CN106842169A - 基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置及其实现方法，该装置包括电机转子，电机定子与轴承，与电机转子连接的测角传感器；还包括激光驱动电路，与激光驱动电连接的激光器，固定于激光器发射端的第一汇聚镜头，固定于第一汇聚镜头汇聚光路上的第一反射装置，固定于第一反射装置反射光路上且与电机转子固连的第二反射装置，固定于第二反射装置接收光路上的滤光装置，固定于滤光装置滤光光路上的第二汇聚镜头，固定于第二汇聚镜头汇聚光路上的激光探测器；与激光探测器连接的激光测距装置；与激光驱动电路、激光测距装置和测角传感器连接的系统处理器单元；电机转子和电机定子是环形空心圆柱状；本发明还公开了实现测距的方法；不需要使用滑环也可以实现360°探测。

Description

基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及激光扫描探测领域，具体涉及一种基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置及其实现方法。
背景技术
自主避障技术是无人机，无人车等无人装备需要解决的关键技术，避障能力是检验无人设备综合性能的一个关键因素。目前主流的避障技术主要有超声波和视觉技术。其中超声波是最简单的测距系统，成本相对较低，运用方便，但是由于作用距离较近，测距精度不高，而且容易受外界干扰；视觉技术极易收到光照因素的影响，不能满足全天候自主避障的需求。
现有的激光雷达能够实现360°扫描探测，但现有的方案通常需要使用滑环，从而影响了激光雷达的使用寿命，而不使用滑环的方案则难以实现360°全覆盖的探测效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是在于提供一种基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置及其实现方法，该方案不需要使用滑环也可以实现360°探测，与现有方案相比具有结构简单，可靠性高，使用寿命长的优点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，包括电机转子1，电机定子2，轴承17，与电机转子1连接的测角传感器8；还包括激光驱动电路4，与激光驱动电4连接的激光器5，固定于激光器5发射端的第一汇聚镜头6，固定于第一汇聚镜头6汇聚光路上的第一反射装置7，固定于第一反射装置7激光发射光路上且与电机转子1固连的第二反射装置3，固定于第二反射装置3接收光路上的滤光装置9，固定于滤光装置9滤光光路上的第二汇聚镜头10，固定于第二汇聚镜头10汇聚光路上的激光探测器11；与激光探测器连接11的激光测距装置12；还包括与所述激光驱动电路4、激光测距装置12和测角传感器8连接的系统处理器单元13；还包括与电机转子1固连的永磁体15，缠绕在电机定子2上的线圈16；所述电机定子2和电机转子1是环形空心圆柱状，使得发射激光和接收激光均从中穿过。
所述电机转子1外侧的内壁上嵌有永磁体15，永磁体15沿圆周方向均匀排列，电机转子1内侧的外壁与轴承17的内环固连，电机转子1能够随轴承内环的转动而转动。
所述电机定子2的外侧绕有线圈16，电机定子2的内侧与轴承17的外环固连。
所述的第一反射装置7的激光发射光路包含在第二反射装置3的激光接收光路之中。
所述第一反射装置7在水平面上投影的面积不大于第二汇聚镜头10在水平面上投影面积的三分之一。
所述第一反射装置7与水平方向成135度夹角；所述的第二反射装置3与水平方向成45度夹角。
所述滤光装置9，起到过滤杂色，消除光干扰的作用。
所述激光探测器11接收第二汇聚镜头10汇聚的激光，以便激光测距装置12后续计算处理。
所述电机转子1、第二反射装置3、激光驱动电路4、激光器5、第一汇聚镜头6、第一反射装置7、测角传感器8、滤光装置9、第二汇聚镜头10、激光探测器11、激光测距装置12和系统处理器单元13包装在激光雷达外壳14内部。
上述所述基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置实现测距的方法，包括如下步骤：
步骤一，系统处理器单元13通过激光驱动电路4驱动激光器5发射激光穿过第一汇聚镜头6，照射到第一反射装置7后反射成竖直方向激光，电机转子1和电机定子2为环形空心圆柱状，激光竖直穿过电机转子1和电机定子2照射到第二反射装置3；
步骤二，第二反射装置3与电机转子1固连，电机转子1转动时带动其转动，将照射到第二反射装置3的竖直方向激光反射成为水平扫描激光，并对水平面进行360度扫描探测；
步骤三，目标反射的激光被第二反射装置3反射，竖直穿过电机转子1和电机定子2后，其中一部分激光在第一反射装置7处被遮挡损失掉，另一部分则直接经滤光装置9滤光后穿过第二汇聚镜头10，第二汇聚镜头10实现汇聚激光的作用，激光探测器11接收反射回来的激光，以便激光测距装置12进行后续处理；
步骤四，激光测距装置12通过测量发射激光脉冲时间t1和接收激光脉冲时间t2之间的时间差计算目标的距离s；系统处理器单元13通过测角传感器8测量电机转子1在发射激光照射到第二反射装置时刻的转角θ，同时再读取激光测距装置12计算的目标距离s，实现对周围360°障碍物的扫描探测。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
第一，本发明电机的转子、定子及轴承为环形空心圆柱状，区别于普通电机的实心转轴，将电机转子、定子及轴承设计成空心状，发射激光和接收激光均从中穿过；把反射装置与电机转子固连并随其旋转，而激光发射和接收装置不发生旋转，该设计及可以实现360°扫描探测，又不需要滑环，具有结构简单，可靠性高，价格便宜，使用寿命长等优点。
第二，本发明设计的扫描装置，有利于减小环形电机的径向尺寸，适合在径向空间较狭小的环境下使用。
附图说明
图1为本发明基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置结构图。
图2为本发明装置中电机转子与第二反射装置固连的示意图。
图3为本发明装置中环形外转子电机俯视图。
图4为本发明装置中环形外转子电机主视图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明一种基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，包括电机转子1，电机定子2，,轴承17，与电机转子1连接的测角传感器8；还包括激光驱动电路4，与激光驱动电4连接的激光器5，固定于激光器5发射端的第一汇聚镜头6，固定于第一汇聚镜头6汇聚光路上的第一反射装置7，固定于第一反射装置7激光发射光路上且与电机转子1固连的第二反射装置3，固定于第二反射装置3接收光路上的滤光装置9，固定于滤光装置9滤光光路上的第二汇聚镜头10，固定于第二汇聚镜头10汇聚光路上的激光探测器11；与激光探测器连接的激光测距装置12；还包括与所述激光驱动电路4、激光测距装置12和测角传感器8连接的系统处理器单元13；还包括与电机转子1固连的永磁体15，缠绕在电机定子2上的线圈16；
如图3和图4所示，所述电机定子2和电机转子1均为空心圆柱状，发射激光和接收激光均从中穿过。所述电机转子1外侧的内壁上嵌有永磁体15，永磁体15沿圆周方向均匀排列，电机转子1内侧的外壁与轴承17的内环固连，电机转子1能够随轴承内环的转动而转动。所述电机定子2的外侧绕有线圈16，电机定子2的内侧与轴承17的外环固连。
所述第一反射装置7，反射第一汇聚镜头6汇聚的激光，作为优选方案，所述的第一反射装置7与水平方向成135度夹角时可以达到最佳反射效果。
所述第二反射装置3，固定于电机转子1上与电机转子1同时转动，作为优选方案，所述的第二反射装置3与水平方向成45度夹角时可以达到最佳反射效果。
如图2所示，本发明中电机转子与第二反射装置3相固连的示意图，第二反射装置3和电机转子1固连在一起，电机转动1时带动其转动。同时电机转子1和电机定子2为空心圆柱状，激光可以从电机转子1和电机定子2中穿过。
本发明激光驱动电路4驱动激光器5产生一个激光脉冲束，激光穿过第一汇聚镜头6，第一汇聚镜头6达到准直激光的作用，经准直后的激光照射到第一反射装置7处反射成竖直方向的激光，电机转子1和电机定子2为空心圆柱状，激光竖直穿过电机转子1和电机定子2照射到第一反射装置3。电机转子1转动时带动固连于其转子上的第二反射装置3不停旋转，将竖直入射第二反射装置3的激光反射成为360°发射的水平激光，对该水平面进行探测扫描。目标位于第二反射装置3的反射光路时，激光被反射回来经第二反射装置3反射竖直穿过电机转子1和电机定子2后，其中一部分激光在第一反射装置7处被遮挡损耗掉，另一部分激光则直接穿过滤光装置9，过滤后的激光照射到第二汇聚镜头10，经第二汇聚镜头10汇聚作用后，激光探测器11接收汇聚后的激光，以便激光测距装置12进行后续处理。当激光探测器11接收到返回来的激光后，激光测距装置12通过测量发射激光脉冲时间t1和接收激光脉冲时间t2之间的时间差(或测量激光器驱动脉冲和接收激光脉冲之间的时间差)计算目标的距离s，计算公式如下：s＝(t2-t1)*v(v为激光的速度)；系统处理器单元11通过测角传感器8测量电机转子1在发射激光照射到第二反射装置3时刻的转角θ，获得该转角位置，再读取激光测距装置12计算的目标的距离s，则实现了对周围360°障碍物的扫描探测。

Claims (7)

1.一种基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，其特征在于：包括电机转子(1)，电机定子(2)，轴承(17)，与电机转子(1)连接的测角传感器(8)；还包括激光驱动电路(4)，与激光驱动电(4)连接的激光器(5)，固定于激光器(5)发射端的第一汇聚镜头(6)，固定于第一汇聚镜头(6)汇聚光路上的第一反射装置(7)，固定于第一反射装置(7)激光发射光路上且与电机转子(1)固连的第二反射装置(3)，固定于第二反射装置(3)接收光路上的滤光装置(9)，固定于滤光装置(9)滤光光路上的第二汇聚镜头(10)，固定于第二汇聚镜头(10)汇聚光路上的激光探测器(11)；与激光探测器连接(11)的激光测距装置(12)；还包括与所述激光驱动电路(4)、激光测距装置(12)和测角传感器(8)连接的系统处理器单元(13)；还包括与电机转子(1)固连的永磁体(15)，缠绕在电机定子(2)上的线圈(16)；所述电机定子(2)和电机转子(1)均为空心圆柱状，发射激光和接收激光均从中穿过。
2.根据权利要求1所述的基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，其特征在于：所述电机转子(1)外侧的内壁上嵌有永磁体(15)，永磁体(15)沿圆周方向均匀排列，电机转子(1)内侧的外壁与轴承(17)的内环固连，电机转子(1)能够随轴承内环的转动而转动。
3.根据权利要求1所述的基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，其特征在于：所述电机定子(2)的外侧绕有线圈(16)，电机定子(2)的内侧与轴承(17)的外环固连。
4.根据权利要求1所述的基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，其特征在于：所述的第一反射装置(7)的激光发射光路包含在第二反射装置(3)的激光接收光路之中。
5.根据权利要求1所述的基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，其特征在于：所述第一反射装置(7)在水平面上投影的面积不大于第二汇聚镜头(10)在水平面上投影面积的三分之一。
6.根据权利要求1所述的基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置，其特征在于：所述第一反射装置(7)与水平方向成135度夹角；所述的第二反射装置(3)与水平方向成45度夹角。
7.权利要求1所述基于环形外转子电机的扫描式激光测距装置实现测距的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，系统处理器单元(13)通过激光驱动电路(4)驱动激光器(5)发射激光穿过第一汇聚镜头(6)，照射到第一反射装置(7)后反射成竖直方向激光，电机转子(1)和电机定子(2)为环形空心圆柱状，激光竖直穿过电机转子(1)和电机定子(2)照射到第二反射装置(3)；
步骤二，第二反射装置(3)与电机转子(1)固连，电机转子(1)转动时带动其转动，将照射到第二反射装置(3)的竖直方向激光反射成为水平扫描激光，并对水平面进行360度扫描探测；
步骤三，目标反射的激光被第二反射装置(3)反射，竖直穿过电机转子(1)和电机定子(2)后，其中一部分激光在第一反射装置(7)处被遮挡损失掉，另一部分则直接经滤光装置(9)滤光后穿过第二汇聚镜头(10)，第二汇聚镜头(10)实现汇聚激光的作用，激光探测器(11)接收反射回来的激光，以便激光测距装置(12)进行后续处理；
步骤四，激光测距装置(12)通过测量发射激光脉冲时间t1和接收激光脉冲时间t2之间的时间差计算目标的距离s；系统处理器单元(13)通过测角传感器(8)测量电机转子(1)在发射激光照射到第二反射装置(3)时刻的转角θ，再读取激光测距装置(12)计算的目标的距离s，实现对360°障碍物的扫描探测。
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