本發(fā)明涉及激光雷達(dá)掃描，具體涉及一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、激光雷達(dá)通過主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)并分析反射回來的信號(hào)，能夠精確測(cè)量物體的距離和速度等信息。這種高精度、高可靠的感知工具已經(jīng)在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航和工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

2、為了覆蓋更廣泛的區(qū)域以獲取更全面的物體信息，激光雷達(dá)系統(tǒng)通常包含一個(gè)掃描系統(tǒng)。掃描系統(tǒng)通過改變激光出射方向，使激光能夠向不同方向發(fā)射，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的掃描，從而獲取空間中物體的詳細(xì)信息。目前主流的mems振鏡可以實(shí)現(xiàn)高速掃描，但其結(jié)構(gòu)和工藝較為繁雜，且偏轉(zhuǎn)角度較小，一般需要搭配外圍光學(xué)器件來提升掃描范圍，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而以自身諧振頻率進(jìn)行大角度偏轉(zhuǎn)的諧振鏡由于掃描速度的不均勻性，在需要等角度采樣的場(chǎng)景中對(duì)調(diào)制信號(hào)的帶寬要求更高。高速多面轉(zhuǎn)鏡器件雖然可以實(shí)現(xiàn)大角度勻速掃描，但是其二維掃描需要搭配額外的掃描器件來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度大。因此，需要一種激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)解決以上問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，以解決激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在大角度掃描、可控角速度掃描以及二維掃描的復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的矛盾。

2、本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，包括：激光源、調(diào)制器、準(zhǔn)直系統(tǒng)和二維掃描組件，所述二維掃描組件包括：鏡架、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、兩個(gè)定制的異形齒輪部件、兩個(gè)連接桿，所述鏡架包括：反射鏡安裝面板、鏡架固定面板、球體部件、連接部件、反射鏡、固定部件。

4、所述激光源，用于產(chǎn)生激光。

5、所述調(diào)制器與所述激光源連接，用于對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制。

6、所述準(zhǔn)直系統(tǒng)與所述調(diào)制器相連接，用于對(duì)調(diào)制后的激光進(jìn)行準(zhǔn)直。

7、所述反射鏡安裝面板為一四周帶圓角的長方體結(jié)構(gòu)。所述反射鏡安裝面板正面有圓柱體凹槽，背面右下角有半球體凹槽，半球體凹槽正上方和正左方有安裝孔。所述反射鏡安裝面板的側(cè)面有安裝孔。

8、所述鏡架固定面板為一四周帶圓角的長方體結(jié)構(gòu)，用于固定所述鏡架以及連接所述反射鏡安裝面板。所述鏡架固定面板正面的左上角和右下角有圓柱體開孔。所述鏡架固定面板正面的上方和右方有圓柱體凸起用于支撐所述反射鏡安裝面板使所述鏡架固定面板和所述反射鏡安裝面板在平衡位置時(shí)保持平行。所述鏡架固定面板正面左下角有半球體凹槽，半球體凹槽中心與所述鏡架固定面板正面的左上角圓柱體開孔位于一條豎直線上，半球體凹槽中心與所述鏡架固定面板正面的右下角圓柱體開孔位于一條水平線上。所述半球體凹槽的正右方和正上方有安裝孔。

9、所述球體部件為鐵珠，夾于所述鏡架固定面板正面和所述反射鏡安裝面板背面上的所述半球體凹槽之間，作為所述反射鏡安裝面板偏轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。

10、所述連接部件具有拉伸回彈功能，一端安裝于所述反射鏡安裝面板背面的所述安裝孔中，另一端安裝于所述鏡架固定面板正面的安裝孔中，用于連接所述鏡架固定面板和所述反射鏡安裝面板。

11、所述反射鏡放置于所述反射鏡安裝面板正面的所述圓柱體凹槽中，與所述調(diào)制器相連，用于將所述調(diào)制器出射激光反射到空間中。

12、所述固定部件安裝在所述反射鏡安裝面板側(cè)面的所述安裝孔中，用于將所述反射鏡固定在所述反射鏡安裝面板的所述圓柱體凹槽中。

13、所述兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為具有轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)部件，所述轉(zhuǎn)軸一個(gè)水平放置另一個(gè)豎直放置并均保持勻速旋轉(zhuǎn)。

14、所述兩個(gè)定制的異形齒輪部件為一圓盤形結(jié)構(gòu)，邊緣帶有定制化設(shè)計(jì)的輪齒，所述定制的異形齒輪部件分別與所述兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸相連接，在所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動(dòng)下分別在水平和豎直方向上保持勻速旋轉(zhuǎn)。所述定制的異形齒輪部件具體定制方式如下：

15、在所述定制的異形齒輪部件的齒根圓半徑為r，定制的異形齒輪部件以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，所述鏡架固定面板和所述反射鏡安裝面板平行時(shí)所述連接桿與所述反射鏡安裝面板接觸點(diǎn)距所述反射鏡安裝面板上的半球體凹槽中心的距離為l，所述定制的異形齒輪部件的一個(gè)輪齒對(duì)應(yīng)的圓心角為θ0的條件下，若用戶希望所述定制的異形齒輪部件的輪齒擠壓所述連接桿時(shí)所述反射鏡的偏轉(zhuǎn)角α隨時(shí)間t按照函數(shù)關(guān)系α＝f(ωt),t∈[0,θ0/ω]變化(對(duì)應(yīng)反射鏡偏轉(zhuǎn)的角速度為df(ωt)/dt,t∈[0,θ0/ω]，激光掃描的角速度為2df(ωt)/dt,t∈[0,θ0/ω])，則在以所述定制的異形齒輪部件的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的條件下，所述定制的異形齒輪部件輪齒輪廓的極坐標(biāo)方程應(yīng)為：ρ(θ)＝r+ltan[f(θ)]＝r+ltan[f(ωt)],θ＝ωt∈[0,θ0]，此時(shí)所述反射鏡的偏轉(zhuǎn)范圍為[0,max[f(ωt)]],ωt∈[0,θ0]，對(duì)應(yīng)激光掃描的范圍為所述反射鏡偏轉(zhuǎn)范圍的兩倍。所述水平和豎直方向的兩個(gè)定制的異形齒輪部件分別以水平和豎直方向需要的掃描角度關(guān)系和角度范圍為準(zhǔn)按照上述方式進(jìn)行定制。

16、所述兩個(gè)連接桿為兩端為球體的桿狀結(jié)構(gòu)。所述兩個(gè)連接桿的一端分別與所述兩個(gè)定制的異形齒輪相接觸，另一端分別穿過所述鏡架固定面板上的所述圓柱體開孔與所述反射鏡安裝面板接觸。所述定制的異形齒輪部件在旋轉(zhuǎn)過程中擠壓帶動(dòng)所述連接桿往返運(yùn)動(dòng)使所述連接桿擠壓帶動(dòng)所述鏡架固定面板偏轉(zhuǎn)，改變?nèi)肷涔馀c所述反射鏡之間的夾角從而改變出射光方向?qū)崿F(xiàn)激光掃描。

17、從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

18、第一，本發(fā)明中所述定制的異形齒輪部件的形狀根據(jù)用戶需要的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)掃描范圍和掃描角速度可控的激光掃描；

19、第二，本發(fā)明中激光掃描的速度是定制化設(shè)計(jì)可知的，所述激光器和所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間不需要復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)，信號(hào)的調(diào)制和掃描可以完全分離，系統(tǒng)更簡單；

20、第三，本發(fā)明中利用所述兩個(gè)定制的異形齒輪帶動(dòng)所述反射鏡進(jìn)行水平和豎直方向上的偏轉(zhuǎn)，僅利用一個(gè)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)二維掃描，掃描更加靈活，成本更低。

技術(shù)特征：

1.一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其特征在于，包括：激光源、調(diào)制器、準(zhǔn)直系統(tǒng)和二維掃描組件，所述二維掃描組件包括：鏡架、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、兩個(gè)定制的異形齒輪部件、兩個(gè)連接桿，所述鏡架包括：反射鏡安裝面板、鏡架固定面板、球體部件、連接部件、反射鏡、固定部件，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)為兩個(gè)透鏡組成的4f準(zhǔn)直系統(tǒng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述反射鏡安裝面板為一四周帶圓角的長方體結(jié)構(gòu)，所述反射鏡安裝面板正面有圓柱體凹槽，背面右下角有半球體凹槽，半球體凹槽正上方和正左方有安裝孔，所述反射鏡安裝面板的側(cè)面有安裝孔。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述鏡架固定面板為一四周帶圓角的長方體結(jié)構(gòu)，所述鏡架固定面板正面的左上角和右下角有圓柱體開孔，上方和右方有圓柱體凸起用于支撐所述反射鏡安裝面板，使所述鏡架固定面板和所述反射鏡安裝面板在平衡位置時(shí)保持平行，所述鏡架固定面板正面左下角有半球體凹槽，半球體凹槽中心與所述鏡架固定面板正面的左上角圓柱體開孔位于一條豎直線上，所述鏡架固定面板正面左下角的半球體凹槽中心與所述鏡架固定面板正面的右下角圓柱體開孔位于一條水平線上，所述鏡架固定面板正面的半球體凹槽的正右方和正上方有安裝孔。

5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述球體部件夾于所述鏡架固定面板正面和所述反射鏡安裝面板背面的半球體凹槽之間。

6.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述連接部件由拉簧和小鐵棒組成，具有拉伸回彈功能，拉簧一端安裝在所述鏡架固定面板正面的安裝孔中，小鐵棒一端安裝于所述反射鏡安裝面板背面的安裝孔中。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述反射鏡被放置于所述反射鏡安裝面板側(cè)面的安裝孔中的固定部件固定于所述反射鏡安裝面板正面的所述圓柱體凹槽中。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述定制的異形齒輪部件為一圓盤形結(jié)構(gòu)，圓盤邊緣帶有定制化設(shè)計(jì)的輪齒，所述定制的異形齒輪部件具體定制方式如下：

10.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，其中，所述兩個(gè)連接桿為兩端帶球體的桿狀結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)連接桿一端與所述定制的異形齒輪部件相接觸，另一端穿過所述鏡架固定面板正面左上角和右下角的所述圓柱體開孔與所述反射鏡安裝面板相接觸，所述定制的異形齒輪部件在旋轉(zhuǎn)過程中擠壓帶動(dòng)所述連接桿往返運(yùn)動(dòng)使所述連接桿擠壓帶動(dòng)所述鏡架固定面板偏轉(zhuǎn)，改變?nèi)肷涔馀c所述反射鏡之間的夾角從而改變出射光方向?qū)崿F(xiàn)激光掃描。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種掃描范圍和掃描角速度可控的二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：激光源、調(diào)制器、準(zhǔn)直系統(tǒng)和二維掃描組件，二維掃描組件包括：鏡架、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、兩個(gè)定制的異形齒輪部件、兩個(gè)連接桿，鏡架包括：反射鏡安裝面板、鏡架固定面板、球體部件、連接部件、反射鏡、固定部件。定制的異形齒輪部件在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的帶動(dòng)下分別進(jìn)行水平和豎直旋轉(zhuǎn)，擠壓兩個(gè)連接桿往返運(yùn)動(dòng)，連接桿穿過鏡架固定面板上的開孔與裝有反射鏡的反射鏡安裝面板相接觸，帶動(dòng)反射鏡進(jìn)行二維偏轉(zhuǎn)。經(jīng)過調(diào)制和擴(kuò)束后的激光照射在反射鏡上實(shí)現(xiàn)二維激光掃描。本發(fā)明解決了目前激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在大角度掃描、可控角速度掃描以及二維掃描的復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的矛盾。

技術(shù)研發(fā)人員：周為軍,傅喜泉,黃賢偉,白艷鋒,黎健,朱孝輝,陳健霞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18