CN106842218A - 基于盘式转子电机的线扫描激光雷达及其实现方法 - Google Patents

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孙剑
张乐
孙羽键
杨凯
徐飞
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
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    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only

Abstract

基于盘式转子电机的线扫描激光雷达及其实现方法，该激光雷达包括电机转子，电机定子，轴承，与电机转子连接的测角传感器；与测角传感器连接的系统处理器，与系统处理器连接的激光器，固定于激光器发射光路上的准直透镜，固定于激光器发射光路且与电机转子固连的反射装置，固定于反射装置反射光路上的聚焦透镜，固定于聚焦透镜汇聚光路上的激光探测器，与激光探测器连接的激光测距模块；激光测距模块与系统处理器相连接；还包括与电机转子固连的永磁体，缠绕在电机定子上的线圈；电机定子和电机转子均是环形空心盘状，发射激光和接收激光均可从中穿过；本发明还公开了该激光雷达实现360°扫描测距的方法；能够实现无人设备的自主避障能力。

Description

基于盘式转子电机的线扫描激光雷达及其实现方法
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，具体涉及一种基于盘式转子电机的线扫描激光雷达及其实现方法。
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盘式转子电机的线扫描激光雷达及其实现方法，能够实现无人设备的自主避障能力。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，包括电机转子1，电机定子2，轴承15，与电机转子1连接的测角传感器6；与测角传感器6连接的系统处理器7，与系统处理器7连接的激光器4，固定于 激光器4发射光路上的准直透镜8，固定于激光器4发射光路且与电机转子1固连的反射装置3，固定于反射装置3反射光路上的聚焦透镜9，固定于聚焦透镜9汇聚光路上的激光探测器10，与激光探测器10连接的激光测距模块5；激光测距模块5与系统处理器7相连接；还包括与电机转子1固连的永磁体16，缠绕在电机定子2上的线圈14；所述电机定子2和电机转子1均是环形空心盘状，发射激光和接收激光均可从中穿过。
所述电机转子1位于电机定子2的上端，电机转子1和电机定子2轴向相连。
所述电机定子2的上表面沿圆周方向均匀地缠绕着线圈14，电机定子2与轴承15的外环外壁固连。
所述电机转子1下表面嵌有永磁体16，永磁体16沿圆周方向均匀排列；电机转子1呈空心凸台状，电机转子1的凸台与轴承内环内壁固连。
所述反射装置3固定于电机转子1上，与电机转子1同时转动，所述反射装置3与水平方向成45度夹角。
所述激光器4发射光路的光轴与激光探测器10接收光路的光轴相互平行。
所述基于盘式转子电机的线扫描激光雷达实现360°扫描测距的方法，包括如下步骤：
步骤一，系统处理器7输出控制激光器4的信号控制激光器4发出脉冲激光，脉冲激光经过准直透镜8准直之后穿过电机定子2和电 机转子1的中心后照射到反射装置3上，经过反射装置3的反射后，照射到目标物上；
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,系统处理器单元7通过测角传感器6测量电机转子1在发射激光照射到反射装置3时刻的转角；
步骤三，目标物反射的脉冲激光经过反射装置3反射成竖直方向的激光并穿过电机转子1和电机定子2的中心后，经聚焦透镜9汇聚后，被激光探测器10接收；
步骤四，激光测距模块5测量激光发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，获得目标的距离信息，并将测距结果发送给系统处理器7；实现对目标的360°扫描测距。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1.本发明电机的转子、定子及轴承为环形空心盘状，将电机转子、定子及轴承设计成空心结构，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，该设计方案可以在不使用滑环的情况下实现对周围环境360°扫描探测，具有结构简单，可靠性高，价格便宜，使用寿命长等优点。
2.本发明激光发射光轴与接收光轴并不重合，使得扫描的激光轨迹所在的平面与水平面成一定角度，该特点特别适合于无人机，机器人的避障。
3.使用激光发射光轴与激光接收光轴相互平行的方案，具有结构简单，易于实现，成本低廉的优势。
4.本发明设计的扫描装置有利于减小系统的轴向尺寸，适合在轴向空间较狭小的环境下使用。
附图说明
图1为本发明基于盘式转子电机的线扫描激光雷达结构图。
图2为本发明电机与反射装置固连的示意图。
图3为本发明盘式转子电机结构示意图。
图4a为电机定子与轴承的侧视图。
图4b为电机定子与轴承的俯视图。
图5a为电机转子的侧视图。
图5b为电机转子的俯视图。
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，本发明一种基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，包括电机转子1，电机定子2，轴承15，与电机转子1连接的测角传感器6；与测角传感器6连接的系统处理器7，与系统处理器7连接的激光器4，固定于激光器4发射光路上的准直透镜8，固定于激光器4发射光路且与盘式转子电机的转子1固连的反射装置3，固定于反射装置3反射光路上的聚焦透镜9，固定于聚焦透镜9汇聚光路上 的激光探测器10，与激光探测器10连接的激光测距模块5；激光测距模块5与系统处理器7相连接，所述电机转子1和电机定子2是空心盘状，发射激光和接收激光均可从中穿过。
如图2所示，所述反射装置3，固定于电机转子1上，与电机转子1同时转动，作为优选的实施方式，所述反射装置3与水平方向成45度夹角。
如图3所示，所述电机转子(1)位于电机定子(2)的上端，电机转子(1)和电机定子(2)轴向相连。所述电机定子2的上表面沿圆周方向均匀地缠绕着线圈14，电机定子2与轴承15的外环外壁固连。所述电机转子1下表面嵌有永磁体16，永磁体16沿圆周方向均匀排列。电机转子1呈空心凸台状，电机转子1的凸台与轴承内环内壁固连。
图4a为电机定子与轴承的侧视图，图4b为电机定子与轴承的俯视图。所述电机定子2是绕有线圈14和带有轴承15的空心盘状，发射激光和接收激光均从中穿过。
图5a为电机转子的侧视图，图5b为电机转子的俯视图。所述电机转子1为带有永磁体16的空心盘状，发射激光和接收激光均从中穿过。
作为优选的实施方式，所述激光器4发射光路的光轴与激光探测器10接收光路的光轴相互平行。
本发明所述基于盘式转子电机的线扫描激光雷达实现360°扫描测距的方法，包括如下步骤：
系统处理器(7)输出控制激光器(4)的信号控制激光器(4)发出脉冲激光，脉冲激光经过准直透镜(8)准直之后穿过电机的定子(2)和电机转子(1)的中心后照射到反射装置(3)上，经过反射装置(3)的反射后，照射到目标物上；
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,系统处理器单元(7)通过测角传感器(6)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；
目标物反射的脉冲激光经过反射装置(3)反射成竖直方向的激光并穿过电机转子(1)和电机定子(2)的中心后，经聚焦透镜(9)汇聚后，被激光探测器(10)接收；
激光测距模块(5)测量激光发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，获得目标的距离信息，并将测距结果发送给系统处理器(7)，实现对目标的360°扫描测距。

Claims (7)

1.一种基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，其特征在于：包括电机转子(1)，电机定子(2)，轴承(15)，与电机转子(1)连接的测角传感器(6)；与测角传感器(6)连接的系统处理器(7)，与系统处理器(7)连接的激光器(4)，固定于激光器(4)发射光路上的准直透镜(8)，固定于激光器(4)发射光路且与电机转子(1)固连的反射装置(3)，固定于反射装置(3)反射光路上的聚焦透镜(9)，固定于聚焦透镜(9)汇聚光路上的激光探测器(10)，与激光探测器(10)连接的激光测距模块(5)；激光测距模块(5)与系统处理器(7)相连接；还包括与电机转子(1)固连的永磁体(16)，缠绕在电机定子(2)上的线圈(14)；所述电机定子(2)和电机转子(1)均是环形空心盘状，发射激光和接收激光均可从中穿过。
2.根据权利要求1所述的基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，其特征在于：所述电机转子(1)位于电机定子(2)的上端，电机转子(1)和电机定子(2)轴向相连。
3.根据权利要求1所述的基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，其特征在于：所述电机定子(2)的上表面沿圆周方向均匀地缠绕着线圈(14)，电机定子(2)与轴承(15)的外环外壁固连。
4.根据权利要求1所述的基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，其特征在于：所述电机转子(1)下表面嵌有永磁体(16)，永磁体(16)沿圆周方向均匀排列；电机转子(1)呈空心凸台状，电机转子(1)的凸台与轴承内环内壁固连。
5.根据权利要求1所述的基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，其特征在于：所述反射装置(3)固定于电机转子(1)上，与电机转子(1)同时转动，所述反射装置(3)与水平方向成45度夹角。
6.根据权利要求1所述的基于盘式转子电机的线扫描激光雷达，其特征在于：所述激光器(4)发射光路的光轴与激光探测器(10)接收光路的光轴相互平行。
7.权利要求1所述基于盘式转子电机的线扫描激光雷达实现360°扫描测距的方法，包括如下步骤：
步骤一，系统处理器(7)输出控制激光器(4)的信号控制激光器(4)发出脉冲激光，脉冲激光经过准直透镜(8)准直之后穿过电机定子(2)和电机转子(1)的中心后照射到反射装置(3)上，经过反射装置(3)的反射后，照射到目标物上；
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，系统处理器单元(7)通过测角传感器(6)测量电机转子(1)在发射激光照射到反射装置(3)时刻的转角；
步骤三，目标物反射的脉冲激光经过反射装置(3)反射成竖直方向的激光并穿过电机转子(1)和电机定子(2)的中心后，经聚焦透镜(9)汇聚后，被激光探测器(10)接收；
步骤四，激光测距模块(5)测量激光发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，获得目标的距离信息，并将测距结果发送给系统处理器(7)；实现对目标的360°扫描测距。
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