CN106291466A - 定位光束扫射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位光束扫射装置。其中，动力机构以预定的周期绕转动轴线转动或摆动，光源发射激光，第一光学元件向第一方向反射激光，从第一光学元件反射的第一反射光入射到第一扩束器后形成第一一字光扇面，第一一字光扇面与转动轴线形成第一夹角，第二光学元件向第二方向反射激光，第二方向与第一方向不同，从第二光学元件反射的第二反射光入射到第二扩束器后形成第二一字光扇面，第二一字光扇面与转动轴线形成第二夹角，第二夹角与第一夹角不同，第一光学元件、第二光学元件、第一扩束器以及第二扩束器之间的相对空间位置关系固定，均绕转动轴线转动或摆动。由此，本发明的定位光束扫射装置的体积更小、成本更低。

Description

定位光束扫射装置

技术领域

本发明涉及定位领域，特别是涉及一种定位光束扫射装置。

背景技术

室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，可以解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。激光定位技术是一种常见的室内定位技术，该方案通过在定位空间内搭建发射定位光束的光束发射装置，向定位空间扫射定位光束，在待定位物体上设计多个光信号接收器，并在接收端对数据进行运算处理，以输出三维位置坐标信息。

现有的光束发射装置常常使用两个转动机构，不同的转动机构负责以不同的方向向定位空间扫射定位光束，这种结构的光束发射装置的成本较高、体积较大。并且为了便于根据光信号接收器接收到的定位光束对待定位物体进行定位，需要控制同一光束发射装置的不同转动机构在不同的工作时期转动，这也会及进一步增加控制成本。

由此，需要一种可以缩小体积、降低成本的定位光束扫射装置。

发明内容

本发明主要解决的一个技术问题是，提供一种可以缩小体积、降低成本的定位光束扫射装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种定位光束扫射装置，包括：动力机构，具有预定的转动轴线，用于以预定的周期绕转动轴线转动或摆动；光源，用于发射激光；第一光学元件，用于向第一方向反射激光；第一扩束器，从第一光学元件反射的第一反射光入射到第一扩束器后出射，形成第一一字光扇面，第一一字光扇面与转动轴线形成第一夹角；第二光学元件，用于向第二方向反射激光，第二方向与第一方向不同；第二扩束器，从第二光学元件反射的第二反射光入射到第二扩束器后出射，形成第二一字光扇面，第二一字光扇面与转动轴线形成第二夹角，第二夹角与第一夹 角不同，其中，第一光学元件、第二光学元件、第一扩束器以及第二扩束器之间的相对空间位置关系固定，并且均绕转动轴线转动或摆动。

优选地，动力机构可以为转动机构，转动机构可以以预定的周期绕转动轴线转动；或者动力机构可以为摆动机构，摆动机构可以在预定的摆动角度范围内绕转动轴线往复摆动，其中，预定的摆动角度范围可以大于或等于90°。

优选地，激光在第一光学元件和第二光学元件上的入射点可以均在转动轴线上。

优选地，光源可以位于转动轴线上。

优选地，第一光学元件可以为半反半透镜，第二光学元件可以为反射镜，光源发出的激光入射到第一光学元件后，一部分可以反射到第一扩束器，另一部分可以从第一光学元件透过并入射到第二光学元件上。

优选地，第一光学元件和第二光学元件可以均与转动轴线成45°设置。

优选地，光源可以包括第一光源和第二光源，第一光学元件和第二光学元件可以均为反射镜，第一光源发出的激光入射到第一光学元件，第二光源发出的激光入射到第二光学元件。

优选地，第一扩束器和第二扩束器可以均为波浪镜，并且第一扩束器和第二扩束器不平行。

优选地，第一扩束器可以平行于转动轴线，第二扩束器可以与转动轴线具有预定夹角。

优选地，第一方向与第二方向在垂直于转动轴线的平面上的投影之间的夹角可以大于或等于90°。

优选地，该定位光束扫射装置还可以包括：外壳，外壳上设有窗口，第一一字光扇面和第二一字光扇面可以分别在各自所对应的扫射工作期间内，从窗口出射，其它时间被外壳遮挡。

综上，与现有的光束发射装置相比，本发明的定位光束扫射装置使用一个动力机构就可以实现向定位空间扫射两种不同姿态的定位光束。由此，本发明的定位光束扫射装置与现有的光束发射装置相比，体积更小、成本更低。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明一实施例的定位光束扫射装置的结构的示意性方框图。

图2示出了根据本发明一实施例的定位光束扫射装置的一种具体结构的示意图。

图3示出了第一方向和第二方向在垂直于转动轴线的平面上的投影所形成的夹角的状态图。

图4示出了根据本发明另一实施例的定位光束扫射装置的另一种具体结构的示意图。

图5示出了第一一字光扇面和第二一字光扇面的一种扫射状态示意图。

图6示出了将图5移到平面上时的状态示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一实施例的定位光束扫射装置的结构的示意性方框图。

参见图1，本发明实施例的定位光束扫射装置10包括动力机构1、光源2、第一光学元件3、第一扩束器4、第二光学元件5以及第二扩束器6。

动力机构1具有预定的转动轴线，可以以预定的周期绕转动轴线转动或摆动。其中，动力机构1可以是电机等转动机构，也可以是微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)之类的摆动机构，并且这里述及的转动轴线可以是一个虚拟的轴线，也可以是一个实体转轴。

光源2可以发射激光。光源2发出的激光可以入射到第一光学元件3，第一光学元件3可以向第一方向反射激光。从第一光学元件3反射的第一 反射光入射到第一扩束器4后出射，形成第一一字光扇面，第一一字光扇面与转动轴线形成第一夹角。这里，光源2可以1所发射的激光可以是点状激光。这里述及的“点状激光”指的是激光的投影近似为一个点的激光。当然，光源2还可以发射多种其它形式的激光(如还可以条形激光)，这里不再赘述。

其中，第一扩束器4可以是波浪镜或柱镜，从第一扩束器4出射的第一一字光扇面可以具有一定的张角，作为优选，第一一字光扇面的张角可以大于或等于90°。

光源2发出的激光也可以入射到第二光学元件5，第二光学元件5可以向第二方向反射激光，其中，第二方向不同于第一方向。从第二光学元件5反射的第二反射光入射到第二扩束器6后出射，形成第二一字光扇面，第二一字光扇面与转动轴线形成第二夹角，第二夹角与第一夹角不同。

与第一扩束器4类似，第二扩束器4也可以是波浪镜或柱镜，从第二扩束器4出射的第二一字光扇面可以具有一定的张角，作为优选，第二一字光扇面的张角可以大于或等于90°。

第一光学元件3、第二光学元件5、第一扩束器4以及第二扩束器6之间的相对空间位置关系固定，并且均可以绕转动轴线转动或摆动。

这里，可以将第一光学元件3、第二光学元件5、第一扩束器4以及第二扩束器6固定在动力机构1上，以使得第一光学元件3、第二光学元件5、第一扩束器4以及第二扩束器6可以作为一个整体，随着动力机构1绕转动轴线转动或摆动。

这样，在第一光学元件3、第二光学元件5、第一扩束器4以及第二扩束器6绕转动轴线转动或摆动的过程中，第一一字光扇面和第二一字光扇面就可以扫过一定区域的空间。由此，将本发明实施例的定位光束扫射装置10布置在定位空间中合适的位置时，就可以实现向整个定位空间扫射第一一字光扇面和第二一字光扇面。

为了可以在一定程度上避免由于角度等原因造成定位光束扫射不到待定位物体上的光信号接收器的情况的发生，第一一字光扇面和第二一字光扇面可以以不同的姿态向定位空间进行扫射。

这里，通过控制第一一字光扇面与转动轴线形成的第一夹角和/或第二一字光扇面与转动轴线形成的第二夹角，使得第一夹角不同于第二夹角， 从而可以实现第一一字光扇面和第二一字光扇面以不同的姿态向定位空间进行扫射。

其中，可以通过改变第一扩束器4和/或第二扩束器6的布置姿态，来使得第一一字光扇面与转动轴线形成的第一夹角与第二一字光扇面与转动轴线形成的第二夹角不同。

例如，第一扩束器4和第二扩束器6可以均是波浪镜，第一扩束器4和第二扩束器6可以呈一定角度安装，以使得第一夹角不同于第二夹角。

与现有的光束发射装置相比，本发明实施例的定位光束扫射装置10使用一个动力机构1就可以实现向定位空间扫射两种不同姿态的定位光束(第一一字光扇面、第二一字光扇面)，由此，本发明实施例的定位光束扫射装置10与现有的光束发射装置相比，体积更小、成本更低。

另外，在动力机构1为摆动机构时，动力机构1可以在预定的摆动角度范围内绕转动轴线往复摆动。在将本发明的定位光束扫射装置10布置在定位空间的一个角落处时，为了使得从定位光束扫射装置10出射的第一一字光扇面和第二一字光扇面可以覆盖整个定位空间，动力机构1需要向至少90°范围进行转动或摆动，因此，作为优选，这里述及的预定的摆动角度范围可以大于或等于90°。

至此结合图1简要说明了本发明的定位光束扫射装置的基本结构和工作原理。下面结合具体实施例就本发明的定位光束扫射装置可以具有的具体结构及工作原理做进一步详细说明。

图2示出了根据本发明一实施例的定位光束扫射装置的一种具体结构示意图。

参见图2，第一光学元件3可以是半反半透镜，第二光学元件5可以是反射镜。其中，图2示出的是光源2位于动力机构1的外部时的情形，应该知道，光源2也可以位于动力机构1的内部，并且光源2的具体位置可以根据具体情况进行设定。

例如，光源2的位置可以设置为，光源2发出的激光在第一光学元件3和第二光学元件5上的入射点均在转动轴线1-1上。这里，作为优选，光源2可以位于转动轴线1-1上。

光源2发出的激光入射到第一光学元件3后，一部分向第一方向反射到第一扩束器4形成第一一字光扇面4-1，另一部分从第一光学元件3透过 并入射到第二光学元件5上，然后以第二方向反射到第二扩束器6，形成第二一字光扇面6-1。

为了便于待定位物体上的光信号接收器根据接收到的定位光束进行定位，可以控制第一一字光扇面4-1和第二一字光扇面6-1分时向定位空间进行扫射。这里，可以通过改变第一方向和/或第二方向，来实现第一一字光扇面4-1和第二一字光扇面6-1的分时扫射。

其中，这里述及的“分时扫射”指的是第一一字光扇面和第二一字光扇面扫过同一区域的时刻不同。

具体来说，可以通过设置第一方向与第二方向在垂直于转动轴线的平面上的投影之间的夹角来实现第一一字光扇面4-1和第二一字光扇面6-1的分时扫射。

参见图3，A为转动轴线在垂直于转动轴线的平面上的投影，AC为第一方向在垂直于转动轴线的平面上的投影，AD为第二方向在垂直于转动轴线的平面上的投影。图中的圆形是AC、AD绕转动轴线转动的轨迹在垂直于转动轴线的平面上的投影。

如图3所示，第一方向与第二方向在垂直于转动轴线的平面上的投影之间具有一定的夹角，使得各自通过扩束器后形成的一字光扇面也具有一定的角度。这样，当AC、AD绕A转动的过程中，两个第一光扇面就可以向不同方向扫射，由此就可以实现分时扫射。

如前文所述，在将本发明的定位光束扫射装置布置在定位空间内的角落处时，向定位空间扫射的定位光束需要至少转动或摆动90°，才能保证定位光束可以覆盖整个定位空间。

因此，为了实现第一一字光扇面和第二一字光扇面可以充分地进行分时扫射，第一方向与第二方向在垂直于转动轴线的平面上的投影之间具有的夹角可以大于或等于90°。

另外，第一光学元件3和第二光学元件5的反射面可以过转动轴线1-1设置，这样，可以减少第一光学元件3和第二光学元件5绕动力机构1的转动轴线1-1转动或摆动时的转动惯量或摆动惯量。

这里为了进一步减小转动惯量或摆动惯量，第一光学元件3和第二光学元件5的反射面的中心可以过转动轴线。

作为另一种优选，第一光学元件3和第二光学元件5可以均与转动轴 线1-1成45°设置，并且第一光学元件3和第二光学元件5不平行。

如上文所述，可以通过改变第一扩束器4和/或第二扩束器6的布置姿态，来改变相应的一字光扇面与转动轴线形成的夹角。

例如，第一扩束器4和第二扩束器6可以均为波浪镜，第一扩束器4和第二扩束器6相对于转动轴线的安装角度可以不同，即第一扩束器4和第二扩束器6可以呈一定角度安装。

其中，为了便于接收端根据接收到的定位光束进行定位计算，可以将一个扩束器平行于转动轴线1-1安装，另一个扩束器与转动轴线具有一定角度倾斜安装。这样，从平行于转动轴线1-1安装的扩束器出射的一字光扇面垂直于转动轴线，可以便于后期计算，这里不再赘述。

图4示出了根据本发明一实施例的定位光束扫射装置的另一种具体结构示意图。

参见图4，本发明实施例的定位光束扫射装置可以包括两个光源，为了便于区分，这里可以称为第一光源2-1、第二光源2-2。

第一光学元件3和第二光学元件5可以均是反射镜，第一光源2-1发出的激光入射到第一光学元件3后反射到第一扩束器4，形成第一一字光扇面4-1。

第二光源2-2发出的激光入射到第二光学元件5后反射到第二扩束器6，形成第二一字光扇面6-1。

这里，第一光学元件3和第二光学元件5可以均与转动轴线成45°，并且平行设置。其中，图4所示的相同部分已在上文图2中做了详细说明，这里不再赘述。

在定位空间被扩展成多个子定位空间时，为了避免从定位光束扫射装置出射的定位光束(即一字光扇面)入射到相邻的子定位空间，对相邻子定位空间内的定位造成干扰，本发明的定位光束扫射装置还可以包括外壳(图中未示出)。

外壳上可以设有窗口，第一一字光扇面和第二一字光扇面可以分别在各自所对应的扫射工作期间内，从窗口出射，其它时间被外壳遮挡。

因此，这里的外壳可以固定在动力机构的外部，不随着动力机构绕转动轴线转动或摆动。

至此，结合图2-图4就本发明的定位光束扫射装置可以具有的具体结 构做了进一步说明。应该知道，上述实施例仅是示意性说明，而非对本发明的限制，本发明的定位光束扫射装置还可以有多种其它的具体结构，这里不再赘述。

下面就基于本发明的定位光束扫射装置所扫射的定位光束对待定物体进行定位的过程做以简要说明。

基于本发明的定位光束扫射装置可以有多种确定待定位物体的位置的方法。

例如，在定位光束扫射装置的结构固定以后，第一一字光扇面和第二一字光扇面在每个扫射周期内开始扫射定位光束时的初始时刻的扫射面已知，根据待定位物体上的光信号接收器接收到第一一字光扇面的时间t₁、第二一字光扇面的时间t₂，可以确定t₁时第一一字光扇面所在的第一方向，t₂时第二一字光扇面所在的第二方向，光信号接收器就位于第一方向和第二方的交线方向上。由此，可以确定多个光信号接收器所处的交线方向，然后根据多个光信号接收器之间的相对空间位置关系就可以得出待定位物体所处的三维位置信息。

再例如，如图5所示，可以假设O为光塔，M点为定位目标位置，且将整个平面假设成一个球面，C为球上两个一字光扇面初始位置的交点。斜向扫描的第一一字光扇面从零面扫到M点，假设所用时间为t1。同理，斜向扫描的第二一字光扇面从零面扫到M点，假设所用时间为t2。

我们把球面上的图移到平面上来，图6中直线均可以认为弧线。第一一字光扇面所在的扫射方向上，从CN扫描到M点所在的面(BM)，用时为t1。第二一字光扇面所在的扫射方向上，从CA扫描到M点所在的面上(DM)，用时为t2。

如图6所示，假设第一一字光扇面和第二一字光扇面的角速度均为ω，我们已知从N扫到M点的时间为t₁，转过的角度为ωt₁，从A扫到M点的时间为t₂，转过的角度为ωt₂，则我们知道从A到N点的扫描时间为t₂-t₁，对应的角度为ω(t₂-t₁)，且已知∠CAN以及∠CNA的大小。因为弧度角与弧长呈线性比例，则可利用三角函数求得从A点到P点，从P点到N点，从C点到P点所对应的角度，从而求得CP对应的弧长及PM所对应的弧长及各自对应的弧度角，这两个角即为第一一字光扇面、第二一字光扇面所应扫过的角度α、β。已知α、β两个角，就可以确定M点与光塔所成 的射线。由此，可以确定多个光信号接收器所处的射线，然后根据多个光信号接收器之间的相对空间位置关系就可以得出待定位物体所处的三维位置信息。

其中，求得从P点到M点对应的角度β，从C点到P点对应的角度α如下：

$\mathrm{\α}=\frac{t_2-t_1}{\cot \∠CAN+\cot \∠CNA}\×\mathrm{\ω}$

$\mathrm{\β}=(t_1-\frac{t_2-t_1}{\cot \∠CAN+\cot \∠CNA}\·\cot \∠CAN)\×\mathrm{\ω}$

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的定位光束扫射装置。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种定位光束扫射装置，包括：

动力机构，具有预定的转动轴线，用于以预定的周期绕所述转动轴线转动或摆动；

光源，用于发射激光；

第一光学元件，用于向第一方向反射所述激光；

第一扩束器，从所述第一光学元件反射的第一反射光入射到所述第一扩束器后出射，形成第一一字光扇面，所述第一一字光扇面与所述转动轴线形成第一夹角；

第二光学元件，用于向第二方向反射所述激光，所述第二方向与所述第一方向不同；

第二扩束器，从所述第二光学元件反射的第二反射光入射到所述第二扩束器后出射，形成第二一字光扇面，所述第二一字光扇面与所述转动轴线形成第二夹角，所述第二夹角与所述第一夹角不同，

其中，所述第一光学元件、所述第二光学元件、所述第一扩束器以及所述第二扩束器之间的相对空间位置关系固定，并且均绕所述转动轴线转动或摆动。

2.根据权利要求1所述的定位光束扫射装置，其中，

所述动力机构为转动机构，所述转动机构以预定的周期绕所述转动轴线转动；或者

所述动力机构为摆动机构，所述摆动机构在预定的摆动角度范围内绕所述转动轴线往复摆动，其中，所述预定的摆动角度范围大于或等于90°。

3.根据权利要求1所述的定位光束扫射装置，其中，

所述激光在所述第一光学元件和所述第二光学元件上的入射点均在所述转动轴线上。

4.根据权利要求3所述的定位光束扫射装置，其中，

所述光源位于所述转动轴线上。

5.根据权利1至4中任何一项所述的定位光束扫射装置，其中，所述第一光学元件为半反半透镜，所述第二光学元件为反射镜，

所述光源发出的激光入射到所述第一光学元件后，一部分反射到所述第一扩束器，另一部分从所述第一光学元件透过并入射到所述第二光学元件上。

6.根据权利要求5所述的定位光束扫射装置，其中，

所述第一光学元件和所述第二光学元件均与所述转动轴线成45°设置。

7.根据权利要求1至4中任何一项所述的定位光束扫射装置，其中，所述光源包括第一光源和第二光源，所述第一光学元件和所述第二光学元件均为反射镜，

所述第一光源发出的激光入射到所述第一光学元件，所述第二光源发出的激光入射到所述第二光学元件。

8.根据权利要求1所述的定位光束扫射装置，其中，

所述第一扩束器和所述第二扩束器均为波浪镜，并且所述第一扩束器和所述第二扩束器不平行。

9.根据权利要求8所述的定位光束扫射装置，其中，

所述第一扩束器平行于所述转动轴线，所述第二扩束器与所述转动轴线具有预定夹角。

10.根据权利要求1所述的定位光束扫射装置，其中，

所述第一方向与所述第二方向在垂直于所述转动轴线的平面上的投影之间的夹角大于或等于90°。

11.根据权利要求1所述的定位光束扫射装置，还包括：

外壳，所述外壳上设有窗口，所述第一一字光扇面和所述第二一字光扇面分别在各自所对应的扫射工作期间内，从所述窗口出射，其它时间被所述外壳遮挡。