CN205982639U - 扫描装置及无人驾驶设备 - Google Patents

Abstract

一种扫描装置及无人驾驶设备，包括光学结构及驱动结构。所述光学结构包括光源模组，光调整模组及光感测模组。所述光源模组用于发射探测光。所述光调整模组设置在所述光源模组的出光光路上。所述光调整模组用于增大所述探测光在一预定方向上的扩散角并保持所述探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角不变。所述光感测模组用于感测所述探测光被目标物体反射的部分光线。所述驱动结构用于驱动所述光学结构在所述光源模组出光方向与所述预定方向所在平面的平行面内旋转。

Description

扫描装置及无人驾驶设备

技术领域

本实用新型涉及避障技术领域，尤其涉及一种扫描装置及具有该扫描装置的无人驾驶设备。

背景技术

无人驾驶设备在很多领域有着广泛的应用，因此无人驾驶设备的飞行安全受到很多的关注。为了提高飞行的安全，无人驾驶设备能够自主检测目标物体并进行躲避的功能十分重要。激光雷达作为一种可靠，稳定，能够全天候工作的传感器，是用于避障的一个很好选择。

3D激光雷达一般包括两个垂直方向的扫描。在其中一个方向上，利用电机带动激光束在360度范围内旋转扫描。在垂直方向上，一种方法是利用多束激光射向不同高度角上的目标物体。这种方法虽然精度较高，但是却需要同时使用多个激光器，增加了成本和功耗。另一种方法是使用摆动舵机来控制激光束在高度角方向扫描，但是此方法的机械结构较为复杂，也受限于摆动舵机，很难达到较高的扫描频率。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种解决上述问题的扫描装置及具有该光学结构的无人驾驶设备。

一种扫描装置，包括

光学结构，包括光源模组，光调整模组及光感测模组，所述光源模组用于发射探测光，所述光调整模组设置在所述光源模组的出光光路上，所述光调整模组用于增大所述探测光在一预定方向上的扩散角并保持所述探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角不变，所述光感测模组用于感测所述探测光被目标物体反射的部分光线；及

驱动结构，用于驱动所述光学结构在所述光源模组出光方向与所述预定方向所在平面的平行面内旋转。

进一步地，所述光源模组包括至少一个发光元件，所述光感测模组包括多个感光元件，所述感光元件的数量大于所述发光元件的数量。

进一步地，所述发光元件包括以下至少一种：激光器，激光二极管或发光二极管。

进一步地，所述发光元件包括单向激光发射元件。

进一步地，所述发光元件包括半导体激光二极管，所述半导体激光二极管以1000赫兹或3600赫兹的频率发射激光。

进一步地，所述发光元件为红外激光二极管。

进一步地，所述感测元件包括光电二极管。

进一步地，单个所述感光元件的在所述预定方向上的感测角度小于所述探测光经增大后的扩散角。

进一步地，所述光感测模组的各个感光元件的感测范围不重叠。

进一步地，所述光调整模组包括柱面凹透镜，所述柱面凹透镜包括相背设置的平面侧及凹面侧，所述柱面凹透镜的平面侧面向所述光源模组设置。

进一步地，所述柱面凹透镜的凹面侧包括曲率半径无穷大的第一方向，所述第一方向垂直于所述预定方向。

进一步地，所述柱面凹透镜的凹面侧还包括与所述第一方向垂直的第二方向，所述凹面侧在所述第二方向上的曲率半径为100毫米。

进一步地，所述光调整模组还包括设置在所述柱面凹透镜与所述光源模组之间的平凸透镜。

进一步地，所述平凸透镜包括相背设置的平面侧及凸面侧，所述平凸透镜的平面侧面向所述光源模组设置。

进一步地，所述光调整模组将所述光源模组发出的探测光在预定方向上的扩散角增大到30度以上。

进一步地，所述光调整模组将所述光源模组发出的探测光在所述预定方向上的扩散角增大至少30倍。

进一步地，所述光调整模组将所述光源模组发出的探测光在所述预定方向上的扩散角增大到33度，并保持所述光源模组发出的探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角为2度。

进一步地，所述驱动结构包括驱动器，所述驱动器驱使所述扫描装置以每秒10至20转的转速转动。

进一步地，所述驱动结构还包括角度传感器，用以反馈所述扫描装置的角位置。

进一步地，所述扫描装置包括一个载台，所述光学结构设置在所述载台上，所述驱动结构与所述载台连接，驱使所述载台转动，从而带动所述光学结构转动，所述预定方向垂直于所述载台。

进一步地，所述扫描装置还包括测距模组，用于在所述扫描装置探测到目标物体时测定目标物体与扫描装置的距离。

进一步地，所述测距模组通过计算光线发射和反射的时间差或相位差，来换算目标物体与所述扫描装置的距离。

一种无人驾驶设备，包括云台及上述扫描装置，所述扫描装置设置在所述云台上。

进一步地，所述无人驾驶设备还包括控制器，

所述控制器用于响应所述扫描装置的扫描结果，当所述扫描装置扫描到目标物体时控制所述无人驾驶设备避开所述目标物体。

进一步地，所述控制器响应所述扫描装置探测目标物体的情况发送控制所述无人驾驶设备的运动的控制指令，所述无人驾驶设备还包括多个推进器，所述推进器用于根据所述控制器所发送的控制指令控制所述无人驾驶设备的运动。

进一步地，所述推进器包括电机及螺旋桨。

进一步地，所述推进器为四个。

进一步地，所述无人驾驶设备还包括无线收发装置，用于接收从一远端控制器发射的扫描指令。

进一步地，所述无人驾驶设备包括：无人飞行器、无人车、无人驾驶船、或机器人。

相对于现有技术，本实用新型提供的扫描装置及无人驾驶设备，利用所述光学结构的光调整模组增大所述光源模组发出的探测光在预定方向的扩散角，使得所述扫描装置在预定方向上有较大的扫描范围，通过驱动结构驱动所述光学结构水平转动实现预定方向的垂直方向上的扫描，如此，既不需要摆动舵机，也不需要多线激光，即可实现三维覆盖，可以大大降低成本以及结构的复杂度。

附图说明

图1是本实用新型实施方式提供的扫描装置的示意图。

图2是图1中所述光学结构的示意图。

图3是图2中所述光调整模组的示意图。

图4是图3中的柱面凹透镜的立体示意图。

主要元件符号说明

扫描装置	10
		光学结构	11
载台	15
		驱动结构	17
光源模组	12
		光调整模组	13
光感测模组	14
		发光元件	121
凸透镜	131
		柱面凹透镜	133
平面侧	1311、1331
		凸面侧	1313
凹面侧	1333
		感光元件	141

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

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。

请参阅图1及图2，本实用新型实施方式提供的扫描装置10包括光学结构11，载台15及驱动结构17。所述光学结构11设置在所述载台15上。所述驱动结构17连接至所述载台15。本实施方式中，所述光学结构11与所述载台15相对静止。所述驱动结构17驱使所述载台15转动，带动所述光学结构11转动。

所述光学结构11包括光源模组12，光调整模组13，及光感测模组14。所述光源模组12用于发射探测光。所述光调整模组13用于对所述光源模组12出射的探测光的光型进行调整。所述光感测模组14用于感测经调整后的探测光遇到目标物体被反射的光线。所述扫描装置10用于地面测量及/或目标物体检测。

所述光源模组12包括至少一个发光元件121。所述发光元件121可选用以下至少一种：激光器，激光二极管或发光二极管等。本实施方式中，所述发光元件121为单向激光发射元件。具体地，所述发光元件121为半导体激光二极管。所述半导体激光二极管以1000赫兹或3600赫兹的频率发射激光。进一步地，所述发光元件121为红外激光二极管。

所述光调整模组13设置在所述光源模组12的出光光路上。本实施方式中，所述光调整模组13用于增大自所述光源模组12出射的探测光在一预定方向上的光型的宽度，并保持所述光源模组12出射的探测光在所述预定方向的垂直方向上的宽度不变。即，所述光调整模组13用于增大自所述光源模组12出射的探测光在预定方向上的扩散角，并保持自所述光源模组12出射的探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角不变。所述光调整模组13将所述光源发出的探测光在所述预定方向上的扩散角增大至少30倍。本实施方式中，所述光调整模组13将所述光源模组12发出的探测光在所述预定方向上的扩散角从1度增大到30度以上。具体地，所述光调整模组13将所述光源模组12发出的探测光在所述预定方向上的扩散角从1度增大到33度，并保持所述光源模组12发出的探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角为2度。本实施方式中，所述预定方向与所述预定方向的垂直方向所在平面与所述光源模组12的出光方向垂直。所述预定方向垂直于所述载台15。

请参阅图3及图4，本实施方式中，所述光调整模组13包括凸透镜131及柱面凹透镜133。所述凸透镜131设置在所述柱面凹透镜133与所述光源模组12之间。所述光源模组12所述凸透镜131及所述柱面凹透镜133的光轴重合。本实施方式中，所述光源模组12位于所述凸透镜131的后焦面上。

本实施方式中，所述凸透镜131为平凸透镜。所述凸透镜131包括相背设置的平面侧1311及凸面侧1313。本实施方式中，所述平面侧1311较所述凸面侧1313靠近所述光源模组12。本实施方式中，所述凸透镜131的直径Φ1为12.7毫米。所述平面侧1311的曲率为正无穷大。所述凸面侧1313的曲率半径R1为15毫米。

可以理解，其他实施方式中，所述凸透镜131也可选用双凸透镜。

可以理解，其他实施方式中，所述凸透镜131可省略。

所述柱面凹透镜133大致呈长方体状。所述柱面凹透镜133包括相背的平面侧1331及凹面侧1333。所述平面侧1331较所述凹面侧1333靠近所述光源模组12。本实施方式中，所述平面侧1331的曲率为正无穷大，所述凹面侧1333包括曲率为正无穷大的第一方向及曲率半径R2为100毫米的第二方向。所述第二方向与所述第一方向垂直，且与所述预定方向平行。所述凹面侧1333在所述第二方向上的高度Φ2为35mm。

可以理解，其他实施方式中，所述凸透镜131及所述柱面凹透镜133的光学参数（包括尺寸，曲率等）可依需要设计，并不以本实施方式中所揭示的内容为限。

请再次参阅图1及图2，所述光感测模组14包括多个感光元件141。所述感光元件141可选用光电二极管。本实施方式中，所述感光元件141的数量大于所述发光元件121的数量。本实施方式中，所述多个感光元件141阵列排布。本实施方式中，每个所述感光元件141朝向不同的方向。每个所述感光元件141的感测范围相互之间不重叠。每个所述感光元件141在所述预定方向上的感测角度均小于所述探测光经增大后的扩散角。本实施方式中所述感光元件141在所述预定方向上的感测角为10度。

本实施方式中，所述光感测模组14还包括设置在所述感光元件141入光侧的聚光透镜142。所述探测光被所述目标物体反射至所述聚光透镜142，并经所述聚光透镜142汇聚所述感光元件141。所述光感测模组14能接收所有从目标物体反射的光。

所述驱动结构17包括驱动器及角度传感器（图未示）。所述驱动器连接至所述载台15，用于驱动所述载台15转动。所述驱动器可选用电机或马达等。所述角度传感器固定于所述载台15上，用于反馈所述扫描装置10的角位置。所述驱动器驱使所述扫描装置以每秒10至20转的转速转动。

可以理解，所述扫描装置10还包括测距模组（图未示）。所述测距模组设置在载台15上。所述测距模组用于在所述扫描装置10探测到目标物体时，测量所述目标物体与所述扫描装置10之间的距离。

本实施方式中，所述测距模组包括信号发射元件及信号感测元件。所述信号发射元件用于在所述扫描装置10探测到目标物体时，发射一个测距信号。所述测距信号遇到所述目标物体被反射至所述信号感测元件。所述测距模组可通过记录自所述信号发射元件发出信号至所述信号感测元件接收信号期间所耗费的时长，计算出所述目标物体与所述扫描装置的距离。所述信号发射元件为单向激光发射元件。所述信号发射元件可选用半导体激光二极管或红外激光二极管等。所述信号接收元件可选用光电二极管。所述测距模组还可通过计算光线发射和反射或相位差，来换算目标物体与所述扫描装置的距离。

可以理解，其他实施方式中，所述测距模组可省略，所述扫描装置10可直接利用所述光学结构11中的光源模组12与光感测模组14测量目标物体与所述扫描装置10的距离。

本实用新型还提供一种包括所述扫描装置10的无人驾驶设备（图未示）。所述无人驾驶设备还包括云台，控制器及多个推进器。所述扫描装置10及所述控制器设置在所述云台上。所述控制器用于响应所述扫描装置10探测目标物体的情况发送控制所述无人驾驶设备的运动的控制指令。所述推进器设置于所述云台，用于根据所述控制器所发送的控制指令控制所述无人驾驶设备的运动。所述推进器包括电机及螺旋桨。本实施方式中，所述推进器为四个。所述无人驾驶设备还包括无线收发装置，用于接收从一远端控制器发射的扫描指令。

所述无人驾驶设备可为无人飞行器，无人车，无人驾驶船或机器人等。

相对于现有技术，本实用新型提供的扫描装置及无人驾驶设备，利用所述光学结构的光调整模组增大所述光源模组发出的探测光在预定方向的扩散角，使得所述扫描装置在预定方向上有较大的扫描范围，通过驱动结构驱动所述光学结构水平转动实现预定方向的垂直方向上的扫描，如此，既不需要摆动舵机，也不需要多线激光，即可实现三维覆盖，可以大大降低成本以及结构的复杂度。

对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (29)

1.一种扫描装置，包括

光学结构，包括光源模组，光调整模组及光感测模组，所述光源模组用于发射探测光，所述光调整模组设置在所述光源模组的出光光路上，所述光调整模组用于增大所述探测光在一预定方向上的扩散角并保持所述探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角不变，所述光感测模组用于感测所述探测光被目标物体反射的部分光线；及

驱动结构，用于驱动所述光学结构在所述光源模组出光方向与所述预定方向所在平面的平行面内旋转。

2.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述光源模组包括至少一个发光元件，所述光感测模组包括多个感光元件，所述感光元件的数量大于所述发光元件的数量。

3.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述发光元件包括以下至少一种：激光器，激光二极管或发光二极管。

4.如权利要求3所述的扫描装置，其特征在于，所述发光元件包括单向激光发射元件。

5.如权利要求4所述的扫描装置，其特征在于，所述发光元件包括半导体激光二极管，所述半导体激光二极管以1000赫兹或3600赫兹的频率发射激光。

6.如权利要求4所述的扫描装置，其特征在于，所述发光元件为红外激光二极管。

7.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述感测元件包括光电二极管。

8.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，单个所述感光元件的在所述预定方向上的感测角度小于所述探测光经增大后的扩散角。

9.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述光感测模组的各个感光元件的感测范围不重叠。

10.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述光调整模组包括柱面凹透镜，所述柱面凹透镜包括相背设置的平面侧及凹面侧，所述柱面凹透镜的平面侧面向所述光源模组设置。

11.如权利要求10所述的扫描装置，其特征在于，所述柱面凹透镜的凹面侧包括曲率半径无穷大的第一方向，所述第一方向垂直于所述预定方向。

12.如权利要求11所述的扫描装置，其特征在于，所述柱面凹透镜的凹面侧还包括与所述第一方向垂直的第二方向，所述凹面侧在所述第二方向上的曲率半径为100毫米。

13.如权利要求10所述的扫描装置，其特征在于，所述光调整模组还包括设置在所述柱面凹透镜与所述光源模组之间的平凸透镜。

14.如权利要求13所述的扫描装置，其特征在于，所述平凸透镜包括相背设置的平面侧及凸面侧，所述平凸透镜的平面侧面向所述光源模组设置。

15.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述光调整模组将所述光源模组发出的探测光在预定方向上的扩散角增大到30度以上。

16.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述光调整模组将所述光源模组发出的探测光在所述预定方向上的扩散角增大至少30倍。

17.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述光调整模组将所述光源模组发出的探测光在所述预定方向上的扩散角增大到33度，并保持所述光源模组发出的探测光在所述预定方向的垂直方向上的扩散角为2度。

18.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述驱动结构包括驱动器，所述驱动器驱使所述扫描装置以每秒10至20转的转速转动。

19.如权利要求17所述的扫描装置，其特征在于，所述驱动结构还包括角度传感器，用以反馈所述扫描装置的角位置。

20.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描装置包括一个载台，所述光学结构设置在所述载台上，所述驱动结构与所述载台连接，驱使所述载台转动，从而带动所述光学结构转动，所述预定方向垂直于所述载台。

21.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描装置还包括测距模组，用于在所述扫描装置探测到目标物体时测定目标物体与扫描装置的距离。

22.如权利要求21所述的扫描装置，其特征在于，所述测距模组通过计算光线发射和反射的时间差或相位差，来换算目标物体与所述扫描装置的距离。

23.一种无人驾驶设备，包括云台及权利要求1-22中任一项所述的扫描装置，所述扫描装置设置在所述云台上。

24.如权利要求23所述的无人驾驶设备，其特征在于，所述无人驾驶设备还包括控制器，

所述控制器用于响应所述扫描装置的扫描结果，当所述扫描装置扫描到目标物体时控制所述无人驾驶设备避开所述目标物体。

25.如权利要求24所述的无人驾驶设备，其特征在于，所述控制器响应所述扫描装置探测目标物体的情况发送控制所述无人驾驶设备的运动的控制指令，所述无人驾驶设备还包括多个推进器，所述推进器用于根据所述控制器所发送的控制指令控制所述无人驾驶设备的运动。

26.如权利要求25所述的无人驾驶设备，其特征在于，所述推进器包括电机及螺旋桨。

27.如权利要求25所述的无人驾驶设备，其特征在于，所述推进器为四个。

28.如权利要求23所述的无人驾驶设备，其特征在于，所述无人驾驶设备还包括无线收发装置，用于接收从一远端控制器发射的扫描指令。

29.如权利要求23所述的无人驾驶设备，其特征在于，所述无人驾驶设备包括：无人飞行器、无人车、无人驾驶船、或机器人。