CN108415000B - 一种基于多关节机械臂的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多关节机械臂的激光雷达。本发明将激光雷达光学望远镜集成到机械臂中，一方面，由于机械臂的自由度多，可实现任意角度和方向的运动，因此，基于机械臂的激光雷达可实现任意的扫描模式，如VAD扫描，RHI扫描，PPI扫描，以及螺旋形、正弦形或三角波形的扫描模式；另一方面，通过控制机械臂的伺服系统，可对激光雷达的姿态进行补偿，实现激光雷达在特定方向的凝视，保障激光雷达在各运动平台的平稳工作，如车载、机载、舰载、艇载和星载等平台。

Description

一种基于多关节机械臂的激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于多关节机械臂的激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种主动的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达向大气发射激光，激光与大气相互作用后，由光学望远镜收集后向散射信号，并输入光学接收机，经光电探测和数据处理，获得大气参数信息。

激光雷达的视场小，这一方面抑制了太阳和天空背景噪声，另一方面限制了激光的可视范围。为此，激光雷达需配备扫描装置，以获得大气参数的立体分布。如为定量检测城市中的大气污染源，需采用气溶胶激光雷达对城市进行水平扫描时。为获得风向信息，测风激光雷达需进行多个径向风速的测量。通过对多普勒测风激光雷达进行RHI(RangeHeight Indicator)扫描或VAD(Velocity Azimuth Display)扫描，以测量湍流能量耗散率。

为实现激光雷达的扫描，通常采用的办法为采用多镜片的潜望式望远镜系统，如发明专利CN201510454959.7所述的多镜片反射的潜望式望远镜。

但是，本发明的发明人发现：现有的潜望式望远镜系统至少存在两方面缺陷：一方面由于采用多镜片结构，成本高且接收效率容易受温度和应力的影响，另外一方面，其结构固化，扫描模式比较单一，无法实现特定路径的扫描，如正弦式、螺旋式、三角波式扫描。

这些缺陷，极大地限制了激光雷达的发展。

发明内容

本发明的发明人经过研究发现：机械臂通过模拟人臂的转动关节，增加自由度，能够复现人臂的运动，实现物体任意位置和姿态的操作。

本发明的目的之一在于，提供一种基于多关节机械臂的激光雷达，相比于目前使用的激光雷达的扫描装置，具有多自由度，路径规划灵活，可实现各种复杂的扫描模式。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：一种基于多关节机械臂的激光雷达，包括：光源模块、发射接收模块、光学接收机和机械臂模块，

所述光源模块用于出射激光光束；

所述发射接收模块用于将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；

所述光学接收机用于接收并处理所述回波信号，以获取所述回波信号携带的目标信息；

所述机械臂模块包括控制模块、驱动机构和机械臂，所述机械臂包括多个关节和多个臂体；所述多个臂体之间通过关节依次连接；每个所述臂体均能在驱动机构的带动下转动和/或摆动；

所述发射接收模块设置在所述机械臂的末端；

所述控制模块用于向所述驱动机构输出控制信号；

所述驱动机构用于根据所述控制信号驱动所述关节动作，以带动与关节连接的臂体动作；

所述控制模块包括扫描控制单元，所述扫描控制单元用于控制所述发射接收模块以预定的扫描模式扫描。

进一步地，所述发射接收模块分别与所述光源模块和光学接收机通过传输光纤连接；

所述臂体包括外壳体，臂体的中部设置有空腔；所述发射接收模块连接的传输光纤穿过所述臂体的空腔。

进一步地，所述发射接收模块包括收发望远镜和环形器，所述收发望远镜设置在机械臂的末端；所述环形器分别与光源模块、收发望远镜和光学接收机连接；所述传输光纤包括收发传输光纤，所述收发传输光纤分别与收发望远镜和环形器连接；所述收发传输光纤穿过所述臂体的空腔。

进一步地，所述发射接收模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜和接收望远镜均设置在所述机械臂的末端；所述传输光纤包括发射光纤和接收光纤，所述发射光纤分别与发射望远镜和光源模块连接，所述接收光纤分别与所述接收望远镜和光学接收机连接；所述发射光纤和接收光纤均穿过所述臂体的空腔。

进一步地，所述控制模块用于控制相邻的臂体之间的夹角为30度-180度。

进一步地，所述预定的扫描模式为VAD扫描、RHI扫描、PPI扫描、螺旋形扫描、正弦形扫描或三角波形扫描。

进一步地，所述机械臂模块包括依次连接的第一关节、第一臂体、第二关节、第二臂体、第三关节和第三臂体；所述发射接收模块设置在所述第三臂体的末端；

所述第一臂体能够在第一关节的带动下摆动和/或转动；

所述第二关节设置在所述第一臂体的末端；所述第二臂体能够在第二关节的带动下摆动和/或转动；

所述第三关节设置在所述第二臂体的末端；所述第三臂体能够在第三关节的带动下摆动和/或转动；

所述第一关节、第二关节和第三关节能够在所述驱动机构的驱动下绕多个角度转动。

进一步地，所述控制模块包括姿态补偿单元，所述姿态补偿单元用于获取预设的目标方向，根据所述目标方向生成姿态补偿控制信号；

所述驱动机构用于根据所述姿态补偿信号驱动机械臂动作，以使发射接收模块朝向目标方向。

本发明提供的基于多关节机械臂的激光雷达具有如下有益效果：

1、该发明利用机械臂可实现灵活多变运动轨迹的优点，将激光雷达的光学望远镜集成到机械臂中，通过动作分解和解耦合，突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式，如螺旋形、正弦形、三角波形等。

2、该发明提出通过控制机械臂的伺服控制系统，对激光雷达进行姿态补偿，实现激光雷达在特定方向的凝视，实现激光雷达在各复杂运动平台的平稳工作。

3、基于应用于机械臂中的智能控制技术，激光雷达可实现智能的环境监测。

4、由于机械臂通过动作分解和解耦合，基于机械手臂的扫描头，避免或减小了扫描过程中，光纤多次缠绕，而引起信号在光纤中传输的大损耗。

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和优点，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的介绍，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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的基于多关节机械臂的激光雷达的结构框图；

图2是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达VAD扫描模式的示意图；

图3是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达RHI扫描模式的示意图；

图4是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达三角波扫描模式的示意图；

图5是本发明实施例2提供的基于多关节机械臂的激光雷达VAD扫描模式的示意图；

图6是本发明实施例2提供的基于多关节机械臂的激光雷达RHI扫描模式的示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。

本文中，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”的方位术语是相对于附图中的激光雷达安装使用后的方位或者相对附图中所示的方位来定义的，并且，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据激光雷达所置放的方位的变化而相应地发生变化。

实施例1：

如图1所示：一种基于多关节机械臂的激光雷达，包括：光源模块1、发射接收模块3、光学接收机5和机械臂模块4，

所述光源模块1用于出射激光光束。

光源模块1为激光器，激光器可以是脉冲激光器，也可以是其他形式的激光器，只有能够输出激光光束，均适用于本发明。

所述发射接收模块3用于将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；所述光学接收机5用于接收并处理所述回波信号，以获取所述回波信号携带的目标信息，实现隐形目标或大气、海洋、陆地高分辨率多参数的探测。目标信息可以是大气参数信息，例如大气风速、能见度、特定气体或污染物的浓度等。对应于不同的目标信息，光学接收机5的结构和组成也不同。例如，当目标信息为大气风速时，光学接收机5可以包括法布里珀罗标准具。

当然，激光雷达还可以包括光电探测模块和模数转换模块和数据处理模块。光电探测模块用于将光学接收机5输出的光信号转换为电信号，模数转换模块用于将所述电信号转换为数字信号，数据处理模块用于根据预定的算法对所述数字信号进行处理，以获取目标信息。

当然，在光源模块1与发射接收模块3之间，还可以设置有光调制模块、光放大模块、分束器等光学器件。

所述机械臂模块4包括控制模块410、驱动机构420和机械臂430，所述机械臂430包括多个关节和多个臂体；所述多个臂体之间通过关节依次连接；每个所述臂体均能在驱动机构420的带动下转动和/或摆动。

所述发射接收模块3设置在所述机械臂430的末端；所述控制模块410用于向所述驱动机构420输出控制信号；所述驱动机构420用于根据所述控制信号驱动所述关节动作，以带动与关节连接的臂体动作；所述控制模块410包括扫描控制单元411，所述扫描控制单元411用于控制所述发射接收模块3以预定的扫描模式扫描。

所述发射接收模块3分别与所述光源模块1和光学接收机5通过传输光纤连接。

在一种优选的实施例中，所述臂体包括外壳体，臂体的中部设置有空腔；所述发射接收模块3连接的传输光纤穿过所述臂体的空腔。

所述发射接收模块3包括收发望远镜31和环形器2，所述收发望远镜31设置在机械臂430的末端；所述环形器2分别与光源模块1、收发望远镜31和光学接收机5连接；所述传输光纤包括收发传输光纤61，所述收发传输光纤61分别与收发望远镜31和环形器2连接；所述收发传输光纤61穿过所述臂体的空腔。

在一种可替换的方案中，所述臂体包括实心的柱体；所述臂体的内部没有空腔，此时，所述传输光纤沿所述臂体的纵向方向延伸设置。例如，所述传输光纤贴附在所述臂体的外壁上。在具体的操作中，可以通过捆绑或粘贴等方式将传输光纤固定在所述臂体的外壁上。此时，所述收发传输光纤61沿所述臂体的纵向方向延伸设置。

在另一种可替换的方案中，所述臂体包括至少一个支撑架，所述传输光纤沿所述臂体的至少一个支撑架的纵向方向延伸设置。例如，所述传输光纤贴附在至少一个所述支撑架上。在具体的操作中，可以通过捆绑或粘贴等方式将传输光纤固定在所述支撑架上。此时，所述收发传输光纤61沿所述臂体的至少一个支撑架的纵向方向延伸设置。

当然，机械臂的具体形态可以是上述三种臂体中的任意一种或几种的组合，例如，机械臂可以同时包括带外壳体的臂体、带支撑架的臂体和包括实心柱体的臂体。需要说明的是，对应于不同形式的臂体，只要保证收发传输光纤61沿机械臂的延伸方向设置即可；是否将收发传输光纤61与臂体之间固定取决于臂体的形态以及相邻臂体的形态。例如，当实心柱体形态的臂体相邻的臂体为具有空腔的臂体时，收发传输光纤61在穿过具有空腔的臂体时必然会贴附实心柱体形态的臂体，此时，不需要将收发传输光纤61与实心柱体形态的臂体进行固定。当机械臂中有多个连续的实心柱体或支撑架时，为保证收发传输光纤61不从臂体上脱落，可通过捆绑或粘贴等方式将传输光纤固定在臂体上。

需要说明的是，环形器2可以设置在机械臂430的外部，只要保证收发传输光纤61能够穿过整个机械臂430的全部臂体与收发望远镜31连接即可。

在臂体外设置外壳体，能够有效地保护和支撑机械臂430。同时，由于设置外壳体，臂体的中部具有空腔，能够容纳收发传输光纤61，同时能够避免收发传输光纤61暴露在外界环境中，减少外界(如雨水、光、热)对光纤的损耗，延长收发传输光纤61的寿命。另外，更为重要的是，由于本发明的机械臂430为连续的多关节机械臂430，各臂体之间依次连接、分别动作，在发射接收模块3在扫描的过程中，能够有效地避免收发传输光纤61发生多次缠绕。

进一步地，所述控制模块410用于控制相邻的臂体之间的夹角为30度-180度。由于光纤是光导纤维，光纤的材料为玻璃或塑料。对光纤大角度的弯折，很容易折断光纤，并会影响光学性能，造成较大的传输损耗。因此，本发明的控制模块410的扫描控制单元411通过控制机械臂430的臂体之间动作分解和解耦合，将相邻的臂体之间的夹角控制在30度-180度，使光纤在两个臂体之间的夹角控制在30-180度之间。本发明的发明人经过实验发现：当光纤的夹角在30-180度之间时，对光纤的光学传输性能产生的影响较小。因此，本发明的控制模块410的扫描控制单元411通过控制机械臂430的臂体之间动作分解和解耦合，将相邻的臂体之间的夹角控制在30度-180度，能够保证传输光纤较好的传输性能的同时，避免或减小扫描过程中，光纤多次缠绕而引起信号在光纤中传输的损耗。

另外，控制模块410的扫描控制单元411通过控制机械臂430的臂体之间动作分解和解耦合，突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式。

本发明中的预定的扫描模式包括但不限于速度方位显示VAD(Velocity AzimuthDisplay)扫描、距离高度显示器RHI(Range Height Indicator)扫描、平面位置显示器PPI(Plan Position Indicator)扫描、螺旋形扫描、正弦形扫描或三角波形扫描。当然，只要为机械臂430设置足够数量的关节、臂体和自由度，扫描模式还可以是其他运动轨迹的扫描。

在具体的实现过程中，首先，激光雷达根据望远镜的形状重量，及需要实现的扫描模式，选型设计可满足要求的机械臂430；其次，将激光雷达的收发望远镜31集成到机械臂430中；最后，通过对机械臂430的关节或末端运行参数进行合理规划，生成机械臂430的运动轨迹，实现激光雷达的扫描。

下面，举例对本发明的基于多关节机械臂的激光雷达的工作方式进行说明。

图2是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达VAD扫描模式的示意图；图中的弧线是收发望远镜31的运动轨迹，图中的虚线表示机械臂430在扫描过程在处于不同的位置。

图3是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达RHI扫描模式的示意图；图中的弧线是收发望远镜31的运动轨迹，图中的虚线表示机械臂430在扫描过程在处于不同的位置。

如图2、图3所示，所述机械臂模块4包括依次连接的第一关节41、第一臂体42、第二关节43、第二臂体44、第三关节45和第三臂体46；所述发射接收模块3设置在所述第三臂体46的末端；

所述第一臂体42能够在第一关节41的带动下摆动和/或转动；

所述第二关节43设置在所述第一臂体42的末端；所述第二臂体44能够在第二关节43的带动下摆动和/或转动；

所述第三关节45设置在所述第二臂体44的末端；所述第三臂体46能够在第三关节45的带动下摆动和/或转动；

所述第一关节41、第二关节43和第三关节45能够在所述驱动机构420的驱动下绕多个角度的转动。

如图2所示，为实现激光雷达VAD扫描模式，一种可行的方案是：控制模块410的扫描控制单元411控制第一臂体42保持竖直状态，控制第二臂体44相对于第一臂体42的夹角为预定的第一夹角，并控制第一臂体42在第一关节41的带动下绕第一臂体42的中心轴线转动，从而实现收发望远镜31以VAD模式扫描。

需要说明的是，当VAD扫描模式的天顶角大于60度时，若以上述方式控制机械臂430动作，会造成第一臂体42和第二臂体44的夹角小于150度，影响光信号传输质量。为了解决该问题，控制模块410控制第一臂体42与第二臂体44之间具有大于或等于150度的第二夹角；同时，控制第三臂体46与第二臂体44之间具有大于或等于150度的第三夹角；通过第二夹角和第三夹角，使收发望远镜31的扫描角度为预定的天顶角。

如图3所示，为实现激光雷达RHI扫描模式，一种可行的方案是：

控制模块410的扫描控制单元411控制第一臂体42在第一关节41的带动下摆动，控制第二臂体44相对于第一臂体42的夹角为预定的第四夹角，控制第三臂体46相对于第二臂体44的夹角为预定的第五夹角，从而实现收发望远镜31以RHI模式扫描。

所述第一夹角、第二夹角、第三夹角、第四夹角和第五夹角的范围均为30度-180度。

当然，除了上述扫描方式外，还可以采用其他方式扫描，由于机械臂430的自由度多，可实现任意角度和方向的运动，因此，基于多关节机械臂的激光雷达扫描可实现复杂的扫描模式，如螺旋形、正弦形、三角波形等。图4是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达三角波扫描模式的示意图；请参见图4所示，激光雷达通过采用机械臂430进行三角波形的扫描，其中，图中圆圈表示飞机尾流，通过三角波形扫描，可实现对飞机尾流的探测。

本发明的发明人通过研究发现，当激光雷达在运动平台工作时，如车载、机载、舰载、艇载和星载等平台，现有的激光雷达需额外配备陀螺仪，以获取雷达姿态；而且，由于现有的激光雷达扫描系统的扫描方式限制，其不能及时地有效地对激光雷达的姿态进行补偿。

为了解决上述技术问题，如图1所示，本发明的控制模块410包括姿态补偿单元412，所述姿态补偿单元412用于获取预设的目标方向，根据所述目标方向生成姿态补偿控制信号；所述驱动机构420用于根据所述姿态补偿信号驱动机械臂430动作，以使发射接收模块朝向目标方向。具体的，在工作过程中，所述驱动机构420用于根据所述姿态补偿信号驱动机械臂430动作，以使发射接收模块(收发望远镜31)发射的激光光束朝向目标方向。

具体的，目标方向为三维空间中的某一具体方向。所述姿态补偿单元412用于获取预设的目标方向，根据所述目标方向生成姿态补偿控制信号为：所述姿态补偿单元412用于获取预设的目标方向，并获取当前发射接收模块的朝向，根据所述目标方向和当前发射接收模块的朝向生成姿态补偿控制信号。

本发明通过姿态补偿单元412，实现姿态补偿，保证激光雷达在特定方向的凝视。实现激光雷达在运动平台的平稳工作，包括车载、机载、星载和舰载平台。

通过控制模块410的智能控制，机械臂430根据激光雷达的回波信号，调整激光雷达的扫描模式，以实现智能的激光雷达扫描。如当激光雷达水平扫描城市发现污染源时，可通过智能控制，调节机械臂430的运动轨迹，将激光雷达锁定在污染源附近，并制定新的扫描方案，从而锁定排放污染源的工厂。

综上所示，该发明利用机械臂430可实现灵活多变运动轨迹的优点，将激光雷达的光学望远镜集成到机械臂430中，一方面，机械臂430通过动作分解和解耦合，这突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式，另一方面，通过控制机械臂430的伺服控制系统，对激光雷达进行姿态补偿，实现激光雷达在特定方向的凝视，实现激光雷达在各复杂运动平台的平稳工作。

本发明实施例提供的基于多关节机械臂的激光雷达具有如下有益效果：

1、该发明利用机械臂可实现灵活多变运动轨迹的优点，将激光雷达的光学望远镜集成到机械臂中，通过动作分解和解耦合，突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式，如螺旋形、正弦形、三角波形等。

2、该发明提出通过控制机械臂的伺服控制系统，对激光雷达进行姿态补偿，实现激光雷达在特定方向的凝视，实现激光雷达在各复杂运动平台的平稳工作。

3、基于应用于机械臂中的智能控制技术，激光雷达可实现智能的环境监测。

4、由于机械臂通过动作分解和解耦合，基于机械手臂的扫描头，避免或减小了扫描过程中，光纤多次缠绕，而引起信号在光纤中传输的大损耗。

5、主控模块通过控制相邻臂体之间的偏转角度保持在预定的范围内，从而保证在扫描过程中，传输光纤不会发生大角度偏折，有效地提高光纤的寿命和信号的传输质量，降低信号在光纤中的损耗。

实施例2

如图1、图5-图6所示：一种基于多关节机械臂的激光雷达，包括：光源模块1、发射接收模块3、光学接收机5和机械臂模块4，

所述光源模块1用于出射激光光束。

光源模块1为激光器，激光器可以是脉冲激光器，也可以是其他形式的激光器，只有能够输出激光光束，均适用于本发明。

所述发射接收模块3用于将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；所述光学接收机5用于接收并处理所述回波信号，以获取所述回波信号携带的目标信息，实现隐形目标或大气、海洋、陆地高分辨率多参数的探测。目标信息可以是大气参数信息，例如大气风速、能见度、特定气体或污染物的浓度等。对应于不同的目标信息，光学接收机5的结构和组成也不同。例如，当目标信息为大气风速时，光学接收机5可以包括法布里珀罗标准具。

当然，激光雷达还可以包括光电探测模块和模数转换模块和数据处理模块。光电探测模块用于将光学接收机5输出的光信号转换为电信号，模数转换模块用于将所述电信号转换为数字信号，数据处理模块用于根据预定的算法对所述数字信号进行处理，以获取目标信息。

当然，在光源模块1与发射接收模块3之间，还可以设置有光调制模块、光放大模块、分束器等光学器件。

所述机械臂模块4包括控制模块410、驱动机构420和机械臂430，所述机械臂430包括多个关节和多个臂体；所述多个臂体之间通过关节依次连接；每个所述臂体均能在驱动机构420的带动下转动和/或摆动。

所述发射接收模块3设置在所述机械臂430的末端；所述控制模块410用于向所述驱动机构420输出控制信号；所述驱动机构420用于根据所述控制信号驱动所述关节动作，以带动与关节连接的臂体动作；所述控制模块410包括扫描控制单元411，所述扫描控制单元411用于控制所述发射接收模块3以预定的扫描模式扫描。

所述发射接收模块3分别与所述光源模块1和光学接收机5通过传输光纤连接。

所述臂体包括外壳体，臂体的中部设置有空腔；所述发射接收模块3连接的传输光纤穿过所述臂体的空腔。

所述发射接收模块3包括发射望远镜32和接收望远镜33；所述发射望远镜32和接收望远镜33均设置在所述机械臂430的末端；所述传输光纤包括发射光纤62和接收光纤63，所述发射光纤62分别与发射望远镜32和光源模块1连接，所述接收光纤63分别与所述接收望远镜33和光学接收机5连接；所述发射光纤62和接收光纤63均穿过所述臂体的空腔。

在一种可替换的方案中，所述臂体包括实心的柱体；所述臂体的内部没有空腔，此时，所述传输光纤沿所述臂体的纵向方向延伸设置。例如，所述传输光纤贴附在所述臂体的外壁上。在具体的操作中，可以通过捆绑或粘贴等方式将传输光纤固定在所述臂体的外壁上。此时，所述发射光纤62和接收光纤63沿所述臂体的纵向方向延伸设置。

在另一种可替换的方案中，所述臂体包括至少一个支撑架，所述传输光纤沿所述臂体的至少一个支撑架的纵向方向延伸设置。例如，所述传输光纤贴附在至少一个所述支撑架上。在具体的操作中，可以通过捆绑或粘贴等方式将传输光纤固定在所述支撑架上。此时，所述发射光纤62和接收光纤63沿所述臂体的至少一个支撑架的纵向方向延伸设置。

当然，机械臂的具体形态可以是上述三种臂体中的任意一种或几种的组合，例如，机械臂可以同时包括带外壳体的臂体、带支撑架的臂体和包括实心柱体的臂体。需要说明的是，对应于不同形式的臂体，只要保证发射光纤62和接收光纤63沿机械臂的延伸方向设置即可；是否将发射光纤62和接收光纤63与臂体之间固定取决于臂体的形态以及相邻臂体的形态。例如，当实心柱体形态的臂体相邻的臂体为具有空腔的臂体时，发射光纤62和接收光纤63在穿过具有空腔的臂体时必然会贴附实心柱体形态的臂体，此时，不需要将发射光纤62和接收光纤63与实心柱体形态的臂体进行固定。当机械臂中有多个连续的实心柱体或支撑架时，为保证发射光纤62和接收光纤63不从臂体上脱落，可通过捆绑或粘贴等方式将传输光纤固定在臂体上。

在臂体外设置外壳体，能够有效地保护和支撑机械臂430。同时，由于设置外壳体，臂体的中部具有空腔，能够容纳发射光纤62和接收光纤63，同时能够避免发射光纤62和接收光纤63暴露在外界环境中，减少外界(如雨水、光、热)对光纤的损耗，延长发射光纤62和接收光纤63的寿命。另外，更为重要的是，由于本发明的机械臂430为连续的多关节机械臂430，各臂体之间依次连接、分别动作，在发射接收模块3在扫描的过程中，能够有效地避免发射光纤62和接收光纤63发生多次缠绕。

进一步地，所述控制模块410用于控制相邻的臂体之间的夹角为30度-180度。由于光纤是光导纤维，光纤的材料为玻璃或塑料。对光纤大角度的弯折，很容易折断光纤，并会影响光学性能，造成较大的传输损耗。因此，本发明的控制模块410的扫描控制单元411通过控制机械臂430的臂体之间动作分解和解耦合，将相邻的臂体之间的夹角控制在30度-180度，使光纤在两个臂体之间的夹角控制在30-180度之间。本发明的发明人经过实验发现：当光纤的夹角在30-180度之间时，对光纤的光学传输性能产生的影响较小。因此，本发明的控制模块410的扫描控制单元411通过控制机械臂430的臂体之间动作分解和解耦合，将相邻的臂体之间的夹角控制在30度-180度，能够保证传输光纤较好的传输性能的同时，避免或减小扫描过程中，光纤多次缠绕而引起信号在光纤中传输的损耗。

另外，控制模块410的扫描控制单元411通过控制机械臂430的臂体之间动作分解和解耦合，突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式。

本发明中的预定的扫描模式包括但不限于速度方位显示VAD(Velocity AzimuthDisplay)扫描、距离高度显示器RHI(Range Height Indicator)扫描、平面位置显示器PPI(Plan Position Indicator)扫描、螺旋形扫描、正弦形扫描或三角波形扫描。当然，只要为机械臂430设置足够数量的关节、臂体和自由度，扫描模式还可以是其他运动轨迹的扫描。

在具体的实现过程中，首先，激光雷达根据望远镜的形状重量，及需要实现的扫描模式，选型设计可满足要求的机械臂430；其次，将激光雷达的发射望远镜32和接收望远镜33集成到机械臂430中；最后，通过对机械臂430的关节或末端运行参数进行合理规划，生成机械臂430的运动轨迹，实现激光雷达的扫描。

下面，举例对本发明的基于多关节机械臂的激光雷达的工作方式进行说明。

图5是本发明实施例2提供的基于多关节机械臂的激光雷达VAD扫描模式的示意图；图中的弧线是发射望远镜32和接收望远镜33的运动轨迹，图中的虚线表示机械臂430在扫描过程在处于不同的位置。

图6是本发明实施例2提供的基于多关节机械臂的激光雷达RHI扫描模式的示意图；图中的弧线是发射望远镜32和接收望远镜33的运动轨迹，图中的虚线表示机械臂430在扫描过程在处于不同的位置。

如图5、图6所示，所述机械臂模块4包括依次连接的第一关节41、第一臂体42、第二关节43、第二臂体44、第三关节45和第三臂体46；所述发射接收模块3设置在所述第三臂体46的末端；

所述第一臂体42能够在第一关节41的带动下摆动和/或转动；

所述第二关节43设置在所述第一臂体42的末端；所述第二臂体44能够在第二关节43的带动下摆动和/或转动；

所述第三关节45设置在所述第二臂体44的末端；所述第三臂体46能够在第三关节45的带动下摆动和/或转动；

所述第一关节41、第二关节43和第三关节45能够在所述驱动机构420的驱动下绕多个角度的转动。

如图5所示，为实现激光雷达VAD扫描模式，一种可行的方案是：控制模块410的扫描控制单元411控制第一臂体42保持竖直状态，控制第二臂体44相对于第一臂体42的夹角为预定的第一夹角，并控制第一臂体42在第一关节41的带动下绕第一臂体42的中心轴线转动，从而实现发射望远镜32和接收望远镜33以VAD模式扫描。

需要说明的是，当VAD扫描模式的天顶角大于60度时，若以上述方式控制机械臂430动作，会造成第一臂体42和第二臂体44的夹角小于150度，影响光信号传输质量。为了解决该问题，控制模块410控制第一臂体42与第二臂体44之间具有大于或等于150度的第二夹角；同时，控制第三臂体46与第二臂体44之间具有大于或等于150度的第三夹角；通过第二夹角和第三夹角，使发射望远镜32和接收望远镜33的扫描角度为预定的天顶角。

如图6所示，为实现激光雷达RHI扫描模式，一种可行的方案是：

控制模块410的扫描控制单元411控制第一臂体42在第一关节41的带动下摆动，控制第二臂体44相对于第一臂体42的夹角为预定的第四夹角，控制第三臂体46相对于第二臂体44的夹角为预定的第五夹角，从而实现发射望远镜32和接收望远镜33以RHI模式扫描。

所述第一夹角、第二夹角、第三夹角、第四夹角和第五夹角的范围均为30度-180度。

当然，除了上述扫描方式外，还可以采用其他方式扫描，由于机械臂430的自由度多，可实现任意角度和方向的运动，因此，基于多关节机械臂的激光雷达扫描可实现复杂的扫描模式，如螺旋形、正弦形、三角波形等。图4是本发明实施例1提供的基于多关节机械臂的激光雷达三角波扫描模式的示意图；请参见图4所示，激光雷达通过采用机械臂430进行三角波形的扫描，其中，图中圆圈表示飞机尾流，通过三角波形扫描，可实现对飞机尾流的探测。

本发明的发明人通过研究发现，当激光雷达在运动平台工作时，如车载、机载、舰载、艇载和星载等平台，现有的激光雷达需额外配备陀螺仪，以获取雷达姿态；而且，由于现有的激光雷达扫描系统的扫描方式限制，其不能及时地有效地对激光雷达的姿态进行补偿。

为了解决上述技术问题，如图1所示，本发明的控制模块410包括姿态补偿单元412，所述姿态补偿单元412用于获取预设的目标方向，根据所述目标方向生成姿态补偿控制信号；所述驱动机构420用于根据所述姿态补偿信号驱动机械臂430动作，以使发射接收模块3朝向目标方向。

本发明通过姿态补偿单元412，实现姿态补偿，保证激光雷达在特定方向的凝视。实现激光雷达在运动平台的平稳工作，包括车载、机载、星载和舰载平台。

通过控制模块410的智能控制，机械臂430根据激光雷达的回波信号，调整激光雷达的扫描模式，以实现智能的激光雷达扫描。如当激光雷达水平扫描城市发现污染源时，可通过智能控制，调节机械臂430的运动轨迹，将激光雷达锁定在污染源附近，并制定新的扫描方案，从而锁定排放污染源的工厂。

综上所示，该发明利用机械臂430可实现灵活多变运动轨迹的优点，将激光雷达的光学望远镜集成到机械臂430中，一方面，机械臂430通过动作分解和解耦合，这突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式，另一方面，通过控制机械臂430的伺服控制系统，对激光雷达进行姿态补偿，实现激光雷达在特定方向的凝视，实现激光雷达在各复杂运动平台的平稳工作。

本发明实施例提供的基于多关节机械臂的激光雷达具有如下有益效果：

1、该发明利用机械臂可实现灵活多变运动轨迹的优点，将激光雷达的光学望远镜集成到机械臂中，通过动作分解和解耦合，突破了双轴式激光扫描仪扫描模式固定的缺点，可实现复杂的扫描模式，如螺旋形、正弦形、三角波形等。

2、该发明提出通过控制机械臂的伺服控制系统，对激光雷达进行姿态补偿，实现激光雷达在特定方向的凝视，实现激光雷达在各复杂运动平台的平稳工作。

3、基于应用于机械臂中的智能控制技术，激光雷达可实现智能的环境监测。

4、由于机械臂通过动作分解和解耦合，基于机械手臂的扫描头，避免或减小了扫描过程中，光纤多次缠绕，而引起信号在光纤中传输的大损耗。

5、主控模块通过控制相邻臂体之间的偏转角度保持在预定的范围内，从而保证在扫描过程中，传输光纤不会发生大角度偏折，有效地提高光纤的寿命和信号的传输质量，降低信号在光纤中的损耗。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，包括：光源模块、发射接收模块、光学接收机和机械臂模块，

所述光源模块用于出射激光光束；

所述发射接收模块用于将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的且携带大气参数信息的回波信号；

所述光学接收机用于接收并处理所述回波信号，以获取所述回波信号携带的目标信息；

所述机械臂模块包括控制模块、驱动机构和机械臂，所述机械臂包括多个关节和多个臂体；所述多个臂体之间通过关节依次连接；每个所述臂体均能在驱动机构的带动下转动和/或摆动；

所述发射接收模块设置在所述机械臂的末端；

所述控制模块用于向所述驱动机构输出控制信号；

所述驱动机构用于根据所述控制信号驱动所述关节动作，以带动与关节连接的臂体动作；

所述控制模块包括扫描控制单元以及姿态补偿单元，所述扫描控制单元用于控制所述发射接收模块以预定的扫描模式扫描；所述姿态补偿单元用于获取预设的目标方向，根据所述目标方向生成姿态补偿控制信号；所述驱动机构用于根据所述姿态补偿信号驱动机械臂动作，以使发射接收模块朝向目标方向；

其中，所述发射接收模块分别与所述光源模块和光学接收机通过传输光纤连接；所述臂体包括外壳体，臂体的中部设置有空腔；所述发射接收模块连接的传输光纤穿过所述臂体的空腔；所述控制模块用于控制相邻的臂体之间的夹角为30度-180度。

2.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，所述发射接收模块包括收发望远镜和环形器，所述收发望远镜设置在机械臂的末端；所述环形器分别与光源模块、收发望远镜和光学接收机连接；所述传输光纤包括收发传输光纤，所述收发传输光纤分别与收发望远镜和环形器连接；所述收发传输光纤穿过所述臂体的空腔。

3.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，所述发射接收模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜和接收望远镜均设置在所述机械臂的末端；所述传输光纤包括发射光纤和接收光纤，所述发射光纤分别与发射望远镜和光源模块连接，所述接收光纤分别与所述接收望远镜和光学接收机连接；所述发射光纤和接收光纤均穿过所述臂体的空腔。

4.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，所述发射接收模块分别与所述光源模块和光学接收机通过传输光纤连接；

所述臂体包括至少一个支撑架，所述传输光纤沿所述臂体的至少一个支撑架的纵向方向延伸设置。

5.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，所述发射接收模块分别与所述光源模块和光学接收机通过传输光纤连接；

所述臂体包括实心的柱体；所述传输光纤沿所述臂体的纵向方向延伸设置。

6.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，所述预定的扫描模式为VAD扫描、RHI扫描、PPI扫描、螺旋形扫描、正弦形扫描或三角波形扫描。

7.根据权利要求1所述的基于多关节机械臂的激光雷达，其特征在于，所述机械臂模块包括依次连接的第一关节、第一臂体、第二关节、第二臂体、第三关节和第三臂体；所述发射接收模块设置在所述第三臂体的末端；

所述第一臂体能够在第一关节的带动下摆动和/或转动；

所述第二关节设置在所述第一臂体的末端；所述第二臂体能够在第二关节的带动下摆动和/或转动；

所述第三关节设置在所述第二臂体的末端；所述第三臂体能够在第三关节的带动下摆动和/或转动。

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