矿用本安型3D激光雷达的制作方法

矿用本安型3d激光雷达
技术领域
1.本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种矿用本安型3d激光雷达。


背景技术：

2.国家“十三五”规划明确提出加快建设智慧煤矿和无人开采，煤矿机器人体系也初步建立。煤矿井下巷道无人驾驶应用场景是相对封闭的限定场景环境，分为井下单轨吊有轨运输和防爆无轨胶轮车无轨运输。通过无人驾驶降低风险提升效率更容易获得国家和政府层面的政策支持，有些煤矿已经开展了无人驾驶项目的立项研发。
3.3d激光雷达是无人驾驶中的重要传感器，必不可少，激光雷达在无人驾驶运用中拥有两个核心作用：通过激光扫描可以得到车辆周围环境的3d模型；运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出周围的车辆和行人。但是井工煤矿井下环境存在爆炸和腐蚀性气体等复杂工况且受煤矿井下安标认证的限制，常规的地面上使用的3d激光雷达无法直接应用于煤矿井下。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的3d激光雷达无法适用于煤矿井下环境的技术问题，本实用新型提供了一种矿用本安型3d激光雷达，通过对电气结构的本安化设计，使得3d激光雷达可以满足煤矿井下的安全标准。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种矿用本安型3d激光雷达，包括：底座，所述底座内壁上安装有机芯安装环；窗罩，所述窗罩底端设置在所述机芯安装环上，所述窗罩内部中空且上下连通，所述窗罩与所述机芯安装环连接处的外侧套设有压环，使得所述窗罩与所述机芯安装环能够固定；上盖，所述上盖罩设在所述窗罩顶端，所述上盖、所述窗罩以及所述底座之间形成一封闭的容置空间；本安电路模块，所述本安电路模块安装在所述容置空间内部。
6.本实用新型的矿用本安型3d激光雷达，通过对电路模块的本安化设计，使得3d激光雷达能够符合煤矿井下的安全标准和防爆要求。
7.进一步，具体的，所述本安电路模块包括本安固定模块和本安旋转模块，所述本安固定模块与所述本安旋转模块连接，所述本安固定模块给所述本安旋转模块无线供电。本安固定模块和本安旋转模块均为本安电路，符合煤矿井下的安全标准。
8.进一步，具体的，所述本安固定模块包括第一二级过压过流保护电路、arm芯片、限流电阻、发射线圈驱动电路、驱动芯片、bldc电机定子以及发射线圈，所述第一二级过压过流保护电路与所述arm芯片连接，所述第一二级过压过流保护电路与所述限流电阻连接，所述第一二级过压过流保护电路与所述发射线圈驱动电路连接，所述限流电阻与所述驱动芯片连接，所述驱动芯片与所述bldc电机定子连接，所述arm芯片与所述限流电阻连接。驱动芯片采用drv11873芯片，可以节省外部的六个金氧半场效晶体管及配套的驱动电路，简化电路结构，节约空间；限流电阻可以有效抑制电机启动旋转瞬间的冲击电流，使得本安电源
供电能正常运行；当采集到bldc电机有转速后，arm芯片能够控制限流电阻旁路。
9.进一步，具体的，所述本安旋转模块包括接收线圈和第二二级过压过流保护电路，所述接收线圈与所述第二二级过压过流保护电路连接，所述接收线圈与所述发射线圈感应连接。第一二级过压过流保护电路能够输入的电压、电流进行过流过压保护，防止电路烧毁；接收线圈和发射线圈之间通过无线耦合的方式供电，可以简化电路模块，减少电气部件，减少爆炸的安全隐患。
10.进一步，具体的，还包括bldc电机转子，所述bldc电机转子与所述bldc电机定子连接，所述bldc电机定子通电后能够使所述bldc电机转子旋转。述驱动芯片能够控制bldc电机定子通电以带动bldc电机转子旋转，bldc电机定子可以通过pcb绘制，这样能够控制定子的电感量不超过60μh，满足本安对电感的要求。
11.进一步，具体的，所述限流电阻的阻值为3欧姆。若阻值太小，则bldc电机启动瞬间冲击电流过大；若阻值太大，则bldc电机会无法旋转。
12.进一步，具体的，所述发射线圈与所述接收线圈之间的线圈匝数比为1:1。使得发射线圈和接收线圈之间不能为升压模式，以达到本质安全的要求，如果发射线圈和接收线圈为降压模式，则可能发生供电不足的情况。
13.进一步，具体的，所述发射线圈和所述接收线圈均采用浇封剂浇封，且浇封的厚度等于或大于0.35毫米。浇封可以进一步提高防爆性能，满足本安的要求。
14.进一步，具体的，所述窗罩的外表面镀有钼。这样可以增加塑料窗罩外表面的电阻率(例如，电阻值可以达到107欧姆)，使得静电不再聚集在窗罩外表面，达到本安的要求，同时可以增加窗罩表面的耐磨性。
15.本实用新型的有益效果是，本实用新型的矿用本安型3d激光雷达，通过对电路模块进行本安化设计，使得激光雷达能够满足煤矿井下使用的安全标准；第一二级过压过流保护电路和第二二级过压过流保护电路能够对电路进行过流过压保护，防止电路烧毁；窗罩采用镀钼的方式，增加了塑料材料表面的电阻率，使得静电不能在表面积聚，而且增加了窗罩表面的耐磨性；与驱动芯片串接一个3欧姆的限流电阻，可以有效抑制bldc电机启动旋转瞬间的冲击电流，使得本安电源供电能够正常运行；通过芯片驱动bldc电机工作，可以节省外部的六个金氧半场效晶体管及配套的驱动电路，简化电路结构，节约空间；通过pcb绘制bldc电机定子，即pcb绘制uv/uw/vw的线圈，控制线圈的电感量在60uh左右，满足本安要求，同时节省空间；设置发射线圈和接收线圈的线圈匝数比为1:1，并且两侧线圈采用浇封形式，使得无线供电的电路满足本安要求。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
17.图1是本实用新型的矿用本安型3d激光雷达的结构示意图。
18.图2是本实用新型的本安固定模块和本安旋转模块的结构示意图。
19.图3是本实用新型的第一/第二二级过压过流保护电路的电路图。
20.图4是本实用新型的bldc电机定子和转子的结构示意图。
21.图中：1、底座，2、机芯安装环，3、窗罩，4、压环，5、上盖，6、容置空间，7、本安电路模块，71、本安固定模块，72、本安旋转模块，711、第一二级过压过流保护电路，712、arm芯片，
713、限流电阻，714、发射线圈驱动电路，715、驱动芯片，716、bldc电机定子，717、发射线圈，721、接收线圈，722、第二二级过压过流保护电路，73、bldc电机转子。
具体实施方式
22.现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
23.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.如图1所示，一种矿用本安型3d激光雷达，包括底座1，底座1内壁上安装有机芯安装环2；窗罩3，窗罩3底端设置在机芯安装环2上，窗罩3内部中空且上下连通，窗罩3与机芯安装环2连接处的外侧套设有压环4，使得窗罩3与机芯安装环2能够固定；上盖5，上盖5罩设在窗罩3顶端，上盖5、窗罩3以及底座1之间形成一封闭的容置空间6；本安电路模块7，本安电路模块7安装在容置空间6内部。
26.在本实施例中，窗罩3为塑料材质，窗罩3外表面镀有钼，可以增加塑料窗罩3外表面的电阻率(例如，电阻值可以达到107欧姆)，使得静电不再聚集在窗罩3外表面，达到本安的要求。采用镀钼的方式不仅不会影响905nm红外激光透出，而且可以增加窗罩3表面的耐磨性，采用钼材料镀在窗罩表面不仅能够满足透光性，而且能够减少窗罩表面静电堆积，符合本安要求。本安电路模块7的全部电路均为本质安全电路，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。煤矿井下的环境非常复杂，混杂着瓦斯等易燃易爆的气体，如果产品的电路不是本质安全的，存在非常严重的安全隐患。
27.如图2所示，本安电路模块7包括本安固定模块71和本安本安旋转模块72，本安固定模块71与本安旋转模块72连接，本安固定模块71给本安旋转模块72无线供电。本安固定模块71与外部本安电源连接，外部本安电源的电压为13v，保护电流为1.5a，这样可以保证外部本安电源输入时是本质安全的，本安固定模块71再通过无线耦合的方式给本安旋转模块72供电。
28.本安固定模块71包括第一二级过压过流保护电路711、arm芯片712、限流电阻713、发射线圈驱动电路714、驱动芯片715、bldc电机定子716以及发射线圈717，第一二级过压过流保护电路711与arm芯片712连接，第一二级过压过流保护电路711与限流电阻713连接，第
一二级过压过流保护电路711与发射线圈驱动电路714连接，限流电阻713与驱动芯片715连接，驱动芯片715与bldc电机定子716连接，arm芯片712与限流电阻713连接。本安旋转模块72包括接收线圈721和第二二级过压过流保护电路722，接收线圈721与第二二级过压过流保护电路722连接，接收线圈721与发射线圈717感应连接。
29.外部本安电源输入时，首先经过第一二级过压过流保护电路711，第一二级过压过流保护电路711包含两个lm5069mm
‑
2芯片，lm5069mm
‑
2芯片可以起到过压过流的监测作用以及保护作用。例如，第一二级过压过流保护电路711如图3所示，限流公式为i
lim
＝v
sen
/r
sen
，该电路图中r
sen
＝r1＝33mω，lm5069mm
‑
2的v
sen
≈50mv，即过流保护值为i
lim
＝50mv/33mω＝1.52a。过压值的计算公式为vo＝2.5*(r3+r4)/r4。电路中llm5069mm
‑
2芯片的timer(计时器)端连接的电容为100nf，过压或过流时，自动重启周期约为t＝10(ms)*timer(nf)＝1s，过压或过流保护时间为t(ms)＝(timer)*4/85＝4.7ms。即过压或过流超过4.7ms时，第一二级过压过流保护电路711采取相应的保护措施，1s之后，第一二级过压过流保护电路711恢复正常，如此重复。相比一级过压过流保护电路，二级过压过流保护电路可以满足gb3836.4标准中电气设备防爆等级的基本要求。
30.在本实施例中，发射线圈717与接收线圈721之间的线圈匝数比为1:1，使得发射线圈717和接收线圈721之间不能为升压模式，以达到本质安全的要求。并且，发射线圈717和接收线圈721均采用浇封剂浇封，且浇封的厚度等于或大于0.35毫米，进一步提高防爆性能，浇封材料可以选择耐高温材料。接收线圈721侧连接有第二二级过压过流保护电路722，第二二级过压过流保护电路722的电路结构与第一二级过压过流保护电路711的电路结构相同，作用相同，此处不再赘述。本实施例的无线供电的电路也可以视为是dc
‑
dc电路(dc
‑
dc电路是指在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的电路)，进一步满足本质安全的要求。
31.如图2所示，矿用本安型3d激光雷达还包括bldc电机转子73，bldc电机转子73与bldc电机定子716连接，bldc电机定子716通电后能够使bldc电机转子73旋转。在本实施例中，bldc电机转子73与bldc电机定子716共同组成bldc电机，如图4所示，bldc电机可以为三相结构，bldc电机定子716的数量为三个，bldc电机定子716由铁芯和线圈组成，线圈绕在铁芯上，bldc电机转子73为磁铁。定子线圈可以通过pcb绘制得到，这样可以控制线圈的电感量不超过60μh，满足本安对电感的要求。
32.在本实施例中，驱动芯片715可以为drv11873芯片，限流电阻713的阻值为3欧姆。drv11873芯片具有集成六个金氧半场效晶体管的三相无传感器电机驱动芯片，连续驱动电流达到1.5a，峰值驱动电流高达2a，内阻为450mω。bldc电机启动时，反电动势的强度不足以检测到是否过零点，在这个初始的阶段，bldc电机转子73的方向可以自动切换，drv11873芯片以100％的占空全力驱动输出，直到反电动势足够大(即转速足够大时)可以被读取。在该阶段，冲击电流是非常大的，会使得本安电源执行保护措施，此时，通过3ω的限流电阻713可以解决冲击电流的问题，满足本安设计需求。当arm芯片712能够采集到bldc电机的转速时，arm芯片712将3ω的限流电阻713旁路处理，不影响电路的正常运行。在本实施例中，限流电阻713的阻值选择3ω是最合适的，若阻值太小，则bldc电机启动瞬间冲击电流过大；若阻值太大，则bldc电机会无法旋转。bldc电机转子73与激光模组固定连接，可以带动激光模组360度旋转。
33.3d激光雷达的工作原理：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而目标进行探测、跟踪和识别。本实用新型的矿用本安型3d激光雷达，通过对本安固定模块71、本安旋转模块72及窗罩3进行本安化处理，使得3d激光雷达符合矿井下的安全标准和防爆要求。
34.综上所述，本实用新型的矿用本安型3d激光雷达，通过对电路模块进行本安化设计，使得激光雷达能够满足煤矿井下使用的安全标准；第一二级过压过流保护电路和第二二级过压过流保护电路能够对电路进行过流过压保护，防止电路烧毁；窗罩采用镀钼的方式，增加了塑料材料表面的电阻率，使得静电不能在表面积聚，而且增加了窗罩表面的耐磨性；与驱动芯片串接一个3ω的限流电阻，可以有效抑制bldc电机启动旋转瞬间的冲击电流，使得本安电源供电能够正常运行；通过芯片驱动bldc电机，可以节省外部的六个金氧半场效晶体管及配套的驱动电路，简化电路结构，节约空间；通过pcb绘制bldc电机的定子，即pcb绘制uv/uw/vw的线圈，控制线圈的电感量在60μh左右，满足本安要求，同时节省空间；设置发射线圈和接收线圈的线圈匝数比为1:1，并且两侧线圈采用浇封形式，使得无线供电的电路满足本安要求。
35.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。