CN107643525A - 基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***。该***包括从上至下设置的线阵激光测距仪、消像旋棱镜、45°转镜、45°转镜平衡结构、角度传感器，以及同步变速装置、扫描电机、电机控制***，电机控制***驱动扫描电机运行，扫描电机通过同步变速装置分别带动消像旋棱镜和45°转镜以不同的转速旋转，角度传感器精确测定周向成像的方位，要求45°转镜的旋转速度是消像旋棱镜旋转速度的两倍。本发明利用同步旋转的棱镜像旋效应补偿45°转镜旋转的像旋问题，通过线阵列光束扫描，实现线阵激光雷达360°周向无像旋成像，***结构简单，降低了转动惯量，提高了***的稳定性和扫描效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达成像***，特别是涉及一种基于45°转镜扫描的线阵激光雷达周向无像旋成像***。
背景技术
激光雷达具有测距精度高、方向性强、响应快，不受地面杂波影响等突出优势，能为无人驾驶车辆的障碍物避让和路径自主规划提供三维场景数据，是目前无人驾驶车辆环境感测的最有效方案。
目前，在车辆无人驾驶领域，美国Velodyne公司的HDL-64E型64线线阵激光雷达是应用最为广泛，技术最为先进的车载线阵激光雷达。它通过电机带动沿俯仰方向排列的线阵激光测距仪整体绕Z轴进行360°的周向扫描成像。这种周向扫描方式存在旋转部件的转动惯量大，导致扫描电机的功耗大、转速实时切换响应速度慢等原理性问题。此外，工作时，线阵激光测距仪整体处在高速旋转状态，需要通过滑环电刷等结构实现***供电和数据传输。滑环结构内部导线密集，信号间的互感、互容效应较大，影响数据传输的稳定性和效率，同时高速运动下滑环的磨损会直接影响供电和数据传输的可靠性。事实上，无人车辆是一种需要长时间可靠工作的特殊***，按50万公里的行驶里程和100公里每小时的速度估算，需要可靠工作5000小时，这对于上述结构的激光雷达是一种严峻的考验，迫切需要探索新的线阵激光雷达轴向扫描方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，降低了转动惯量，提高了***稳定性和扫描效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，包括从上至下设置的线阵激光测距仪、消像旋棱镜、45°转镜、45°转镜平衡结构、角度传感器，以及同步变速装置、扫描电机、电机控制***，角度传感器用于收集45°转镜的旋转速度，电机控制***驱动扫描电机运行，扫描电机通过同步变速装置分别带动消像旋棱镜和45°转镜以不同的转速旋转。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用了45°旋转扫描反射镜光机结构，通过利用绕Z轴旋转的45°全反镜代替线阵激光测距仪整机转实现激光雷达的360°周视成像，简化了***，为***长时间的工作的稳定性提供了保障，并且***转动惯量较小，在实时调节扫描转速时能有较快的响应速度；同时可以选择功耗更低的电机，实现设计的小型化、低功耗；
2)本发明引入了施密特-别汉棱镜，通过同步变速装置使得施密特-别汉棱镜的旋转速度为转镜旋转速度的一半，消除了45°转镜在轴向扫描过程中出现的像旋问题，实现了360°周向无畸变激光雷达成像；
3)本发明***工作时线阵激光测距仪凝视不动，通过线阵光束扫描实现周视成像，无需滑环部件进行***供电和数据传输，具有结构简单、可靠性高、抗干扰能力强等突出优势。
附图说明
图1是本发明基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***的整体结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明方案。
如图1所示，基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，包括从上至下设置的线阵激光测距仪1、消像旋棱镜2、45°转镜3、45°转镜平衡结构4、角度传感器5，以及同步变速装置6、扫描电机7、电机控制***8、***电源9和接口电路10，其中角度传感器5用于收集45°转镜3的旋转速度，电机控制***8驱动扫描电机7运行，扫描电机7通过同步变速装置6分别带动消像旋棱镜2和45°转镜3以不同的转速旋转，***电源9用于为线阵激光测距仪1和扫描电机7供电，接口电路10用于接收角度传感器5实时提供的转镜转动情况，同时接收线阵激光测距仪1获得的目标信息。
本实例采用16线激光测距仪，其俯仰视场角为30°，线阵激光仪的扫描频率为10KHz。线阵激光测距仪1的发射光学***发射激光，穿过消像旋棱镜2后照射在45°转镜3上，经45°转镜3反射之后照射到目标物，目标反射光经45°转镜3反射后穿过消像旋棱镜2被线阵激光测距仪1的接收光学***接收。
本实施例中，45°转镜3与水平面的夹角为45°，转镜表面镀有金属增反膜，如铝膜，具有反射率高、光谱范围宽等特点。45°转镜平衡结构4采用筋状结构，能在匹配45°转镜动平衡同时，减轻重量，保证结构强度。
本实施例中采用8HB8606A型电机控制***8和86BYG250D-156扫描电机，8HB8606A型电机控制***8控制86BYG250D-156扫描电机7以设定好的参数运行，扫描电机7通过同步变速装置6带动消像旋棱镜2和45°转镜3做旋转运动，使得45°转镜3的旋转速度是消像旋棱镜2旋转速度的两倍。初步设定45°镜的转速为30转/秒，消像旋棱镜2的转速为15转/秒，在此种情况下，根据消像旋棱镜2的成像性质，可以实时消除阵列探测器在45°转镜旋转扫描方式下出现的像旋现象。
本发明由线阵激光测距仪、消像旋棱镜、45°转镜、45°转镜平衡结构、角度传感器、同步变速装置、扫描电机、电机控制***、***电源和接口电路等组成，设计的旋转扫描装置利用45°转镜光机结构实现了***的周视扫描成像，在成像光路中用一组转动的施密特-别汉棱镜代替物面旋转实现转像具有结构简单、转动惯量小的优点，可以达到较高的速度和较高的旋转精度。
Claims (6)
1.基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，其特征在于，包括从上至下设置的线阵激光测距仪(1)、消像旋棱镜(2)、45°转镜(3)、45°转镜平衡结构(4)、角度传感器(5)，以及同步变速装置(6)、扫描电机(7)、电机控制***(8)，角度传感器(5)用于收集45°转镜(3)的旋转速度，电机控制***(8)驱动扫描电机(7)运行，扫描电机(7)通过同步变速装置(6)分别带动消像旋棱镜(2)和45°转镜(3)以不同的转速旋转。
2.根据权利1所述的基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，其特征在于，成像时，45°转镜(3)的旋转速度是消像旋棱镜(2)旋转速度的两倍。
3.根据权利1所述的基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，其特征在于，所述消像旋棱镜(2)采用施密特-别汉棱镜。
4.根据权利1所述的基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，其特征在于，所述45°转镜(3)与水平面的夹角为45°，转镜表面镀有金属增反膜。
5.根据权利3所述的基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，其特征在于，所述金属增反膜为铝。
6.根据权利1所述的基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像***，其特征在于，所述45°转镜平衡结构(4)为筋状结构。
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