CN111781579A - 一种激光雷达扫描装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种激光雷达扫描装置的控制方法。该控制方法包括步骤：根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构以第一扫描运动模式旋转，接收激光束并进行第一方向的偏转；控制第二旋转反射机构以第二扫描运动模式旋转，并进行第二方向的扫描。本发明能实现自由调节第一方向特定角度范围内扫描线数和扫描线间的夹角，并进一步实现在不同角度范围内获取不同的分辨率，满足在第一方向视场角范围进行高密度扫描的需求，探测精度高，达到不同的激光雷达探测效果。

Description

一种激光雷达扫描装置的控制方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种激光雷达扫描装置的控制方法。

背景技术

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后,就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

特别是在自动驾驶领域，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。

为了实现精细的激光探测，激光雷达需要有足够高的点密度。常见的360°扫描激光雷达只有第二方向的扫描维度，在第一方向的扫描通过增加激光收发模块的数量，即增加扫描线数来提高第一方向的角度分辨率，尤其是在第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向的情况下，现有采用上述方案的一系列产品有如16线、32线、64线以及128线等。

上述为提高第一方向角度分辨率增加扫描线数的方案，会造成系统整体复杂度提升、装配难度增大、成本高等问题。而且，上述方案中的扫描线间夹角固定，在激光雷达工作过程中无法自由调节，造成产品在使用过程中不够灵活，无法满足高精度、智能化扫描探测的目的。

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，提供一种激光雷达扫描装置的控制方法，解决现有激光雷达扫描方案扫描线夹角固定，使用不灵活，无法满足高精度、智能化扫描探测目的的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光雷达扫描装置的控制方法，激光雷达扫描装置包括至少一可旋转的第一旋转反射机构和一第二旋转反射机构，激光束经过第一旋转反射机构进行第一方向偏转并入射至第二旋转反射机构，且经过第二旋转反射机构向外进行第二方向扫描，所述控制方法包括步骤：

根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构以第一扫描运动模式旋转，接收激光束并进行第一方向的偏转；

控制第二旋转反射机构以第二扫描运动模式旋转，并进行第二方向的扫描。

本发明的更进一步优选方案是：所述根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数包括步骤：

在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第一扫描速度旋转；

在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第二扫描速度旋转；

其中，所述第一扫描速度小于第二扫描速度。

本发明的更进一步优选方案是：所述根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数包括步骤：

在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第一步进角度旋转；

在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第二步进角度旋转；

其中，所述第一步进角度小于第二步进角度。

本发明的更进一步优选方案是：所述控制方法还包括步骤：

控制第一旋转反射机构以第一扫描运动模式和第一扫描模式旋转；其中，所述第一扫描模式包括单向扫描、往返扫描中的一种。

本发明的更进一步优选方案是：所述控制方法还包括步骤：

控制第二旋转反射机构以第二扫描运动模式和第二扫描模式旋转；其中，所述第二扫描模式包括单向扫描、往返扫描的一种。

本发明的更进一步优选方案是：所述第一扫描运动模式包括连续运动、步进运动中的一种。

本发明的更进一步优选方案是：所述第二扫描运动模式为连续运动。

本发明的更进一步优选方案是：通过设置多个第一旋转反射机构的安装角度，控制多个第一旋转反射机构旋转扫描覆盖不同的区域。

本发明的更进一步优选方案是：所述第一方向为垂直方向，并且/或者第二方向为水平方向。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构以第一扫描运动模式旋转，接收激光束并进行第一方向的偏转；控制第二旋转反射机构以第二扫描运动模式旋转，激光束经第二旋转反射机构进行第二方向的扫描，实现激光束在第一方向和第二方向的扫描，自由调节第一方向特定角度范围内扫描线数和扫描线间的夹角，并进一步实现在不同角度范围内获取不同的分辨率，满足在第一方向视场角范围进行高密度扫描的需求，探测精度高，达到不同的激光雷达探测效果；以及设置多个第一旋转反射机构，能实现第一方向更大角度范围的扫描覆盖。

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是本发明激光雷达扫描装置的控制方法的流程框图；

图2是本发明激光雷达扫描装置的激光扫描脚点轨迹示意图；

图3是本发明第一旋转反射机构连续运动时扫描角度与时间关系图；

图4是本发明第一旋转反射机构以连续运动且第二旋转反射机构单向扫描的扫描线分布示意图；

图5是本发明第一旋转反射机构以连续运动且第二旋转反射机构往返扫描的扫描线分布示意图；

图6是本发明第一旋转反射机构步进运动时扫描角度与时间关系图；

图7是本发明第一旋转反射机构以步进运动且第二旋转反射机构单向扫描的扫描线分布示意图；

图8是本发明第一旋转反射机构以步进运动且第二旋转反射机构往返扫描的扫描线分布示意图；

图9是本发明中将垂直视场范围分为四个区域的分布示意图；

图10是本发明激光雷达扫描装置的结构示意图；

图11是本发明激光收发模块实施例一的结构示意图；

图12是本发明激光收发模块实施例二的结构示意图。

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所示，本发明提供一种激光雷达扫描装置的控制方法的优选实施例。

结合图1和图10，所述激光雷达扫描装置包括至少一可旋转运动的第一旋转反射机构100和一第二旋转反射机构200，激光束经过第一旋转反射机构100进行第一方向偏转并入射至第二旋转反射机构200，且经过第二旋转反射机构200向外进行第二方向扫描。所述激光雷达扫描装置的控制方法包括步骤：

S10、根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构100以第一扫描运动模式旋转，接收激光束并进行第一方向的偏转；

S20、控制第二旋转反射机构200以第二扫描运动模式旋转，并进行第二方向的扫描。

通过在对第一方向的扫描控制上，根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构100以第一扫描运动模式旋转，使激光束进行第一方向的偏转，即经第二旋转反射机构200进行第一方向的扫描，自由调节第一方向特定角度范围内扫描线数和扫描线间的夹角，并进一步实现在第一方向不同角度范围内获取不同的分辨率，满足在第一方向视场角范围进行高密度扫描的需求，探测精度高，达到不同的激光雷达探测效果；且设置多个第一旋转反射机构100，能实现第一方向更大角度范围的扫描覆盖。

其中，第一方向和第二方向是非平行的两个方向，可以是相互垂直的两个方向，或者是不相互垂直的两个方向。优选的，本实施例中的第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向。通过设置垂直方向上第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构100以第一扫描运动模式旋转，自由调节垂直方向上扫描线数和扫描线间的夹角，使得激光雷达扫描装置在每一帧扫描探测中获得所需要的垂直分辨率，达到不同的激光雷达探测效果，应用灵活。由第一旋转反射机构100旋转控制激光束沿垂直方向进行扫描，实现垂直视场范围的扫描覆盖；由第二旋转反射机构200旋转控制激光束沿水平方向进行扫描，实现水平视场范围的扫描覆盖。

进一步地，在步骤S10中，还包括：控制第一旋转反射机构100以第一扫描运动模式和第一扫描模式旋转；其中，所述第一扫描模式包括单向扫描、往返扫描中的一种。以第一方向为垂直方向为例，当第一扫描模式为单向扫描时，控制第一旋转反射机构100以第一扫描模式旋转，从上到下(如从上方视场边界开始扫描从下方视场边界结束)，或者从下到上(如从下方视场边界开始扫描从上方视场边界结束)；当第一扫描模式为往返扫描时，控制第一旋转反射机构100以第一扫描模式旋转，第一旋转反射机构100上下往返转动，扫描线从上往下扫描，又从下往上扫描。其中，当第一扫描模式为单向扫描时，第一旋转反射机构100可采用电机带动反射镜旋转的方式；当第一扫描模式为往返扫描时，第一旋转反射机构100可采用振镜、高速MEMS扫描器件，实现视场范围内的上下往返扫描模式。

进一步地，在步骤S20中，还包括：控制第二旋转反射机构200以第二扫描运动模式和第二扫描模式旋转；其中，所述第二扫描模式包括单向扫描、往返扫描的一种。以第二方向为水平方向为例，当第二扫描模式为单向扫描时，控制第二旋转反射机构200以第二扫描模式旋转，扫描线从一个方向起始到另一个方向结束，从左到右(如从左方视场边界开始扫描从右方视场边界结束)，或者从右到左(如从右方视场边界开始扫描从左方视场边界结束)；当第二扫描模式为往返扫描时，控制第二旋转反射机构200以第二扫描模式旋转，扫描线从左往右扫描，又从右往左扫描。其中，当第二扫描模式为单向扫描时，第二旋转反射机构200可采用电机带动反射镜旋转的方式；当第二扫描模式为往返扫描时，第二旋转反射机构200可采用振镜、高速MEMS扫描器件，实现视场范围内的左右往返扫描模式。

在步骤S10中，第一扫描运动模式可以是连续运动、步进运动中的一种，且第一旋转反射机构100被配置为低速扫描。在步骤S20中，所述第二扫描运动模式为连续运动，且第二旋转反射机构200被配置为高速扫描。当第一扫描运动模式为连续运动时和步进运动时的运动参数不同。第一扫描运动模式为连续运动或是步进运动，且配置为低速扫描，第二扫描运动模式为连续运动，且配置为高速扫描时的激光扫描脚点轨迹如图2所示。

一实施例中，第一扫描运动模式为连续运动，步骤S10具体包括步骤：

在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构100以第一扫描速度旋转；

在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构100以第二扫描速度旋转；

其中，所述第一扫描速度小于第二扫描速度。

通过在角度分辨率要求不同的角度范围内采用不同的扫描速度，以在不同的角度范围内获得不同的垂直分辨率。具体地，在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，采用比第二扫描速度小的第一扫描速度，第一扫描速度慢，对应角度范围内的扫描线数多，密度大，探测更精细，得到的垂直分辨率高；在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，第二扫描速度快，对应角度范围内的扫描线数少，密度小，得到的垂直分辨率低。操作人员可在某个感兴趣第一方向角度范围内减小扫描速度，增加扫描线数以获得高的垂直分辨率，对该角度范围进行精细探测；在某个不感兴趣或者低风险区域第一方向角度范围内增加扫描速度，减少扫描线数以获得地的垂直分辨率，对该角度范围进行粗略探测，探测模式灵活，能提升整个激光雷达扫描组装置的探测效率。

结合图3至图5，以第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向为例，当第一旋转反射机构100和第二旋转反射机构200均以连续运动转动，激光束进行水平扫描和垂直扫描的情况如下：

当第一旋转反射机构100连续运动时，其扫描角度以三角波的形式连续运动，如图3所示，第二旋转反射机构200连续运动，激光束在水平方向连续扫描。由于第一旋转反射机构100连续运动，两个维度的扫描所形成的扫描轨迹将会在水平产生倾斜，当第二旋转反射机构200单向扫描时，两个维度扫描形成的扫描轨迹如图4所示，当第二旋转反射机构200往返扫描时，两个维度扫描形成的的扫描轨迹如图5所示。在水平扫描速度不变的情况下，当第一旋转反射机构100在某一角度区间扫描速度较慢时，将在此区间分布更多的扫描线，此区间具有更高的垂直角度分辨率；当第一旋转反射机构100在某一角度区间扫描速度较快时，将在此区间分布较少的扫描线，此区间具有较低的垂直角度分辨率。

另一实施例中，第一扫描运动模式为步进运动，步骤S10具体包括步骤：

在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构100以第一步进角度旋转；

在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构100以第二步进角度旋转；

其中，所述第一步进角度小于第二步进角度。

通过在角度分辨率要求不同的角度范围内采用不同的步进角度，以在不同的角度范围内获得不同的垂直分辨率。具体地，在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，采用比第二步进角度小的第一步进角度，第一步进角度慢，对应角度范围内的扫描线数多，密度大，探测更精细，得到的垂直分辨率高；在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，第二步进角度快，对应角度范围内的扫描线数少，密度小，得到的垂直分辨率低。操作人员可在某个感兴趣第一方向角度范围内减小步进角度，增加扫描线数以获得高的垂直分辨率，对该角度范围进行精细探测；在某个不感兴趣第一方向角度范围内增加步进角度，减少扫描线数以获得地的垂直分辨率，对该角度范围进行粗略探测。

结合图6至图8，以第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向为例，当第一旋转反射机构100以步进运动转动，第二旋转反射机构200以连续运动转动，激光束进行水平扫描和垂直扫描的情况如下：

当第一旋转反射机构100以步进运动转动时，每走一步停留一段时间，等待水平扫描每完成一条线后再走下一步，激光束在垂直方向做一次偏转。当第二旋转反射机构200单向扫描时，两个维度扫描形成的扫描轨迹如图7所示，其呈各线之间分离且接近水平分布的扫描线。在水平扫描速度不变且为单向扫描的情况下，若某一段垂直角度范围内垂直扫描的步进角度小，则在此垂直区间内的扫描线就会比较密，具有更高的角度分辨率；若设置步进角度小，则需要更多步数扫完给定的角度范围，从而该扫描帧将有更多的扫描线。当第二旋转反射机构200往返扫描时，即水平方向扫描轨迹为从左到右再到左重复运动，相邻扫描线之间扫描方向相反，两个维度扫描形成的扫描轨迹如图8所示。

本发明中，通过根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，即在第一方向角度范围的不同区域可根据对应的角度分辨率要求设置不同的扫描速度或不同的步进角度。以下以第一方向为垂直方向，且以将整个垂直扫描视场角度范围分为四个部分进行具体说明，其他分割方法类似，不做赘述：

参考图9，A、E为垂直视场范围上下限，在整个激光雷达扫描装置的有限范围内可随意设置。通过内部边界点B、C、D将整个垂直视场范围分为四个区域(四个区域不必是均分)，在每个区域内设置不同的扫描线数，即对应设置不同的扫描步进角度或者垂直扫描速度。例如，可将中心区域(BC和CD)设置密集扫描时可实现该垂直视场区域内的高垂直分辨率扫描。上下边缘区域(AB和DE)设置为稀疏扫描，即用较低的垂直角度分辨率进行扫描覆盖。通过这种可变线密度扫描方案，将较高的角度分辨率区域集中在感兴趣区域进行精细探测，对其他低风险区域进行粗略探测，探测模式灵活，可以提升激光雷达整机的探测效率。

参考图10，本发明的激光扫描装置中，通过设置多个第一旋转反射机构100的安装角度或软件设置等方式，控制多个第一旋转反射机构100旋转扫描覆盖不同的视场范围，如当第一旋转反射机构100采用振镜时，通过设置振镜的安装角度，控制多个振镜扫描覆盖不同的视场范围。具体例如，控制两个振镜结合第二旋转反射机构200分别覆盖不同的视场范围。两个振镜在两个独立的视场范围内分别根据需求进行不同密度的扫描覆盖，从而实现更精细灵活的激光雷达探测效果。

本发明中，参考图10，所述第二旋转反射机构200至少包括一设置在旋转侧的反射面，所述第一旋转反射机构100朝向第二旋转反射机构200设置，且接收激光束并进行第一方向的偏转；第一方向的偏转激光束通过反射面向外进行第二方向的扫描。所述激光雷达扫描装置还包括多个激光收发模块300，激光收发模块300用于发射激光束和接收目标区域返回的光信号，每一所述激光收发模块300对应一第一旋转反射机构100。所述激光收发模块300具有多个可实施的方案。激光雷达扫描装置在光信号的收发过程中共用扫描部件，进一步提高扫描效率，接收光路和发射光路排布紧凑，有利于激光雷达扫描装置的小型化；并且，多个激光收发模块300的设置能实现第一方向视场范围的扫描覆盖和更灵活的扫描模式。

一实施例中，参考图11，所述激光收发模块300包括激光发射准直分束器310、激光接收探测器320和设有反射曲面的第一透镜330，激光发射准直分束器310发射多个独立的激光束，入射至第一旋转反射机构100，进行第一方向的偏转，第一方向的偏转激光束通过第二旋转反射机构200的反射面向外进行第二方向的扫描，再由目标区域返回光信号，光信号经由第二旋转反射机构200的反射面发射，入射至第一透镜330的反射曲面，再由反射曲面反射后入射至激光接收探测器320。其中，激光发射准直分束器310能发射多个独立的激光束，对应地，激光收发模块300设有与激光束数量对应的激光接收探测器320，例如激光发射准直分束器310可发射两个独立的激光束，两个激光接收探测器320接收两返回的光信号，发射多个激光束的发射与接收示意可依次类推，在此不做赘述。

另一实施例中，参考图12，所述激光收发模块300包括激光发射准直分束器310、激光接收探测器320、设有开孔的接收反射镜340和第二透镜350。激光发射准直分束器310发射多个独立的激光束，通过接收反射镜340上的开孔入射至第一旋转反射机构100，进行第一方向的偏转，第一方向的偏转激光束通过第二旋转反射机构200的反射面向外进行第二方向的扫描，再由目标区域返回光信号，光信号经由第二旋转反射机构200的反射面发射，入射至接收反射镜340，由接收反射镜340反射镜经第二透镜350入射至激光接收探测器320。

本发明激光雷达扫描装置的控制方法提供了一种灵活、高效的激光雷达扫描方式。在同样探测线数的情况下，可以实现感兴趣垂直角度区间范围内的高密度扫描，实现高角度分辨率扫描，提升小目标检测概率；对低风险垂直角度范围内进行低密度扫描，不浪费扫描时间和激光能量，该扫描方案更适合于智能化系统的探测需求，有利于提升系统整体性能，可应用于无人驾驶传感、3-D测绘、AGV导航等领域。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达扫描装置的控制方法，激光雷达扫描装置包括至少一可旋转的第一旋转反射机构和一第二旋转反射机构，激光束经过第一旋转反射机构进行第一方向偏转并入射至第二旋转反射机构，且经过第二旋转反射机构向外进行第二方向扫描，其特征在于，所述控制方法包括步骤：

根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数，控制第一旋转反射机构以第一扫描运动模式旋转，接收激光束并进行第一方向的偏转；

控制第二旋转反射机构以第二扫描运动模式旋转，并进行第二方向的扫描。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数包括步骤：

在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第一扫描速度旋转；

在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第二扫描速度旋转；

其中，所述第一扫描速度小于第二扫描速度。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据第一方向角度范围内的角度分辨率要求，设置第一扫描运动模式的运动参数包括步骤：

在角度分辨率要求高的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第一步进角度旋转；

在角度分辨率要求低的第一方向角度范围内，控制第一旋转反射机构以第二步进角度旋转；

其中，所述第一步进角度小于第二步进角度。

4.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括步骤：

控制第一旋转反射机构以第一扫描运动模式和第一扫描模式旋转；其中，所述第一扫描模式包括单向扫描、往返扫描中的一种。

5.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括步骤：

控制第二旋转反射机构以第二扫描运动模式和第二扫描模式旋转；其中，所述第二扫描模式包括单向扫描、往返扫描的一种。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一扫描运动模式包括连续运动、步进运动中的一种。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第二扫描运动模式为连续运动。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过设置多个第一旋转反射机构的安装角度，控制多个第一旋转反射机构旋转扫描覆盖不同的区域。

9.根据权利要求1-3任一所述的控制方法，其特征在于，所述第一方向为垂直方向，并且/或者第二方向为水平方向。

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