CN108267751A - 集成化多线激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电领域，具体而言，涉及一种集成化多线激光雷达。该雷达包括转台、集成化激光发射模块、集成化探测模块以及光学系统。光学发射系统包括准直透镜组和第一光路折转组件；光学接收系统包括第二光路折转组件和聚光组件。该雷达实现集成化激光雷达的设计和制造，通过采用集成化的激光发射模块和集成化探测模块，每台激光雷达仅包含1块探测器电路板，1～4块激光发射电路板即可实现数十线甚至上百线激光雷达。激光雷达装调时仅需微调整电路板位置即可实现数十路激光收发光路同时对齐。本发明中，激光模块数十个单元出射光路互相平行，发射光学系统负责将互相平行的数十路激光光束分散到纵向数十度空间范围，无需手工调整位置。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，具体而言，涉及一种集成化多线激光雷达。
背景技术
随着科技的不断进步，无人驾驶已经逐渐成为现实。作为无人驾驶的主力传感器，激光雷达发展迅速，从早期的单线激光雷达发展到如今的多线激光雷达，并几乎成为纯自主类无人驾驶平台不可获取的设备。
现有技术中的雷达均为多线激光雷达。这种结构的特点是激光雷达的发射模块和接收模块分置于左右两侧，发射模块中的每一个发射单元与接收模块的每一个单元一一对应，发射模块发射的激光经过发射光学镜头照射到目标并由目标返回，再通过接收光学系统聚焦到接收模块的对应单元上。电机带动承载发射模块和接收模块的旋转平台转动，对空间进行360°扫描成像。
现有技术中雷达的结构的缺点是并不是一个整体，而是由若干独立的激光发射子板和探测器子板拼接而成。现有技术中雷达的结构需要与激光雷达线数相同数量的激光发射子板和探测子板。因为多线激光雷达的出射光束在竖直方向有几十度的角度覆盖，因此这些独立的激光发射子板和探测器子板并不是互相平行，而是每一个子板都有一个特定的角度，并且每一个探测器子板要与激光发射子板相对应，需要手动调整，并且采用胶固定，非常麻烦。并且，其发射和接收子板采用微透镜对光束整形，制作安装难度高。除此之外，其光学系统焦面并不是平面，而是弧面，因此调整后的激光器和探测器呈现为弧形，不便于加工和调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成化多线激光雷达，集成化程度高，能够实现数十路激光收发光路同时对齐，且结构简单，无需手工调整位置。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
一种集成化多线激光雷达，包括：
转台；
集成化激光发射模块；集成化激光发射模块设置在转台内；
集成化探测模块；集成化探测模块设置在转台内；
光学系统；光学系统包括光学发射系统和光学接收系统；光学发射系统包括准直透镜组和第一光路折转组件；光学接收系统包括第二光路折转组件和聚光组件；其中，集成化激光发射模块发出的激光束，经过光学发射系统的准直和转向后照射在物体上；在物体表面反射后的激光束经过光学接收系统的转向和聚焦后，集成化探测模块接收激光束；以及
信号处理系统；集成化激光发射模块和集成化探测模块均电连接于信号处理系统。
在本发明较佳的实施例中，
集成化激光发射模块包括激光发射电路板以及多个激光器；
多个所述激光器成阵列设置在所述激光发射电路板上；
每一个激光器的出射光路互相平行。
在本发明较佳的实施例中，
集成化探测模块包括一个探测器电路板以及多个探测器；
多个探测器成阵列设置在探测器电路板上。
在本发明较佳的实施例中，
准直透镜组包括至少一组正交柱透镜组。
在本发明较佳的实施例中，
第一光路折转组件包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜平行设置；
第二光路折转组件包括第三反射镜和第四反射镜，第三反射镜和第四反射镜平行设置。
在本发明较佳的实施例中，
转台包括驱动部和转台本体；
驱动部传动连接于转台本体；
驱动部被配置为用于驱动转台本体转动，在转动的过程中，光学系统扫描周围的物体。
在本发明较佳的实施例中，
驱动部包括电机、固定轴以及至至少一个连接部；
电机安装在固定轴上；
转台支架安装在固定轴上，且转台本体传动连接于电机；
连接部安装在固定轴上，且连接部设置在固定轴与转台本体之间。
在本发明较佳的实施例中，
电机包括驱动电源、电机转子、电机定子；
驱动电源电连接于电机定子，电机定子安装在固定轴上；
电机转子设置在电机定子的外部；
电机转子能够在电机定子通电后形成的磁场中转动。
在本发明较佳的实施例中，
连接部包括滑环、第一轴承以及第二轴承；
第一轴承安装在固定轴的底端；
第二轴承安装在固定轴的顶端；
滑环设置在第一轴承和第二轴承之间。
一种集成化多线激光雷达，包括：
转台、底座、顶盖和激光透镜视窗，顶盖设置在转台的顶部；激光透镜视窗连接于底座和顶盖之间，且位于转台支架的外部；底座、顶盖以及激光透镜视窗形成密闭空间；
集成化激光发射模块；激光发射模块设置在转台内；
集成化探测模块；探测模块设置在转台内；
光学系统；光学系统包括光学发射系统和光学接收系统；光学发射系统包括准直透镜组和第一光路折转组件；光学接收系统包括第二光路折转组件和聚光组件；其中，集成化激光发射模块发出的激光束，经过光学发射系统的准直和转向后照射在物体上；在物体表面反射后的激光束经过光学接收系统的转向和聚焦后，集成化探测模块接收激光束。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种集成化多线激光雷达，包括：转台、集成化激光发射模块、集成化探测模块以及光学系统。其中，集成化激光发射模块设置在转台内；集成化探测模块设置在转台内。光学系统包括光学发射系统和光学接收系统；光学发射系统包括准直透镜组和第一光路折转组件；光学接收系统包括第二光路折转组件和聚光组件。其中，集成化激光发射模块发出的激光束，经过光学发射系统的准直和转向后照射在物体上；在物体表面反射后的激光束经过光学接收系统的转向和聚焦后，集成化探测模块接收激光束。该集成化多线激光雷达实现集成化激光雷达的设计和制造，通过采用集成化的激光发射模块和集成化探测模块，每台激光雷达仅包含1块探测器电路板，1～4块激光发射电路板即可实现数十线激光雷达。激光雷达装调时仅需微调整电路板位置即可实现数十路激光收发光路同时对齐。本发明中，激光模块数十个单元出射光路互相平行，发射光学系统负责将互相平行的数十路激光光束分散到纵向数十度空间范围，无需手工调整位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的第一视角的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的第二视角的结构示意图；
图3为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的第三视角的结构示意图；
图4为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的第四视角的结构示意图；
图5为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的激光电路板激光器排布的示意图；
图6为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的激光电路板探测器排布示意图；
图7为本发明第一实施例提供的集成化多线激光雷达的线集成多线激光雷达光束扫描分布范围示意图；
图8为接收光学系统非折叠光路示意图；
图9为接收光学系统折叠光路示意图。
图标：100-集成化多线激光雷达；111-第一轴承；112-第二轴承；113-滑环；114-固定轴；115-电机；116-PCB电源板；117-转台支架；118-底座；119-外壳滤光罩；120-集成化激光发射模块；130-集成化探测模块；141-准直透镜组；142-第一光路折转组件；151-第二光路折转组件；152-聚光组件；160-主控电路板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参照图1-9，本实施例提供一种集成化多线激光雷达100，其包括转台、集成化激光发射模块120、集成化探测模块130、光学系统、以及信号处理系统。
进一步地，集成化激光发射模块120设置在转台内。
进一步地，集成化激光发射模块120包括一个探测器电路板以及多个探测器；多个探测器成阵列设置在探测器电路板上。
在本实施例中，集成化激光发射模块120包括至少10个激光器以及至多4个激光发射电路板；至少10个激光器成阵列设置在至多4个激光发射电路板上；每一个激光器的出射光路互相平行。
具体地，激光发射电路板上集成了数十路半导体激光器及其驱动电路，其主要作用是发射纳秒级脉冲激光，峰值功率数十瓦，作为主动照明源。其排布方式根据需要可以排列为等间距排列和非等间距排列，根据尺寸要求，可以排列为1～4列。
在其他可选的实施例中，4线、8线等激光雷达同样可以采用这种结构。
进一步地，在本实施例中，激光器采用EEL边发射型半导体激光器，贴装于电路板边缘，出光方向垂直于电路板边缘，各激光器的出光方向互相平行。图5所示为32线激光雷达的激光器排布示意图，此为从电路板边缘方向观察视角，出光方向垂直于纸面。
进一步地，集成化探测模块130块设置在转台内。
进一步地，集成化探测模块130包括一个探测器电路板以及多个探测器；多个探测器成阵列设置在探测器电路板上。
在本实施例中，集成化探测模块130包括一个探测器电路板以及至少10个探测器；至少10个探测器成阵列设置在探测器电路板上。
具体地，探测器电路板上集成了数十路APD探测器及其放大电路，主要作用是接收目标返回的激光脉冲。探测器将目标反射的微弱光信号放大数千倍至数十万倍，将其转换为电脉冲信号，探测器输出电脉冲与对应激光器的触发激光脉冲之间的时间差，减去触发延迟即为激光飞行时间，通过激光飞行时间根据光速即可算得目标距离。探测器与激光器一一对应，其排布方式与激光光束通过发射和接收光学系统的像相同。探测器平贴于电路板上，如图6所示，探测器光敏面垂线垂直于纸面。
进一步地，集成化激光发射模块120和集成化探测模块130均电连接于信号处理系统。
具体地，在本实施例中，上述的信号处理系统包括主控电路板160。
主控电路板160负责整个集成化多线激光雷达100整机控制信号生成以及信息处理，包括激光触发信号生成、探测器门控信号生成、激光飞行时间测量、坐标解算、数据打包发送等。主控电路板160主要由集成了FPGA逻辑及ARM CPU的SOC芯片及其它辅助芯片组成，SOC芯片中FPGA逻辑部分负责各种时序信号的生成以及ps级激光飞行时间测量，ARM CPU负责数据解算和数据打包发送。
进一步地，光学系统包括光学发射系统和光学接收系统。
光学发射系统主要作用是压缩激光器出射激光的发散角，并将光束分散到纵向扫描范围内。如图7所示，32线激光雷达发射光学系统将每路激光发散角压缩至2.5mrad，并将光束分布到纵向24.8°范围内，由于转台支架117整体下倾3°，因此覆盖了-15°～+9.8°范围，纵向最小间距为0.8°。
进一步地，光学发射系统包括准直透镜组141和第一光路折转组件142。
准直透镜组141包括至少一组正交柱透镜组；每一组柱透镜组均包括至少一个柱透镜。
准直透镜组141采用柱透镜，镜片少，无需微透镜阵列，便于光路折叠，口径仅1英寸，便于布置。准直透镜组141的焦面为平面而不是曲面，无需将激光器排列成弧形。
进一步地，第一光路折转组件142包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜平行设置。
通过将第一反射镜和第二反射镜平行设置，当经过准直后的平行激光束进入到第一反射镜和第二反射镜形成的第一通道内时，能够沿着该第一通道形成光路。
进一步地，该光路在后续进行物体扫描时，能够随着转台转动，依然保持在该第一通道内，从而对物体实现全方位的扫描，进而得到更高的空间分辨率，确保在较短的时间内获得更多的空间信息来控制车速和合理避障。
进一步地，光学接收系统负责将返回激光聚焦到对应探测器上，为一个简单的光学成像系统，采用3片透镜设计，透镜间距便于光路折叠，口径1英寸。
在本实施例中，请参照图8和图9，该集成化多线激光雷达100采用了下图折叠光路。光学接收系统的焦面为平面而不是曲面，无需将探测器排列成弧形。
进一步地，光学接收系统包括第二光路折转组件151和聚光组件152。
进一步地，第二光路折转组件151包括第三反射镜和第四反射镜，第三反射镜和第四反射镜平行设置。
通过将第三反射镜和第四反射镜平行设置，当扫描了物体信息的激光束反射回来时，能够在第三反射镜和第四反射镜形成的第二通道内进行形成光路，经过聚光组件152后到达集成化探测模块130。
进一步地，聚光组件152包括至少一组透镜。
具体地，上述的透镜可以选择具有正光焦度的透镜组。
进一步地，转台包括驱动部和转台本体；驱动部传动连接于转台本体；驱动部被配置为用于驱动转台本体转动，在转动的过程中，光学系统扫描周围的物体。
具体地，转台本体包括底座118和转台支架117。转台支架117设置在底座118上。
转台支架117主要作用是为激光电路板、探测器电路板、主控电路、发射光学系统和接收光学系统提供安装平台，并在电机115驱动下转动。
进一步地，在本实施例中，该集成化多线激光雷达100采用视场角下倾设计，由转台支架117实现视场角整体下倾3～7°。如图4所示，该集成化多线激光雷达100整体视场角下倾3°。
进一步地，集成化多线激光雷达100还包括底座118、顶盖(图未示)以及外壳滤光罩119。
具体地，顶盖设置在转台的顶部；外壳滤光罩119连接于底座118和顶盖之间，且位于转台支架117的外部；底座118、顶盖以及激光透镜视窗形成密闭空间。
通过设置密封的空间，集成化激光发射模块120发射出来的激光束能够在该密闭空间内运行，进一步地提高了能量的利用率。
底座118、顶盖以及激光透镜视窗形成的外壳为激光雷达保护罩，可实现IP67级防护，防护罩中间有光学带通滤光窗口，滤除环境光干扰，透过LD激光器波长。
进一步地，驱动部包括电机115、固定轴114以及至至少一个连接部；电机115安装在固定轴114上；转台支架117安装在固定轴114上，且转台本体传动连接于电机115；连接部安装在固定轴114上，且连接部设置在固定轴114与转台本体之间。
进一步地，电机115包括驱动电源、电机转子、电机定子；驱动电源电连接于电机定子，电机定子安装在固定轴114上；电机转子设置在电机定子的外部；电机转子能够在电机定子通电后形成的磁场中转动。
电机115负责驱动旋转平台以指定转速转动，电机定子与外壳底座118相连，转子与转台支架117相连，由底板控制转速。
进一步地，驱动电源包括PCB电源板116。PCB电源板116主要负责电机115转速控制及方位测量。电机115控制由STM32单片机实现，方位测量由贴装于旋转支架底部的光栅编码盘和底板上的光电编码器共同完成。PCB电源板116上还集成了整机电源，将外部9～32V直流电源转换为12V直流电源。底板上同时包含了外数据接口，包括以太网接口、GPS接口和CAN总线。
进一步地，连接部包括滑环113、第一轴承111以及第二轴承112；第一轴承111安装在固定轴114的底端；第二轴承112安装在固定轴114的顶端；滑环113设置在第一轴承111和第二轴承112之间。滑环113电连接于驱动电源和转台本体。
需要说明的是，上述的滑环113电连接于驱动电源和转台本体包括：滑环113可以是传统电刷滑环，也可以是无线滑环，通过电磁感应、电荷耦合等方式传递能量和数据。
PCB电源板116和主控电路通过滑环113相连，滑环113用于在底座118和转台支架117间传递电能和数据。
进一步地，在本实施例中，第二轴承112选择较小的轴承，第一轴承111选择较大的轴承。
第二实施例
本实施例提供一种集成化多线激光雷达。该集成化多线激光雷达与第一实施例提供的集成化多线激光雷达的基本结构均相同，所不同之处在于，该集成化多线激光雷达不包括底座、顶盖以及激光透镜视窗。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
Claims (10)
1.一种集成化多线激光雷达，其特征在于，包括：
转台；
集成化激光发射模块；所述集成化激光发射模块设置在所述转台内；
集成化探测模块；所述集成化探测模块设置在所述转台内；
光学系统；所述光学系统包括光学发射系统和光学接收系统；所述光学发射系统包括准直透镜组和第一光路折转组件；所述光学接收系统包括第二光路折转组件和聚光组件；其中，所述集成化激光发射模块发出的激光束，经过所述光学发射系统的准直和转向后照射在物体上；在物体表面反射后的所述激光束经过所述光学接收系统的转向和聚焦后，所述集成化探测模块接收所述激光束；以及
信号处理系统；所述集成化激光发射模块和所述集成化探测模块均电连接于所述信号处理系统。
2.如权利要求1所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述集成化激光发射模块包括激光发射电路板以及多个激光器；
多个所述激光器成阵列设置在所述激光发射电路板上；
每一个所述激光器的出射光路互相平行。
3.如权利要求1所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述集成化探测模块包括一个探测器电路板以及多个探测器；
多个所述探测器成阵列设置在所述探测器电路板上。
4.如权利要求1所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述准直透镜组包括至少一组正交柱透镜组。
5.如权利要求1-4任一项所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述第一光路折转组件包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜平行设置；
所述第二光路折转组件包括第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜和所述第四反射镜平行设置。
6.如权利要求1-4任一项所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述转台包括驱动部和转台本体；
所述驱动部传动连接于所述转台本体；
所述驱动部被配置为用于驱动所述转台本体转动，在转动的过程中，所述光学系统扫描周围的物体。
7.如权利要求6所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述驱动部包括电机、固定轴以及至至少一个连接部；
所述电机安装在所述固定轴上；
所述转台本体安装在所述固定轴上，且所述转台本体传动连接于所述电机；
所述连接部安装在所述固定轴上，且所述连接部设置在所述固定轴与所述转台本体之间。
8.如权利要求7所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述电机包括驱动电源、电机转子、电机定子；
所述驱动电源电连接于所述电机定子，所述电机定子安装在所述固定轴上；
所述电机转子设置在所述电机定子的外部；
所述电机转子能够在所述电机定子通电后形成的磁场中转动。
9.如权利要求7所述的集成化多线激光雷达，其特征在于，
所述连接部包括滑环、第一轴承以及第二轴承；
所述第一轴承安装在所述固定轴的底端；
所述第二轴承安装在所述固定轴的顶端；
所述滑环设置在所述第一轴承和所述第二轴承之间；所述滑环电连接于所述驱动电源和所述转台本体。
10.一种集成化多线激光雷达，其特征在于，包括：
转台、底座、顶盖和激光透镜视窗，所述顶盖设置在所述转台的顶部；所述激光透镜视窗连接于所述底座和所述顶盖之间，且位于所述转台支架的外部；所述底座、所述顶盖以及所述激光透镜视窗形成密闭空间；
集成化激光发射模块；所述集成化激光发射模块设置在所述转台内；
集成化探测模块；所述集成化探测模块设置在所述转台内；
光学系统；所述光学系统包括光学发射系统和光学接收系统；所述光学发射系统包括准直透镜组和第一光路折转组件；所述光学接收系统包括第二光路折转组件和聚光组件；其中，所述集成化激光发射模块发出的激光束，经过所述光学发射系统的准直和转向后照射在物体上；在物体表面反射后的所述激光束经过所述光学接收系统的转向和聚焦后，所述集成化探测模块接收所述激光束。
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