CN113640827A - 一种激光雷达自动避障系统及自动避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达自动避障系统及自动避障方法，自动避障系统包括激光雷达，激光雷达包括激光发射单元、探测光接收单元以及控制单元，激光雷达内还设有指示灯单元；指示灯单元包括指示灯激光器以及指示光调节单元，指示灯激光器发出的指示光通过指示光调节单元射向激光发射单元，探测光接收单元包括接收望远镜以及设于接收望远镜后端的后继光学组件，并且后继光学组件设于控制单元的前级光路中，使得接收望远镜在接收反射光后，通过后继光学组件分光后，被控制单元接收；其中，后继光学组件中设有短波通二向色镜，反射光在通过短波通二向色镜后被分成指示反射光以及探测反射光，本发明能够自动避障，消除安全隐患。

Description

一种激光雷达自动避障系统及自动避障方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达自动避障技术，特别涉及一种激光雷达自动避障系统及自动避障方法。

背景技术

激光雷达具有探测范围广、实时在线监测的特点，雷达的出现使大气立体环境成为可能，其中颗粒物污染监测、臭氧污染监测是目前激光雷达最主要的两个监测方向。但是由于回波信号来源为散射信号，信号幅值特别小，为了减小天气对雷达系统影响，保证系统的信噪比满足使用要求，通常激光雷达能量较高，通常是～1mJ级别，明显超出国标规定的人眼安全限值。

在雷达水平扫描模式中，其监测点通常位于居民区，部分情况下站点可用位置并不是最高点，雷达发出的激光会进入居民活动范围内，存在安全隐患。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种激光雷达自动避障系统及自动避障方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种激光雷达自动避障系统，包括激光雷达，所述激光雷达包括激光发射单元、探测光接收单元以及控制单元，所述激光雷达内还设有指示灯单元；

所述指示灯单元包括指示灯激光器以及指示光调节单元，所述指示灯激光器发出的指示光通过所述指示光调节单元射向所述激光发射单元，使得所述指示光与激光发射单元发射的探测激光共轴；

所述探测光接收单元包括接收望远镜以及设于接收望远镜后端的后继光学组件，并且所述后继光学组件设于所述控制单元的前级光路中，使得接收望远镜在接收反射光后，通过后继光学组件分光后，被控制单元接收；

其中，所述后继光学组件中设有短波通二向色镜，所述反射光在通过短波通二向色镜后被分成指示反射光以及探测反射光，所述指示反射光和探测反射光分别被所述控制单元接收；

所述指示光的波长是激光发射单元发射的探测激光的波长的2～4倍。

可选的，所述控制单元通过采集卡分别采集指示反射光和探测反射光。

可选的，所述指示光调节单元包括第一反射镜以及转动座组件，所述转动座组件与所述控制单元连接，使得所述转动座组件通过控制单元控制旋转角度。

可选的，所述激光发射单元包括激光二极管、第一二向色镜、第二反射镜以及第三反射镜；

所述激光二极管发射的探测激光依次通过第一二向色镜、第二反射镜、第三反射镜后，射向大气。

可选的，所述指示光在通过第一反射镜的反射后，射向所述第一二向色镜的镜面，使得所述指示光与所述探测激光耦合。

可选的，所述后继光学组件包括第二二向色镜以及所述短波通二向色镜，所述第二二向色镜设于短波通二向色镜的后级光路。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的指示光的波长比探测激光的波长大，不会对任何事物造成损害；

2、本发明能够实时准确判断障碍物，在有效避开障碍物的前提下，保留最大的有效探测范围；

3、本发明兼容性强，实现了在同一台激光雷达中兼容指示灯单元和激光发射单元，保证指示光的光轴与探测激光的光轴同轴，提高了激光雷达的性能。

基于上述的激光雷达自动避障系统，本发明还提供了一种激光雷达自动避障方法，包括以下步骤：

通过控制单元打开激光雷达，使激光雷达的激光发射单元发射出探测激光，指示灯单元发射出指示光；

通过激光雷达的接收望远镜接收反射光；

激光雷达的后继光学组件通过短波通二向色镜将反射光分束成指示反射光和探测反射光，并且指示反射光和探测反射光分别被激光雷达的控制单元接收；

激光雷达的控制单元在接收指示反射光后，根据指示反射光的数据对是否存在障碍物进行判断；

其中，在判断结果为障碍物时，激光雷达的控制单元发出停止发射探测激光的信号；在判断结果为非障碍物时，激光雷达的控制单元发出持续发射探测激光的信号。

可选的，激光雷达的控制单元在判断是否存在障碍物时，其判断步骤如下：

控制单元对指示反射光的数据信号强度进行遍历分析，在对指示反射光的数据信号强度进行遍历分析过程中，如果指示反射光的数据信号强度在迅速变化后未缓慢减小，控制单元判定存在障碍物，并发出停止发射探测激光的信号；

控制单元在发出停止发射探测激光的信号的同时，持续对判定障碍物后的指示反射光的信号强度进行判断，如果指示反射光的信号强度异常消失，控制单元判定障碍物消失，并发出发射探测激光的信号。

相应的，采取本发明的避障方法，具有以下有益效果：

1、本发明的指示光的波长比探测激光的波长大，不会对任何事物造成损害；

2、本发明能够实时准确判断障碍物，在有效避开障碍物的前提下，保留最大的有效探测范围；

3、本发明兼容性强，实现了在同一台激光雷达中兼容指示灯单元和激光发射单元，保证指示光的光轴与探测激光的光轴同轴，提高了激光雷达的性能。

附图说明

图1是本发明的激光雷达的系统结构示意图；

图2是本发明的激光雷达的探测光接收单元的结构示意图；

图3是本发明的障碍物判断流程图；

图4是本发明的障碍物波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请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相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

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申请。

如图1所示，本发明公开了一种激光雷达自动避障系统，包括激光雷达，其中，激光雷达包括激光发射单元、探测光接收单元以及控制单元。具体而言，激光发射单元包括激光二极管1、第一二向色镜2、第二反射镜3以及第三反射镜4，激光二极管1发射的探测激光依次通过第一二向色镜2、第二反射镜3、第三反射镜4后，射向大气。激光二极管1发出的探测激光，其波长为532nm。探测光接收单元包括接收望远镜5以及设于接收望远镜5后端的后继光学组件，并且后继光学组件设于控制单元的前级光路中，使得接收望远镜5在接收反射光后，通过后继光学组件分光后，被控制单元接收。控制单元即为激光雷达的上位机。激光发射单元、探测光接收单元以及控制单元的系统结构均是现有现有技术，在本说明书中不做过多的赘述，例如由安徽皖仪科技股份有限公司生产的LR7300型大气气溶胶激光雷达。

在本发明中，在激光雷达内还设有指示灯单元，指示灯单元集成在激光雷达的机箱内部。具体而言，如图1所示，指示灯单元包括指示灯激光器6以及指示光调节单元，指示灯激光器6发出的指示光通过指示光调节单元射向激光发射单元，使得指示光与激光发射单元发射的探测激光共轴。指示光调节单元包括第一反射镜7以及转动座组件，转动座组件固定安装在激光雷达的内部，转动座组件与控制单元连接，使得转动座组件通过控制单元控制旋转角度。指示灯激光器6发出的指示光的波长是探测激光的2～4倍，例如指示灯激光器6发出的指示光的波长是1550nm。

在本发明中，如图2所示，后继光学组件包括第二二向色镜8以及短波通二向色镜9，第二二向色镜8设于短波通二向色镜9的后级光路，反射光在通过短波通二向色镜9后被分成指示反射光以及探测反射光，指示反射光和探测反射光分别被控制单元接收，而控制单元则是通过采集卡分别采集指示反射光和探测反射光。

在本发明中，指示光在通过第一反射镜7的反射后，射向第一二向色镜2的镜面，使得指示光与探测激光耦合。

本发明的激光雷达自动避障系统，其在避障时，步骤如下：

S1、启动激光雷达。

通过控制单元打开激光雷达，使激光雷达的激光发射单元发射出探测激光，指示灯单元发射出指示光。

S2、激光雷达的接收望远镜5接收反射光。

反射光具体包括两种，一种是探测激光的反射光，其波长较短，另一种是指示光的反射光，这两种反射光融合在一起，并以同轴的形式被接收望远镜5所接收。

S3、反射光分束。

位于接收望远镜5后级光路的后继光学组件通过短波通二向色镜9将反射光分束成指示反射光和探测反射光，反射光在被分束后，指示反射光和探测反射光分别经过PMT转换为电信号，最终通过采集卡被激光雷达的控制单元接收。

S4、障碍物判断。

激光雷达的控制单元在接收指示反射光后，根据指示反射光的数据对是否存在障碍物进行判断。其中，在判断结果为障碍物时，激光雷达的控制单元发出停止发射探测激光的信号；在判断结果为非障碍物时，激光雷达的控制单元发出持续发射探测激光的信号。

在本发明中，如图3和4所示，激光雷达的控制单元在判断是否存在障碍物时，其判断步骤如下：

S11、控制单元对指示反射光的数据信号强度进行遍历分析。

在对指示反射光的数据信号强度进行遍历分析过程中，如果指示反射光的数据信号强度连续缓慢变化，控制单元返回执行遍历分析。否则，记录数据信号强度的起始异常点的序号及幅值。

在记录起始异常点后，控制单元对后续的数据信号强度进行判断，如果指示反射光的数据信号强度在迅速变化后缓慢减小，则判定为非障碍物，控制单元返回执行遍历分析；否则，数据信号强度在迅速变化后未缓慢减小，控制单元判定存在障碍物，并发出停止发射探测激光的信号。

S12、控制单元在发出停止发射探测激光的信号的同时，持续对判定障碍物后的指示反射光的信号强度进行判断，如果指示反射光的信号强度异常消失，控制单元判定障碍物消失，并发出发射探测激光的信号。

在图4中，区域A为障碍物的数据信号波形图。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种激光雷达自动避障系统，包括激光雷达，所述激光雷达包括激光发射单元、探测光接收单元以及控制单元，其特征在于，所述激光雷达内还设有指示灯单元；

所述指示灯单元包括指示灯激光器以及指示光调节单元，所述指示灯激光器发出的指示光通过所述指示光调节单元射向所述激光发射单元，使得所述指示光与激光发射单元发射的探测激光共轴；

所述探测光接收单元包括接收望远镜以及设于接收望远镜后端的后继光学组件，并且所述后继光学组件设于所述控制单元的前级光路中，使得接收望远镜在接收反射光后，通过后继光学组件分光后，被控制单元接收；

其中，所述后继光学组件中设有短波通二向色镜，所述反射光在通过短波通二向色镜后被分成指示反射光以及探测反射光，所述指示反射光和探测反射光分别被所述控制单元接收；

所述指示光的波长是激光发射单元发射的探测激光的波长的2～4倍。

2.根据权利要求1所述的激光雷达自动避障系统，其特征在于，所述控制单元通过采集卡分别采集指示反射光和探测反射光。

3.根据权利要求2所述的激光雷达自动避障系统，其特征在于，所述指示光调节单元包括第一反射镜以及转动座组件，所述转动座组件与所述控制单元连接，使得所述转动座组件通过控制单元控制旋转角度。

4.根据权利要求3所述的激光雷达自动避障系统，其特征在于，所述激光发射单元包括激光二极管、第一二向色镜、第二反射镜以及第三反射镜；

所述激光二极管发射的探测激光依次通过第一二向色镜、第二反射镜、第三反射镜后，射向大气。

5.根据权利要求4所述的激光雷达自动避障系统，其特征在于，所述指示光在通过第一反射镜的反射后，射向所述第一二向色镜的镜面，使得所述指示光与所述探测激光耦合。

6.根据权利要求5所述的激光雷达自动避障系统，其特征在于，所述后继光学组件包括第二二向色镜以及所述短波通二向色镜，所述第二二向色镜设于短波通二向色镜的后级光路。

7.一种激光雷达自动避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过控制单元打开激光雷达，使激光雷达的激光发射单元发射出探测激光，指示灯单元发射出指示光；

通过激光雷达的接收望远镜接收反射光；

激光雷达的后继光学组件通过短波通二向色镜将反射光分束成指示反射光和探测反射光，并且指示反射光和探测反射光分别被激光雷达的控制单元接收；

激光雷达的控制单元在接收指示反射光后，根据指示反射光的数据对是否存在障碍物进行判断；

其中，在判断结果为障碍物时，激光雷达的控制单元发出停止发射探测激光的信号；在判断结果为非障碍物时，激光雷达的控制单元发出持续发射探测激光的信号。

8.根据权利要求7所述的激光雷达自动避障方法，其特征在于，激光雷达的控制单元在判断是否存在障碍物时，其判断步骤如下：

控制单元对指示反射光的数据信号强度进行遍历分析，在对指示反射光的数据信号强度进行遍历分析过程中，如果指示反射光的数据信号强度在迅速变化后未缓慢减小，控制单元判定存在障碍物，并发出停止发射探测激光的信号；

控制单元在发出停止发射探测激光的信号的同时，持续对判定障碍物后的指示反射光的信号强度进行判断，如果指示反射光的信号强度异常消失，控制单元判定障碍物消失，并发出发射探测激光的信号。

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