一种激光扫描仪及激光雷达系统论文和设计-杨正

全文摘要

本实用新型提供一种激光扫描仪及激光雷达系统，包括，第一壳体，所述第一壳体上设有窗口；安装在所述第一壳体上的扫描镜；安装在所述窗口上的窗口镜；与所述第一壳体连接的中空电机；与所述中空电机连接的第二壳体；安装在所述第二壳体内的激光发射装置；所述激光发射装置产生的出射光通过所述中空电机的第一通孔，经过所述扫描镜的反射后，最终通过所述窗口镜照射到目标物上。实现了对周围环境的全方位扫描；无需单独设置激光传输通道，使得激光扫描仪更加便携；无需额外布线，避免了布线问题影响扫描范围。

主设计要求

1.一种激光扫描仪，其特征在于，包括：第一壳体，所述第一壳体上设有窗口；安装在所述第一壳体上的扫描镜；安装在所述窗口上的窗口镜；与所述第一壳体连接的中空电机；与所述中空电机连接的第二壳体；安装在所述第二壳体内的激光发射装置；所述激光发射装置产生的出射光通过所述中空电机的第一通孔，经过所述扫描镜的反射后，最终通过所述窗口镜照射到目标物上。

设计方案

1.一种激光扫描仪，其特征在于，包括：

第一壳体，所述第一壳体上设有窗口；

安装在所述第一壳体上的扫描镜；

安装在所述窗口上的窗口镜；

与所述第一壳体连接的中空电机；

与所述中空电机连接的第二壳体；

安装在所述第二壳体内的激光发射装置；

所述激光发射装置产生的出射光通过所述中空电机的第一通孔，经过所述扫描镜的反射后，最终通过所述窗口镜照射到目标物上。

2.根据权利要求1所述的激光扫描仪，其特征在于，所述激光发射装置包括：

激光发射单元，所述激光发射单元用于产生激光；

与所述激光发射单元连接的准直器，所述准直器用于将所述激光转变成平行光。

3.根据权利要求1所述的激光扫描仪，其特征在于，所述激光扫描仪还包括：

安装在所述第二壳体内的接收装置，用于接收所述目标物受所述出射光照射后产生的漫反射光。

4.根据权利要求3所述的激光扫描仪，其特征在于，所述接收装置包括：

设置在所述激光发射装置和所述中空电机之间的中空反射镜，所述中空反射镜的第二通孔与所述中空电机的第一通孔相对应，所述激光发射装置产生的出射光先通过所述第二通孔之后再通过所述第一通孔。

5.根据权利要求4所述的激光扫描仪，其特征在于，所述中空反射镜的镜面与所述第二壳体的底面形成第一夹角。

6.根据权利要求4所述的激光扫描仪，其特征在于，所述接收装置还包括：

安装在所述第二壳体内的接收器，用于接收经所述中空反射镜反射后的所述漫反射光并进行聚焦处理；

安装在所述第二壳体内的模拟放大单元，用于将所述接收器接收到的所述漫反射光转换成电信号。

7.根据权利要求6所述的激光扫描仪，其特征在于，所述激光扫描仪还包括：

设置在所述第二壳体内的第一数据处理单元，用于根据所述电信号进行数据处理，得到所述激光发射装置发出所述出射光与所述接收器接收到所述漫反射光的时差，根据所述时差得到所述目标物与所述激光扫描仪之间的距离与强度信息。

8.根据权利要求1所述的激光扫描仪，其特征在于，所述激光扫描仪还包括：

与所述中空电机连接的角度传感器，用于检测所述中空电机旋转的角度。

9.根据权利要求8所述的激光扫描仪，其特征在于，所述激光扫描仪还包括：

设置在所述第二壳体内的第二数据处理单元，用于在所述扫描镜进行圆周扫描后，根据所述角度传感器反馈的角度信息，得到扫描范围内的扫描数据点云。

10.一种激光雷达系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的激光扫描仪，所述激光雷达系统还包括：

与所述激光扫描仪连接的外部设备。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光扫描仪及激光雷达系统。

背景技术

二维(2D)激光扫描仪是一种利用激光进行非接触测量，在短时间内提取扫描断面距离信息的设备。目前，以2D激光扫描仪作为底层技术的应用领域不断发展，人们对2D激光扫描仪的扫描效率要求越来越高，但是，现有的2D激光扫描仪因为布线问题存在视觉盲区，使得其使用很不方便且扫描范围会受到影响。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种激光扫描仪及激光雷达系统，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例所提供的技术方案如下所示：

第一方面，本实用新型实施例提供一种激光扫描仪，包括：第一壳体，所述第一壳体上设有窗口；安装在所述第一壳体上的扫描镜；安装在所述窗口上的窗口镜；与所述第一壳体连接的中空电机；与所述中空电机连接的第二壳体；安装在所述第二壳体内的激光发射装置；所述激光发射装置产生的出射光通过所述中空电机的第一通孔，经过所述扫描镜的反射后，最终通过所述窗口镜照射到目标物上。

可选地，所述激光发射装置包括激光发射单元，所述激光发射单元用于产生激光；与所述激光发射单元连接的准直器，所述准直器用于将所述激光转变成平行光。

可选地，所述激光扫描仪还包括：安装在所述第二壳体内的接收装置，用于接收所述目标物受所述出射光照射后产生的漫反射光。

可选地，所述接收装置包括：设置在所述激光发射装置和所述中空电机之间的中空反射镜，所述中空反射镜的第二通孔与所述中空电机的第一通孔相对应，所述激光发射装置产生的出射光先通过所述第二通孔之后再通过所述第一通孔。

可选地，所述中空反射镜的镜面与所述第二壳体的底面形成第一夹角。

可选地，所述接收装置还包括：安装在所述第二壳体内的接收器，用于接收经所述中空反射镜反射后的所述漫反射光并进行聚焦处理；安装在所述第二壳体内的模拟放大单元，用于将所述接收器接收到的所述漫反射光转换成电信号。

可选地，所述激光扫描仪还包括：设置在所述第二壳体内的第一数据处理单元，用于根据所述电信号进行数据处理，得到所述激光发射装置发出所述出射光与所述接收器接收到所述漫反射光的时差，根据所述时差得到所述目标物与所述激光扫描仪之间的距离与强度信息。

可选地，所述激光扫描仪还包括：与所述中空电机连接的角度传感器，用于检测所述中空电机旋转的角度。

可选地，所述激光扫描仪还包括：设置在所述第二壳体内的第二数据处理单元，用于在所述扫描镜进行圆周扫描后，根据所述角度传感器反馈的角度信息，得到扫描范围内的扫描数据点云。

第二方面，本实用新型实施例提供一种激光雷达系统，包括上述的激光扫描仪以及与激光扫描仪连接的外部设备。激光发射装置产生的出射光先通过中空反射镜的第二通孔，再通过中空电机的第一通孔，然后经扫描镜反射穿过窗口镜照射到目标物上，目标物产生漫反射，一部分漫反射光经窗口镜照射到扫描镜上，扫描镜将接收到的漫反射光反射到中空反射镜的镜面上，漫反射光再经过反射到达接收器上，接收器将漫反射光聚焦到模拟放大单元得到扫描信息，扫描信息经过第一数据处理单元和第二数据处理单元的处理得到扫描范围内的点云数据，最后再将点云数据发送给与激光扫描仪连接的外部设备。

本实用新型实施例提供的激光扫描仪及激光雷达系统，将激光扫描仪的第一壳体直接与中空电机连接，中空电机转动就可以带动第一壳体以及设置在第一壳体上的扫描镜和窗口镜进行转动，实现对周围环境全方位的扫描。与现有的激光扫描仪相比，在本实用新型所提供的激光扫描仪及激光雷达系统中，第一壳体与中空电机不需要进行设置线路，避免了中空电机带动第一壳体转动时，因为布线问题遮挡窗口镜对扫描范围造成影响。激光发射装置的出射光或者目标物漫反射产生的漫反射光直接通过中空电机的第一通孔就可以实现传输，无需将电机与激光传输通道分开设置，使得激光扫描仪更加便携，使用更加方便。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本实用新型实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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1a为现有的激光雷达结构示意图I；

图1b为现有的激光雷达结构示意图II；

图2为本实用新型实施例提供的激光扫描仪外部结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光扫描仪内部结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的数据处理装置结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的激光雷达系统结构示意图。

图标：10-激光雷达系统；100-第一激光雷达；110-第一电机；120-第一窗口镜；130-电机控制电缆；140-第一主机；150-第一扫描镜；200-第二激光雷达；210-第二扫描镜；220-第一滚轮；230-第二滚轮；240-传送带；250- 第二窗口镜；260-第二主机；261-第二电机；300-激光扫描仪；400-第一壳体；410-窗口；420-壳身；430-壳盖；440-第三窗口镜；450-第三扫描镜； 500-中空电机壳体；510-中空电机；600-第二壳体；610-激光发射装置；611-激光发射单元；612-准直器；620-接收装置；621-中空反射镜；622-接收器； 623-模拟放大单元；630-数据处理单元；631-第一数据处理单元；6311-第一存储器；6312-第一存储控制器；6313-第一处理器；632-第二数据处理单元； 6321-第二存储器；6322-第二存储控制器；6323-第二处理器；640-角度传感器；650-通信接口；700-数据处理装置；710-种子光探测电路；720-回光探测电路；730-激光驱动电路；740-电机控制电路；800-外部电子设备。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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”、“上”、“下”、“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“第一”、“第二”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”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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，也可以是电性连接。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。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

经申请人研究发现，目前2D激光雷达主要的方法主要有以下两种：

其中一种如图1a所示，图1a是现有的激光雷达结构示意图I，第一激光雷达100的第一电机110位于第一激光雷达100的顶部，第一扫描镜150 与第一电机110的输出端连接，第一电机110转动可以带第一扫描镜150 转动，从而实现对周围环境的扫描。但是第一窗口镜120需要特殊定制。如采用圆柱形窗口，此窗口由于不对称性会破坏激光出射平行性，且此种形状的玻璃内表面不好镀膜，会带来内部干扰。如采用多面拼接的形式，在相邻窗口拼接的位置会对出射激光会有遮挡。第一窗口镜120中间会有电机控制电缆130连接第一主机140，在此方位会给遮挡出射激光。

另一种如图1b所示，图1b是现有的激光雷达结构示意图II，第二激光雷达200的第二电机261设置在第二主机260中，第二电机261的输出端与第一滚轮220连接，第二扫描镜210和第二窗口镜250设置在一个外壳上，外壳的底部与第二滚轮230连接，两个滚轮之间通过传送带240连接。第二电机261转动带动第二扫描镜210和第二窗口镜250转动，实现对环境的扫描。但是这种2D激光雷达的第二电机261与激光传输通道分开设置，使得2D激光雷达的结构体积大，不方便使用。

为了解决现有激光雷达存在的上述问题，本实用新型提供以下几个实施例来进行详细说明。

请参照图2和图3，图2是本实用新型实施例提供的激光扫描仪外部结构示意图；图3是本实用新型实施例提供的激光扫描仪内部结构示意图。

本实用新型所提供的实施例中，激光扫描仪300包括第一壳体400，设置在第一壳体400上的窗口410；安装在窗口410上的第三窗口镜440，安装在第一壳体400上的第三扫描镜450；与第一壳体400的一端连接的中空电机510；与中空电机510连接的第二壳体600，安装在第二壳体600内部的激光发射装置610。为了更好的保护中空电机510，还可以设置罩设在中空电机510上的中空电机壳体500。中空电机壳体500的一端与第一壳体 400接触，另一端与第二壳体600连接。

第一壳体400包括壳盖430，与壳盖430连接的壳身420，设置在壳身 420上的第一连接部。壳盖430与壳身420可以使用螺钉或者螺栓进行连接。第一连接部与中空电机510连接。

具体的，第一连接部可以为凹槽，在中空电机510的转轴上设置与凹槽相对应的连接杆，安装时将连接杆对准凹槽，契合连接即可。为了使连接更加稳定，也可以将第一连接部设置为通孔，在中空电机510的转轴上设置有通孔口径相匹配的凹槽，然后使用螺钉或者螺栓穿过通孔拧入凹槽中，将第一壳体400与中空电机510的转轴连接在一起。

壳盖430上设有第一安装部，第三扫描镜450上设置了与第一安装部对应的第二连接部。第三扫描镜450的镜面远离壳盖430且与壳盖430形成一个夹角；为了更方便的使用激光扫描仪300，本实施例中第三扫描镜 450的镜面与壳盖430的夹角设置为45°，这样出射光经第三扫描镜450 反射后就可以直接通过第三窗口镜440照射到目标物上，使用前无需进行复杂的调试。

第三窗口镜440的形状与窗口410的形状一致，可以为圆形镜片，也可以为正多边形镜片，在第一壳体400的窗口410上可以设置与第三窗口镜440的形状和厚度相匹配的环形凹槽。组装时，将第三窗口镜440安装在环形凹槽中。为了减少咋散光对扫描时目标物漫反射产生的漫反射光的影响，第三窗口镜440可以倾斜一定角度，也可以在第三窗口镜440上镀高透过率的光学膜。

激光发射装置610包括激光发射单元611和准直器612，激光发射单元 611发出激光，准直器612将激光发射单元611产生的离散的激光变成适宜传输的平行光。

本实用新型所提供的实施例中，激光扫描仪300还包括设置在第二壳体600内的接收装置620和数据处理单元630，接收装置620用于接收目标物被激光照射后返回的漫反射光。漫反射光经过第三窗口镜440进入激光扫描仪300，经第三扫描镜450反射以后到达接收装置620，接收装置620 根据接收到的漫反射光产生电学信号。数据处理单元630根据接收到的电学信号计算出目标物的距离和强度信息。

具体的，接收装置620包括中空反射镜621、接收器622、模拟放大单元623，中空反射镜621设置在激光发射装置610和中空发电机之间，第二壳体600内设置了用于放置中空反射镜621的第二安装部，第二壳体600 内也设置了用于安装接收器622的第三安装部。为了更好的是激光发射装置610产生的激光更好的发射出去，同时也为了使接收到的目标物的漫反射光更为准确。可以将中空反射镜621的通孔对准中空电机510的通孔的中心区域。中空反射镜621的镜面与第二壳体600的底面形成一个夹角，为了反射后的漫反射光更为方便的被接收器622接收，中空反射镜621的镜面与第二壳体600的底面的夹角可以设置为45°。

本实施例中为了更好地接收中空反射镜621反射后的目标物的漫反射光，接收器622可以为凸透镜。凸透镜的平面靠近模拟放大单元623，凸透镜的凸面靠近中空发射镜，中空反射镜621反射后的目标物的漫反射光经过凸透镜的聚焦后，照射到模拟放大单元623的光电传感器上。

模拟放大单元623的光电传感器设置在凸透镜的焦点处，用于接收凸透镜聚焦后的漫反射光，并将其转换成电信号。凸透镜的下端与中空反射镜621的底面处在同一平面，凸透镜的上端高于中空反射镜621的上端，避免接收不到部分目标物的漫反射光。

为了确定激光扫描仪300具体是扫描到的哪个方位的信息，本实施例中的激光扫描仪300还包括与中空电机510连接的角度传感器640，用于检测中空电机510转动的角度。具体的，角度传感器640可以使用角度编码器。

本实施例中的激光扫描仪300还包括第一数据处理单元631和第二数据处理单元632，第一数据处理单元631根据激光发射装置610发射出射光的时间和接收装置620中的光电传感器接收到目标物返回的漫反射光的时间计算得到目标物与扫描仪之间的距离与强度信息。第二数据处理单元632 用于在第三扫描镜450结束圆周扫描后，将第一数据处理单元631得到的目标物的距离和强度信息与角度传感器640检测到的中空电机510转动的角度信息想匹配得到扫描范围内的数据点云。

请参照图4，图4是本实用新型实施例提供的数据处理装置结构示意图。

本实用新型实施例中数据处理装置700包括：第一数据处理单元631，第一数据处理单元631包括第一存储器6311、第一存储控制器6312、第一处理器6313，第一存储控制器6312用于控制第一存储器6311。第二数据处理单元632，第二数据处理单元632包括第二存储器6321、第二存储控制器6322、第二处理器6323，第二存储控制器6322用于控制第二存储器 6321。

第一存储器6311或者第二存储器6321可以是，但不限于，随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory， ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable ProgrammableRead-Only Memory， EEPROM)等。其中，第一存储器6311或者第二存储器6321用于存储程序，第一处理器6313或者第二处理器6323在接收到执行指令后，执行所述程序。

第一处理器6313或者第二处理器6323可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器 (Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称 NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

第一数据处理单元631与种子光探测电路710(激光发射装置610产生的出射光检测电路)和回光探测电路720连接(目标物返回的漫反射光检测电路)，用于计算产生出射光和接收到返回的漫反射光的时间差得到目标物的距离和强度信息。第二数据处理单元632与激光驱动电路730(激光发射装置610控制电路)、电机控制电路740以及角度传感器640连接，用于控制激光发射装置610产生激光、控制中空电机510旋转以及接收角度传感器640检测到的中空电机510的转动角度，结合第一数据处理单元631 获得的目标物的距离及强度信息就可以得到扫描范围内的数据点云。本实用新型实施例中的第一壳体400可以在中空电机510的带动下旋转一周，所以可以获得360°范围内的环境扫描数据点云。

第一数据处理单元631可以与第二数据处理单元632连接，以进行数据交互。为了可以将激光扫描仪300扫描得到的信息传输到外部电子设备 800，还可以在激光扫描仪300的第二壳体600上设置通信接口650或者在第二壳体600内设置无线通信模块，用于与外部电子设备800连接。第一数据处理单元631与第二数据处理单元632可以是同一块芯片，也可以独立的两块芯片。为了方便给激光扫描仪300充电，还可以将通信接口650 设置为同时具备通信和充电功能的接口。

请参照图5，图5是本实用新型实施例提供的激光雷达系统结构示意图。

本实用新型实施例提供的激光雷达系统10包括多个激光扫描仪300；与激光扫描仪300连接的外部电子设备800，激光扫描仪300与外部电子设备800之间可以使用有线连接的方式，也可以使用无线连接的方式。激光扫描仪300对周围的环境进行圆周扫描，根据扫描得到的信息计算得到目标物到激光扫描仪300的距离和强度信息，然后将上述信息与中空电机510 旋转的旋转角度信息相匹配得到扫描范围内的数据点云，最后将处理得到的数据点云通过无线通信模块或者通过有通信接口650连接通信线路发送给外部电子设备800，实现扫描结果的显示。

综上所述，本实用新型提供一种激光扫描仪300及激光雷达系统10，第三扫描镜450安装在第一壳体400上，第一壳体400又与中空电机510 连接，中空电机510再与第二壳体600连接。在第二壳体600内安装有激光发射装置610和接收装置620。在进行环境检测时，激光发射装置610产生的出射光通过中空电机510的通孔就可以照射到第三扫描镜450上，然后经第三扫描镜450反射，穿过第三窗口镜440照射到目标物上，目标物返回的漫反射光经过第三窗口镜440照射到第三扫描镜450上，经第三扫描镜450反射后照射到接收装置620的中空反射镜621上，中空反射镜621 再将漫反射光反射到接收装置620中的接收器622上，接收器622对接收到的漫反射光进行聚焦，模拟放大电路安装在接收器622的焦点处的光电传感器接收到聚焦后的漫反射光之后产生电信号，第一数据处理单元631 根据出射光发出的时间和接收到电信号的时间计算出目标物的距离和强度信息，第二数据处理单元632根据角度传感器640检测到的中空电机510 的转动角度，将上述信息与中空电机510的转动角度结合，得到扫描环境的数据点云。本实用新型提供的激光扫描仪300及激光雷达系统10，激光发射装置610产生的出射光和目标物被出射光照射后返回的漫反射光都经过中空电机510的通孔进行传输，无需单独设置传输通道，使得激光扫描仪300的结构更加小巧。中空电机510直接与第一壳体400连接，无需额外布线，避免了布线问题影响扫描范围。中空电机510带动第一壳体400 转动，间接地使第三扫描镜450转动，实现了360°范围内的环境检测。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，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。

设计图

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