CN108089173B - 一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统，所述系统包括：旋转结构、固定结构以及电气连接组件；所述电气连接组件包括：一个定子及至少两个同轴的转子；所述定子与所述固定结构的外壳固定连接且与所述固定结构的主控电路板电气连接，所述一级转子与所述定子及所述二级转子电气连接，每级转子与上一级转子及下一级转子分电气连接，末级转子与旋转结构固定连接且电气连接；多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速除以所述转子的个数。本发明能够提高每个转子和定子的使用寿命，从而提高了激光雷达的使用寿命。

Description

一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统

技术领域

本发明涉及旋转扫描激光雷达技术领域，尤其涉及一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统。

背景技术

360°旋转扫描激光雷达主要用于旋转扫描测距领域，激光雷达主要由旋转结构和固定结构组成，旋转结构上有光发射模块，光接收模块，镜片组件及相关光学结构件等组成；固定结构有驱动电机，为旋转结构提供动力，固定结构还需要与旋转结构有电气连接，其目的有两个，即为旋转结构的激光系统提供电力，并且接收旋转结构扫描测得的距离信息数据。

旋转结构作360°无角度限制连续旋转，固定结构固定不动，二者之间的电气连接一直是制约设备发展的瓶颈，也是制约激光雷达寿命的瓶颈。一般解决固定结构和旋转结构的电气连接有两种方式：一种是无线的非接触式连接，一种是接触式连接。非接触式连接主要包括“无线供电+无线信号传输”的方式，无线供电一般采用感应线圈互感的方式供电，无线信号传输的方式较多，常用的包括WIFI、蓝牙、光通信等多种方式。然而，无线供电存在一个较大的问题在于，热辐射效应过于明显，对整个激光雷达都进行内部加热，热量的累积会导致电机轴承等寿命的下降，并且会导致精密光学结构件的热变形，从而影响激光雷达的使用寿命和效果；无线信号传输则存在信号传输速率较低的问题，一般多线激光雷达的扫描数据传输需要8M/s以上，一般的无线通信方式很难满足要求，同时，无线信号的传输往往存在信号干扰的问题，一旦情况严重会导致数据传输的丢帧，影响激光雷达的使用性能。

接触式的电气连接属于电接触滑动连接应用范畴，往往是采用滑环，滑环包括水银滑环和接触式导电滑环。水银滑环既可以传输电力也可传输数据，但是水银滑环存在三个缺陷，一个是水银本身不环保，不便于大规模的生产与推广；二是水银滑环的上限使用温度较低，往往只有五十度左右，不满足大部分的工业级应用场合；三是水银滑环的使用存在方向性要求，水银在腔体内不得倒置，否则会导致水银滑环寿命的下降，这样对激光雷达的放置方式就有要求，明显限制了激光雷达的应用场合。目前一般采用的接触式导电滑环包括一个定子和一个转子，定子上有导电性良好的刷丝，转子上有导电环，刷丝通过自有弹性产生的压力压在导电环上保持接触，从而可以导电并传输数据和信号，转子做连续的旋转，因此不可避免的存在刷丝和导电环的接触摩擦，最终产生磨损，磨损到一定程度会导致电力和数据传输的不稳定。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统，通过采用包括一个定子及至少两个同轴的转子的电气连接组件对旋转结构与固定结构进行电气连接，能够提高每个转子和定子的使用寿命，提高电气连接组件的寿命和可靠性，从而提高了旋转扫描激光雷达的使用寿命。

第一方面，本发明提供了一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统，所述系统包括：旋转结构、固定结构以及电气连接组件；

所述旋转结构上搭载光路和电路部分，用于360°扫描并测距，并将扫描和测距得到的信息数据通过电气连接组件传输到所述固定结构；所述固定结构用于驱动旋转结构的旋转并为旋转结构供电，并读取扫描数据；

所述电气连接组件包括：一个定子及至少两个同轴的转子；所述至少两个同轴的转子包括一级转子、二级转子至M级转子；其中，M为大于等于2的正整数；

其中，所述定子与所述固定结构的外壳固定连接且与所述固定结构的主控电路板电气连接，所述一级转子与所述定子电气连接，每级转子与上一级转子及下一级转子分别电气连接，所述M级转子与旋转结构固定连接且电气连接；

多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速除以所述转子的个数。

可选地，所述M级转子与所述旋转结构的转速相同。

可选地，每级转子由对应的驱动装置驱动旋转。

可选地，每级转子对应的驱动装置均为直流无刷电机；且每级转子对应的直流无刷电机是同步启动的。

可选地，所述定子与转子、转子与转子均通过刷丝与导电环电气连接。

可选地，所述一级转子与所述定子通过所述一级转子上的刷丝与所述定子上的导电环电气连接；所述一级转子与所述二级转子通过所述一级转子上的刷丝与所述二级转子上的导电环电气连接；

某一级转子与相邻两级转子通过该转子上的刷丝与所述相邻两级转子上的导电环电气连接；或者，某一级转子与相邻两级转子通过该转子上的导电环与所述相邻两级转子上的刷丝电气连接。

可选地，所述定子上的导电环彼此隔离绝缘，且所述一级转子上的每一根刷丝对应所述定子上的一个导电环；

某一转子上的导电环彼此隔离绝缘，且相邻转子上的每一根刷丝对应该转子上的一个导电环。

可选地，所述定子为中空轴结构，且所述定子的中空轴内部嵌套所述一级转子；

所述一级转子为中空轴结构，且所述一级转子的中空轴内部嵌套第一驱动电机的输出轴；所述第一驱动电机驱动所述一级转子旋转。

可选地，所述M级转子与所述旋转结构由同一个驱动电机驱动旋转，且所述驱动电机的功率大于其他转子的驱动电机的功率。

第二方面，本发明提供了一种基于上述任意一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的激光测距方法，所述方法包括：

启动第一驱动电机驱动旋转结构及M级转子转动，并同时启动各转子对应的驱动电机驱动其他转子转动；

固定结构通过定子及至少两个同轴的转子构成的电气连接组件为所述旋转结构供电；

所述旋转结构将扫描测得的距离信息数据通过所述电气连接组件发送至所述固定结构的主控电路板。

由上述技术方案可知，本发明提供一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统，通过采用包括一个定子及至少两个同轴的转子的电气连接组件对旋转结构与固定结构进行电气连接，且多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速N除以所述转子的个数M，则相邻两个转子间的相对转动速度为N/M，显然相对转动速度变为现有技术中接触式滑环的1/M，则相同时间内相对摩擦的转速也变为现有技术中接触式滑环的1/M，则单位时间内的磨损量大大降低，从而提高每个转子和定子的使用寿命，提高电气连接组件的寿命和可靠性，进而提高了激光雷达的使用寿命。

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的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的M＝2时的提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的定子的导电环的安装结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的导电环与刷丝接触的俯视示意图；

图5是本发明另一实施例提供的定子与一级转子电气连接的连线示意图；

图6是本发明一实施例提供的一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的激光测距方法的流程示意图；

图1～图5中的附图标记说明：1-固定结构；2-旋转结构；3-电气连接组件；103-固定结构外壳；104-主控电路板；105-盘式直流无刷电机；106-盘式直流无刷电机的输出轴；107-定子；108-一级转子；109-二级转子；110-直流无刷内转子电机的外部定子；111-直流无刷内转子电机的内转子；112-旋转结构的托盘；113-定子导电环；114-一级转子刷丝；115-二级转子刷丝。

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。

图1是本发明一实施例中的一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的结构示意图，所述提高旋转扫描激光雷达寿命的系统包括：旋转结构2、固定结构1以及设置于固定结构1中的电气连接组件3。

所述旋转结构2上搭载光路和电路部分，用于360°扫描并测距，并将扫描和测距得到的信息数据通过电气连接组件3传输到所述固定结构1；所述固定结构1用于驱动旋转结构2的旋转并为旋转结构2供电，并读取扫描数据；

其中，所述电气连接组件3包括：一个定子及至少两个同轴的转子；所述至少两个同轴的转子包括一级转子、二级转子至M级转子；其中，M为大于等于2的正整数。

其中，所述定子与所述固定结构1的外壳固定连接且与所述固定结构1的主控电路板电气连接，所述一级转子与所述定子电气连接，每级转子与上一级转子及下一级转子分别电气连接，所述M级转子与旋转结构2固定连接且电气连接。

多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速除以所述转子的个数。

其中，所述M级转子与所述旋转结构的转速相同。

具体来说，旋转结构2上承载光路部分，固定结构1则提供动力并解决与旋转结构2之间的电路与数据传输的问题。

本实施例中，定子位于固定结构1的最底部，与固定结构1的外壳底部固定连接，则该电气连接组件3由下至上依次是定子、一级转子、二级转子、三级转子……M级转子，各转子均可自由的360°旋转。一级转子与定子有电气连接，各级转子与相邻上下两级转子有电气连接，末级转子(M级转子)和旋转结构固定连接且电气连接，而末级转子和旋转结构没有相对转动，电气连接形式为直接将末级转子上对应的导线连接到旋转结构所对应的接口上，以实现对旋转结构的供电和数据及信号的传输。

由此可见，本实施例通过采用包括一个定子及至少两个同轴的转子的电气连接组件对旋转结构与固定结构进行电气连接，且多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速N除以所述转子的个数M，则相邻两个转子间的相对转动速度为N/M，显然相对转动速度变为现有技术中接触式滑环的1/M，则相同时间内相对摩擦的转速也变为现有技术中接触式滑环的1/M，则单位时间内的磨损量大大降低，从而提高每个转子和定子的使用寿命，提高电气连接组件的寿命和可靠性，进而提高了旋转扫描激光雷达的使用寿命。

进一步地，每级转子由对应的驱动装置驱动旋转。如此，各级转子由各自的驱动装置驱动旋转，使得各转子能够自由的无角度限制的旋转。

可选地，每级转子对应的驱动装置均为直流无刷电机；且每级转子对应的直流无刷电机是同步启动的。

在本发明的一个可选实施例中，所述定子与转子、转子与转子均通过刷丝与导电环电气连接。刷丝的自有弹性产生压力，压在导电环的表面从而可以保证接触式导电。

举例来说，所述一级转子与所述定子通过所述一级转子上的刷丝与所述定子上的导电环电气连接；所述一级转子与所述二级转子通过所述一级转子上的刷丝与所述二级转子上的导电环电气连接。

某一级转子与相邻两级转子通过该转子上的刷丝与所述相邻两级转子上的导电环电气连接；或者，某一级转子与相邻两级转子通过该转子上的导电环与所述相邻两级转子上的刷丝电气连接。

具体地，所述定子上的多个导电环彼此隔离绝缘，且所述一级转子上的每一根刷丝对应所述定子上的一个导电环；某一转子上的多个导电环彼此隔离绝缘，且相邻转子上的每一根刷丝对应该转子上的一个导电环。

本实施例中，导电环彼此绝缘隔离，每个导电环对应一根刷丝，每一级的电气连接是由若干根刷丝和若干个导电环配合完成的，分别进行电力传输，数据传输，信号传输等等。

在本发明的一个可选实施例中，所述M级转子与所述旋转结构由同一个驱动电机驱动旋转，且所述驱动电机的功率大于其他转子的驱动电机的功率。

由此可见，由于末级转子(M级转子)与旋转结构的转速相同，则所述M级转子与所述旋转结构可由同一个驱动电机驱动旋转，由于该驱动电机需同时驱动末级转子及旋转结构，因此电机功率要求大于其他转子的驱动电机的功率。

在本发明的一个可选实施例中，所述定子为中空轴结构，且所述定子的中空轴内部嵌套所述一级转子；所述一级转子为中空轴结构，且所述一级转子的中空轴内部嵌套第一驱动电机的输出轴；所述第一驱动电机驱动所述一级转子旋转。

本实施例中，第一驱动电机可为盘式电机，则一级转子由盘式电机驱动，盘式电机的驱动轴穿过定子，并插入定子内部嵌套的一级转子的配合孔内，以带动一级转子旋转。每级转子均由相关驱动装置驱动，一级转子与旋转结构固连由内转子电机驱动。如果旋转结构的转速要求为Nr/min，那么末级转子的转速也为Nr/min，从一级转子到末级转子，即M级转子，转速承等差数列排布，差值为N/M，因此从一级到M级转子的速度分别为1*N/M、2*N/M、3*N/M…..N，单位是r/min。

现有技术中采用接触式导电滑环的激光雷达寿命取决于导电滑环的耐磨性，衡量标准是旋转结构的转数n，也就是转子相对于定子转动到一定的转数n，滑环的接触式磨损就比较严重了，如果要求激光雷达的旋转结构转速为N，由于只有一个定子和一个转子，寿命时间也就是n/N＝t，激光雷达的寿命也就到上限，除非更换滑环。

而本实施例中，如果最末端的输出转子的转速为n(单位是r/min)，转子级数为M(M≥2)，那么两个转子的转速差即为n/M，在刷丝和导电环允许的相对转数一定的情况下，每个转子，也包括定子的使用寿命提升为原来的M倍，整个导电滑环部分的使用寿命也可提升为原来的M倍。

图2是本发明另一实施例提供的M＝2时的提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的结构示意图，如图2所示，本实施例中，电气连接组件包括：一个定子107、一级转子108及二级转子109。

本实施例中，该激光雷达由旋转结构和固定结构组成，旋转结构上面主要由发射光路、接收光路及其相关的电路板和结构件组成，旋转结构的转速根据激光雷达的要求，需达到1200r/min；固定结构整个由固定结构的外壳103包围固定，由固定结构底部的主控电路板104控制和驱动，并与定子发生电气连接。固定结构中设置有电气连接组件，固定结构和旋转结构的电气连接通过一个定子107，一级转子108，和二级转子109来实现。

其中，定子为中空轴结构，固定在一个盘式直流无刷电机105的固定外壳上，定子与固定结构有电气连接，电气连接方式为定子的出线接到固定结构的主控电路板104上。定子与盘式直流无刷电机105的输出轴106保证同轴度要求满足0.01mm，同时盘式直流无刷电机105的输出轴106穿过一级转子108，并与一级转子108固定连接，以驱动一级转子108旋转，一级转子108与定子107有电气连接且可相对自由转动，同轴度要求满足0.01mm；一级转子108同时与二级转子109有电气连接，二级转子109可相对一级转子108自由转动，并且二级转子109与一级转子108的同轴度要求满足0.01mm；二级转子109与旋转结构由一个直流无刷内转子电机驱动旋转，该直流无刷内转子电机的外部定子110固定在固定结构的外壳103上，内转子111包括上下两个端面，上端面固定连接旋转结构的托盘112，下端面固定连接二级转子109，且二级转子109与内转子111的同轴度要求0.01mm。

进一步地，一级转子108与二级转子109之间，一级转子108与定子107之间通过“刷丝+导电环”的方式进行电气连接。如图4和图5所示，刷丝114在一级转子108的两端，定子导电环113安装在定子的内部的环形内凹槽内，二级转子109的导电环115安装在二级转子109的环形内凹槽内。如图3所示，定子导电环113中各个导电环彼此绝缘隔离，刷丝的自有弹性产生压力，压在导电环的表面从而可以保证接触式导电。

显然，由于二级转子109的转速与旋转结构一致，都是1200r/min，在本实施例中M＝2，也就是说一级转子的转速应该为1200的一半，即600r/min，因此盘式电机应带动一级转子以600r/min的速度旋转。

一般情况下，刷丝和导电环的耐磨寿命是9000w转，即刷丝和导电环相对滑动9000w转之后，磨损就到了影响数据和电力传输的程度，寿命上限已到。如果是现有技术中的导电滑环，在转子转速与旋转结构转速一致都是1200r/min，那么其工作寿命为9000w/1200＝75000min。如果采用了本实施例中电气连接组件，一级转子108相对定子107和二级转子109的转速为600r/min，二级转子109相对一级转子108的转速也为600r/min，同样的耐磨寿命9000w转，那么工作寿命为9000w/600＝150000min，相对普通导电滑环寿命提高了一倍，从而提高整个激光雷达的使用寿命，显然如果从结构上设置转子个数更多，如还包括三级转子、四级转子等等，寿命提高倍数也就越大。

图6是本发明一实施例提供的一种基于上述任意一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的激光测距方法的流程示意图，如图6所示，所述方法包括如下步骤：

S1：启动第一驱动电机驱动旋转结构及M级转子转动，并同时启动各转子对应的驱动电机驱动其他转子转动。

S2：固定结构通过定子及至少两个同轴的转子构成的电气连接组件为所述旋转结构供电。

S3：所述旋转结构将扫描测得的距离信息数据通过所述电气连接组件发送至所述固定结构的主控电路板。

其中，多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速除以所述转子的个数。

由此可见，通过采用包括一个定子及M个同轴的转子的电气连接组件对旋转结构与固定结构进行电气连接，以实现对旋转结构的供电和数据及信号的传输，而由于多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速N除以所述转子的个数M，则相邻两个转子间的相对转动速度为N/M，显然相对转动速度变为现有技术中接触式滑环的1/M，则相同时间内相对摩擦的转速也变为现有技术中接触式滑环的1/M，则单位时间内的磨损量大大降低，从而提高每个转子和定子的使用寿命，提高电气连接组件的寿命和可靠性，进而提高了激光雷达的使用寿命。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种提高旋转扫描激光雷达寿命的系统，其特征在于，所述系统包括：旋转结构、固定结构以及电气连接组件；

所述旋转结构上搭载光路和电路部分，用于360°扫描并测距，并将扫描和测距得到的信息数据通过电气连接组件传输到所述固定结构；所述固定结构用于驱动旋转结构的旋转并为旋转结构供电，并读取扫描数据；

所述电气连接组件包括：一个定子及至少两个同轴的转子；所述至少两个同轴的转子包括一级转子、二级转子至M级转子；其中，M为大于等于2的正整数；

其中，所述定子与所述固定结构的外壳固定连接且与所述固定结构的主控电路板电气连接，所述一级转子与所述定子电气连接，每级转子与上一级转子及下一级转子分别电气连接，所述M级转子与旋转结构固定连接且电气连接；

多级转子的转速按照等差数列排布，所述等差数列的差值为所述旋转结构的转速除以所述转子的个数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述M级转子与所述旋转结构的转速相同。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每级转子由对应的驱动装置驱动旋转。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每级转子对应的驱动装置均为直流无刷电机；且每级转子对应的直流无刷电机是同步启动的。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子与转子、转子与转子均通过刷丝与导电环电气连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述一级转子与所述定子通过所述一级转子上的刷丝与所述定子上的导电环电气连接；所述一级转子与所述二级转子通过所述一级转子上的刷丝与所述二级转子上的导电环电气连接；

某一级转子与相邻两级转子通过该转子上的刷丝与所述相邻两级转子上的导电环电气连接；或者，某一级转子与相邻两级转子通过该转子上的导电环与所述相邻两级转子上的刷丝电气连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述定子上的导电环彼此隔离绝缘，且所述一级转子上的每一根刷丝对应所述定子上的一个导电环；

某一转子上的导电环彼此隔离绝缘，且相邻转子上的每一根刷丝对应该转子上的一个导电环。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述定子为中空轴结构，且所述定子的中空轴内部嵌套所述一级转子；

所述一级转子为中空轴结构，且所述一级转子的中空轴内部嵌套第一驱动电机的输出轴；所述第一驱动电机驱动所述一级转子旋转。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述M级转子与所述旋转结构由同一个驱动电机驱动旋转，且所述驱动电机的功率大于其他转子的驱动电机的功率。

10.一种基于权利要求1所述的提高旋转扫描激光雷达寿命的系统的激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：

启动第一驱动电机驱动旋转结构及M级转子转动，并同时启动各转子对应的驱动电机驱动其他转子转动；

固定结构通过定子及至少两个同轴的转子构成的电气连接组件为所述旋转结构供电；

所述旋转结构将扫描测得的距离信息数据通过所述电气连接组件发送至所述固定结构的主控电路板。

Images