CN116755065A - 一种固态激光雷达结构及其扫描建图方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光雷达建图技术领域，具体涉及一种固态激光雷达结构及其扫描建图方法。结构包括一个激光发射组件、两个光信号接收组件、MCU，通过一个激光发射组件和两个光信号接收组件，实现无机械移动结构设计的高精度建图方案，有效解决传统机械激光雷达的移动结构在高可靠性要求场景下的不稳定，寿命较短的问题；从而有效提高激光雷达输出的点云数据稳定性和质量，并且有效减小雷达的空间占用。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达建图技术领域，具体涉及一种固态激光雷达结构及其扫描建图方法。
背景技术
现有的激光雷达扫描建图方案一般为机械式激光雷达，传统的机械式激光雷达在扫描建图时需要进行机械旋转，从而获得建图点云数据；由于机械旋转结构的存在，机械式激光雷达在长时间使用后性能下降，扫描精度和扫描频率不稳定，并且由于机械转动造成点云数据的抖动和跳动，数据的精确性下降，机械式激光雷达的可靠性和使用寿命受限，难以满足复杂的高可靠性应用场景。
而现有技术下的常规固态激光雷达扫描建图通过面阵激光投射，然后通过单个面阵传感器接收，并将探测到光信号转化为点云数据。这种扫描建图方案避免了机械结构带来的缺陷，但是获取的探测视野小，建图输出的精度较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中机械式激光雷达扫描建图方案由于机械转动造成稳定性和精度不足的缺陷，从而提供一种固态激光雷达结构及其扫描建图方法。
一种固态激光雷达结构，包括一个激光发射组件、两个光信号接收组件、MCU；所述激光发射组件包括发光器件、准直透镜、波浪镜，所述准直透镜固定于所述发光器件前端，所述波浪镜固定于所述准直透镜前端，所述发光器件为面阵VCSEL芯片；所述光信号接收组件包括光电传感器、滤波片和聚光透镜，所述滤波片固定于所述光电传感器前端，所述聚光透镜固定于所述滤波片前端，所述光电传感器为面阵SPAD芯片；固定支架将所述激光发射组件和所述光信号接收组件固定在同一竖直平面上；所述MCU分别连接并控制所述激光发射组件和所述光信号接收组件。
进一步的，所述激光发射组件和所述光信号接收组件水平排布，并且两个光信号接收组件分别设置于所述激光发射组件两侧。
进一步的，两个所述光信号接收组件对称设置于所述激光发射组件两侧。
进一步的，一个所述光信号接收组件位于所述激光发射组件竖直方向上，另一个所述光信号接收组件位于所述激光发射组件水平方向上。
一种固态激光雷达结构的扫描建图方法，采用上述的一种固态激光雷达结构，所述激光发射组件发射面阵激光，所述面阵激光经过反射形成反射激光，所述光信号接收组件接收所述反射激光形成模拟信号；还包括以下方法：所述模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，所述MCU处理所述数字信号形成点云数据。
进一步的，两个所述光信号接收组件接收的模拟信号分别形成第一点云数据和第二点云数据，检测所述第一点云数据和所述第二点云数据的重叠区域；当未检测到重叠区域或重叠区域小于预设值时，直接输出第一点云数据和第二点云数据。
进一步的，当检测到所述第一点云数据和所述第二点云数据具有大于所述预设值的重叠区域时，根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据。
进一步的，检测所述第一点云数据和所述第二点云数据是否具有大于所述预设值的重叠区域，包括以下步骤：
分别获取所述第一点云数据和所述第二点云数据的距离和角度，分别得到对应位置的点云区域，当对应位置的点云区域内存在大于预设数量的相同或近似的点时，认为对应位置的点云区域为重叠区域，判断所述重叠区域是否大于所述预设值。
进一步的，当检测到所述第一点云数据和所述第二点云数据具有大于所述预设值的重叠区域时，遍历所述重叠区域内所述第一点云数据和所述第二点云数据上的所有点；
若在所述第一点云数据与所述第二点云数据中具有相同或相似的点的比例大于和等于预设比例，则根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据；
若在所述第一点云数据与所述第二点云数据中具有相同或相似的点的比例小于所述预设比例，则重新扫描形成新的第一点云数据与第二点云数据。
进一步的，所述激光发射组件FOV角水平视场角、垂直视场角范围均在100°~160°，发射波段为700nm~950nm，发射频率为7.7Hz~28Hz。
有益效果：本发明提供了一种固态激光雷达结构及其扫描建图方法，通过一个激光发射组件和两个光信号接收组件，实现无机械移动结构设计的高精度建图方案，有效解决传统机械激光雷达的移动结构在高可靠性要求场景下的不稳定，寿命较短的问题；从而有效提高激光雷达输出的点云数据稳定性和质量，并且有效减小雷达的空间占用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的一些实施例，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为本发明的主要结构示意图；
图2为本发明的一种激光发射组件和光信号接收组件排布结构示意图；
图3为本发明的另一种激光发射组件和光信号接收组件排布结构示意图；
图4为本发明第一点云数据和第二点云数据没有重叠区域的示意图；
图5为本发明第一点云数据和第二点云数据没有重叠区域的另一种示意图；
图6为本发明第一点云数据和第二点云数据具有重叠区域的示意图。
附图标记说明：
1、激光发射组件；2、光信号接收组件；3、MCU；4、固定支架。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
实施例一：
参照图1所示，本实施例提供了一种固态激光雷达结构，包括一个激光发射组件、两个光信号接收组件、MCU；所述激光发射组件包括发光器件、准直透镜、波浪镜，所述准直透镜固定于所述发光器件前端，所述波浪镜固定于所述准直透镜前端，所述发光器件为面阵VCSEL芯片；所述光信号接收组件包括光电传感器、滤波片和聚光透镜，所述滤波片固定于所述光电传感器前端，所述聚光透镜固定于所述滤波片前端，所述光电传感器为面阵SPAD芯片；固定支架将所述激光发射组件和所述光信号接收组件固定在同一竖直平面上；所述MCU分别连接并控制所述激光发射组件和所述光信号接收组件。
在本实施例中，所述激光发射组件用于发射阵列激光，所述光信号接收组件用于接收阵列激光遇到障碍物反射回来的激光信号；所述MCU用于驱动所述激光发射组件发射激光并使能所述信号接收组件；所述波浪镜用于将所述激光发射组件发射的激光光束分为多束激光，并从不同角度发射出去，形成阵列形式的激光。
作为本实施例的优选，所述激光发射组件FOV角水平视场角、垂直视场角范围均在100°~160°，发射波段为700nm~950nm，发射频率为7.7Hz~28Hz，测量距离25mm~600mm。
参照图2所示，在本发明的一些实施例中，所述激光发射组件和所述光信号接收组件水平排布，并且两个光信号接收组件分别设置于所述激光发射组件两侧。
作为本实施例的优选，两个所述光信号接收组件对称设置于所述激光发射组件两侧。这种排布方式能够在水平方向上获得更多的环境数据，从而方便导航、避障。
参照图3所示，在本发明的另一些实施例中，一个所述光信号接收组件位于所述激光发射组件竖直方向上，另一个所述光信号接收组件位于所述激光发射组件水平方向上。这种排布方式能够探测更多竖直方向的环境数据，例如床底、楼梯、悬崖边等，从而便于扫地机判断是否可以越过或者避障。
实施例二：
一种固态激光雷达结构的扫描建图方法，采用上述的一种固态激光雷达结构，所述激光发射组件发射面阵激光，所述面阵激光经过反射形成反射激光，所述光信号接收组件接收所述反射激光形成模拟信号；还包括以下方法：所述模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，所述MCU处理所述数字信号形成点云数据。
参照图4和图5所示，具体来说，两个所述光信号接收组件接收的模拟信号分别形成第一点云数据和第二点云数据，检测所述第一点云数据和所述第二点云数据的重叠区域；当未检测到重叠区域或重叠区域小于预设值时，直接输出第一点云数据和第二点云数据。
参照图6所示，当检测到所述第一点云数据和所述第二点云数据具有大于所述预设值的重叠区域时，根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据。
具体来说，检测所述第一点云数据和所述第二点云数据是否具有大于所述预设值的重叠区域，包括以下步骤：
分别获取所述第一点云数据和所述第二点云数据的距离和角度，分别得到对应位置的点云区域，当对应位置的点云区域内存在大于预设数量的相同或近似的点时，认为对应位置的点云区域为重叠区域，判断所述重叠区域是否大于所述预设值。作为本实施例的优选，所述预设数量为3个。在本实施例中，当对应位置的点云区域内的对应点距离以及角度都在一定限值之内时，认为对应点为相同或近似的点。
当检测到所述第一点云数据和所述第二点云数据具有大于所述预设值的重叠区域时，遍历所述重叠区域内所述第一点云数据和所述第二点云数据上的所有点；
若在所述第一点云数据与所述第二点云数据中具有相同或相似的点的比例大于和等于预设比例，则根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据；在本实施例中，根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据包括：如果存在对应点为相同或近似的点，计算所述对应点的距离以及角度均值，从而形成建图点云数据中新的点；如果一个点没有相同或近似的点，直接形成建图点云数据中的点。
若在所述第一点云数据与所述第二点云数据中具有相同或相似的点的比例小于所述预设比例，则重新扫描形成新的第一点云数据与第二点云数据。作为本实施例的优选，所述预设比例为90%。
上述提供了一种固态激光雷达结构及其扫描建图方法，通过一个激光发射组件和两个光信号接收组件，实现无机械移动结构设计的高精度建图方案，有效解决传统机械激光雷达的移动结构在高可靠性要求场景下的不稳定，寿命较短的问题；从而有效提高激光雷达输出的点云数据稳定性和质量，并且有效减小雷达的空间占用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种固态激光雷达结构，其特征在于，包括一个激光发射组件、两个光信号接收组件、MCU；两个所述信号接收组件叠加的探测FOV大于所述激光发射组件的投射FOV；所述激光发射组件包括发光器件、准直透镜、波浪镜，所述准直透镜固定于所述发光器件前端，所述波浪镜固定于所述准直透镜前端，所述发光器件为面阵VCSEL芯片；所述光信号接收组件包括光电传感器、滤波片和聚光透镜，所述滤波片固定于所述光电传感器前端，所述聚光透镜固定于所述滤波片前端，所述光电传感器为面阵SPAD芯片；固定支架将所述激光发射组件和所述光信号接收组件固定在同一竖直平面上；所述MCU分别连接并控制所述激光发射组件和所述光信号接收组件。
2.根据权利要求1所述的一种固态激光雷达结构，其特征在于，所述激光发射组件和所述光信号接收组件水平排布，并且两个光信号接收组件分别设置于所述激光发射组件两侧。
3.根据权利要求1所述的一种固态激光雷达结构，其特征在于，两个所述光信号接收组件对称设置于所述激光发射组件两侧。
4.根据权利要求1所述的一种固态激光雷达结构，其特征在于，一个所述光信号接收组件位于所述激光发射组件竖直方向上，另一个所述光信号接收组件位于所述激光发射组件水平方向上。
5.一种固态激光雷达的扫描建图方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种固态激光雷达结构，所述激光发射组件发射面阵激光，所述面阵激光经过反射形成反射激光，所述光信号接收组件接收所述反射激光形成模拟信号；还包括以下方法：所述模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，所述MCU处理所述数字信号形成点云数据。
6.根据权利要求5所述的一种固态激光雷达的扫描建图方法，其特征在于，两个所述光信号接收组件接收的模拟信号分别形成第一点云数据和第二点云数据，检测所述第一点云数据和所述第二点云数据的重叠区域；当未检测到重叠区域或重叠区域小于预设值时，直接输出第一点云数据和第二点云数据。
7.根据权利要求6所述的一种固态激光雷达的扫描建图方法，其特征在于，当检测到所述第一点云数据和所述第二点云数据具有大于所述预设值的重叠区域时，根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据。
8.根据权利要求7所述的一种固态激光雷达的扫描建图方法，其特征在于，检测所述第一点云数据和所述第二点云数据是否具有大于所述预设值的重叠区域，包括以下步骤：
分别获取所述第一点云数据和所述第二点云数据的距离和角度，分别得到对应位置的点云区域，当对应位置的点云区域内存在大于预设数量的相同或近似的点时，认为对应位置的点云区域为重叠区域，判断所述重叠区域是否大于所述预设值。
9.根据权利要求8所述的一种固态激光雷达的扫描建图方法，其特征在于，当检测到所述第一点云数据和所述第二点云数据具有大于所述预设值的重叠区域时，遍历所述重叠区域内所述第一点云数据和所述第二点云数据上的所有点；
若在所述第一点云数据与所述第二点云数据中具有相同或相似的点的比例大于和等于预设比例，则根据所述第一点云数据和所述第二点云数据形成建图点云数据；
若在所述第一点云数据与所述第二点云数据中具有相同或相似的点的比例小于所述预设比例，则重新扫描形成新的第一点云数据与第二点云数据。
10.根据权利要求5所述的一种固态激光雷达的扫描建图方法，其特征在于，所述激光发射组件FOV角水平视场角、垂直视场角范围均在100°~160°，发射波段为700nm~950nm，发射频率为7.7Hz~28Hz。
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