CN109387858A - 一种全视场角固态激光雷达探测装置及障碍物探测方法 - Google Patents

一种全视场角固态激光雷达探测装置及障碍物探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全视场角固态激光雷达探测装置及障碍物探测方法，其包括壳体，壳体内底部设置有点激光发射器，点激光发射器的上方设置有锥形反射镜，在壳体周向，与锥形反射镜对应位置处设置有开口；位于锥形反射镜正上方，由下至上依次设置有广角镜、凸透镜和CCD/CMOS探测器；点激光发射器投射出的激光束经锥形反射镜向同一水平面的360°方向反射，由反射激光束形成一个环形激光束平面，经壳体上的开口反射至位于壳体外部的近场障碍物；反射激光束经近场障碍物反射后，成像光线反射至广角镜后射入凸透镜，由凸透镜将成像光线会聚至CCD/CMOS探测器；CCD/CMOS探测器与处理电路电连接，处理电路将CCD/CMOS探测器形成的图像信息处理后传输至上位机，实现障碍物的探测。

Description

一种全视场角固态激光雷达探测装置及障碍物探测方法
技术领域
本发明涉及一种近场探测警报领域，特别是关于一种无机械振动的全视场角固态激光雷达探测装置及障碍物探测方法。
背景技术
传统的机械扫描式激光雷达具有成本较低，结构简单的特点，但是也存在较多缺点和技术问题。例如基于车载方式的激光雷达，马达和多面体棱镜重量和体积较大，结构笨重，长时间运行容易产生发热从而造成机械磨损。其次，传统的机械式扫描速度相对较慢，信号接收比低，可扫描的视场角小。
针对现有大部分的固态激光雷达视场角有限、测量过程中伴随机械振动等问题，如何完成障碍物全视场角探测成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种全视场角固态激光雷达探测装置及障碍物探测方法，其能完成障碍物全视场角探测，并且是无机械振动的非机械扫描测量。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全视场角固态激光雷达探测装置，其特征在于：该装置包括壳体、点激光发射器、锥形反射镜、广角镜、凸透镜、CCD/CMOS探测器、处理电路和上位机；所述壳体内底部设置有所述点激光发射器，所述点激光发射器的上方设置有所述锥形反射镜，所述锥形反射镜的顶部尖端与所述点激光发射器的出口呈对应设置；并在所述壳体周向，与所述锥形反射镜对应位置处设置有开口；位于所述锥形反射镜正上方，由下至上依次设置有所述广角镜、凸透镜和CCD/CMOS探测器；所述点激光发射器投射出的激光束经所述锥形反射镜向同一水平面的360°方向反射，由反射激光束形成一个环形激光束平面，经所述壳体上的开口反射至位于所述壳体外部的近场障碍物；所述反射激光束经所述近场障碍物反射后，成像光线反射至所述广角镜，经放大处理后射入所述凸透镜，由所述凸透镜将所述成像光线会聚至所述CCD/CMOS探测器；所述CCD/CMOS探测器与所述处理电路电连接，所述处理电路将所述CCD/CMOS探测器形成的图像信息进行图像处理后传输至所述上位机，实现障碍物的探测。
进一步，所述壳体由上壳体、下壳体和连接件构成；所述上壳体与所述下壳体之间通过间隔120°的三个所述连接件连接成一体，且所述上壳体与所述下壳体之间具有距离，该距离为所述壳体上的开口。
进一步，三个所述连接件均采用宽度为2mm的刚性连接筋。
进一步，所述CCD/CMOS探测器采用的型号为OV7725。
一种基于上述装置的全视场角固态激光雷达障碍物探测方法，其包括以下步骤：1)点激光发射器投射激光束至锥形反射镜的顶端，由锥形反射镜将激光束向同一水平面的360°方向反射，并由反射激光束形成一个环形激光束平面；2)当反射激光束在前进方向上出现近场障碍物时，反射激光束则进行漫反射；3)反射激光束在近场障碍物表面进行反射时形成成像光线，成像光线反射回壳体内的广角镜和凸透镜，最后入射到CCD/CMOS探测器，形成固体激光成像图像；4)固体激光成像经过处理电路将图像信息传送至上位机，实现障碍物的探测。
进一步，近场障碍物测量的标定方法包括以下步骤：(1)假设CCD/CMOS探测器的平面坐标系为x-o-y，CCD/CMOS成像中心的坐标值为(u,v)，该坐标值能通过相机标定方法获取；近场障碍物的成像坐标的坐标值为(x,y)；(2)近场障碍物的方位角的定义：根据成像中心坐标值(u,v)与障碍物成像坐标值(x,y)的对比，获得障碍物相对于激光雷达位置的方位角；(3)近场障碍物的距离测算，获得障碍物与激光雷达的相对位置。
进一步，所述步骤(2)中，障碍物相对于激光雷达位置的方位角为：当x-u>0且y-v<0时，障碍物位于东北角；当x-u<0且y-v<0时，障碍物位于西北角；当x-u<0且y-v>0时，障碍物位于西南角；当x-u>0且y-v>0时，障碍物位于东南角。
进一步，所述步骤(3)中，近场障碍物的距离测算方法包括以下步骤：(3.1)完成相机的标定，获得相机的内外参数，用于相机畸形矫正；(3.2)选择成像有效区域的内边界点p和外边界点k，分别对应可探测障碍物的两个极限位置Wp与Wk，在Wp与Wk的这段距离里，沿直线选择N个等间距位置，分别记录成像平面上的N个坐标值；(3.3)建立障碍物空间坐标位置与成像平面坐标值的映射关系，根据该映射关系和障碍物相对于激光雷达位置的方位角得到障碍物与激光雷达的相对位置。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用一系列透镜组合，使得该固态激光雷达容易集成封装，而且没有运动部件，因此其结构牢固，能实现稳定测量。2、本发明将集成的处理电路同时封装在壳体里，实现体积小型化。3、本发明壳体的上下壳体通过三根120°均分(每根相距120°)的、宽度为2mm的刚性连接筋连接成一体。由于每个连接筋只有2mm宽度，在环形激光束平面几乎可以忽略，所以激光雷达能够实现360°全视场角的障碍物探测。4、本发明采用高速CCD/CMOS探测器(型号OV7725)，速度达到60fps(每秒60的帧率)，有效像素640*480.成像速度快、分辨率高。5、本发明壳体顶部通过传输线与上位机连接，用于处理障碍物的图像信息，提高测量可靠性。6、本发明锥形反射镜将激光的能量分散到以锥形反射镜顶尖为中心的圆环上，借助光学组合系统，被障碍物局部遮挡的激光圆环在CCD/CMOS上成像，实现圆周大视场二维扫描探测。7、本发明由光学镜片组、激光发射器以及CCD/CMOS组成，无需通过机械旋转部件即可借助CCD/CMOS实现近场障碍物的扫描成像和测程识别。8、本发明由于没有机械旋转式扫描，由本发明方法制作的装置不会产生机械振动，因此具有静音探测、无振动探测的技术特点。
附图说明
图1是本发明全视场角固态激光雷达装置的整体结构示意图；
图2是固态激光雷达的成像平面图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种全视场角固态激光雷达探测装置，该装置包括壳体1、点激光发射器2、锥形反射镜3、广角镜4、凸透镜5、CCD/CMOS探测器6、处理电路7和上位机8。
壳体1内底部设置有点激光发射器2，点激光发射器2的上方设置有锥形反射镜3，锥形反射镜3的顶部尖端与点激光发射器2的出口呈对应设置；并在壳体1周向，与锥形反射镜3对应位置处设置有开口。位于锥形反射镜3正上方，由下至上依次设置有广角镜4、凸透镜5和CCD/CMOS探测器6，锥形反射镜3、广角镜4、凸透镜5和CCD/CMOS探测器6位于同一中心线上。点激光发射器2投射出的激光束经锥形反射镜3向同一水平面的360°方向反射，由反射激光束9形成一个环形激光束平面，经壳体1上的开口反射至位于壳体1外部的近场障碍物10；反射激光束9经近场障碍物10反射后，成像光线11反射至广角镜4，经放大处理后射入凸透镜5，由凸透镜5将成像光线11会聚至CCD/CMOS探测器6。CCD/CMOS探测器6与处理电路7电连接，处理电路7将CCD/CMOS探测器6形成的图像信息进行图像处理后传输至上位机8，实现障碍物的探测。
上述实施例中，壳体1由上壳体、下壳体和连接件构成，上壳体与下壳体之间通过间隔120°的三个连接件连接成一体，且上壳体与下壳体之间具有距离，该距离即为壳体1上的开口。
在一个优选的实施例中，三个连接件均采用宽度为2mm的刚性连接筋，由于每个连接筋只有2mm宽度，在环形激光束平面几乎可以忽略，所以激光雷达能够实现360°全视场角的障碍物探测。
上述各实施例中，CCD/CMOS探测器6采用型号为OV7725的探测器。
基于上述装置，本发明还提供一种全视场角固态激光雷达障碍物探测方法，其包括以下步骤：
1)点激光发射器2投射激光束至锥形反射镜3的顶端，由锥形反射镜3将激光束向同一水平面的360°方向反射，并由反射激光束9形成一个环形激光束平面；
由于锥形反射镜3具有立体及全反射光学特性，因此其将入射的激光束往同一水平面的360°方向反射，并由反射激光束9形成一个环形激光束平面。
2)当反射激光束9在前进方向上出现近场障碍物10(物体面较为粗糙、表面吸收率较低)时，反射激光束9则进行漫反射。其中，近场障碍物10距壳体1的距离为30～100cm。
3)由于激光束光斑通常呈高斯分布状态，因此当反射激光束在近场障碍物10表面进行反射时形成成像光线11，有较多成像光线11反射回壳体1内的广角镜4和凸透镜5，最后入射到CCD/CMOS探测器6，形成固体激光成像图像。
如图2所示，CCD/CMOS探测器6上围绕CCD/CMOS成像中心12的黑色圆环是由于点激光发射器2的部分直射光线在成像平面上造成的自身“暗区”。由于CCD/CMOS探测器6因其有广角镜4的视场限制，以及锥形反射镜3的背面限制，因此可将其有效像素区域限制在部分成像面(白环)中，即成像有效区域13内。并且，成像有效区域13对应可探测近场障碍物的区域范围，越靠近白环内侧表示距离障碍物越近，越靠近外侧表示距离障碍物越远。
4)固体激光成像经过处理电路7将图像信息传送至上位机8，实现障碍物的探测。
上述各步骤中，如图2所示，近场障碍物测量的标定方法包括以下步骤：
(1)假设CCD/CMOS探测器6的平面坐标系为x-o-y，CCD/CMOS成像中心12的坐标值为(u,v)，该坐标值可通过相机标定方法获取。近场障碍物10的成像坐标14的坐标值为(x,y)。
(2)近场障碍物的方位角的定义：根据成像中心坐标值(u,v)与障碍物成像坐标值(x,y)的对比，获得障碍物相对于激光雷达位置的方位角。
当x-u>0且y-v<0时，障碍物位于东北角；
当x-u<0且y-v<0时，障碍物位于西北角；
当x-u<0且y-v>0时，障碍物位于西南角；
当x-u>0且y-v>0时，障碍物位于东南角。
(3)近场障碍物的距离测算，获得障碍物与激光雷达的相对位置：
(3.1)完成相机的标定，获得相机的内外参数，用于相机畸形矫正。
(3.2)选择成像有效区域13的内边界点p和外边界点k，分别对应可探测障碍物的两个极限位置Wp与Wk(空间坐标系，障碍物所在的实际位置)，在Wp与Wk的这段距离里，沿直线选择N个等间距(1mm)位置，分别记录成像平面上的N个坐标值。
(3.3)建立障碍物空间坐标位置与成像平面坐标值的映射关系；
(3.4)随后的任意测量，均可以根据该映射关系和障碍物相对于激光雷达位置的方位角得到障碍物与激光雷达的相对位置。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种全视场角固态激光雷达探测装置，其特征在于：该装置包括壳体、点激光发射器、锥形反射镜、广角镜、凸透镜、CCD/CMOS探测器、处理电路和上位机；
所述壳体内底部设置有所述点激光发射器，所述点激光发射器的上方设置有所述锥形反射镜，所述锥形反射镜的顶部尖端与所述点激光发射器的出口呈对应设置；并在所述壳体周向，与所述锥形反射镜对应位置处设置有开口；位于所述锥形反射镜正上方，由下至上依次设置有所述广角镜、凸透镜和CCD/CMOS探测器；所述点激光发射器投射出的激光束经所述锥形反射镜向同一水平面的360°方向反射，由反射激光束形成一个环形激光束平面，经所述壳体上的开口反射至位于所述壳体外部的近场障碍物；所述反射激光束经所述近场障碍物反射后，成像光线反射至所述广角镜，经放大处理后射入所述凸透镜，由所述凸透镜将所述成像光线会聚至所述CCD/CMOS探测器；所述CCD/CMOS探测器与所述处理电路电连接，所述处理电路将所述CCD/CMOS探测器形成的图像信息进行图像处理后传输至所述上位机，实现障碍物的探测。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述壳体由上壳体、下壳体和连接件构成；所述上壳体与所述下壳体之间通过间隔120°的三个所述连接件连接成一体，且所述上壳体与所述下壳体之间具有距离，该距离为所述壳体上的开口。
3.如权利要求2所述装置，其特征在于：三个所述连接件均采用宽度为2mm的刚性连接筋。
4.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述CCD/CMOS探测器采用的型号为OV7725。
5.一种基于如权利要求1至4任一项所述装置的全视场角固态激光雷达障碍物探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)点激光发射器投射激光束至锥形反射镜的顶端，由锥形反射镜将激光束向同一水平面的360°方向反射，并由反射激光束形成一个环形激光束平面；
2)当反射激光束在前进方向上出现近场障碍物时，反射激光束则进行漫反射；
3)反射激光束在近场障碍物表面进行反射时形成成像光线，成像光线反射回壳体内的广角镜和凸透镜，最后入射到CCD/CMOS探测器，形成固体激光成像图像；
4)固体激光成像经过处理电路将图像信息传送至上位机，实现障碍物的探测。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于：近场障碍物测量的标定方法包括以下步骤：
(1)假设CCD/CMOS探测器的平面坐标系为x-o-y，CCD/CMOS成像中心的坐标值为(u,v)，该坐标值能通过相机标定方法获取；近场障碍物的成像坐标的坐标值为(x,y)；
(2)近场障碍物的方位角的定义：根据成像中心坐标值(u,v)与障碍物成像坐标值(x,y)的对比，获得障碍物相对于激光雷达位置的方位角；
(3)近场障碍物的距离测算，获得障碍物与激光雷达的相对位置。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于：所述步骤(2)中，障碍物相对于激光雷达位置的方位角为：
当x-u>0且y-v<0时，障碍物位于东北角；
当x-u<0且y-v<0时，障碍物位于西北角；
当x-u<0且y-v>0时，障碍物位于西南角；
当x-u>0且y-v>0时，障碍物位于东南角。
8.如权利要求6所述方法，其特征在于：所述步骤(3)中，近场障碍物的距离测算方法包括以下步骤：
(3.1)完成相机的标定，获得相机的内外参数，用于相机畸形矫正；
(3.2)选择成像有效区域的内边界点p和外边界点k，分别对应可探测障碍物的两个极限位置Wp与Wk，在Wp与Wk的这段距离里，沿直线选择N个等间距位置，分别记录成像平面上的N个坐标值；
(3.3)建立障碍物空间坐标位置与成像平面坐标值的映射关系，根据该映射关系和障碍物相对于激光雷达位置的方位角得到障碍物与激光雷达的相对位置。
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