CN111389778A - 一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置及清洁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于车载传感器技术领域，一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置及清洁方法。该装置包括线性马达、雨刷、清洁喷嘴、激光雷达保护罩套管、保护罩旋转电机、激光雷达底座大平台、激光雷达保护罩、线性马达导轨、保护罩固定板和磁铁。本发明适用于可嵌入车身的固态激光雷达，能够减少污损状况下激光雷达无法工作的时间，保证传感器工作的连续性和所获取数据的可靠性，清除顽固的污损，并且结构简单，体积较小，不需特殊的附属设备，对装配车辆自身结构的改造程度小，能够嵌入到绝大部分车辆的车身，与车体结构的匹配度高，保证了车辆的整体造型。
Description
技术领域
本发明属于车载传感器技术领域，具体的说是一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置及清洁方法。
背景技术
随着无人驾驶技术的发展，越来越多的智能汽车开始将激光雷达传感器用于汽车的环境感知。在行驶过程中，激光雷达向汽车传递环境数据，车载计算平台对数据进行处理并向汽车实时发出驾驶指令。因此为保证汽车安全、可靠的行驶，激光雷达的数据必须是准确且连续的。
此外，目前激光雷达按照原理可大致分为机械式激光雷达和固态式激光雷达。机械式激光雷达探测范围为360度，但体积大且价格昂贵，无法大规模生产。固态激光雷达探测范围多为90～150°，精度高、体积小且价格便宜，适用于大规模应用场景。因此大多数车企的智能汽车解决方案中倾向于采用固态激光雷达，并且在不破坏车身整体造型的前提下固态激光雷达还可嵌入车身。
在汽车实际的行驶过程中，激光雷达是暴露在外面的，会受到不同程度的污损，在污损发生后，所收集到环境信息的可信度会大幅下降，影响行车安全。因此对车载激光雷达传感器提供必要的保护与清洁措施是非常有必要的。
现有激光雷达清洁装置的形式与主要问题有：
1.采用雨刷旋转清洁。此种方法较为简便，但在雨刷清洁时，激光雷达无法工作，会导致一段时间内无法获取环境信息，存在安全隐患。
2.采用喷嘴清洁。此种方法效率较高，但在处理顽固的污渍时所需时间较长，并且在污损处理完毕之前，激光雷达同样无法工作。
发明内容
本发明提供了一种结构简单的嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置和清洁方法，本发明能够减少污损状况下激光雷达无法工作的时间，保证传感器工作的连续性和所获取数据的可靠性，清除顽固的污损，并且适用于可嵌入车身的固态激光雷达，解决了现有激光雷达清洁装置存在的上述问题。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，该装置包括线性马达1、雨刷2、清洁喷嘴3、激光雷达保护罩套管5、保护罩旋转电机6、激光雷达底座大平台7、激光雷达保护罩8、线性马达导轨9、保护罩固定板12和磁铁15；所述激光雷达底座大平台7的一端与汽车车壳10固定，另一端与汽车车架4固定；所述激光雷达底座大平台7上固定有长方体小平台；所述长方体小平台安装有激光雷达11；所述保护罩旋转电机6的底座端与激光雷达底座大平台7固定，其输出端通过传动器与激光雷达保护罩8的旋转轴连接；所述激光雷达保护罩8的旋转轴与激光雷达保护罩套管5套接；所述激光雷达保护罩套管5与汽车车架4固定；所述激光雷达保护罩8通过磁铁15与保护罩固定板12固定；所述保护罩固定板12与汽车车架4固定；汽车车壳10上设置两个线性马达导轨9，两个线性马达导轨9布置在垂直方向上且相对于激光雷达11左右对称；所述线性马达1套接在线性马达导轨9上；所述雨刷2与线性马达1固定；所述汽车车壳10上还设置有两个清洁喷嘴3；两个所述清洁喷嘴3相对于激光雷达11左右对称布置。
该装置还包括缓冲块14；
所述长方体小平台与地面保持平行。
所述激光雷达保护罩8的旋转轴和激光雷达保护罩套管5均与激光雷达底座大平台7相互垂直。
所述激光雷达保护罩8为一个六面体框架；所述六面体框架顶层整体形状为一个菱形，由五根支撑架构成的两个完全相同的等边三角形组合而成为保护罩防尘面13，在保护罩防尘面13的两个内侧支撑架上分别对称设置有磁铁15与缓冲块14；所述六面体框架中间层由三根支撑架、一根保护罩旋转轴和两个保护罩透明面16组成；所述六面体框架底层是由四根支撑架组合成的菱形结构。
两个所述保护罩透明面16间的角度为120°，保护罩透明面16透过至少905nm的激光束，并且不会削弱激光强度。
所述线性马达导轨9的长度大于保护罩透明面16竖直方向长度5—10厘米。
所述雨刷2与保护罩透明面16相互平行，在水平面内的宽度与保护罩透明面16的宽度相同。
所述清洁喷嘴3的出液口正对保护罩透明面16。
一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置的清洁方法，包括以下步骤：
步骤一、在车辆行驶的过程中，清洁装置处于常规工作模式，在该模式下，每一次接收到激光雷达11传送的数据后，模块控制器统计当前帧数据中距离信息小于0.4米的数据占比，并标记这些数据的索引值；
步骤二、统计下一帧数据中索引数据的距离信息；
步骤三、下一帧数据中的距离信息和当前帧数据的距离信息进行对比，若被标记数据的距离信息仍旧小于0.4米，此时认为这些激光雷达数据为异常数据，进行步骤四；若数据采集正常，激光雷达数据正常，清洁装置不工作；
步骤四、统计索引数据仍为异常数据的数量，判定异常数据占比；具体如下：
当异常数据的占比小于1％时，认为激光雷达11正常工作，向整车控制器发送安全信号；
当异常数据的占比介于1％和5％之间时，认为激光雷达11数据存在小部分失真，向整车控制器发送低风险信号，由整车控制器选取周围环境安全的时机进行清洁；
当异常数据的占比超过5％时，认为激光雷达数据失真情况较为严重，模块控制器向整车控制器发送中风险信号，告知整车控制器此时激光雷达的数据已经不具有真实性，屏蔽所有依赖激光雷达数据的算法的输出结果，随后本装置进入清洁模式；
步骤五、模块控制器向保护罩旋转电机6发送控制信号，激光雷达保护罩8旋转电机6启动，通过激光雷达保护罩8的旋转轴使激光雷达保护罩8顺时针或逆时针快速旋转60°；
步骤六、通过磁铁15与保护罩固定板12的吸附力将激光雷达保护罩8固定，缓冲块14用于激光雷达保护罩8在固定过程中的缓冲和减震，从而使保护罩透明面16平顺的旋转到激光雷达11的正前方；
步骤七、旋转完成后，激光雷达11正常工作；
步骤八、随后清洁喷嘴3向保护罩透明面16喷出清洁剂，雨刷2在线性马达1的带动下沿线性马达导轨9上下运动，使得雨刷2刮擦保护罩透明面16，在线性马达1往返两次后认为污损的右侧保护罩透明面16变为清洁状态。
本发明的有益效果为：
1)激光雷达保护罩在保护罩旋转电机的带动下绕着保护罩的旋转轴旋转，当检测到正向的保护罩被污染后，迅速将污损透明面转到侧向，将清洁的透明面转到正向，此时激光雷达的正向透明面为清洁的透明面，激光雷达可以正常工作。污损的透明面由对应方向的雨刷与喷嘴清洁，减少了激光雷达无法工作的时间，保证了传感器工作的连续性，提升了清洁效率；
2)雨刷与清洁喷嘴布置在激光雷达的盲区，保护罩的透明面大于激光雷达的视场，不会对激光雷达正常工作产生干扰，并且有充足的时间去除较为顽固的污渍；
3)所提出的激光雷达是否需要清洁的检测方法可实时有效的对激光雷达的工作环境和所采集的数据质量进行监视，并且当需要清洁时可自动的进行清理，保证了激光雷达数据的质量，为后续依赖激光雷达数据的算法提供数据保证；
4)结构简单，体积较小，不需特殊的附属设备，对装配车辆自身结构的改造程度小，能够嵌入到绝大部分车辆的车身，与车体结构的匹配度高，保证了车辆的整体造型。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中激光雷达保护罩结构示意图；
图3为本发明判断清洁装置是否工作的流程图。
图中：1、线性马达；2、雨刷；3、清洁喷嘴；4、汽车车架；5、激光雷达保护罩套管；6、保护罩旋转电机；7、激光雷达底座大平台；8、激光雷达保护罩；9、线性马达导轨；10、汽车车壳；11、激光雷达；12、保护罩固定板；13、保护罩防尘面；14、缓冲块；15、磁铁；16、保护罩透明面。
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。
参阅图1，一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，包括线性马达1、雨刷2、清洁喷嘴3、激光雷达保护罩套管5、保护罩旋转电机6、激光雷达底座大平台7、激光雷达保护罩8、线性马达导轨9、保护罩固定板12、缓冲块14和磁铁15。
所述激光雷达底座大平台7依据嵌入车身的固态激光雷达11的安装位置不同，与汽车车架4、汽车车壳10固连；对于汽车的前后向激光雷达11，底座大平台7可分别固连于汽车的前后防撞梁。
在激光雷达底座大平台7上设有长方体小平台、保护罩旋转电机6。激光雷达底座大平台7还用于阻挡行车时路面向上飞溅的污渍，防止污损激光雷达11。长方体小平台与地面保持平行，在其上方安装有激光雷达11，长方体小平台在垂直方向上的高度可根据激光雷达11和车体结构进行相应调整；保护罩旋转电机6的底座端与激光雷达底座大平台7固连，输出端通过传动器与激光雷达保护罩8的旋转轴联结，激光雷达保护罩8的旋转轴与激光雷达保护罩套管5套接，激光雷达保护罩套管5根据激光雷达底座大平台7的位置与汽车车架4固连，激光雷达保护罩8的旋转轴和激光雷达保护罩套管5都与激光雷达底座大平台7相互垂直。保护罩旋转电机6可通过激光雷达保护罩8的旋转轴带动激光雷达保护罩8左右旋转。
参阅图2，激光雷达保护罩8为一个六面体框架，六面体框架顶层整体形状为一个菱形，由五根支撑架构成的两个完全相同的等边三角形组合而成为保护罩防尘面13，在保护罩防尘面13的两个内侧支撑架上分别对称设置有一组磁铁15与缓冲块14，磁铁15可吸附于保护罩固定板12上，用于激光雷达11工作以及激光雷达保护罩8清洗时对激光雷达保护罩8的固定，保护罩固定板12与汽车车架4通过螺栓固连，缓冲块14用于激光雷达保护罩8固定过程的缓冲和减震。六面体框架中间层由三根支撑架、一根保护罩旋转轴和两个保护罩透明面16组成。六面体框架底层是由四根支撑架组合成的菱形结构。两个保护罩透明面16间的角度为120°，保护罩透明面16可透过至少905nm的激光束，以保证两保护罩透明面16不阻碍激光雷达光束传播。
参阅图1，汽车车壳10上设置两个线性马达导轨9，两个线性马达导轨9布置在垂直方向上且相对于激光雷达11左右对称，其具体安装位置应根据汽车实际探测范围而变，以保证支撑架不会挡住激光雷达11的光束，线性马达导轨9长度应大于保护罩透明面16竖直方向长度5至10厘米。线性马达1套接在线性马达导轨9上，雨刷2与保护罩透明面16相互平行，在水平面内的宽度与保护罩透明面16的宽度相同，在正常工作时雨刷2抵触在保护罩透明面16上，线性马达1与雨刷2固连组成清洁装置，从而线性马达1可带动雨刷2在线性马达导轨9上做上下运动，在运动过程中刮擦保护罩透明面16以清除其上的污渍。汽车车壳10上还设有两个清洁喷嘴3，两个清洁喷嘴3相对于激光雷11达左右对称布置，清洁喷嘴3出液口正对保护罩透明面16。
参阅图3，本实施例提供的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置的工作过程如下：
在车辆行驶的过程中，装置处于常规工作模式，在该模式下，每一次接收到激光雷达数据后，模块控制器统计距离信息小于0.4米的数据占比，标记这些数据的索引值，在接收下一帧数据后进行对比，若被标记数据的距离信息仍旧小于0.4米，此时认为这些激光雷达数据为异常数据。当异常数据的占比小于1％时，认为激光雷达正常工作，向整车控制器发送安全信号；当异常数据的占比介于1％和5％之间时，认为激光雷达数据存在小部分失真，向整车控制器发送低风险信号，由整车控制器选取周围环境较为安全的时机进入清洁模式；当异常数据的占比超过5％时，认为激光雷达数据失真情况较为严重，模块控制器向整车控制器发送中风险信号，告知整车控制器此时激光雷达的数据已经不具有真实性，屏蔽所有依赖激光雷达数据的算法的输出结果，随后本装置进入清洁模式。
在清洁模式下装置立即执行对激光雷达保护罩8的清洁，即认为图1情况下右侧的保护罩透明面16受到污损影响激光雷达11正常工作，随后模块控制器发出控制指令，清洁右侧的保护罩透明面16。此时，模块控制器向保护罩旋转电机6发送控制信号，保护罩旋转电机6启动，通过保护罩的旋转轴使激光雷达保护罩8顺时针快速旋转60°，通过右侧磁铁15与保护罩固定板12的吸附力将激光雷达保护罩8固定，缓冲块14用于激光雷达保护罩8在固定过程中的缓冲和减震，从而使左侧的保护罩透明面16平顺的旋转到激光雷达11的正前方，旋转完成后，激光雷达11便可以正常工作。随后右侧的清洁喷嘴3向右侧的保护罩透明面16喷出清洁剂，右侧雨刷2在右侧线性马达1的带动下沿右侧线性马达导轨9上下运动，使得雨刷2刮擦右侧的保护罩透明面16，在线性马达1往返两次后可认为污损的右侧保护罩透明面16变为清洁状态。
同理，当认为激光雷达保护罩8的左侧保护罩透明面16受到污损需要清洁时，模块控制器发出控制指令，清洁左侧的保护罩透明面16。保护罩旋转电机6启动，使激光雷达保护罩8逆时针快速旋转60°，从而使清洁完成后的右侧保护罩透明面16重新回到激光雷达11的正前方，此时激光雷达11开始正常工作。左侧清洁喷嘴3向污损的左侧保护罩透明面16喷射清洁剂，左侧雨刷2在左侧线性马达1的带动下沿左侧线性马达导轨9上下运动，使得雨刷2刮擦激光雷达保护罩8的左侧保护罩透明面16，在线性马达1往返两次后可认为污损的左侧保护罩透明面16变为清洁状态。清洁完成后，模块控制器向整车控制器发送清洁完成信号。
清洁完成后，继续检测异常数据的占比，在异常数据的占比小于1％时，装置重新进入常规工作模式。当激光雷达保护罩8的左右透明面均清洁过两次之后，装置仍然无法进入常规运行模式时，此时可以认为激光雷达保护罩8沾染上了无法清除的污渍或激光雷达保护罩8的污损速度超过了清洁速度，此时模块控制器向整车控制器发送高风险信号，装置进入宕机模式。
装置进入宕机模式后，模块控制器向车内报警系统发出信号，以提醒驾驶人员及时进行手动清理。进入宕机模式后，装置无法自行退出宕机模式回到常规工作模式，只有驾驶人员手动发出信号或停车熄火才可退出。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，该装置包括线性马达(1)、雨刷(2)、清洁喷嘴(3)、激光雷达保护罩套管(5)、保护罩旋转电机(6)、激光雷达底座大平台(7)、激光雷达保护罩(8)、线性马达导轨(9)、保护罩固定板(12)和磁铁(15)；所述激光雷达底座大平台(7)的一端与汽车车壳(10)固定，另一端与汽车车架(4)固定；所述激光雷达底座大平台(7)上固定有长方体小平台；所述长方体小平台安装有激光雷达(11)；所述保护罩旋转电机(6)的底座端与激光雷达底座大平台(7)固定，其输出端通过传动器与激光雷达保护罩(8)的旋转轴连接；所述激光雷达保护罩(8)的旋转轴与激光雷达保护罩套管(5)套接；所述激光雷达保护罩套管(5)与汽车车架(4)固定；所述激光雷达保护罩(8)通过磁铁(15)与保护罩固定板(12)固定；所述保护罩固定板(12)与汽车车架(4)固定；汽车车壳(10)上设置两个线性马达导轨(9)，两个线性马达导轨(9)布置在垂直方向上且相对于激光雷达(11)左右对称；所述线性马达(1)套接在线性马达导轨(9)上；所述雨刷(2)与线性马达(1)固定；所述汽车车壳(10)上还设置有两个清洁喷嘴(3)；两个所述清洁喷嘴(3)相对于激光雷达(11)左右对称布置。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，该装置还包括缓冲块(14)。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，所述长方体小平台与地面保持平行。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，所述激光雷达保护罩(8)的旋转轴和激光雷达保护罩套管(5)均与激光雷达底座大平台(7)相互垂直。
5.根据权利要求2所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，所述激光雷达保护罩(8)为一个六面体框架；所述六面体框架顶层整体形状为一个菱形，由五根支撑架构成的两个完全相同的等边三角形组合而成为保护罩防尘面(13)，在保护罩防尘面(13)的两个内侧支撑架上分别对称设置有磁铁(15)与缓冲块(14)；所述六面体框架中间层由三根支撑架、一根保护罩旋转轴和两个保护罩透明面(16)组成；所述六面体框架底层是由四根支撑架组合成的菱形结构。
6.根据权利要求5所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，两个所述保护罩透明面(16)间的角度为120°，保护罩透明面(16)透过至少905nm的激光束，并且不会削弱激光强度。
7.根据权利要求5所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，所述线性马达导轨(9)的长度大于保护罩透明面(16)竖直方向长度5—10厘米。
8.根据权利要求5所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，所述雨刷(2)与保护罩透明面(16)相互平行，在水平面内的宽度与保护罩透明面(16)的宽度相同。
9.根据权利要求5所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置，其特征在于，所述清洁喷嘴(3)的出液口正对保护罩透明面(16)。
10.根据权利要求5所述的一种嵌入车身式固态激光雷达的保护清洁装置的清洁方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在车辆行驶的过程中，清洁装置处于常规工作模式，在该模式下，每一次接收到激光雷达(11)传送的数据后，模块控制器统计当前帧数据中距离信息小于0.4米的数据占比，并标记这些数据的索引值；
步骤二、统计下一帧数据中索引数据的距离信息；
步骤三、下一帧数据中的距离信息和当前帧数据的距离信息进行对比，若被标记数据的距离信息仍旧小于0.4米，此时认为这些激光雷达数据为异常数据，进行步骤四；若数据采集正常，激光雷达数据正常，清洁装置不工作；
步骤四、若索引数据为异常数据，判定异常数据占比；具体如下：
当异常数据的占比小于1％时，认为激光雷达(11)正常工作，向整车控制器发送安全信号；
当异常数据的占比介于1％和5％之间时，认为激光雷达(11)数据存在小部分失真，向整车控制器发送低风险信号，由整车控制器选取周围环境安全的时机进行清洁；
当异常数据的占比超过5％时，认为激光雷达数据失真情况较为严重，模块控制器向整车控制器发送中风险信号，告知整车控制器此时激光雷达的数据已经不具有真实性，屏蔽所有依赖激光雷达数据的算法的输出结果，随后本装置进入清洁模式；
步骤五、模块控制器向保护罩旋转电机(6)发送控制信号，激光雷达保护罩(8)旋转电机(6)启动，通过激光雷达保护罩(8)的旋转轴使激光雷达保护罩(8)顺时针或逆时针快速旋转60°；
步骤六、通过磁铁(15)与保护罩固定板(12)的吸附力将激光雷达保护罩(8)固定，缓冲块(14)用于激光雷达保护罩8在固定过程中的缓冲和减震，从而使保护罩透明面(16)平顺的旋转到激光雷达(11)的正前方；
步骤七、旋转完成后，激光雷达(11)正常工作；
步骤八、随后清洁喷嘴(3)向保护罩透明面(16)喷出清洁剂，雨刷(2)在线性马达(1)的带动下沿线性马达导轨(9)上下运动，使得雨刷(2)刮擦保护罩透明面(16)，在线性马达(1)往返两次后认为污损的右侧保护罩透明面(16)变为清洁状态。
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