CN106443690B - 磁悬浮光学扫描测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮光学扫描测距装置及方法，涉及测距领域，磁悬浮光学扫描测距装置包括固定底座、角度编码器、旋转系统、激光测距系统、供电传送及数据接收装置、供电接收及无线数据传送装置和数据处理模块；激光测距系统的旋转通过磁悬浮装置实现，避免了机械磨损；供电接收及无线数据传送装置用于接收供电传送及数据接收装置发出的数据和电能；供电接收及无线数据传送装置给激光测距系统供电；避免了电线磨损。本申请解决了现有技术中的小型激光雷达内部器件易磨损，影响使用寿命的技术问题。

Description

磁悬浮光学扫描测距装置及方法

技术领域

本发明涉及测距技术领域，尤其是涉及一种磁悬浮光学扫描测距装置及方法。

背景技术

光学扫描测距装置是一种通过结构光对目标物体进行非接触扫描测距的装置。通过旋转机构将结构光束对环境扫描，可现实对环境轮廓信息的提取。

相对于超声波和深度摄像机等方法，激光具有高相干性、高方向性等特征，能大大提高测量精确度，因此被广泛应用在测距装置上。激光测距方法具有测量速度快、测程远的特点，目前，许多室内机器人系统都采用激光测距装置作为传感器，实现定位、构建地图和壁障。

激光测距方法主要有脉冲法、飞行时间法、相位法和三角形测距法。脉冲法和相位法在每次测距时，需要较长的稳定时间。飞行时间法需要多组光学结构镜头实现扫描测距，整体结构尺寸较大，成本较高。三角形测距法测量具有时间短、应用成本低的优点。

为了解决尺寸和成本问题，目前出现使用三角形测距原理的小型激光雷达，但这种装置的旋转部件供电和通讯需要使用导电滑环等实现旋转体间的电信号传递，这种机械机构将极大的影响整体寿命，导电滑环易出现磨损等情况。而且现有技术旋转件和固定件之间通过轴承支撑，并通过齿轮、皮带轮等方式驱动旋转，存在机械磨损，影响寿命。且存在机械振动，基准点失衡的问题，影响测量结果，使得精度降低。

基于此，本发明提供了一种磁悬浮光学扫描测距装置及方法以解决上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁悬浮光学扫描测距装置及方法，以解决现有技术中的小型激光雷达内部器件易磨损，影响使用寿命技术问题。

基于上述目的，本发明提供了一种磁悬浮光学扫描测距装置，包括固定底座、角度编码器、旋转系统、激光测距系统、供电传送及数据接收装置、供电接收及无线数据传送装置和数据处理模块；

所述旋转系统包括一个旋转平台、电机、导磁环和环形的永磁体；所述永磁体与所述固定底座转动连接；

所述永磁体的中心设置有针轴窝；所述针轴一端插装在所述针轴窝中，所述针轴另一端与所述导磁环的内壁固接；所述导磁环的上端与所述旋转平台连接；所述电机的输出轴与所述永磁体连接；

所述激光测距系统包括激光光源和感光器件，所述激光光源和所述感光器件固定在所述旋转平台上，所述感光器件用于接受反射来的所述激光光源发出的激光；

所述供电传送及数据接收装置固接在所述固定底座上，所述供电接收及无线数据传送装置与所述旋转平台连接；所述供电接收及无线数据传送装置用于接收所述供电传送及数据接收装置发出电能，并向其传输数据；

所述供电接收及无线数据传送装置分别与所述感光器件、所述角度编码器和所述激光光源连接；

所述角度编码器固定在所述旋转平台上；

所述数据处理模块固定在所述固定底座上，所述数据处理模块与供电传送及数据接收装置连接。

可选的，所述旋转平台下方还设置有支撑台，所述支撑台与所述导磁环固接。

可选的，所述支撑台上还设置有上盖；

所述激光测距系统和所述数据处理模块均位于所述上盖内；

所述上盖的侧壁上设置有窗口，所述激光测距系统朝向所述窗口设置。

可选的，所述支撑台呈圆形；所述上盖呈圆柱形；所述上盖的外径与所述支撑平台的外径相同。

可选的，所述供电接收及无线数据传送装置固定于所述支撑台的下方。

可选的，所述供电传送及数据接收装置包括谐振发射线圈，所述供电接收及无线数据传送装置包括共振接收线圈，电能的传递通过所述谐振发射线圈和所述共振接收线圈互感磁耦合共振无线传输。

可选的，所述供电传送及数据接收装置以及所述供电接收及无线数据传送装置之间的数据传输采用2.4G无线电通讯。

可选的，所述2.4G无线电通讯采用蓝牙。

可选的，所述感光器件包括成像芯片和成像镜头；所述成像镜头用于将反射激光汇集在所述成像芯片上；

所述成像芯片为CMOS或CCD。

基于上述目的，本发明还提供了一种基于上述装置的光学扫描测距方法，所述光学扫描测距方法包括：

步骤1、启动所述电机，所述电机带动所述永磁体发生转动，所述永磁体通过所述导磁环驱动所述旋转平台转动；所述角度编码器监测所述旋转平台转速，待所述旋转平台的转速稳定后，进入下一步骤；

步骤2、所述的激光光源将激光束照射到目标物体上；

步骤3、目标物对所述的激光光源产生的激光束进行反射；

步骤4、所述感光器件接收发射光，将图像信号转变为电信号；

步骤5、所述数据处理模块对所述电信号和所述角度编码器的位置信号进行融和，得到目标物体的环境信息。

本发明提供的所述磁悬浮光学扫描测距装置，接通电源后，电机旋转，驱动永磁体旋转，永磁体产生的变化的磁场方向，通过导磁环带动旋转平台转动，旋转平台上的激光光源发射激光，到达目标物体上，反射光进入感光器件，从而获得激光器至感光器件的距离。随着平台转动，如此同理，该装置可获得360°范围内的任意角度距离信息。感光器件的信息和角度编码器的位置信息通过供电接收及无线数据传送装置以无线电的方式传递给供电传送及数据接收装置后传给数据处理模块，所述的数据处理模块对感光器件的电信号和角度编码器的位置信号进行融和，得到目标物体的环境信息，然后传输出去即可。数据处理模块可以采用微型处理器。本申请通过提供一个360°连续旋转的光学测距系统，实现环境非接触扫描测距。通过激光测距，使得测距结果更加准确。通过安装的角度编码器，计量旋转的角度信息，一方面负反馈稳定转速，一方面输出了当前测量的角度信息，从而获取了360度内所有物体的距离和位置。

本发明的特点是，在现有的激光测距手段的基础上，改变了感光器件和激光光源等的用电形式，通过所述供电传送及数据接收装置以及所述供电接收及无线数据传送装置，使用磁耦合共振方式无线输电，无需导线滑环，减少了旋转件与固定件的摩擦和震动，增加了测距系统的可靠性，延长了装置使用寿命。

同时，本申请的旋转平台的旋转是通过磁悬浮带动的旋转，当电机旋转时，通过永磁体磁相位的变化，导磁环处的磁场方向变化，发生同步旋转，旋转过程中，无机械振动，通过提供一个永磁体、导磁环、针轴支撑组件，可实现旋转平台处于磁悬浮状态，拓张了对于高速测距环境的使用条件。

基于此，本发明可用于超高速测距条件，尺寸紧凑、无机械磨损部件、无机械噪声、因采用激光测量，较现有的产品具备长寿命，无噪音，高精度、远距离的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的磁悬浮光学扫描测距装置的爆炸示意；

图2为图1的后侧视图；

图3为图1所示的磁悬浮光学扫描测距装置导磁环部分的图。

附图标记：

1-激光光源； 2-永磁体； 3-供电传送及数据接收装置；

4-上盖； 5-感光器件； 6-旋转平台；

7-支撑台； 8-固定底座； 9-供电接收及无线数据传送装置；

10-针轴窝； 11-导磁环； 12-针轴。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

实施例一

如图1-3所示，在本实施例中提供了一种磁悬浮光学扫描测距装置，所述磁悬浮光学扫描测距装置包括固定底座8、角度编码器、旋转系统、激光测距系统、供电传送及数据接收装置3、供电接收及无线数据传送装置9和数据处理模块；

所述旋转系统包括一个旋转平台6、电机、导磁环11和环形的永磁体2；所述永磁体2与所述固定底座8转动连接；所述永磁体2的中心设置有针轴窝10；所述针轴12一端插装在所述针轴窝10中，所述针轴12另一端与所述导磁环11的内壁固接；所述导磁环11的上端与所述旋转平台6连接；所述电机的输出轴与所述永磁体2连接；

所述激光测距系统包括激光光源1和感光器件5，所述激光光源1和所述感光器件5固定在所述旋转平台6上，所述感光器件5用于接受反射来的所述激光光源1发出的激光；

所述供电传送及数据接收装置3固接在所述固定底座8上，所述供电接收及无线数据传送装置9与所述旋转平台6连接；所述供电接收及无线数据传送装置9用于接收所述供电传送及数据接收装置3发出的数据和电能；

所述供电接收及无线数据传送装置9分别与所述感光器件、所述角度编码器和所述激光光源连接；所述角度编码器固定在所述旋转平台6上；

所述数据处理模块固定在所述固定底座8上，所述数据处理模块与供电传送及数据接收装置连接。

本发明提供的所述磁悬浮光学扫描测距装置，接通电源后，电机旋转，驱动永磁体2旋转，永磁体2产生的变化的磁场方向，通过导磁环11带动旋转平台6转动，旋转平台6上的激光光源1发射激光，到达目标物体上，反射光进入感光器件5，从而获得激光器至感光器件5的距离。随着平台转动，如此同理，该装置可获得360°范围内的任意角度距离信息。所述的数据处理模块对感光器件5的电信号和角度编码器的位置信号进行融和，得到目标物体的环境信息。本申请通过提供一个360°连续旋转的光学测距系统，实现环境非接触扫描测距。通过激光测距，使得测距结果更加准确。通过安装的角度编码器，计量旋转的角度信息，一方面负反馈稳定转速，一方面输出了当前测量的角度信息，从而获取了360度内所有物体的距离和位置。

本发明的特点是，在现有的激光测距手段的基础上，改变了感光器件和激光光源等的用电形式，通过所述供电传送及数据接收装置以及所述供电接收及无线数据传送装置，使用磁耦合共振方式无线输电，无需导线滑环，减少了旋转件与固定件的摩擦和震动，增加了测距系统的可靠性，延长了装置使用寿命。

同时，本申请的旋转平台6的旋转是通过磁悬浮带动的旋转，当电机旋转时，通过永磁体2磁相位的变化，导磁环11处的磁场方向变化，发生同步旋转，旋转过程中，无机械振动，通过提供一个永磁体2、导磁环11、针轴12支撑组件，可实现旋转平台6处于磁悬浮状态，拓张了对于高速测距环境的使用条件。

基于此，本发明可用于超高速测距条件，尺寸紧凑、无机械磨损部件、无机械噪声、因采用激光测量，较现有的产品具备长寿命，无噪音，高精度、远距离的特点。

如图1-3，本实施例的可选方案中，所述旋转平台6下方还设置有支撑台7，所述支撑台7与所述导磁环11固接。

通过支撑平台，使所述旋转平台6更加的稳固，支撑台7面积较大，便于安装上盖4等其余装置。

进一步的，所述支撑台7上还设置有上盖4；

所述激光测距系统和所述数据处理模块均位于所述上盖4内；

所述上盖4的侧壁上设置有窗口，所述激光测距系统朝向所述窗口设置。

设置上盖4是为了保护激光光源1等设备，同时，设置窗口，是为了方便激光射出和接受，激光不受阻挡。

进一步的，所述支撑台7呈圆形；所述上盖4呈圆柱形；所述上盖4的外径与所述支撑平台的外径相同。

圆形的支撑台7好加工，旋转时重心稳定，不会晃动。做成外径相同的形式，也便于加工和安装，整体更为美观。优选的，所述固定底座8也设置为圆柱形，外径与所述支撑台7相同，电机等部件位于固定底座8内，这样整个装置呈一个圆柱形，美观大方。

进一步的，所述供电接收及无线数据传送装置9固定于所述支撑台7的下方。

这样设置，距离无线数据及供电发送装置更进，中间没有阻挡，信号更好，电能传递效率更高。

本实施例的可选方案中，所述供电传送及数据接收装置3包括谐振发射线圈，所述供电接收及无线数据传送装置9包括共振接收线圈，电能的传递通过所述谐振发射线圈和所述共振接收线圈互感磁耦合共振无线传输。

现有的供电传送及数据接收装置3，一般由电源管理模块、振荡器、功率放大器、谐振发射线圈等组成，供电接收及无线数据传送装置9则由共振接收线圈、控制电路、电流调理电路等组成。电能的传递通过互感磁耦合共振无线传输。无线供电，是一种方便安全的新技术，无需任何物理上的连接，电能可以近距离无接触地传输给负载。实际上近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，现在通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术。

进一步的，所述供电传送及数据接收装置3以及所述供电接收及无线数据传送装置9之间的数据传输采用2.4G无线电通讯。优选的，所述2.4G无线电通讯采用蓝牙。当然也可以采用，WIFI，Zi gBee，RF射频，低频短波等无线技术。

本实施例的可选方案中，所述感光器件5包括成像芯片和成像镜头；所述成像镜头用于将反射激光汇集在所述成像芯片上；

所述成像芯片为CMOS或CCD。

所述的成像芯片与所述的成像镜头成大于90°且小于180°的夹角；所述的成像镜头中心光轴与所述激光光源1的垂线成一个大于0°小于90°的夹角。这样设置是为了方便安装，这对不同的装置型号等，可以设置不同角度。感光器件5和激光光源1采用现有产品即可，技术已经完全成熟。本申请通过所述激光光源1将激光束照射到目标物体上；目标物对所述的激光光源1产生的激光束进行反射；反射光通过成像透镜，汇聚于成像芯片上，芯片将图像信号转变为电信号；所述数据处理模块对所述的电信号和角度编码器的位置信号进行融和，得到目标物体的环境信息。

实施例二

本实施例提供的一种光学扫描测距方法是在实施例一提供所述磁悬浮光学扫描测距装置上实现的。

具体而言，所述光学扫描测距方法包括：

步骤1、启动所述电机，所述电机带动所述永磁体2发生转动，所述永磁体2通过所述导磁环11驱动所述旋转平台6转动；所述角度编码器监测所述旋转平台6转速，待所述旋转平台6的转速稳定后，进入下一步骤；

步骤2、所述的激光光源1将激光束照射到目标物体上；

步骤3、目标物对所述的激光光源1产生的激光束进行反射；

步骤4、所述感光器件5接收发射光，将图像信号转变为电信号；其中，反射光通过成像透镜，汇聚于成像芯片上，芯片将图像信号转变为电信号。

步骤5、所述数据处理模块对所述电信号和所述角度编码器的位置信号进行融和，得到目标物体的环境信息，最终得到了测距距离以及360度内整个环境信息，即各个物体的距离和相对的所在位置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，包括固定底座、角度编码器、旋转系统、激光测距系统、供电传送及数据接收装置、供电接收及无线数据传送装置和数据处理模块；

所述旋转系统包括一个旋转平台、电机、导磁环和环形的永磁体；所述永磁体与所述固定底座转动连接；

所述永磁体的中心设置有针轴窝；所述针轴一端插装在所述针轴窝中，所述针轴另一端与所述导磁环的内壁固接；所述导磁环的上端与所述旋转平台连接；所述电机的输出轴与所述永磁体连接；

所述激光测距系统包括激光光源和感光器件，所述激光光源和所述感光器件固定在所述旋转平台上，所述感光器件用于接受反射来的所述激光光源发出的激光；

所述供电传送及数据接收装置固接在所述固定底座上，所述供电接收及无线数据传送装置与所述旋转平台连接；所述供电接收及无线数据传送装置用于接收所述供电传送及数据接收装置发出电能，并向其传输数据；

所述供电接收及无线数据传送装置分别与所述感光器件、所述角度编码器和所述激光光源连接；

所述角度编码器固定在所述旋转平台上；

所述数据处理模块固定在所述固定底座上，所述数据处理模块与供电传送及数据接收装置连接；

所述旋转平台下方还设置有支撑台，所述支撑台与所述导磁环固接；

所述感光器件包括成像芯片和成像镜头；所述成像镜头用于将反射激光汇集在所述成像芯片上；

所述成像芯片与所述成像镜头成大于90°且小于180°的夹角；所述的成像镜头中心光轴与所述激光光源的垂线成一个大于0°小于90°的夹角。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述支撑台上还设置有上盖；

所述激光测距系统和所述数据处理模块均位于所述上盖内；

所述上盖的侧壁上设置有窗口，所述激光测距系统朝向所述窗口设置。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述支撑台呈圆形；所述上盖呈圆柱形；所述上盖的外径与所述支撑台的外径相同。

4.根据权利要求2所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述供电接收及无线数据传送装置固定于所述支撑台的下方。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述供电传送及数据接收装置包括谐振发射线圈，所述供电接收及无线数据传送装置包括共振接收线圈，电能的传递通过所述谐振发射线圈和所述共振接收线圈互感磁耦合共振无线传输。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述供电传送及数据接收装置以及所述供电接收及无线数据传送装置之间的数据传输采用2.4G无线电通讯。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述2.4G无线电通讯采用蓝牙。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮光学扫描测距装置，其特征在于，所述成像芯片为CMOS或CCD。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的磁悬浮光学扫描测距装置的光学扫描测距方法，其特征在于，所述光学扫描测距方法包括：

步骤1、启动所述电机，所述电机带动所述永磁体发生转动，所述永磁体通过所述导磁环驱动所述旋转平台转动；所述角度编码器监测所述旋转平台转速，待所述旋转平台的转速稳定后，进入下一步骤；

步骤2、所述的激光光源将激光束照射到目标物体上；

步骤3、目标物对所述的激光光源产生的激光束进行反射；

步骤4、所述感光器件接收发射光，将图像信号转变为电信号；

步骤5、所述数据处理模块对所述电信号和所述角度编码器的位置信号进行融和，得到目标物体的环境信息。