旋转式激光测距雷达的制作方法

本实用新型涉及雷达技术领域，特别是涉及一种通过非接触式供电和通信的旋转式激光测距雷达。

背景技术：

激光雷达是光电辐射探测和传统雷达的基础上发展起来的主动成像技术，其在沿用电磁雷达测距原料的基础上，采用探测波长更短的光作为探测光源，相对于微波雷达和毫米波具有更高的空间分辨率，可实现目标轮廓达毫米量级的高分辨率空间成像，广泛应用于各个技术领域当中。激光测距是利用激光对被测物体的距离进行准确测定的方法，其在工作时向被测物体发射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时单元测定激光束从发射到接收的时间，计算出被测物体的距离。

通常情况下，机器人在移动过程中需要实时探测周围环境信息，旋转式激光雷达作为一种有效地探测手段被广泛用于移动机器人的设计中。常规的旋转式激光雷达主要采用电刷或导线的方式进行供电和数据信号的传输，这两种模式分别存在着寿命短和不能单向连续旋转的缺点。专利号为CN 20453569U的“非接触供电的低成本360度激光测距雷达”，其采用受电线圈和供电线圈组成非接触供电系统的方式来提供电力，通讯方式则采用无线通信的方式将信号发送出去。该方法虽然成功地避免了旋转部件之间的供电和通信的物理连接，但采用无线通信的方式存在着收到外部无线信号干扰的风险，这种风险的存在可能会导致通信速率下降，串扰等问题的发生。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种旋转式激光测距雷达，用于解决现有技术中旋转式激光测距雷达的旋转台和底座之间的无法实现非接触式电能和数据信号的传输的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种旋转式激光测距雷达，所述旋转式激光测距雷达包括底座、旋转台、测距单元、供电单元、受电单元、第一通信单元、第二通信单元、初级线圈、次级线圈、第一耦合线圈和第二耦合线圈；其中，所述旋转台相对于所述底座是可旋转的；所述供电单元、所述第一通信单元和所述初级线圈设置于所述底座上；所述供电单元、所述第一通信单元分别与所述初级线圈连接；所述受电单元、所述第二通信单元、所述次级线圈、和所述测距单元设置于所述旋转台上；所述受电单元分别与所述次级线圈和所述测距单元连接，所述第二通信单元分别与所述次级线圈和所述测距单元连接；所述初级线圈和所述次级线圈相向对应设置,通过磁耦合构成所述初级线圈和所述次级线圈之间的电能传输通道；工作时，所述供电单元通过所述电能传输通道将电能传输给所述受电单元；所述第一通信单元和第二通信单元之间通过所述电能传输通道进行数据信号的传输。

于本实用新型的一实施例中，所述第一通信单元和第二通信单元之间通过所述电能传输通道进行数据信号的传输包括：所述第一通信单元通过调幅的方式将数据信号调制到所述初级线圈的电能传输波形中，再通过所述电能传输通道进行传输；所述第二通信单元通过所述次级线圈接收电能传输波形中加载的数据信号；所述第二通信单元通过调幅的方式将数据信号调制到所述次级线圈的电能传输波形中，再通过所述电能传输通道进行传输；所述第一通信单元通过所述初级线圈接收电能传输波形中加载的数据信号。

于本实用新型的一实施例中，所述激光测距雷达还包括第一耦合线圈和第二耦合线圈，所述第一耦合线圈位于所述底座上，且连接在所述初级线圈和第一通信单元之间；所述第二耦合线圈位于所述旋转台上，且连接在所述次级线圈和第二通信单元之间。

于本实用新型的一实施例中，所述第一通信单元和第二通信单元之间通过所述电能传输通道进行数据信号的传输包括：所述第一通信单元通过所述第一耦合线圈和所述初级线圈将数据信号耦合加载至电能传输波形中，再通过所述电能传输通道进行传输；所述第二通信单元通过所述次级线圈和所述第二耦合线圈接收电能传输波形中加载的数据信号；所述第二通信单元通过所述第二耦合线圈和所述次级线圈将数据信号耦合加载至电能传输波形中，再通过所述电能传输通道进行传输；所述第一通信单元通过所述初级线圈和所述第一耦合线圈接收电能传输波形中加载的数据信号。

于本实用新型的一实施例中，所述初级线圈和所述次级线圈围绕所述旋转台的转动轴相向对应设置。

于本实用新型的一实施例中，所述供电单元还包括用于接入外部电能的外部电源接口。

于本实用新型的一实施例中，所述第一通信单元还包括外部数据接口，用于发送和接收数据信号。

于本实用新型的一实施例中，所述测距单元包括激光测距子单元和角度及转速测量子单元。

于本实用新型的一实施例中，所述激光测距子单元包括激光发射器、滤光片、透镜、线阵CCD图像传感和数据处理器。

于本实用新型的一实施例中，所述激光测距子单元包括激光发射器、激光接收器、计时器和数据处理器。

如上所述，本实用新型的一种旋转式激光测距雷达可通过非接触的方式同时传输电能和数据信号：利用磁耦合建立初级线圈和次级线圈之间的电能传输通道传输电能，并将第一通信单元和第二通信单元的数据信号通过调幅或者磁耦合的方式加载至电能传输波形中，再借助于电能传输通道进行数据信号传输。本实用新型既达到了非接触式电能和数据信号传输的目的，又简化了结构设计，同时通过非接触的方式可以将数据信号的传输通道有效地限制在初级线圈和次级线圈的周围，降低了被干扰的风险，提高了产品的可靠性。

附图说明

图1显示为本实用新型的实施例公开的一种旋转式激光测距雷达的原理结构示意图。

图2显示为本实施新型的实施例公开的一种旋转式激光测距雷达的旋转台和底座的另一种连接方式的原理示意图。

图3显示为本实用新型的另一实施例公开的一种旋转式激光测距雷达的原理结构示意图。

图4显示为本实用新型的实施例公开的一种旋转式激光测距雷达的激光测距子单元采用三角测距法的原理示意图。

图5显示为本实用新型的实施例公开的一种旋转式激光测距雷达的激光测距子单元采用TOF距法的原理示意图。

元件标号说明

100 旋转式激光测距雷达

110 底座

120 旋转台

130 电机

131 主轴/转动轴

140 测距单元

141 激光测距子单元

142 角度及转速测量子单元

151 供电单元

152 手电单元

161 第一通信单元

162 第二通信单元

171 初级线圈

172 次级线圈

181 第一耦合线圈

182 第二耦合线圈

210 激光发射器

220 透镜

230 线阵CCD图像传感器

310 激光发射器

320 激光接收器

400 待测物体

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本实用新型公开了一种旋转式激光测距雷达，用于通过同一传输通道实现旋转台上的测距单元和其它用电器件的非接触式供电，以及旋转台上的测距单元和其他用电器件与底座上的用电器件之间的数据信号传输。

如图1所示，本实施例的旋转式激光测距雷达100包括底座110、旋转台120、电机130、测距单元140、供电单元151、受电单元152、第一通信单元161、第二通信单元162、初级线圈171和次级线圈172。在本实施例中，旋转台120相对于底座110的旋转是通过电机130来实现的，且旋转台120是绕转动轴131旋转的。当然，要实现旋转台120相对于底座110的旋转还可以通过很多其它方法实现，这些都是机械领域的常规方法，只要是能够实现旋转台120相对于底座110是可旋转的就在本实用新型的保护范围内。

本实施例中，列举了两种通过电机130实现旋转台120相对于底座110的旋转的方式：

其一，如图1所示，电机130固定安装在底座110上的，且电机130具有一主轴131，即旋转轴，旋转台120与电机130的主轴131连接，通过电机130带动主轴131转动，从而驱动旋转台120转动；优选地，主轴/旋转轴131穿过旋转台120的中心位置；

其二，如图2所示，电机130同样固定安装在底座110上，但是电机130并不与旋转台120直接相连，旋转台120与电机130的转子之间通过皮带或其它传动部件间接连接在一起，电机130的转子通过皮带或其他它传动部件带动旋转台120发生旋转。此种方式下，旋转轴131位于旋转台120的中心位置，且垂直于旋转台120所处平面。

此外，本实用新型的旋转式激光测距雷达100的底座110和旋转台120上还分别设置有很多的用于实现不同功能的用电器件(在说明书附图中未予以标识)。

下面以图1所示的旋转方式对旋转式激光测距雷达进行说明。

供电单元151、第一通信单元161、初级线圈171是设置于底座110上；测距单元140、受电单元152、第二通信单元162、次级线圈172是设置于旋转台120上的。

在底座110和旋转台120上，初级线圈171和次级线圈172是相对应设置的，且大小匹配，相互耦合，且初级线圈171和次级线圈172间的距离是被控制在一定范围内的。如图1所示，在本实施例中，初级线圈171是以电机130的主轴131为中心，设于底座110面向旋转台120的一面；与初级线圈171大小匹配、相互耦合的次级线圈172是对应设于旋转台120面向底座110的一面，并且，次级线圈172同样是以主轴121为中心。

初级线圈171和次级线圈172之间通过磁耦合构成了初级线圈171和次级线圈172之间的电能传输通道：初级线圈171根据输入的交流电能产生交变电磁场，对应地，次级线圈172根据该交变电磁场感应对应的交变电流，由此构成了初级线圈171和次级线圈172之间的电能传输通道，实现了初级线圈171和次级线圈172之间的非接触式电能传输。

供电单元151与初级线圈171连接，受电单元152与次级线圈172连接。供电单元151借助于初级线圈171和次级线圈172之间的电能传输通道，将电能传输至受电单元152：供电单元151为初级线圈171提供交流电能；初级线圈171根据该交流电能产生交变电磁场，对应地，次级线圈172根据该交变电磁场感应对应的交变电流，并将该交变电流传输至受电单元152。从而通过初级线圈171和次级线圈172间的电能传输通道实现了供电单元151和受电单元152之间的非接触式电能传输。

其中，供电单元151既可以直接采用蓄电池，也可以通过该外部电源接口，引入外部电源。其中外部电源接口设置在供电单元151上，且外部电源接口包括但不限于：USB接口、D型接口等等。

供电单元151还包括逆变电路，用于将直流电能转换为交流电能。需要说明的是，凡是能够将直流电能转换为交流电能的逆变电路均在本实用新型的保护范围内。

此外，供电单元151还分别与底座110上设置的一个或多个用电器件连接，用于为与之连接的用电器件提供电能。

受电单元152与测距单元140连接，用于为测距单元140提供电能。受电单元152将次级线圈172传输过来的交变电流转换为直流电流，再提供给旋转台120上的测距单元140。

受电单元152包括整流滤波电路，用于将交变电流转换为直流电流。需要说明的是，凡是能够将交变电流转换为直流电流的整流滤波电路均在本实用新型的保护范围内。

此外，受电单元152还可与旋转台120上设置的一个或多个用电器件连接，用于为与之连接的用电器件提供电能。

第一通信单元161与初级线圈171连接，第二通信单元162与次级线圈172连接，以实现第一通信单元161和第二通信单元162之间通过电能传输通道进行数据信号的传输：既包括第一通信单元161的数据信号传递至所述第二通信单元162，也包括第二通信单元162的数据信号传递至第一通信单元161。在本实施例中，公开了两个借助于电能传输通道进行数据信号传输的方法，但是本实用新型的保护范围并不仅限于这两种方式，只要是第一通信单元161和第二通信单元162之间是借助于电能传输通道进行数据传输的，均在本实用新型的保护范围内。

第一种方式为通过调幅的方式将数据信号直接调制加载到电能传输波形中，再通过电能传输通道进行传输：

第一通信单元161通过调幅将数据信号调制到初级线圈171的电能传输波形中；再通过电能传输通道进行传输；第二通信单元162通过次级线圈172接收电能传输波形加载的数据信号；

或者，第二通信单元162通过调幅将数据信号调制到次级线圈172的电能传输波形中；再通过电能传输通道进行传输；第一通信单元161通过初级线圈171接收电能传输波形加载的数据信号。

第二种方式为利用磁耦合的方式将数据信号加载至电能传输波形中，在通过电能传输通道进行传输：

如图3所述，在第一通信单元161和初级线圈171之间增加一个第一耦合线圈181，在第二通信单元162和次级线圈172之间增加一第二耦合线圈182，即，第一通信单元161通过第一耦合线圈181与初级线圈171连接，第二通信单元162通过第二耦合线圈182与次级线圈172连接；

第一通信单元161的数据信号通过第一耦合线圈181耦合数据信号到初级线圈171所在的电路中，将数据波形耦合加载至电能传输波形中；再通过电能传输通道进行传输；第二通信单元162通过次级线圈172和第二耦合线圈182接收电能传输波形加载的数据信号；

第二通信单元162的数据信号通过第二耦合线圈182耦合数据信号到次级线圈172所在的电路中，将数据波形耦合加载至电能传输波形中；再通过电能传输通道进行传输；第一通信单元161通过初级线圈171和第一耦合线圈181接收电能传输波形加载的数据信号。

进一步地，不论是采用何种方式进行数据传输，第一通信单元161还包括第一调制子单元和第一滤波解调子单元。第一调制子单元用于对传输的数据信号进行调制；第一滤波解调子单元用于对接收的数据信号进行滤波解调。第二通信单元162还包括第二调制子单元和第二滤波解调子单元。第二调制子单元与用于对传输的数据信号进行调制；第二滤波解调子单用于对接收的数据信号进行滤波解调。

此外，第一通信单元161还可与底座110上的用电器件连接，同样地第二通信单元162也可与旋转台120上的用电器件连接，从而可实现底座110上的用电器件与旋转台120上的用电器件通过第一通信单元161和第二通信单元162进行数据信号传输。并且，第一通信单元161还包括一数据接口，用于将旋转式激光测距雷达的数据信号向外发送，和/或接收外部的数据信号。通过该数据接口，第二通信单元162的数据信号(包括旋转台120上的测距单元140和用电器件的数据信号)、以及底座110上的用电器件的数据信号均可以与外部进行数据交互传输。

进一步地，本实施例的旋转式激光测距雷达100的测距单元140包括用于进行精确测距的激光测距子单元141、以及用于测量当前转动角度即转动速度的角度及转速测量子单元142。

在本实施例中，激光测距子单元141可以采用三角测距法或TOF(Time of Flight，飞行时间)法测量旋转式激光测距雷达周围物体的距离。

其中，当采用三角测距法时，如图4所示，激光测距子单元141包括激光发射器210、滤光片(图4中未予以标识)、透镜220、线阵CCD图像传感器230和数据处理器(图4中未予以标识)。透镜220的前端安装滤光片，使得透过滤光片的光与激光发射器的发出的激光的波长一致；并且，激光发射器210与透镜220的法线之间有一定的夹角α，线阵CCD图像传感器230与透镜220的法线相垂直，并置于透镜230的后方。

采用三角测距法的激光测距子单元141在测距时，激光发射器210发射红外线激光照射到待测物体400上，发生漫发射，反射的光斑经过透镜220在线阵CCD图像传感器230上成像。假设，激光发射器210与透镜220的中心的距离为D，光斑在线阵CCD图像传感器230上成像的位置为n，线阵CCD图像传感器230与透镜220见的距离为f，那么，待测物体300与透镜220的平面的距离L为：

$L=\frac{D\·f}{n+f\·tan\mathrm{\α}};$

且，当α为0°时，因此，通过获取光斑在线阵CCD图像传感器230上的位置即可获得待测物体400距离透镜220的平面的距离。并且，光斑在线阵CCD图像传感器230上的成像为覆盖区域，以光斑在线阵CCD图像传感器成像的光心位置作为n的值带入即可求得距离。

当采用TOF测距法时，如图5所示，激光测距子单元141包括激光发射器310、激光接收器320和计时器(图5中未予以标识)。在测距时，激光发射器310发射激光脉冲，同时，计时器开始计时，激光脉冲照射到待测物体400上发生反射，反射回来的反射脉冲被激光接收器320所接收，此时，计时器停止计时，计时时间为t，该时间为激光脉冲的“飞行时间”。那么，待测物体400到激光测距子单元141的距离L即为激光脉冲行走的距离，该距离可通过“飞行时间”t计算获得：

$L=\frac{t\·c}{2},$

其中，c表示光速。此外，采用此种测距方法，对计时器的要求较高，计时器的分辨率决定了旋转式激光测距雷达的最小探测距离，优选地，计时器采用专用TDC(Time-to-Digital Converter，时间数字转换器)芯片。

本实施例的旋转式激光测距雷达100在工作时，供电单元151提供底座110上的用电器件的电能，并通过初级线圈171和次级线圈172间的电能传输通道将电能提供给旋转台120上的受电单元152，受电单元152进一步地将电能提供给测距单元140和位于旋转台上的其他用电器件。电机130旋转带动旋转台120上的测距单元140旋转，测距单元140对不同方向上的物体进行测距，并与实时转速信息和角度信息相结合，从而获取旋转式激光测距雷达100周围的环境信息，该环境信息通过第二通信单元162、第二耦合线圈182、初级线圈171和次级线圈172间的电能传输通道、第一耦合线圈181和第一通信单元161被传输到底座110上，进而还可通过第一通信单元161的外部数据接口将环境信息传输给外部设备。

此外，为了突出本实用新型的创新部分，本实施例中并没有将与解决本实用新型所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施例中不存在其它的单元。

综上所述，本实用新型的一种旋转式激光测距雷达可通过非接触的方式同时传输电能和数据信号：利用磁耦合建立初级线圈和次级线圈之间的电能传输通道传输电能，并将第一通信单元和第二通信单元的数据信号通过调幅或者磁耦合的方式加载至电能传输波形中，再借助于电能传输通道进行数据信号传输。本实用新型既达到了非接触式电能和信号传输的目的，又简化了结构设计，同时通过非接触的方式可以将数据信号的传输通道有效地限制在初级线圈和次级线圈的周围，降低了被干扰的风险，提高了产品的可靠性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。