CN110208773A - 多线激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多线激光雷达，包括：发射板，集成有多个发射器，用于发射多束激光光束；旋转棱镜，包括相互平行的顶面和底面以及多个反射镜面，所述多个反射镜面与所述顶面、底面围成空心轴，且每个反射镜面与所述顶面的夹角都不相同；电机，设置在所述旋转棱镜的空心轴中，用于驱动所述旋转棱镜转动；其中，所述多个发射器分布在垂直方向的一个平面内，所述多束激光光束通过所述旋转棱镜转动能够实现垂直方向激光光束的数量扩展以及实现水平方向的视场扫描。本发明可以简化调试工作，降低成本，结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种多线激光雷达。
背景技术
目前激光雷达成为大家的关注热点，它们在自动驾驶领域中应用广泛。在一些特殊应用场所，对激光雷达各方面性能参数标准相当高，比如探测量程，探测精度，探测密度，体积、使用寿命等。然而，现有的多线激光雷达如果需要提高线数，则光源数量也需要相应增加，这样不但增加了成本，体积也会受影响，调试工作也变得繁重。
发明内容
基于此，有必要针对现有多线激光雷达成本高、体积大、调试工作繁重的问题，提供一种多线激光雷达。
一种多线激光雷达，包括：
发射板，集成有多个发射器，用于发射多束激光光束；
旋转棱镜，包括相互平行的顶面和底面以及多个反射镜面，所述多个反射镜面与所述顶面、底面围成空心轴，且每个反射镜面与所述顶面的夹角都不相同；
电机，设置在所述旋转棱镜的空心轴中，用于驱动所述旋转棱镜转动；
其中，所述多个发射器分布在垂直方向的一个平面内，所述多束激光光束通过所述旋转棱镜转动能够实现垂直方向激光光束的数量扩展以及实现水平方向的视场扫描。
上述多线激光雷达通过在发射板上集成多个发射器，这样不用每一个发射器单独调试，同一个发射板上的发射器可以统一调试，简化了调试工作；另外通过利用具有多个与顶面呈不同夹角的反射镜面的旋转棱镜可以实现垂直方向线束的扩展和水平方向的扫描，这样在实现高线数情况下节约了光源的成本，而且巧妙地将电机安装在旋转棱镜的空心轴中可以节少很多空间，使得结构更紧凑。
在其中一个实施例中，所述旋转棱镜包括至少四个反射镜面，且对于任一反射镜面与所述顶面的夹角同时大于其相邻两个反射镜面与所述顶面的夹角，或者同时小于其相邻两个反射镜面与所述顶面的夹角。
在其中一个实施例中，还包括光电码盘，所述光电码盘设置在所述旋转棱镜上，用于检测并输出所述旋转棱镜的角度信息和/或所述电机的速度信息。
在其中一个实施例中，还包括接收板，集成有多个接收器，所述发射板和所述接收板设置在所述旋转棱镜的同一侧，且所述多个接收器与所述多个发射器一一对应。
在其中一个实施例中，所述多线激光雷达包括两个对称设置的发射板和两个对称设置的接收板，每一个发射板都对应一个接收板设置在所述旋转棱镜的同一侧。
在其中一个实施例中，还包括发射镜头、发射反射镜、发射转换板、接收镜头、接收反射镜、接收转换板；
其中所述发射镜头和所述接收镜头包括一片或多片球面透镜；
所述发射反射镜和所述接收反射镜用于改变激光光束的传播路径；
所述发射转换板上设置有发射驱动电路，用于驱动所述发射器发射激光光束，所述接收转换板上设置用运放电路。
在其中一个实施例中，所述旋转棱镜的至少一个反射镜面呈分层结构，且每一层与所述顶面的夹角不同，使得所述多个发射器发出的激光光束通过所述分层结构时在竖直方向呈非均匀分布。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的一些实施例，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为一实施例中的多线激光雷达的第一视角示意图。
图2为图1中HH-HH处截面图。
图3为图1中GG-GG处截面图。
图4为一实施例中旋转棱镜的截面示意图。
图5为一实施例中的多线激光雷达的原理示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
本发明提供的多线激光雷达包括发射板、旋转棱镜和电机。
所述发射板上集成有多个发射器，用于发射多束激光光束；所述旋转棱镜包括相互平行的顶面和底面以及多个所射镜面，所述多个发射镜面与所述顶面、底面围成空心轴，且每个反射镜面与所述顶面的夹角都不相同；所述电机设置在所述旋转棱镜的空心轴中，用于驱动所述旋转棱镜转动；其中，所述多个发射器分布在垂直方向的一个平面内，所述多束激光光束通过所述旋转棱镜转动能够实现垂直方向激光光束的数量扩展以及实现水平方向的视场扫描。
下面以2个发射板，每个发射板上集成16个发射器，且通过具有四个反射镜面的旋转棱镜实现的多线激光雷达为例进行描述。
请结合图1～图3，图1为一实施例中的多线激光雷达的第一视角示意图，图2为图1中HH-HH处截面图，图3为图1中GG-GG处截面图。该多线激光雷达包括：第一发射单元110、第二发射单元120、旋转棱镜130、第一接收单元140、第二接收单元150和电机160，其中第一发射单元110和第二发射单元120相对旋转棱镜130对称，第一接收单元140和第二接收单元150也相对旋转棱镜130对称。
第一发射单元110包括发射支架板112、发射板113、发射转换板114、发射反射镜115、发射镜头116。
发射支架板112上设置有发射板113和发射转换板114。其中，发射板113上集成有16个发射器，用于发射多束激光光束(以下称探测信号)。可以理解，在其他实施例中，发射板113上集成发射器的数量可以根据实现需要设定，这里不作任何限定，所述发射器例如可以采用光纤激光器、激光二极管(LD)、气体激光器或者固体激光器等。在发射板113上集成多个发射器，这样可以统一调试，简化了调试难度。
发射转换板114上面设置有发射驱动电路，用于驱动所述发射器发射激光光束。发射反射镜115包括两个反射镜，用于改变发射的激光光束的光学方向，使得整个第一发射单元的结构更紧凑。发射镜头116包括一片或多片球面透镜，发射的激光光束通过发射镜头116出去到达目标物体。
第一接收单元140和第一发射单元110设置在旋转棱镜130的同一侧。第一接收单元140包括接收支架板412、接收板413、接收转换板414、接收反射镜415、接收镜头416。
接收支架板412上设置有接收板413和接收转换板414。其中，接收板413上对应地集成有16个接收器，用于接收多束激光光束(以下称回波信号)。可以理解，在其他实施例中，接收板413上集成接收器的数量可以根据实现需要设定，这里不作任何限定，所述接收器例如可以采用多个阵列排布的雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)，也可以为单个大面元APD、焦平面阵列探测器、单点设置或阵列设置的硅光电倍增管(multi-pixelphoton counter，MPPC)探测器或本领域技术人员可知的其他类型的阵列探测器。
接收转换板414上面设置有运放电路，用于实现回波信号的放大。接收反射镜415包括两个反射镜，用于改变接收的激光光束的光学方向，使得整个第一接收单元的结构更紧凑。接收镜头416包括一片或多片球面透镜，目标物体反射的回波信号通过接收镜头416到达接收器。
旋转棱镜130为一个四面体结构，包括相互平行的顶面和底面以及四个反射镜面，所述四个反射镜面与所述顶面、底面围成空心轴，且每个反射镜面与所述顶面的夹角都不相同。可以理解，在其他实施例中，旋转棱镜130的反射镜面的数量可以根据实际需要设置，这里不作严格限定。
第二发射单元120与第一发射单元110结构一致，第二接收单元150与第一接收单元140结构一致，因此第二发射单元120和第二接收单元150可参照第一发射单元110和第一接收单元140的描述，这里不再赘述。
电机160设置在旋转棱镜130的空心轴中，如图4所示，这样可以充分利用空间，缩小体积。
每一个发射板上设置的发射器都分布在垂直方向的一个平面内，且每一个发射器发射激光的方向与水平方向的夹角都不相同，不同发射板上的发射器相互错位设置，每边64线，错位设置后再叠加可以实现垂直方向128线扫描。每一个发射器发射出来的激光光束依次打在旋转棱镜的每个反射镜面上，由于每个反射镜面与旋转棱镜130的顶面的夹角都不相同，因此，在垂直方向，每一束激光光束都被扩展为四束激光光束；在水平方向，每一束激光光束从旋转棱镜130反射出来的方向也不相同，这样也实现了水平方向的扫描。每一个接收板上的接收器设置的位置和角度均与发射器一一对应，不同角度的探测信号只有对应的接收器可以接收到。这样在不增加激光光源的前提下扩展了激光光束的线数，降低了成本。
例如，第一发射单元110和第二发射单元120分别发出16路(共发出32路)在垂直方向呈不同角度的激光光束，每一路激光光束经过旋转棱镜变成垂直方向上4束激光光束，所以32路激光光束变成垂直方向的128束激光光束，并且每个发射单元发出的激光光束经过旋转棱镜可实现150度水平扫描，其中在水平方向两个发射单元有90度的重叠区域，所以水平方向，128线扫描重叠区可以达到90度，两边64线的扫描区可以达到30度。两个发射单元和两个接收单元都相对于旋转棱镜130对称分布，使整个系统结构质量分布均匀，转动更平稳。
在一个实施例中，旋转棱镜130包括至少四个反射镜面。对于任一反射镜面，其与所述顶面的夹角同时大于其相邻两个反射镜面与所述顶面的夹角，或者同时小于其相邻两个反射镜面与所述顶面的夹角。
举例说明，旋转棱镜130的四个反射镜面顺时针分别与顶面的夹角标记为∠1、∠2、∠3、∠4，其中设∠1＝90°，∠2＝92°，∠3＝89°，∠4＝91°。∠2同时大于∠1和∠3，∠3同时小于∠2和∠4，这样设置可以使得旋转棱镜在旋转过程中更加平稳。
进一步地，旋转棱镜的至少一个反射镜面还可以设置为分层结构，且每一层与所述顶面的夹角不同，这样可以使得所述多个发射器发出的激光光束通过所述分层结构时在竖直方向呈非均匀分布，例如垂直方向的激光光束呈中间密，上和下稀疏的分布。
在一个实施例中，所述多线激光雷达还包括光电码盘170，光电码盘170设置在旋转棱镜130上，用于检测并输出旋转棱镜130的角度信息和/或电机160的速度信息。例如，光电码盘170可实时输出旋转棱镜130的角度信息以及反馈电机160速度信息应用于控制电机160的转速。
请参考图5，为一实施例中的多线激光雷达的原理示意图，该多线激光雷达包括：第一发射单元510、第一接收单元520、旋转棱镜(图中未示出)、第二发射单元530、第二接收单元540、电机、光电码盘和主控板180(图2和图3中也有示出主控板的位置)，主控板180分别与第一发射单元510、第一接收单元520、第二发射单元530、第二接收单元540、电机以及光电码盘电连接。其中，主控板180上包括了电源、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)、网口芯片和模数转换器(ADC)。
其中，第一发射单元510和第二发射单元530均包括发射镜头、LD、发射驱动电路，第一接收单元520和第二接收单元540均包括接收镜头、APD、运算放大器。
具体地，电源用于给多线激光雷达中所有需要用电的模块进行供电，如发射驱动电路、FPGA、电机等。FPGA控制发射驱动电路驱动第一发射单元510和第二发射单元530上的LD按照预设顺序发射激光光束，所述激光光束经发射镜头出去作为探测信号到达目标物体，目标物体将反射回来的回波信号经接收镜头到达APD上，实现光电转换，然后再经运算放大器实现一级放大和二极放大，然后再通过ADC实现模数转换进入FPGA，FPGA会对处理后的回波信号进行运算以获取结果数据(如目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状中的一种或多种参数)，所述结果数据通过网口芯片以点云数据的方式输出。同时FPGA还可以根据光电码盘反馈的信息控制LD发射激光光束的频率和功率等。
进一步地，在一个实施例中，多线激光雷达还可以包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，MCU和FPGA一同对多线激光雷达的各个模块进行控制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种多线激光雷达，其特征在于，包括：
发射板，集成有多个发射器，用于发射多束激光光束；
旋转棱镜，包括相互平行的顶面和底面以及多个反射镜面，所述多个反射镜面与所述顶面、底面围成空心轴，且每个反射镜面与所述顶面的夹角都不相同；
电机，设置在所述旋转棱镜的空心轴中，用于驱动所述旋转棱镜转动；
其中，所述多个发射器分布在垂直方向的一个平面内，所述多束激光光束通过所述旋转棱镜转动能够实现垂直方向激光光束的数量扩展以及实现水平方向的视场扫描。
2.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述旋转棱镜包括至少四个反射镜面，且对于任一反射镜面其与所述顶面的夹角同时大于其相邻两个反射镜面与所述顶面的夹角，或者同时小于其相邻两个反射镜面与所述顶面的夹角。
3.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括光电码盘，所述光电码盘设置在所述旋转棱镜上，用于检测并输出所述旋转棱镜的角度信息和/或所述电机的速度信息。
4.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括接收板，集成有多个接收器，所述发射板和所述接收板设置在所述旋转棱镜的同一侧，且所述多个接收器与所述多个发射器一一对应。
5.根据权利要求4所述的多线激光雷达，其特征在于，所述多线激光雷达包括两个对称设置的发射板和两个对称设置的接收板，每一个发射板都对应一个接收板设置在所述旋转棱镜的同一侧。
6.根据权利要求4所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括发射镜头、发射反射镜、发射转换板、接收镜头、接收反射镜、接收转换板；
其中所述发射镜头和所述接收镜头包括一片或多片球面透镜；
所述发射反射镜和所述接收反射镜用于改变激光光束的传播路径；
所述发射转换板上设置有发射驱动电路，用于驱动所述发射器发射激光光束，所述接收转换板上设置用运放电路。
7.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述旋转棱镜的至少一个反射镜面呈分层结构，且每一层与所述顶面的夹角不同，使得所述多个发射器发出的激光光束通过所述分层结构时在竖直方向呈非均匀分布。
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