CN112835017A - 一种多线激光雷达的扫描系统、多线激光雷达及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多线激光雷达的扫描系统、多线激光雷达及扫描方法。扫描系统包括激光发射单元；激光整形单元，用于将脉冲式激光的光斑进行整形；MEMS模组，用于改变整形后的激光在垂直方向上的发射角度；激光接收单元，用于对经被测物返回的激光进行整形；光电转换单元，用于接收经被测物返回的光信号并将其转换为电信号再进行放大后输出；以及，计算单元，用于获取发射角度信息并控制激光发射单元发射激光，同时接收光电转换单元输出的回波信号，并根据激光发射时间与回波信号计算被测物距离。通过选用MEMS模组，从而使得只需一个激光发射单元和一个接收单元就可以实现对激光雷达周围三维环境的探测，降低了扫描系统的成本和结构复杂度。

Description

一种多线激光雷达的扫描系统、多线激光雷达及扫描方法

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种多线激光雷达的扫描系统、多线激光雷达及扫描方法。

背景技术

激光雷达是一种以发射激光束探测目标的距离、方位等特征量的雷达系统。因其可以得到目标的三维信息，其具有抗干扰能力强、分辨率高等优点，因此，在自动驾驶和机器人领域占据了重要的地位。

传统的机械扫描多线激光雷达一般采用多个激光发射单元来实现多个发射角度的测量，从而导致激光扫描雷达成本高，结构复杂。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的机械扫描多线激光雷达采用多个激光发射单元来实现多个发射角度的测量，从而导致激光扫描雷达成本高，结构复杂缺陷，从而提供一种多线激光雷达的扫描系统、多线激光雷达及扫描方法。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：

一种多线激光雷达的扫描系统，包括：

激光发射单元，用于产生脉冲式激光；

激光整形单元，与所述激光发射单元相连，用于将所述脉冲式激光的光斑进行整形；

MEMS模组，用于改变整形后的激光在垂直方向上的发射角度；

激光接收单元，用于对经被测物返回的激光进行整形；

光电转换单元，用于接收经被测物返回的光信号并将其转换为电信号再进行放大后输出；

以及，计算单元，与所述MEMS模组及所述光电转换单元电连接，用于获取发射角度信息并控制所述激光发射单元发射激光，同时接收所述光电转换单元输出的回波信号，并根据所述激光发射时间与所述回波信号计算被测物距离。

本发明还提供一种多线激光雷达，其特征在于，包括：

如上述方案所述的扫描系统；

驱动源，与所述扫描系统相装配，并驱动所述扫描系统沿水平方向旋转扫描；

以及，主控系统，与所述驱动源及所述计算单元电连接，用于控制所述驱动源动作并读取所述扫描系统的转动角度，同时读取所述计算单元输出的发射角度信息以及距离信息，并根据所述转动角度、发射角度信息以及距离信息计算被测物的三维空间坐标信号。

可选的，所述激光接收单元的中心光轴与所述MEMS模组的中心光轴重合，且所述激光接收单元的中心轴处开设有孔，所述孔的尺寸大于位于中心轴位置的激光光斑的大小。

可选的，所述MEMS模组的垂直旋转角度小于所述光电转换单元与激光接收单元组成的接收系统的视场角。

可选的，所述MEMS模组在垂直方向做往返自由振动。

可选的，所述MEMS模组包括MEMS振镜以及角度反馈组件，所述MEMS振镜在0°方向时与水平方向形成45°夹角。

可选的，所述激光发射单元的发射光轴与所述接收透镜的中心光轴形成90°夹角。

可选的，所述光电转换单元为在竖直方向排列的多个APD阵列单元。

本发明还提供一种如上述所有方案中任一项所述的多线激光雷达的扫描方法，包括以下步骤：

控制驱动源动作并获取扫描系统转动的旋转角度；

获取MEMS模组返回的发射角度信息；

控制激光发射单元发射激光；

获取光电转换单元输出的回波信号；

根据激光发射时间与所述回波信号计算该发射角度时的距离信息；

根据所述距离信息、发射角度信息以及转动角度计算被测物的三维坐标。

可选的，所述主控系统控制所述驱动源驱动所述扫描系统在水平方向上变速转动。

本发明提供的多线激光雷达的扫描系统，通过选用MEMS模组，MEMS模组可改变激光在垂直方向上的发射角度，从而使得只需一个激光发射单元和一个激光接收单元就可以实现对激光雷达周围三维环境的探测，极大的减少了激光发射单元的数量，从而降低了多线激光雷达扫描系统的成本和结构复杂度。

本发明提供的多线激光雷达，通过选用成本和结构复杂度均较低的扫描系统，从而使得多线激光雷达的成本和结构复杂度也可以进一步降低，提高了多线激光雷达批量生产的效率。

本发明提供的多线激光雷达的扫描方法，扫描可靠性高；通过控制扫描系统变速旋转，从而使得在扫描系统静止前经过足够多次数的扫描就可以完全得到周围的环境信息，解决传统的三维激光雷达存在扫描盲点的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的实施例1中的多线激光雷达的扫描系统的光学结构示意图；

图2为本发明的实施例1中的多线激光雷达的结构示意图；

图3为本发明的实施例1中的多线激光雷达扫描轨迹示意图。

附图标记说明：

1、激光接收单元；2、中心开孔；3、MEMS模组；4、光电转换单元；5激光发射整形系统；6、激光发射单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参阅图1，本实施例涉及一种多线激光雷达的扫描系统，其中，扫描系统包括激光发射单元、激光整形单元、MEMS模组3，激光接收单元1、光电转换单元4以及计算单元。激光发射单元用于产生脉冲式激光。激光整形单元与激光发射单元相连，激光整形单元用于将激光发射单元发出的脉冲式激光的光斑进行整形，以得到质量较好的光束。MEMS模组3，即采用独特的微机电系统(MEMS)技术的电磁驱动振镜模组，MEMS模组3用于改变整形后的激光在垂直方向上的发射角度并获取该发射角度信息。激光接收单元1具体为激光接收透镜，用于对经被测物返回的激光进行整形，以保证激光接收单元1将接收能量全部汇聚到感光面上。光电转换单元4用于接收经被测物返回的光信号，并将该光信号转换为电信号再进行放大后输出。计算单元与MEMS模组3及光电转换单元4电连接，计算单元用于控制激光发射单元发射激光并获取发射角度信息，同时计算单元还用于接收光电转换单元4输出的回波信号，并根据激光发射时间与回波信号计算被测物的距离。具体的，计算单元为TDC系统，用于计算激光发光时刻到光电转换单元4接收到回波信号的时间差，将时间转换成数字量，并计算得到被测物的距离信息。以下以计算单元为TDC系统进行举例说明。

本实施例通过选用MEMS模组3，MEMS模组3可改变激光在垂直方向上的发射角度，从而使得只需一个激光发射单元和一个激光接收单元就可以实现对激光雷达周围三维环境的探测，极大的减少了激光发射单元的数量，从而降低了多线激光雷达扫描系统的成本和结构复杂度。

此外，请参阅图1-2，本实施例还涉及一种多线激光雷达，包括上述实施例的扫描系统、驱动源以及主控系统。

驱动源与扫描系统相装配，驱动源用于驱动扫描系统沿水平方向旋转扫描。

主控系统与驱动源以及TDC系统电连接，主控系统用于控制驱动源动作并读取扫描系统的转动角度，同时主控系统还用于读取TDC系统输出的发射角度信息以及距离信息，并根据所述转动角度、发射角度信息以及距离信息计算被测物的三维空间坐标信号。

具体的，激光发射单元发射激光后先经过激光整形单元(如图2中的LD整形系统)再经过MEMS模组3反射，然后经过激光接收单元1后到达被测物体表面。TDC系统根据MEMS返回的发射角度信息控制激光发射单元同步发光，并根据发光时间与APD接收到的回波信号的时间计算被测物距离，并将距离信息与发射角度信息传输到主控系统。驱动源驱动扫描系统在水面方向旋转从而完成扫描过程。

在本实施例中，激光接收单元1的中心光轴与MEMS模组3的中心光轴重合，且所述激光接收单元1的中心轴处开设有中心开孔2，中心开孔2的尺寸大于位于中心轴位置的激光光斑的大小。激光发射单元发射激光后先经过激光整形单元再经过MEMS模组3反射，然后经过激光接收单元1中心开孔2后到达被测物表面。

在本实施例中，MEMS模组3的垂直旋转角度小于所述光电转换单元4与激光接收单元1组成的接收系统的视场角。所述激光发射单元的发射光轴与所述接收透镜的中心光轴形成90°夹角。

请再参阅图1，在具体的实施例中，激光发射单元包括激光驱动电路和905nm半导体脉冲激光器。脉冲激光器的发光方向垂直于水平面，经过激光整形单元后得到光束质量较好，尺寸约为3mm的圆形激光光斑。MEMS模组3包括MEMS振镜和角度反馈组件，MEMS振镜在0°方向时与水平方向形成45°夹角，MEMS振动的角度范围为±7.5°，且工作在自由谐振状态，角度反馈组件可以提供两个通道的脉冲信号，一个通道在MEMS振镜每次到达0°位置时提供一个脉冲信号，另一个在相对0°位置每转动0.5°提供一个脉冲信号。整形后的激光光斑经过MEMS振镜反射后通过激光接收单元1的中心开孔2射出，由于MEMS振镜距离开孔位置很近，这样中心开孔2只需要略微大于MEMS镜面尺寸就可以保证振镜在+7.5°和-7.5°下反射的光都可以完全经过接收透镜的中心开孔2，避免有光斑会被接收透镜后表面反射后直接到达APD，形成干扰信号影响测量，当振镜在±7.5°范围内扫描时光斑在竖直方向的扫描角度相对水平方向为±15°。

在本实施例中，光电转换单元4在激光接收单元1的焦平面位置，具体的，本实施例中的光电转换单元4为APD，即雪崩光电二极管。可选的，在其他实施例中也可以是其他可实现光电转换的元器件。激光发出后到达被测物，经过被测物反射后的光经过接收透镜后能量集中在APD感光面上，并转化为电信号。在有效的垂直扫描角度内，被测物的光斑均在接收系统的视场角内部。在本实施例中APD为长165激光发射整形系统mm宽1mm的矩形感光面，接收透镜的背焦长为30mm，因此接收视场在竖直方向为30°，保证在整个竖直扫描角度上均可以完全被接收系统接收。

可选的，在本实施例中，APD为在竖直方向排列的多个APD阵列单元，当MEMS扫描在某一垂直角度上时对应开启特定的APD阵列单元，以实现接收竖直方向特定垂直角度上的激光。

在本实施例中，驱动源为电机，电机上安装有编码器，主控系统控制电机的输出轴水平旋转并通过编码器获取扫描系统的转动角度信息。TDC系统在获取MEMS模组3的发射角度信息后立即控制激光发射单元发射脉冲激光，从而完成该发射角度的测距，然后将距离信息与垂直角度信息通过无线传输的方式发送到主控系统，主控系统通过无线供电的方式为TDC系统提供电源。

本实施例的多线激光雷达的扫描过程大致如下所述：

在系统上电后，主控系统先控制电机达到设定的目标转速，当转速稳定后，主控系统通过无线供电为TDC系统提供电源，当TDC系统上电后，控制MEMS振镜开始振动，当接收到MEMS模组3第一个0°脉冲信号后开启激光发射单元同步发光测距。得到测距距离后将该距离和发射角度0°发送到主控系统，主控系统接收到该值后根据电机的编码器获取当前的水平绝对角度信息，并根据上述信息以激光雷达电机回转中心点为原点，建立三维坐标系计算当前测量点的三维坐标。当MEMS振镜振动到下一个角度0.5°时重复上述动作，在下一个0°脉冲到来后重复按照0°脉冲发光测距。因此当MEMS振镜的振动频率为5K时，本实施例的三维激光雷达垂直角度分辨率为1°，每个MEMS振镜振动周期内完成31次垂直测距，由于电机的水平转动，一个MEMS振镜周期内的扫描轨迹为一个三角函数图形如图3所示。

当电机转速为10HZ时，每个MEMS振镜振动周期内电机旋转0.365激光发射整形系统°，5HZ时为0.18°，本实施例中电机在5HZ到10HZ之间周期调节，因此本实施例的扫描光斑轨迹图为不重复的连续三角函数图形。在每个MEMS振镜振动周期内扫描轨迹的三角函数周期持续变化。当电机转动足够多次后(转速由5HZ调节到10HZ)，可以得到三维激光雷达周围垂直30°，水平365激光发射整形系统0°范围内所有点的距离信息。

本实施提供的多线激光雷达能够在雷达静止时完全无测量盲点的情况下完成对周围环境的信息重构。

此外，本实施例还涉及一种多线激光雷达的扫描方法，应用到上述的多线激光雷达中，具体包括以下步骤：控制驱动源动作并获取扫描系统转动的旋转角度；获取MEMS模组3返回的发射角度信息；控制激光发射单元发射激光；获取光电转换单元4输出的回波信号；根据激光发射时间与回波信号计算该发射角度时的距离信息；根据距离信息、发射角度信息以及转动角度计算被测物的三维坐标。具体的，通过主控系统控制驱动源动作并获取扫描系统转动的旋转角度；通过TDC系统获取MEMS模组3返回的发射角度信息；TDC系统控制激光发射单元发射激光；TDC系统获取光电转换单元4输出的回波信号；TDC系统根据激光发射时间与回波信号计算该发射角度时的距离信息；TDC系统将距离信息以及发射角度信息发送至主控系统；主控系统根据距离信息、垂直信息以及转动角度计算被测物的三维坐标。

可选的，主控系统控制驱动源驱动扫描系统在水平方向上变速转动。以使得扫描系统的转速可在一定范围随机自由调节，保证激光雷达静止时经过足够多的扫描次数后可以完全覆盖周围的环境信息。

该多线激光雷达可参照上述实施例，在此不再赘述。理所应当地，由于本实施例的多线激光雷达的扫描方法采用了上述多线激光雷达的技术方案，因此该多线激光雷达的扫描方法具有上述多线激光雷达所有的有益效果。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达的扫描系统，其特征在于，所述扫描系统包括：

激光发射单元，用于产生脉冲式激光；

激光整形单元，与所述激光发射单元相连，用于将所述脉冲式激光的光斑进行整形；

MEMS模组，用于改变整形后的激光在垂直方向上的发射角度；

激光接收单元，用于对经被测物返回的激光进行整形；

光电转换单元，用于接收经被测物返回的光信号并将其转换为电信号再进行放大后输出；

以及，计算单元，与所述MEMS模组及所述光电转换单元电连接，用于获取发射角度信息并控制所述激光发射单元发射激光，同时接收所述光电转换单元输出的回波信号，并根据所述激光发射时间与所述回波信号计算被测物距离。

2.一种多线激光雷达，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的扫描系统；

驱动源，与所述扫描系统相装配，并驱动所述扫描系统沿水平方向旋转扫描；

以及，主控系统，与所述驱动源及所述计算单元电连接，用于控制所述驱动源动作并读取所述扫描系统的转动角度，同时读取所述计算单元输出的发射角度信息以及距离信息，并根据所述转动角度、发射角度信息以及距离信息计算被测物的三维空间坐标信号。

3.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述激光接收单元的中心光轴与所述MEMS模组的中心光轴重合，且所述激光接收单元的中心轴处开设有孔，所述孔的尺寸大于位于中心轴位置的激光光斑的大小。

4.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述MEMS模组的垂直旋转角度小于所述光电转换单元与激光接收单元组成的接收系统的视场角。

5.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述MEMS模组在垂直方向做往返自由振动。

6.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述MEMS模组包括MEMS振镜以及角度反馈组件，所述MEMS振镜在0°方向时与水平方向形成45°夹角。

7.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元的发射光轴与所述接收透镜的中心光轴形成90°夹角。

8.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述光电转换单元为在竖直方向排列的多个APD阵列单元。

9.一种多线激光雷达的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制驱动源动作并获取扫描系统转动的旋转角度；

获取MEMS模组返回的发射角度信息；

控制激光发射单元发射激光；

获取光电转换单元输出的回波信号；

根据激光发射时间与所述回波信号计算该发射角度时的距离信息；

根据所述距离信息、发射角度信息以及转动角度计算被测物的三维坐标。

10.根据权利要求9所述的扫描方法，其特征在于，所述主控系统控制所述驱动源驱动所述扫描系统在水平方向上变速转动。

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