流发射检测光束，获取所述检测光束从所述发射管发出再经物体反射到所述发射管对应的接收管过程中的光子飞行时间，循环遍历所述发射管至循环次数达到预设值。
13.进一步地，所述根据扫描循环中发射管的光子飞行时间获取每个发射管对应的最小光子飞行时间的步骤具体包括：在每一个扫描循环执行完后，检查本次扫描循环中各个发射管的光子飞行时间，若本次扫描循环中某个发射管对应的光子飞行时间小于所述发射管在以往扫描循环中的光子飞行时间，则将所述发射管本次扫描循环对应的光子飞行时间保留下来，所有循环结束后，所保留下的各个发射管的光子飞行时间即为发射管的最小光子飞行时间。
14.进一步地，所述根据物体检测时的光子飞行时间与所述最小光子飞行时间的比较结果发出物体检测信息的步骤具体包括：判断所述光子飞行时间是否满足根据所述最小光子飞行时间生成的预设条件；若是，则确定发射管前存在待检测物体，发出物体检测信息；若否，则确定所述发射管前不存在待检测物体。
15.进一步地，所述物体检测信息包括是否存在待检测物体的信息、检测到待检测物体的发射管编号信息中的至少一种。
16.进一步地，所述预设条件包括所述光子飞行时间不大于第一预设值、所述光子飞行时间不大于第一预设值和第二预设值、所述光子飞行时间不大于第一预设值的循环轮数达到预设轮数、一轮检测中满足光子飞行时间不大于第一预设值的发射管数量不小于第三预设值中的至少一种，其中，所述第一预设值为所述发射管对应的最小光子飞行时间与第一预设常数的乘积，所述第二预设值为所述发射管对应的最小光子飞行时间与第二预设常数的差值。
17.进一步地，所述获取发射管在物体检测时的光子飞行时间的步骤之后还包括：根据扫描循环的子周期信息发射防冲突光脉冲，并在每个扫描循环结束后判断是否接收到另一个或多个漫反射式物体检测装置发射的防冲突光脉冲；若是，则停止执行扫描循环，根据防冲突光脉冲的接收信息判断是否恢复扫描循环；若否，则开始下一个扫描循环。
18.基于相同的发明构思，本发明还提出一种漫反射式物体检测装置，所述漫反射式物体检测装置包括中央处理器、物体检测单元，所述物体检测单元包括发射管、接收管，所
述中央处理器与所述物体检测单元连接，通过所述物体检测单元执行如上所述的自适应漫反射物体检测方法。
19.进一步地，所述物体检测单元包括发射单元、接收单元以及光子飞行时间模拟前端，所述光子飞行时间模拟前端分别与所述发射单元、接收单元连接，所述发射单元和接收单元按漫反射式物体检测装置的长度方向成排分布，且不同发散角的发射单元交错排列。
20.进一步地，所述漫反射式物体检测装置还包括防冲突发射模块、防冲突接收模块，所述防冲突发射模块、防冲突接收模块的安装方向与所述发射管、接收管的安装方向一致，所述中央处理器分别与所述防冲突发射模块、防冲突接收模块连接，所述中央处理器通过所述防冲突发射模块发射防冲突光脉冲，并利用所述防冲突接收模块接收另一个或多个漫反射式物体检测装置发射的防冲突光脉冲。
21.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
22.1.对待测物品的反射率有较强的适应能力，即使是反射率较低的物体也能被有效检出；
23.2.有较好的抗环境光能力，即使在户外正午时分，照度达到100klux时仍可正常使用；
24.3.对检测背景反射率没有要求，即使背景反射率和待测物品完全一致也能可靠检测；
25.4.延长了检测距离，对待检测物体反射面积的要求也较小；
26.5.具有环境自适应功能，可自动适应工作环境，能自动记录下环境中已经存在障碍物，并在实际工作中予以忽略，从而准确地从背景中分辨出待检测物体；
27.6.检测装置有自适应防冲突功能，当有多个同类检测装置对向放置时，检测装置能自动及时发现对方的存在，并自动采取分时方式交错工作，防止相互影响。
附图说明
28.图1为本发明自适应漫反射物体检测方法一实施例的流程图；
29.图2为本发明漫反射式物体检测装置一实施例的结构图；
30.图3为本发明漫反射式物体检测装置的发散角设置一实施例的示意图。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其它优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，通常在此处附图中描述和示出的各本公开实施例在不冲突的前提下，可相互组合，其中的结构部件或功能模块可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开中的实施例，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它实施例，都属于本公开保护的范围。
32.在本技术公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公
开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
33.请参阅图2、图3，其中，图2为本发明漫反射式物体检测装置一实施例的结构图；图3为本发明漫反射式物体检测装置的发散角设置一实施例的示意图。结合图2、图3对本发明的漫反射式物体检测装置进行说明。
34.为了彻底解决传统漫反射式物体检测装置通过反射光强度来检测物体所带来的各种弊端，本发明使用基于光子飞行时间的方式来检测物体。具体的，漫反射式物体检测装置包括中央处理器、物体检测单元，物体检测单元包括发射管、接收管，中央处理器与物体检测单元连接，通过物体检测单元执行自适应漫反射物体检测方法。
35.具体的，发射管以某固定周期不断发射出光脉冲，并由接收管接收物体反射回来的光脉冲，虽然光子飞行速度高达3
×
108m/s，但从发射管发出再被物体反射到接收管仍需要一定的时间，只要精确计算出这个时间就能判断出物体距离收发管之间的距离，由于空气中的光速很接近真空光速而真空光速又是恒定的，所以这种测量方法非常准确且快速。
36.在本实施例中，物体检测单元使用光子飞行时间模拟前端或光子飞行时间传感器检测光子飞行时间。光子飞行时间模拟前端与光子飞行时间传感器的差别在于，前者仅仅是一个信号处理芯片，并不包含测量所必需的透镜、发射管、接收管等外部器件，虽然集成度较低，却有了很大的灵活性，可以按实际需要配置外围器件。而后者则已经同时内置了发射管和接收管，虽然整体性能往往没有前者的好，但体积小巧，特别适合短距离的简单环境使用。本发明可以基于两者中的任何一种来检测光子飞行时间。
37.在物体检测单元使用光子飞行时间模拟前端时，物体检测单元包括发射单元、接收单元以及光子飞行时间模拟前端，光子飞行时间模拟前端分别与发射单元、接收单元连接。
38.具体的，发射管、接收管分别与光子飞行时间模拟前端连接，光子飞行时间模拟前端与中央处理器连接，发射管和接收管的数量不一定相同。发射管的出光面和接收管受光面前均设有透镜，发射管和对应透镜组成一个发射单元，接收管和对应透镜组成一个接收单元，发射单元和接收单元按漫反射式物体检测装置的长度方向成排分布。
39.在物体检测单元使用光子飞行时间传感器时，光子飞行时间传感器构成物体检测单元，光子飞行时间传感器与中央处理器连接，光子飞行时间传感器按探测装置的长度方向成排分布且传感器的感应面朝向相同。
40.其中，在物体检测单元使用光子飞行时间模拟前端时，漫反射式物体检测装置并不通过反射光强检测物体，但是接收管仍需要接收到一定的反射光量才能正常检测，所以照射到物体上的光强并不能过弱。当发射管发出光总量固定时，照射到物体上的光强就与发射单元的发散角角度大小相关(发射角主要由发射管前的透镜决定)，发散角较大时，有效的照射距离就比较短，反之则比较长。为了尽量增加检测距离，通常会将发散角设得尽可能小，但这时不同发射单元之间就会出现较大的盲区：如图3，发射单元a、b、c设置的发散角都较小时，有效的照射范围将分别是扇形ade、bfg和chj，此时处于区域amb和bnc中的物体将由于不会被任何发射单元照射而无法被探测，从而使物体2相对于物体1不容易被检测到。假如发散角都设大一些固然可以缩小探测盲区的范围，但是这又将大幅牺牲探测距离。
为此，如果将不同发射单元设置成不同的发散角，比如将小发散角的发射单元与大发散角的发射单元交错排列，则可以很好地相互补充，提高整体的检测性能。比如把图中的发射单元b设为较大的发散角，此时有效的照射范围从扇形bfg变成了扇形bkl，盲区则缩小为apb和bqc。
41.因此，在一个优选的实施例中，物体检测单元包括发射单元、接收单元以及光子飞行时间模拟前端，光子飞行时间模拟前端分别与发射单元、接收单元连接，发射单元和接收单元按漫反射式物体检测装置的长度方向成排分布，且不同发散角的发射单元交错排列。
42.相应的，在物体检测单位为光子飞行时间传感器时，也可以选择不同发散角交错排列的光子飞行时间传感器。
43.在本实施例中，漫反射式物体检测装置还包括输入单元、输出单元，输入单元、输出单元与中央处理器连接，中央处理器通过输入单元接收输入的指令，并通过输出单元输出物体检测信息。
44.请参阅图1，图1为本发明自适应漫反射物体检测方法一实施例的流程图，结合图1对通过漫反射式物体检测装置实现的自适应漫反射物体检测方法进行说明。
45.具体的，自适应漫反射物体检测方法包括：
46.s101：物体检测前，控制漫反射式物体检测装置在未放置待检测物品的工作环境执行预定次数的扫描循环，根据扫描循环中发射管的光子飞行时间获取每个发射管对应的最小光子飞行时间。
47.通过在物体检测前，执行扫描循环获取最小光子飞行时间的方式实现对漫反射式物体检测装置所在实际环境的自适应检测，尽可能减少外界对检测装置的干扰。
48.在本实施例中，先由人工排查漫反射式物体检测装置的检测区域以确保当前工作环境中不存在待检测物体；然后控制漫反射式物体检测装置执行自适应检测操作。经过自适应检测操作后，漫反射式物体检测装置将自动记录环境中有效检测范围内已经存在的既有物体，从而达到在实际工作过程中忽略掉这些既有物体而只对待检物体做出反应的效果。
49.具体的，控制漫反射式物体检测装置在未放置待检测物品的工作环境执行自适应操作的步骤具体包括：控制漫反射式物体检测装置中的发射管轮流发射检测光束，不断获取并记录各个检测光束从发射管发出到被物体反射到发射管对应的接收管的最小光子飞行时间，循环遍历发射管至循环次数达到预设值。
50.在本实施例中，扫描循环的数量为预设值m，预设在中央处理器中，对于普通环境可取100-500，对于周期性变化的环境，m取值要求是保证操作过程必须覆盖1个以上的环境变化周期，比如检测传送带上的物品时，扫描循环的次数需要保证执行过程覆盖传送带走1整圈以上。
51.根据扫描循环中发射管的光子飞行时间获取每个发射管对应的最小光子飞行时间的步骤具体包括：在每一个扫描循环执行完后，检查本次扫描循环中各个发射管的光子飞行时间，若本次扫描循环中某个发射管对应的光子飞行时间小于该发射管在以往扫描循环中的光子飞行时间，则将该发射管本次扫描循环对应的光子飞行时间保留下来，所有循环结束后，所保留下的各个发射管的光子飞行时间即为每个发射管的最小光子飞行时间。
52.在获取到各个发射管的最小光子飞行时间后，中央处理器将这些数据保存到非易
失性存储器中。
53.在一个具体的实施例中，物体检测单元中设置为光子飞行时间模拟前端，自适应检测的步骤包括：先将漫反射式物体检测装置安装在需要实际工作的环境中，并确保检测装置的检测面前没有放置待检测物品。当输入输出单元接收到自适应操作启动信号时，检测装置开始自适应过程，此时检测装置将按下述步骤对工作环境进行检测：
54.1、中央处理器通过控制与第1发射单元连接的光子飞行时间模拟前端驱动第1发射单元发射出检测光束，与此同时利用与之对应的接收单元接收被物体反射回来的检测光束，中央处理器从光子飞行时间模拟前端中读出检测光束从发射单元发射到被检测环境中物体反射进接收单元所需要的光子飞行时间并记录为t1。
55.2、类似地，中央处理器通过对应的光子飞行时间模拟前端轮流驱动各个发射单元2～发射单元k工作，并读出各的光子飞行时间t2～tk，直至历遍全部发射单元。
56.3、以上步骤1、2称为一个扫描循环，共执行m个扫描循环，在每次执行一个扫描循环后，检查本次所得到的各个发射管的光子飞行时间t并始终将光子飞行时间的最小值保存为tmin。
57.4、所有扫描循环结束后将每个发射管对应的最小光子飞行时间t1min～tkmin保存到中央处理器连接的非易失性存储器内，供工作过程中使用。
58.s102：物体检测时，循环驱动发射管工作，获取发射管在物体检测时的光子飞行时间，根据物体检测时的光子飞行时间与所述最小光子飞行时间的比较结果发出物体检测信息。
59.循环驱动发射管工作的过程与上述自适应过程类似，中央处理器将不断以循环方式通过光子飞行时间模拟前端驱动各个发射单元工作或驱动光子飞行时间传感器工作，并不断读取发出检测光束到检测光束被反射进对应接收管所需要的光子飞行时间t。
60.在本实施例中，根据物体检测时的光子飞行时间与最小光子飞行时间的比较结果发出物体检测信息的步骤具体包括：判断光子飞行时间是否满足根据最小光子飞行时间生成的预设条件；若是，则确定发射管前存在待检测物体，发出物体检测信息；若否，则确定发射管前不存在待检测物体。
61.其中，输出的物体检测信息包括是否存在待检测物体的信息、检测到待检测物体的发射管编号信息中的至少一种。
62.在本实施例中，预设条件包括：光子飞行时间不大于第一预设值、光子飞行时间不大于第一预设值和第二预设值、光子飞行时间不大于第一预设值的循环轮数达到预设轮数、一轮检测中满足光子飞行时间不大于第一预设值的发射管数量不小于第三预设值中的至少一种，其中，第一预设值为发射管对应的最小光子飞行时间与第一预设常数的乘积，第二预设值为所述发射管对应的最小光子飞行时间与第二预设常数的差值。
63.在一个具体的实施例中，检测到的光子飞行时间为t，最小光子飞行时间为tmin。预设条件包括下述检测条件中的至少一种。
64.检测条件包括：
65.1、t≤tmin
×
f(f为小于1的常数，一般可取0.85～0.98)；
66.2、t≤tmin
×
f和t≤tmin
–
tabs，tabs为常数；
67.3、在连续p个扫描循环中某发射管发出的检测光束都满足t≤tmin
×
f，p为常数；
68.4、在某个扫描循环中不少于n个发射管发出的检测光束同时满足各自的t≤tmin
×
f。
69.在某些场合中，多个漫反射式物体检测装置会被对向安装，同时对一片区域进行检测，(比如同时安装在一对对向开闭的闸门的门边上)，此时可能会出现相互干扰的问题，即其中一个检测装置发射单元发出的光线可能会直接投射到对向的另一个检测装置上，造成该检测装置工作异常。为了避免出现类似冲突现象，漫反射式物体检测装置设有自适应防冲突机制，当出现相互干扰时，能在短时间内自动恢复正常。
70.因此，获取发射管在物体检测时的光子飞行时间的步骤之后还包括：根据扫描循环的子周期信息发射防冲突光脉冲，并在每个扫描循环结束后判断是否接收到另一个或多个漫反射式物体检测装置发射的防冲突光脉冲；若是，则停止执行扫描循环，根据防冲突光脉冲的接收信息判断是否恢复扫描循环；若否，则开始下一个扫描循环。
71.其中，利用防冲突接收模块接收的信息判断是否存在其它漫反射式物体检测装置发射的防冲突光脉冲，并在检测到防冲突光脉冲后，根据接收信息判断是否在至少一个子周期内没有再接收到防冲突光脉冲。若是，则进入下一个扫描循环。
72.具体的，漫反射式物体检测装置设置若干个防冲突发射模块和防冲突接收模块，这些发射模块和接收模块的安装方向与发射管、接收管的方向一致，并同样沿漫反射式物体检测装置的长度方向分布。这些发射模块和接收模块直接与中央处理器连接，发射模块的发散角和接收模块的接收角都比较大(如发射模块的发散角大于发射单元的发散角，接收模块的接收角大于接收单元的接收角)。在一个扫描循环中，中央处理器在每驱动完s个发射单元或光子飞行时间传感器中的s个发射管工作后，先驱动发射模块发射出若干个防冲突光脉冲(驱动s个发射单元工作加上发射一次防冲突光脉冲的时间称为1个子周期，一个扫描循环由多个子周期构成)，接着再驱动下一个发射单元或光子飞行时间传感器中的其它发射管工作。当一个扫描循环完成后，启动接收模块试图接收其它检测装置的发射模块发出的防冲突光脉冲，接收时间不短于2个子周期。
73.如在此期间内没有接收到其它检测装置的发射模块发出防冲突光脉冲则开始下一个扫描循环；如在此期间接收模块成功接收到了其它检测装置的发射模块发出光脉冲，则暂停进入一个扫描循环并持续通过接收模块继续接收，并在至少持续1个子周期时间内没有再接收到光脉冲时方才恢复进入下一个扫描循环。
74.具体的，现假设有2个对向放置并存在工作冲突的检测装置a和b，工作过程，其中一个检测装置a几乎一定能在接收模块的接收时间内接收到另一个检测装置b发出的防冲突光脉冲，此时a将暂停扫描工作并继续等待，当持续1个子周期没有检测到b发出的防冲突光脉冲时，可判断b的扫描循环已经完成，此时a将恢复进入下一个扫描循环，对于检测装置b而言，由于接收防冲突光脉冲的时间不短于2个子周期，所以也几乎必然可以一个扫描循环结束后的接收时间内收到a在恢复扫描循环后第1个子周期中发出的防冲突光脉冲，继而进入持续等待a完成整个扫描循环的暂停中，在a完成扫描循环并再等待1个子周期后，检测装置b又将启动下一个扫描循环。如此类推，只要不同检测装置采用了相同的子周期长度，即使不同检测装置扫描循环的子周期数不同，也能通过上述方式进行自适应避让，达成防冲突的效果。为了防止防冲突光脉冲会影响自身的发射单元和接收单元的探测工作，上述过程中，特意将防冲突光脉冲的发射时间与发射单元的工作时间错开，在实际应用中，当防
冲突光脉冲确实不影响物体检测单元的工作时(比如发射模块使用了和接收单元不同的波长)，发射模块也可以与发射单元同时工作。另外，不同检测装置采用的接收防冲突光脉冲的时长可以稍有不同，比如在2个子周期基础上再加上一点随机时间或加上一个与自身唯一序列号相关的时间，这样就能很好地避免因为两者工作周期完全同步而引致的需要很长时间来解决冲突的问题。
75.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
76.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。