激光雷达系统及自动驾驶装置的制作方法

1.本技术涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统及自动驾驶装置。


背景技术：

2.激光雷达（light detection and ranging，lidar）是一种主动发射激光束检测目标回波的三维成像系统。相比于毫米波雷达、摄像头、超声波雷达等，激光雷达具有测距精度高、横向分辨率高的优点，支持高精度的障碍物识别、车道线检测、路沿检测等功能，在辅助驾驶和自动驾驶领域有广阔的应用前景。
3.在相关技术中，激光雷达通常分为机械式激光雷达和固态激光雷达，固态激光雷达无需旋转部件，因而体积更小，十分方便集成在车身内部，并且随着系统可靠性的不断提升，成本也可大幅降低。因此，激光雷达有向固态发展的趋势。
4.在车载环境下，用户期望激光雷达的水平视场角越大越好，以便探测四周的各种车辆、行人和其他物体。然而，由于无需旋转部件和固态结构遮挡，固态激光雷达在水平方向的视场角是有限的，从而导致其探测范围受限，不能够满足用户对大视场角的需求。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本技术提供了一种能够扩大视场角的激光雷达系统及自动驾驶装置。
6.本技术提供了一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括：
7.第一收发系统，用于发射第一激光束，并接收被目标物漫反射的第一回波；
8.第二收发系统，用于发射第二激光束，并接收被目标物漫反射的第二回波；
9.光学转镜，设置于所述第一收发系统和所述第二收发系统之间；所述光学转镜转动设置，在转动过程中接收激光束以调整激光束的方向，将激光束反射到所述目标物上；同时将所述目标物漫反射的回波反射到对应的所述收发系统。
10.在一个实施例中，所述光学转镜包括首尾依次连接的三个反射镜面，三个所述反射镜面均相同。
11.在一个实施例中，所述第一收发系统和所述第二收发系统在所述光学转镜的相对两侧对称设置。
12.在一个实施例中，所述第一收发系统的光轴和所述第二收发系统的光轴的夹角范围为110
°
~120
°
。
13.在一个实施例中，单个所述收发系统的水平视场角范围为110
°
~130
°
。
14.在一个实施例中，所述第一收发系统包括第一激光发射器和第一激光探测器；
15.所述第一激光发射器与所述第一激光探测器堆叠设置；
16.所述第二收发系统包括第二激光发射器和第二激光探测器；
17.所述第二激光发射器与所述第二激光探测器堆叠设置。
18.在一个实施例中，所述第一激光发射器和所述第二激光发射器为线阵激光发射
器，所述第一激光探测器和所述第二激光探测器为线阵激光探测器。
19.在一个实施例中，所述第一激光探测器的线阵和所述第二激光探测器的线阵在线阵排布方向上进行插空。
20.本技术还提供一种自动驾驶装置，该自动驾驶装置包括上述任一种激光雷达系统。
21.本技术实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
22.本技术实施例提供了一种激光雷达系统及自动驾驶装置，该激光雷达系统包括第一收发系统，用于发射第一激光束，并接收被目标物漫反射的第一回波；第二收发系统，用于发射第二激光束，并接收被目标物漫反射的第二回波；光学转镜，设置于第一收发系统和第二收发系统之间；光学转镜转动设置，在转动过程中接收激光束以调整激光束的方向，将激光束反射到目标物上；同时将目标物漫反射的回波反射到对应的收发系统。由此，通过将光学转镜设置于两组收发系统的中间，两组收发系统共用一个光学转镜，随着光学转镜的转动，两组收发系统发射的激光束与光学转镜镜面的入射角发生变化，反射角也发生相应的变化，从而将激光束以不同角度反射出去；由于两组收发系统设置于光学转镜的两侧，两组收发系统存在重叠视场角，即实现视场角的拼接，增大了雷达系统在水平方向的视场角，能够满足用户对大视场角的需求。
附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
24.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本技术实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；
26.图2为本技术实施例提供的光学转镜转动的光路示意图；
27.图3为本技术实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图；
28.图4为本技术实施例提供的又一种激光雷达系统的结构示意图；
29.图5为本技术实施例提供的激光雷达系统视场角与有效孔径比对应关系的示意图；
30.图6为本技术实施例提供的又一种激光雷达系统的结构示意图；
31.图7为本技术实施例提供的单个激光探测器的结构示意图；
32.图8为本技术实施例提供的两个激光探测器的结构示意图。
33.其中，1、第一收发系统；2、第二收发系统；3、光学转镜；11、第一激光探测器；21、第二激光探测器。
具体实施方式
34.为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面将对本技术的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但本技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.相关技术中，由于不需要旋转部件，固态激光雷达具有结构简单、尺寸小、成本低等显著优势，使其在辅助驾驶和自动驾驶领域有广阔的应用前景。但固态激光雷达视场角和探测范围有限，不能够满足用户对大视场角的需求。
37.针对上述缺陷中的至少一个进行改进，本技术实施例提供了一种激光雷达系统及自动驾驶装置，该激光雷达系统包括第一收发系统，用于发射第一激光束，并接收被目标物漫反射的第一回波；第二收发系统，用于发射第二激光束，并接收被目标物漫反射的第二回波；光学转镜，设置于第一收发系统和第二收发系统之间；光学转镜转动设置，在转动过程中接收激光束以调整激光束的方向，将激光束反射到目标物上；同时将目标物漫反射的回波反射到对应的收发系统。由此，通过将光学转镜设置于两组收发系统的中间，两组收发系统共用一个光学转镜，随着光学转镜的转动，两组收发系统发射的激光束与光学转镜镜面的入射角发生变化，反射角也发生相应的变化，从而将激光束以不同角度反射出去；由于两组收发系统设置于光学转镜的两侧，两组收发系统存在重叠视场角，即实现视场角的拼接，增大了雷达系统在水平方向的视场角，能够满足用户对大视场角的需求。
38.下面结合图1-图8，对本技术实施例提供的激光雷达系统及自动驾驶装置进行示例性说明。
39.在一个实施例中，如图1所示，为本技术实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图。参照图1，该激光雷达系统包括：第一收发系统1，用于发射第一激光束，并接收被目标物漫反射的第一回波；第二收发系统2，用于发射第二激光束，并接收被目标物漫反射的第二回波；光学转镜3，设置于第一收发系统1和第二收发系统2之间；光学转镜3转动设置，在转动过程中接收激光束以调整激光束的方向，将激光束反射到目标物上；同时将目标物漫反射的回波反射到对应的收发系统。
40.其中，第一收发系统1和第二收发系统2为固态激光雷达，均包括激光发射器和激光探测器，激光发射器用于发射激光束，激光探测器用于接收被目标物漫反射的回波。
41.其中，光学转镜3沿指定方向（即其自身的转轴轴向）做360度匀速转动，其外接的虚线圆形表示光学转镜3的转动轨迹。光学转镜3在驱动系统的作用下发生转动，驱动系统可以为电机，电机有多种选择，在此不限定。
42.示例性地，如图2所示，为本技术实施例提供的光学转镜转动的光路示意图。参照图2，以第一收发系统1为例，第一收发系统1发射的第一激光束投射到光学转镜3上并被反射出去，随着光学转镜3的转动，投射到光学转镜3上的激光束的入射角也发生变化，反射角也发生对应的变化，从而实现对激光束反射角的调整，将激光束反射到不同的方向或区域。
43.本技术实施例提供的激光雷达系统包括第一收发系统1，用于发射第一激光束，并接收被目标物漫反射的第一回波；第二收发系统2，用于发射第二激光束，并接收被目标物漫反射的第二回波；光学转镜3，设置于第一收发系统1和第二收发系统2之间；光学转镜3转动设置，在转动过程中接收激光束以调整激光束的方向，将激光束反射到目标物上；同时将目标物漫反射的回波反射到对应的收发系统。由此，本技术方案通过将光学转镜设置于两组收发系统的中间，两组收发系统共用一个光学转镜，随着光学转镜的转动，两组收发系统
发射的激光束与光学转镜镜面的入射角发生变化，反射角也发生相应的变化，从而将激光束以不同角度反射出去；由于两组收发系统设置于光学转镜的两侧，两组收发系统存在重叠视场角，即实现视场角的拼接，增大了雷达系统在水平方向的视场角，能够满足用户对大视场角的需求。
44.在一个实施例中，如图1所示，该激光雷达系统中，光学转镜3包括首尾依次连接的三个反射镜面，三个反射镜面均相同。
45.其中，光学转镜3是一个闭合的三棱柱，三个镜面的尺寸（高度和宽度）均相同，三个反射镜面首尾依次连接，构成一个正三棱柱。
46.如此设置，可实现激光雷达系统对目标区域的连续探测，同时保证了激光束相对于反射镜面的入射角的变化是连贯、稳定的，经光学转镜反射的激光束均匀分布在视场角范围内，对视场角范围的区域都能进行探测，不会遗漏视场角。
47.在其他实施方式中，还可在反射镜面镀上相应波长或波段的增反膜，减少在反射镜面上的能量损失，以提高光能利用率，在此不限定。
48.在一个实施例中，如图1所示，该激光雷达系统中，第一收发系统1和第二收发系统2在光学转镜3的相对两侧对称设置。
49.如此设置，实现了激光雷达系统视场角分布的对称性，水平方向上向左或向右的角度相等且对称。
50.在一个实施例中，如图3所示，为本技术实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图。参照图3，该激光雷达系统中，第一收发系统1的光轴和第二收发系统2的光轴的夹角范围为110
°
~120
°
。
51.示例性地，如图3所示，第一收发系统1的光轴和第二收发系统2的光轴的夹角为120
°
。如此设置，使得两个收发系统的视场角存在较大的重叠区域，保证了激光雷达系统在重叠区域的探测精度和探距能力。
52.能够理解的是，图3仅示例性地示出了第一收发系统1的光轴和第二收发系统2的光轴的夹角为120
°
，但并不构成对本技术实施例提供的激光雷达系统的限定。
53.在其他实施方式中，第一收发系统1的光轴和第二收发系统2的光轴的夹角还可以为其他角度或角度范围，如100
°
、105
°
、110
°
、115
°
、125
°
或者更大的区间范围，在此不限定。
54.在一个实施例中，如图4所示，为本技术实施例提供的又一种激光雷达系统的结构示意图。参照图4，该激光雷达系统中，单个收发系统的水平视场角范围为110
°
~130
°
。
55.示例性地，如图4所示，第一收发系统1的视场角为125
°
，第二收发系统2的视场角为125
°
，两个收发系统重叠的视场角为60
°
，从而激光雷达系统可实现水平方向190
°
的大视场角。
56.如图2所示，随着光学转镜3的转动，第一收发系统1发射的激光束入射角的变化范围为（-90
°
，90
°
），对应的光学转镜3反射的激光束反射角的变化范围也为（-90
°
，90
°
），故第一收发系统1能够覆盖的视场角理论值为180
°
。由于收发系统固态结构的遮挡，不可避免接收能量的损失，且越靠近视场角边缘，能量损失越严重，能量损失直接影响收发系统的探测距离和探测精准度，为保证收发系统的探测精准度和探测距离，需要缩小收发系统覆盖的视场角范围，选取视场角中间区域作为收发系统的有效视场角。因此，单个收发系统实际能够探测的水平视场角范围小于180
°
。
57.如图5所示，为本技术实施例提供的激光雷达系统视场角与有效孔径比对应关系的示意图，其中，y轴表示有效孔径比，x轴表示水平视场角。有效孔径比的大小表示收发系统接收被目标物漫反射的回波能量的程度，其值越大，则表明收发系统接收被目标物漫反射的回波能量的程度越高，能量损失越小。参照图5，水平视场角取值范围为（-5
°
，185
°
），覆盖视场角为190
°
，两条曲线分别表示第一收发系统和第二收发系统在其视场角范围内有效孔径比的变化趋势，视场角中间区域（如25
°
~85
°
、95
°
~155
°
）的有效孔径比大，接近1.0，能量损失比较小，对应的探测距离和探测精准度也较高；而视场角边缘区域的有效孔径比小，能量损失严重，其中视场角为-5
°
和185
°
处的有效孔径比最小，约为0.2，能量损失约80%左右，对应的探测距离和探测精准度也较低；若继续增大视场角范围，能量损失会也会相应增大，从而导致探测距离和探测精准度不能满足激光雷达系统的需求。因此，本实施例将单个收发系统的水平视场角范围设置为110
°
~130
°
，使得激光雷达系统的水平视场角为190
°
，最小能量回收率大于20%，最大探距能力衰减率小于55%。
58.能够理解的是，图4仅示例性地示出了第一收发系统1的视场角为125
°
，第二收发系统2的视场角为125
°
，但并不构成对本技术实施例提供的激光雷达系统的限定。在其他实施方式中，第一收发系统1的光轴和第二收发系统2的视场角为还可根据激光雷达系统的需求而灵活设置，增大或者减小，在此不限定。
59.示例性地，如图6所示，为本技术实施例提供的又一种激光雷达系统的结构示意图。参照图6，该激光雷达系统包括第一收发系统1、第二收发系统2和光学转镜3，第一收发系统1、第二收发系统2和光学转镜3安装在同一平面上；第一收发系统1和第二收发系统2在光学转镜3的相对两侧对称设置；两组接收系统的光轴的夹角为120
°
；单个收发系统的水平视场角范围为125
°
，重叠角度为60
°
；两组收发系统发射的激光束经光学转镜3反射后通过弧形、透明窗口投射到目标物；被目标物漫反射的回波通过弧形、透明窗口被光学转镜接收并反射至对应的收发系统。
60.在一个实施例中，该激光雷达系统中，第一收发系统包括第一激光发射器和第一激光探测器；第一激光发射器与第一激光探测器堆叠设置；第二收发系统包括第二激光发射器和第二激光探测器；第二激光发射器与第二激光探测器堆叠设置。
61.其中，在垂直于激光雷达系统安装平面的方向上，第一激光发射器与第一激光探测器是上下堆叠的设置，第二激光发射器与第二激光探测器上下堆叠设置，可以是激光发射器在上、激光探测器在下放置，还可以是激光发射器在下、激光探测器在上放置，在此不限定。
62.如此设置，使得激光发射器和激光探测器相对于光学转镜的位置相同，保证被目标物漫反射的第一回波逆向沿第一激光束反射路径返回并能够被第一探测激光器接收，被目标物漫反射的第二回波逆向沿第二激光束反射路径返回并能够被第二探测激光器接收。
63.在一个实施例中，该激光雷达系统中，第一激光发射器和第二激光发射器为线阵激光发射器，第一激光探测器和第二激光探测器为线阵激光探测器。
64.如此设置，激光发射器发射的激光束与视场角匹配，利用线阵激光探测器接收被目标物漫反射的回波，可快速获得多个距离测量点，提高系统的测量速度和适用范围。此外，由于使用单个激光束与线阵激光探测器进行匹配，降低系统的装调难度，有利于控制激光雷达系统的整体成本，且易实现量产。
65.示例性地，如图7所示，第一激光探测器和第二激光探测器为64线的线阵探测器。
66.在其他实施方式中，激光发射器和激光探测器还可以设置为本领域技术人员可知的其他线阵激光发射器或线阵激光探测器，在此不限定。
67.在一个实施例中，如图8所示，为本技术实施例提供的两个激光探测器的结构示意图。参照图8，该激光雷达系统中，第一激光探测器11的线阵和第二激光探测器21的线阵在线阵排布方向上进行插空。
68.示例性地，如图8所示，第一激光探测器11和第二激光探测器21均为64线的线阵激光探测器，通过调节第一激光探测器11和第二激光探测器21在线阵排布方向上的相对高度，使得第一激光探测器11和第二激光探测器21的线阵全部错开，呈插空状态。如此设置，使得激光雷达系统可获得128线被目标物漫反射的回波，能够更加细致的还原目标物的表面特性。
69.在一个实施例中，该激光雷达系统中，第一激光探测器11的线阵和第二激光探测器21的线阵在线阵排布方向上完全重合。如此设置，使得重叠视场角范围的接收能量叠加，从而增加了激光雷达系统的探距能力，探测距离增大倍。
70.需要说明的是，第一激光探测器11的线阵和第二激光探测器21的线阵在线阵排布方向上设置为插空还是重合，可根据激光雷达系统的需求灵活设置，在此不限定。
71.本技术还提供一种自动驾驶装置，该自动驾驶装置包括上述任一种激光雷达系统，能够实现相应的有益效果，在此不再赘述。
72.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
73.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。