一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法技术方案

一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法，属于光电领域，解决了现有激光雷达存在的成本高、结构复杂、测距效率低的问题。本发明专利技术包括：数字信号处理芯片；激光器驱动电路接收数字模拟信号转换芯片的固定延时的脉冲序列并将其转换为激光器脉冲驱动信号；多个激光发射器接收激光器驱动电路的激光器脉冲驱动信号以相同间隔时间发射脉冲激光；光信号探测器采集回波脉冲信号转换为电信号；模拟数字信号转换芯片采集电信号并对其进行模数转换后传输给数字信号处理芯片进行距离计算；马达驱动芯片输出PWM驱动信号以驱动旋转马达带动激光发射器和光信号探测器转动。本发明专利技术成本低、结构简单、测距效率高。

A multi-point lidar 3D point cloud measurement system and measurement method

A multi-channel laser radar 3D point cloud measurement system and measurement method, which belong to the photoelectric field, have solved the problems of high cost, complex structure and low ranging efficiency in the existing laser radar. The invention includes: digital signal processing chip, the laser drive circuit receives the fixed delay pulse sequence of the digital analog signal conversion chip and converts it to the laser pulse drive signal; the laser pulse driving signal of the laser driven circuit of the laser transmitter receives the pulse laser at the same interval time. The optical signal detector converts the echo pulse signal to the electrical signal; the analog digital signal conversion chip collects the electrical signal and transfers the digital signal processing chip to the digital signal processing chip for distance calculation; the motor drive chip outputs the PWM drive signal to drive the rotating motor to drive the laser transmitter and the light signal detector. Turn. The invention has the advantages of low cost, simple structure and high ranging efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法
本专利技术属于光电
，具体涉及一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法。
技术介绍
Timeofflight(TOF)是一种使用脉冲激光来测量距离的成熟测距方法。如图1所示，来自激光器1的激光脉冲通过准直镜头(包括反射镜2和转镜3)出射，当脉冲被待测物体4表面反射时形成回波，测量回波返回到探测器5所需的时间，并且可以从时域测量结果计算待测物体4到探测器5的距离。激光雷达测量精度随测量分辨率和后端数字信号处理(DSP)算法的不同而不同。如图2和图3所示，当激光器快速连续地发送多个脉冲时，这些发射的方向以某种方式顺序地变化，每个距离测量点可以被认为是像素，快速连续地发射和捕获的像素的集合形成“点云”，点云数据可以绘制为3D图像或用于分析周边环境信息，如检测障碍物，获取的数据密度高、分辨率高。基于这些数据获取优势，激光雷达是无人驾驶、无人机避障、机器人目标识别等智能技术不可或缺的感知技术之一。但目前所采用的激光雷达系统，都有着成本高、系统复杂的缺点，可以说是无人驾驶技术商业化的最大瓶颈之一。目前市场上存在多款可以快速连续获取距离点云数据的产品。这些仪器通常用于测绘，3D图像重构，自动导航，工业应用和其他目的。这些装置中的大多数依赖于使用转动反射镜的多组激光发射器，与多组探测器组合来实现跨平面的扫描，如图1所示。这种激光测距设备通常用于工业应用中。如上所述，这种设计仅可提供2D点云数据。然而，无人驾驶技术通常需要3D点云数据。另一个维度则是以多种方式提供：一种方法是通过万向节上下移动对第三个维度进行扫描。因此，可以采用单光束激光雷达单元来捕获距离点的整个3D阵列，这种可以应用单个激光发射器、检测器的2D扫描器，通过安装在万向节上的旋转镜，来回旋转以增加视野；另一种方法是采用单个激光发射器、检测器产生3D点云的装置中，将激光脉冲出射到多层的棱镜，每层具有不同的出射角，这模拟了上述的万向节效果。在现有技术中，均是采用单个激光发射器/检测器组合，其中光路以某种方式改变出射光路以实现用单个传感器实现更广泛的视角的效果。这种组合结构的固有特点限制了它可以产生的像素数量。这个限制是由于单个激光器每秒钟可能产生固定数目的脉冲。无论是通过镜子、万向节或者棱镜设备，激光路径的任何改变都会导致点云密度减小，以达到覆盖更广泛区域的目的，同时获得的点云数据量也受到了限制。因此，提高3D图像分辨率，增加点云数据密度，可以通过在旋转镜单元中增加激光器和探测器数量来实现。但是，当使用多个激光发射器/检测器组合用于旋转镜扫描器时，一定程度上增加了系统的复杂性，相对应的成本也成比例的增加。另外一种激光雷达类型为“闪烁式激光雷达”。它们通过同时照射大面积并且在专门的2D焦平面阵列(FPA)上捕获所得到的像素距离信息来操作。因为这种传感器是固态的，并且不需要移动部件。预计未来会替换机械扫描的传感器。然而，这种传感器存在结构复杂、成本高昂的缺点，目前在商业上没有广泛应用。如上所述，三维点云数据采集系统存在多种配置，自主车辆导航的需求对当前系统提出了很高的要求。例如，采用摄像头传感器系统能够拍摄出解析度很高的图片，但需要很大的计算量来提取图像中获得的信息并进行处理，且通过2D图像计算获得3D信息也会有一定的错误率。这种系统缺乏视野和准确的距离信息，很难满足无人驾驶道路实时信息的获取需求。为了安全地获取高速公路路况，有必要看到车辆周围几乎全部360度。此外，有必要在现实世界中发生的行为与其成像/反应之间具有最小的延迟。一般来说，接受人的反应时间是十分之一秒。因此，为导航计算机提供大约十次的3D图像更新是必须满足的。垂直视野需要延伸到地平线以上，以防汽车在道路上进入倾斜状态，并应尽可能靠近，以便在车辆前方看到地面。
技术实现思路
为了解决现有激光雷达存在的成本高、结构复杂、测距效率低的问题，本专利技术提供了一种全视角、低成本、高精度的多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法。本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下：本专利技术的一种多通道激光雷达三维点云测量系统，包括：数字信号处理芯片；高速激光器开关芯片，接收来自数字模拟信号转换芯片的固定延时的脉冲序列并将其转换为激光器脉冲驱动信号；多个激光发射器，接收激光器脉冲驱动信号并以相同间隔时间发射脉冲激光；准直聚焦光学系统一，将脉冲激光准直聚焦到被测物体上；准直聚焦光学系统二，将被测物体反射的回波脉冲信号准直聚焦到光信号探测器上；光信号探测器，采集回波脉冲信号并将其转换为电信号；模拟数字信号转换芯片，采集电信号并对其进行模数转换后传输给数字信号处理芯片进行距离计算，获得的距离信息经数字信号处理芯片转换为固定格式的角度、距离与反射波强度的列表数据；马达驱动芯片，接收来自数字信号处理芯片的角度信息并输出PWM驱动信号；旋转马达，接收PWM驱动信号以驱动旋转马达带动激光发射器和光信号探测器转动；以太网驱动芯片，传输来自数字信号处理芯片的3D点云数据包；以太网设备，以UDP数据流格式接收3D点云数据包即测距数据。进一步的，还包括：旋转基座和固定在旋转基座上的外壳，激光发射器和光信号探测器均安装在外壳内部，旋转马达的输出轴与外壳固连，通过驱动旋转马达带动外壳及其内部的组件围绕旋转基座旋转。进一步的，所述光信号探测器的数量为一个或多个；当光信号探测器的数量为多个时，光信号探测器的数量与激光发射器的数量相同，且多个激光发射器与多个光信号探测器一一对应安装，成对的激光发射器和光信号探测器以固定角度对准安装。进一步的，还包括：与光信号探测器相连的跨阻放大器、与跨阻放大器相连的功率放大器、与功率放大器和模拟数字信号转换芯片相连的低通滤波器；所述光信号探测器输出的电信号依次经跨阻放大器放大、功率放大器放大、低通滤波器滤波后输出给模拟数字信号转换芯片。进一步的，所述数字信号处理芯片包括：与数字模拟信号转换芯片相连的激光器阵列脉冲生成模块、与激光器阵列脉冲生成模块和模拟数字信号转换芯片相连的距离数据计算模块、与距离数据计算模块相连的数据格式化模块、与数据格式化模块和马达驱动芯片相连的马达驱动脉冲生成模块、与数据格式化模块和以太网驱动芯片相连的以太网数据包生成模块；所述激光器阵列脉冲生成模块产生已知的固定延时的脉冲序列，经数字模拟信号转换芯片转换并采样，激光器阵列脉冲生成模块与距离数据计算模块之间通过同步信号进行时域上的同步；利用模拟数字信号转换芯片从光信号探测器采样回波脉冲信号，距离数据计算模块利用测距窗口算法，并根据回波脉冲信号与参考脉冲信号进行距离数据计算，求得每个对应角度的反射波强度，同时通过峰值相关检测算法获取距离信息，形成多角度的3D点云数据；所述数据格式化模块将3D点云数据以及由马达驱动脉冲生成模块获得的实时角度信息以固定格式输出到以太网数据包生成模块生成3D点云数据包。进一步的，所述数字信号处理芯片选用FPGA芯片。本专利技术的一种多通道激光雷达三维点云测量方法，包括以下步骤：步骤一、数字信号处理芯片通过激光器阵列脉冲生成模块产生已知的固定延时的脉冲序列输出给高速激光器开关芯片；步骤二、由高速激光器开关芯片向激光发射器传输激光器脉冲驱动信号，通过高速激光器开关芯片驱动激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多通道激光雷达三维点云测量系统，其特征在于，包括：数字信号处理芯片；高速激光器开关芯片，接收来自数字模拟信号转换芯片的固定延时的脉冲序列并将其转换为激光器脉冲驱动信号；多个激光发射器，接收激光器脉冲驱动信号并以相同间隔时间发射脉冲激光；准直聚焦光学系统一，将脉冲激光准直聚焦到被测物体上；准直聚焦光学系统二，将被测物体反射的回波脉冲信号准直聚焦到光信号探测器上；光信号探测器，采集回波脉冲信号并将其转换为电信号；模拟数字信号转换芯片，采集电信号并对其进行模数转换后传输给数字信号处理芯片进行距离计算，获得的距离信息经数字信号处理芯片转换为固定格式的角度、距离与反射波强度的列表数据；马达驱动芯片，接收来自数字信号处理芯片的角度信息并输出PWM驱动信号；旋转马达，接收PWM驱动信号以驱动旋转马达带动激光发射器和光信号探测器转动；以太网驱动芯片，传输来自数字信号处理芯片的3D点云数据包；以太网设备，以UDP数据流格式接收3D点云数据包即测距数据。

【技术特征摘要】
1.一种多通道激光雷达三维点云测量系统，其特征在于，包括：数字信号处理芯片；高速激光器开关芯片，接收来自数字模拟信号转换芯片的固定延时的脉冲序列并将其转换为激光器脉冲驱动信号；多个激光发射器，接收激光器脉冲驱动信号并以相同间隔时间发射脉冲激光；准直聚焦光学系统一，将脉冲激光准直聚焦到被测物体上；准直聚焦光学系统二，将被测物体反射的回波脉冲信号准直聚焦到光信号探测器上；光信号探测器，采集回波脉冲信号并将其转换为电信号；模拟数字信号转换芯片，采集电信号并对其进行模数转换后传输给数字信号处理芯片进行距离计算，获得的距离信息经数字信号处理芯片转换为固定格式的角度、距离与反射波强度的列表数据；马达驱动芯片，接收来自数字信号处理芯片的角度信息并输出PWM驱动信号；旋转马达，接收PWM驱动信号以驱动旋转马达带动激光发射器和光信号探测器转动；以太网驱动芯片，传输来自数字信号处理芯片的3D点云数据包；以太网设备，以UDP数据流格式接收3D点云数据包即测距数据。2.根据权利要求1所述的一种多通道激光雷达三维点云测量系统，其特征在于，还包括：旋转基座和固定在旋转基座上的外壳，激光发射器和光信号探测器均安装在外壳内部，旋转马达的输出轴与外壳固连，通过驱动旋转马达带动外壳及其内部的组件围绕旋转基座旋转。3.根据权利要求1所述的一种多通道激光雷达三维点云测量系统，其特征在于，所述光信号探测器的数量为一个或多个；当光信号探测器的数量为多个时，光信号探测器的数量与激光发射器的数量相同，且多个激光发射器与多个光信号探测器一一对应安装，成对的激光发射器和光信号探测器以固定角度对准安装。4.根据权利要求1所述的一种多通道激光雷达三维点云测量系统，其特征在于，还包括：与光信号探测器相连的跨阻放大器、与跨阻放大器相连的功率放大器、与功率放大器和模拟数字信号转换芯片相连的低通滤波器；所述光信号探测器输出的电信号依次经跨阻放大器放大、功率放大器放大、低通滤波器滤波后输出给模拟数字信号转换芯片。5.根据权利要求1所述的一种多通道激光雷达三维点云测量系统，其特征在于，所述数字信号处理芯片包括：与数字模拟信号转换芯片相连的激光器阵列脉冲生成模块、与激光器阵列脉冲生成模块和模拟数字信号转换芯片相连的距离数据计算模块、与距离数据计算模块相连的数据格式化模块、与数据格式化模块和马达驱动芯片相连的马达驱动脉冲生成模块、与数据格式化模块和以太网驱动芯片相连的以太网数据包生成模块；所述激光器阵列脉冲生成模块产生已知的固定延时的脉冲序列，经数字模拟信号转换芯片转换并采样，激光器阵列脉冲生成模块与距离数据计算模块之间通过同步信号进行时域上的同步；利用模拟数字信号转换芯片从光信号探测器采样回波脉冲信号，距离数据计算模块利用测距窗口算法，并根据回波脉冲信号与参考脉冲信号进行距离数据计算，求得每个对...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋琦，高劲松，李资政，杨飞，张卓，田恩光，黄月旺，
申请(专利权)人：高若谦，
类型：发明
国别省市：吉林,22