激光雷达三维扫描镜头转向机构的制作方法

1.本公开涉及雷达技术领域，尤其涉及激光雷达三维扫描镜头转向机构。


背景技术：

2.工作在红外和可见光波段的，以脉冲激光为工作光束的雷达称为激光雷达，它由激光发射机、光学接收机、机械转台、光学信息处理系统和电源等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，经过信息处理系统处理后把数据送到显示器上；而三维激光雷达需要探测多个位点的激光回波信号，为了达到上述目的需要激光三维扫描雷达系统具有多位点的激光扫描转头。
3.现有的扫描头技术，大多只能实现扫描头水平向360度转动，中国专利文献cn204534023u公开了一种三维电动扫描头，具体公开了：水平旋转单元通过电机轴带动齿轮一转动，齿轮一再通过齿轮二及蜗杆与涡轮的传动连接，使得整个传动机构可以在水平向360度转动，但上述技术方案设计结构复杂，通过多级传导结构以使扫描头实现水平向360度转动，无疑增加了生产成本及对传动结构稳定性的要求，上述专利文献还包括上下旋转单元，该上下旋转单元与水平向旋转单元独立设置，存在水平转动单元存在的问题，且不能实现竖直向的360度转动。
4.现有技术还包括，扫描头通过转筒及多个齿轮间相互传动实现了水平向与竖直向的360度转动，由于其结构设计不合理，如两个连接件或两个转轴之间相对滑动，并通过凸缘防止彼此滑脱，长时间使用后会造成凸缘部位的磨损，甚至失去防脱功能，同时，扫描头整体结构稳定性差，而在该基础上再增加部件和改变结构以提高系统稳定性，无疑又增加了大量不必要的成本和更多的不确定性。


技术实现要素：

5.为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供激光雷达三维扫描镜头转向机构。所述技术方案如下：
6.根据本公开实施例的第一方面，提供一种激光雷达三维扫描镜头转向机构，包括：
7.水平转动传动系和竖直转动传动系；
8.所述水平转动传动系包括：水平旋转镜架、第一反射镜、水平转板和可以带动所述水平旋转镜架旋转的水平旋转平台；
9.所述竖直转动传动系包括：竖直旋转镜架、第二反射镜和可以带动所述竖直旋转支架旋转的竖直传动机构；
10.所述水平旋转镜架和所述竖直旋转镜架均为横截面呈直角梯形的筒状体，所述水平旋转镜架的第一直角腰所在的面和第一长底边所在的面均开设透光孔，第一斜腰所在的面内侧设置第一反射镜；所述竖直旋转镜架的第二直角腰所在的面和第二长底边所在的面均开设透光孔，第二斜腰内侧设置第二反射镜；
11.所述水平转板为由第一板面和第二板面连接而成且横截面呈l形，所述第一板面
和所述第二板面均开设透光孔；
12.所述水平旋转平台开设透光孔；
13.所述第一板面的一侧与所述水平旋转平台的台面连接，所述第一板面的另一侧与所述第一直角腰所在的面连接，所述第一长底边所在的面靠近所述第二板面的一侧，所述水平旋转平台在转动时通过所述水平转板带动所述水平旋转镜架以竖直方向为轴转动；
14.所述第二板面的另一侧与所述第二直角腰所在的面连接，且所述第一斜腰所在的面与所述第二斜腰平行；所述竖直传动机构与所述第二板面和所述第二直角腰所在的面连接，所述竖直传动机构可以带动所述竖直旋转镜架以水平方向为轴转动；
15.其中，激光依次通过所述水平旋转平台的透光孔、所述第一板面的透光孔、所述第一直角腰所在的面的透光孔、所述第一反射镜、所述第一长底边所在的面的透光孔、所述第二板面上的透光孔、所述第二直角腰所在的面的透光孔、所述第二反射镜、所述第二长底边所在的面的透光孔。
16.本公开是关于激光雷达三维扫描镜头转向机构，包括：水平转动传动系和竖直转动传动系；水平转动传动系包括：水平旋转镜架、第一反射镜、水平转板和可以带动水平旋转镜架旋转的水平旋转平台；竖直转动传动系包括：竖直旋转镜架、第二反射镜和可以带动竖直旋转支架旋转的竖直传动机构；水平旋转镜架和竖直旋转镜架均为横截面呈直角梯形的筒状体，水平旋转镜架的第一直角腰所在的面和第一长底边所在的面均开设透光孔，第一斜腰所在的面内侧设置第一反射镜；竖直旋转镜架的第二直角腰所在的面和第二长底边所在的面均开设透光孔，第二斜腰内侧设置第二反射镜；水平转板为由第一板面和第二板面连接而成且横截面呈l形，第一板面和第二板面均开设透光孔；水平旋转平台开设透光孔；第一板面的一侧与水平旋转平台的台面连接，第一板面的另一侧与第一直角腰所在的面连接，第一长底边所在的面靠近第二板面的一侧，水平旋转平台在转动时通过水平转板带动水平旋转镜架以竖直方向为轴转动；第二板面的另一侧与第二直角腰所在的面连接，且第一斜腰所在的面与第二斜腰平行；竖直传动机构与第二板面和第二直角腰所在的面连接，竖直传动机构可以带动竖直旋转镜架以水平方向为轴转动；其中，激光依次通过水平旋转平台的透光孔、第一板面的透光孔、第一直角腰所在的面的透光孔、第一反射镜、第一长底边所在的面的透光孔、第二板面上的透光孔、第二直角腰所在的面的透光孔、第二反射镜、第二长底边所在的面的透光孔。其中，水平转动传动系与竖直转动传动系均为相互独立的传动结构，避免了其中一个传动系对另一个传动系的联动作用，减少由此带来编写程序的复杂性，减少因联动而导致的限制，提供更多的操作可能性。并且本公开中的水平和竖直方向的三维扫描结构保证了连接和转动过程的稳定性，同时传动结构使用水平方向的旋转平台和竖直方向的电机与齿轮传动机构，利用其具有较大减速比，使得整体结构紧凑简单，有效减少了传动机构的占用空间，使得整体结构重量也较轻，制造成本较低。
17.在一个实施例中，所述竖直传动机构包括：滚动轴承、大直齿轮、小直齿轮和步进电机；
18.所述滚动轴承的外圈位于所述第二直角腰所在的面的透光孔和所述第二板面的透光孔内；
19.所述大直齿轮位于所述滚动轴承背离所述第二直角腰所在的面的一面；
20.所述小直齿轮与所述大直齿轮啮合；
21.所述步进电机与所述小直齿轮电连接。
22.在一个实施例中，所述水平旋转平台的透光孔、所述第一板面的透光孔和所述第一直角腰所在的面的透光孔的轴线相同。
23.在一个实施例中，所述第一长底边所在的面的透光孔沿所述第二板面的投影位于所述第二板面的透光孔内。
24.在一个实施例中，
25.所述水平旋转镜架中的透光孔的孔径与所述竖直旋转镜架中的透光孔的孔径相同。
26.在一个实施例中，
27.所述水平旋转镜架中的透光孔的孔径与所述竖直旋转镜架中的透光孔的孔径均大于280mm且小于330mm。
28.在一个实施例中，
29.所述水平旋转镜架的第一直角腰所在的面通过固定件与所述第一板面和所述水平旋转平台固定连接。
30.在一个实施例中，所述固定件包括：螺钉。
31.在一个实施例中，所述滚动轴承包括：深沟球轴承。
32.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
33.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
34.图1是根据一示例性实施例示出的激光雷达三维扫描镜头转向机构的整体结构示意图。
35.图2是根据一示例性实施例示出的激光雷达三维扫描镜头转向机构的剖面结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.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。
39.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
40.本公开中的激光雷达三维扫描镜头转向机构包括了水平转动传动系和竖直转动传动系及相应的组件，三维扫描时，由于转向机构的设置使得扫描镜头在水平转动方向和竖直转动方向的旋转结构均可以转动，并且两个转动方向可以独立控制，因此，在进行三维扫描时可以对每个方向的角度和速度进行单独设置，以下具体介绍本公开的方案。
41.图1和图2是根据一示例性实施例示出的激光雷达三维扫描镜头转向机构的结构示意图，如图1所示，包括：
42.水平转动传动系30和竖直转动传动系40；
43.水平转动传动系30包括：水平旋转镜架1、第一反射镜2、水平转板3和可以带动水平旋转镜架1旋转的水平旋转平台10；
44.竖直转动传动系40包括：竖直旋转镜架4、第二反射镜5和可以带动竖直旋转支架旋转的竖直传动机构a；
45.其中，水平旋转镜架1和竖直旋转镜架2均为横截面呈直角梯形的筒状体，水平旋转镜架1的第一直角腰所在的面11和第一长底边所在的面12均开设透光孔，第一斜腰所在的面13内侧设置第一反射镜2；竖直旋转镜架4的第二直角腰所在的面41和第二长底边所在的面42均开设透光孔，第二斜腰43内侧设置第二反射镜5；
46.水平转板3为由第一板面31和第二板面32连接而成且横截面呈l形，第一板面31和第二板面32均开设透光孔；
47.水平旋转平台10开设透光孔；
48.第一板面31的一侧与水平旋转平台10的台面连接，第一板面31的另一侧与第一直角腰所在的面11连接，第一长底边所在的面2靠近第二板面32的一侧，水平旋转平台10在转动时通过水平转板3带动水平旋转镜架1以竖直方向为轴转动；
49.具体的，水平转动传动系30，具有水平旋转镜架1和水平转板3，水平旋转镜架1通过水平转板3与水平旋转平台10连接，水平旋转平台10的内部集成电机，在电机的驱动下，水平旋转平台10可以以竖直方向为轴转动，进而带动位于其上的水平旋转镜架1以竖直方向为轴转动，从而实现了激光雷达三维扫描镜头在水平方向的转动。
50.第二板面32的另一侧与第二直角腰所在的面41连接，且第一斜腰所在的面13与第二斜腰43平行；竖直传动机构a和第二直角腰所在的面41连接，竖直传动机构a可以带动竖直旋转镜架4以水平方向为轴转动；
51.具体的，竖直转动传动系40，具有竖直旋转镜架4，竖直旋转镜架4与竖直传动机构a连接，该竖直传动机构a可以以水平方向为轴转动，进而可以带动与其连接的竖直旋转镜架4以水平方向为轴转动，从而实现了激光雷达三维扫描镜头在竖直方向的转动。
52.值得注意的是，本公开中的水平旋转镜架和竖直旋转镜架也可以为横截面呈直角三角形的筒状体，也即，此时可以取消直角梯形的短边，让直角梯形的直角腰的顶点和斜腰的顶点连接，从而构成横截面呈直角三角形的筒状体，此时的连接方式与上述实施例中相
同，此处不再赘述。
53.从上述描述可以，水平旋转镜架1设于水平转板3的上部，竖直旋转镜架4的一个端面固设于水平转板3的另一端面。
54.并且通过上述的结构，水平旋转镜架1和竖直旋转镜架4是两个设置方向相反，并且拼接在一起成平行四边形的框体。
55.由于第一反射镜2设置于第一斜腰所在的面13的内测，第二反射镜5放置于第二斜腰43的内测，从而可以看出第一反射镜2和第二反射镜5均是倾斜放置的，且第一反射镜2的镜面和第二反射镜5的镜面相互平行，通过该结构，进入水平旋转镜架1内腔的光束就可以通过第一反射镜2反射后射向第二反射镜5，然后再由第二反射镜5反射后射出。
56.其中，激光依次通过水平旋转平台10的透光孔、第一板面31的透光孔、第一直角腰所在的面11的透光孔、第一反射镜2、第一长底边所在的面12的透光孔、第二板面32上的透光孔、第二直角腰所在的面41的透光孔、第二反射镜5、第二长底边所在的面42的透光孔。也即，激光从水平旋转镜架1的筒内内腔进入通过第一反射镜2和第二反射镜5的反射后从竖直旋转镜架4所在顶部的窗口射出。
57.进一步的，本公开中的水平转动传动系30和竖直转动传动系40配合完成雷达的三维扫描动作，其中，水平转动传动系30设于整个扫描镜头转向机构的下部，水平转动传动系中的水平旋转镜架1通过水平旋转平台10的转动带动水平转板3以竖直向为轴水平转动，也即，当水平旋转平台10转动时，水平旋转镜架1和水平转板3也一起转动。
58.示例的，如图1和图2所示，竖直传动机构包括：滚动轴承6、大直齿轮7、小直齿轮8和步进电机9；
59.滚动轴承6的外圈位于第二直角腰所在的面41的透光孔和第二板面32的透光孔内；
60.大直齿轮7位于滚动轴承6背离第二直角腰所在的面41的一面；
61.小直齿轮8与大直齿轮7啮合；
62.步进电机9与小直齿轮8电连接。
63.示例的，滚动轴承6包括：深沟球轴承。
64.竖直旋转镜架4通过步进电机9驱动小直齿轮8转动以带动大直齿轮7而转动。
65.由于激光要依次通过水平旋转平台10的透光孔、第一板面31的透光孔、第一直角腰所在的面11的透光孔，为了激光更好的通过，不被遮挡，水平旋转平台10的透光孔、第一板面31的透光孔和第一直角腰所在的面11的透光孔的轴线相同，当然，在一个实施例中，水平旋转平台10的透光孔、第一板面31的透光孔和第一直角腰所在的面11的透光孔的孔径也可以相同。
66.在一个实施例中，第一长底边所在的面12的透光孔沿第二板面32的投影位于第二板面32的透光孔内。
67.在一个实施例中，为了保证激光更好的通过，水平旋转镜架1中的透光孔的孔径与竖直旋转镜架4中的透光孔的孔径相同，例如，可以均大于280mm且小于330mm。
68.在一个实施例中，水平旋转镜架1的第一直角腰所在的面11通过固定件与第一板面31和水平旋转平台10固定连接，示例的，固定件包括：螺钉。
69.也即，水平旋转镜架1的下端部通过固定件如螺钉与水平转板3和水平旋转平台10
固定连接。
70.通过上述结构的设置，在三维扫描时，扫描镜头可以在水平转动传动系30的带动下完成水平方向的360度转动，在水平方向转动的同时，可以通过竖直转动传动系40的驱动带动扫描镜头完成竖直方向的360转动，两个方向的转动分别由不同的转动传动系独立驱动控制，扫描时，可以根据需要分别控制两个方向的转动速度和角度。
71.在组装上述的激光雷达三维扫描镜头转向机构的时，具体地，先将深沟球轴承6与水平转板3，利用装配工具进行装配安装，安装好后再将竖直旋转镜架4与深沟球轴承6利用工装进行装配，装配好后将大直齿轮7与竖直旋转镜架4配合安装到位，步进电机9和小直齿轮8配合安装好后安装在水平转板3上，小直齿轮8和大直齿轮7齿轮啮合，再把第二反射镜2安装到竖直旋转镜架4的侧面上，装配好的部件组装成竖直转动传动系；在水平旋转镜架1和水平转板3水平方向面上有安装螺纹通孔，两者的螺纹通孔与水平旋转平台10的螺纹孔配合安装到位，再把第一反射镜1安装到水平旋转镜架1侧面上，装配好的部件组装成水平转动传动系；
72.下面具体的描述一下竖直方向扫描机构和水平转动机构的电气控制模式，当激光三维扫描镜头转向机构要求竖直方向转动时，通过计算机控制给步进电机9发送电信号，要求转动一定角度(0
°‑
360
°
)，步进电机9通过小直齿轮7，带动大直齿轮8旋转，进而将竖直旋转镜架4旋转到设定角度，通过第二反射镜5传递光信号，以上为竖直方向转动的连贯动作。
73.当激光三维扫描镜头转向机构要求水平方向转动时，通过计算机控制给水平旋转平台10发送电信号，要求转动一定角度(0
°‑
360
°
)，水平旋转平台10带动水平转板3和水平旋转镜架1旋转，进而将水平旋转镜架1与第一反射镜2旋转到设定角度，通过第一反射镜2传递光信号到第二反射镜5，以上为水平方向转动的连贯动作。
74.1.本实用新型提供的激光三维扫描镜头转向机构，水平转动传动系与竖直转动传动系均为相互独立的传动结构，避免了其中一个传动系对另一个传动系的联动作用，减少由此带来编写程序的复杂性，减少因联动而导致的限制，提供更多的操作可能性。
75.2.本实用新型的水平和竖直方向的三维扫描结构保证了连接和转动过程的稳定性，同时传动结构使用水平方向的旋转平台和竖直方向的电机与齿轮传动机构，利用其具有较大减速比，使得整体结构紧凑简单，有效减少了传动机构的占用空间，使得整体结构重量也较轻，制造成本较低。
76.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
77.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。