CN206209109U - 三维激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三维激光雷达系统，包括固定装置、控制装置和多个三维激光雷达；所述控制装置与所述多个三维激光雷达连接；所述多个三维激光雷达相互独立设置；所述多个三维激光雷达分别用于对目标物体周围环境的不同方位进行探测；所述多个三维激光雷达的探测方位角之和大于或等于360度；所述固定装置与所述多个三维激光雷达连接，用于保持所述多个三维激光雷达之间的相对位置关系保持不变，并保持所述多个三维激光雷达与目标位置的相对位置关系不变。上述三维激光雷达系统具有低成本且能够对目标物体周围环境进行360度探测的优点。

Description

三维激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种三维激光雷达系统。

背景技术

传统的三维激光雷达多为基于激光相控阵技术的激光雷达，造价昂贵。并且，激光相控阵技术只能在有限角度范围内调整激光的出射角度，从而无法对目标物体周围环境进行全面探测。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种低成本且能够对目标物体周围环境进行360度探测的三维激光雷达系统。

一种三维激光雷达系统，包括固定装置、控制装置和多个三维激光雷达；所述控制装置与所述多个三维激光雷达连接；所述多个三维激光雷达相互独立设置；所述多个三维激光雷达分别用于对目标物体周围环境的不同方位进行探测；所述多个三维激光雷达的探测方位角之和大于或等于360度；所述固定装置与所述多个三维激光雷达连接，用于保持所述多个三维激光雷达之间的相对位置关系保持不变，并保持所述多个三维激光雷达与目标位置的相对位置关系不变。

在其中一个实施例中，所述固定装置包括多个固定单元；每个固定单元用于对一个三维激光雷达进行固定；所述多个固定单元用于将所述多个三维激光雷达固定在同一水平面上。

在其中一个实施例中，所述固定装置包括壳体以及固定单元；所述固定单元和所述多个三维激光雷达均设置在所述壳体内；所述固定单元用于固定所述多个三维激光雷达且保持所述多个三维激光雷达之间的相对位置关系不变；所述壳体上与所述三维激光雷达对应位置处设有开口，以供激光的出入。

在其中一个实施例中，所述壳体为球体、圆柱体或者多面柱体。

在其中一个实施例中，所述多个三维激光雷达均为基于面阵光学探测器的相位式三维激光雷达；所述三维激光雷达包括激光发射驱动电路、激光发射器阵列、激光测距单元阵列和控制电路；所述激光发射驱动电路与所述激光发射器阵列电性连接；所述激光测距单元与所述控制电路电性连接；所述激光发射器阵列包括多个激光发射器以发射多路激光信号；多个所述激光发射器设置在同一平面；所述激光测距单元阵列包括多个激光测距单元以对测量物体反射回来的激光信号进行独立采样；多个所述激光测距单元设置在同一平面上。

在其中一个实施例中，所述三维激光雷达还包括：激光发射准直阵列，设置在所述激光发射器阵列的出射光侧，用于对所述激光发射器阵列发射的激光信号进行准直；以及激光接收准直装置，设置在所述激光测距单元阵列的入射光侧，用于对所述探测物体反射回来的激光信号进行聚焦。

在其中一个实施例中，所述激光发射准直阵列包括多个独立的发射准直单元；每个所述发射准直单元与一个所述激光发射器对应设置；所述发射准直单元包括平行于所述激光发射器阵列所在平面的准直晶片。

在其中一个实施例中，所述激光接收准直装置包括镜筒以及固定在所述镜筒上用于对反射回来的激光信号进行聚焦的准直晶片；所述镜筒沿所述入射光方向呈渐缩的阶梯状，所述准直晶片设置在所述镜筒的肩阶位置处。

在其中一个实施例中，所述三维激光雷达还包括第一电路板和第二电路板；所述激光发射驱动电路、所述激光发射器阵列和所述激光测距单元阵列均设置在所述第一电路板上；所述控制电路设置在所述第二电路板上。

在其中一个实施例中，还包括与所述控制电路连接的温度传感器；所述温度传感器用于采集所述三维激光雷达的温度信号并输出给所述控制电路。

上述三维激光雷达系统，设置有多个三维激光雷达，以分别对目标物体周围环境的不同方位进行探测。多个三维激光雷达的探测方位角之和大于或等于360度，从而可以对目标物体周围环境进行360度探测。采用上述三维激光雷达系统，对三维激光雷达的要求较低，从而极大的降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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实施例的附图。

图1为一实施例中的三维激光雷达系统的结构框图；

图2为一实施例中的三维激光雷达的结构框图；

图3为一实施例中的三维激光雷达的分解示意图；

图4为一实施例中的多个三维激光雷达的排布示意图；

图5为一实施例中的固定装置的主视图；

图6为图5中的固定装置的侧视图；

图7为图5中的固定装置的俯视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为一实施例中的三维激光雷达系统10的结构框图。该三维激光雷达系统用于实现对目标物体的周围环境的360度探测。目标物体可以为静态物体，也可以为运动中的物体，例如无人机、汽车、移动机器人等，从而对目标物体的周围环境进行360度扫描感知，以确保目标物体在运动过程中能够及时避开周围环境中的障碍物等。参见图1，该三维激光雷达系统10包括三维激光雷达100、固定装置100和控制装置300。

三维激光雷达100为多个。多个三维激光雷达100相互独立设置。并且多个三维激光雷达100分别对目标物体周围环境的不同方位进行探测，以获得探测区域内的探测物体的初始坐标系位置信息。探测物体也即被三维激光雷达100探测到的物体，其能够对三维激光雷达100发射的激光进行遮挡，从而形成反射激光被三维激光雷达100接收。三维激光雷达100根据反射回来的激光即可确定探测物体与三维激光雷达100的相对距离关系，并根据该相对距离关系求得对应的初始坐标系位置信息。该初始坐标系位置关系的初始坐标系可以统一均采用世界坐标，也可以根据各自的位置关系建立独立的坐标系。多个三维激光雷达100的探测方位角之和大于或等于360度，从而实现对目标物体周围环境的360度探测。通过多个三维激光雷达100来对目标物体周围环境的360度探测，可以降低对三维激光雷达的性能要求。因此，三维激光雷达100可以采用目前常用的激光雷达100来实现，进而可以实现低成本。

图2为一实施例中的三维激光雷达100的结构框图，图3为一实施例中的三维激光雷达100的分解示意图。该三维激光雷达100为基于面阵光学探测器的相位式三维激光雷达。该三维激光雷达100包括激光发射驱动电路110、激光发射器阵列120、激光发射准直阵列130、激光接收准直装置140、激光测距单元阵列150、控制电路160、温度传感器170、输出装置180以及电源装置190。其中，激光发射驱动电路110、激光发射器阵列120和激光测距单元阵列150均设置在第一电路板102上；控制电路160、温度传感器170、输出装置180以及电源装置190均设置在第二电路板104上。通过将光学系统和控制电路系统分别设置在不同的电路板上，便于减少相互之间的干扰，提高系统稳定性。

激光发射驱动电路110用于生成激光信号。在本实施例中，激光发射驱动电路110还会对生成的激光信号进行调制，以输出调制好的激光信号。

激光发射器阵列120用于接收激光发射驱动电路110输出的激光信号，并向外发射该激光信号。激光发射器阵列120包括多个激光发射器122。多个激光发射器设置在同一平面的不同位置处。每个激光发射器向外发射一路激光信号。在本实施例中，多个激光发射器122呈环状间隔分布在激光测距单元阵列150的外围。激光测距单元阵列150则包括多个激光测距单元(图中未示)。激光测距单元阵列150为芯片级集成。激光发射器122的数量以及激光测距单元阵列150中的激光测距单元的数量可以根据需要进行调节。在本实施例中，激光发射器阵列120设置有8个激光发射器122。位于第一电路板102平面内的激光发射器122以及激光测距单元的数量可调，从而使得测量得到的点云密度可控，进而可以根据不同情况、不同精度需求进行不同的设置。

激光发射准直阵列130设置在激光发射器阵列120的出射光侧，用于对激光发射器阵列120发出的激光信号进行准直。激光发射准直阵列130包括多个独立的发射准直单元132。每个发射准直单元132与一个激光发射器122对应设置，从而对该激光发射器122发射的激光信号进行准直。在本实施例中，发射准直单元132可以为准直晶片。准直晶片平行于激光发射器阵列120所在的平面。在其他的实施例中，多个发射准直单元132也可以通过固定装置按照预设相对位置关系进行固定形成一个整体，以便于安装。

激光接收准直装置140设置在激光测距单元阵列150的入射光侧，用于对探测物体反射回来的激光信号进行聚焦，以送入至激光测距单元阵列150中进行采样。激光接收准直装置140包括镜筒142和准直晶片144。准直晶片144固定在镜筒142内，用于对反射回来的激光信号进行聚焦。准直晶片144可以为多个，并沿入射光方向间隔设置。在本实施例中，镜筒142沿入射光方向呈渐缩的阶梯状。准直晶片144则设置在镜筒142的肩阶位置处。通过将激光接收准直装置140设置为渐缩状，有利于对反射回来的激光信号进行采集。

激光测距单元阵列150用于对探测物体反射回来的激光信号进行独立采样。激光测距单元阵列150包括多个激光测距单元。多个激光测距单元同样设置在一个平面的不同位置处。在本实施例中，激光测距单元阵列150和激光发射器阵列120设置在同一平面，在其他的实施例中，激光测距单元阵列150和激光发射器阵列120也可以分别设置在两平行的平面上。激光测距单元可以根据接收到的激光信号确定探测物体与激光测距单元之间的相对距离信息，并输出给控制电路160。激光测距单元阵列150还可以对激光发射驱动电路110进行控制，以控制其输出目标激光信号。

控制电路160接收激光测距单元阵列150输出的相对距离信息，并将该相对距离信息统一到世界坐标系中以获得目标测量物体的初始坐标系位置信息，从而完成测距过程。控制电路160将获得的相对距离信息统一到世界坐标系的过程可以采用现有控制技术实现，此处不赘述。在本实施例中，控制电路160还可以对激光测距单元阵列150的采样过程进行控制，以使得其按照控制电路160的设置进行采样，依次采集并完成测距工作。控制电路160将接收到的相对距离信息统一到世界坐标系以得到初始坐标系位置信息，并将得到的数据信息融合成一个数据集。控制电路160通过ICP(Iterative Closest Point，就近点搜索法)计算三维激光雷达100测量的初始坐标系位置信息。

在本实施例中，三维激光雷达100还包括温度传感器170。温度传感器170用于对三维激光雷达100的温度进行采样并得到温度信号后输出给控制电路160。控制电路160根据该温度信号对得到的初始坐标系位置信息进行校正。具体地，控制电路160内设置有存储单元。存储单元用于存储温度校正表。温度校正表中存储对不同温度对应的校正参数。因此，控制电路160根据温度传感器170采集到的温度信号去温度校正表中查找对应的校正参数，从而对初始坐标系位置信息进行校正。

控制电路160将校正后的初始坐标系位置信息通过输出装置180输出给控制装置300以及其他外部设备。输出装置180可以为无线通信模块或者有线输出端口，也可以同时设置无线通信模块和有线输出端口。例如，输出装置180可以为USB接口(USB 2.0以及USB3.0等)、WIFI模块、蓝牙模块、2.4G无线模块、5G无线模块以及以太网端口等。

电源装置190用于向三维激光雷达100提供工作电源。电源装置190可以为内置的独立可更换的电源模块，也可以为包括可充电介质的电源模块。

上述三维激光雷达100在无需旋转的情况下即可测量空间中障碍物的分布。相对于传统的三维激光雷达而言，其无需设置旋转部件，结构相对简单且不容易磨损，产品稳定性能较好，从而可以提高三维激光雷达系统10的稳定性并延长其使用寿命。

固定装置200与多个三维激光雷达100连接，用于保持多个三维激光雷达100之间的相位位置关系保持不变，并保持三维激光雷达100与目标位置的相对位置关系不变。通过确保三维激光雷达100之间、以及三维激光雷达100和目标位置之间的相对位置关系保持不变，便于控制装置200进行数据处理，以提高数据处理速度，提高探测结果输出效率。在本实施例中，目标位置为多个三维激光雷达100的中心位置。并且，该中心位置与目标物体的相对位置关系同样保持不变。在其他的实施例中，目标位置可以根据实际需要进行调整。在一实施例中，固定装置200包括多个固定单元。每个固定单元用于对一个三维激光雷达100进行固定，并且多个三维激光雷达100均固定在同一水平面上。图4为一实施例中的多个三维激光雷达100的排布示意图。为方便看清多个三维激光雷达100的排布示意图，将多个三维激光雷达100从目标物体也即汽车上剥离开来，故图中未给出固定装置200的示意图。多个三维激光雷达100可以通过多个固定单元分散固定在目标物体的四周，以对不同的方位进行探测。

多个三维激光雷达100也可以通过固定装置200进行组合，作为一个整体固定在目标物体上容易对周围环境进行探测的位置处(如顶部)。图5为一实施例中的固定装置200的主视图，图6为图5的侧视图，图7为图5的俯视图。该固定装置200包括壳体210以及固定单元(图中未示)。固定单元和多个三维激光雷达100均设置在壳体210内部。固定单元用于固定三维激光雷达100并保持多个三维激光雷达100之间的相对位置关系不变。壳体210上与三维激光雷达100对应的位置处设有开口220，供激光的出入。在本实施例中，壳体210为圆柱体。在其他的实施例中，壳体210也可以为球体或者其他规则的多面柱体。

控制装置300用于与多个三维激光雷达100连接。控制装置300用于接收各三维激光雷达100输出的初始坐标系位置信息。控制装置300还会获取各三维激光雷达100与目标位置的相对位置关系。控制装置300可以根据该相对位置关系将获得的初始坐标系位置信息统一到以目标位置为坐标原点的坐标系中，以获得单一坐标系下的测试数据，完成对目标物体周围环境的全面覆盖性探测。在一实施例中，控制装置300还包括补偿单元，用于对测试数据中的重叠区域进行补偿，以提高测试的准确度。控制装置300可以固定在目标物体上，可以为设置独立于目标物体设置的远程控制端。

上述三维激光雷达系统10，设置有多个三维激光雷达100，以分别对目标物体周围环境的不同方位进行探测获得相应探测物的初始坐标系位置。多个三维激光雷达100的探测方位角之和大于或等于360度，从而对目标物体周围环境进行360度探测。固定装置200用于保证多个三维激光雷达100的相对位置关系保持不变并保持多个三维激光雷达100与目标位置的相对位置关系不变。因此，控制装置300可以根据三维激光雷达100与目标位置的相对位置关系，将各探测物的初始坐标系位置信息统一到以目标位置为原点的坐标系中，以获得单一坐标系下的测试数据，完成对目标物体周围环境的全面覆盖性探测。采用上述三维激光雷达系统10，对三维激光雷达的100要求较低，从而极大的降低了成本。

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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维激光雷达系统，其特征在于，包括固定装置、控制装置和多个三维激光雷达；所述控制装置与所述多个三维激光雷达连接；所述多个三维激光雷达相互独立设置；所述多个三维激光雷达分别用于对目标物体周围环境的不同方位进行探测；所述多个三维激光雷达的探测方位角之和大于或等于360度；所述固定装置与所述多个三维激光雷达连接，用于保持所述多个三维激光雷达之间的相对位置关系保持不变，并保持所述多个三维激光雷达与目标位置的相对位置关系不变。

2.根据权利要求1所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述固定装置包括多个固定单元；每个固定单元用于对一个三维激光雷达进行固定；所述多个固定单元用于将所述多个三维激光雷达固定在同一水平面上。

3.根据权利要求1所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述固定装置包括壳体以及固定单元；所述固定单元和所述多个三维激光雷达均设置在所述壳体内；所述固定单元用于固定所述多个三维激光雷达且保持所述多个三维激光雷达之间的相对位置关系不变；所述壳体上与所述三维激光雷达对应位置处设有开口，以供激光的出入。

4.根据权利要求3所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述壳体为球体、圆柱体或者多面柱体。

5.根据权利要求1所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述多个三维激光雷达均为基于面阵光学探测器的相位式三维激光雷达；所述三维激光雷达包括激光发射驱动电路、激光发射器阵列、激光测距单元阵列和控制电路；所述激光发射驱动电路与所述激光发射器阵列电性连接；所述激光测距单元与所述控制电路电性连接；所述激光发射器阵列包括多个激光发射器以发射多路激光信号；多个所述激光发射器设置在同一平面；所述激光测距单元阵列包括多个激光测距单元以对测量物体反射回来的激光信号进行独立采样；多个所述激光测距单元设置在同一平面上。

6.根据权利要求5所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述三维激光雷达还包括：

激光发射准直阵列，设置在所述激光发射器阵列的出射光侧，用于对所述激光发射器阵列发射的激光信号进行准直；以及

激光接收准直装置，设置在所述激光测距单元阵列的入射光侧，用于对所述探测物体反射回来的激光信号进行聚焦。

7.根据权利要求6所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射准直阵列包括多个独立的发射准直单元；每个所述发射准直单元与一个所述激光发射器对应设置；所述发射准直单元包括平行于所述激光发射器阵列所在平面的准直晶片。

8.根据权利要求6所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收准直装置包括镜筒以及固定在所述镜筒上用于对反射回来的激光信号进行聚焦的准直晶片；所述镜筒沿所述入射光方向呈渐缩的阶梯状，所述准直晶片设置在所述镜筒的肩阶位置处。

9.根据权利要求5所述的三维激光雷达系统，其特征在于，所述三维激光雷达还包括第一电路板和第二电路板；所述激光发射驱动电路、所述激光发射器阵列和所述激光测距单元阵列均设置在所述第一电路板上；所述控制电路设置在所述第二电路板上。

10.根据权利要求9所述的三维激光雷达系统，其特征在于，还包括与所述控制电路连接的温度传感器；所述温度传感器用于采集所述三维激光雷达的温度信号并输出给所述控制电路。