CN110456326B - 一种扫描装置和包括其的激光雷达及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描装置，包括扫描模块、检测模块和控制模块，其中，扫描模块包括反射装置，反射装置包括用于反射光束的反射镜，检测模块能够实时检测反射镜的反射的光束的光强度，控制模块实时监测由检测模块检测到的反射镜的反射的光束的光强度，并控制反射装置的运动。本发明还提供包括所述扫描装置的激光雷达及其操作方法。根据本发明的扫描装置和包括该扫描装置的激光雷达及其操作方法能够有效保护反射装置及其相关可动构件免受损坏，保证激光雷达正常工作，延长使用寿命并且大大节约设备维护成本，并且其结构简单，容易实现，具有较高的成本效益。

Description

一种扫描装置和包括其的激光雷达及操作方法

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，特别涉及一种扫描装置和包括该扫描装置的激光雷达及操作方法。

背景技术

本部分提供了与本发明相关的背景信息，这些信息并不必然构成现有技术。

在自动驾驶技术中，环境感知***是基础且至关重要的一环，是自动驾驶汽车安全性和智能性的保障，环境感知传感器中激光雷达在可靠度、探测范围、测距精度等方面具有不可比拟的优势。激光雷达通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离。

随着自动驾驶技术的不断推进，扫描镜式激光雷达被视作固态激光雷达方案中的一条重要技术路线，由可以旋转的反射装置(振镜)来反射激光器的光线，从而实现扫描。反射装置为激光雷达的重要部件，但是在工作过程中，反射装置及其相关可动构件可能由于摆幅过大、速度过快等原因而脱落或撞击其他部件，产生损坏，而使激光雷达无法正常工作，甚至造成激光雷达的其他内部结构受到损害。

因此，需要提供能够解决本领域相关技术中存在的上述问题的改进的激光雷达及其操作方法。

发明内容

本发明的目的是解决上面提到的一个或多个技术问题。总体而言，本发明提供了一种能够调节和控制反射装置及其相关可动构件件的运动的扫描装置和包括该扫描装置的激光雷达。

第一方面本申请实施例提供了一种扫描装置，包括扫描模块、检测模块和控制模块；其中所述扫描模块包括反射装置，所述反射装置包括用于反射光束的反射镜，所述反射镜能够随着所述反射装置一起进行偏转运动；所述检测模块用于实时检测所述反射镜的反射的光束的光强度，所述控制模块用于实时监测由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度，并根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动。

可选的，所述反射的光束的光强度，通过光束打在所述检测装置上产生的电流获得。

可选的，当由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度小于等于预设值时，所述控制模块控制所述反射装置以停止运动。

可选的，所述控制模块通过调节用于驱动所述反射装置偏转运动的驱动电源来控制所述反射装置的运动。

可选的，所述扫描模块还包括至少一个限位构件，所述限位构件构造为在所述反射装置的反射的光束的光强度达到临界偏转角时开始对所述反射装置的超出所述临界偏转角的进一步偏转进行阻碍。

可选的，所述扫描模块还包括用于承载所述反射装置的承载构件，所述限位构件固定至所述承载构件或者与所述承载构件一体成型，所述限位构件的一端朝向所述反射装置延伸并且在所述反射装置的反射的光束的光强度达到临界偏转角时抵靠所述反射装置。

可选的，所述扫描模块包括两个所述限位构件，两个所述限位构件设置在所述反射装置的同一侧并且分别抵靠所述反射装置的偏转轴两侧的两个相对位置。

可选的，所述扫描模块包括一个所述限位构件，所述限位构件构造为能够分别抵靠所述反射装置的两个侧面。

可选的，所述临界偏转角为相对于所述初始位置偏转-10°至+10°。

可选的，所述限位构件为具有弹性的构件。

可选的，所述扫描模块包括从所述驱动电源电连接至所述反射装置的电源线，所述电源线构造为包括弹性螺旋部段。

第二方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，包括权利要求第一方面任一项所述的扫描装置。

第三方面，本申请实施例提供了一种激光雷达的操作方法，所述激光雷达包括如第一方面中任一项所述的扫描装置，该操作方法包括如下步骤：启动扫描模块实施扫描操作，其中反射装置进行偏转运动以对扫描光束进行反射；采用检测模块实时检测所述反射装置的反射镜的反射的光束的光强度；控制模块实时监测由所述检测模块检测到的所述反射镜的反射的光束的光强度，并根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动。

可选的，所述方法还包括如下步骤：当由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度小于等于预设值时，所述控制模块控制所述反射装置以停止运动。

可选的，所述根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动，包括：所述控制模块通过调节用于驱动所述反射装置进行偏转运动的驱动电源来控制所述反射装置的运动。

由此可见，根据本发明的扫描装置和包括该扫描装置的激光雷达及其操作方法能够有效保护反射装置及其相关可动构件免受损坏，保证激光雷达正常工作，延长使用寿命并且大大节约设备维护成本，并且其结构简单，容易实现，具有较高的成本效益。

附图说明

根据以下参照附图的详细描述，将更好地理解本发明的前述及另外的特征和特点，这些附图仅作为示例并且不一定是按比例绘制。在附图中采用相同的附图标记指示相同的部件，在附图中：

图1示出根据本发明的优选实施方式的扫描装置的立体图；

图2示出图1中的扫描装置的截面图；

图2A示了检测装置产生电流的示意图；

图3示出图1中的扫描装置的内部构件的示意性立体图，其中示出限位构件的一个优选示例；

图4示出图1中的扫描装置的内部构件的示意性立体图，其中示出限位构件的另一个优选示例；

图5示出图1中的扫描装置的基板，其中示出了用于为反射装置供电的电源线的构型。

具体实施方式

现在将结合附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本发明及其应用或用途。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

结合图1和图2所示，本发明的实施例提供一种扫描装置，包括扫描模块1和检测模块2，所述扫描模块1和所述检测模块2间隔一定的预设距离。其中，扫描模块1包括基板10，基板10包括反射装置，所述反射装置包括用于反射激光束的反射镜104和可动构件101，反射镜104包括用于反射测角光束的第一面1011；检测模块2位于基板10的一侧，具体地位于反射镜104的所述第一面1011远离基板10的一侧，其中，检测模块2包括光源21和接收组件22，光源21朝向所述第一面1011发射测角光束，所述接收组件22接收经由所述第一面1011反射的测角光束，从而检测反射镜104的反射的光束的光强度。反射镜104还具有用于反射扫描光束的第二面1012，在扫描装置实施扫描操作过程中，反射镜104需要不断改变偏转角度来对周围环境进行扫描，检测模块2对反射镜104的反射的光束的光强度进行实时检测，以便用于进行扫描结果的测算。

上述反射镜104反射的光束的光强度，可以通过光束打在所述检测装置上产生的电流获得。具体地：

检测模块中，光源21可以为激光器，接收组件22可以为位置传感器(PositionSensitive Device，PSD)。请参考图2A，其示出了检测装置的产生电流的示意图。当来自扫描装置的光斑打在位置传感器上会产生四个方向的电流信号I1、I2、I3、I4。电流信号可经过别的电路进行测量。对于PSD，利用四路信号输出的加和直流量I1+I2+I3+I4可以表征PSD接收到的激光光强(也即反射镜104反射的光束的光强度)。在扫描模块(包括振镜)正常工作的时候，上述直流量I1+I2+I3+I4的加和保持为一预设值(不考虑温度效应)。可以利用这个特征，来对于扫描模块工作状态进行实时监测。当扫描模块摆动幅度过大的时候，光斑将无法打在PSD上，则电流的加和将小于等于预设值，此时即可采取相应的措施进行保护。

基板10还包括第一扭转轴102，可动构件101通过第一扭转轴102与基板10连接，并且可动构件101能够绕第一扭转轴102进行第一偏转运动。优选地，可动构件101位于初始位置时与基板10位于同一平面内。反射镜104通过第二扭转轴105而连接至可动构件101，并且第二扭转轴105与第一扭转轴102成一角度，优选地，在本实施例中，第二扭转轴105与第一扭转轴102成直角。因此，当可动构件101绕第一扭转轴102进行第一偏转运动时，反射镜104能够随着可动构件101一起绕第一扭转轴102进行第一偏转运动，并且反射镜104还能够绕第二扭转轴105而相对于可动构件101进行第二偏转运动。由此，反射镜104可以在两个相互垂直的自由度上分别进行偏转运动。优选地，根据本发明，反射镜104绕第二扭转轴105进行的第二偏转运动的运动速率可以高于可动构件101绕第一扭转轴102进行第一偏转运动的振动频率。

在工作过程中，扫描装置可能由于摆幅过大、速度过快等原因而脱落或撞击其他部件，尤其是慢轴摆幅过大，产生损坏，而使激光雷达无法正常工作，甚至造成激光雷达的其他内部结构受到损害。为此，在本发明中，采用控制模块(图中未示出)对包括反射镜104和可动构件101的反射装置的运动进行控制和调节。特别地，所述控制模块实时监测由检测模块2检测到的反射镜104的反射的光束的光强度，当由检测模块2检测到的反射镜104反射的光束的光强度小于等于一预设值时，所述控制模块控制所述反射装置的所述第一偏转运动和所述第二偏转运动的幅度、速度等，从而保护扫描装置以及激光雷达。优选地，在本发明的示例性实施方式中，所述控制模块通过调节用于驱动所述反射装置进行所述第一和第二偏转运动的驱动电源来控制反射装置(特别地，反射镜104)的运动，例如，优选地，当由检测模块2检测到的反射镜104的反射的打在位置传感器上的光束(或者光斑)的光强度等于上述预设值时，控制模块控制所述驱动电源置零，从而使反射装置(特别地，反射镜104)停止运动。

特别地，控制模块可以采用本领域熟知的任何合适的电子控制器件、传感器件等来实施控制操作；并且检测模块2也可以采用本领域熟知的任何合适的测定装置来对反射镜104的反射的光束的光强度进行测量，其中，上述预设值可以依据设备的参数和需求等因素来设定。在一些应用场景中，上述预设值可以为零。

另一方面，在工作过程中，可动构件101也可能由于摆幅过大而撞击其他部件，产生损坏、特别是对第一扭转轴102的冲击损坏。为此，参照图3所示的根据本发明的一个优选实施方式，可以在扫描模块1中设置至少一个限位构件106来防止可动构件101摆幅过大，限位构件106构造为在可动构件101的偏转角度达到临界偏转角时开始对可动构件101的超出所述临界偏转角的进一步偏转进行阻碍。具体地，限位构件106如图所示构造为片状件，并且连接有支撑件108，该支撑件108的一端优选地通过焊接、粘合、螺钉连接等任何合适的方式与基板10固定在一起，并且该支撑件108优选地具有如图所示的柱状形状，且另一端部具有凸部T，为了将支撑件108固定至其他构件，可以在其他构件上设置能够与凸部T形成卡合配合、过盈配合的凹槽，通过将支撑件108固定至其他构件，使得支撑件108能够为限位构件106提供稳定的支撑。此外，限位构件106及其支撑件108也可以是所述其他构件的一体部分，而不局限与上述构型。

另外，如图中所示，支撑件108能够将限位构件106支撑为使得限位构件106与基板10所在的平面(即，可动构件101在初始未偏转的状态时所处的平面)相距一定距离，从而使得：在可动构件101相对于基板10偏转临界偏转角以内的偏转角时，限位构件106不与可动构件101接触；当可动构件101相对于基板10偏转的角度达到或超过所述临界偏转角时，限位构件106与可动构件101抵靠并阻碍可动构件101进一步偏转超出所述临界偏转角，由此，防止限位构件106摆幅过大。根据本发明的优选实施例，可动构件101的所述临界偏转角为相对于基板10偏转-10°至+10°以内的角度范围。

其中，限位构件106可以优选地是具有一定弹性的构件，从而能够在抵靠可动构件101时提供一定的缓冲，防止刚性接触对可动构件101的损坏，例如，限位构件106可以采用铍铜材料，兼顾弹性与强度，也可以是其他的具有一定弹性的材料，这可以根据实际应用条件和需求进行选择，而不做限制。此外，限位构件106也可以是刚性材料，只要能够实现对可动构件101的运动进行限制的目的即可。

并且，上述用于固定限位构件106的支撑件108的其他构件可以是用于承载可动构件101的承载构件或其他电路板构件等任何合适的构件，需要指出的是所述承载构件可以是基板10或其他壳体构件等。通过适当调整限位构件106和支撑件108的形状和尺寸，可以适应于装置本身的结构而固定至任何合适的构件以实现技术目的，本申请不作特别限制。另外，尽管上述优选实施方式中教导了支撑件108，但是也可以省略支撑件108，而仅采用例如大体上呈片状的限位构件，该限位构件可以固定至基板10或作为基板10的一体部分而朝向可动构件101延伸成使得限位构件能够对可动构件101的偏转运动进行限制，并且这种限位构件可以构造成在可动构件101的两个侧面延伸并且能够限制可动构件101的两个方向的偏转运动，由此仅设置一个这种限位构件即可。同样地，这种双向限位构件的构型特征可以应用于上述及其他实施方式中。

如图3所示，根据本发明的优选实施例，可以设置两个限位构件106，两个限位构件106设置在可动构件101的同一侧(优选地设置在设置有检测模块2的一侧，也可以设置在相反的另一侧)并且分别抵靠可动构件101的位于第一扭转轴102两侧的两个相对位置。

尽管在上述示例性实施方式中，限位构件106呈片状件，但是，本发明不限于此，例如，参照图4所示的根据本发明的另一个优选实施方式，其中，限位构件106构造为“Z”字形构件，其一端用于抵靠可动构件101，另一端用于固定至其他构件，如图所示，在限位构件106的所述另一端包括螺钉孔，因此可以通过例如螺钉连接而固定至其他构件，当然其固定方式可以采用诸如上述的焊接、粘合等任何其他可能的固定方式，甚至限位构件106也可以作为其他构件的一体部分。这种“Z”字形的限位构件106则无需额外的支撑件，其本身即具有支撑作用。

除此之外，在根据本发明的另一个未图示的优选实施方式中，限位构件106也可以例如是螺旋弹簧、具有弹性的柱状件、球状件等等任何其他能够为可动构件101提供抵靠和限位作用的构件，而不局限于上述示例性实施方式中公开的构型。通过对比实验可知，通过设置限位构件，能够延长可动构件101(特别是第一扭转轴102)的寿命达3倍以上。

另一方面，图5示出图1中的扫描装置的基板，其中示出了用于为扫描装置供电的电源线S的构型。由于扫描装置处于不断运动中，用于为其供电的电源线S容易因疲劳断裂而失效，并且电源线S预留出的余量长度也不易收纳，容易影响反射镜104和可动构件101的运动。为此，在本发明中，将电源线S构造为包括弹性螺旋部段S1的绕线，优选地，电源线S的围绕第一扭转轴102的两个端部出均包括弹性螺旋部段S1，由此即能够延长电源线S的寿命，也便于收纳电源线S预留出的余量长度。

此外，本发明还提供一种激光雷达，其包括如上所述的扫描装置。

另外，本发明还提供一种激光雷达的操作方法，所述激光雷达包括如上所述的根据本发明的扫描装置，所述操作方法包括如下步骤：

启动扫描模块实施扫描操作，其中反射装置进行偏转运动以对扫描光束进行反射；

采用检测模块实时检测所述反射装置的反射镜反射的光束的光强度；以及

控制模块实时监测由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度，并控制所述反射装置的运动。

并且，优选地，当由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度小于等于一预设值时，所述控制模块控制所述反射装置以停止运动。

并且，优选地，所述控制模块通过调节用于驱动所述反射装置进行偏转运动的驱动电源来控制所述反射装置的运动。

通过这种操作方法，能够有效避免反射装置摆幅过大而损坏。

显而易见的是，通过将不同的实施方式及各个技术特征以不同的方式进行组合或者对其进行改型，可以进一步设计得出各种不同的实施方式。

上文结合具体实施方式描述了根据本发明的优选实施方式的扫描装置和包括其的激光雷达及操作方法。可以理解，以上描述仅为示例性的而非限制性的，在不背离本发明的范围的情况下，本领域技术人员参照上述描述可以想到多种变型和修改。这些变型和修改同样包含在本发明的保护范围内。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种扫描装置，其特征在于，包括扫描模块、检测模块和控制模块；其中

所述扫描模块包括反射装置，所述反射装置包括用于反射光束的反射镜，所述反射镜能够随着所述反射装置一起进行偏转运动；

所述检测模块用于实时检测所述反射镜的反射的光束的光强度，

所述控制模块用于实时监测由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度，并根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动，其中所述根据反射的光束的强度控制所述反射装置的运动，包括：当由检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度小于预设值时，所述控制模块控制所述反射装置以停止运动。

2.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述反射的光束的光强度，通过光束打在所述检测装置上产生的电流获得。

3.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述控制模块通过调节用于驱动所述反射装置偏转运动的驱动电源来控制所述反射装置的运动。

4.根据权利要求1-3任一所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描模块还包括至少一个限位构件，所述限位构件构造为在所述反射装置的偏转角度达到临界偏转角时开始对所述反射装置的超出所述临界偏转角的进一步偏转进行阻碍。

5.根据权利要求4所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描模块还包括用于承载所述反射装置的承载构件，所述限位构件固定至所述承载构件或者与所述承载构件一体成型，所述限位构件的一端朝向所述反射装置延伸并且在所述反射装置的偏转角达到临界偏转角时抵靠所述反射装置。

6.根据权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描模块包括两个所述限位构件，两个所述限位构件设置在所述反射装置的同一侧并且分别抵靠所述反射装置的偏转轴两侧的两个相对位置。

7.根据权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描模块包括一个所述限位构件，所述限位构件构造为能够分别抵靠所述反射装置的两个侧面。

8.根据权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述临界偏转角为相对于所述反射装置的初始位置偏转-10°至+10°。

9.根据权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述限位构件为具有弹性的构件。

10.根据权利要求3所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描模块包括从所述驱动电源电连接至所述反射装置的电源线，所述电源线构造为包括弹性螺旋部段。

11.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-10中任一项所述的扫描装置。

12.一种激光雷达的操作方法，所述激光雷达包括权利要求1-10中任一项所述的扫描装置，其特征在于，所述操作方法包括如下步骤：

启动扫描模块实施扫描操作，其中反射装置进行偏转运动以对扫描光束进行反射；

采用检测模块实时检测所述反射装置的反射镜的反射的光束的光强度；

控制模块实时监测由所述检测模块检测到的所述反射镜的反射的光束的光强度，并根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动，其中

所述根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动，包括：当由所述检测模块检测到的所述反射镜反射的光束的光强度小于等于预设值时，所述控制模块控制所述反射装置以停止运动。

13.根据权利要求12所述的操作方法，其特征在于，所述根据所述反射的光束的光强度控制所述反射装置的运动，包括：所述控制模块通过调节用于驱动所述反射装置进行偏转运动的驱动电源来控制所述反射装置的运动。

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