CN108445469A - 一种多线激光雷达的转镜扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线激光雷达的转镜扫描装置，包括由微控制器(5)和供电电源(7)构成的电源控制模块(21)、由激光器阵列(10)构成的激光发射模块(22)、由光束会聚透镜(8)和半反半透镜(2)构成的光束调整模块(23)、由扫描转盘(6)和直角反射棱镜(4)构成的转镜扫描模块(24)以及由激光雷达接收机(9)构成的激光接收处理模块(25)，激光雷达接收机(9)根据激光飞行时间和反射光线的方向轨迹得到各时间障碍物的方向信息。与现有技术相比，本发明减小了激光雷达系统的体积，并使用扫描转镜替代了传统产品的整体转动，减小了硬件的摩擦损耗，有效地降低了负载电机的功耗。

Description

一种多线激光雷达的转镜扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，特别涉及一种多线激光雷达的转镜扫描装置。

背景技术

无人驾驶技术如今是国际上讨论研究的热点，而车载激光雷达是无人驾驶技术中被用于环境感知的优质传感器。为满足汽车高速行驶过程中各类特殊的要求，车载激光雷达需要具有体积小、重量轻、作用距离远、速度分辨率高、距离分辨率高、数据处理速度快等特点。现在的车载激光雷达产品也趋于多样化，多种线程的激光雷达设备根据不同的需要在不同场景的环境感知中起着十分重要的作用。激光雷达与激光测距仪的显著不同在于它实现了一定角度范围的扫描功能，而合理的扫描方法可以极大程度上的减小激光雷达设备的体积和重量。

主流多线激光雷达多由为国外公司制造，提高了国内无人驾驶技术研究的成本。国内也有数家企业进行相关产品的研究，但是因为起步较晚，现推出的产品难以达到无人驾驶汽车对激光雷达的参数要求。

现有技术中的多线激光雷达主要使用的扫描方式为机械扫描，如Velodyne公司生产的HDL系列以及VLP系列、Quanergy公司生产的M8等。此类激光雷达在工作状态下，固定底座静止不动，设备上部整体转动，这就导致了在工作中会产生较大的摩擦损耗，同时也需要较大的负载电机功耗。这在一定程度上降低了设备的使用寿命，同时提高了耗电量。

因此自主研发具有新形态扫描方式的激光雷达产品，对于国内相关行业发展和研究具有重要应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多线激光雷达的转镜扫描装置，通过计算得到目标障碍物与测量装置的相对位置信息，从而准确判断出测量装置前后有效探测范围内的障碍物。

本发明提出的一种多线激光雷达的转镜扫描装置，该装置包括由微控制器5和供电电源7构成的电源控制模块21、由激光器阵列10构成的激光发射模块22、由光束会聚透镜8和半反半透镜2构成的光束调整模块23、由扫描转盘6和直角反射棱镜4构成的转镜扫描模块24以及由激光雷达接收机9构成的激光接收处理模块25；

其中，供电电源7与微控制器5、扫描转盘6的电机、激光器阵列10、激光雷达接收机9之间使用电缆连接，微控制器5与激光器阵列10和扫描转盘6相接，直角反射棱镜4的直角面刚性固定在扫描转盘6的旋转面上，激光器阵列10排列置于装置顶部，激光雷达接收机9置于半反半透镜2侧方，微控制器5与供电电源1置于装置底部，装置外壳正向80°和背向80°与直角反射棱镜等高处有环形透光窗。

本发明提出了一种多线激光雷达的转镜扫描方法，该方法包括以下步骤：

微控制器5接收扫描转盘6的位置数据，判断是否处于扫描转盘6的工作范围内；如否，调整扫描转盘6的位置到正确后；如是，再由激光器阵列10产生多条平行激光光束；经过半反半透镜2后射向光束会聚透镜8，经光束会聚透镜8调整后射向直角反射棱镜4斜面上的同一点处，再由直角反射棱镜4反射到前方区域探测目标；扫描转盘6带动直角反射棱镜4进行匀速旋转，反射光线通过直角反射棱镜4和光束会聚透镜8后，经半反半透镜2进入激光雷达接收机9，再由激光雷达接收机9根据激光飞行时间和反射光线的方向轨迹得到各时间障碍物的方向信息；所述方向信息包括目标障碍物相对于激光雷达的距离S和目标障碍物相对于激光雷达的俯仰角θ_{激光雷达的俯仰}和偏转角φ_{激光雷达的偏转}；

距离S的计算公式为：

其中，S表示目标障碍物相对于激光雷达的距离，c表示光速，T表示激光从激光器阵列被发射到被激光雷达接收机接收之间的飞行时间；

俯仰角θ_{激光雷达的俯仰}和偏转角φ_{激光雷达的偏转}的计算公式为：

对所述方向向量的变化轨迹建立坐标系：以直角反射棱镜4斜面上的会聚点为原点，平行于水平面但垂直于激光器阵列方向为x轴，平行于激光器阵列方向为y轴，垂直于水平面方向为z轴；

其中，反射光线最终的方向向量x,y,z由以下的表达式具体得出：

与现有技术相比，本发明提出一种多线激光雷达的转镜扫描装置，通过紧凑激光器阵列和整体垂直分布结构有效的减小了激光雷达系统的体积，并使用扫描转镜替代了传统产品的整体转动，减小了硬件的摩擦损耗，与固定底座相连的扫描转盘更加稳定，仅由扫描转盘与直角反射棱镜构成的扫描模块结构简单，有效地降低了负载电机的功耗。

附图说明

图1为本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置结构的剖面图；

图2为本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置功能模块图；

图3为会聚光线经直角反射棱镜的反射光路示意图；

图4为本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置在单周期内扫描轨迹方向仿真示意图(5线)，5线代表激光器阵列中包含5个激光器，；

图5为本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置在有效范围内扫描轨迹方向示意图(5线正面)；5线正面代表在激光器阵列中包含5个激光器的仿真条件下(实际数量不一定为5)，显示装置外壳正向80°的扫描轨迹，没有显示背向80°的扫描轨迹；

图6为多本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置的扫描角度示意图。

附图标记：1、供电电缆，2、半反半透镜，3、透光窗，4、直角反射棱镜，5、微控制器，6、扫描转盘(带电机)，7、供电电源，8、光束会聚透镜，9、激光雷达接收机，10、激光器阵列；21、电源控制模块，22、激光发射模块，23、光束调整模块，24、转镜扫描模块，25、激光接收处理模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

如图1至图2所示，本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置包括5个模块，即电源控制模块21、激光发射模块22、光束调整模块23、转镜扫描模块24和激光接收处理模块25。除转镜扫描模块24外，各模块的组件均与装置的外壳刚性固定。激光发射模块22与电源控制模块21间通过数据线连接。电源控制模块21包含微控制器5与供电电源7，激光发射模块22包含激光器阵列10。光束调整模块23包含半反半透镜2与光束会聚透镜8，转镜扫描模块24包含直角反射棱镜4与扫描转盘6。激光接收处理模块25包含激光雷达接收机9。扫描转盘6与直角反射棱镜4的直角面刚性固定。激光发射模块22中的激光器阵列10、光束调整模块23中的光束会聚透镜8与转镜扫描模块24中的直角反射棱镜4三者相对位置固定。

微控制器5通过软件实现装置的两个工作状态即校准状态和工作状态。在校准状态下，激光器阵列10始终激活，扫描转盘6恢复至初始位置，即斜面方向的法向量在水平面上的分量位于正向透光窗正中位置，激光器阵列10通过微调螺栓可在校准验证失败时对激光器阵列10的位置进行微调；在工作状态下，扫描转盘6实时向微控制器5返回转动位置信息，如图6所示，定义有效扫描范围为正向的0°到80°和反向的0°到80°(正向180°到260°)，当直角反射棱镜4的旋转角处于有效扫描范围内时，微控制器5激活激光器阵列10发出探测光线；而处于无效扫描范围内时，微控制器5停止激光器阵列工作。

激光器阵列20发出紧密的单纵向排列出射平行探测光线，通过光束调整模块23进行光束调整后(即通过激光器阵列10中预设的各激光器间距与光束会聚透镜8焦距间的关系)，使得光线可以入射到直角反射棱镜4斜面的同一点上，并通过直角反射棱镜4斜面进行反射，同时扫描转盘6带动直角反射棱镜5转动实现扫描功能，形成一定的垂直视场角。当行车过程中出现颠簸或驶过低洼地形时，可以通过一定的垂直视场角继续获取前后方的障碍物信息。

如图3所示，为会聚光线经直角反射棱镜4的反射光路示意图，只给出了中心光线与一级傍轴光线的示意图。其中，两条一级傍轴光线与两条二级傍轴光线相对于中心光线的入射角度θ相同，且二级傍轴光线的入射角度为一级傍轴光线的两倍。扫描转盘6的旋转方向为逆时针方向，设转动过程中相对于初始位置的转动角度为ωt。会聚光束经过不同方向直角反射棱镜4反射后，其光线的方向向量会发生变化，为得到方向向量的变化轨迹。需要建立坐标系：以直角反射棱镜4斜面上的会聚点为原点，平行于水平面但垂直于激光器阵列方向为x轴，平行于激光器阵列方向为y轴，垂直于水平面方向为z轴。

根据反射光的方向向量与入射光的方向向量的向量差与法线方向向量垂直，即：

得到：

sinωt·x+sinθ·cosωt-cosωt·y+cosθ-z＝0

再根据反射光的方向向量与入射光的方向向量关于法线方向向量平行，即：

得到：

通过上述的关系式，将未知量x、y用z来表示，即：

将x、y的表达式代入之前的表达式，得到反射光线最终的方向向量表达式：

当激光器阵列10发出的探测光线经过光束会聚透镜8得到的入射光线入射角一定时，反射光线的扫描轨迹参数方程也一定。

在激光雷达接收处理模块25接收到返回光线后，根据光线级别获取其发射角度，同时时间测控电路对光线的飞行时间进行判定，从而计算出目标障碍物相对于激光雷达的距离S，计算公式为：

其中，S表示目标障碍物相对于激光雷达的距离，c表示光速，T表示激光从激光器阵列被发射到被激光雷达接收机接收之间的飞行时间，c为定义值，T的值由激光雷达接收机提供。

激光雷达接收处理模块25根据所探测光线的发射角度计算出目标障碍物相对于激光雷达的俯仰角和偏转角，设定俯仰角为θ_{激光雷达的俯仰}，偏转角为φ_{激光雷达的偏转}，具体计算公式为：

如图4所示，为本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置在单周期内扫描轨迹方向示意图，可以看出该仿真图像只有中心扫描光线的扫描面为平面，其他光束的扫描平面均为曲面，旁轴光束的扫描平面对称，且各光束在扫描角度达到一定时会发生重叠，带来冗余信息。

因此，通过软件调整微控制器1对激光器阵列10发出控制信息，仅在正向80°和反向80°打开激光器阵列，从而减小平均功耗，并且避免冗余信息的干扰。

如图5所示，本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置在有效范围内扫描轨迹方向示意图。可以看出，单向扫描角度内的扫描光线的轨迹信息。通过计算，在单次单向扫描的过程中，垂直视场角逐渐由小变大再由大缩小，其中最小值为3.2°，角分辨率为0.8°；最大值为4°，角分辨率为1°。而Quanergy公司生产的S3系列激光雷达纵向角视场角为3.2°，角分辨率同样为0.8。

通过预定扫描轨迹的计算，可以确定不同时刻光线返回时对应的方位角，同时激光雷达接收机中包含有时间测量电路，可以获得探测激光的飞行时间，从而可以确定障碍物相对于激光雷达的位置信息。

本发明的一种多线激光雷达的转镜扫描装置，在正式使用之前，先要对激光器进行校准调整，通过软件控制打开校准模式，在校准模式下微控制器打开激光器阵列，并调整扫描转盘将直角反射棱镜恢复至初始位置后维持扫描转盘不转动，将扫描装置水平放置并将探测方向置一白屏，若探测光线出射到白屏上的光点呈直线排列，则校准完成；若出射光点歪斜，则说明转镜扫描装置内部各模块的位置与预设位置出现偏差，应当停止使用并对装置进行拆解，按照说明重新调整各模块至正常使用的位置，经过调整后，直到探测光线出射到白屏上的光点呈直线排列，则校准完成。校准完成后，通过软件控制停止校准模式，准备进入正常工作模式开始进行扫描。

Claims (2)

1.一种多线激光雷达的转镜扫描装置，其特征在于，该装置包括由微控制器(5)和供电电源(7)构成的电源控制模块(21)、由激光器阵列(10)构成的激光发射模块(22)、由光束会聚透镜(8)和半反半透镜(2)构成的光束调整模块(23)、由扫描转盘(6)和直角反射棱镜(4)构成的转镜扫描模块(24)以及由激光雷达接收机(9)构成的激光接收处理模块(25)；

其中，供电电源(7)与微控制器(5)、扫描转盘(6)的电机、激光器阵列(10)、激光雷达接收机(9)之间使用电缆连接，微控制器(5)与激光器阵列(10)和扫描转盘(6)相接，直角反射棱镜(4)的直角面刚性固定在扫描转盘(6)的旋转面上，激光器阵列(10)排列置于装置顶部，激光雷达接收机(9)置于半反半透镜(2)侧方，微控制器(5)与供电电源(1)置于装置底部，装置外壳正向80°和背向80°与直角反射棱镜等高处有环形透光窗。

2.一种多线激光雷达的转镜扫描方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

微控制器(5)接收扫描转盘(6)的位置数据，判断是否处于扫描转盘(6)的工作范围内；如否，调整扫描转盘(6)的位置到正确后；如是，再由激光器阵列(10)产生多条平行激光光束；经过半反半透镜(2)后射向光束会聚透镜(8)，经光束会聚透镜(8)调整后射向直角反射棱镜4斜面上的同一点处，再由直角反射棱镜(4)反射到前方区域探测目标；扫描转盘(6)带动直角反射棱镜(4)进行匀速旋转，反射光线通过直角反射棱镜(4)和光束会聚透镜(8)后，经半反半透镜(2)进入激光雷达接收机(9)，再由激光雷达接收机(9)根据激光飞行时间和反射光线的方向轨迹得到各时间障碍物的方向信息；所述方向信息包括目标障碍物相对于激光雷达的距离S和目标障碍物相对于激光雷达的俯仰角θ_{激光雷达的俯仰}和偏转角φ_{激光雷达的偏转}；

距离S的计算公式为：

其中，S表示目标障碍物相对于激光雷达的距离，c表示光速，T表示激光从激光器阵列被发射到被激光雷达接收机接收之间的飞行时间；

俯仰角θ_{激光雷达的俯仰}和偏转角φ_{激光雷达的偏转}的计算公式为：

对所述方向向量的变化轨迹建立坐标系：以直角反射棱镜4斜面上的会聚点为原点，平行于水平面但垂直于激光器阵列方向为x轴，平行于激光器阵列方向为y轴，垂直于水平面方向为z轴；

其中，反射光线最终的方向向量x,y,z由以下的表达式具体得出：