一种四面旋转镜激光雷达的制作方法

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种四面旋转镜激光雷达。

背景技术：

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

现有的激光雷达为了保持精度和测量范围，通常采用较为复杂的设计，如激光发射器与激光接收器分离式设计，在激光发射器的激光发射光路与激光接收器的激光接收光路上使用多个反射装置或者聚光装置，采用较为复杂的旋转装置等等，但是这类激光雷达发射的激光光路数量与激光发射器的数量相同，并且因为所有光电部件都需要旋转，其探测可靠性不高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种四面旋转镜激光雷达，其能够解决上述技术问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种四面旋转镜激光雷达，其包括机壳，所述机壳内设置有第一收发装置、第一反射装置、四面旋转镜和主电路；

所述第一收发装置包括第一激光发射组件和第一光电探测组件，所述第一激光发射组件和所述第一光电探测组件分别与所述主电路连接；

所述第一反射装置设置在所述第一激光发射组件的激光发射光路上；所述第一反射装置包括一个或多个第一透镜以及一个或多个第一反射板，所述第一反射板用于将所述第一激光发射组件发出的所述激光信号进行反射，所述第一透镜用于将所述激光信号进行平行准直，并将平行准直后的激光信号反射到所述四面旋转镜上，并由所述四面旋转镜将所述激光信号反射到所述目标物体上；

所述四面旋转镜通过预设俯仰角将所述激光信号的数量进行扩大。

进一步地，所述机壳内还设置有隔板，所述隔板将所述第一收发装置、所述第一反射装置以及所述四面旋转镜均隔成上下两层。

进一步地，所述壳体内还包括第二收发装置和第二反射装置，所述第二收发装置与所述主电路连接；

所述第二收发装置通过所述四面旋转镜与所述第一收发装置对称设置，所述第二收发装置包括第二激光发射组件和第二光电探测组件；

所述第二反射装置设置在所述第二激光发射组件的激光发射光路上，且所述第二反射装置通过所述四面旋转镜与所述第一反射装置对称设置，所述第二反射装置包括一个或多个第二透镜以及一个或多个第二反射板。

进一步地，所述第一激光发射组件和所述第一光电探测组件连接，且所述第一激光发射组件设置于所述隔板的一面，所述第一光电探测组件设置于所述隔板的另一面。

进一步地，所述第二激光发射组件和所述第二光电探测组件连接，且所述第二激光发射组件设置于所述隔板的一面，所述第二光电探测组件设置于所述隔板的另一面。

进一步地，所述第一激光发射组件包括多个第一激光器，所述多个第一激光器构成第一激光阵列，所述第一激光发射组件用于向目标物体发射激光信号；所述第一光电探测组件包括多个第一光电探测器，所述多个第一光电探测器构成第一探测阵列，所述第一光电探测组件用于接收所述目标物体反射的激光回波信号。

进一步地，所述第二激光发射组件包括多个第二激光器，所述多个第二激光器构成第二激光阵列，所述第二激光发射组件用于向目标物体发射激光信号；所述第二光电探测组件包括多个第二光电探测器，所述多个第二光电探测器构成第二探测阵列，所述第二光电探测组件用于接收所述目标物体反射的激光回波信号。

进一步地，所述第一激光器的数量与所述第一光电探测器的数量相同。

进一步地，所述第二激光器的数量与所述第二光电探测器的数量相同。

进一步地，所述机壳上还设置有电源接口和通信接口，所述电源接口用于给所述第一收发装置和所述主电路供电，所述通信接口用于传输所述第一收发装置的数据信息。

本实用新型实施例通过带有预设俯仰角的四面旋转镜可以将第一激光发射组件发出的激光信号的数量进行扩大四倍，从而能够发射出更多的激光信号，提高了探测的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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。

图1为本实用新型实施例提供的一种四面旋转镜激光雷达内部立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的四面旋转镜扫描的几何光学示意图；

图3为本实用新型实施例提供的四面旋转镜反射面不加俯仰角的四面旋转镜的扫描线示意图；

图4为本实用新型实施例提供的四面旋转镜反射面俯仰角的仿真结果示意图；

图5为本实用新型实施例提供的左右对称的扫描仿真结果示意图；

图6为本实用新型实施例提供的左右对称设计的四面旋转镜激光雷达俯视图；

图7为本实用新型实施例提供的左右对称设计的四面旋转镜激光雷达正视图；

图8为本实用新型实施例提供的四面旋转镜激光雷达光路原理图。

图标：

10-第一收发装置；20-第一反射装置；30-四面旋转镜；40-第二收发装置；50-第二反射装置；60-机壳；70-主电路板；80-光学窗口；90-隔板；101-第一激光发射组件；102-第一光电探测组件；201-第一透镜；202-第一反射板；401-第二激光发射组件；402-第二光电探测组件；501-第二透镜；502-第二反射板；1011-第一激光器；1021-第一光电探测器；4011-第二激光器；4021-第二光电探测器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第二”、“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。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”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。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

激光雷达通过内部的激光发射器向目标物体发射激光信号，图1为本实用新型实施例提供的一种四面旋转镜激光雷达内部立体结构示意图，如图1所示，四面旋转镜激光雷达包括机壳，在机壳内部设置有第一收发装置10、第一反射装置20、四面旋转镜30和主电路。应当说明的是，机壳和主电路并未在图1中示出。

其中，第一收发装置10包括第一激光发射组件101和第一光电探测组件102，且第一激光发射组件101和第一光电探测组件102均与主电路连接，应当说明的是，其连接方式可以为点连接。主电路主要用于对第一激光发射组件101和第一光电探测组件102进行控制及内部的处理运算，控制第一激光发射组件101进行发射激光信号，以及控制第一光电探测组件102接收激光回波信号。例如：主电路可以控制第一激光发射组件101按照预设时间间隔或者连续发射激光信号。

第一反射装置20包括一个或多个第一透镜201以及一个或多个第一反射板202。由图1可知，第一反射装置20设置在第一激光发射组件101的激光发射光路上，图1中示出了两个第一反射板202，与第一激光发射组件101距离最近的那个第一反射板202可以根据内部结构以及第一激光发射组件101的类型进行删减。比如：当使用边缘出光的第一激光发射组件101时，应当使用该第一反射板202，而使用垂直入射的第一激光发射组件101时，就可以不使用该第一反射板202。由此可知，具体选用几个第一反射板可以根据实际情况进行确定，只要能够将激光信号发射到四面旋转镜30要求的位置即可。

由于激光信号是从结构比较紧凑的第一激光发射组件101发出的，因此可以近似看做是从一个点发出，在射到四面旋转镜上时并不是平行光，需要通过第一透镜201将激光信号进行平行化，然后将平行化的激光信号射向四面旋转镜，四面旋转镜再将激光信号反射到目标物体上。由于四个反射面的俯仰角分布间距相等，且为128线垂直方向角度分辨率的一半，因此能够将原来32线的角度分辨率提高四倍。

本实用新型实施例通过带有预设俯仰角的四面旋转镜可以将第一激光发射组件发出的激光信号的数量进行扩大四倍，从而能够发射出更多的激光信号，提高了探测的可靠性。

将激光信号的数量扩大4倍的具体原理如下：

通过MATLAB建立一个包含四面旋转镜的各种角度，以及入射光的各种角度等参数的数学模型。

图2为本实用新型实施例提供的四面旋转镜扫描的几何光学示意图，如图2所示，各个参数意义为：

坐标系：X向上，Y向右，Z向前。四面旋转镜的中心为坐标原点。

A0：当四面旋转镜处在45°时其中心的位置，也是第一透镜光轴与镜片的交点。A：当四面旋转镜转动，A0转到A，OA＝OA0＝r＝28.28mm。θ：四面旋转镜水平转动的角度，在A0零位置时θ＝45°。四面旋转镜的俯仰角，这个角度很小，四面旋转镜的俯仰角都不一样，对入射光产生隔行扫描的作用。M：第一透镜的几何中心，所有的激光信号中心都经过M，M在原点左边41mm处。LD：激光发射点。M-LD距离为焦距f＝79mm。a：LD在焦平面上的水平坐标。b：LD在焦平面上的垂直坐标。α：M-LD在水平面投影与Y轴夹角。β：M-LD与水平面的夹角。N：入射光与反射面的交点。M2：M在反射板的对称点。反射后的光线为矢量M2->N。

下面利用空间几何计算：

设P为反射面上任意一点，反射面的方程为：

dot(A,P)＝r²

矢量M->LD为：

MLD＝[-b,-f,0]

M->LD在OA上的投影为：

dot(MLD,A)*A/r²

因此反射线的矢量为：

M2的坐标为：

用MATLAB仿真当四面旋转镜的俯仰角时(即都平行于垂直转轴)，θ从80°到10°扫描曲线，图3为本实用新型实施例提供的不加俯仰角的四面旋转镜的扫描线示意图，如图3所示，一共32条扫描线，均匀分布在±15°的视场内。

但是，在仿真过程中，对四面旋转镜增加预设俯仰角，这一俯仰角就是与旋转镜的转轴的夹角。由于旋转镜上的反射面会对入射激光产生镜面效应，并由相对于水平面对称的方向反射出去。当镜面存在一个轻微的俯仰角时，就使得反射出去的激光也发生俯仰角的偏转。每一面反射镜的俯仰角不同，就产生不同俯仰角的激光，当这四面反射镜绕轴旋转时，就会产生不同俯仰角的扫描轨迹。仿真结果中由原来的32条线变成了128条线，图4为本实用新型实施例提供的增加俯仰角的仿真结果示意图，如图4所示，扫描线在仿真结果的左侧很均匀的分布，但是到了右侧，每相邻的四条扫描线就汇聚在一起了变成32线。这是因为当四面旋转镜顺时针转动时，从面对入射光的方向，到逐渐远离并与入射的光束接近平行时，四面旋转镜的俯仰角效应逐渐消失。可以理解的是，上述的扫描线可以理解为激光信号。

但是从图4也可以看出，左右侧的扫描线不对称，为了克服这个问题，可以在机壳内部设置第二收发装置40和第二反射装置50，如图1所示，第二收发装置40和第二反射装置50位于四面旋转镜的另一侧，第二收发装置40与第一收发装置10相对于四面旋转镜的中轴线对称，第二反射装置50与第一反射装置20相对于四面旋转镜的中轴线对称。第二收发装置中包括第二激光发射组件401和第二光电探测组件402，第二激光发射组件401和第二光电探测组件402均与主电路连接。应当说明的是，第二激光发射组件401与第一激光发射组件101的工作原理相同，第二光电探测组件402与第一光电探测组件102的工作原理相同，此处不再赘述。

第二反射装置50设置在第二激光发射组件401的激光发射光路上，用于对第二激光发射组件401发射的激光信号进行反射，使其能够以平行光照射在目标物体上。应当说明的是，第二反射装置50也设置在四面旋转镜的另一侧，与第一反射装置20通过四面旋转镜的中轴线对称设置。并且第二反射装置50中包括一个或多个第二透镜501以及一个或多个第二反射板502。可以理解的是，第二透镜501和第二反射板502的工作原理与对应的第一透镜201和第一反射板202相同，此处不再赘述。

通过在四面旋转镜的左右两侧均设置一组光路后，使得扫描线交叉，通过仿真可以获得较为理想的扫描图，图5为本实用新型实施例提供的左右对称的扫描仿真结果示意图，如图5所示，从图5中可以看出，在水平视场的两侧，还是存在从另一侧过来的光束的扫描轨迹汇聚的现象，但是视场的中间部分扫描线非常均匀的排列在一起，角度分辨率达到了0.25°。

本实用新型实施例通过在四面旋转镜的两侧对称设置第一收发装置和第二收发装置以及对称设置第一反射装置和第二反射装置，从而能够得到较为平行的激光信号，提高了角度分辨率。

图6为本实用新型实施例提供的四面旋转镜激光雷达俯视图，图7为本实用新型实施例提供的左右对称设计的四面旋转镜激光雷达正视图，如图6和图7所示，在第一激光发射组件101上设置有16个第一激光器1011，在第二激光发射组件401上设置有16个第二激光发射器4011，第一激光器1011和第二激光器4011可以排成一列矩阵，也可以排成2列矩阵然后交错设置，还可以按照其他方式进行排列，本实用新型实施例对此不作具体限定。同样的，在第一光电探测组件102上设置有16个第一光电探测器1021，在第二光电探测组件402上设置有16个第二光电探测器4021，第一光电探测器1021和第二光电探测器4021可以排成一列矩阵，也可以排成2列矩阵然后交错设置，还可以按照其他方式进行排列，本实用新型实施例对此不作具体限定。但是第一光电探测器1021的排列方式应当与第一激光器1011的排列方式一致，且第二光电探测器4021与第一光电探测器1021的排列方式一致。另外，图6中还可以包括有机壳60、主电路板70和光学窗口80，激光信号通过光学窗口80发射出去，并射向目标物体，且激光回波信号也通过光学窗口80射入激光雷达内部，使得第一光电探测器和第二光电探测器接收。

图8为本实用新型实施例提供的四面旋转镜激光雷达光路折射图，如图8所示，通过16个第一激光器1011和16个第二激光器4011在垂直视场内形成32条水平激光信号，然后再通过带有倾角的四面旋转镜30变换成4*32条激光信号，并发射出去。在遇到目标物体时，有一部分激光回波信号按照原路返回，经过第一反射装置20和/或第二反射装置50进行反射，然后被第一光电探测组件101和/或第二光电探测组件402接收。

应当说明的是，第一激光器1011的数量与第一光电探测器1021的数量相同，第二激光器4011的数量与第二光电探测器4021的数量相同，且具体数量可以根据实际情况进行调整。

在上述实施例的基础上，在机壳内部还设置有隔板90，隔板90将第一收发装置10、第一反射装置20以及四面旋转镜30均分割成了上下两层，且上层与下层通过隔板90对称，第一激光发射组件101可以设置在上层，第一光电探测组件102可以设置在与第一激光发射组件101对称的下层位置。此时，可以实现隔板90上层用于传输发射激光信号，隔板90下层用于传输激光回波信号，使得激光信号和激光回波信号互不干扰。

同样的，对于左右对称的情况，隔板90将第二收发装置40、第一反射装置50均分割成了上下两层，且上层与下层通过隔板90对称，第二激光发射组件401可以设置在上层，第二光电探测组件402可以设置在与第二激光发射组件401对称的下层位置。此时，可以实现隔板90上层用于传输发射激光信号，隔板90下层用于传输激光回波信号，使得激光信号和激光回波信号互不干扰。

在上述实施例的基础上，所述机壳上还设置有电源接口和通信接口，所述电源接口用于给所述第一收发装置和所述主电路供电，其中，电源接口可以是USB接口，也可以是其他充电接口，本实用新型实施例对此不作具体限定。且应当说明的是，若四面旋转镜激光雷达中包括上述实施例中的第二收发装置时，电源接口还可以为第二收发装置进行充电。所述通信接口与主电路连接，当第一收发装置获取到数据信息后，将数据信息发送至主电路，由主电路进行相应的运算，可以理解的是，主电路中的内部结构与现有技术中的激光雷达的电路结构一致，并不是本实用新型实施例要保护的内容。主电路可以将接收到的第一收发装置测得的数据信息发送至服务器等设备上。应当说明的是，若四面旋转镜激光雷达中包括上述实施例中的第二收发装置，则通信模块还可以将第二收发装置测得的数据信息进行传输。

本实用新型实施例通过带有预设俯仰角的四面旋转镜可以将第一激光发射组件发出的激光信号的数量进行扩大四倍，从而能够发射出更多的激光信号，提高了探测的可靠性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。