CN112444796A - 一种振镜和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振镜和激光雷达，该振镜包括：固定座；反射镜；振镜驱动架，包括快轴支架和慢轴支架，反射镜安装在快轴支架中，快轴支架连接于慢轴支架内，振镜驱动架旋转连接于固定座中；其中，快轴支架围绕第一方向扭动，慢轴支架围绕第二方向扭动，第一方向与第二方向交叉；慢轴驱动组件，包括电机、凸轮和传动杆，传动杆的一端与慢轴支架连接，传动杆的另一端可滑动地连接于凸轮的边缘，电机用于驱动凸轮旋转，使得传动杆沿凸轮的边缘曲线运动，以驱动慢轴支架围绕第二方向扭动，其中，边缘曲线为包括至少两个曲率的曲线线段连接形成的闭合曲线。通过上述实施方式，本发明实施例能够提升振镜慢轴控制的稳定性。

Description

一种振镜和激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种振镜和激光雷达。

背景技术

振镜是固态激光雷达中的光学扫描元件，通常具有两个方向的旋转轴，分别为快轴和慢轴，快轴与慢轴相互垂直。慢轴通常用于水平方向的扫描，快轴通常用于进行垂直方向的扫描，从而实现二维扫描。

目前,固态激光雷达多采用电磁驱动方式驱动振镜绕慢轴旋转，通过线圈通电与永磁体产生力矩并作用于慢轴，慢轴受力转动，使得振镜绕慢轴旋转，从而实现振镜在水平方向的扫描。但是，上述电磁驱动方式容易受到固态激光雷达产生的振动或外力的影响，导致慢轴控制的稳定性较低。

发明内容

本发明实施例提供一种振镜和激光雷达，用于更好地实现对振镜扫描角度的控制。

一种振镜，其特征在于，包括：

固定座；

反射镜；

振镜驱动架，包括快轴支架和慢轴支架，所述反射镜安装在所述快轴支架中，所述快轴支架连接于所述慢轴支架内，所述振镜驱动架旋转连接于所述固定座中；其中，所述快轴支架围绕第一方向扭动，所述慢轴支架围绕第二方向扭动，所述第一方向与所述第二方向交叉；

慢轴驱动组件，包括电机、凸轮和传动杆，所述传动杆的一端与所述慢轴支架连接，所述传动杆的另一端可滑动地连接于所述凸轮的边缘，所述电机用于驱动所述凸轮旋转，使得所述传动杆沿所述凸轮的边缘曲线运动，以驱动所述慢轴支架围绕第二方向扭动，其中，所述边缘曲线为包括至少两个曲率的曲线线段连接形成的闭合曲线。

在一个实施例中，所述至少两个曲率全部不等或部分不等。

在一个实施例中，所述慢轴驱动组件还包括弹性件，所述弹性件连接在所述固定座与所述传动杆之间，用于在所述传动杆沿所述边缘曲线运动的过程中，为所述传动杆提供一个相对于所述凸轮的向心力。

在一个实施例中，所述固定座包括慢轴轴承和轴承座；

沿所述第二方向，所述慢轴支架的两端插入相对设置的所述慢轴轴承中，所述慢轴轴承设置于所述轴承座中。

在一个实施例中，所述振镜还包括慢轴角度传感器和慢轴角度磁铁；

所述慢轴角度磁铁固定于所述慢轴支架的一端，所述慢轴角度传感器设置于所述慢轴角度磁铁背离所述慢轴支架的一侧；所述慢轴角度传感器用于感应所述慢轴角度磁铁的方向和大小以确定所述慢轴支架的旋转角度。

在一个实施例中，所述快轴支架还包括快轴框和快轴扭力梁；沿所述第一方向，所述快轴扭力梁对称连接于所述快轴框与所述慢轴支架之间；

所述快轴扭力梁扭动以带动所述快轴框扭动及复位。

在一个实施例中，所述振镜还包括快轴磁铁和快轴线圈；

沿所述第二方向，所述快轴磁铁设置于所述慢轴支架的两端，所述快轴线圈环绕设置于所述快轴框的边缘，且穿过所述快轴扭力梁中的至少一个所述快轴扭力梁。

在一个实施例中，所述振镜还包括快轴转动角度检测组件；所述反射镜包括相对设置的第一镜面和第二镜面；所述第一镜面用于反射探测光束和回波光束；所述快轴转动角度检测组件包括检测光源、光源固定座、快轴角度传感器以及传感器固定支架；

所述检测光源用于向所述第二镜面发射所述检测光束，所述检测光源与所述光源固定座固定连接，所述光源固定座与所述固定座固定连接；所述快轴角度传感器的感光面朝向所述第二镜面，所述快轴角度传感器通过电路板与所述传感器固定支架固定连接，所述传感器固定支架与所述慢轴支架固定连接。

在一个实施例中，所述快轴角度传感器包括PSD、CMOS或者硅光电池。

一种激光雷达，包括上述的振镜。

本发明实施例提供的振镜和激光雷达，设置有慢轴驱动组件和慢轴支架，该慢轴驱动组件包括电机、凸轮和传动杆，传动杆的一端与慢轴支架连接，传动杆的另一端可滑动地连接于凸轮的边缘，电机用于驱动凸轮旋转，使得传动杆沿凸轮的边缘曲线运动，以驱动慢轴支架围绕第二方向扭动，其中，边缘曲线为包括至少两个曲率的曲线线段连接形成的闭合曲线。因此，振镜绕慢轴的扫描取决于凸轮的边缘曲线，不受内部振动或外力的影响，从而提升了慢轴控制的稳定性。同时，由于凸轮的边缘曲线可以根据实际需求设计，从而便于更灵活地控制振镜绕慢轴的扫描角度和扫描速度。

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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例提供的一种振镜的立体结构示意图；

图2是图1示例的振镜的主视平面结构示意图；

图3是沿图2中A-A的剖面结构示意图；

图4是图1示例的振镜的俯视平面结构示意图；

图5是沿图4中B-B的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供的振镜(也称为“扫描振镜”)主要用于固态或者混合固态的激光雷达中，通过控制扫描振镜中的反射镜绕快轴转动，可以将投射至反射镜的激光光束反射至垂直视场上；通过控制扫描振镜中的反射镜绕慢轴方向转动，从而可将投射至反射镜的激光光束反射至水平视场中，反射镜在快轴与慢轴共同转动作用下，则可以实现对一定视场角度的扫描探测。其中，反射镜在快轴和慢轴上的转动角度决定了激光雷达的扫描视场角度。

本发明实施例的改进点在于：针对传统的激光雷达中振镜的慢轴转动稳定性较差的缺点，慢轴转动采用电机驱动凸轮转动，传动杆沿凸轮的边缘曲线运动以驱动慢轴支架扭动，因此，振镜绕慢轴的扫描取决于凸轮的边缘曲线，不受内部振动或外力的影响，从而提升了慢轴控制的稳定性。同时，由于凸轮的边缘曲线可以根据实际需求设计，从而便于更灵活地控制振镜绕慢轴的扫描角度和扫描速度。

下面结合图1-图5，对本发明实施例提供的振镜以及激光雷达进行示例性说明。

参考图1-图5，该振镜10包括：固定座100、振镜驱动架110、慢轴驱动组件120以及反射镜130；振镜驱动架110包括快轴支架111和慢轴支架112，快轴支架111包括快轴框，反射镜130安装在所述快轴框中。快轴支架111连接于慢轴支架112内，振镜驱动架110旋转连接于固定座100中；其中，快轴支架111围绕第一方向扭动，使得反射镜130可以实现水平方向的扫描，慢轴支架112围绕第二方向扭动，使得反射镜130可以实现垂直方向的扫描，第一方向与第二方向交叉；慢轴驱动组件120包括电机121、凸轮122以及传动杆123；传动杆123的一端与慢轴支架112连接，传动杆123的另一端可滑动地连接于凸轮122的边缘，电机121用于驱动凸轮122旋转，使得传动杆123沿凸轮122的边缘曲线运动，以驱动慢轴支架112围绕第二方向扭动，其中，所述边缘曲线为包括至少两个曲率的曲线线段连接形成的闭合曲线。其中，单独的反射镜130(石英玻璃或者蓝宝石或者不锈钢等)与振镜驱动架110组装。振镜驱动架110可包括快轴支架111和慢轴支架112。快轴支架111包括快轴框，所述快轴框通过扭力梁或快轴轴承连接在慢轴支架112上，且位于慢轴支架112的内侧。反射镜130安装在所述快轴框中，示例性的，可以采用粘接、嵌入、卡接等本领域技术人员可知的任一方式将反射镜130固定在所述快轴框中。可以理解，在其他实施例中，可以不设置快轴框，可以对反射镜130和快轴支架111进行一体化设计。

其中，快轴支架111围绕第一方向扭动(也可称为“转动”或“旋转”或“摆动”)，慢轴支架112围绕第二方向扭动。快轴支架111和慢轴支架112围绕相互垂直的两个方向扭动，从而实现反射镜130在两个维度的转动。示例性的，第一方向和第二方向可相互垂直，或者设置为本领域技术人员可知的其他交叉角度，本发明实施例对此不限定。

基于上述慢轴驱动组件120的设置，以及慢轴支架112旋转连接于固定座100中，当电机121通电时，电机121会驱动凸轮122开始旋转，传动杆123的一端与慢轴支架112连接，传动杆123的另一端贴紧凸轮122的边缘，这样在凸轮122旋转的过程中，传动杆123会以凸轮122的边缘曲线为轨迹带动慢轴支架112围绕第二方向扭动。可以理解，在其他实施方式中，凸轮122和传动杆123可以以其他方式连接，这里不作严格要求。

其中，所述至少两个曲率全部不等或部分不等。

假设，凸轮(122)边缘曲线包括第一曲线线段S1、第二曲线线段S2、第三曲线线段S3以及第四曲线线段S4，第一曲线线段S1、第二曲线线段S2、第三曲线线段S3以及第四曲线线段S4连接形成闭合曲线，第一曲线线段S1的曲率为K1，第二曲线线段S2的曲率为K2，第三曲线线段S3的曲率为K3，第四曲线线段S4的曲率为K4。在一个实施例中，曲率K1≠曲率K2≠曲率K3≠曲率K4。在一个实施例中，曲率K1≠曲率K2≠曲率K3，曲率K4＝曲率K1或者曲率K4＝曲率K2或者曲率K4＝曲率K3。在一个实施例中，曲率K1≠曲率K2≠曲率K4，曲率K3＝曲率K1或者曲率K3＝曲率K2或者曲率K3＝曲率K4。在一个实施例中，在一个实施例中，曲率K2≠曲率K3≠曲率K4，曲率K1＝曲率K2或者曲率K1＝曲率K3或者曲率K1＝曲率K4。在一个实施例中，曲率K1＝曲率K2，曲率K3＝曲率K4，曲率K1≠曲率K3。在一个实施例中，曲率K1＝曲率K3，曲率K2＝曲率K4，曲率K1≠曲率K2。在一个实施例中，曲率K1＝曲率K4，曲率K2＝曲率K3，曲率K1≠曲率K2。

线段的曲率是针对该线段上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明线段偏离直线的程度。数学上表明线段在某一点的弯曲程度的数值，曲率越大，表示线段的弯曲程度越大。可以理解，当曲线线段对应的曲率为0时，该曲线线段为直线线段。具体的，传动杆123沿凸轮122的边缘曲线运动，当曲率固定不变时，传动杆123方向不具有位移，此时慢轴支架112静止不动；当从一个曲率切换至另一个曲率时，传动杆123方向具有位移，此时传动杆123会以凸轮122的边缘曲线为轨迹带动慢轴支架112围绕第二方向扭动。需要说明的是，凸轮122的边缘曲线可以根据实际需求设计，如心形边缘曲线，椭圆形边缘曲线或其他包括至少两个曲率的曲线线段连接形成的闭合曲线。由于凸轮122的边缘曲线为闭合曲线，因此，传动杆123沿着凸轮122的边缘曲线作重复地圆周运动，以使慢轴支架112按照预设扫描频率进行水平视场扫描。通过凸轮122的边缘曲线的形状，可以控制慢轴支架112的扫描角度，并且可以控制慢轴支架112按照匀加速-匀速-匀减速的方式进行扭动。

进一步地，慢轴驱动组件120还包括弹性件124，弹性件124连接在固定座100与传动杆123之间，用于在传动杆123沿所述边缘曲线运动的过程中，为传动杆123提供一个相对于凸轮122的向心力，这样可以保证传动杆123的另一端贴紧凸轮122的边缘。在本实施例中，弹性件124包括弹簧。在一实施例中，快轴支架111还包括快轴扭力梁，沿所述第一方向，所述快轴扭力梁对称连接于所述快轴框与慢轴支架112之间。振镜10还包括快轴磁铁150和快轴线圈152，沿第二方向，快轴磁铁150对称设置于慢轴支架112的两端，快轴线圈152环绕设置于所述快轴框的边缘，且穿过所述快轴扭力梁中的至少一个所述快轴扭力梁，所述快轴扭力梁扭动以带动所述快轴框扭动及复位。具体地，当快轴线圈152通电时，会在快轴磁铁之间形成的磁场中产生洛伦磁力，从而使得反射镜130绕快轴也即第一方向转动，从而实现激光光束在垂直方向的扫描。

在一实施例中，固定座100包括慢轴轴承101和轴承座102；沿第二方向，慢轴支架112的两端插入相对设置的慢轴轴承101中，慢轴轴承101设置于轴承座102中。

其中，慢轴支架112的两端固定在固定座100上。具体地，固定座100上沿第二方向设置有两个慢轴轴承101，慢轴支架112的两端直接插入慢轴轴承101中。慢轴轴承101上还设置有轴承座102，用于固定慢轴轴承101，并对慢轴轴承101进行保护。

如此，采用轴承支撑以实现慢轴支架112旋转的方式取代传统克服扭力梁刚度进行旋转的方式，可以增大转角范围；同时，可以使慢轴驱动阻力极小，在低频工作状态亦可驱动较大的负载，且有利于降低磨损，延长振镜10的寿命。

在一实施例中，该振镜10还包括慢轴角度传感器141和慢轴角度磁铁142；慢轴角度磁铁142固定于慢轴支架112的一端，慢轴角度传感器141设置于慢轴角度磁铁142背离慢轴支架112的一侧；慢轴角度传感器141用于感应慢轴角度磁铁142的方向和大小以确定慢轴支架112的旋转角度。

示例性的，慢轴角度磁铁142设置在慢轴轴承101中。

如此，通过在慢轴支架112的末端设置慢轴角度传感器141和慢轴角度磁铁142，可使慢轴角度磁铁142与慢轴支架112同步转动，从而可通过慢轴角度传感器141感应慢轴角度磁铁142的方向和大小，可以确定慢轴支架112的旋转角度，进而确定与其联动的反射镜130在慢轴的旋转角度；也即，可实现检测慢轴旋转角度的功能，从而实现对慢轴转动角度的精确测量。

上述设置，还可简化振镜10的整体体积，有利于其小型化设计。另外，可以避免快轴方向和慢轴方向的相互影响，从而能更准确地测量慢轴方向的的旋转角度。

本领域技术人员可理解，本文中的“旋转角度”既可包括旋转方向，例如，顺时针或逆时针；也可包括旋转角度大小，例如5°或8°。

在一实施例中，该振镜10还包括快轴转动角度检测组件(图未示出)；反射镜130包括相对设置的第一镜面和第二镜面，所述快轴转动角度检测组件设置于所述第二镜面所在的一侧；所述第一镜面用于反射探测光束和回波光束；所述第二镜面用于反射所述快轴转动角度检测组件的检测光束，以确定快轴支架111的旋转角度。

如此，利用快轴转动角度检测组件，基于光学检测原理，可实现对快轴旋转角度的测量。

在一实施例中，快轴转动角度检测组件包括检测光源、光源固定座、快轴角度传感器以及传感器固定支架；所述检测光源用于向第二镜面发射检测光束，所述检测光源与所述光源固定座固定连接，所述光源固定座与固定座100固定连接；所述快轴角度传感器的感光面朝向所述第二镜面，所述快轴角度传感器通过电路板与所述传感器固定支架固定连接，所述传感器固定支架与慢轴支架112固定连接。

其中，反射镜130的第一镜面用于对激光雷达中的激光器发射的激光光束以及相应的回波光束进行反射。所述快轴转动角度检测组件设置在反射镜130的第二镜面所在的一侧，可包括检测光源、光源固定座、快轴角度传感器以及传感器固定支架。所述检测光源固定在光源固定座上，所述检测光源用于向所述第二镜面发射激光。所述快轴角度传感器固定在电路板上，电路板固定在传感器固定支架上，所述传感器固定支架则固定在慢轴支架112上。所述快轴角度传感器能够接受第二镜面反射回来的激光光束，并根据接收到的激光光束确定反射镜130的旋转角度。

在一实施例中，快轴角度传感器可为PSD(即光电探测器件)、CMOS、硅光电池或者本领域技术人员可知的其他类型的光电传感器，本发明实施例对此不赘述也不限定。需要说明的是，本发明是实施例提供的振镜10结构中，主要改进点在于对慢轴的驱动方式进行改进，快轴可以采用本发明实施例中示出的驱动方式，也可以采用本领域技术人员可知的其他驱动方式，本发明实施例不限定。

在上述实施方式中，本发明实施例提供的振镜的改进点在于：

a.慢轴转动采用电机驱动凸轮转动，转动的凸轮通过传动杆带动慢轴框扭动的方式进行控制，因为振镜的扫描角度取决于凸轮的边缘形状，而凸轮的边缘形状可以根据需求设计，这样就可以很好地实现对振镜扫描角度的控制。

b.慢轴采用轴承支撑，相对于传统克服扭力梁刚度进行旋转的驱动方式，该驱动方式不受振动影响，有利于延长振镜的使用寿命。

c.快轴采用谐振方式驱动。

在上述实施方式的基础上，本发明实施例还提供了一种激光雷达。该激光雷达可包括上述实施方式提供的任一种振镜，因此，该激光雷达也具有上述实施方式中的振镜所具有的有益效果，相同之处可参照上文中对振镜的解释说明进行理解，在此不再赘述。

在其他实施方式中，激光雷达除包括振镜之外，还可包括本领域技术人员可知的其他结构部件，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

在一个实施例中，慢轴驱动组件120还包括第二轴承座125、第二轴承126和轴承固定柱127。电机121连接凸轮122的一端套入在第二轴承126中，第二轴承126设置于第二轴承座125中。轴承固定柱127用于插入第二轴承126中进一步对第二轴承126进行固定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种振镜，其特征在于，包括：

固定座(100)；

反射镜(130)；

振镜驱动架(110)，包括快轴支架(111)和慢轴支架(112)，所述反射镜(130)安装在所述快轴支架(111)中，所述快轴支架(111)连接于所述慢轴支架(112)内，所述振镜驱动架(110)旋转连接于所述固定座(100)中；其中，所述快轴支架(111)围绕第一方向扭动，所述慢轴支架(112)围绕第二方向扭动，所述第一方向与所述第二方向交叉；

慢轴驱动组件(120)，包括电机(121)、凸轮(122)和传动杆(123)，所述传动杆(123)的一端与所述慢轴支架(112)连接，所述传动杆(123)的另一端可滑动地连接于所述凸轮(122)的边缘，所述电机(121)用于驱动所述凸轮(122)旋转，使得所述传动杆(123)沿所述凸轮(122)的边缘曲线运动，以驱动所述慢轴支架(112)围绕第二方向扭动，其中，所述边缘曲线为包括至少两个曲率的曲线线段连接形成的闭合曲线。

2.根据权利要求1所述的振镜，其特征在于，所述至少两个曲率全部不等或部分不等。

3.根据权利要求1所述的振镜，其特征在于，所述慢轴驱动组件(120)还包括弹性件(124)，所述弹性件(124)连接在所述固定座(100)与所述传动杆(123)之间，用于在所述传动杆(123)沿所述边缘曲线运动的过程中，为所述传动杆(123)提供一个相对于所述凸轮(122)的向心力。

4.根据权利要求1所述的振镜，其特征在于，所述固定座(100)包括慢轴轴承(101)和轴承座(102)；

沿所述第二方向，所述慢轴支架(112)的两端插入相对设置的所述慢轴轴承(101)中，所述慢轴轴承(101)设置于所述轴承座(102)中。

5.根据权利要求1所述的振镜，其特征在于，所述振镜(10)还包括慢轴角度传感器(141)和慢轴角度磁铁(142)；

所述慢轴角度磁铁(142)固定于所述慢轴支架(112)的一端，所述慢轴角度传感器(141)设置于所述慢轴角度磁铁(142)背离所述慢轴支架(112)的一侧；所述慢轴角度传感器(141)用于感应所述慢轴角度磁铁(142)的方向和大小以确定所述慢轴支架(112)的旋转角度。

6.根据权利要求1所述的振镜，其特征在于，所述快轴支架(111)还包括快轴框和快轴扭力梁；沿所述第一方向，所述快轴扭力梁对称连接于所述快轴框与所述慢轴支架(112)之间；

所述快轴扭力梁扭动以带动所述快轴框扭动及复位。

7.根据权利要求6所述的振镜，其特征在于，所述振镜(10)还包括快轴磁铁(150)和快轴线圈(152)；

沿所述第二方向，所述快轴磁铁(150)设置于所述慢轴支架(112)的两端，所述快轴线圈(152)环绕设置于所述快轴框的边缘，且穿过所述快轴扭力梁中的至少一个所述快轴扭力梁。

8.根据权利要求1所述的振镜，其特征在于，所述振镜(10)还包括快轴转动角度检测组件；所述反射镜(130)包括相对设置的第一镜面和第二镜面；所述第一镜面用于反射探测光束和回波光束；所述快轴转动角度检测组件包括检测光源、光源固定座、快轴角度传感器以及传感器固定支架；

所述检测光源用于向所述第二镜面发射所述检测光束，所述检测光源与所述光源固定座固定连接，所述光源固定座与所述固定座(100)固定连接；所述快轴角度传感器的感光面朝向所述第二镜面，所述快轴角度传感器通过电路板与所述传感器固定支架固定连接，所述传感器固定支架与所述慢轴支架(112)固定连接。

9.根据权利要求8所述的振镜，其特征在于，所述快轴角度传感器包括PSD、CMOS或者硅光电池。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的振镜(10)。

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