CN106814366B - 一种激光扫描测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光扫描测距装置，包括反射镜固定架、反射镜、激光发射透镜、激光套、激光发射器、顶盖、滤光片、核心骨架、底板、电机定子、电机转子磁极、核心背板、激光接收器列阵、接收透镜、接收透镜固定架。激光发射透镜用于将激光发射器发射的第一光束转换为平行光束，平行光束在反射镜的表面发生反射从而产生第二光束，当第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射产生第三光束，第三光束经由接收透镜聚焦之后形成第四光束入射到达激光接收器列阵。相比于现有技术，本发明采用单个激光发射器并辅以反射镜的周期性振动可实现多线激光发射。并且，这些多线激光之间的角度可由诸如微处理器中的软件控制和调整，角度变化较容易实现均匀化。

Description

一种激光扫描测距装置
技术领域
本发明涉及机器人设计技术和激光扫描技术，尤其涉及一种激光扫描测距装置。
背景技术
激光扫描测距技术是一种使用准直光束进行非接触式目标物体扫描测距的方法，通过将用于测距的准直光束(激光)进行360°旋转，即可实现对所在环境内的物体进行扫描测距，并提取出环境的轮廓信息。
在现有技术中，当前的多线激光测距技术是使用多个激光器排列组成激光器列阵，由激光器列阵发射激光形成多线激光，并通过透镜镜头形成固定角度散射出去。上述形成的多线激光大致存在如下缺陷：1)激光器是激光扫描测距仪的核心器件之一，市场价格比较昂贵，多线激光需要设置多个激光器，制造成本非常高；2)激光发射需要每一线与相邻的另一线形成均匀的角度，因此对激光器的摆放位置、角度和激光发射透镜的镜头有较高要求，量产调试困难；3)激光发射透镜的镜头需要特殊定制，成本较高。
有鉴于此，如何设计一种激光扫描测距装置，从而克服现有技术中的上述缺陷或不足，是业内相关技术人员亟需解决的课题。
发明内容
针对现有技术中的激光扫描测距装置所存在的上述缺陷，本发明提供一种改进的激光扫描测距装置。
依据本发明的一个方面，提供一种激光扫描测距装置，包括反射镜固定架、反射镜、激光发射透镜、激光套、激光发射器、顶盖、滤光片、核心骨架、底板、电机定子、电机转子磁极、核心背板、激光接收器列阵、接收透镜、接收透镜固定架，其中，
反射镜固定在反射镜固定架上，激光发射器位于反射镜的正下方，激光发射透镜和激光发射器安装在激光套内，激光发射透镜位于激光发射器与反射镜之间，接收透镜安装在核心骨架和接收透镜固定架上，激光接收器列阵与核心背板相连接，
激光发射透镜用于将激光发射器发射的第一光束转换为平行光束，所述平行光束在反射镜的表面发生反射从而产生第二光束，当所述第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射产生第三光束，所述第三光束经由接收透镜聚焦之后形成第四光束，所述第四光束入射到达激光接收器列阵。
在其中的一实施例，反射镜为MEMS振镜，其藉由磁场和电流的变化所产生的作用力予以周期性地振动，并且在振动时，所述第二光束至所述第四光束各自的光路均发生改变。
在其中的一实施例，反射镜安装于伺服电机的转子上，藉由所述伺服电机的转动予以周期性地振动，并且在振动时，所述第二光束至所述第四光束各自的光路均发生改变。
在其中的一实施例，所述激光扫描测距装置还包括微处理器，设置于核心背板，其中，激光发射器发射所述第一光束对应于时刻T1，激光接收器列阵接收所述第四光束对应于时刻T2，则所述激光扫描测距装置与所述被测目标物体之间的距离S满足：
S＝(T2-T1)*C/2
其中，(T2-T1)表示单个激光周期，C表示光速。
在其中的一实施例，所述微处理器与激光发射器电气连接，用于向激光发射器发送脉冲驱动信号从而使激光发射器发射脉冲激光。
在其中的一实施例，电机定子和电机转子磁极构成传动装置，所述激光扫描测距装置设置于旋转平台并且与之一起旋转，其中固定平台与旋转平台通过轴承配合连接。
在其中的一实施例，滤光片位于接收透镜与被测目标物体之间，用于过滤进入接收透镜的其他波段的光。
在其中的一实施例，顶盖和底板构成装置外壳，滤光片设置在顶盖与底板之间，滤光片用作为外壳壳体的侧面且呈圆筒状。
在其中的一实施例，激光发射透镜和接收透镜均为凸透镜。
采用本发明的激光扫描测距装置，其包括反射镜固定架、反射镜、激光发射透镜、激光套、激光发射器、顶盖、滤光片、核心骨架、底板、核心背板、电机定子、电机转子磁极、激光接收器列阵、接收透镜、接收透镜固定架，其中反射镜固定在反射镜固定架上，激光发射器位于反射镜的正下方，激光发射透镜和激光发射器安装在激光套内，激光发射透镜位于激光发射器与反射镜之间，接收透镜安装在核心骨架和接收透镜固定架上，激光接收器列阵与核心背板相连接，激光发射透镜用于将激光发射器发射的第一光束转换为平行光束，平行光束在反射镜的表面发生反射从而产生第二光束，当第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射产生第三光束，第三光束经由接收透镜聚焦之后形成第四光束，第四光束入射到达激光接收器列阵。相比于现有技术，本发明采用单个激光发射器并辅以反射镜的周期性振动可实现多线激光发射。并且，这些多线激光之间的角度可由诸如微处理器中的软件控制和调整，角度变化较容易实现均匀化。此外，本发明将现有需使用的激光发射器的数量从多个减为1个，极大地降低了整个装置的制造成本。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1为本发明的激光扫描测距装置的示意性实施例的外部轮廓示意图；
图2示出图1中的激光扫描测距装置沿直线A-A切开之后的侧面剖视图；
图3示出图1中的激光扫描测距装置沿直线B-B切开之后的顶视图；
图4A示出图1的激光扫描测距装置中，来自激光发射器的激光到达角度均匀变化的反射镜表面时的光路示意图；
图4B示出图4A的激光光束到达被测目标物体表面时，发生反射后的光线经由接收透镜到达激光接收器列阵时的光路示意图；
图5示出图1的激光扫描测距装置的另一视图；以及
图6示出图5的激光扫描测距装置沿直线C-C切开之后的剖视图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1为本发明的激光扫描测距装置的示意性实施例的外部轮廓示意图，图2示出图1中的激光扫描测距装置沿直线A-A切开之后的侧面剖视图，图3示出图1中的激光扫描测距装置沿直线B-B切开之后的顶视图，图4A示出图1的激光扫描测距装置中，来自激光发射器的激光到达角度均匀变化的反射镜表面时的光路示意图，图4B示出图4A的激光光束到达被测目标物体表面时，发生反射后的光线经由接收透镜到达激光接收器列阵时的光路示意图，图5示出图1的激光扫描测距装置的另一视图，以及图6示出图5的激光扫描测距装置沿直线C-C切开之后的剖视图。
参照图1至图6，在该示意性实施例中，本发明的激光扫描测距装置至少包括反射镜固定架1、反射镜2、激光发射透镜3、激光套4、激光发射器5、顶盖6、滤光片7、核心骨架8、底板11、电机定子20、电机转子磁极21、核心背板23、激光接收器列阵24、接收透镜25、接收透镜固定架26。例如，激光发射透镜3和接收透镜25均为凸透镜。
详细而言，反射镜2固定在反射镜固定架1上。依据一具体实施例，反射镜2为MEMS振镜，其藉由磁场和电流的变化所产生的作用力予以周期性地振动。当反射镜2振动时，反射镜的角度发生改变，使得到达反射镜2的表面并发生反射的反射光线也随之改变。此外，反射镜2还可安装于伺服电机的转子上，藉由伺服电机的转动予以周期性地振动。同样，当反射镜2振动时，反射镜的角度发生改变，使得到达反射镜2的表面并发生反射的反射光线也随之改变。由上述可知，在同一振镜角度，激光发射器出射一线激光，在磁场和电流变化所产生的作用力或伺服电机的驱动下，振镜快速地改变角度，激光发射器出射下一线激光。其中，每线激光经由振镜表面反射到达被测目标物体表面，并在其表面发生反射回到接收室内的激光接收器列阵，从而计算得到该线激光的传播距离。激光光斑在接收器列阵上的位置与振镜角度相关，振镜角度越大，激光光斑在接收器列阵上的位置距离中心越远。例如，激光发射打在物体上为一个点，振镜快速改变角度让激光点组成一条线，旋转平台的转动使得这条线扫成一个面，这个面盖在被测目标物体上就形成了物体的3D图形。由于振镜角度可控制得以均匀变化，从而使激光点在线上均匀排布，如此一来，最后所形成的3D图形线条分布十分均匀。
激光发射器5位于反射镜2的正下方。激光发射透镜3和激光发射器5安装在激光套4内，激光发射透镜3位于激光发射器5与反射镜2之间。接收透镜25安装在核心骨架8和接收透镜固定架26上，激光接收器列阵24与核心背板23相连接。如图3、图4A和图4B所示，激光发射透镜3和激光发射器5位于发射室，核心背板23、激光接收器列阵24和接收透镜25位于接收室。其中激光发射透镜3用于将激光发射器5发射的第一光束转换为平行光束。平行光束在反射镜2的表面发生反射从而产生第二光束，当第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射产生第三光束，第三光束经由接收透镜25聚焦之后形成第四光束，第四光束入射到达激光接收器列阵24。激光扫描测距装置还包括微处理器，设置于核心背板23。例如，微处理器与激光发射器5电气连接，用于向激光发射器5发送脉冲驱动信号从而使激光发射器5发射脉冲激光。
如此一来，激光发射器5发射第一光束对应于时刻T1，激光接收器列阵24接收第四光束对应于时刻T2，则激光扫描测距装置与被测目标物体之间的距离S满足：
S＝(T2-T1)*C/2
其中，(T2-T1)表示单个激光周期，C表示光速。
在一具体实施例，激光扫描测距装置设置于旋转平台9并且与之一起旋转。其中，固定平台10与旋转平台9通过轴承12配合连接。参照图6，整个激光发射部和激光接收部均安装在旋转平台9上。发射板13通过发射线圈14无线供电给接收线圈18。例如，固定平台10、电机定子20、电机转子磁极21、旋转平台9和轴承12组成无刷电机传动模块，实现旋转部的旋转。接收线圈18和发射线圈14组成无线供电模块，实现固定部给旋转部的供电。接收线圈18安装在旋转平台9上，发射板13和接收板19间的通讯使用无线通讯。例如，无线通讯方式包括不同光谱的光通讯、ZigBee、Wi-Fi、NFC、Bluetooth等。电机定子20和电机转子磁极21组成电机，电机转子磁极21固定在电机转子平台22上，电机转子平台22固定在旋转平台9上。电机装置传动旋转平台9。固定平台10上有编码齿，与接收板上编码器的相互运动记录旋转平台的旋转速度和角度。
如上文所述，本发明的激光扫描测距装置在进行距离测量时，先记录反射镜2位于预设位置时，被测目标物体距离扫描测距装置的距离，一个激光周期结束。进入下一个激光周期时，反光镜2在磁场作用力或伺服电机驱动的条件下振动到下一个角度，激光发射器5发射激光，重复上一个激光周期的测距动作。如此一来，该激光扫描测距装置有多线激光，对应地要求振镜具有n个不同的位置。反光镜2振动回到原来的预设位置时，完成一个振镜周期。并且，当旋转平台9旋转一周时，激光扫描测距装置完成3D扫描，对应为一个旋转周期。如此一来，单个振镜周期包括多个激光周期，且单个旋转周期包括多个振镜周期。本领域的技术人员应当理解，整个装置不发生旋转的时候，扫描出来的是一条直线，当设备于垂直方向旋转起来即可扫描成3D图形。如前所述，由于振镜角度可控制得以均匀变化，从而使激光点在线上均匀排布，如此一来，最后所形成的3D图形线条分布十分均匀。
在一具体实施例，滤光片7位于接收透镜25与被测目标物体之间，用于过滤进入接收透镜25的其他波段的光。如前所述，第三光束为第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射所形成的激光光束。较佳地，顶盖6和底板11构成装置外壳，滤光片7设置在顶盖6与底板11之间，其中，滤光片7用作为外壳壳体的侧面且呈圆筒状。
采用本发明的激光扫描测距装置，其包括反射镜固定架、反射镜、激光发射透镜、激光套、激光发射器、顶盖、滤光片、核心骨架、底板、核心背板、电机定子、电机转子磁极、激光接收器列阵、接收透镜、接收透镜固定架，其中反射镜固定在反射镜固定架上，激光发射器位于反射镜的正下方，激光发射透镜和激光发射器安装在激光套内，激光发射透镜位于激光发射器与反射镜之间，接收透镜安装在核心骨架和接收透镜固定架上，激光接收器列阵与核心背板相连接，激光发射透镜用于将激光发射器发射的第一光束转换为平行光束，平行光束在反射镜的表面发生反射从而产生第二光束，当第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射产生第三光束，第三光束经由接收透镜聚焦之后形成第四光束，第四光束入射到达激光接收器列阵。相比于现有技术，本发明采用单个激光发射器并辅以反射镜的周期性振动可实现多线激光发射。并且，这些多线激光之间的角度可由诸如微处理器中的软件控制和调整，角度变化较容易实现均匀化。此外，本发明将现有需使用的激光发射器的数量从多个减为1个，极大地降低了整个装置的制造成本。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种激光扫描测距装置，其特征在于，
所述激光扫描测距装置包括反射镜固定架(1)、反射镜(2)、激光发射透镜(3)、激光套(4)、激光发射器(5)、顶盖(6)、滤光片(7)、核心骨架(8)、底板(11)、电机定子(20)、电机转子磁极(21)、核心背板(23)、激光接收器列阵(24)、接收透镜(25)、接收透镜固定架(26)，
其中，反射镜(2)固定在反射镜固定架(1)上，激光发射器(5)位于反射镜(2)的正下方，激光发射透镜(3)和激光发射器(5)安装在激光套(4)内，激光发射透镜(3)位于激光发射器(5)与反射镜(2)之间，接收透镜(25)安装在核心骨架(8)和接收透镜固定架(26)上，激光接收器列阵(24)与核心背板(23)相连接，
其中，激光发射透镜(3)用于将激光发射器(5)发射的第一光束转换为平行光束，所述平行光束在反射镜(2)的表面发生反射从而产生第二光束，当所述第二光束到达被测目标物体时，于其表面反射产生第三光束，所述第三光束经由接收透镜(25)聚焦之后形成第四光束，所述第四光束入射到达激光接收器列阵(24)；
反射镜(2)为MEMS振镜，其藉由磁场和电流的变化所产生的作用力予以周期性地振动，或者，反射镜(2)安装于伺服电机的转子上，藉由所述伺服电机的转动予以周期性地振动，并且在振动时，所述第二光束至所述第四光束各自的光路均发生改变；
电机定子(20)和电机转子磁极(21)构成传动装置，所述激光扫描测距装置设置于旋转平台(9)并且与之一起旋转，其中，固定平台(10)与旋转平台(9)通过轴承(12)配合连接；
所述固定平台（10）、电机定子（20）、电机转子磁极（21）、旋转平台（9）和轴承（12）组成无刷电机传动模块；
接收线圈（18）和发射线圈（14）组成无线供电模块，实现固定部给旋转部的供电；接收线圈（18）安装在旋转平台（9）上，发射板（13）和接收板（10）间的通讯使用无线通讯；
所述固定平台（10）上设有编码齿；与接收板上编码器的相互运动记录旋转平台的旋转速度和角度;
其中，在距离测量时，先记录反射镜位于预设位置时，被测目标物体距离扫描测距装置的距离，一个激光周期结束，进入下一个激光周期时，反光镜振动到下一个角度，激光发射器发射激光，重复上一个激光周期的测距动作，以使得单个激光发射器在振镜位于不同的位置时，在旋转平台的转动配合下，产生多线激光发射；
并且，当旋转平台旋转一周时，激光扫描测距装置完成3D扫描，对应为一个旋转周期。
2.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，
所述第二光束至所述第四光束各自的光路均发生改变。
3.根据权利要求1或2所述的激光扫描测距装置，其特征在于，
所述激光扫描测距装置还包括微处理器，设置于核心背板(23)，其中，激光发射器(5)发射所述第一光束对应于时刻T1，激光接收器列阵(24)接收所述第四光束对应于时刻T2，则所述激光扫描测距装置与所述被测目标物体之间的距离S满足：
S＝(T2-T1)*C/2；
其中，(T2-T1)表示单个激光周期，C表示光速。
4.根据权利要求3所述的激光扫描测距装置，其特征在于，
所述微处理器与激光发射器(5)电气连接，用于向激光发射器(5)发送脉冲驱动信号从而使激光发射器(5)发射脉冲激光。
5.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，
滤光片(7)位于接收透镜(25)与被测目标物体之间，用于过滤进入接收透镜(25)的其他波段的光。
6.根据权利要求5所述的激光扫描测距装置，其特征在于，
顶盖(6)和底板(11)构成装置外壳，滤光片(7)设置在顶盖(6)与底板(11)之间，其中，滤光片(7)用作为外壳壳体的侧面且呈圆筒状。
7.根据权利要求1所述的激光扫描测距装置，其特征在于，
激光发射透镜(3)和接收透镜(25)均为凸透镜。
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