用于激光雷达系统的扫描装置及方法与流程

1.本发明涉及光电探测技术领域，具体而言涉及一种用于激光雷达系统的扫描装置及方法。


背景技术：

2.扫描装置是激光雷达系统的核心部件，现有技术通过将激光雷达系统中的激光测距模块发出的激光反射至不同方向，实现不同方向的距离测量，但是受制于扫描结构的限制，无法实现全角度扫描，扫描范围受限。
3.现有专利号为cn2021211393211的激光雷达，通过在壳体与转子之间设置导热组件，以温度传感器采集转子内部温度，经控制器实时调节导热组件进行导热，实现激光雷达根据温度变化自动调节散热；但激光雷达在工作的过程中如果受到撞击或遭遇颠簸，会导致转子在旋转扫描时与连接在驱动装置上的导热片发生干涉，造成无法扫描或扫描范围受限的情况发生。
4.现有专利号为cn2021110662304的扫描装置及激光雷达系统，通过将反射镜安装在位于顶部的固定板上，在扫描筒体工作时容易产生抖动，导致装置稳定性差，影响雷达扫描的效果，且扫描产生的点云数据仅在一个水平面上，无法得到其他扫描角度的数据信息。
5.而如何在低成本的条件下，解决现有激光雷达扫描装置的扫描范围受限的技术问题，是目前急需解决的难题。


技术实现要素：

6.根据本发明目的的第一方面，提供一种用于激光雷达系统的扫描装置，包括：单线激光测距模块，用于向静态反光镜发射激光以及接收回波光，所述静态反光镜被固定并设置斜面角度，通过斜面角度反射激光和回波光；动态反光镜，用于动态调整反射来自所述静态反光镜反射的激光和回波光的角度，形成多角度扫描状态；动态连接杆，用于控制所述动态反光镜的反射角度的动态调整，使得发射的所述激光在目标检测物的垂直方向，扩大扫描范围；其中，所述多角度扫描是根据所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的不同位置而分别形成的水平角度扫描、第一极限角度扫描和第二极限角度扫描：当所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的中间时，所述激光在目标检测物的扫描为水平角度扫描；当所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的底部时，所述激光在目标检测物的扫描为第一极限角度扫描；当所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的顶部时，所述激光在目标检测物的扫描为第二极限角度扫描。
7.进一步地，所述动态连接杆的上端与所述动态反光镜反面滑槽连接，所述动态连接杆的下端与电机运动模块连接。
8.进一步地，所述电机运动模块设置于雷达外筒内，所述电机运动模块内部设置齿条与所述动态连接杆的下端固连；所述电机运动模块通过齿轮传动控制所述动态连接杆进行竖直运动。
9.进一步地，所述电机运动模块还与静态连接杆的下端固连，所述静态连接杆的上端与所述动态反光镜的背部铰接。
10.进一步地，所述动态反光镜的背部内嵌有所述动态反光镜反面滑槽，所述动态反光镜反面滑槽用于满足所述动态连接杆的竖直运动，使得所述动态反光镜产生倾角摆动。
11.进一步地，所述动态反光镜与所述静态反光镜的斜面上均镀有反射膜，以反射所述激光和回波光。
12.进一步地，所述静态反光镜的斜面角度设置为45
°
。
13.进一步地，所述静态反光镜设置于雷达外筒内，所述静态反光镜通过固定于所述雷达外筒内的静态反光镜固定件进行位置固定；其中，所述静态反光镜固定件内部设置有配重，通过所述配重固定所述静态反光镜的位置。
14.根据本发明目的的第二方面，提供一种用于激光雷达系统的扫描方法，包括以下步骤：步骤1、将目标检测物放置于雷达外筒外的检测位置上，开启单线激光测距模块，向静态反光镜发射激光，并通过所述静态反光镜的斜面角度反射所述激光至动态反光镜上；步骤2、利用电机运动模块控制动态连接杆在动态反光镜反面滑槽内进行竖直运动，以动态调整动态反光镜的反射角度，获得对所述目标检测物的多角度扫描检测，其中：当所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的中间时，所述激光在目标检测物的扫描为水平角度扫描；当所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的底部时，所述激光在目标检测物的扫描为第一极限角度扫描；当所述动态连接杆的上端位于所述动态反光镜背部的动态反光镜反面滑槽的顶部时，所述激光在目标检测物的扫描为第二极限角度扫描。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：1、利用镜面反射的原理，为固定激光源发射的激光束提供了旋转的水平自由度，并结合动态连接杆的推拉往复运动实现了镜面的倾角摆动，通过反射镜在垂直方向上扩大了扫描的范围；2、电机运动模块和动、静态连接杆，以及动态反光镜周围没有其它的构件，留出足够的安全余量，即使激光雷达受到冲击或者遭遇颠簸时，也不会与其它构件产生运动干涉，提高了安全性和耐久性；3、扫描装置选用固定光源，只需要调整动态反光镜反面滑槽长度以及动态连接杆的推拉行程，就能实现垂向扫描范围的扩展，以获得良好的扩展性。
16.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这
样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
17.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
18.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。
19.图1是本发明所示的水平角度扫描示意图；图2是本发明所示的第一极限角度扫描示意图；图3是本发明所示的第二极限角度扫描示意图；图中：100、单线激光测距模块，200、静态反光镜，201、静态反光镜固定件，300、动态反光镜，301、动态连接杆，302、静态连接杆，303、动态反光镜反面滑槽，304、电机运动模块，m、雷达外筒。
具体实施方式
20.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
21.在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
22.机械激光雷达价格昂贵，性能提升需要增加收发模块以实现高线束，导致成本高、体积大、量产困难、光路调试装配复杂、生产周期漫长的问题，且机械激光雷达系统的机械旋转部件在行车环境下可靠性不高，内部构件易受外部影响产生碰撞干涉，影响雷达系统的使用寿命，本发明通过提供一种用于激光雷达系统的扫描装置，实现低成本、小体积、光路调试装配简化、内部构件不会受外部影响产生运动干涉的效果。
23.结合图1~3所示的本发明示例性实施例的用于激光雷达系统的扫描装置，包括雷达外筒m、单线激光测距模块100、静态反光镜200、静态反光镜固定件201、动态反光镜300、动态连接杆301、静态连接杆302、动态反光镜反面滑槽303以及电机运动模块304。
24.在本发明的实施例中，单线激光测距模块100、静态反光镜200、静态反光镜固定件201、动态反光镜300、动态连接杆301、静态连接杆302、动态反光镜反面滑槽303和电机运动模块304均设置于雷达外筒m内，雷达外筒m通过内部固件固连上述组件结构，为动态反光镜300留出安全余量，避免与其他构件产生运动干涉，保障动态反光镜300的角度姿势安全调整，再通过外部固件与激光雷达系统的连接件固连，防止激光雷达系统受到冲击或遭遇颠簸发生组件损坏的情况，提高扫描装置的结构耐久性。
25.作为可选的实施例，雷达外筒m的材料选择广泛，例如玻璃纤维、树脂基体，以用于
抵抗强光、防尘防水、防腐蚀，规避外界干扰，保证稳定的扫描检测环境。
26.作为可选的实施例，雷达外筒m可通过套紧件与激光雷达系统的连接件固连。
27.作为可选的实施例，雷达外筒m还可通过螺栓、密封防水层与激光雷达系统的连接件相连。
28.作为可选的实施例，雷达外筒m的内部固件可设置为螺栓结构、铰接结构或一体式结构。
29.在一种实施方式中，雷达外筒m与激光雷达系统的连接处设置有旋转器，该旋转器的两端分别插接激光雷达系统的光纤和单线激光测距模块100、电机运动模块304的光纤，建立可靠的光纤信号传输通道，避免装置短路产生信号失效的问题。
30.在另一种实施方式中，雷达外筒m与激光雷达系统的连接通道内可设置有光纤线材，激光雷达系统通过光纤线材与单线激光测距模块100、电机运动模块304直接连接，建立光纤信号传输通道，以便于激光雷达系统对扫描装置的控制使用。
31.在本发明的实施例中，作为示例，单线激光测距模块100，用于向静态反光镜200发射激光以及接收回波光，静态反光镜200被固定并设置斜面角度，通过斜面角度反射激光和回波光。
32.在可选的实施例中，单线激光测距模块100发射的激光为固定激光源发射，通过镜面反射，为其提供旋转水平自由度。
33.在可选的实施例中，静态反光镜200的斜面角度固定为45
°
，以获得反射激光的最佳角度。
34.在可选的实施例中，静态反光镜200通过固定于雷达外筒m内的静态反光镜固定件201进行位置固定。
35.作为示例，静态反光镜固定件201内部设置有配重，通过配重固定静态反光镜200的位置。
36.在可选的实施例中，静态反光镜固定件201内设置的配重可通过增加阻力臂和阻力矩的方式实现静态反光镜200的动平衡，以达到固定目的。
37.在可选的实施例中，静态反光镜固定件201内设置的配重还可通过焊接的方式实现对静态反光镜200的固定。
38.需要说明的是，本发明实施例中单线激光测距模块100发射固定激光源至静态反光镜200上的斜面角度，实现光束的反射，避免了现有机械激光雷达扫描装置增加收发模块提升高线束的性能问题，简化光路调试流程，降低了成本，减小了体积。
39.进一步地，本发明实施例还通过动态反光镜300动态调整反射来自静态反光镜200反射的激光和回波光的角度，形成多角度扫描，以提升机械激光雷达扫描装置的高线束性能。
40.其中，多角度扫描是根据动态连接杆301的上端位于动态反光镜300背部的动态反光镜反面滑槽303的不同位置而分别形成的水平角度扫描、第一极限角度扫描和第二极限角度扫描：动态连接杆301的下端与电机运动模块304内部设置的齿条固连，而动态连接杆301的上端与动态反光镜反面滑槽303连接，动态反光镜反面滑槽303内嵌于动态反光镜300的背部，开启电机运动模块304后，电机带动齿条运动，齿条带动动态连接杆301的上端在动
态反光镜反面滑槽303内进行竖直运动，使得动态反光镜300产生倾角摆动，即形成水平角度扫描、第一极限角度扫描和第二极限角度扫描。
41.作为示例，参照图1，动态连接杆301的上端位于动态反光镜300背部的动态反光镜反面滑槽303的中间处，动态反光镜300与水平面夹角为45
°
，激光在目标检测物的扫描方向呈水平方向，即为水平角度扫描，该扫描状态为激光雷达系统的默认扫描状态。
42.在一种实施方式中，当扫描范围受限后，可通过激光雷达系统中的主控模块控制电机运动模块304开启正向运转，电机运动模块304带动齿条进行顺时针运动，齿条带动动态连接杆301的上端在动态反光镜反面滑槽303内向下滑动，直至滑至动态反光镜反面滑槽303的底部时，动态反光镜300与水平面夹角为30
°
，参照图2，激光在目标检测物的扫描角度为+15
°
，即为第一极限角度扫描。
43.在另一种实施方式中，主控模块还可控制电机运动模块304开启反向运转，电机运动模块304带动齿条进行逆时针运动，齿条带动动态连接杆301的上端在动态反光镜反面滑槽303内向上滑动，直至滑至动态反光镜反面滑槽303的顶部时，动态反光镜300与水平面夹角为60
°
，参照图3，激光在目标检测物的扫描角度为-15
°
，即为第二极限角度扫描。
44.作为示例，本发明实施例中的动态连接杆301通过控制动态反光镜300的反射角度的动态调整，使得发射的激光在目标检测物的垂直方向，扩大扫描范围。
45.作为可选的实施例，动态反光镜300产生的倾角摆动范围为30
°
~60
°
。
46.作为可选的实施例，动态反光镜300产生的倾角摆动为60
°
，以提高对目标检测物垂直方向的扫描角度。
47.作为可选的实施例，动态连接杆301与动态反光镜反面滑槽303的结构关系还可通过其他方式代替实现，例如：伸缩组件、旋转螺杆，并不以本实施例中的动态连接杆301做唯一限定方式。
48.需要说明的是，与动态连接杆301相连的电机运动模块304受主控模块控制，根据接收的指令执行相应的动作（例如：开启第一极限角度扫描或第二极限角度扫描），主控模块内搭载时序控制算法程序、波形算法程序、模拟信号转换和传输程序，可生成点云数据，以供客户端的便捷操作。
49.进一步地，电机运动模块304通过自身旋转带动齿条传动，控制动态连接杆301进行竖直运动，以动态调整动态反光镜300的扫描角度。
50.在可选的实施例中，电机运动模块304可360
°
水平旋转。
51.在可选的实施例中，电机运动模块304与静态连接杆302的下端固连，静态连接杆302的上端与动态反光镜300的背部铰接，以支持其绕固定连接点旋转。
52.在可选的实施例中，动态反光镜300与静态反光镜200的斜面上均镀有反射膜，以反射激光和回波光。
53.与现有技术相比，本发明实施例中的电机运动模块304和动态连接杆301、静态连接杆302以及动态反光镜300周围没有其它构件，留出足够的安全余量，即使激光雷达外部受到冲击或者遭遇颠簸时，也不会与其它构件产生运动干涉，提高了安全性和耐久性，降低了成本。
54.本发明的实施例中，针对激光雷达扫描装置扫描范围受限问题，还提出一种用于激光雷达系统的扫描方法，通过选用固定光源，调整动态反光镜反面滑槽303的长度以及动
态连接杆301的推拉行程，实现垂向扫描范围的扩展，并结合镜面反射原理，为固定激光源发射的激光束提供了旋转的水平自由度，通过动态连接杆301的推拉往复运动实现了镜面的倾角摆动，在垂直方向上扩大了扫描的范围。
55.结合图1~3所示，本发明的实施例还公开了一种用于激光雷达系统的扫描方法，包括以下步骤：步骤1、将目标检测物放置于雷达外筒m外的检测位置上，开启单线激光测距模块100，向静态反光镜200发射激光，并通过静态反光镜200的斜面角度反射该激光至动态反光镜300上；步骤2、利用电机运动模块304控制动态连接杆301在动态反光镜反面滑槽303内进行竖直运动，以动态调整动态反光镜300的反射角度，获得对目标检测物的多角度扫描检测：当动态连接杆301的上端位于动态反光镜300背部的动态反光镜反面滑槽303的中间时，激光在目标检测物的扫描为水平角度扫描；当动态连接杆301的上端位于动态反光镜300背部的动态反光镜反面滑槽303的底部时，激光在目标检测物的扫描为第一极限角度扫描；当动态连接杆301的上端位于动态反光镜300背部的动态反光镜反面滑槽303的顶部时，激光在目标检测物的扫描为第二极限角度扫描。
56.虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

技术特征：
1.一种用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，包括：单线激光测距模块（100），用于向静态反光镜（200）发射激光以及接收回波光，所述静态反光镜（200）被固定并设置斜面角度，通过斜面角度反射激光和回波光；动态反光镜（300），用于动态调整反射来自所述静态反光镜（200）反射的激光和回波光的角度，形成多角度扫描；动态连接杆（301），用于控制所述动态反光镜（300）的反射角度的动态调整，使得发射的所述激光在目标检测物的垂直方向，扩大扫描范围；其中，所述多角度扫描是根据所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的不同位置而分别形成的水平角度扫描、第一极限角度扫描和第二极限角度扫描：当所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的中间时，所述激光在目标检测物的扫描为水平角度扫描；当所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的底部时，所述激光在目标检测物的扫描为第一极限角度扫描；当所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的顶部时，所述激光在目标检测物的扫描为第二极限角度扫描。2.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述动态连接杆（301）的上端与所述动态反光镜反面滑槽（303）连接，所述动态连接杆（301）的下端与电机运动模块（304）连接。3.根据权利要求2所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述电机运动模块（304）设置于雷达外筒（m）内，所述电机运动模块（304）内部设置齿条与所述动态连接杆（301）的下端固连；所述电机运动模块（304）通过齿条传动控制所述动态连接杆（301）进行竖直运动。4.根据权利要求3所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述电机运动模块（304）还与静态连接杆（302）的下端固连，所述静态连接杆（302）的上端与所述动态反光镜（300）的背部铰接。5.根据权利要求4所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述动态反光镜（300）的背部内嵌有所述动态反光镜反面滑槽（303），所述动态反光镜反面滑槽（303）用于满足所述动态连接杆（301）的竖直运动，使得所述动态反光镜（300）产生倾角摆动。6.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述动态反光镜（300）与所述静态反光镜（200）的斜面上均镀有反射膜，以反射所述激光和回波光。7.根据权利要求6所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述静态反光镜（200）的斜面角度设置为45
°
。8.根据权利要求7所述的用于激光雷达系统的扫描装置，其特征在于，所述静态反光镜（200）设置于雷达外筒（m）内，所述静态反光镜（200）通过固定于所述雷达外筒（m）内的静态反光镜固定件（201）进行位置固定；其中，所述静态反光镜固定件（201）内部设置有配重，通过所述配重固定所述静态反光镜（200）的位置。9.一种基于权利要求1~8中任意一项所述的用于激光雷达系统的扫描装置实现的扫描
方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将目标检测物放置于雷达外筒（m）外的检测位置上，开启单线激光测距模块（100），向静态反光镜（200）发射激光，并通过所述静态反光镜（200）的斜面角度反射所述激光至动态反光镜（300）上；步骤2、利用电机运动模块（304）控制动态连接杆（301）在动态反光镜反面滑槽（303）内进行竖直运动，以动态调整动态反光镜（300）的反射角度，获得对所述目标检测物的多角度扫描检测，其中：当所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的中间时，所述激光在目标检测物的扫描为水平角度扫描；当所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的底部时，所述激光在目标检测物的扫描为第一极限角度扫描；当所述动态连接杆（301）的上端位于所述动态反光镜（300）背部的动态反光镜反面滑槽（303）的顶部时，所述激光在目标检测物的扫描为第二极限角度扫描。

技术总结
本发明提供一种用于激光雷达系统的扫描装置及方法，该装置包括：单线激光测距模块，用于向静态反光镜发射激光以及接收回波光，静态反光镜被固定并设置斜面角度，通过斜面角度反射激光和回波光；动态反光镜，用于动态调整反射来自静态反光镜反射的激光和回波光的角度，形成多角度扫描状态；动态连接杆，用于控制动态反光镜的反射角度的动态调整，使得发射的激光在目标检测物的垂直方向，扩大扫描范围。本发明利用镜面反射的原理，为固定激光源发射的激光束提供了旋转的水平自由度，并结合动态连接杆的推拉往复运动实现了镜面的倾角摆动，在垂直方向上扩大了扫描范围。垂直方向上扩大了扫描范围。垂直方向上扩大了扫描范围。


技术研发人员：司徒桂平 殷德军
受保护的技术使用者：南京鸿照科技有限公司
技术研发日：2023.09.08
技术公布日：2023/10/15