CN111308497A - 一种3d激光雷达及激光雷达实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D激光雷达及激光雷达实现方法，包括激光雷达，所述激光雷达包括壳体、光学系统、旋转台和控制系统，光学系统、旋转台和控制模块安装于壳体内部，光学系统安装于旋转台上。本发明结构简单，基于TOF的3D激光扫描雷达和2D探测器结合，获取目标物体的3D空间位置信息的装置，从而提高目标物体的3D采样数据的精度。

Description

一种3D激光雷达及激光雷达实现方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种3D激光雷达及激光雷达实现方法。

背景技术

3D扫描激光雷达能通过单脉冲获取目标三维信息，具有成像速度快，重量轻，体积小等优势，因此成为激光雷达的主要发展方向。3D扫描激光雷达能通过发送脉冲获取目标三维信息，但由于每个像素都需要对目标进行测距，因此APD(AvalanchePhotoDiode，雪崩光电二极管)阵列大小受到极大限制。由于受到工艺的限制，目前基于APD阵列的3D描激光雷达阵列大小受到极大限制。在国内，目前市场上只能得到小面阵APD，像素间的间隔只能达到300um左右，很难满足空间充分采样条件。

而2D焦平面阵列成像由于每个像素没有距离信息的要求，其空间分辨率可以达到很高，像素间隔可以很容易达到50um，基本满足空间充分采样条件。因此，可以将2D焦平面阵列强度图像数据与含有距离信息的3D非扫描激光雷达空间欠采样目标数据进行融合，从而提高3D非扫描激光雷达空间欠采样目标距离估计精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种3D激光雷达及激光雷达实现方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种3D激光雷达，包括激光雷达，所述激光雷达包括壳体、光学系统、旋转台和控制系统，光学系统、旋转台和控制模块安装于壳体内部，光学系统安装于旋转台上。

作为优选的技术方案，光学系统包括APD阵列、透镜阵列、第一透镜、分光器、2D焦平面NxM阵列、第二透镜、激光器、线准直透镜、环形器和第三透镜；

环形器、线准直透镜和激光器之间平行相对设置，激光器产生的激光经线准直透镜传递至环形器中；

分光器安装于环形器上端，激光从环形器的2端口射出，并进入分光器中，直至分别通过第二、第三透镜进入透镜阵列和2D焦平面NxM阵列，激光经透镜阵列被APD阵列接收；

第一透镜设置于环形器左侧，环形器射出的激光经过第一透镜设置。

作为优选的技术方案，旋转台包括电机和支撑平台，电机的转轴安装于支撑平台的底面上。

作为优选的技术方案，控制系统包括主控模块、电机驱动模块、算法模块、逻辑控制模块和电源模块；

主控模块分别与电机驱动模块、算法模块和逻辑控制模块电连接，算法模块用于目标物体特性提取，逻辑模块用于光信号产生及光反射信号的提取，电源模块用于对本装置供电。

一种激光雷达的实现方法，t时刻的目标物体采样数据的获取；不同时刻的目标物体采样数据的获取；数据的拟合；360°采样数据的获取。

作为优选的技术方案，t时刻的目标物体采样数据的获取：

红外光激光器输出非可见光，通过线准直器后输出汇聚的、垂直水平面的线激光(后面简称垂线激光)，该垂线激光，从环形器的3端口注入，从环形器的1端口输出，再经过第一透镜汇聚为准直光投射到目标物体上。

目标物体反射回的垂线激光，先通过第一透镜汇聚，从环形器的1端口注入，从环形器的2端口输出，注入分光器；

假设分光器的功率分配比为x:y，经分光器后输出x和y两个支路的光。

x路光向上，经过第三透镜汇聚后，到1xK的APD阵列，由APD阵列进行检测，输出A1t,k＝xt(t,dkt,k)，其中，t为采样的时刻；K为APD的个数,dkt为第APD中第k个APD在t时刻到目标物体的距离，A1t,k为第k个APD在t时刻APD检测目标物体反射回来的光功率值。

另一路y光向右，经过第二透镜汇聚后，投放到2D焦平面上，由2D焦平面阵列进行检测，设2D焦平面为NxM点阵，输出A2＝yt[n,m]数据，其中：

t:为采样的时刻；

n:为2D焦平面上水平方向第n个像素点，其中1≤n≤N(N为2D焦平面上水平方像素点的总数)；M为2D焦平面垂直像素的点数。

m:为2D焦平面上垂直方向上第m个像素点，其中1≤n≤M(M为2D焦平面上垂直方向像素点的总数)。

作为优选的技术方案，不同时刻的目标物体采样数据的获取：

3D激光雷达的光学系统，放在一个旋转台上，该旋转台由精密的步进电机驱动，可在水平方向上360°转动。

假设电机步进一步对应的角度为θ°。旋转台转一圈对应的扫描点数为：J＝360/θ。

旋转台每步进一次，目标物体的采样数据有：

APD的采样输出为：A1t,k＝xt(t,dkt,k)

2D焦平面采样输出为：A2＝yt[n,m]。

作为优选的技术方案，数据的拟合：

旋转台每步进一次，需要将APD和采样输出，和2D焦平面的采样输出进行数据拟合，拟合的方法如下：

APD的点阵数K<M(2D焦平面垂直像素的点数)。

1xK的APD阵列与2D焦平面NxM阵列是共光轴的，即，在2D焦平面NxM阵列的中，有与APD检测重回的数据段，将该段的检测数据转换为A3＝U(x,y,z)；其中:

x＝j；

y＝m；

z＝dkt；

A3的取值：A1，当2D焦平面NxM阵列上的像素点落在APD上的每个APD覆盖的范围内；也可取这些像素点的均值(这只是个算法而已)；

A2，当2D焦平面NxM阵列上的像素点落在APD上的每个APD覆盖的范围外。

作为优选的技术方案，360°采样数据的获取：

通过控制旋转台旋转360°，可以获得J*K个APD扫描数据。由于2D焦平面NxM阵列也随旋转台旋转360°，除了可以获得当前tj时刻K个APD覆盖的扫描范围，还获得上一个扫描位置在tj时刻的值，及下一个扫描位置在tj时刻的值；

通过这些扫描值可以获得目标物体的运动及周围环境的变化数据，用于对目标物体的运动及周围环境变化的估计。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，基于TOF的3D激光扫描雷达和2D探测器结合，获取目标物体的3D空间位置信息的装置。从而提高目标物体的3D采样数据的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中旋转台的结构示意图；

图3为本发明的控制系统方框图；

图4为本发明的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2和图3所示，本发明的一种3D激光雷达，包括激光雷达，所述激光雷达包括壳体6、光学系统7、旋转台5和控制系统4，光学系统7、旋转台5和控制模块4安装于壳体6内部，光学系统7安装于旋转台5上。

本实施例中，光学系统包括APD阵列16、透镜阵列15、第一透镜14、分光器12、2D焦平面NxM阵列8、第二透镜18、激光器11、线准直透镜9、环形器13和第三透镜17；

环形器13、线准直透镜9和激光器11之间平行相对设置，激光器11产生的激光经线准直透镜9传递至环形器13中；

分光器12安装于环形器13上端，激光从环形器13的2端口射出，并进入分光器12中，直至分别通过第二、第三透镜18、17进入透镜阵列15和2D焦平面NxM阵列8，激光经透镜阵列15被APD阵列16接收；

第一透镜14设置于环形器13左侧，环形器13射出的激光经过第一透镜14设置。

本实施例中，旋转台5包括电机19和支撑平台21，电机19的转轴安装于支撑平台19的底面上。

本实施例中，控制系统4包括主控模块、电机驱动模块、算法模块、逻辑控制模块和电源模块；

主控模块分别与电机驱动模块、算法模块和逻辑控制模块电连接，算法模块用于目标物体特性提取，逻辑模块用于光信号产生及光反射信号的提取，电源模块用于对本装置供电；

其中，壳体的外壁面正对于正对于第一透镜处设有玻璃窗口，激光顺着玻璃窗口照射到目标物体。

实施例二：如图4所示，光学系统包括两块第一透镜14、2D焦平面NxM阵列8、第二透镜18、激光器11、第三透镜17、滤波片22和1×4APD接收阵列23，激光器11的发射端和下端的第一透镜14之间倾斜相对，激光器11产生的激光经第一透镜14照射到目标物体；

上端的第一透镜14、滤波片22、第二透镜18和2D焦平面NxM阵列8之间也倾斜相对设置，第三透镜17和1×4APD接收阵列23设置于滤波片22上端，经目标物体反射的激光穿过上端的第一透镜14传递至滤波片22中，并通过滤波片22将其分别传递至第二和第三透镜18、17中，直至传递到2D焦平面NxM阵列8和1×4APD接收阵列23中。

一种激光雷达的实现方法，t时刻的目标物体采样数据的获取；不同时刻的目标物体采样数据的获取；数据的拟合；360°采样数据的获取。

本实施例中，t时刻的目标物体采样数据的获取：

红外光激光器输出非可见光，通过线准直器后输出汇聚的、垂直水平面的线激光(后面简称垂线激光)，该垂线激光，从环形器的3端口注入，从环形器的1端口输出，再经过第一透镜汇聚为准直光投射到目标物体上。

目标物体反射回的垂线激光，先通过第一透镜汇聚，从环形器的1端口注入，从环形器的2端口输出，注入分光器；

假设分光器的功率分配比为x:y，经分光器后输出x和y两个支路的光。

x路光向上，经过第三透镜汇聚后，到1xK的APD阵列，由APD阵列进行检测，输出A1t,k＝xt(t,dkt,k)，其中，t为采样的时刻；K为APD的个数,dkt为第APD中第k个APD在t时刻到目标物体的距离，A1t,k为第k个APD在t时刻APD检测目标物体反射回来的光功率值。

另一路y光向右，经过第二透镜汇聚后，投放到2D焦平面上，由2D焦平面阵列进行检测，设2D焦平面为NxM点阵，输出A2＝yt[n,m]数据，其中：

t:为采样的时刻；

n:为2D焦平面上水平方向第n个像素点，其中1≤n≤N(N为2D焦平面上水平方像素点的总数)；M为2D焦平面垂直像素的点数。

m:为2D焦平面上垂直方向上第m个像素点，其中1≤n≤M(M为2D焦平面上垂直方向像素点的总数)。

本实施例中，不同时刻的目标物体采样数据的获取：

3D激光雷达的光学系统，放在一个旋转台上，该旋转台由精密的步进电机驱动，可在水平方向上360°转动。

假设电机步进一步对应的角度为θ°。旋转台转一圈对应的扫描点数为：J＝360/θ。

旋转台每步进一次，目标物体的采样数据有：

APD的采样输出为：A1t,k＝xt(t,dkt,k)

2D焦平面采样输出为：A2＝yt[n,m]。

本实施例中，数据的拟合：

旋转台每步进一次，需要将APD和采样输出，和2D焦平面的采样输出进行数据拟合，拟合的方法如下：

APD的点阵数K<M(2D焦平面垂直像素的点数)。

1xK的APD阵列与2D焦平面NxM阵列是共光轴的，即，在2D焦平面NxM阵列的中，有与APD检测重回的数据段，将该段的检测数据转换为A3＝U(x,y,z)；其中:

x＝j；

y＝m；

z＝dkt；

A3的取值：A1，当2D焦平面NxM阵列上的像素点落在APD上的每个APD覆盖的范围内；也可取这些像素点的均值(这只是个算法而已)；

A2，当2D焦平面NxM阵列上的像素点落在APD上的每个APD覆盖的范围外。

本实施例中，360°采样数据的获取：

通过控制旋转台旋转360°，可以获得J*K个APD扫描数据。由于2D焦平面NxM阵列也随旋转台旋转360°，除了可以获得当前tj时刻K个APD覆盖的扫描范围，还获得上一个扫描位置在tj时刻的值，及下一个扫描位置在tj时刻的值；

通过这些扫描值可以获得目标物体的运动及周围环境的变化数据，用于对目标物体的运动及周围环境变化的估计。

以上是实施例1，如图1所示。另一种实施例如图2所示，不同的地方是将收发光路分开，并去掉了图1中的光环形器13。如果降低接收的距离，可将APD阵列改为PIN阵列。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种3D激光雷达，其特征在于：包括激光雷达，所述激光雷达包括壳体、光学系统、旋转台和控制系统，光学系统、旋转台和控制模块安装于壳体内部，光学系统安装于旋转台上。

2.根据权利要求1所述的3D激光雷达，其特征在于：光学系统包括APD阵列、透镜阵列、第一透镜、分光器、2D焦平面NxM阵列、第二透镜、激光器、线准直透镜、环形器和第三透镜；

环形器、线准直透镜和激光器之间平行相对设置，激光器产生的激光经线准直透镜传递至环形器中；

分光器安装于环形器上端，激光从环形器的2端口射出，并进入分光器中，直至分别通过第二、第三透镜进入透镜阵列和2D焦平面NxM阵列，激光经透镜阵列被APD阵列接收；

第一透镜设置于环形器左侧，环形器射出的激光经过第一透镜设置。

3.根据权利要求1所述的3D激光雷达，其特征在于：旋转台包括电机和支撑平台，电机的转轴安装于支撑平台的底面上。

4.根据权利要求1所述的3D激光雷达，其特征在于：控制系统包括主控模块、电机驱动模块、算法模块、逻辑控制模块和电源模块；

主控模块分别与电机驱动模块、算法模块和逻辑控制模块电连接，算法模块用于目标物体特性提取，逻辑模块用于光信号产生及光反射信号的提取，电源模块用于对本装置供电。

5.一种激光雷达的实现方法，其特征在于：t时刻的目标物体采样数据的获取；不同时刻的目标物体采样数据的获取；数据的拟合；360°采样数据的获取。

6.根据权利要求5所述的激光雷达的实现方法，其特征在于：t时刻的目标物体采样数据的获取：

红外光激光器输出非可见光，通过线准直器后输出汇聚的、垂直水平面的线激光(后面简称垂线激光)，该垂线激光，从环形器的3端口注入，从环形器的1端口输出，再经过第一透镜汇聚为准直光投射到目标物体上；

目标物体反射回的垂线激光，先通过第一透镜汇聚，从环形器的1端口注入，从环形器的2端口输出，注入分光器；

假设分光器的功率分配比为x:y，经分光器后输出x和y两个支路的光；

x路光向上，经过第三透镜汇聚后，到1xK的APD阵列，由APD阵列进行检测，输出A1t,k＝xt(t,dkt,k)，其中，t为采样的时刻；K为APD的个数,dkt为第APD中第k个APD在t时刻到目标物体的距离，A1t,k为第k个APD在t时刻APD检测目标物体反射回来的光功率值；

另一路y光向右，经过第二透镜汇聚后，投放到2D焦平面上，由2D焦平面阵列进行检测，设2D焦平面为NxM点阵，输出A2＝yt[n,m]数据，其中：

t:为采样的时刻；

n:为2D焦平面上水平方向第n个像素点，其中1≤n≤N(N为2D焦平面上水平方像素点的总数)；M为2D焦平面垂直像素的点数；

m:为2D焦平面上垂直方向上第m个像素点，其中1≤n≤M(M为2D焦平面上垂直方向像素点的总数)。

7.根据权利要求5所述的激光雷达的实现方法，其特征在于：不同时刻的目标物体采样数据的获取：

3D激光雷达的光学系统，放在一个旋转台上，该旋转台由精密的步进电机驱动，可在水平方向上360°转动；

假设电机步进一步对应的角度为θ°；旋转台转一圈对应的扫描点数为：J＝360/θ；

旋转台每步进一次，目标物体的采样数据有：

APD的采样输出为：A1t,k＝xt(t,dkt,k)

2D焦平面采样输出为：A2＝yt[n,m]。

8.根据权利要求5所述的激光雷达的实现方法，其特征在于：数据的拟合：

旋转台每步进一次，需要将APD和采样输出，和2D焦平面的采样输出进行数据拟合，拟合的方法如下：

APD的点阵数K<M(2D焦平面垂直像素的点数)；

1xK的APD阵列与2D焦平面NxM阵列是共光轴的，即，在2D焦平面NxM阵列的中，有与APD检测重回的数据段，将该段的检测数据转换为A3＝U(x,y,z)；其中:

x＝j；

y＝m；

z＝dkt；

A3的取值：A1，当2D焦平面NxM阵列上的像素点落在APD上的每个APD覆盖的范围内；也可取这些像素点的均值(这只是个算法而已)；

A2，当2D焦平面NxM阵列上的像素点落在APD上的每个APD覆盖的范围外。

9.根据权利要求5所述的激光雷达的实现方法，其特征在于：360°采样数据的获取：

通过控制旋转台旋转360°，可以获得J*K个APD扫描数据；由于2D焦平面NxM阵列也随旋转台旋转360°，除了可以获得当前tj时刻K个APD覆盖的扫描范围，还获得上一个扫描位置在tj时刻的值，及下一个扫描位置在tj时刻的值；

通过这些扫描值可以获得目标物体的运动及周围环境的变化数据，用于对目标物体的运动及周围环境变化的估计。

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