CN106501812A - 一种激光扫描测距设备 - Google Patents

Abstract

本申请的目的是提供一种激光扫描测距设备，包括激光扫描装置、数据处理装置、传动装置、电源装置，所述激光扫描装置包括激光发射器、激光接收器、第一凸透镜，所述激光接收器、激光发射器、第一凸透镜同轴设置，所述激光发射器发射出的激光照射到目标物反射回来后经过第一凸透镜的折射至激光接收器；所述第一凸透镜的外径大于激光发射器发射激光范围的外径；所述激光接收器、激光发射器分别于数据处理装置电气连接，所述电源装置为所述激光扫描测距设备供电。本发明产品可以360°旋转测量、直接发射激光并且直接接收经过被测物体发射的激光，不需要反光镜、可无线传输功率和数据、寿命更长、体积更小、测距更远的微型激光测距装置。

Description

一种激光扫描测距设备

技术领域

本申请涉及测距设备，尤其涉及一种激光扫描测距设备。

背景技术

光学扫描测距设备是一种使用准直光束进行非接触式目标物体扫描测距的设备。通过将用于测距的准直光束(激光)进行一定范围内的旋转，即可实现对所在环境内物体进行扫描测距，并提取出环境的轮廓信息。

目前的光学扫描测距装置有的是激光发射接收装置自身旋转但通过滑环来供电，有的使用皮带或者齿轮传动，这几种都存在使用寿命短和体积较大的问题。有的测距装置是发射接收装置不动，通过反光镜照射来做到扫描测距，而反射镜制作工艺难度较大，若不平整就会导致光线角度偏置，反射效果不好会造成光发射和接收效率较低，使得测量距离受限制。有的测距仪是采用三角测距法扫描测距，该种测距法调试难度高，测量距离短。

以配合一片或多片反射镜来发射或接受反射光为例，现有常用的两种结构的测距设备，图1和图2示出现有技术的测距设备的简要结构图，如图1和图2所示，其使用(一个或多个)反射镜并使其光轴摆动整个360度一周，在任一结构中，使得(一个或多个)镜子的光轴和使该(一个或多个)镜子转动的电动机的轴重合。

图1中的测距设备构造采用双轴电动机420，公共旋转轴410a和410b从该电动机420竖直伸出，并一方面使轴410a上的扫描镜430，另一方面使轴410b上的接收镜彼此相同地安装。从光束投射器450输出的光线经过投射透镜470，由扫描镜430使发生偏转并投射到待照明物体上。来自所扫描物体的反射光线通过接收透镜480进入光线接收器460。这种结构的测距设备的电动机布置在扫描镜和接收透镜之间，使得扫描镜和接收透镜之间的间隔较大，光路收发严重不同轴，盲区大，近距离表现不佳，而且，由于光学系统的中心是测距仪的中心，并且测距仪竖直延伸，所以将对如何安装测距仪产生限制。

图2中的测距设备构造采用电动机420，旋转轴410c从该电动机向上伸出，并且将双重扫描/接收镜490安装在旋转轴410c上。从光束投射器450输出的光线经过投射器500，由半透明镜510向下反射，并照射在双重扫描/接收镜490上；在那里反射的光线通过镜子490向左偏转并投射到待照明的物体上。来自所扫描物体的反射光线通过扫描/接收镜490向上偏转，通过半透明镜510传输，经过接收透镜520，并进入光线接收器460。这种结构的测距设备通过半透明镜来实现收发同轴，但是透光性约相当于普通透镜的一半，发送和接收均损失了大量光能。且采用了双重扫描/接收镜来反射扫描光束和接收光线，可能使两者相互之间产生影响而形成噪声，因此限制了测距设备的辐射接收灵敏度和精确度。

在此类测距设备中，带来了因反射镜本身的反射率问题造成的光利用率降低的问题，且反射镜需要在工作中保证精密的固定，此外，反射镜的平面度制作工艺难度大，反射镜反射面不平整导致投射光束或反射光束角度偏差，造成光利用率低，因此给设计和生产这类扫描测距装置带来了很大挑战，并导致这类扫描测距装置的成本较高。同时，复杂的光学设备也增加了装置的尺寸和重量。

在目前已有的一些测距设备中，出现了激光发射接收装置自身旋转的测距设备，但此类设备为实现旋转部件供电和通讯，常常需要使用导电滑环等实现旋转体间电信号传递。而旋转单元通常采用皮带的传动方式来实现旋转。这极大地影响了这类装置的寿命。且直接采用皮带传动增大了测距设备的整体体积。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种激光扫描测距设备。本发明提供的一种激光扫描测距仪，可以360°旋转测量、直接发射激光并且直接接收经过被测物体发射的激光，不需要反光镜、可无线传输功率和数据、寿命更长、测距更远的微型激光测距装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种激光扫描测距设备，包括：

激光扫描装置：用以发射激光、接收激光；

数据处理装置：用以记录及处理激光扫描装置工作所得到的数据；

传动装置：用以实现激光扫描装置在水平面上360°旋转；

电源装置：为所述激光扫描测距设备提供电源；

其中，

所述激光扫描装置包括激光发射器、激光接收器、第一凸透镜，所述激光接收器、激光发射器、第一凸透镜同轴设置，所述激光发射器发射出的激光照射到目标物反射回来后经过第一凸透镜的折射至激光接收器；所述第一凸透镜的外径大于激光发射器发射激光范围的外径；

所述激光接收器、激光发射器分别于数据处理装置电气连接。

本发明提供的激光扫描测距设备是采用同轴TOF(Time of fight)光的飞行时间测距方案进行测距。相比三角法测距方案具有调试难度更低，测距距离更远的优势，比起非同轴的TOF技术盲区更少。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述激光扫描装置还包括第二凸透镜，所述第二凸透镜与第一凸透镜同轴设置，所述激光发射器发射的激光穿过第二凸透镜照射到目标物，所述第二凸透镜的外径小于第一凸透镜的外径。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述第一凸透镜沿轴线设有通孔，所述激光发射器设置在通孔的一端，所述第二凸透镜设置在通孔的另一端。

激光发射器发射出去的激光分散呈锥型，但是经过第二凸透镜的折射作用，激光发射器发射出去的激光为平行激光，照射到目标物后光斑会比较凝聚，反射回来的光线也会更强。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述激光扫描装置还包括用以过滤可见光的滤光片，所述滤光片与激光接收器分别位于第一凸透镜的两侧。滤光片可以过滤其他的可见光，让测距更准。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述数据处理装置包括第一通讯模块、第二通讯模块、核心背板，所述核心背板上设有控制器、激光接收器的驱动和信号放大电路，所述控制器与激光发射器电气连接，所述激光接收器通过激光接收器的驱动和信号放大电路与控制器电气连接，所述控制器向激光发射器发送脉冲信号使激光发射器发射脉冲激光；所述控制器与第一通讯模块电气连接，所述第一通讯模块与第二通讯模块无线通讯连接，所述第二通讯模块通过无线通讯或者有线通讯向外部接收数据。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述传动装置包括固定平台、旋转平台、电机，所述固定平台与旋转平台通过轴承配合连接，所述电机包括电机转子磁极与电机定子，所述电机转子磁极安装在旋转平台上，所述电机定子安装在固定平台上且套设在电机转子磁极的外层，所述激光发射器和激光接收器的轴线与旋转平台的旋转轴相垂直，所述激光扫描装置安装在旋转平台上与旋转平台一同旋转。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述电源装置为无线供电装置，包括在垂直于所述旋转轴的方向上内外嵌套的接收线圈和发射线圈，所述发射线圈与无线供电驱动电路连接，所述无线供电驱动电路将外接的直流电转换成交流电传输至发射线圈；所述接收线圈接收到发射线圈发射过来的能量进行整流、稳压，然后给控制器、通讯模块、核心背板上的所有元器件供电；所述接收线圈通过无线供电整流、稳压模块与控制器电气连接，所述接收线圈通过无线供电整流、稳压模块给第一通讯模块、核心背板上所有元器件供电，所述接收线圈接收到发射线圈发射过来的能量进行整流、稳压，然后给控制器、通讯模块、核心背板上的所有元器件供电。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，还包括外壳、编码器和编码齿，所述外壳包括顶盖、底盖，所述顶盖与底盖之间设置滤光片，所述滤光片构成壳体的侧面，所述滤光片呈圆筒状，所述编码齿安装于顶盖上，所述编码齿通过轴承与旋转平台连接，所述编码器与控制器电气连接，籍由编码齿和编码器记录旋转平台的转动位置和圈数。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，所述第一通讯模块与第二通讯模块之间通过光通讯、ZigBee、WiFi、Bluetooth中的任意一种通讯连接。

与现有技术相比，本发明方案没有设置反光镜，

达到设备采取的结构方式紧凑，尺寸小巧的目的；进一步地，本发明采用同轴TOF(Time of fight)光的飞行时间测距方案进行测距，相比非同轴结构的TOF盲区更少；相较于三角法测距仪的测距范围的十几米而言，本发明的测距范围至少能达到30米以上；与具有反光镜结构的TOF测距仪相比，由于反光镜结构在一个测距周期里光需要在反光镜上反射两次，造成了两次光的损耗，降低了光的利用率，激光接收器接收到的光比本发明方案弱，而本发明方案没有这两次光的损耗，激光接收器感应到的光信号会更强，不仅测距范围更大，而且准确性更高；并且本发明方案去掉反光镜结构，整体高度大大减小，体积减小，成本减小。

进一步地，传动装置利用电磁感应原理带动激光扫描装置360°旋转，可调整扫描频率，无噪音，环保，体积小，避免了皮带或者齿轮的传动方式，延长了设备的使用寿命。

进一步地，内部无线供电装置提供电源，第一通讯模块与第二通讯模块通过无线通讯实现的无线数据传输，无需物理接触式滑环，寿命更长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出现有技术中不同轴测距仪的简要结构示意图；

图2示出现有技术中同轴测距仪的简要结构示意图；

图3示出根据本申请一个具体实施例的一种激光测距设备的外壳结构示意图；

图4为图3沿DD线的剖视结构示意图；

图5示出根据本申请一个具体实施例的数据处理装置的信息传输框图；

图6示出根据本申请一个具体实施例的电气连接结构框图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

如图3-4所示，一种激光扫描测距设备，包括：

激光扫描装置：用以发射激光、接收激光；

数据处理装置：用以记录及处理激光扫描装置工作所得到的数据；

传动装置：用以实现激光扫描装置在水平面上360°旋转；

电源装置：为所述激光扫描测距设备提供电源。

上述的一种激光扫描测距设备，所述激光扫描装置包括激光发射器11、激光接收器12、第一凸透镜13，所述激光接收器12、激光发射器11、第一凸透镜13同轴设置，所述激光发射器11发射出的激光照射到目标物反射回来后经过第一凸透镜13的折射至激光接收器12；所述第一凸透镜13的外径大于激光发射器11发射激光范围的外径；所述激光接收器12、激光发射器11分别与数据处理装置电气连接。

优选地，所述激光扫描装置还包括第二凸透镜14，所述第二凸透镜14与第一凸透镜13同轴设置，所述激光发射器11发射的激光穿过第二凸透镜14照射到目标物，所述第二凸透镜14的外径小于第一凸透镜13的外径。

激光发射器11发射出去的激光分散呈锥型，但是经过第二凸透镜14的折射作用，激光发射器11发射出去的激光为平行激光，照射到目标物后光斑会比较凝聚，反射回来的光线也会更强。

上述的激光接收器11、激光发射器12、第一凸透镜13、第二凸透镜14同轴设置，不同的实施例中，选取上述四个结构的方案不同，包括但不限于沿着激光发射器发射激光方向上依序设置的以下几种组合：

(1)激光接收器、激光发射器、第一凸透镜；

(2)激光接收器、第一凸透镜、激光发射器；

(3)激光接收器、第一凸透镜、激光发射器、第二凸透镜；

其中，所述第一凸透镜13沿轴线设有通孔131，所述激光发射器11设置在通孔131的一端，所述第二凸透镜14设置在通孔131的另一端，所述激光接收器12、激光发射器11、第一凸透镜13、第二凸透镜14沿着激光发射器11发射激光方向上依序同轴设置，以上述方案为优选。

基于上述不同的实施例中，所述激光扫描装置还包括用以过滤可见光的滤光片15，所述滤光片15与激光接收器12分别位于第一凸透镜13的两侧。滤光片15可以过滤其他波长的光，使得指定波长光透过滤光片15，其中指定波长光即为本发明中目标物反射回来的脉冲激光，让测距更准。

滤光片15在一实施例中，以其外径大于第一凸透镜13的外径的形式固定安装于传动装置上，随着激光扫描装置一同旋转。此时，本激光扫描测距设备的外壳60在对应激光发射器11发射激光的位置设置对应大小的通孔(未示出)。

滤光片15在另一实施例中，作为外壳60的一部分，固定包裹在激光扫描装置的外层，激光扫描装置(除滤光片的其他结构)随着传动装置旋转，但是所有反射回来的激光都会经过滤光片15过滤。此时，本激光扫描测距设备的外壳60包括顶盖61、底盖62，所述顶盖61与底盖62之间设置滤光片15，所述滤光片15构成外壳60的侧面，所述滤光15片呈圆筒状。

上述的激光扫描装置均是采用同轴TOF(Time of fight)光的飞行时间测距方案进行测距的结构。相比三角法测距方案具有调试难度更低，测距距离更远的优势，比起非同轴的TOF技术盲区更少。基于上述不同实施例中的激光扫描装置，为其配置数据处理装置，用以记录及处理激光扫描装置工作所得到的数据，从而计算出被测物体与本发明产品的距离。

如图5所示，所述数据处理装置包括第一通讯模块21、第二通讯模块22、核心背板23，所述核心背板23上设有控制器231、激光接收器的驱动和信号放大电路232，所述控制器231与激光发射器11电气连接，所述激光接收器12通过激光接收器的驱动和信号放大电路232与控制器231电气连接，所述控制器231向激光发射器11发送脉冲信号使激光发射器11发射脉冲激光；所述控制器231与第一通讯模块21电气连接，所述第一通讯模块21与第二通讯模块22无线通讯连接。所述第一通讯模块21与第二通讯模块22之间通过光通讯、ZigBee、WiFi、Bluetooth中的任意一种通讯连接，所述第二通讯模块22(发射板)通过无线通讯或者有线通讯向外部收发数据。

在工作过程中，第二通讯模块22从外部接收到开始工作指令，将该指令通过光通讯、ZigBee、WiFi、Bluetooth中的任意一种通讯方式传输给第一通讯模块21，第一通讯模块21将该开始工作指令传输给控制器231，则所述控制器231向激光发射器11发出脉冲信号并记录发射时间T1，所述激光发射器11发射脉冲激光至目标物，所述脉冲激光被目标物反射回来后至激光接收器12，所述激光接收器12将接收的脉冲激光的光信号传输至核心背板23上的激光接收器的驱动和信号放大线路232，所述光信号被转化成电信号并且放大后传输至控制器231，所述控制器231记录接收时间T2，所述控制器231根据(T2-T1)*C/2即可计算出光的飞行距离L，其中C表示光速。控制器231将计算出的数据L传输给第一通讯模块21，第一通讯模块21将该数据L通过光通讯、ZigBee、WiFi、Bluetooth中的任意一种通讯方式传输给第二通讯模块22，第二通讯模块22将该数据L向外输出。

本发明产品实现了第一通讯模块21与第二通讯模块22之间的全双工无线数据传输，相对于单工或者半双工，本发明产品响应更快，且避免了传统有线滑环物理接触，从而有效的提高激光测距设备的使用寿命。

上述的激光扫描装置与数据处理装置相互配合即可完成测量工作，再配合传动装置：用以实现激光扫描装置在水平面上360°旋转；从而实现本发明产品对所在环境内物体进行扫描测距，并提取出环境的轮廓信息。

所述传动装置包括固定平台31、旋转平台32、电机33，所述固定平台31与旋转平台32通过轴承配合连接，所述电机33包括电机转子磁极331与电机定子332，电机转子磁极331安装在旋转平台32上，电机定子332安装在固定平台31上且套设在电机转子磁极331的外层，所述激光发射器11和激光接收器12的轴线与旋转平台32的旋转轴相垂直，所述激光扫描装置安装在旋转平台32上与旋转平台32一同旋转。

如图6所示，上述的一种激光扫描测距设备中，激光扫描装置、数据处理装置、传动装置的工作，都需要电源装置供电。所述电源装置为无线供电装置，包括在垂直于所述旋转轴的方向上内外嵌套的接收线圈42和发射线圈41，所述接收线圈42通过无线供电整流、稳压模块45与控制器231电气连接，所述接收线圈42通过无线供电整流、稳压模块45给第一通讯模块21、核心背板23上所有电元器件供电，所述发射线圈41通过无线供电驱动电路43外接直流电，所述无线供电驱动电路43将外接的直流电转换成交流电。

具体实施例中，本激光扫描测距设备由一直流电源供电，该直流电源通过电机驱动模块44向电机33供电。

该直流电源通过无线供电驱动电路43向发射线圈41供电，该无线供电驱动电路13将直流电转换成交流电传输至发射线圈41，发射线圈41由于通过交流电产生了变化的感应电磁场，接收线圈42产生感应电流从而为与其相连的核心背板23供电。

接收线圈42产生的感应电流通过无线供电整流、稳压模块42为核心背板23上的所有电气元器件供电，同时为激光发射器11、激光接收器12供电。因此，实现了由电源装置向激光扫描装置、数据传输装置进行无线供电，从而解决了滑环供电使所述激光测距设备的使用寿命短的问题，有效地提高了所述激光测距设备的使用寿命。

上述的一种激光扫描测距设备，其中，还包括编码器51和编码齿52，所述编码齿52安装于外壳60的顶盖61上，所述编码齿52通过轴承与旋转平台32连接，所述编码器51与控制器231电气连接，籍由编码齿52和编码器51记录旋转平台32的转动位置和圈数。

上述的激光扫描测距设备中，所述控制器231、激光接收器的驱动和信号放大电路231、编码器52、集成在第一PCB板上，即为核心背板23；所述第一通讯模块21与无线供电整流、稳压模块45集成在第二PCB板上，即为接收PCB板70；所述第二通讯模块22、无线供电驱动模块43、电机驱动模块44集成在第三PCB板上，即为发射PCB板80。

本发明中的激光扫描测距设备具有可转动的上体和不可转动的下体，上体和下体通过轴承相连，激光发射接收装置与上体一同转动，上体在旋转的过程中完成测距过程，如果是有线供电和有线传输数据，对线的磨损很大，而且会降低使用寿命，因此下体通过无线供电给上体，上体下体通过全双工无线传输数据，下体可通过电线将数据传输给外部。本发明通过电磁感应方式让上体和下体相对转动，结构紧凑，解决了现有市场上所存在的外形尺寸大、寿命短、测量距离短等问题。

当然，对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种激光扫描测距设备，包括：

激光扫描装置：用以发射激光、接收激光；

数据处理装置：用以记录及处理激光扫描装置工作所得到的数据；

传动装置：用以实现激光扫描装置在水平面上360°旋转；

电源装置：为所述激光扫描测距设备提供电源；

其特征在于，

所述激光扫描装置包括激光发射器、激光接收器、第一凸透镜，所述激光接收器、激光发射器、第一凸透镜同轴设置，所述激光发射器发射出的激光照射到目标物反射回来后经过第一凸透镜的折射至激光接收器；所述第一凸透镜的外径大于激光发射器发射激光范围的外径；

所述激光接收器、激光发射器分别于数据处理装置电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述激光扫描装置还包括第二凸透镜，所述第二凸透镜与第一凸透镜同轴设置，所述激光发射器发射的激光穿过第二凸透镜照射到目标物，所述第二凸透镜的外径小于第一凸透镜的外径。

3.根据权利要求2所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述第一凸透镜沿轴线设有通孔，所述激光发射器设置在通孔的一端，所述第二凸透镜设置在通孔的另一端。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述激光扫描装置还包括用以过滤掉可见光的滤光片，所述滤光片与激光接收器分别位于第一凸透镜的两侧。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述数据处理装置包括第一通讯模块、第二通讯模块、核心背板，所述核心背板上设有控制器、激光接收器的驱动和信号放大电路，所述控制器与激光发射器电气连接，所述激光接收器通过激光接收器的驱动和信号放大电路与控制器电气连接，所述控制器向激光发射器发送脉冲信号使激光发射器发射脉冲激光；所述控制器与第一通讯模块电气连接，所述第一通讯模块与第二通讯模块无线通讯连接，所述第二通讯模块通过无线通讯或者有线通讯向外部接收数据。

6.根据权利要求5所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述传动装置包括固定平台、旋转平台、电机，所述固定平台与旋转平台通过轴承配合连接，所述电机包括电机转子磁极与电机定子，所述电机转子磁极安装在旋转平台上，所述电机定子安装在固定平台上且设置在电机转子磁极的外层，所述激光发射器和激光接收器的轴线与旋转平台的旋转轴相垂直，所述激光扫描装置安装在旋转平台上与旋转平台一同旋转。

7.根据权利要求6所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述电源装置为无线供电装置，包括在垂直于所述旋转轴的方向上内外嵌套的接收线圈和发射线圈，所述发射线圈与无线供电驱动电路连接，所述无线供电驱动电路将外接的直流电转换成交流电传输至发射线圈；所述接收线圈通过无线供电整流、稳压模块与控制器电气连接，所述接收线圈通过无线供电整流、稳压模块给第一通讯模块、核心背板上所有元器件供电。

8.根据权利要求7所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，还包括外壳，所述外壳包括顶盖、底盖，所述顶盖与底盖之间设置滤光片，所述滤光片构成壳体的侧面，所述滤光片呈圆筒状。

9.根据权利要求8所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，还包括编码器和编码齿，所述编码齿安装于顶盖上，所述编码齿通过轴承与旋转平台连接，所述编码器与控制器电气连接，籍由编码齿和编码器记录旋转平台的转动位置和圈数。

10.根据权利要求5所述的一种激光扫描测距设备，其特征在于，所述第一通讯模块与第二通讯模块之间通过光通讯、ZigBee、WiFi、Bluetooth中的任意一种通讯连接。