CN210864033U - 一种扫描装置及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光雷达领域，具体涉及一种扫描装置及激光雷达系统。所述扫描装置包括可旋转运动的光楔模块，所述光楔模块接收外部光束并进行第一方向的偏转；以及可旋转运动的旋转反射机构，包括至少一设置在旋转侧的反射面；其中，外部光束经光楔模块发生第一方向的偏转后，入射至旋转反射机构，经旋转反射机构的反射面反射向外进行第二方向的扫描。本实用新型能实现第一方向和第二方向的光路扫描，实现高帧频的高效扫描，扫描视场范围大，同时，激光雷达系统中应用的收发组件数量较少，大大降低生产调试难度，减少人力投入，从而提高生产效率，降低成本。

Description

一种扫描装置及激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达领域，具体涉及一种扫描装置及激光雷达系统。

背景技术

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后,就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

特别是在自动驾驶领域，自动驾驶等技术高速发展，其中一项重要配套传感器激光雷达，为了满足各种特定需求，涌现出各种类型的方案。

为了满足障碍检测等方面的使用需求，激光雷达产品(如车用)需要能够覆盖较大范围的水平扫描视场角和垂直视场角。常见的一种是在垂直视场上排布较多数量的激光收发组件，在水平视场上用旋转电机带动实现360°水平扫描，从而实现水平视场和垂直视场均有较大的覆盖范围；一种是在水平视场和垂直视场两个方向上分别使用2个振镜进行扫描，从而达到垂直视场和水平视场都都达到需求指标的目的。有一种是双光楔扫描，可以达到密集的局部扫描。还有一种是振镜与转镜的组合扫描方式，用振镜实现垂直方向的光路扫描，用转镜实现水平方向的光路扫描。

但是，上述方案均存在问题，如第一种360°扫描的激光雷达产品，为了能够覆盖较大范围的垂直视场，需要放置较多数量的激光收发组件，这些激光组件往往需要做到一一对准，在生产调试过程中难度较大且由于组件数量高而成本高昂。而且，在特定应用场合不需要360°全范围数据时，在局部视场扫描需求环境下扫描频率受限，不利于局部高密度扫描。

第二种双振镜扫描方案由于振镜系统自身特性，无法同时达到大扫描范围和高扫描重频，往往不利于高帧频大范围扫描。

而双光楔扫描系统总体视场范围受限于光楔偏转角度较小的影响，特别是水平视场方向不能满足要求，往往需要多个雷达或者多个扫描系统拼接来实现大水平视场范围的覆盖。

另外，振镜与转镜结合的扫描方式，可以实现足够的垂直视场角度和较宽的水平视场角度，但振镜系统成本较高；且由于扫描镜和电机在轴向串行安装，体积较大，且运行功耗较高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种扫描装置及激光雷达系统，克服现有激光雷达产品存在的生产调试难度大、生产效率低、成本高，以及扫描频率受限、扫描范围小等问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种扫描装置，其包括：

可旋转运动的光楔模块，所述光楔模块接收外部光束并进行第一方向的偏转；以及

可旋转运动的旋转反射机构，包括至少一设置在旋转侧的反射面；

其中，外部光束经光楔模块发生第一方向的偏转后，入射至旋转反射机构，经旋转反射机构的反射面反射向外进行第二方向的扫描。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述旋转反射机构的旋转侧设置有多个反射面。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述光楔模块包括至少一设置在旋转反射机构四周的光楔单元。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述光楔模块还包括带动每一所述光楔单元旋转的电机，每一所述光楔单元设于电机的空心轴内。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述旋转反射机构包括可旋转运动的多边形柱状支架。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述旋转反射机构的反射面与其旋转轴平行设置，或倾斜设置。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述第一方向与第二方向相互垂直。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光雷达系统，包括：

上述所述的扫描装置；以及

收发模块，所述收发模块包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元发射激光光束入射至扫描装置的光楔模块，所述激光接收单元接收获取从旋转反射机构的反射面反射回的光信号。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述收发模块还包括设有开孔的反射镜，以及第一透镜，所述激光发射单元发射的激光光束穿设开孔输出，外部光信号经反射镜反射后，入射至第一透镜聚焦至激光接收单元。

本实用新型的更进一步优选方案是：所述收发模块还包括设有反射曲面的第二透镜，外部光信号经第二透镜的反射曲面反射聚焦至激光接收单元。

本实用新型的有益效果在于，与现有技术相比，通过设置可旋转运动的光楔模块和旋转反射机构，旋转反射机构包括至少一设置在旋转侧的反射面，外部光束经光楔模块发生第一方向的偏转后，入射至旋转反射机构，经旋转反射机构的反射面反射向外进行第二方向的扫描，在光楔模块进行旋转的过程中，外部光束实现第一方向的扫描，从而实现第一方向和第二方向的光路扫描，实现高帧频的高效扫描，扫描视场范围大，同时，激光雷达系统中应用的收发组件数量较少，大大降低生产调试难度，减少人力投入，从而提高生产效率，降低成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型激光雷达系统(包括一个光楔单元)的扫描示意图；

图2是本实用新型激光雷达系统(包括两个光楔单元)的扫描示意图；

图3是本实用新型光楔单元的扫描示意图；

图4是两个光楔单元沿第一方向设置的扫描视场范围(部分重叠)示意图；

图5是两个光楔单元沿第二方向设置的扫描视场范围(部分重叠)示意图；

图6是本实用新型激光雷达系统扫描的脚点排布图；

图7是现有组合扫描系统扫描的扫描轨迹示意图；

图8-9是本实用新型激光雷达系统在两种转速配比下的扫描轨迹示意图；

图10是本实用新型收发模块实方案一的结构示意图；

图11是本实用新型收发模块实方案二的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型的较佳实施例作详细说明。

如图1及图2所示，本实用新型提供一种扫描装置的优选实施例。

一种扫描装置，包括：

可旋转运动的光楔模块，所述光楔模块接收外部光束并进行第一方向的偏转；以及

可旋转运动的旋转反射机构20，包括至少一设置在旋转侧的反射面21；

其中，外部光束经光楔模块发生第一方向的偏转后，入射至旋转反射机构20，经旋转反射机构20的反射面21反射向外进行第二方向的扫描。

通过设置可旋转运动的光楔模块和旋转反射机构20，旋转反射机构20包括至少一设置在旋转侧的反射面21，外部光束经光楔模块发生第一方向的偏转后，入射至旋转反射机构20，经旋转反射机构20的反射面21反射向外进行第二方向的扫描，在光楔模块进行旋转的过程中，外部光束实现第一方向的扫描，从而实现第一方向和第二方向的光路扫描，实现高帧频的高效扫描，扫描视场范围大，同时，激光雷达系统中应用的收发组件数量较少，大大降低生产调试难度，减少人力投入，从而提高生产效率，降低成本。

其中，光入射至光楔后会偏折一定角度后输出。外部光束经光楔模块后发生第一方向的偏转，光楔模块在旋转的过程中，外部光束实现在第一方向的扫描，其扫描示意图如图3所示。

本实施例中，所述旋转反射机构20的旋转侧设置有多个反射面21。在旋转反射机构20旋转的过程中，对经光楔模块输出的光束做第二方向扩展扫描，通过设置多个反射面21，可以增加光束在第二方向上的扫描频率，增加其帧频和提高第二方向角度分辨率。

其中，所述旋转反射机构20包括可旋转运动的多边形柱状支架。多边形可以是三角形、四边形、五边形活或者六边形及以上。使用者可根据实际需要进行设置多边形的边数。

进一步地，所述旋转反射机构20的反射面21与其旋转轴22平行设置，或倾斜设置。

进一步地，所述光楔模块包括至少一设置在旋转反射机构20四周的光楔单元10。其中，每一光楔单元10与一反射面21对应，当然，在其他实施例中，光楔单元10也可不与反射面21一一对应，可以是多个光楔单元10对应同一反射面21。在旋转反射机构20旋转过程中，经光楔单元10后发生第一方向偏转的光束也通过旋转至与光楔单元10相对的反射面21进行反射后输出。光楔单元10的数量可以是一个、两个或两个以上。通过在旋转反射机构20四周设置至少一光楔单元10，可以增加光路在第二方向上的视场扫描范围。

其中，多个光楔单元10共用旋转反射机构20，扫描装置可扫描视场覆盖方式具有多种形式，以设置两个光楔单元10为例，两个光楔单元10可以是沿第一方向设置，实现上下视场范围无重叠的扫描方式，也可以是上下有部分重叠或者全部重叠的形式；两个光楔单元10也可以是沿第二方向设置，实现左右视场范围的扫描方向，同样包括不重叠，部分重叠或全部重叠的形式。两个光楔单元10沿第一方向设置的扫描视场范围(部分重叠)示意图如图4所示，两个光楔单元10沿第二方向设置的扫描视场范围(部分重叠)示意图如图5所示。其中，FOV1和FOV2为扫描的两个视场范围。

其中，当使用一个光楔单元10时，扫描装置在给定距离处的脚点排布图如图6所示。

进一步地，所述光楔模块还包括带动每一所述光楔单元10旋转的电机，每一所述光楔单元10设于电机的空心轴内。将光楔单元10设于电机的空心轴内，可以减小整个扫描装置占用的空间体积。

在现有的振镜与转镜组合扫描系统中，振镜反射镜与电机在轴向串行安装，占用较大的体积，并且，由于振镜工作状态为往复运动，往往工作频率受限，振镜与转镜组合扫描系统中，往往采取垂直方向逐行扫描的视场覆盖方式，激光扫描轨迹在垂直视场存在明显的“逐行”间隙(如图7所示)，要提高垂直角度分辨率只能通过不断的增加垂直方向的水平线数量，当帧频和垂直角度分辨率两项指标要求较高时，转镜电机需要运行在一个很高的转速，会明显增加功耗。

本实用新型中，由于光楔单元10可以轻松的实现高速运转，在设置光楔模块和旋转反射机构20的转速配比情况下，扫描线轨迹将在视场区域实现“交叉”，第一方向的角分辨率将不再仅仅取决于第二方向扫描线角度间距，还可利用扫描线弯曲进行加密。如图8和图9所示，图8和图9为两种不同转速配比下不同的扫描线交叉模式的扫描轨迹示意图。此时，可以更加密集的实现对视场范围第一方向的扫描，提高障碍物检测概率。

本实施例中，所述第一方向与第二方向相互垂直。可以定义第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向。本实用新型中，在水平视场上用可旋转运动的旋转反射机构20，实现大视场范围高重频的扫描；在垂直视场上采用可旋转运动的光楔模块实现垂直方向扫描，用以覆盖垂直视场角度范围。两种扫描方法组合扫描，可以用少量的激光收发组件实现大视场范围的扫描覆盖，具有水平视场宽、扫描帧频高、垂直视场大且垂直视场方向角度分辨率高等特点，其中，由于激光雷达系统中所使用的激光收发组件数量较少，在生产调试过程中方便对准，减少人力投入，从而提高生产效率，降低成本。

如图1和2所示，本实用新型提供一种激光雷达系统的优选实施例。

一种激光雷达系统，包括：

上述所述的扫描装置；以及

收发模块，所述收发模块包括激光发射单元31和激光接收单元32，所述激光发射单元31发射激光光束入射至扫描装置的光楔模块，所述激光接收单元32接收获取从旋转反射机构20的反射面21反射回的光信号。

通过在激光雷达系统的扫描装置设置可旋转运动的光楔模块和旋转反射机构20，旋转反射机构20包括至少一设置在旋转侧的反射面21，激光发射单元31发射激光光束入射至光楔模块，发生第一方向的偏转后入射至旋转反射机构20的反射面21，由反射面21反射向外，进行第二方向的扫描，在光楔模块进行旋转的过程中，激光光束实现第一方向的扫描；外部光信号入射至旋转反射机构20的反射面21，经反射面21反射回激光接收单元32。激光雷达系统能实现高帧频的高效扫描，扫描视场范围大，同时，激光雷达系统中应用的收发组件数量较少，大大降低生产调试难度，减少人力投入，从而提高生产效率，降低成本。

另外，由于所使用的激光收发组件比最终实现的扫描线数少的多，所以，在同等垂直视场分辨率情况下，大大降低了系统中收发组件的数量，对系统整体硬件成本降低具有积极意义；同时，由于激光收发组件减少，系统对准难度降低从而装调人力成本显著降低，适合工业化生产。

其中，激光发射单元31发射激光脉冲信号，可旋转运动的光楔模块使出射的激光按圆锥面扫描，主要作用是垂直方向扫描，可旋转运动的旋转反射机构20用于水平方向的扫描，将经光楔模块扫描后的出射激光做水平方向扩展扫描，从而实现水平和垂直方向上两个维度的视场覆盖。

其中，所述收发模块用于发射激光光束和结合外部信号，激光发射单元31发射的激光可以是一束，也可以是多束，且激光发射单元31可以是一组激光发射组件，也可以是多组激光发射组件；激光接收单元32可以是一组激光接收组件，也可以是多组激光接收组件，激光接收组件的数量与激光发射组件的数量相对应。扫描装置的光楔模块可以是对应一组激光发射组件和激光接收组件，也可以是对应多组激光发射组件和激光接收组件。

具体地，所述激光发射组件可以采用激光发射准直器，所述激光接收组件可以采用探测器。

本实用新型中，收发模块可以采用多种方案实现，以下提供两种方案：

方案一

参考图10，所述收发模块还包括设有开孔331的反射镜33，以及第一透镜34，所述激光发射单元31发射的激光光束穿设开孔331输出，外部光信号经反射镜33反射后，入射至第一透镜34聚焦至激光接收单元32。

方案二

参考图11，所述收发模块还包括设有反射曲面351的第二透镜35，外部光信号经第二透镜35的反射曲面351反射聚焦至激光接收单元32。

上述方案一和方案二中收发模块的结构紧凑，使得激光雷达系统整体占用体积小。

本实用新型的激光雷达系统可应用于多线激光雷达产品中，主要应用于无人驾驶传感、3-D测绘、AGV导航等领域。当应用于无人驾驶和AGV时，一般将激光雷达系统安装在车辆的顶端或者侧面，用于检测对应方向的目标。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述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；而所有这些修改和替换，都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种扫描装置，其特征在于，包括：

可旋转运动的光楔模块，所述光楔模块接收外部光束并进行第一方向的偏转；以及

可旋转运动的旋转反射机构，包括至少一设置在旋转侧的反射面；

其中，外部光束经光楔模块发生第一方向的偏转后，入射至旋转反射机构，经旋转反射机构的反射面反射向外进行第二方向的扫描。

2.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述旋转反射机构的旋转侧设置有多个反射面。

3.根据权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述光楔模块包括至少一设置在旋转反射机构四周的光楔单元。

4.根据权利要求3所述的扫描装置，其特征在于，所述光楔模块还包括带动每一所述光楔单元旋转的电机，每一所述光楔单元设于电机的空心轴内。

5.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述旋转反射机构包括可旋转运动的多边形柱状支架。

6.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述旋转反射机构的反射面与其旋转轴平行设置，或倾斜设置。

7.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第一方向与第二方向相互垂直。

8.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-7任一所述的扫描装置；以及

收发模块，所述收发模块包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元发射激光光束入射至扫描装置的光楔模块，所述激光接收单元接收获取从旋转反射机构的反射面反射回的光信号。

9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，所述收发模块还包括设有开孔的反射镜，以及第一透镜，所述激光发射单元发射的激光光束穿设开孔输出，外部光信号经反射镜反射后，入射至第一透镜聚焦至激光接收单元。

10.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，所述收发模块还包括设有反射曲面的第二透镜，外部光信号经第二透镜的反射曲面反射聚焦至激光接收单元。

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