CN105549629A - 一种精密减速机构以及光束自动对中系统及对中方法 - Google Patents

Abstract

一种精密减速机构以及光束自动对中系统及对中方法；其中精密减速机构包括底座、反射镜压板、镜架、下支承座、上支承座、十字轴以及两套驱动机构；每套驱动机构包括弹簧、步进电机、谐波减速器、凸轮轴、球头、轴连接件、旋变内圈和旋变外圈；步进电机和谐波减速器组合安装在底座上，谐波减速器输出轴上固定凸轮轴，凸轮轴通过轴连接件连接旋变内圈；旋变外圈安装在底座上；底座和下支承座固定，下支承座通过轴承和十字轴连接，十字轴通过轴承和上支承座连接；镜架固定在上支承座上，反射镜放置在镜架的凹槽中，反射镜压板和镜架固定，压紧反射镜；镜架垂直两个方向上分别固定一个球头，球头与凸轮轴靠紧；弹簧勾住底座和镜架上靠近球头的部分。

Description

一种精密减速机构以及光束自动对中系统及对中方法

技术领域

本发明应用于激光雷达系统的光束自动对准。

背景技术

激光雷达的激光器发射的激光束在设计中应当严格与接收器平行，如果不平行，被气溶胶反射的激光就不能准确进入接收器而造成信号减弱导致测量误差增加，严重时甚至无法接收到反射的激光，因此激光雷达的激光束对中对于测量精度非常重要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：通过高精度、大减速比的精密减速机构实现了将步进电机的大角度位移转换为反射镜的微小角度位移，实现达到5urad角度分辨率，完成了对反射镜的高精度转角控制，进而实现了对光束的高精度控制。

为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：一种精密减速机构，包括底座、反射镜压板、镜架、下支承座、上支承座、十字轴以及两套驱动机构；每套驱动机构包括弹簧、步进电机、谐波减速器、凸轮轴、球头、轴连接件、旋变内圈和旋变外圈；

每套驱动机构的步进电机和谐波减速器组合安装在底座上，谐波减速器输出轴上固定凸轮轴，凸轮轴通过轴连接件连接旋变内圈；旋变外圈安装在底座上；

底座和下支承座固定，下支承座通过轴承和十字轴连接，十字轴通过轴承和上支承座连接；镜架固定在上支承座上，反射镜放置在镜架的凹槽中，反射镜压板和镜架固定，压紧反射镜；镜架垂直两个方向上分别固定一个球头，球头与凸轮轴靠紧；弹簧勾住底座和镜架上靠近球头的部分。

一种光束自动对中系统，包括：微处理器、步进电机驱动器、所述的精密减速机构、旋转变压器以及反射镜；

微处理器接收来自处理机的控制指令，同时通过旋转变压器采集凸轮轴的角度，计算出对步进电机的控制指令并发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将该控制指令转换为驱动步进电机转动的电信号驱动精密减速机构中的步进电机转动，由精密减速机构将步进电机的转动变换为反射镜的微小角度位移，进而实现对光束的高精度控制。

一种光束自动对中方法，步骤如下：

(1)微处理器接收外部激光雷达系统输入的光束对中的角误差控制指令w0；

(2)通过旋转变压器读取凸轮轴的角度，结合精密减速机构的结构尺寸确定反射镜当前的角度位置w1；

(3)微处理器将反射镜当前的角度位置w1与控制指令w0相减得到dw；

(4)微处理器根据dw计算出步进电机需要旋转的步数N发给步进电机驱动器；

(5)步进电机驱动器驱动步进电机旋转N步；

(6)旋转变压器读取凸轮轴的角度，结合精密减速机构的结构尺寸确定反射镜当前的角度位置w2，将w2反馈给微处理器用来检测步进电机是否失步，如果失步则微处理器会再次发出指令至步进电机驱动器，控制步进电机补充转动所失步数；

(7)精密减速机构在电机驱动器的作用下带动反射镜旋转，旋转的反射镜导致入射光线产生旋转；

(8)激光雷达系统实时计算光束对中的角误差，当光束对中的角误差小于系统设计的值时，发送指令控制反射镜停止转动，并使反射镜保持在当前位置，否则继续发送角误差控制指令w0，从步骤(2)开始执行。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明中的减速机构实现了大的减速比，同时通过弹簧将镜架压紧在凸轮上，消除了在传统齿轮传动中普遍存在的空回等因素，实现了精密的大变速比。本减速机构比采用俯仰-方位形式的两轴转台式调整结构，结构更简单，调整精度更高；相比传统的球头-螺纹调整形式的结构，摩擦更小，精度更容易控制。本发明的大变比高精度减速机构在将其前端输入的大角度运动变换为其输出的微小角度运动的同时，也将其输入运动的大的角误差同比缩小为小的角误差，进而实现了对反射镜的小角度、高精度转动控制。

(2)本发明通过接收激光雷达系统实时计算的光束对中角度误差，同时采集反射镜当前位置，由微处理器计算出对电机的控制指令控制电机转动，电机拖动之后的精密减速机构进而控制反射镜完成精密的转动，以消除自动对中的角误差。直至光束对中角度误差小于系统预先设定的指标时，自动对中系统控制反射镜停止转动，完成光束的自动对中。

附图说明

图1为本发明精密减速机构三视图；

图2为图1的立体图；

图3为本发明精密减速机构原理示意图；

图4为本发明

具体实施方式：

如图1所示，一种精密减速机构，包括底座1、反射镜压板2、镜架4、下支承座5、上支承座6、十字轴7以及两套驱动机构；每套驱动机构包括弹簧8、步进电机9、谐波减速器10、凸轮轴11、球头12、轴连接件13、旋变内圈14和旋变外圈15；

每套驱动机构的步进电机9和谐波减速器10组合安装在底座1上，谐波减速器10输出轴上固定凸轮轴11，凸轮轴11通过轴连接件13连接旋变内圈14；旋变外圈15安装在底座1上；

底座1和下支承座5固定，下支承座5通过轴承和十字轴7连接，十字轴7通过轴承和上支承座6连接；镜架4固定在上支承座6上，反射镜3放置在镜架4的凹槽中，反射镜压板2和镜架4固定，压紧反射镜3；镜架4垂直两个方向上分别固定一个球头12，球头12与凸轮轴11靠紧；弹簧8勾住底座1和镜架4上靠近球头的部分，目的将球头压紧在凸轮轴上。

精密减速机构采用偏心轮与杠杆臂(球头中心到十字轴中心部分)的组合，如图3所示。谐波减速器的传动输出到偏心轮，设偏心距为a，偏心轮半径为c，b为杠杆臂与偏心轮的接触点到偏心轮转动轴心的距离，偏心轮转动180°，调整行程2a，调整支架绕固定端转动±a/b弧度。

图4为第二级减速器几何关系示意图，杠杆臂通过一个半径为r的球面与偏心轮接触于P点，o为偏心轮的轴心。a为偏心距，c为偏心轮半径，b为偏心轮运动轴心到杠杆臂球面圆心的距离，θ为偏心轮转过的角度。根据余弦定理，可以得到θ和b的关系如下：

a²+b²-2abcosθ＝(c+r)²

将b对θ求导得到随θ与的关系如下：

$a^2+(2b-2acos\mathrm{\θ})\frac{db}{d\mathrm{\θ}}+2absin\mathrm{\θ}={(c+r)}^2$

Θ为谐波减速器的输出角度，设α为镜片的调整角度，则

$d\mathrm{\α}=\frac{db}{L}$

L为杠杆臂长度，将上式代入

$\frac{db}{d\mathrm{\θ}}=L\×\frac{d\mathrm{\α}}{d\mathrm{\θ}}$

$\frac{d\mathrm{\α}}{d\mathrm{\θ}}=\frac{db}{d\mathrm{\θ}}\×\frac{1}{L}$

由以上各式可求得第二级变速机构的变速比。

(上面的描述注意名称统一，要让别人清楚每个名词在系统中具体指代的部分)

如图4一种光束自动对中系统，包括：微处理器、步进电机驱动器、所述的精密减速机构、旋转变压器以及反射镜；

微处理器接收来自处理机的控制指令，同时通过旋转变压器凸轮轴的角度，计算出对步进电机的控制指令并发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将该控制指令转换为驱动步进电机转动的电信号驱动精密减速机构中的步进电机转动，由精密减速机构将步进电机的转动变换为反射镜的微小角度位移，进而实现对光束的高精度控制。

一种光束自动对中方法，步骤如下：

(1)微处理器接收外部激光雷达系统输入的光束对中的角误差控制指令w0；

(2)通过旋转变压器读取凸轮轴的角度，结合精密减速机构的结构尺寸确定反射镜当前的角度位置w1；

(3)微处理器将反射镜当前的角度位置w1与控制指令w0相减得到dw；

(4)微处理器根据dw计算出步进电机需要旋转的步数N发给步进电机驱动器；

(5)步进电机驱动器驱动步进电机旋转N步；

(6)通过旋转变压器读取凸轮轴的角度，结合精密减速机构的结构尺寸确定反射镜当前的角度位置w2，将w2反馈给微处理器用来检测步进电机是否失步，如果失步则微处理器会再次发出指令至步进电机驱动器，控制步进电机补充转动所失步数；

(7)精密减速机构在电机驱动器的作用下带动反射镜旋转，旋转的反射镜导致入射光线产生旋转；具体：谐波减速器等比例带动精密减速机构中的偏心轴(偏心轮)旋转；精密减速机构的偏心轮带动镜架上与其接触的一端做上下移动，引起镜架绕其另一个支撑端旋转，反射镜固连在镜架上，旋转的反射镜导致入射光线产生旋转。

(8)激光雷达系统实时计算光束对中的角误差，当光束对中的角误差小于系统设计的值时，发送指令控制反射镜停止转动，并使反射镜保持在当前位置，否则继续发送角误差控制指令w0，从步骤(2)开始执行。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种精密减速机构，其特征在于：包括底座(1)、反射镜压板(2)、镜架(4)、下支承座(5)、上支承座(6)、十字轴(7)以及两套驱动机构；每套驱动机构包括弹簧(8)、步进电机(9)、谐波减速器(10)、凸轮轴(11)、球头(12)、轴连接件(13)、旋变内圈(14)和旋变外圈(15)；

每套驱动机构的步进电机(9)和谐波减速器(10)组合安装在底座(1)上，谐波减速器(10)输出轴上固定凸轮轴(11)，凸轮轴(11)通过轴连接件(13)连接旋变内圈(14)；旋变外圈(15)安装在底座(1)上；

底座(1)和下支承座(5)固定，下支承座(5)通过轴承和十字轴(7)连接，十字轴(7)通过轴承和上支承座(6)连接；镜架(4)固定在上支承座(6)上，反射镜(3)放置在镜架(4)的凹槽中，反射镜压板(2)和镜架(4)固定，压紧反射镜(3)；镜架(4)垂直两个方向上分别固定一个球头(12)，球头(12)与凸轮轴(11)靠紧；弹簧(8)勾住底座(1)和镜架(4)上靠近球头的部分。

2.一种光束自动对中系统，其特征在于包括：微处理器、步进电机驱动器、权利要求1所述的精密减速机构、旋转变压器以及反射镜；

微处理器接收来自处理机的控制指令，同时通过旋转变压器采集凸轮轴的角度，计算出对步进电机的控制指令并发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将该控制指令转换为驱动步进电机转动的电信号驱动精密减速机构中的步进电机转动，由精密减速机构将步进电机的转动变换为反射镜的微小角度位移，进而实现对光束的高精度控制。

3.一种光束自动对中方法，其特征在于步骤如下：

(1)微处理器接收外部激光雷达系统输入的光束对中的角误差控制指令w0；

(2)通过旋转变压器读取凸轮轴的角度，结合精密减速机构的结构尺寸确定反射镜当前的角度位置w1；

(3)微处理器将反射镜当前的角度位置w1与控制指令w0相减得到dw；

(4)微处理器根据dw计算出步进电机需要旋转的步数N发给步进电机驱动器；

(5)步进电机驱动器驱动步进电机旋转N步；

(6)旋转变压器读取凸轮轴的角度，结合精密减速机构的结构尺寸确定反射镜当前的角度位置w2，将w2反馈给微处理器用来检测步进电机是否失步，如果失步则微处理器会再次发出指令至步进电机驱动器，控制步进电机补充转动所失步数；

(7)精密减速机构在电机驱动器的作用下带动反射镜旋转，旋转的反射镜导致入射光线产生旋转；

(8)激光雷达系统实时计算光束对中的角误差，当光束对中的角误差小于系统设计的值时，发送指令控制反射镜停止转动，并使反射镜保持在当前位置，否则继续发送角误差控制指令w0，从步骤(2)开始执行。