CN106019297A - 一种2d激光雷达扫描系统及其装置 - Google Patents

一种2d激光雷达扫描系统及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种2D激光雷达扫描系统及其装置，包括激光测距设备，主控电路板，用于带动光学转镜转动的传动装置，归零开关，用于将主控电路板与数据处理设备之间通信的通信端口；用于处理数据信息和显示的数据处理设备，激光测距设备测得当前方向的距离信息，然后将距离信息传递给与之相连的主控电路板，主控电路板同时与归零开关和传动装置相连，归零开关传递给主控电路板扫描的起始角度，主控电路板发送控制脉冲控制传动装置的匀速转动，并获取当前的角度信息，主控电路板将实时的距离和角度信息记录，通过通讯端口将信息传递给数据处理设备，数据处理设备处理并显示当前的扫描结果。

Description

一种 2D 激光雷达扫描系统及其装置
技术领域
本发明涉及一种激光雷达扫描领域，具体涉及一种2D激光雷达扫描系统及其装置。
背景技术
激光雷达广泛应用于扫描监测目标障碍物尺寸及与其它物体之间的距离、以及目标障碍物的运行速度，例如铁路铁轨上障碍物尺寸，以及铁轨与障碍物之间的距离及相对速度。
以目前市场上主流的扫描激光雷达为例，简要的介绍激光雷达的工作原理。扫描激光雷达包括一个激光发射器、一个激光接收器和一个云台。激光发射器发射一束激光脉冲，经过目标物体反射后，被激光接收器接收。激光接收器准确的测量光脉冲从激光发射到激光接收之间的时间。而光速是已知的，测量出来的激光传播时间可以转化为对激光传播的距离。而云台不停的旋转，可以实现不同方向上的距离测量，得到激光扫描截面上的距离和角度信息。随着人们对安全性要求的提高，要求有更高的扫描精确度和更快的扫描速度。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有技术的不足，提供一种2D激光雷达扫描系统及其装置，解决现有激光雷达扫描装置不能满足高速扫描和高分辨率监测，无法实现快速的距离测量的问题。
本发明的通过下述技术方案实现：
一种2D激光雷达扫描系统，包括用于快速精确测距的激光测距设备，用于处理距离信息和光学转镜的角度信息的主控电路板，用于带动光学转镜转动的传动装置，用于初始化扫描角度的归零开关，用于将主控电路板与数据处理设备之间通信的通信端口；用于处理数据信息和显示的数据处理设备，所述激光测距设备测得当前方向的距离信息，然后将距离信息传递给与之相连的主控电路板，所述主控电路板同时与归零开关和传动装置相连，归零开关传递给主控电路板扫描的起始角度，主控电路板发送控制脉冲控制传动装置匀速转动，并获取当前的角度信息，主控电路板将实时的距离和角度信息记录，通过通讯端口将信息传递给数据处理设备，数据处理设备处理并显示当前的扫描结果。
进一步的，所述激光测距设备包括：用于激光光束发射的激光发射模块、用于接收激光回波光束的激光接收模块、用于处理激光回波光束的激光电路模块；所述激光发射模块和激光接收模块被封装成一体化的模块，激光发射光束和激光回波经同一光窗发射和接收；所述激光电路模块与激光发射模块和激光接收模块相连接。
进一步的，所述传动装置还包括光学转镜，上述光学转镜用于激光的发射和接收，所述光学转镜与传动装置相连接。
进一步的，所述激光测距设备的发射激光光束包括但不限于红外激光光束，所述光束发散角为小于3mrad。
进一步的，所述激光测距模块设备测距速度包括但不限于最低为10KHz。
进一步的，所述传动装置采用的驱动装置包括但不限于无刷直流伺服电机。
进一步的，所述通讯端口采用RS422、RS232或Ethernet。
实现本发明目的的另一技术方案：一种2D激光雷达扫描装置，包括激光测距设备、电机和光学转镜，所述电机设置在基座上，所述光学转镜通过旋转座与电机平行设置在基座上，所述电机的皮带轮与光学转镜的旋转轮通过带连接同步匀速转动，所述激光测距设备通过角架设置在电机上并与光学转镜在同一水平线上，所述激光测距设备发射激光光束到光学转镜的反射面上，所述光学转镜的反射面与出射激光成45°夹角，垂直出射的激光经光学转镜的反射面后平行出射，当光束照射到障碍物上之后，会发生反射，即为回波信号，所述回波信号再次经过光学转镜，反射到激光测距设备的接收光窗中，测得当前的距离信息，当光学转镜在电机的带动下匀速旋转时，激光测距设备能测得各个方向上的距离信息，不同角度的距离信息通过设置在基座上通讯端口上传数据处理设备后，经处理显示当前的扫描障碍物信息结果。
进一步的，所述电机采用无刷直流伺服电机。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的关键点在于采用简单的结构（低成本），实现高速、高分辨率、中远距离的扫描监测。
2、本发明的保护点在于实现该种扫描方式的结构以及转动扫描结构，以较简单的结构实现快速的大角度、快速的扫描监测。
3、本发明能够有效的利用空间，使雷达装置的集成度更高，同时将电机和转镜放置在同一个支座上，使中心降低，只需要让激光测距设备与光学转镜处于同一中心上，使集成更方便。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种2D激光雷达扫描系统原理示意图；
图2为本发明一种2D激光雷达扫描装置前端示意图；
图3为本发明一种2D激光雷达扫描装置后端示意图；
图4为本发明激光测距设备的原理示意图；
图5为本发明激光雷达的扫描光路的示意图；
附图中标记及相应的零部件名称：
1-激光测距设备，2-主控电路板，3-传动装置，4-归零开关，5-通讯端口，6-数据处理设备，201-激光测距设备，202-电机，203-光学转镜，204-旋转座,205-通讯端口，206-旋转轮，207-基座，208-皮带轮。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1和4所示，本发明一种2D激光雷达扫描系统，包括用于精确快速的激光测距设备1，激光测距设备1包括：用于激光光束发射的激光发射模块、用于接收激光回波光束的激光接收模块、用于处理激光回波光束的激光电路模块。激光发射模块和激光接收模块被封装成一体化的模块，激光发射光束和激光回波经同一光窗发射和接收。激光电路模块与激光发射模块和激光接收模块相连接。
激光测距设备1能够快速、精确的测得当前方向的距离信息，然后将距离信息传递给与之相连的主控电路板2，主控电路板2同时与归零开关4和传动装置3相连，归零开关4传递给主控电路板2扫描的起始角度，主控电路板2发送控制脉冲控制传动装置3的匀速转动，并获取当前的角度信息，主控电路板2将实时的距离和角度信息记录，通过通讯端口5将信息传递给数据处理设备6，数据处理设备6处理并显示当前的扫描结果。
传动装置还包括光学转镜，用于激光的发射和接收，所述光学转镜与传动装置相连接。光学转镜需要较高的反射率和表面平整度。归零开关需要有较高的响应频率，降低因开关延迟导致的误差。激光测距设备，其发射激光光束包括但不限于红外激光光束，光束发散角为小于3mrad。激光测距模块设备，测距速度包括但不限于最低为10KHz。传动装置，采用驱动装置包括但不限于无刷直流伺服电机。通讯端口，可能包括RS422、RS232、Ethernet等。
如图2-3所示，本发明一种2D激光雷达扫描装置，包括激光测距设备201、电机202和光学转镜203，所述电机202设置在基座207上，光学转镜203通过旋转座204与电机202平行设置在基座207上，电机202的皮带轮208与光学转镜203的旋转轮206通过带连接同步匀速转动，激光测距设备201通过角架设置在电机202上并与光学转镜203在同一水平线上，激光测距设备201发射激光光束到光学转镜203的反射面上，光学转镜203的反射面与出射激光成45°夹角，垂直出射的激光经光学转镜203的反射面后平行出射，当光束照射到障碍物上之后，会发生反射，即为回波信号，所述回波信号再次经过光学转镜203，反射到激光测距设备201的接收光窗中，测得当前的距离信息，当光学转镜203在电机202的带动下匀速旋转时，激光测距设备201能测得各个方向上的距离信息，不同角度的距离信息通过设置在基座207上通讯端口205上传数据处理设备后，经处理显示当前的扫描障碍物信息结果。
如图4所示，激光测距设备201包括：用于激光光束发射的激光发射模块、用于接收激光回波信号的激光接收模块、用于处理激光回波信号的激光电路模块；所述激光发射模块和激光接收模块被封装成一体化的模块，激光发射光束和激光回波经同一光窗发射和接收；所述激光电路模块与激光发射模块和激光接收模块相连接。
激光测距设备201的发射激光光束包括但不限于红外激光光束，所述光束发散角为小于3mrad。激光测距模块设备201测距速度包括但不限于最低为10KHz。电机202采用无刷直流伺服电机。
如图5所示，本发明一种2D激光雷达扫描装置原理，激光测距模块发射的激光光束经过光学转镜反射后，会打到目标物上，经由目标障碍物反射后，激光回波被光学转镜反射回激光接收模块，这个时间极短，随着光学转镜的转动，可以快速的扫描得到角度和距离信息，从而实现监控区域内的障碍物监测。该监测具有极大的范围，且可以精确的反应目标障碍物的尺寸及其运动速度。
上述激光测距设备201可以采用已有的激光测距模块，脉冲式或相位式激光测距模块，激光测距设备的信号载波可选用可见光或红外光，如905nm载波，测距的频率可选择10KHz极其以上速率，在确定扫描频率的情况下，为提高分辨率，可选择更高测距频率的激光测距设备。
上述光学转镜203可以采用镀银反射面，其反射率可选择95%以上。
上述电机202可以采用无刷直流伺服电机，可选参数为3000转/min。
可选地，光学转镜203还可以采用其余形状的结构，表面作镀膜和保护处理。
可选地，电机202可以配较高精度的编码器，提高角度的精度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种2D激光雷达扫描系统，包括用于快速精确测距的激光测距设备（1），用于处理距离信息和光学转镜的角度信息的主控电路板（2），用于带动光学转镜转动的传动装置（3），用于初始化扫描角度的归零开关（4），用于将主控电路板与数据处理设备之间通信的通信端口（5）；用于处理数据信息和显示的数据处理设备（6），其特征在于：所述激光测距设备（1）测得当前方向的距离信息，然后将距离信息传递给与之相连的主控电路板（2），所述主控电路板（2）同时与归零开关（4）和传动装置（3）相连，归零开关（4）传递给主控电路板（2）扫描的起始角度，主控电路板（2）通过发送控制脉冲以控制传动装置（3）匀速转动，并获取当前的角度信息，主控电路板（2）将实时的距离和角度信息记录，通过通讯端口（5）将信息传递给数据处理设备（6），数据处理设备（6）处理并显示当前的扫描结果。
2.根据权利要求1所述的2D激光雷达扫描系统，其特征在于，所述激光测距设备（1）包括：用于激光光束发射的激光发射模块、用于接收激光回波光束的激光接收模块、用于处理激光回波光束的激光电路模块；所述激光发射模块和激光接收模块被封装成一体化的模块，激光发射光束和激光回波经同一光窗发射和接收；所述激光电路模块与激光发射模块和激光接收模块相连接。
3.根据权利要求1所述的2D激光雷达扫描系统，其特征在于，所述传动装置（3）还包括光学转镜，上述光学转镜用于激光的发射和接收，所述光学转镜与传动装置（3）相连接。
4.根据权利要求3所述的2D激光雷达扫描系统，其特征在于，所述激光测距设备的发射激光光束包括但不限于红外激光光束，所述光束发散角为小于3mrad。
5.根据权利要求4所述的2D激光雷达扫描系统，其特征在于，所述激光测距模块设备（1）测距速度包括但不限于最低为10KHz。
6.根据权利要求5所述的2D激光雷达扫描系统，其特征在于，所述传动装置（3）采用的驱动装置包括但不限于无刷直流伺服电机。
7.根据权利要求6所述的2D激光雷达扫描系统，其特征在于，所述通讯端口采用RS422、RS232或Ethernet。
8.一种实施权利要求1-7任一项权利要求的2D激光雷达扫描装置，包括激光测距设备（201）、电机（202）和光学转镜（203），其特征在于：所述电机（202）设置在基座（207）上，所述光学转镜（203）通过旋转座（204）与电机（202）平行设置在基座（207）上，所述电机（202）的皮带轮（208）与光学转镜（203）的旋转轮（206）通过带连接同步匀速转动，所述激光测距设备（201）通过角架设置在电机（202）上并与光学转镜（203）在同一水平线上，所述激光测距设备（201）发射激光光束到光学转镜（203）的反射面上，所述光学转镜（203）的反射面与出射激光成45°夹角，垂直出射的激光经光学转镜（203）的反射面后平行出射，当光束照射到障碍物上之后，会发生反射，即为回波信号，所述回波信号再次经过光学转镜（203），反射到激光测距设备（201）的接收光窗中，测得当前的距离信息，当光学转镜（203）在电机（202）的带动下匀速旋转时，激光测距设备（201）能测得各个方向上的距离信息，不同角度的距离信息通过设置在基座（207）上通讯端口（205）上传数据处理设备后，经处理显示当前的扫描障碍物信息结果。
9.根据权利要求8所述的2D激光雷达扫描装置，其特征在于，所述电机（202）采用无刷直流伺服电机。
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