用于实现扫描视场分区的激光雷达及测距方法与流程

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种用于实现扫描视场分区的激光雷达及测距方法。

背景技术：

激光雷达通过主动向待测区域发射激光光束，并探测待测空间反射回来的回波信号，进而可以获知待测区域的三维空间信息。由于激光雷达的测距精度高，响应速度快，能够获得足够丰富的三维空间信息，因此在机器视觉，辅助驾驶，室内场景扫描重建等各个方向都有广泛的应用。

然而，现有的激光雷达产品，只能对某一个区域进行探测，当需要对多个区域同时进行探测时，往往需要多个激光雷达配合使用才能满足应用需求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于实现扫描视场分区的激光雷达及测距方法，本发明实现了同一激光雷达对不同区域的同时探测。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种用于实现扫描视场分区的激光雷达，包括：发射系统、接收系统和控制及信号处理单元，所述控制及信号处理单元分别与所述发射系统以及接收系统连接；

所述发射系统包括第一激光光源和第二激光光源，所述第一激光光源用于发出第一激光光束，所述第二激光光源用于发出第二激光光束；其中，所述第一激光光束用于扫描待测空间的第一区域，所述第二激光光束用于扫描待测空间的第二区域；

所述接收系统包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器用于接收所述第一激光光束返回的第一回波信号，所述第二探测器用于接收所述第二激光光束返回的第二回波信号；

所述控制及信号处理单元，用于控制所述发射系统进行激光发射，并对所述接收系统采集的回波信号进行处理，以获取待测空间的空间分布信息。

进一步地，所述待测空间为激光雷达前方空间，所述第一区域为激光雷达前方的远距离区域，所述第二区域为激光雷达前方的近端路面区域。

进一步地，若激光雷达距离地面的高度为h，第一激光光束探测前方的最远距离为d，第一激光光束上边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为α1，第一激光光束下边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为α2，则第一激光光束的扫描视场角为α1+α2，第一激光光束上边沿光线的扫描高度为h1＝h+d×tanα1，第一激光光束下边沿光线的扫描高度为h2＝h-d×tanα2，第一激光光束探测的激光雷达前方的远距离区域为由第一激光光束上边沿光线和第一激光光束下边沿光线确定的范围，该探测范围在与地面垂直的平面内的最大幅宽为d×(tanα1+tanα2)。

进一步地，若激光雷达距离地面的高度为h，第二激光光束上边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为β1，第二激光光束下边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为β2，则第二激光光束的扫描视场角为β2-β1，第二激光光束上边沿光线与地面的交点a距离激光雷达的距离为d1＝h/tanβ1，第二激光光束下边沿光线与地面的交点b距离激光雷达的距离为d2＝h/tanβ2，第二激光光束探测的激光雷达前方的近端路面区域为由第二激光光束上边沿光线和第二激光光束下边沿光线确定的范围，该探测范围在与地面平行的平面内的最大幅宽为h/tanβ1-h/tanβ2。

进一步地，所述第一激光光束包含的扫描线数和所述第二激光光束包含的扫描线数以及扫描角分辨率均不同。

进一步地，所述发射系统还包括：准直镜组；

所述第一激光光源发出的激光经过所述准直镜组后形成第一激光光束，所述第二激光光源发出的激光经过所述准直镜组后形成第二激光光束。

进一步地，所述接收系统还包括：接收镜组；

所述第一激光光束返回的第一回波信号经过所述接收镜组后由所述第一探测器接收；

所述第二激光光束返回的第二回波信号经过所述接收镜组后由所述第二探测器接收。

进一步地，所述激光雷达还包括：电机及电机驱动模块；

所述电机及电机驱动模块用于驱动所述激光雷达进行旋转，实现360°扫描。

第二方面，本发明还提供了一种基于上面任一项所述的用于实现扫描视场分区的激光雷达的测距方法，包括：

利用所述第一激光光源发射的第一激光光束扫描待测空间的第一区域；

利用所述第二激光光源发射的第二激光光束扫描待测空间的第二区域；

根据所述控制及信号处理单元的处理结果得到待测空间的空间分布信息。

进一步地，所述待测空间为激光雷达前方空间，所述第一区域为激光雷达前方的远距离区域，所述第二区域为激光雷达前方的近端路面区域。

由上面描述可知，本发明至少具有如下的有益效果：

1、本发明提供的激光雷达，利用第一激光光源和第二激光光源分别探测待测空间的不同区域，从而实现了同一激光雷达对不同区域的同时探测，进而可以有效减少激光雷达数量，降低设备成本。

2、本发明提供的激光雷达，对待测空间进行分区探测，既能够对设备正前方区域进行远距离探测，又能够兼顾对近距离路面以及路面障碍物的探测。

3、本发明提供的激光雷达，通过调整设备相关参数可以减少近距离探测盲区。例如增大第二激光光束下边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为β2可以减少近距离探测盲区。

4、本发明提供的激光雷达，通过对不同探测区域进行光线的合理分配，能够提高测量点云数据的有效利用率。例如提高重点探测区域扫描视场、扫描线数和扫描分辨率，降低非重点探测区域的扫描视场、扫描线数和扫描分辨率。

当然，实施本发明的任一方法或产品不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明一实施例提供的用于实现扫描视场分区的激光雷达的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的激光雷达的探测视场示意图；

图3是本发明实施例提供的激光雷达的远距离扫描示意图；

图4是本发明实施例提供的激光雷达的近距离扫描示意图；

图5是本发明另一实施例提供的激光雷达测距方法的流程图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动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。

本发明一实施例提供了一种用于实现扫描视场分区的激光雷达，参见图1，该激光雷达100包括：发射系统110、接收系统120和控制及信号处理单元130，所述控制及信号处理单元130分别与所述发射系统110以及接收系统120连接。

所述发射系统110包括第一激光光源111、第二激光光源112和准直镜组113，所述第一激光光源111发出的激光经过所述准直镜组113后形成第一激光光束116，用于扫描待测空间的第一区域，探测第一区域的空间信息，所述第二激光光源112发出的激光经过所述准直镜组113后形成第二激光光束117，用于扫描待测空间的第二区域，探测第二区域的空间信息；可以理解的是，所述第一区域可以为待测空间的上方区域或待测空间的远距离区域。所述第二区域可以为待测空间下方区域或待测空间的近距离区域。

所述接收系统120包括第一探测器121、第二探测器122和接收镜组123，所述第一激光光束116照射在物体上反射形成的第一回波信号126经接收镜组123后汇聚在第一探测器121上，所述第二激光光束117照射在物体上反射形成的第二回波信号127经接收镜组123后汇聚在第二探测器122上。图1中115表示发射系统的中心线，125表示接收系统的中心线。

所述控制及信号处理单元130，用于控制所述发射系统110进行激光发射，并对所述接收系统120采集的回波信号进行处理，以获取待测空间的空间分布信息。

优选地，所述激光雷达还包括：电机及电机驱动模块140，所述电机及电机驱动模块140用于驱动所述激光雷达进行旋转，实现360°扫描。

此外，在实际应用时，所述激光雷达还可以包括供电模块150和通信模块160。其中，所述供电模块150，用于对所述发射系统110，接收系统120、控制及信号处理单元130、电机及电机驱动模块140等模块进行供电。所述通信模块160，用于负责所述控制及信号处理单元130与其他设备的数据传输。

可以理解的是，所述第一激光光源111和第二激光光源112发射的光束为阵列激光光束。第一激光光源111可以包括多个激光光源，第二激光光源112可以包括多个激光光源。

可以理解的是，所述第一激光光源111发出的第一激光光束包含的扫描线数和所述第二激光光源112发出的第二激光光束包含的扫描线数可以相同，也可以不同。所述第一激光光源111发出的第一激光光束和所述第二激光光源112发出的第二激光光束的扫描角分辨率可以相同，也可以不同。在实际应用时，可以根据具体的应用场景调节第一激光光源111和第二激光光源112的扫描视场、扫描线数以及扫描分辨率。

有上面描述可知，本发明实施例提供的激光雷达，利用第一激光光源和第二激光光源分别探测待测空间的不同区域，从而实现了同一激光雷达对不同区域的同时探测，进而可以有效减少激光雷达数量，降低设备成本。

图2是本发明实施例提供的激光雷达的探测视场示意图。参见图2，在一种可选实施方式中，当所述待测空间为激光雷达前方空间时，所述第一区域为激光雷达前方的远距离区域，在图2中可将其称为上方扫描范围220，所述第二区域为激光雷达前方的近端路面区域，在图2中可将其称为下方扫描范围230。

参见图2，假设激光雷达100距离地面400的高度为h，第一激光光束探测前方的最远距离为d，第一激光光束上边沿光线与激光雷达水平轴210的夹角为α1，第一激光光束下边沿光线与激光雷达水平轴210的夹角为α2，则第一激光光束的扫描视场角为α1+α2，第一激光光束上边沿光线的扫描高度为h1＝h+d×tanα1，第一激光光束下边沿光线的扫描高度为h2＝h-d×tanα2，第一激光光束探测的激光雷达前方的远距离区域为由第一激光光束上边沿光线和第一激光光束下边沿光线确定的范围，该探测范围在与地面垂直的平面内的最大幅宽为d×(tanα1+tanα2)。

当最远探测距离d满足条件50m<d<100m时，上方扫描范围220的上边沿光线扫描高度h1大于激光雷达整体高度，用于检测前方是否有障碍物高于设备。当最远探测距离d满足条件d>100m时，上方扫描范围220的下边沿光线扫描高度h2，高于地面400，上方扫描范围220重点扫描激光雷达正前方远距离是否存在障碍物。

参见图2，假设激光雷达距离地面的高度为h，第二激光光束上边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为β1，第二激光光束下边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为β2，则第二激光光束的扫描视场角为β2-β1，第二激光光束上边沿光线与地面的交点a距离激光雷达的距离为d1＝h/tanβ1，第二激光光束下边沿光线与地面的交点b距离激光雷达的距离为d2＝h/tanβ2，第二激光光束探测的激光雷达前方的近端路面区域为由第二激光光束上边沿光线和第二激光光束下边沿光线确定的范围，该探测范围在与地面平行的平面内的最大幅宽为h/tanβ1-h/tanβ2。由图2可见，下方扫描范围230的重点扫描激光雷达前方较近的范围以及前方路面400。

图3是本实施例提供的激光雷达的远距离扫描示意图。上方扫描范围220的上边沿光线位置满足h1＝h+d×tanα1，当障碍物高度低于h1时即可被探测到。上方扫描范围220的下边沿光线正好扫描到路面400上，此时的测量距离d3＝h/tanα2，当障碍物位置大于d3时，在满足探测能力的情况下任何路面上的障碍物均能被探测到。当障碍物位置小于d3时，高度大于h-d×tanα2的障碍物即可以探测到。

图4是本实施例提供的激光雷达的近距离扫描示意图。下方扫描范围230的上边沿光线距离激光雷达d1，下方扫描范围230的下边沿光线距离激光雷达d2。障碍物位置d0大于d1时，高度大于h-d0×tanα2的障碍物即可以探测到。当障碍物的位置大于d2且小于d1时，在满足探测能力的情况下任何路面上的障碍物均能被探测到。当障碍物位置d0小于d2时，高度大于h-d0×tanβ2的障碍物可以探测到。

由图2～图4可知，本实施例提供的激光雷达100将激光扫描分成了两部分，上方扫描范围220重点探测激光雷达前方远距离的区域，下方扫描范围230重点探测激光雷达前方近端路面的信息。激光雷达100的整体扫描角度范围为α1+β2。激光雷达100探测路面的最近距离为d2，在激光雷达100前方存在近场扫描盲区250，d2越小激光雷达100扫描的近场盲区250越小。激光雷达100探测路面的最远距离为d1。激光雷达100识别远距离物体的最小高度为h2，激光雷达100识别远距离物体的最大高度为h1。在上方扫描范围220和下方扫描范围230之间存在扫描间隙240，间隙角度范围为β1–α2，由于在该区域范围内光线扫描数据价值比较低，因此并没有设置光线。激光雷达100在不改变设备复杂程度的基础上，增大β2的角度，减小近场扫描盲区，合理设置扫描间隙240的角度，提高激光扫描数据的有效性。可见，本实施例提供的激光雷达，将激光扫描分成上下两部分，两部分扫描相互独立，为了适应不同的扫描场景，上下两部分探测区域的扫描视场不同，同时扫描线数以及扫描分辨率也可以设置成均不相同。

由上面的具体实施方式可知，本发明实施例提供的激光雷达，对待测空间进行分区探测，既能够对设备正前方区域进行远距离探测，又能够兼顾对近距离路面以及路面障碍物的探测。可见，本发明实施例提供的激光雷达，可以应用在机器视觉，辅助驾驶，室内场景扫描重建等应用场景。此外，本实施例通过调整设备相关参数可以减少近距离探测盲区。例如增大第二激光光束下边沿光线与激光雷达水平轴的夹角为β2可以减少近距离探测盲区。进一步地，本实施例通过对不同探测区域进行光线的合理分配，能够提高测量点云数据的有效利用率。例如提高重点探测区域扫描视场、扫描线数和扫描分辨率，降低非重点探测区域的扫描视场、扫描线数和扫描分辨率等。

基于相同的发明构思，本发明另一实施例还提供了一种基于上面实施例所述的用于实现扫描视场分区的激光雷达的测距方法，参见图5，该方法包括：

步骤s1：利用所述第一激光光源发射的第一激光光束扫描待测空间的第一区域。

步骤s2：利用所述第二激光光源发射的第二激光光束扫描待测空间的第二区域。

步骤s3：根据所述控制及信号处理单元的处理结果得到待测空间的空间分布信息。

优选地，所述待测空间为激光雷达前方空间，所述第一区域为激光雷达前方的远距离区域，所述第二区域为激光雷达前方的近端路面区域。

可以理解的是，本实施例所展示的方法操作步骤次序仅为说明本发明技术原理而设定，并非限定实际操作中的先后顺序。可以理解的是，上述步骤s1和s2在实际操作中为同时进行的过程。

本实施例提供的激光雷达测距方法，由于采用上面实施例所述的用于实现扫描视场分区的激光雷达实现，故其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。