CN110231628A - 一种三维激光雷达及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维激光雷达及其定位方法，其属于激光雷达领域，包括发射单元、接收单元、光电感应器和图像处理器；发射单元包括激光管，若干激光管绕圆心轴向向外设置，形成环形激光网；或者，发射单元包括激光管和锥形镜体，激光管激光发射方向面向锥形镜体的锥面，锥形镜体反射激光，形成环形激光网；接收单元是一个镜面的正锥体光学结构，接收漫反射激光并反射给光电感应器，由图像处理器计算处理出三维点云图；通过激光管组合使发射单元形成的激光网为环形激光网，环状激光网碰到周围障碍物产生的漫反射激光被正锥体的接收器接收，并反射到光电感应器，然后进行图像处理，这种三维激光雷达结构具有反应速度快，水平视觉大，而且结构简单，成本低，生产难度低。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别是涉及一种三维激光雷达及其定位方法。
背景技术
随着AI的高速发展，越来越多的智能机器人应用在大型商场，医院，工厂，代替人的工作，目前智能机器人主要依靠激光雷达进行室内定位，现在固态激光雷达有机械式，MEMS机械/固态混合式，相控阵（矩阵）激光雷达三种类型，目前这些雷达都有一些缺点，比如机械式激光雷达主要依靠旋转马达驱动，激光管数量多，寿命短，可靠性，反应速度慢问题；MEMS型固态混合型雷达存在水平角度扫描小问题，相控阵固态激光雷达都存在结构复杂，内部干扰，水平扫描角度小问题，而且他们都存在成本高，生产难度高问题。
发明内容
为解决上述的问题，本发明提供了一种三维激光雷达及其定位方法，通过激光管组合使发射单元形成的激光网为环形激光网，接收单元同时接收漫反射激光并反射给光电感应器，然后进行图像处理，这种三维激光雷达反应速度快，水平视觉大，而且简单的结构，成本低，生产难度低。
本发明所采取的技术方案是：一种三维激光雷达，包括发射单元、接收单元、光电感应器和图像处理器； 发射单元通过激光管组合方式，使发射单元形成的激光网为环形激光网；
使发射单元发射的激光网为环形激光网具有两种实现方式；
第一种方式是：发射单元包括激光管，若干激光管组合发射形成环形激光网。
第二种方式是，发射单元也可以是包括激光管和锥形镜体，激光管激光发射方向面向锥形镜体的锥面，锥形镜体反射激光，形成环形激光网。
在上述技术方案中，当发射单元是由若干激光管绕圆心轴向向外设置形成环形激光网时，激光管为水平设置或者向上倾斜一定角度设置，形成水平环形激光网或者锥形环形激光网。
在上述技术方案中，发射单元具有至少两层以上，因此构成三维激光网。
在上述技术方案中，接收单元面向发射单元，以接受发射单元发射后碰到障碍物漫射过来的激光；接收单元包括接收台和隔离片，隔离片均布在接收台面上，以使接收单元只正面直射的激光，准确地得到漫射激光的位置。
在上述技术方案中，接收台为正棱台或者正圆锥台，接收台侧面为镜面，以反射激光；隔离片均布于接收台的正棱台或者圆锥台侧面，使正面直射的激光能够准确反射到光电感应器。
在上述技术方案中，每个发射单元都电性连接有独立电源，以使选着不同发射单元组合定位，对任意高度的二维空间进行扫描。
本发明还采取了一种三维激光雷达定位方法，其步骤包括：
A、由发射单元发射出至少两层以上的环形激光网；
B、激光遇到障碍物，漫射到接收单元；
C、接收单元反射给光电感应器，并由图像处理器计算出每层环形激光网漫射的二维点云图，并组合成三维点云图。
在上述方法中，步骤C中，图像处理器计算二维点云图的计算方法为飞行时间测距法，通过激光的飞行（往返）时间来得到障碍物距离和角度。
在上述方法中，步骤C中，图像处理器计算二维点云图的计算方法也可以为三角测距法，用于测量障碍物与光电感应器之间的距离和角度。。
在上述方法中，步骤C中，每层环形激光网都计算出二维点云图，至少两幅以上的二维点云图合成三维点云图，达到对任意高度的二维空间进行扫描的效果。
本发明的有益效果是：一种三维激光雷达及其定位方法，所使用的的部件简单，生产成本低，解决了传统激光雷达成本高问题，同时也解决了原来激光雷达装配复杂调试难的问题；通过激光管组合使发射单元形成的激光网为环形激光网，可以接收360°水平激光信号，解决了传统激光雷达水平视角小问题；而且其定位方法，通过光电感应器可以一次性读取所有障碍物的激光反射信号并同步传给图像处理器计算处理，解决激光雷达反应速度慢等问题，具有广泛的使用价值。
附图说明
图1是本发明的三维激光雷达整体正视图；
图2是本发明的实施例一发射单元示意图；
图3是本发明的实施例二发射单元示意图。
图4是本发明的实施例三发射单元示意图。
图5是本发明的接收单元示意图。
图6是本发明的激光路线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
图1、图2、图5和图6示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的一种三维激光雷达及其定位方法。
一种三维激光雷达，包括：
发射单元1，至少包括两层以上的发射单元1，这里举例包含三层发射单元1，但并不是限制发射单元1的数量。每层发射单元1放置在空间不同高度，而且这个高度可以自己设定，发射单元1能够水平发射出一个圆环状激光并形成水平环状激光网，如图2虚线所示；每层发射单元1可以在不同高度发出每条圆环状激光，在空间上从而形成一个三维圆环状激光网。每层发射单元1包括激光管11和激光电路板12，激光电路板12与激光管11电性连接，以实现自动控制； a个激光管11沿着圆圈水平排列，激光管11的激光头朝外，激光管11的尾部和轴心线指向圆心，相邻激光管11轴线水平夹角均为P=360°/a，激光管11能够发射一字型激光线段，其发射线角度也是P=360°/a，这样所有激光管11发出的激光线段会首尾相连，最后形成一个水平环状激光网。
接收单元2，是一个圆环状的激光接收/反射装置，发射单元1发射的激光光碰到障碍物后会产生的漫反射，接收单元2可以接受这些漫反射激光并把它反射给光电感应器3。接收单元2包括接收台21和隔离片22；接收台为正棱台，接收台21的侧面都电镀为反射镜面；隔离片22是吸光材料制成，隔离片22垂直安装在接收台21的侧棱线上，这样就把整个接收台21的侧面隔离成n个独立区域，由于隔离片22的存在，每一个独立区域只能接收其正前方空间的光线，其它空间射过来的光线时会被隔离片22遮挡和吸收。
光电感应器3，面向于接收单元2的接收台21反射面，以接收正向反射过来的激光，准确获取定位信息。光电感应器3包括雪崩二极管阵列31、光学镜头32和控制处理元件；光学镜头32设置在雪崩二极管阵列31前面，光学镜头32协助雪崩二极管阵列31获取激光信号，控制处理元件电性连接雪崩二极管阵列31，获取相关数据。
图像处理器4，电性连接光电感应器3，实现对光电感应器3获取的数据进行计算出二维点云图，再组合成三维点云图，得到障碍物的坐标，实现三维激光定位。
上述的，每层发射单元1都电性连接有独立电源，实现每层发射单元1单独点亮。当然在特殊情况下，如果需要对某一特定区域进行扫描，独立电源也可以把相对应的发射单元1单独点亮。
一种三维激光雷达定位方法，应用了该种三维激光雷达，其步骤包括：
A、由发射单元1发射出至少两层以上的环形激光网，这里举例包含三层发射单元1，但并不是限制发射单元1的数量；
B、激光遇到障碍物，漫射到接收单元2；当激光漫射到接收单元2的接收台21上，如果是正向的激光线，则会反射给光电感应器3，如果不是正向的激光线，则会被隔离片22吸收；
C、接收单元2反射给光电感应器3，并由图像处理器4计算出每层环形激光网反射的二维点云图，并组合成三维点云图。
上述的，雷达中心点障碍物距离的计算式：设定某一个发射单元1在起始的时间为t时发射一个圆环形激光,激光碰到水平面的障碍物会产生漫射，漫反射的激光被其正对的接收台侧面接收到，接收到的激光会相应反射到光电感应器3的雪崩二极管阵列31相对应区域，这些区域雪崩二极管31接收到激光光子后会产生雪崩现象并产生相应的电脉冲信号，通过记录相应区域的角度和电脉冲信号开始时间t1,t2……tn，通过下面公式计算出每一个区域障碍物与雷达的距离L。（激光在雷达内部消耗的时间忽略不计）
角度1的障碍物到雷达中心点距离：L1=(t1-t)*C/2
角度2的障碍物到雷达中心点距离：L2=(t2-t)*C/2
角度n的障碍物到雷达中心点距离: Ln=(tn-t)*c/2
根据角度和距离，得出二维点云图，再根据每层发射单元的高度差，得出三维点云图。
上述的，每层环形激光网都计算出二维点云图，至少两幅以上的二维点云图合成三维点云图，达到对任意高度的二维空间进行扫描的效果；当然在特殊情况下，如果需要对某一特定区域进行扫描，也可以把相对应的发射单元1单独计算。
实施例二：
图1、图3、图5和图6示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的一种三维激光雷达及其定位方法。
一种三维激光雷达，包括：
发射单元1，至少包括两层以上的发射单元1，这里举例包含三层发射单元1，但并不是限制发射单元1的数量。每层发射单元1放置在空间不同高度，而且这个高度可以自己设定，发射单元1能够水平发射出一个圆环状激光并形成水平环状激光网，如图3虚线所示；每层发射单元1可以在不同高度发出每条圆环状激光，在空间上从而形成一个三维圆环状激光网。每层发射单元1包括激光管11和激光电路板12，激光电路板12与激光管11电性连接，以实现自动控制；激光管倾斜一个角度设置，形成一个锥形排布，产生一个圆锥形环状激光网。
接收单元2，是一个圆环状的激光接收/反射装置，发射单元1发射的激光光碰到障碍物后会产生的漫反射，接收单元2可以接受这些漫反射激光并把它反射给光电感应器3。接收单元2包括接收台21和隔离片22；接收台为正棱台，接收台21的侧面都电镀为反射镜面；隔离片22是吸光材料制成，隔离片22垂直安装在接收台21的侧棱线上，这样就把整个接收台21的侧面隔离成n个独立区域，由于隔离片22的存在，每一个独立区域只能接收其正前方空间的光线，其它空间射过来的光线时会被隔离片22遮挡和吸收。
光电感应器3，面向于接收单元2的接收台21反射面，以接收正向反射过来的激光，准确获取定位信息。光电感应器3包括摄像头34、光学镜头32和控制处理元件；光学镜头32设置在摄像头34，光学镜头32协助摄像头34获取激光信号，控制处理元件电性连接摄像头34，获取相关数据。
图像处理器4，电性连接光电感应器3，实现对光电感应器3获取的数据进行计算出二维点云图，再组合成三维点云图，得到障碍物的坐标，实现三维激光定位。
上述的，每层发射单元1都电性连接有独立电源，实现每层发射单元1单独点亮。当然在特殊情况下，如果需要对某一特定区域进行扫描，独立电源也可以把相对应的发射单元1单独点亮。
一种三维激光雷达定位方法，应用了该种三维激光雷达，其步骤包括：
A、由发射单元1发射出至少两层以上的环形激光网，这里举例包含三层发射单元1，但并不是限制发射单元1的数量；
B、激光遇到障碍物，漫射到接收单元2；当激光漫射到接收单元2的接收台21上，如果是正向的激光线，则会反射给光电感应器3，如果不是正向的激光线，则会被隔离片22吸收；
C、接收单元2反射给光电感应器3，并由图像处理器4计算出每层环形激光网反射的二维点云图，并组合成三维点云图。
上述的，雷达中心点障碍物距离的计算式：如图6，用一个垂直平面在水平方向某一个角度，假设这个角度为£，£为360°中任意一个数值，沿着轴心线把整个三维激光雷达剖开，会得到一个如图6的剖面图；在剖面图上，设定摄像头31感光面的中心点O(0,0)为坐标原点，垂直方向为y轴，水平方向为x轴；设定激光发射单元11发出一个环状激光，在这个剖面它就成为一条直线VF,设定这个剖面内障碍物坐标为F,激光碰到障碍物后其漫反射激光被环状接收器接收并投射到摄像头CMOS传感器的G点，这样OG的长度就可以被摄像头测试出来，同时OR的距离（镜像距离）也是已知的，由此我们可以通过公式tgk=OG/OR，计算出k的角度，因为角度k与角度h为一定比例关系,我们可以得知h角度值；
已知R坐标值R(0,a)和h角度值，我们可以得知RW直线方程
y=tgh*x+a......方程1
同时直线XWE的方程我们也知道（因为正棱台夹角i和安装位置是固定的如图5）
y=tgi*x+b......方程2
二条直线方程1和直线方程2的交点，就是W（w1,w2）点坐标
从△REW 得知角度 q+h+[180-(90-i)]=180 q=-90-i-h
从△WFX 得知角度 u+q+(180-i)=180 u=90+2i+h
因为i和h都是已知的，可以求出u角度值，
因为W（w1,w2）坐标是已知的，u角度值也求出来了
可以得知WF直线方程 y-w2=tgu*(x-w1) .....方程3
激光直线VXF方程为 y=c .....方程4
求出直线WF与激光直线VXF的交点F的坐标，就是雷达中心点到障碍物的距离。在这个示例中激光是一条水平直线，如果激光是一条斜线ZT（如图6）依靠同样原理可以也求出。
根据角度和距离，得出二维点云图，再根据每层发射单元的高度差，得出三维点云图。
上述的，每层环形激光网都计算出二维点云图，至少两幅以上的二维点云图合成三维点云图，达到对任意高度的二维空间进行扫描的效果；当然在特殊情况下，如果需要对某一特定区域进行扫描，也可以把相对应的发射单元1单独计算。
实施例三：
图1、图4、图5和图6示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的一种三维激光雷达及其定位方法。
该种三维激光雷达，与实施例一和实施例二的三维激光雷达不同点在于，每层发射单元1包括激光管11、激光电路板12和锥形镜体13，激光电路板12与激光管11电性连接，以实现自动控制；激光管11为点状激光管，锥形镜体13的下端为斜面为45°的反射镜面，锥形镜体13在激光管11正上方垂直设置，激光管11的发射头与反射镜13的下端正对；激光管11发出的点状激光射到锥形镜体13的反射镜面被反射成一个水平环状激光网，如图4虚线所示。
以上的实施例只是在于说明而不是限制本发明，如果上叙方案只使用一个发射单元，也可以单独生成一个二维固态三维激光雷达点云图，也在本专利保护之内，故凡依本发明专利申请范围所述的方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (10)
1.一种三维激光雷达，包括发射单元、接收单元、光电感应器和图像处理器；其特征在于，
发射单元包括激光管，若干激光管绕圆心轴向向外设置，形成环形激光网；
或者，发射单元包括激光管和锥形镜体，激光管激光发射方向面向锥形镜体的锥面，锥形镜体反射激光，形成环形激光网。
2.根据权利要求1所述的一种三维激光雷达，其特征在于：当发射单元是由若干激光管绕圆心轴向向外设置形成环形激光网时，激光管为水平设置或者向上倾斜一定角度设置，形成水平环形激光网或者锥形环形激光网。
3.根据权利要求1所述的一种三维激光雷达，其特征在于：发射单元具有至少两层以上，形成三维激光网。
4.根据权利要求1所述的一种三维激光雷达，其特征在于：接收单元面向发射单元，以接受发射单元发射后漫射过来的激光；接收单元包括接收台和隔离片，隔离片均布在接收台面上，以使接收单元只接收正面直射的激光，准确地得到漫射激光的位置。
5.根据权利要求4所述的一种三维激光雷达，其特征在于：接收台为正棱台或者正圆锥台，接收台侧面为镜面，以反射激光；隔离片均布于接收台的棱台或者正圆锥台侧面，使正面直射的激光能够准确反射到光电感应器。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种三维激光雷达，其特征在于：每个发射单元都电性连接有独立电源，以使选着不同发射单元组合定位，对任意高度的二维空间进行扫描。
7.一种三维激光雷达定位方法，其步骤包括：
A、由发射单元发射出至少两层以上的环形激光网；
B、激光遇到障碍物，漫射到接收单元；
C、接收单元反射给光电感应器，并由图像处理器计算出每层环形激光网漫射的二维点云图，并组合成三维点云图。
8.根据权利要求7所述的一种三维激光雷达定位方法，其特征在于：步骤C中，图像处理器计算二维点云图的计算方法为飞行时间测距法。
9.根据权利要求7所述的一种三维激光雷达定位方法，其特征在于：步骤C中，图像处理器计算二维点云图的计算方法为三角测距法。
10.根据权利要求7、8或9所述的一种三维激光雷达定位方法，其特征在于：步骤C中，每层环形激光网都计算出二维点云图，至少两幅以上的二维点云图合成三维点云图。
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