CN111273435A - 一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统。所述微振镜扫描结构包括磁铁、外框架、内框架和镜片框架，所述内框架上设置有第一绕组且自旋转设置在外框架内，所述镜片框架上设置有第二绕组和反射镜片，且自旋转设置在内框架内，所述磁铁设置在外框架外侧，且在外框架内形成磁场。本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统，相比于传统的检流计式扫描系统可以提供成本更低、体积更小、功耗更低的振动扫描解决方案，相比较于硅材料MEMS系统可以提供面积更大、扫描角度范围更广、更贴近实用的激光扫描方案。

Description

一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统。

背景技术

自动驾驶等技术高速发展，其中一项重要配套传感器激光雷达，为了满足各种特定需求，涌现出各种类型的方案。

目前用于激光雷达扫描的方案主要有以电机带动的旋转扫描系统、检流计式振镜扫描系统以及新兴的硅材料MEMS扫描系统。

电机带动的旋转扫描系统适合于360°大视场扫描，当用于局部视场扫描时其扫描效率明显降低。检流计式振镜扫描系统适合于小视场范围扫描，但是其体积大、功耗高。硅材料MEMS振镜扫描系统体积小、重量轻，目前存在的问题是扫描镜面积偏小，同时扫描视场范围也比较小，导致还不能满足业界的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统，解决现有的检流计式振镜系统体积太大，现有的硅材料MEMS振镜面积小、扫描范围小的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光雷达的微振镜扫描结构，所述微振镜扫描结构包括磁铁、外框架、内框架和镜片框架，所述内框架上设置有第一绕组且自旋转设置在外框架内，所述镜片框架上设置有第二绕组和反射镜片，且自旋转设置在内框架内，所述磁铁设置在外框架外侧，且在外框架内形成磁场，所述第一绕组和第二绕组在通电后产生电磁力并在磁场中运动，以带动对应的内框架和镜片框架自旋转。

其中，较佳方案是：所述内框架通过第一扭转轴自旋转设置在外框架内，且所述第一绕组环绕设置在内框架上；所述镜片框架通过第二扭转轴自旋转设置在内框架内，且所述第二绕组环绕设置在镜片框架上，且所述反射镜片的镜面与镜片框架的自旋转轴平行设置。

其中，较佳方案是：所述内框架的自旋转轴与镜片框架的自旋转轴垂直设置。

其中，较佳方案是：所述内框架的自旋转轴与镜片框架的自旋转轴共面设置。

其中，较佳方案是：所述磁铁在外框架内形成的磁场磁力线方向与外框架的结构面平行设置或接近平行设置。

其中，较佳方案是：所述磁场磁力线方向与内框架自旋转轴的方向构成夹角；所述磁场磁力线方向与镜片框架自旋转轴的方向构成夹角。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微振镜扫描结构的电能驱动系统，包括所述的微振镜扫描结构和电流输入装置，所述电流输入装置分别向微振镜扫描结构的第一绕组和第二绕组输入正负驱动电流，所述第一绕组和第二绕组在通电后产生电磁力并在磁场中往复运动，以带动对应的内框架和镜片框架往复自旋转。

其中，较佳方案是：施加于第一绕组的所述正负驱动电流为连续的电流驱动信号，且扫描频率可控，所述扫描驱动波形包括阶梯波、三角波、锯齿波和正弦波中的一种；以及，施加于第二绕组的所述正负驱动电流的驱动信号波形包括阶梯波、正弦波、三角波和PWM脉冲中的一种，且驱动信号可控。

其中，较佳方案是：所述电流输入装置向第一绕组输入的第一驱动信号和向第二绕组输入的第二驱动信号频率为整数倍时实现固定线数扫描；或者，第二扫描轴驱动信号频率为第一驱动信号的非整数倍，以使各帧扫描线之间产生偏移。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微振镜扫描结构的角度检测系统，所述角度检测系统包括微振镜扫描结构和所述角度检测装置检测微振镜扫描结构的反射镜片镜面反射方向。

其中，较佳方案是：所述微振镜扫描结构的反射镜片的正面为工作面，用于激光扫描，所述反射镜的背面可为镀膜处理，用于光电角度检测。

其中，较佳方案是：所述角度检测装置包括光源和光电式探测器；所述光源可以是LED、VCSEL和LD激光管中的一种，并朝向反射镜片背面发射光线，所述光电式探测器设置有四个，且分别设置在光源四周，获取从反射镜片反射回的光线。

其中，较佳方案是：所述角度检测装置包括光源和四象限探测器；所述光源可以是LED、VCSEL和LD激光管中的一种，并朝向反射镜片背面发射光线，所述四象限探测器和光源设置在反射镜片的同侧，所述四象限探测器获取从反射镜片反射回的光线。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过一种微振镜扫描结构、电能驱动系统及角度检测系统，相比于传统的检流计式扫描系统可以提供成本更低、体积更小、功耗更低的振动扫描解决方案，相比较于硅材料MEMS系统可以提供面积更大、扫描角度范围更广、更贴近实用的激光扫描方案。以及，角度检测系统内可设计有独立的角度检测装置(可以是基于电容、光电等各种形式)，高可靠高准确度的实时检测振镜扫描角度，满足角度检测系统对扫描器件高精度高可靠性的需求；以及，可以在现有方案上减小激光雷达体积和功耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明微振镜扫描结构的结构示意图；

图2是本发明安装有反射镜片的微振镜扫描结构的结构示意图；

图3是本发明安装有第一绕组和第二绕组的微振镜扫描结构的结构示意图；

图4是本发明安装有磁铁的微振镜扫描结构的结构示意图；

图5是本发明微振镜扫描结构的电能驱动系统的结构示意图；

图6是本发明光电式探测器方案的侧面结构示意图；

图7是本发明光电式探测器方案的正面结构示意图；

图8是本发明四象限探测器方案的侧面结构示意图；

图9是本发明四象限探测器方案的正面结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1至图4所示，本发明提供一种激光雷达的微振镜扫描结构的优选实施例。

一种激光雷达的微振镜扫描结构，所述微振镜扫描结构包括磁铁200、永磁铁110、内框架120和镜片框架130，所述内框架120上设置有第一绕组161且自旋转设置在永磁铁110内，所述镜片框架130上设置有第二绕组162和反射镜片150，且自旋转设置在内框架120内，所述磁铁200设置在永磁铁110外侧，且在永磁铁110内形成磁场，所述第一绕组161和第二绕组162在通电后产生电磁力并在磁场中运动，以带动对应的内框架120和镜片框架130自旋转。

具体地，内框架120可在永磁铁110内自旋转，在第一绕组161通电后产生电磁力，并在磁场作用下产生磁场力，带动自身朝向磁力相同的方向转动，即实现内框架120的自旋转；同理，镜片框架130可在内框架120内自旋转，在第二绕组162通电后产生电磁力，并在磁场作用下产生磁场力，带动自身朝向磁力相同的方向转动，即实现镜片框架130的自旋转。因此，通过内框架120和镜片框架130的独立自旋转，电动反射镜片150在三维空间中的转向；例如，当激光雷达发射光信号至反射镜片150上，在根据控制第一绕组161和第二绕组162驱动电流信号，实现内框架120和镜片框架130的运动，从而实现反射镜片150的运动(如控制内框架120往复自旋转运动，控制镜片框以更快的频率进行往复自旋转运动，实现反射镜片150的扫描操作)，将光信号向外扫描发射，并在遇到阻挡物时反射回，以识别到前方的阻挡物，实现激光雷达；其中，光信号优选为激光信号，如1550nm激光信号、980nm激光信号。

在本实施例中，所述内框架120通过第一扭转轴141自旋转设置在永磁铁110内，且所述第一绕组161环绕设置在内框架120上；所述镜片框架130通过第二扭转轴142自旋转设置在内框架120内，且所述第二绕组162环绕设置在镜片框架130上；可选的方案，所述反射镜片150的镜面与镜片框架130的自旋转轴平行设置，形成零偏设置。其中，所述永磁铁110、内框架120、镜片框架130、第一扭转轴141和第二扭转轴142的材质可为金属、合金、聚合物、硅材料等弹性材料，优选为铍铜合金。以及，第一绕组161和第二绕组162应为围绕多圈设置成环形结构的线圈，在接入电流信号后产生电磁力，当线圈通电时，线圈提供的扭转力为N＝2nBIL，其中n为线圈匝数、B为磁场强度、I为线圈电流、L为垂直磁力线方向的投影长度。

优选地，所述第一扭转轴141设置在内框架120的对立两端，内框架120通过第一扭转轴141设置在永磁铁110内侧，所述第二扭转轴142设置在镜片框架130的对立两端，镜片框架130通过第二扭转轴142设置在内框架120内侧。以及，所述反射镜片150的镜面通过粘贴方式设置在镜片框架130上，可以消除镜片框架130表面不平整问题，特别是采用大面积金属薄片材质时，使整体光学性能更好。

进一步地，所述内框架120的自旋转轴与镜片框架130的自旋转轴垂直设置。即第一扭转轴141和第二扭转轴142垂直设置，提高反射镜片150的反射范围，以提高激光雷达的工作范围。以及，所述内框架120的自旋转轴与镜片框架130的自旋转轴共面设置。即第一扭转轴141和第二扭转轴142共面设置，配合上述垂直设置，进一步提高反射镜片150的反射范围，以提高激光雷达的工作范围。

在本实施例中，所述内框架120的自旋转轴和镜片框架130的自旋转轴均与永磁铁110的结构面平行设置；所述磁铁200在永磁铁110内形成的磁场磁力线方向与永磁铁110的结构面平行设置或接近平行设置。具体的，所述磁铁200在永磁铁110内形成的磁场磁力线方向，沿着永磁铁110的结构面设置，使通电后的第一绕组161和第二绕组162由于产生电磁力，在磁场中可以更好自旋转，例如，第一绕组161和第二绕组162通电产垂直于线圈面的电磁力，其与磁场磁力线方向非同向前，会产生对应作用力以驱动第一绕组161和第二绕组162，直至与磁场磁力线方向同向，通过调整驱动电流的正负方向，第一绕组161和第二绕组162反复形成方向相反的电磁力，带动内框架120和镜片框架130往复自旋转。

优选地，所述磁场磁力线方向与内框架120自旋转轴的方向构成夹角；所述磁场磁力线方向与镜片框架130自旋转轴的方向构成夹角。为了保证第一绕组161和第二绕组162在磁场中通电后获取扭转力，使电磁力的方向与磁场磁力线方向不会同向，放置在巧合中形成力平衡，难以后续进行往复转动。

在本实施例中，磁铁200优选为永磁铁，永磁铁的形状可以是弧形、方形、L形等任意形状。可参考图4，使磁场磁力线方向与电磁力构成夹角。

如图5所示，本发明提供一种微振镜扫描结构的电能驱动系统的较佳实施例。

一种微振镜扫描结构的电能驱动系统，包括所述的微振镜扫描结构和电流输入装置500，所述电流输入装置500分别向微振镜扫描结构的第一绕组161和第二绕组162输入正负驱动电流，所述第一绕组161和第二绕组162在通电后产生电磁力并在磁场中往复运动，以带动对应的内框架120和镜片框架130往复自旋转。

具体地，通过电流输入装置500独立输入正负驱动电流至第一绕组161和第二绕组162，可以使第一绕组161和第二绕组162反复形成方向相反的电磁力，所述第一绕组161和第二绕组162在通电后产生电磁力并在磁场中往复运动。

在本实施例中，施加于第一绕组161的所述正负驱动电流为连续的电流驱动信号，且扫描频率可控，所述扫描驱动波形包括阶梯波、三角波、锯齿波和正弦波中的一种；以及，施加于第二绕组162的所述正负驱动电流的驱动信号波形包括阶梯波、正弦波、三角波和PWM脉冲中的一种，且驱动信号可控。

通过对第一绕组161和第二绕组162的驱动，是两者配合实现高频率大角度范围扫描。

例如，使第一绕组161和第二绕组162均采用谐振扫描，所述电流输入装置500向第一绕组161输入的第一驱动信号和向第二绕组162输入的第二驱动信号频率为整数倍时实现固定线数扫描。当然，第二扫描轴驱动信号频率为第一驱动信号的非整数倍，以使各帧扫描线之间产生偏移，以达到密集扫描的目的。

如图6至图9所示，本发明提供一种微振镜扫描结构的角度检测系统的较佳实施例。

一种微振镜扫描结构的角度检测系统，包括所述的微振镜扫描结构和角度检测装置，所述角度检测装置检测微振镜扫描结构的反射镜片150镜面反射方向。

具体地，角度检测装置用于实时检测反射镜片150的扫描角度，角度检测装置的类型可以很多，如电容式、光电式、电磁式等多种类型。其中，电容式通过检测反射镜片150不同偏转状态时的电容值变化计算出当前偏转角度；光电式通过检测反射镜片150不同偏转状态下的测量光信号的强弱、周期等信息计算出当前偏转角度。

光电式提供两种方案。其中，反射镜片150正面为工作面，用于激光扫描，反射镜背面可以镀膜处理，用于光电角度检测。

方案一、参考图6和图7，所述角度检测装置包括光电式探测器410和光源300，并朝向反射镜片150背面发射光线，所述光电式探测器410设置有四个，且分别设置在光源300四周，检测从反射镜片150反射回的光线。优选地，所述光电式探测器410设置在光源300的四角。

具体地，所述光源300可以是LED、VCSEL和LD激光管中的一种，光源300优选为LD/LED光源。在工作过程中，光源300发出呈一定发散角的圆形光斑照射到反射镜片150的背面，反射镜片150背面经过镀膜等处理可以反射此光源300发出的光线，反射至光电式探测器410上。当反射镜片150的偏转角度为零时，光斑照射到4个光电式探测器410上的光能量均等；当反射镜偏转一个角度时，反射回来的光斑将产生一个位移，从而照射到4个光电式探测器410上的光能量产生偏差，合理设置光斑大小和光电式探测器410的面积和间距等条件，即可通过分别检测4个光电式探测器410上的光能量，计算出光斑的位移量，从而计算出反射镜当前的偏转角度。

当光照射到4个光电式探测器410时，分别产生光电流I1、I2、I3、I4，通过四象限加减法求得反射光斑中心位置(X，Y)：

x＝K1*(I1+I4-I2-I3)/(I1+I2+I3+I4)；

y＝K2*(I1+I2-I3-I4)/(I1+I2+I3+I4)；

K1与K2为两个常数系数，与光斑大小、PD大小等因素有关。

设置光电式探测器410到反射镜背面的距离为D，根据光电流大小计算得到的光斑中心位置偏移量为S时，对应的反射镜片150的偏角：

A＝arctan(S/D)/2；

根据光斑在X、Y两个方向上的偏移量，可以分别计算得到反射镜片150在两个方向的偏转角。

光电式探测器410的光电流检测常用TIA将微电流转变为电压信号，再进行模拟量加减运算后进行ADC采样，或者TIA输出直接进行ADC采样从而实时准确计算得到反射镜片150当前时刻的偏转角度。

方案二、参考图8和图9，所述角度检测装置包括光源300和四象限探测器420，并朝向反射镜片150背面发射光线，所述四象限探测器420和光源300设置在反射镜片150的同侧，所述四象限探测器420获取从反射镜片150反射回的光线。

相对于方案一，最主要区别是直接采用四象限探测器420实现，并且所述四象限探测器420和光源300分别设置在反射镜片150两侧，形成角度检测，其在实际使用过程中，放置对激光信号的阻挡。并且，四象限探测器420通过反射光斑301覆盖位置，获取反射镜片150的偏移角度。

相比于传统的检流计式扫描系统可以提供成本更低、体积更小、功耗更低的振动扫描解决方案，相比较于硅材料MEMS系统可以提供面积更大、扫描角度范围更广、更贴近实用的激光扫描方案。以及，角度检测系统内可设计有独立的角度检测装置(可以是基于电容、光电等各种形式)，高可靠高准确度的实时检测振镜扫描角度，满足角度检测系统对扫描器件高精度高可靠性的需求；以及，可以在现有方案上减小激光雷达体积和功耗。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (13)

1.一种激光雷达的微振镜扫描结构，其特征在于：所述微振镜扫描结构包括磁铁、外框架、内框架和镜片框架，所述内框架上设置有第一绕组且自旋转设置在外框架内，所述镜片框架上设置有第二绕组和反射镜片，且自旋转设置在内框架内，所述磁铁设置在外框架外侧，且在外框架内形成磁场，所述第一绕组和第二绕组在通电后产生电磁力并在磁场中运动，以带动对应的内框架和镜片框架自旋转。

2.根据权利要求1所述的微振镜扫描结构，其特征在于：所述内框架通过第一扭转轴自旋转设置在外框架内，且所述第一绕组环绕设置在内框架上；所述镜片框架通过第二扭转轴自旋转设置在内框架内，且所述第二绕组环绕设置在镜片框架上，且所述反射镜片的镜面与镜片框架的自旋转轴平行设置。

3.根据权利要求1或2所述的微振镜扫描结构，其特征在于：所述内框架的自旋转轴与镜片框架的自旋转轴垂直设置。

4.根据权利要求1至3任一所述的微振镜扫描结构，其特征在于：所述内框架的自旋转轴与镜片框架的自旋转轴共面设置。

5.根据权利要求4所述的微振镜扫描结构，其特征在于：所述磁铁在外框架内形成的磁场磁力线方向与外框架的结构面平行设置或接近平行设置。

6.根据权利要求5所述的微振镜扫描结构，其特征在于：所述磁场磁力线方向与内框架自旋转轴的方向构成夹角；所述磁场磁力线方向与镜片框架自旋转轴的方向构成夹角。

7.一种微振镜扫描结构的电能驱动系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任一所述的微振镜扫描结构和电流输入装置，所述电流输入装置分别向微振镜扫描结构的第一绕组和第二绕组输入正负驱动电流，所述第一绕组和第二绕组在通电后产生电磁力并在磁场中往复运动，以带动对应的内框架和镜片框架往复自旋转。

8.据权利要求7所述的电能驱动系统，其特征在于：施加于第一绕组的所述正负驱动电流为连续的电流驱动信号，且扫描频率可控，所述扫描驱动波形包括阶梯波、三角波、锯齿波和正弦波中的一种；以及，施加于第二绕组的所述正负驱动电流的驱动信号波形包括阶梯波、正弦波、三角波和PWM脉冲中的一种，且驱动信号可控。

9.据权利要求7所述的电能驱动系统，其特征在于：所述电流输入装置向第一绕组输入的第一驱动信号和向第二绕组输入的第二驱动信号频率为整数倍时实现固定线数扫描；或者，第二扫描轴驱动信号频率为第一驱动信号的非整数倍，以使各帧扫描线之间产生偏移。

10.一种微振镜扫描结构的角度检测系统，其特征在于：所述角度检测系统包括如权利要求1-6任一所述的微振镜扫描结构和所述角度检测装置检测微振镜扫描结构的反射镜片镜面反射方向。

11.据权利要求10所述的角度检测系统，其特征在于：所述微振镜扫描结构的反射镜片的正面为工作面，用于激光扫描，所述反射镜的背面可为镀膜处理，用于光电角度检测。

12.据权利要求11所述的角度检测系统，其特征在于：所述角度检测装置包括光源和光电式探测器；所述光源可以是LED、VCSEL和LD激光管中的一种，并朝向反射镜片背面发射光线，所述光电式探测器设置有四个，且分别设置在光源四周，获取从反射镜片反射回的光线。

13.据权利要求11所述的角度检测系统，其特征在于：所述角度检测系统包括光源和四象限探测器；所述光源可以是LED、VCSEL和LD激光管中的一种，并朝向反射镜片背面发射光线，所述四象限探测器和光源设置在反射镜片的同侧，所述四象限探测器获取从反射镜片反射回的光线。

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