CN107064909A - 一种激光雷达指向性稳定器和激光雷达指向性稳定系统及一种激光雷达的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达指向性稳定器，包括旋转单元，具有旋转架，旋转架通过旋转单元轴固定于载体平台上，旋转架上设有旋转单元角速度测量器；旋转单元轴与旋转单元电机连接；反射单元，具有反射框，反射框通过反射单元轴铰接于旋转架上，反射框上设有反射单元角速度测量器；反射单元轴上固定设有测角仪，反射单元轴与反射单元电机连接；旋转单元轴与反射单元轴相互垂直且位于同一平面上；本发明还公开了使用上述激光雷达指向性稳定器的激光雷达指向性稳定系统和上述激光雷达指向性稳定系统的补偿方法。本发明提供的稳定器具有体积小、结构简单、稳定性高的优点，可方便地与激光雷达组合使用，提高激光雷达在车载、船载、机载上的光束指向性。

Description

一种激光雷达指向性稳定器和激光雷达指向性稳定系统及一 种激光雷达的补偿方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达指向性稳定器，及上述激光雷达指向性稳定器的补偿方法。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达已广泛应用于大气探测、自动驾驶、环境测绘以及目标跟踪识别等领域。

当激光雷达应用于车载、船载、机载等运动载体上工作时，由于载体颠簸造成的扰动会引起激光雷达发射光束的指向性改变，导致激光雷达出现较大的测量误差，甚至不能正常工作。

为了实现激光雷达的测量的准确性，需要保证雷达在各种载体上的光束指向性稳定，目前，可以采取整体稳定和发射光路稳定两种方法实现。而由于激光雷达体积较大，采用整体稳定的方法在指向性控制精度和制造成本上都有较大的困难，成本也很高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中激光雷达采用整体法实现雷达指向性稳定的方法，从而提供一种结构简单，成本更低的利用反射光路原理实现的指向性稳定器。

本发明还提供了一种应用上述指导向性稳定器于激光雷达的激光雷达指向性稳定系统。

本发明还提供了一种激光雷达在载体颠簸晃动时，光路发生改变的补偿方法。

本发明提供的一种激光雷达指向性稳定器，包括：

旋转单元，具有旋转架，所述旋转架通过旋转单元轴固定于载体平台上，旋转架上设有旋转单元角速度测量器；所述旋转单元轴与旋转单元电机连接；

反射单元，具有反射框，所述反射框通过反射单元轴铰接于所述旋转架上，所述反射框上设有反射单元角速度测量器；所述反射单元轴上固定设有测角仪，反射单元轴与反射单元电机连接；

所述旋转单元轴与反射单元轴相互垂直且位于同一平面上。

可选地，所述反射单元为对称结构体，对称结构体的质量中心位于所述反射单元轴和所述旋转单元轴延长线的交点上。

可选地，所述反射框为菱形体，反射镜设于菱形体的前倾斜面上。

可选地，所述旋转架为U型框架，具有一个底板和与所述底板两对边垂直连接的两个侧板，两个侧板上对称设有成型孔。

可选地，所述旋转单元角速度测量器和反射单元角速度测量器均为两自由度速率陀螺仪，分别敏感于旋转单元坐标系和反射单元坐标系中的两个相互垂直的方向上。

可选地，两个所述两自由度速率陀螺仪和测角仪所测得信号，输出至旋转单元电机和反射单元电机，均为闭环控制。

可选地，可以选择惯性导航单元替代所述的旋转单元陀螺仪、反射单元陀螺仪。

可选地，角速度测量单元也可以选择惯性导航单元与陀螺仪组合的方式实现载体扰动下各坐标系轴线角速度的变化。

本发明还提供了一种激光雷达指向性稳定系统，包括激光雷达和上述的激光雷达指向性稳定器，所述激光雷达与所述激光雷达指向性稳定器分别设于同一载体相互垂直的两个平面上，所述激光雷达的发射光束通过反射镜反射后发射至探测区域。

本发明还提供了一种激光雷达补偿方法，包括以下步骤：

旋转单元陀螺仪和反射单元陀螺仪分别测得旋转单元坐标系和反射单元坐标系的轴向角速度，测角仪测得反射单元轴的旋转角度；

测得轴向角速度和旋转角度经信号运算放大后输出至旋转单元电机和反射单元电机；

所述旋转单元电机和反射单元电机产生反向力矩，驱动旋转单元轴和反射单元轴产生补偿角度转动。

可选地，所述旋转单元陀螺仪敏感于旋转架坐标系X轴和Y轴，测量该两个轴向上的角速度变化；反射单元陀螺仪敏感于反射单元运动坐标系Y轴和Z轴，测量该两个轴向上的角速度变化。

若设，载体坐标系：{ωi，ωj，ωk}；

旋转单元坐标系：{ωa1，ωa2，ωa3}；

反射单元坐标系：{ωe1，ωe2，ωe3}；

激光雷达光束轴向坐标系：{ωr，ωe，ωa}；

当载体发生扰动时，扰动引起旋转单元轴和反射单元轴发生转动角度为α和β，由旋转单元陀螺仪和反射单元陀螺仪反馈信号引起的旋转架与反射框转动角速度分别为和由旋转单元陀螺仪测得的旋转架坐标系Xa轴角速度分量ωa1，与反射单元陀螺仪测得的反射单元坐标系Ze轴角速度分量ωe3，与测角仪测量得到的反射单元轴的旋转角度β，根据ωr＝ωa1+2ωe3Sinβ进行信号运算放大至控制器，经相应的驱动器至旋转单元电机，带动旋转单元轴进行转动；

由旋转单元陀螺仪测得的旋转架坐标系Ya轴角速度分量ωa2，反射单元陀螺仪测得的反射单元坐标系Ye轴角速度分量ωe2，根据ωe＝2ωe2-ωa2进行信号运算放大至控制器，经相应的驱动器至反射单元电机，带动反射单元轴进行转动。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的一种激光雷达指向性稳定器，采用反射光路稳定的设计原理，该稳定器独立于激光雷达，采用2个两自由度速率陀螺通过闭环控制实现激光雷达光束轴向坐标系的稳定，具有指向性稳定精度高，结构简单，成本低的优点，可与各种激光雷达结合使用，构成激光雷达指向性稳定系统，使得激光雷达在车载、船载、机载等载体颠簸扰动的情况下，发射光束指向性仍保持稳定；同时，该激光雷达指向性稳定器的体积小，利于安装，适应范围广。

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为激光雷达指向性稳定器示意图；

图2为激光雷达指向性稳定器俯示图；

图3为图2激光雷达指向性稳定器旋转架B-B剖面图；

图4为激光雷达指向性稳定器侧视图；

图5为激光雷达指向性稳定器反射单元E-E剖面图；

图6为稳定器与激光雷达安装位置示意图；

图7为载体、旋转架、反射单元、雷达光束轴向坐标系示意图；

图8为载体、旋转架、反射单元、雷达光束坐标系耦合作用示意图；

图9为激光雷达稳定器各轴电机闭环控制框图。

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。

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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的一种激光雷达指向性稳定器，参见图1至图5所示，包括旋转单元1和反射单元2，其中，旋转单元1包括旋转架13，旋转单元轴12的一个端部固定于载体平台上，另一个端部通过旋转架13底部旋转单元轴承15与旋转架13连接，具体地，旋转架13为 U型框架，具有一个底板和与底板两对边垂直连接的两个侧板，两个侧板上对称设有成型孔，旋转架上设有旋转单元陀螺仪14，旋转单元轴12与旋转单元电机11连接；反射单元2包括反射框21，本实施例中，反射框21为菱形框体结构，其与激光雷达相对的侧面设有 45度反射镜22，45度反射镜22与反射框21的底面根据具体使用需要设计成一定角度，本实施例为45度角，反射框21固定于反射单元轴25上，反射单元轴25的两个端部分别穿过反射单元轴承28后置于旋转架13侧板的成型孔内，之后其中一个端部与反射单元电机26 连接，该端部还设有一测角仪27固定设于反射单元轴25上，反射单元轴25的另一个端部设有与反射单元电机和测角仪相平衡的平衡配重体24，以保证轴体两侧的质量相等，反射单元2整体的质量中心位于反射单元轴25和旋转单元轴12延长线的交点上；反射框21上设有反射单元陀螺仪23。

实施例2

当激光雷达应用于车载、船载、机载等运动载体上，参见图6所示，激光雷达指向性稳定器与激光雷达3安装于同一载体4相互垂直的两个平面上，激光雷达3光束与指向性稳定器X轴平行，激光雷达光束沿X轴入射至45度反射镜22中心区域附近，光束经指向性稳定器45度反射镜22转向90度发射至探测区域。当外力作用于载体产生扰动时，旋转单元1和反射单元2上的旋转单元陀螺仪14、反射单元陀螺仪23和测角仪27分别测量得到各自坐标系中相应轴的角速度和旋转角度，输出信号经运算放大后输出至旋转单元电机11和反射单元电机24，由旋转单元电机11和反射单元电机24产生反向力矩，实现旋转单元轴12和反射单元轴25的补偿角度转动，来补偿外力对激光雷达扰动所产生的光束指向性改变，由此实现激光雷达指向性稳定。

具体地，所使用的旋转单元陀螺仪14和反射单元陀螺仪23为两自由度速率陀螺，可以完成对两个方向上的角速度变化测量。进一步，旋转单元陀螺仪14敏感于旋转架坐标系X轴和Y轴，测量该两个轴向上的角速度变化；反射单元陀螺仪23敏感于反射单元运动坐标系 Y轴和Z轴，测量该两个轴向上的角速度变化，两个陀螺仪安装方向上分别于上述各轴向对准。使用的测角仪27为编码器，测量反射单元轴25的旋转角度。由测得的角速度和角度信号反馈至电机实现补偿。旋转单元陀螺仪14安装于旋转架13侧板之上，反射单元陀螺仪23安装于反射单元2顶端；测量信号解算过程如下：

参见图7所示，

设载体坐标系：{ωi，ωj，ωk}；

旋转架坐标系：{ωa1，ωa2，ωa3}；

反射单元坐标系：{ωe1，ωe2，ωe3}；

激光雷达光束轴向坐标系：{ωr，ωe，ωa}；

当载体4发生扰动时，扰动引起旋转单元轴12和反射单元轴25 发生转动角度为α和β，由陀螺反馈信号引起的旋转架13与反射单元2转动角速度为和旋转架13、反射单元2、雷达光束轴向坐标系各轴运动关系如下，参见图8所示：

旋转架坐标系各轴的角速度为：

反射单元坐标系各轴的角速度为：

激光雷达光束轴向坐标系各轴的角速度为：

由③和②得知：

可以得到：

ωe＝2ωe2-ωa2 ④

由③和②得知：

ωr＝ωa1Cos2β+ωa3Sin2β ⑤

ωe3＝-ωa1Sinβ+ωa3Cosβ ⑥

⑤-2Sinβ⑥得到：

ωr＝ωa1+2ωe3Sinβ ⑦

由④和⑦可以得到：

ωr＝ωa1+2ωe3Sinβ

ωe＝2ωe2-ωa2

由上述推演过程可得，只要确保激光雷达光束轴向ωr和ωe的稳定，即可实现激光雷达指向性的稳定，此过程需要2个两自由度速率陀螺分别测量旋转架13和反射框21的角速度变化，及反射单元轴 25转动的角度β，即可得出需要反馈至电机的角速度信号。具体地，需要通过旋转架13两自由度速率陀螺敏感Xa轴测量ωa1和敏感Ya 轴测量ωa2，反射单元2两自由度速率陀螺敏感Ye轴测量ωe2和敏感Ze轴测量ωe3来实现。

旋转单元电机11和反射单元电机24的闭环控制过程参见图9所示，由旋转单元陀螺仪14测得的旋转架坐标系Xa轴角速度分量ωa1，与反射单元陀螺仪25测得的反射单元坐标系Ze轴角速度分量ωe3，与测角仪27测量得到的反射单元轴25的旋转角度β，根据ωr＝ω a1+2ωe3Sinβ进行信号运算放大至控制器，经相应的驱动器至旋转单元电机11，带动旋转单元轴12进行转动。由旋转单元陀螺仪14 测得的旋转架坐标系Ya轴角速度分量ωa2，与反射单元陀螺仪25测得的反射单元坐标系Ye轴角速度分量ωe2，根据ωe＝2ωe2-ω a2进行信号运算放大至控制器，经相应的驱动器至反射单元电机24，带动反射单元轴25进行转动。通过上述过程实现激光雷达光束轴向的角度补偿，光束指向性得到稳定。

需要说明的是，旋转单元陀螺仪和反射单元陀螺仪的位置和敏感方向是可以改变，随之对应的算法也会发生改变，但均可实现激光雷达光束的指向性稳定，本实施例仅对其中一种设置方式进行算法推演，其它设置方式及其算法在本发明实施例的提示下，本领域技术人员是容易推演得出的，在此不作一一敖述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种激光雷达指向性稳定器，其特征在于，包括：

旋转单元(1)，具有旋转架(13)，所述旋转架(13)通过旋转单元轴(12)固定于载体平台(4)上，旋转架(13)上设有旋转单元角速度测量器(14)；所述旋转单元轴(12)与旋转单元电机(11)连接；

反射单元(2)，具有反射框(21)，所述反射框(21)通过反射单元轴(25)铰接于所述旋转架(13)上，所述反射框(21)上设有反射单元角速度测量器(23)；所述反射单元轴(25)上固定设有测角仪(27)，反射单元轴(25)与反射单元电机(24)连接；

所述旋转单元轴(12)与反射单元轴(25)相互垂直且位于同一平面上。

2.根据权利要求1所述的激光雷达指向性稳定器，其特征在于，所述反射单元(2)为对称结构体，对称结构体的质量中心位于所述反射单元轴(25)和所述旋转单元轴(12)延长线的交点上。

3.根据权利要求2所述的激光雷达指向性稳定器，其特征在于，所述反射框(21)为菱形体，反射镜设于菱形体的前倾斜面上。

4.根据权利要求1—3任一项所述的激光雷达指向性稳定器，其特征在于，所述旋转架(13)为U型框架，具有一个底板和与所述底板两对边垂直连接的两个侧板，两个侧板上对称设有成型孔。

5.根据权利要求4所述的激光雷达指向性稳定器，其特征在于，所述旋转单元角速度测量器(14)和反射单元角速度测量器(23)均为两自由度速率陀螺仪，分别敏感于旋转单元坐标系和反射单元坐标系中的两个相互垂直的方向上。

6.根据权利要求5所述的激光雷达指向性稳定器，其特征在于，两个所述两自由度速率陀螺仪和测角仪(27)所测得信号，输出至旋转单元电机(11)和反射单元电机(24)，均为闭环控制。

7.一种激光雷达指向性稳定系统，其特征在于，包括：激光雷达和所述权利要求1－6任一项的指向性稳定器，所述激光雷达与所述指向性稳定器分别设于同一载体相互垂直的两个平面上，所述激光雷达的发射光束通过反射镜反射后发射至探测区域。

8.一种激光雷达补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

旋转单元陀螺仪和反射单元陀螺仪分别测得旋转单元坐标系和反射单元坐标系的轴向角速度，测角仪测得反射单元轴的旋转角度；

测得轴向角速度和旋转角度经信号运算放大后输出至旋转单元电机和反射单元电机；

所述旋转单元电机和反射单元电机产生反向力矩，驱动旋转单元轴和反射单元轴产生补偿角度转动。

9.根据权利要求8所述的激光雷达补偿方法，其特征在于，所述旋转单元陀螺仪敏感于旋转架坐标系X轴和Y轴，测量该两个轴向上的角速度变化；反射单元陀螺仪敏感于反射单元运动坐标系Y轴和Z轴，测量该两个轴向上的角速度变化。

10.根据权利要求8或9所述的激光雷达补偿方法，其特征在于，

设，载体坐标系：{ωi，ωj，ωk}；

旋转单元坐标系：{ωa1，ωa2，ωa3}；

反射单元坐标系：{ωe1，ωe2，ωe3}；

激光雷达光束轴向坐标系：{ωr，ωe，ωa}；

当载体发生扰动时，扰动引起旋转单元轴和反射单元轴发生转动角度为α和β，由旋转单元陀螺仪和反射单元陀螺仪反馈信号引起的旋转架与反射框转动角速度分别为和由旋转单元陀螺仪测得的旋转架坐标系Xa轴角速度分量ωa1，与反射单元陀螺仪测得的反射单元坐标系Ze轴角速度分量ωe3，与测角仪测量得到的反射单元轴的旋转角度β，根据ωr＝ωa1+2ωe3Sinβ进行信号运算放大至控制器，经相应的驱动器至旋转单元电机，带动旋转单元轴进行转动；由旋转单元陀螺仪测得的旋转架坐标系Ya轴角速度分量ωa2，反射单元陀螺仪测得的反射单元坐标系Ye轴角速度分量ωe2，根据ωe＝2ωe2-ωa2进行信号运算放大至控制器，经相应的驱动器至反射单元电机，带动反射单元轴进行转动。