CN115144839A - 一种3d激光雷达及应用其的足式机器人和清洁机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光雷达设备技术领域，公开了一种3D激光雷达及应用其的足式机器人和清洁机器人。本发明提供的一种3D激光雷达，包括竖向扫描单元和横向旋转装置，竖向扫描单元包括发射激光脉冲信号的激光发射口、能非匀速转动的反光镜，激光发射口设于反光镜的回转轴线上，反光镜匀速或非匀速转动的扫描外部环境，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制。本发明通过反光镜的匀速或非匀速转动，实现了激光发射极对竖向平面内的匀速或非匀速扫描，以及横向旋转装置驱动所述竖向扫描单元的匀速或非匀速转动，进而实现对扫描点云的空间分布情况的控制。

Description

一种3D激光雷达及应用其的足式机器人和清洁机器人
技术领域
本发明涉及激光雷达设备技术领域，尤其涉及了一种3D激光雷达及应用其的足式机器人和清洁机器人。
背景技术
目前，3D激光雷达在工业测绘、三维建模、自动驾驶等领域应用广泛，但现有的3D激光雷达多为多线程激光雷达，价格昂贵。
中国专利CN113960566A公开了一种3D激光雷达及足式机器人，包括竖直扫描单元和使所述竖直扫描单元在水平方向旋转的水平旋转装置；所述竖直扫描单元包括安装座，以及依次设于所述安装座上的激光接收极、凸透镜、激光发射极、反光体，所述激光接收极设于所述凸透镜的焦点位置上，所述激光发射极设于所述凸透镜的主光轴上，所述反光体可转动的设于所述安装座上，所述反光体的回转中心与所述凸透镜的主光轴重合；所述激光发射极发射激光脉冲信号，通过所述反光体的旋转实现对竖直平面内的周圈环境扫描，并能通过设有旋转电机的水平旋转装置实现对三维环境的扫描。
上述技术方案，通过竖直扫描单元和水平旋转装置实现了单线程激光雷达的三维扫描，大大降低了成本。但是在使用过程中发现，由于竖直扫描单元和水平旋转装置均为匀速转动结构，通过该3D激光雷达扫描外部环境后，采集获得的点云的分布极不均匀，如附图1所示；激光雷达的顶部由于每次扫描都会对该区域进行一次扫描，因此该区域点云密集，即激光雷达的扫描视点中心固定处于该区域；而激光雷达的周边区域，点云分布则相对较为稀疏，因而采集效果不理想。因此，需要对该3D激光雷达进行改进，以满足其扫描视点中心可以处于其视角范围内的任一特定区域。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的一在于提供一种3D激光雷达，通过能够对外部环境进行匀速或非匀速扫描的竖向扫描单元，以及能够驱动所述竖向扫描单元进行匀速或非匀速转动的横向旋转装置，实现对扫描视点中心的调整控制，进而实现对其视角范围内任意区域的集中高密度扫描。
本发明的目的二在于提供一种足式机器人，其搭载的3D激光雷达，通过能够对外部环境进行匀速或非匀速扫描的竖向扫描单元，以及能够驱动所述竖向扫描单元进行匀速或非匀速转动的横向旋转装置，实现对扫描视点中心的调整控制，进而实现对其视角范围内任意区域的集中高密度扫描。
本发明的目的三在于提供一种清洁机器人，其搭载的3D激光雷达，通过能够对外部环境进行匀速或非匀速扫描的竖向扫描单元，以及能够驱动所述竖向扫描单元进行匀速或非匀速转动的横向旋转装置，实现对扫描视点中心的调整控制，进而实现对其视角范围内任意区域的集中高密度扫描。
为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：
一种3D激光雷达，包括竖向扫描单元和横向旋转装置；
所述竖向扫描单元包括发射激光脉冲信号的激光发射口、能够非匀速转动的反光镜；
所述激光发射口设于所述反光镜的回转轴线上，所述反光镜能够以匀速或非匀速转动的方式扫描外部环境，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制；所述横向旋转装置设有旋转电机，用于带动竖向扫描单元以匀速或非匀速的方式，横向旋转，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制。
作为优选的技术措施，所述反光镜为平面反光镜；所述竖向扫描单元包括安装座，以及依次设于所述安装座上的激光接收极、凸透镜、激光发射口、平面反光镜，所述激光接收极设于所述凸透镜的焦点位置上，所述激光发射口设于所述凸透镜的主光轴上，所述平面反光镜可转动的设于所述安装座上，所述平面反光镜的回转中心与所述凸透镜的主光轴重合；所述激光发射口发射激光脉冲信号，通过所述平面反光镜的旋转实现对竖向平面内的周圈环境扫描，并进一步地通过横向旋转装置实现对三维环境的扫描。
作为优选的技术措施，所述反光镜为凹面反光镜，所述竖向扫描单元包括安装座，以及设于所述安装座上的激光接收极、激光发射口、凹面反光镜、第一反光镜，所述激光接收极设于所述凹面反光镜的焦点位置上，所述凹面反光镜以能够转动的方式设于所述安装座上，且其回转中心横向穿过所述激光接收极，所述第一反光镜固定设于所述凹面反光镜的反光面上并跟随所述凹面反光镜转动；所述激光发射口发射激光脉冲信号，通过所述第一反光镜的旋转实现对竖向平面内的周圈环境扫描，并进一步地通过横向旋转装置实现对三维环境的扫描，所述凹面反光镜接收返回的激光脉冲信号并聚焦到其焦点处，由所述激光接收极接收。
作为优选的技术措施，所述竖向扫描单元还包括激光发射极和第二反光镜，所述激光发射极固定于所述安装座底部，其发射的激光脉冲信号通过所述第二反光镜反射到所述第一反光镜上；所述激光发射极与所述第二反光镜之间、所述第二反光镜与所述第一反光镜之间均设有不透光的遮光通道。将激光发射极固定在底部，不会过多的挡住激光接收极接收光信号。设置遮光通道和遮光板，防止发射的激光脉冲信号和接收的激光脉冲信号被外部的环境光线干扰，提高扫描精度。
作为优选的技术措施，所述竖向扫描单元设有第一电机和第一码盘，所述第一电机驱动所述反光镜旋转，所述第一码盘与所述反光镜同心固定连接，通过所述第一码盘获取所述反光镜的转动信息。
作为优选的技术措施，所述安装座外侧固定有防护罩，所述防护罩与下底壳固定连接，所述安装座上设有可见光发射极，所述可见光发射极发射的可见光通过所述第二反光镜反射，并进一步地通过所述第一反光镜的反射，在所述防护罩上形成特定图案，或者穿透过所述防护罩，在横向旋转装置的配合下，在周边外部环境上显示或绘制图案。该结构可使3D激光雷达对外投射可见光图案，从而方便对外显示雷达本身及机器人相关的各种信息，成本低，结构简单。
作为优选的技术措施，所述横向旋转装置包括上底壳转子、下底壳和固定在所述下底壳内的电机定子，所述电机定子上设有磁钢片。
所述安装座固定于所述上底壳转子上并随其转动。
作为优选的技术措施，所述上底壳转子的周向上沿同一圈均匀开设有通孔，通过所述通孔构成光电码盘来获取所述上底壳转子的转动信息，进而获取所述竖向扫描单元的横向转动信息。
作为优选的技术措施，所述上底壳转子与所述下底壳之间同心设有中空的无线电能传输模块，通过所述无线电能传输模块对所述激光接收极和激光发射极进行供电。由于上底壳转子和下底壳之间存在相对转动，当需要进行供电和信号传输时，采用无线电能传输模块代替传统线缆，避免了线缆在往复转动过程中的疲劳损坏。
作为优选的技术措施，所述下底壳上固定设有基座电路板，所述上底壳转子与所述下底壳之间同心设有无线信号传输组件，其使用光通讯来实现无线通讯；所述激光发射极和所述激光接收极通过所述无线信号传输组件实现与所述基座电路板的无线通讯。所述激光发射极电连接一激光驱动电路板。
为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：
一种足式机器人，使用上述的3D激光雷达，实现机器人实时的对其周边环境信息的扫描。
为实现上述目的之一，本发明的第三种技术方案为：
一种清洁机器人，包括上述的3D激光雷达。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种3D激光雷达，通过反光镜的匀速或非匀速转动，实现了激光发射极对竖向平面内的匀速或非匀速扫描，以及横向旋转装置驱动所述竖向扫描单元的匀速或非匀速转动，进而实现对扫描点云的空间分布情况的控制。对于3D激光雷达的顶部，由于该区域经过频繁的往复扫描而点云密集，因此在扫描该区域时，反光镜转动速度快，以得到较为稀疏的点云，而在扫描到3D激光雷达的周边区域时，反光镜转动速度慢，以得到较为密集的点云，如此采集到的整体点云分布即较为均匀。
本发明提供的一种足式机器人，其搭载的3D激光雷达，通过反光镜的匀速或非匀速转动，实现了激光发射极对竖向平面内的匀速或非匀速扫描，以及横向旋转装置驱动所述竖向扫描单元的匀速或非匀速转动，进而实现对扫描点云的空间分布情况的控制。对于3D激光雷达的顶部，由于该区域经过频繁的往复扫描而点云密集，因此在扫描该区域时，反光镜转动速度快，以得到较为稀疏的点云，而在扫描到3D激光雷达的周边区域时，反光镜转动速度慢，以得到较为密集的点云，如此采集到的整体点云分布即较为均匀。
本发明提供的一种清洁机器人，其搭载的3D激光雷达，通过反光镜的匀速或非匀速转动，实现了激光发射极对竖向平面内的匀速或非匀速扫描，以及横向旋转装置驱动所述竖向扫描单元的匀速或非匀速转动，进而实现对扫描点云的空间分布情况的控制。对于3D激光雷达的顶部，由于该区域经过频繁的往复扫描而点云密集，因此在扫描该区域时，反光镜转动速度快，以得到较为稀疏的点云，而在扫描到3D激光雷达的周边区域时，反光镜转动速度慢，以得到较为密集的点云，如此采集到的整体点云分布即较为均匀。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是现有的3D激光雷达采集的点云分布图；
图2是本发明提供的3D激光雷达采集的点云分布图的其中一种示例；
图3是本发明提供的采用平面反光镜的一种3D激光雷达的结构图；
图4是本发明提供的采用平面反光镜的一种3D激光雷达的全剖图；
图5是本发明提供的采用凹面反光镜的一种3D激光雷达的结构图；
图6是本发明提供的采用凹面反光镜的一种3D激光雷达的全剖图；
图7是本发明提供的采用凹面反光镜的一种3D激光雷达的爆炸图；
图8是本发明提供的清洁机器人的一种爆炸图；
图9是本发明提供的清洁机器人的一种俯视图；
图10是本发明提供的清洁机器人的一种侧视图；
图11是本发明提供的清洁机器人的一种主视图。
图中：1、安装座；2、激光接收极；3、第一反光镜；31、凸透镜；4、激光发射口；5、平面反光镜；51、凹面反光镜；6、第一电机；7、第一码盘；8、上底壳转子；9、下底壳；10、电机定子；11、通孔；12、无线电能传输模块；13、基座电路板；14、可见光发射极；15、磁钢片；16、防护罩；17、无线信号传输组件；18、激光驱动电路板；19、横向旋转轴承；20、第二反光镜；21、遮光通道；22、遮光板；101、清洁机器人本体。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
需要说明的是，当两个元件“固定连接”或“固接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“横向”、“竖向”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1-图7所示，本发明3D激光雷达的一种具体实施例：
一种3D激光雷达，包括竖向扫描单元和横向旋转装置，所述竖向扫描单元包括发射激光脉冲信号的激光发射口4、能转动的反光镜，所述激光发射口4设于所述反光镜的回转轴线上，所述反光镜匀速或非匀速转动的扫描外部环境，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制；所述横向旋转装置带动竖向扫描单元匀速或非匀速的横向旋转，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制。
如图3-图4所示，本发明采用平面反光镜5的一种具体实施例：
所述反光镜为平面反光镜5；所述竖向扫描单元包括安装座1，以及依次设于所述安装座1上的激光接收极2、凸透镜31、激光发射口4、平面反光镜5，所述激光接收极2设于所述凸透镜31的焦点位置上，所述激光发射口4设于所述凸透镜31的主光轴上，所述平面反光镜5可转动的设于所述安装座1上，所述平面反光镜5的回转中心与所述凸透镜31的主光轴重合；所述激光发射口4发射激光脉冲信号，通过所述平面反光镜5的旋转实现对竖向平面内的周圈环境扫描，并进一步地通过横向旋转装置实现对三维环境的扫描。
如图5-图7所示，本发明采用凹面反光镜51的一种具体实施例：
所述反光镜为凹面反光镜51，所述竖向扫描单元包括安装座1，以及设于所述安装座1上的激光接收极2、激光发射口4、凹面反光镜51、第一反光镜3，所述激光接收极2设于所述凹面反光镜51的焦点位置上，所述凹面反光镜51可转动的设于所述安装座1上，且其回转中心横向穿过所述激光接收极2，所述第一反光镜3固定设于所述凹面反光镜51的反光面上并跟随所述凹面反光镜51转动；所述激光发射口4发射激光脉冲信号，通过所述第一反光镜3的旋转实现对竖向平面内的周圈环境扫描，并进一步地通过横向旋转装置实现对三维环境的扫描，所述凹面反光镜51接收返回的激光脉冲信号并聚焦到其焦点处，由所述激光接收极2接收。
本发明竖向扫描单元的一种具体实施例：
所述竖向扫描单元还包括激光发射极、第二反光镜20、第一电机6和第一码盘7。
所述激光发射极固定于所述安装座1底部，其发射的激光脉冲信号通过所述第二反光镜20反射到所述第一反光镜3上；所述激光发射极与所述第二反光镜20之间、所述第二反光镜20与所述第一反光镜3之间均设有不透光的遮光通道21。将激光发射极固定在底部，不会过多的挡住激光接收极2接收光信号。设置遮光通道21和遮光板22，防止发射的激光脉冲信号和接收的激光脉冲信号被外部的环境光线干扰，提高扫描精度。
所述第一电机6驱动所述反光镜旋转，所述第一码盘7与所述反光镜同心固定连接，通过所述第一码盘7获取所述反光镜的转动信息。
本发明增设防护结构的一种具体实施例：
所述安装座1外侧固定有防护罩16，所述防护罩16与下底壳9固定连接，所述安装座1上设有可见光发射极14，所述可见光发射极14发射的可见光通过所述第二反光镜20反射，并进一步地通过所述第一反光镜3的反射，在所述防护罩16上形成特定图案，或者穿透过所述防护罩16，在横向旋转装置的配合下，在周边外部环境上显示或绘制图案。该结构可使3D激光雷达对外投射可见光图案，从而方便对外显示雷达本身及机器人相关的各种信息，成本低，结构简单。
本发明横向旋转装置的一种具体实施例：
所述横向旋转装置包括上底壳转子8、下底壳9、横向旋转轴承19和固定在所述下底壳9内的电机定子10，所述电机定子10上设有磁钢片15。
所述安装座1固定于所述上底壳转子8上并随其转动。
所述上底壳转子8的周向上沿同一圈均匀开设有通孔11，通过所述通孔11构成光电码盘来获取所述上底壳转子8的转动信息，进而获取所述竖向扫描单元的横向转动信息。
本发明增设无线电能传输模块12的一种具体实施例：
所述上底壳转子8与所述下底壳9之间同心设有中空的无线电能传输模块12，通过所述无线电能传输模块12对所述激光接收极2和激光发射极进行供电。由于上底壳转子8和下底壳9之间存在相对转动，当需要进行供电和信号传输时，采用无线电能传输模块12代替传统线缆，避免了线缆在往复转动过程中的疲劳损坏。
本发明信号传输结构的一种具体实施例：
所述下底壳9上固接基座电路板13，所述上底壳转子8与所述下底壳9之间同心设有无线信号传输组件17，其使用光通讯来实现无线通讯；所述激光发射极和所述激光接收极2通过所述无线信号传输组件17实现与所述基座电路板13的无线通讯。所述激光发射极电连接一激光驱动电路板。
应用本发明的第一种具体实施例：
一种足式机器人，使用上述的3D激光雷达，实现机器人实时的对其周边环境信息的扫描。
如图8-图11所示，应用本发明的第二种具体实施例：
一种清洁机器人，包括上述的3D激光雷达、清洁机器人本体101；
所述清洁机器人本体101的外壁上装配所述的一种3D激光雷达。
本申请中，固接或固定连接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (12)

1.一种3D激光雷达，其特征在于，
包括竖向扫描单元和横向旋转装置；
所述竖向扫描单元包括发射激光脉冲信号的激光发射口(4)、能够非匀速转动的反光镜；
所述激光发射口设于所述反光镜的回转轴线上，所述反光镜能够以匀速或非匀速转动的方式，扫描外部环境，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制；
所述横向旋转装置设有旋转电机，用于带动竖向扫描单元以匀速或非匀速的方式，横向旋转，以对扫描获得的点云空间分布情况进行控制。
2.如权利要求1所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述反光镜为平面反光镜(5)；所述竖向扫描单元包括安装座(1)，以及依次设于所述安装座(1)上的激光接收极(2)、凸透镜(31)、激光发射口(4)、平面反光镜(5)，所述激光接收极(2)设于所述凸透镜(31)的焦点位置上，所述激光发射口(4)设于所述凸透镜(31)的主光轴上，所述平面反光镜(5)以能够转动的方式设于所述安装座(1)上，所述平面反光镜(5)的回转中心与所述凸透镜(3)的主光轴重合；
所述激光发射口(4)发射激光脉冲信号，通过所述平面反光镜(5)的旋转实现对竖向平面内的周圈环境扫描，并通过横向旋转装置实现对三维环境的扫描。
3.如权利要求1所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述反光镜为凹面反光镜(51)，所述竖向扫描单元包括安装座(1)，以及设于所述安装座(1)上的激光接收极(2)、激光发射口(4)、凹面反光镜(51)、第一反光镜(3)，所述激光接收极(2)设于所述凹面反光镜(51)的焦点位置上，所述凹面反光镜(51)可转动的设于所述安装座(1)上，且其回转中心横向穿过所述激光接收极(2)，所述第一反光镜(3)固定设于所述凹面反光镜(51)的反光面上并跟随所述凹面反光镜(51)转动；
所述激光发射口(4)发射激光脉冲信号，通过所述第一反光镜(3)的旋转实现对竖向平面内的周圈环境扫描，并通过横向旋转装置实现对三维环境的扫描，所述凹面反光镜(51)接收返回的激光脉冲信号并聚焦到其焦点处，由所述激光接收极(2)接收。
4.如权利要求3所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述竖向扫描单元还包括激光发射极和第二反光镜(20)，所述激光发射极固定于所述安装座(1)底部，其发射的激光脉冲信号通过所述第二反光镜(20)反射到所述第一反光镜(3)上；所述激光发射极(4)与所述第二反光镜(20)之间、所述第二反光镜(20)与所述第一反光镜(3)之间均设有不透光的遮光通道(21)。
5.如权利要求2或4所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述竖向扫描单元设有第一电机(6)和第一码盘(7)，所述第一电机(6)驱动所述反光镜旋转，所述第一码盘(7)与所述反光镜同心固定连接，通过所述第一码盘(7)获取所述反光镜的转动信息。
6.如权利要求5所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述安装座(1)外侧固定有防护罩(16)，所述防护罩(16)与下底壳(9)固定连接，所述安装座(1)上设有可见光发射极(14)，所述可见光发射极(14)发射的可见光通过第二反光镜(20)反射，并进一步地通过第一反光镜(5)的反射，在所述防护罩(16)上形成特定图案，或者穿透过所述防护罩(16)，在横向旋转装置的配合下，在周边外部环境上显示或绘制图案。
7.如权利要求6所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述横向旋转装置包括上底壳转子(8)、下底壳(9)和固定在所述下底壳(9)内的电机定子(10)，所述电机定子(10)设有若干磁钢片(15)；所述安装座(1)固定于所述上底壳转子(8)上并随其转动。
8.如权利要求7所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述上底壳转子(8)的周向上沿同一圈均匀开设有通孔(11)，通过所述通孔(11)构成光电码盘来获取所述上底壳转子(8)的转动信息，进而获取所述竖向扫描单元的横向转动信息。
9.如权利要求8所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述上底壳转子(8)与所述下底壳(9)之间同心设有中空的无线电能传输模块(12)，通过所述无线电能传输模块(12)对所述激光接收极(2)和激光发射极进行供电。
10.如权利要求9所述的一种3D激光雷达，其特征在于，所述下底壳(9)上固定设有基座电路板(13)，所述上底壳转子(8)与所述下底壳(9)之间同心设有无线信号传输组件(17)，其使用光通讯来实现无线通讯；所述激光发射极和所述激光接收极(2)通过所述无线信号传输组件(17)实现与所述基座电路板(13)的无线通讯；所述激光发射极电连接一激光驱动电路板(18)。
11.一种足式机器人，其特征在于，使用如权利要求1-10任一所述的3D激光雷达，实现机器人实时的对其周边环境信息的扫描。
12.一种清洁机器人，其特征在于，包括如权利要求1-10任一所述的一种3D激光雷达。
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