摆镜组件、摆镜组件、发射系统和激光雷达
本申请要求PCT国际专利申请PCT/CN2019/101163的优先权,其全部内容在此引入。
技术领域
本发明涉及光学技术领域,尤其涉及一种摆镜组件、摆镜组件、发射系统以及激光雷达。
背景技术
无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境,自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。它是利用车载传感器来感知车辆周围环境,并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息,控制车辆的转向和速度,从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。
车载传感器是实现无人驾驶汽车所必需的车载设备。其中,激光雷达具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点,是无人驾驶汽车所不可或缺的车载设备。激光雷达的工作原理大致如下:激光雷达的发射器发射出激光光束,激光光束遇到物体后,经过漫反射,返回至激光接收器,雷达模块根据发送和接收激光光束信号的时间间隔乘以光速,再除以2,即可计算出发射器与物体的距离。除了距离信息之外,激光雷达还可以获取目标物体的其它信息,例如,方位、速度、大小、形状、反射率等。
早期的激光雷达是单线激光雷达,也就是只有一个激光器和探测器,其扫描的目标范围有限,容易造成检测目标的缺失。为了弥补单线激光雷达的缺点,多线激光雷达越来越成为研究和商用的焦点。
但是现有多线激光雷达往往存在成本高昂、能耗过大的问题。现有的多线激光雷达是采用多个激光器和相应的探测器在垂直方向进行排列,以增加垂直方向上的探测范围及垂直视场角分辨率。但是由于每一个探测通道都需要一个激光器,而且,由于一个探测通道均包括一个激光器,即该激光雷达内包括的激光器数量相当多,因此这种激光雷达的成本较高,也造成了内部结构复杂、安装难度较大的问题。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术,并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷,本发明提供一种可用于激光雷达的摆镜组件,包括:
基板;
摆镜结构片,设置在所述基板上;
反射镜,所述反射镜安装在所述摆镜结构片上并可相对于所述摆镜结构片在多个位置之间摆动;和
驱动装置,所述驱动装置配置成可驱动所述反射镜在所述多个位置之间摆动。
根据本发明的一个方面,所述反射镜通过平面弹簧弹性地安装在所述摆镜结构片上。
根据本发明的一个方面,所述摆镜结构片包括滑槽,所述反射镜通过带有销钉的支架安装在所述摆镜结构片上,所述销钉位于所述滑槽中,可在所述滑槽中转动和/或滑动。
根据本发明的一个方面,所述驱动装置包括位于所述基板上多个线圈和位于所述反射镜上的多个磁铁,所述多个线圈分别与所述多个磁铁相对,所述多个线圈可分别控制,从而控制所述反射镜的位置和/或角度。
根据本发明的一个方面,所述摆镜结构片上具有镂空部,所述多个线圈穿过所述镂空部,与所述多个磁铁相对。
根据本发明的一个方面,所述的摆镜组件还包括安装在所述摆镜结构片上的限位件,所述限位件位于所述反射镜的相对的两端处,以限制所述反射镜的两端的最大位移。
根据本发明的一个方面,所述多个位置是连续的多个位置。
根据本发明的一个方面,所述摆镜组件包括多个反射镜以及与所述多个反射镜相对应的多个驱动装置,所述多个驱动装置可单独控制,以驱动与其相对应的其中一个反射镜。
本发明还提供一种激光雷达的发射组件,包括:
激光器,配置成可发射探测激光束;
如上所述的摆镜组件,所述摆镜组件设置在所述激光器的光路下游,以接收所述探测激光束,并通过所述摆镜组件的反射镜的摆动,将所述探测激光束扫描反射。
本发明还提供一种激光雷达,包括如上所述的摆镜组件。
本发明还提供一种如上所述的摆镜组件的控制方法,包括:施加驱动信号至所述驱动装置,以驱动所述反射镜到达目标位置。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了根据发明一个实施例的一种可用于激光雷达的摆镜组件的立体图;
图2示出了图1的摆镜组件的分解图;
图3示出了根据发明另一个实施例的一种可用于激光雷达的摆镜组件的立体图;
图4示出了图3的摆镜组件的分解图;
图5示出了本发明实施例中一种摆镜的结构示意图;
图6示出了本发明实施例中的另一种摆镜的结构示意图;
图7示出了本发明实施例中的另一种摆镜的结构示意图;
图7A-图7D分别示出了本发明实施例中的一种摆镜处于第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态以及第四摆动状态下的示意图;
图7a-图7d分别示出了本发明实施例中的一种摆镜处于第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态以及第四摆动状态下对应倾角的示意图;
图8A示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图;
图8B示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的俯视图;
图8C示出了本发明实施例中的另一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图;
图8D示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图;
图8E示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图;
图8F示出了本发明实施例中的另一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图;
图9示出了本发明实施例中的一种激光雷达的结构示意图;
图10示出了本发明实施例中的另一种激光雷达的结构示意图;
图11示出了本发明实施例中的一种激光雷达的扫描轨迹示意图;
图12示出了本发明实施例中的一种激光雷达的扫描轨迹示意图;
图13示出了本发明实施例中的一种激光雷达的扫描轨迹示意图。
具体实施方式
在下文中,仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此,附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。此外,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
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"、"连接"应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接:可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
第一方面
图1和图2示出了根据发明一个实施例的一种可用于激光雷达的摆镜组件40。其中图1示出了摆镜组件40的立体图,图2示出了摆镜组件40的分解图。下面参考附图详细描述。
如图1和图2所示,根据本发明实施例的摆镜组件40为多层结构,例如图中所示的三层结构,包括基板41、摆镜结构片42以及反射镜43。其中,基板41例如可以为PCB电路板,其上可安装设置有摆镜组件所需要的各种电子器件。摆镜结构片42设置成可装配至基板41上,其尺寸形状优选大致与所述基板41的形状相同。在基板41具有多个通孔411,在摆镜结构片42上对应的位置处同样设置有多个通孔421,可供螺杆穿过,从而可以将基板41和摆镜结构片42连接固定在一起。为了提高摆镜组件40的结构强度,所述摆镜结构片42可以由金属制成,例如不锈钢板。反射镜43安装在所述摆镜结构片42上,并且可以相对于摆镜结构片42在多个位置之间摆动。反射镜43的安装连接方式以及运动方式将在下文详细描述。所述反射镜43例如可以是带有反射面的镜体,也可以是在一个支撑平面上贴附一个反射面,这些都在本发明的保护范围内。
图2中示出了根据本发明一个优选实施例的反射镜43的连接方式。如图2所示,反射镜43通过平面弹簧44弹性地安装在所述摆镜结构片42上。平面弹簧14例如可以大致为字母“W”形状,其两端(图2中为其左上端和右上端)具有通孔442,并且在摆镜结构片42的相对应位置处也具有通孔422,从而可以通过螺杆将平面弹簧44与摆镜结构片42连接在一起。平面弹簧44的大致中间部位处具有一端面441,可供连接到所述反射镜43,例如通过粘结剂进行连接固定。由此,平面弹簧44的两端被固定在摆镜结构片42上,其另一部位与反射镜43固定连接在一起。由于平面弹簧44的弹性,因此反射镜43可以在一定幅度范围内运动,并且平面弹簧44的弹性力可以为反射镜43提供复位功能,即当外部作用力(例如下面描述的驱动装置的驱动力)消失时,反射镜43将回到其初始位置,这些对于本领域技术人员来说是容易理解的,此处不再赘述。
另外,摆镜组件40还包括驱动装置,驱动装置配置成可驱动所述反射镜43在所述多个位置之间摆动。如图1和2所示,驱动装置包括位于所述基板41上的多个线圈413和位于所述反射镜43上的多个磁铁433,所述多个线圈413分别与所述多个磁铁433相对,所述多个线圈413可分别控制,从而控制所述反射镜43的位置和/或角度。
图1中,每个反射镜43对应的驱动装置优选包括两组线圈413和磁铁433的组合,例如包括分别位于反射镜43上方区域的一组和下方区域的一组。图中上方区域的一组中优选包括三个线圈413和三个磁铁433,下方区域的一组优选包括三个线圈413和三个磁铁433。上下两组可以单独地驱动,也可以单独的设置。例如,当上方区域的一组在线圈413和磁铁433之间产生吸引力、下方区域的一组在线圈413和磁铁433之间产生排斥力时,所述反射镜43在图1中沿着逆时针方向转动;当上方区域的一组在线圈413和磁铁433之间产生排斥力、下方区域的一组在线圈413和磁铁433之间产生吸引力时,所述反射镜43在图1中沿着顺时针方向转动。
另外,所述反射镜43的多个位置可以是连续的多个位置,换句话说,通过控制驱动装置,理论上可以控制反射镜43停留在其运动范围内的任一位置处。
在图1和图2中,摆镜组件40包括两个反射镜43以及相对应的两个驱动装置,每个驱动装置可单独控制,以驱动与其相对应的其中一个反射镜43。本领域技术人员理解,摆镜组件40可包括数目更少或者更多的反射镜43以及相对应的驱动装置,例如一个、三个、四个等,这些都在本发明的保护范围内。以下描述中,为了清晰和方便起见,将主要对其中一个进行描述。另外,如上所述,每个反射镜所对应的驱动装置优选包括两组线圈和磁铁的组合,如上所述,从而更稳定地控制所述反射镜的角度。
如图1和图2所示,所述摆镜结构片42上具有镂空部423,所述多个线圈413穿过所述镂空部423,与所述多个磁铁433相对。图1和图2中示出了对于一个反射镜43,驱动装置具有两组线圈413,每组具有三个线圈413。所述磁铁433与线圈413的数量与排布方式相同。
由于每个线圈413可以单独控制,因而在其控制之下,反射镜43可处于不同的位置和/或角度定向。以处于图中上方的反射镜43为例进行说明,该反射镜的驱动装置具有三组线圈413,如图3中所示的处于上方的两组线圈413。
例如,当这两组线圈413均未通电时,假设反射镜43处于其初始的竖直位置。当上面一组线圈通电时,其与磁铁433之间的磁吸力,将使得反射镜43沿着逆时针方向转动一定角度,直到磁吸力产生的力矩与平面弹簧44产生的力矩相等。当下面一组线圈通电时,其与磁铁433之间的磁吸力,将使得反射镜43沿着顺时针方向转动一定角度,直到磁吸力产生的力矩与平面弹簧44产生的力矩相等。当停止向线圈413通电时,磁吸力消失,在平面弹簧44的恢复力的作用下,反射镜43将回到其初始的竖直位置。由此,可以控制反射镜43处于不同的角度定向,从而将入射光束扫描反射到不同的方向。
上面描述了处于上方的反射镜的控制方式,本领域技术人员容易理解,处于下方的反射镜可以通过类似的方式进行控制,此处不再赘述。
根据本发明的优选实施例,上方的反射镜43可用作激光雷达的发射端,下方的反射镜43可用作激光雷达的接收端。上方反射镜43所对应的驱动装置,与下方反射镜43所对应的驱动装置,二者可以同步控制,从而更好地控制激光雷达的发射和接收。例如可以采用一个驱动信号来控制上方的反射镜43和下方的反射镜43。当需要倾斜角度α1的时候,上下反射镜的控制装置接收的指令都是倾斜角度α1,类似地,需要倾斜角度α2的时候,上下反射镜的控制装置接收的都是倾斜角度α2。
另外如图1所示,根据本发明的一个优选实施例,摆镜组件40还包括安装在摆镜结构片42上的限位件45。限位件45位于反射镜43的相对的两端处,以限制所述反射镜43的两端的最大位移。如图1所示,摆镜组件40具有三个限位件,分别位于所述摆镜结构片42的上端、下端和中部。其中,位于中部的限位件,可同时用于位于上方的反射镜43以及位于下方的反射镜43。这里不再赘述。
如图1所示,限位件45的一个端面固定在摆镜结构片42上,另一端具有突出部,从而通过该突出部限定了一个凹槽,反射镜的一端部被容纳在该凹槽内。该凹槽具有一定的宽度,从而允许反射镜43的该端部在该凹槽内运动。通过限位件45,为反射镜43提供了限位保护,使其运动不会超出允许的范围。同时,限位件45的宽度也限定了反射镜43的运动幅度。
另外,根据本发明的一个优选实施例,所述基底41、摆镜结构片42以及反射镜43的宽度大致相同,从而使得本发明实施例的摆镜组件的外形尺寸比现有设计更紧凑,基本上大部分面积都是反射镜片。
图3和图4示出了根据本发明另一个实施例的摆镜组件50。其中,图3是摆镜组件50的装配立体图,图4是摆镜组件50的分解图。摆镜组件50与图1和图2所示的摆镜组件40类似,均为多层结构,下面参考图3和图4,着重描述其与摆镜组件40的不同之处。
如图3和图4所示,摆镜结构50同样为多层结构,例如图中所示的三层结构,包括基板51、摆镜结构片52以及反射镜53。摆镜结构片52设置在基板51上,其尺寸形状优选大致与所述基板51的形状相同。基板51和摆镜结构片52可通过其上的通孔以及螺杆被连接固定在一起,与图1和图2所示的类似。反射镜53安装在所述摆镜结构片52上,并且可以相对于摆镜结构片52在多个位置之间摆动。如图4所示,反射镜53通过支架54被连接在摆镜结构片52上。所述支架54例如具有连接端面,可用于通过粘结剂固定到所述反射镜53。另外,所述摆镜结构片52上具有突起部525,突起部525中具有滑槽;相应的,支架54的两端则具有销钉541。销钉541可嵌在突起部525的滑槽中,从而可在所述滑槽中进行转动和/或滑动。
图3和图4中摆镜组件50还包括驱动装置,与图1和图2的驱动装置类似,都可以包括设置在所述基板51上的多组线圈以及设置在所述反射镜53上的多组磁铁。通过控制线圈的通电与断电,可以控制向所述反射镜53施加推力、拉力、或者转动力矩,从而使得销钉541在所述突起部525的滑槽中前后移动和/或转动,从而调整反射镜53的位置和/或角度定向。其工作原理和控制方式与参考图1和图2所描述的相同,此处不再赘述。
与图1和图2所示的类似,每个反射镜53对应的驱动装置优选包括两组线圈和磁铁的组合,例如包括分别位于反射镜53上方区域的一组和下方区域的一组。图中上方区域的一组中优选包括三个线圈和三个磁铁,下方区域的一组优选包括三个线圈和三个磁铁。上下两组可以单独地驱动。例如,当上方区域的一组在线圈和磁铁之间产生吸引力、下方区域的一组在线圈和磁铁之间产生排斥力时,所述反射镜53在图3中沿着逆时针方向转动;当上方区域的一组在线圈和磁铁之间产生排斥力、下方区域的一组在线圈和磁铁之间产生吸引力时,所述反射镜53在图3中沿着顺时针方向转动。
另外根据本发明的一个优选实施例,在图3和图4的摆镜组件50中,还可增加弹性复位装置,从而当驱动装置停止作用时,将反射镜23恢复到其初始的位置,例如沿着竖直方向的位置。
上面描述了处于上方的反射镜的控制方式,本领域技术人员容易理解,处于下方的反射镜可以通过类似的方式进行控制,此处不再赘述。
另外如图3所示,摆镜组件50还包括安装在摆镜结构片52上的限位件55。限位件55位于反射镜53的相对的两端处,以限制所述反射镜53的两端的最大位移。限位件55类似于限位件45,这里不再赘述。
本发明还涉及一种激光雷达的发射组件,包括:激光器和如上所述的摆镜组件40或50,其中激光器配置成可发射探测激光束,摆镜组件设置在激光器的光路下游,接收所述探测激光束,并通过所述摆镜组件的反射镜的摆动,将所述探测激光束扫描反射出所述激光雷达,对激光雷达的周围环境和障碍物进行探测。
本发明还涉及一种激光雷达,包括如上所述的摆镜组件40或50。摆镜组件40或50可以构成激光雷达中发射端的摆镜组件,用于将探测激光束扫描反射出激光雷达外部,也可以构成激光雷达的接收端的摆镜组件,用于将所接收到的雷达回波扫描反射到另外的光电探测器,例如雪崩光电二极管APD。或者优选的,摆镜组件40或50包括两个反射镜,如图1-4中所示的,两个反射镜分别用作激光雷达的发射端的摆镜组件以及接收端的摆镜组件。
本发明还涉及一种如上所述的摆镜组件40或50的控制方法,包括:施加驱动信号至所述驱动装置,以驱动所述反射镜到达目标位置。
第二方面
现有的多线激光雷达是采用多个激光器和相应的探测器在垂直方向进行排列,以增加垂直方向上的探测范围及垂直视场角分辨率。但是由于每一个探测通道都需要一个激光器,而且,由于一个探测通道均包括一个激光器,即该激光雷达内包括的激光器数量相当多,因此这种激光雷达的成本较高,也造成了内部结构复杂、安装难度较大的问题。
为解决该技术问题,本发明实施例中提供了一种能够产生多种不同的摆动状态的摆镜,进而对应产生多种不同的偏折倾角,相应地,每个偏折倾角都能使激光覆盖不同的视场,从而能够有效减少激光雷达中激光器的数量,达到降低成本、简化结构以及降低安装难度的目的。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
图5示出了本发明实施例中一种摆镜的结构示意图,该摆镜用于对入射光束进行偏折,参考图5可见,该摆镜包括:壳体10、片状摆动部件11及驱动部件14。为便于清楚描述,选择壳体10的相对较长的一侧边或者一侧面量度壳体10的高度,壳体10在高度的延伸方向称作为高度方向,图9中高度方向上的箭头的指向为高度方向的上部或者顶端或者顶部,箭头的反向为高度方向的下部或者底端或者底部;选择壳体10的相对尺寸最短的另一侧边或者侧面量度壳体10的深度或厚度,而壳体10在深度或厚度的延伸方向称作为前后方向,图5中前后方向上的箭头的指向为前后方向的前部或者前端或者前方,箭头的反向为前后方向的后部或者后端或者后方。当然,在具体实施中,本领域技术人员可以根据使用场景和装配的需要,调整上述方位指向的定义,此处的举例并不用以限定本申请的保护范围。
为了便于片状摆动部件11的安装,在该壳体10的顶部(高度方向的上部)和底部(高度方向的下部)的内侧分别设置有第一限位槽12和第二限位槽13,该第一限位槽12和该第二限位槽13的行程宽度的延伸方向与该摆镜的反射面110相互平行,相对应地,该片状摆动部件11的顶端111和底端112分别卡接于该第一限位槽12和该第二限位槽13之内。
在具体实施中,可以采用金属(比如高强度的合金)和非金属两种材料,或者只是采用非金属材料,来作为第一限位槽12和第二限位槽13的材质,因此可以提高限位槽的精度和长期稳定性。在生产中,可以采用铣削等工艺对原料进行加工,来制作得到第一限位槽12和第二限位槽13。
需要说明的是,由于若片状摆动部件11的端部(顶端111和/或底端112)可以在限位槽内沿着前后方向产生移动,则相应有行程的概念,故此处的行程宽度是以片状摆动部件11的端部(顶端111和/或底端112)的运动来进行的定义。
在具体实施中,该第一限位槽12和该第二限位槽13中至少之一在该壳体10的前后方向上的行程宽度不为零,具体包括以下三种情况:第一限位槽12在前后方向的行程宽度为零,第二限位槽13在前后方向的行程宽度不为零;第一限位槽12在前后方向的行程宽度不为零,第二限位槽13在前后方向的行程宽度为零;第一限位槽12在前后方向的行程宽度不为零,第二限位槽13在前后方向的行程宽度也不为零。而限位槽在该壳体10的前后方向上的行程宽度为零,则表示该片状摆动部件11的对应端无法在该限位槽内进行沿着壳体10的前后方向上的移动,也就说明该片状摆动部件11的对应端在前后方向呈现出的厚度大概等于对应限位槽在前后方向呈现出的深度。
举例而言,如图5中,第一限位槽12在该壳体10的前后方向上的行程宽度为零(片状摆动部件11的厚度大概等于第一限位槽12的深度),则片状摆动部件11的顶端111直接固定地卡接于第一限位槽12内,片状摆动部件11的顶端111可以在第一限位槽12内摆动,但是无法在第一限位槽12内沿着前后方向有位置上的移动。而第二限位槽13在该壳体10的前后方向上的行程宽度不为零(片状摆动部件11的厚度小于第二限位槽13的深度),第二限位槽13最左边为左端A,最右边为右端B,则片状摆动部件11的底端112虽卡接于第二限位槽13内,但片状摆动部件11的底端112可以在第二限位槽13内沿着前后方向有位置上的移动,比如片状摆动部件11的底端112可以从左端A移动至右端B。
为了实现该片状摆动部件11在该壳体10内的摆动,可以通过驱动部件14来驱动该片状摆动部件11的端部(顶端111和/或底端112)在限位槽(第一限位槽12和/或第二限位槽13)内沿着前后方向产生移动。
另外,在本发明一实施例中,该片状摆动部件11的前方的表面具有反射面110,该反射面110可以用于偏折该入射光束。当然在另一实施例中,也可以在该片状摆动部件11的前方表面贴合反射镜,采用该反射镜用于偏折该入射光束。可以理解的是,当摆镜中的片状摆动部件11在该第一限位槽12和/或该第二限位槽13之内摆动时,在不同的时刻,片状摆动部件11的顶端111及底端112会位于不同的位置,进而会产生摆动位置的不同组合,而片状摆动部件11会带动反射面110或者反射镜产生相对于雷达的垂直方向的不同倾角。比如,在t1时刻,片状摆动部件11的顶端111处于a1点(未示出),底端112处于b1点(未示出),反射面110或者反射镜与垂直方向的夹角为α1;在t2时刻,片状摆动部件11的顶端111处于a2点(未示出),底端112处于b2点(未示出),反射面110或者反射镜与激光雷达的垂直方向的夹角为α2≠α1。因此,本申请中的摆镜可以将一束入射光束偏折形成多束垂直视场角不同的探测光束,故能够有效减少激光雷达中激光器的数量,达到降低成本、简化结构以及降低安装难度的目的。
为了将一束入射光束偏折形成更多束垂直视场角不同的探测光束,在具体实施中,所述第一限位槽和所述第二限位槽在所述壳体的前后方向上的行程宽度可以均不为零。图6示出了本发明实施例中的另一种摆镜的结构示意图,在图6中,第一限位槽22与第二限位槽23在壳体10的前后方向上的行程宽度相同且不为零,且驱动部件拆分为两个子部件,该两个子部件分别用以独立驱动片状摆动部件的顶端111和底端112。
参考图6可见,该驱动部件包括:第一磁性部件141、第二磁性部件142、第一驱动装置143及第二驱动装置144。详细地说,第一磁性部件141贴附于该片状摆动部件且相对更靠近该片状摆动部件的顶端111,第一驱动装置143固定设置于该壳体10的内部,与该第一磁性部件141相对且间隔设置,当施加第一驱动信号至第一驱动装置143后,该第一驱动装置143与该第一磁性部件141彼此之间产生作用力,并呈现为第一驱动装置143在壳体10的前后方向上推拉该第一磁性部件141,从而带动该片状摆动部件的顶端111在该第一限位槽22内摆动或者说移动。同理,第二磁性部件142设置于该片状摆动部件上相对更靠近底端112的位置,第二驱动装置144固定设置于该壳体10的内部,并与该第二磁性部件142相对且间隔设置,当在该第二驱动装置144上施加第二驱动信号之后,第二驱动装置144能够推拉该第二磁性部件142,并带动该片状摆动部件的底端112在该第二限位槽23内摆动。
在具体实施中,可以采用第一电磁线圈作为该第一驱动装置143,第一磁钢作为该第一磁性部件141,然后该第一电磁线圈被设置成能够通过电流驱动来推拉该磁钢;相对应地,采用第二电磁线圈为第二驱动装置144,第二磁钢作为该第二磁性部件142,该第二电磁线圈被设置成能够通过电流驱动来推拉该第二磁钢。
为了进一步提高摆镜对于入射光束偏折扩充线束的能力,在具体实施中,该第一限位槽的行程宽度与该第二限位槽的行程宽度可以设置为并不相同。图7示出了本发明实施例中的另一种摆镜的结构示意图,在图7中,第一限位槽32在壳体30的前后方向上的行程宽度为T1,第二限位槽33在壳体30的前后方向上的行程宽度为T2。
并且,为了降低器件的复杂度及雷达的成本,本发明实施例中的摆镜的片状摆动部件11可以具有四个摆动状态,且只有在该四个摆动状态下才会进行光束的偏转。具体地,四个摆动状态分别为:
第一摆动状态,该第一驱动装置143将该片状摆动部件11的顶端推至与该第一限位槽32的前方突缘D端相抵接,该第二驱动装置144将该片状摆动部件11的底端推至与该第二限位槽33的前方突缘B端相抵接,参考图7A所示。
第二摆动状态,该第一驱动装置143将该片状摆动部件11的顶端推至与该第一限位槽32的前方突缘D端相抵接,该第二驱动装置144将该片状摆动部件11的底端拉至与该第二限位槽33的后方突缘A端相抵接,参考图7B所示。
第三摆动状态,该第一驱动装置143将该片状摆动部件11的顶端拉至与该第一限位槽32的后方突缘C端相抵接,该第二驱动装置144将该片状摆动部件11的底端拉至与该第二限位槽33的后方突缘A端相抵接,参考图7C所示。
第四摆动状态,该第一驱动装置143将该片状摆动部件11的顶端拉至与该第一限位槽32的后方突缘C端相抵接,该第二驱动装置144将该片状摆动部件11的底端推至与该第二限位槽33的前方突缘B端相抵接,参考图7D所示。
为了降低摆动状态彼此间切换时对限位槽的损耗,且提高摆镜的可靠性,在本发明一实施例中,该第一限位槽32和/或该第二限位槽33的内部可以分别设置有缓冲衬套34,以对该片状摆动部件11的端部起到一定的缓冲作用。缓冲衬套34可以采用相对有弹性且柔软的材质,比如橡胶。在本发明另一实施例中,与上述实施例中将片状摆动部件11的端(顶端和/或底端)运动至与限位槽(第一限位槽32或第二限位槽33)的前后方的突缘处作为摆动状态的方案不同,可以将片状摆动部件11运动到限位槽的行程宽度的中途位置作为摆动状态,比如位置E处为第一限位槽32内且靠近前方突缘D端的一处,则可以设置在该片状摆动部件11的顶端位于位置E处,且该片状摆动部件11的底端与该第二限位槽33的前方突缘B端相抵接时,作为第一摆动状态。
在具体实施中,该片状摆动部件11按该第一摆动状态、该第二摆动状态、该第三摆动状态、该第四摆动状态、再回到该第一摆动状态的顺序被依次循环驱动,这样一来,相邻的两次摆动状态进行切换的时候,都只有单端(顶端或者底端)驱动,也就是或者驱动该片状摆动部件11的顶端运动,或者是驱动该片状摆动部件11的底端运动,因此可以降低运动的复杂性,提高雷达的测量精度。
在本发明一实施例中,可以设置第一限位槽32与第二限位槽33的行程宽度存在n倍的关系,n为大于1的自然数即可。具体而言,可以是该第一限位槽32的行程宽度为该第二限位槽33的行程宽度的n倍:T1=n×T2,又或者可以是该第二限位槽33的行程宽度为该第一限位槽32的行程宽度的n倍:T2=n×T1。可以理解的是,第一限位槽32及第二限位槽33的行程宽度的大小关系决定了位于摆动状态之下的片状摆动部件11与垂直方向的夹角,从而决定了反射镜或反射面对光束的偏折大小,进而影响雷达的垂直视场大小,故本领域技术人员可以根据实际需要,在考虑本发明实施例中的雷达的垂直视场的大小以及拆分需求下,具体设定n的大小。在本发明一实施例中,可以选取n=2,且T1=n×T2,此时对应片状摆动部件11也可以具备4种状态,并且当片状摆动部件11按所述第一摆动状态、所述第二摆动状态、所述第三摆动状态、所述第四摆动状态、再回到所述第一摆动状态的顺序依次循环切换时,相邻摆动状态彼此之间对光束的偏折角度差相同,因此可以相对均匀地偏折光束,从而达到均匀探测。比如如图7a所示,片状摆动部件11在第一摆动状态时的反射面的延伸方向与竖直方向的夹角为γ1;如图7b所示,片状摆动部件11在第二摆动状态时的反射面的延伸方向与竖直方向的夹角为γ2;如图7c所示,片状摆动部件11在第三摆动状态时的反射面的延伸方向与竖直方向的夹角为γ3;如图7d所示,片状摆动部件11在第四摆动状态时的反射面的延伸方向与竖直方向的夹角为γ4,则|γ2-γ1|=|γ4-γ3|,|γ3-γ2|=|γ4-γ1|。需要说明的是,反射面的延伸方向与竖直方向的夹角与反射镜110的法线方向与水平方向的夹角相同,为示意方便,在图7a-图7d中,均以反射镜110的法线方向与水平方向的夹角示出。并且,定义若从反射镜110的法线方向至水平方向为顺时针旋转,则反射镜110的法线方向与水平方向的夹角的角度数值为正值,如图7c与图7d中,夹角的角度数值γ3与γ4均为正值。若从反射镜110的法线方向至水平方向为逆时针旋转,则反射镜110的法线方向与水平方向的夹角的角度数值为负值,如图7a与图7b中,夹角的角度数值γ1与γ2均为负值。
在本发明一实施例中,该第一限位槽32的中心线与该第二限位槽33的中心线所形成的面,平行于该摆镜的反射面110,因此摆镜整个的结构相对对称,可以降低雷达结构的复杂程度。
继续参考图7可见,本发明实施例中的摆镜还包括:弹性部件35,该弹性部件35的一端固定连接于该壳体30的内部,该弹性部件35的另一端通过悬挂梁,采用焊接的方式来抵接于该片状摆动部件11的后方表面,该弹性部件35可以选用弹簧,该弹性部件35用于将该片状摆动部件11在该壳体30的内部从后方推向前方,以确保该片状摆动部件11可以在该壳体30内部灵活摆动。在本发明另一实施例中,所述弹性部件35可以用于悬挂所述片状摆动部件11,使得所述片状摆动部件11前后平移或者俯仰方向旋转。
为了使得本领域技术人员更好地理解和实现本发明,本发明实施例还提供了一种摆镜的驱动方法,也即通过施加驱动信号至驱动部件,来驱动该片状摆动部件在该壳体内摆动。
还是继续参考图7中,用以控制摆镜的控制元件可以控制施加第一驱动信号至该第一驱动装置143,以推拉片状摆动部件11的顶端;控制施加第二驱动信号至第二驱动装置144,以推拉片状摆动部件11的底端,从而驱动该片状摆动部件11在该第一摆动状态、该第二摆动状态、该第三摆动状态及该第四摆动状态中切换。
在具体实施中,可以分时施加该第一驱动信号与该第二驱动信号,以驱动该片状摆动部件11按该第一摆动状态、该第二摆动状态、该第三摆动状态、该第四摆动状态、再回到该第一摆动状态的顺序依次循环切换,从而可以降低雷达的复杂度。
为了确保片状摆动部件11的端(顶端和/或底端)尽量较轻地从限位槽(第一限位槽32和/或第二限位槽33)的一侧突缘抵靠至限位槽的另外一侧突缘,而避免直接碰撞上去,且若推动片状摆动部件11时所采用的第一驱动信号为正向信号,拉动片状摆动部件11时所采用的第一驱动信号为负向信号,在具体实施中,可以调整该第一驱动信号,比如先采用正向的第一驱动信号,再采用负向的第一驱动信号,以驱动该片状摆动部件11的顶端先以加速、后以减速运动,最终相对较稳地运动至该第一限位槽32的前方或后方突缘。类似地,也可以调整该第二驱动信号,,比如先采用正向的第二驱动信号,再采用负向的第二驱动信号,以驱动该片状摆动部件11的底端先以加速、后以减速,并最终相对较稳地运动至该第二限位槽33的前方或后方突缘。换言之,当采用线圈143及144驱动摆镜做摆动状态切换的时候,因为是通过限位槽控制倾角,因此可以尽量避免反馈控制,而可以通过调节线圈143及144的电流方向和幅度,以及驱动的时长来对磁钢141及142做推拉动作,目的是要使得摆镜在切换时长Δt内切换到下一个摆动状态。
如果第一驱动信号为OUT1,第二驱动信号为OUT2,则每次摆动状态切换的时候,都存在如下三个时序。若某一端原来的位置为0(对应左边),现在要切换到1(对应右边),则先加速(OUT1=1)达时长TA1,然后减速(OUT1=0)达时长TD1,然后锁定于该摆动状态(OUT=1),直到下一次摆动状态的切换。整个切换过程中,摆镜的另一个端的线圈的驱动信号OUT2的状态不变。而下次摆动状态切换的时候,OUT1不变,OUT2重复上述过程。
在具体实施中,可以设置TA1>TD1,TA1+TD1<Δt,从而可以使得片状摆动部件11能轻轻地扣在另外一边,而不至于撞上去,可以降低损耗。每次摆镜状态切换的时候,所需要的加速时长和减速时长都可以独立控制,从而增加控制的灵活性。
为便于理解,图8A示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图,图8B示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的俯视图,参考图8A与图8B所示,发射装置包括:至少一个光发射器41、摆镜42、发射透镜组件43以及转镜44。其中,多个光发射器41,用于发射探测光束,多个光发射器41延激光雷达的垂直方向排布,多个该光发射器41彼此发射的探测光束具有不同的垂直视场角。转镜44设置在发射透镜组件43的焦平面位置处,经发射透镜组件43准直后的探测光束在转镜44上所成的像也即为在其焦平面所成的像。摆镜42与转镜44的转轴相互垂直。
在具体实施中,摆镜42可以采用以上实施例中的任一种结构来实现,也可以采用其他的方式实现,包括但不限于比如采用一维振镜、旋转棱镜、液晶、使用电子信号来操纵的一个或多个光学相控阵列或者电机驱动的机械件,只要该摆镜42可以将入射后的任意一束探测光束偏折至发射透镜组件43上的不同的位置,进而在经过发射透镜组件43准直后,在该发射透镜组件43的焦平面上,一般也是转镜44上,所成的像在垂直方向上有不同的平移或者分散即可。
在本发明一实施例中,该摆镜42采用以上实施例中的任一种结构加以实现,也即一种能够在垂直方向上进行俯仰摆动,具备N个(比如为4个)摆动状态,且能够在该N个摆动状态或者选择N个中的部分(比如3个)摆动状态依次进行切换的结构。在此情况下,处于不同摆动状态下的摆镜42可以分别具有不同的俯仰倾角,进而对于任意某一束探测光束,处于不同摆动状态下的摆镜42可以将该某一束探测光束偏折至所述发射透镜组件43的不同位置,从而使得该探测光束经过该发射透镜组件43的准直后,在该发射透镜组件43的焦平面上,也可以是该转镜44上所成的像,有位置上的相对平移,从而可以将任意一束所述探测光束分成多束垂直视场方向不同的探测子光束。由于上述实施例已经对其原理及结构进行详细阐述,此处不再赘述。
发射透镜组件43,可以用于对被该摆镜42偏折后的探测光束进行准直。
转镜44,固定于转子上,并且绕该转子的沿垂直方向设置的转轴进行转动,用于将该探测光束反射至待测空间,以实现该探测光束在水平方向上的扫描。具体地,该转镜44具有M个反射面且M个反射面与该摆镜42配合着同步协调工作,其中M为大于等于2的正整数。并且,为了便于说明,在图8A中,转镜44具有2个反射面,分别为反射面M11及反射面M12,且二者平行相对设置。图8C示出了本发明实施例中的另一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图,其中M=2,可以理解图8A为t1时刻的发射装置的示意图,图8C为(t1+Δt)时刻的发射装置的示意图,选择m方向作为参考的零度方向,或者说转镜44开始旋转的初始0°方向,则对比图8A与图8C可见,转镜44一直在绕转轴转动,在t1时刻,转镜44的其中一个发射面M11的镜面法线与m方向的夹角为φ1;在(t1+Δt)时刻,转镜44的其中一个发射面M11的镜面法线与m方向的夹角为φ2(φ2≠φ1)。
另外,图8D示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图,图8E示出了本发明实施例中的一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图,在图8D及图8E中,M均为4,转镜44的4个反射面分别为M11、M12、M13及M14,图8D为t3时刻的发射装置的示意图,图8E为(t3+Δt)时刻的发射装置的示意图,同样选择m方向作为参考的零度方向,或者说转镜44开始旋转的初始0°方向,则对比图8D与图8E也可见,转镜44一直在绕转轴转动,在t3时刻,转镜44的其中一个发射面M11的镜面法线与m方向的夹角为φ3;在(t3+Δt)时刻,发射面M11的镜面法线与m方向的夹角为φ4(φ4≠φ3)。
因此,本领域技术人员在实际应用中可以根据需要设置M的大小及反射面的相对位置,此处的示例并不限制本申请。
需要说明的是,在图8A、图8B、图8C、图8D及图8E中可见,转镜44顺时针旋转,只是一种示意,以方便本领域技术人员的理解,但该示意不构成对本申请的限制。在本发明另一实施例中,转镜44也可以逆时针旋转。
在具体实施中,该摆镜42可以绕着转轴摆动,摆动到不同的位置,可以呈现出N个摆动状态,处于不同摆动状态的摆镜42分别具有不同的俯仰倾角。图8F示出了本发明实施例中的另一种激光雷达的发射装置的结构的侧面示意图,对比图8A与图8F可见,摆镜42可以处于不同的摆动状态,在图8A中,摆镜42可处于第一摆动状态,俯仰倾角为γ1;在4F中,摆镜42可处于第二摆动状态,俯仰倾角为γ2。并且,该摆镜42能够在该N个摆动状态之间依次进行切换,其中N为大于等于2的正整数。可以理解的是,N的大小与第一定位槽及第二定位槽的设置有关。另外,所述摆镜42可以按所述第一摆动状态、所述第二摆动状态、所述第三摆动状态、所述第四摆动状态、再回到所述第一摆动状态的顺序依次循环切换,所述摆镜42也可以只是选取其中一部分状态切换,比如可以选取在所述第三摆动状态、所述第四摆动状态、再回到第三摆动状态的顺序切换。
由于摆镜具备多个摆动状态(N个),转镜具有多个反射面(M个),故为了更好的配合,该摆镜与该转镜需要进行一定的同步以及协调,并且整个激光雷达的帧频与摆镜及转镜的运动频率之间也可以存在不同的配合时序,以便于用户根据需求进行线束及帧率的切换。
在本发明的一些实施例中,可以不驱动摆镜,而只是驱动转镜,此时摆镜类似于一面反射镜。若垂直方向上依次排列的光发射器为16个,帧频为X1HZ,转镜的转动频率为2X1HZ,此时雷达可以对周边环境扫描得到16线的点云数据。而且,如果垂直方向上依次排列的光发射器为16个,帧频为X1HZ,转镜的转动频率为4X1HZ,此时雷达对周边环境扫描也是可以得到16线的点云数据,但相比于2X1HZ频率的转镜所获得的点云,该16线的点云更密。需要说明的是,一幅点云图像代表一帧,对应到激光雷达内部就是如电机类的旋转装置旋转一圈完成扫描。而帧频为一秒钟内激光雷达的旋转装置,比如转镜44或者电机所旋转的圈数,也就是每秒钟激光雷达完成一圈扫描的次数,帧频也代表了激光雷达所获取到的点云数据更新的频率。例如,某一激光雷达工作在10HZ的帧频,则表示该激光雷达的旋转装置每秒转10圈。
在本发明的另一些实施例中,可以在不大于该转镜的相邻两个反射面先后进行两次水平方向上的扫描之间的间隔时间内,该摆镜从一个摆动状态切换至下一个摆动状态,换言之,摆镜处于任一个摆动状态达一定的时长,在这段时长内,转镜的一个反射面进行一次水平方向或者水平角度上的扫描。
比如,当M=2,N=2,转镜的两个反射面M11及M12相对平行设置,而摆镜具备第一摆动状态及第二摆动状态。则摆镜与该转镜的同步以及协调可以参考表1,具体而言:
在t0时刻,摆镜进入第一摆动状态,在t1时刻(t1时刻可以为t0时刻,也可以是晚于t0时刻)至t2时刻段内,摆镜保持处于第一摆动状态,而t0至t1时刻,可以是转镜的反射面不开始工作,也可以是发射器不发射探测光束,总归此t0时刻至t1时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,而处于第一摆动状态的摆镜的反射面的延伸方向与垂直方向的夹角为γ1(参考图7a与图8A),从t1时刻开始,摆镜的反射面将入射的光束偏转后,入射至转镜的M11面,而转镜的M11面在t1时刻至t2时刻这一时间段内在水平方向上绕着转轴从φ1(参考图8A)旋转至φ2(参考图8C),完成一次水平方向上的扫描。接着,在t3时刻(t3时刻可以为t2时刻,也可以为晚于t2的时刻)至t4时刻这段时间内,摆镜从第一摆动状态切换至第二摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束,甚至就是转镜的反射面不开始工作,总归此t3时刻至t4时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,处于第二摆动状态的摆镜的反射面的延伸方向与垂直方向的夹角为γ2(参考图7b以及图8F),在t5时刻(t5时刻可以为t4时刻,也可以为晚于t4的时刻),转镜的M12面旋转至可以接收到经处于第二摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t5时刻至t6时刻的时间段内,摆镜也一直保持第二摆动状态,而转镜的M12面绕着转轴从φ3(未示出,由于M11与M12平行,故类似于φ1,亦可参考图8A理解)旋转至φ4(未示出,类似于φ2,亦可参考图8C理解),完成一次水平方向上的扫描。然后,不断重复循环上述过程,不再赘述。
表1
又比如,当M=2,N=4,转镜的两个反射面M11及M12相对平行设置,而摆镜具备第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态及第四摆动状态。整个雷达的帧频为X2HZ,转镜为2X2HZ,摆镜的动作频率为4X2HZ,若垂直方向上依次排列的光发射器为16个,此时雷达可以对周边环境扫描得到64线的点云数据。则摆镜与该转镜的同步以及协调可以参考表2,具体而言:
在t0时刻,摆镜进入第一摆动状态,在t1时刻(t1时刻可以为t0时刻,也可以是晚于t0时刻)至t2时刻段内,摆镜保持处于第一摆动状态,而t0至t1时刻,可以是转镜的反射面不开始工作,也可以是发射器不发射探测光束,总归此t0时刻至t1时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,而处于第一摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ1(参考图7a与图8A),从t1时刻开始,摆镜的反射面将入射的光束偏转后,入射至转镜的M11面,而转镜的M11面在t1时刻至t2时刻这一时间段内在水平方向上绕着转轴从φ1(参考图8A)旋转至φ2(参考图8C),完成一次水平方向上的扫描。
接着,在t3时刻(t3时刻可以为t2时刻,也可以为晚于t2的时刻)至t4时刻这段时间内,摆镜从第一摆动状态切换至第二摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束,甚至就是转镜的反射面不开始工作,总归此t3时刻至t4时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,而处于第二摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ2(参考图7b以及图8F),在t5时刻(t5时刻可以为t4时刻,也可以为晚于t4的时刻),转镜的M12面旋转至可以接收到经处于第二摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t5时刻至t6时刻的时间段内,摆镜也一直保持第二摆动状态,而转镜的M12面绕着转轴从φ3(未示出,由于M11与M12平行,故类似于φ1,亦可参考图8A理解)旋转至φ4(未示出,类似于φ2,亦可参考图8C理解),完成一次水平方向上的扫描。
然后,在t7时刻(t7时刻可以为t6时刻,也可以为晚于t6的时刻)至t8时刻这段时间内,摆镜从第二摆动状态切换至第三摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束,甚至是转镜的反射面不开始工作,总归此t7时刻至t8时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,处于第三摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ3(参考图7c),在t9时刻(t9时刻可以为t8时刻,也可以为晚于t8的时刻),转镜的M11面旋转至可以接收到经处于第三摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t9时刻至t10时刻的时间段内,摆镜也一直保持第三摆动状态,而转镜的M11面绕着转轴从φ5(未示出,类似于φ1,可参考图8A理解)旋转至φ6(未示出,类似于φ2,亦可参考图8C理解),完成一次水平方向上的扫描。
继而,在t11时刻(t11时刻可以为t10时刻,也可以为晚于t10的时刻)至t12时刻这段时间内,摆镜从第三摆动状态切换至第四摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束,甚至是转镜的反射面不进行工作,总归此t11时刻至t12时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,处于第四摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ4(参考图7d),在t13时刻(t13时刻可以为t12时刻,也可以为晚于t12的时刻),转镜的M12面旋转至可以接收到经处于第四摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t13时刻至t14时刻的时间段内,摆镜也一直保持第四摆动状态,而转镜的M12面绕着转轴从φ7(未示出,类似于φ1,亦可参考图8A理解)旋转至φ8(未示出,类似于φ1,亦可参考图8C理解),完成一次水平方向上的扫描。然后不断重复循环上述过程,不再赘述。
表2
还比如,当M=4,N=4时,转镜为正方体,且四个反射面M11、M12、M13及M14间隔设置,而摆镜具备第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态及第四摆动状态。整个雷达的帧频为X3HZ,转镜为X3HZ,摆镜的动作频率为4X3HZ,摆镜与该转镜的同步以及协调可以参考表3,具体而言:
在t0时刻,摆镜进入第一摆动状态,在之后的t1时刻(t1时刻可以为t0时刻,也可以是晚于t0时刻)至t2时刻段内,摆镜保持处于第一摆动状态,处于第一摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ1(参考图7a与图8A),从t1时刻开始,摆镜的反射面将入射的光束偏转后,入射至转镜的M11面,而转镜的M11面在t1时刻至t2时刻这一时间段内在水平方向上绕着转轴从φ1(未示出,可参考图8D理解)旋转至φ2(未示出,可参考图8E理解),完成一次水平方向上的扫描。
接着,在t3时刻(t3时刻可以为t2时刻,也可以为晚于t2的时刻)至t4时刻这段时间内,摆镜从第一摆动状态切换至第二摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束,或者就是转镜的反射面不开始工作,而处于第二摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ2(参考图7b以及图8F),在t5时刻(t5时刻可以为t4时刻,也可以为晚于t4的时刻),转镜的M12面旋转至可以接收到经处于第二摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t5时刻至t6时刻的时间段内,摆镜也一直保持第二摆动状态,而转镜的M12面绕着转轴从φ3(参考图8D)旋转至φ4(参考图8E),完成一次水平方向上的扫描。
然后,在t7时刻(t7时刻可以为t6时刻,也可以为晚于t6的时刻)至t8时刻这段时间内,摆镜从第二摆动状态切换至第三摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束,或者就是转镜的反射面不开始工作,总归此t7时刻至t8时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,处于第三摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ3(参考图7c),在t9时刻(t9时刻可以为t8时刻,也可以为晚于t8的时刻),转镜的M13面旋转至可以接收到经处于第三摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t9时刻至t10时刻的时间段内,摆镜也一直保持第三摆动状态,而转镜的M13面绕着转轴从φ5(未示出,可参考图8D理解)旋转至φ6(未示出,可参考图8E理解),完成一次水平方向上的扫描。
继而,在t11时刻(t11时刻可以为t10时刻,也可以为晚于t10的时刻)至t12时刻这段时间内,摆镜从第三摆动状态切换至第四摆动状态,转镜继续旋转,但该段时间内转镜无反射面偏折入射光束和/或发射器不发射探测光束或者就是转镜的反射面不开始工作,总归此t11时刻至t12时刻这一时间段内转镜不进行水平方向的扫描,处于第四摆动状态的摆镜的反射面与垂直方向的夹角为γ4(参考图7d),在t13时刻(t13时刻可以为t12时刻,也可以为晚于t12的时刻),转镜的M14面旋转至可以接收到经处于第四摆动状态下的摆镜偏折后的入射光束且开始工作,并继续在接下来的t13时刻至t14时刻的时间段内,摆镜也一直保持第四摆动状态,而转镜的M14面绕着转轴从φ7(未示出,可参考图8D理解)旋转至φ8(未示出,可参考图8E理解),完成一次水平方向上的扫描。然后不断重复循环上述过程,不再赘述。
表3
在具体实施中,该光发射器发射的探测光束的垂直视场角在该激光雷达的垂直方向上的扫描的视场范围内均匀分布,从而可以在垂直视场上实现均匀的扫描。
在具体实施中,若设定相邻的两个该光发射器发射的探测光束的垂直视场角之间的差值为α度,设定任意一束该探测光束经处于相邻两个摆动状态的该摆镜分别偏折后的垂直视场角之间的差值为β度,则差值角度α与差值角度β之间存在如下的比例关系:
其中α=β*N;
其中N为摆镜具有的摆动状态的个数,因此可以看到,经过处于N种不同摆动状态的摆镜的偏折,对任意一束经准直后的探测光束,均可以被分成且是等分成N束垂直视场方向不同的探测子光束,并且这N束垂直视场方向不同的探测子光束并非同一时间点产生,而是在摆镜静止处于N种摆动状态中的之一时,相继一一产生的。另外,经过控制定位槽的相对大小关系及摆动状态之间的切换时序,可以确保N束垂直视场方向不同的探测子光束彼此之间的垂直视场夹角相同。因此,通过采用本发明实施例的雷达的发射端,可以在不改变激光发射器数量的前提下提高垂直扫描的线束,故可以降低雷达的成本及复杂度。
为了进一步提高激光雷达的垂直视场的线束,在本发明一实施例中,该转镜的M个反射面中的至少两个反射面可以相对于垂直方向分别设置有不同的俯仰倾角。详细地说,即对M面转镜增加设置俯仰倾角,这一俯仰倾角就是与转镜的转轴(也就是垂直方向)的夹角。由于转镜的M面反射面会对入射的探测光束产生镜面效应,当M面反射面均平行于垂直方向,也即M面反射面的俯仰倾角均为零时,则入射的探测光束经过转镜的反射面的反射后,可以由相对于水平面对称的方向反射出去。而对M面中任一反射面而言,当反射面存在一个轻微的不为零的俯仰倾角时,就会使得反射出去的探测光束也发生不同的偏转。而若每一发射面的俯仰倾角不同,就产生垂直视场方向不同的探测光束,当配合着,转镜绕转轴旋转时,就会产生垂直视场方向不同的线束的扫描轨迹。当然,当M面转镜绕转轴旋转时,从面对入射的探测光束的方向,到逐渐远离并与入射的光束接近平行时,转镜的俯仰倾角效应会逐渐消失。因此,扫描线在仿真结果的左侧很均匀的分布,到了右侧,每相邻的M条扫描线会汇聚在一起。
图9示出了本发明实施例中的一种激光雷达的结构示意图,为加以区分,图9中的实线箭头表示出射的探测光束的走向,虚线箭头表示回波光束的走向,如图9所示,该激光雷达可以包括:上述实施例中的任一种发射装置、至少一个光接收器及控制装置。另外,为了实现光束的偏转或者准直等功能,该激光雷达还可以包括相对应的光学器件。比如激光雷达还可以包括分光装置及接收透镜组件,该分光装置用于反射或透射该探测光束,且透射或反射该回波光束;该接收透镜组件,用于收集该回波光束。
参考图9,该激光雷达的工作过程如下:
该光发射器发射的探测光束,经该分光装置反射或透射后入射至该摆镜,该探测光束经处于N个摆动状态之一摆镜偏折后,入射至该发射透镜组件进行准直,准直后的该探测光束入射至与之同步的转镜,被转镜的某一面反射面反射至待测空间,该探测光束经所待测空间的目标反射后形成回波光束,该回波光束经该转镜反射至该接收透镜组件,该回波光束经该接收透镜组件收集而入射至摆镜,该回波光束经摆镜偏折后,再次入射至该分光装置,该回波光束经该分光装置透射或反射后,会聚到光接收器上。在控制方面,具有至少一个处理器的控制装置可以控制该摆镜与该转镜之间的同步,并根据该探测光束的发射时刻与该回波光束的接收时刻之间的时间间隔,来相应计算该待测空间内的目标与激光雷达的距离。
图10示出了本发明实施例中的另一种激光雷达的结构示意图,为加以区分,图10中的实线箭头表示出射的探测光束的走向,虚线箭头表示回波光束的走向。与图9不同的是,除了图9中示出的部件外,该实施例中的激光雷达还可以额外包括:第二摆镜,该第二摆镜设置于该摆镜的正上方或正下方均可,只要第二摆镜与摆镜在水平面上的投影相重合即可,该第二摆镜被设置成与该摆镜同步驱动,确保该第二摆镜与该摆镜处于相同的摆动状态。而与图9类似地,为了实现光束的偏转或者准直等功能,该激光雷达也是包括分光装置及接收透镜组件,该分光装置用于反射或透射该探测光束,且透射或反射该回波光束;该接收透镜组件,用于收集该回波光束。
参考图10,该激光雷达的工作过程如下:
该光发射器发射的探测光束,经该分光装置反射或透射后,入射至该摆镜,该探测光束经该摆镜偏折后,入射至该发射透镜组件进行准直,准直后的该探测光束入射至与摆镜同步配合的转镜,进而被反射至该待测空间,该探测光束经所待测空间的目标反射后,形成该回波光束,该回波光束经该转镜反射至该接收透镜组件,该回波光束经该接收透镜组件收集,而入射至该第二摆镜,该回波光束经该第二摆镜偏折后入射至该分光装置,该回波光束经该分光装置透射或反射后会聚到该光接收器上。在后台控制中,控制装置也是控制该摆镜、第二摆镜与该转镜之间的同步,并根据该探测光束的发射时刻与该回波光束的接收时刻之间的时间间隔,来相应计算该待测空间内的目标与激光雷达的距离。
需要说明的是,关于摆镜与转镜的同步等控制,在上述实施例中已经详细阐述,在此不再赘述。
为更好地说明本发明实施例中的激光雷达的扫描效果,图11示出了本发明实施例中的一种激光雷达的扫描轨迹示意图,光发射器为4个LD,该4个LD沿垂直方向均匀地依次排布,摆镜具有N=2个摆动状态:第一摆动状态及第二摆动状态,对应反射面或者反射镜具有2种与垂直方向的倾角:γ1(参考图7a)及γ2(参考图7b),转镜具有2个反射面,且2个反射面均平行于垂直方向,图11的横轴为水平方向扫描视场,纵轴为垂直方向扫描视场。如图11所示,可以看到8条在垂直视场上比较均匀的扫描线,这是由于每个LD发射出的一束探测光束可以分别被处于第一摆动状态或第二摆动状态的摆镜所偏折,以等分地形成两束垂直扫描方向不同的探测光束,摆镜对线束进行了扩充,再借助转镜绕转轴的旋转达到水平方向的扫描,可以得到8条扫描线。可以理解的是,上述的扫描线即为探测光束扫描所形成的。另外,在图11中,分别标出了γ1以及γ2分别对应的扫描线。
图12示出了本发明实施例中的一种激光雷达的扫描轨迹示意图,光发射器为4个LD,该4个LD沿垂直方向均匀地依次排布,摆镜具有N=4个摆动状态:第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态及第四摆动状态,对应反射面或者反射镜具有4种与激光雷达的垂直方向的倾角:γ1(参考图7a)、γ2(参考图7b)、γ3(参考图7c)及γ4(参考图7d),转镜具有2个反射面,且2个反射面均可以平行于垂直方向,图12的横轴表征激光雷达的水平方向扫描角度,纵轴表征激光雷达的垂直方向扫描角度。如图12所示,可以看到16条在垂直视场上比较均匀的扫描线,这是由于每个LD发射出的一束探测光束可以分别被处于第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态或第四摆动状态的摆镜所偏折,以在垂直视场上,均分地形成四束垂直扫描方向不同的探测光束,摆镜对线束进行了扩充,再借助转镜绕转轴的旋转达到水平方向的扫描,可以得到16条扫描线。另外,在图12中,分别标出了γ1、γ2、γ3以及γ4分别对应的扫描线。
图13示出了本发明实施例中的一种激光雷达的扫描轨迹示意图,光发射器为4个LD,分别为LD1、L,2、LD3及LD4,该4个LD沿垂直方向均匀地依次排布,摆镜具有N=4个摆动状态:第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态及第四摆动状态,对应反射面或者反射镜具有4种与垂直方向的倾角:γ1(参考图7a)、γ2(参考图7b)、γ3(参考图7c)及γ4(参考图7d),转镜的2个反射面(分别为M11与M12)与垂直方向均具有不为零的夹角,夹角可以为δ1及δ2。图13的横轴为水平方向扫描角度,纵轴为垂直方向扫描角度。如图13所示,可以看到32条在垂直视场上的扫描线,一部分原因是与图12中对应的实施例类似地,每个LD发射出的一束探测光束可以分别被处于第一摆动状态、第二摆动状态、第三摆动状态或第四摆动状态的摆镜所偏折,以在垂直视场上,均分地形成四束垂直扫描方向不同的探测光束,摆镜对线束进行了扩充,另一部分的原因是由于带有倾角的转镜的反射面也对线束在垂直方向上进行了扩充,转镜绕转轴的旋转又达到水平方向的扫描,因此共形成了32条扫描线。另外,可以看到扫描线在左侧还是较均匀的分布,但是到了右侧,每相邻的两条扫描线则近乎汇聚到了一起。这个左右侧的不均匀产生的原因则是如之前所述,当多面转镜绕转轴旋转时,从面对入射的探测光束的方向,到逐渐远离并与入射的光束接近平行时,转镜的俯仰倾角效应会逐渐消失。因此,扫描线在仿真结果的左侧很均匀的分布,到了右侧,每相邻的多条扫描线会汇聚在一起。
并且,由于在图13中线束太多,为便于说明,在图13中,按照光发射器-摆镜倾角-转镜倾角的规则对扫描线束进行了编号,比如1-1-1表示LD1-γ1-δ1,也即该扫描线束是第一个光发射器LD1,在摆镜处于第一个摆动状态(倾角为γ1),反射面M11(夹角为δ1)绕转轴旋转后扫描所得到的线束;又比如2-1-1表示LD2-γ1-δ1,也即该扫描线束是第二个光发射器LD2,在摆镜处于第一个摆动状态(倾角为γ1),反射面M11(夹角为δ1)绕转轴旋转后扫描所得到的线束;又比如2-2-1表示LD2-γ2-δ1,也即该扫描线束是第二个光发射器LD2,在摆镜处于第二个摆动状态(倾角为γ2),反射面M11(夹角为δ1)绕转轴旋转后扫描所得到的线束;又比如2-2-2表示LD2-γ2-δ2,也即该扫描线束是第二个光发射器LD2,在摆镜处于第二个摆动状态(倾角为γ2),反射面M12(夹角为δ2)绕转轴旋转后扫描所得到的线束。
对比图12及图13也可知,相对于对转镜的反射面设置与垂直方向的不为零的倾角,通过采用本发明实施例中的摆镜,既可以在不增多光发射器的基础上,得到多线束扫描线,又可以得到相对均匀的扫描线。
需要说明的是,本申请中的光发射器可以是任何合适类型的发射元件。例如,光发射器可以是LED、LD或者VCSEL等,并且该发射器可以根据探测需求进行参数上的调整,比如可以调整发光强度,可以调整发光频率,也可以调整发光的波长。光接收器可以是任何合适类型的能将光转换成电信号的检测器件,例如APD、SPAD或SiPM等。
本领域技术人员容易理解,根据本发明第一方面的技术方案和第二方面的技术方案,可以任意地相互结合,而无需付出创造性的劳动。
有鉴于现有技术缺陷中的至少一个,本发明提出一种用于对入射光束进行偏折的摆镜,所述摆镜包括:
壳体,所述壳体的顶部和底部的内侧分别设置有第一限位槽和第二限位槽,所述第一限位槽和所述第二限位槽的延伸方向与所述摆镜的反射面相平行,且所述第一限位槽和所述第二限位槽中至少之一在所述壳体的前后方向上的行程宽度不为零;
片状摆动部件,所述片状摆动部件的顶端和底端分别卡接于所述第一限位槽和所述第二限位槽之内,所述片状摆动部件的前方表面具有反射面,所述反射面用于偏折所述入射光束;
驱动部件,适于驱动所述片状摆动部件在所述壳体内摆动。
可选地,所述第一限位槽和所述第二限位槽在所述壳体的前后方向上的行程宽度均不为零。
可选地,所述驱动部件包括:
第一磁性部件,设置于所述片状摆动部件上,且靠近所述片状摆动部件的顶端;
第二磁性部件,设置于所述片状摆动部件上,且靠近所述片状摆动部件的底端;
第一驱动装置,固定设置于所述壳体的内部,并与所述第一磁性部件相对且间隔设置,所述第一驱动装置被设置成在第一驱动信号的驱动下能够推拉所述第一磁性部件,以带动所述片状摆动部件的顶端在所述第一限位槽内摆动;
第二驱动装置,固定设置于所述壳体的内部,并与所述第二磁性部件相对且间隔设置,所述第二驱动装置被设置成在第二驱动信号的驱动下能够推拉所述第二磁性部件,以带动所述片状摆动部件的底端在所述第二限位槽内摆动。
可选地,所述第一限位槽的行程宽度与所述第二限位槽的行程宽度不相同。
可选地,所述片状摆动部件具有四个摆动状态,包括:
第一摆动状态,所述第一驱动装置将所述片状摆动部件的顶端推至与所述第一限位槽的前方突缘相抵接,所述第二驱动装置将所述片状摆动部件的底端推至与所述第二限位槽的前方突缘相抵接;
第二摆动状态,所述第一驱动装置将所述片状摆动部件的顶端推至与所述第一限位槽的前方突缘相抵接,所述第二驱动装置将所述片状摆动部件的底端拉至与所述第二限位槽的后方突缘相抵接;
第三摆动状态,所述第一驱动装置将所述片状摆动部件的顶端拉至与所述第一限位槽的后方突缘相抵接,所述第二驱动装置将所述片状摆动部件的底端拉至与所述第二限位槽的后方突缘相抵接;
第四摆动状态,所述第一驱动装置将所述片状摆动部件的顶端拉至与所述第一限位槽的后方突缘相抵接,所述第二驱动装置将所述片状摆动部件的底端推至与所述第二限位槽的前方突缘相抵接。
可选地,所述片状摆动部件按所述第一摆动状态、所述第二摆动状态、所述第三摆动状态、所述第四摆动状态、再回到所述第一摆动状态的顺序被依次循环驱动。
可选地,所述第一限位槽的行程宽度为所述第二限位槽的行程宽度的n倍,或者所述第二限位槽的行程宽度为所述第一限位槽的行程宽度的n倍,n为大于1的自然数。
可选地,所述第一限位槽的中心线与所述第二限位槽的中心线所形成的面,平行于所述摆镜的反射面。
可选地,所述摆镜还包括:
弹性部件,所述弹性部件的一端固定连接于所述壳体的内部,所述弹性部件的另一端抵接于所述片状摆动部件的后方表面,所述弹性部件用于悬挂所述片状摆动部件,使得所述片状摆动部件前后平移或者俯仰方向旋转。
可选地,所述第一限位槽和所述第二限位槽的内部分别设置有缓冲衬套。
可选地,所述第一驱动装置为第一电磁线圈,所述第一电磁线圈被设置成能够通过电流驱动来推拉所述第一磁性部件;
所述第二驱动装置为第二电磁线圈,所述第二电磁线圈被设置成能够通过电流驱动来推拉所述第二磁性部件。
可选地,所述片状摆动部件的前方表面贴合有反射镜,所述反射镜用于偏折所述入射光束。
本发明实施例提供了一种激光雷达的发射装置,所述发射装置包括:
至少一个光发射器,用于发射探测光束,所述光发射器延垂直方向排布,每个所述光发射器发射的探测光束具有不同的垂直视场角;
如上述实施例中任一种所述的摆镜,用于偏折入射的所述探测光束,所述摆镜能够在垂直方向上进行俯仰摆动,从而改变所述探测光束的垂直视场角来实现所述探测光束在垂直方向上的扫描;
发射透镜组件,用于对被所述摆镜偏折后的探测光束进行准直;
转镜,固定于转子上并且绕所述转子的沿垂直方向设置的转轴进行转动,所述转镜具有M个反射面且与所述摆镜同步,用于将所述探测光束反射至待测空间,从而实现所述探测光束在水平方向上的扫描,其中M为大于等于2的正整数。
本发明实施例提供了一种激光雷达,所述激光雷达包括:上述任一种所述的发射装置;至少一个光接收器,用于接收回波光束,所述回波光束为所述发射光束经所述待测空间内的目标反射后所形成的光束;
控制装置,具有至少一个处理器,用于控制所述摆镜与所述转镜之间的同步,并根据所述探测光束的发射时刻与所述回波光束的接收时刻之间的时间间隔计算所述待测空间内的目标与激光雷达的距离。
本发明实施例提供了一种摆镜的驱动方法,所述驱动方法:施加驱动信号至所述驱动部件,以驱动所述片状摆动部件在所述壳体内摆动。
可选地,包括:
施加第一驱动信号至所述第一驱动装置;
施加第二驱动信号至第二驱动装置,以驱动所述片状摆动部件在所述第一摆动状态、所述第二摆动状态、所述第三摆动状态及所述第四摆动状态中切换。
可选地,所述驱动方法包括:
调整所述第一驱动信号,以驱动所述片状摆动部件的顶端先以加速、后以减速最终运动至所述第一限位槽的前方或后方突缘;和/或,
调整所述第二驱动信号,以驱动所述片状摆动部件的顶端先以加速、后以减速最终运动至所述第二限位槽的前方或后方突缘。
可选地,分时施加所述第一驱动信号与所述第二驱动信号,以驱动所述片状摆动部件按所述第一摆动状态、所述第二摆动状态、所述第三摆动状态、所述第四摆动状态、再回到所述第一摆动状态的顺序依次循环切换,或者选取其中一部分状态切换。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
由于摆镜中的片状摆动部件能够在该第一限位槽和该第二限位槽之内摆动,第一限位槽和该第二限位槽的行程宽度不同,故片状摆动部件的顶端及底端摆动位置的不同组合对应形成多种不同的摆动状态,进而对应多种与垂直方向不同的倾角,从而可以将一束入射光束偏折形成四束垂直视场角不同的探测光束,从而能够有效减少激光雷达中激光器的数量,达到降低成本、简化结构以及降低安装难度的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。