一种激光雷达和扫描监测系统的制作方法

1.本技术涉及雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达和扫描监测系统。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和移动机器人等领域。激光雷达是一种通过激光来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测光束，然后将从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等信息。
3.现有通过设置棱镜与摆镜实现二维扫描的方案中，发射光源与接收传感器离轴设置，接收传感器适应性采用线列接收方式，导致激光雷达的体积增大，成本增加。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种激光雷达和扫描监测系统，以解决现有发射光源与接收传感器离轴设置，导致激光雷达体积较大的问题。
5.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
6.本技术实施例的一方面，提供一种激光雷达，包括座体以及设置于座体上的激光器、第一反射元件、第二反射元件、第一电机、第二电机和接收组件；第一电机与第一反射元件驱动连接以使激光雷达进行第一维扫描，第二电机与第二反射元件驱动连接以使激光雷达进行第二维扫描，激光器出射的探测光束依次经第一反射元件和第二反射元件反射后对目标物进行二维扫描，由目标物反射的回波光束依次返回第二反射元件和第一反射元件后入射接收组件，激光器和接收组件均位于第一反射元件的入光侧，以使激光器的出射光轴与接收组件的入射光轴平行。
7.可选的，第二反射元件包括转轴和多棱镜，转轴的一端与第二电机的输出轴固定连接，转轴的另一端穿设于多棱镜，且与多棱镜固定连接，以使第二电机可驱动多棱镜相对座体绕第一方向转动。
8.可选的，第一反射元件为反射镜，第一电机与反射镜固定连接，以使第一电机可驱动多棱镜相对座体绕第二方向转动，第一方向与第二方向垂直。
9.可选的，激光雷达还包括检测装置，检测装置设置于转轴的另一端，用于检测多棱镜的旋转角度。
10.可选的，接收组件的接收口径的直径与多棱镜中任意一反射面的面积正相关。
11.可选的，第一电机为慢轴电机，第二电机为快轴电机，以使探测光束依次经第一反射元件和第二反射元件反射后在目标物区域形成沿竖向平行的多条扫描线。
12.可选的，第一电机为快轴电机，第二电机为慢轴电机，以使探测光束依次经第一反射元件和第二反射元件反射后在目标物区域形成沿横向平行的多条扫描线。
13.可选的，第一电机的驱动周期与第二电机的驱动周期交替设置。
14.可选的，接收组件包括接收镜头以及设置于接收镜头的出光侧的接收电路板。
15.本技术实施例的另一方面，提供一种扫描监测系统，包括上述任一种的激光雷达。
16.本技术的有益效果包括：
17.本技术提供了一种激光雷达和扫描监测系统，包括座体以及设置于座体上的激光器、第一反射元件、第二反射元件、第一电机、第二电机和接收组件；第一电机与第一反射元件驱动连接以使激光雷达进行第一维扫描，第二电机与第二反射元件驱动连接以使激光雷达进行第二维扫描，激光器出射的探测光束依次经第一反射元件和第二反射元件反射后对目标物进行二维扫描，由目标物反射的回波光束依次返回第二反射元件和第一反射元件后入射接收组件，激光器和接收组件均位于第一反射元件的入光侧，以使激光器的出射光轴与接收组件的入射光轴平行，如此，便可以使得发射和接收在垂直两光轴的方向形成同轴，从而避免了现有离轴方案需要采用的线列接收方式，进而降低了激光雷达的体积与成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本技术实施例提供的一种激光雷达的俯视图之一；
20.图2为本技术实施例提供的一种激光雷达的俯视图之二；
21.图3为本技术另一实施例提供的一种激光雷达的俯视图；
22.图4为本技术实施例提供的一种激光雷达的扫描线示意图之一；
23.图5为本技术实施例提供的一种激光雷达的扫描线示意图之二。
24.图标：100-座体；110-激光器；111-扫描线；120-多棱镜；130-接收组件；140-反射镜。
具体实施方式
25.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本技术的保护范围内。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
28.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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
能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
30.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
31.本技术实施例的一方面，提供一种激光雷达，如图1所示，包括座体100、激光器110、第一反射元件、第二反射元件、第一电机、第二电机和接收组件130，其中，激光器110、第一反射元件、第二反射元件、第一电机、第二电机和接收组件130均设置于座体100，从而与座体100形成整体结构。
32.如图1所示，激光器110和接收组件130均位于第一反射元件的入光侧，换言之，第一反射元件不仅位于激光器110的出射光轴，同时也位于接收组件130的入射光轴，如此，一方面便于激光器110出射探测光束至第一反射元件后，由第一反射元件的反射面向第二反射元件反射，另一方面则便于由目标物反射回的回波光束被第一反射元件反射后能够对应由接收组件130接收。
33.如图1所示，第一反射元件和第二反射元件均可以转动设置于座体100，且第一反射元件和第二反射元件各自的转动方向相互垂直，第一电机与第一反射元件驱动连接，以在第一电机的驱动下使得激光雷达进行第一维扫描，第二电机与第二反射元件驱动连接，以在第二电机的驱动下使得激光雷达进行第二维扫描，例如，第一维扫描为竖向扫描，第二维扫描为横向扫描，为便于描述，以下将借助空间直角坐标系进行说明：以图1所示的俯视方向作为z轴(竖向)，第一电机与第一反射元件驱动连接，从而在第一电机的驱动下使得第一反射元件能够绕y轴相对座体100转动(如沿着图1中位于第一反射元件处的旋转箭头方向转动)，换言之，第一电机的输出轴与y轴共线；第二电机与第二反射元件驱动连接，从而在第二电机的驱动下使得第二反射元件能够绕z轴相对座体100转动(如沿着图1中位于第二反射元件处的旋转箭头方向转动)，换言之，第二电机的输出轴与z轴共线，基于在激光器110出射探测光束后，探测光束经第一反射元件反射后入射第二反射元件，然后由第二反射元件向外部反射，故，当第一反射元件绕y轴转动时，对应沿z轴改变探测光束的出射方向，实现探测光束的竖向扫描(第一维扫描)，当第二反射元件绕z轴转动时，对应沿x轴改变探测光束的出射方向，实现探测光束的横向扫描(第二维扫描)，如此，通过叠加第一电机和第二电机分别对第一反射元件和第二反射元件的驱动，便可以实现激光雷达的二维扫描(即竖向和横向扫描)。
34.在实际探测时，如图1所示，由激光器110出射探测光束，并使得探测光束依次经第一反射元件和第二反射元件反射后向外出射(图1中带箭头的实线，箭头表示传输方向)，从而形成探测视场并进行二维扫描；如图2所示，当目标物位于探测视场内时，会有部分探测光束(图2中带箭头的虚线，箭头表示传输方向)被目标物反射后形成回波光束，然后再次返
回第二反射元件，经第二反射元件反射后回到第一反射元件，然后被第一反射元件反射后入射接收组件130，以此，经过软件分析便能够得出关于目标物的相关信息。
35.综上，本技术采用第一反射元件和第二反射元件形成二维扫描，同时，本技术中的激光器110和接收组件130均位于第一反射元件的入光侧，可以使得激光器110的出射光轴与接收组件130的接收光轴平行，如此，便可以使得发射和接收在垂直两光轴的方向形成同轴，从而避免了现有离轴方案需要采用的线列接收方式，进而降低了激光雷达的体积与成本。
36.可选的，如图1和图3所示，第二反射元件包括转轴和多棱镜120，第二电机固定设置于座体100，转轴的一端与第二电机的输出轴固定连接，转轴的另一端则由多棱镜120的底面穿设于多棱镜120内，且与多棱镜120固定连接，如此，既能够实现第二电机通过转轴驱动多棱镜120绕第一方向(可以是z轴方向)相对座体100转动，同时，还能够利用转轴穿设多棱镜120内的方式充分利用多棱镜120的侧面作为反射面，避免影响多棱镜120侧面的反射。应该理解的是，多棱镜120由顶面、底面和多个侧面围合而成，其中，多棱镜120的多个侧面均可以作为反射面，实现对探测光束和回波光束的反射。由于采用多棱镜120作为扫描镜，故，多棱镜120每旋转一周，由激光器110出射至多棱镜120的探测光束就会依次经过多棱镜120的多个侧面被反射，如此，便可以产生多个扫描帧，相比于现有采用振镜扫描的方式，具有较高的帧率。
37.可选的，如图1所示，可以根据接收组件130的接收面积确定多棱镜120的反射面的面积，例如：接收组件130的接收口径为圆形，圆形接收口径的直径与多棱镜120的任意一反射面的面积正相关，以此，相比于现有采用振镜扫描的方式，本技术采用多棱镜120能够实现大口径接收，从而提高激光雷达的测量精度。
38.在一些实施方式中，本技术中的激光器110可以是一个，也可以是多个，本技术对其不做限定，例如图2所示，当激光器110包括两个时，两个激光器110可以共用一个接收组件130的接收镜头，即由两个激光器110各自出射的探测光束被目标物反射后形成的回波光束均可以入射同一接收镜头，然后由不同的接收芯片对应接收。
39.应当理解的是，激光器110和接收组件130可以是沿着水平方向依次分布，也可以是沿着竖向(z轴方向)依次分布。同理，当激光器110包括多个时，多个激光器110可以是沿着横向(x轴方向)依次分布，如此，鉴于每一个激光器110均能够形成一个二维探测视场，能够通过多个二维探测视场的叠加增大激光雷达沿横向的视场宽度；也可以是沿着竖向(z轴方向)依次分布，如此，也能够通过多个二维探测视场的叠加增大激光雷达沿竖向的视场宽度。
40.可选的，如图1所示，第一反射元件为反射镜140，第一电机固定设置于座体100，且第一电机的输出轴与反射镜140固定连接，如此，既能够实现第一电机驱动反射镜140绕第二方向(可以是y轴方向)相对座体100转动。
41.在一些实施方式中，如图1至图2所示，多棱镜120可以是四棱镜，转轴由四棱镜的底面穿设于四棱镜内，在实际探测中：如图1所示，激光器110出射探测光束至四棱镜，基于反射镜140和四棱镜分别被第一电机和第二电机驱动，因此，在反射镜140绕y轴转动时，能够沿z轴改变探测光束入射四棱镜的位置，在四棱镜绕z轴转动时，能够沿x轴改变探测光束出射的方向，以此形成二维扫描。而在四棱镜转动一周时，由激光器110出射的探测光束会
依次经过四棱镜的四个侧面，对应产生4个扫描帧，从而具有较高的扫描帧率。鉴于四棱镜每旋转一周产生4个扫描帧，因此，每一帧对应四棱镜旋转90度，同时，基于四棱镜每旋转1度，由四棱镜反射的探测光束的出射角度便会旋转2度，因此，每一帧的光学扫描角度为180度，在设置激光雷达的实际扫描角度时，可以使得实际扫描角度小于每一帧的光学扫描角度，换言之，可以在每一帧的光学扫描角度中截取或利用一部分角度作为实际扫描角度即可，例如假设激光雷达的实际扫描角度为120度，则仅需要在每一帧中截取/利用180度里面的120度作为实际扫描角度即可。
42.在一些实施方式中，如图3所示，多棱镜120还可以是五棱镜，转轴依然由五棱镜的底面穿设于五棱镜内，在实际探测中：激光器110出射探测光束至五棱镜，在五棱镜转动一周时，由激光器110出射的探测光束会依次经过五棱镜的五个侧面，对应产生5个扫描帧，从而具有更高的扫描帧率。鉴于五棱镜每旋转一周便可以产生5个扫描帧，因此，每一帧对应五棱镜旋转72度，同时，基于五棱镜每旋转1度，由五棱镜反射的探测光束的出射角度便会旋转2度，因此，每一帧的光学扫描角度为144度，在设置激光雷达的实际扫描角度(水平扫描角度)时，可以使得实际扫描角度小于每一帧的光学扫描角度，换言之，可以在每一帧的光学扫描角度中截取或利用一部分角度作为实际扫描角度即可，例如假设激光雷达的实际扫描角度为120度，则仅需要在每一帧中截取/利用144度里面的120度作为实际扫描角度即可。
43.在其它实施方式中，本技术中的多棱镜120还可以是三棱镜、六棱镜、七棱镜等，对应的，当多棱镜120的侧面个数增多时，其所对应的扫描帧率也更高。应当理解的是，随着扫描帧率的提高，每一帧的光学扫描角度也更小，激光雷达的实际扫描角度可截取/利用的范围也更小，因此，在实际选择和设置中，应当根据实际需求合理选择，本技术对其不做具体限定。
44.可选的，激光雷达还包括检测装置，检测装置设置于转轴的另一端，例如：第二电机和检测装置分别位于多棱镜120的底面和顶面，如此，在多棱镜120被第二电机驱动时，可以通过检测装置对多棱镜120的旋转角度进行检测，便于对多棱镜120的转动状态进行监测。
45.可选的，如图4所示，第一电机为慢轴电机，第二电机为快轴电机，此时，第二电机的转速大于第一电机的转速，因此，在利用第一电机和第二电机实现二维扫描时，便可以使得最终由多棱镜120向目标物区域反射出的探测光束形成沿竖向平行的多条扫描线111。此处应当理解的是，扫描线111可以是水平线，水平线可以是扫描后直接形成，未经软件算法修正，例如：当第一电机的驱动周期与第二电机的驱动周期沿时间线交替设置时，在第二电机的驱动周期内，第一电机停止驱动，探测光束完成一条直线段的扫描线111，接着进入第一电机的驱动周期，第二电机停止驱动，由第一电机驱动反射镜140转动，使得探测光束沿竖向移动，然后进入第二电机的驱动周期，第一电机停止驱动，沿竖向移动后的探测光束完成另一条直线段的扫描线111，如此循环，便能够形成如图4所示的多条沿竖向平行的扫描线111；扫描线111可以是水平线，水平线也可以是扫描后经软件算法修正所形成的，例如：在实现二维扫描时，第一电机和第二电机同时驱动，此时，探测光束完成一条直线段且具有一定斜率的扫描线111，通过后期的算法修正，便可以获得水平的扫描线111。
46.可选的，如图5所示，第一电机为快轴电机，第二电机为慢轴电机，此时，第一电机
的转速大于第二电机的转速，因此，在利用第一电机和第二电机实现二维扫描时，便可以使得最终由多棱镜120向目标物区域反射出的探测光束形成沿横向平行的多条扫描线111。此处应当理解的是，扫描线111可以是竖直线，竖直线可以是扫描后直接形成，未经软件算法修正，例如：当第一电机的驱动周期与第二电机的驱动周期沿时间线交替设置时，在第二电机的驱动周期内，第一电机停止驱动，探测光束完成一条直线段的扫描线111，接着进入第一电机的驱动周期，第二电机停止驱动，由第一电机驱动反射镜140转动，使得探测光束沿横向移动，然后进入第二电机的驱动周期，第一电机停止驱动，沿横向移动后的探测光束完成另一条直线段的扫描线111，如此循环，便能够形成如图5所示的多条沿横向平行的扫描线111；扫描线111可以是竖直线，竖直线也可以是扫描后经软件算法修正所形成的，例如：在实现二维扫描时，第一电机和第二电机同时驱动，此时，探测光束完成一条直线段且具有一定斜率的扫描线111，通过后期的算法修正，便可以获得竖直的扫描线111。
47.在一些实施方式中，可以通过控制第一电机的转速为匀速，从而使得多个扫描线111呈均匀分布，也可以通过控制第一电机的转速为变速，从而使得是多个扫描线111呈疏密分布。
48.可选的，接收组件130包括接收镜头以及设置于接收镜头的出光侧的接收芯片，如此，在回波光束入射接收镜头后，可以由接收芯片获得接收信息。
49.本技术实施例的另一方面，提供一种扫描监测系统，包括上述任一种的激光雷达。通过采用第一反射元件和第二反射元件形成二维扫描，同时，本技术中的激光器110和接收组件130均位于第一反射元件的入光侧，可以使得激光器110的出射光轴与接收组件130的接收光轴平行，如此，便可以使得发射和接收在垂直两光轴的方向形成同轴，从而避免了现有离轴方案需要采用的线列接收方式，进而降低了激光雷达的体积与成本。
50.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。