CN103454625A - 一种车用雷达激光扫描机构及其制造方法 - Google Patents

一种车用雷达激光扫描机构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种车用雷达激光扫描机构及其制造方法，包括电机和与其输出轴传动配合的镜头支架，所述镜头支架内平行设置有发射镜头和接收镜头；所述电机的壳体通过电机座与底板固定连接，电机的输出轴与驱动轮的中部固定连接，驱动轮的端部与连杆的一端旋转配合，连杆的另一端与摆杆的一端旋转配合，摆杆的另一端依次通过定转轴、定转轴轴承与底板旋转配合，所述定转轴轴承设置于定转轴的底部，定转轴的中部设置有编码器，定转轴的顶部通过摆杆与镜头支架的底部固定连接。本设计不仅扫描效率高、稳定性好，而且扫描精度高，具有较高可控性。

Description

一种车用雷达激光扫描机构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种车用激光雷达，尤其涉及一种车用雷达激光扫描机构及其制造方法，具体适用于提高雷达横向探测精度和扫描效率。
背景技术
激光雷达能精确测量目标的位置、运动状态和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。随着激光雷达应用研究日趋广泛，激光雷达已成为一类具有多种功能的系统。目前，激光雷达在汽车领域的应用需求不断增加，特别是用于主动安全控制领域，其中最典型的是用于探测前方障碍物。为了及时有效地发现障碍物，保证行车安全，激光雷达必须达到一定的横向探测范围，且具有分辨率高、探测精度高的特点。
中国专利申请公布号为CN102998677A，申请公布日为2013年3月27日的发明专利公开了车载扫描式半导体激光预警雷达及其探测障碍物的方法，用于汽车上探测和计算前方障碍物距离及角度，并进行相关数据处理和报警的车载扫描式半导体激光预警雷达及其探测障碍物的方法，采用接收光轴中心线与激光发射天线套筒的发射光轴中心线相互平行的方法，在设计上保证激光接收视场角和激光发射束散角相近，使激光发射天线的物镜口径和激光接收天线的物镜口径大小接近。虽然该发明能够扩大激光天线的扫描范围，但其仍存在以下缺陷：
1、该发明电机输出轴的旋转来控制激光天线自转，从而扩大激光天线的扫描范围，而对于车用激光雷达所需的扫描范围远小于360度，其所需的摆动角度则更小，激光天线在自转过程中有一大半的时间处于无效扫描状态，激光天线的利用率低，影响了激光雷达的扫描结果，对汽车安全造成隐患。
2、该发明的电机采用步进电机，步进电机的运行需要控制装置，结构相对于直流电机更加复杂，运行稳定性低，易受到机构震动和磨损的影响，且步进电机转速较低，造成激光天线的扫描频率较低，影响了激光雷达的扫描效果，增长了障碍的发现时间，存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的扫描效率低、稳定性差的问题，提供一种扫描效率高、稳定性好的车用雷达激光扫描机构及其制造方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种车用雷达激光扫描机构，包括电机和与其输出轴传动配合的镜头支架，所述镜头支架内平行设置有发射镜头和接收镜头；
所述电机的壳体通过电机座与底板固定连接，电机的输出轴与驱动轮的中部固定连接，驱动轮的端部与连杆的一端旋转配合，连杆的另一端与摆杆的一端旋转配合，摆杆的另一端依次通过定转轴、定转轴轴承与底板旋转配合，所述定转轴轴承设置于定转轴的底部，定转轴的中部设置有编码器，定转轴的顶部通过摆杆与镜头支架的底部固定连接。
所述编码器包括光栅组件和线路板，所述光栅组件的中部与定转轴的中部固定连接，所述光栅组件设置有零位标志线，所述零位标志线与定转轴的中轴线相垂直，零位标志线的上方设置有线路板，线路板的两端通过螺栓固定于底板上，线路板的中部设置有定位标志凸点。
所述发射镜头设置于接收镜头上方，发射镜头和接收镜头的中轴线均与定转轴的中轴线相垂直。
所述电机为直流电机，电机的输出轴与驱动轮的中部固定连接，驱动轮的端部依次通过第一动转轴轴承、第一动转轴与连杆的一端旋转配合，连杆的另一端依次通过第二动转轴、第二动转轴轴承与摆杆的一端旋转配合，摆杆的另一端依次通过定转轴、定转轴轴承与底板旋转配合。
一种车用雷达激光扫描机构的制造方法，所述制造方法包括以下内容：
第一步：雷达摆动角：已知所需激光雷达摆动角θ（θ＜90度），所述激光雷达摆动角θ为摆杆的最大摆动角度，所述激光雷达摆动角θ的角平分线与底板宽边相平行；
第二步：计算比例关系：根据公式，计算出各杆有效摆动距离长度的比例关系；
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE001
              （式1）
                  （式2）
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE003
                  （式3）
Figure 27656DEST_PATH_IMAGE004
     （式4）
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE005
     （式5）
上式中L1是驱动轮的有效摆动距离的长度，定义为输出轴到第一动转轴的距离；L2是连杆的有效摆动距离的长度，定义为第一动转轴到第二动转轴的距离；L3是摆杆的有效摆动距离的长度，定义为第二动转轴到定转轴的距离；L4为输出轴到定转轴8连线在底板长边上的投影；L5为输出轴到定转轴连线在底板宽边上的投影；
第三步：设计零部件：考虑电机座、底板的尺寸和摆杆的摆动预留空间，确定电机座和定转轴轴承的安装位置，从而得出L4、L5的长度；
根据（式2）由L4的长度算出L2的长度，根据（式1）、（式3）由L5的长度得出L1、L3的长度；
将L1、L2、L3、L4、L5的长度代入（式4）和（式5）看是否满足条件，如不满足条件，则调整电机座和定转轴轴承的安装位置后重新计算L1、L2、L3；如满足条件，则分别根据L1、L2和L3的长度设计驱动轮、连杆和摆杆的尺寸；
第四步：校验与制造：对上述设计进行仿真，验证驱动轮、连杆和摆杆之间是否存在干涉，如存在干涉，则对电机座和定转轴轴承的安装位置进行调整后，重新计算验证，直至驱动轮、连杆和摆杆之间不存在干涉，再按确定的电机座和定转轴轴承的安装位置、驱动轮、连杆和摆杆尺寸制造各零件，然后将制造好的零件进行组装，最后将装有发射镜头、接收镜头的镜头支架安装在摆杆上，即完成所述车用雷达激光扫描机构的制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种车用雷达激光扫描机构的制造方法中采用电机通过驱动轮，使连杆带动摆杆在一定角度范围内来回摆动，从而使激光雷达机构与摆杆同步运动，达到往返扫描的目的，有效扩大激光雷达的扫描范围，相对于现有技术中的控制激光雷达自转扫描的方式，本设计的扫描频率更高，仅扫描需要扫描的范围，提高了激光雷达的效率。因此，本设计扫描范围精确、扫描效率高。
2、本发明一种车用雷达激光扫描机构的制造方法中编码器实时记录扫描的角度位置，编码器的光栅组件与定转轴中部固定连接，光栅组件的转动中心与激光雷达摆动中心重合，使编码器记录的角度与激光雷达扫描角度相一致，达到同步记录的目的，且编码器不易受到机械震动和磨损的影响，能够精确地探测障碍物的横向位置。因此，本设计探测准确，扫描精度高。
3、本发明一种车用雷达激光扫描机构的制造方法中的电机为直流电机，现有技术的步进电机运行稳定性低，需要控制系统，占用布置空间大；而直流电机无需控制系统，直流电驱动更加稳定，速度可控性高，且其体积小无需占用太大的布置空间。因此，本设计性能稳定、可控性高。
4、本发明一种车用雷达激光扫描机构的制造方法中驱动轮与连杆、连杆与摆杆、摆杆与底板之间均通过轴和轴承旋转配合，这样的设计减小了摩擦和机械震动，从而减小了运行阻力，提高了系统的机械性能，延长了激光雷达装置的使用寿命。因此，本设计运行阻力小，使用寿命长。
5、本发明一种车用雷达激光扫描机构在制造时根据实际情况的不同，所需的激光雷达摆动角θ的角度大小也随之发生变化，本设计通过调节驱动轮、连杆、摆杆的有效转动长度和电机座、定转轴轴承的安装位置来调节激光雷达摆动角θ，适应不同的使用需求，扩大的本设计的适用范围。因此，本设计的的适用范围广，可满足不同车型的使用需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中连杆的结构示意图。
图3是图1中编码器的结构示意图。
图4是本发明摆动系统的计算原理图。
图中：电机1、输出轴11、壳体12、电机座13、底板14、底板长边15、底板宽边16、镜头支架2、发射镜头21、接收镜头22、驱动轮3、第一动转轴4、第一动转轴轴承41、连杆5、第二动转轴6、第二动转轴轴承61、摆杆7、角平分线71、定转轴8、定转轴轴承81、编码器9、光栅组件91、线路板92、零位标志线93、定位标志凸点94、激光雷达摆动角θ；
L1是驱动轮3的有效摆动距离的长度，定义为输出轴11到第一动转轴4的距离；L2是连杆5的有效摆动距离的长度，定义为第一动转轴4到第二动转轴6的距离；L3是摆杆7的有效摆动距离的长度，定义为第二动转轴6到定转轴8的距离；L4为输出轴11到定转轴8连线在底板长边15上的投影；L5为输出轴11到定转轴8连线在底板宽边16上的投影。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1–图4，一种车用雷达激光扫描机构，包括电机1和与其输出轴11传动配合的镜头支架2，所述镜头支架2内平行设置有发射镜头21和接收镜头22；
所述电机1的壳体12通过电机座13与底板14固定连接，电机1的输出轴11与驱动轮3的中部固定连接，驱动轮3的端部与连杆5的一端旋转配合，连杆5的另一端与摆杆7的一端旋转配合，摆杆7的另一端依次通过定转轴8、定转轴轴承81与底板14旋转配合，所述定转轴轴承81设置于定转轴8的底部，定转轴8的中部设置有编码器9，定转轴8的顶部通过摆杆7与镜头支架2的底部固定连接。
所述编码器9包括光栅组件91和线路板92，所述光栅组件91的中部与定转轴8的中部固定连接，所述光栅组件91设置有零位标志线93，所述零位标志线93与定转轴8的中轴线相垂直，零位标志线93的上方设置有线路板92，线路板92的两端通过螺栓固定于底板14上，线路板92的中部设置有定位标志凸点94。
所述发射镜头21设置于接收镜头22上方，发射镜头21和接收镜头22的中轴线均与定转轴8的中轴线相垂直。
所述电机1为直流电机，电机1的输出轴11与驱动轮3的中部固定连接，驱动轮3的端部依次通过第一动转轴轴承41、第一动转轴4与连杆5的一端旋转配合，连杆5的另一端依次通过第二动转轴6、第二动转轴轴承61与摆杆7的一端旋转配合，摆杆7的另一端依次通过定转轴8、定转轴轴承81与底板14旋转配合。
一种车用雷达激光扫描机构摆动系统的制造方法，所述制造方法包括以下内容：
第一步：雷达摆动角：已知所需激光雷达摆动角θ（θ＜90度），所述激光雷达摆动角θ为摆杆7的最大摆动角度，所述激光雷达摆动角θ的角平分线71与底板宽边16相平行；
第二步：计算比例关系：根据公式，计算出各杆有效摆动距离长度的比例关系；
Figure 37069DEST_PATH_IMAGE006
           （式1）
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE007
         （式2）
          （式3）
 （式4）
Figure 627636DEST_PATH_IMAGE010
 （式5）
上式中L1是驱动轮3的有效摆动距离的长度，定义为输出轴11到第一动转轴4的距离；L2是连杆5的有效摆动距离的长度，定义为第一动转轴4到第二动转轴6的距离；L3是摆杆7的有效摆动距离的长度，定义为第二动转轴6到定转轴8的距离；L4为输出轴11到定转轴8连线在底板长边15上的投影；L5为输出轴11到定转轴8连线在底板宽边16上的投影；
第三步：设计零部件：考虑电机座13、底板14的尺寸和摆杆7的摆动预留空间，确定电机座13和定转轴轴承81的安装位置，从而得出L4、L5的长度；
根据（式2）由L4的长度算出L2的长度，根据（式1）、（式3）由L5的长度得出L1、L3的长度；
将L1、L2、L3、L4、L5的长度代入（式4）和（式5）看是否满足条件，如不满足条件，则调整电机座13和定转轴轴承81的安装位置后重新计算L1、L2、L3；如满足条件，则分别根据L1、L2和L3的长度设计驱动轮3、连杆5和摆杆7的尺寸；
第四步：校验与制造：对上述设计进行仿真，验证驱动轮3、连杆5和摆杆7之间是否存在干涉，如存在干涉，则对电机座13和定转轴轴承81的安装位置进行调整后，重新计算验证，直至驱动轮3、连杆5和摆杆7之间不存在干涉，再按确定的电机座13和定转轴轴承81的安装位置、驱动轮3、连杆5和摆杆7尺寸制造各零件，然后将制造好的零件进行组装，最后将装有发射镜头21、接收镜头22的镜头支架2安装在摆杆7上，即完成所述车用雷达激光扫描机构的制造。
本发明的原理说明如下：
编码器9：包括光栅组件91和线路板92，所述光栅组件91的中部与定转轴8的中部固定连接，所述光栅组件91设置有零位标志线93，所述零位标志线93与定转轴8的中轴线相垂直，零位标志线93的上方设置有线路板92，线路板92的两端通过螺栓固定于底板14上，线路板92的中部设置有定位标志凸点94。随着定转轴8的转动，零位标志线93的位置发生变化，当零位标志线93与定位标志凸点94对齐时发出零位信号，编码器9开始记录摆动角度。
摆动系统：包括电机1、驱动轮3、第一动转轴4、第一动转轴轴承41、连杆5、第二动转轴6、第二动转轴轴承61、摆杆7、定转轴8、定转轴轴承81；电机1的输出轴11与驱动轮3的中部固定连接，驱动轮3的端部依次通过第一动转轴轴承41、第一动转轴4与连杆5的一端旋转配合，连杆5的另一端依次通过第二动转轴6、第二动转轴轴承61与摆杆7的一端旋转配合，摆杆7的另一端依次通过定转轴8、定转轴轴承81与底板14旋转配合。电机1驱动输出轴11依次带动驱动轮3、连杆5、摆杆7运动，从而实现摆杆7上的发射镜头21和接收镜头22的同步摆动。适用摆动系统能够控制发射镜头21和接收镜头22的摆动角度和摆动频率，使激光雷达的发射镜头21和接收镜头22得到高效的利用。
实施例1：
参见图1–图4，一种车用雷达激光扫描机构，包括电机1和与其输出轴11传动配合的镜头支架2，所述镜头支架2内平行设置有发射镜头21和接收镜头22；所述电机1的壳体12通过电机座13与底板14固定连接，所述电机1为直流电机，电机1的输出轴11与驱动轮3的中部固定连接，驱动轮3的端部依次通过第一动转轴轴承41、第一动转轴4与连杆5的一端旋转配合，连杆5的另一端依次通过第二动转轴6、第二动转轴轴承61与摆杆7的一端旋转配合，摆杆7的另一端依次通过定转轴8、定转轴轴承81与底板14旋转配合；所述编码器9包括光栅组件91和线路板92，所述光栅组件91的中部与定转轴8的中部固定连接，所述光栅组件91设置有零位标志线93，所述零位标志线93与定转轴8的中轴线相垂直，零位标志线93的上方设置有线路板92，线路板92的两端通过螺栓固定于底板14上，线路板92的中部设置有定位标志凸点94；所述发射镜头21设置于接收镜头22上方，发射镜头21和接收镜头22的中轴线均与定转轴8的中轴线相垂直。
按上述方案，一种车用雷达激光扫描机构的制造方法，所述制造方法包括以下内容：
第一步：雷达摆动角：已知所需激光雷达摆动角θ（θ＜90度），所述激光雷达摆动角θ为摆杆7的最大摆动角度，所述激光雷达摆动角θ的角平分线71与底板宽边16相平行；
第二步：计算比例关系：根据公式，计算出各杆有效摆动距离长度的比例关系；
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE011
             （式1）
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE012
                 （式2）
                 （式3）
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE014
    （式4）
Figure 2013103868806100002DEST_PATH_IMAGE015
   （式5）
上式中L1是驱动轮3的有效摆动距离的长度，定义为输出轴11到第一动转轴4的距离；L2是连杆5的有效摆动距离的长度，定义为第一动转轴4到第二动转轴6的距离；L3是摆杆7的有效摆动距离的长度，定义为第二动转轴6到定转轴8的距离；L4为输出轴11到定转轴8连线在底板长边15上的投影；L5为输出轴11到定转轴8连线在底板宽边16上的投影；
第三步：设计零部件：考虑电机座13、底板14的尺寸和摆杆7的摆动预留空间，确定电机座13和定转轴轴承81的安装位置，从而得出L4、L5的长度；
根据（式2）由L4的长度算出L2的长度，根据（式1）、（式3）由L5的长度得出L1、L3的长度；
将L1、L2、L3、L4、L5的长度代入（式4）和（式5）看是否满足条件，如不满足条件，则调整电机座13和定转轴轴承81的安装位置后重新计算L1、L2、L3；如满足条件，则分别根据L1、L2和L3的长度设计驱动轮3、连杆5和摆杆7的尺寸；
第四步：校验与制造：对上述设计进行仿真，验证驱动轮3、连杆5和摆杆7之间是否存在干涉，如存在干涉，则对电机座13和定转轴轴承81的安装位置进行调整后，重新计算验证，直至驱动轮3、连杆5和摆杆7之间不存在干涉，再按确定的电机座13和定转轴轴承81的安装位置、驱动轮3、连杆5和摆杆7尺寸制造各零件，然后将制造好的零件进行组装，最后将装有发射镜头21、接收镜头22的镜头支架2安装在摆杆7上，即完成所述车用雷达激光扫描机构的制造。

Claims (5)

1.一种车用雷达激光扫描机构，包括电机（1）和与其输出轴（11）传动配合的镜头支架（2），所述镜头支架（2）内平行设置有发射镜头（21）和接收镜头（22），其特征在于：
所述电机（1）的壳体（12）通过电机座（13）与底板（14）固定连接，电机（1）的输出轴（11）与驱动轮（3）的中部固定连接，驱动轮（3）的端部与连杆（5）的一端旋转配合，连杆（5）的另一端与摆杆（7）的一端旋转配合，摆杆（7）的另一端依次通过定转轴（8）、定转轴轴承（81）与底板（14）旋转配合，所述定转轴轴承（81）设置于定转轴（8）的底部，定转轴（8）的中部设置有编码器（9），定转轴（8）的顶部通过摆杆（7）与镜头支架（2）的底部固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种车用雷达激光扫描机构，其特征在于：所述编码器（9）包括光栅组件（91）和线路板（92），所述光栅组件（91）的中部与定转轴（8）的中部固定连接，所述光栅组件（91）设置有零位标志线（93），所述零位标志线（93）与定转轴（8）的中轴线相垂直，零位标志线（93）的上方设置有线路板（92），线路板（92）的两端通过螺栓固定于底板（14）上，线路板（92）的中部设置有定位标志凸点（94）。
3.根据权利要求1所述的一种车用雷达激光扫描机构，其特征在于：所述发射镜头（21）设置于接收镜头（22）上方，发射镜头（21）和接收镜头（22）的中轴线均与定转轴（8）的中轴线相垂直。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种车用雷达激光扫描机构，其特征在于：所述电机（1）为直流电机，电机（1）的输出轴（11）与驱动轮（3）的中部固定连接，驱动轮（3）的端部依次通过第一动转轴轴承（41）、第一动转轴（4）与连杆（5）的一端旋转配合，连杆（5）的另一端依次通过第二动转轴（6）、第二动转轴轴承（61）与摆杆（7）的一端旋转配合，摆杆（7）的另一端依次通过定转轴（8）、定转轴轴承（81）与底板（14）旋转配合。
5.一种权利要求4所述的车用雷达激光扫描机构的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括以下内容：
第一步：雷达摆动角：已知所需激光雷达摆动角θ（θ＜90度），所述激光雷达摆动角θ为摆杆（7）的最大摆动角度，所述激光雷达摆动角θ的角平分线（71）与底板宽边（16）相平行；
第二步：计算比例关系：根据公式，计算出各杆有效摆动距离长度的比例关系；
Figure 483730DEST_PATH_IMAGE001
             （式1）
Figure 2013103868806100001DEST_PATH_IMAGE002
               （式2）
                    （式3）
       （式4）
Figure 367559DEST_PATH_IMAGE005
       （式5）
上式中L1是驱动轮（3）的有效摆动距离的长度，定义为输出轴（11）到第一动转轴（4）的距离；L2是连杆（5）的有效摆动距离的长度，定义为第一动转轴（4）到第二动转轴（6）的距离；L3是摆杆（7）的有效摆动距离的长度，定义为第二动转轴（6）到定转轴（8）的距离；L4为输出轴（11）到定转轴（8）连线在底板长边（15）上的投影；L5为输出轴（11）到定转轴（8）连线在底板宽边（16）上的投影；
第三步：设计零部件：考虑电机座（13）、底板（14）的尺寸和摆杆（7）的摆动预留空间，确定电机座（13）和定转轴轴承（81）的安装位置，从而得出L4、L5的长度；
根据（式2）由L4的长度算出L2的长度，根据（式1）、（式3）由L5的长度得出L1、L3的长度；
将L1、L2、L3、L4、L5的长度代入（式4）和（式5）看是否满足条件，如不满足条件，则调整电机座（13）和定转轴轴承（81）的安装位置后重新计算L1、L2、L3；如满足条件，则分别根据L1、L2和L3的长度设计驱动轮（3）、连杆（5）和摆杆（7）的尺寸；
第四步：校验与制造：对上述设计进行仿真，验证驱动轮（3）、连杆（5）和摆杆（7）之间是否存在干涉，如存在干涉，则对电机座（13）和定转轴轴承（81）的安装位置进行调整后，重新计算验证，直至驱动轮（3）、连杆（5）和摆杆（7）之间不存在干涉，再按确定的电机座（13）和定转轴轴承（81）的安装位置、驱动轮（3）、连杆（5）和摆杆（7）尺寸制造各零件，然后将制造好的零件进行组装，最后将装有发射镜头（21）、接收镜头（22）的镜头支架（2）安装在摆杆（7）上，即完成所述车用雷达激光扫描机构的制造。
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