CN115755085A - 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，所述激光雷达包括发射模块，接收模块，发射透镜，接收透镜，反光镜，扫描模块，驱动模块和控制模块，所述发射模块用于发射激光，经过发射透镜照射到被测物体表面，被测物体表面发射回来的激光经过反光镜，并穿过接收透镜后由接收模块接收，所述扫描模块在水平方向旋转扫描，控制模块计算并输出扫描数据。本发明结构紧凑，质量小，装配便捷、集成度高、耐用性强，测距结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，更为具体地涉及一种激光雷达。
背景技术
随着激光技术的发展，多种激光扫描技术越来越广泛的应用于无人驾驶、物流AGV车、安防、测绘、港口、工业自动化等领域。激光雷达通过向外发射激光束，通过被测物体反射回来的激光，经由适当处理后，获得所探测目标的相应信息，如距离、方位、速度、形状等。
按光学结构划分，现有激光雷达包括同轴激光雷达与非同轴激光雷达。由于非同轴激光雷达对近距离的目标物体进行扫描时接收到的激光回波信号强度较弱，存在测距精度较低的问题，因此，在测距精度要求较高的应用场景下需采用同轴激光雷达，并且随着激光扫描测距雷达应用的扩展，趋势上要求其结构紧凑和体积缩小。
目前市面上常见的激光雷达仍保持着较大的尺寸和重量，这就导致在实际应用中不便于安装和保持运行过程中的稳定，并且更容易因振动导致各部件的松动，进而损坏激光雷达。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种结构紧凑，易于装配，质量小的激光雷达。所述激光雷达包括发射模块，接收模块，发射透镜，接收透镜，反光镜，扫描模块，驱动模块和控制模块，所述发射模块用于发射激光，经过发射透镜照射到被测物体表面，被测物体表面发射回来的激光经过反光镜，并穿过接收透镜后由接收模块接收，所述扫描模块在水平方向旋转扫描，控制模块计算并输出扫描数据。
优选地，所述激光雷达还包括旋转体，旋转体包括扫描模块，反光镜和遮光筒，所述驱动模块驱动所述旋转体旋转。
可选地，所述驱动模块包括电机，所述电机的输出轴与所述反光镜连接，通过所述电机带动反光镜转动，所述电机为无刷直流电机。
可选地，所述扫描模块包括码盘和编码器，所述码盘位于所述反光镜的上方，并随所述反光镜转动。
可选地，所述激光雷达还包括显示屏和USB接口。
可选地，所述激光雷达还包括电源模块，所述电源模块连接外部直流电，驱动模块和控制模块，所述电源模块包括DC-DC转换器，用于将外部直流电转换为预设电压后为所述驱动模块和控制模块供电。
可选地，所述激光雷达还包括主板，所述控制模块设置于主板上，主板上还设置有供电模块，所述供电模块包括稳压器和磁珠，供电模块连接电源模块，将从电源模块接收的电压降到第一电压后为控制模块供电。
可选地，所述控制模块包括控制器，所述控制器采用STM32F405RGT6芯片，所述旋转体采用塑胶材料制成。
可选地，所述发射透镜和接收透镜同轴设置。
可选地，所述发射透镜和接收透镜均为偶次非球面透镜，所述接收透镜的前后两面均为非球面。
综上所述，本发明激光雷达包括所述发射模块用于发射激光，经过发射透镜照射到被测物体表面，被测物体表面发射回来的激光经过反光镜，并穿过接收透镜后由接收模块接收，所述扫描模块在水平方向旋转扫描，控制模块计算并输出扫描数据，相对于现有技术，本发明结构紧凑，质量小，装配便捷、集成度高、耐用性强，测距结果更加准确。
附图说明
图1为本发明的激光雷达的整体结构示意图；
图2为本发明的激光雷达的爆炸图；
图3为本发明的激光雷达的光路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有作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。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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专利和简化描述，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专利的限制。
在本专利的描述中，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”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
有鉴于对于背景技术中所存在的问题的深刻理解，即现有的激光雷达体积较大，重量较重的情况，导致实际应用中不便于安装和保持运行过程中的稳定，易于损坏的情况。为了解决上述技术问题，本公开内容提出一种激光雷达，请参考图1-图3所示，所述激光雷达包括发射模块40，接收模块41，发射透镜42，接收透镜43，反光镜34，扫描模块，驱动模块和控制模块，所述发射模块40用于发射激光，经过发射透镜42照射到被测物体表面，被测物体表面发射回来的激光经过反光镜34，并穿过接收透镜43后由接收模块41接收，所述扫描模块在水平方向旋转扫描，控制模块计算并输出扫描数据。
发射模块40为激光发射器，激光发射器40发射的激光，经过反光镜34，穿过发射透镜42照射到被测物体表面，被测物体表面反射回来的激光经由反光镜34将激光向下弯折，激光穿过接收透镜43由接收模块41，例如激光接收器接收，控制模块经过计算输出扫描数据。本发明激光雷达各部分都经过简化和功能分隔，使其更加紧凑，大幅降低了雷达的整体质量和尺寸。并且结构内部重心偏向下方，可以进一步降低振动造成的影响，延长产品的使用寿命。
请参考图2所示，本发明激光雷达包括机壳10和外罩20，还包括旋转支撑架31，主板和电源板，整体形状约为直径35mm，高度40mm的圆柱体。
旋转支撑架31上设置有旋转部件30，旋转部件30包括旋转体和驱动模块，驱动模块包括电机32和用于驱动电机32转动的驱动电路板35，所述电机32的输出轴与旋转体连接，电机32带动旋转体旋转，所述电机32为结构紧凑的无刷直流电机，占用空间小。外罩20主要作用为透光并容纳旋转部件，机壳10主要作用为容纳主板。机壳10内部四角与电路板四角形成互相贴合的结构，在仅使用4只螺丝钉的情况下完成了整体的固定。本发明激光雷达采用部分旋转式设计，驱动模块带动旋转体旋转，而主板不跟随旋转。在本发明的其中一实施例中，所述旋转体采用塑胶材料制成，整体质量很小，在转动时对电机的功率要求不高，因此可以在采用小功率无刷电机的同时，提高运行时的稳定性和精度。
本发明控制模块包括控制器，旋转体包括扫描模块，反光镜34，反光镜支架和遮光筒44，遮光筒44套设在激光发射器40的外表面，遮光筒44与接收透镜43可以抵接。电机32的输出轴与所述反光镜34连接，通过电机32带动反光镜34转动，反光镜34与电机32的输出轴倾斜设置。扫描模块包括码盘33和设置于码盘33一侧的编码器，所述码盘33位于所述反光镜34的上方，并与电机32的输出轴固定，当电机32的输出轴带动反光镜34转动的同时也带动固定于反光镜34上方的码盘33转动，同时通过编码器读取码盘33的旋转角度。
905nm光线从激光发射板上的激光器射出，自下至上经过发射透镜42、反光镜34，偏转后从遮光筒44水平射出，到达雷达外部。在以上过程中，发射透镜42的作用为准直出射光线，使其此时的出射方向与透镜中轴平行；反光镜34的作用为将出射光线转为沿水平方向射出；遮光筒44的作用为屏蔽杂光，保证接收光线和出射光线的准确度。光线射出后打到被测物体上又沿原路线返回，由于在被测物体上产生了漫反射，接收光束并不集中，而是分散在反光镜34整个镜面上，分别在反光镜34上经历一次反射和在接收透镜上经历一次聚光后，打主板的时间数字转换器上的接收器上完成信号接收。
码盘33的侧边设置有刻度线，编码器位于电机32的驱动电路板35上，与码盘33的边缘处相接，当码盘33转过一个刻度，码盘33上的刻度会阻断光阻断器中的光路，光阻断器会发出一个计数信号并传输到控制器中，以此计算激光雷达的转动角度及速度。驱动电路板35形状依据电机轴承支撑件的形状制造，使驱动电路板35可以直接固定在电机轴承支承件上，避免了额外紧固的体积增加。同时驱动电路板35中有电机控制信号的线路。
本发明发射透镜42和接收透镜43同轴设置，发射透镜42通过粘胶的方式固定在发射镜筒内，整体再嵌入接收透镜的中心孔。发射镜筒下方会直接包覆激光发射器40，并通过粘胶方式固定相对位置，保证雷达运行过程中不会因为振动导致出射光束不稳定。所述发射透镜42和接收透镜43均为偶次非球面透镜，所述接收透镜43的前后两面均为非球面。各面参数如下：
偶次非球面方程为：
其中，C为曲率半径的倒数，K为圆锥系数，α为各次项系数。除去非球面透镜部分，发射透镜42还包含同直径的厚度为1.33mm的平面层，接收透镜43的两层非球面之间也包含厚度为2mm、直径为30mm的平面层。
所述激光雷达还包括电源模块，电源模块位于电源板上，所述电源模块连接外部直流电源或者电源适配器，电源模块连接驱动模块和控制模块，所述电源模块包括DC-DC转换器，DC-DC转换器用于将外部直流电转换为预设电压后为所述驱动模块和控制模块供电。本发明电源模块可适配24V转12V、12V转5V、12V转光电二极管需要的HV_APD。电源模块的作用为：将直流电源或电源适配器接入的24V电源通过DC-DC转换器降压至12V，再由12V电源通过DC-DC转换器降压至各个电路所需的5V电压、或者升压至光电二极管所需的电压。其中24V转12V电路中有EMC防护模块。本发明采用24V-12V-5V电源树，为后续的MCU、激光管高压和APD高压供电，减少了电源升降压元器件的数量，可将电路板的面积缩小1/2以上。
在本发明其中一实施例中，激光发射模块40包括电源滤波电路、升压电路以及激光管的驱动电路。电源滤波电路既能防止电网上的干扰进入设备对设备产生不良影响，又能防止设备内的电磁干扰通过电源线传出至外界，升压电路将电源模块生成的12V电源升压至185V高压，当接收到控制器发送的激光发射信号时，激光管的驱动电路调节高压的通断生成高峰值功率窄脉冲电流供激光管发光。该部分电路板设计成U型，为接收透镜进行了避让，没有遮挡透镜的光路。同时与接收透镜固定在同一结构件上，减少了用于固定的结构件数量。
本发明光电检测器采用雪崩光电二极管，本发明接收模块的基本原理如下：雪崩光电二极管在接入反相偏压HV的情况下接收光子会形成光电流，电流信号经过转阻放大器后放大为电压信号，电压信号经过二级差分放大器(例如ADA4937)后再次放大，最终传输给主板的时间数字转换器。由于雪崩光电二极管输出电流受温度影响较大，因此加入温度传感器(例如LMT84)输出雪崩光电二极管的温度信号给电源板的，DC-DC转换器进行升降压，从而调节雪崩光电二极管HV电压大小，在雪崩光电二极管的温度信号与雪崩光电二极管HV电压的传输过程中加入电磁干扰滤波器和磁珠进行降噪。雪崩光电二极管，二级差分放大器和温度传感器等器件设置在发射模块所在的电路板的正下方，形成了同轴结构，使雷达转镜部分旋转即可达激光的收发，与非同轴雷达整体旋转相比，减少了需要旋转的部件，同时同轴布置避免了不同轴布置带来的体积增加，缩小了雷达的体积。使用接收透镜将激光折射到APD中，该电路板与发射电路板的距离仅为接收透镜的焦距，控制了雷达的高度。
本发明所述激光雷达还包括显示屏和USB接口，主板上设置有控制模块，显示模块，激光发射模块，激光接收模块，驱动模块等，主板上还设置有供电模块，所述供电模块包括稳压器和磁珠，供电模块连接电源模块，将从电源模块接收的电压降到第一电压后为控制模块供电。具体的，供电模块从电源板电源板得到5V电压，经过TLV1117稳压器和磁珠后降为3.3V可用电压，供后续的VCC-3V3使用，显示模块将LED和I2C信号经过贴片排母传递给显示屏，控制器采用STM32F405RGT6芯片，外接8MHz晶振；激光发射模块和接收模块的时间数字转换器记录每一束激光从发射到接收所需时间，过程为时间数字转换器给出发射信号经过施密特触发器(例如SN74LVC1G17芯片)后传输给激光发射模块，激光接收模块收到激光后将信号通过高速比较器(例如ADCMP553BRM芯片)和差分转换器(例如MC100EPT21芯片)后转为单端信号，最终传输给时间数字转换器完成计时。驱动模块通过磁珠和电容将电源板得到的5V电压转为给电机和USB使用的5V电压，供后续使用。本发明电机为三相无刷直流电机，使用DRV10866电机驱动芯片进行驱动，驱动芯片将U、V、W、COM四种电信号接入电机即可使电机转动，电机转动速度由控制器给出的PWM信号进行控制，并通过码盘进行红外测速。经过激光雷达的信号处理单元的实时解算得到的探测物体的距离值，结合高精度自适应角度测量模块输出的角度信息，可以得到量程内周围360°环境的二维平面信息。驱动模块所在的电路板与电源板使用排针排母连接，缩小了雷达整体的高度，并与其它部分使用排线连接，缩小了雷达的整体体积。
现有的非同轴雷达在装配透镜时，均需要两处固定透镜的结构，因此往往会有至少一个结构复杂的透镜架，用以安装透镜并连通电路板部分；本发明激光雷达的结构件数量更少，尺寸更小，在本发明中，仅作为固定结构的只有接收透镜固定板和旋转支撑架，且特征相对简单，便于加工和装配，其他部件之间均通过嵌合、粘胶及少量螺丝进行固定。同时，本发明被电机带动的旋转体只有反光镜、反光镜支架和遮光筒，且这些零件均为塑胶材质，质量很小，因此可以在采用小功率无刷电机的同时，也提高运行时的稳定性和精度。且本发明码盘采用的是厚度为0.2mm、直径为35mm的透明塑料片，具体可选的材料有pp、pc、pet，通过反光镜支架上方的三根顶针定位并粘胶固定，本身基本不额外占用空间，且配套编码器可直接安放在电机驱动板上，并接线连通至下方电路板。为保证旋转部件在运行过程中的稳定性，其既与上方电机通过粘胶的方式固定，又与下方发射透镜的镜筒嵌合，在无破坏性外力影响的情况下，反光镜始终与透镜的中轴线成45°角。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括发射模块，接收模块，发射透镜，接收透镜，反光镜，扫描模块，驱动模块和控制模块，所述发射模块用于发射激光，经过发射透镜照射到被测物体表面，被测物体表面发射回来的激光经过反光镜，并穿过接收透镜后由接收模块接收，所述扫描模块在水平方向旋转扫描，控制模块计算并输出扫描数据。
2.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旋转体，所述旋转体包括反光镜、遮光筒和所述扫描模块，所述驱动模块驱动所述旋转体旋转。
3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述驱动模块包括电机，所述电机的输出轴与所述反光镜连接，通过所述电机带动反光镜转动，所述电机为无刷直流电机。
4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描模块包括码盘和编码器，所述码盘位于所述反光镜的上方，并随所述反光镜转动。
5.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显示屏和USB接口。
6.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括电源模块，所述电源模块连接外部直流电，驱动模块和控制模块，所述电源模块包括DC-DC转换器，用于将外部直流电转换为预设电压后为所述驱动模块和控制模块供电。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括主板，所述控制模块设置于主板上，主板上还设置有供电模块，所述供电模块包括稳压器和磁珠，供电模块连接电源模块，将从电源模块接收的电压降到第一电压后为控制模块供电。
8.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述控制模块包括控制器，所述控制器采用STM32F405RGT6芯片，所述旋转体采用塑胶材料制成。
9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射透镜和接收透镜同轴设置。
10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射透镜和接收透镜均为偶次非球面透镜，所述接收透镜的前后两面均为非球面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20230316 Address after: 518000 room 401a, 4th floor, No.2 factory building, Hongxin Industrial Park, Guanlan street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: SHENZHEN ESPE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Applicant after: Southern University of Science and Technology Address before: 518000 room 401a, 4th floor, No.2 factory building, Hongxin Industrial Park, Guanlan street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: SHENZHEN ESPE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230307 |