CN106199556B - 一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置 - Google Patents

一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，包括从下至上依次固定连接的底座、步进电机、齿轮传动件、传动连接件、动平衡调整件、连接板、支撑件、固定装置和线阵激光测距仪，步进电机通过齿轮传动件带动上方的其他部件转动；底座内部嵌入发射线圈和无线发射模块，动平衡调整件中嵌入接收线圈，连接板内部嵌入无线接收及数据传输模块，动平衡调整件通过上方的连接板连接支撑件；支撑件为悬挂式支撑结构，可以在离心力的作用下自适应的调整激光测距仪的俯仰角度；该支架两侧对称设置锁定装置；固定装置的上方固定设置线阵激光测距仪，下方固定设置双轴倾角传感器。本发明利用磁耦合谐振原理对激光雷达进行无线供电，并利用Wi‑Fi数据传输，具有自适应调节、稳定性好、效率高、体积小等优点。

Description

一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，特别是一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置。
背景技术
车载激光雷达作为一种实时探测工具，被广泛的应用在道路检测、维护勘察，结构分析以及自主驾驶等方面。其中，自主驾驶是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标。而在自主驾驶中，雷达是一种必不可少的元素，激光雷达由于使用了激光代替了传统的声波而精度更高，抗干扰能力更强。激光雷达只需进行非接触扫描就可在短时间内获取物体和环境空间点的三维数据和信息，依靠获取的数据便能够建立完整的三维立体模型。
目前，在车辆自主驾驶领域，美国Velodyne公司的HDL-64E型64线线阵激光雷达是应用最为广泛，技术最为先进的车载线阵激光雷达。它通过电机带动线阵排列的激光测距仪在水平面内进行360°扫描，垂直视场覆盖+2至-24.8°，但是在扫描过程中，探测轴方向固定不变。但是众所周知，随着车速的增加导航传感器应能够对准更远处，正如我们人眼在速度快时会看更远地方，也就是在车速增加时激光雷达必须探测的更远一些，才能为有效的避开障碍物及行人车辆提供足够的响应时间。此外，通过滑环电刷结构实现系统供电和数据传输，这种滑环结构的存在使得装置的体积较大，而且滑环是一个空间小、导线相当密集的部件，各种电源线、信号线都在滑环内集中，因此各信号间的互感、互容效应较大，影响了数据传输的稳定性和效率，还存在严重的磨损问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，根据汽车的速度自动地调节旋转扫描速度，然后自适应地调节成像探测的俯仰角度。
实现本发明目的的技术方案为：一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，包括从下至上依次固定连接的底座、步进电机、齿轮传动件、传动连接件、动平衡调整件、连接板、支撑件、固定装置和线阵激光测距仪，其中步进电机通过齿轮传动件带动上方的其他部件转动；所述底座内部嵌入发射线圈和无线发射模块，动平衡调整件中嵌入接收线圈，连接板内部嵌入无线接收及数据传输模块，动平衡调整件通过上方的连接板连接支撑件；支撑件为悬挂式支撑支架，该支架两侧对称设置锁定装置，支撑件用于支撑固定装置，固定装置绕支撑件进行俯仰旋转并通过锁定装置固定；固定装置的上方固定设置线阵激光测距仪，下方固定设置双轴倾角传感器；
所述发射线圈及无线发射模块与接收线圈及无线接收及数据传输模块匹配形成磁耦合谐振式无线供电模块，发射线圈和接收线圈组成的电路为相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量的无线传输，将能量从电源供给端传输到用电设备吸收端；无线接收及数据传输模块包括ARM控制器、Wi-Fi无线网卡组成Wi-Fi无线数据传输模块，通过ARM控制器控制Wi-Fi无线网卡建立起无线通信链路，将数据传输给安装在车上的上位机，从而实现无线数据传输。
优选地，所述整个装置外部从上至下依次设置上部保护罩、中部保护罩和下部保护罩，使整个旋转扫描装置位于保护罩内部。
优选地，所述支撑件与固定装置的连接方式为一组相互啮合的卡扣结构。
优选地，所述锁定装置包括电磁继电器、摩擦块，固定装置下表面设置与该摩擦块对应的摩擦盘，摩擦块通过弹簧固定；当步进电机转速变化时，电磁继电器通电，将摩擦块吸住，摩擦块与固定装置下表面的摩擦盘分离；当步进电机转速稳定之后，电磁继电器断电，摩擦块在弹簧的作用下弹回，与摩擦盘接触，在摩擦力的作用下，将线阵激光测距仪在此俯仰角下固定。
优选地，所述动平衡调整件采用球式被动动平衡调节结构，动平衡调整件内设有刚性小球、固定孔、线槽开口和接收线圈凹槽，固定孔将动平衡调整件固定于传动连接件的旋转轴，刚性小球自由移动从而在不平衡力的作用下进行被动平衡。
优选地，所述底座、步进电机、齿轮传动件、传动连接件、动平衡调整件、连接板、支撑件、固定装置和线阵激光测距仪均为左右对称结构，且整个旋转扫描装置为左右对称结构。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)能够根据车辆速度自适应地调整装置扫描速度，并在离心力的作用下自适应地调节装置的探测轴俯仰角度大小，提高了探测范围和装置的适应性及探测能力；(2)引入了基于动平衡原理的探测器俯仰角调整原理，并实现了结构的设计，不但可以自适应地实现俯仰角度的调整，而且因为整个装置结构为左右对称结构，在离心力作用下实现自适应调节的同时，装置达到受力平衡的稳定状态，此时整个装置的转动惯量的中心也自动调节到旋转轴上，实现了自动动平衡调节；(3)采用磁耦合谐振式无线供电以及Wi-Fi数据传输代替滑环供电和数据传输，减小了整个装置的体积，提高了装置的便捷性及数据的传输效率；(4)采用了球式被动动平衡调节结构，提高了装置的稳定性。
附图说明
图1是本发明自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置的整体结构图。
图2是本发明自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置的整体结构爆炸视图。
图3是本发明自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置的中轴线剖视图。
图4是本发明自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置的支撑件的爆炸视图。
图5是悬挂式支撑结构的示意图，其中(a)是悬挂式支撑结构初始角度等轴视图，(b)是悬挂式支撑结构角度自动调节后的等轴视图。
图6是本发明中动平衡调整件的结构示意图。
图7是无线供电及无线数据传输模块的结构示意图。
其中，1-上部保护罩，2-线阵激光测距仪，3-固定装置，4-支撑件，5-锁定装置，6-连接板，7-中部保护罩，8-动平衡调整件，9-下部保护罩，10-步进电机，11-底座，12-双轴倾角传感器，13-传动连接件，14-齿轮传动件，15-接收线圈，16-发射线圈，17-无线接收及数据传输模块，18-无线发射模块，19-摩擦盘，20-刚性小球，21-固定孔，22-线槽开口，23-接收线圈凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1～2，本发明自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，包括从下至上依次固定连接的底座11、步进电机10、齿轮传动件14、传动连接件13、动平衡调整件8、连接板6、支撑件4、固定装置3和线阵激光测距仪2，其中步进电机10通过齿轮传动件14带动上方的其他部件转动；所述底座11内部嵌入发射线圈16和无线发射模块18，动平衡调整件8中嵌入接收线圈15，连接板6内部嵌入无线接收及数据传输模块17，动平衡调整件8通过上方的连接板6连接支撑件4；支撑件4为悬挂式支撑支架，该支架两侧对称设置锁定装置5，支撑件4用于支撑固定装置3，固定装置3绕支撑件4进行俯仰旋转并通过锁定装置5固定；固定装置3的上方固定设置线阵激光测距仪2，下方固定设置双轴倾角传感器12；
利用线阵激光测距仪2在旋转过程中的离心力作用，对支撑件4俯仰进行调节。装置的转速不同，悬挂的线阵激光测距仪2离心力大小不同，在离心力作用下，线阵激光测距仪2自动调节俯仰角度直至平衡状态。
所述发射线圈16及无线发射模块18与接收线圈15及无线接收及数据传输模块17匹配形成磁耦合谐振式无线供电模块，发射线圈16和接收线圈15组成的电路为相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量的无线传输，将能量从电源供给端传输到用电设备吸收端；无线接收及数据传输模块17包括ARM控制器、Wi-Fi无线网卡组成Wi-Fi无线数据传输模块，通过ARM控制器控制Wi-Fi无线网卡建立起无线通信链路，将数据传输给安装在车上的上位机，从而实现无线数据传输。
优选地，所述整个装置外部从上至下依次设置上部保护罩1、中部保护罩7和下部保护罩9，使整个旋转扫描装置位于保护罩内部。
优选地，所述支撑件4与固定装置3的连接方式为一组相互啮合的卡扣结构。
优选地，所述锁定装置5包括电磁继电器、摩擦块，固定装置3下表面设置与该摩擦块对应的摩擦盘19，摩擦块通过弹簧固定；当步进电机10转速变化时，电磁继电器通电，将摩擦块吸住，摩擦块与固定装置3下表面的摩擦盘19分离；当步进电机10转速稳定之后，电磁继电器断电，摩擦块在弹簧的作用下弹回，与摩擦盘19接触，在摩擦力的作用下，将线阵激光测距仪2在此俯仰角下固定。
优选地，所述动平衡调整件8采用球式被动动平衡调节结构，动平衡调整件8内设有刚性小球20、固定孔21、线槽开口22和接收线圈凹槽23，固定孔21将动平衡调整件8固定于传动连接件13的旋转轴，刚性小球20自由移动从而在不平衡力的作用下进行被动平衡。
优选地，所述底座11、步进电机10、齿轮传动件14、传动连接件13、动平衡调整件8、连接板6、支撑件4、固定装置3和线阵激光测距仪2均为左右对称结构，且整个旋转扫描装置为左右对称结构。
图2为整个装置各部分结构的爆炸视图，各个结构分离开来，可以很清楚的看出各个结构的组成以及各部分之间的连接。装置底座11内部嵌入发射线圈16及无线发射模块18，然后连接57HM2A56-254型步进电机10，57HM2A56-254型步进电机10通过齿轮传动件14带动其他部件转动，其中包括球式被动动平衡调整件；动平衡调整件8中嵌入无线供电的接收线圈15，然后上面连接悬挂式支撑件4；在线阵激光测距仪2的固定装置3下安装BWL327S双轴倾角传感器12，在悬挂式支撑件4的支架两侧对称安装锁定装置5，用以将悬挂的线阵激光测距仪2在特定的角度固定。此外，连接板6内部嵌入无线供电模块的无线接收及数据传输模块17，上部保护罩1、中部保护罩7、下部保护罩9为装置的外壳结构，使整个旋转装置位于保护罩内部。图3为整体结构的中轴线剖视图，其中标出了各个部分的重要零部件。
本发明的一种实施方式是，悬挂式支撑结构。如图4为该结构的爆炸视图。将线阵激光测距仪2嵌在其固定装置3上，然后悬挂在支撑件4的支架上。用于悬挂线阵激光测距仪2的支撑件4与固定装置3的连接方式为一组相互啮合的卡扣结构，限制了旋转范围，即控制了俯仰角度的最小值和最大值。在装置静止或者低速时，卡扣结构的下边缘接触限制，限制了俯仰的最小角度。当转速很高时，卡扣结构的上边缘接触限制，限制了俯仰的最大角度。然后，对转速进行分段设置，根据装置的实际情况，当车速为0-30km/h时，装置的转速为a转/秒；当车速为30-60km/h时，转速为b转/秒；当车速为60-90km/h时，转速为c转/秒，当车速为90-120km/h时，装置的转速为d转/秒，以此类推。从搭载的汽车上获取车速，根据汽车的速度不同，控制57HM2A56-254步进电机10的转速。装置的转速不同，悬挂的线阵激光测距仪2离心力大小不同。根据F＝mω2r，装个装置质量m一定，旋转半径r一定，当转速越大，角速度ω越大，其离心力F也就越大。离心力F的方向沿着半径r背离旋转中心，在离心力、重力和支持力的作用下，线阵激光测距仪2沿着支点旋转，调节离心力的方向，直至三力在某一位置达到平衡，从而达到此速度下的稳定状态。而且整个扫描旋转装置是左右对称的结构，通过在离心力作用下达到的平衡状态，也起到了很好的动平衡调节的作用，使得整个装置的转动惯量中心自动调节到旋转中心上，使得整个装置更加稳定。如图5为不同俯仰角度的悬挂装置的对比图，图5(a)为初始角度时，悬挂式支撑件4的俯仰状态，图5(b)为在某一转速下，俯仰角度变大之后的悬挂式支撑件4结构图。在俯仰角度稳定之后，利用锁定装置5中的电磁继电器和摩擦块，将线阵激光雷达在任意角度固定。其作用方式为，当转速变化时，电磁继电器通电，将摩擦块吸住，摩擦块与对应的线阵激光雷达固定装置3下面的摩擦盘19分离；当转速稳定之后，电磁继电器断电，摩擦块在弹簧的作用下弹回，与摩擦盘19接触，在摩擦力的作用下，将线阵激光测距仪2在此俯仰角下固定。双轴倾角传感器12固定在线阵激光雷达的固定装置3正下方，保证装置左右平衡，然后可以实时的精确测量线阵激光测距仪2的俯仰角度，方便后面对激光测距点云数据的处理和恢复。
本发明的一种实施方式，还包括球式被动调节结构，如图6为被动动平衡结构。当装置在超临界状态下运行时，其初始不平衡会超前挠性变形相应一个钝角或接近180°，此时能自由移动的补偿质量在离心力作用下就会向转自挠曲“低点”移动，其结果会抵消或部分抵消转子初始不平衡，从而达到“自动定心降低震动的效果”。结构简单、可靠、不需要提供外部能源。图6中设有可以自由移动的刚性小球20，在不平衡力的作用下进行被动平衡。固定孔21将动平衡调整件8卡在旋转轴上。接收线圈凹槽23为放置无线供电接收线圈的位置。
本发明的一种实施方式，还包括对线阵激光测距仪2的无线供电和Wi-Fi数据传输。磁耦合谐振式无线供电，主要是利用两个具有相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量从电源供给端向用电设备吸收端的无线传输。利用共振技术，发射线圈16和接收线圈15在相同频率下工作，不仅能量的传输效率会大大提高，其传输距离也会大大增加。此技术主要利用近磁场谐振耦合，其辐射小，方向性要求不高，适合中等距离传输，传输效率较高并且能量传输不受空间障碍物影响，能量传输效果与系统频率及线圈的制作密度密切相关。无线接收及数据传输模块17包括ARM控制器、Wi-Fi无线网卡组成Wi-Fi无线数据传输模块，数据采集系统将采集到的数据传输给控制核心，控制核心将数据存入存储器，并对数据进行压缩处理将其打包成文件，通过ARM控制器控制Wi-Fi无线网卡建立起无线通信链路，将数据传输给安装在车上的上位机，从而实现无线数据传输。上位机对接收到的数据进行解压处理后在界面上显示出来。无线传输部分采用TCP/IP协议，利用Socket技术进行数据的传输。
如图7，将磁耦合谐振式无线供电的发射线圈16放置在装置底座11内，其相关电路无线发射模块18也固定在装置底座11内，然后通过车内电瓶给发射电路供电。磁耦合谐振式无线供电的接收线圈15嵌在被动球式平衡装置即动平衡调整件8的线圈凹槽23中，在图6中的动平衡调整件8中设计线槽开口22进行电路走线，其电路部分即无线接收及数据传输模块17嵌在悬挂式支撑件4的底板槽内。发射线圈16及相关电路部分无线发射模块18和接收线圈15及相关电路部分无线接收及数据传输模块17匹配形成磁耦合谐振式无线供电模块，两线圈组成的电路为相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量从电源供给端到用电设备吸收端的无线传输。无线接收及数据传输模块17也嵌在悬挂式支撑件4的底板槽内，无线接收及数据传输模块17包括ARM控制器，Wi-Fi无线网卡等组成。通过ARM控制器控制Wi-Fi建立起无线通信链路，将数据传输给安装在车上的上位机。Wi-Fi模块功耗低，传输效率高，从而实现实时传输和处理。
整个装置的设计，与其他同类结构相比，可以实现俯仰角度的自动调节，巧妙的利用在不同转速下的离心力的作用，在实现不同转速下不同俯仰角度自动调节的同时，还可以实现自动的动平衡调节，其次还包括球式被动动平衡调节；由于激光雷达的激光、探测器以及各部分电路的供电功率并不大，通过磁耦合谐振式无线供电，减小了整个装置的体积，整个装置的大小约为14cm×11cm×17cm；同时，利用Wi-Fi无线数据传输也提高了数据传输和处理的效率。
综上，本发明由线阵激光测距仪、悬挂式支撑件、动平衡调整件、齿轮式传动件、步进电机、无线供电模块、无线数据传输模块、保护罩以及装置底座等组成，设计的旋转扫描装置能根据汽车的行驶速度调整旋转扫描速度，然后在离心力驱动下，自适应调节激光雷达探测轴的俯仰角。在此基础上，利用磁耦合谐振原理对激光雷达进行无线供电，并利用Wi-Fi数据传输，具有自适应调节、稳定性好、效率高、体积小等优点。

Claims (6)

1.一种自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，其特征在于：包括从下至上依次固定连接的底座(11)、步进电机(10)、齿轮传动件(14)、传动连接件(13)、动平衡调整件(8)、连接板(6)、支撑件(4)、固定装置(3)和线阵激光测距仪(2)，其中步进电机(10)通过齿轮传动件(14)带动上方的其他部件转动；所述底座(11)内部嵌入发射线圈(16)和无线发射模块(18)，动平衡调整件(8)中嵌入接收线圈(15)，连接板(6)内部嵌入无线接收及数据传输模块(17)，动平衡调整件(8)通过上方的连接板(6)连接支撑件(4)；支撑件(4)为悬挂式支撑支架，该支架两侧对称设置锁定装置(5)，支撑件(4)用于支撑固定装置(3)，固定装置(3)绕支撑件(4)进行俯仰旋转并通过锁定装置(5)固定；固定装置(3)的上方固定设置线阵激光测距仪(2)，下方固定设置双轴倾角传感器(12)；
所述发射线圈(16)及无线发射模块(18)与接收线圈(15)及无线接收及数据传输模块(17)匹配形成磁耦合谐振式无线供电模块，发射线圈(16)和接收线圈(15)组成的电路为相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量的无线传输，将能量从电源供给端传输到用电设备吸收端；无线接收及数据传输模块(17)包括ARM控制器、Wi-Fi无线网卡组成Wi-Fi无线数据传输模块，通过ARM控制器控制Wi-Fi无线网卡建立起无线通信链路，将数据传输给安装在车上的上位机，从而实现无线数据传输。
2.根据权利要求1所述的自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，其特征在于：所述装置外部从上至下依次设置上部保护罩(1)、中部保护罩(7)和下部保护罩(9)，使整个旋转扫描装置位于保护罩内部。
3.根据权利要求1所述的自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，其特征在于：所述支撑件(4)与固定装置(3)的连接方式为一组相互啮合的卡扣结构。
4.根据权利要求1所述的自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，其特征在于：所述锁定装置(5)包括电磁继电器、摩擦块，固定装置(3)下表面设置与该摩擦块对应的摩擦盘(19)，摩擦块通过弹簧固定；当步进电机(10)转速变化时，电磁继电器通电，将摩擦块吸住，摩擦块与固定装置(3)下表面的摩擦盘(19)分离；当步进电机(10)转速稳定之后，电磁继电器断电，摩擦块在弹簧的作用下弹回，与摩擦盘(19)接触，在摩擦力的作用下，将线阵激光测距仪(2)在此俯仰角下固定。
5.根据权利要求1所述的自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，其特征在于：所述动平衡调整件(8)采用球式被动动平衡调节结构，动平衡调整件(8)内设有刚性小球(20)、固定孔(21)、线槽开口(22)和接收线圈凹槽(23)，固定孔(21)将动平衡调整件(8)固定于传动连接件(13)的旋转轴，刚性小球(20)自由移动从而在不平衡力的作用下进行被动平衡。
6.根据权利要求1所述的自主驾驶用车载激光雷达的旋转扫描装置，其特征在于：所述底座(11)、步进电机(10)、齿轮传动件(14)、传动连接件(13)、动平衡调整件(8)、连接板(6)、支撑件(4)、固定装置(3)和线阵激光测距仪(2)均为左右对称结构，且整个旋转扫描装置为左右对称结构。
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