CN109655812B - 基于mems微振镜的固态激光雷达装调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，包括：安装激光发射二极管和激光准直镜，将激光发射二极管和激光准直镜的光轴调整至与平行光管的光轴相平行；以平行光管的位置和光轴为基准，利用五棱镜将经安装的平面反射镜反射出的激光偏转至平行光管的十字分划板正中心；安装MEMS微振镜和相机，使得MEMS微振镜在相机中清晰成像；利用图像质心检测算法和相机检测并计算MEMS微振镜的镜面质心和镜面上光斑质心的坐标；微调MEMS微振镜直至两者的质心坐标重合。通过本发明的技术方案，有效提升了激光和微振镜的实时位置检测精度，大幅度提升了激光和MEMS微振镜的同轴度，同时提高了固态激光雷达装调效率。

Description

基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法。
背景技术
激光雷达的工作原理如图1所示，利用控制***首先设置扫描***扫描参数同时激光发射器发射激光，当激光到达目标上时反射回来，由激光接收***接收信号并计算出目标距离；在激光测距***测距时，激光扫描***进行扫描，使激光发射器的发射角度不停改变，最终遍历整个视场完成扫描工作；在激光扫描过程中，扫描***把采集到的数据传输到上位机上，上位机完成数据的三维可视化湿示和存储，用于后续数据处理。目前最新用于无人驾驶领域的激光雷达为满足安全驾驶需要对探测精度要求极高，而主要影响激光雷达精度的是算法精度和扫描***的装调精度。
激光雷达最初采用的是机械旋转式结构，即通过旋转激光束来进行水平360度的扫描。而作为汽车部件，低成本、小体积且能嵌入车身，固态激光雷达是解决高昂成本和极端环境适应的方案。因此未来固态激光雷达是应用趋势，既可降成本又符合车载需求。目前未能得到广泛应用的主要障碍是其低下的产能以及随之带来的高昂的价格。激光雷达的光学元件的精度极高，对出厂调试有很高要求，低效率的调试装配是主要的产能释放和成本降低瓶颈。
目前针对车载自动驾驶级的激光雷达光学***装调方法较少，而基于MEMS微振镜的固态激光雷达光轴同轴度装调方法还未曾报道，MEMS微振镜扫描角度受驱动电压函数控制，当驱动电压不断变化时MEMS微振镜扫描角度也相应变化，发射激光束经振镜反射后出射进行目标扫描。而MEMS微振镜和激光束的同轴度决定了激光扫描目标空间位置的准确性。
发明内容
针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，针对发射和扫描光学***，利用平行光管、五棱镜和相机等简单的测量设备可快速便捷装调激光雷达发射***的各个光学元件，利用相机对激光位置和微振镜位置进行实时检测，通过基于相机的图像质心检测算法处理，可实时高效调整激光和MEMS微振镜的同轴度，有效提升了激光和微振镜的实时位置检测精度，大幅度提升了激光和MEMS微振镜的同轴度，同时提高了固态激光雷达装调效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，包括：步骤S1：安装激光发射二极管和激光准直镜，并利用平行光管法将所述激光发射二极管和所述激光准直镜的光轴调整至与平行光管的光轴相平行；步骤S2：以所述平行光管的位置和光轴为基准，利用五棱镜将经安装的平面反射镜反射出的激光偏转至所述平行光管的十字分划板正中心；步骤S3：将所述五棱镜撤下后安装MEMS微振镜和相机，使得所述MEMS微振镜在所述相机中清晰成像；步骤S4：利用图像质心检测算法和所述相机检测并计算所述MEMS微振镜的镜面质心和镜面上光斑质心的坐标；步骤S5：判断所述MEMS微振镜的镜面质心坐标和所述镜面上光斑质心的坐标是否重合，若重合，则完成对所述MEMS微振镜的装调，若不重合，则微调所述MEMS微振镜直至两者的质心坐标重合。
在上述技术方案中，优选地，步骤S1中，所述利用平行光管法将所述激光发射二极管和所述激光准直镜的光轴调整至与平行光管的光轴相平行具体包括：微调所述激光准直镜，使得所述激光发射二极管经过所述激光准直镜后的激光在通过所述平行光管后的光斑位于所述平行光管的十字分划板的正中心，则所述激光发射二极管与所述激光准直镜的光轴与所述平行光管的光轴平行。
在上述技术方案中，优选地，步骤S2中，所述利用五棱镜将经安装的平面反射镜反射出的激光偏转至所述平行光管的十字分划板正中心具体包括：按照激光雷达的工装设计将所述平面反射镜固定于安装座上；将所述五棱镜放置于激光经过所述平面反射镜反射后的光路中；调节所述五棱镜使得经过所述五棱镜偏转后的激光入射至所述平行光管中；微调所述平面反射镜使得激光经过所述平行光管的十字分划板的正中心。
在上述技术方案中，优选地，步骤S3中，所述将所述五棱镜撤下后安装MEMS微振镜和相机使得所述MEMS微振镜在所述相机中清晰成像具体包括：按照激光雷达的工装设计将所述MEMS微振镜固定于安装座上；调整所述相机的位置使得所述MEMS微振镜能够在所述相机中成像；调整所述相机的焦距使得激光在所述MEMS微振镜的镜面上形成的光斑在所述相机中成像清晰。
在上述技术方案中，优选地，步骤S4中，所述利用图像质心检测算法和所述相机检测并计算所述MEMS微振镜的镜面质心和镜面上光斑质心的坐标具体包括：将所述相机与工控机相连接，所述工控机采集所述相机中激光在所述MEMS微振镜的镜面上形成光斑的图像；所述工控机利用图像质心检测算法检测计算所述MEMS微振镜的镜面的质心坐标和激光在所述MEMS微振镜上形成的光斑的质心坐标。
在上述技术方案中，优选地，所述图像质心检测算法程序基于OPENCV库开发，包括相机视频采集、图像提取、滤波、轮廓提取、质心检测步骤。
在上述技术方案中，优选地，所述相机为高精度科研相机。
在上述技术方案中，优选地，在步骤S5中将所述MEMS微振镜的镜面质心坐标和所述镜面上光斑质心的坐标调整至重合后，将所述相机和所述工控机撤去，即完成固态激光雷达的装调。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：针对发射和扫描光学***，利用平行光管、五棱镜和相机等简单的测量设备可快速便捷装调激光雷达发射***的各个光学元件，利用相机对激光位置和微振镜位置进行实时检测，通过基于相机的图像质心检测算法处理，可实时高效调整激光和MEMS微振镜的同轴度，有效提升了激光和微振镜的实时位置检测精度，大幅度提升了激光和MEMS微振镜的同轴度，同时提高了固态激光雷达装调效率。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于MEMS微振镜的固态激光雷达的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法的流程示意图；
图3为本发明一种实施例公开的激光发射二极管和激光准直镜的装调结构示意图；
图4为本发明一种实施例公开的平面反射镜的装调结构示意图；
图5为本发明一种实施例公开的MEMS微振镜的装调结构示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1.激光发射二极管，2.激光准直镜，3.平面反射镜，4.MEMS微振镜，5.相机，6.工控机，7.平行光管，8.五棱镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图2至图5所示，根据本发明提供的一种基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，包括：步骤S1：安装激光发射二极管1和激光准直镜2，并利用平行光管法将激光发射二极管1和激光准直镜2的光轴调整至与平行光管7的光轴相平行；步骤S2：以平行光管7的位置和光轴为基准，利用五棱镜8将经安装的平面反射镜3反射出的激光偏转至平行光管7的十字分划板正中心；步骤S3：将五棱镜8撤下后安装MEMS微振镜4和相机5，使得MEMS微振镜4在相机5中清晰成像；步骤S4：利用图像质心检测算法和相机5检测并计算MEMS微振镜4的镜面质心和镜面上光斑质心的坐标；步骤S5：判断MEMS微振镜4的镜面质心坐标和镜面上光斑质心的坐标是否重合，若重合，则完成对MEMS微振镜4的装调，若不重合，则微调MEMS微振镜4直至两者的质心坐标重合。
在该实施例中，具体的，基于MEMS微振镜4的固态激光雷达装调方法按照依次装调的方法，首先针对激光发射***和激光准直光学***进行装调，再对平面反射镜3和MEMS微振镜4进行装调，其中，利用平行光管7、五棱镜8和相机5作为辅助设备对固态激光雷达的各个光学元件进行装调。
在上述实施例中，优选地，先装调激光发射二极管1和激光准直镜2，按照激光雷达工装设计，将激光发射二极管1固定在安装座上，同理将激光准直镜2安装在安装座上。利用平行光管法对激光准直镜2进行装调，微调激光准直镜2，使得激光发射二极管1经过激光准直镜2后的激光在通过平行光管7后的光斑位于平行光管7的十字分划板的正中心，则激光发射二极管1与激光准直镜2的光轴与平行光管7的光轴平行，激光雷达发射准直光学***的装调完成。
在上述实施例中，优选地，以平行光管7的光轴为基准，保持平行光管7的位置不变，对平面反射镜3进行装调，按照激光雷达工装设计，将平面反射镜3固定在安装座上。将五棱镜8放置于激光经过平面反射镜3反射后的光路中；调节五棱镜8使经五棱镜8对光束角度进行偏转后的激光可入射到平行光管7中；微调平面反射镜3使得激光经过平行光管7的十字分划板的正中心，则平面反射镜3的装调完成。
在上述实施例中，优选地，撤去五棱镜8后，按照激光雷达工装设计，将MEMS微振镜4固定在安装座上，安装高清相机5和工控机6，连接高清相机5和工控机6，使之能够正常工作。调整相机5的位置使得MEMS微振镜4能够在相机5中成像；调整相机5的焦距使得激光在MEMS微振镜4的镜面上形成的光斑在相机5中成像清晰。
在上述实施例中，优选地，将相机5与工控机6相连接，使激光发射二极管1出光，工控机6采集相机5中激光在MEMS微振镜4的镜面上形成光斑的图像；工控机6利用基于相机5的激光发射二极管1程序检测MEMS微振镜4镜面和激光打在MEMS微振镜4上的光斑，并利用图像质心检测算法计算MEMS微振镜4的镜面的质心坐标和激光在MEMS微振镜4上形成的光斑的质心坐标。
在上述实施例中，优选地，图像质心检测算法程序基于OpenCV库开发，包括相机视频采集、图像提取、滤波、轮廓提取、质心检测步骤。
在上述实施例中，优选地，相机5为高精度科研相机。
在上述实施例中，优选地，在步骤S5中将MEMS微振镜4的镜面质心坐标和镜面上光斑质心的坐标调整至重合后，将相机5和工控机6撤去，即完成固态激光雷达的装调。
以上所述为本发明的实施方式，根据本发明提出的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，针对发射和扫描光学***，利用平行光管、五棱镜和相机等简单的测量设备可快速便捷装调激光雷达发射***的各个光学元件，利用相机对激光位置和微振镜位置进行实时检测，通过基于相机的图像质心检测算法处理，可实时高效调整激光和MEMS微振镜的同轴度，有效提升了激光和微振镜的实时位置检测精度，大幅度提升了激光和MEMS微振镜的同轴度，同时提高了固态激光雷达装调效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，包括：
步骤S1：安装激光发射二极管和激光准直镜，并利用平行光管法将所述激光发射二极管和所述激光准直镜的光轴调整至与平行光管的光轴相平行；
步骤S2：以所述平行光管的位置和光轴为基准，利用五棱镜将经安装的平面反射镜反射出的激光偏转至所述平行光管的十字分划板正中心；
步骤S3：将所述五棱镜撤下后安装MEMS微振镜和相机，使得所述MEMS微振镜在所述相机中清晰成像；
步骤S4：利用图像质心检测算法和所述相机检测并计算所述MEMS微振镜的镜面质心和镜面上光斑质心的坐标；
步骤S5：判断所述MEMS微振镜的镜面质心坐标和所述镜面上光斑质心的坐标是否重合，若重合，则完成对所述MEMS微振镜的装调，若不重合，则微调所述MEMS微振镜直至两者的质心坐标重合。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，步骤S1中，所述利用平行光管法将所述激光发射二极管和所述激光准直镜的光轴调整至与平行光管的光轴相平行具体包括：
微调所述激光准直镜，使得所述激光发射二极管经过所述激光准直镜后的激光在通过所述平行光管后的光斑位于所述平行光管的十字分划板的正中心，则所述激光发射二极管与所述激光准直镜的光轴与所述平行光管的光轴平行。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，步骤S2中，所述利用五棱镜将经安装的平面反射镜反射出的激光偏转至所述平行光管的十字分划板正中心具体包括：
按照激光雷达的工装设计将所述平面反射镜固定于安装座上；
将所述五棱镜放置于激光经过所述平面反射镜反射后的光路中；
调节所述五棱镜使得经过所述五棱镜偏转后的激光入射至所述平行光管中；
微调所述平面反射镜使得激光经过所述平行光管的十字分划板的正中心。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，步骤S3中，所述将所述五棱镜撤下后安装MEMS微振镜和相机使得所述MEMS微振镜在所述相机中清晰成像具体包括：
按照激光雷达的工装设计将所述MEMS微振镜固定于安装座上；
调整所述相机的位置使得所述MEMS微振镜能够在所述相机中成像；
调整所述相机的焦距使得激光在所述MEMS微振镜的镜面上形成的光斑在所述相机中成像清晰。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，步骤S4中，所述利用图像质心检测算法和所述相机检测并计算所述MEMS微振镜的镜面质心和镜面上光斑质心的坐标具体包括：
将所述相机与工控机相连接，所述工控机采集所述相机中激光在所述MEMS微振镜的镜面上形成光斑的图像；
所述工控机利用图像质心检测算法检测计算所述MEMS微振镜的镜面的质心坐标和激光在所述MEMS微振镜上形成的光斑的质心坐标。
6.根据权利要求1或5所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，所述图像质心检测算法程序基于OPENCV库开发，包括相机视频采集、图像提取、滤波、轮廓提取、质心检测步骤。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，所述相机为高精度科研相机。
8.根据权利要求5所述的基于MEMS微振镜的固态激光雷达装调方法，其特征在于，在步骤S5中将所述MEMS微振镜的镜面质心坐标和所述镜面上光斑质心的坐标调整至重合后，将所述相机和所述工控机撤去，即完成固态激光雷达的装调。
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