正多面体激光雷达结构的制作方法

本实用新型涉及激光雷达技术领域，特别公开一种正多面体激光雷达结构。

背景技术：

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，一般由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成，用激光器作为发射光源。激光探测及测距系统的英文为LiDAR(Light Detection and Ranging)，另外也称Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)。

激光测距(laser distance measuring)是以激光器作为光源进行测距。目前，常用的方法主要有飞行时间测距法、结构光测距法，而结构光测距法主要是激光三角测距法、斑块光测距法。

飞行时间测距法，英文是Time of flight，简写为TOF。所谓飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。飞行时间测距法具有测量角度非常广的优点，适合长距离测量。但是，存在如下缺点：1、因测量物体距离近时反射时间差很小，TOF方法在近距离测量时误差很大。2、TOF方法只能单点测量，而且双方最好是都是静止的，否则误差严重。3、TOF方法必需结合扫描方式才能测量多角度的距离，但是由于扫描需要时间，所以误差较为严重，测量有速度物体时的误差又更严重。

激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。激光三角测距法原理简单，适合短距离的测量。但是，存在如下缺点：1、远距离得到的精度很低；2、光点感测一样非常容易被干扰；3、光源与照相机距离要够远才能得到适当的精度，致使产品的空间体积很大，难以小型化；4、要得到整个空间信息，计算量很大。

Prime Sense公司对斑块光测距法进行相应的研究。根据Prime Sense公司的专利记载，Kinect获取深度图像的原理主要是运用了光编码(light coding)技术，组成系统成像的核心部件有三个：激光发射器、不均匀透明介质、CMOS感光器件；其结构图纸及其原理详见美国专利US7433024B2、中国专利CN10496032B等。

激光雷达应用于汽车无人驾驶领域也得到了一定的深度研究。现有技术中，运用于无人驾驶汽车的激光雷达模块都是由一组360°扫描的激光加上接收光模块(内含64个雪崩二极体组成)；其测距的方法是利用时间差TOF(Time of fly)方法，来得到空间的距离信息。目前，最有名的激光雷达厂商是威力登(Velodyne LiDAR)，其LiDAR(Light Detection And Ranging)技术已应用于Google和百度无人驾驶汽车。一般设置在汽车的顶部，一个形似花盆的组成部分就是“激光雷达”，它的作用相当于无人驾驶汽车的“眼睛”，能够帮助无人车实现环境识别、自动避障和路径规划等功能。在2015年年末展出的百度无人驾驶汽车上使用的激光雷达，价值约70万人民币，其产品的立体结构大致如附图1。

威力登公司的激光雷达很适合行车方面用途，但是在其它的应用方面仍有一些缺点：

1、扫描式的测距，在遇到高速移动的物体会产生很大的误差；

2、虽然环景是360°，但是上下只有28°的测量，很大区域为盲区；

3、从雪崩二极体得到的点云信息量巨大，计算上很复杂，很容易判断错误。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种正多面体激光雷达结构，其在正多面体底座的各个面上安装调制激光模组和感测模组，其直接由各个面侦测的资讯数据相互拼接即可获得三维空间内的全部资讯数据，不需要扫描即可侦测全视角的空间资讯。

本实用新型提供一种正多面体激光雷达结构，包括：

正多面体底座，呈正多面体形状，其中，正多面体的面数为N；

调制激光模组，用于投射激光，设于正多面体的各个面上，包括激光源和光调制器；以及

感测模组，用于感测激光投射到物体上反射回来的激光信号或者感测激光照射物体时的影像资讯，设于正多面体的各个面上。

采用在正多面体底座上设置多个调制激光模组和感测模组的结构，正多面体每个面上的调制激光模组和感测模组只需负责其相对应的一部分空间区域的侦测，而各个面的侦测资讯拼接在一起，则获取到了整个三维空间的全部资讯。

从数学理论上讲，展开后具有连贯的平面展开图的正多面体具有多种，有正四面体、正六面体、有正八面体、正十二面体、正二十面体等。但是，因为目前技术的感测模组中，感测模组的镜头侦测视角范围有限(大于120°后畸变尤其严重)，致使在现有技术限制的情形下，具有工业实现可能和商业价值的技术方案为正十二面体及正二十面体，采用该两种正多面体方可实现多个面的侦测资讯拼接，从而完成三维空间的侦测。

采用正多面体的结构，其展开后具有连贯的平面展开图多面体结构，其优势在于工业应用时的大批量加工，其制作的印制电路板等可以直接以平面形式加工，然后组装成正多面体的结构。

较佳的，所述正多面体为正十二面体，即面数N＝12，感测模组的镜头视角范围不小于900°/N＝75°，调制激光模组激光投射视角范围不小于900°/N＝75°。

较佳的，所述正多面体为正二十面体，即N＝20，感测模组的镜头侦测视角不小于900°/N＝45°，调制激光模组激光投射视角范围不小于900°/N＝45°。

相对于调制激光模组主要用于投射激光而言，接收激光信号的感测模组的制作成本和精度要求则更高，一般，正多面体底座的各个面上一般采用一个激光源及一个感测模组。较佳的，正多面体底座的各个面上设有一个调制激光模组及一个感测模组。

为了缩小单个调制激光模组的激光投射视角范围，可采用多个调制激光模组组合并将其在空间上实现拼接。

较佳的，正多面体底座的各个面上设有一个感测模组和多个调制激光模组；优选的，其中，正十二面体的各个面上设置五个调制激光模组，正二十面体的各个面上设置三个调制激光模组。

进一步优选的，在正十二面体的正五边形面上，五个调制激光模组设于正五边形的顶角处，一个感测模组设于正五边形的中心处，此时调制激光模组激光投射视角范围不小于900°/N/5＝15°即可，五个调制激光模组拼接起来即可覆盖其所在的面负责侦测的视角空间；相应的，在正二十面体的正三角形面上，三个调制激光模组设于正三角形的顶角处，一个感测模组设于正三角形的中心处，此时调制激光模组激光投射视角范围不小于900°/N/3＝15°即可，三个调制激光模组拼接起来即可覆盖其所在的面负责侦测的视角空间。

当正多面体激光雷达采用TOF法测距时，其更适用于远距离测量，此时，感测模组最重要的参数是感测时间差，感测模组中采用现有技术中的常用传感器，为提高其对感测时间差的灵敏度，一般仍需要采用雪崩二极体或者随着技术发展出现的等同物。

当正多面体激光雷达采用TOF法测距时，其发射的激光为有一定角度的点状光，投射后即条状光。此时，光调制器可以是将光束放大的透镜即可。

当正多面体激光雷达采用结构光测距(比如激光三角测距法、斑块光测距法)时，其更适用于近距离测量，此时，感测模组最重要的参数感测影像资讯的准确度，反过来说就是影像资讯的畸变情况，感测模组可以采用激光三角测距法现有技术中的CCD光电探测器，或者斑块光测距法中的CMOS感光器件。

当正多面体激光雷达采用结构光测距(比如激光三角测距法、斑块光测距法)时，所述光调制器为衍射光学组件(DOE，Diffraction Optical Element)或者微型反射镜阵列。其中，微型反射镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的反射镜组成的阵列，其具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学组件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。

本实用新型还提供一种正多面体激光雷达结构，包括：

正多面体底座，呈正多面体形状，其中，正多面体的面数为N；

调制激光模组，用于投射激光，设于正多面体的(N-M)个面上，包括激光源和光调制器，其中，M为小于N的整数；以及

感测模组，用于感测激光投射到物体上反射回来的激光信号或者感测激光照射物体时的影像资讯，设于正多面体的(N-M)个面上，并且与调制激光模组匹配设置，以使正多面体底座的M个面上没有设置调制激光模组和感测模组。

优选的，M＝1，仅预留一个面上没有设置调制激光模组和感测模组，用于正多面体激光雷达的整体安装。当M值越大，也意味着其预留的面越多，其对应的盲区就越大，其应用的领域就越受限。当然，仍有较多应用领域不需要三维空间的全部资讯，允许存在一定的盲区。

针对第一种正多面体激光雷达结构，其从正多面体底座的任意一顶点处延伸出支撑件或者悬挂件，将正多面体激光雷达整体支撑安装或者悬挂安装。

针对第二种正多面体激光雷达结构，其将正多面体底座没有安装调制激光模组和感测模组的一个面或者多个面，整体安装于支撑平台上。

上述的正多面体激光雷达结构特别适用于在三维空间运动物体的测距，比如无人机、机器人(机械手臂)。

本实用新型的有益效果有：

1、颠覆了传统的圆柱型扫描式激光雷达结构，其采用正多面体结构各个面的空间资讯拼接获取三维立体空间的全部资讯，不再采用往复移动“扫描”，实现“免扫描”，并且可以获得720°全景空间资讯。

2、采用正多面体多个面上同一时间侦测的资讯实现拼接完成整个三维空间的侦测，避免扫描带来的时间差，从而提高侦测的精度，特别适用于高速运动物体上的侦测。

3、通过正多面体的各个面实现不同三维空间的编码侦测，大大减少数据运算量，避免出错概率。

4、整体结构简单，无需扫描相关的结构部件，降低激光雷达的制作成本。

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中Velodyne LiDAR厂商的激光雷达结构示意图。

图2a为本实用新型实施例1的正十二面体底座的结构示意图。

图2b为本实用新型实施例1的正十二面体底座的平面展开的示意图。

图3为本实用新型实施例1的正十二面体激光雷达的空间资讯拼接的示意图。

图4为本实用新型实施例1的正十二面体激光雷达结构示意图(仅示出了一个面上设置调制激光模组和感测模组)。

图5a为本实用新型实施例1的正十二面体激光雷达其中一个面的俯视结构示意图。

图5b为本实用新型实施例1的正十二面体激光雷达其中一个面的侧视结构示意图。

图6a为线性光投射到平面物体上产生的影像示意图。

图6b为线性光投射到曲面物体上产生的影像示意图。

图7a为斑块结构光的示意图。

图7b为斑块结构光投射到曲面物体(人脸)上产生的影像示意图。

图8a为本实用新型实施例2的正二十面体底座的结构示意图。

图8b为本实用新型实施例2的正二十面体底座的平面展开的示意图。

图9为本实用新型实施例2的正二十面体激光雷达结构的示意图(仅示出了一个面上设置调制激光模组和感测模组)。

图10a为本实用新型实施例2的正二十面体激光雷达结构调制激光模组的侧视示意图。

图10b为本实用新型实施例2的正二十面体激光雷达结构感测模组的侧视示意图。

图11a为感测模组镜头视角在75°时获得的结构光影像畸变情况的示意图。

图11b为感测模组镜头视角在120°时获得的结构光影像畸变情况的示意图。

图12a为正十二面面体激光雷达的一种安装方法的示意图。

图12b为正十二面面体激光雷达的又一种安装方法的示意图。

图中，1-正多面体底座，2-调制激光模组，3-感测模组；21-激光源，22-光调制器。

具体实施方式

通过下面给出的本实用新型的具体实施例可以进一步清楚地了解本实用新型，但它们不是对本实用新型的限定。具体实施例中没有详细叙述的部分是采用现有技术、公知技术手段和行业标准获得的。

实施例1

请结合参看附图2a、2b至5，本实用新型的正十二面体激光雷达结构，包括：

正十二面体底座1，呈正十二面体形状，其中，正十二面体的面数为N＝12，其展开后具有连贯的平面展开图；

调制激光模组2，用于投射激光，设于正十二面体的各个面上，包括激光源21和光调制器22；以及

感测模组3，用于感测激光投射到物体上反射回来的激光信号或者感测激光照射物体时的影像资讯，设于正十二面体的各个面上。

本实施例中，正十二面体的每一个面上采用一个感测模组和五个调制激光模组的配合结构，对应的，感测模组的镜头视角不小于900°/12＝75°，每个面上的全部调制激光模组的结构光视角不小于900°/12＝75°，分配到具体每个调制激光模组的结构光视角不小于75°/5＝15°。

五个调制激光模组设于各个面五边形的顶角处，一个感测模组设于各个面五边形的中心处；调制激光模组以倾斜15°的角度摆放，5个调制激光模组拼接后则刚好覆盖此一个面相应的75°的三维空间。

采用在正多面体底座各个面上设置调制激光模组和感测模组的结构，正多面体每个面上的调制激光模组和感测模组只需负责其相对应的一部分空间区域的侦测，而各个面的侦测资讯拼接在一起，则获取到了整个三维空间的全部资讯。

当正多面体激光雷达采用结构光测距(比如激光三角测距法、斑块光测距法)时，其更适用于近距离测量，此时，感测模组最重要的参数感测影像资讯的准确度，反过来说就是影像资讯的畸变情况，感测模组可以采用激光三角测距法现有技术中的CCD光电探测器，或者斑块光测距法中的CMOS感光器件。

激光从激光器发出，经过柱面透镜后汇聚成宽度很窄的光带，称为结构光。该光平面以一定角度入射在工件上，在工件上产生反射和散射。生成结构光的设备可以是将光点、光缝、光栅、格网或斑纹投影到被测物体上的某种投影设备或仪器，也可以是生成激光束的激光器。

在结构光方面的选择方面，请结合参看附图6a和6b，传统的线性光对于某一方向可以量出偏移量、测出距离，但是对于另一轴向则有困难；请再结合参看附图7a和7b，而采用斑块结构光则会比较理想。

本实施例直接采用斑块结构光，这个斑块可以由亮暗不同的几何形状组成。对应的，其光调制器采用衍射光学组件(DOE，Diffraction Optical Element)或者微型反射镜阵列。其中，微型反射镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学组件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统，比如德仪科技有限公司(纳斯达克代码：TXN)推出的DLP芯片组和模块。

当然，本实施例的激光雷达结构也可以应用于TOF法测距。

请结合参考附图12a，上述正十二面体激光雷达结构的安装方法，就是其从正十二面体底座的任意一顶点处延伸出支撑件或者悬挂件，将正十二面体激光雷达整体支撑安装或者悬挂安装。此时，正十二面体激光雷达可以获取整个三维空间的全部资讯，不存在任何死角和盲区。

作为本实施例的变形，在正十二面体底座1的一个面上不再设置调制激光模组2和感测模组3，而是留出来用于与安装平台进行平面安装。请结合参考附图12b，此种变形的正十二面体激光雷达结构的安装方法，将正十二面体底座没有安装调制激光模组和感测模组的那一个面，整体安装于支撑平台上。此时，正十二面体激光雷达存在安装面这个空间角度的盲区，即有该对应面的空间资讯无法获取。但是，在特定的应用中并不会产生太大的影响，比如在行车过程中的测距，其与地面接触的视角空间的测距则相对不那么重要。

当然的，没有设置调制激光模组和感测模组的面也可以预留多个，也可以将该预留的面用于正多面体激光雷达的整体安装。当预留的面越多时，其对应的盲区就越大，其应用的领域就越受限。当然，仍有较多应用领域不需要三维空间的全部资讯，允许存在一定的盲区。

实施例2

请结合参看附图8至10a、10b，本实施例的正二十面体激光雷达结构，包括：

正二十面体底座1，呈正二十面体形状，其中，正多面体的面数为N＝20，其展开后具有连贯的平面展开图；

调制激光模组2，用于投射激光，设于正二十面体的各个面上，包括激光源21和光调制器22；以及

感测模组3，用于感测激光投射到物体上反射回来的激光信号或者感测激光照射物体时的影像资讯，设于正二十面体的各个面上。

本实施例中，正二十面体的每一个面上采用一个感测模组和一个调制激光模组的配合结构，对应的，感测模组的镜头视角不小于900°/N＝45°，调制激光模组结构光视角不小于900°/N＝45°。

采用在正多面体底座每个面上设置调制激光模组和感测模组的结构，正多面体每个面上的调制激光模组和感测模组只需负责其相对应的一部分空间区域的侦测，而各个面的侦测资讯拼接在一起，则获取到了整个三维空间的全部资讯。

当正多面体激光雷达采用TOF法测距时，其更适用于远距离测量，此时，感测模组最重要的参数是感测时间差，感测模组中采用现有技术中的常用传感器，为提高其对感测时间差的灵敏度，一般仍需要采用雪崩二极体或者等同物。

当正多面体激光雷达采用TOF法测距时，其发射的激光为有一定角度的点状光，投射后即条状光。本实施例直接采用扩大的激光束，对应的，其采用的光调制器就只是一片将光束放大的透镜。

在本实施例的激光雷达结构之下，激光测距的原理仍然是现有技术中的TOF(Time of fly)飞行时间测距法。所谓飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

当然，本实施例的激光雷达结构也可以应用于采用结构光测距(比如激光三角测距法、斑块光测距法)。

对应的，上述正二十面体激光雷达结构的安装方法，就是其从正二十面体底座的任意一顶点处延伸出支撑件或者悬挂件，将正二十面体激光雷达整体支撑安装或者悬挂安装。此时，正二十面体激光雷达可以获取整个三维空间的全部资讯，不存在任何死角和盲区。

作为本实施例的变形，在正二十面体底座1的一个面上不再设置调制激光模组2和感测模组3，而是留出来用于与安装平台进行平面安装。对应的，此种变形的正二十面体激光雷达结构的安装方法，将正多面体底座没有安装调制激光模组和感测模组的一个面，整体安装于支撑平台上。此时，正二十面体激光雷达存在安装面这个空间角度的盲区，即有对应的45°的空间资讯无法获取。但是，在特定的应用中并不会产生太大的影响，比如在行车过程中的测距，其与地面接触的视角空间的测距则相对不那么重要。

当然的，没有设置调制激光模组和感测模组的面也可以预留多个，也可以将该预留的面用于正多面体激光雷达的整体安装。当预留的面越多时，其对应的盲区就越大，其应用的领域就越受限。当然，仍有较多应用领域不需要三维空间的全部资讯，允许存在一定的盲区。

本实用新型的正多面体激光雷达结构具有如下特点：

1、颠覆了传统的圆柱型扫描式激光雷达结构，其采用正多面体结构各个面的空间资讯拼接获取三维立体空间的全部资讯，不再采用往复移动“扫描”，实现“免扫描”，并且可以获得720°全景空间资讯。

2、采用正多面体多个面上同一时间侦测的资讯实现拼接完成整个三维空间的侦测，避免扫描带来的时间差，从而提高侦测的精度，特别适用于高速运动物体上的侦测。

3、通过正多面体的各个面实现不同三维空间的编码侦测，大大减少数据运算量，避免出错概率。

4、整体结构简单，无需扫描相关的结构部件，降低激光雷达的制作成本。

对于正多面体结构的选择方面，从数学理论上来说，正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体是可行的，展开后都具有连贯的平面展开图。但是，采用正四面体、正六面体、正八面体时，其各个面对应视角的角度过大，比如正四面体的每个面的视角不小于225°，正六面体的每个面的视角不小于150°，现有的感测模组获得影像会产生较为严重的畸变，难以完成全部三维空间的资讯的拼接。因此，正十二面体、正二十面体才是工业上和商业上最可能的利用方法。

本实用新型中，正多面体各个面的资讯，需要空间拼接方可完成整个三维空间的资讯，而其中一个主要的问题是感测模组得到的影像最好不要有畸变现象的发生。如图11a、11b分别示出了感测模组镜头视角在75°时、120°时获得的结构光影像畸变情况的示意图。采用正十二面体的照相机角度只要75°就可以完成全空间拼接；75°视角的感测模组照相机的畸变量可以控制的很小，因此极为适当；同样的，采用正二十面体的感测模组照相机角度只要45°就可以完成全空间拼接，效果也很理想。正四面体或正六面体对应的各个面视角的角度会到达120°以上，此时感测模组照相机的畸变难以控制。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。