一种激光雷达多通道数据传输方法、激光雷达及其应用与流程

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达多通道数据传输方法、激光雷达及其应用。

背景技术：

现有激光雷达系统的数据传输模块，包括一个位于测距旋转部的发射端和一个位于固定部的接收端(一发送、一接收)，承担着雷达的旋转部分与固定部分之间的数据通信的功能。

随着TOF(Time of Flight，飞行时间)测距技术越来越成熟，多线TOF激光雷达的采样频率更高，扫描速度更快，激光雷达测距旋转部与固定部的数据传输量也随之增大，现有的单通道数据传输已无法满足要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种激光雷达多通道数据传输方法、激光雷达及其应用，旨在解决现有的激光雷达系统单通道数据传输方式无法满足数据传输量较大的情形。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种激光雷达多通道数据传输方法，包括步骤：

步骤S1、将测量数据调制转换为N路标准的第一电脉冲信号，N为2以上的整数；

步骤S2、将N路所述第一电脉冲信号分别驱动不同发光波长的发光组件，得到N路波长不同的光脉冲信号；并将N路波长不同的所述光脉冲信号过滤，得到N路相互分离的光脉冲信号；其中，过滤的方法为，采用N个中心波长不同的窄带滤光组件将光脉冲信号进行过滤；

步骤S3、将N路相互分离的光脉冲信号对应转换为N路标准的第二电脉冲信号；

步骤S4、将N路所述第二电脉冲信号调制转换合并成测量数据。

进一步地，所述步骤S3中，通过N个峰值响应率波长不同的光电二极管，将N路相互分离的光脉冲信号对应转换为N路标准的第二电脉冲信号。

一种激光雷达，包括数据传输模块，所述数据传输模块包括：

第一调制转换单元，用于将测量数据调制转换为N路标准的第一电脉冲信号，N为2以上的整数；

电脉冲信号转换单元，将N路所述第一电脉冲信号分别驱动不同发光波长的发光组件，得到N路波长不同的光脉冲信号；并将N路波长不同的所述光脉冲信号过滤，得到N路相互分离的光脉冲信号；其中，过滤的方法为，采用N个中心波长不同的窄带滤光组件将光脉冲信号进行过滤；

光脉冲信号转换单元，用于将N路分离的光脉冲信号对应转换为N路标准的第二电脉冲信号；

第二调制转换单元，用于将N路所述第二电脉冲信号调制转换合并成测量数据。

进一步地，所述的激光雷达还包括：

测距模块，用于测量目标物的距离数据；

无线供电模块，用于位于旋转部的发射端和位于固定部的接收端之间的非接触能量传输；

电机驱动模块，用于驱动所述测距模块旋转，实现雷达的全向测量。

进一步地，目标物距离所述测距模块的距离采用TOF测距技术测量。

进一步地，所述无线供电模块为电磁感应式无线供电模块，所述电磁感应式无线供电模块的原副边线圈为上下叠放结构。

进一步地，所述电机驱动模块为中空式无刷直流电机。

一种如上所述的激光雷达的应用，将所述激光雷达用于服务机器人、无人机和AGV小车。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明将测量数据转换成N路电脉冲信号，然后再通过不同发光波长的发光组件将N路电脉冲信号对应转换为N路波长不同的光脉冲信号，数据信号得到传输后再将光脉冲信号转变为电脉冲信号并将测量数据还原。理论上增加一条通道便可以增加一倍的数据传输速率，因而本发明大大提升了数据传输效率，解决了现有技术当数据量过大时无法实时输出的问题，对于推动多线TOF激光雷达应用有一定的价值。

附图说明

图1是本发明的激光雷达多通道数据传输方法的流程图。

图2是本发明的多通道数据传输的原理图。

图3是本发明的测量数据在传输过程中的信号转换流程图。

图4是本发明的一种激光雷达实施例中，数据传输模块的结构图。

图5是本发明的另一种激光雷达实施例的模块结构图。

图6是TOF测距原理图。

图7是本发明的原边线圈和副边线圈改进前后的结构对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种激光雷达多通道数据传输方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1、将测量数据调制转换为N路标准的第一电脉冲信号，N为2以上的整数；

步骤S2、将N路所述第一电脉冲信号分别驱动不同发光波长的发光组件，得到N路波长不同的光脉冲信号；并将N路波长不同的所述光脉冲信号过滤，得到N路相互分离的光脉冲信号；其中，过滤的方法为，采用N个中心波长不同的窄带滤光组件将光脉冲信号进行过滤；

步骤S3、将N路相互分离的光脉冲信号对应转换为N路标准的第二电脉冲信号；

步骤S4、将N路所述第二电脉冲信号调制转换合并成测量数据。

本发明将测量数据转换成N路电脉冲信号，然后再通过不同发光波长的发光组件将N路电脉冲信号对应转换为N路波长不同的光脉冲信号，数据信号得到传输后再将光脉冲信号转变为电脉冲信号并将测量数据还原。理论上增加一条通道便可以增加一倍的数据传输速率，因而本发明解决了多线TOF激光雷达因数据量过大，无法实时输出的问题，对于推动多线TOF激光雷达应用有一定的价值。

本发明以4路(N＝4)传输通道为例对上述多通道数据传输方法进行详细解释,具体包括如下步骤：

(1)将测量数据调制转换为4路标准的第一电脉冲信号。具体是将测量数据分为4路待处理信号，然后经过信号调制，将待处理信号转换为4路标准的电脉冲信号。

(2)将4路第一电脉冲信号转换为4路波长不同的光脉冲信号。本步骤中，可通过电脉冲信号驱动发光组件得到光脉冲信号，优选LED灯，发射角大，覆盖的范围广。例如可以采用4路第一电脉冲信号驱动4个发光波长不同的LED灯，假定4个LED灯发出的光对应的波长分别为700nm(红)、530nm(绿)、480nm(蓝)、400nm(紫)，在4路第一电脉冲信号的分别激励下，4个LED灯分别发出对应波长的光脉冲信号。

然后将以上4路波长不同的光脉冲信号过滤，得到4路相互分离的光脉冲信号。原理如图2所示，采用4个窄带滤光片，将光脉冲信号进行过滤，4个窄带滤光片的中心波长分别700nm、530nm、480nm、400nm。例如，发光波长为700nm的LED灯发出的光可以覆盖4个窄带滤光片所在的范围，但只能通过中心波长为700nm的窄带滤光片；同理，其他波长的LED灯发出的光也只能通过相应的窄带滤光片，这样就得到了4路相互分离的光脉冲信号,4路光脉冲信号波长不等。

(3)将4路相互分离的光脉冲信号对应转换为4路标准的第二电脉冲信号。发射端光源(LED)是安装雷达测距旋转部分上，故数据传输模块在工作时，其发射光源是在旋转的，而接收端(包括滤光和光电转换部分)是固定不动的。在4个窄带滤光片下方分别设置4个具有相应的峰值响应率波长的光电二极管，将4路光脉冲信号转换为4路标准的第二电脉冲信号。例如700nm的LED灯发出的光脉冲信号可以通过中心波长为700nm的窄带滤光片，然后由峰值响应率波长为700nm的光电二极管转换为电脉冲信号。

(4)将4路所述第二电脉冲信号调制转换合并成测量数据，图3为本发明的多通道数据通信详细的工作流程示意图。

本发明还提供了一种激光雷达，其中，数据传输模块1如图4所示，具体的，数据传输模块包括：第一调制转换单元11，用于将测量数据调制转换为N路标准的第一电脉冲信号，N为2以上的整数；电脉冲信号转换单元12，用于将N路所述第一电脉冲信号转换为N路波长不同的光脉冲信号；并将N路波长不同的所述光脉冲信号过滤，得到N路分离的光脉冲信号，其中，过滤的方法为，采用N个中心波长不同的窄带滤光组件将光脉冲信号进行过滤；光脉冲信号转换单元13，用于将N路分离的光脉冲信号对应转换为N路标准的第二电脉冲信号；第二调制转换单元15，用于将N路所述第二电脉冲信号调制转换合并成测量数据。

进一步的，本发明提供了一种如图5所示的激光雷达，还包括测距模块2，用于测量目标物的距离数据；无线供电模块3，用于位于旋转部的发射端和位于固定部的接收端之间的非接触能量传输；电机驱动模块4，用于驱动所述测距模块旋转，实现雷达的全向测量。目标物距离所述测距模块的距离采用TOF测距技术测量。TOF测距技术是通过测量连续调制波光信号的相位差来计算往返时间t，再通过式(1)来计算距离的测距方法，其原理如图6所示。

公式中c为光速，约为3*10⁸m/s，连续调制波光信号由传感器光源发出，经被测物体反射后被传感器探测器接收，探测器根据多次累积得到光电子数计算出连续调制波光信号的相位变化，则传感器与被测物体的距离L可表示为：

其中，f为光信号调制频率，w是角频率且w＝2πf，是连续调制波光信号一个来回过程中产生的相位差。

本发明中，所述无线供电模块优先使用的是电磁感应式无线供电，适用于近距离传输，基于电磁感应原理，和变压器相似，利用原边线圈和副边线圈的感应耦合来传输能量。为了进一步减小激光雷达的整体体积，本发明对无线供电模块进行了改进，将现有技术的原副边线圈的内外结构(嵌套设置)改进为上下结构(叠放设置)，如图7所示。

本发明中，还对电机驱动模块进行了改进。以常规的无刷直流电机为基础，对转子的中心进行改进，将现有技术的输出轴，制作成空心状，从而为无线光数据传输提供光通道。

本发明还提供了上述激光雷达的应用，将其应用于服务机器人、无人机和AGV小车等智能设备上。

综上所述，本发明提供了一种激光雷达多通道数据传输方法、激光雷达及其应用。本发明将现有技术的激光雷达单通道传输数据改进为多通道传输数据，理论上增加一条通道便可以增加一倍的数据传输速率，大大提高了数据传输效率，解决了现有技术当数据量过大时无法实时输出的问题。并且本发明还对无线供电模块和电机驱动模块进行了改进，进一步减小了激光雷达的体积以及为为无线光数据传输提供光通道。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。