CN108445467B - 一种扫描激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种扫描激光雷达系统，扫描激光雷达系统包括：壳体、激光测距组件以及反射组件，激光测距组件与反射组件设置在壳体上，激光测距组件的激光收发口朝向反射组件，反射组件至少包括第一反射镜、第二反射镜以及旋转机构，第一反射镜与第二反射镜设置在旋转机构上，第一反射镜和第二反射镜与旋转机构的轴向方向之间的夹角分别为第一预设角度和第二预设角度。通过上述方式，本申请能够同时得到目标测量物体的宽度、高度以及距离信息，并根据该宽度、高度以及距离信息建立目标测量物体的三维信息。

Description

一种扫描激光雷达系统

技术领域

本申请涉及激光雷达探测技术领域，特别是涉及一种扫描激光雷达系统。

背景技术

扫描激光雷达系统是利用激光束对周围物体进行感知的设备，以点云数据的形式反映周围物体的位置及形貌。光学系统控制激光在系统中的传播方向及汇聚发散，是扫描激光雷达系统区别于其他工作机制的雷达的关键，光学系统的结构形式决定了整个扫描激光雷达系统的结构形式。

本申请的申请人在长期的研发过程中，发现现有技术的扫描激光雷达系统发射一束激光脉冲，经过单面反射镜反射后，每次只能形成一个方向上的反射激光，因此，每次只能进行一个方向的扫描，从而只能得到目标测量物体的距离和宽度信息，无法能够同时得到障碍物的三维信息(距离、宽度和高度信息)。

申请内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种扫描激光雷达系统，能够将机械扫描结构与激光光学系统有效的结合在一起，能够同时得到目标测量物体的宽度、高度以及距离信息。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种扫描激光雷达系统，扫描激光雷达系统包括：壳体、激光测距组件以及反射组件，激光测距组件与反射组件设置在壳体上，激光测距组件的激光收发口朝向反射组件，反射组件至少包括第一反射镜、第二反射镜以及旋转机构，第一反射镜与第二反射镜设置在旋转机构上，第一反射镜和第二反射镜与旋转机构的轴向方向之间的夹角分别为第一预设角度和第二预设角度；其中，激光测距组件用于发射激光信号，旋转机构用于带动第一反射镜与第二反射镜旋转，反射组件用于根据第一预设角度和第二预设角度改变激光信号的光路并反射激光信号给目标测量物体，并将目标测量物体反射回来的多个回波信号投射给激光测距组件，激光测距组件还用于接收多个回波信号，并根据多个回波信号得到目标测量物体的宽度、高度以及距离信息；其中，所述第一预设角度与所述第二预设角度不相同。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请提供一种扫描激光雷达系统，通过设置第一反射镜、第二反射镜以及旋转机构，可以改变激光信号的光路，每次扫描能够形成至少两个方向上的激光信号，该至少两个方向上的激光信号遇到目标测量物体后，目标测量物体反射该激光产生多个不同方向的回波信号，多个回波信号再次经第一反射镜、第二反射镜回到激光测距组件中，也就是说，经第一反射镜、第二反射镜反射后的激光信号和回波信号至少均在两个平面上，以使激光测距组件能够根据多个回波信号得到目标测量物体的宽度、高度以及距离信息，因此，本申请能够同时得到目标测量物体的宽度、高度以及距离信息，并根据该宽度、高度以及距离信息建立目标测量物体的三维信息。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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申请的一些实施方式，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的附图。其中：

图1是现有技术中激光雷达的结构示意图；

图2是本申请扫描激光雷达系统一实施方式的结构示意图；

图3是图2中激光测距组件以及反射组件的局部结构示意图；

图4是本申请扫描激光雷达系统另一实施方式的结构示意图；

图5是本申请扫描激光雷达系统又一实施方式的结构示意图；

图6是本申请扫描激光雷达系统再一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

扫描激光雷达系统是利用激光束对周围物体进行感知的设备，以点云数据的形式反映周围物体的位置及形貌。扫描激光雷达系统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，例如汽车前方的障碍物尺寸，以及汽车与障碍物之间的距离及相对速度。其中，光学系统控制激光在系统中的传播方向及汇聚发散，是扫描激光雷达系统区别于其他工作机制的雷达的关键，光学系统的结构形式决定了整个扫描激光雷达系统的结构形式。

参阅图1，图1是现有技术中激光雷达的结构示意图，该激光雷达包括单线激光发射光学系统101，单面反射镜102，激光接收光学系统103，基座104，通讯端口105。单线激光发射光学系统101的出射光束经单面反射镜102的反射面，平行出射，出射光束遇到障碍物后，障碍物会将一定的光反射，反射的激光为回波信号，该回波信号再次经单面反射镜102的反射面回到激光接收光学系统103中，经处理后得到障碍物的距离信息。

然而，现有技术的单线激光发射光学系统101发射一束激光脉冲，经过单面反射镜102反射后，只能形成一个方向上的出射光束，因此，每次扫描激光接收光学系统103只能接受到一个方向上的回波信号，也就是说，回波信号在一个平面上，最终只能得到障碍物的宽度以及距离信息，无法能够同时得到障碍物的三维信息。

参阅图2和图3，图2是本申请扫描激光雷达系统一实施方式的结构示意图，图3是图2中激光测距组件以及反射组件的局部结构示意图。该扫描激光雷达系统20包括：壳体21、激光测距组件22以及反射组件23。

激光测距组件22与反射组件23设置在壳体21上，激光测距组件22的激光收发口220朝向反射组件23，反射组件23至少包括第一反射镜23a、第二反射镜23b以及旋转机构231，第一反射镜23a与第二反射镜23b设置在旋转机构231上，第一反射镜23a和第二反射镜23b与旋转机构231的轴向方向之间的夹角分别为第一预设角度α和第二预设角度β。其中，激光测距组件22用于发射激光信号A，旋转机构231用于带动第一反射镜23a与第二反射镜23b旋转，反射组件23用于根据第一预设角度α和第二预设角度β改变激光信号A的光路并反射激光信号A给目标测量物体30，并将目标测量物体30反射回来的多个回波信号B投射给激光测距组件22，激光测距组件22还用于接收多个回波信号B，并根据多个回波信号B得到目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息。

具体地，在本实施方式中，激光测距组件22与反射组件23并列设置在壳体21内，激光测距组件22与反射组件23有一定间隙，激光测距组件22的激光收发口220朝向反射组件23，激光测距组件22用于发射激光，反射组件23用于反射激光至目标测量物体30，并将目标测量物体30反射回的激光投射到激光测距组件22上，激光测距组件22还用于接收目标测量物体30反射回的激光。

为实现反射组件23改变激光信号A的光路且每次扫描能够形成至少两个方向上的激光信号A的目的，反射组件23至少包括第一反射镜23a和第二反射镜23b。在其他实施方式中，反射组件23还可以包括多棱镜，例如三棱镜、四棱镜、五棱镜等，在此不做限定。其中，第一反射镜23a与第二反射镜23b呈一定夹角设置，例如30度、45度、60度、90度、120度，在此不做限定。在其它实施方式中，第一反射镜23a与第二反射镜23b相交设置，具体地，第一反射镜23a和第二反射镜23b可实际相交，也可虚拟相交(即通过虚拟的延伸镜面而实现相交)。选择虚拟相交和实际相交对于本领域技术人员而言可根据具体运用场景进行选择，并不局限于单一的相交形式。

第一反射镜23a和第二反射镜23b与旋转机构231的轴向方向之间的夹角分别为第一预设角度α和第二预设角度β，第一预设角度α可以为0-180度，例如0度、45度、90度、135度、180度；第二预设角度β可以为0-180度，例如0度、45度、90度、135度、180度，在此不做限定。同时，在本实施方式中，反射组件23的旋转轴与激光测距组件22的光轴垂直。为实现第一反射镜23a和第二反射镜23b能装于旋转机构231上且随旋转机构231作360度旋转，旋转机构231可以由电机驱动旋转。

激光测距组件22的出射光束经反射组件23的第一反射镜23a和第二反射镜23b反射，反射光束遇到目标测量物体30后，目标测量物体30会将一定的光反射，反射的激光为回波信号B，回波信号B再次经第一反射镜23a和第二反射镜23b回到激光测距组件22的激光收发口220中。同时，旋转机构231带动第一反射镜23a和第二反射镜23b反射以一定的速度匀速旋转，在旋转过程中，对应不同的第一预设角度α和第二预设角度β，激光测距组件22都会测得不同角度的距离信息，经处理计算后，最终得到目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息。

通过上述方式，本实施方式提供一种扫描激光雷达系统20，通过设置第一反射镜23a、第二反射镜23b以及旋转机构231，可以改变激光信号A的光路，每次扫描能够形成至少两个方向上的激光信号A，该至少两个方向上的激光信号A遇到目标测量物体30后，目标测量物体30反射该激光产生多个不同方向的回波信号B，多个回波信号B再次经第一反射镜23a、第二反射镜23b回到激光测距组件22中，也就是说，经第一反射镜23a、第二反射镜23b反射后的激光信号A至少在两个平面上，回波信号B至少在两个平面上，以使激光测距组件22能够根据多个回波信号B得到目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息，因此，本申请能够同时得到目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息，并根据该宽度、高度以及距离信息建立目标测量物体的三维信息。

其中，第一预设角度α与第二预设角度β不相同。本实施方式中，第一反射镜23a、第二反射镜23b根据第一预设角度α与第二预设角度β改变激光信号A的光路，每次扫描能够形成两个不同方向上的激光信号A，该两个不同方向上的激光信号A遇到目标测量物体30后，目标测量物体30反射该激光产生多个不同方向的回波信号B，多个回波信号B再次经第一反射镜23a、第二反射镜23b回到激光测距组件22中，以使激光测距组件22能够根据多个回波信号B得到目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息，因此，本申请能够同时得到目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息。

参阅图4，图4是本申请扫描激光雷达系统另一实施方式的结构示意图，在本实施方式中，该激光测距组件22包括激光发射光学系统221和激光接收光学系统222，激光发射光学系统221及激光接收光学系统222相邻平行设置且激光发射光学系统221及激光接收光学系统222的光轴平行。

其中，激光发射光学系统221用于发射激光信号A，反射组件23还用于根据第一预设角度α和第二预设角度β改变激光信号A的光路并反射激光信号A给目标测量物体30，并将目标测量物体30反射回来的多个回波信号B投射给激光接收光学系统222上，激光接收光学系统222用于接收多个回波信号B，并根据多个回波信号B获取目标测量物体30的宽度、高度以及距离信息。

具体地，在本实施方式中，激光发射光学系统221和激光接收光学系统222相邻设置在激光测距组件22内部，激光发射光学系统221的激光发射口与激光接收光学系统222的激光接收口平行设置，激光发射口与激光接收口均朝向反射组件23。激光发射光学系统221和激光接收光学系统222的光轴平行，激光发射光学系统221和激光接收光学系统222的光轴垂直于反射组件23的旋转轴。激光发射光学系统221用于发射激光，反射组件23用于反射激光至目标测量物体30，并将目标测量物体30反射回的激光(回波信号B)投射到激光接收光学系统222上，激光接收光学系统222用以接收目标测量物体30反射回的回波信号B。

通过上述方式，本实施方式在实现三维扫描的同时，可以有效解决激光雷达光学系统设计中激光发射光学系统221与激光发射光学系统221的紧凑性布局的问题，减小激光雷达中光学系统的横向跨度，进而减少激光雷达光学系统的总体积，为激光雷达系统实现小型化设计提供良好的基础。

其中，在一实施方式中，激光发射光学系统221及激光接收光学系统222的光轴平行但不重合。

参阅图5，图5是本申请扫描激光雷达系统又一实施方式的结构示意图，在本实施方式中，激光发射光学系统221包括激光发射器2211及第一准直器2212，第一准直器2212用于改善激光发射器2211发射的激光信号A的性能。

其中，激光发射器2211用于发射激光信号A，对整个激光雷达来说，激光发射器2211是最为重要的一部分，且需要满足小巧的体积、小的功耗、稳定的性能以及更好的发散角。本实施例中多采用的激光发射器2211可以为包括但不限于半导体激光器、光纤激光器、固体激光器以及发光二极管(LED)中的固体激光器以及发光二极管(LED)中的激光发射器2211为半导体激光器，具体可以是半导体激光二极管，其优点是体积小、结构简单、可直接调制以及效率高。当然，在其它实施例中也可以采用上述任一所述的发射元件作为激光发射器件，本申请不做进一步地限定。

第一准直器2212，用于改善激光发射器2211发射的激光信号A的性能。因激光发射器2211发射的激光信号A可能存在象散、形状不对称以及具有几度到几十度不等的发散角度，为保证其定位的准确性，故需对激光信号A进行准直和整形，使得激光信号A发散角有效的压缩，成为符合要求形状的光束。其中，第一准直器2212可以为包括但不限于普通透镜组合准直系统、非球面单透镜的准直系统、长焦距大孔径的光学系统、柱面镜力口普通光学系统、宏/围观光学元件结合准直系统以及光纤和普通透镜组合准直系统中的一种。本实施例中所采用的第一准直器2212为普通透镜组合准直系统，在其它实施例中可以采用上述任一所述的准直光学系统对激光发射器2211发出的激光信号A进行准直和整形处理，本申请不做进一步限定。此外，在本申请具体的应用场景中，激光发射器2211和第一准直器2212可共同装载于同一载体，也可安装在不同的载体上，以使得最终满足激光发射器2211出射的激光信号A在第一准直器2212的焦点上。其中，第一反射镜23a、第二反射镜23b用于改变第一准直器2212进行准直和整形后的光束的传播方向，并将其反射至目标测量物体30上进行探测，且第一反射镜23a、第二反射镜23b将由目标测量物体30水平反射回来的激光信号A投射到激光接收光学系统222中。

继续参阅图5，在本实施方式中，激光接收光学系统222包括激光接收器2221及第二准直器2222，第二准直器2222用于改善接收到目标反射回的回波信号B的性能，并将性能改善后的回波信号B投射至激光接收器2221，激光接收器2221接收性能改善后的回波信号B。

其中，激光接收器2221可以为光电探测器、硅光电池以及成像探测器中的一种。

具体地，本申请中的激光接收光学系统222进一步包括第二准直器2222及激光接收器2221。激光接收光学系统222的作用是尽可能的收集经目标反射后的光能量，并将其汇聚到激光接收器2221的光敏面上，以提高探测距离，且一般接收光学系统的光学增益越大，对提高探测距离所起的作用就越大。

其中，第二准直器2222用于改善接收到目标反射回的激光信号A的性能，并将性能改善后的激光信号A投射至激光接收器2221。可选地，第二准直器2222可以为包括但不限于采用普通透镜组合准直系统、非球面单透镜的准直系统、长焦距大孔径的光学系统、柱面镜力口普通光学系统、宏/围观光学元件结合准直系统以及光纤和普通透镜组合准直系统中的一种。本实施例中所采用的第二准直器2222为普通透镜组合准直系统，用于将第二反射元件B接收到的由目标水平反射回来的激光信号A进行准直和整形，使得激光信号A进行汇聚变成激光点光斑投射到激光接收器2221上。

激光接收器2221，用于接收经过第二准直器2222后性能改善的回波信号B，本实施例中多采用的激光接收器2221可以为包括但不限于光电探测器、硅光电池以及成像探测器中的一种。在激光接收光学系统222中，激光接收器2221是核心部件，故本申请中采用光电探测器作为激光接收器2221，具体可以是光电二极管，再进一步可以为高内部增益、体积小以及可靠性高的雪崩光电二极管。在其它实施例中也可以采用上述任一所述的激光接收器2221，本申请不做进二步地限定。此外，在本申请一应用场景中，激光接收器2221和第二准直器2222可共同装载于同一载体，也可安装在不同的载体上，以使得最终满足激光接收器2221接收的激光信号A在第二准直器2222的焦点上。

继续参阅图2，扫描激光雷达系统20包括测距头支座24；其中，测距头支座24设置在壳体21上，激光测距组件22设置在测距头支座24上。

其中，在一实施方式中，旋转机构包括轴承座、电机、码盘及旋转件；其中，电机固定在轴承座上，电机分别连接码盘和旋转件；电机用于根据码盘的透光栅格总数与转动角驱动旋转件旋转至预设位置。

继续参阅图2和图6，图6是本申请扫描激光雷达系统再一实施方式的结构示意图。扫描激光雷达系统20还包括连接器25，连接器25分别与激光测距组件22和处理器40耦接；其中，激光测距组件22用于通过连接器25将获取目标测量物体的宽度、高度以及距离信息发送给处理器40，处理器40用于处理目标测量物体的宽度、高度以及距离信息，并根据该宽度、高度以及距离信息计算得到目标测量物体的三维信息。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种扫描激光雷达系统，其特征在于，所述扫描激光雷达系统包括：壳体、激光测距组件以及反射组件，所述激光测距组件与所述反射组件设置在所述壳体上，所述激光测距组件的激光收发口朝向所述反射组件，所述反射组件至少包括第一反射镜、第二反射镜以及旋转机构；其中，所述旋转机构用于带动所述第一反射镜与所述第二反射镜旋转，所述第一反射镜与所述第二反射镜设置在所述旋转机构上且随所述旋转机构做360度旋转，所述第一反射镜和所述第二反射镜与所述旋转机构的轴向方向之间的夹角分别为第一预设角度和第二预设角度，所述第一预设角度与所述第二预设角度不相同；

其中，所述激光测距组件包括激光发射光学系统和激光接收光学系统，所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统相邻平行设置在所述激光测距组件的内部，且所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴平行，所述激光发射光学系统和所述激光接收光学系统的光轴垂直于所述反射组件的旋转轴；

其中，所述激光发射光学系统用于发射激光信号，所述反射组件还用于根据所述第一预设角度和所述第二预设角度改变所述激光信号的光路并反射所述激光信号给目标测量物体，并将所述目标测量物体反射回来的多个回波信号投射给所述激光接收光学系统上，所述激光接收光学系统用于接收所述多个回波信号，并根据所述多个回波信号获取所述目标测量物体的宽度、高度以及距离信息。

2.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射光学系统及所述激光接收光学系统的光轴平行但不重合。

3.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射光学系统包括激光发射器及第一准直器，所述第一准直器用于改善所述激光发射器发射的激光信号的性能。

4.根据权利要求3所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射器为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器以及发光二极管中的一种。

5.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收光学系统包括第二准直器及激光接收器，所述第二准直器用于改善接收到目标反射回的激光信号的性能，并将性能改善后的激光信号投射至所述激光接收器，所述激光接收器接收所述性能改善后的激光信号。

6.根据权利要求5所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收器为光电探测器、硅光电池以及成像探测器中的一种。

7.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述扫描激光雷达系统包括测距头支座；其中，所述测距头支座设置在所述壳体上，所述激光测距组件设置在所述测距头支座上。

8.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述旋转机构包括轴承座、电机、码盘及旋转件；其中，所述电机固定在所述轴承座上，所述电机分别连接所述码盘和所述旋转件；所述电机用于根据所述码盘的透光栅格总数与转动角驱动所述旋转件旋转至预设位置。

9.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述扫描激光雷达系统还包括连接器，所述连接器分别与所述激光测距组件和处理器耦接；

其中，所述激光测距组件用于通过所述连接器将获取的所述宽度、高度以及距离信息发送给所述处理器，所述处理器用于处理所述宽度、高度以及距离信息。

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