CN210626659U - 激光雷达和车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光雷达，其包括：激光发射模块，其配置为产生出射光；激光扫描模块，用于改变来自激光发射模块的出射光的空间取向并将出射光朝向周围环境引导，激光扫描模块包括：第一扫描子模块，其沿第一方向改变来自激光发射模块的出射光的空间取向；第二扫描子模块，其沿第二方向改变来自激光发射模块的出射光的空间取向，其中，第一扫描子模块包括振镜和第一驱动器，第一驱动器驱动振镜的一部分绕第一轴线振动，第二扫描子模块包括第二驱动器，第二驱动器带动第一扫描子模块围绕第二轴线旋转。本实用新型还提供了一种车辆，其包括如前所述的激光雷达，车辆能够基于来自激光雷达的环境数据进行至少半自主操作。

Description

激光雷达和车辆

技术领域

本实用新型涉及一种激光雷达和车辆，其特别地应用于至少以半自主模式操作的机动车辆中，用于获知周围环境中的一个或多个对象的方位和距离信息。

背景技术

机动车辆可以被配置为以自主模式或半自主模式操作，其中，车辆在具有很少或没有驾驶员介入的情况下导航通过环境。所述机动车辆可包括配置为检测关于车辆周围的环境的信息的一个或多个传感器，例如激光雷达。

激光雷达可通过快速且重复地发射激光光束来扫描周围环境，以获取反映周围环境中的一个或多个对象的形貌、位置和运动的“点云”数据。具体地，一个或多个对象的反射表面的距离通过如下方式来确定：激光雷达向周围环境发射激光光束并接收由周围环境中的对象的反射表面所反射的反射光，通过计算激光光束的发射时间点和反射光的返回时间点之间的时间延迟来确定周围环境中的反射表面的距离信息。同时，激光雷达可确定描述激光光束的空间取向的角度信息。将反射表面的距离信息和激光光束的角度信息相结合，可生成包括所扫描的周围环境的点云数据的三维地图。

现有技术提供了多种结构的激光雷达。例如，多线激光雷达采用竖直方向上排布的多个激光器，利用旋转结构旋转多个激光器。多线激光雷达由于结构笨重、成本高昂、耐久性欠佳等问题，其性能难以满足日益增长的需求。另一种固态激光雷达通过采用数量较少的激光器和扫描结构相结合实现激光束在视场空间的扫描，在成本和可调节视场角等方面提供了诸多优势。

现有的固态激光雷达多采用MEMS二维振镜扫描激光。MEMS二维振镜同时围绕第一扫描轴线和第二扫描轴线振动，以将出射光在第一方向和第二方向上进行扫描。但由于MEMS二维振镜的第一扫描轴线和第二扫描轴线均位于振镜结构的平面内，经由二维振镜扫描所产生的点云存在明显的畸变现象。参见图1，点云在第一方向上呈现出从下往上逐渐收窄的形状。实践中，这种点云畸变会导致各种问题。例如，在运用多个固态激光雷达进行视场拼接时，需要对不同激光雷达的点云进行拼接处理，为了覆盖完整的视场，不同的点云之间不得不设置较大的重叠区域(例如沿第一方向的下部)。一方面，点云数据的利用效率被降低，另一方面，还伴随有在点云的重叠区域激光能量密度超出人眼安全范围的风险。

因此，实践中期望提供一种兼顾低成本、小体积、高性能的全新结构的激光雷达。

发明内容

本实用新型旨在至少提供一种兼顾低成本、小体积、高性能的激光雷达。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种激光雷达，其包括：激光发射模块，其配置为产生出射光；激光扫描模块，用于改变来自激光发射模块的出射光的空间取向并将所述出射光朝向周围环境引导，所述激光扫描模块包括：第一扫描子模块，其沿第一方向改变来自激光发射模块的出射光的空间取向；第二扫描子模块，其沿第二方向改变来自激光发射模块的出射光的空间取向，其中，所述第一扫描子模块包括振镜和第一驱动器，所述第一驱动器驱动所述振镜的一部分绕第一轴线振动，所述第二扫描子模块包括第二驱动器，所述第二驱动器带动所述第一扫描子模块围绕第二轴线旋转。

根据本实用新型的激光雷达提供了分离的第一扫描子模块和第二扫描子模块。与现有技术中二维振镜的结构相比，第一扫描子模块的第一轴线和第二扫描子模块的第二轴线不设置在同一平面内，有效避免了二维振镜所产生的的点云畸变。

进一步，所述第二轴线平行于所述出射光入射至所述激光扫描模块的方向延伸。由于这样的设置，根据本实用新型的激光雷达所产生的点云图像能够避免显著的变形，在形态上更接近于多线式激光雷达的点云图像，点云质量得以提高。

进一步，所述第二扫描子模块包括支架，所述第一扫描子模块安装至所述支架，所述支架联接至所述第二驱动器，所述第二驱动器经由所述支架带动所述第一扫描子模块围绕第二轴线旋转。

进一步，所述第一扫描子模块包括振镜和第一驱动器，所述第一驱动器驱动所述振镜的一部分绕第一轴线振动。

进一步，所述激光雷达包括激光接收模块，其被配置为接收并检测对应于出射光的、由周围环境中一个或多个对象反射的反射光。

优选地，所述激光雷达包括安装结构，所述激光发射模块固定至所述安装结构，所述激光扫描模块部分可旋转地安装至所述安装结构，所述第二驱动器带动所述第一扫描子模块相对于所述激光发射模块旋转。

优选地，所述激光接收模块固定至所述安装结构，所述第二驱动器带动所述第一扫描子模块相对于所述激光接收模块旋转。

由此，第二驱动器仅需要带动较少的部件旋转，从而可以选用功率较小的驱动器，从而降低能耗，且实现激光雷达的小型化、轻量化。并且，由于激光发射模块和激光接收模块作为激光雷达中的静止部分，激光发射模块、激光接收模块与安装结构之间的连接更加稳定，有助于提高激光雷达的寿命和激光光路的稳定性。

进一步，所述振镜包括磁体，所述第一驱动器为电磁铁，所述磁体在电磁铁的磁性作用下驱动振镜围绕第一轴线转动。

优选地，所述第二驱动器为步进电机，所述步进电机的输出轴联接至所述支架。通过控制驱动电流，可以精确地调控步进电机的转速和转向。

根据本实用新型的第二方面，本实用新型提供了一种车辆，其包括如前所述的激光雷达；执行部；处理器，其配置为：接收来自所述激光雷达的环境数据；基于所述环境数据确定目标信息，其中，所述目标信息指示以下中的至少一个：对象的类型、尺寸、形状、位置、或运动；基于所述目标信息控制车辆启停、转向、变速或发出信号。

附图说明

通过阅读以下详细描述并适当参考附图，其他方面、实施例和实现方案对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1示出了由根据现有技术的二维振镜所产生的点云图像；

图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的激光雷达的结构示意图；

图3以透视图的形式示出了根据本实用新型的激光雷达的激光扫描模块；

图4以透视图的形式(从后侧观察)示出了根据本实用新型的激光雷达的第一扫描子模块；

图5示出了由根据本实用新型的激光雷达所产生的点云图像；以及

图6示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的激光雷达的整体结构示意图。

具体实施方式

在根据本实用新型的各种示例性结构的以下描述中，参考了附图，附图形成了本实用新型的一部分，并且其中通过图示的方式示出了其中可以实践本实用新型的各方面的各种示例性装置、***和环境。应当理解，在不脱离本实用新型的范围的情况下可以利用部件、示例性装置、***和环境的其他特定布置，并且可以进行结构和功能修改。

图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的激光雷达的结构示意图。为了更清楚性展示根据本实用新型的光路结构，激光雷达的壳体、光学器件支架等零部件被隐去。

激光雷达包括激光发射模块1、激光接收模块2和激光扫描模块3。激光发射模块1连续发出脉冲形式的出射光L1，所述出射光L1经由激光扫描模块3进入机动车辆的周围环境。出射光L1投射至周围环境中的对象的反射表面处，并产生反射光L2。反射光L2经由激光扫描模块3回到激光雷达内部，并由激光接收模块2接收并检测。通过测算发出激光脉冲与接收到反射光L2脉冲之间的时间差△t，即可获得反射表面的距离d＝C△t/2(C为光速)。

激光雷达还包括主电路板P0，激光雷达包括主电路板P0，主电路板P0上可承载处理器、存储器、I/O接口等电学部件。激光发射模块1电连接至发射模块电路板P1，发射模块电路板P1上承载的电路适于驱动激光发射模块1。激光接收模块22电连接至接收模块电路板P2，接收模块电路板P2上承载的电路适于接收和传输来自激光接收模块22的输出信号。发射模块电路板P1和接收模块电路板P2二者彼此平行设置，并在同一侧垂直地端接至主电路板P0。由此，处理器可以控制激光发射模块1脉冲发光，并且处理来自激光接收模块22的输出信号，产生并输出表征周围环境的点云数据。

为方便描述，本文参考电路板P0的位置定义坐标系，包括彼此垂直的纵向方向V、前后方向F和横向方向T。电路板P0在纵向方向V和横向方向T限定的平面中布置，发射模块电路板P1、接收模块电路板P2沿前后方向F向前延伸。

激光发射模块1包括激光发生器11，其沿着发射路径产生出射光L1。以特定频率(例如，125kHz)连续发出脉冲形式的激光。所述出射光L1具有大约905nm的波长。激光发射模块1还包括第一反射器件12和发射透镜13。沿发射路径在前后方向F上向前传输的出射光L1在第一反射器件12处被反射而发生偏转，并在纵向方向V上向上穿过发射透镜13。发射透镜13可具有光学倍率，用于准直由激光发生器11产生的出射光L1，以减小所述出射光L1的发散度。

激光雷达还可包括透射反射器件4，其例如沿着出射光L1的发射路径设置激光发射模块1和激光扫描模块3之间。透射反射器件4可包括透射区域41和反射区域42。经发射透镜13准直的出射光L1经由发射路径穿过透射区域41而到达激光扫描模块3。

激光扫描模块3可在一个或多个方向上改变出射光L1的空间取向，将点状出射光L1 转变为在二维平面上分布的面状投射光，从而可以在更大空间范围内实现对周围环境的探测。出射光L1在周围环境的一个或多个对象的反射表面处发生漫反射而形成反射光L2。反射光L2部分地沿着接收路径返回激光扫描模块3，激光扫描模块3可改变来自所述反射光L2的空间取向并将反射光L2沿接收路径朝向透射反射器件4引导。反射光L2可在透射反射器件4的反射区域42中再次被反射，进而继续沿着接收路径到达激光接收模块2。

激光接收模块2可包括激光检测器21，用于接收并检测由周围环境的一个或多个物体反射的沿着接收路径传输的反射光L2。激光检测器21例如为面阵式的雪崩光电二极管(APD)。激光接收模块2还可包括接收透镜23和第二反射器件22。由于出射光L1在一个或多个物体的反射表面处发生漫反射，沿着接收路径传输的反射光L2可具有较大的发散度。接收透镜23可具有光学倍率，用于聚焦反射光L2，提高反射光L2接收比。沿接收路径在前后方向F上向后传输的反射光L2在第二反射器件22处被反射而发生偏转，并在纵向方向V上向上传输而到达激光检测器21。

以下参照图3详细说明根据本实用新型的激光雷达的激光扫描模块3。激光扫描模块3 包括第一扫描子模块31和第二扫描子模块32。第一扫描子模块31沿第一方向(例如竖直方向)改变出射光L1的空间取向，第二扫描子模块32沿第二方向(例如水平方向)改变来自激光发射模块1的出射光L1的空间取向。

第一扫描子模块31可包括具有反射表面的振镜311，其由金属(例如钛合金)的板材加工而成。如图3所示，振镜311包括振动部311a、连接部311b和框架部311c。振动部 311a为圆形，其在一条直径的两端处经由连接部311b连接至框架部311c。所述直径的方向限定第一轴线(或称振动轴线X)。连接部311b可包括沿所述直径方向延伸的主梁和在主梁和框架部311c之间弯折地延伸的副梁。在连接部311b的支撑下，振动部311a可以围绕振动轴线X相对于框架部311c在一定角度范围内往复转动(或称“振动”)。由于弯折的副梁的存在，连接部311b的整体长度得以展长，从而显著降低了在主梁以及主梁和副梁的相交点处的应力集中，有助于改善振镜311的疲劳性能，延长使用寿命。

第一扫描子模块31还可包括第一驱动器312，振镜311的振动部311a可以在第一驱动器312的驱动下围绕振动轴线X振动，由此可以在纵向方向V上在一定角度范围内扫描出射光L1，扫描角度例如在10～40°范围内，优选为20°。第一驱动器312可以是电磁铁，同时在振动部311a的背部(反射表面的相反侧)上设置磁体311d(图4)。当在电磁铁通入交变的电流时，其产生方向交变的磁场，磁体311d将受到交变的吸引力或排斥力，从而驱动振动部311a围绕振动轴线X振动。通过设置电磁铁中的电流的幅度和频率，可以实现振动部311a恰好在其共振频率(例如600Hz)下振动，从而以较小的能耗实现振动。

图4示出了第一扫描子模块31的后侧透视图。两个圆柱形的磁体311d对称地设置在振动部311a的背部，磁体311d的质量、距离振动部311a的圆心的距离均可以调节，以便实现振动部311a的共振。两个电磁铁相对设置，用于产生对称的磁场。为了引起稳定的振动，两个磁体311d在同一时刻经受方向相反、大小相同的磁力。为此，可以设置两个磁体 311d的磁性相反，两个电磁铁的磁性相同；或者，可以设置两个磁体311d的磁性相同，两个电磁的磁性相反。

返回参考图3，第二扫描子模块32可包括振镜支架322，第一扫描子模块31的第一驱动器312和振镜311安装至所述振镜支架322。第二扫描子模块32还包括第二驱动器321，所述第二驱动器321经由振镜支架322带动第一扫描子模块31围绕第二轴线(或称旋转轴线Y)旋转。第二驱动器321可以是步进电机，通过控制驱动电流，可以精确地调控步进电机的转速和转向。步进电机被控制输出在一定角度范围内的往复转动。步进电机的输出轴联接至振镜支架322的上端，从而驱动振镜支架322及安装在所述振镜支架322上的振镜311和电磁铁等部件一起转动。作为结果，振镜311的振动部311a可以在第二驱动器 321的驱动下围绕转动轴线Y转动，由此可以在水平方向上在一定角度范围内扫描投射光，扫描角度例如在10～360°的范围内、优选为20～180°、更优选为40～90°，更优选为48°。

因此，振镜311的振动部311a在围绕振动轴线X振动的同时，围绕转动轴线Y转动。转动轴线Y与入射光L1入射至振镜311的方向平行。振动轴线X和转动轴线Y在振动部 311a的圆心处垂直相交，如图3所示。在使用中，可以设置振动轴线X沿平行于地面的水平方向延伸，故，振镜311的振动运动在竖直方向上扫描激光；同时，可以设置转动轴线 Y沿垂直于地面的竖直方向延伸，振镜311的转动运动在水平方向上扫描激光，由此获得二维的扫描光。

参考图5，示出了根据本实用新型的激光雷达所产生的点云图像。根据本实用新型的激光雷达提供了分离的第一扫描子模块31和第二扫描子模块32。通过第一驱动器312驱动振镜311的振动部311a沿振动轴线X振动，第一扫描子模块31沿第一方向改变来自激光发射模块1的出射光L1的空间取向。通过第二驱动器321驱动振镜311的振动部311a沿转动轴线Y转动，第二扫描子模块32沿第二方向改变来自激光发射模块1的出射光L1的空间取向。由于转动轴线Y不处于振动部311a所限定的平面内且与入射光L1入射至振镜 311的方向平行，有效避免了现有技术中二维振镜所产生的点云畸变，使得根据本实用新型的激光雷达所产生的点云图像在形态上更接近于多线式激光雷达的点云图像，点云质量得以显著提高。

参考图6的整体透视图，激光雷达包括安装结构，例如主支架H0、第一支架H1、第二支架H2和安装板H3，用于安装激光雷达的激光发射模块激光扫描模块和激光接收模块。

如图6所示，主支架H0沿纵向方向V延伸，其为倒U形框架架构。主电路板P0从后方由螺栓固定至主支架H0。

第一支架H1从下方由螺栓固定至主支架H0，并向前方延伸，用于固定激光发射模块1 的发射模块安装板P1、第一反射器件12、发射透镜13和透射反射器件4。

第二支架H2沿纵向方向V由螺栓固定在第一支架H1的上方，用于固激光接收模块2的接收模块安装板P2、接收透镜23和第二反射器件22。第二支架H2位于主支架H0的中间空间内，并由螺栓固定至主支架H0。由此，主支架H0、第一支架H1和第二支架H2形成三角形稳固连接。

安装板H3从上方由螺栓固定至主支架H0，其垂直于主支架H0向前延伸，用于支撑激光扫描模块3的各个部件。具体地，步进电机安装至安装板H3的上侧。步进电机的输出轴穿过安装板H3。扫描模块电路板P3可以安装至安装板H3的下侧。主支架H0、第一支架H1、第二支架H2和安装板H3可以围成空间，振镜支架322设置在所述空间中，并在上端连接至步进电机的输出轴。振镜支架322被构造为支撑振镜311、电磁铁等部件，这些部件作为整体在步进电机的驱动下转动。

根据本实用新型的上述设置，激光发射模块1和激光接收模块2分别固定连接至第一支架H1和第二支架H2。激光发射模块1、激光接收模块2及其安装结构构成激光雷达中的静止部分。步进电机带动包括振镜支架322、振镜311、电磁铁等激光扫描模块3的部件相对于包括激光发射模块1和激光接收模块2的静止部分旋转，其构成激光雷达中的运动部分。由此，步进电机仅需要带动较少的部件旋转，从而可以选用功率较小的步进电机，从而降低能耗，且实现激光雷达的小型化、轻量化。并且，由于激光发射模块1和激光接收模块2作为激光雷达中的静止部分，激光发射模块1、激光接收模块2与安装结构之间的连接更加稳定，有助于提高激光雷达的寿命和激光光路的稳定性。

应用示例

本实用新型的激光雷达可以用于多种需要获知周围环境情况的场合中，包括但不限于无人驾驶车辆、无人机、卫星等领域。可以将激光雷达固定至基体设备B(例如车辆、飞机等)上，激光雷达可以向前投射出二维的激光投射面。如上所述，该激光投射面由来自单个激光器的激光在水平和竖直方向的扫描运动而产生。在本实用新型的实施例中，激光雷达在水平方向的扫描频率可以为5Hz，在竖直方向的扫描频率可以为600Hz，激光器的发射频率可以为125KHz。另外，激光雷达的水平扫描角度(视场)可以为±24°，角度分辨率可以为0.2°；竖直扫描角度可以为±10°，角度分辨率可以为0.2°。以基体设备B为道路车辆为例，当所示的二维的激光投射面接触到行人、前方车辆等对象时，激光雷达可以产生与该对象相关的点云数据，利用集成在道路车辆中的处理器处理该点云数据，可以识别出该对象的类型、形貌、位置、运动的信息，并进一步据此产生控制信号，控制车辆作出对应的启停、转向、变速等操作，和/或为乘客或远程服务器发出信号。由此，可以利用该激光雷达实现辅助驾驶或自主驾驶。

本实用新型的进一步特征可以在权利要求、附图和附图的说明中发现。以上在说明书中提到的特征和特征组合以及进一步在附图说明和/或单独在附图中所示的特征和特征组合不仅用于分别指出的组合，还用在其他组合或单独使用，而不违背本实用新型的范围。在图中没有明确显示且解释、但是通过单独的特征组合从被解释细节呈现且可被产生的本实用新型的细节由此成为被包括和被披露的。因此，不具有原始形成的独立权利要求的所有特征的细节和特征组合也应被视为被披露的。

Claims (9)

1.一种激光雷达，其特征在于，其包括：

激光发射模块，其配置为产生出射光；

激光扫描模块，用于改变来自激光发射模块的出射光的空间取向并将所述出射光朝向周围环境引导，所述激光扫描模块包括：

第一扫描子模块，其沿第一方向改变来自激光发射模块的出射光的空间取向；

第二扫描子模块，其沿第二方向改变来自激光发射模块的出射光的空间取向，

其中，所述第一扫描子模块包括振镜和第一驱动器，所述第一驱动器驱动所述振镜的一部分绕第一轴线振动，所述第二扫描子模块包括第二驱动器，所述第二驱动器带动所述第一扫描子模块围绕第二轴线旋转。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述第二轴线平行于所述出射光入射至所述激光扫描模块的方向延伸。

3.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述第二扫描子模块包括支架，所述第一扫描子模块安装至所述支架，所述支架联接至所述第二驱动器，所述第二驱动器经由所述支架带动所述第一扫描子模块围绕第二轴线旋转。

4.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括激光接收模块，其被配置为接收并检测对应于出射光的、由周围环境中一个或多个对象反射的反射光。

5.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括安装结构，所述激光发射模块固定至所述安装结构，所述激光扫描模块部分可旋转地安装至所述安装结构，所述第二驱动器带动所述第一扫描子模块相对于所述激光发射模块旋转。

6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收模块固定至所述安装结构，所述第二驱动器带动所述第一扫描子模块相对于所述激光接收模块旋转。

7.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述振镜包括磁体，所述第一驱动器为电磁铁，所述磁体在电磁铁的磁性作用下驱动振镜围绕第一轴线转动。

8.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述第二驱动器为步进电机，所述步进电机的输出轴联接至所述支架。

9.一种车辆，其包括：

激光雷达，如权利要求1至中的任一项所述；

执行部；

处理器，其配置为：

接收来自所述激光雷达的环境数据；

基于所述环境数据确定目标信息，其中，所述目标信息指示以下中的至少一个：对象的类型、尺寸、形状、位置、或运动；

基于所述目标信息控制车辆启停、转向、变速或发出信号。

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