CN113126118A - 3d激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D激光雷达。3D激光雷达包括：激光发射单元；激光接收单元，激光接收单元位于激光发射单元的一侧；旋转反射单元，旋转反射单元能够转动，激光发射单元与旋转反射单元间隔设置，且激光发射单元的出光口朝向旋转反射单元，激光接收单元位于出光口的反向延长线上；旋转装置，激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元均安装在旋转装置上，旋转装置带动激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元转动。本发明解决了现有技术中激光雷达存在扫描盲区大的问题。

Description

3D激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达设备技术领域，具体而言，涉及一种3D激光雷达。

背景技术

在AGV(自动导引运输车)、工业机器人、现代安防等领域，智能移动设备需要随时捕捉设备周围的障碍物距离及角度信息，以发射激光光束来探测目标位置，其工作原理是向被探测物体发射探测激光光束，然后探测到障碍物反射回来的回波信号与出射激光信号进行时间比较，做适当处理后可获得目标物信息，如：距离、轮廓、方位。

目前应用的激光雷达大多是二维激光雷达，或者是只具备一些固定角度的三维激光雷达，都具备扫描信息量少，角度盲区大的缺点。

也就是说，现有技术中激光雷达存在扫描盲区大的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种3D激光雷达，以解决现有技术中激光雷达存在扫描盲区大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种3D激光雷达，包括：激光发射单元；激光接收单元，激光接收单元位于激光发射单元的一侧；旋转反射单元，旋转反射单元能够转动，激光发射单元与旋转反射单元间隔设置，且激光发射单元的出光口朝向旋转反射单元，激光接收单元位于出光口的反向延长线上；旋转装置，激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元均安装在旋转装置上，旋转装置带动激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元转动。

进一步地，旋转反射单元包括：反射镜，反射镜具有至少一个反射面；第一旋转单元，反射镜安装在第一旋转单元上，且第一旋转单元带动反射镜转动；第一反馈单元，第一反馈单元的至少一部分安装在第一旋转单元上，第一反馈单元为第一旋转单元提供发光时刻信息和角度方位信息。

进一步地，第一反馈单元与激光发射单元电连接，第一反馈单元包括：第一码盘，第一码盘具有第一刻度信号，第一码盘安装在第一旋转单元上，且第一码盘随第一旋转单元同心旋转；第一编码器，第一编码器安装在旋转装置上，第一编码器能够读取第一刻度信号和第一码盘的转动角度信息，第一编码器读取到第一刻度信号后控制激光发射单元发射激光束。

进一步地，旋转反射单元还包括无线供电单元，无线供电单元为第一旋转单元和第一反馈单元供电。

进一步地，3D激光雷达还包括：无线数据传输单元，第一旋转单元上的电压变化为无线数据传输单元供电，无线数据传输单元与无线供电单元同轴设置且无线数据传输单元位于无线供电单元的下方；主控单元，第一旋转单元旋转扫描得到的信息、第一反馈单元采集到的信息和旋转装置采集的信息均通过无线数据传输单元传输给主控单元。

进一步地，反射镜是反射棱镜。

进一步地，旋转反射单元是振镜，振镜作为反射面往复摆动，实现一个维度的扫描，振镜包括MEMS振镜、压电振镜和电磁振镜中的一种。

进一步地，旋转装置包括：第二旋转单元，第二旋转单元在电力的驱动下旋转，激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元均安装在第二旋转单元上；第二反馈单元，第二反馈单元安装在第二旋转单元上，第二反馈单元记录第二旋转单元的旋转角度。

进一步地，第二反馈单元包括：第二码盘，第二码盘具有第二刻度信号，第二码盘与第二旋转单元的电机同心旋转；第二编码器，第二编码器能够读取第二刻度信号和第二码盘的转动角度信息。

进一步地，3D激光雷达还包括滤光罩，旋转装置、激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元均位于滤光罩中，激光发射单元发射出的激光束能透过滤光罩。

进一步地，激光发射单元的发射光轴与激光接收单元的接收光轴平行或同轴。

进一步地，激光发射单元和激光接收单元位于反射镜的几何中心所在平面的下方，且发射光轴和接收光轴与反射镜的几何中心所在平面呈角度设置。

进一步地，第一旋转单元的电机的轴心线与反射镜的几何中心重合。

进一步地，旋转装置旋转360度，以使3D激光雷达的扫描区域为半球形。

应用本发明的技术方案，3D激光雷达包括激光发射单元、激光接收单元、旋转反射单元和旋转装置，激光接收单元位于激光发射单元的一侧；旋转反射单元能够转动，激光发射单元与旋转反射单元间隔设置，且激光发射单元的出光口朝向旋转反射单元，激光接收单元位于出光口的反向延长线上；激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元均安装在旋转装置上，旋转装置带动激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元转动。

通过在3D激光雷达中设置旋转反射单元，使得旋转反射单元能够同时转动和反射激光发射单元发射出来的光束，进而将光束以不同的角度反射出去，以形成具有一定面积的扫描区域。旋转反射单元不仅能够将激光发射单元发射出来的光束反射到环境中去，同时也能够将环境中的物体反射回来的光束反射到激光接收单元中。旋转装置的设置使得激光发射单元、激光接收单元和旋转反射单元均能转动，在旋转装置转动的过程中，激光发射单元与旋转反射单元还在发射和反射光束，这样就可以将激光光束反射到不同的位置，增大了3D激光雷达的扫描区域，形成一个三维的扫描球面。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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示出了本发明的实施例一的3D激光雷达的整体结构示意图；以及

图2示出了图1中反射镜的入射光与出射光的一个角度关系；

图3示出了图1中反射镜的入射光与出射光的另一个角度关系；

图4示出了图1中的第一旋转单元旋转一周之后形成的扫描面的图形；

图5示出了图1中的第二旋转单元旋转一周之后形成的扫描球面；

图6示出了图1中的无线供电单元的结构示意图；

图7示出了图1中无线数据传输单元的结构示意图；

图8示出了本发明的实施例二的3D激光雷达的整体结构示意图；

图9示出了本发明的实施例三的3D激光雷达的整体结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、激光发射单元；20、激光接收单元；30、旋转反射单元；31、反射镜；32、第一旋转单元；33、第一反馈单元；34、无线供电单元；341、第一内部线圈；342、第一外部线圈；40、旋转装置；41、第二旋转单元；42、第二反馈单元；50、无线数据传输单元；51、第二内部线圈；52、第二外部线圈；60、主控单元；70、滤光罩；80、扫描面；90、扫描球面。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中激光雷达存在扫描盲区大的问题，本发明提供了一种3D激光雷达。

如图1至图9所示，3D激光雷达包括激光发射单元10、激光接收单元20、旋转反射单元30和旋转装置40，激光接收单元20位于激光发射单元10的一侧；旋转反射单元30能够转动，激光发射单元10与旋转反射单元30间隔设置，且激光发射单元10的出光口朝向旋转反射单元30，激光接收单元20位于出光口的反向延长线上；激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30均安装在旋转装置40上，旋转装置40带动激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30转动。

通过在3D激光雷达中设置旋转反射单元30，使得旋转反射单元30能够同时转动和反射激光发射单元10发射出来的光束，进而将光束以不同的角度反射出去，以形成具有一定面积的扫描区域。旋转反射单元30不仅能够将激光发射单元10发射出来的光束反射到环境中去，同时也能够将环境中的物体反射回来的光束反射到激光接收单元20中。旋转装置40的设置使得激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30均能转动，在旋转装置40转动的过程中，激光发射单元10与旋转反射单元30还在发射和反射光束，这样就可以将激光光束反射到不同的位置，增大了3D激光雷达的扫描区域，形成一个三维的扫描球面90。

需要说明的是，激光发射单元10发射出来的光束是准直之后的激光光束。

实施例一

如图1所示，旋转反射单元30包括反射镜31、第一旋转单元32和第一反馈单元33，反射镜31具有至少一个反射面；反射镜31安装在第一旋转单元32上，且第一旋转单元32带动反射镜31转动；第一反馈单元33的至少一部分安装在第一旋转单元32上，第一反馈单元33为第一旋转单元32提供发光时刻信息和角度方位信息。第一旋转单元32的几何中心为第一旋转单元32的转动轴，第一旋转单元32带动反射镜31对光束进行反射。若反射镜31上具有N个反射面，第一旋转单元32转动一次，N个反射面均会对激光发射单元10发射的光束进行反射，即形成了N次扫描，增大了扫描频率，以增加扫描的准确性。第一反馈单元33的设置为第一旋转单元32提供角度方位信息，以探测障碍物所在的方向。

需要说明的是，反射镜31上的一个反射面，在第一旋转单元32转动一圈的过程中，一个反射面对激光发射单元10射出的光进行反射，反射出的第一条光束和反射出的最后一条光束之间形成一个扇形面，该扇形面为该反射面的扫描面80。扇形面的夹角为扫描面80的视场角，该夹角不小于90度。扫描角度的起始角度不高于水平方向，扫描角度的终止角度不低于竖直方向。这样设置可以保证扫描面80的扫描面积和扫描角度，以减小盲区。

具体的，第一反馈单元33与激光发射单元10电连接，第一反馈单元33包括第一码盘和第一编码器，第一码盘具有第一刻度信号，第一码盘安装在第一旋转单元32上，且第一码盘与第一旋转单元32的电机同心旋转；第一编码器安装在旋转装置40上，第一编码器能够读取第一刻度信号和第一码盘的转动角度信息，第一编码器读取到第一刻度信号后控制激光发射单元10发射激光束。第一编码器读取第一码盘上的第一刻度信号并控制第一旋转单元32的电机的转速。第一编码器控制激光发射单元10发光，每当第一编码器读取到第一刻度信号后，激光发射单元10发射出一个或多个激光光束。这种方式实现了在一个维度上固定角度发光，扫描测试更加稳定可靠，可以明确的探知障碍物或者入侵物的方位。

如图1和图6所示，旋转反射单元30还包括无线供电单元34，无线供电单元34为第一旋转单元32和第一反馈单元33供电。为了保证旋转反射单元30在旋转的过程中不被线缠绕，采用无线供电单元34为第一旋转单元32供电，以保证第一旋转单元32旋转的稳定性和可靠性。

需要说明的是，无线供电单元34是一对同心的线圈组成，无线供电单元34包括第一内部线圈341和第一外部线圈342，第一内部线圈341固定在旋转装置40的旋转轴上，第一外部线圈342固定在滤光罩70的底部，第一外部线圈342由主控单元60供电，与第一内部线圈341互感，从而在第一内部线圈341上产生电压，供第一旋转单元32和第一反馈单元33使用。

如图1和图7所示，3D激光雷达还包括无线数据传输单元50和主控单元60，第一旋转单元32上的电压变化为无线数据传输单元50供电，无线数据传输单元50与无线供电单元34同轴设置且无线数据传输单元50位于无线供电单元34的下方；第一旋转单元32旋转扫描得到的信息、第一反馈单元33采集到的信息和旋转装置40采集的信息均通过无线数据传输单元50传输给主控单元60。无线数据传输单元50由一对同心的线圈组成，无线数据传输单元50包括第二内部线圈51和第二外部线圈52，第二内部线圈51同心的固定在旋转装置40的旋转轴上，第二外部线圈52固定在滤光罩70的底部，第二内部线圈51由第一旋转单元上从无线供电单元34上获得的电压来供电，根据与第二外部线圈52的互感，传输扫描数据。

需要说明的是，无线供电单元34和无线数据传输单元50同轴上下排布，无线供电单元34位于无线数据传输单元50的上方。

可选地，反射镜31是反射棱镜。需要反射棱镜是正N边形的。如图5所示，旋转装置40包括第二旋转单元41和第二反馈单元42，第二旋转单元41在电力的驱动下旋转，激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30均安装在第二旋转单元41上；第二反馈单元42安装在第二旋转单元41上，第二反馈单元42记录第二旋转单元41的旋转角度。第二旋转单元41带动激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30做360度旋转运动，以使得3D激光雷达形成一个半球形的扫描球面90。

需要说明的是，第二旋转单元41采用外转子盘式电机，内圈为电机定子绕组，内圈固定不动，外圈为电机磁极转子，电机磁极转子能够自由旋转，电机磁极转子带动激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30转动。

具体的，第二反馈单元42包括第二码盘和第二编码器，第二码盘具有第二刻度信号，第二码盘与第二旋转单元41的电机同心旋转；第二编码器能够读取第二刻度信号和第二码盘的转动角度信息。

第二旋转单元41的电机的轴心线为第二旋转单元41的转轴，为了明确绕第二旋转单元41的转轴旋转扫描时的角度信息，需要第二编码器读取第二码盘上的第二刻度信号，明确每一个角度值下扫描面80对应的角度。扫描面80绕着第二旋转单元41的转轴旋转形成一个扫描球面90。

由于第二旋转单元41的电机的转速问题，想要实现在第二旋转单元41旋转时获得更高的角度分辨率，第二旋转单元41旋转一周一般还实现不了整圈上每一个角度细分上都有一个扫描面80，因此需要计算形成完整扫描球面90所需的时间。例如，第二旋转单元41上的电机转速为300r/min，角度分辨率为0.1度。第二旋转单元41旋转一圈共有360/0.1＝3600圈数据需要扫描得到，然而实际上扫一圈的时间是60/300＝0.2s，0.2秒内第一旋转单元32得到的扫描面80仅有0.2*N*6000/60*0.5＝30圈，因此，3600/30＝1200圈，也就是说第二旋转单元41转动120圈才能组合拼接成一个完整的扫描球面90。

如图1所示，3D激光雷达还包括滤光罩70，旋转装置40、激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30均位于滤光罩70中，激光发射单元10发射出的激光束能透过滤光罩70。滤光罩70的设置可以减少杂散光对激光接收单元20的影响，增加了3D激光雷达扫描的准确性。

具体的，激光发射单元10的发射光轴与激光接收单元20的接收光轴平行或同轴。这样可以保证激光发射单元10发射出的光被旋转反射单元30反射后射出，被环境中的物体反射到旋转反射单元30上，旋转反射单元30能够将环境中的物体反射的光反射到激光接收单元20上，以保证激光接收单元20能够接收到光线。

如图1所示，激光发射单元10和激光接收单元20位于反射镜31的几何中心所在平面的下方，且发射光轴和接收光轴与反射镜31的几何中心所在平面呈角度设置。这样设置可以保证扫描角度的起始角度不高于水平方向，扫描角度的终止角度不低于竖直方向。扫描角度是指反射镜31将激光发射单元10发射出的光反射出的角度。

需要说明的是，上述的水平方向是指图2中的出射零度方向，而竖直方向是指图3中的出射90度方向。

在本实施例中，反射镜31具有多个反射面。

具体的，第一旋转单元32的电机的轴心线与反射镜31的几何中心重合。这样就使得反射镜31能够绕第一旋转单元32的电机的轴心线转动。

需要说明的是，旋转装置40旋转360度，以使3D激光雷达的扫描区域为半球形。

实施例二

与实施例一的区别是，激光发射单元10和激光接收单元20的位置不同。

在图8所示的具体实施例中，激光发射单元10和激光接收单元20位于反射镜31的几何中心所在平面的上方，且发射光轴和接收光轴与反射镜31的几何中心所在平面呈角度设置。在本实施例中，扫描的起始位置为竖直方向(90度)，扫描的终止位置为水平方向(0度)。在本实施例中，第二旋转单元41带动激光发射单元10、激光接收单元20和旋转反射单元30转动，就可得到扫描球面90。

实施例三

与实施例一的区别是，反射镜31不同。

在图9所示的具体实施例中，反射镜31是单面反射镜，反射镜31与第一旋转单元32的电机旋转轴线夹角为45度，激光发射单元10和激光接收单元20同轴设置，且第一旋转单元32的电机的轴线与激光发射单元10和激光接收单元20的轴线重合。第一旋转单元32带动反射镜31旋转扫描一周可形成一个夹角不小于180度的扇形扫描面80。第二旋转单元41带动第一旋转单元32旋转，将扇形扫描面80旋转成一个球面。

实施例四

与实施例一的区别是，旋转反射单元30的结构不同。

在本实施例中，旋转反射单元30是振镜，振镜作为反射面往复摆动，实现一个维度的扫描，振镜包括MEMS振镜、压电振镜和电磁振镜中的一种。在本实施例中，依靠振镜自身的摆动来实现的扫描，无需单独设置第一旋转单元32。振镜的往复摆动对激光发射单元10发出的光进行反射，形成扫描面80。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (14)

1.一种3D激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射单元(10)；

激光接收单元(20)，所述激光接收单元(20)位于所述激光发射单元(10)的一侧；

旋转反射单元(30)，所述旋转反射单元(30)能够转动，所述激光发射单元(10)与所述旋转反射单元(30)间隔设置，且所述激光发射单元(10)的出光口朝向所述旋转反射单元(30)，所述激光接收单元(20)位于所述出光口的反向延长线上；

旋转装置(40)，所述激光发射单元(10)、所述激光接收单元(20)和所述旋转反射单元(30)均安装在所述旋转装置(40)上，所述旋转装置(40)带动所述激光发射单元(10)、所述激光接收单元(20)和所述旋转反射单元(30)转动。

2.根据权利要求1所述的3D激光雷达，其特征在于，所述旋转反射单元(30)包括：

反射镜(31)，所述反射镜(31)具有至少一个反射面；

第一旋转单元(32)，所述反射镜(31)安装在所述第一旋转单元(32)上，且所述第一旋转单元(32)带动所述反射镜(31)转动；

第一反馈单元(33)，所述第一反馈单元(33)的至少一部分安装在所述第一旋转单元(32)上，所述第一反馈单元(33)为所述第一旋转单元(32)提供发光时刻信息和角度方位信息。

3.根据权利要求2所述的3D激光雷达，其特征在于，所述第一反馈单元(33)与所述激光发射单元(10)电连接，所述第一反馈单元(33)包括：

第一码盘，所述第一码盘具有第一刻度信号，所述第一码盘安装在所述第一旋转单元(32)上，且所述第一码盘随所述第一旋转单元(32)同心旋转；

第一编码器，所述第一编码器安装在所述旋转装置(40)上，所述第一编码器能够读取所述第一刻度信号和所述第一码盘的转动角度信息，所述第一编码器读取到所述第一刻度信号后控制所述激光发射单元(10)发射激光束。

4.根据权利要求2所述的3D激光雷达，其特征在于，所述旋转反射单元(30)还包括无线供电单元(34)，所述无线供电单元(34)为所述第一旋转单元(32)和所述第一反馈单元(33)供电。

5.根据权利要求4所述的3D激光雷达，其特征在于，所述3D激光雷达还包括：

无线数据传输单元(50)，所述第一旋转单元(32)上的电压变化为所述无线数据传输单元(50)供电，所述无线数据传输单元(50)与所述无线供电单元(34)同轴设置且所述无线数据传输单元(50)位于所述无线供电单元(34)的下方；

主控单元(60)，所述第一旋转单元(32)旋转扫描得到的信息、所述第一反馈单元(33)采集到的信息和所述旋转装置(40)采集的信息均通过所述无线数据传输单元(50)传输给所述主控单元(60)。

6.根据权利要求2所述的3D激光雷达，其特征在于，所述反射镜(31)是反射棱镜。

7.根据权利要求1所述的3D激光雷达，其特征在于，所述旋转反射单元(30)是振镜，所述振镜作为反射面往复摆动，实现一个维度的扫描，所述振镜包括MEMS振镜、压电振镜和电磁振镜中的一种。

8.根据权利要求1所述的3D激光雷达，其特征在于，所述旋转装置(40)包括：

第二旋转单元(41)，所述第二旋转单元(41)在电力的驱动下旋转，所述激光发射单元(10)、所述激光接收单元(20)和所述旋转反射单元(30)均安装在所述第二旋转单元(41)上；

第二反馈单元(42)，所述第二反馈单元(42)安装在所述第二旋转单元(41)上，所述第二反馈单元(42)记录所述第二旋转单元(41)的旋转角度。

9.根据权利要求8所述的3D激光雷达，其特征在于，所述第二反馈单元(42)包括：

第二码盘，所述第二码盘具有第二刻度信号，所述第二码盘与所述第二旋转单元(41)的电机同心旋转；

第二编码器，所述第二编码器能够读取所述第二刻度信号和所述第二码盘的转动角度信息。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的3D激光雷达，其特征在于，所述3D激光雷达还包括滤光罩(70)，所述旋转装置(40)、所述激光发射单元(10)、所述激光接收单元(20)和所述旋转反射单元(30)均位于所述滤光罩(70)中，所述激光发射单元(10)发射出的激光束能透过所述滤光罩(70)。

11.根据权利要求2所述的3D激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元(10)的发射光轴与所述激光接收单元(20)的接收光轴平行或同轴。

12.根据权利要求11所述的3D激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元(10)和所述激光接收单元(20)位于所述反射镜(31)的几何中心所在平面的下方，且所述发射光轴和所述接收光轴与所述反射镜(31)的几何中心所在平面呈角度设置。

13.根据权利要求2所述的3D激光雷达，其特征在于，所述第一旋转单元(32)的电机的轴心线与所述反射镜(31)的几何中心重合。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的3D激光雷达，其特征在于，所述旋转装置(40)旋转360度，以使所述3D激光雷达的扫描区域为半球形。

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