CN108872966A - 激光雷达发射光束位置调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光雷达发射光束位置调节方法，属于激光雷达系统技术领域。包括如下步骤，获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)；获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)；调节激光光源的角度；直至所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值小于设定阈值。本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法，可以通过调节激光光源的发射角度，使得激光光斑的实际位置与目标位置之间的偏差小于设置阈值，在不需要提高器件的加工、装配误差的同时，提高激光雷达的测距精度。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达系统技术领域，更具体地说，是涉及一种激光雷达发射光束位置调节方法。
背景技术
激光雷达作为一种高精度智能化传感器，具有测量精度高，测量速度快等优点。现有应用中，激光雷达的测距精度很大程度的依赖于器件的加工、装配误差，在测量距离为10m时，普通的激光雷达的测距误差为±30cm，如需提高激光雷达的测量精度，则需严格控制器件的加工、装配误差，极大的提高了制造成本且难度较大。
因此，期望提供一种可以调节和提高激光雷达测距精度的调节方法，在不需要控制器件的加工、装配误差的同时，提高激光雷达的测距精度。
发明内容
本发明提供了一种激光雷达发射光束位置调节方法，旨在解决现有技术中激光雷达发射端的加工、装配误差对激光测距精度影响大的技术问题，在不需要提高器件的加工、装配误差的同时，提高激光雷达的测距精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种激光雷达发射光束位置调节方法，包括如下步骤，
获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)；
获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)；
调节激光光源的投射角度；
直至所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值小于设定阈值。
进一步地，还包括根据所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值，获取激光光束由于加工和装配误差导致的角度偏差，根据所述角度偏差调节所述激光光源的角度，使所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值小于设定阈值。
进一步地，在所述激光光束的出射光路上设置反射镜，所述角度偏差的计算过程如下：
已知所述反射镜的反射中心点距离所述激光光束投射面的距离为L，
所述角度偏差沿X方向和Y方向的摆转角σx,σy分别为，
进一步地，所述激光束投射面为竖直布置的直角坐标系，所述获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)包括：
将所述直角坐标系的原点设置在所述激光光束经过所述反射镜的出射光路上，所述激光光束光斑中心的目标位置坐标为(0,0)。
进一步地，所述获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)包括：
将用于发射激光光束的激光光源固定安装在可调支架上；
通过调节组件将可调支架竖直设置在固定支架上，所述固定支架与所述可调支架环周线接触，所述固定支架上设有用于所述激光光束穿过的透光孔，所述调节组件用于调节所述可调支架并带动所述激光光源摆转；
获取激光光束光斑中心在所述直角坐标系上的实际坐标(x’,y’)。
进一步地，所述调节组件包括两组沿所述透光孔轴线对称设置的调节螺钉，第一组调节螺钉与所述直角坐标系的X轴平行，第二组调节螺钉与所述直角坐标系垂直。
进一步地，所述调节激光光源的角度包括：
调节用于使激光光束相对于X轴移动的第一组调节螺钉，旋转圈数为θ1；
调节用于使激光光束相对于Y轴移动的第二组调节螺钉，旋转圈数为θ2。
进一步地，还包括根据所述角度偏差获取所述调节螺钉对应的旋转圈数θ1和θ2，所述调节螺钉对应的旋转圈数θ1和θ2的计算过程如下：
Hx＝tanσx×R (3)
Hy＝tanσy×R (4)
其中，
R为所述调节螺钉距离所述激光光源的距离；
W为所述调节螺钉的螺距；
Hx为用于使激光光束相对于X轴移动的调节螺钉的调节距离；
Hy为用于使激光光束相对于Y轴移动的调节螺钉的调节距离。
进一步地，所述将用于发射激光光束的激光光源固定安装在可调支架上包括：
将设有激光二级管的电路板固定在可调支架上；
通过第一压环将透镜压合到第二压环上；
将所述第二压环与所述可调支架螺纹连接，且所述螺纹幅平行于所述激光光束的发射方向；
旋拧第二压环，调节所述透镜与所述激光二级管之间距离至目标距离。
进一步地，所述透镜与所述激光二级管的轴线共线，所述目标距离为所述透镜的焦距。
本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法有益效果在于，与现有技术相比，通过将激光雷达发射装置发出的激光光束打到测量平面上形成激光光斑，由于加工、装配以及器件本身的误差带来的结构偏差，激光光斑在测量平面上的实际位置与目标位置存在偏差，调节激光光束的发射角度，使激光光斑的实际位置与目标位置的偏差小于设定阈值，通过控制测量平面距离激光光源的距离，可以获得激光雷达在目标测量距离上的测距精度，通过控制设定阈值的大小，可以实现将激光雷达在目标测量距离上的达到目标测距精度。本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法，可通过调节激光光源的发射角度，使得激光光斑实际位置与目标位置之间的偏差小于设置阈值，在不需要提高器件的加工、装配误差的同时，提高激光雷达的测距精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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获得其他的附图。
图1为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的步骤框图；
图2为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法在X方向的调节原理图；
图3为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法在Y方向的调节原理图；
图4为本发明提供的激光雷达发射装置的结构示意图；
图5为本发明提供的调节螺钉的布置图。
其中，各附图标记：
1—激光光源；2—准直光学器件；201-透镜；3—可调支架；4—固定支架5—调节组件；6-σx；7-σy；8-调节螺钉；801-第一组调节螺钉；802-第二组调节螺钉；9-反射镜；10-水平刻度尺；11-竖直刻度尺；12-电路板。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法进行说明。图3中A向、B向和C向构成直角坐标系，其中C向竖直向下，A向为水平方向的前后方向，C向为水平方向的左右方向。激光雷达发射光束位置调节方法，包括
在步骤S101中，获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)；
在步骤S102中，获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)；
在步骤S104中，调节激光光源投射的角度；
在步骤S105中，判断实际坐标与目标位置坐标的差值是否小于设定阈值，如“是”则调节结束，如“否”则重新确认激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)，重复步骤S102、S104、S105，直至实际坐标与目标位置坐标的差值小于设定阈值。
具体地，见图2和图3，可通过设置激光光源1和准直光学器件2形成线性的准直激光光束，L2为理想光路，L1为实际光路。优选的，激光光源1和准直光学器件2均竖直布置，形成竖直向下投射的理想准直光路，在理想准直光路的出射光路上设置垂直相交的水平设置的第一刻度尺和第二刻度尺构建测量平面，通过设定激光光源1、准直光学器件2和测量平面的位置，则可以获得线性理想准直光路在测量平面上的目标位置坐标(x,y)。由于加工、安装误差以及准直光学器件2和激光光源1本身的误差，实际光路会相对竖直方向有一定倾斜角度，实际光路在测量平面上的坐标即为实际坐标(x’,y’)。
激光光束的实际光路和理想光路在目标的测量位置的距离偏差即为激光雷达的测量位置误差，即激光光束的实际坐标(x’,y’)与目标位置坐标(x,y)之间的差值即为激光光束的测量位置误差。调节激光光源1投射的角度，使得实际激光光束绕理想光路摆转，进而使得激光光束光斑的实际坐标(x’,y’)靠近目标位置坐标(x,y)，直至实际坐标与目标位置坐标的差值小于设定阈值，调节完成。设定阈值由激光雷达的的测量距离和应用环境确定。
本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法有益效果在于，与现有技术相比，通过将激光雷达发射装置发出的激光光束打到测量平面上形成激光光斑，由于加工、装配以及器件本身的误差带来的结构偏差，激光光斑在测量平面上的实际位置与目标位置存在偏差，调节激光光束的发射角度，使激光光斑的实际位置与目标位置的偏差小于设定阈值，通过控制测量平面距离激光光源的距离，可以获得激光雷达在目标测量距离上的测距精度，通过控制设定阈值的大小，可以实现将激光雷达在目标测量距离上的达到目标位置精度。本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法，可通过调节激光光源的发射角度，使得激光光斑实际位置与目标位置之间的偏差小于设置阈值，在不需要提高器件的加工、装配误差的同时，提高激光雷达的测距精度。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，还包括步骤S103，根据实际坐标(x’,y’)与目标位置坐标(x,y)的差值，获取激光光束由于加工和装配误差导致的角度偏差,根据角度偏差调节激光光源1的摆转角度，使实际坐标(x’,y’)与目标位置坐标(x’,y’)的差值小于设定阈值。
角度偏差为激光光束的实际光路相对于理想光束的摆转角度，角度偏差不变时，测量误差与测量距离成正比。实际应用中根据角度偏差调节激光光源的摆转角度，调整实际光路的投射方向，可有效降低对系统加工、装配误差的要求，提高激光雷达测量精度。
进一步地，请参阅图2和图3，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，在激光光束的出射光路上设置反射镜9，角度偏差的计算过程如下，
已知反射镜9的反射中心点距离激光束投射面(即测量平面)的距离为L，
所述角度偏差沿X方向和Y方向的偏转角σx,σy分别为，
具体地，反射镜9设置在准直光学器件2的下方，反射镜11与准直光学器件2共轴线，优选地，反射镜9与水平面成45°角设置，则理想的激光光束经过反射镜反射后形成水平的反射光束。通过设置反射镜，可以将激光光束光斑反射至较远的距离，且不改变光束的角度，进行角度偏差的测量。
反射镜9的折射点距离测量平面的距离为L，则实际反射光束与理想反射光束沿X方向和Y方向的偏转角σx、σy的计算方式分别如上式(1)和(2)，反射镜9的反射不会改变激光光束的摆转角度，故激光光源的的实际光路L1与理想光路L2之间的偏转角也为σx和σy，其中σx对应的激光光源的摆转方向为激光光源绕B向旋转，σy对应的摆转方向为激光光源绕A向旋转。
进一步地，请参阅图2和图3，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，激光束投射面(即测量平面)为竖直布置的直角坐标系，获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)包括：将所述直角坐标系的原点设置在激光光束经过反射镜9的出射光路上，激光光束光斑中心的目标位置坐标为(0,0)。
具体地，反射镜9的反射光路上设有水平刻度尺10和竖直刻度尺11，水平刻度尺10和竖直刻度尺11构成竖直布置的测量平面，其中水平刻度尺10构成X轴，数值刻度尺11构成Y轴。两者相交位置为原点，优选的，通过设置水平刻度尺10和竖直刻度尺11与反射镜9的位置，其中水平刻度尺10与理想光路在反射镜上的折射点处于同一水平面，竖直刻度尺11与理想光路在反射镜上的折射点的法线处于同一竖直平面，则激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)即为该直角坐标系的原点，目标位置坐标(x,y)坐标为(0,0)，方便进行后续计算。
进一步地，请参阅图2、图3和图4，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)包括如下步骤：
将用于发射激光光束的激光光源1固定安装在可调支架3上；
通过调节组件5将可调支架3竖直设置在固定支架4上，固定支架4与可调支架3环周线接触，固定支架4上设有用于激光光束穿过的透光孔，调节组件5用于调节所述可调支架3并带动激光光源1摆转；
获取激光光束光斑中心在直角坐标系上的实际坐标(x’,y’)。
具体地，调节组件5用于实现可调支架3相对于固定支架4的摆转，进而实现位于可调支架3上的激光光源1发射角度的改变，激光光源1固定在可调支架3上，向下照射。固定支架4为带有透光孔的环状结构，透光孔上设有锥形部，可调支架3位于固定支架4的上方，可调支架3包括环形支撑部，不考虑安装误差，透光孔的轴线、锥形部的轴线、环形支撑部的轴线与激光光源1的轴线方向平行且共线，可调支架3通过支撑部与固定支架4的锥形部线接触，形成圆形接触线，可调支架3通过调节组件5设置在固定支架4上，且可以绕固定支架4摆转。优选的，如图4，摆转方向为A向和B向，可调支架绕A向摆转时，激光光束在测量平面上实际坐标沿Y向移动，可调支架绕B向摆转时，激光光束在测量平面上实际坐标沿X向移动，通过调节调节组件5，可以改变激光光束光斑在测量平面上的实际坐标(x’,y’)，每次调整完毕后，读取该实际坐标(x’,y’)。
进一步地，请参阅图2至图4，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，调节组件5包括两组沿透光孔轴线对称设置的调节螺钉8，第一组调节螺钉801与所述直角坐标系的X轴平行，第二组调节螺钉802与直角坐标系垂直。
具体地，调节组件5包括两个沿透光孔的轴线方向对称设置的调节螺钉8，调节螺钉8的平行于透光孔的轴线方向布置，调节螺钉8共有四个，四个调节螺钉以透光孔的轴线为中心，垂直均布布置，每个调节螺钉8距离透光孔的轴线的距离相同，实际应用中，调节螺钉8分为两组，对称的两个调节螺钉8构成一组，第一组调节螺钉801与直角坐标系的X轴平行，即沿A向设置，第二组调节螺钉802与直角坐标系垂直，即沿B向设置。旋转调节螺钉8使得可调支架3以垂直的两轴A向和B向旋转，从而实现激光光束在直角坐标系沿垂直X轴和Y轴方向移动，对应的，可调支架3绕B向旋转，激光光束的坐标沿X轴移动，可调支架3绕A向旋转，激光光束的坐标绕Y轴移动。
进一步地，请参阅图2至图4，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，调节激光光源1的角度包括如下步骤：
调节用于使激光光束相对于X轴移动的第一组调节螺钉801，旋转圈数为θ1；
调节用于使激光光束相对于Y轴移动的第二组调节螺钉802，旋转圈数为θ2。
本实施例中，为使可调支架3相对于固定支架绕B向摆转实现激光光束光斑的坐标沿X轴移动(即调节σx)，需调节平行于A向的第一组螺钉组801，第一螺钉组801的两个螺钉旋转圈数相同，均为θ1，旋转方向相反；为使可调支架3相对于固定支架绕A向摆转实现激光光束光斑的坐标沿Y轴移动(即调节σy)，则调节平行于B向的第二组调节螺钉802，第二组螺钉组802的两个螺钉旋转圈数相同，均为θ2，旋转方向相反。
进一步地，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，还包括根据角度偏差调节调节螺钉8对应的旋转圈数θ1和θ2，调节螺钉8对应的旋转圈数θ1和θ2的计算公式如下：
Hx＝tanσx×R (3)
Hy＝tanσy×R (4)
其中，
R为所述调节螺钉距离所述激光光源的距离；
W为所述调节螺钉的螺距；
Hx为用于使激光光束相对于X轴移动的调节螺钉的调节距离；
Hy为用于使激光光束相对于Y轴移动的调节螺钉的调节距离。
具体地，σx和σy共同构成了实际激光光束的角度偏差，根据σx和σy获取旋转圈数θ1和θ2的大小。实际调节可以根据调节圈数进行调节螺钉的调节，基本可以实现一次调节成功，操作方便快捷。
进一步地，如图4和图5，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，将用于发射激光光束的激光光源1固定安装在可调支架上包括如下步骤：
将设有激光二级管的电路板12固定在可调支架上；
通过第一压环将透镜压合到第二压环上；
将第二压环与可调支架3螺纹连接，且螺纹幅平行于激光光束的发射方向；
旋拧第二压环，调节透镜201与激光二级管之间距离至目标距离。
激光光源1是利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源。激光光源可按其工作物质分为固体激光源、气体激光源、液体激光源和半导体激光源四种类型，本实施例中优选为半导体激光源，为设有激光二极的电路板12，激光二级管焊接在电路板12上。准直光学器件2用于形成准直光束，可以为可调光纤准直镜、透镜、带有弧度的反射镜，本实施例中优选为透镜201。
具体地，第一压环和第二压环均为环形套筒结构，第二压环下方设有用于放置透镜201的凸台，通过第一压环将透镜201压合到第二压环的凸台上，通过螺钉固定连接第一压环和第二压环，第二压环远离凸台端部内壁上环周设有螺纹，可调支架上设有用于与第二压环连接的环形连接部，第二压环套设在连接部环周与环形连接部螺纹配合，第二压环与第一压环和透镜201共轴线，旋转第二压环可以调节透镜相对于激光光源1沿激光光路出射光路上的距离，第一压环、第二压环和可调支架3的环形连接部均为环形中空结构，保证其不会对光路产生遮挡。旋转第二压环调整透镜201与激光光源1沿激光光路出射光路上的距离，可以根据实际应用需求进行调节。
进一步地，作为本发明提供的激光雷达发射光束位置调节方法的一种具体实施方式，透镜201与激光二级管的轴线共线，目标距离为透镜201的焦距。具体的，旋转第二压环调整透镜201与激光光源1沿激光光路出射光路上的距离为透镜201的焦距，激光二极管发出的激光信号经过透镜201后，形成线形准直光束，此时，且激光光束聚光性最好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)；
获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)；
调节激光光源的投射角度；
直至所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值小于设定阈值。
2.如权利要求1所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，还包括根据所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值，获取激光光束由于加工和装配误差导致的角度偏差，根据所述角度偏差调节所述激光光源的角度，使所述实际坐标与所述目标位置坐标的差值小于设定阈值。
3.如权利要求2所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，在所述激光光束的出射光路上设置反射镜，所述角度偏差的计算过程如下：
已知所述反射镜的反射中心点距离所述激光光束投射面的距离为L，
所述角度偏差沿X方向和Y方向的偏转角σx,σy分别为，
。
4.如权利要求3所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，所述激光束投射面为竖直布置的直角坐标系，所述获取激光光束光斑中心的目标位置坐标(x,y)包括：
将所述直角坐标系的原点设置在所述激光光束经过所述反射镜的出射光路上，所述激光光束光斑中心的目标位置坐标为(0,0)。
5.如权利要求4所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，所述获取激光光束光斑中心的实际坐标(x’,y’)包括：
将用于发射激光光束的激光光源固定安装在可调支架上；
通过调节组件将可调支架竖直设置在固定支架上，所述固定支架与所述可调支架环周线接触，所述固定支架上设有用于所述激光光束穿过的透光孔，所述调节组件用于调节所述可调支架并带动所述激光光源摆转；
获取激光光束光斑中心在所述直角坐标系上的实际坐标(x’,y’)。
6.如权利要求5所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，所述调节组件包括两组沿所述透光孔轴线对称设置的调节螺钉，第一组调节螺钉与所述直角坐标系的X轴平行，第二组调节螺钉与所述直角坐标系垂直。
7.如权利要求6所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，所述调节激光光源的角度包括：
调节用于使激光光束相对于X轴移动的第一组调节螺钉，旋转圈数为θ1；
调节用于使激光光束相对于Y轴移动的第二组调节螺钉，旋转圈数为θ2。
8.如权利要求7所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，还包括根据所述角度偏差获取所述调节螺钉对应的旋转圈数θ1和θ2，所述调节螺钉对应的旋转圈数θ1和θ2的计算过程如下：
Hx＝tanσx×R (3)
Hy＝tanσy×R (4)
其中，
R为所述调节螺钉距离所述激光光源的距离；
W为所述调节螺钉的螺距；
Hx为用于使激光光束相对于X轴移动的调节螺钉的调节距离；
Hy为用于使激光光束相对于Y轴移动的调节螺钉的调节距离。
9.如权利要求5所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，所述将用于发射激光光束的激光光源固定安装在可调支架上包括：
将设有激光二级管的电路板固定在可调支架上；
通过第一压环将透镜压合到第二压环上；
将所述第二压环与所述可调支架螺纹连接，且所述螺纹幅平行于所述激光光束的发射方向；
旋拧第二压环，调节所述透镜与所述激光二级管之间距离至目标距离。
10.如权利要求9所述的激光雷达发射光束位置调节方法，其特征在于，所述透镜与所述激光二级管的轴线共线，所述目标距离为所述透镜的焦距。
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