CN107167813A - 光学雷达 - Google Patents

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CN107167813A CN201710360944.3A CN201710360944A CN107167813A CN 107167813 A CN107167813 A CN 107167813A CN 201710360944 A CN201710360944 A CN 201710360944A CN 107167813 A CN107167813 A CN 107167813A
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Abstract

本发明公开一种光学雷达，其中，光学雷达包括：雷达本体、发光组件、导光件、光电接收组件和处理器；发光组件设于雷达本体上，发光组件向目标物体发射第一光线；导光件导光件与雷达本体的距离为定值，发光组件向导光件发射第二光线；光电接收组件设于雷达本体上，光电接收组件接收经目标物体反射的第一光线，以及经导光件传输的第二光线，并将第一光线和第二光线转化为电信号；处理器设于雷达本体上，处理器与光电接收组件电连接，处理器用以计算目标物体与雷达本体的检测距离，以及导光件与雷达本体的检测距离。本发明所提供的光学雷达通过发射第二光线作为校准光线，校准光学雷达系统误差。

Description

光学雷达
技术领域
本发明涉及雷达领域，特别涉及一种光学雷达。
背景技术
雷达广泛用于测量目标物体与其他物体之间的距离、以及其他物体相对于目标物体之间的速度，例如行驶中的汽车或者飞行器与周围障碍物之间的距离和相对速度。
以市场上主流的非扫描式光学雷达为例，简单介绍光学雷达的工作过程：非扫描式光学雷达包括一个发光器和一个接收器。发光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并被反射回来，最终被接受其所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回来的传播时间。鉴于光速是已知的，测量出的传播时间即可被转换为对距离的测量。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术存在以下问题：由于环境温度变化以及测量系统电路部分发热都会对处理器距离测量产生一定的误差，特别是距离较近时，该误差所占比重将明显增大，使得雷达无法正常判断是否将要发生碰撞事件。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种光学雷达，旨在校准光学雷达测距时的系统误差。
为实现上述目的，本发明提出的光学雷达，包括：
雷达本体；
发光组件，设于所述雷达本体上，所述发光组件向目标物体发射第一光线；
导光件，所述导光件与所述雷达本体的距离为定值，所述发光组件向所述导光件发射第二光线；
光电接收组件，设于所述雷达本体上，所述光电接收组件接收经目标物体反射的所述第一光线，以及经所述导光件传输的第二光线，并将所述第一光线和第二光线转化为电信号；
处理器，设于所述雷达本体上，所述处理器与所述光电接收组件电连接，所述处理器用以计算目标物体与所述雷达本体的检测距离，以及所述导光件与所述雷达本体的检测距离；
所述光学雷达根据所述导光件与所述光学雷达之间的测量距离与实际距离的差值来计算所述光学雷达的系统误差。
优选地，所述发光组件包括第一发光器，所述第一发光器用以发射所述第一光线和第二光线。
优选地，所述发光组件包括第一发光器和第二发光器，所述第一发光器用以发射所述第一光线，所述第二发光器用以发射所述第二光线。
优选地，所述光电接收组件包括第一光电接收器，所述第一光电接收器用以接收经目标物体反射的所述第一光线以及经所述导光件传输的所述第二光线。
优选地，所述光电接收组件包括第一光电接收器和第二光电接收器，所述第一光电接收器用以接收经目标物体反射的所述第一光线，所述第二光电接收器用以接收经所述导光件传输的所述第二光线。
优选地，所述导光件为反光板。
优选地，所述导光件为导光透镜。
优选地，所述光学雷达还包括第一透镜，所述第一透镜用以在所述第一光线到达目标物体之前聚焦所述第一光线。
优选地，所述光学雷达还包括第二透镜，所述第二透镜用以在所述第一光线经目标物体反射后聚焦所述第一光线。
优选地，所述光学雷达还包括滤光片，所述滤光片用以过滤环境中除所述第一光线以外的光线。
本发明所提供的光学雷达通过向导光件发射第二光线，导光件与雷达本体的距离为定值，通过计算经光学雷达检测到的导光件与雷达本体之间的距离与导光件与雷达本体之间的实际距离之间的差值，来得到光学雷达的系统误差系数，可以有效地校正由于温度等环境的变化引起的处理器(图中未示)测量目标物体的位置时产生的误差，提高测量稳定性和测量精度，特别是近处故障物体的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明光学雷达一实施例的结构示意图；
图2为本发明光学雷达另一实施例的结构示意图；
图3为本发明光学雷达又一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称 标号 名称
1 雷达本体 112 第二发光器 162 导光透镜
2 目标物体 141 第一透镜 121 第一光电接收器
11 隔光板 142 第二透镜 122 第二光电接收器
111 第一发光器 161 反光板 15 滤光片
17 光通道
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种光学雷达，用于测量所述光学雷达与目标物体2的距离或所述目标物体2的速度。
在本发明实施例中，如图1所示，该光学雷达包括：
雷达本体1；
发光组件，设于所述雷达本体1上，所述发光组件向目标物体2发射第一光线；
导光件，所述导光件与所述光学雷达的距离为定值，所述发光组件向所述导光件发射第二光线；
光电接收组件，设于所述雷达本体1上，所述光电接收组件接收经目标物体2反射的所述第一光线，以及经所述导光件传输的第二光线，并将所述第一光线和第二光线转化为电信号；
处理器(图中未示)，设于所述雷达本体1上，所述处理器(图中未示)与所述光电接收组件电连接，用以计算目标物体2与所述光学雷达的检测距离，以及所述导光件与所述光学雷达的检测距离；
光学雷达根据导光件与光学雷达之间的测量距离与实际距离的差值来计算光学雷达的系统误差。
在本实施例中，需要测量目标物体2的距离时，发光组件向目标物体2发射第一光线，第一光线被反射后被光电接收组件接收，光电接收组件将第一光线转化为可以处理的电信号，由于光速恒定，处理器(图中未示)可以通过目标物体2与光学雷达之间时间差或相位差来测量目标物体2相对光学雷达的位置，或通过至少两次测量目标物体2的位置来测量目标物体2的速度，以判断与目标物体2是否要发生相撞。
需要校准时，发光组件向导光件发射第二光线，第二光线经导光件导向被光电接收组件接收，并被转化为可以处理的电信号，导光件与雷达本体1的距离本为已知的定值，经过处理器(图中未示)测量到的导光件与雷达本体1之间的距离为带有光学雷达系统误差的距离，根据两者的差可以计算到系统的误差系数，以该该误差作为校正零点，通过校正算法可以校正第一光线的测量距离的漂移，以得到更为准确的距离测量结果，具体地，可以通过设计通过误差计算雷达的系统误差的程序或软件，也可人工计算。
具体地，发光组件可为激光器或LED发光器，其中，LED发光器可发射可见光及紫外、红外等不可见光。特别地，当发光组件为LED发光器时，可使用平面发光器或通过移除LED发光器上的硅胶透镜使该LED发光器变为平面发光器，可使减小第一光线的发射角度。
光电接收组件可为PIN光电二极管或APD雪崩管，PIN光电二极管灵敏度高，且噪声低，
本发明所提供的光学雷达通过向导光件发射第二光线，导光件与雷达本体的距离为定值，通过计算经光学雷达检测到的导光件与雷达本体之间的距离与导光件与雷达本体之间的实际距离之间的差值，来得到光学雷达的系统误差系数，可以有效地校正由于温度等环境的变化引起的处理器(图中未示)测量目标物体2的位置时产生的误差，提高测量稳定性和测量精度，特别是近处故障物体的测量精度。
进一步地，如图2、3所示，所述发光组件包括第一发光器111，所述第一发光器111用以发射第一光线和第二光线。
在本实施例中，在需要测量目标物体2的距离时，第一发光器111向目标物体2发射第一光线，需要校准时，第一发光器111向导光件发射第二光线，如此通过一个发光器即可实现测量和校准，节省了器材，使光学雷达的结构更为精简。为了使导光件在测量目标物体2的距离时第一光线不被导光件遮挡，导光件可旋转，在校准时，导光件才朝向目标物体2。图2和图3示出了第一发光器111即发射第一光线也发射第二光线的实施方式。
进一步地，如图1所示，所述发光组件包括第一发光器111和第二发光器112，所述第一发光器111用以发射所述第一光线，所述第二发光器112用以发射所述第二光线。
在本实施例中，第一发光器111和第二发光器112可以同时工作，以快速的测量目标物体2的准确位置。除此之外，可以调整第二发光器112的位置使之靠近第一光电接收器121，以减小第二光线的传播距离，以降低除环境因素的干扰，提高测量目标物体2的位置的准确性。
进一步地，如图1和2所示，所述光电接收组件包括第一光电接收器121，所述第一光电接收器121用以接收经所述目标物体2反射的所述第一光线以及经所述导光件导向的所述第二光线。
在本实施例中，第一光线和第二光线共用第一光电接收器121，节约成本，使光学雷达的结构更为精简。
进一步地，如图3所示，所述光电接收组件包括第一光电接收器121和所述第一光电接收器121，所述第一光电接收器121用以接收经所述目标物体2反射的所述第一光线，所述第二光电接收器122用以接收经所述导光件导向的所述第二光线。
在本实施例中，可以调整第二光电接收器122的位置使之靠近第一发光器111，以减小第二光线的传播距离，以降低环境因素的干扰，提高测量目标物体2的位置的准确性。
进一步地，如图1和2所示，所述导光件为反光板161。在本实施例中，利用反射原理测量导光件与雷达本体1之间的距离，结果精确，算法简便，且反光板161容易制得，成本较低。特别地，反光板161可根据需要改变材料与颜色，以达到不同的效果。
进一步地，所述导光件为导光透镜162。在本实施例中，为了使第二光线按照预设的光路照射，可以设计相应的导光透镜162，使第二光线穿过导光透镜162，且沿着预设的轨迹发射，同时，该导光透镜162可以设置过滤功能，能过滤非第二光线的波长的光线。
进一步地，如图1、2和3所示，所述光学雷达还包括第一透镜141，所述第一透镜141用以在所述第一光线到达目标物体2之前聚焦所述第一光线。
在本实施例中，特别的，该光学雷达还包括发射驱动器，处理器(图中未示)通过发射驱动器调制一个特定频率的正弦波信号或者脉冲信号，由于发光器发散角度通常较大，第一透镜141将第一光线准直为一束发散角度小较小的光波，提高光波利用率，以提高远距离测量能力。经测量，第一光线经第一透镜141准直后发散角小于10°。也可在发光组件和导光件之间设置第一透镜141，以聚焦第二光线，提高第二光线的测量精度。
进一步地，所述第一透镜141为平凸透镜或聚光杯。在本实施例中，平凸透镜和聚光杯均可将平行光汇聚成点光源，若使用聚光杯，将聚光杯的小口设置在第一发光器111的后面，大口设置在第一发光器111的前面。当然，第一透镜141的选取不限于此，只要能实现聚光的装置均可作为第一透镜141。
进一步地，如图1、2和3所示，所述光学雷达还包括第二透镜142，所述第二透镜142用以在所述第一光线经目标物体2反射后聚焦所述第一光线。
在本实施例中，第二透镜142也可为平凸透镜，或其他可聚焦或准直光线的装置。若使用平凸透镜，将平凸透镜平面的一侧朝向第一发光器111，将平凸透镜凸的一侧朝向目标物体2。也可在光电接收组件和导光件之间设置第二透镜142，以聚焦第二光线，提高第二光线的测量精度。
进一步地，所述光学雷达还包括滤光片15，所述滤光片15用以过滤环境中除所述第一光线以外的光线。
在本实施例中，接收透镜不仅接收到反射光波，还会接收到环境光，滤光片15的通带与第一光线的波长相近，滤光片15用以过滤掉非第一光线光波的环境光等其他光，降低其他光线的干扰，提高测量的精度。
进一步地，雷达本体1上设有将第一光线和第二光线隔开的隔光板11，以避免第一光线和第二光线彼此相互干扰。
根据以上各实施方式的结合，现图1、图2和图3分别示出了三种该光学雷达的实施例。
图1示出了实施例一，该光学雷达包括雷达本体1、发光组件、导光件、光电接收组件和处理器(图中未示)，发光组件设于所述雷达本体1上，所述发光组件向目标物体2发射第一光线；导光件所述导光件与所述光学雷达的距离为定值，所述发光组件向所述导光件发射第二光线；光电接收组件设于所述雷达本体1上，所述光电接收组件接收经目标物体2反射的所述第一光线，以及经所述导光件传输的第二光线，并将所述第一光线和第二光线转化为电信号；处理器(图中未示)设于所述雷达本体1上，所述处理器(图中未示)与所述光电接收组件电连接，用以计算目标物体2与所述光学雷达的检测距离，以及所述导光件与所述光学雷达的检测距离。
发光组件包括第一发光器111和第二发光器112，光电接收组件包括第一光电接收器121，导光件为反光板161，第一发光器111和目标物体2之间设有第一透镜141，目标物体2和第一光电接收器121之间设有第二透镜142，第二透镜142和第一光电接收器121之间设有滤光片15。
需要测量目标物体2的距离时，处理器(图中未示)单元通过发射驱动器在第一光源光波中调制一个特定频率的正弦波信号或者脉冲信号，由于发光器发散角度通常较大，需要通过第一透镜141将第一光线准直为一束发散角度较小的光波，以提高远距离测量能力。第一光线照射到目标物体2后被反射到被第一光电接收器121接收，第一光电接收器121将第一光线转化为可以处理的电信号，由于接收到的第一光线是光波通过发射到接收之间传播路径延时的信号，由于光速恒定，处理器(图中未示)可以通过目标物体2与光学雷达之间时间差或相位差来测量目标物体2相对光学雷达的位置，或通过至少两次测量目标物体2的位置来测量目标物体2的速度，以判断与目标物体2是否要发生相撞。
需要校准时，第二发光器112向反光板161发射第二光线，第二光线经反光板161反射后被第一光电接收器121接收，并被转化为可以处理的电信号，反光板161与雷达本体1的距离本为已知的定值，经过处理器(图中未示)测量到的反光板161与雷达本体1之间的距离为带有光学雷达系统误差的距离，根据两者的差可以计算到系统的误差系数，以该该误差作为校正零点，通过校正算法可以校正第一光线的测量距离的漂移，以得到更为准确的距离测量结果。
图2示出了实施例二，该光学雷达包括雷达本体1、发光组件、导光件、光电接收组件和处理器(图中未示)，发光组件设于所述雷达本体1上，所述发光组件向目标物体2发射第一光线；导光件所述导光件与所述光学雷达的距离为定值，所述发光组件向所述导光件发射第二光线；光电接收组件设于所述雷达本体1上，所述光电接收组件接收经目标物体2反射的所述第一光线，以及经所述导光件传输的第二光线，并将所述第一光线和第二光线转化为电信号；处理器(图中未示)设于所述雷达本体1上，所述处理器(图中未示)与所述光电接收组件电连接，用以计算目标物体2与所述光学雷达的检测距离，以及所述导光件与所述光学雷达的检测距离。
发光组件包括第一发光器111，光电接收组件包括第一光电接收器121，导光件为反光板161，第一发光器111和目标物体2之间设有第一透镜141，目标物体2和第一光电接收器121之间设有第二透镜142，第二透镜142和第一光电接收器121之间设有滤光片15，另外，导光件和第一光电接收器121之间还设有光通道17。
需要测量目标物体2的距离时，处理器(图中未示)单元通过发射驱动器在第一光源光波中调制一个特定频率的正弦波信号或者脉冲信号，由于发光器发散角度通常较大，需要通过第一透镜141将第一光线准直为一束发散角度较小的光波，以提高远距离测量能力，此时，将反光板161偏转一个角度，使第一光线照射至目标物体2上。第一光线照射到目标物体2后被反射到被第一光电接收器121接收，第一光电接收器121将第一光线转化为可以处理的电信号，由于接收到的第一光线是光波通过发射到接收之间传播路径延时的信号，由于光速恒定，处理器(图中未示)可以通过目标物体2与光学雷达之间时间差或相位差来测量目标物体2相对光学雷达的位置，或通过至少两次测量目标物体2的位置来测量目标物体2的速度，以判断与目标物体2是否要发生相撞。
需要校准时，第一发光器111向反光板161发射第二光线，第二光线经反光板161反射，由于第一光电接收器121和第一发光器111之间有一段距离，在反光板161和第一光电接收器121之间设置一个光通道17，以减少第二光线在空气中传播时发生不必要的折射和反射，提高测量精度，第二光线被第一光电接收器121接收，并被转化为可以处理的电信号，反光板161与雷达本体1的距离本为已知的定值，经过处理器(图中未示)测量到的反光板161与雷达本体1之间的距离为带有光学雷达系统误差的距离，根据两者的差可以计算到系统的误差系数，以该该误差作为校正零点，通过校正算法可以校正第一光线的测量距离的漂移，以得到更为准确的距离测量结果。
图3示出了实施例三，该光学雷达包括雷达本体1、发光组件、导光件、光电接收组件和处理器(图中未示)，发光组件设于所述雷达本体1上，所述发光组件向目标物体2发射第一光线；导光件所述导光件与所述光学雷达的距离为定值，所述发光组件向所述导光件发射第二光线；光电接收组件设于所述雷达本体1上，所述光电接收组件接收经目标物体2反射的所述第一光线，以及经所述导光件传输的第二光线，并将所述第一光线和第二光线转化为电信号；处理器(图中未示)设于所述雷达本体1上，所述处理器(图中未示)与所述光电接收组件电连接，用以计算目标物体2与所述光学雷达的检测距离，以及所述导光件与所述光学雷达的检测距离。
发光组件包括第一发光器111，光电接收组件包括第一光电接收器121和第二光电接收器122，导光件为导光通道17，第一发光器111和目标物体2之间设有第一透镜141，目标物体2和第一光电接收器121之间设有第二透镜142，第二透镜142和第一光电接收器121之间设有滤光片15。
需要测量目标物体2的距离时，处理器(图中未示)单元通过发射驱动器在第一光源光波中调制一个特定频率的正弦波信号或者脉冲信号，由于发光器发散角度通常较大，需要通过第一透镜141将第一光线准直为一束发散角度较小的光波，以提高远距离测量能力。第一光线照射到目标物体2后被反射到被第一光电接收器121接收，第一光电接收器121将第一光线转化为可以处理的电信号，由于接收到的第一光线是光波通过发射到接收之间传播路径延时的信号，由于光速恒定，处理器(图中未示)可以通过目标物体2与光学雷达之间时间差或相位差来测量目标物体2相对光学雷达的位置，或通过至少两次测量目标物体2的位置来测量目标物体2的速度，以判断与目标物体2是否要发生相撞。
需要校准时，第一发光器111偏转一个角度，向导光通道17发射第二光线，第二光线经导光通道17导向，第二光线被第一光电接收器121接收，并被转化为可以处理的电信号，导光通道17与雷达本体1的距离本为已知的定值，经过处理器(图中未示)测量到的导光通道17与雷达本体1之间的距离为带有光学雷达系统误差的距离，根据两者的差可以计算到系统的误差系数，以该该误差作为校正零点，通过校正算法可以校正第一光线的测量距离的漂移，以得到更为准确的距离测量结果。
进一步地，该光学雷达还包括用于将处理器(图中未示)测量到的距离或相对速度传递给所述上层处理单元的通讯接口，通讯接口与处理器(图中未示)电连接。
进一步地，与该光学雷达相连的上位机可通过通讯接口下发指令设置需要的阈值，到该光学雷达发现距离小于近处阈值或者大于远处阈值时，立刻向上位机报警。
进一步地，所述反光板161的相对所述第二光线的角度可调节。在本实施例中，可根据发射第二光线的发射装置与第二光线经反射或导向的接收装置之间的距离改变反光板161的相对该发射装置的角度。仅调节反光板161相对发射装置的角度就能适应不同的环境。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学雷达，其特征在于，包括：
雷达本体；
发光组件，设于所述雷达本体上，所述发光组件向目标物体发射第一光线；
导光件，所述导光件与所述雷达本体的距离为定值，所述发光组件向所述导光件发射第二光线；
光电接收组件，设于所述雷达本体上，所述光电接收组件接收经目标物体反射的所述第一光线，以及经所述导光件传输的第二光线，并将所述第一光线和第二光线转化为电信号；
处理器，设于所述雷达本体上，所述处理器与所述光电接收组件电连接，所述处理器用以计算目标物体与所述雷达本体的检测距离，以及所述导光件与所述雷达本体的检测距离；
所述光学雷达根据所述导光件与所述光学雷达之间的测量距离与实际距离的差值来计算所述光学雷达的系统误差。
2.如权利要求1所述的光学雷达，其特征在于，所述发光组件包括第一发光器，所述第一发光器用以发射所述第一光线和第二光线。
3.如权利要求1所述的光学雷达，其特征在于，所述发光组件包括第一发光器和第二发光器，所述第一发光器用以发射所述第一光线，所述第二发光器用以发射所述第二光线。
4.如权利要求1所述的光学雷达，其特征在于，所述光电接收组件包括第一光电接收器，所述第一光电接收器用以接收经目标物体反射的所述第一光线以及经所述导光件传输的所述第二光线。
5.如权利要求1所述的光学雷达，其特征在于，所述光电接收组件包括第一光电接收器和第二光电接收器，所述第一光电接收器用以接收经目标物体反射的所述第一光线，所述第二光电接收器用以接收经所述导光件传输的所述第二光线。
6.如权利要求1所述的光学雷达，其特征在于，所述导光件为反光板。
7.如权利要求1所述的光学雷达，其特征在于，所述导光件为导光透镜。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的光学雷达，其特征在于，所述光学雷达还包括第一透镜，所述第一透镜用以在所述第一光线到达目标物体之前聚焦所述第一光线。
9.如权利要求1-7中任意一项所述的光学雷达，其特征在于，所述光学雷达还包括第二透镜，所述第二透镜用以在所述第一光线经目标物体反射后聚焦所述第一光线。
10.如权利要求1-7中任意一项所述的光学雷达，其特征在于，所述光学雷达还包括滤光片，所述滤光片用以过滤环境中除所述第一光线以外的光线。
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