CN102998677A - 车载扫描式半导体激光预警雷达及其探测障碍物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于汽车上探测和计算前方障碍物距离及角度，并进行相关数据处理和报警的车载扫描式半导体激光预警雷达及其探测障碍物的方法，采用接收光轴中心线与激光发射天线套筒的发射光轴中心线相互平行的方法，在设计上保证激光接收视场角和激光发射束散角相近，使激光发射天线的物镜口径和激光接收天线的物镜口径大小接近，减少了信号的衰减，减小了设备的体积与重量，降低了设备运行的噪声，使光轴校正工序更简单，产品的可靠性更好生产成本更低，便于批量生产。使用本发明的探测障碍物的方法，使信息数据处理更为快捷、准确、报警及时。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于汽车上探测和计算前方障碍物距离及角度，并进行相关数据处理和报警的车载扫描式半导体激光预警雷达及其探测障碍物的方法。
背景技术
[0002] 现在的测量行驶车辆的前方障碍物信息的技术分为毫米波雷达测量和半导体激光雷达测量两种。毫米波雷达测量技术，生产成本较高，难以在汽车上推广使用。半导体激光雷达虽有产品，但产品的主要特点还是局限于激光单点测距。如现有的汽车自动防撞器，在车前保险杠内侧安装，采用的是激光单点测距，所探测的范围较小，仅仅只在如何控制汽车减速阀的加减速技术上进行了专利保护，并没有涉及激光扫描技术。部分单位也在研制激光扫描技术，但并不成熟，如一种“车载扫描式激光雷达探测系统及其探测前方危险物的方法”（专利公开号：CN 1546344A；公开日：2004年11月17日）中介绍的激光扫描方法，其是依靠步进电机提供动力源，通过带动一个由凸轮和V形摆杆组成的机构，驱动扫描镜片的往复转动，从而实现激光扫描。且激光发射器与激光接收器相互垂直。这样做出来的产品缺点表现为:产品体积大，不易安装；凸轮在长期工作过程中磨损严重，可靠性和实用性不高；由于有摆杆和凸轮机构的来回运动，其摩擦发出的噪音很大，对驾驶员和顾客以及周边环境都有影响；采用镜片转动的方法发射和接收激光，要求接收视场很大，产品体积将增大；如果采用高档零部件和电子元器件，性能会有所改善，但产品成本会很高，不利于批量生产。
发明内容
本发明的目的，就是要提供一种能够方便安装在汽车上的体积较小，成本较低和使用方便的车载扫描式半导体激光预警雷达以及测量准确、计算精确和报警及时的探测障碍物的方法。
本发明的技术解决方案是这样的；一种车载扫描式半导体激光预警雷达，由激光测距装置、控制装置和步进电机组成，其特征在于激光测距装置的激光发射天线套筒和激光接收天线套筒平行固定在支架座上，激光接收天线套筒的接收光轴中心线与激光发射天线套筒的发射光轴中心线相互平行，支架座固定在旋转底盘上，旋转底盘安装在底座上，底座固定在步进电机上，步进电机的转轴穿过底座和旋转底盘，与支架座连接固定，旋转底盘上固定着角度位置传感器挡棍，底座上固定着右前方终端角度传感器、正前方终端角度传感器、左前方终端角度传感器。
一种车载扫描式半导体激光预警雷达探测障碍物的方法，其特征在于，由控制装置控制执行以下步骤：
1）控制装置控制步进电机转动，带动激光测距装置转动，使角度位置传感器挡棍处于正前方零位角度传感器位置；
2）激光测距装置扫描发射和接收激光信号，从前方范围中探测障碍物距离，有以下步骤：
2.1）根据激光在空气中传播的速度c和每次发射和接收到障碍物反射激光信号的时间t，来计算激光测距装置与障碍物的距离L:
L=c×t×1/2（m）
2.2)以步进电机正前方为零位，步进电机的角度值为α，向左为+α，向右为-α，来计算激光测距装置与障碍物的纵向距离y为：
У=L×cos（±α）=L×cosα；
2.3）以步进电机正前方为零位，步进电机的角度值为α，向左为+α，向右为-α，来计算激光测距装置与障碍物的横向距离X为：
x=L×sin（±α）=±L×sinα；
+号表示障碍物在本车的正前方偏左方向，-号表示障碍物在本车的正前方偏右方向。
3）当激光测距装置扫描完成一个周期后，由控制装置把所测得的纵向距离和横向距离中的最小值找出来，报送声光与显示报警装置，并把所测得的数据存储起来，预备和下一周期所测得的相应值比较，对报送信息进行实时修正，始终报送的是最接近本车的障碍物信息。
4）返回到步骤1),开始下一次扫描探测。
使用时，当步进电机工作时，其转轴转动，由转轴带动支架座转动，支架座再带动旋转底盘旋转。在旋转过程中由控制装置检测角度位置传感器的位置信息。角度位置传感器挡棍安装在旋转底盘上合适的位置，旋转底盘转动时，角度位置传感器挡棍也随之转动。角度位置传感器包括三个传感器：正前方零位角度传感器、右前方终端角度传感器、左前方终端角度传感器（由光电耦合开关做成）安装在底座合适的位置。当角度位置传感器挡棍的尖端穿过角度位置传感器的中心，光电耦合开关动作，产生脉冲，作为角度位置传感器的信息送控制装置。每检测到一次角度位置传感器的信息时，控制装置要对步进电机的步数进行修正，保证激光测距装置旋转的角度误差控制在0.5°以内。当控制装置检测到正前方零位角度传感器的位置信息时，与此为依据，控制装置发射激光指令启动激光测距装置测距。设定步进电机每步进一步，对应的激光测距装置转动0.5°，激光测距装置转动的角度范围为±8°（即相对于正前方来说左右各旋转8°，该角度可以根据需要调整），左右前方的终端位置传感器是用来检测电机步进的极限位置并以该位置信息为依据控制电机反转，这两个传感器是作为激光测距装置方位判断的依据。根据步进电机的步数和角度传感器位置信息由控制装置计算出激光测距装置所测目标的方位角，并配合激光测距装置所测的距离由控制装置计算出本车与前方目标物的纵向与横向距离。
本发明的激光测距计算出激光测距装置所测障碍物的纵向与横向距离的工作原理为，其通过控制装置发出的指令驱动激光器发射激光脉冲，该激光通过发射天线和物镜送出激光，激光遇到前方的目标障碍物后被目标漫反射并返回，由激光接收探测器接收来自目标障碍物的激光回波，经放大器放大后送控制器，由控制器根据发射激光时的初始时间和激光回波接收回来的时间差解算出本车与目标障碍物的距离信息。
激光在空气中传播的速度为c，本车与目标物的距离为L，激光从发射到接收所经过的时间为t，则距离计算公式如下：
L=c×t×1/2（m）
主机部分激光扫描工作原理是当主机加电后，由控制装置完成系统的初始化，发指令给步进电机，步进电机工作，由步进电机的转轴带动激光测距装置转动，控制装置开始检测角度位置传感器的位置信息。当检测到正前方零位位置传感器的信息时，控制装置发射激光开始测距，步进电机每步进一步，就发射一次激光，并记录下每次所测的距离值和步进的角度值；当控制器检测到左右前方终端位置传感器的信息时，控制器发送电机反转指令，电机反方向转动，同样是每步进一步就发射一次激光，并记录下每次所测的距离值和步进的角度值。由控制器根据距离值和步进的角度值计算出本车与前方目标物的纵向距离和横向距离，其计算公式如下：
每次所测试的距离值为L(m)，步进电机与正前方为零位，步进的角度值为α，向左为+α，向右为-α，则本车与前方目标物的纵向距离y为：
У=L×cos（±α）=L×cosα；
本车与前方目标物的横向距离x为：
x=L×sin（±α）=±L×sinα；
+号表示目标物在本车的正前方偏左方向，-号表示目标物在本车的正前方偏右方向。
当步进电机扫描完成一周后，由控制器的计算机把所测得的纵向距离和横向距离中的最小值找出来，报送声光与显示报警装置，产生有效输出，提醒驾驶员。并把所测得的值存储起来，预备和下一周期所测得的相应值比较，对报送信息进行实时修正，始终报送的是最接近本车的障碍物信息。
使用本发明的有益效果是；采用接收光轴中心线与激光发射天线套筒的发射光轴中心线相互平行的方法，在设计上保证激光接收视场角和激光发射束散角相近，使激光发射天线的物镜口径和激光接收天线的物镜口径大小接近，减少了信号的衰减，减小了设备的体积与重量，降低了设备运行的噪声，使光轴校正工序更简单，产品的可靠性更好生产成本更低，便于批量生产。使用本发明的探测障碍物的方法，使信息数据处理更为快捷、准确、报警及时。
附图说明
附图1为本发明的示意图。
附图2为本发明的部件示意图。
附图3为本发明旋转底盘的示意图。
附图4为本发明的测距装置剖面示意图。
具体实施方式
图1中，由激光发射天线套筒（2）、激光接收天线套筒（4）、控制装置（24）和电源（23）等组成的激光测距装置固定在支架座（5）上，支架座（5）与旋转底盘（1）相固定，旋转底盘（1）安装在底座（6）上，底座（6）固定在步进电机（7）上。旋转底盘（1）上固定着角度位置传感器挡棍（11），底座（6）上固定着右前方终端角度传感器（20）、正前方终端角度传感器（19）、左前方终端角度传感器（18）。
图2中，由激光发射天线套筒（2）、激光接收天线套筒（4）、支架座（5）、压板（8）、轴套（9）、旋转底盘(1)、角度位置传感器挡棍(11)、垫片(12)、钢球套(13)、角度位置传感器(14)、底座(6)、步进电机(7)组成，压板（8）、轴套（9）安装在支架座（5）和旋转底盘(1)之间。垫片(12)、钢球套(13) 安装在旋转底盘(1)和底座(15)之间，使旋转底盘(1)可以在底座(15)上旋转。步进电机(7)的转轴（3）穿过旋转底盘(1)和底座(6)，以键连接或螺栓连接的方式与支架座（5）连接固定。
图3中，由步进电机轴(7)的转轴（3）、压板(8)、旋转底盘(10)、角度位置传感器挡棍(11)、底座(15)、右前方终端角度传感器(18)、正前方零位角度传感器(19)、左前方终端角度传感器(20)组成，右前方终端角度传感器(18)、正前方零位角度传感器(19)、左前方终端角度传感器(20)是由光敏电阻和电路组成。
图4中，激光发射天线套筒（2）、激光接收天线套筒（4）平行固定在支架座（5）上，激光发射天线套筒（2）内安装着发射物镜（17）和激光器（21），激光器（21）发光点中心与激光发射物镜(17)的中心保持一致，构成一条发射光轴中心线（15）。激光接收天线套筒（4）内安装着接收物镜(16)和探测器（22），探测器（22）的中心与接收物镜(16)的中心保持一致，构成一条接收光轴中心线（14）。发射光轴中心线（15）与接收光轴中心线（14）相互平行。
Claims (4)
1.一种车载扫描式半导体激光预警雷达，由激光测距装置、控制装置和步进电机组成，其特征在于激光测距装置的激光发射天线套筒（2）和激光接收天线套筒（4）平行固定在支架座（5）上，激光接收天线套筒（4）的接收光轴中心线（14）与激光发射天线套筒（2）的发射光轴中心线（15）相互平行，支架座（5）固定在旋转底盘（1）上，旋转底盘（1）安装在底座（6）上，底座（6）固定在步进电机（7）上，步进电机（7）的转轴（3）穿过底座（6）和旋转底盘（1），与支架座（5）连接固定。
2.根据权利要求1所述的车载扫描式半导体激光预警雷达，其特征在于旋转底盘（1）上固定着角度位置传感器挡棍（11），底座（6）上固定着右前方终端角度传感器（20）、正前方终端角度传感器（19）、左前方终端角度传感器（18）。
3.根据权利要求1所述的车载扫描式半导体激光预警雷达，其特征在于旋转底盘（1）与底座（6）之间安装着钢球套（13）。
4.一种车载扫描式半导体激光预警雷达探测障碍物的方法，其特征在于，由控制装置控制执行以下步骤：
1）控制装置控制步进电机转动，带动激光测距装置转动，使角度位置传感器挡棍处于正前方零位角度传感器位置；
2）激光测距装置扫描发射和接收激光信号，从前方范围中探测障碍物距离，有以下步骤：
2.1）根据激光在空气中传播的速度c和每次发射和接收到障碍物反射激光信号的时间t，来计算激光测距装置与障碍物的距离L:
L=c×t×1/2（m）
2.2)以步进电机正前方为零位，步进电机的角度值为α，向左为+α，向右为-α，来计算激光测距装置与障碍物的纵向距离y为：
У=L×cos（±α）=L×cosα；
2.3）以步进电机正前方为零位，步进电机的角度值为α，向左为+α，向右为-α，来计算激光测距装置与障碍物的横向距离X为：
x=L×sin（±α）=±L×sinα；
+号表示障碍物在本车的正前方偏左方向，-号表示障碍物在本车的正前方偏右方向；
3）当激光测距装置扫描完成一个周期后，由控制装置把所测得的纵向距离和横向距离中的最小值找出来，报送声光与显示报警装置，并把所测得的数据存储起来，预备和下一周期所测得的相应值比较，对报送信息进行实时修正，始终报送的是最接近本车的障碍物信息；
4）返回到步骤1),开始下一次扫描探测。
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Effective date of registration: 20130821 Address after: 432000 Xiaogan Changzheng Road, Hubei, No. 199 Applicant after: XIAOGAN HUA ZHONG PRECISION INSTRUMENT CO., LTD. Address before: 432000 Xiaogan Changzheng Road, Hubei, No. 199 Applicant before: Hubei Huazhong Photoelectric Science and Technology Ltd. |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130327 |