CN110646777A - 一种多线激光雷达及多线激光雷达的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电检测技术领域，公开了一种多线激光雷达及多线激光雷达的控制方法，其中多线激光雷达包括激光发射端、激光接收端、电机、角度编码器和主控件；所述激光发射端实现激光光束的发射，所述激光接收端实现反射信号的接收，且激光发射端和激光接收端均以错位分布的方式至少设有两个；所述电机用于产生驱动转矩，并以此驱动激光发射端和激光接收端产生同步转动；所述角度编码器与电机转动参数适配，并将电机驱动形成的转动角度转换成电信号反馈至主控件，以精准控制多线激光雷达的转动角度；基于电机驱动旋转和激光发射端的错位分布，有效提高多线激光雷达发出的光束数量，从而达到提高垂直角分辨率的效果。

Description

一种多线激光雷达及多线激光雷达的控制方法
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种多线激光雷达及多线激光雷达的控制方法。
背景技术
激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统；其工作原理是是先向目标发射探测激光光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当算法处理后，就可获得目标的有关信息，例如目标距离、形状、方位、高度、速度、姿态等信息
多线激光雷达即包含有多个激光发射器，可同时发射多束激光光束,理论上，多线激光雷达发射的激光线束越多，对周边环境的扫描越精细，扫描速度越快，点云速度的更新越快，但多线激光雷达在单位高度上受限于元器件的高度无法做到很小，因此无法无限增加单位高度上的线束，从而无法获得更高的垂直分辨率。
综上可知，现有技术中的多线激光雷达体积较大、垂直分辨率低。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种多线激光雷达，还提供了一种多线激光雷达控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种多线激光雷达，其特征在于：包括激光发射端、激光接收端、电机、角度编码器、云台、无线供电模块、无线受电模块和主控件；所述激光发射端和所述激光接收端固定于云台顶部，其中所述激光发射端实现激光光束的发射，所述激光接收端实现反射信号的接收，所述云台用于实现所述激光发射端和所述激光接收端的角度位置调整，且激光发射端和激光接收端均以错位分布的方式至少设有两个；所述无线供电模块给所述无线受电模块无线供电，所述云台、所述电机与所述无线受电模块电性连接，所述电机用于产生驱动转矩，并以此驱动激光发射端和激光接收端产生同步转动；所述角度编码器与电机转动参数适配，并将电机驱动形成的转动角度转换成电信号反馈至主控件，以精准控制多线激光雷达的转动角度。
优选的，所述电机驱动所产生的转动角度为0°-360°。
优选的，所述电机采用直流电机，为有刷直流电机或者无刷直流电机中的一种。
优选的，所述激光发射端主要采用激光器形成，且激光器至少包括Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器或光纤激光器中的一种。
优选的，所述激光接收端为光电探测部件，至少包括PIN光电二极管、硅雪崩二极管、硅光电倍增器、光电导型碲镉汞探测器或光伏型碲镉汞探测器中的一种。
优选的，所述角度编码器的编码方式为至少包括绝对编码或增量编码中的一种。
优选的，所述角度编码器的输出形式为ABZ、Linear或Sin/Cos差分模拟。
优选的，所述主控件包括主控单元、驱动单元、电源模块、ADC数据采集及处理模块和通信接口及数据传输模块；
其中所述电源模块为主控单元持续供电；所述主控单元为驱动单元提供驱动信号；所述驱动单元根据驱动信号分别驱动激光发射端、激光接收端和电机；所述ADC数据采集及处理模块对激光接收端所接收的反射信号进行采集处理，并将处理后的信号反馈至主控单元；所述通信接口及数据传输模块实现整体多线激光雷达与上位机之间通讯连接。
2.一种控制所述多线激光雷达的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过通信接口及数据传输模块实现多线激光雷达与上位机之间的通讯连接，并启动多线激光雷达与上位机；
(2)主控单元向驱动单元发出驱动激光发射端和激光接收端的驱动信号，激光发射端发出激光光束，激光接收端接收反射回来的信号，并配合ADC数据采集及处理模块完成反射信号的采集处理；
(3)将采集处理后的信号反馈至主控单元，主控单元配合通信接口及数据传输模块将反馈信号传输至上位机，并在上位机内形成点云图；
(4)主控单元向驱动单元发出驱动电机的驱动信号，电机启动，驱使激光发射端和激光接收端进行转动，实现多线激光雷达的旋转扫描；
(5)角度编码器检测、并向主控单元反馈电机驱动形成的转动角度；
(6)主控单元根据反馈角度和反馈信号精准控制电机的继续驱动、反向驱动或停止驱动。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)基于电机的驱动旋转，带动激光发射端和激光接收端进行同步转动，而激光发射端和激光接收端又以错位分布的方式进行设置，以此有效达到提高多线激光雷达发出的光束数量的目的，使本发明能够具有较高的垂直角分辨率，节约成本并减小体积。
(2)基于电机驱动旋转，将直流电机限定于激光发射端与激光接收端之间，有效减小转动零件的数量以及零件占用的空间，提高系统稳定性。
(3)基于云台的设置，在保证激光发射端与激光接收端能有效转动的前提下，实现激光发射端与激光接收端的稳定安装，进一步提高整体结构的稳定性。
(4)基于角度编码器的限定和配合，使多线激光雷达在提高垂直角分辨率的同时，转速相对较合理，扫描结果更加准确。
附图说明
图1为本发明中一种多线激光雷达的结构示意图；
图2为本发明中一优选激光发射端的排列示意图；
图3为本发明中一优选激光发射端的使用简图；
图4为本发明中一优选激光发射端的光斑示意图；
图5为本发明中一种多线激光雷达在旋转扫描时的结构简图；
图6为本发明中一种多线激光雷达的结构框图。
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，本领域普通技术人员在没有做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。
1、如图1-图6所示，本发明提供了一种多线激光雷达，包括激光发射端10、激光接收端20、电机30、角度编码器40、云台60、无线供电模块、无线受电模块和主控件50；其中激光发射端10实现激光光束的发射，激光接收端20实现发射信号的接收，并将激光发射端10和激光接收端20固定于云台60上，与云台60电性连接，云台60则使激光发射端10和激光接收端20更加平衡稳定，并能实现激光发射端10和激光接收端20的角度位置调整，且激光发射端10和激光接收端20均以错位分布的方式至少设有两个；具体可参照图2-图4所示，图2中以设有8个激光发射端10和激光接收端20为例，其中8个激光发射端10分别形成a/b两组:a组包括a1/a2/a3/a4；b组包括b1/b2/b3/b4；且两组激光发射端10形成错位分布；图3中标识a/b两组激光发射端10在转动的过程中依次将激光光束射向目标物；图4中则表示a/b两组激光发射端10射出的激光光束在目标物上形成的光斑，相对于单组激光发射端10、或者非转动的多线激光雷达而言，本发明能有效提高雷达的垂直角分辨率；无线供电模块给无线受电模块无线供电，且电机30和云台60均与无线受电模块电性连接；电机30用于产生驱动转矩，并以此驱动激光发射端10和激光接收端20产生同步转动，具体产生的同步转动角度为0°-360°；角度编码器40与电机30转动参数适配，并将电机30驱动形成的转动角度转换成电信号反馈至主控件，以精准控制多线激光雷达的转动角度。
优选的，电机30采用直流电机，且不限定于采用有刷直流电机或者无刷直流电机。
优选的，激光发射端10主要采用激光器形成，且激光器为Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器或光纤激光器中的一种。
优选的，激光接收端20为光电探测部件，至少包括PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、硅光电倍增器(SiPM/MPPC)、光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器或光伏型碲镉汞探测器中的一种。
优选的，角度编码器40的编码方式为绝对编码或增量编码。
进一步的，角度编码器40的输出形式为ABZ、Linear或Sin/Cos差分模拟。
结合图6所示，优选的，主控件50包括主控单元、驱动单元、电源模块、ADC数据采集及处理模块和通信接口及数据传输模块；其中电源模块为主控单元持续供电；主控单元为驱动单元提供驱动信号；驱动单元根据驱动信号分别驱动激光发射端、激光接收端和电机；ADC数据采集及处理模块对激光接收端所接收的反射信号进行采集处理，并将处理后的信号反馈至主控单元；通信接口及数据传输模块实现整体多线激光雷达与上位机之间通讯连接。
2、在本实施例中，根据上述公开结构，实现多线激光雷达的控制方法如下：
(1)通过通信接口及数据传输模块实现多线激光雷达与上位机之间的通讯连接，并启动多线激光雷达与上位机；
(2)主控单元向驱动单元发出驱动激光发射端10和激光接收端20的驱动信号，激光发射端10发出激光光束，激光接收端20接收反射回来的信号，并配合ADC数据采集及处理模块完成反射信号的采集处理；
(3)将采集处理后的信号反馈至主控单元，主控单元配合通信接口及数据传输模块将反馈信号传输至上位机，并在上位机内形成点云图；
(4)主控单元向驱动单元发出驱动电机30的驱动信号，电机30启动，驱使激光发射端10和激光接收端20进行转动，实现多线激光雷达的旋转扫描；
(5)角度编码器40检测、并向主控单元反馈电机30驱动形成的转动角度；
(6)主控单元根据反馈角度和反馈信号精准控制电机30的继续驱动、反向驱动或停止驱动。
具体结合图5所示的使用示例过程进行上述控制方法的进一步说明：
图5中由上至下依次有三个定位图，其中最上方即初始定位图，中间即过渡定位图，最下方即极限角度定位图；在图5所示的示例中，整体多线激光雷达的转动角度为i(0°≤i≤360°)；同时配合图2-图4所示例的两组激光发射端10，形成a/b两组激光光束；
(1)初始启动后形成初始定位，a光束照射于目标物体的一端头处，b光束则未照射至目标物体上，对应的激光接收端20则仅能接收a光束发射后所反射的信号，ADC数据采集及处理模块则对a光束的反射信号进行采集和处理；
(2)ADC数据采集及处理模块将a光束的处理信号反馈至主控单元，主控单元配合通信接口及数据传输模块将反馈信号传输至上位机，并在上位机内形成点云图；
(3)主控单元控制驱动单元驱动电机30产生逆时针转动，形成过渡定位，a光束和b光束均照射至目标物体上，对应的激光接收端20能接收到a/b光束的反射信号，结合图2-图4可知，b光束对a光束未扫描到的区域进行进一步扫描，提高对目标物信息采集的垂直角分辨率，ADC数据采集及处理模块和主控单元则对应接收a/b光束所扫描得到的信号，并传输至上位机，对上位机内的点云图形成进一步补充；
(4)电机30持续转动并转向至极限角度定位处，此时b光束照射于目标物体的另一端头处，a光束则未照射至目标物体上，对应主控单元仅反馈得到b光束所产生的信号，在此状态下，若电机30继续逆时针转动，则a/b光束均无法形成目标物的反馈信号，由此结合角度编码器40的检测和反馈的角度信号，则可判定初始定位与极限角度定位之间的转动角度；
(5)为进一步保证转动角度判定的精确性，由主控单元进行控制，驱动电机30在极限角度定位处产生反向驱动，并结合上述相同的远离进行转动角度的二次判定，同时也在二次扫描的过程中进一步保证了目标物体扫面的完整性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种多线激光雷达，其特征在于：包括激光发射端、激光接收端、电机、角度编码器、云台、无线供电模块、无线受电模块和主控件；所述激光发射端和所述激光接收端固定于云台顶部，其中所述激光发射端实现激光光束的发射，所述激光接收端实现反射信号的接收，所述云台用于实现所述激光发射端和所述激光接收端的角度位置调整，且激光发射端和激光接收端均以错位分布的方式至少设有两个；所述无线供电模块给所述无线受电模块无线供电，所述云台、所述电机与所述无线受电模块电性连接，所述电机用于产生驱动转矩，并以此驱动激光发射端和激光接收端产生同步转动；所述角度编码器与电机转动参数适配，并将电机驱动形成的转动角度转换成电信号反馈至主控件，以精准控制多线激光雷达的转动角度。
2.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述电机驱动所产生的转动角度为0°-360°。
3.根据权利要求2所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述电机采用直流电机，为有刷直流电机或者无刷直流电机中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述激光发射端主要采用激光器形成，且激光器至少包括NdYAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器或光纤激光器中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述激光接收端为光电探测部件，至少包括PIN光电二极管、硅雪崩二极管、硅光电倍增器、光电导型碲镉汞探测器或光伏型碲镉汞探测器中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述角度编码器的编码方式为绝对编码或增量编码中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述角度编码器的输出形式为ABZ、Linear或Sin/Cos差分模拟。
8.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于：所述主控件包括主控单元、驱动单元、电源模块、ADC数据采集及处理模块和通信接口及数据传输模块；
其中所述电源模块为主控单元持续供电；所述主控单元为驱动单元提供驱动信号；所述驱动单元根据驱动信号分别驱动激光发射端、激光接收端和电机；所述ADC数据采集及处理模块对激光接收端所接收的反射信号进行采集处理，并将处理后的信号反馈至主控单元；所述通信接口及数据传输模块实现整体多线激光雷达与上位机之间通讯连接。
9.控制权利要求1-8所述的任一多线激光雷达的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过通信接口及数据传输模块实现多线激光雷达与上位机之间的通讯连接，并启动多线激光雷达与上位机；
(2)主控单元向驱动单元发出驱动激光发射端和激光接收端的驱动信号，激光发射端发出激光光束，激光接收端接收反射回来的信号，并配合ADC数据采集及处理模块完成反射信号的采集处理；
(3)将采集处理后的信号反馈至主控单元，主控单元配合通信接口及数据传输模块将反馈信号传输至上位机，并在上位机内形成点云图；
(4)主控单元向驱动单元发出驱动电机的驱动信号，电机启动，驱使激光发射端和激光接收端进行转动，实现多线激光雷达的旋转扫描；
(5)角度编码器检测、并向主控单元反馈电机驱动形成的转动角度；
(6)主控单元根据反馈角度和反馈信号精准控制电机的继续驱动、反向驱动或停止驱动。
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