CN218630176U - 一种机械式激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种机械式激光雷达，涉及激光雷达领域。包括用于收容旋转机构、同轴光学系统和控制电路板的底座，以及用于收容扫描机构的顶部。本申请提供的机械式激光雷达，由控制电路板控制旋转机构绕旋转机构的中心轴旋转，从而带动扫描机构同步转动。扫描机构将同轴光学系统发射的经接收透镜到达扫描机构的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达扫描机构的反射激光光束反射至接收透镜进行聚焦。最后同样由控制电路板对同轴光学系统发送的反射激光光束对应的电压信号进行信号处理。控制电路板集算法板和控制板的功能于一体，相比于传统的机械式激光雷达减少了一块电路板和一个连接排线，降低了成本，也降低了系统的复杂度。

Description

一种机械式激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光雷达领域，尤其涉及一种机械式激光雷达。

背景技术

激光雷达，是以发射激光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激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号激光与发射激光进行比较，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。而机械式激光雷达则是通过旋转，实现对水平视场角的360°方向的探测。

目前的机械式激光雷达主要是通过无刷电机将算法电路板、发射电路板、接收电路板和光学元件等进行360°旋转，将激光发射出去，再由接收的光电转换器件获取电压信号，给到算法板进行信号处理，从而获得距离值，再将数据通过无线传信号系统把数据传输给到控制板，由控制板通过以太网向外部设备发送。然而，算法板和控制板的存在使得上述系统的内部结构复杂，成本高。

实用新型内容

为克服现有技术中的不足，本申请提供一种机械式激光雷达。

本申请提供的一种机械式激光雷达，包括用于收容旋转机构、同轴光学系统和控制电路板的底座，以及用于收容扫描机构且位于所述底座的竖直方向的上方的顶部；

所述同轴光学系统包括接收透镜，所述接收透镜设置于所述旋转机构的中心通孔中；

所述扫描机构与所述旋转机构连接，所述扫描机构用于将所述同轴光学系统发射的经所述接收透镜到达所述扫描机构的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达所述扫描机构的反射激光光束反射至所述接收透镜进行聚焦；

所述控制电路板分别与所述旋转机构和所述同轴光学系统电连接，所述控制电路板用于控制所述旋转机构绕所述旋转机构的中心轴旋转，从而带动所述扫描机构同步转动，以及用于对所述同轴光学系统发送的所述反射激光光束对应的电压信号进行信号处理。

在一种可能的实施方式中，所述同轴光学系统还包括：

激光发射模块，与所述控制电路板电连接，并用于发射所述激光光束；

接收棱镜，位于所述接收透镜背向所述扫描机构的一侧，所述接收棱镜用于将所述激光发射模块发射的所述激光光束反射至所述接收透镜，以及允许经所述接收透镜聚焦的所述反射激光光束透射；和

一个激光接收器，位于所述接收棱镜背向所述接收透镜的一侧，所述激光接收器与所述控制电路板电连接，所述激光接收器用于接收自所述接收棱镜上透射而过的所述反射激光光束，并将对应的所述电压信号发送至所述控制电路板。

在一种可能的实施方式中，所述激光发射模块包括：

至少一个激光发射器，用于发射所述激光光束，所述激光发射器与所述控制电路板电连接；和

发射透镜，位于所述激光发射器与所述接收棱镜之间，并用于对所述激光发射器发射的所述激光光束进行准直。

在一种可能的实施方式中，当所述激光发射模块包括至少两个所述激光发射器时，所述控制电路板采用脉冲编码方式驱动至少两个所述激光发射器发射所述激光光束。

在一种可能的实施方式中，所述底座还设置有散热组件。

在一种可能的实施方式中，所述扫描机构包括旋转反射镜和反射镜支架；

所述旋转反射镜设于所述反射镜支架，所述旋转反射镜用于将经所述接收透镜到达所述旋转反射镜的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达所述旋转反射镜的反射激光光束反射至所述接收透镜；

所述反射镜支架与所述旋转机构连接。

在一种可能的实施方式中，所述旋转机构包括电机定子及电机转子，所述电机定子设于所述电机转子中，所述接收透镜设于所述电机定子中，所述电机转子与所述扫描机构连接。

在一种可能的实施方式中，所述机械式激光雷达还包括角位移测量机构，所述角位移测量机构包括码盘及编码器；

所述码盘设于所述电机转子上，所述编码器设于所述底座内，且朝向所述码盘设置，用于测量所述电机转子的旋转角度，所述编码器与所述控制电路板电连接。

在一种可能的实施方式中，所述机械式激光雷达还包括接线端子，所述接线端子穿设于所述底座，所述接线端子与所述控制电路板电连接，并用于使所述控制电路板与外界进行数据传输。

在一种可能的实施方式中，所述底座由第一外壳形成，所述顶部由第二外壳形成，所述第二外壳采用透光材料制成。

相比现有技术，本申请的有益效果：

本申请提供的机械式激光雷达，由控制电路板控制旋转机构绕旋转机构的中心轴旋转，从而带动扫描机构同步转动。扫描机构将同轴光学系统发射的经接收透镜到达扫描机构的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达扫描机构的反射激光光束反射至接收透镜进行聚焦。最后同样由控制电路板对同轴光学系统发送的反射激光光束对应的电压信号进行信号处理。控制电路板集算法板和控制板的功能于一体，相比于传统的机械式激光雷达减少了一块电路板和一个连接排线，降低了成本，也降低了系统的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请一实施例提供的机械式激光雷达的结构示意图；

图2示出了图1所述机械式激光雷达的内部元件的结构示意图；

图3示出了图1所述机械式激光雷达旋转工作时的结构示意图；

图4示出了图1所述机械式激光雷达为单线机械式激光雷达时的原理示意图；

图5示出了图1所述机械式激光雷达为多线机械式激光雷达时的原理示意图。

主要元件符号说明：

100-机械式激光雷达；10-底座；20-顶部；30-旋转机构；31-电机定子；32-电机转子；40-同轴光学系统；41-接收透镜；42-激光发射模块；42a-激光发射器；42b-发射透镜；43-接收棱镜；44-激光接收器；50-控制电路板；60-扫描机构；61-旋转反射镜；62-反射镜支架；70-角位移测量机构；71-码盘；72-编码器；80-接线端子。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述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，仅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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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。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。

在本实用新型中，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。

实施例

请参阅图1，本申请一实施例提供一种机械式激光雷达100，用于对水平视场角的360°方向进行探测。所述机械式激光雷达100结构简单，能够降低整机的发热量，且可实现单线机械式激光雷达的360°探测，及多线机械式激光雷达使用同轴光学系统40。

请同时参阅图2，所述机械式激光雷达100包括底座10、顶部20、旋转机构30、同轴光学系统40、控制电路板50、扫描机构60、角位移测量机构70及接线端子80。

其中，所述顶部20位于所述底座10的竖直方向的上方。所述旋转机构30、同轴光学系统40、控制电路板50及角位移测量机构70均收容于所述底座10中，所述扫描机构60则收容于所述顶部20中。

所述同轴光学系统40包括接收透镜41，所述接收透镜41设置于所述旋转机构30的中心通孔中，并位于扫描机构60的竖直方向的下方。

所述扫描机构60与所述旋转机构30连接，所述扫描机构60将所述同轴光学系统40发射的经所述接收透镜41到达所述扫描机构60的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达所述扫描机构60的反射激光光束反射至所述接收透镜41进行聚焦。

所述控制电路板50分别与所述旋转机构30和所述同轴光学系统40电连接。一方面，所述控制电路板50控制所述旋转机构30绕所述旋转机构30的中心轴旋转，从而带动所述扫描机构60同步转动，以改变机械式激光雷达100的探测方向。另一方面，所述控制电路板50还对所述同轴光学系统40发送的所述反射激光光束对应的电压信号进行信号处理，计算出目标物的距离和反射率数据。

所述角位移测量机构70与所述控制电路板50电连接，所述角位移测量机构70能够测量所述旋转机构30的旋转角度，从而确定所述机械式激光雷达100的探测方向。

所述接线端子80穿设于所述底座10，所述接线端子80与所述控制电路板50电连接，并使所述控制电路板50与外界进行数据传输。

在一些实施例中，所述底座10由第一外壳形成，所述顶部20由第二外壳形成，且第一外壳和第二外壳均呈圆筒状设置。

此外，所述第二外壳采用透光材料制成，供经扫描机构60反射至目标物的所述激光光束以及经目标物返回至所述扫描机构60的所述反射激光光束透过。

进一步地，所述底座10上还设置有散热组件。

在一些实施例中，散热组件可以是涂覆在底座10表面的散热胶层。

在另一些实施例中，散热组件也可以是与底座10一体成型或者焊接固定的多个散热翅片。

所述同轴光学系统40还包括激光发射模块42、接收棱镜43和一个激光接收器44。

其中，所述激光发射模块42与所述控制电路板50电连接，并在所述控制电路板50的控制下发射激光光束。

所述接收棱镜43位于所述接收透镜41的竖直方向的下方，即所述接收透镜41背向所述扫描机构60的一侧，并与所述激光发射模块42高度齐平。此外，所述接收棱镜43具有两个直角边和一个斜边。其中一个直角边水平，另一个直角边竖直，斜边与水平方向的夹角为45°。

使用时，所述激光发射模块42发射的所述激光光束沿水平方向照射在所述接收棱镜43的斜边，所述接收棱镜43将该激光光束反射，使该激光光束竖直向上穿过所述接收透镜41的中心，然后到达所述扫描机构60，扫描机构60进一步将该激光光束反射至目标物。

所述激光接收器44位于所述接收棱镜43的竖直方向的下方，即所述接收棱镜43背向所述接收透镜41的一侧，所述激光接收器44与所述控制电路板50电连接。

使用时，所述扫描机构60将经目标物返回的到达所述扫描机构60的反射激光光束反射至所述接收透镜41进行聚焦。经所述接收透镜41聚焦的反射激光光束竖直向下照射在所述接收棱镜43的斜边，所述接收棱镜43允许该反射激光光束透射，使该反射激光光束进一步照射在所述激光接收器44上。所述激光接收器44接收到该反射激光光束后进行光电转换，转变为电压信号，并将对应的电压信号发送至所述控制电路板50。

在一些实施例中，所述激光接收器44采用光电传感器。

进一步地，所述激光发射模块42包括至少一个激光发射器42a，还包括发射透镜42b。

其中，所述激光发射器42a采用边发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)或者垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)。所述激光发射器42a与所述控制电路板50电连接，并在所述控制电路板50的控制下发射激光光束。

所述发射透镜42b位于所述激光发射器42a与所述接收棱镜43之间，并对所述激光发射器42a发出的激光进行准直，将激光的快慢轴发散角同时压缩，这样保证激光到达远处也能使光斑较小，从而提高测距重复精度和测距能力。

所述扫描机构60包括旋转反射镜61和反射镜支架62，所述旋转反射镜61设置在所述反射镜支架62上，所述反射镜支架62则与所述旋转机构30连接。

此外，所述旋转反射镜61将经所述接收透镜41到达所述旋转反射镜61的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达所述旋转反射镜61的反射激光光束反射至所述接收透镜41。

具体地，所述旋转反射镜61的设置方向与水平方向的夹角为45°，以使从所述接收透镜41透过的激光光束可在所述旋转反射镜61上反射后，透过所述顶部20发出。

在此基础上，所述旋转机构30在所述控制电路板50的控制下，通过所述反射镜支架62带动所述旋转反射镜61沿水平方向旋转，以使所述激光光束在所述旋转反射镜61上反射后，可朝水平方向的不同朝向发出，从而改变机械式激光雷达100的探测方向。

请同时参阅图3，所述旋转机构30为空心轴无刷电机。所述旋转机构30安装在底座10上。

所述旋转机构30包括电机定子31及电机转子32，所述电机定子31设于所述电机转子32中。

所述接收透镜41设于所述电机定子31中，所述反射镜支架62与所述电机转子32固定连接。

所述角位移测量机构70包括码盘71及编码器72。所述码盘71设于所述电机转子32上。所述编码器72设于所述底座10内，且朝向所述码盘71设置，所述编码器72与所述控制电路板50电连接。所述码盘71能够随所述电机转子32的旋转而转动，所述编码器72能够检测所述码盘71的位置，从而计算出所述电机转子32旋转的角度，进而得知每次发射的角度位置。

在一些实施例中，所述码盘71为金属码盘。

请参阅图4，在一些实施例中，所述激光发射模块42仅包括一个所述激光发射器42a。此时，所述机械式激光雷达100为单线机械式激光雷达。

其工作原理为：发射光束与接收光束在接收棱镜43的底面垂直方向上同轴，在此同轴光学系统40可以很好的发挥作用。激光发射器42a以1Hz至500KHz的重频进行发光，激光经过发射透镜42b进行准直，经过接收棱镜43的反射，光束通过接收透镜41的中心，打到旋转反射镜61的中心。光束经过旋转反射镜61的反射发送出去，穿过顶部20，然后到达目标物。通过旋转机构30驱动旋转反射镜61旋转，即可实现360°物体扫描测量。经过目标物的反射，光束返回经过顶部20到达旋转反射镜61，激光经过反射通过接收透镜41，将光束聚焦。此时接收棱镜43的单向传输特性会允许光束穿过斜面直接进入接收棱镜43的内部，最终到达激光接收器44处，进行光电转换。光电转换的电压信号送入控制电路板50进行信号处理，从而计算出最终的目标物距离和反射率数据。使用编码器72去检测码盘71，从而计算出每次点云发送的角度位置。

请参阅图5，在一些实施例中，所述激光发射模块42包括至少两个激光发射器42a，所述控制电路板50采用脉冲编码方式驱动至少两个所述激光发射器42a发射激光光束。此时，所述机械式激光雷达100为多线机械式激光雷达。

其工作原理与图4所示单线机械式激光雷达一致，均采用同轴光学系统40。不同之处在于：在多线机械式激光雷达中，同样采用单颗激光接收器44进行激光的接收，并不是通过位置进行区分相应通道。由于采用单颗激光接收器44，而单个激光器发射的重频无法达到500KHz，因此需要激光发射器42a使用编码的方式去发光，以此区分是哪一个对应通道发送的激光。

在一些实施例中，所述接线端子80采用航空接线端子。

本申请提供的机械式激光雷达100，通过采用空心轴无刷电机，将旋转反射镜61设于旋转机构30上，相比传统的机械式激光雷达，不需要将电机放在反射镜的顶部，因此无需使用连接线连接顶部的电机，从而不会遮挡一部分视场，真正实现了360°的扫描。并且由于旋转机构30直接安装在底座10上，所以旋转反射镜61相当于直接安装在底座10上，相比于顶部电机的安装方式，降低了系统的复杂度，旋转反射镜61的安装精度会较高，水平0°线的偏差低于传统安装方式；并且由于精度的提高，可实现多线机械式激光雷达也能使用同轴光学系统40。并且由于电机相当于设置在旋转反射镜61的底部，因此无刷电机的驱动板可以集成在控制电路板50上面，将算法板和控制板合二为一，减少了电路板和连接排线的使用，降低了成本，进一步降低了系统的复杂度。同时，本申请中转体部分只有一个旋转反射镜61，无任何电路板、额外的光学器件和其他较重的结构件，由此电机只用驱动旋转反射镜61进行转动，负载大大减轻，可以大额度降低电机的输出功率，降低了电机发热量，温升明显降低，因此旋转使用的轴承的寿命增加，因而提升了激光雷达使用的寿命。同时由于负载很轻，同样条件下，本申请的机械式激光雷达100低温启动性能更强。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机械式激光雷达，其特征在于，包括用于收容旋转机构、同轴光学系统和控制电路板的底座，以及用于收容扫描机构且位于所述底座的竖直方向的上方的顶部；

所述同轴光学系统包括接收透镜，所述接收透镜设置于所述旋转机构的中心通孔中；

所述扫描机构与所述旋转机构连接，所述扫描机构用于将所述同轴光学系统发射的经所述接收透镜到达所述扫描机构的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达所述扫描机构的反射激光光束反射至所述接收透镜进行聚焦；

所述控制电路板分别与所述旋转机构和所述同轴光学系统电连接，所述控制电路板用于控制所述旋转机构绕所述旋转机构的中心轴旋转，从而带动所述扫描机构同步转动，以及用于对所述同轴光学系统发送的所述反射激光光束对应的电压信号进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述同轴光学系统还包括：

激光发射模块，与所述控制电路板电连接，并用于发射所述激光光束；

接收棱镜，位于所述接收透镜背向所述扫描机构的一侧，所述接收棱镜用于将所述激光发射模块发射的所述激光光束反射至所述接收透镜，以及允许经所述接收透镜聚焦的所述反射激光光束透射；和

一个激光接收器，位于所述接收棱镜背向所述接收透镜的一侧，所述激光接收器与所述控制电路板电连接，所述激光接收器用于接收自所述接收棱镜上透射而过的所述反射激光光束，并将对应的所述电压信号发送至所述控制电路板。

3.根据权利要求2所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括：

至少一个激光发射器，用于发射所述激光光束，所述激光发射器与所述控制电路板电连接；和

发射透镜，位于所述激光发射器与所述接收棱镜之间，并用于对所述激光发射器发射的所述激光光束进行准直。

4.根据权利要求3所述的机械式激光雷达，其特征在于，当所述激光发射模块包括至少两个所述激光发射器时，所述控制电路板采用脉冲编码方式驱动至少两个所述激光发射器发射所述激光光束。

5.根据权利要求1所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述底座还设置有散热组件。

6.根据权利要求1所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述扫描机构包括旋转反射镜和反射镜支架；

所述旋转反射镜设于所述反射镜支架，所述旋转反射镜用于将经所述接收透镜到达所述旋转反射镜的激光光束反射至目标物，并将经目标物返回的到达所述旋转反射镜的反射激光光束反射至所述接收透镜；

所述反射镜支架与所述旋转机构连接。

7.根据权利要求1所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述旋转机构包括电机定子及电机转子，所述电机定子设于所述电机转子中，所述接收透镜设于所述电机定子中，所述电机转子与所述扫描机构连接。

8.根据权利要求7所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述机械式激光雷达还包括角位移测量机构，所述角位移测量机构包括码盘及编码器；

所述码盘设于所述电机转子上，所述编码器设于所述底座内，且朝向所述码盘设置，用于测量所述电机转子的旋转角度，所述编码器与所述控制电路板电连接。

9.根据权利要求1所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述机械式激光雷达还包括接线端子，所述接线端子穿设于所述底座，所述接线端子与所述控制电路板电连接，并用于使所述控制电路板与外界进行数据传输。

10.根据权利要求1所述的机械式激光雷达，其特征在于，所述底座由第一外壳形成，所述顶部由第二外壳形成，所述第二外壳采用透光材料制成。

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