CN205562803U - 一种二维激光雷达的测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于激光应用技术领域，提供了一种二维激光雷达的测距装置，该测距装置包括第一PCB板、固定机构、旋转机构、第二PCB板、连接机构、CMOS成像系统及壳体，所述第一PCB板设于所述固定机构上，所述连接机构设于所述固定机构上，所述旋转机构设于所述连接机构上，所述第二PCB板设于所述旋转机构上，所述CMOS成像系统设于所述第二PCB板上，所述第一PCB板、固定机构、旋转机构、第二PCB板、CMOS成像系统均设于所述壳体内。该测距装置结构简单，测距精度高，成本低廉，测距响应速度块，实现二维多点高精度测距，操作简单、可测量范围大，自动化程度高，能方便测量曲面轮廓，装置重量轻，携带方便。

Description

一种二维激光雷达的测距装置

技术领域

本实用新型属于激光应用技术领域，尤其涉及一种二维激光雷达的测距装置。

背景技术

激光技术作为近年来高新科技发展的尖端技术，已经被越来越多的应用于社会生产生活的各个领域。激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X 射线到远红外。

而其中激光测距技术，更是激光技术扩展领域的一个重要方面。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定( 又称激光测距) 的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

近几年来，随着科技的发展，扫描式激光测距技术也逐渐成熟。激光扫描仪是利用时间飞行原理来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器，激光扫描测量系统基于激光测距原理。通过旋转的光学部件发射形成二维的扫描面，以实现区域扫描及轮廓测量功能。产品被广泛用于防撞、测量、导航、安防等，如设备防撞、散货体积测量、车型检测、自行小车导航、敏感区域防护等。

而现阶段，扫描式激光测距装置通常使用的都是同轴系统来实现的。接收和发射的同轴系统设计，虽然可以有效保证光路的原路返回，但是在光路遮挡方面，会导致大量能量的损失，影响实际的测距效果。而现有的垂直轴方案，一般采取较小的反光镜，可以讲准直光路反射出去，而对于小反光镜的支撑结构，则会对于光路部分具有较大的遮挡。

传统的测距系统测距精度差，测距频率低，由于光学器件的复杂性，传统的激光测距系统造价高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种二维激光雷达的测距装置，旨在解决上述的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种二维激光雷达的测距装置，该测距装置包括第一PCB板、固定机构、旋转机构、第二PCB板、连接机构、CMOS成像系统及壳体，所述第一PCB板设于所述固定机构上，所述连接机构设于所述固定机构上，所述旋转机构设于所述连接机构上，所述第二PCB板设于所述旋转机构上，所述CMOS成像系统设于所述第二PCB板上，所述第一PCB板、固定机构、旋转机构、第二PCB板、CMOS成像系统均设于所述壳体内。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第一PCB板设于所述固定机构的底面上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述固定机构包括支撑柱，设于所述支撑柱上的电机固定架，设于所述电机固定架上的电机，所述电机的驱动端连接所述第一PCB板的输出端。

本实用新型的进一步技术方案是：所述连接机构包括轴承支座，设于所述轴承支座内的轴承，闯过所述轴承设于所述轴承上的连接器，所述连接器的低端连接所述电机的电机轴。

本实用新型的进一步技术方案是：所述旋转机构包括旋转盘，设于所述旋转盘上的镜片支座。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第一PCB板上还设有主控模块、激光准直模块、第一无线通信模块及能量接收模块，所述CMOS成像系统连接所述主控模块双向通信，所述主控模块的输出端连接所述激光准直模块的输入端，所述主控模块连接所述第一无线通信模块双向通信，所述能量接收模块分别电性连接所述主控模块、激光准直模块、第一无线通信模块及CMOS成像系统。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第一PCB板上设有能量发射模块、第二无线通信模块、外部通信接口模块、电机及光栅驱动模块及供电模块，所述电机及光栅驱动模块连接所述主控模块双向通信，所述第二无线通信模块数据通信连接第一无线通信模块双向通信，所述第二无线通信模块连接所述外部通信接口模块双向通信，所述供电模块分别电性连接所述能量发射模块、第二无线通信模块、外部通信接口模块及电机及光栅驱动模块。

本实用新型的进一步技术方案是：该测距装置还包括控制装置，所述控制装置通信连接所述外部通信接口模块双向通信。

本实用新型的进一步技术方案是：所述控制装置采用的是PC电脑或嵌入式系统。

本实用新型的有益效果是：该测距装置结构简单，测距精度高，成本低廉，测距响应速度块，实现了二维多点高精度测距，操作简单、可测量范围大，自动化程度高，能方便的在竖直平面内测量曲面轮廓，装置重量轻，携带方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的二维激光雷达的测距装置的分解图。

图2是本实用新型实施例提供的激光测距光路图。

图3是本实用新型实施例提供的系统工作流程图。

图4是本实用新型实施例提供的扫描模式工作流程图。

具体实施方式

附图标记：10-壳体 20-第一PCB板 301-支撑柱 302-电机 303-电机固定架 401-轴承支座 402-轴承 403-连接器 501-旋转盘 502-镜片支座 60-第二PCB板 601-传感器。

如图1所示，本实用新型提供的一种二维激光雷达的测距装置，该测距装置包括第一PCB板20、固定机构、旋转机构、第二PCB板60、连接机构、CMOS成像系统及壳体10，所述第一PCB板20设于所述固定机构上，所述连接机构设于所述固定机构上，所述旋转机构设于所述连接机构上，所述第二PCB板60设于所述旋转机构上，所述CMOS成像系统设于所述第二PCB板60上，所述第一PCB板20、固定机构、旋转机构、第二PCB板60、CMOS成像系统均设于所述壳体内。

所述第一PCB板20设于所述固定机构的底面上。

传感器设于所述第二PCB板60上。所述传感器的输出端连接所述主控模块的输入端。

所述固定机构包括支撑柱301，设于所述支撑柱301上的电机固定架303，设于所述电机固定架303上的电机，所述电机302的驱动端连接所述第一PCB板20的输出端。

支撑柱301为三根。

所述连接机构包括轴承支座401，设于所述轴承支座401内的轴承402，闯过所述轴承402设于所述轴承402上的连接器403，所述连接器403的低端连接所述电机302的电机轴。

所述旋转机构包括旋转盘501，设于所述旋转盘501上的镜片支座502。

所述第二PCB板60上还设有主控模块、激光准直模块、第一无线通信模块及能量接收模块，所述CMOS成像系统连接所述主控模块双向通信，所述主控模块的输出端连接所述激光准直模块的输入端，所述主控模块连接所述第一无线通信模块双向通信，所述能量接收模块分别电性连接所述主控模块、激光准直模块、第一无线通信模块及CMOS成像系统。

所述第一PCB板20上设有能量发射模块、第二无线通信模块、外部通信接口模块、电机及光栅驱动模块及供电模块，所述电机及光栅驱动模块连接所述主控模块双向通信，所述第二无线通信模块数据通信连接第一无线通信模块双向通信，所述第二无线通信模块连接所述外部通信接口模块双向通信，所述供电模块分别电性连接所述能量发射模块、第二无线通信模块、外部通信接口模块及电机及光栅驱动模块。

该测距装置还包括控制装置，所述控制装置通信连接所述外部通信接口模块双向通信。

所述控制装置采用的是PC电脑或嵌入式系统。

该测距装置通过主控芯片驱动线阵CMOS成像系统，来获取激光准直模块射出的光斑在测距点处所成的像，并根据光斑中心所成的像点位置，利用测距算法来计算出测距装置与测距点的间距，实现测距作用。同时，通过提高CMOS的成像帧率，并驱动电机带动测距系统360度旋转，实现高速二维测距。

测距装置主要由单点测距系统、电机及光栅、无线通信系统、外部通信系统以及无线供电系统组成。单点测距系统是整个系统的核心，其可以实现单点高速高精度测距，配合电机旋转以及光栅输入并计算出旋转角度，从而实现二维多点连续测距。

单点测距系统主要由主控模块、CMOS成像系统以及激光准直模块组成。激光准直模块发出一束准直激光，聚焦性好。同时，主控模块驱动CMOS成像系统工作，采集光斑在测距点处的成像信息。采集结束后，主控模块获取到了一帧成像数据，通过成像数据可以计算出光斑在CMOS上的成像位置，并通过主控模块的内置算法，得到光斑与测距装置的距离，实现单点测距。为了得到更高的测距频率，主控模块控制CMOS开启连续采样，并在下一帧采样的同时进行算法运算和数据输出，实现高速连续测距。

（1）原理：

本测距系统单点测距的原理是基于激光三角法测距，依据激光三角法的测距原理可知：

q = f*s/x (1)

d = q/sin(beta) (2)

x：激光光斑在CMOS上的成像位置

本发明考虑到设备的安装误差，对x进行校正：

x = pixelsize * pixel_x+offset (3)

pixelsize：CMOS的像素尺寸

pixsel_x：成像的坐标

offset：校正参数。

为了保证测距系统能满足0.2m-6m的测距范围的要求，激光器的倾角beta角为了满足系统的测距范围和测距精度，beta角为85度。

为了保证测距的精度，焦距f与基线s之间需要满足：f * s >=700。但是考虑到目前CMOS的感光像素尺寸可以做到很小，且算法上可以精确到0.1个像素，所以f与s的值可以取得更小。本系统中，考虑到系统的结构大小，s的取值比较小，因此，f的值比较大。

综上所述，本系统的测距关系函数的参数众多，且由于系统光路调试和结构安装导致的误差，其参数大多都是变动的。因此我们简化上式，用以下形式表示：

D = (a*X+b)/(c*X+d) （4）

该式是一个关于X的单调函数，其X表示的为光斑成像的像素位置，即为式3中的pixel_x。

为了求得距离值D的大小，还需得到4个参数a,b,c,d；本方案采用最小二乘法对D与X的关系函数进行逼近，从而得到参数a,b,c,d，将参数值写入算法中，便可以求得距离D的值了。

电机及光栅

单点激光测距只能实现固定点的连续测距，要实现二维多点的连续测距，则需添加电机驱动测距系统360度旋转。单点测距的返回数据只含有距离信息，为了实现二维测距，系统还必须添加角度信息。因此，电机与光栅的作用便是驱动系统旋转以便获得系统所在的二维平面各点的距离信息，同时，系统配合光栅，来获取光斑的角度信息。

无线通信系统

由于二维测距需要测距系统360度旋转，因此会带来测距系统数据通信以及系统供电上的困难。在保证结构不变的前提下，本方案设计了无线供电（详见要点：无线供电）和无线通信，来实现对系统的供电以及数据的无线转接。无线通信模块通过无线射频，将工作在旋转状态的系统的数据转接到不旋转的转接板上。

无线供电系统

同无线通信一样，在保证系统结构不变化的情况下，采用无线供电方案来实现对测距系统的供电，此方案可以降低系统结构的复杂性。无线供电系统包括能量发射系统与能量接收系统，能量发射系统在固定机构中，能量接收系统在旋转机构中。

测距工作流程

系统在上电时，在初始化必要的硬件后会进入休眠状态。当收到PC或其他主控系统的命令后便休眠唤醒，进入请求处理状态并获取串口数据，命令结束完毕便调用命令解码程序，根据不同的命令进入相应的工作模式。如果接收到扫描命令，测距系统便开始工作，主控芯片将驱动CMOS成像系统以高帧率连续采样。每一帧数据获取完毕后，系统便会调用测距算法得到距离。系统获取光栅数据，计算出此刻的角度数据。然后输出一个点的角度及距离数据。如图3所示。

系统模式切换流程

系统模式切换时通过中断来实现的，系统上电时是处于休眠状态，当接收到串口数据时，系统将发生串口中断，并切换工作模式，进入到请求处理状态。请求处理状态下，系统将对串口命令分析，并根据命令进入相应工作模式或返回响应数据。测距系统主要有4个工作模式：休眠模式、扫描模式、请求处理模式、停机保护模式。

模式切换流程如下：

步骤一： 初始化硬件

步骤二： 进入休眠等待

步骤三： 模式切换。休眠命令：进入休眠；停机命令：保护停机；扫描命令：开启扫描；获取健康命令：返回设备状态信息；获取固件信息：返回固件信息。如果通信出错或命令有误，系统不理会。

系统的4个工作模式中，扫描模式才能实现二维测距作用。当系统切换到扫描模式时，系统将会对CMOS进行初始化，设置其工作模式和工作帧率。其具体流程如图4所示。

值得注意的是，主控芯片在获取一帧成像数据后，立即驱动CMOS开启下一帧采样。因此，数据的采集以及数据的处理、输出是同时进行的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维激光雷达的测距装置，其特征在于：该测距装置包括第一PCB板、固定机构、旋转机构、第二PCB板、连接机构、CMOS成像系统及壳体，所述第一PCB板设于所述固定机构上，所述连接机构设于所述固定机构上，所述旋转机构设于所述连接机构上，所述第二PCB板设于所述旋转机构上，所述CMOS成像系统设于所述第二PCB板上，所述第一PCB板、固定机构、旋转机构、第二PCB板、CMOS成像系统均设于所述壳体内。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述第一PCB板设于所述固定机构的底面上。

3.根据权利要求2所述的测距装置，其特征在于，所述固定机构包括支撑柱，设于所述支撑柱上的电机固定架，设于所述电机固定架上的电机，所述电机的驱动端连接所述第一PCB板的输出端。

4.根据权利要求3所述的测距装置，其特征在于，所述连接机构包括轴承支座，设于所述轴承支座内的轴承，闯过所述轴承设于所述轴承上的连接器，所述连接器的低端连接所述电机的电机轴。

5.根据权利要求4所述的测距装置，其特征在于，所述旋转机构包括旋转盘，设于所述旋转盘上的镜片支座。

6.根据权利要求5所述的测距装置，其特征在于，所述第一PCB板上还设有主控模块、激光准直模块、第一无线通信模块及能量接收模块，所述CMOS成像系统连接所述主控模块双向通信，所述主控模块的输出端连接所述激光准直模块的输入端，所述主控模块连接所述第一无线通信模块双向通信，所述能量接收模块分别电性连接所述主控模块、激光准直模块、第一无线通信模块及CMOS成像系统。

7.根据权利要求6所述的测距装置，其特征在于，所述第一PCB板上设有能量发射模块、第二无线通信模块、外部通信接口模块、电机及光栅驱动模块及供电模块，所述电机及光栅驱动模块连接所述主控模块双向通信，所述第二无线通信模块数据通信连接第一无线通信模块双向通信，所述第二无线通信模块连接所述外部通信接口模块双向通信，所述供电模块分别电性连接所述能量发射模块、第二无线通信模块、外部通信接口模块及电机及光栅驱动模块。

8.根据权利要求7所述的测距装置，其特征在于，该测距装置还包括控制装置，所述控制装置通信连接所述外部通信接口模块双向通信。

9.根据权利要求8所述的测距装置，其特征在于，所述控制装置采用的是PC电脑或嵌入式系统。