CN102508255A - 车载四线激光雷达***及其电路、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载四线激光雷达***及其电路、方法，其主要由发射***、接收***、光学***和扫描***组成。所述发射***和扫描***组合在一起，通过直流步进电机控制激光器旋转方式实现雷达扫描，激光器通过水银滑环与外部电路进行电气连接，因此扫描***体积小。***依据激光脉冲测距原理，采用4线激光同时扫描，探测距离最大可达200m，分辨率最大可达10cm。因此***的性能和精确度较高、成本低。结合***软件可以用来进行车距测量、车速测量、车距保持、碰撞预警、自动巡航、车道偏离预警等功能，辅助驾驶员安全驾驶。

Description

车载四线激光雷达***及其电路、方法

技术领域

本发明涉及激光雷达在汽车辅助驾驶***领域的一种应用，尤其是涉及一种具有4个激光器同时进行线扫描的车载激光雷达***及其应用电路结构和实现方法。

背景技术

随着汽车工业蓬勃发展，车流量不断增大，交通事故频发，驾驶者的负担也就越来越大。为了减少交通事故造成的损失，如安全气囊、ABS、智能大灯等被动安全技术被应用到汽车当中，但这些被动安全措施只能减轻损失，不能防止事故发生。随着电子技术的发展，汽车行业已广泛应用各种如导航仪、汽车雷达等电子设备进行辅助驾驶，但这些在防止事故发生时，仍然靠驾驶员的判断进行，设备不具有紧急时自动控制车辆驾驶的权限，在发生突发情况或驾驶走神时若驾驶员来不及采取措施，事故仍可能发生。

较为理想的汽车辅助驾驶***，应具有车距测量、前车车速测量、障碍物的预警、车道偏离预警等功能；当碰撞不可避免时自动采取紧急刹车及提前释放安全气囊的等措施保护车内人员的安全功能；自动识别道路两旁的路沿、隔离带和障碍物功能；在自动巡航(ACC)当中自动保持车距功能，减轻驾驶者负担。先进的汽车辅助驾驶***的性能主要决定于它的传感器***和应用***。

汽车雷达是在汽车辅助驾驶***广泛应用的一种传感器***，它主要包括超声波雷达、微波雷达和激光雷达三种。其中超声波雷达有效测距只有几米，只能作为倒车雷达应用；有效测距比超声波雷达更远的微波雷达，具有受雨雾天气影响小、有效距离可达100米左右，但其发散角太大，测量目标距离和位置时精度不高，实际应用中主要用于测速、测距；激光雷达具有测量精度高，测距远，性能优异等特点，适用于汽车测速、测距和目标定位。

激光雷达的优点是结构相对简单，具有高单色性、高方向性、相干性好、测量精度较高、探测距离远，受到了广泛的关注。可应用于自动巡航（ACC）、碰撞预警、车道偏离预警等方面，前景非常广阔。激光雷达主要分为成像激光雷达和非成像激光雷达，成像激光雷达又分为扫描成像和非扫描成像。成像激光雷达可三维成像，功能强大，但技术难度非常大，成本也很高，而且满足不了高速行驶汽车的应用需求；在汽车应用方面非成像激光雷达更具有实用价值，相比成像激光雷达它造价低，速度快，稳定性好，亦可以满足功能需求。但单一的一线扫描激光雷达只能在一个面上进行扫描，覆盖面小，在障碍物预警当中很容易造成检测的缺失，而且在上坡和车身起伏较大时很容易会只探测到地面无法正常检测障碍物。而4线激光雷达能很好的弥补这个缺点，大大的提高了检测精确度，成不同角度扫描也是因为此点。1线激光雷达和4线激光雷达扫描示意图如图1和图3所示。

发明内容

本发明要决问题是：如何利用激光雷达的传感器***优异性能，提供一种扫描覆盖面广，能有效检测到目标障碍物，且体积小、成本低、功能强的汽车辅助驾驶***所需的激光雷达***。为了解决这些问题，本发明提供了如下车载四线激光雷达***及其电路和方法的技术方案：

车载四线激光雷达***，主要由供电***、控制***、发射***、接收***、光学***和扫描***组成；供电***向各***提供电源，控制***控制发射***发出激光，激光通过光学***处理后，遇目标物体反射回来，再经光学***处理后，由接收***接收反射回波信号并进行一系列处理后，反馈回控制***，由控制***进行运算处理；所述发射***由4个激光器发射激光，扫描***包括电机和水银滑环，其特征是：所述4个激光器设置在电机驱动轴上，并受电机驱动进行旋转扫描，形成四线激光雷达扫描；激光器通过水银滑环与外部电路进行电气连接，水银滑环的活动端与电机驱动轴连接，与激光器一起随驱动轴旋转。

进一步地，所述4个激光器在电机驱动轴上垂直排列成一列，其光轴与水平面形成不同的角度。这样旋转扫描时，扫描覆盖面比一线雷达更广。

本发明基于激光脉冲测距原理，发射***发射的激光脉冲时间极短，脉冲的能量集中。将激光脉冲测距和扫描***有机结合在一起，实现了从点到线的转变，从单一的测距到雷达的转变。采用四线激光扫描，可同时在四条线上进行扫描，扫描覆盖面广，防止障碍物预警当中检测的缺失，扫描效果如图2所示。扫描***通过直流步进电机驱动半导体激光器的旋转来实现扫描功能，采用水银滑环连接高速旋转的激光器和外部电路，水银滑环是以水银为流体介质的一种导电旋转接头，利用水银来进行电信号传递，取代传统的碳刷，电气连接性能更好。发射***和接收***对应的光学***对发射出的激光进行准直和整形，使激光的发散角足够小,使光束形成的光斑直径和激光能量透过率满足使用要求；并促使更多的回波信号进入到接收电路中，且防止其他波长的不相干光照的干扰。

一种实现车载四线激光雷达***的电路，包括控制***电路、发射***电路、扫描***电路、接收***电路、供电***电路；其中供电***电路包括有向各个***电路供电的电源模块；其特征是：所述控制***电路包括控制芯片及分别与控制芯片连接的显示模块和通信接口，显示模块显示内容由控制芯片控制，控制芯片通过通信接口与外部通讯；所述发射***包括依次相连的脉冲发生器、开关驱动电路、激光器，脉冲发生器与控制***电路的控制芯片相连，并受其控制；脉冲发生器向开关驱动电路提供信号驱动信号，由开关驱动电路驱动4个激光器工作；扫描***电路包括电机和水银滑环，水银滑环固定端通过接线端与驱动电路进行电气连接；所述4个激光器设置在电机驱动轴上，与水银环的活动端由一起随电机驱动轴进行旋转扫描，形成四线激光雷达扫描；激光器通过水银滑环活动端的接线端与水银滑环电气连接；所述接收***电路主要由依次相连的偏压电路、接收电路、放大电路、时刻鉴别电路、时间间隔测量电路组成；偏压电路为接收电路提供所需的偏压，接收电路接收经反射的激光回波信号，放大电路、时刻鉴别电路对接收的激光回波信号进行处理，然后把处理好的信号送入时间间隔测量电路；时间间隔测量电路还分别与发射***电路中的脉冲发生器和控制***电路的控制芯片相连，接收脉冲发生器发出的激光脉冲开始发出的信号，并依此信号与回波信号进行时间间隔测量，将所测的时间间隔参数传送给控制芯片进行最终处理。

进一步地，所述激光器为产生的激光波长为850~950nm、占空比<0.1%的脉冲半导体激光器。

控制***电路中的控制芯片（ECU）主要控制各***的工作和信号的后期运算、处理、依处理结果和预置的软件实现各种功能，并将结果在送显示模块显示，还通过通讯接口与其它设备通讯，实现***联动等功能。发射***主要用于发射激光信号，其中半导体激光器工作需要比较高的阀值电流，需要高速开关驱动电路驱动，开关驱动电路开关信号由脉冲发生器提供高速窄脉冲信号。接收***主要是接收激光回波信号及信号处理，信号具体由接收电路接收并转换成电信号，然后在放大电路中进行放大、整形和滤波；时刻鉴别电路依据处理后回波信号提供时间测量单元所需的终止信号，接着在高精度时间间隔测量电路以发射脉冲为起始时刻，以回波信号为终点时刻，测量出两者时间差，确定时间间隔，并将此时间间隔数据输入到控制芯片中处理。

一种实现车载四线激光雷达***的方法 ,包括如下步骤：

（a）由***的控制电路提供信号控制发射***发射激光脉冲，同时向接收***传送激光脉冲开始发出的信号；

（b）发射***由排列成一列的4个激光器按不同角度同时发射激光；

（c）4个激光器设置在电机驱动轴上，并受电机驱动进行旋转扫描，形成四线激光雷达同时扫描；

（d）激光器通过水银滑环与外部电路进行电气连接，水银滑环的活动端与电机驱动轴连接，与激光器一起随驱动轴旋转；

（e）由光学***对发射的激光进行准直和整形、以及对激光反射回波进行滤光聚焦处理；

（f）经光学***处理后的激光反射回波信号由接收***对进行接收，将其转换为电信号后进行放大、整形、滤波和进行时刻鉴别；采用恒定比值鉴别方法，与收到的脉冲激光开始发出信号的时刻对比，得到激光飞行时间，并将其送入控制***；

（g）控制***根据光速和激光飞行时间，根据激光脉冲测距依激光脉冲测距运算得到被检测目标的距离、方位、大小，并结合本车速度计算得到目标的运动速度；控制***根据运算结果结合内置软件进行辅助驾驶；

（h）将车载四线激光雷达安装在汽车车头前端的中间位置。

 

本发明的有益效果是：

1、      采用半导体激光器使***具有体积小，精度高，稳定性好的特点。

2、      采用四线激光同时扫描，扫描覆盖面广，最大探测距离可达到200m，分辨率可达10cm，能有效防止障碍物检测的缺失。

3、      由于水银滑环是一个结构紧凑、寿命长、稳定性好、可靠性高的电连接器,高速旋转扫描时，扫描***不会因其而产生噪音杂讯，且传递的信号不失真；本发明的扫描***相对于旋转棱镜结构的扫描***体积更小，***性能更好。

4、      本发明公开的四线扫描***，相对三维扫描***结构简单、成本低、实现容易；相对单一的一线扫描***精度提高、虚警率小。

5、      ***除具有测距、测速功能外，结合软件功能，还有利于集成在障碍物检测、碰撞预警、车距保持、行人保护、自动巡航、车道偏离预警、自动紧急刹车等扩展功能，进一步减轻驾驶员的劳动强度，同时有效减少汽车辅助驾驶***的数量和成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行进一步详细说明，其中：

图1为一线激光雷达单线扫描效果图；

图2为四线激光雷达扫描效果图；

图3为一线激光雷达扫描时激光器发出的激光束示意图；

图4为四线激光雷达扫描时4个激光器发出的激光束示意图。

图5为四线激光雷达的扫描***结构图。

图6为本发明***结构及电路原理框图。

图7为本发明的四线激光雷达***在汽车上的安装位置示意图。

具体实施方式

参见图4~图6 ，车载四线激光雷达***，主要由供电***11、控制***10、发射***12、接收***15、光学***14和扫描***13组成；供电***11中的电源模块向各***提供所需电源，控制***10控制发射***12发出激光，通过光学***14对激光进行准直和整形后，激光遇目标物体反射回来，经光学***14滤光后，由接收***15接收反射回波信号并进行一系列处理后，反馈回控制***10，由控制***10进行运算处理；所述发射***12由4个激光器发射激光，扫描***包括电机54和水银滑环50，其特征是所述4个激光器53设置在电机驱动轴55连接并受电机54驱动，带动激光器进行旋转扫描，形成四线激光雷达扫描；激光器53与水银滑环50活动端52的接线端连接，该活动端52与电机驱动轴55连接，与激光器53一起随驱动轴55旋转；滑环50固定端51固定安装，其接线端通过线束57与驱动电路相连。当然，激光器也可以设置在其它地方，只要设置在水银滑环50活动端52同一侧并能与该活动端一起旋转即可。

作为改进，所述4个激光器53在电机驱动轴55上垂直排列成一列，其光轴与水平面形成不同的角度，这样就可以在多个面上同时进行扫描。扫描时4个激光器发出的激光束示意图如图4所示，扫描效果如图2所示。

优选地，所述电机54为直流步进电机。扫描***13主要由直流步进电机控制完成，为满足汽车行驶要求，扫描频率为15~30Hz,进一步优选为20Hz。

一般地，本发明公开的四线激光雷达***安装在汽车车头前端中间位置，如图4和图7所示，这样可以使四线激光雷达***具有较宽的有效扫描范围，为控制***提供准确的目标信息。

如图5和图6所示，实现车载四线激光雷达***的电路，包括控制***电路、发射***电路、扫描***电路、接收***电路、供电***电路；其中供电***电路包括有向各个***电路供电的电源模块；其特征是：所述控制***电路包括控制芯片（ECU）及分别与控制芯片连接的显示模块和通信接口，显示模块显示内容由控制芯片控制，控制芯片通过通信接口与外部通讯；所述发射***包括依次相连的脉冲发生器、开关驱动电路、激光器53，脉冲发生器与控制***电路的控制芯片相连，并受其控制；脉冲发生器向开关驱动电路提供信号驱动信号，由开关驱动电路驱动4个激光器53工作； 扫描***电路包括水银滑环50和电机54，水银滑环50固定端51通过接线端与驱动电路进行电气连接；所述4个激光器53设置在电机驱动轴55上，与水银环50的活动端52由一起随电机驱动轴55进行旋转扫描，形成四线激光雷达扫描；激光器53通过水银滑环活动端52的接线端与水银滑环50电气连接；所述接收***电路主要由依次相连的偏压电路、接收电路、放大电路、时刻鉴别电路、时间间隔测量电路组成；偏压电路为接收电路提供所需的偏压，接收电路接收经反射的激光回波信号，放大电路、时刻鉴别电路对接收的激光回波信号进行处理，然后把处理好的信号送入时间间隔测量电路；时间间隔测量电路还分别与发射***电路中的脉冲发生器和控制***电路的控制芯片相连，接收脉冲发生器发出的激光脉冲开始发出的信号，并依此信号与回波信号进行时间间隔测量，将所测的时间间隔参数传送给控制芯片进行最终处理。

优选地，所述激光器53为产生的激光波长为850~950nm、占空比<0.1%的脉冲半导体激光器。优选为德国的OSRAM公司生产的SPL LL系列脉冲半导体激光器。

所述开关驱动电路主要开关器件优选为Elantec 公司生产的EL7041C。

所述接收电路主要器件为内部电流增益优选为10~100倍的APD雪崩二极管。APD雪崩二极管有很高的增益输出，更加利于接收强度较弱的回波信号。

APD雪崩二极管利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应以获得光电流增益。当反向电压继续增大，可达到10万倍增益，在合适的偏置电压下（通常100—300V）内部电流增益可达到10—100倍效果。APD工作所需的偏置电压比较高，故需偏压控制电路提供偏置电压电路来驱动，且要保证接收电路的带宽和响应速度。

由于目标物体的远近不同，接收电路接收的激光回波信号强弱变化大，接收电路中输出的回波信号波动范围较大，为确定信号不失真，本发明采用可控的增益放大电路，这样可以减小误差，使测量更加精确。

时刻鉴别电路主要是对放大电路的信号进行处理，为时间测量单元提供所需的终止信号，其性能直接影响了***的精度。本发明采用恒定比值鉴别方法，以减小由信号幅度变化带来的误差。其具体主要由延迟电路、衰减电路、高速比较器电路、阀值比较器电路组成。

所述时间数字转换芯片优选为德国ACAM公司生产的高精度时间数字转换芯片TDC—GP2。时间间隔的测量直接影响到***的精度，如要达到厘米级精度就需要时间精度达到100ps级别，TDC—GP2的精度可达到65ps，而且组成的电路简单稳定。

***运行过程如下：***初始化后，各个***进入准备状态。在控制芯片控制下，接着脉冲发生器产生触发脉冲信号控制开关电路驱动激光器发出激光脉冲；在产生触发电平的同时发出激光脉冲开始发出信号进入时间间隔测量电路，作为开始信号使TDC—GP2芯片开始计时。激光脉冲经目标物反射回后由接收电路接收，并将光信号转变为电信号，信号经放大电路放大后进入时刻鉴别电路处理后送入TDC—GP2芯片使其停止计时，TDC—GP2片计算出时间间隔送入控制芯片（ECU）进行处理，至此一次测距完成。扫描***不间断进行扫描，每一次测距信息传入控制***，控制***根据所得信息显示相应数据，并控制汽车做出相应动作。

参考图5~图7，一种实现车载四线激光雷达***的方法 ,包括如下步骤：

（a）由***的控制***10提供信号控制发射***12发射激光脉冲，同时向接收***15传送激光脉冲开始发出的信号；

（b）发射***12由排列成一列的4个激光器53按不同角度同时发射激光；

（c）4个激光器53设置在电机驱动轴55上，并受电机54驱动进行旋转扫描，形成四线激光雷达同时扫描；

（d）激光器53通过水银滑环50与外部电路进行电气连接，水银滑环的活动端52与电机驱动轴连接，与激光器一起随驱动轴55旋转；

（e）由光学***14对发射的激光进行准直和整形，以及对激光反射回波进行滤光聚焦处理；

（f）经光学***14处理后的激光反射回波信号由接收***15对进行接收，将其转换为电信号后进行放大、整形、滤波和进行时刻鉴别；采用恒定比值鉴别方法，与收到的脉冲激光开始发出信号的时刻对比，得到激光飞行时间，并将其送入控制***10；

（g）控制***10根据光速和激光飞行时间，根据激光脉冲测距依激光脉冲测距运算得到被检测目标的距离、方位、大小，并结合本车速度计算得到目标的运动速度；控制***10根据运算结果结合内置软件进行辅助驾驶；

（h）将车载四线激光雷达安装在汽车车头前端的中间位置。

所述激光脉冲测距是通过激光器发射一串激光脉冲，激光脉冲在空中飞行在遇到障碍物时反射回来进入接收机，测量出激光脉冲在空中的飞行时间从而计算出障碍物的距离。激光的传播速度是30万千米每秒，激光脉冲飞行时间乘以激光的速度就是到障碍物的往返距离，除以2即可得到障碍物的距离。

本发明最简单的应用就是测量车距，或根据自身车速在间隔时间内与前车的相应距离变化测量前车、行人等移动物的速度，这些功能在配备自动巡航(ACC)功能时可以用来自动保持车距，以减轻驾驶者的驾驶强度，行车时更加安全舒适。还可用于障碍物的预警，辅助实现在碰撞不可避免时可以采取紧急刹车、提前释放安全气囊等措施来保护车内人的安全。而且还可以根据车道和车道线对激光的不同反射率来检测车道线用于车道偏离预警，另外，激光雷达可以结合道路两旁的路沿、隔离带和障碍物等来协助实现此功能，使检测更加准确，减小因车道偏离而发生意外的碰撞，进一步提高行车安全。

根据上述说明书及具体实施例并不对本发明构成任何限制，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变形，也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.车载四线激光雷达***，主要由供电***、控制***、发射***、接收***、光学***和扫描***组成；供电***向各***提供电源，控制***控制发射***发出激光，激光通过光学***处理后，遇目标物体反射回来，再经光学***处理后，由接收***接收反射回波信号并进行一系列处理后，反馈回控制***，由控制***进行运算处理；所述发射***由4个激光器发射激光，扫描***包括电机和水银滑环，其特征是：所述4个激光器设置在电机驱动轴上，并受电机驱动进行旋转扫描，形成四线激光雷达扫描；激光器通过水银滑环与外部电路进行电气连接，水银滑环的活动端与电机驱动轴连接，与激光器一起随驱动轴旋转。

2.根据权利要求1所述的车载四线激光雷达***，其特征是：所述4个激光器在电机驱动轴上垂直排列成一列，其光轴与水平面形成不同的角度。

3.根据权利要求1或2所述的车载四线激光雷达***，其特征是：所述电机为直流步进电机。

4.实现权利要求1所述的车载四线激光雷达***的电路，包括控制***电路、发射***电路、扫描***电路、接收***电路、供电***电路；其中供电***电路包括有向各个***电路供电的电源模块；其特征是：

所述控制***电路包括控制芯片及分别与控制芯片连接的显示模块和通信接口，显示模块显示内容由控制芯片控制，控制芯片通过通信接口与外部通讯；

所述发射***包括依次相连的脉冲发生器、开关驱动电路、激光器，脉冲发生器与控制***电路的控制芯片相连，并受其控制；脉冲发生器向开关驱动电路提供信号驱动信号，由开关驱动电路驱动4个激光器工作； 

扫描***电路包括电机和水银滑环，水银滑环固定端通过接线端与驱动电路进行电气连接；所述4个激光器设置在电机驱动轴上，与水银环的活动端由一起随电机驱动轴进行旋转扫描，形成四线激光雷达扫描；激光器通过水银滑环活动端的接线端与水银滑环电气连接；

所述接收***电路主要由依次相连的偏压电路、接收电路、放大电路、时刻鉴别电路、时间间隔测量电路组成；偏压电路为接收电路提供所需的偏压，接收电路接收经反射的激光回波信号，放大电路、时刻鉴别电路对接收的激光回波信号进行处理，然后把处理好的信号送入时间间隔测量电路；时间间隔测量电路还分别与发射***电路中的脉冲发生器和控制***电路的控制芯片相连，接收脉冲发生器发出的激光脉冲开始发出的信号，并依此信号与回波信号进行时间间隔测量，将所测的时间间隔参数传送给控制芯片进行最终处理。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征是：所述激光器为产生的激光波长为850~950nm、占空比<0.1%的脉冲半导体激光器。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征是：所述脉冲半导体激光器为德国的OSRAM公司生产的SPL LL系列脉冲半导体激光器。

7.根据权利要求4所述的电路，其特征是：所述开关驱动电路主要开关器件为Elantec 公司生产的EL7041C。

8.根据权利要求4所述的电路，其特征是：所述接收电路接收器件为内部电流增益为10~100倍的APD雪崩二极管。

9.根据权利要求4所述的电路，其特征是：所述时间数字转换芯片为德国ACAM公司生产的高精度时间数字转换芯片TDC—GP2。

10.实现权利要求1所述的车载四线激光雷达***的方法 ,包括如下步骤：

a.由***的控制电路提供信号控制发射***发射激光脉冲，同时向接收***传送激光脉冲开始发出的信号；

b.发射***由排列成一列的4个激光器按不同角度同时发射激光；

c.4个激光器设置在电机驱动轴上，并受电机驱动进行旋转扫描，形成四线激光雷达同时扫描；

d.激光器通过水银滑环与外部电路进行电气连接，水银滑环的活动端与电机驱动轴连接，与激光器一起随驱动轴旋转；

e.由光学***对发射的激光进行准直和整形、以及对激光反射回波进行滤光聚焦处理；

f.经光学***处理后的激光反射回波信号由接收***对进行接收，将其转换为电信号后进行放大、整形、滤波和进行时刻鉴别；采用恒定比值鉴别方法，与收到的脉冲激光开始发出信号的时刻对比，得到激光飞行时间，并将其送入控制***；

g.控制***根据光速和激光飞行时间，根据激光脉冲测距依激光脉冲测距运算得到被检测目标的距离、方位、大小，并结合本车速度计算得到目标的运动速度；控制***根据运算结果结合内置软件进行辅助驾驶；

h.将车载四线激光雷达安装在汽车车头前端的中间位置。

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