[发明专利]二维扫描装置及其驱动方法

说明书

本发明提供了一种二维扫描装置及其驱动方法。所述二维扫描装置包括：扫描部及驱动部；扫描部包括扫描板、和沿第一轴线或第二轴线的方向延伸的多个扭转臂，所述第一轴线与所述第二轴线相垂直，多个扭转臂包括沿第一轴线延伸的第一扭转臂、沿第二轴线延伸的第二扭转臂、以及沿平行于第一轴线的方向延伸的第三扭转臂；驱动部适于通过驱动信号驱动扫描部，第一扭转臂、第二扭转臂和第三扭转臂适于在驱动信号的作用下分别以各自的工作频率振荡，其中，第二工作频率大于第一工作频率，且第三工作频率是第二工作频率的偶数倍，以使得扫描板对目标空间进行近似光栅式的二维扫描。

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种二维扫描装置及其驱动方法。

背景技术

激光雷达是一种将激光技术与光电探测技术相结合的先进探测方式。激光雷达因其分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小及重量轻等优势，被广泛应用于自动驾驶、交通通讯、无人机、智能机器人、能源安全检测、资源勘探等领域。

激光雷达可以采用振镜实现光束的偏转，具体而言，振镜包括反射镜，一光束可射至反射镜上，然后被反射镜反射至一目标探测区域上；通过反射镜围绕两个相互垂直设置的扭转臂摆动，可使光束偏转，且被反射的光束在探测区域上沿着一预定轨迹移动而构成一影像。并且，反射镜围绕着两个相互垂直设置的扭转臂摆动的速度一般不同，而根据摆动速度的相对大小，将摆动速度相对较大的被绕扭转臂称作快轴，相应地，反射镜绕快轴的摆动为快轴方向的摆动，使得反射镜实现快轴方向的扫描，得到快轴方向的光束扫描轨迹线；而将摆动速度相对较小的被绕扭转臂称作慢轴，相应地，反射镜绕慢轴的摆动为慢轴方向的摆动，使得反射镜实现慢轴方向的扫描，得到慢轴方向的光束扫描轨迹线。

在基于扫描振镜的激光雷达中，光束扫描的轨迹多呈“之”字形，这样得到的点云质量较低，且在后续处理中会存在各种问题，比如在扫描振镜的点云数据与摄像头的图像数据进行融合时，会增加算法的复杂度。

发明内容

参考图1和图2，图1是扫描振镜的一种扫描轨迹，图2是扫描振镜的另一种扫描轨迹，在图1及图2中，横轴为快轴方向，纵轴为慢轴方向。如背景技术所述，现有的扫描振镜与摄像头的数据融合较为复杂，其原因在于摄像头的数据是正交格点排布的，而如图1所示的扫描振镜的“之”字形扫描轨迹生成的点云数据是非正交排布。为了提高扫描振镜与摄像头二者数据的匹配度，可以使扫描振镜近似呈现如图2所示的光栅式扫描，由此生成的点云数据是正交排布，会简化扫描振镜与摄像头的数据融合算法。

经过大量实验验证及理论推导，发明人发现，为了实现图2所示的光栅式扫描，关键在于使得扫描部反射光束形成的扫描轨迹在慢轴方向上的偏移量具有阶梯波形，而阶梯波形可以分解为一个低频的扫描波形和一个高频的锯齿波之和，此锯齿波的频率为快轴方向运动频率的两倍，扫描振镜的慢轴为了达到较大的振幅，可以将其一阶谐振频率设计为接近工作频率，而快轴工作频率会远高于慢轴的工作频率，这就导致仅有一阶谐振频率的慢轴很难实现慢轴运动频率为快轴运动频率的两倍。为了解决这一问题，需要在振镜中设计出一个在慢轴方向具有扫描运动的高频模态，使之接近快轴工作频率的二倍。

为了实现这种近似光栅式的二维扫描，且同时不影响扫描振镜面积和扫描板的镜面尺寸，本发明实施例提供一种二维扫描装置，包括：扫描部及驱动部；所述扫描部，包括：扫描板、和沿第一轴线或第二轴线的方向延伸的多个扭转臂，所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直，所述多个扭转臂包括：沿所述第一轴线延伸的第一扭转臂、沿所述第二轴线延伸的第二扭转臂、以及沿平行于所述第一轴线的方向延伸的第三扭转臂；所述驱动部，适于通过驱动信号驱动所述扫描部摆动，所述第一扭转臂、所述第二扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述驱动信号的作用下分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，其中，所述第二工作频率大于所述第一工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍，以使得所述扫描板近似对目标空间进行光栅式二维扫描。需要说明的是，在本申请中，第一扭转臂及第三扭转臂对应慢轴，第二扭转臂对应快轴，下面的实施例均以此对应关系为例进行说明。