CN110109137A - 一种多镜头多线激光雷达测距系统及其测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种多镜头多线激光雷达测距系统及其测距方法，系统包括结构建和若干个激光发收模组；所述结构建上根据应用场景需求为每组激光发收模组设置对应的若干个定位孔，各激光发收模组内部的垂调螺丝孔和角调螺丝孔插入对应的定位孔中、通过拧入螺丝将各个激光发收模组安装固定在结构建上；通过调节垂调螺丝孔在定位孔中的高度来调节该激光发收模组的垂直角度，以角调螺丝孔为中心进行旋转来调节激光发收模组的任何角度。完全根据应用场景需求设置激光发收模组在整机中的安装位置，通过垂直角度和角度的调节，提高了垂直分辨率，减小近距离测距的盲区，从而解决了现有多线激光雷达垂直堆叠安装导致近距离测距的盲区较大的问题。

Description

一种多镜头多线激光雷达测距系统及其测距方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种多镜头多线激光雷达测距系统及其测距方法。
背景技术
现有的多线激光雷达采用半导体激光发射器发射激光，通过光电传感器对回波信号进行检测。多线激光雷达中含多个激光发射器和多个光电传感器，每一对激光发射器和光电传感器可以测量一个距离，但是却只有一个发射透镜和一个接收透镜。
由于传统的多线激光雷达的安装方式采用在垂直方向上按照一定的弧度堆叠的方式，这样会严重影响多线激光雷达的垂直分辨率，受限于垂直角度原因导致近距离测距的盲区较大，并且这种安装方式受限于相邻两线的空间，装配难度大，调节光路空间有限，不易调节；同时，在时刻鉴别时，采用的是单通道AD采样，近距离时会导致采样信号和回波信号重叠。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种多镜头多线激光雷达测距系统及其测距方法，以解决现有多线激光雷达垂直堆叠安装导致近距离测距的盲区较大的问题。
本发明实施例提供一种多镜头多线激光雷达测距系统，其包括结构建和若干个激光发收模组；
所述结构建上根据应用场景需求为每组激光发收模组设置对应的若干个定位孔，各激光发收模组内部的垂调螺丝孔和角调螺丝孔插入对应的定位孔中、通过拧入螺丝将各个激光发收模组安装固定在结构建上；通过调节垂调螺丝孔在定位孔中的高度来调节该激光发收模组的垂直角度，以角调螺丝孔为中心进行旋转来调节激光发收模组的任何角度。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述激光发收模组包括激光发射模块、光学模块、回波探测模块、信号采样模块和逻辑控制模块；
所述激光发射模块连接信号采样模块和逻辑控制模块，回波探测模块连接信号采样模块和逻辑控制模块，信号采样模块连接逻辑控制模块；
所述激光发射模块根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号生成对应的高频脉冲激光并发射，还生成参考信号给信号采样模块；光学模块将高频脉冲激光发射至目标物体上，接收目标物体产生的激光回波；回波探测模块根据激光回波生成回波信号并滤波放大后传输给信号采样模块，信号采样模块对参考信号和回波信号分别采样后传输至逻辑控制模块，逻辑控制模块根据参考信号和回波信号的采样时间计算激光发射模块与目标物体之间的距离。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述激光发射模块包括激光驱动电路和激光二极管；
所述激光驱动电路连接激光二极管、逻辑控制模块和信号采样模块；所述激光驱动电路根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号控制激光二极管发射对应的高频脉冲激光，还检测激光发射时、记录激光发射瞬间的信号作为参考信号给信号采样模块。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述激光驱动电路包括电源、充电电路、开关控制电路、储能电路和开关；
所述充电电路连接电源和开关的一传输端，开关的选择端连接开关控制电路和储能电路，开关的另一传输端连接激光二极管的正极，激光二极管的负极连接储能电路和地；
所述开关控制电路检测到高频脉冲信号的低电平时，控制电源通过充电电路对储能电路充电；开关控制电路检测到高电平时，控制储能电路的电量通过激光二极管释放来产生激光束。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述光学模块包括并排设置在激光发收模组壳体的外侧面上的接收透镜和发射透镜，所述发射透镜将激光汇聚成光束并打到目标物体上，接收透镜接收目标物体产生的激光回波。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述光学模块还包括在接收透镜和发射透镜的表面覆盖的屏蔽罩。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述回波探测模块包括光电传感器和信号处理电路；所述光电传感器连接信号处理电路和逻辑控制模块，信号处理电路连接信号采样模块；
所述光电传感器检测激光打到目标物体后产生的激光回波并转换为回波信号，信号处理电路对所述回波信号进行滤波去噪、信号放大后传输至信号采样模块。
可选地，所述的多镜头多线激光雷达测距系统中，所述信号采样模块是双通道的ADC转换器。
本发明实施例第二方面提供了一种采用所述的多镜头多线激光雷达测距系统的测距方法，包括：
步骤A、激光发射模块根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号生成对应的高频脉冲激光并发射，还生成参考信号给信号采样模块；
步骤B、光学模块将高频脉冲激光发射至目标物体上，接收目标物体产生的激光回波；
步骤C、回波探测模块根据激光回波生成回波信号并滤波放大后传输给信号采样模块，信号采样模块对参考信号和回波信号分别采样后传输至逻辑控制模块；
步骤D、逻辑控制模块根据参考信号和回波信号的采样时间计算激光发射模块与目标物体之间的距离。
可选地，所述的测距方法中，在所述步骤D中，距离公式为其中，T1为参考信号的瞬时时间，T2为回波信号的瞬时时间，C为光的传播速度3×108。
本发明实施例提供的技术方案中，多镜头多线激光雷达测距系统包括结构建和若干个激光发收模组；所述结构建上根据应用场景需求为每组激光发收模组设置对应的若干个定位孔，各激光发收模组内部的垂调螺丝孔和角调螺丝孔插入对应的定位孔中、通过拧入螺丝将各个激光发收模组安装固定在结构建上；通过调节垂调螺丝孔在定位孔中的高度来调节该激光发收模组的垂直角度，以角调螺丝孔为中心进行旋转来调节激光发收模组的任何角度。完全根据应用场景需求设置激光发收模组在整机中的安装位置，即可解决现有受限于垂直角度的问题。每一个激光发收模组都是独立的个体，可以单独调节光路，即可避免装配时受其它相邻线的影响，解决受限整机空间太小难以操作的问题；并且通过垂直角度和角度的调节，提高了垂直分辨率，减小近距离测距的盲区，从而解决了现有多线激光雷达垂直堆叠安装导致近距离测距的盲区较大的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中多镜头多线激光雷达测距系统一视角的结构示意图。
图2为本发明实施例中多镜头多线激光雷达测距系统另一视角的结构示意图。
图3为本发明实施例中多镜头多线激光雷达测距系统的结构框图。
图4为本发明实施例中激光驱动电路的示意图。
图5为本发明实施例中参考信号与回波信号的瞬时时间波形图。
图6为本发明实施例中多镜头多线激光雷达测距系统的测距方法流程图。
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。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。
请一并参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供的多镜头多线激光雷达测距系统包括结构建7和若干个激光发收模组A(图1中示出4个为例，设置在结构建7的平台上)，所述结构建7上根据应用场景需求为每组激光发收模组设置对应的若干个定位孔(图1中以1个激光发收模组为例，对应设置4个，即9、11、12、14)，各激光发收模组内部的垂调螺丝孔(8、10)和角调螺丝孔(13、15)插入对应的定位孔中(8插入9、10插入11、13插入12、15插入14)，通过拧入螺丝将各个激光发收模组安装固定在结构建7上；通过调节垂调螺丝孔(8、10)在定位孔中的高度即可自主调节该激光发收模组的垂直角度，以角调螺丝孔(13、15)为中心进行旋转即可随意调节激光发收模组的任何角度，垂直角度和任何角度是同时一起调节。
由于定位孔是根据应用场景需求而设置的，激光发收模组在整机中可以安装在结构建7上的任意位置，不需要将激光发收模组安装在同一水平面上，也不需要均匀间隔设置，完全根据应用场景需求设置激光发收模组在整机中的安装位置，即可解决现有受限于垂直角度的问题。安装时只需要标定激光雷达初使转的角度即可；每一个激光发收模组都是独立的个体，可以单独调节光路，可在装整机前就将激光的光路调节好，即可避免装配时受其它相邻线的影响，解决受限整机空间太小难以操作的问题；并且通过垂直角度和角度的调节，提高了垂直分辨率，减小近距离测距的盲区，从而解决了现有多线激光雷达垂直堆叠安装导致近距离测距的盲区较大的问题。装配固定也非常简单，通过打螺丝的方式即可调节角度的位置。
所述激光发收模组包括激光发射模块1、光学模块2、逻辑控制模块5和电路板，所述电路板上集成有回波探测模块3和信号采样模块4，逻辑控制模块5设置在结构建7中；所述激光发射模块1连接信号采样模块4和逻辑控制模块5，回波探测模块3连接信号采样模块4和逻辑控制模块5，信号采样模块4连接逻辑控制模块5，光学模块2与激光发射模块1、回波探测模块3之间进行光的收发。
所述激光发射模块1根据逻辑控制模块5输出的高频脉冲信号生成对应的高频脉冲激光并发射，还生成参考信号给信号采样模块4；光学模块2将高频脉冲激光发射至目标物体上，接收目标物体产生的激光回波。回波探测模块3根据激光回波生成回波信号并滤波放大后传输给信号采样模块4，信号采样模块4对参考信号和回波信号分别采样后传输至逻辑控制模块5，逻辑控制模块5根据参考信号和回波信号的采样时间计算激光发射模块与目标物体之间的距离。
所述激光发射模块1包括激光驱动电路和激光二极管LD；所述激光驱动电路连接激光二极管LD、逻辑控制模块5和信号采样模块4；所述激光驱动电路根据逻辑控制模块5输出的高频脉冲信号控制激光二极管LD发射对应的高频脉冲激光，还检测激光发射时、记录激光发射瞬间的信号作为参考信号给信号采样模块4。
请一并参阅图4，所述激光驱动电路包括电源、充电电路、开关控制电路、储能电路和开关；所述充电电路连接电源和开关的一传输端c，开关的选择端k连接开关控制电路和储能电路，开关的另一传输端d连接激光二极管LD的正极，激光二极管LD的负极连接储能电路和地。所述开关控制电路检测到高频脉冲信号的低电平时，控制电源通过充电电路对储能电路充电；开关控制电路检测到高电平时，控制储能电路的电量通过激光二极管LD释放来产生激光束。具体为：所述逻辑控制模块5输出一高频脉冲信号(如图4所示的方波信号)，开关控制电路检测到高频脉冲信号的低电平时，开关控制电路控制开关的选择端k连接一传输端c，电源输出的电源电压通过充电电路对储能电路进行充电，此时激光二极管LD不会发出激光束。当开关控制电路检测高频脉冲信号的高电平时，表明充电完成，储能电路中有足够的电量，开关控制电路控制开关的选择端k连接另一传输端d，储能电路中的电量快速通过激光二极管LD释放，激光二极管LD在短时间内流过大电流，从而释放出一束时间很短的激光束。再次检测到低电平时，无激光束发射；通过这样高低切换即可产生与高频脉冲信号对应的高频脉冲激光。
在具体实施时，所述开关可采用MOS管，高频脉冲信号(一个方波信号)通过设置在开关控制电路内部的MOS管驱动器输出控制MOS管的导通和关闭，由MOS管连接电源和激光二极管LD。传统的方式是直接将高频脉冲信号传到激光二极管，缺点是上升沿很缓。本实施例通过MOS管驱动器再进入MOS管，MOS管连接激光二极管，即可产生一个上升沿很陡的脉冲，从而提高测距距离和精度。
本实施例中，所述光学模块2包括并排设置在激光发收模组壳体的外侧面上的接收透镜21和发射透镜22。所述发射透镜22将激光汇聚成光束并打到目标物体上，接收透镜21接收目标物体产生的激光回波。为了获取更准确的精度，要求激光发射的光斑尽可能的小，发射透镜22要让激光发射的散光能够聚集再打出去到目标体，可采用凸透镜。因为APD的感光面积不大，当检测的回波信号更分散时，回波探测模块3内的光电传感器可以更容易检测到回波信号，则接收透镜21可采用凹面镜。优选地，在接收透镜21和发射透镜22的表面覆盖一屏蔽罩，屏蔽罩内附一层光学薄膜，能屏蔽除脉冲激光波段外的杂光，起到更好的信噪比。
本实施例中，所述回波探测模块3包括光电传感器31(型号优选为S12926)和对检测到的信号进行处理的信号处理电路32。所述光电传感器采用APD(APD(Avalanche PhotoDiode，雪崩光电二极管，其灵敏度极高)来检测激光打到目标物体后产生的激光回波并转换为回波信号。信号处理电路对所述回波信号进行滤波去噪、信号放大(放大处理采用三极管多次放大)后传输至信号采样模块4。
现有技术采用单通道的AD采样，在近距离的时候会因为数据处理不过来，导致无法分辨是采样信号还是回波信号，计算误差大。本实施例中所述信号采样模块4采用双通道的ADC转换器(模数转换器，优选型号为ADCMP553)，一路用于对激光发射时的参考信号进行采样；一路用于对回波信号进行采样。通过将采样信号和回波信号分开来，因此不会发生信号重叠的情况；从而解决由于FPGA对数据处理不过来导致近距离测距时采样信号和回波信号重叠的问题。
本实施例中，所述逻辑控制模块5包括FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列，型号优选为XC7Z007S-1CLG225C)及其外围电路，用于输出高频脉冲信号控制激光发射模块1产生高频脉冲激光，对回波信号进行数字化处理。具体为：FPGA采用数字化技术对参考信号和回波信号进行处理和分析，计算出时间间隔TΔ＝T2-T1，T2为回波信号的瞬时时间，T1为参考信号的瞬时时间，如图5所示。根据距离公式其中，C为光的传播速度3×108)，即可计算出激光发收模组与目标物体之间的距离d，通过FPGA可将距离d整合成数据包通过串口或者网口传到外部系统中去。
基于上述的多镜头多线激光雷达测距系统，本发明还提供一种多镜头多线激光雷达测距系统的测距，请参阅图6，所述测距方法包括：
S10、激光发射模块根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号生成对应的高频脉冲激光并发射，还生成参考信号给信号采样模块；
S20、光学模块将高频脉冲激光发射至目标物体上，接收目标物体产生的激光回波；
S30、回波探测模块根据激光回波生成回波信号并滤波放大后传输给信号采样模块，信号采样模块对参考信号和回波信号分别采样后传输至逻辑控制模块；
S40、逻辑控制模块根据参考信号和回波信号的采样时间计算激光发射模块与目标物体之间的距离。
优选地，在步骤S40中，距离公式为其中，T1为参考信号的瞬时时间，T2为回波信号的瞬时时间，C为光的传播速度3×108。
综上所述，本发明提供的多镜头多线激光雷达测距系统及其测距方法，完全根据应用场景需求设置激光发收模组在整机中的安装位置，即可解决现有受限于垂直角度的问题。每一个激光发收模组都是独立的个体，可以单独调节光路，可在装整机前就将激光的光路调节好，即可避免装配时受其它相邻线的影响，解决受限整机空间太小难以操作的问题；并且通过垂直角度和角度的调节，提高了垂直分辨率，减小近距离测距的盲区，从而解决了现有多线激光雷达垂直堆叠安装导致近距离测距的盲区较大的问题。装配固定也非常简单，通过打螺丝的方式即可调节角度的位置。采用双通道的ADC转换器进行采样，将采样信号和回波信号分开就不会发生信号重叠的情况；从而解决由于FPGA对数据处理不过来导致近距离测距时采样信号和回波信号重叠的问题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，包括结构建和若干个激光发收模组；
所述结构建上根据应用场景需求为每组激光发收模组设置对应的若干个定位孔，各激光发收模组内部的垂调螺丝孔和角调螺丝孔插入对应的定位孔中、通过拧入螺丝将各个激光发收模组安装固定在结构建上；通过调节垂调螺丝孔在定位孔中的高度来调节该激光发收模组的垂直角度，以角调螺丝孔为中心进行旋转来调节激光发收模组的任何角度。
2.根据权利要求1所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光发收模组包括激光发射模块、光学模块、回波探测模块、信号采样模块和逻辑控制模块；
所述激光发射模块连接信号采样模块和逻辑控制模块，回波探测模块连接信号采样模块和逻辑控制模块，信号采样模块连接逻辑控制模块；
所述激光发射模块根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号生成对应的高频脉冲激光并发射，还生成参考信号给信号采样模块；光学模块将高频脉冲激光发射至目标物体上，接收目标物体产生的激光回波；回波探测模块根据激光回波生成回波信号并滤波放大后传输给信号采样模块，信号采样模块对参考信号和回波信号分别采样后传输至逻辑控制模块，逻辑控制模块根据参考信号和回波信号的采样时间计算激光发射模块与目标物体之间的距离。
3.根据权利要求2所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光发射模块包括激光驱动电路和激光二极管；
所述激光驱动电路连接激光二极管、逻辑控制模块和信号采样模块；所述激光驱动电路根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号控制激光二极管发射对应的高频脉冲激光，还检测激光发射时、记录激光发射瞬间的信号作为参考信号给信号采样模块。
4.根据权利要求3所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光驱动电路包括电源、充电电路、开关控制电路、储能电路和开关；
所述充电电路连接电源和开关的一传输端，开关的选择端连接开关控制电路和储能电路，开关的另一传输端连接激光二极管的正极，激光二极管的负极连接储能电路和地；
所述开关控制电路检测到高频脉冲信号的低电平时，控制电源通过充电电路对储能电路充电；开关控制电路检测到高电平时，控制储能电路的电量通过激光二极管释放来产生激光束。
5.根据权利要求2所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述光学模块包括并排设置在激光发收模组壳体的外侧面上的接收透镜和发射透镜，所述发射透镜将激光汇聚成光束并打到目标物体上，接收透镜接收目标物体产生的激光回波。
6.根据权利要求5所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述光学模块还包括在接收透镜和发射透镜的表面覆盖的屏蔽罩。
7.根据权利要求2所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述回波探测模块包括光电传感器和信号处理电路；所述光电传感器连接信号处理电路和逻辑控制模块，信号处理电路连接信号采样模块；
所述光电传感器检测激光打到目标物体后产生的激光回波并转换为回波信号，信号处理电路对所述回波信号进行滤波去噪、信号放大后传输至信号采样模块。
8.根据权利要求2所述的多镜头多线激光雷达测距系统，其特征在于，所述信号采样模块是双通道的ADC转换器。
9.一种采用权利要求2所述的多镜头多线激光雷达测距系统的测距方法，其特征在于，包括：
步骤A、激光发射模块根据逻辑控制模块输出的高频脉冲信号生成对应的高频脉冲激光并发射，还生成参考信号给信号采样模块；
步骤B、光学模块将高频脉冲激光发射至目标物体上，接收目标物体产生的激光回波；
步骤C、回波探测模块根据激光回波生成回波信号并滤波放大后传输给信号采样模块，信号采样模块对参考信号和回波信号分别采样后传输至逻辑控制模块；
步骤D、逻辑控制模块根据参考信号和回波信号的采样时间计算激光发射模块与目标物体之间的距离。
10.根据权利要求9所述的测距方法，其特征在于，在所述步骤D中，距离公式为其中，T1为参考信号的瞬时时间，T2为回波信号的瞬时时间，C为光的传播速度3×108。
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