一種二維激光雷達的測距裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型適用于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種二維激光雷達的測距裝置，該測距裝置包括第一PCB板、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二PCB板、連接機構(gòu)、CMOS成像系統(tǒng)及殼體，所述第一PCB板設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述連接機構(gòu)設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)于所述連接機構(gòu)上，所述第二PCB板設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，所述CMOS成像系統(tǒng)設(shè)于所述第二PCB板上，所述第一PCB板、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二PCB板、CMOS成像系統(tǒng)均設(shè)于所述殼體內(nèi)。該測距裝置結(jié)構(gòu)簡單，測距精度高，成本低廉，測距響應(yīng)速度塊，實現(xiàn)二維多點高精度測距，操作簡單、可測量范圍大，自動化程度高，能方便測量曲面輪廓，裝置重量輕，攜帶方便。
【專利說明】
一種二維激光雷達的測距裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二維激光雷達的測距裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光技術(shù)作為近年來高新科技發(fā)展的尖端技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的激光工作物質(zhì)有幾千種，波長范圍從軟X射線到遠紅外。
[0003]而其中激光測距技術(shù)，更是激光技術(shù)擴展領(lǐng)域的一個重要方面。激光測距儀是利用激光對目標的距離進行準確測定(又稱激光測距)的儀器。激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。
[0004]近幾年來，隨著科技的發(fā)展，掃描式激光測距技術(shù)也逐漸成熟。激光掃描儀是利用時間飛行原理來測量工件的尺寸及形狀等工作的一種儀器，激光掃描測量系統(tǒng)基于激光測距原理。通過旋轉(zhuǎn)的光學(xué)部件發(fā)射形成二維的掃描面，以實現(xiàn)區(qū)域掃描及輪廓測量功能。產(chǎn)品被廣泛用于防撞、測量、導(dǎo)航、安防等，如設(shè)備防撞、散貨體積測量、車型檢測、自行小車導(dǎo)航、敏感區(qū)域防護等。
[0005]而現(xiàn)階段，掃描式激光測距裝置通常使用的都是同軸系統(tǒng)來實現(xiàn)的。接收和發(fā)射的同軸系統(tǒng)設(shè)計，雖然可以有效保證光路的原路返回，但是在光路遮擋方面，會導(dǎo)致大量能量的損失，影響實際的測距效果。而現(xiàn)有的垂直軸方案，一般采取較小的反光鏡，可以講準直光路反射出去，而對于小反光鏡的支撐結(jié)構(gòu)，則會對于光路部分具有較大的遮擋。
[0006]傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)測距精度差，測距頻率低，由于光學(xué)器件的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的激光測距系統(tǒng)造價高。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型的目的在于提供一種二維激光雷達的測距裝置，旨在解決上述的技術(shù)問題。
[0008]本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種二維激光雷達的測距裝置，該測距裝置包括第一PCB板、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二 PCB板、連接機構(gòu)、CMOS成像系統(tǒng)及殼體，所述第一 PCB板設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述連接機構(gòu)設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)于所述連接機構(gòu)上，所述第二 PCB板設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，所述CMOS成像系統(tǒng)設(shè)于所述第二 PCB板上，所述第一PCB板、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二PCB板、CMOS成像系統(tǒng)均設(shè)于所述殼體內(nèi)。
[0009]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述第一PCB板設(shè)于所述固定機構(gòu)的底面上。
[0010]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述固定機構(gòu)包括支撐柱，設(shè)于所述支撐柱上的電機固定架，設(shè)于所述電機固定架上的電機，所述電機的驅(qū)動端連接所述第一 PCB板的輸出端。
[0011 ]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述連接機構(gòu)包括軸承支座，設(shè)于所述軸承支座內(nèi)的軸承，闖過所述軸承設(shè)于所述軸承上的連接器，所述連接器的低端連接所述電機的電機軸。
[0012]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)盤，設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)盤上的鏡片支座。
[0013]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述第一PCB板上還設(shè)有主控模塊、激光準直模塊、第一無線通信模塊及能量接收模塊，所述CMOS成像系統(tǒng)連接所述主控模塊雙向通信，所述主控模塊的輸出端連接所述激光準直模塊的輸入端，所述主控模塊連接所述第一無線通信模塊雙向通信，所述能量接收模塊分別電性連接所述主控模塊、激光準直模塊、第一無線通信模塊及CMOS成像系統(tǒng)。
[0014]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述第一PCB板上設(shè)有能量發(fā)射模塊、第二無線通信模塊、外部通信接口模塊、電機及光柵驅(qū)動模塊及供電模塊，所述電機及光柵驅(qū)動模塊連接所述主控模塊雙向通信，所述第二無線通信模塊數(shù)據(jù)通信連接第一無線通信模塊雙向通信，所述第二無線通信模塊連接所述外部通信接口模塊雙向通信，所述供電模塊分別電性連接所述能量發(fā)射模塊、第二無線通信模塊、外部通信接口模塊及電機及光柵驅(qū)動模塊。
[0015]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:該測距裝置還包括控制裝置，所述控制裝置通信連接所述外部通信接口模塊雙向通信。
[0016]本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述控制裝置采用的是PC電腦或嵌入式系統(tǒng)。
[0017]本實用新型的有益效果是:該測距裝置結(jié)構(gòu)簡單，測距精度高，成本低廉，測距響應(yīng)速度塊，實現(xiàn)了二維多點高精度測距，操作簡單、可測量范圍大，自動化程度高，能方便的在豎直平面內(nèi)測量曲面輪廓，裝置重量輕，攜帶方便。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型實施例提供的二維激光雷達的測距裝置的分解圖。
[0019]圖2是本實用新型實施例提供的激光測距光路圖。
[0020]圖3是本實用新型實施例提供的系統(tǒng)工作流程圖。
[0021 ]圖4是本實用新型實施例提供的掃描模式工作流程圖。
【具體實施方式】
[0022]附圖標記:10-殼體20-第一PCB板301-支撐柱302-電機303-電機固定架401-軸承支座402-軸承403-連接器501-旋轉(zhuǎn)盤502-鏡片支座60-第二PCB板601-傳感器。
[0023]如圖1所示，本實用新型提供的一種二維激光雷達的測距裝置，該測距裝置包括第一 PCB板20、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二 PCB板60、連接機構(gòu)、CMOS成像系統(tǒng)及殼體10，所述第一 PCB板20設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述連接機構(gòu)設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)于所述連接機構(gòu)上，所述第二PCB板60設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，所述CMOS成像系統(tǒng)設(shè)于所述第二PCB板60上，所述第一 PCB板20、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二 PCB板60、CMOS成像系統(tǒng)均設(shè)于所述殼體內(nèi)。
[0024]所述第一PCB板20設(shè)于所述固定機構(gòu)的底面上。
[0025]傳感器設(shè)于所述第二PCB板60上。所述傳感器的輸出端連接所述主控模塊的輸入端。
[0026]所述固定機構(gòu)包括支撐柱301，設(shè)于所述支撐柱301上的電機固定架303，設(shè)于所述電機固定架303上的電機，所述電機302的驅(qū)動端連接所述第一 PCB板20的輸出端。
[0027]支撐柱301為三根。
[0028]所述連接機構(gòu)包括軸承支座401，設(shè)于所述軸承支座401內(nèi)的軸承402，闖過所述軸承402設(shè)于所述軸承402上的連接器403，所述連接器403的低端連接所述電機302的電機軸。
[0029]所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)盤501，設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)盤501上的鏡片支座502。
[0030]所述第二PCB板60上還設(shè)有主控模塊、激光準直模塊、第一無線通信模塊及能量接收模塊，所述CMOS成像系統(tǒng)連接所述主控模塊雙向通信，所述主控模塊的輸出端連接所述激光準直模塊的輸入端，所述主控模塊連接所述第一無線通信模塊雙向通信，所述能量接收模塊分別電性連接所述主控模塊、激光準直模塊、第一無線通信模塊及CMOS成像系統(tǒng)。
[0031]所述第一PCB板20上設(shè)有能量發(fā)射模塊、第二無線通信模塊、外部通信接口模塊、電機及光柵驅(qū)動模塊及供電模塊，所述電機及光柵驅(qū)動模塊連接所述主控模塊雙向通信，所述第二無線通信模塊數(shù)據(jù)通信連接第一無線通信模塊雙向通信，所述第二無線通信模塊連接所述外部通信接口模塊雙向通信，所述供電模塊分別電性連接所述能量發(fā)射模塊、第二無線通信模塊、外部通信接口模塊及電機及光柵驅(qū)動模塊。
[0032]該測距裝置還包括控制裝置，所述控制裝置通信連接所述外部通信接口模塊雙向通信。
[0033]所述控制裝置采用的是PC電腦或嵌入式系統(tǒng)。
[0034]該測距裝置通過主控芯片驅(qū)動線陣CMOS成像系統(tǒng)，來獲取激光準直模塊射出的光斑在測距點處所成的像，并根據(jù)光斑中心所成的像點位置，利用測距算法來計算出測距裝置與測距點的間距，實現(xiàn)測距作用。同時，通過提高CMOS的成像幀率，并驅(qū)動電機帶動測距系統(tǒng)360度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)高速二維測距。
[0035]測距裝置主要由單點測距系統(tǒng)、電機及光柵、無線通信系統(tǒng)、外部通信系統(tǒng)以及無線供電系統(tǒng)組成。單點測距系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，其可以實現(xiàn)單點高速高精度測距，配合電機旋轉(zhuǎn)以及光柵輸入并計算出旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)二維多點連續(xù)測距。
[0036]單點測距系統(tǒng)主要由主控模塊、CMOS成像系統(tǒng)以及激光準直模塊組成。激光準直模塊發(fā)出一束準直激光，聚焦性好。同時，主控模塊驅(qū)動CMOS成像系統(tǒng)工作，采集光斑在測距點處的成像信息。采集結(jié)束后，主控模塊獲取到了一幀成像數(shù)據(jù)，通過成像數(shù)據(jù)可以計算出光斑在CMOS上的成像位置，并通過主控模塊的內(nèi)置算法，得到光斑與測距裝置的距離，實現(xiàn)單點測距。為了得到更高的測距頻率，主控模塊控制CMOS開啟連續(xù)采樣，并在下一幀采樣的同時進行算法運算和數(shù)據(jù)輸出，實現(xiàn)高速連續(xù)測距。
[0037](I)原理:
[0038]本測距系統(tǒng)單點測距的原理是基于激光三角法測距，依據(jù)激光三角法的測距原理可知:
[0039]q = f*s/x(I)
[0040]d = q/sin(beta) (2)
[0041 ] X:激光光斑在CMOS上的成像位置
[0042]本發(fā)明考慮到設(shè)備的安裝誤差，對X進行校正:
[0043]X = pixelsize 氺 pixel_x+offset (3)
[0044]pixelsize: CMOS 的像素尺寸
[0045]pixsel_x:成像的坐標
[0046]offset:校正參數(shù)。
[0047]為了保證測距系統(tǒng)能滿足0.2m_6m的測距范圍的要求，激光器的傾角beta角為了滿足系統(tǒng)的測距范圍和測距精度，beta角為85度。
[0048]為了保證測距的精度，焦距f與基線s之間需要滿足:f* s >=700。但是考慮到目前CMOS的感光像素尺寸可以做到很小，且算法上可以精確到0.1個像素，所以f與s的值可以取得更小。本系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大小，s的取值比較小，因此，f的值比較大。
[0049]綜上所述，本系統(tǒng)的測距關(guān)系函數(shù)的參數(shù)眾多，且由于系統(tǒng)光路調(diào)試和結(jié)構(gòu)安裝導(dǎo)致的誤差，其參數(shù)大多都是變動的。因此我們簡化上式，用以下形式表示:
[0050]D = (a*X+b)/(c*X+d)(4)
[0051]該式是一個關(guān)于X的單調(diào)函數(shù)，其X表示的為光斑成像的像素位置，即為式3中的pixel_x。
[0052]為了求得距離值D的大小，還需得到4個參數(shù)a，b，c，d;本方案采用最小二乘法對D與X的關(guān)系函數(shù)進行逼近，從而得到參數(shù)a，b，c，d，將參數(shù)值寫入算法中，便可以求得距離D的值了。
[0053]電機及光柵
[0054]單點激光測距只能實現(xiàn)固定點的連續(xù)測距，要實現(xiàn)二維多點的連續(xù)測距，則需添加電機驅(qū)動測距系統(tǒng)360度旋轉(zhuǎn)。單點測距的返回數(shù)據(jù)只含有距離信息，為了實現(xiàn)二維測距，系統(tǒng)還必須添加角度信息。因此，電機與光柵的作用便是驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)以便獲得系統(tǒng)所在的二維平面各點的距離信息，同時，系統(tǒng)配合光柵，來獲取光斑的角度信息。
[°°55]無線通信系統(tǒng)
[0056]由于二維測距需要測距系統(tǒng)360度旋轉(zhuǎn)，因此會帶來測距系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)供電上的困難。在保證結(jié)構(gòu)不變的前提下，本方案設(shè)計了無線供電(詳見要點:無線供電)和無線通信，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的供電以及數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)接。無線通信模塊通過無線射頻，將工作在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接到不旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)接板上。
[0057]無線供電系統(tǒng)
[0058]同無線通信一樣，在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變化的情況下，采用無線供電方案來實現(xiàn)對測距系統(tǒng)的供電，此方案可以降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。無線供電系統(tǒng)包括能量發(fā)射系統(tǒng)與能量接收系統(tǒng)，能量發(fā)射系統(tǒng)在固定機構(gòu)中，能量接收系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中。
[0059]測距工作流程
[0060]系統(tǒng)在上電時，在初始化必要的硬件后會進入休眠狀態(tài)。當(dāng)收到PC或其他主控系統(tǒng)的命令后便休眠喚醒，進入請求處理狀態(tài)并獲取串口數(shù)據(jù)，命令結(jié)束完畢便調(diào)用命令解碼程序，根據(jù)不同的命令進入相應(yīng)的工作模式。如果接收到掃描命令，測距系統(tǒng)便開始工作，主控芯片將驅(qū)動CMOS成像系統(tǒng)以高幀率連續(xù)采樣。每一幀數(shù)據(jù)獲取完畢后，系統(tǒng)便會調(diào)用測距算法得到距離。系統(tǒng)獲取光柵數(shù)據(jù)，計算出此刻的角度數(shù)據(jù)。然后輸出一個點的角度及距離數(shù)據(jù)。如圖3所示。
[0061 ]系統(tǒng)模式切換流程
[0062]系統(tǒng)模式切換時通過中斷來實現(xiàn)的，系統(tǒng)上電時是處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到串口數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將發(fā)生串口中斷，并切換工作模式，進入到請求處理狀態(tài)。請求處理狀態(tài)下，系統(tǒng)將對串口命令分析，并根據(jù)命令進入相應(yīng)工作模式或返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。測距系統(tǒng)主要有4個工作模式:休眠模式、掃描模式、請求處理模式、停機保護模式。
[0063]模式切換流程如下:
[0064]步驟一:初始化硬件
[0065]步驟二:進入休眠等待
[0066]步驟二:模式切換。休眠命令:進入休眠；停機命令:保護停機;掃描命令:開啟掃描;獲取健康命令:返回設(shè)備狀態(tài)信息;獲取固件信息:返回固件信息。如果通信出錯或命令有誤，系統(tǒng)不理會。
[0067]系統(tǒng)的4個工作模式中，掃描模式才能實現(xiàn)二維測距作用。當(dāng)系統(tǒng)切換到掃描模式時，系統(tǒng)將會對CMOS進行初始化，設(shè)置其工作模式和工作幀率。其具體流程如圖4所示。
[0068]值得注意的是，主控芯片在獲取一幀成像數(shù)據(jù)后，立即驅(qū)動CMOS開啟下一幀采樣。因此，數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的處理、輸出是同時進行的。
[0069]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種二維激光雷達的測距裝置，其特征在于:該測距裝置包括第一PCB板、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二 PCB板、連接機構(gòu)、CMOS成像系統(tǒng)及殼體，所述第一 PCB板設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述連接機構(gòu)設(shè)于所述固定機構(gòu)上，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)于所述連接機構(gòu)上，所述第二 PCB板設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，所述CMOS成像系統(tǒng)設(shè)于所述第二 PCB板上，所述第一 PCB板、固定機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、第二PCB板、CMOS成像系統(tǒng)均設(shè)于所述殼體內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測距裝置，其特征在于，所述第一PCB板設(shè)于所述固定機構(gòu)的底面上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測距裝置，其特征在于，所述固定機構(gòu)包括支撐柱，設(shè)于所述支撐柱上的電機固定架，設(shè)于所述電機固定架上的電機，所述電機的驅(qū)動端連接所述第一PCB板的輸出端。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測距裝置，其特征在于，所述連接機構(gòu)包括軸承支座，設(shè)于所述軸承支座內(nèi)的軸承，闖過所述軸承設(shè)于所述軸承上的連接器，所述連接器的低端連接所述電機的電機軸。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測距裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)盤，設(shè)于所述旋轉(zhuǎn)盤上的鏡片支座。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測距裝置，其特征在于，所述第一PCB板上還設(shè)有主控模塊、激光準直模塊、第一無線通信模塊及能量接收模塊，所述CMOS成像系統(tǒng)連接所述主控模塊雙向通信，所述主控模塊的輸出端連接所述激光準直模塊的輸入端，所述主控模塊連接所述第一無線通信模塊雙向通信，所述能量接收模塊分別電性連接所述主控模塊、激光準直模塊、第一無線通信模塊及CMOS成像系統(tǒng)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測距裝置，其特征在于，所述第一PCB板上設(shè)有能量發(fā)射模塊、第二無線通信模塊、外部通信接口模塊、電機及光柵驅(qū)動模塊及供電模塊，所述電機及光柵驅(qū)動模塊連接所述主控模塊雙向通信，所述第二無線通信模塊數(shù)據(jù)通信連接第一無線通信模塊雙向通信，所述第二無線通信模塊連接所述外部通信接口模塊雙向通信，所述供電模塊分別電性連接所述能量發(fā)射模塊、第二無線通信模塊、外部通信接口模塊及電機及光柵驅(qū)動t吳塊。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測距裝置，其特征在于，該測距裝置還包括控制裝置，所述控制裝置通信連接所述外部通信接口模塊雙向通信。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測距裝置，其特征在于，所述控制裝置采用的是PC電腦或嵌入式系統(tǒng)。
【文檔編號】G01S17/48GK205562803SQ201620343989
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】邱純鑫, 劉樂天
【申請人】深圳市速騰聚創(chuàng)科技有限公司