基于45°扫描转镜的线阵激光雷达研究

摘要

车载激光雷达是无人驾驶汽车的核心传感器，是当前激光雷达领域的重要发展方向。本论文以车载多线激光雷达的优化设计为背景，引入45°转镜扫描方式，结合别汉棱镜消像旋，提出了一种车载线阵激光雷达全新的周向扫描成像体制，并进行了扫描特性研究和原理样机的设计及实验。 论文在深入资料调研的基础上，给出了车载激光雷达最新产品进展，介绍了激光雷达成像的基础方案;在理论上，研究了45°转镜扫描的像旋特性，推导了出射光束与转镜旋转角的依赖关系和出射光束的扫描轨迹方程，并以图的形式直观给出了45°转镜的像旋规律。结合别汉棱镜成像规律，进行了别汉棱镜-45°转镜系统的理论建模和数值仿真，给出了系统的周向扫描特性曲线，得到了可靠的实验验证。在此基础上，进行了45°扫描转镜线阵激光雷达的系统集成设计，制作了实验原理装置，扫描线束6线、帧频1Hz、距离不小于100米，且探测轴方向在±4°范围内可调。在实验上，进行了大楼走廊和地下车库等典型场景的三维扫描成像，通过点云数据的重建，得到了与实际场景相一致的三维轮廓图，验证了实验原理装置的三维成像能力。该研究工作为新型车载激光雷达的设计提供了新的设计思路。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1激光雷达光束扫描技术进展与现状

1．2．2激光雷达商用化现状

1．3本文的研究内容及结构安排

2激光成像雷达的实现方案

2．1单点扫描方案

2．2线阵扫描方案

2．3面阵扫描方案

2．4本论文研究的线阵激光雷达方案

2．5本章小结

3 45°转镜在激光雷达中应用的扫描特性研究

3．2．1出射光束与转镜旋转角的依赖关系

3．2．2 45°转镜出射光束的扫描轨迹方程

3．2．3 45°转镜在线阵激光雷达扫描中像旋效应计算

3．3基于施密特-别汉棱镜的消像旋研究

3．3．1消像旋的常见方法

3．3．2基于旋密特-别汉棱镜消像旋的理论分析

3．3．3基于施密特-别汉棱镜的消像旋特性的仿真

3．4本章小结

4基于45°转镜的线阵扫描激光雷达成像装置设计

4．1总体方案与系统组成

4．2核心模块的选型与设计

4．2．1线阵激光测距仪概述

4．2．2无像旋扫描光学元件的选择与机械结构设计

4．2．3无像旋扫描光路的机械结构设计

4．2．4扫描系统电机选型及驱动电路设计

4．3系统集成

4．4 45°转镜激光扫描雷达点云数据的处理与算法设计

4．4．1算法思路

4．4．2数据采集与读取

4．4．3点云处理算法设计与实现

4．5本章小结

5 45°转镜扫描的激光雷达成像实验

5．1实验方案

5．2系统标定

5．2．1线阵激光测距仪俯仰角的标定

5．2．2线阵激光测距仪各通道系统差校准

5．3典型场景的三维成像实验

5．3．1地下车库的三维成像实验

5．3．2学院走廊的三维成像实验

5．4本章小结

6总结与展望

致谢

参考文献

附录