CN110095782A - 多线激光测距雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种多线激光测距雷达。所述多线激光测距雷达包括：固定底座和旋转体；所述固定底座内设置有驱动电机，用于驱动所述旋转体周向旋转；所述旋转体内设置有多点激光发生器以及反射信号成像装置；所述多点激光发生器用于在垂直方向上产生至少两个不同角度的点状激光；所述反射信号成像装置用于采集所述点状激光的反射信号。该激光测距雷达与传统的三角测距激光雷达相比，其具有俯仰角各互不相同的多个扫描角度，可以为机器人提供所处环境中障碍物距离信息、水平方位信息以及垂直方位信息，实现3维测距。而与TOF测距的多线激光雷达相比，则有效的降低了激光雷达的成本和加工难度。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种多线激光测距雷达。
背景技术
在现有的商用机器人和扫地机器人的技术领域，通常会采用单线激光雷达对外部未知环境进行信息采集，并据此进行SLAM(即时定位与地图构建)，完成一项或者多项智能化工作任务。
但是，单线激光雷达的测距信息有限，只能获取单个扫描平面上的障碍物的距离和方位信息。其对于扫描平面外的障碍物，比如低于激光雷达扫描的平面障碍物则无法探测。这导致在实际应用过程中机器人难以避障，容易出现碰撞等问题。
为了提升机器人避障能力，减少碰撞发生的问题，可以采用多线激光雷达来获得垂直平面上的障碍物距离和方位信息。
在实现本发明过程中，发明人发现相关技术存在以下问题：现有的多线激光雷达通常基于TOF测距原理来获取垂直平面上的障碍物的信息。这样的激光雷达应用到各种智能化机器人，如扫地机器人时，存在设计复杂、加工工艺难度大以及成本高等技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种多线激光测距雷达，以解决现有的TOF测距激光雷达设计复杂，加工难度和成本较高的问题。
本发明实施例的第一方面提供一种多线激光测距雷达。所述多线激光测距雷达包括：
固定底座和旋转体；所述固定底座内设置有驱动电机，用于驱动所述旋转体周向旋转；所述旋转体内设置有多点激光发生器以及反射信号成像装置；所述多点激光发生器用于在垂直方向上产生至少两个不同角度的点状激光；所述反射信号成像装置用于采集所述点状激光的反射信号。
可选地，所述旋转体由旋转体壳体以及驱动上板围成；所述固定底座由底座壳体、驱动下板以及所述驱动上板围成；所述驱动电机设置在所述驱动上板和所述驱动下板之间，用于支撑所述驱动上板，并驱动所述驱动上板在水平面上，绕轴线旋转。
可选地，所述驱动上板的上表面固定设置有一旋转体支架，形成第一安装位和第二安装位；所述多点激光发射器安装固定在所述第一安装位内，所述反射信号成像装置安装固定在所述第二安装位内；
所述旋转体壳体上开设有第一通孔与第二通孔；所述第一通孔与所述第一安装位相对设置，以使所述多点激光发射器发射的点状激光经过所述第一通孔射出；所述第二通孔与所述第二安装位相对设置，以使所述点状激光的反射信号经由所述第二通孔，被所述反射信号成像装置采集。
可选地，所述反射信号成像装置包括：沿所述反射信号成像装置的入射光路依次设置的镜头、滤光片以及图像传感器阵列；
所述镜头形成所述反射信号成像装置的激光接收口，用于汇聚所述点状激光的反射信号；所述滤光片用于滤除从镜头进入的干扰信号；所述图像传感器阵列用于形成反射信号在垂直方向上的光斑成像结果。
可选地，所述滤光片的中心波长与所述激光发生器产生的点状激光的波长一致；所述镜头的法线与所述多点激光发生器发射的点状激光存在水平夹角。
可选地，所述多点激光发生器包括：单点激光器，所述单点激光器用于向外发射点状激光，提供激光源；与所述单点激光器配合的透镜阵列，用于以所述激光源为基础，在垂直方向上形成至少两个不同角度的点状激光。
可选地，所述多点激光发生器包括至少两个单点激光器；不同的所述单点激光器用于在垂直方向上产生至少两个不同角度的点状激光。
可选地，所述驱动上板的下表面设置有向下延伸的内线圈；所述驱动下板的上表面设置有向上延伸的外线圈；所述内线圈插入所述外线圈内，配合形成无线电路传输通路。
可选地，所述驱动电机上设置有角度编码器，所述驱动上板设置有光电耦合传感器；所述光电耦合传感器与所述角度编码器配合，检测所述旋转体的水平旋转角。
可选地，还包括测距电路，用于驱动所述激光发生器并用于根据反射信号的成像结果，计算测距距离、水平角度以及垂直角度；电机驱动电路，用于驱动所述驱动电机运行；供电电路，用于为所述测距电路以及电机驱动电路供电；通信电路，用于与外部设备通信；外部接口，所述外部接口与所述供电电路和通信电路连接，由所述多线激光测距雷达向外延伸形成，用于与外部设备连接，实现数据交互与供电。
本发明实施例提供的技术方案中，通过多点激光发生器产生的多个不同角度的点状激光，实现垂直平面内多个角度的360度测距。该激光雷达与传统的三角测距激光雷达相比，其具有俯仰角各互不相同的多个扫描角度，可以为机器人提供所处环境中障碍物距离信息、水平方位信息以及垂直方位信息，实现3维测距。而与TOF测距的多线激光雷达相比，则有效的降低了激光雷达的成本和加工难度。
附图说明
图1为本发明实施例的多线激光测距雷达的一个实施例示意图；
图2为图1所示的多线激光测距雷达的一个实施例剖视图；
图3为本发明实施例的旋转体的一个实施例示意图；
图4为图3所示的旋转体的一个实施例剖视图；
图5为本发明实施例的固定底座的一个实施例示意图；
图6为本发明实施例的多线激光测距雷达的工作原理的一个实施例示意图；
图7为本发明实施例的图像传感阵列中，其中一行像素的成像信息的一个实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1为本发明实施例提供的多线激光测距雷达的立体结构示意图。图2 为本发明实施例提供的多线激光测距雷达的剖视图。
如图1和图2所示，所述多线激光测距雷达包括：固定底座100、旋转体 200以及外部接口300。
其中，所述固定底座100内设置有驱动电机110，用于驱动所述旋转体 200周向旋转。
驱动电机110可以是任何合适类型或者结构的电机，其可以提供驱动力，通过或者不通过传动结构，令旋转体在水平面上，绕自身的轴线方向旋转以实现360°的测距。
所述旋转体200内设置有多点激光发生器210以及反射信号成像装置220。所述多点激光发生器210用于在垂直方向上产生至少两个不同角度的点状激光。
多点激光发生器210具体产生的点状激光的角度数量以及角度分布可以根据实际情况或者激光雷达的设计需求而决定。例如，可以设置所述多点激光发生器210在垂直方向上产生3个不同角度的点状激光，角度分布分别为 -5°，0°以及+5°。
具体的，多点激光发生器210可以通过单点激光器以及与所述单点激光器配合的透镜阵列来产生多个不同角度的点状激光。
其中，所述单点激光器作为激光源，向外发射点状激光。由单点激光器发出的点状激光经过透镜阵列的汇聚、折射和分光后，在垂直方向上形成至少两个不同角度的点状激光。
在另一些实施例中，所述多点激光发生器210则可以直接使用多个单点激光器。通过调整单点激光器的位置和激光出射方向，分别在垂直方向上产生多个不同角度的点状激光。
应当说明的是，还可以使用其他任何合适的多点激光发生器210结构，只需要可以在垂直平面内，产生多个不同的角度的点状激光即可。
所述反射信号成像装置220用于采集所述点状激光的反射信号并获得对应的光斑成像结果。根据不同反射信号的光斑成像的垂直位置，可以计算获得障碍物的垂直角度，实现三维测距的目的。
固定底座100和旋转体200根据实际情况的需要或者设计目标，具体可以采用任何合适的形状结构，在图1中以圆柱形为例。作为两个可以相对转动的独立组件，固定底座100和旋转体200之间具体可以采用任何合适类型的结构连接，实现两者之间的相对转动。
外部接口300是多线激光测距雷达与外部设备或者外部系统建立连接，实现供电和数据交互的物理接口。其可以通过线缆，从所述多线激光测距雷达向外延伸一定的长度。根据实际情况的需要，外部接口300可以采用相应的形式或者合适数量的引脚。
在一些实施例中，如图2所示，所述旋转体200由旋转体壳体230以及驱动上板240围成。所述固定底座100则由底座壳体120、驱动下板130以及所述驱动上板240围成。亦即，所述驱动上板240将固定底座100与旋转体200间隔开，形成两个不同的组件。
所述驱动电机110设置在所述驱动上板240和所述驱动下板130之间，其填充两者之间的空间，起到支撑所述驱动上板240的作用。
在实际应用过程中，所述驱动电机固定在驱动下板上，其输出端(可以是旋转台等)与所述驱动上板固定连接，驱动所述驱动上板在水平面上，绕轴线旋转以实现旋转体的周向旋转。
在一些实施例中，所述驱动电机上还可以设置有角度编码器，所述驱动上板则相应的设置有光电耦合传感器。通过所述光电耦合传感器与所述角度编码器配合，实现对所述旋转体的水平旋转角的检测。
具体的，该多点激光发生器210以及反射信号成像装置220可以通过任何合适的固定结构，固定在旋转体壳体230以及驱动上板240围成的旋转体 200内部。图3为本发明实施例提供的旋转体的内部结构示意图。
如图3所示，所述驱动上板240的上表面固定设置有一旋转体支架250。该旋转体支架250的两侧分别设置有第一安装位A1和第二安装位B1。
其中，所述多点激光发射器210安装固定在所述第一安装位A1内，所述反射信号成像装置220安装固定在所述第二安装位B1内。
相对应地，如图1所示，所述旋转体壳体230上开设有第一通孔A2与第二通孔B2。所述第一通孔A2与所述第一安装位A1相对设置，所述第二通孔 B2与所述第二安装位B1相对设置。
由此，激光雷达的运行过程中，所述多点激光发射器发射的点状激光经过所述第一通孔A2射出。射出后的点状激光经过外部各种障碍物的漫反射以后，形成的反射信号则经由所述第二通孔B2，被所述反射信号成像装置采集。
应当说明的是，图3和图1所示的旋转体结构仅用于说明。基于本发明实施例揭露的发明思想，本领域技术人员还可以根据设计需要或者实际情况，对旋转体内部的结构进行相应的调整、改变或者替换。例如，直接将多点激光发生器210以及反射信号成像装置220固定在旋转体壳体230上。所有的这些调整、改变或者替换均属于本发明的保护范围。
图4为图3所示的旋转体的内部结构的剖视图。如图4所示，在一些实施例中，所述反射信号成像装置220可以包括：沿所述反射信号成像装置的入射光路依次设置的镜头221、滤光片222以及图像传感器阵列223。
其中，所述镜头221形成所述反射信号成像装置的激光接收口，用于汇聚所述点状激光的反射信号。汇聚后的反射信号通过所述滤光片222，滤除干扰信号后进入到图像传感器阵列223，形成与反射信号对应的光斑成像结果。
在一些实施例中，所述图像传感器阵列223可以使用一个n×n的CCD面阵列，采集在垂直方向上多个不同角度的多线激光信号。在另一些实施例中，还可以使用多个线阵CCD来拼合组成所述图像传感器阵列223。
可以理解的是，还可以使用其他或任何合适类型的反射信号成像装置来采集反射信号，只需要其能够满足利用光斑成像的垂直位置来计算障碍物的垂直角度的发明思路即可。
较佳的，所述滤光片222的中心波长与所述激光发生器产生的点状激光的波长一致。如图4所示，所述镜头221的法线与所述多点激光发生器发射的点状激光存在水平夹角α。
具体的，该水平夹角可以设置为8°，镜头221的法线与多点激光发生器的中心距离L则可以设置为8cm。
在一些实施例中，所述多线激光雷达还包括与图1至4所示的多线激光雷达的硬件结构相匹配的一系列功能电路，以完成整个激光测距的功能。
其中，这些功能电路包括但不限于：测距电路，用于驱动所述激光发生器并用于根据反射信号的成像结果，计算测距距离、水平角度以及垂直角度。电机驱动电路，用于驱动所述驱动电机运行。供电电路，用于为所述测距电路以及电机驱动电路供电以及通信电路，用于与外部设备通信。
外部接口300从所述供电电路和通信电路引出，通过线缆向外延伸与外部设备连接，从而实现数据交互与供电的功能。
应当说明的是，本发明实施例提供的多线激光雷达可以使用现有技术中基于三角测距原理的单线激光雷达的功能电路而不需要作出改变或者调整。上述的功能电路都是本领域技术人员所熟知的电路，为陈述简便，在此不作赘述。
根据实际情况的需要，上述的一个或者多个功能电路可以集成在驱动上板和/或驱动下板上，执行对应的功能。例如，所述测距电路、供电电路可以集成在驱动上板，所述电机驱动电路和供电电路可以集成在驱动下板。
如上所记载的，由于旋转体200是一个需要相对于固定底座进行旋转运动的组件。因此，较佳的可以使用无线供电的方式，为旋转体200进行供电。
图5为本发明实施例提供的固定底座的内部结构示意图。如图3和图5 所示，所述驱动上板240的下表面设置有向下延伸的内线圈260。所述驱动下板130的上表面设置有向上延伸的外线圈140。所述驱动电机110的中心的部分中空，用以容纳所述内线圈260和所述外线圈140。
所述内线圈260插入所述外线圈140内，配合形成电力传输通路，利用电磁感应效应，由固定底座为旋转体进行供电。较佳的，为了增强电磁感应效应，提高电磁转换效率，还可以进一步的在内线圈260和外线圈140内增设磁芯150。
在另一些实施例中，还可以进一步的增设光通信模组，实现旋转体与固定底座之间的数据通信。
图6为本发明实施例提供的多线激光雷达的工作原理图。以下结合图6 所示的工作原理，详细的描述本发明实施例提供的多线激光雷达的实际运行过程：
1)在开始多线激光雷达开始工作时，驱动电机110驱动旋转体200在水平面上旋转。驱动上板240和驱动下板130通过电磁感应线圈和无线通信电路连接，实现旋转体200的供电和数据通信。
2)在旋转体200的旋转过程中，多点激光发生器210在垂直平面内产生多个不同角度的点状激光601并向外发射。
3)当发射的点状激光601扫描的角度上存在障碍物602时，在障碍物上会形成光斑，经过漫反射返回。
4)漫反射的激光反射信号603经过镜头221聚焦，滤光片222滤除干扰光信号后成像于图像传感阵列223。
5)根据图像传感阵列223计算出各个成像光斑所处的垂直角度VA1， VA2，VA3和被测障碍物的距离D1，D2，D3。与此同时，采集角度编码器中的角度信息从而解算出该时刻的水平角度HA(亦即旋转体的水平旋转角)。
具体的距离解算过程举例如下：图像传感阵列中其中一行像素的成像信息如图7所示，其中横坐标为像素位置，纵坐标为像素输出的灰度值。
当发射的点状激光遇到障碍物后，会形成光斑并通过漫反射，反射回相应的反射信号。通过镜头聚焦到图像传感阵列中的某一行的某一个位置。
然后，由图像传感阵列输出携带有光斑信息的灰度图(如图7所示的)。根据成像特征，便可以计算处光斑位置Position。最后，障碍物的距离D和 Position满足数学关系D＝(a*Position+b)/(Position+c)，可以据此求出障碍物的距离D。其中，a,b,c为给定经验值，可以由技术人员设置确定。
6)输出测量数据[HA，VA1，D1]，[HA，VA2，D2]，[HA，VA3，D3]，完成在三个扫描方向上的多线激光扫描。
可以理解，当旋转体200转过一周以后，便可实现激光雷达的360°的多线扫描。
7)驱动上板240可以将这些测量数据打包传输到驱动下板130，然后通过外部接口转发至外部系统，提供给扫地机器人等作为基础的检测数据，进行后续应用(例如进行SLAM)。
综上所述，本发明实施例提供的激光雷达采用多线测距的方式实现了对多个互不相同的俯仰角平面的360°测距。其相对于单线激光雷达而言，能检测出雷达所处环境中障碍物的垂直方向上的信息，实现3维测距。而与基于 TOF测距的多线激光雷达相比，则极大的降低了成本和加工难度。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种多线激光测距雷达，其特征在于，包括
固定底座和旋转体；所述固定底座内设置有驱动电机，用于驱动所述旋转体周向旋转；
所述旋转体内设置有多点激光发生器以及反射信号成像装置；所述多点激光发生器用于在垂直方向上产生至少两个不同角度的点状激光；所述反射信号成像装置用于采集所述点状激光的反射信号。
2.根据权利要求1所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述旋转体由旋转体壳体以及驱动上板围成；所述固定底座由底座壳体、驱动下板以及所述驱动上板围成；
所述驱动电机设置在所述驱动上板和所述驱动下板之间，用于支撑所述驱动上板，并驱动所述驱动上板在水平面上，绕轴线旋转。
3.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述驱动上板的上表面固定设置有一旋转体支架，形成第一安装位和第二安装位；所述多点激光发射器安装固定在所述第一安装位内，所述反射信号成像装置安装固定在所述第二安装位内；
所述旋转体壳体上开设有第一通孔与第二通孔；所述第一通孔与所述第一安装位相对设置，以使所述多点激光发射器发射的点状激光经过所述第一通孔射出；所述第二通孔与所述第二安装位相对设置，以使所述点状激光的反射信号经由所述第二通孔，被所述反射信号成像装置采集。
4.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述反射信号成像装置包括：沿所述反射信号成像装置的入射光路依次设置的镜头、滤光片以及图像传感器阵列；
所述镜头形成所述反射信号成像装置的激光接收口，用于汇聚所述点状激光的反射信号；所述滤光片用于滤除从镜头进入的干扰信号；所述图像传感器阵列用于形成反射信号在垂直方向上的光斑成像结果。
5.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述滤光片的中心波长与所述激光发生器产生的点状激光的波长一致；所述镜头的法线与所述多点激光发生器发射的点状激光存在水平夹角。
6.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述多点激光发生器包括：
单点激光器，所述单点激光器用于向外发射点状激光，提供激光源；
与所述单点激光器配合的透镜阵列，用于以所述激光源为基础，在垂直方向上形成至少两个不同角度的点状激光。
7.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述多点激光发生器包括至少两个单点激光器；不同的所述单点激光器用于在垂直方向上产生至少两个不同角度的点状激光。
8.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述驱动上板的下表面设置有向下延伸的内线圈；所述驱动下板的上表面设置有向上延伸的外线圈；所述内线圈插入所述外线圈内，配合形成无线电路传输通路。
9.根据权利要求2所述的多线激光测距雷达，其特征在于，所述驱动电机上设置有角度编码器，所述驱动上板设置有光电耦合传感器；
所述光电耦合传感器与所述角度编码器配合，检测所述旋转体的水平旋转角。
10.根据权利要求1所述的多线激光测距雷达，其特征在于，还包括
测距电路，用于驱动所述激光发生器并用于根据反射信号的成像结果，计算测距距离、水平角度以及垂直角度；
电机驱动电路，用于驱动所述驱动电机运行；
供电电路，用于为所述测距电路以及电机驱动电路供电；
通信电路，用于与外部设备通信；
外部接口，所述外部接口与所述供电电路和通信电路连接，由所述多线激光测距雷达向外延伸形成，用于与外部设备连接，实现数据交互与供电。
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