一种正交双轴二维闭环连续旋转扫描装置和包括其的激光雷达的制作方法

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及激光雷达的旋转扫描装置。

背景技术：

自动驾驶技术包括感知、识别、判断、决策和执行等，随着自动驾驶技术的蓬勃发展，作为自动驾驶的“眼睛”，环境感知技术凸显了其最基本且最重要的价值——感知，环境感知术不仅是自动驾驶智能性的前提，也是安全性的保障。环境感知传感器中，激光雷达在探测距离，测距精度，可靠度方面具有独一无二的优势；激光雷达系统包括激光发射系统、光束偏转系统、探测接收系统和信号处理系统，发射激光束经过目标物体反射后被探测系统接收并转换为数字信号进行处理，通过计算激光束的往返时间便能得到目标距离，当目标点不断增多时，可实现三维成像。激光雷达在自动驾驶中的地位十分重要，需求激光雷达具备远距离、高分辨率、高可靠性、低成本和人眼绝对安全。而传统激光雷达技术很难满足这些性能要求，目前市场上较为成熟的自动驾驶激光雷达有机械式激光雷达和基于mems微振镜等扫描器的激光雷达，前者通常在垂直方向上排布多个激光器和探测器实现垂直方向的视角，或者使用一维振镜摆动来改变出射激光束的光路方向，水平方向则通过使用驱动带动整个系统进行360°旋转，该系统能够获得较大的水平视场，但垂直视场分辨率较低，且系统十分复杂，体积较大，可靠性低，成本较高；mems激光雷达，不需要电机等装置，体积可以做的较小，但是其有效视场受器件本身影响，视场角较小，若要提高视场则需要增加器件进行视场拼接，但这增加了系统的成本和不稳定性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明公开了可用于激光雷达的二维闭环连续旋转扫描装置和一种双面反射镜，克服现有技术中存在的扫瞄镜或镜组的摆动延时以及视场角较小的问题的一种正交双轴二维闭环连续旋转扫描装置和包括其的激光雷达。

为实现上述目的，本发明提供了一种正交双轴二维闭环连续旋转扫描装置和包括其的激光雷达，激光发射模块发射的探测激光束经过光路偏转模块使光路偏转至激光雷达周围空间，经障碍物反射后的回波光束通过光路偏转模块实现光路转折，然后进入激光接收模块，所述激光接收模块通过线路与信号控制与处理模块的接收端口进行信息反馈，所述信号控制与处理模块对激光接收模块反馈的信号进行处理，分析计算激光往返的时间，所述信号控制与处理模块的输出端口通过线路与激光发射模块和光路偏转模块控制连接。

进一步，所述激光雷达包括但不限于一组激光发射模块和激光接收模块，可根据需要设置成两组，三组，四组或者更多组，当设置成四组及四组以内时，可按十字水平分布在光路偏转模块的反射镜四周，两两呈90°或者180°。

更进一步，所述第二伺服电机顶部的输出端口对接安装有第二垂直轴，所述第二垂直轴顶部对接端头安装有第一锥齿轮，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动，

所述第二伺服电机与信号控制与处理模块的输入端口进行信号反馈，所述第二锥齿轮固定安装在水平轴上，所述水平轴安装在立柱的内侧端面，所述水平轴与立柱的对接端部安装有轴承，反射镜安装在水平轴的中心，所述第二垂直轴与所述水平轴正交，交点为反射镜的中心。

更进一步，所述两组立柱竖直安装在圆环上，且以圆环圆心呈中心对称结构分布，所述圆环包括但不限于通过螺栓同步固定安装在第一齿轮的上端面，并与齿轮共轴线，所述第一齿轮通过轴承安装在第二垂直轴上。

更进一步，所述第一齿轮与第二齿轮传动啮合，所述第二齿轮固定安装在第一垂直轴的一端，所述第一垂直轴与第一伺服电机的输出端口传动对接，所述第一伺服电机与信号控制与处理模块的输入端口进行信号反馈。

更进一步，所述第一垂直轴和第二垂直轴轴身一端通过轴承安装在固定板上，所述第一垂直轴和第二垂直轴上分别安装有第一绝对位置编码器和第二绝对位置编码器，所述第一绝对位置编码器和第二绝对位置编码器分别与信号控制与处理模块的接收端口进行信号反馈。

本发明的目的在于提出一种可用于激光雷达的二维闭环连续旋转扫描装置和一种双面反射镜，克服现有技术中存在的扫瞄镜的摆动延时以及视场角较小的问题，激光接收模块和信号处理模块，激光出射模块用于发射激光束，上述二维旋转扫描装置设置在激光出射模块的下游，以接收并通过安装在正交双轴中心的反射镜的二维旋转来反射激光束从而射出该激光雷达，激光接收模块用于接收经目标反射回的微弱激光，而后经过信号处理模块，计算得出目标相对距离。

附图说明

图1为本发明一种正交双轴二维闭环连续旋转扫描装置的结构示意图。

图2为本发明一种正交双轴、二维闭环连续扫描激光雷达示意图。

图3为本发明一种正交双轴、二维闭环连续旋转扫描装置的激光雷达的系统运行流程图。

附图标记列表：11为第一齿轮、12为第二齿轮、13为第一锥齿轮、14为第二锥齿轮、15为立柱、16为水平轴承、17为水平轴、18为第二垂直轴、19为第一伺服电机、20为第二伺服电机、21为第一绝对位置编码器、22为第二绝对值编码器、23为反射镜、24为垂直轴承、25为第一垂直轴；

111为激光发射模块、112为光路偏转模块、113为激光接收模块、114为信号控制与处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1、图2和图3所示，一种正交双轴二维闭环连续旋转扫描装置和包括其的激光雷达，其特征是：激光发射模块111发射的探测激光束经过光路偏转模块112使光路偏转至激光雷达周围空间，经障碍物反射后的回波光束通过光路偏转模块112实现光路转折，然后进入激光接收模块113，所述激光接收模块113通过线路与信号控制与处理模块114的接收端口进行信息反馈，所述信号控制与处理模块114对激光接收模块113反馈的信号进行处理，分析计算激光往返的时间，所述信号控制与处理模块114的输出端口通过线路与激光发射模块111和光路偏转模块112控制连接。

如图1和图2所示，所述激光雷达包括但不限于一组激光发射模块111和激光接收模块113，可根据需要设置成两组，三组，四组或者更多组，当设置成四组及四组以内时，可按十字水平分布在光路偏转模块112的反射镜四周，两两呈90°或者180°。

如图1和图2所示，第二伺服电机20与信号控制与处理模块114的输入端口进行信号反馈，所述第二锥齿轮14固定安装在水平轴17上，所述水平轴17安装在立柱15的内侧端面，所述水平轴17与立柱15的对接端部安装有轴承24，反射镜23安装在水平轴17的中心，所述第二垂直轴18与所述水平轴17正交，交点为反射镜23的中心；

第二伺服电机20顶部的输出端口对接安装有第二垂直轴18，所述第二垂直轴18顶部对接端头安装有第一锥齿轮13，所述第一锥齿轮13与第二锥齿轮14啮合传动。

如图所示，所述两组立柱15竖直安装在圆环上，且以圆环圆心呈中心对称结构分布，所述圆环包括但不限于通过螺栓同步固定安装在第一齿轮11的上端面，并与齿轮11共轴线，所述第一齿轮通过轴承16安装在第二垂直轴18上。

如图所示，所述第一齿轮11与第二齿轮12传动啮合，所述第二齿轮12固定安装在第一垂直轴25的一端，所述第一垂直轴25与第一伺服电机19的输出端口传动对接，所述第一伺服电机19与信号控制与处理模块114的输入端口进行信号反馈。

如图所示，所述第一垂直轴25和第二垂直轴18轴身一端通过轴承安装在固定板上，所述第一垂直轴25和第二垂直轴18上分别安装有第一绝对位置编码器21和第二绝对位置编码器22，所述第一绝对位置编码器21和第二绝对位置编码器22分别与信号控制与处理模块114的接收端口进行信号反馈。

综上所述：本发明齿轮传动与激光技术相结合、二维正交的双轴同时旋转结构的一个实施例，其可用于激光雷达的光路偏转模块，连接激光发射端和接收端，激光束出射后的空间可分为水平和垂直两个方向，本例中用方向h和方向v表示。

第一齿轮11与第二齿轮12啮合，并由第一伺服电机19驱动绕轴线1转动，立柱15安装在第一齿轮11上并与第一齿轮11共轴于轴线，随着第一齿轮11的转动而转动，水平轴17安装在立柱15上，并通过垂直轴承24连接，其所在轴线2与轴线1保持垂直相交，反射镜23安装在水平轴17的中心，反射镜23的其中两个对称面的中心连线与轴线2共线，这样随着第一伺服电机19的驱动，反射镜23可绕轴线1进行方向h的360°旋转。

第二垂直轴18与第一齿轮11之间由水平轴承16连接，三者共轴于轴线，并由第二伺服电机20驱动沿轴线方向转动，第一锥齿轮13安装在第二垂直轴18的一端，并与第二锥齿轮14啮合，第二锥齿轮14固定安装在水平轴17上，通过第二伺服电机20的驱动，经过第二垂直轴18将运动传递给反射镜，使其绕轴线2进行方向v的360°旋转。

第二绝对位置编码器22安装在轴18上，对第二伺服电机20的转动绝对位置和相位实时补偿和控制，并记录每一时刻的第二伺服电机20转动量反馈到信号控制与处理模块114，第一绝对位置编码器21安装在第二垂直轴25上，对第一伺服电机19的转动绝对位置和相位实时补偿和控制，并记录每一时刻的第一伺服电机19的转动量反馈到信号控制与处理模块。

综上所述，通过控制两个伺服电机的不同旋转速度能够使激光束在视场范围内任意位置可达。

图2所示为本发明的一个激光雷达实施例。激光发射模块111，图示为1个，总共可设置4个，其中方向h和方向v各2个，对称排布；图1所示光路偏转模块112，实现激光束的方向偏转以及障碍物反射的回波光束的转折；激光接收模块113，用于接收112转折反射回的激光；信号控制与处理模块114，分析计算激光往返的时间得到物体相对激光雷达原点的距离。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。