一种连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜设计方法与流程

1.本发明属于激光扫描领域，具体涉及一种连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜设计方法。


背景技术：

2.二十一世纪以来，伴随着物联网、集成电路以及人工智能的发展，无人驾驶技术已经成为智能汽车领域的重要环节，这一技术实现的关键就是对汽车周围环境进行精确感知，而障碍探测技术对环境感知起基础决定性作用，因此，深入研究障碍物测量方法对于无人驾驶技术的发展意义重大。
3.常用的车辆障碍物探测手段主要有高精度摄像头系统、毫米波雷达以及激光雷达等。激光雷达是利用特定波长的激光信号对障碍物表面进行主动式扫描来获取障碍物表面信息，因此其不易受环境光的影响，抗干扰能力强，具有良好方向性以及相干性，可以实现高精度测量，因此激光雷达技术在障碍探测以及环境重建方面具有明显的优势。在进行测量时，一般采用扫描式激光雷达对障碍物进行二维或三维测量，其探测机理主要是以激光作为辐射源对目标障碍物进行高精度距离测量，以便车辆及时有效地规避障碍物。
4.目前应用于无人驾驶车的激光雷达研究多以扫描式激光雷达为主，以脉冲激光测距作为主要障碍物探测方式，但是其普遍存在研发成本高、系统复杂并且测量精度难以提高的不足，系统稳定性差。因此，在此基础上，研究并设计低成本、集成度高并且可以实现高精度测量的激光雷达系统对于无人驾驶技术的发展意义重大。而影响扫描式激光雷达性能的关键元器件就是扫描用的振镜。现有的振镜为往复振动平面反射镜，这种结构对电机精度要求极高，并且稳定性较差，由于振镜运动特点的限制，扫描场会存在一定的变形。


技术实现要素：

5.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜设计方法的技术方案。
6.一种连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜设计方法，包括：
7.s100建立激光照射螺旋线；
8.s200通过计算激光器的位置和对应需要扫描的角度得到激光照射螺旋线上所有反射点的法向向量；
9.s300根据激光照射螺旋线上所有反射点的位置及其法向向量，构建出螺旋反射面，沿螺旋反射面绕设螺旋反射镜。
10.进一步地，所述s200中，振镜中每个反射点的法向向量设计满足要求r1：所述激光照射螺旋线的每一个反射点具有一法向向量，设定一激光照射位置，设定反射点位于激光照射位置时的法向向量为照射法向向量，激光照射螺旋线上所有反射点中至少有四种方向不同的照射法向向量，使得振镜在工作状态接受激光器照射时，反射出的扫描点呈阵列排布。
11.进一步地，所述要求r1中，所述激光照射螺旋线上所有反射点的照射法向向量方向均不同。
12.进一步地，所述s100中，激光照射螺旋线设计为等直径等螺距螺旋线。
13.进一步地，所述s300中，螺旋反射镜的相邻圈层之间紧密排布，使得螺旋反射镜构成圆柱形镜面。
14.进一步地，所述s300的操作还包括设置一支撑体，将螺旋反射镜绕设于支撑体表面。
15.进一步地，所述支撑体为圆柱形结构。
16.进一步地，所述s200中，每个反射点的法向向量计算方法包括：
17.根据公式(1)计算得到反射点的照射法向向量n，根据反射单元的照射法向向量n得到反射单元的反射面，
[0018][0019]
其中，向量i表示入射激光方向，向量r表示出射激光方向，向量i和向量r根据激光器位置，反射点和扫描点的位置得到。
[0020]
进一步地，所述设计方法还包括s400，s400包括：根据公式(2)设计振镜的旋转角速度、激光照射螺旋线的螺距、振镜与激光器的相对移动速度，
[0021]
h/v＝2π/w (2)
[0022]
其中，v表示激光器与振镜的相对移动速度，w表示振镜的角速度，h表示激光照射螺旋线的螺距。
[0023]
与现有技术相比，本发明设计的振镜中激光照射螺旋线的每个反射点的法向向量都单独进行设计，这样就解决了传统振镜扫描变形的问题，同时，振镜的转动可以很方便的控制为匀速运动，振镜与激光器的相对运动可以很方便地控制为匀速运动，这样能够有效地解决扫描点阵分布不均匀的问题，而且也使得振镜的驱动结构更加简单且可靠，极大的降低了整体的制造成本。
附图说明
[0024]
图1为本发明流程图；
[0025]
图2为本发明设计的连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜与激光器配合使用时的结构示意图之一；
[0026]
图3为本发明设计的连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜与激光器配合使用时的结构示意图之二；
[0027]
图4为本发明设计的连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜中反射点受激光照射时的光路示意图；
[0028]
图5为本发明设计的连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜使用时的激光扫描点阵示意图。
[0029]
图中：1是螺旋反射镜；100是激光照射螺旋线；2是激光照射位置；3是支撑体；4是激光器；n是反射单元组的圈数；m是单个反射单元组中反射单元的个数；r是入射激光方向；i是出射激光方向；n是照射法向向量。
具体实施方式
[0030]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
[0031]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0032]
请参阅图1-5，一种连续式旋转圆柱自动驾驶汽车激光雷达振镜设计方法，包括：
[0033]
s100建立激光照射螺旋线100；
[0034]
s200通过计算激光器4的位置和对应需要扫描的角度得到激光照射螺旋线100上所有反射点的法向向量；
[0035]
s300根据激光照射螺旋线100上所有反射点的位置及其法向向量，构建出螺旋反射面，沿螺旋反射面绕设螺旋反射镜1；
[0036]
s400根据公式(2)设计振镜的旋转角速度、激光照射螺旋线的螺距、振镜与激光器的相对移动速度，
[0037]
h/v＝2π/w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0038]
其中，v表示激光器4与振镜的相对移动速度，w表示振镜的角速度，h表示激光照射螺旋线的螺距。
[0039]
上述设计方法首先利用计算器建模软件及其相应计算程序建立三维模型，然后根据三模模型制造实体振镜。
[0040]
进一步地，s200中，振镜中每个反射点的法向向量设计满足要求r1：所述激光照射螺旋线100的每个点都为反射点，每一个反射点具有一法向向量，设定一激光照射位置2，该激光照射位置2代表激光器4照射在螺旋反射镜1上的位置，振镜能够通过旋转和与激光器4的相对上下移动使激光照射螺旋线100上每一个反射点都达到激光照射位置2，设定反射点位于激光照射位置2时的法向向量为照射法向向量，激光照射螺旋线100上所有反射点中至少有四种方向不同的照射法向向量，使得振镜在工作状态接受激光器4照射时，反射出的扫描点呈阵列排布。
[0041]
优选地，所述要求r1中，激光照射螺旋线100上所有反射点的照射法向向量方向均不同。
[0042]
可以理解，这样的设计使得振镜所有发射点都对应一个扫描点，扫描效果更好。
[0043]
进一步地，所述s100中，激光照射螺旋线100设计为等直径等螺距螺旋线。
[0044]
可以理解，等直径等螺距螺旋线更有规律，便于振镜的设计和制造。
[0045]
进一步地，所述s200中，每个反射点的法向向量计算方法包括：
[0046]
根据公式(1)计算得到反射点的照射法向向量n，根据反射单元的照射法向向量n得到反射单元的反射面，
[0047][0048]
其中，向量i表示入射激光方向，向量r表示出射激光方向，向量i和向量r根据激光器位置，反射点和扫描点的位置得到。
[0049]
对s200的进一步说：本发明通过计算激光器4的位置和对应需要扫描的角度得到
激光照射螺旋线100上的各反射点的法向向量，通过将这些各点拟合最终得到螺旋反射镜1的连续变化的自由反射曲面。具体地，反射点通过计算激光器4的位置和对应需要扫描的角度得到反射点在镜面上的法向向量方向，所有反射点都以这样的计算方法得到。
[0050]
进一步地，所述s300的操作还包括设置一支撑体3，支撑体3优选为圆柱形结构，将螺旋反射镜1绕设于支撑体3表面。其中，螺旋反射镜1可以为一整条反射平面镜，其可以固定贴覆于支撑体3表面。
[0051]
进一步地，所述s300中，螺旋反射镜1的相邻圈层之间紧密排布，相邻圈层之间没有间隙，也就是说螺旋反射镜1中每个圈层的宽度等于其螺距，使得整个螺旋反射镜1构成一整体的圆柱镜面。此外，螺旋反射镜1中每个圈层的宽度也可以设计成小于螺距，这样螺旋反射镜1不同圈层之间形成间隙。
[0052]
对s400的进一步说明：这样的设计能够使激光器4发出的激光正好沿着激光照射螺旋线100作相对移动。
[0053]
本发明所设计的振镜使用时，振镜以一定的角速度旋转，激光器4也以一定的频率发射激光，同时激光器4以一定的速度上下移动，或者振镜以一定的速度上下移动，只要激光器4与振镜发生相对匀速相对运动即可，振镜转动与激光器4移动配合，当激光器4发射激光时，激光能够正好移动到螺旋反射镜1的激光照射螺旋线100上，并且激光的照射点会沿着激光照射螺旋线100作相对移动。当反射点的照射法向向量方向不同时，激光反射方向也不相同，这样扫描点的位置也不同，所有的扫描点都能够被激光器4照射到，每个反射点都能够反射出一个扫描点，本实施例所有的反射点正好对应一个扫描矩阵，以此实现振镜的偏转效果。
[0054]
由于本实施例的振镜能够对每个反射点单独进行设计，相应的也就能够对反射点反射出的扫描点方向进行单独设计，通过设计使得这些扫描点投射到同一个平面上时等间距排布，避免变形。
[0055]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。