CN112462512B - 一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法 - Google Patents

一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光雷达扫描技术领域，为一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法，包括均安设于无人机上的驱动电机、编码器及棱锥体，所述棱锥体的对称中心轴与所述驱动电机的输出轴连接，所述编码器记录电机带动棱锥体的旋转角度，所述棱锥体的各侧面均设有扫描镜面，所述驱动电机驱动所述棱锥体旋转以使所述扫描镜面用于接收入射激光并反射以旋转扫描被测对象。该装置主要安装于飞机载体上，结构简单易安装调试，且整个装置结构小巧；扫描镜的质心转轴与驱动电机轴重合，转动惯量小，减少了电机负载；棱锥体的各侧面均可作为激光发射与接收面，可用于多路激光发射与接收；扫描角度范围大，且激光脚点网格均匀，适合做激光点云数据。

Description

一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法
技术领域
本发明属于激光雷达扫描技术领域，具体涉及一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法。
背景技术
已有激光雷达的扫描方式有机械式与非机械式，机械式的扫描方式包括转鼓扫描、摆镜扫描、旋转反射镜和光纤扫描等，还有近几年出现的微机电MEMS扫描振镜(Micro-Electro-Mechanical System)。非机械式的扫描方式包括声光扫描、电光扫描、光学相控阵扫描、全息光栅扫描等方式。本申请可归属于机械式的多面棱镜，因此非机械式的不多做描述，重点描述本申请与已有的机械式扫描方式区别。
其中，转鼓扫描方式主体结构是一个有多个均匀柱面反射镜的转鼓，扫描角与柱面个数有关，柱面个数越多扫描角越小。工作时，激光束从侧面入射到柱面镜后被产生镜面反射，在驱动电机的带动下柱面镜的法线沿转轴旋转，引起了反射光线的扫描现象，每个柱面转过时产生一条扫描线，常见在机载测绘激光雷达使用。由于电机的转速可以做到很高，所以转鼓扫描速度比较快，但是转鼓体积大，配置成扫描系统比较复杂，成本比较高，加上转鼓加工工艺的限制，会影响反射光束的质量。而摆镜扫描结构是一面平面或曲面反射镜，激光入射后产生反射光，反射镜在驱动电机带动下作如钟摆式的来回摆动，使激光反射光束产生扫描效果。由于摆镜扫描角度越大，扫描频率就越低，所以它的扫描角一般不大，通常在10°～25°。旋转反射镜扫描方式常见的为双光楔扫描方式，光楔扫描的特点是比多面镜扫描方式的通光孔径要大，缺点是两个光楔需要两套扫描电机，增加了系统复杂度，并且透镜系统会引起色差，不适合多波长扫描。而光纤扫描方式中，根据光纤扫描的原理，激光从光纤出射后，光束发散角仅与光纤的口径有关，光纤的扫描视场与光纤的排列有关，随着光纤远离光轴，激光的扫描范围也将增加，由于该扫描方式使用两套光纤系统分别进行接收和发射，不利于扫描系统的小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机载激光雷达扫描镜装置，解决了以上所述的技术问题。
为此，本发明提供了一种机载激光雷达扫描镜装置，包括均安设于无人机上的驱动电机、编码器及棱锥体，所述棱锥体的对称中心轴与所述驱动电机的输出轴连接，所述编码器记录电机带动棱锥体的旋转角度，所述棱锥体的各侧面均设有扫描镜面，所述驱动电机驱动所述棱锥体旋转以使所述扫描镜面用于接收入射激光并反射以旋转扫描被测对象。
优选地，本发明的机载激光雷达扫描镜装置，所述棱锥体为中空结构。
优选地，本发明的机载激光雷达扫描镜装置，所述棱锥体的侧面数量至少为三个。
优选地，本发明的机载激光雷达扫描镜装置，所述棱锥体为多棱锥，所述驱动电机的输出轴与所述棱锥的底面垂直，所述棱锥的顶端竖直朝下。
优选地，本发明的机载激光雷达扫描镜装置，所述棱锥底面水平布置，根据需求订制各侧面与所述底面的夹角，所述入射激光的入射光路水平照射在所述扫描镜面上。
优选地，本发明的机载激光雷达扫描镜装置，所述扫描镜面镀相应激光波长的高反射膜，镀膜后反射率大于95％。
本发明还提供一种机载激光雷达扫描系统，包括激光发射器及接收光学系统，还包括如上述的机载激光雷达扫描装置，所述扫描镜面位于所述入射激光的入射光路上，所述接收光学系统位于所述扫描镜面的反射光路上以获取扫描数据。
本发明还提一种利用上述的机载激光雷达扫描装置的扫描方法，包括
建立坐标系：以棱锥体的对称中心轴为Z轴，底面为XOY平面建立O-XYZ坐标系，其中，棱锥体的各侧面均固设有扫描镜面；
扫描数据获取：以四棱锥为例，获取入射光和扫描镜面的法线的夹角α，激光入射点至被测面的垂直距离H，棱锥体的旋转角度Φ，机载激光雷达载具速度V，棱锥体转速为n，每扫描周发射点数为m，棱锥体的侧面均与所述底面的夹角A；
当激光发射器的入射激光水平入射至扫描镜面，绕所述棱锥体的对称中心轴旋转便可形成反射扫描区域，则扫描区域的三维坐标为：
Figure GDA0003779089640000031
cosa、cosb和cosc为反射光线的在O-XYZ坐标系内的方向余弦由以下公式确定得到：
cos2 a+cos2 b+cos2 c＝1；
Figure GDA0003779089640000041
有益效果：本发明提供了一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法，包括均安设于无人机上的驱动电机、编码器及棱锥体，所述棱锥体的对称中心轴与所述驱动电机的输出轴连接，所述编码器记录电机带动棱锥体的旋转角度，所述棱锥体的各侧面均设有扫描镜面，所述驱动电机驱动所述棱锥体旋转以使所述扫描镜面用于接收入射激光并反射以旋转扫描被测对象。该装置主要安装于飞机载体上，结构简单易安装调试，且整个装置结构小巧；扫描镜的质心转轴与驱动电机轴重合，转动惯量小，减少了电机负载；棱锥体的各侧面均可作为激光发射与接收面，可用于多路激光发射与接收；扫描角度范围大，且激光脚点网格均匀，适合做激光点云数据。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1为本发明机载激光雷达扫描镜装置的结构示意图；
图2为本发明机载激光雷达扫描镜装置的侧视图；
图3为本发明机载激光雷达扫描镜装置的飞机悬停状态下的激光地面脚点轨迹图；
图4为本发明机载激光雷达扫描镜装置的飞行状态下扫描轨迹图。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
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该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1至图3所述，本发明实施例提供了一种包括均安设于无人机上的驱动电机、编码器及棱锥体1，所述棱锥体1的对称中心轴3与所述驱动电机的输出轴连接，所述编码器记录电机带动棱锥体1的旋转角度，所述棱锥体1的各侧面均设有扫描镜面2，所述驱动电机驱动所述棱锥体1旋转以使所述扫描镜面2用于接收入射激光并反射以旋转扫描被测对象。
其中，入射激光到达扫描镜装置的一个扫描镜面片2，反射光线在入射光束、镜面法线形成的平面内射向地面，扫描结构在电机驱动转轴带动下旋转，反射光线在地面形成弧形扫描轨迹。扫描镜安装在汽车、飞机等运动载体上时，弧形扫描轨迹不断重复形成扫描脚点。
本扫描结构有扫描多面体1即棱锥体、扫描镜面2、扫描驱动装置包括电机、驱动器与编码器组成。工作时，入射激光水平出射到扫描镜面2，反射光线指向下方，扫描多面体1在电机带动下绕转轴旋转，此时扫描镜面2的法线同时绕转轴即对称中心周3旋转，因此入射激光产生的反射光线产生扫描现象，见图示扫描角和扫描宽度。
优选的方案，扫描多面体1为多面(三面及以上)结构；为了减小多面体的体积与惯量，在保证扫描镜面2不发生形变的情况下挖空或做支撑结构。
优选的方案，扫描镜面2不限制形状与尺寸，以适配多面体的安装面为准，扫描镜面2镀相应激光波长的高反射膜，镀膜后反射率大于95％。反射率越大则数据接收越精确，便于后续的数据获取及分析。
优选的方案，扫描传动装置包括电机、驱动器与编码器组成，电机的转轴垂直于扫描体顶面且经过顶面圆圆心。
本发明实施例还提供了一种机载激光雷达扫描系统，包括激光发射器及接收光学系统，还包括如前所述的机载激光雷达扫描装置，所述扫描镜面位于所述入射激光的入射光路上，所述接收光学系统位于所述扫描镜面的反射光路上以获取扫描数据。
优选的方案，所述接收光学系统4包括多个。光学接收系统4可以在扫描多面体的任一扫描镜面安装使用。也可以是在每个扫描镜面的激光反射光路上对应安装一个光学接收系统4。
本发明实施例还提供了一种机载激光雷达扫描方法，下面针对扫描轨迹点算法进行解释说明：
如图2所示的扫描结构的侧视图，取扫描镜面为四面、扫描镜面与顶面呈45度的结构为例，计算扫描轨迹点。以下图建立O-XYZ右手直角坐标系，Y轴垂直于纸面向内，侧视图(前、左视图相同)中扫描镜面的安装面与顶面呈现45°，两个扫描镜面安装面呈现90°。
A为棱锥体的侧面均与所述底面的夹角，比如这里为45°。
(1)入射光的方向向量
在O-XYZ坐标系中，入射光的方向向量为：
Figure GDA0003779089640000071
(2)扫描镜面的法向量
Figure GDA0003779089640000072
由(1)和(2)可得，入射光和法线的夹角α为：
cosα＝F1′·F2′＝-cos45°cosΦ (3)
(3)计算反射光方向向量
①光程平面法向量
定义由激光入射线及扫描镜面法线构成的平面为光程平面，先求光学平面法向量：
Figure GDA0003779089640000081
②反射光方向向量
设反射光的单位方向向量为F3′＝(x，y，z),根据光学反射原理，存在以下三个关系：
Figure GDA0003779089640000082
根据以上关系列方程组：
AX＝L (4)
Figure GDA0003779089640000083
Figure GDA0003779089640000084
Figure GDA0003779089640000085
解方程组(4)得：X＝A-1L (5)
定义
Figure GDA0003779089640000086
Figure GDA0003779089640000087
Figure GDA0003779089640000091
上式就是最后投向海面的激光束的单位方向向量，显然存在以下关系：
cos2 a+cos2 b+cos2 c＝1
当扫描结构放置如机载平台的运动载体时上，激光在地面的脚点轨迹可由以下算法计算。
(1)数学模型
我们知道扫描镜面的激光入射点O至被测面(比如：海面)的垂直距离H是由红外激光直接测定的，由(6)，则激光海面点S的空间坐标为：
Figure GDA0003779089640000092
(2)激光海面点轨迹的试运算
①飞机悬停状态下扫描轨迹
取航高为H＝500(m)，扫描起试点的扫描镜面转角为-45度，经计算机编程模拟激光点的海面轨迹，数值如表1，效果如图3所示。
表1飞机悬停状态下的激光地面脚点轨迹点坐标
Figure GDA0003779089640000093
Figure GDA0003779089640000101
Figure GDA0003779089640000111
Figure GDA0003779089640000121
Figure GDA0003779089640000131
②飞机飞行状态下扫描轨迹
设飞机航速为v＝50(m/s)，航行方向为X轴正方向，反射转镜的转速为n(转/秒)。激光器的脉冲重复频率取3600Hz，扫描装置转速为n＝10转/秒，另取航高为H＝100(m)，扫描起试点的扫描镜面转角为-45度，每扫描周发射点数为m＝360点，所以扫描频率为360×10＝3600(点/秒)，可得飞机飞行时激光海面点的三维坐标。
Figure GDA0003779089640000132
经计算机编程模拟激光点的海面轨迹，扫描镜经过1秒产生3600个坐标点轨迹效果如图4所示，在飞行100米高度的情况下，扫描宽度为140米，与其他扫描方式比较，激光脚点网格均匀，适合做激光点云数据。
有益效果：本发明提供了一种机载激光雷达扫描镜装置、系统及扫描方法，包括均安设于无人机上的驱动电机、编码器及棱锥体，所述棱锥体的对称中心轴与所述驱动电机的输出轴连接，所述编码器记录电机带动棱锥体的旋转角度，所述棱锥体的各侧面均设有扫描镜面，所述驱动电机驱动所述棱锥体旋转以使所述扫描镜面用于接收入射激光并反射以旋转扫描被测对象。该装置主要安装于飞机载体上，结构简单易安装调试，且整个装置结构小巧；扫描镜的质心转轴与驱动电机轴重合，转动惯量小，减少了电机负载；棱锥体的各侧面均可作为激光发射与接收面，可用于多路激光发射与接收；扫描角度范围大，且激光脚点网格均匀，适合做激光点云数据，
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，其特征在于，使用一种机载激光雷达扫描镜装置，所述机载激光雷达扫描镜装置包括均安设于无人机上的驱动电机、编码器及棱锥体，所述棱锥体的对称中心轴与所述驱动电机的输出轴连接，所述编码器记录电机带动棱锥体的旋转角度，所述棱锥体的各侧面均设有扫描镜面，所述驱动电机驱动所述棱锥体旋转以使所述扫描镜面用于接收入射激光并反射以旋转扫描被测对象；
所述利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法包括以下步骤：
建立坐标系：以棱锥体的对称中心轴为Z轴，底面为XOY平面建立O-XYZ坐标系，其中，棱锥体的各侧面均固设有扫描镜面；
扫描数据获取：以四棱锥为例，获取入射光和扫描镜面的法线的夹角α，激光入射点至被测面的垂直距离H，棱锥体的旋转角度Φ，机载激光雷达载具速度V，棱锥体转速为n，每扫描周发射点数为m，棱锥体的侧面均与所述底面的夹角A；
当激光发射器的入射激光水平入射至扫描镜面，绕所述棱锥体的对称中心轴旋转便可形成反射扫描区域，则扫描区域的三维坐标为：
Figure FDA0003779089630000011
cosa、cosb和cosc为反射光线的在O-XYZ坐标系内的方向余弦由以下公式确定得到：
cos2 a+cos2 b+cos2 c＝1；
Figure FDA0003779089630000021
2.根据权利要求1所述的利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述棱锥体为中空结构。
3.根据权利要求1所述的利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述棱锥体的侧面数量至少为三个。
4.根据权利要求1所述的利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述棱锥体为多棱锥，所述驱动电机的输出轴与所述棱锥的底面垂直，所述棱锥的顶端竖直朝下。
5.根据权利要求4所述的利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述棱锥底面水平布置，根据需求订制各侧面与所述底面的夹角，所述入射激光的入射光路水平照射在所述扫描镜面上。
6.根据权利要求1所述的利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，其特征在于，所述扫描镜面镀相应激光波长的高反射膜，镀膜后反射率大于95％。
7.一种机载激光雷达扫描系统，包括激光发射器及接收光学系统，其特征在于：能够执行如权利要求1～6任一项所述的利用机载激光雷达扫描装置的扫描方法，所述扫描镜面位于所述入射激光的入射光路上，所述接收光学系统位于所述扫描镜面的反射光路上以获取扫描数据。
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