一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置，属于机械及传感器应用技术领域。


背景技术：

2.激光雷达的机械扫描机构主要分为两大类：一个是通过光学棱镜的旋转，将激光探测单元的激光光束(发射与反射光束)通过旋转的光学棱镜反射出去，形成扫描面，一个是通过旋转平台将固定其实的激光探测单元同步旋转，使激光探测单元的激光光束旋转形成扫描面。
3.在现有技术中，光学棱镜旋转形成激光扫描面占据着主导地位，关键在于光学棱镜扫描可以提供多种棱镜结构实现在360
°
旋转范围内的多种扫描角度(尽管这受到棱镜设计的限制)，但是由于棱镜反射存在损耗，激光探测单元360
°
旋转扫描也是避免反射损耗和增加探测距离的一种有效机械结构，并被广泛应用。
4.但是，无论是以上那种机械扫描方式，目前对于扫描角度的探测都是依靠与扫描电机同轴的旋转编码器向控制计算机输出的旋转编码脉冲(或数据)，由控制计算机经过计算得出在某一时刻激光光束的扫描角度。这种方式针对现有的常规激光雷达机械扫描机构而言是适用的，但是对于摆动扫描机构就存在很大的问题，会直接导致角度计算错误，特别是当激光传感器在摆动扫描中速度不均匀的情况下会产生比较大的误差，以至于必须删除掉部分扫描区域(例如：当实际扫描角为
±
22.5
°
时，只能选取
±
20
°
)，这个问题导致摆动扫描这种高效率的激光雷达扫描方式很少被应用到实际设备中，本实用新型所采用的新型角度探测机构可以解决这个问题。
5.如图1、图2所示，到目前为止，现有的激光雷达扫描机构中的角度探测机构都是采用与扫描电机同轴的方式。
6.现有的这种与扫描电机同轴方式的角度探测是依靠对扫描电机的旋转位置的探测，由控制计算机来计算出激光探测器激光光束的扫描方位角。对于现有的360
°
旋转机构是适用的，但是它的前提是光学棱镜或者激光探测单元的旋转角速度是稳定不变的。如果在整个旋转周期中旋转角速度变化较大(例如：在往复摆动扫描方式中，整个扫描机构在扫描范围的中间接段角速度最大，而在两端则速度会下降到零，然后反转)，这种角度探测和计算方式就会导致严重的误差。这个问题已经在徕卡采用光学棱镜摆动扫描的激光雷达的产品中存在，他们用的是删除两端大约10％的扫描数据的方式处理。而对于更加新型的摆动扫描设计，就更加难以探测、计算了，例如：激光传感器直接摆动扫描的设计,如图3所示。


技术实现要素：

7.为了克服在激光雷达机械式摆动机构中的速度不均匀所导致的角度测量误差和角度计算的复杂性,本实用新型提供一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置。
8.一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置，机架连接旋转轴、无刷电机，旋
转轴的一端连接高精度角度测量传感器，旋转轴的另一端连接往复旋转平台，往复旋转平台连接激光测距传感器，激光测距传感器通过柔性信号线连接嵌入式控制计算机，无刷电机的输出轴连接旋转圆盘，旋转圆盘连接摆臂机构，摆臂机构的摆臂的一端连接往复旋转平台，嵌入式控制计算机与无刷电机控制单元及高精度角度测量传感器连接。
9.高精度角度测量传感器采用格雷码型光学绝对值角度传感器，中心传动轴连接格雷码盘，格雷码盘分布格雷码，格雷码盘上面有光发射器(透射型)或下方有光发射器(反射型)，格雷码盘下面有光学接收器；或者采用电磁感应型绝对值角度传感器，中心传动轴连接分区磁性转盘，分区磁性转盘上连接霍尔传感器、信号处理器及输出输入接口。
10.一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置，扫描电机连接摆动扫描传动装置，摆动扫描传动装置连接旋转平台，旋转平台上连接激光测距传感器，激光测距传感器发出激光束，旋转平台下连接绝对值角度传感器，绝对值角度传感器将旋转平台角度数据传给控制计算机，控制计算机连接扫描电机并将电机控制信号输送给扫描电机，扫描电机连接的旋转编码器将旋转编码脉冲(仅用于电机控制)输送给控制计算机用于闭环控制，激光测距传感器受控制计算机控制，并将其探测数据输送给控制计算机。
11.绝对值角度传感器采用格雷码型光学绝对值角度传感器，中心传动轴连接格雷码盘，格雷码盘分布格雷码，格雷码盘上方有光发射器(透射型)或下方有光发射器(反射型)，格雷码盘下面有光学接收器；或者采用电磁感应型绝对值角度传感器，中心传动轴连接分区磁性转盘，分区磁性转盘上连接霍尔传感器、信号处理器及输出输入接口。
12.一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测方法，含有以下步骤：
13.步骤1、扫描电机采用无刷电机，由嵌入式控制计算机控制无刷电机的转动速度，无刷电机通过内置的旋转编码器将其旋转速度数据发送给嵌入式控制计算机以实现电机的闭环控制。
14.步骤2、激光测距传感器固定在往复旋转平台上。
15.步骤3、往复旋转平台的旋转轴通过法兰盘固定在支架上并与高精度角度测量传感器连接，实现旋转同步。
16.步骤4、高精度角度测量传感器能够在0
°‑
360
°
之间提供10到24bit的高精度角度测量输出，在12bit输出时分辨率为0.088
°
，并通过rs232与嵌入式控制计算机相连接，并将探测到的角度数据传送给嵌入式控制计算机。
17.步骤5、高精度角度测量传感器采用霍尔型电磁感应式角度传感器。
18.步骤6、嵌入式控制计算机将高精度角度测量传感器上传的角度数据和激光测距传感器上传的目标距离数据综合计算，得到激光雷达的扫描数据。
19.步骤7、扫描范围为0
°‑
160
°
，在扫描电机360
°
旋转周期中实现两次扫描。
20.本实用新型有效解决了现有激光雷达机械扫描机构中的角度测量由于转速不均匀所带来的测量和计算误差，对于新型非匀速，特别是摆动扫描方式非常有效，在克服测量和计算误差的同时，提高激光雷达的扫描探测精度，并有效简化相应的软件设计难度。
附图说明
21.当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本实用新型以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一
步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，如图其中：
22.图1为现有技术旋转棱镜扫描机构中的角度探测方式结构示意图。
23.图2为现有技术360
°
旋转扫描机构中的角度探测方式结构示意图。
24.图3为在摆动扫描的激光雷达中，如果采用与扫描电机同轴的扫描角度测量方式，会带来很大的测量和计算误差结构示意图。
25.图4为本实用新型的结构示意图。
26.图5为本实用新型的一种格雷码型光学绝对值角度传感器结构示意图。
27.图6为本实用新型的一种电磁感应型绝对值角度传感器结构示意图。
28.图7为本实用新型的实施例结构示意图。
29.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
具体实施方式
30.显然，本领域技术人员基于本实用新型的宗旨所做的许多修改和变化属于本实用新型的保护范围。
31.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
32.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
34.为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实用新型实施例的限定。
35.实施例1：一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置，如图4所示，扫描电机8连接摆动扫描传动装置6，摆动扫描传动装置6连接旋转平台3，旋转平台3上连接激光测距传感器4，激光测距传感器4发出激光束，旋转平台3下连接绝对值角度传感器12，绝对值角度传感器12将旋转平台角度数据传给控制计算机10，控制计算机10连接扫描电机8并将电机控制信号输送给扫描电机8，扫描电机8连接的旋转编码器将旋转编码脉冲(仅用于电机控制)输送给控制计算机10，激光测距传感器4将激光探测控制与数据输送给控制计算机10。
36.如图4所示的一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置，不采用与扫描电机同轴的旋转编码角度测量方式，而是在将一种绝对值角度传感器放置于驱动激光传感器的旋转平台同轴的位置上，并通过机械连杆将这个绝对值角度传感器的测量轴与旋转平台连接，并使其测量轴与旋转平台同步转动，绝对值角度传感器可以实时给出旋转平台在0
°‑
360
°
范围内任意时刻的旋转角度，并通过数据总线(例如：ssi、uart、rs232、rs485、can等)将旋转角度探测数据发送给控制计算机。
37.在这种角度探测机构中，仍旧保留原有的旋转编码传感器用于控制计算机对扫描电机进行伺服控制用，而不再参与激光扫描角度的计算。
38.这种角度探测方式，可以直接探测激光光束的扫描角度(无论旋转平台上放置的是激光传感器还是光学棱镜)。有效的避免了现有扫描角度探测的计算误差，也有效避免了当扫描电机或旋转平台旋转角度速度不稳定不均匀所造成的角度测量误差，提高了激光雷达的扫描探测精度。
39.实施例2：如图7所示，一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测装置，含有机架1、旋转轴2、旋转平台3、激光测距传感器4、柔性信号线5、摆动扫描传动装置6、旋转圆盘7、扫描电机8、无刷电机控制单元9、控制计算机10、供电电源11及绝对值角度传感器12。
40.机架1连接旋转轴2、扫描电机8，旋转轴2的一端连接绝对值角度传感器12，旋转轴2的另一端连接旋转平台3，旋转平台3连接激光测距传感器4，激光测距传感器4通过柔性信号线5连接控制计算机10，扫描电机8的输出轴连接旋转圆盘7，旋转圆盘7连接摆动扫描传动装置6，摆动扫描传动装置6的摆臂的一端连接旋转平台3，控制计算机10与无刷电机控制单元9及绝对值角度传感器12连接。
41.扫描电机8为无刷电机。绝对值角度传感器12为高精度角度测量传感器。摆动扫描传动装置6为摆臂机构。旋转平台3为往复旋转平台。控制计算机10为嵌入式控制计算机。
42.实施例3：如图5、图6及图7所示，一种用于激光雷达机械摆动扫描的角度探测方法，采用的绝对值角度测量传感器，可以采用传统光学格雷码传感器，也可以采用现代的新型高精度霍尔型电磁感应旋转传感器和互感型旋转传感器，如图5所示的格雷码型光学绝对值角度传感器，中心传动轴14连接格雷码盘13，格雷码盘13分布格雷码，格雷码盘13上面有光发射器16(透射型)或下方有光发射器15(反射型)。如图6所示的电磁感应型绝对值角度传感器，中心传动轴14连接分区磁性转盘19，分区磁性转盘19上连接霍尔传感器14、信号处理器17及输出输入接口18。
43.含有以下步骤：
44.步骤1、扫描电机采用无刷电机(直流)8，由控制计算机10控制扫描电机8的转动速度，扫描电机8通过内置的旋转编码器将其旋转速度数据发送给控制计算机10以实现电机的闭环控制，但不提供角度测量和计算。
45.步骤2、激光测距传感器4固定在旋转平台3上。
46.步骤3、旋转平台3的旋转轴2通过法兰盘固定在支架上并与绝对值角度传感器12连接，实现旋转同步。
47.步骤4、绝对值角度传感器12可以在0
°‑
360
°
之间提供12bit的高精度角度测量输出，分辨率为0.088
°
，并通过rs232与控制计算机10相连接，并将探测到的角度数据传送给控制计算机10。
48.步骤5、绝对值角度传感器12采用霍尔型电磁感应式角度传感器。
49.步骤6、控制计算机10将绝对值角度传感器12上传的角度数据和激光测距传感器4上传的目标距离数据综合计算，得到激光雷达的扫描数据。
50.步骤7、扫描范围为0
°‑
160
°
，可以在扫描电机360
°
旋转周期中实现两次扫描，比现
有的360
°
旋转型激光雷达提高了一倍的扫描速度。而且提供了更高的精度(角分辨率＝0.77毫弧度)。如果采用更高分辨率的角传感器还可以进一步提高测量精度。
51.如上，对本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本实用新型的保护范围之内。