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1. (WO2018223821) MULTI-LINE LASER RADAR
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17  

附图

1   2   3   4   5   6  

说明书

发明名称 : 多线激光雷达

技术领域

[0001]
本发明涉及一种多线激光雷达。

背景技术

[0002]
利用脉冲飞行时间法的激光测距已经在各领域被广泛应用。
[0003]
单线激光雷达在纵向角度上只有一束扫描激激光,通过变化这一束扫描激光在水平面内的角度,实现二维场景感知。换句话说,单线激光雷达可以感知一束扫描激光扫过的平面或者曲面内的场景。在实际应用中,如果要用单线激光雷达实现对三维场景的感知,需要通过移动单线激光雷达,拼接各帧二维图像得到三维效果。
[0004]
为了尽可能多的获取被扫描区域的三维信息,目前多采用多线激光雷达,可以覆盖更多的垂直视场区域。目前市面上多线激光雷达的线束角度分布都采取在一定角度范围内均分的方法(即垂直角分辨率是确定的值),如Velodyne的16线、32线及64线激光雷达,其垂直角分辨率分别是2度、1.33度及0.43度,Ibeo的4线、8线激光雷达垂直角分辨率为0.8度。
[0005]
车载激光雷达的具体应用场景,主要是检测地面上的行人、车辆等。这就意味着如果在垂直方向上上下均分视场的话,向上发射的激光线束很大程度是被浪费的。
[0006]
另外,如果按照目前市场产品的角度划分方案,将所有视场角全部均分,那么达到更高的垂直分辨率就需要更多线,这也就意味着更高的成本、更大的体积和更低的可靠性稳定性。由于受限于以太网的数据容量及车载CPU 的处理速度,更高线数的激光雷达无法同时兼顾高水平角分辨率和高扫描频率。
[0007]
而基于降低成本的原因而减少线数,那么角度间隔又太大,在不远的距离范围(如40米)就无法分辨目标,例如按照总垂直视场角32°,2°间隔(垂直分辨率),需要16线,那么40m距离处激光线束间距大约在1.4米,很容易就漏掉一个行人。
[0008]
根据发射光路与接收光路是否重合,激光雷达可以分为同轴系统和非同轴系统。对于任何一个激光雷达,为了保证发射的激光脉冲在通过激光雷达盲区、过渡区后全部进入激光雷达的接收视场内,要求发射的激光脉冲与接收望远镜的光轴平行。一旦发射光束指向性发生变化,不仅使得激光雷达重叠因子修正曲线变得不可确定,在重叠区也无法给出正确的修正结果,当指向偏离严重时会偏离接收视场,导致激光雷达无法探测障碍物。
[0009]
在现有的激光雷达系统中,由于反射镜的偏移、半导体激光器的工作环境温度、平台震动、更换波长、半导体激光器本身的使用寿命等问题,导致非同轴激光雷达系统很难保证发射光束与接收望远镜光轴始终保持共轴或平行。此外,现有的激光雷达系统采用一维振镜的转动实现空间扫描,无法满足激光雷达对扫描视场的需求。而且,通过机械结构控制振镜的转动,既增加了维修难度,也限制了测量精度。
[0010]
发明内容
[0011]
本发明所要解决的技术问题是提供一种多线激光雷达,其能够测量出不同方向上障碍物的距离,产生三维点云,直接实现对三维场景的感知,并且,能够在控制由激光雷达线数带来的成本的同时,对于重点关注的周围区域进行更加精确的探测。
[0012]
这一技术问题通过根据本发明的一种多线激光雷达得以实现。该多线激光雷达包括:多线测距激光发射模块,该多线测距激光发射模块包括一个或 多个激光器;多线测距激光接收模块,该多线测距激光接收模块包括一个或多个光电探测器,并且被设计为适于检测所述激光发射模块发射出的测量激光入射到障碍物上发生漫反射的激光回波;测距信息解算模块,该测距信息解算模块与多线测距激光发射模块以及多线测距激光接收模块具有电信号连接,被设计为通过计算所述多线测距激光发射模块发射测量激光与所述多线测距激光接收模块接收到激光回波之间的时间差计算出各方向上所述障碍物的距离;以及为所述多线测距激光发射模块和所述多线测距激光接收模块对应配设的控制电路和光学系统。
[0013]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,所述所述多线测距激光发射模块发射具有非均匀的垂直角度分辨率的多线测距激光。也就是说,在垂直方向上相邻测量激光之间的角度差不尽相同。非均匀的垂直角度分辨率意味着多线测距激光对于周围不同高度有不同的疏密分布,相对于均匀间隔的测距激光而言,能够将更多的测距激光光束提供到重点关注的高度区域。优选的是,激光器、光电探测器的数量与多线激光雷达的线数对应。
[0014]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,控制电路包括时间数字转换器,测距信息解算模块被设计为适于通过比较所述多线测距激光发射模块在每一线测距激光发射时发送给时间数字转换器的信号与所述多线测距激光接收模块在探测到返回的激光时发送给该时间数字转换器信号的时间差而推断出所述多线测距激光发射模块发射测量激光与所述多线测距激光接收模块接收到激光回波之间的时间差,从而计算出该方向上障碍物的距离。
[0015]
在一种替换实施形式中,也可以考虑通过比较电流波形而间接地获得时间差,其中,所述控制电路包括模拟数字转换器,所述模拟数字转换器实时采集并数字化所述多线测距激光发射模块和所述多线测距激光接收模块的电流波形,所述测距信息解算模块被设计为适于通过比较所述多线测距激光发射模块的电流波形与所述多线测距激光接收模块的电流波形的时间差而推断出所述多线测距激光发射模块发射测量激光与所述多线测距激光接收模块接收到激光回波之间的时间差,从而计算出该方向上障碍物的距离。
[0016]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,所述多线测距激光发射模块被设计为适于以在垂直视场角范围内的上下区域比中间区域具有更稀疏的垂直角度分辨率的方式发射所述多线测距激光。这样就使得所发出多线测距激光在水平线及附近分布较密,而在其它方向则较为稀疏。
[0017]
所发射多线测距激光的这种非均匀的垂直角度分辨率分布,使得在较低线束数目时能够实现较高的垂直角分辨率,从而达到了节约成本、减小设备体积的效果。特别是,充分考虑到车辆行驶中需要识别的障碍物(如行人、车辆等)通常聚集在水平线和靠近地面附近,因此增强了中心激光光束(水平线和水平线附近)的分布密度,这种非均匀式激光束分布在现实交通环境下更加科学合理。从另一个角度来看,在增加了重点关注区域的线束数目的同时,也相应地减少了非重点关注区域的线束数目,这种布置带来的优点是控制了总的线束数目,因而保证了高扫描频率的实现,从而同时兼顾了高水平角分辨率和高扫描频率的要求,使扫描结果更加准确。
[0018]
不过,亦可以考虑激光束随时间的变化先后扫描到垂直方向上的各个角度的技术方案。例如,在一种替代实施形式中,所述多线测距激光发射模块发射出的所述多线测距激光由一束在垂直方向上角度随时间变化的测量激光形成。在另一种替代实施形式中,所述多线测距激光发射模块发射出的所述多线测距激光则由多束在垂直方向上角度随时间变化的测量激光形成。
[0019]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,所述多线激光雷达还包括用于随时间变化而改变所述测量激光在垂直方向上的角度的扫描模块。在垂直方向上角度随时间变化的测量激光例如可以通过一维或二维振镜偏转到垂直方向上的相应角度,振镜用于随时间变化而改变测量激光在垂直方向上的角度。
[0020]
优选的是,在所述多线激光雷达的发射和接收光路中布置分光模块,并使分光模块与多线测距激光发射模块和扫描模块布置在同一轴线上,其中,所述分光模块适于将所述多线测距激光发射模块发射的测量激光透射至所 述扫描模块以及将来自所述扫描模块的障碍物反射激光反射至所述多线测距激光接收模块。
[0021]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,该多线激光雷达还包括:旋转部,所述多线测距激光发射模块和多线测距激光接收模块固定布置在该旋转部上;固定部,该固定部配设有所述多线激光雷达的对外通信接口和外接电源接口,所述电能传输系统把通过所述外接电源接口输入的外界电能提供给所述旋转部;旋转机构,该旋转机构被设计为适于驱动所述旋转部相对于所述固定部旋转,并带有旋转角度反馈装置,该旋转角度反馈装置被设计为适于提供该旋转机构的旋转角度,从而获得各束测量激光在水平方向上的角度;以及固定部和旋转部之间的通信系统和电能传输系统。由此,能够确定各束测量激光在遇到障碍物时的空间角位置,这些空间角位置与已经基于时间差计算出的障碍物距离相结合而确定了障碍物的位置和形状。
[0022]
固定部用于将多线激光雷达和外界的连接结构固定,固定部所配设的对外通信接口用于接收外界指令,并向外界传输多线激光雷达扫描得到的点云信息等,而所配设的外接电源接口则用于接收外界电能输入。
[0023]
旋转部可以绕一根固定的、垂直方向的轴旋转,该轴本身可以安装在固定部上也可以安装在旋转部上。随着旋转部的转动,多线测距激光发射模块和多线测距激光接收模块实现水平方向上不同角度方向的测量。
[0024]
在固定部和旋转部之间的电能传输方面,根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,通过电磁感应方式把电能从发射线圈传输到接收线圈上,此时所述固定部上设有发射线圈及相应的调制电路,而所述旋转部上设有接收线圈及相应的调制电路。
[0025]
不过,在一种替代的实施形式中,也可以考虑所述固定部和所述旋转部通过滑环连接,该滑环包括能够相对转动、分别与所述固定部和所述旋转部固定连接的两个部分,该滑环的所述两个部分之间具有导电通道,该导电通道作为所述固定部和旋转部之间的电能传输系统。
[0026]
在固定部和旋转部之间的通信方面,根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,所述固定部和旋转部之间的通信系统包括所述滑环的所述两个部分之间的信号通道。
[0027]
不过,在一种替代的实施形式中,也可以考虑通过光电转换方式实现固定部和旋转部之间的通信。在此,所述固定部和旋转部之间的通信系统包括设在所述固定部上的发光二极管和设在所述旋转部上的光电二极管,以及设在所述旋转部上的发光二极管和设在所述固定部上的光电二极管,其中,设在所述固定部上的发光二极管将要传输的电信号转化为光信号,该光信号由设在所述旋转部上的光电二极管捕捉并转化为电信号,设在所述旋转部上的发光二极管将要传输的电信号转化为光信号,该光信号由设在所述固定部上的光电二极管捕捉并转化为电信号。
[0028]
另外,显然亦可以考虑任何现有的无线发送和接收装置,例如,在各种替代的实施形式中,所述固定部和旋转部之间的通信系统可以包括分别设在所述固定部和旋转部上的无线发送和接收装置,例如无线电、WiFi或蓝牙等。
[0029]
为实现所发射多线测距激光的非均匀的垂直角度分辨率分布,根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,该多线测距激光发射模块包括固定布置在旋转部内的多个激光器,所述多个激光器被分成多组,每组激光器在竖直方向上等间距布置,但各组所述激光器的间距可以彼此相同或不同,只要各组激光器总的布置效果使得所发射多线测距激光的具有更集中于重点关注区域的垂直角度分辨率分布即可。
[0030]
优选的是,上述重点关注区域是所述多线测距激光发射模块的垂直视场角范围内的中间区域。也就是说,与所述多线测距激光发射模块的垂直视场角范围内的上下区域相比,有更多个所述激光器发射测距激光到所述角度范围的中间区域。
[0031]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,所述激光器分别固定 布置在位于旋转部内的若干承载体上,所述承载体被布置为使得与所述多线测距激光发射模块的垂直视场角范围内的上下区域相比,有更多个所述激光器发射测距激光到垂直视场角范围内的中间区域。类似地,激光器亦可在所述承载体上以均匀的间距分布,或者以非均匀的间距分布。在各承载体上,激光器之间的间距可以相同,也可以在各承载体上设计不同的激光器间距。
[0032]
根据本发明的多线激光雷达的一种优选实施形式,所述多线测距激光发射模块所发射测距激光所在的竖直平面和所述多线测距激光接收模块所接收的测距激光所在的竖直平面关于一个穿过所述旋转部的旋转中心的竖直平面对称。

附图说明

[0033]
本发明的上述属性、特征和优点及其实现方式将在下面对实施例的示意性描述中变得更清楚和更容易理解,并且在下面参考附图更详细地解释。
[0034]
图1是根据本发明的多线激光雷达的结构示意图;
[0035]
图2示意地示出了多线测距激光发射模块的固定布置在旋转部内的多个激光器,其中,与上下区域相比,更多个所述激光器发射测距激光到中间区域;
[0036]
图3示意地示出了激光器布置在多个承载体上的情况,其中,通过承载体在中间区域的数目叠加使更多测距激光被发射到中间区域;
[0037]
图4示意地示出了激光器布置在多个承载体上的另一示例,每个承载体上具有多组激光器,更多组激光器叠加在中间区域;
[0038]
图5示意地示出了多线测距激光发射模块、分光模块、扫描模块布置在一条轴线上的根据本发明的多线激光雷达的实施例;
[0039]
图6示意地示出了关于一个穿过旋转部的旋转中心的竖直平面对称布置的多线测距激光发射模块和所述多线测距激光接收模块。

具体实施方式

[0040]
图1示出了根据本发明的第一实施例的一种多线激光雷达1。该多线激光雷达1包括固定部210和旋转部240以及用于驱动旋转部240相对于固定 部210旋转的旋转机构250。在固定部210和旋转部240之间还设有通信系统和电能传输系统。
[0041]
固定部210的主体是机加工的金属壳体。固定部210中心有一根竖直方向贯穿整个多线激光雷达1的转轴。多线激光雷达系统内的转动部分(旋转部240、固定部210和旋转部间的通信/电能传输系统等)都安装在这根轴上。同时,固定部内还安装有一块电路板,用于将外部输入的宽范围电源电压(如7V到32V)转化为多线激光雷达系统所需要的电压(如12V,5V,3,3V等),将外部发来的指令、GPS时间同步信号等转化为多线激光雷达内部电路系统接受的格式,以及将激光雷达扫描得到的点云信息转化为外界接收的格式输出。激光雷达对外数据接口可以是以太网、CAN总线、USB等。
[0042]
旋转部240的主体也是机加工的金属壳体作。旋转部240通过一个或多个轴承安装在前述固定部的转轴上而可以绕该转轴旋转。
[0043]
固定部210用于将多线激光雷达1和外界的连接结构固定,固定部210所配设的对外通信接口220用于接收外界指令,并向外界传输多线激光雷达1扫描得到的点云信息等,而所配设的外接电源接口230则用于接收外界电能输入。外界电能从外接电源接口230输入至固定部,并通过固定部210和旋转部240之间的电能传输系统提供给旋转部240。固定部210和旋转部240之间的通信和电能传输通过它们之间的通信系统和电能传输系统实现。固定部210和旋转部240间的通信系统和电能传输系统需要解决的最主要问题是在这两个活动连接结构之间可靠的数据传输及电能传输。在本实施例中,通信和电能传输分别通过滑环实现,滑环的定子连接激光雷达的固定部210,而滑环的转子连接激光雷达的旋转部240。在转动时,信号通过滑环上的信号通道传递,电能则通过滑环上的导电通道传递。
[0044]
在旋转部240上固定布置有若干多线测距激光发射模块110和多线测距激光接收模块120。由多线测距激光发射模块110发射多束在垂直方向上角度不同但固定的测量激光,它们入射到障碍物上发生漫反射的激光回波则由 多线测距激光接收模块120检测。在本实施例中,多线测距激光发射模块110的实现方法是使用多个激光器112,如TO封装或贴片封装的半导体激光器。多个激光器112安装在单块电路板上的不同位置。激光器112控制电路间歇性地发出脉冲电流驱动各个激光器112发出激光脉冲。
[0045]
单个激光器112发出的光经过多线测距发射模块110的光学系统的准直,形成接近平行的光束。各激光器112处于发射模块光学系统焦面附近,因此,各个在垂直方向上具有位置差别的激光器112发出的光,通过发射模块光学系统后,形成垂直方向上角度不同的光束。
[0046]
在本实施例中,多线测距激光接收模块120的实现方法是使用多个光电探测器,如光电二极管,尤其是雪崩光电二极管等。多个光电探测器安装在单块电路板上的不同位置。
[0047]
光电探测器安装在多线测距接收模块120的光学系统的焦面附近,每一个光电探测器接收光线的方向设计为和激光发射模块上对应的一束测距激光的方向相同。每一个光电探测器的接收视场角由光电探测器光敏面的大小以及多线测距接收模块的光学系统的焦距决定,光电探测器的接收视场角应该设计得尽量小,以减少环境光的干扰。光电探测器接收到光信号后,由后续电路转化为电信号,用于计算光脉冲飞行的时间。
[0048]
多线测距激光发射模块110在每一线测距激光发射时发送给相应的时间数字转换器一个信号,而多线测距激光接收模块120在探测到返回的激光时再发送给该时间数字转换器信号一个信号。测距信息解算模块与多线测距激光发射模块110以及多线测距激光接收模块120具有电信号连接,它通过比较这两个信号的时间差,可以得出发射测量激光以及接收到激光回波的时间差,也就是激光的飞行时间,从而计算出各方向上所述障碍物Z的距离。在此,测距信息解算模块布置在旋转部上,得到垂直方向上每一束测距激光对应的障碍物距离后,测距信息解算模块将这些测距信息单独或者打包通过固定部和旋转部之间的通信系统发往位于固定部上的电路。通过这些测距信 息可以构建激光雷达周围的三维场景。但在其它的实施形式中,也可以考虑将其布置在固定部上,或者一部分布置在旋转部上一部分布置在固定部上。
[0049]
在此实施例中,旋转机构250包括一个空心轴直流无刷电机,电机中空的部分穿过转轴,将电机的定子通过螺纹连接固定在多线激光雷达1的固定部210上,电机的转子通过联轴器和多线激光雷达1的旋转部240连接。电机的旋转带动激光雷达转子的旋转。同时,旋转机构250带有作为旋转角度反馈装置的光电编码器。光电编码器的码盘安装在激光雷达的旋转部240上,而光电编码器的光电检测器则安装在激光雷达的固定部上并且正对着码盘上的栅格。当电机带动激光雷达旋转部240转动时,电机控制电路通过读取光电编码器返回的信号获得旋转部240的转过的角度、转速等信息,从而获得各束测量激光在水平方向上的角度。
[0050]
直流无刷电机通过专门的驱动电路驱动。电机的旋转速度通过闭环控制系统控制在一定的范围,电机的速度反馈可以来自光电编码器,也可以来自电机驱动电路测量到的电机上的反向电动势和电流。闭环控制算法可以通过专门的电机驱动芯片完成(如TI DRV10983),也可以通过单片机或FPGA实现。整个电机控制电路可以是单独的一块电路板;当电机安装在激光雷达固定部内时,电机控制电路也可以集成在旋转部内的电路板上。
[0051]
根据本发明的第二实施例披露了一种多线激光雷达1。与上述第一实施例的不同之处在于,由多线测距激光发射模块110发射单束或多束在垂直方向上角度变化的测量激光,它们入射到障碍物Z上发生漫反射的激光回波则由多线测距激光接收模块120检测。另外,多线测距激光发射模块110包括在空间上排列在不同位置的多块安装有激光器112的电路板。类似地,多线测距激光接收模块120亦包括在空间上排列在相应的不同位置的多块安装有光电探测器的电路板。
[0052]
而且,所述测距信息解算模块上的模拟数字转换器实时采集激光发射模块发光的电流波形以及激光接收模块收到激光的电流波形,并把电流波形数字化并输入给内置时间测算功能的单片机或FPGA,由后者计算发射和接收 波形的时间差,从而能够得到激光的飞行距离,进而计算出该方向上障碍物Z的距离。
[0053]
并且,在此实施例中,固定部210和旋转部240之间通过光传输实现通信。固定部210和旋转部240之间的通信系统包括设在所述固定部210上的发光二极管和设在所述旋转部上的光电二极管,以及设在所述旋转部240上的发光二极管和设在所述固定部上的光电二极管。设在所述固定部210上的发光二极管将要传输的电信号转化为光信号,该光信号由设在所述旋转部240上的光电二极管捕捉并转化为电信号,设在所述旋转部240上的发光二极管将要传输的电信号转化为光信号,该光信号由设在所述固定部210上的光电二极管捕捉。
[0054]
另外,在此实施例中,固定部210和旋转部240之间的电能传输通过电磁感应方式实现。在多线激光雷达1的固定部上安装有发射线圈,在多线激光雷达1的旋转部上安装有接收线圈.发射线圈和接收线圈均套在激光雷达的转动轴上,当旋转部转动时,两个线圈始终保持非常小的间距。通过调制电路把外界输入的电能转变为交流电,在发射线圈上发出交变的磁场,从而在接收线圈上感应出电动势,再通过调制电路把接收线圈上的交变电流转化为旋转部上的电路系统需要的直流电。
[0055]
根据本发明的第三实施例披露了一种多线激光雷达1。与上述实施例的不同之处在于,固定部210和旋转部240之间的通信不是通过滑环连接或光电方式实现,而是通过分别设在固定部210和旋转部240上的无线电发送和接收装置实现。当然,也可以类似地考虑WiFi或蓝牙等方式。
[0056]
根据本发明的第四实施例披露了一种多线激光雷达1,其中,通过适当地排列激光器112或激光器单元阵列,使其产生的激光束实现在垂直视场范围-16°~+7°(非上下均分视场)中的非均匀布置,其中,+2°~+7°范围垂直角分辨为1°(对应第1-6线激光束),-6°~+2°范围为加密细分段,垂直角分辨为1/3°(对应第6-30线激光束),-16°~-6°范围垂直角分辨为1°(对应第30-40 线激光束)。显然,这既可以通过交错地排列激光器112或者由激光器112组成的若干单元阵列实现,或者,亦可在本实施例的变型中,通过在同一个阵列中不等间距地排列激光器112或者探测器来实现非均匀分布的激光束。
[0057]
在多线激光的产生方面,根据本发明的第五实施例与上述第四实施例不同,其中披露了由单束随时间变化的测量激光形成的多线测距激光。在此,这里的多线测距激光并非是同时由多个激光器112发出的多束激光,而是单个激光器112与振镜或类似物的组合所发出的随时间改变角度而完成多线扫描任务的单束激光。原理上,激光发射模块出射的激光束经通过分光模块140,其后经例如一维振镜或二维振镜反射至目标物体(或障碍物Z)。激光束被目标物体(或障碍物Z)反射后由振镜入射通过分光模块140后传至接收聚焦元件(如透镜或透镜组),经会聚透镜后,入射至探测器模块。探测器通过记录激光发射到接收到回波信号的时间差计算激光的飞行时间,从而得到该点待测物体的距离信息。在下一时刻,振镜将激光反射至空间中下一点,探测器将得到此点的距离信息。配合透镜的转动,重复该测量过程,从而在一定时间内完成单束激光对空间的扫描,完成对整个探测范围内的点云信息的多线扫描。
[0058]
上述的第五实施例亦可有变型,例如,将振镜与固定布置的多个激光器112相组合而实现多束在垂直方向上角度变化的测量激光。例如,为了达到40线的效果,可以利用5个激光器112,每个激光器112发出的单束激光利用一个一维振镜或二维振镜随时间改变角度而完成多线扫描任务,从而实现一定范围内的扫描,它们共同合起来达到40线扫描的效果。
[0059]
在根据本发明的第六实施例中,为保持发射光路I和接收光路R同轴效果,如图5所示,将多线测距激光发射模块110(包括激光器112和准直模块114)、分光模块140、扫描模块130布置在一条轴线上。分光模块140透射的测距激光被可在水平和/或垂直空间内自由摆动的振镜反射至周围空间中的障碍物Z,并将扫描模块反射回的障碍物Z反射回波激光反射至多线测距激光接收模块120。
[0060]
多线测距激光发射模块110的激光器112可以为半导体激光器、光纤激光器等。不同类型的激光器可以发射不同波长的激光脉冲,例如,半导体激光器可以产生并发射近红外光脉冲。在具体实施中,为避免不同激光雷达系统之间的干扰,可以约束多线测距激光发射模块110产生并发射特定预设波长的激光脉冲。
[0061]
多线测距激光接收模块可以包括会聚模块116和探测模块118。探测模块118例如为光电探测器。会聚模块116和多线测距激光发射模块110的准直模块114可以为透镜。
[0062]
分光模块140可以为开孔反射镜、半透半反镜、偏振分光镜和镀膜分光镜等,其主要作用是一方面透视准直模块114调整后的平行激光脉冲,另一方面用于反射扫描模块17反射的回波激光脉冲。
[0063]
扫描模块130在此可以为一维或二维振镜,例如静电式振镜、电池式振镜、压电式振镜和电热式振镜等。
[0064]
在根据本发明的第七实施例中,如图2所示,为使垂直视场角范围内的上下区域S比中间区域M具有更稀疏的垂直角度分辨率,将所使用的多个激光器112在竖直方向上自上而下形成从稀疏到致密再到稀疏的非均匀分布。具体地,这种非均匀分布可以通过将固定布置在旋转部内的多个激光器112按照间距的不同分成多组,其中,上述角度范围中所重点关注的中间区域具有更密的测距激光分布。
[0065]
在此实施例的一种变型中,旋转部内部设有若干承载体119,激光器112分别固定布置在承载体119上,使得与所述多线测距激光发射模块110所发射测距激光的角度范围的上下区域S相比,有更多个所述激光器112发射测距激光到所述角度范围的中间区域M。
[0066]
图3中示意地示出了激光器布置在多个承载体上的情况,其中,各承载体119上的激光器112的光路在中间区域交错布置而相互叠加,从而通过承 载体119的数目叠加使更多测距激光被发射到中间区域。
[0067]
图4中示意地示出了激光器布置在承载体上的另一示例。图4示出了8个承载体119,每个承载体119上布置有5个激光器112,激光器112之间的距离相等。5个固定板竖直地设置在发射腔内,并从水平方向上隔开;所述承载体119固定在固定板的侧部,每个固定板上固定的承载体数量不等,如从左到右,每个固定板上分别固定2、1、2、2、1个承载体119。激光器112在包括光准直器件的主轴的竖直平面上的投影点在上下方向上具有疏密分布,如中间部分密,上部分和下部分疏,使得激光器112发出的多束检测光在水平线及附近的光束密,其它方向光束疏。
[0068]
以上记载了本发明的优选实施例,但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用,这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定,而由权利要求来限定。
[0069]
附图标记列表
[0070]
1 多线激光雷达
[0071]
110 多线测距激光发射模块
[0072]
120 多线测距激光接收模块
[0073]
210 固定部
[0074]
220 对外通信接口
[0075]
230 外接电源接口
[0076]
240 旋转部
[0077]
250 旋转机构
[0078]
130 扫描模块
[0079]
140 分光模块
[0080]
112 激光器
[0081]
114 准直模块
[0082]
116 会聚模块
[0083]
118 探测模块
[0084]
119 承载体
[0085]
I 发射光路
[0086]
R 接收光路
[0087]
Z 障碍物
[0088]
S 上下区域
[0089]
M 中间区域

权利要求书

[权利要求 1]
一种多线激光雷达(1),该多线激光雷达(1)包括: 多线测距激光发射模块(110),该多线测距激光发射模块包括一个或多个激光器(112); 多线测距激光接收模块(120),该多线测距激光接收模块包括一个或多个光电探测器,并且被设计为适于检测所述激光发射模块发射出的测量激光入射到障碍物(Z)上发生漫反射的激光回波; 测距信息解算模块,该测距信息解算模块与多线测距激光发射模块(110)以及多线测距激光接收模块(120)具有电信号连接,被设计为通过计算所述多线测距激光发射模块(110)发射测量激光与所述多线测距激光接收模块(120)接收到激光回波之间的时间差计算出各方向上所述障碍物(Z)的距离;以及 为所述多线测距激光发射模块(110)和所述多线测距激光接收模块(120)对应配设的控制电路和光学系统。
[权利要求 2]
根据权利要求1中所述的多线激光雷达(1),其特征在于,所述多线测距激光发射模块(110)发射具有非均匀的垂直角度分辨率的多线测距激光。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述控制电路包括时间数字转换器,所述测距信息解算模块被设计为适于通过比较所述多线测距激光发射模块(110)在每一线测距激光发射时发送给时间数字转换器的信号与所述多线测距激光接收模块(120)在探测到返回的激光时发送给该时间数字转换器信号的时间差而推断出所述多线测距激光发射模块(110)发射测量激光与所述多线测距激光接收模块(120)接收到激光回波之间的时间差,从而计算出该方向上障碍物(Z)的距离。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述控制电路包括模拟数字转换器,所述模拟数字转换器实时采集并数字化所述多线测距激光发射模块(110)和所述多线测距激光接收模块(120)的电流波形, 所述测距信息解算模块被设计为适于通过比较所述多线测距激光发射 模块(110)的电流波形与所述多线测距激光接收模块(120)的电流波形的时间差而推断出所述多线测距激光发射模块(110)发射测量激光与所述多线测距激光接收模块(120)接收到激光回波之间的时间差,从而计算出该方向上障碍物(Z)的距离。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的多线激光雷达(1),其特征在于,所述多线测距激光发射模块(110)被设计为适于以在垂直视场角范围内的上下区域比中间区域具有更稀疏的垂直角度分辨率的方式发射所述多线测距激光。
[权利要求 6]
根据权利要求1所述的多线激光雷达(1),其特征在于,所述多线测距激光发射模块(110)发射出的所述多线测距激光由一束或多束在垂直方向上角度随时间变化的测量激光形成。
[权利要求 7]
根据权利要求6所述的多线激光雷达(1),其特征在于,还包括扫描模块,所述扫描模块用于随时间变化而改变所述测量激光在垂直方向上的角度。
[权利要求 8]
根据权利要求7所述的多线激光雷达(1),其特征在于,还包括分光模块(140),所述分光模块与所述多线测距激光发射模块(110)和所述扫描模块布置在同一轴线上,其中,所述分光模块(140)适于将所述多线测距激光发射模块(110)发射的测量激光透射至所述扫描模块以及将来自所述扫描模块的障碍物(Z)反射激光反射至所述多线测距激光接收模块(120)。
[权利要求 9]
根据权利要求1-8任一项所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 该多线激光雷达(1)还包括: 旋转部,所述多线测距激光发射模块(110)和多线测距激光接收模块(120)固定布置在该旋转部上; 固定部,该固定部配设有所述多线激光雷达(1)的对外通信接口和外接电源接口,所述电能传输系统把通过所述外接电源接口输入的外界电能提供给所述旋转部; 旋转机构,该旋转机构被设计为适于驱动所述旋转部相对于所述固定部 旋转,并带有旋转角度反馈装置,该旋转角度反馈装置被设计为适于提供该旋转机构的旋转角度,从而获得各束测量激光在水平方向上的角度;以及 固定部和旋转部之间的通信系统和电能传输系统。
[权利要求 10]
根据权利要求9所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述固定部上设有发射线圈及相应的调制电路且所述旋转部上设有接收线圈及相应的调制电路,所述发射线圈和接收线圈被设计为适于通过电磁感应方式把电能从发射线圈传输到接收线圈上。
[权利要求 11]
根据权利要求9所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述固定部和所述旋转部通过滑环连接,该滑环包括能够相对转动、分别与所述固定部和所述旋转部固定连接的两个部分,该滑环的所述两个部分之间具有导电通道,该导电通道作为所述固定部和旋转部之间的电能传输系统。
[权利要求 12]
根据权利要求11所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述固定部和旋转部之间的通信系统包括所述滑环的所述两个部分之间的信号通道。
[权利要求 13]
根据权利要求9所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述固定部和旋转部之间的通信系统包括设在所述固定部上的发光二极管和设在所述旋转部上的光电二极管,以及设在所述旋转部上的发光二极管和设在所述固定部上的光电二极管, 其中,设在所述固定部上的发光二极管将要传输的电信号转化为光信号,该光信号由设在所述旋转部上的光电二极管捕捉并转化为电信号,设在所述旋转部上的发光二极管将要传输的电信号转化为光信号,该光信号由设在所述固定部上的光电二极管捕捉并转化为电信号。
[权利要求 14]
根据权利要求9所述的多线激光雷达(1),其特征在于, 所述固定部和旋转部之间的通信系统包括分别设在所述固定部和旋转部上的无线发送和接收装置,例如无线电、WiFi或蓝牙等。
[权利要求 15]
根据权利要求9所述的多线激光雷达(1),其特征在于,该多线测距激光发射模块(110)包括固定布置在旋转部内的多个激光器(112),所述多个激光器(112)被分成多组。
[权利要求 16]
根据权利要求15所述的多线激光雷达(1),其特征在于,所述激光器(112)分别固定布置在位于旋转部内的若干承载体(119)上。
[权利要求 17]
根据权利要求9所述的多线激光雷达(1),其特征在于,所述多线测距激光发射模块(110)所发射测距激光所在的竖直平面和所述多线测距激光接收模块(120)所接收的测距激光所在的竖直平面关于一个穿过所述旋转部的旋转中心的竖直平面对称。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]