CN212008925U - 一种多线激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种多线激光雷达，该多线激光雷达包括旋转棱镜、旋转机构、第一收发组件和第二收发组件；旋转棱镜包括顶面、底面和位于顶面与底面之间的至少三个侧面，其中至少两个侧面为反射面，多个侧面与顶面、底面围成空心轴；旋转机构设置于旋转棱镜的空心轴内，用于驱动旋转棱镜旋转；第一收发组件和第二收发组件分别位于旋转棱镜两侧，且关于旋转棱镜的空心轴对称分布，以在旋转棱镜旋转时形成连续扫描视场。本实用新型实施例提供的多线激光雷达，具有结构简单、体积小、成本低的优势。

Description

一种多线激光雷达

技术领域

本实用新型实施例涉及激光雷达技术，尤其涉及一种多线激光雷达。

背景技术

随着激光技术的发展和应用，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和移动机器人等领域。激光雷达是一种通过激光来探测目标的位置、速度、姿态等特征量的雷达系统，其基本原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收从目标反射回来的信号，通过比较发射信号与接收信号的信息，就可获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等信息。

目前，在不同的应用场所，对激光雷达各方面性能参数标准要求不一样，比如有的应用场所需要大的探测量程，有的应用场所需要大视场，现有的多线激光雷达如果需要扩大视场，一般通过发射模块和接收模块整体旋转的方式来实现水平方向的视角扫描，这样对光源和接收器的设计难度会相应增加，受到成本、体积、调试等各方面约束，导致成本高、体积大，调制方式复杂，不利于推广应用。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种多线激光雷达，该多线激光雷达具有结构简单、体积小、成本低的优势。

本实用新型实施例提供一种多线激光雷达，包括旋转棱镜、旋转机构、第一收发组件和第二收发组件；

所述旋转棱镜包括顶面、底面和位于所述顶面与所述底面之间的至少三个侧面，其中至少两个所述侧面为反射面，多个所述侧面与所述顶面、所述底面围成空心轴；

所述旋转机构设置于所述旋转棱镜的空心轴内，用于驱动所述旋转棱镜旋转；

所述第一收发组件和所述第二收发组件分别位于所述旋转棱镜两侧，且关于所述旋转棱镜的空心轴对称分布，以在所述旋转棱镜旋转时形成连续扫描视场。

可选的，所述第一收发组件包括第一发射单元和第一接收单元，所述第二收发组件包括第二发射单元和第二接收单元；

所述第一发射单元和所述第二发射单元均包括多个激光器，同一发射单元中的各所述激光器出射光束存在不为零的夹角；

所述第一接收单元和所述第二接收单元均包括多个光电探测器，每个所述光电探测器用于接收对应激光器出射，并被待测目标返回的光束。

可选的，同一发射单元中各所述激光器的出射光束呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

可选的，所述第一发射单元的多个激光器、所述第二发射单元的多个激光器、所述第一接收单元的多个光电探测器以及所述第二接收单元的多个光电探测器分别集成在一块电路板上。

可选的，所述第一收发组件还包括第一发射镜组和第一接收镜组，所述第一发射镜组设置于所述第一发射单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述第一发射单元发射的激光光束准直后照射到所述旋转棱镜的反射面上，所述第一接收镜组设置于所述第一接收单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述旋转棱镜的反射面反射的激光光束汇聚后照射到所述第一接收单元上；

所述第二收发组件还包括第二发射镜组和第二接收镜组，所述第二发射镜组设置于所述第二发射单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述第二发射单元发射的激光光束准直后照射到所述旋转棱镜的反射面上，所述第二接收镜组设置于所述第二接收单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述旋转棱镜的反射面反射的激光光束汇聚后照射到所述第二接收单元上。

可选的，所述旋转棱镜所有的反射面中，存在至少两个所述反射面与所述空心轴的中心轴线之间的夹角不相等。

可选的，所有所述反射面与所述空心轴的中心轴线的夹角大于或等于0°，小于或等于10°。

可选的，还包括编码器，所述编码器设置在所述旋转棱镜上，用于检测并输出所述旋转棱镜的角度信息和/或所述旋转机构的速度信息。

可选的，还包括主控板，所述旋转机构、所述第一收发组件、所述第二收发组件以及所述编码器均与所述主控板连接。

可选的，还包括透光罩，所述旋转棱镜、所述旋转机构、所述第一收发组件以及所述第二收发组件均位于所述透光罩内，所述多线激光雷达扫描视场对应区域的所述透光罩的形状为弧面。

本实用新型实施例提供的多线激光雷达，包括旋转棱镜、旋转机构、第一收发组件和第二收发组件；旋转棱镜包括顶面、底面和位于顶面与底面之间的至少三个侧面，其中至少两个侧面为反射面，多个侧面与顶面、底面围成空心轴；当旋转棱镜旋转时，每个反射面可以使一条光线实现水平扫描，不同反射面可以将同一条光线变为多条光线，从而增加扫描线数。旋转机构用于驱动旋转棱镜旋转，通过将旋转机构设置于旋转棱镜的空心轴内，可以有效减小激光雷达的体积，有利于小型化的发展。通过将第一收发组件和第二收发组件设置于旋转棱镜两侧，且关于旋转棱镜的空心轴对称分布，可以在旋转棱镜旋转时使两组收发组件的扫描范围存在交叠，以形成连续扫描视场，形成一种结构简单、体积小、成本低的多线激光雷达。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种多线激光雷达的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达的俯视结构示意图；

图4和图5分别是本实用新型实施例中激光器的出射状态示意图；

图6是本实用新型实施例提供的又一种多线激光雷达的结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的又一种多线激光雷达的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的又一种多线激光雷达的结构示意图；

图9是本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达的原理示意图；

图10是本实用新型实施例提供的一种透光罩的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。需要注意的是，本实用新型实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本实用新型实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。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实用新型中的具体含义。

图1所示为本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达的结构示意图。参考图1，本实施例提供的多线激光雷达包括旋转棱镜10、旋转机构20、第一收发组件30和第二收发组件40；旋转棱镜10包括顶面11、底面12和位于顶面11与底面12之间的至少三个侧面13(图1中以4个侧面为例进行解释说明，并非对本实用新型的限定)，其中至少两个侧面13为反射面，多个侧面13与顶面11、底面14围成空心轴14；旋转机构20设置于旋转棱镜10的空心轴14内，用于驱动旋转棱镜10旋转；第一收发组件30和第二收发组件40分别位于旋转棱镜10两侧，且关于旋转棱镜10的空心轴14对称分布，以在旋转棱镜10旋转时形成连续扫描视场。

可以理解的是，本实施例提供的多线激光雷达可以用于无人驾驶汽车、自动导航机器人等领域，也可以单独适用于3D建图、避障等应用。第一收发组件30和第二收发组件40都用于发射探测光束和接收回波光束，探测光束可以为红外激光光束，接收回波光束可以采用雪崩光电二极管(APD)作为光接收元件，具体实施时可以根据实际情况选择。其中第一收发组件30发射的探测光束被旋转棱镜10的反射面反射后传输到待测目标，待测目标返回的回波光束被旋转棱镜10的反射面反射后被第一收发组件30接收，第二收发组件40的工作过程类似。当旋转棱镜10旋转时，第一收发组件30和第二收发组件40发射的探测光束可以实现水平扫描，此处水平方向指的是垂直于旋转棱镜旋转轴的方向。在具体实施时，第一收发组件30和第二收发组件40可以均设置多路输出和多路接收，以形成不同视角的扫描范围。进一步的，第一收发组件30和第二收发组件40分别位于旋转棱镜10两侧，且关于旋转棱镜10的空心轴14对称分布，通过改变第一收发组件30和第二收发组件40的相对位置，可以使第一收发组件30和第二收发组件40的水平扫描范围至少相互重叠，相互拼接形成不同水平视场角。另外第一收发组件30和第二收发组件40对称分布可以使整个系统结构质量分布均匀，旋转棱镜10转动时更平稳。具体实施时，旋转机构20可以包括电动机，旋转棱镜10设置为中空结构，因此旋转机构20可以置于旋转棱镜10内部，从而减小多线激光雷达的体积。

本实施例的技术方案，当旋转棱镜旋转时，每个反射面可以使一条光线实现水平扫描，不同反射面可以将同一条光线变为多条光线，从而增加扫描线数。旋转机构用于驱动旋转棱镜旋转，通过将旋转机构设置于旋转棱镜的空心轴内，可以有效减小激光雷达的体积，有利于小型化的发展。通过将第一收发组件和第二收发组件设置于旋转棱镜两侧，且关于旋转棱镜的空心轴对称分布，可以在旋转棱镜旋转时使两组收发组件的扫描范围存在交叠，以形成连续扫描视场，形成一种结构简单、体积小、成本低的多线激光雷达。

在上述实施例的基础上，图2所示为本实用新型实施例提供的另一种多线激光雷达的结构示意图。参考图2，可选的，第一收发组件30包括第一发射单元31和第一接收单元32，第二收发组件40包括第二发射单元41和第二接收单元42；第一发射单元31和第二发射单元41均包括多个激光器50，同一发射单元中的各激光器50出射光束存在不为零的夹角；第一接收单元32和第二接收单元42均包括多个光电探测器60，每个光电探测器60用于接收对应激光器50出射，并被待测目标返回的光束。

可以理解的是，通过设置每个发射单元包括多个激光器50，每个接收单元包括多个光电探测器60，可以有效增大激光雷达在竖直方向的视场角，此处的竖直方向指的是与旋转棱镜的旋转轴平行的方向。在具体实施时，激光器50可以为激光二极管LD或垂直腔面发射激光器VCSEL，其中，LD或VCSEL均可以为自由空间输出或通过光纤耦合输出；激光器50还可以为光纤激光器、气体激光器或固体激光器等。光电探测器60可以为多个阵列排布的雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)，也可以为单个大面元APD、焦平面阵列探测器、单点设置或阵列设置的硅光电倍增管(multi-pixel photon counter，MPPC)探测器或本领域技术人员可知的其他类型的阵列探测器。

以旋转棱镜为四棱柱为例，图3所示为本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达的俯视结构示意图。参考图3，第一发射单元31和第二发射单元41在垂直方向上发出X路激光光束(由于图3为俯视图，仅以一条光线表示)，每一路激光光束经过旋转棱镜10变成垂直方向上4束激光光束，所以X路激光光束变成4X束激光光束进行扫描探测。左右两边的激光光束在待测目标表面漫反射后，再次经过旋转棱镜10，分别被两个接收单元(图3中未示出)中对应的X个不同光电探测器接收到。其中，实线代表入射到旋转棱镜10的光线，虚线代表从旋转棱镜10出射的扫描光线，通过控制入射光线和旋转棱镜10四个侧面的角度可以实现每组收发组件90度水平扫描，两组拼凑起来可以在水平方向达到180度的视场角(根据需求，通过改变收发组件的位置，可以拼凑出各种不同的水平视场角，例如150度，或者210度等)，两组收发组件在水平方向的视场也可以有重叠交叉区域。X个发射单元出射的激光光束在垂直方向成0°～180°的垂直视场角，其在垂直方向的视场角主要由接收单元的视场角决定。

可选的，同一发射单元中各激光器的出射光束呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

示例性的，图4和图5所示分别为本实用新型实施例中激光器的出射状态示意图，图4和图5中均示意性示出一个发射单元包括4个激光器，在其他实施例中，还可以为8个、16个等其他数量，具体实施时可以根据实际需求选择。参考图4和图5，4个激光器的所有激光光束位于同一出射平面M中，同一收发组件中各个激光束的发射仰角不同。在四个空间角各不相同的情况下，4个激光器可产生16条扫描线。图4的4个激光光束束呈现发散状态排列，图5的4个激光光束呈现汇聚状态排列。

上述实施例中，可选的，第一发射单元的多个激光器、第二发射单元的多个激光器、第一接收单元的多个光电探测器以及第二接收单元的多个光电探测器分别集成在一块电路板上。通过将多个激光器及多个光电探测器分别集成在一块电路板上，可以统一调试，简化调试难度，降低激光雷达的成本。需要说明的是，在具体实施时，多个激光器和多个光电探测可以单组排列，也可以多组排列，本实用新型实施例对此不作限定。

图6所示为本实用新型实施例提供的又一种多线激光雷达的结构示意图。参考图6，可选的，第一收发组件30还包括第一发射镜组33和第一接收镜组34，第一发射镜组33设置于第一发射单元31和旋转棱镜10之间，用于将第一发射单元31发射的激光光束准直后照射到旋转棱镜10的反射面上，第一接收镜组34设置于第一接收单元32和旋转棱镜10之间，用于将旋转棱镜10的反射面反射的激光光束汇聚后照射到第一接收单元32上；第二收发组件40还包括第二发射镜组43和第二接收镜组44，第二发射镜组43设置于第二发射单元41和旋转棱镜10之间，用于将第二发射单元41发射的激光光束准直后照射到旋转棱镜10的反射面上，第二接收镜组44设置于第二接收单元42和旋转棱镜10之间，用于将旋转棱镜10的反射面反射的激光光束汇聚后照射到第二接收单元42上。

可以理解的是，发射单元中的激光器直接出射的光束质量可能无法满足雷达探测距离的要求，因此可以在发射单元的出光侧设置第发射镜组，用于对发射单元的出射光束进行聚焦和准直，使光束以比较小的发散角度发射，以实现远距离目标的探测。待测目标返回的光束，经过空间传输会出现衰减，因此可以在接收单元入光侧设置接收镜组，以使接收单元收集尽可能多的回波光束，在具体实施时，接收镜组的视场在0°～180°之间。

需要说明的是，图6中示出的发射镜组和接收镜组都包括两片透镜仅是示意性的示出各镜组的结构，具体实施时可以根据实际光路条件设计镜组的结构。

可选的，旋转棱镜所有的反射面中，存在至少两个反射面与空心轴的中心轴线之间的夹角不相等。

可以理解的是，通过设置至少两个反射面与空心轴的中心轴线之间的夹角不相等，即至少两个侧面设置为倾斜角度不同的反射面，从而使棱镜旋转时照射在不同反射面上的光束变为多条光束，增加多线激光雷达的线数，降低成本。

可选的，所有反射面与空心轴的中心轴线的夹角大于或等于0°，小于或等于10°。

通过设置反射面与中心轴线的夹角在0°～10°之间，可以避免旋转棱镜的反射面倾斜角度过大，提高旋转棱镜旋转时的稳定性。

在某个实施例中，旋转棱镜可以包括至少四个反射面。对于任一反射面，其与中心轴线的夹角同时大于其相邻两个反射面与中心轴线的夹角，或者同时小于其相邻两个反射面与中心轴线的夹角。举例说明，旋转棱镜的四个反射面顺时针分别与中心轴线的夹角标记为∠1、∠2、∠3、∠4，其中设∠1＝0°，∠2＝2°，∠3＝1°，∠4＝1.5°。∠2同时大于∠1和∠3，∠3同时小于∠2和∠4，这样设置可以使得旋转棱镜在旋转过程中更加平稳。进一步的，旋转棱镜的至少一个反射面还可以设置为分层结构，且每一层与顶面的夹角不同，这样可以使得多个激光器发出的激光光束通过分层结构时在竖直方向呈非均匀分布，例如垂直方向的激光光束呈中间密，上和下稀疏的分布。

图7所示为本实用新型实施例提供的又一种多线激光雷达的结构示意图。参考图7，可选的，本实用新型实施例提供的多线激光雷达还包括编码器70，编码器70设置在旋转棱镜10上，用于检测并输出旋转棱镜10的角度信息和/或旋转机构20的速度信息。示例性的，在某一实施例中，编码器70可实时输出旋转棱镜10的角度信息以及反馈旋转机构20速度信息，以反馈给控制系统来控制旋转机构20的转速。其中，编码器70可以选用光电码盘、磁码盘等类型的编码器，具体实施时可以根据实际情况选择。

图8所示为本实用新型实施例提供的又一种多线激光雷达的结构示意图。参考图8，可选的，本实用新型实施例提供的多线激光雷达还包括主控板80，旋转机构20、第一收发组件30、第二收发组件40以及编码器70均与主控板连接。

示例性的，图9所示为本实用新型实施例提供的一种多线激光雷达的原理示意图。参考图9，第一收发组件30包括第一发射单元31和第一接收单元32，第二收发组件40包括第二发射单元41和第二接收单元42，主控板80分别与第一发射单元31、第一接收单元32、第二发射单元41、第二接收单元42、电机20(旋转机构)以及编码器70电连接。其中，主控板80上包括了电源、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、网口芯片和模数转换器(ADC)。

其中，第一发射单元31和第二发射单元41均包括发射镜头、LD、发射驱动电路，第一接收单元32和第二接收单元42均包括接收镜头、APD、运算放大器。具体的，电源用于给多线激光雷达中所有需要用电的模块进行供电，如发射驱动电路、FPGA、电机等。FPGA控制发射驱动电路驱动第一发射单元31和第二发射单元41上的LD按照预设顺序发射激光光束，激光光束经发射镜头出射作为探测信号到达待测目标，待测目标将反射回来的回波信号经接收镜头到达APD上，实现光电转换，然后再经运算放大器实现放大，然后再通过ADC实现模数转换进入FPGA，FPGA会对处理后的回波信号进行运算以获取结果数据(如目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状中的一种或多种参数)，结果数据通过网口芯片以点云数据的方式输出。同时FPGA还可以根据编码器反馈的信息控制LD发射激光光束的频率和功率等。进一步的，在某个实施例中，多线激光雷达还可以包括微控制单元(Micro-controllerUnit；MCU)，MCU和FPGA一同对多线激光雷达的各个模块进行控制。

可选的，本实用新型实施例提供的多线激光雷达还包括透光罩，旋转棱镜、旋转机构、第一收发组件以及第二收发组件均位于透光罩内，多线激光雷达扫描视场对应区域的透光罩的形状为弧面。

图10所示为本实用新型实施例提供的一种透光罩的俯视结构示意图，通过将多线激光雷达扫描视场对应区域的透光罩的形状为弧面，一方面可以减小多线激光雷达的体积，另一方面，因为较大入射角入射到透光罩时会导致激光透过率降低，反射率增加，即会影响雷达的远距离探测特性，又会引入雷达近距离光干扰的问题。将透光罩设计为弧面可以避免光线入射到透光罩的角度过大，提升多线激光雷达的性能。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达，其特征在于，包括旋转棱镜、旋转机构、第一收发组件和第二收发组件；

所述旋转棱镜包括顶面、底面和位于所述顶面与所述底面之间的至少三个侧面，其中至少两个所述侧面为反射面，多个所述侧面与所述顶面、所述底面围成空心轴；

所述旋转机构设置于所述旋转棱镜的空心轴内，用于驱动所述旋转棱镜旋转；

所述第一收发组件和所述第二收发组件分别位于所述旋转棱镜两侧，且关于所述旋转棱镜的空心轴对称分布，以在所述旋转棱镜旋转时形成连续扫描视场。

2.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述第一收发组件包括第一发射单元和第一接收单元，所述第二收发组件包括第二发射单元和第二接收单元；

所述第一发射单元和所述第二发射单元均包括多个激光器，同一发射单元中的各所述激光器出射光束存在不为零的夹角；

所述第一接收单元和所述第二接收单元均包括多个光电探测器，每个所述光电探测器用于接收对应激光器出射，并被待测目标返回的光束。

3.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，同一发射单元中各所述激光器的出射光束呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

4.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述第一发射单元的多个激光器、所述第二发射单元的多个激光器、所述第一接收单元的多个光电探测器以及所述第二接收单元的多个光电探测器分别集成在一块电路板上。

5.根据权利要求2～4任一所述的多线激光雷达，其特征在于，所述第一收发组件还包括第一发射镜组和第一接收镜组，所述第一发射镜组设置于所述第一发射单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述第一发射单元发射的激光光束准直后照射到所述旋转棱镜的反射面上，所述第一接收镜组设置于所述第一接收单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述旋转棱镜的反射面反射的激光光束汇聚后照射到所述第一接收单元上；

所述第二收发组件还包括第二发射镜组和第二接收镜组，所述第二发射镜组设置于所述第二发射单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述第二发射单元发射的激光光束准直后照射到所述旋转棱镜的反射面上，所述第二接收镜组设置于所述第二接收单元和所述旋转棱镜之间，用于将所述旋转棱镜的反射面反射的激光光束汇聚后照射到所述第二接收单元上。

6.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述旋转棱镜所有的反射面中，存在至少两个所述反射面与所述空心轴的中心轴线之间的夹角不相等。

7.根据权利要求6所述的多线激光雷达，其特征在于，所有所述反射面与所述空心轴的中心轴线的夹角大于或等于0°，小于或等于10°。

8.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括编码器，所述编码器设置在所述旋转棱镜上，用于检测并输出所述旋转棱镜的角度信息和/或所述旋转机构的速度信息。

9.根据权利要求8所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括主控板，所述旋转机构、所述第一收发组件、所述第二收发组件以及所述编码器均与所述主控板连接。

10.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，还包括透光罩，所述旋转棱镜、所述旋转机构、所述第一收发组件以及所述第二收发组件均位于所述透光罩内，所述多线激光雷达扫描视场对应区域的所述透光罩的形状为弧面。

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