CN112180398A - 一种多线激光雷达及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多线激光雷达及其控制方法，其中系统包括扫描模块和N个激光雷达模块，所述扫描模块设有电机与云台，各所述激光雷达模块均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块在所述云台上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，所述处理器根据各所述激光雷达模块的数量N、所述振镜的扫描率与所述电机的转动率实现多线扫描，N为大于1的正整数。通过设置N个设有振镜的激光雷达模块，并将N个激光雷达模块呈360°/N相位差设置于扫描模块的云台上，避免了光路的重叠，实现对目标的灵活多线扫描，简化了器件数量，降低了成本，且满足了对目标的高精度扫描的需求。

Description

一种多线激光雷达及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种多线激光雷达及其控制方法。
背景技术
科技的日臻完善，带给了人们别致的出行体验。如随着人工智能、大数据分析与汽车驾驶的深度融合使自动驾驶成为了众多车企、高校以及研究机构的研究热点。车辆行驶过程中对周围物体空间位置的获取是目前自动驾驶热点难题。传统获取行驶过程中周围物体距离和位置信息的方式是通过安装的摄像头获取周围的二维图像信息，而没有被拍摄物体的距离和位置信息，导致自动驾驶的应用推广受到了限制。
激光雷达是以发射激光光束探测目标的距离、位置、速度等特征量的系统。具体地，激光雷达系统根据分析向目标发射和接收从目标反射的激光光束来获得目标的相关空间信息。因此，激光雷达经常应用于汽车的自动驾驶、建筑物测试、室内及室外环境中移动机器人、行人识别等需要获取物体准确位置或者速度的场景。
现有的激光雷是达通过机械旋转实现激光扫描获取被测物体的点云图像。现有的激光雷达大致分为单线激光雷达和多线激光雷达。其中，现有的单线激光雷达扫描覆盖区域相对较小仅适用于室内简单的环境；现有的多线激光雷达通常需要大量的发射和接收装置，对电机的转速要求较高，而且光路复杂同时容易重叠；此外，现有多线激光雷达的电机转速通常只能达到每分钟几百转，无法满足高精度多线激光雷达的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多线激光雷达及其控制方法。
本发明所采用的第一技术方案是：
一种多线激光雷达，包括扫描模块和N个激光雷达模块，所述扫描模块设有电机与云台，各所述激光雷达模块均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块在所述云台上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，所述处理器根据各所述激光雷达模块的数量N、所述振镜的扫描率与所述电机的转动率实现多线扫描，N为大于1的正整数。
可选地，所述处理器根据触发给所述发射系统的第一信号的时刻与所述接收系统反馈的第二信号的时刻确定目标的空间距离，及结合所述电机的角度数据、所述振镜的角度数据和所述空间距离确定目标的空间位置。
可选地，所述发射系统还包括激光器、激光器驱动电路和第一透镜，所述激光器用于发射脉冲，所述激光驱动电路用于放大触发激光器产生脉冲的驱动信号，所述第一透镜用于对光路进行准直。
可选地，所述接收系统包括第二透镜、光电传感器、放大电路以及计时器，所述第二透镜用于对光路进行聚焦，所述光电传感器用于将光信号转化为电信号，所述放大电路用于放大所述电信号，所述计时器用于鉴别第二信号的生成。
可选地，所述扫描模块还包括中轴与底座，所述中轴的底端固定于所述底座上，所述电机的定子套于所述中轴上部，所述电机的转子绕所述中轴旋转，所述云台固定于所述中轴的边缘。
可选地，所述扫描装置采用同轴转动。
可选地，所述电机内置有角度传感器，所述角度传感器用于将所述电机的转动数据传输给所述处理器。
可选地，所述电机用于带动所述云台转动实现水平方向向360°扫描。
可选地，所述振镜用于控制光路方向实现垂直方向扫描。
本发明所采用的第二技术方案是：
一种多线激光雷达控制方法，所述多线激光雷达包括扫描模块和N个激光雷达模块，所述扫描模块设有电机与云台，各所述激光雷达模块均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块在所述云台上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，N为大于1的正整数，控制方法包括：
获取所述振镜的扫描率，以及所述电机的转动率；
结合各所述激光雷达模块的数量N、所述振镜的扫描率和所述电机的转动率实现多线扫描。
本发明的有益效果是：通过设置N个设有振镜的激光雷达模块，并将N个激光雷达模块呈360°/N相位差设置于扫描模块的云台上，避免了光路的重叠，实现对目标的多线扫描，同时简化了多线激光雷达器件数量，降低了成本，而且满足了对目标的高精度扫描的需求。
附图说明
图1是本发明提供的一种多线激光雷达结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种四个激光雷达模块的多线激光雷达示意图；
图3是本发明实施例提供的激光雷达模块系统功能示意图；
图4是本发明实施例提供的四组激光雷达模块扫描的示意图；
图5是本发明提供的一种多线激光雷达控制方法步骤流程图。
附图标记：1.激光雷达模块、2.电机、3.云台、4.中轴、5.底座。
具体实施方式
如图1所示，一种多线激光雷达，包括扫描模块和N个激光雷达模块1，所述扫描模块设有电机2与云台3，各所述激光雷达模块1均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块1在所述云台3上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，所述处理器根据各所述激光雷达模块1的数量N、所述振镜的扫描率与所述电机2的转动率实现多线扫描，N为大于1的正整数。
本实施例中，将每组激光雷达模块内激光振镜的初始角度保持360°/N的相位差，能够避免N组激光雷达模块的光路不重叠，相应的N组驱动信号的初始时间差也为驱动周期的1/N，以实现扫面的点覆盖面，也可增加扫描的横向分辨率，此外振镜的扫描率和电机的转动率是可以调控的。如当振镜的扫描率和电机的转动率不一致时，振镜扫描一周，激光雷达模块在水平面上不会回到初始位置，此时的光路与初始光路不同。电机的转动率设为f1，振镜的扫描率设为f2，当N*f1＝f2，将电机的一个周期视作一帧，则可以实现N组激光雷达模块的扫描效果。如4*f1＝f2，即电机转动一周时，振镜已经扫描四周，将电机的一周扫描视作一帧，单个激光雷达模块就可以实现四组激光雷达模块的扫描效果。而且发射系统内的激光频率若为振镜扫描频率的16倍，即一个振镜周期内激光脉冲发射16次。单个激光雷达模块，振镜触时位置设为最下方(或最上方)时，扫描效果可以等效为5线激光雷达扫描。因此通过设置N个设有振镜的激光雷达模块，并将N个激光雷达模块呈360°/N的相位差置于云台上，不仅避免了光路的重叠，实现对目标的多线灵活扫描，而且满足了对目标的高精度扫描需求。可以运用于于智能车辆、智能机器人的自动驾驶和障碍物识别等方面。如该系统搭载在智能车辆上，在汽车行驶途中整个系统处于工作状态，可进行汽车行驶的水平面和垂直方向的扫描，对障碍物进行定位和预警。
可选地，所述处理器根据触发给所述发射系统的第一信号的时刻与所述接收系统反馈的第二信号的时刻确定目标的空间距离，及结合所述电机的角度数据、所述振镜的角度数据和所述空间距离确定目标的空间位置。
本实施例中，处理器由计时第一信号和第二信号的时间差来确定被测目标的距离。若计时第一信号为t1，计时stop信号为t2，则物体的距离L可表示为：L＝(t2-t1)*c/2，其中c为光速。电机转动的同时，会将角度数据传输到控制器。振镜转动的角度数据可以通过振镜的周期、最大角度和脉冲计时时间可计算的出。设振镜初始角度在最下方，振镜周期为T，振镜转动最大角度为β，脉冲计时时间为t，x为t/T的余数，则振镜转动角度α可表示为：
Figure BDA0002708728020000041
最终，处理器结合测的目标距离L、电机的角度数据和振镜的角度数据确定被测目标的空间位置，实现激光雷达探测效果。所示第一信号为处理器产生使发射系统内激光器产生脉冲信号的开始信号，所述第二信号为处理器接收到接收系统反馈的脉冲信号的结束信号。
可选地，所述发射系统还包括激光器、激光器驱动电路和第一透镜，所述激光器用于发射脉冲，所述激光驱动电路用于放大触发激光器产生脉冲的驱动信号，所述第一透镜用于对光路进行准直。
可选地，所述接收系统包括第二透镜、光电传感器、放大电路以及计时器，所述第二透镜用于对光路进行聚焦，所述光电传感器用于将光信号转化为电信号，所述放大电路用于放大所述电信号，所述计时器用于鉴别第二信号的生成。
可选地，所述扫描模块还包括中轴与底座，所述中轴的底端固定于所述底座上，所述电机的定子套于所述中轴上部，所述电机的转子绕所述中轴旋转，所述云台固定于所述中轴的边缘。
可选地，所述扫描装置采用同轴转动。
可选地，所述电机内置有角度传感器，所述角度传感器用于将所述振镜的角度数据和所述电机的转动数据传输给所述处理器。
可选地，所述电机用于带动所述云台转动实现水平方向向360°扫描。
可选地，所述振镜用于控制光路方向实现垂直方向扫描。
具体实施例一
如图2至图4，本具体实施例提供了一种多线激光雷达，包括四个激光雷达模块1和扫描模块，其中扫描模块包括电机2、云台3、中轴4和底座5，中轴4的底端固定在底座5上。所述电机2的定子套在所述中轴4的上部分，电机2的转子绕所述中轴4旋转。所述云台3固定在中轴4的上部分边缘，绕中轴4旋转，且扫描装置采用同轴转动的方式；每个激光雷达模块1均包括发射系统、接收系统和单片机，四个激光雷达模块1呈90°的相位差依次等距放置在云台3上。
发射系统包括激光器、激光器驱动电路、第一透镜及振镜，其中激光器为脉冲发射模块，激光器驱动电路为激光器的驱动信号放大处理电路，第一透镜进行光路的准直，振镜实现垂直方向的旋转扫描。接收系统包括第二透镜、光电传感器、放大电路及TDC计时器，其中第二透镜作用为光路的聚焦，光电传感器可将接收到的光信号转化为电信号，放大电路用于将电信号进行放大处理，TDC计时器可通过时刻鉴别实现计时信号的生成。
将四组激光雷达模块1内激光与振镜的初始角度保持90°的相位差，能够避免四组激光雷达模块的光路不重叠，相应的四组正弦波形的相位差也为90°，以实现扫面的点覆盖面，也可增加扫描的横向分辨率，此外振镜的扫描率和电机的转动率是可以调控的。如当振镜的扫描率和电机的转动率不一致时，振镜扫描一周，激光雷达模块在水平面上不会回到初始位置，此时的光路与初始光路不同。电机的转动率设为f1，振镜的扫描率设为f2，将电机的一个周期视作一帧，则可以实现四组激光雷达模块的扫描效果即4*f1＝f2。电机转动一周时，振镜已经扫描四周，将电机的一周扫描视作一帧，单个激光雷达模块就可以实现四组激光雷达模块的扫描效果。而且发射系统内的激光频率若为振镜扫描频率的16倍，即一个振镜周期内激光脉冲发射16次。单个激光雷达模块，振镜触时位置设为最下方(或最上方)时，扫描效果可以等效为5线激光雷达扫描如图4所示。
具体地，参照图3单片机(即控制器)产生驱动脉冲信号，驱动信号经给激光器驱动电路处理后使激光器发出激光脉冲，同时生成计时开始信号(第一信号)，激光脉冲通过第一透镜准直后入射到振镜上，再通过振镜将激光脉冲反射到被测目标上。激光脉冲到达被测目标后，经物体表面反射，反射光线通过第二透镜汇聚到光电传感器上，光电传感器将光信号转化为电信号并经放大电路的放大处理后，输出到TDC计时器，产生计时结束信号(第二信号)，该计时结束信号会被传输到单片机(控制器)。
单片机(控制器)根据开始信号(第一信号)和结束信号(第二信号)的时间差确定被测目标的距离a，同时根据接收的电机角度数据b与由振镜的周期、最大角度和脉冲计时时间可计算出的振镜角度数据c快速确定被测目标的空间位置，实现激光雷达的探测效果。
具体实施例二
如图5所示，本具体实施例提供了一种多线激光雷达控制方法，所述多线激光雷达包括扫描模块和N个激光雷达模块，所述扫描模块设有电机与云台，各所述激光雷达模块均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块在所述云台上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，N为大于1的正整数，控制方法包括：
S1、获取振镜的扫描率，以及电机的转动率；
S2、结合各激光雷达模块的数量N、振镜的扫描率和电机的转动率实现多线扫描。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达，其特征在于，包括扫描模块和N个激光雷达模块，所述扫描模块设有电机与云台，各所述激光雷达模块均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块在所述云台上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，所述处理器根据各所述激光雷达模块的数量N、所述振镜的扫描率与所述电机的转动率实现多线扫描，N为大于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述处理器根据触发给所述发射系统的第一信号的时刻与所述接收系统反馈的第二信号的时刻确定目标的空间距离，及结合所述电机的角度数据、所述振镜的角度数据和所述空间距离确定目标的空间位置。
3.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述发射系统还包括激光器、激光器驱动电路和第一透镜，所述激光器用于发射脉冲，所述激光驱动电路用于放大触发激光器产生脉冲的驱动信号，所述第一透镜用于对光路进行准直。
4.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述接收系统包括第二透镜、光电传感器、放大电路以及计时器，所述第二透镜用于对光路进行聚焦，所述光电传感器用于将光信号转化为电信号，所述放大电路用于放大所述电信号，所述计时器用于鉴别第二信号的生成。
5.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述扫描模块还包括中轴与底座，所述中轴的底端固定于所述底座上，所述电机的定子套于所述中轴上部，所述电机的转子绕所述中轴旋转，所述云台固定于所述中轴的边缘。
6.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述扫描装置采用同轴转动。
7.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述电机内置有角度传感器，所述角度传感器用于将所述电机的转动数据传输给所述处理器。
8.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述电机用于带动所述云台转动实现水平方向360°扫描。
9.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达，其特征在于，所述振镜用于控制光路方向实现垂直方向扫描。
10.一种多线激光雷达控制方法，其特征在于，所述多线激光雷达包括扫描模块和N个激光雷达模块，所述扫描模块设有电机与云台，各所述激光雷达模块均包括发射系统、接收系统和处理器，各所述激光雷达模块在所述云台上相位差呈360°/N放置，所述发射系统设有振镜，N为大于1的正整数，控制方法包括以下步骤：
获取所述振镜的扫描率，以及所述电机的转动率；
结合各所述激光雷达模块的数量N、所述振镜的扫描率和所述电机的转动率实现多线扫描。
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