CN114636984A - 一种激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达，包括：旋转部、驱动部和主控单元，其中，所述旋转部上设置发射组件和接收组件，所述发射组件用于在第一维度发射激光光束并输出第一维度的第一角度信息至所述主控单元，所述接收组件用于接收待测物反射的激光光束并进行光电转换，将光电转换后的扫描信息发送至所述主控单元；所述驱动部用于驱动所述旋转部于第二维度旋转，并将驱动所述旋转部旋转的第二角度信息输出至所述主控单元；所述主控单元用于接收第一角度信息和第二角度信息以及扫描信息，并生成第一角度信息和第二角度信息形成的三维角度信息对应的扫描信息；可以实现三维空间的视场扫描，并降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达，由于具有对角度、速度、距离的高分辨率，较强的抗干扰能力等优良性能，因此广泛应用于AGV、工业机器人、自动驾驶等需要导航定位的领域。
激光雷达包括机械式激光雷达和固态激光雷达，但是固态激光雷达的视场有限，很难实现三维的全范围测距；因此为增加激光雷达的探测视场，通常采用多线束，如机械式激光雷达采用多线束增加视场，并提高自身的角分辨率，但是随着线束数量的增加，会导致雷达系统体积重量增加，以及成本提升，且需要将发射、接收模块进行一一对准装配，繁琐且工作量大，其生产难度较大。
因此，迫切需要一种可降低成本且增加探测视场的激光雷达。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种激光雷达，以解决现有的三维激光雷达不能兼顾低成本和三维测距的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种激光雷达，包括：旋转部、驱动部和主控单元，其中，所述旋转部上设置发射组件和接收组件，所述发射组件用于在第一维度发射激光光束并输出第一维度的第一角度信息至所述主控单元，所述接收组件用于接收待测物反射的激光光束并进行光电转换，将光电转换后的扫描信息发送至所述主控单元；
所述驱动部用于驱动所述旋转部于第二维度旋转，并将驱动所述旋转部旋转的第二角度信息输出至所述主控单元；
所述主控单元用于接收第一角度信息和第二角度信息以及扫描信息，并生成第一角度信息和第二角度信息形成的三维角度信息对应的扫描信息。
可选地，所述发射组件包括沿激光光束传输的方向依次设置的激光发射单元、MEMS振镜单元、反射镜单元和激光准直单元，所述激光发射单元用于发射激光光束，所述MEMS振镜单元用于反射激光光束至所述反射镜单元，并用于输出第一角度信息至所述主控单元，所述反射镜单元用于反射激光光束至所述激光准直单元，所述激光准直单元用于将激光光束准直后于第一维度进行扫描。
可选地，所述激光发射单元包括激光二极管和柱面镜，所述激光二极管发射激光光束至所述柱面镜，所述柱面镜对激光光束进行整形。
可选地，所述激光发射单元的发光点位于所述激光准直单元的焦平面上，所述激光发射单元发射的激光光束依次经MEMS振镜单元和反射镜单元的反射，反射至所述激光准直单元上，反射的总光程长等于所述激光准直单元的背焦距。
可选地，所述MEMS振镜单元的中心与所述激光发射单元的距离为3mm，所述MEMS振镜单元的振动角度为20°，所述MEMS振镜单元的尺寸为2mm2，振动速率为30次/s。
可选地，所述接收组件包括沿激光光束传输的方向依次设置的激光接收单元、光程调整单元和光电转换单元，所述激光接收单元用于接收待测物反射的激光光束，所述光程调整单元用于调整激光光束光程长度，所述光电转换单元用于对激光光束进行光电转换，并将光电转换后的扫描信息传输至所述主控单元。
可选地，所述光电转换单元为单一APD或阵列APD。
可选地，所述激光雷达还包括为所述旋转部提供电源的无线供电单元，所述无线供电单元包括第一固定端和第一接收端，所述第一固定端安装于所述驱动部上，所述第一接收端安装于所述旋转部上，于所述驱动部驱动所述旋转部旋转时，所述旋转部带动所述第一接收端联动。
可选地，所述激光雷达还包括分别与所述主控单元和所述接收组件连接的无线通信单元，所述无线通信单元包括第二固定端和第二接收端，所述第二固定端安装于所述驱动部上，所述第二接收端安装于所述旋转部上，于所述驱动部驱动所述旋转部旋转时，所述旋转部带动所述第二接收端联动。
可选地，所述驱动部还包括用于驱动所述旋转部旋转的电机旋转单元，所述电机旋转单元上设置编码器和码盘。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例设置位于旋转部上的发射组件和接收组件，发射组件可以进行第一维度的视场扫描，驱动部驱动旋转部旋转，以此调节发射组件和接收组件的于第二维度中的旋转角度，进而实现MEMS在第二维度的视场扫描，实现第一维度和第二维度构成的三维空间的视场扫描；并大幅降低生产成本；且发射组件的第一角度信息和旋转部的第二角度信息以及扫描信息反馈至主控单元，主控单元可以接收并生成每个第一角度信息和第二角度信息构成的三维角度信息对应的扫描信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的激光雷达结构示意图；
图2为本发明实施例提供的反射镜单元反射多束激光的光路示意图；
图3为本发明实施例提供的反射镜单元反射单束激光的光路示意图；
图4为本发明实施例提供的反射激光光束的光路示意图。
图5为本发明实施例提供的光路示意图；
附图标记说明：
01、激光发射单元，02、MEMS振镜单元，03、反射镜单元，04、激光准直单元，05、无线供电单元，06、无线通信单元，07、激光接收单元，08、光电转换单元，09、电机旋转单元，10、主控单元，11、光程调整单元，21、驱动部，22、旋转部。
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。
微机电系统(Micro Electromechanical System，缩写MEMS)微镜可以通过反射激光光束的方式来实现扫描视场。目前基于MEMS振镜的激光雷达多为二维激光雷达如仅能在第一维度扫描视场，接收视场较小；一般需要通过在第二维度上增加发射组件和接收组件的数量，来增加第二维度的扫描视场，而发射组件和接收组件数量的增加会造成装机成本的大幅度提高，不利于实际生产需求。且多组发射组件如机械式激光雷达，在扫描视场时容易对同一个空间方位进行多次测量，如此会导致扫描工作的重复，降低了工作效率。
为克服上述各激光雷达存在的缺陷，提出了本发明实施例的激光雷达。
请一并参阅图1～图5，本发明实施例提供的激光雷达，为基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达；所述激光雷达，包括：旋转部22、驱动部21和主控单元10。
所述旋转部22上设置发射组件和接收组件，所述发射组件可以在第一维度发射激光光束，待测物反射激光光束至接收组件，并于接收组件中进行光电信号转换，完成一次时间飞行测距。
驱动部21可以用于驱动旋转部22于第二维度旋转，并且驱动部21将驱动所述旋转部22旋转的第二角度信息输出至所述主控单元10；
发射组件还可以输出第一维度的第一角度信息至所述主控单元10，所述接收组件可以将光电转换后的扫描信息发送至所述主控单元10；所述主控单元10接收第一角度信息和第二角度信息以及扫描信息，并生成第一角度信息和第二角度信息形成的三维角度信息对应的扫描信息。
可以理解的是，第一维度和第二维度是可以构成三维空间的两个维度，即第一维度和第二维度之间具有夹角，例如第一维度可以是竖直维度，第一角度信息对应为竖直维度的扫描角度，第二维度可以是水平维度，第二角度信息对应为水平维度的旋转角度，三维角度信息为第一角度信息和第二角度信息构成的空间方位信息；又例如，第一维度可以是水平维度，第二维度可以是竖直维度；当然上述对第一维度和第二维度仅为举例说明，并不用于限定第一维度和第二维度的方向。
本发明实施例设置位于旋转部22上的发射组件和接收组件，发射组件可以进行第一维度的视场扫描，驱动部21驱动旋转部22旋转，以此调节发射组件和接收组件的于第二维度中的旋转角度，进而实现发射组件在第二维度的视场扫描，从而通过驱动部21上驱动旋转部22旋转扫描，实现第一维度和第二维度构成的三维空间的视场扫描；并大幅降低生产成本。
且发射组件的第一角度信息和旋转部22的第二角度信息以及扫描信息反馈至主控单元10，主控单元10可以接收并生成每个第一角度信息和第二角度信息构成的三维角度信息对应的扫描信息。
可以理解的是，本发明实施例中发射组件可以仅设置一组，对应的接收组件也可仅设置一组，在进行视场扫描时对每一个空间方位角度仅扫描一次，不会造成重复性的工作，且不会产生扫描偏差以及不会产生扫描遗漏现象等。
请一并参阅图2～图3，作为发射组件的示例，所述发射组件可以包括沿激光光束传输的方向依次设置的激光发射单元01、MEMS振镜单元02、反射镜单元03和激光准直单元04。
具体的，发射组件的激光光束传输过程为：激光发射单元01发射激光光束，激光光束依次经MEMS振镜单元02、反射镜单元03反射，反射后的激光光束汇聚于激光准直单元04的镜面上，激光准直单元04将汇聚的激光光束进行准直，准直后的激光光束反射至待测物上，经待测物反射后，反射的激光光束进入接收组件并进行光电转换，完成一次时间飞行测距。准直后的激光光束具备一定的扫描角度，形成二维空间的扫描视场。
本发明实施例的激光雷达可以实现激光光束先扫描分光后准直，避免过大的MEMS反射面导致成本的上升，充分利用MEMS振镜单元02的快速扫描特性，在旋转部22旋转时尽快实现二维扫描，减小实现全角度三维扫描的时间。
具体的，反射镜单元03的镜面可以将MEMS振镜单元02反射后的不同入射角的激光光束进行反射，可以反射为多束汇聚的激光光束，激光光束反射至激光准直单元04。反射后的激光光束经过激光准直单元04准直后尽量接近平行激光光束射出，可以减小发散角，反射后的激光光束角度范围为在第一维度上的扫描角度范围，相隔激光光束之间的夹角，为扫描激光光束的角度间隔。
在具体的实施例中，所述激光发射单元01的发光点可以位于所述激光准直单元04的焦平面上，可以保证从激光发射单元01发射的激光光束经过MEMS振镜单元02和反射镜单元03的两次反射，反射至激光准直单元04的镜面，两次反射的总光程长等于激光准直单元04的背焦距。本实施例通过一个小面积的MEMS振镜单元02可以实现先反射，后准直，节省了MEMS的成本，并且降低了整机的装调成本。
在具体的实施例中，所述激光发射单元01可以包括激光二极管和柱面镜，所述激光二极管发射激光光束至所述柱面镜，柱面镜可以对激光二极管发射的激光光束进行整形，具体的，所述柱面镜可以对激光二极管发射光斑的快轴进行压缩整形。
在具体的实施例中，MEMS振镜单元02可以具备一定往复振动角度，并将振动的第一角度信息即MEMS振镜单元02的实时角度反馈至主控单元10。所述MEMS振镜单元02的中心与所述激光发射单元01的距离可以设置为3mm，所述MEMS振镜单元02的振动角度为20°，所述MEMS振镜单元02的尺寸为2mm2，振动速率为30次/s；MEMS振镜单元02距离激光发射单元01的位置，可以保证MEMS振镜单元02在振动的各个角度，都可以将激光光束完全反射，避免发射能量的损失，也可避免由于没有被完全反射而造成系统内部的杂散光。MEMS振镜单元02振动反射的时候以30次/s的速率来回振动，同时输出每个时刻下的MEMS振镜单元02的的角度信息，可以确保一个角度对应一个扫描信息。上述具体数值仅为设定值，也可在数值左右进行波动，例如MEMS振镜单元02的振动角度可以为21°或19°。又例如，振动速率可以为32次/s或28次/s。
请一并参阅图4和图5，作为接收组件的示例，所述接收组件可以包括沿激光光束传输的方向依次设置的激光接收单元07、光程调整单元11和光电转换单元08；待测物反射激光光束至激光接收单元07，激光接收单元07对激光光束进行聚焦，并通过光程调整单元11调整激光光束光程长度，然后激光光束打在光电转换单元08上，对激光光束进行光电转换，并将光电转换后的数据即扫描信息传输至所述主控单元10。
在具体的实施例中，激光接收单元07可以为一组光学镜组，将待测物反射的平行激光光束汇聚到焦平面上。
在具体的实施例中，光程调整单元11可以为曲面镜组，可以将不同角度的反射激光光束经过调整后准确的打在光电转换单元08上。
在具体的实施例中，所述光电转换单元08可以为单一APD或阵列APD，可以将不同角度汇聚过来的反射激光光束转换为电信号。当光电转换单元08为单一APD时，汇聚后的多角度激光光束可以经过光程调整单元11反射到光电转换单元08上。当光电转换单元08为阵列APD，阵列APD可以设置于激光接收单元07的焦平面上，可以将不同角度汇聚过来的激光光束转换为电信号；每个独立APD可以对应一束激光光束，APD之间的间距可以由发射出的激光光束角度及激光接收单元07共同决定。
本发明实施例测距的过程如下：激光发射单元01发射激光光束，激光光束具有约15°左右的发散角，激光光束依次经MEMS振镜单元02和反射镜单元03反射后汇聚在激光准直单元04的镜面上，准直后的激光光束具备一定的扫描角度，形成二维的扫描；并经待测物反射至激光接收单元07、光程调整单元11和光电转换单元08，将对应角度的回波聚焦在激光接收单元07的焦平面上，激光接收单元07的焦平面上有一组阵列APD，可以将不同角度汇聚过来的光斑光电转换为电信号。
在上述实施例的基础上，所述激光雷达还可以包括用于为所述旋转部22提供电源的无线供电单元05，所述无线供电单元05包括第一固定端和第一接收端，所述第一固定端安装于所述驱动部21上，所述第一接收端安装于所述旋转部22上，于所述驱动部21驱动所述旋转部22旋转时，所述旋转部22带动所述第一接收端联动。具体地，无线供电单元05可以通过电磁耦合实现无线供电。当然上述供电方式仅为示例说明，并不用于限定本发明。
在上述实施例的基础上，所述激光雷达还可以包括与所述主控单元10和接收组件连接的无线通信单元06，所述无线通信单元06包括第二固定端和第二接收端，所述第二固定端安装于所述驱动部21上，所述第二接收端安装于所述旋转部22上，于所述驱动部21驱动所述旋转部22旋转时，所述旋转部22带动所述第二接收端联动。无线通讯单元分别与主控单、接收组件通信连接，具体与接收组件的光电转换单元08通信连接，将光电转换单元08转换后的扫描信息传输至主控单元10。具体地，可以通过电磁耦合实现无线数据传输。
可以理解的是，所述驱动部21可以包括用于驱动所述旋转部22旋转的电机旋转单元09，所述电机旋转单元09上设置编码器和码盘。编码器和码盘构成角度反馈装置，一方面可以用来控制电机旋转单元09的转速，另一方面可以用来确定旋转部22做三维扫描时每次扫描时第二角度信息对应的扫描信息。具体的，电机旋转单元09可以为直流无刷电机，用于驱动旋转部22做360°旋转。三维扫描云图的实现依赖于MEMS振镜单元02提供的第一角度信息以及电机旋转单元09提供的第二角度信息，第一角度信息和第二角度信息在三维空间上对应一个空间位置，在此空间位置上有一个测量点，从而实现三维信息的确定。
可以理解的是，主控单元10可以作为激光雷达整体系统的数据分析、计算和控制单元，不但可以对接收的第一角度信息、第二角度信息和扫描信息进行分析，还可以向云端服务器发送每个三维角度信息对应的扫描信息；并可以控制激光发射单元01发射激光光束，也可控制电机旋转单元09的转速等。具体的，主控单元10可以设置于驱动部21上，当然也可以设置于旋转部22上，其具体的安装位置并不作出限定。
本发明实施例实现三维测距的具体过程如下：激光发射单元01发射激光光束，发射组件可以实现第一维度如竖直维度的扫描，扫描角度范围由MEMS振镜单元02和反射镜单元03共同决定；驱动部21驱动旋转部22旋转实现第二维度如水平维度的扫描，扫描范围为360°，从而实现三维空间的扫描。MEMS振镜单元02振动时提供第一维度的第一角度信息，电机旋转单元09可以提供第二维度的第二角度信息，两个角度信息共同决定一个空间方位，在此空间方位激光光束实现一次发光测距，从而保证在三维空间内，每一个空间方位角度，只需进行一次测量，且测距无偏差，并且不会产生遗漏。
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)
1.一种激光雷达，其特征在于，包括：旋转部、驱动部和主控单元，其中，
所述旋转部上设置发射组件和接收组件，所述发射组件用于在第一维度发射激光光束并输出第一维度的第一角度信息至所述主控单元，所述接收组件用于接收待测物反射的激光光束并进行光电转换，将光电转换后的扫描信息发送至所述主控单元；
所述驱动部用于驱动所述旋转部于第二维度旋转，并将驱动所述旋转部旋转的第二角度信息输出至所述主控单元；
所述主控单元用于接收第一角度信息和第二角度信息以及扫描信息，并生成第一角度信息和第二角度信息形成的三维角度信息对应的扫描信息。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括沿激光光束传输的方向依次设置的激光发射单元、MEMS振镜单元、反射镜单元和激光准直单元，所述激光发射单元用于发射激光光束，所述MEMS振镜单元用于反射激光光束至所述反射镜单元，并用于输出第一角度信息至所述主控单元，所述反射镜单元用于反射激光光束至所述激光准直单元，所述激光准直单元用于将激光光束准直后于第一维度进行扫描。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元包括激光二极管和柱面镜，所述激光二极管发射激光光束至所述柱面镜，所述柱面镜对激光光束进行整形。
4.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元的发光点位于所述激光准直单元的焦平面上，所述激光发射单元发射的激光光束依次经MEMS振镜单元和反射镜单元的反射，反射至所述激光准直单元上，反射的总光程长等于所述激光准直单元的背焦距。
5.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述MEMS振镜单元的中心与所述激光发射单元的距离为3mm，所述MEMS振镜单元的振动角度为20°，所述MEMS振镜单元的尺寸为2mm2，振动速率为30次/s。
6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述接收组件包括沿激光光束传输的方向依次设置的激光接收单元、光程调整单元和光电转换单元，所述激光接收单元用于接收待测物反射的激光光束，所述光程调整单元用于调整激光光束光程长度，所述光电转换单元用于对激光光束进行光电转换，并将光电转换后的扫描信息传输至所述主控单元。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述光电转换单元为单一APD或阵列APD。
8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括为所述旋转部提供电源的无线供电单元，所述无线供电单元包括第一固定端和第一接收端，所述第一固定端安装于所述驱动部上，所述第一接收端安装于所述旋转部上，于所述驱动部驱动所述旋转部旋转时，所述旋转部带动所述第一接收端联动。
9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括分别与所述主控单元和所述接收组件连接的无线通信单元，所述无线通信单元包括第二固定端和第二接收端，所述第二固定端安装于所述驱动部上，所述第二接收端安装于所述旋转部上，于所述驱动部驱动所述旋转部旋转时，所述旋转部带动所述第二接收端联动。
10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述驱动部还包括用于驱动所述旋转部旋转的电机旋转单元，所述电机旋转单元上设置编码器和码盘。
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