CN109471126B - 一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，包括激光发射和接收器、二轴机械振镜、45°转镜、45°转镜驱动电路、二轴振镜驱动电路、时序控制电路、距离信号处理电路、角度‑距离数据采集模块、接口通讯电路和360°透视结构件。本发明通过二轴振镜实现局域二维扫描，再通过绕轴旋转的45°反射镜实现线阵激光测距的360°周向扫描，结合同步提取的二轴振镜和45°转镜的角度反馈数据，得到激光雷达360°周向扫描的点云数据，突破了单一二轴振镜扫描的周向视场限制，解决了单一45°转镜实现线阵激光雷达周向扫描的像旋问题，并且具备结构简单、可靠性高、成本低等突出优势。

Description

一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置
技术领域
本发明涉及一种激光雷达扫描装置，特别是涉及一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置。
背景技术
目前，无人驾驶地面车辆所使用的核心传感器-线阵激光雷达被国外所垄断，各公司开展的自动驾驶实验大多使用美国Velodyne公司制造的激光雷达，如HDL-64E型号激光雷达。上述HDL-64E激光雷达采用线阵激光测距整机旋转实现周向扫描，其扫描部件转动惯量大，系统转轴在扫描过程中磨损严重，难以长时间高可靠工作。此外，用于系统供电和数据传输的滑环寿命也很低。国内也有采用卵形螺旋扫描或双谐振镜扫描的报道，但这些扫描方式能够实现的扫描视场非常小，而车载激光雷达要求拥有360°的水平视野，因此这些都不适用于车载激光雷达。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，不需要整机旋转，就可以实现360°水平扫描。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，其特征在于,包括光路元件、电路模块和集成上述部件的透视结构件,其中光路元件包括依次设置的激光发射和接收器、二轴机械振镜和45°转镜，电路模块包括45°转镜驱动电路、二轴振镜驱动电路、时序控制电路、距离信号处理电路、角度-距离数据采集模块和接口通讯电路，二轴机械振镜与二轴振镜驱动电路相连，45°转镜与45°转镜驱动电路相连，距离信号处理电路与激光发射和接收器相连，时序控制电路与距离信号处理电路、二轴振镜驱动电路、45°振镜驱动电路和角度-距离数据采集模块相连，角度-数据采集模块与二轴振镜驱动电路、45°振镜驱动电路、距离信号处理电路和接口通讯电路相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明将45°转镜和双振镜相结合，在扫描过程中只有镜子旋转和振动，而线阵测距模块固定不动，系统转动惯量小，可实现扫描过程的快速切换，且驱动电机的扭矩和功率需求低；2)本发明在45°转镜扫描的基础上，引入了双振镜扫描方式，克服了像旋引入的不同方位垂直方向视场不一致的问题，保证了扫描过程中点云数据空间分布的均匀性；3)本发明采用低熔点光学玻璃模压而成的圆筒形光学零件进行激光雷达的系统集成，避免了传统机械零件在连接激光雷达上下零部件时的视场遮挡，在结构零件设计上也保证了360°周视功能，并且具有光学质量好、成本低、易于批量化生产的技术优势。
附图说明
图1为本发明用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。
结合图1，本发明的一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，包括激光发射和接收器1、二轴机械振镜2、45°转镜3、45°转镜驱动电路4、二轴振镜驱动电路5、时序控制电路6、距离信号处理电路7、角度-距离数据采集模块8、接口通讯电路9和360°透视结构件10,在激光发射和接收器1之后的光路上依次设置二轴机械振镜2和45°转镜3，二轴机械振镜2与二轴振镜驱动5电路相连，45°转镜3与45°转镜驱动电路4相连，距离信号处理电路7与激光发射和接收器1相连，时序控制电路6与距离信号处理电路7、二轴振镜驱动电路5、45°振镜驱动电路4和角度-距离数据采集模块8相连，角度-数据采集模块8与二轴振镜驱动电路5、45°振镜驱动电路4、距离信号处理电路7和接口通讯电路9相连，由360度透视结构件10实现整个系统的结构集成。
激光发射和接收器1是发射和接收视场配对的线阵组件，光轴处于水平方向，且线阵排列方向位于水平面内。
二轴机械振镜2由两个单轴机械振镜组成，第一个单轴机械振镜的振动轴方向处于竖直方向，且其反射镜面法线与激光发射和接收器的光轴呈45°；第二个单轴机械振镜的振动轴方向与激光发射和接收器的接收光轴一致，且其反射镜面法线与经一个单轴机械振镜反射后激光发射和接收器的接收光轴呈45°。
45°转镜3的转轴位于竖直方向，且其反射镜面的法线与竖直方向呈45°。
360度透视结构件10是由低熔点光学玻璃模压而成的圆筒形支撑光学零件，具有光学透过率高和热胀冷缩变形小等突出优势。
实施例1：
本实施例中，激光发射和接收器1为16线的激光发射和接收组件，二轴机械振镜2为金海创公司的光束直接为10mm的二轴振镜，45°转镜3的反射镜面直径为Φ＝30mm，二轴振镜驱动电路5为标准XY2-100驱动器，45°转镜驱动电路4、时序控制电路6、距离信号处理电路7、角度-距离数据采集模块8和接口通讯电路9是由ALTERA公司的大规模可编程逻辑器件Cyclone EP1C3T10017N为核心片上处理系统，360°透视结构件10为由低熔点K9玻璃模压成型的圆筒零件，外径120mm，内径110mm，高度100mm。
工作过程分析如下：
激光发射和接收器1的覆盖视场角度为φ，二轴机械振镜2用于反射来自激光发射和接收器1的入射光线，并且由二轴振镜驱动电路5控制振镜的反射镜片振动来改变反射光线所在面与初始转轴-法线所在面之间的夹角b；其中，-φ/2≤b≤φ/2。45°转镜3用于反射来自二轴振镜2的光线，并且通过转轴带动所述45°转镜3绕其转轴进行360°旋转，来自振镜2的光线随着45°转镜3的旋转，实现对周围目标环境的360°扫描。
在初始状态即转角θ＝0时，入射光线所在面与转镜3法线-转轴所在面重合；当转镜3旋转90°时，入射光线所在面与转镜3法线-转轴垂直；当转镜3旋转180°时，入射光线所在面与转镜3法线-转轴所在面重合，如此反复。
在扫描装置中，纵向扫描视场与所述夹角φ和夹角b相关，振镜2振动规律为简谐振动，即b以简谐振动的规律变化，
Figure BDA0001401701320000031
其中T2代表简谐振动的周期；B代表摆动角度的振幅；t代表摆动的时间，与转镜3转动的时间保持一致，则
Figure BDA0001401701320000032
其中T1代表转镜3转动的周期，θ代表转镜3转角。
将(2)代入(1)，则
Figure BDA0001401701320000041
令T1/T2＝n，即n为转镜3转动一周时入射光对应摆动的次数。
可见，所述装置的纵向扫描视场随着φ、θ、B和n的变化而变化，为使纵向扫描视场在360°内趋于均匀一致，且扫描效率越高越好，实施中B与φ保持一致，取30°；理论上T2越小越好即n越大越好，但是n越大，摆动频率越大，会造成尺寸大、稳定性下降等一系列问题，实施中设置简谐振动频率为200Hz，即T2＝0.005s，n＝40。
由上述扫描过程，给出的点云空间坐标为：
当θ＝0时，光线以与转轴夹角为
Figure BDA0001401701320000042
的角度入射，则入射光线的方向余弦
Figure BDA0001401701320000043
当扫描镜绕x轴转过θ角后，入射光线的方向余弦不变，代入式(4)，得到反射光线的方向余弦
Figure BDA0001401701320000044
入射光线所在直线的方程为
Figure BDA0001401701320000045
45°转镜3所在面在xyz坐标系中的方程为
x＝sinθ·y-cosθ·z (6)
将式(5)和(6)联立，则可以得到入射光线与转镜3的交点坐标
Figure BDA0001401701320000046
若目标圆柱面的半径为r,则反射点与交点的长度
Figure BDA0001401701320000047
满足以下条件：
l＞0
(l*A′y+y)2+(l*A′z+z)2＝r2 (8)
将式(7)代入，即可得l的大小。
那么，扫描点的坐标公式为：
x′＝l·A′x+x
y′＝l·A′y+y
z′＝l·A′z+z (9)

Claims (4)

1.一种用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，其特征在于,包括光路元件、电路模块和集成上述部件的透视结构件(10),其中光路元件包括依次设置的激光发射和接收器(1)、二轴机械振镜(2)和45°转镜(3)，电路模块包括45°转镜驱动电路(4)、二轴振镜驱动电路(5)、时序控制电路(6)、距离信号处理电路(7)、角度-距离数据采集模块(8)和接口通讯电路(9)，二轴机械振镜(2)与二轴振镜驱动电路(5)相连，45°转镜(3)与45°转镜驱动电路(4)相连，距离信号处理电路(7)与激光发射和接收器(1)相连，时序控制电路(6)与距离信号处理电路(7)、二轴振镜驱动电路(5)、45°转镜驱动电路(4)和角度-距离数据采集模块(8)相连，角度-数据采集模块(8)与二轴振镜驱动电路(5)、45°转镜驱动电路(4)、距离信号处理电路(7)和接口通讯电路(9)相连；
二轴机械振镜(2)由两个单轴机械振镜组成，第一个单轴机械振镜的振动轴方向处于竖直方向，且其反射镜面法线与激光发射和接收器(1)的光轴呈45°,第二个单轴机械振镜的振动轴方向与激光发射和接收器(1)的接收光轴一致，且其反射镜面法线与经一个单轴机械振镜反射后激光发射和接收器(1)的接收光轴呈45°。
2.根据权利要求书1所述的用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，其特征在于,激光发射和接收器(1)是发射和接收视场配对的线阵组件，光轴处于水平方向，且线阵排列方向位于水平面内。
3.根据权利要求书1所述的用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，其特征在于,45°转镜(3)的转轴位于竖直方向，且其反射镜面法线与竖直方向呈45°。
4.根据权利要求书1所述的用于线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，其特征在于,360度透视结构件(10)是由低熔点K9光学玻璃模压而成的圆筒形支撑光学零件。
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