DE112018002081T5

DE112018002081T5 - Laserabtastvorrichtung, Laserradarsatz und Abtastverfahren des Laserradarsatzes

Info

Publication number: DE112018002081T5
Application number: DE112018002081.9T
Authority: DE
Inventors: Zhiwu Zhang
Original assignee: Beijing Surestar Tech Co Ltd; Beijing Surestar Technology Co Ltd; Surestar Laser Tech Suzhou Co Ltd; Surestar Laser Technology (suzhou) Co Ltd
Current assignee: Beijing Surestar Tech Co Ltd; Beijing Surestar Technology Co Ltd; Surestar Laser Tech Suzhou Co Ltd; Surestar Laser Technology (suzhou) Co Ltd
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2020-07-02
Also published as: US20200326413A1; WO2018192270A1; US11555893B2; US20210088630A9; DE202018006300U1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Laserabtastvorrichtung, einen Laserradarsatz und ein Abtastverfahren des Laserradarsatzes, wobei die Laserabtastvorrichtung, umfassend: ein Abtastungsprisma (1), wobei das Abtastungsprisma eine Vielzahl von Abtastungsspiegelflächen (101) aufweist, die sich um eine Abtastungsachse drehen, ein Raumwinkel zwischen einer Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet ist und nicht alle Raumwinkel identisch sind; und ein Sendeempfängermodul (2; 3), wobei das Sendeempfängermodul eine Laserabstrahlungseinheit (201) und eine Laseraufnahmeeinheit (202) umfasst, wobei die Laserabstrahlungseinheit (201) durch Drehung der Abtastspiegelflächen (101) Abtastzeilen erzeugt; wobei die Laserabstrahlungseinheit (201) durch Drehen des Abtastungsprismas (1) mehr als eine Abtastzeile erzeugt. Das horizontale Abtastungssichtfeld des Laserradarsatzes wird erweitert und die Anzahl von Abtastzeilen des Laserradarsatzes wird erhöht. Außerdem wird die Anzahl von Abtastzeilen im zentralen Abtastungssichtfeld des Laserradarsatzes erhöht. Die Anzahl von Komponenten in der Vorrichtung kann reduziert werden, und die Konfiguration der Komponenten werden vereinfacht und Größe und Kosten können gesenkt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der dreidimensionalen Laserabtastung, insbesondere eine Laserabtastvorrichtung, einen Laserradarsatz und ein Abtastverfahren des Laserradarsatzes.
Stand der Technik
1 ist eine schematische Darstellung einer Abtastvorrichtung in Anwendung auf ein Laserradar, offenbart durch die US-Patentanmeldung Nr. US 8767190 B2 .
Wie in 1 gezeigt, ist ein Motherboard 20 an einem Rahmen 22 angeordnet. Eine Vielzahl von Emitterhybriden 30 ist nacheinander in das Motherboard 20 eingesetzt, und eine Vielzahl von Detektorhybriden 32 ist nacheinander in das Motherboard 20 eingesetzt. Die Vielzahl von Emitterhybriden 30 ist in vertikaler Richtung angeordnet, und die Vielzahl von Detektorhybriden 32 ist ebenfalls in vertikaler Richtung angeordnet. Jedes Emitterhybrid 30 ist mit einem Emitter versehen und jedes Detektorhybrid 32 ist mit einem Detektor versehen. Mittels des Rahmens 22 wird ein Abtastbereich von 360° erzielt.
Gemäß der obenstehenden Struktur kann jedes Emitterhybrid 30 nur eine Abtastleitung erhalten, das heißt, um 64 Abtastzeilen zu erhalten, müssen 64 Emitterhybride 30 und 64 Detektorhybride 32 konfiguriert werden, was zu einer großen Anzahl von Komponenten in der Vorrichtung führt und nachteilig für die Größenreduzierung und die Kostenreduzierung ist.
Mit der immer umfangreicheren Anwendung von Laserradar und der immer feineren Untergliederung der Anwendungsgebiete ist es zu einem technischen Ziel geworden, Größe und Kosten in den relevanten Branchen zu reduzieren.
Wenn mehr Abtastzeilen von weniger Laserabstrahlungseinheiten erzeugt werden können, kann die Anzahl von Komponenten in der Vorrichtung reduziert werden, die Konfiguration der Komponenten vereinfacht werden und Größe und Kosten können gesenkt werden.
Neben den oben genannten Problemen weisen existierende Laserabtastvorrichtungen auch die folgenden Probleme auf, die es dringend zu lösen gilt:

2 ist eine Strukturdarstellung einer Laserabtastvorrichtung des Stands der Technik. Wie in 2 gezeigt, erzeugt die Laserabtastvorrichtung austretendes Licht mithilfe einer Laserabstrahlungseinheit, um eine Abtastzeile zu bilden. Die Laserabtastvorrichtung umfasst, wie in 2 gezeigt, einen Abtastungsmastspiegel 40 und eine Übertragungsspiegelgruppe 50, wobei sich der Abtastungsmastspiegel 40 um eine Drehachse X dreht, die Übertragungsspiegelgruppe 50 parallel zur Oberfläche des Abtastungsmastspiegels 40 angeordnet ist und der Abtastungsmastspiegel 40 ein standardmäßiger quadratischer Mastspiegel ist.

Ein austretendes Licht L, das von der Laserabstrahlungseinheit 60 abgestrahlt wird, dringt durch die Übertragungsspiegelgruppe 50, wird dann von einer Schräge des Abtastungsmastspiegels 40 reflektiert und tritt schließlich aus der Laserabtastvorrichtung aus. Ein einfallendes Licht L', das durch diffuse Reflexion einer Barriere erzeugt wird, ist eine Lichtsäule, die durch die Übertragungsspiegelgruppe 50 konvergiert und dann von einer Laseraufnahmeeinheit 70 aufgenommen wird.
Die Position der Laserabstrahlungseinheit 60 in Bezug auf den Abtastungsmastspiegel 40 ist konstant, und mit der Drehung des Abtastungsmastspiegels 40 führt das austretende Licht L eine wiederholte Abtastung innerhalb eines bestimmten Sichtfelds aus.
Es ist offensichtlich, dass der Abtastbereich existierender technischer Lösungen eingeschränkt ist. Zum Beispiel ist der effektive Abtastbereich in 2 kleiner als 90°. Angesichts dessen ist es zu einem drängenden Problem geworden, zur Anpassung an vielfältigere praktische Anwendungssituationen das Abtastungssichtfeld zu erweitern.
Aufgabe der Erfindung
Die von der Erfindung zu lösende technische Aufgabe besteht darin, die Anzahl von Abtastzeilen einer Laserabtastvorrichtung mittels einer begrenzten Anzahl von Laserabstrahlungseinheiten zu erhöhen, um ein horizontales Abtastungssichtfeld der Laserabtastvorrichtung zu erweitern und die Anzahl von Abtastzeilen in einem zentralen Abtastungssichtfeld der Laserabtastvorrichtung zu erhöhen.
Die Erfindung offenbart eine Laserabtastvorrichtung. Die Laserabtastvorrichtung umfasst ein Abtastungsprisma und ein Sendeempfängermodul, wobei das Abtastungsprisma eine Vielzahl von Abtastungsprismen aufweist, die sich um eine Abtastungsachse drehen, ein Raumwinkel zwischen der Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet ist und nicht alle Raumwinkel identisch sind; und das Sendeempfängermodul Laserabstrahlungseinheiten und Laseraufnahmeeinheiten umfasst, wobei die Laserabstrahlungseinheit durch Drehung der Abtastspiegelflächen Abtastzeilen erzeugt und die Laserabstrahlungseinheit durch Drehen des Abtastungsprismas mehr als eine Abtastzeile erzeugt.
Die Laserabtastvorrichtung umfasst wenigstens zwei der Sendeempfängermodule, und Abtastungssichtfelder der zwei Sendeempfängermodule einander teilweise überlagern. Die Laserabtastvorrichtung umfasst wenigstens drei der Sendeempfängermodule, die um das Abtastungsprisma herum angeordnet sind; und Sichtfelder aller Sendeempfängermodule sind nacheinander zusammengefügt, um ein kontinuierliches Sichtfeld zu bilden.
Wenigstens ein Teil der Sendeempfängermodule ist in Bezug auf die Abtastungsachse symmetrisch angeordnet. Raumstellungswinkel der Sendeempfängermodule in Bezug auf die Abtastungsachse sind unterschiedlich oder identisch. Axiale Höhen der Sendeempfängermodule entlang der Abtastungsachse sind unterschiedlich oder identisch. Das Abtastungsprisma weist drei, vier, fünf oder sechs Abtastspiegelflächen auf. Die Raumwinkel nehmen allmählich mit einer selben Winkeldifferenz ab. Jedes Sendeempfängermodul umfasst eine Vielzahl von Laserabstrahlungseinheiten und eine Vielzahl von Laseraufnahmeeinheiten; und jede Laserabstrahlungseinheit sind einen Laserstrahl abstrahlt, und Winkel zwischen den Laserstrahlen sind gebildet. Die Laserstrahlen sind divergierend oder konvergierend angeordnet.
Jede Abtastspiegelfläche reflektiert die Laserstrahlen, nimmt Signallichter auf, die zurückgeworfen werden, wenn die Laserstrahlen ein Zielobjekt bestrahlt haben, und jede Abtastspiegelfläche reflektiert das Signallicht auf die Laseraufnahmeeinheit, die der Laserabstrahlungseinheit entspricht, die den Laserstrahl abstrahlt.
Die Erfindung offenbart ferner einen Laserradarsatz bereit, der die Laserabtastvorrichtung umfasst.
Die Erfindung offenbart ferner ein Abtastverfahren des Laserradarsatzes. Das Abtastverfahren beinhaltet: Konfigurieren eines Sendeempfängermoduls, wobei das Sendeempfängermodul eine Laserabstrahlungseinheit und eine Laseraufnahmeeinheit umfasst; Drehen eines Abtastungsprismas mit einer Vielzahl von Abtastspiegelflächen um eine Abtastungsachse; Abstrahlen eines Laserstrahls in Richtung der Abtastspiegelflächen durch die Laserabstrahlungseinheit, und Erzeugen von Abtastzeilen mittels der Drehung der Abtastspiegelflächen, wobei ein Raumwinkel zwischen der Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet wird und nicht alle Raumwinkel identisch sind, sodass jede Laserabstrahlungseinheit mehr als eine Abtastzeile erzeugt.
Das Abtastverfahren beinhaltet: die Laserabtastungsflächen reflektieren Signallichter, die den Abtastzeilen entsprechen und von einem Zielobjekt in Entsprechung zum Erzeugen der Abtastzeilen durch die Laserabstrahlungseinheit zurückgeworfen werden, zurück zur Laseraufnahmeeinheit.
Das Abtastverfahren beinhaltet: $H_Winkel = {\begin{matrix} 2 * theta + alpha & (0 = < theta < 360 / N) \\ 2 * (theta - 360 / N) + alpha & (360 / N = < theta < 2 * 360 / N) \\ 2 * (theta - 2 * 360 / N) + alpha & (2 * 360 / N = < theta < 3 * 360 / N) \\ M \\ ⋮ \\ 2 * (theta - (N - 1) * 360 / N) + alpha & ((N - 1) - 360 / N = < theta < N * 360 / N) \end{matrix}$
$V_Winkel = Lidar_Winkel (Lidar_Num) + Spiegel_Winkel$
$X = Bereich*cos (V_Winkel*D2 R a d) *cos (H_Winkel*D2 R a d)$
$Y = Bereich*cos (V_Winkel*D2 R a d) *sin (- H_Winkel*D2 R a d)$
$Z = Bereich*sin (V_Winkel*D2 R a d)$
wobei ein Koordinatensystem mit einem Mittelpunkt der Abtastungsachse im Abtastungsprisma als Ursprung gebildet wird und eine x-Achse und eine y-Achse ist in einer horizontalen Ebene mit der Abtastungsachse als z-Achse gebildet werden; wobei H_Winkel ein Winkel zwischen der Projektion des austretenden Lichts in der horizontalen Ebene und der x-Achse ist, V Winkel ein Winkel zwischen der Projektion des austretenden Lichts und der horizontalen Ebene ist, N die Anzahl der Abtastspiegelflächen des Abtastungsprismas ist, Lidar_NUM die Seriennummer der Laserabstrahlungseinheit ist, Lidar_Winkel (Lidar NUM) ein Winkel zwischen dem von der Laserabstrahlungseinheit mit der Seriennummer Lidar_NUM abgestrahlten Laserstrahl und der horizontalen Ebene ist, Spiegel Winkel ein Winkel zwischen der Normalen der Abtastspiegelfläche, die das austretendes Licht erzeugt, und der horizontalen Ebene ist, alpha ein Winkel zwischen der x-Achse und der Projektion des austretenden Lichts in der horizontalen Ebene im Uhrzeigersinn ist, wenn der Drehwinkel des Abtastungsprismas 0° beträgt, Bereich ein Abstandswert des austretenden Lichts gemessen durch den Laserradarsatz ist, D2Rad eine Konstante ist und X, Y und Z dreidimensionale Koordinaten des Zielobjekt sind, auf die das austretende Licht trifft, wobei bei Drehung des Abtastungsprismas im Uhrzeigersinn theta der Drehwinkel des Abtastungsprismas ist; und bei Drehung des Abtastungsprismas gegen den Uhrzeigersinn theta zwischen 360° und dem Drehwinkel des Abtastungsprismas liegt.
Das Abtastverfahren beinhaltet: Drehen des Abtastungsprisma nacheinander in einen ersten Winkel, zweiten Winkel, dritten Winkel und vierten Winkel während des Drehens innerhalb von 360/N°;
Erlangen eines Signallichts eines ersten Sendeempfängermoduls, das auf eine erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den ersten Winkel dreht;
Erlangen eines Signallichts eines zweiten Sendeempfängermoduls, das auf eine zweite Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den zweiten Winkel dreht;
nicht länger Erlangen des Signallichts des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den dritten Winkel dreht; und
nicht länger Erlangen des Signallichts des zweiten Sendeempfängermoduls, das auf die zweite Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den vierten Winkel dreht.
Der Schritt des Erlangens des Signallichts des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, ferner beinhaltet: Antreiben der Laserabstrahlungseinheit des ersten Sendeempfängermoduls zum Abstrahlen des Laserstrahls. Der Schritt des nicht längeren Erlangens des Signallichts des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, beinhaltet: Anhalten des Antreibens der Laserabstrahlungseinheit des ersten Sendeempfängermoduls zum Abstrahlen des Laserstrahls.
Figurenliste

1 ist eine Strukturdarstellung einer Abtastvorrichtung in Anwendung auf ein Laserradar, die von der US-Patentanmeldung Nr. US 8767190 B2 offenbart ist.
2 ist eine Strukturdarstellung einer Laserabtastvorrichtung des Stands der Technik.
3A und 3B sind Hauptstrukturdiagramme einer Laserabtastvorrichtung der Erfindung.
4 ist ein Hauptstrukturdiagramm des Abtastungsprismas der Erfindung.
5A-5D sind schematische Querschnittansichten von Abtastspiegelflächen mit unterschiedlichen Raumwinkeln.
5E ist eine schematische Darstellung von Abtastzeilen, die durch die Abtastspiegelflächen in 5A-5D erzeugt werden.
5F ist eine schematische Darstellung eines Lichtpfad zwischen einem Sendeempfängermodul und einer Abtastspiegelfläche.
6A ist eine schematische Darstellung von divergierend angeordneten Laserstrahlen.
6B ist eine schematische Darstellung von konvergierend angeordneten Laserstrahlen.
7A ist eine schematische Gesamtdarstellung eines Drehsichtfelds des Abtastungsprismas.
7B-7E sind stufenweise schematische Darstellungen des Drehsichtfelds des Abtastungsprismas aus 7A.
8A und 8B sind schematische Darstellungen der Abtastzeilen.
9 ist eine Strukturdarstellung einer Laserabtastvorrichtung, die mit zwei Sendeempfängermodulen versehen ist.
10 ist eine Strukturdarstellung einer Laserabtastvorrichtung, die mit drei Sendeempfängermodulen versehen ist.
11 ist eine Strukturdarstellung einer Laserabtastvorrichtung, die mit vier Sendeempfängermodulen versehen ist.
12A ist eine Strukturdarstellung einer Laserabtastvorrichtung, die mit einem Dreifachprisma versehen ist.
12B und 12C sind schematische Darstellungen des Abtastbereichs der Laserabtastvorrichtung aus 12A.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die Implementierung der technischen Lösungen der Erfindung ist nachstehend in Kombination mit Ausführungsformen beschrieben, ohne die Erfindung einzuschränken.
3A und 3B sind Hauptstrukturdiagramme einer Laserabtastvorrichtung der Erfindung. 4 ist ein Hauptstrukturdiagramm des Abtastungsprismas der Erfindung. Zur deutlicheren Darstellung der technischen Verbesserungen der Erfindung werden in den Figuren Strukturen des Stand der Technik wie etwa Abtastungsantriebe nicht gezeigt.
Als optische Hauptstruktur der Laserradarsätze sind Laserabtastvorrichtungen grundlegende optische Komponenten zum Realisieren von Laserabtastung. Neben den Laserabtastvorrichtungen beinhalten die Laserradarsätze ferner andere Verarbeitungsmodule und Batteriemodule, die dem Stand der Technik angehören.
Wie in 3A gezeigt, stellt die Erfindung eine Laserabtastvorrichtung bereit, die ein Abtastungsprisma 1 und ein Sendeempfängermodul 2 umfasst.
Das Abtastungsprisma 1 weist eine Vielzahl von Abtastspiegelflächen auf, wobei sich alle Abtastspiegelflächen um eine Abtastungsachse O drehen. Insbesondere weist das Abtastungsprisma 1 drei, vier, fünf oder sechs Abtastungsflächen auf. In der nachfolgenden Beschreibung weist das Abtastungsprisma 1 als Beispiel vier Abtastspiegelflächen auf.
Das Sendeempfängermodul umfasst eine Laserabstrahlungseinheit und eine Laseraufnahmeeinheit. Ein von der Laserabstrahlungseinheit erzeugter Laserstrahl bestrahlt eine Abtastspiegelfläche und tritt nach der Reflexion durch die Abtastspiegelfläche aus einem Laserradarsatz aus; und ein Winkel zwischen der Normalen der Abtastspiegelfläche und der horizontalen Ebene ist während der Drehung des Abtastungsprismas 1 konstant, während sich die Position der Abtastspiegelfläche in horizontaler Richtung ständig verändert, sodass die Reflexionsrichtung des Laserstrahls sich ständig ändert und dadurch eine Abtastzeile bildet.
Außerdem ist ein Raumwinkel zwischen der Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet. Wenn alle Raumwinkel übereinstimmen, fallen Abtastzeilen, die von der Laserabstrahlungseinheit durch die Reflexion unterschiedlicher Abtastspiegelflächen erzeugt werden, zusammen, was bedeutet, dass tatsächlich nur eine Abtastzeile gebildet wird. In dieser Erfindung sind die Raumwinkel jedoch nicht identisch, sodass die Winkel zwischen der Normalen unterschiedlicher Abtastspiegelflächen und der horizontalen Ebene nicht identisch sind, und Abtastzeilen, die während des Drehens des Abtastungsprismas 1 von der Laserabstrahlungseinheit durch die Reflexion unterschiedlicher Abtastspiegelflächen erzeugt werden, fallen nicht vollständig zusammen, wodurch mehrere Abtastzeilen erlangt werden.
Wie in 4 gezeigt, weist das Abtastungsprisma 1 insbesondere vier Abtastspiegelflächen auf, und jede Abtastspiegelfläche weist eine Normale P auf. Ein Raumwinkel ist zwischen der Abtastungsachse O und der Normalen P jeder Abtastspiegelfläche gebildet, sodass insgesamt vier Raumwinkel gebildet sind. Die vier Raumwinkels ∠1, ∠2, ∠3 und ∠4 sind nicht identisch.
Das heißt, die vier Raumwinkel können unterschiedlich sein, was bedeutet, dass beliebige zwei von Z 1, Z 2, Z 3 und Z 4 verschieden sind. Insbesondere nehmen die vier Raumwinkel vorzugsweise mit derselben Winkeldifferenz allmählich ab. Wenn die Winkeldifferenz zum Beispiel 1° beträgt, können die vier Raumwinkel nacheinander 91°, 90°, 89° und 88° betragen. Auf diese Weise können die von der Laserabstrahlungseinheit durch die Reflexion unterschiedlicher Spiegelflächen erzeugten Abtastzeilen gleichmäßig verteilt sein.
5A ist eine schematische Querschnittdarstellung der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 91°, wobei das obere Ende der Abtastspiegelfläche von der Abtastungsachse weg geneigt ist.
5B ist eine schematische Querschnittdarstellung der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 90°, wobei die Abtastspiegelfläche parallel zur Abtastungsachse ist.
5C ist eine schematische Querschnittdarstellung der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 89°, wobei das obere Ende der Abtastspiegelfläche geringfügig zur Abtastungsachse hin geneigt ist.
5D ist eine auf 5C basierende schematische Querschnittdarstellung der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 88°, wobei das obere Ende der Abtastspiegelfläche weiter zur Abtastungsachse hin geneigt ist.
5A-5D sind schematische Darstellungen der Abtastspiegelflächen mit unterschiedlichen Raumwinkeln, wenn sich die Abtastspiegelflächen dem Sendeempfängermodul 2 zugewandt drehen. Die Position des Sendeempfängermoduls 2 ist in Bezug auf die Abtastungsachse konstant, sodass der Laserstrahl vom Sendeempfängermodul 2 an einer festen Position und in einem festen Winkel abgestrahlt wird. Da die Normalen der vier Abtastspiegelflächen in unterschiedliche Richtungen verlaufen, sind die Lichtreflexionsrichtungen unterschiedlich. Wenn sich die Abtastspiegelflächen 2 um die Abtastungsachse 1 drehen, werden entsprechend Abtastzeilen S1, S2, S3 und S4 gebildet, die an unterschiedlichen Positionen im Raum verteilt sind. Wie in 5E gezeigt, erstrecken sich die vier Abtastzeilen S1, S2, S3 und S4 in der horizontalen Richtung und sind in vertikaler Richtung ausgerichtet.
S1 ist eine veranschaulichende Abtastzeile, die von der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 88° aus 5D erzeugt wird. S2 ist eine veranschaulichende Abtastzeile, die von der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 89° aus 5C erzeugt wird. S3 ist eine veranschaulichende Abtastzeile, die von der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 90° aus 5B erzeugt wird. S4 ist eine veranschaulichende Abtastzeile, die von der Abtastspiegelfläche mit dem Raumwinkel 91° aus 5A erzeugt wird.
Auch wenn das Sendeempfängermodul 2 mit nur einer Laserabstrahlungseinheit versehen ist, können auf diese Weise vier Abtastzeilen durch einen austretenden Lichtstrahl erzeugt werden, der mit der Drehung der mehreren Abtastspiegelflächen von der Laserabstrahlungseinheit abgestrahlt wird, und die Anzahl von Abtastzeilen des Laserradarsatzes wird erhöht.
In einer anderen Ausführungsform sind die vier Raumwinkel des Abtastungsprismas 1 teilweise identisch. Zum Beispiel ∠1=∠2=∠3 und ∠1 ≠ ∠4; oder, ∠1 = ∠2, ∠3 = ∠4 und ∠1 ≠ ∠3; oder, ∠1 = ∠2, ∠1 ≠ ∠3, ∠1 ≠ ∠4, und ∠3 ≠ ∠4.
Im Fall von ∠1= ∠2= ∠3 und ∠1 ≠ ∠ 4 fallen die Abtastzeilen zusammen, die von den Abtastspiegelflächen erzeugt werden, die ∠1, ∠ 2 und ∠3 entsprechen, was bedeutet, dass die drei Abtastspiegelflächen eine Abtastzeile erzeugen; die andere Abtastzeile wird durch die Abtastspiegelfläche erzeugt, die ∠4 entspricht; und es werden insgesamt zwei Abtastzeilen erzeugt.
Auf Grundlage desselben Prinzips, mit der diese eine Abtastzeile durch die Abtastspiegelflächen mit demselben Raumwinkel erzeugt wird, werden im Fall von ∠1 = ∠2, ∠3=∠4 und ∠1 ≠ ∠3 zwei Abtastzeilen und im Fall von ∠1=∠2, ∠1≠∠3, ∠1≠∠4 und ∠3 ≠ ∠4 drei Abtastzeilen erzeugt.
Außerdem reflektiert jede Abtastspiegelfläche den Laserstrahl, nimmt ein Signallicht auf, das zurückgeworfen wird, wenn der Laserstrahl ein Zielobjekt in der Umgebung bestrahlt, und reflektiert das Signallicht auf die Laseraufnahmeeinheit, die der Laserabstrahlungseinheit entspricht, die den Laserstrahl abstrahlt, womit ein vollständiger Laserabtastungsprozess abgeschlossen ist. Wie in 5F gezeigt, reflektiert die Abtastspiegelfläche 101 des Abtastungsprismas den von der Laserabstrahlungseinheit 201 abgestrahlten Laserstrahl im Sendeempfängermodul 2 auf ein Zielobjekt A, ein Signallicht (punktierte Linie in 5F), das durch diffuse Reflexion des Zielobj ekts A erzeugt wird, wird von der Abtastspiegelfläche 101 reflektiert, um von der Laseraufnahmeeinheit 202 aufgenommen zu werden, die in Zusammenwirkung mit der Laserabstrahlungseinheit 2 verwendet wird, sodass die Laserabtastung erzielt wird. Es zeigt sich deutlich, dass bei Anwendung einer Auslegung mit parallelen Lichtpfaden, die das Teilen einer Abtastungsfläche durch das austretende Licht und das einfallende Licht ermöglicht, sodass sich der Lichtpfad einige Male krümmt, wenig Fehler erzeugt werden, die Lichtaufnahme präziser ist und die Systemeffizienz hoch ist; und außerdem finden bezüglich des Laserradarsatzes Laserabstrahlung und Signallichtaufnahme zugleich statt, sodass synchrone Abtastung erreicht wird.
Eine Vielzahl von Laserabstrahlungseinheiten und dieselbe Anzahl Laseraufnahmeeinheiten kann im Sendeempfängermodul 2 konfiguriert sein. Die Abstrahlungshöhen der von den Laserabstrahlungseinheiten abgestrahlten Laserstrahlen sind unterschiedlich, und die Abstrahlungshöhen sind Winkel zwischen den Laserstrahlen und der horizontalen Ebene. Eine Linsengruppe (nicht gezeigt) ist ebenfalls im Sendeempfängermodul 2 konfiguriert, um die Laserstrahlen und Signallichter zu kollimieren.
Zum Beispiel ist das Sendeempfängermodul 2 mit vier Laserabstrahlungseinheiten versehen; oder das Sendeempfängermodul 2 ist mit acht oder einer anderen Anzahl von Laserabstrahlungseinheiten versehen; und die Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Wie in 6A und 6B gezeigt, sind die vier Laserabstrahlungseinheiten vertikal angeordnet, die von den vier Laserabstrahlungseinheiten abgestrahlten Laserstrahlen liegen in derselben Austrittsebene M, und die Abstrahlungshöhen der durch das Sendeempfängermodul abgestrahlten Laserstrahlen sind unterschiedlich. Falls die vier Raumwinkel unterschiedlich sind, werden 16 Abtastzeilen durch die vier Laserabstrahlungseinheiten erzeugt. In 6A sind die vier Laserstrahlen divergierend angeordnet. In 6B sind die vier Laserstrahlen konvergierend angeordnet.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Laserabtastvorrichtung zwei Sendeempfänger 2 und 3.
Durch die Laserabstrahlungseinheiten der zwei Sendeempfängermodule abgestrahlte Laserstrahlen treten dabei nach Reflexion durch unterschiedliche Abtastspiegelflächen aus der Laserabtastvorrichtung aus. Wie in 3B gezeigt, bestrahlen der durch das Sendeempfängermodul 2 erzeugte Laserstrahl und der durch das Sendeempfängermodul 3 erzeugte Laserstrahl jeweils zwei Abtastspiegelflächen des Abtastungsprismas 1, werden aus d er Laserabtastvorrichtung reflektiert und treten schließlich aus dem Laserradarsatz aus.
7A ist eine schematische Gesamtdarstellung eines Drehsichtfelds des Abtastungsprismas 1 (eine Oberseitenansicht von 3B). 7B-7E sind stufenweise schematische Darstellungen des Drehsichtfelds aus 7A.
Es wird ein Koordinatensystem mit dem Mittelpunkt der Abtastungsachse O im Abtastungsprisma 1 als Ursprung gebildet, und eine x-Achse und eine y-Achse sind in der horizontalen Ebene mit der Abtastungsachse O als z-Achse gebildet. Jeder Scheitel des Abtastungsprismas 1 dreht sich im Uhrzeigersinn nacheinander durch A, B, C und D, sodass nacheinander die Drehsichtfelder aus 7B-7E erzielt werden.
In 7B ist A eine Anfangsposition, die erlangt wird, wenn das Abtastungsprisma aufrecht angeordnet ist, B ist eine Position, die erlangt wird, wenn das Abtastungsprisma um weniger als 45° in Bezug auf A gedreht wurde, C ist eine Position, die erlangt wird, wenn das Abtastungsprisma um weniger als 90° aber großer als 45° in Bezug auf A gedreht wurde, und D ist eine Position, die erlangt wird, wenn das Abtastungsprisma um 90° in Bezug auf A gedreht wurde.
Die Sendeempfängermodule 2 und 3 sind separat auf zwei Seiten des Abtastungsprismas 1 angeordnet, das Sendeempfängermodul 2 strahlt einen Laserstrahl L2 ab und das Sendeempfängermodul 3 strahlt einen Laserstrahl L3 ab. L2 und L3 sind parallel zur y-Achse.
Wenn sich das Abtastungsprisma 1 an Position A befindet, tritt L2 lotrecht in eine Abtastspiegelfläche ein und wird auf einem ursprünglichen Weg zurück reflektiert. Wenn sich das Abtastungsprisma 1 in Position B dreht, wird der Abtastbereich des Sendeempfängermoduls 2 zur -y-Achse abgelenkt. Wenn sich das Abtastungsprisma 1 um mehr als 45° in Bezug auf Position A dreht, um Position C zu erreichen, dreht sich das reflektierte Licht von L2 um über 90°, der Abtastbereich dehnt sich über die x-Achse aus und deckt das Sichtfeld ab, das zur -y-Achse gehört, und erreicht die Grenze eines Sichtfelds des Sendeempfängermoduls 2 in Bezug auf die Abtastspiegelfläche. Wenn sich das Abtastungsprisma 1 weiter in Position D dreht, wird die benachbarte Abtastspiegelfläche abgetastet, und dieser Abtastprozess wird von Position A bis Position C wiederholt.
Wenn sich das Abtastungsprisma 1 an Position A befindet, tritt L3 lotrecht in eine Abtastspiegelfläche ein und wird auf einem ursprünglichen Weg zurück reflektiert. Wenn sich das Abtastungsprisma 1 in Position B dreht, tritt L3 in die benachbarte Abtastspiegelfläche ein und erreicht die Grenze eines Sichtfelds von L3 in Bezug auf die benachbarte Abtastspiegelfläche, und die Grenze des Sichtfelds erstreckt sich über die x-Achse und deckt das Sichtfeld ab, das zur +y-Achse gehört. Wenn sich das Abtastungsprisma 1 in Position C dreht, zieht sich der Abtastbereich des Sendeempfängermoduls 3 in Bezug auf Position B zur -y-Achse zurück. Wenn sich das Abtastungsprisma 1 weiter in Position D dreht, wird die nächste Abtastspiegelfläche abgetastet, und dieser Abtastprozess wird von Position A bis Position C wiederholt.
An Position A und Position D treten L2 und L3 jeweils in zwei gegenüberliegende Abtastspiegelflächen ein. An Position B und Position C treten L2 und L3 jeweils in zwei benachbarte Abtastspiegelflächen ein.
Die obenstehende Beschreibung zeigt, dass zwei Sendeempfängermodule in der Laserabtastvorrichtung konfiguriert sind, durch die zwei Sendeempfängermodule abgestrahlte Laserstrahlen werden von unterschiedlichen Abtastspiegelflächen reflektiert, jedes Sendeempfängermodul führt eine Abtastung wiederholt in einem entsprechenden Abtastungssichtfeld aus und Abtastungssichtfelder der Sendeempfängermodule sind nicht identisch, wodurch das horizontale Sichtfeld der Laserabtastvorrichtung erweitert wird. Insbesondere zeigen in 7A punktierte Linie die Abtastungssichtfelder der zwei Sendeempfängermodule 2 und 3, die jeweils einen Laserstrahl abstrahlen. Wie in 7A gezeigt, überlagern die Abtastungssichtfelder der zwei Sendeempfängermodule einander teilweise an einer Position nahe der x-Achse, was bedeutet, dass die Sichtfelder der zwei Sendeempfängermodule sich vereinigen, wodurch das horizontale Sichtfeld in der horizontalen Richtung erweitert wird.
In dieser Erfindung wird durch das Zusammenwirken von eindimensionaler Drehung des Abtastungsprismas zweidimensionale Abtastung erreicht, und durch Variationen der Raumwinkel der Abtastungsflächen wird eine Abtastung in zwei Richtungen erreicht, und der Abtastbereich wird mittels einer kleinen Abtastungsstruktur erweitert, wodurch ein einfacher und effizienter Abtastungsprozess erzielt wird.
In einer Ausführungsform ist die Laserabstrahlungseinheit eines Sendeempfängermoduls zudem über der Laseraufnahmeeinheit des Sendeempfängermoduls angeordnet, und die Laseraufnahmeeinheit des anderen Sendeempfängermoduls ist über der Laserabstrahlungseinheit des Sendeempfängermoduls angeordnet. Insbesondere ist die Laserabstrahlungseinheit eines Sendeempfängermoduls 2 über der Laseraufnahmeeinheit des Sendeempfängermoduls angeordnet, und die Laseraufnahmeeinheit des anderen Sendeempfängermoduls 3 ist über der Laserabstrahlungseinheit des Sendeempfängermoduls angeordnet, sodass Signale präzise empfangen und Fehler vermieden werden.
Ferner ist 8A eine schematische Darstellung von Abtastzeilen, die unter der Bedingung erzeugt werden, dass das Sendeempfängermodul 2 mit vier Laserabstrahlungseinheiten versehen ist, die vier Raumwinkel des Abtastungsprismas unterschiedlich sind und die Abstrahlungshöhen der vier Laserabstrahlungseinheiten unterschiedlich sind. In diesem Fall werden 4*4 Abtastzeilen S1-S16 erzeugt.
Die Verteilung der Abtastzeilen lässt sich im praktischen Betrieb gemäß der Abstrahlungshöhe des von jeder Laserabstrahlungseinheit abgestrahlten Laserstrahls, des spezifischen Raumwinkelwerts jeder Abtastspiegelfläche und des räumlichen Stellungswinkels jedes Sendeempfängermoduls in Bezug auf die Abtastungsachse einstellen. Ein Teil der Abtastzeilen kann beispielsweise bei der Einstellung zusammenfallen. Die axialen Höhen der Sendeempfängermodule 2 und 3 an der Abtastungsachse sind identisch oder unterschiedlich. Die Anzahlen der Sendeempfängermodule 2 und 3 sind identisch und sind die Laserabstrahlungseinheiten vertikal angeordnet. In der Sendeempfängermodule 2 und 3, die Abstrahlungshöhe jeder Laserabstrahlungseinheit mit entsprechender Position sind identisch oder unterschiedlich, um Verteilungsweisen der Abtastzeilen zu umstellen. Die Abstrahlungshöhen jedes Sendeempfängermodule gesamten (bzw. als Ganzes) sind identisch oder unterschiedlich, um Verteilungsweisen der Abtastzeilen zu umstellen. Die Abstrahlungshöhen sind Winkel zwischen den gesamten Sendeempfängermodulen und der horizontalen Ebene. Die räumlichen Stellungswinkel beinhalten unter anderem die axialen Höhen, Abstrahlungshöhen und Richtungen der Sendeempfängermodule an der Abtastungsachse.
Andere Verteilungsweisen der Abtastzeilen, die durch die Einstellung der spezifischen Werte der Abstrahlungshöhe jeder Laserabstrahlungseinheit, des Raumwinkels jeder Abtastspiegelfläche und des räumlichen Stellungswinkels jedes Sendeempfängermoduls gemäß den tatsächlichen Anforderungen erlangt werden, fallen ebenfalls in den Umfang der Erfindung.
Für den Fall, dass vier Raumwinkel teilweise identisch sind und nicht völlig identisch sind, können anhand der obenstehenden technischen Lösung trotzdem vier Abtastzeilen erzeugt werden, und die Anzahl von Abtastzeilen ist größer als die Anzahl von Laserabstrahlungseinheiten.
Die durch das Sendeempfängermodul 2 erzeugten Abtastzeilen sind oben dargestellt, und das Sendeempfängermodul 3 erzeugt Abtastzeilen in derselben Weise. Zusammenwirkend mit der Lösung aus 7A sei angenommen, dass die Sendeempfängermodule 2 und 3 jeweils vier Laserabstrahlungseinheiten umfassen, die acht Laserabstrahlungseinheiten völlig unterschiedliche Abstrahlungshöhen aufweisen (also Winkel zwischen den Laserstrahlen gebildet werden), erzeugen die Sendeempfängermodule 2 und 3 in diesem Fall jeweils 16 Abtastzeilen, Abtastungssichtfelder überlagern einander teilweise, die Abtastzeilen im überlagerten Teil sind zueinander versetzt, sodass sich die Anzahl der Abtastzeilen im überlagerten Teil verdoppelt, und es können mehr ausreichende Daten aus dem überlagerten Teil der Sichtfelder erlangt werden.
Andere Verteilungsweisen der Abtastzeilen, die durch Einstellung der Abstrahlungshöhe jeder Laserabstrahlungseinheit der Sendeempfängermodule 2 und 3 erlangt werden, die spezifischen Werte des Raumwinkels jeder Abtastspiegelfläche und die spezifische Position jedes Sendeempfängermoduls sowie die Projektionsrichtung des von jedem Sendeempfängermodul abgestrahlten Laserstrahls gemäß den tatsächlichen Anforderungen fallen ebenfalls in den Umfang der Erfindung.
Innerhalb des Umfangs der Erfindung kann das Sendeempfängermodul auch andere Anzahlen von Laserabstrahlungseinheiten umfassen.
In einer optimierten Lösung sind die horizontalen Winkel α zwischen den durch die Laserabstrahlungseinheiten der Sendeempfängermodule 2 und 3 abgestrahlten Laserstrahlen und der y-Achse identisch, was bedeutet, dass das Sendeempfängermodul 2 und das Sendeempfängermodul 3 in Bezug auf die Abtastungsachse symmetrisch angeordnet sind.
Bezug nehmend auf 9 ist die punktierte Linie parallel zur y-Achse. Außerdem sind die horizontalen Winkel α zwischen den durch Laserabstrahlungseinheiten der Sendeempfängermodule 2 und 3 abgestrahlten Laserstrahlen und der y-Achse unterschiedlich, was bedeutet, dass die Richtungen der Sendeempfängermodule in Bezug auf die Abtastungsachse unterschiedlich sind. Der Überlagerungsumfang und die Position der Sichtfelder lassen sich durch Einstellen spezifischer Werte der horizontalen Winkel steuern.
In der obenstehenden technischen Lösung sind zwei Sendeempfängermoduls konfiguriert. In anderen Lösungen können mehr Sendeempfängermodule konfiguriert sein, um das Sichtfeld in horizontaler Richtung stärker zu erweitern.
Zunächst, wie in 3B gezeigt, kann die Anzahl der auf jeder Seite angeordneten Sendeempfängermodule erhöht werden. Zum Beispiel ist ein Sendeempfängermodul 3' über dem Sendeempfängermodul 3 angeordnet, um mehr Abtastzeilen zu erlangen, wobei die Projektionsrichtung des Laserstrahls, der Abtastungsprozess und die Abtastungsflächen, die das Sendeempfängermodul 3' anwendet, sind die gleichen wie bei dem Sendeempfängermodul 3. Ebenso ist ein Sendeempfängermodul 2' über dem Sendeempfängermodul 2 angeordnet, um mit dem Sendeempfängermodul 3' zusammenzuwirken.
In einer anderen Ausführungsform, wie in 10 gezeigt, ist ein drittes Sendeempfängermodul 4 auf Basis der Lösung aus 9 angeordnet, um einen Laserstrahl L4 zu erzeugen. Um zu verhindern, dass der Laserstrahl L4 durch das Sendeempfängermodul 3 blockiert wird, sind das Sendeempfängermodul 3 und das Sendeempfängermodul 4 in Bezug auf die Abtastungsachse in unterschiedlichen Höhen angeordnet.
Ebenso wie bei der oben erwähnten Ausführungsform, liegt das Sichtfeld des dritten Sendeempfängermoduls 4 hauptsächlich im -x-y-Bereich, sodass das Sichtfeld der Laserabtastvorrichtung in der horizontalen Richtung erweitert wird.
Die Abtastungssichtfelder der Sendeempfängermodule 3 und 4 können zusammengefügt sein oder einander überlagern, indem die spezifischen Werte des horizontalen Winkels β zwischen dem Laserstrahl L4 und der x-Achse oder die Werte von α und β in 10 ausgewählt werden und die Abstrahlungshöhe des Laserstrahls, der spezifische Wert des Raumwinkels jeder Abtastspiegelfläche und der spezifische Wert der Position jedes Sendeempfängermoduls gemäß optischen Prinzipien und tatsächlichen Anforderungen eingestellt werden, sodass die Sichtfelder der Sendeempfängermodule 2, 3 und 4 nacheinander zusammengefügt sind, um ein horizontales Sichtfeld mit einer Abdeckung von 180°-270° zu bilden, wodurch die Abtastungskapazität und die Effizienz der Laserabtastvorrichtung weiter verbessert werden.
Ebenso, wie in 11 gezeigt, ist ein viertes Sendeempfängermodul 5 auf Basis der Lösung aus 10 konfiguriert. Das Sichtfeld des vierten Sendeempfängermoduls 5 liegt hauptsächlich im -x+y-Bereich, sodass das Sichtfeld der Laserabtastvorrichtung in der horizontalen Richtung erweitert wird.
Die Abtastungssichtfelder der Sendeempfängermodule 2 und 5 können zusammengefügt sein oder einander überlagern, indem die spezifischen Werte des horizontalen Winkels β zwischen dem Laserstrahl L5 und der x-Achse oder die Werte von α und β in 11 und andere Parameter ausgewählt werden, sodass die Sichtfelder der Sendeempfängermodule 2, 3, 4 und 5 nacheinander zusammengefügt sind, um ein vollständiges horizontales Sichtfeld mit Abdeckung von 270°-360° zu bilden, wodurch die Abtastungskapazität und die Effizienz der Laserabtastvorrichtung weiter verbessert werden.
Innerhalb des Umfangs der Erfindung können die Anzahl und die Positionen der Sendeempfängermodule gemäß den tatsächlichen Anforderungen geändert werden.
Das Abtastungsprisma 1 der Erfindung kann auch ein Abtastungsspiegel mit mehreren Flächen sein, der in der chinesischen Patentanmeldung Nr. CN 201720413010.7 offenbart ist.
Auf Grundlage der oben offenbarten Struktur offenbart die Erfindung ferner ein Abtastverfahren, beinhaltend:

Anordnen eines Sendeempfängermoduls, wobei das Sendeempfängermodul eine Laserabstrahlungseinheit und eine Laseraufnahmeeinheit umfasst;
Drehen eines Abtastungsprismas mit einer Vielzahl von Abtastspiegelflächen um eine Abtastungsachse; und
Projizieren eines Laserstrahls durch die Laserabstrahlungseinheit zu den Abtastspiegelflächen, und Drehen der Abtastspiegelflächen zum Erzeugen von Abtastzeilen, wobei ein Raumwinkel zwischen der Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet wird und nicht alle Raumwinkel identisch sind, sodass die Laserabstrahlungseinheit mehr als eine Abtastzeile erzeugt.

Ferner reflektieren die Laserabtastungsflächen Signallichter, die den Abtastzeilen entsprechen und von einem Zielobjekt zurückgeworfen werden, auf die Laseraufnahmeeinheit, die der Laserabstrahlungseinheit entspricht, die den Abtastzeilen erzeugt.
Dabei werden wenigstens zwei Sendeempfängermodule konfiguriert und Abtastungssichtfelder der Sendeempfängermoduls überlagern einander teilweise.
Oder es werden wenigstens drei Sendeempfängermodule um das Abtastungsprisma konfiguriert, und Sichtfelder aller Sendeempfängermodule werden nacheinander zusammengefügt, um ein kontinuierliches Sichtfeld zu bilden.
Ein durch Reflexion des von der Laserabstrahlungseinheit zum Abtastungsprisma abgestrahlten Laserstrahls gebildetes austretendes Licht erfüllt die folgenden Formeln: $H_Wink = {\begin{matrix} 2 * theta alpha \\ 2 * (theta - 360 / N) + alpha \\ 2 * (theta - 2 * 360 / N) + alpha \\ ⋮ \\ 2 * (theta - (N - 1) * 360 / N) + alpha \end{matrix} \begin{array}{l} (0 = < theta < 360 / N) \\ (360 / N = < theta < 2 * 360 / N) \\ (2 * 360 / N = < theta < 3 * 360 / N) \\ ((N - 1) * 360 / N = < theta < N * 360 / N) \end{array}$
$V_Winkel = Lidar_Winkel (Lidar_Num) + Spiegel_Winkel$
$X = Bereich*cos (V_Winkel*D2 R a d) *cos (H_Winkel*D2 R a d)$
$Y = Bereich*cos (V_Winkel*D2 R a d) *sin (- H_Winkel*D2 R a d)$
$\begin{array}{l} Z = Bereich*sin (V_Winkel*D2 R a d) \\ D 2 R a d = 3,1415 / 180,0 \end{array}$
wobei H Winkel ein Winkel zwischen der Projektion des austretenden Lichts in der horizontalen Ebene und der x-Achse ist; V_Winkel ein Winkel zwischen der Projektion des austretenden Lichts und der horizontalen Ebene ist; N die Anzahl der Abtastspiegelflächen des Abtastungsprismas ist; Lidar_NUM die Seriennummer der Laserabstrahlungseinheit ist; Lidar_Winkel (Lidar NUM) ein Winkel zwischen dem von der Laserabstrahlungseinheit mit der Seriennummer Lidar_NUM abgestrahlten Laserstrahl und der horizontalen Ebene ist (nämlich die Abstrahlungshöhe); Spiegel Winkel ein Winkel zwischen der Normalen der Abtastspiegelfläche, die das austretendes Licht erzeugt, und der horizontalen Ebene ist (nämlich ein Spiegelwinkel); alpha ein Winkel zwischen der x-Achse und der Projektion des austretenden Lichts in der horizontalen Ebene im Uhrzeigersinn ist, wenn der Drehwinkel des Abtastungsprismas 0° beträgt; Bereich ein Abstandswert des austretenden Lichts gemessen durch den Laserradarsatz ist; D2Rad eine Konstante ist und X, Y und Z dreidimensionale Koordinaten eines Zielobjekt sind, auf die das austretende Licht trifft, wobei bei Drehung des Abtastungsprismas im Uhrzeigersinn theta der Drehwinkel des Abtastungsprismas ist; bei Drehung des Abtastungsprismas gegen den Uhrzeigersinn theta zwischen 360° und dem Drehwinkel des Abtastungsprismas liegt; und der Drehwinkel des Abtastungsprisma durch Lesen von Drehungsdaten einer Code-Scheibe des Abtastungsprismas erlangt wird und zwischen 0° und 360° liegt. Der Spiegelwinkel jeder Abtastspiegelfläche ist bekannt, ebenso wie jede Abstrahlungshöhe.
Formel (1) und Formel (2) dienen zum rechnerischen Ermitteln von Winkelparametern des austretenden Lichts in Echtzeit bei kontinuierlicher Drehung des Abtastungsprismas. Formel (3) bis Formel (5) dienen zum rechnerischen Ermitteln von Positionsdaten des Zielobjekts, das von dem austretenden Licht bestrahlt wird, in Echtzeit bei kontinuierlicher Drehung des Abtastungsprismas.
Wie zum Beispiel in 9 gezeigt, dreht sich das Abtastungsprisma im Uhrzeigersinn und weist vier Spiegelflächen N=4 auf. In 9 dreht sich das Abtastungsprisma um 0°, in diesem Fall strahlt L2 auf eine erste Abtastspiegelfläche, L3 auf eine dritte Abtastspiegelfläche, eine zweite Abtastungsfläche liegt in der +x-Richtung und eine vierte Abtastungsfläche liegt in der -x-Richtung. In dieser Figur ist der Winkel α von L2 30°, der Winkel α von L3 ist ebenfalls 30°, und in diesem Fall sind der Winkel des austretenden Lichts von L2 in Bezug auf die x-Achse und der Winkel des austretenden Lichts von L3 in Bezug auf die x-Achse 60°. Das Parameter alpha für L2 ist dabei 300° und alpha für L3 60°.
Wenn sich das Abtastungsprisma um 40° dreht, theta=45°, ist L2 der ersten Abtastspiegelfläche zugewandt, L3 der zweiten Abtastspiegelfläche zugewandt, H_Winkel des austretenden Lichts von L2 ist 2*45+300=900°, und H Winkel des austretenden Lichts von L3 ist 2*45+60=150°.
V_Winkel des austretenden Lichts von L2 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L2 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der ersten Abtastspiegelfläche. V_Winkel von L3 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L3 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der zweiten Abtastspiegelfläche.
Wenn sich das Abtastungsprisma um 135° dreht, theta=135°, ist L2 der vierten Abtastspiegelfläche zugewandt, L3 der ersten Abtastspiegelfläche zugewandt und die Abtastspiegelfläche, die den Laserstrahl tatsächlich reflektiert, ändert sich; und hinsichtlich der Abtastspiegelfläche, die den Laserstrahl tatsächlich reflektiert, ist H Winkel des austretenden Lichts von L2 2*(135-90)+300=390°, und H Winkel des austretenden Lichts von L3 2*(135-90)+60=150°.
V_Winkel des austretenden Lichts von L2 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L2 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der vierten Abtastspiegelfläche. V_Winkel des austretenden Lichts von L3 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L3 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der ersten Abtastspiegelfläche.
Wenn sich das Abtastungsprisma um 225° dreht, theta=225°, ist L2 der dritten Abtastspiegelfläche zugewandt und L3 der zweiten Abtastspiegelfläche zugewandt, und H Winkel des austretenden Lichts von L2 ist ebenso 2*(225-180)+300=390°, und H Winkel des austretenden Lichts von L3 ist 2*(225-180)+60=150°.
V_Winkel des austretenden Lichts von L2 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L2 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der dritten Abtastspiegelfläche. V_Winkel des austretenden Lichts von L3 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L3 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der vierten Abtastspiegelfläche.
Wenn sich das Abtastungsprisma um 315° dreht, theta=315°, ist L2 der zweiten Abtastspiegelfläche zugewandt und L3 der dritten Abtastspiegelfläche zugewandt, H Winkel des austretenden Lichts von L2 ist ebenso 2*(315-270)+300=390°, und H_Winkel des austretenden Lichts von L3 ist 2*(315-270)+60=150°.
V_Winkel des austretenden Lichts von L2 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L2 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der zweiten Abtastspiegelfläche. V_Winkel des austretenden Lichts von L3 ist die Summe der Abstrahlungshöhe der Laserabstrahlungseinheit, die L3 abstrahlt, und des Spiegelwinkels der dritten Abtastspiegelfläche.
Die Spiegelwinkel und die Abstrahlungshöhen sind positiv, wenn die Lichter in horizontaler Richtung nach +z angehoben werden, und negativ, wenn die Lichter in horizontaler Richtung nach -z abgesenkt werden.
Durch Anwendung der obenstehenden Struktur wird das horizontale Sichtfeld des Laserradarsatzes erweitert, die Anzahl der Abtastzeilen durch teilweise Überlagerung der Sichtfelder verdoppelt und es werden genaue Zielpositionsinformationen erlangt.
Die Sendeempfängermodule 4 und 5 aus 10 und 11 erfüllen ebenfalls die Formel (1) bis Formel (5).
Falls das Abtastungsprisma eine andere Anzahl von Abtastspiegelflächen aufweist, wenn das Abtastungsprisma zum Beispiel ein Dreifachprisma, ein Fünffachprisma oder dergleichen ist, ist das Prinzip eines solchen Abtastungsprismas das gleiche wie bei dem oben erwähnten quadratischen Prisma und wird hier nicht ausführlich beschrieben.
Im praktischen Betriebsprozess des Laserradarsatzes kann der Teil mit hoher Datengenauigkeit aus einem aktuellen Sichtfeld als ein Abtastungssichtfeld beim Betrieb des Laserradarsatzes ausgewählt werden.
In Kombination mit 7A und der zugehörigen Beschreibung beinhaltet ein Verfahren zum Auswählen des Teils mit hoher Datengenauigkeit, die für den Betrieb als Abtastungssichtfeld erforderlich ist, Folgendes:

Schritt 1: Während des Drehens innerhalb von (360/N)° dreht sich das Abtastungsprisma nacheinander um einen ersten Winkel, einen zweiten Winkel, einen dritten Winkel und einen vierten Winkel, und ein Signallicht des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wird erlangt, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den ersten Winkel dreht.

Unter Bezugnahme auf 7A erreicht das Abtastungsprisma die Position A, wenn es sich um den ersten Winkel dreht, erreicht Position B, wenn es sich um den zweiten Winkel dreht, erreicht Position C, wenn es sich um den dritten Winkel dreht, und erreicht Position D, wenn es sich um den vierten Winkel dreht; N ist die Anzahl der Abtastspiegelflächen; und der Laserradarsatz ist mit einer Drehungserfassungsvorrichtung zum Erkennen des Drehwinkels des Abtastungsprismas versehen.
Schritt 2: Wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den zweiten Winkel dreht, wird ein Signallicht des zweiten Sendeempfängermoduls erlangt, das auf die zweite Abtastspiegelfläche gerichtet ist.
Schritt 3: Wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den dritten Winkel dreht, wird das Signallicht des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, nicht länger erlangt.
Schritt 4: Wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den vierten Winkel dreht, wird das Signallicht des zweiten Sendeempfängermoduls, das auf die zweite Abtastspiegelfläche gerichtet ist, nicht länger erlangt.
Das bedeutet, dass das Sendeempfängermodul 2 Abtastungsdaten erlangt, die erzeugt werden, wenn sich das Abtastungsprisma aus Position A zu Position C dreht, und das Sendeempfängermodul 3 erlangt Abtastungsdaten, die erzeugt werden, wenn sich das Abtastungsprisma aus Position B zu Position D dreht.
Unter Steuerung einer Antriebsvorrichtung wird die Laserabstrahlungseinheit des ersten Sendeempfängermoduls 2 gestartet, um ein austretendes Licht abzustrahlen, wenn sich das Abtastungsprisma in Position A dreht, und das Abstrahlen des austretenden Lichts wird angehalten, wenn sich das Abtastungsprisma zu Position C dreht; und währenddessen wird unter Steuerung einer Antriebsvorrichtung die Laserabstrahlungseinheit des zweiten Sendeempfängermoduls 3 gestartet, um ein austretendes Licht abzustrahlen, wenn sich das Abtastungsprisma in Position B dreht, und das Abstrahlen des austretenden Lichts wird angehalten, wenn sich das Abtastungsprisma zu Position D dreht.
Die Positionen A, B, C und D (also der erste Winkel, zweite Winkel, dritte Winkel und vierte Winkel) können nach Bedarf ausgewählt werden, um den Teil mit der höchsten Genauigkeit zu ermitteln, und der Teil mit der höchsten Genauigkeit wird im Betrieb als das Abtastungssichtfeld verwendet.
Mit einem Dreifachprisma als Beispiel, wie in 12A gezeigt, befindet sich der Mittelpunkt des Dreifachprismas am Ursprung von Koordinaten des dreidimensionalen Koordinatensystems; wenn der Drehwinkel 0° ist, ist die x-Achse senkrecht zur Unterkante des Dreiecksschnitts des Dreifachprismas, tritt der Laserstrahl L2 in das Dreifachprisma in einer Richtung senkrecht zur y-Achse ein, und L3 tritt in das Dreifachprisma in einer Richtung ein, die durch den unteren rechten Scheitelpunkt des Dreiecksschnitts und des Mittelpunkts definiert ist.
Wie in 12B gezeigt, die das Abtastungssichtfeld des Laserstrahls L2 zeigt, beträgt das Abtastungssichtfeld von L2 im Uhrzeigersinn 60° bis 300° in Bezug auf die x-Achse. Wie in 12C gezeigt, die das Abtastungssichtfeld des Laserstrahls L3 zeigt, beträgt das Abtastungssichtfeld von L3 im Uhrzeigersinn 180° bis 420° in Bezug auf die x-Achse.
Es ist deutlich, dass die Sichtfelder einander in einem maximalen Bereich von 180° bis 300° in Bezug auf die x-Achse überlagern.
Während des Drehens innerhalb von 360/3=120° dreht sich das Abtastungsprisma nacheinander in den ersten Winkel 0°, zweiten Winkel 60°, dritten Winkel 60° und vierten Winkel 120°.
Wenn sich das Abtastungsprisma in den ersten Winkel 0° dreht, beginnt die Erlangung von Abtastungsdaten von L3, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L3 und der x-Achse beträgt 180°. Wenn sich das Abtastungsprisma in den zweiten Winkel 60° dreht, beginnt die Erlangung von Abtastungsdaten von L2, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L2 und der x-Achse beträgt 180°. Wenn sich das Abtastungsprisma in den dritten Winkel 60° dreht, werden keine Abtastungsdaten von L3 mehr erlangt, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L3 und der x-Achse beträgt 300°. Wenn sich das Abtastungsprisma in den vierten Winkel 120° dreht, werden keine Abtastungsdaten von L2 mehr erlangt, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L2 und der x-Achse beträgt 300°.
In der obenstehenden Lösung wird der Überlagerungsbereich zwischen L2 und L3 maximiert. Der Überlagerungsbereich kann während des Betriebs erweitert oder verengt werden, um als Abtastungssichtfeld zu dienen.
Während des Drehens innerhalb von 360/3=120° dreht sich das Abtastungsprisma zum Beispiel nacheinander in einen ersten Winkel von 5°, zweiten Winkel von 10°, dritten Winkel von 105° und vierten Winkel von 110°.
Wenn sich das Abtastungsprisma in den ersten Winkel 5° dreht, beginnt die Erlangung von Abtastungsdaten von L3, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L3 und der x-Achse beträgt 190°. Wenn sich das Abtastungsprisma in den zweiten Winkel 10° dreht, beginnt die Erlangung von Abtastungsdaten von L2, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L2 und der x-Achse beträgt 80°. Wenn sich das Abtastungsprisma in den dritten Winkel 105° dreht, werden keine Abtastungsdaten von L3 mehr erlangt, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L3 und der x-Achse beträgt 390°. Wenn sich das Abtastungsprisma in den vierten Winkel 110° dreht, werden keine Abtastungsdaten von L2 mehr erlangt, und der Winkel zwischen dem austretenden Licht von L2 und der x-Achse beträgt 280°. In diesem Fall überlagern die Sichtfelder einander im Bereich von 190°-280° in Bezug auf die x-Achse, und es wird eine horizontale Sicht innerhalb von 310° erlangt.
Falls der Laserradarsatz eine andere Anzahl Abtastspiegelflächen aufweist, ist der Abtastungsprozess derselbe.
Gewerbliche Anwendung
Das horizontale Abtastungssichtfeld des Laserradarsatzes wird erweitert. Die Anzahl von Abtastzeilen des Laserradarsatzes wird erhöht. Außerdem wird die Anzahl von Abtastzeilen im zentralen Abtastungssichtfeld des Laserradarsatzes erhöht, und die Abtastungsdaten des zentralen Sichtfeld werden detaillierter. Wenn mehr Abtastzeilen von weniger Laserabstrahlungseinheiten erzeugt werden können, kann die Anzahl von Komponenten in der Vorrichtung reduziert werden, die Konfiguration der Komponenten vereinfacht werden und Größe und Kosten können gesenkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8767190 B2 [0002, 0021]
CN 201720413010 [0073]

Claims

Laserabtastvorrichtung, umfassend: ein Abtastungsprisma (1), wobei das Abtastungsprisma eine Vielzahl von Abtastungsspiegelflächen (101) aufweist, die sich um eine Abtastungsachse drehen, ein Raumwinkel zwischen einer Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet ist und nicht alle Raumwinkel identisch sind; und ein Sendeempfängermodul (2; 3), wobei das Sendeempfängermodul eine Laserabstrahlungseinheit (201) und eine Laseraufnahmeeinheit (202) umfasst, wobei die Laserabstrahlungseinheit (201) durch Drehung der Abtastspiegelflächen (101) Abtastzeilen erzeugt; wobei die Laserabstrahlungseinheit (201) durch Drehen des Abtastungsprismas (1) mehr als eine Abtastzeile erzeugt.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Laserabtastvorrichtung wenigstens zwei der Sendeempfängermodule (2; 3) umfasst, und Abtastungssichtfelder der zwei Sendeempfängermodule einander teilweise überlagern; oder die Laserabtastvorrichtung wenigstens drei der Sendeempfängermodule umfasst, die um das Abtastungsprisma (1) herum angeordnet sind, und Sichtfelder aller Sendeempfängermodule nacheinander zusammengefügt sind, um ein kontinuierliches Sichtfeld zu bilden.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 2, wobei wenigstens ein Teil der Sendeempfängermodule (2; 3) in Bezug auf die Abtastungsachse symmetrisch angeordnet ist.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 2, wobei Raumstellungswinkel der Sendeempfängermodule (2; 3) in Bezug auf die Abtastungsachse unterschiedlich oder identisch sind.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 2, wobei axiale Höhen der Sendeempfängermodule entlang der Abtastungsachse unterschiedlich oder identisch sind.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Abtastungsprisma (1) drei, vier, fünf oder sechs Abtastspiegelflächen (101) aufweist.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Raumwinkel allmählich mit einer selben Winkeldifferenz abnehmen.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes Sendeempfängermodul eine Vielzahl von Laserabstrahlungseinheiten (201) und eine Vielzahl von Laseraufnahmeeinheiten (202) umfasst, jede Laserabstrahlungseinheit (201) einen Laserstrahl abstrahlt und Winkel zwischen den Laserstrahlen gebildet sind.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Laserstrahlen divergierend oder konvergierend angeordnet sind.
Laserabtastvorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede Abtastspiegelfläche (101) die Laserstrahlen reflektiert, nimmt Signallichter auf, die zurückgeworfen werden, wenn die Laserstrahlen ein Zielobjekt bestrahlt haben, und wobei jede Abtastspiegelfläche (101) das Signallicht auf die Laseraufnahmeeinheit (202) reflektiert, die der Laserabstrahlungseinheit (201) entspricht, die den Laserstrahl abstrahlt.
Laserradarsatz, umfassend: die Laserabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Abtastverfahren des Laserradarsatzes nach Anspruch 11, ferner beinhaltend: Konfigurieren eines Sendeempfängermoduls, wobei das Sendeempfängermodul eine Laserabstrahlungseinheit und eine Laseraufnahmeeinheit umfasst; Drehen eines Abtastungsprismas mit einer Vielzahl von Abtastspiegelflächen um eine Abtastungsachse; und Abstrahlen, durch die Laserabstrahlungseinheit, eines Laserstrahls zu den Abtastspiegelflächen, und Erzeugen von Abtastzeilen durch Drehen der Abtastspiegelflächen, wobei ein Raumwinkel zwischen der Normalen jeder Abtastspiegelfläche und der Abtastungsachse gebildet wird und nicht alle Raumwinkel identisch sind, sodass jede Laserabstrahlungseinheit mehr als eine Abtastzeile erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei wenigstens zwei Sendeempfängermodule konfiguriert werden und Abtastungssichtfelder der Sendeempfängermoduls einander teilweise überlagern; oder wenigstens drei Sendeempfängermodule um das Abtastungsprisma konfiguriert werden, und alle Sendeempfängermodule zusammengefügt werden, um ein kontinuierliches Sichtfeld zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Laserabtastungsflächen Signallichter, die den Abtastzeilen entsprechen und von einem Zielobjekt zurückgeworfen werden, auf die Laseraufnahmeeinheit reflektieren, die der Laserabstrahlungseinheit entspricht, die den Abtastzeilen erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein durch Reflexion des von der Laserabstrahlungseinheit zum Abtastungsprisma abgestrahlten Laserstrahls gebildetes austretendes Licht die folgenden Formeln erfüllt: $H_Wink = {\begin{matrix} 2 * theta alpha \\ 2 * (theta - 360 / N) + alpha \\ 2 * (theta - 2 * 360 / N) + alpha \\ ⋮ \\ 2 * (theta - (N - 1) * 360 / N) + alpha \end{matrix} \begin{array}{l} (0 = < theta < 360 / N) \\ (360 / N = < theta < 2 * 360 / N) \\ (2 * 360 / N = < theta < 3 * 360 / N) \\ ((N - 1) * 360 / N = < theta < N * 360 / N) \end{array}$
$V_Winkel = Lidar_Winkel (Lidar_NUM) + Spiegel_Winkel$
$X = Bereich*cos (V_Winkel*D2 R a d) *cos (H_Winkel*D2 R a d)$
$Y = Bereich*cos (V_Winkel*D2 R a d) *sin (- H_Winkel*D2 R a d)$
$Y = Bereich*sin (V_Winkel*D2 R a d)$
wobei ein Koordinatensystem mit einem Mittelpunkt der Abtastungsachse im Abtastungsprisma als Ursprung gebildet wird und eine x-Achse und eine y-Achse ist in einer horizontalen Ebene mit der Abtastungsachse als z-Achse gebildet werden; wobei H_Winkel ein Winkel zwischen der Projektion des austretenden Lichts in der horizontalen Ebene und der x-Achse ist, V_Winkel ein Winkel zwischen der Projektion des austretenden Lichts und der horizontalen Ebene ist, N die Anzahl der Abtastspiegelflächen des Abtastungsprismas ist, Lidar_NUM die Seriennummer der Laserabstrahlungseinheit ist, Lidar_Winkel (Lidar_NUM) ein Winkel zwischen dem von der Laserabstrahlungseinheit mit der Seriennummer Lidar_NUM abgestrahlten Laserstrahl und der horizontalen Ebene ist, Spiegel_Winkel ein Winkel zwischen der Normalen der Abtastspiegelfläche, die das austretendes Licht erzeugt, und der horizontalen Ebene ist, alpha ein Winkel zwischen der x-Achse und der Projektion des austretenden Lichts in der horizontalen Ebene im Uhrzeigersinn ist, wenn der Drehwinkel des Abtastungsprismas 0° beträgt, Bereich ein Abstandswert des austretenden Lichts gemessen durch den Laserradarsatz ist, D2Rad eine Konstante ist und X, Y und Z dreidimensionale Koordinaten des Zielobjekt sind, auf die das austretende Licht trifft, wobei bei Drehung des Abtastungsprismas im Uhrzeigersinn theta der Drehwinkel des Abtastungsprismas ist; und bei Drehung des Abtastungsprismas gegen den Uhrzeigersinn theta zwischen 360° und dem Drehwinkel des Abtastungsprismas liegt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren ferner umfasst: Drehen des Abtastungsprisma nacheinander in einen ersten Winkel, zweiten Winkel, dritten Winkel und vierten Winkel während des Drehens innerhalb von 360/N°, Erlangen eines Signallichts eines ersten Sendeempfängermoduls, das auf eine erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den ersten Winkel dreht; Erlangen eines Signallichts eines zweiten Sendeempfängermoduls, das auf eine zweite Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den zweiten Winkel dreht; nicht länger Erlangen des Signallichts des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den dritten Winkel dreht; und nicht länger Erlangen des Signallichts des zweiten Sendeempfängermoduls, das auf die zweite Abtastspiegelfläche gerichtet ist, wenn erkannt wird, dass sich das Abtastungsprisma in den vierten Winkel dreht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Erlangens des Signallichts des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, ferner beinhaltet: Antreiben der Laserabstrahlungseinheit des ersten Sendeempfängermoduls zum Abstrahlen des Laserstrahls; wobei der Schritt des nicht längeren Erlangens des Signallichts des ersten Sendeempfängermoduls, das auf die erste Abtastspiegelfläche gerichtet ist, beinhaltet: Anhalten des Antreibens der Laserabstrahlungseinheit des ersten Sendeempfängermoduls zum Abstrahlen des Laserstrahls.