CN109633607B - 一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统 - Google Patents

一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，包括顶板、转动系统、外壳结构系统和配重结构，所述转动系统包括方位驱动部件、方位镜箱结构、俯仰驱动部件、俯仰镜箱结构；所述方位驱动部件包括方位驱动电机、方位旋转轴；方位镜箱结构包括方位镜箱、方位反射镜座、方位反射镜；俯仰驱动部件包括俯仰旋转轴、俯仰驱动电机、同步带传动结构；俯仰镜箱结构包括俯仰反射镜座、俯仰反射镜和出光口结构，出光口结构固定安装于俯仰镜箱上；俯仰旋转轴的一轴端与俯仰镜箱连接，俯仰驱动电机通过同步带传动结构驱动俯仰旋转轴转动，带动俯仰镜箱转动，本发明实现了实现不同位置的精确定位以及达到不同的扫描速度。

Description

一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，特别涉及一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统。
背景技术
激光雷达对空域的探测扫描是通过其光束扫描系统实现的。为了获得多个方向的激光雷达激光回波信号，同时实现对空域的连续扫描，光束扫描系统应具有方位连续0°-360°、俯仰0°-360°的扫描运动能力，同时实现不同位置的精确定位以及达到不同的扫描速度。现有技术的激光雷达虽然能通过双轴转镜结构反馈方位及俯仰角信息、实现三维扫描，但是方位转镜结构和俯仰转镜结构上仍不完善，测量精度低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，实现不同位置的精确定位以及达到不同的扫描速度，适用范围广、能覆盖从小口径光学通道到大口径光学通道应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，包括顶板、转动系统、外壳结构系统和配重结构，转动系统安装于顶板上，
所述转动系统包括方位驱动部件、方位镜箱结构、俯仰驱动部件、俯仰镜箱结构和滑环结构；
所述方位驱动部件包括方位驱动电机、方位旋转轴、方位编码环、方位编码环读头，所述方位驱动电机通过蜗轮蜗杆结构驱动方位旋转轴转动；
所述方位镜箱结构包括方位镜箱、方位反射镜座、方位反射镜，所述方位旋转轴与方位镜箱固定连接；
所述俯仰驱动部件包括俯仰驱动箱、俯仰旋转轴、俯仰驱动电机、同步带传动结构、俯仰编码环，同步带传动结构的一端与俯仰驱动电机的输出端连接，另一端与俯仰旋转轴连接；
所述俯仰镜箱结构包括俯仰镜箱、俯仰反射镜座、俯仰反射镜和出光口结构，出光口结构固定安装于俯仰镜箱上；
所述俯仰编码环固定于俯仰旋转轴的轴端，俯仰旋转轴的另一轴端与俯仰镜箱连接，俯仰驱动电机通过同步带传动结构驱动俯仰旋转轴转动，带动俯仰镜箱转动。
进一步的，所述方位反射镜呈45°安装于方位旋转轴的轴线与俯仰旋转轴的轴线交汇处；所述俯仰反射镜呈45°安装于俯仰旋转轴的轴线与出光口的轴线交汇处。
进一步的，所述外壳结构系统包括方位轴外壳、配重端外壳、俯仰镜箱外壳和出光口外壳；所述方位轴外壳底部与顶板固定连接，左端与配重端外壳固定连接；所述俯仰镜箱外壳固定于俯仰旋转轴上，所述出光口外壳固定于俯仰镜箱外壳上。
进一步的，所述方位轴外壳底部设有方位轴外壳底座，所述方位轴外壳底座固定于顶板上。
进一步的，所述方位驱动部件还包括蜗轮蜗杆结构、滑环转接件、蜗轮蜗杆转台、滑环托架、蜗轮蜗杆转台托架、转台托架固定架；所述方位驱动电机和蜗轮蜗杆结构安装于蜗轮蜗杆转台上，蜗轮蜗杆转台固定于蜗轮蜗杆转台托架上，蜗轮蜗杆转台托架通过转台托架固定架与顶板固定连接。
进一步的，所述方位驱动部件还包括方位旋转轴限位法兰和方位旋转轴驱动法兰；所述方位旋转轴限位法兰套于方位旋转轴外侧、位于方位轴外壳底座内侧，与方位轴外壳底座密封配合；所述蜗轮蜗杆转台的上端面通过方位旋转轴驱动法兰与方位旋转轴螺栓连接。
进一步的，所述滑环转接件上设有缺口A，所述方位旋转轴限位法兰的内侧设有凸起B；所述方位旋转轴设有两个沟槽，一个沟槽A贯通轴向，与滑环转接件的缺口A位置相同；另一个沟槽B位于对侧，与方位旋转轴限位法兰的凸起B配合。
进一步的，所述滑环结构包括滑环旋转内环和滑环固定外环，滑环旋转内环通过滑环转接件与方位旋转轴相接，滑环固定外环通过滑环托架与蜗轮蜗杆转台托架固定连接。
进一步的，所述出光口结构包括出光口连接件、出光口玻璃架、出光口玻璃，所述出光口玻璃安装于出光口玻璃架上，所述出光口连接件与出光口玻璃架固定连接，并与俯仰镜箱固定连接。
进一步的，所述蜗轮蜗杆结构包括蜗轮、蜗杆、蜗杆架，蜗轮套于方位旋转轴外部，方位驱动电机的输出端通过联轴器与蜗杆连接。
与现有技术相比，本发明优点在于：
采用双轴转镜式结构，实现激光束的三维半球扫描，并能实现不同位置的精确定位以及达到不同的扫描速度；
本发明的俯仰驱动部件中俯仰旋转轴采用深沟球轴承与俯仰镜箱装配连接，俯仰驱动电机通过同步带传动结构驱动俯仰旋转轴转动；俯仰镜箱内有俯仰反射镜座，反射镜座上安装镀膜反射玻璃，出光口通过连接件与发射镜箱相接。滑环旋转内环通过滑环转接件与方位旋转轴相接，滑环固定外环通过滑环托架与转台托架连接固定。转台托架通过转台托架固定架与顶板固定；
主体结构紧凑、轻巧，环境适应性强，可固定安装于方舱、机箱、车载等移动式激光雷达。扫描转镜顶板直接固定于方舱、机箱、车厢等天花板面，激光发射及接收处理设备安装于方舱、机箱或车内，扫描转镜出射窗口/出光口采用密封窗保护，出射窗口/出光口处有高透光率的密封玻璃，其它相对运动处采用轴向台阶式与O型密封圈的密封结构，减少外部环境对反射镜的损坏，提高了扫描转镜的环境适应性。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明的内部结构示意图(去掉转动系统的外壳结构)；
图3为本发明的方位驱动部件装配示意图；
图4为方位驱动部件内部结构示意图(去掉顶板及滑环托架、蜗轮蜗杆转台托架)；
图5为蜗轮蜗杆转台的结构示意图(包含方位驱动电机图)；
图6为蜗轮蜗杆驱动方式的局部结构示意图；
图7为方位旋转轴的结构示意图；
图8为方位旋转轴限位法兰结构示意图；
图9为滑环转接件结构示意图；
图10为方位镜箱结构、俯仰驱动部件、俯仰镜箱结构的装配结构示意图；
图11为方位镜箱结构的内部结构示意图；
图12为俯仰驱动部件的内部结构示意图；
图13为方位反射镜与俯仰反射镜安装位置示意图。
图中，1.顶板；2.转动系统；4.配重结构；
21.方位驱动部件；210.转台托架固定架；211.方位旋转轴；211-1.沟槽A；211-2.沟槽B；212.方位旋转轴限位法兰；212-1.凸起B；213.方位旋转轴驱动法兰；214.方位编码环；215.方位编码环读头；216.滑环转接件；216-1.缺口A；217.蜗轮蜗杆转台；218.滑环托架；219.蜗轮蜗杆转台托架；220.方位驱动电机；2170.底座；2171.蜗杆架；2172.联轴器；2173.转台面；2174.蜗轮；2175.蜗杆；
22.方位镜箱结构；221.方位反射镜座；222.方位反射镜；223.方位镜箱；
23.俯仰驱动部件；231.俯仰旋转轴；232.深沟球轴承；233.俯仰驱动电机；234.同步带传动结构；235.俯仰编码环；236.俯仰编码环读头底座；237.俯仰驱动箱；
24.俯仰镜箱结构；240.俯仰镜箱；241.俯仰反射镜座；242.俯仰反射镜；243.出光口连接件；244.出光口玻璃架；246.出光口玻璃；
25.滑环结构；31.方位轴外壳；32.配重端外壳；33.俯仰镜箱外壳；34.方位轴外壳底座；35.出光口外壳。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和2所示，激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，包括顶板1、转动系统2、外壳结构系统和配重结构4，转动系统2安装于顶板1上，配重结构4为配重棒，安装于转动系统2一侧。转动系统2包括方位驱动部件21、方位镜箱结构22、俯仰驱动部件23、俯仰镜箱结构24和滑环结构25。
本发明的方位旋转通过蜗轮蜗杆驱动，俯仰旋转通过同步带驱动。
如图3-4所示，方位驱动部件21包括方位驱动电机220、方位旋转轴211、方位编码环214、方位编码环读头215，所述方位驱动电机220通过蜗轮蜗杆结构驱动方位旋转轴211转动。
方位驱动部件21还包括滑环转接件216、蜗轮蜗杆转台217、滑环托架218、蜗轮蜗杆转台托架219、转台托架固定架210。方位驱动电机220和蜗轮蜗杆结构安装于蜗轮蜗杆转台217上，蜗轮蜗杆转台217固定于蜗轮蜗杆转台托架219上，蜗轮蜗杆转台托架219通过转台托架固定架210与顶板1固定连接。
如图5所示，蜗轮蜗杆转台217包括底座2170、转台面2173，蜗轮蜗杆结构安装在底座2170上。其中，此处方位旋转由蜗轮蜗杆结构驱动的方式采用现有技术，如图4和5、6所示，蜗轮蜗杆结构包括蜗轮2174、蜗杆2175、蜗杆架2171，蜗杆架2171用于安装蜗杆2175，蜗轮2174套于方位旋转轴211外部，方位驱动电机220的输出端通过联轴器2172与蜗杆2175连接，蜗杆2175与蜗轮2174配合转动，带动转台面2173转动，此处不再详细赘述。
如图3-4所示，滑环结构25包括滑环旋转内环和滑环固定外环，具体结构为现有技术，此处不再赘述。滑环旋转内环通过滑环转接件216与方位旋转轴211相接，滑环固定外环通过滑环托架218与蜗轮蜗杆转台托架219固定连接。
方位驱动部件21还包括方位旋转轴限位法兰212和方位旋转轴驱动法兰213；所述方位旋转轴限位法兰212套于方位旋转轴211外侧、位于方位轴外壳底座34内侧，与方位轴外壳底座34密封配合；结合图6可知，蜗轮蜗杆转台217的上端面即转台面2173通过方位旋转轴驱动法兰213与方位旋转轴211螺栓连接，转台回转结构采用交叉滚子轴承旋转，减小方位旋转转台垂直高度。
如图9所示的滑环转接件216上设有缺口A 216-1，如图8所示的方位旋转轴限位法兰212的内侧设有凸起B 212-1；如图7所示的方位旋转轴211设有两个沟槽，一个沟槽A211-1贯通轴向，与滑环转接件216的缺口A 216-1位置相同，用于上部控制线缆通过该沟槽与滑环旋转端线缆相接；另一个沟槽B 211-2位于对侧，与方位旋转轴限位法兰212的凸起B212-1配合。方位旋转轴限位法兰212通过密封圈以及迷宫式密封结构与方位轴外壳底座34配合，该限位法兰与方位外壳通过螺栓固定连接，方位轴外壳底座34通过螺栓与顶板1连接。
如图10和11所示，方位镜箱结构22包括方位镜箱223、位于方位镜箱223内的方位反射镜座221和方位反射镜222，方位镜箱223左侧为方位镜箱端盖，方位反射镜座221与端盖固定连接，方位反射镜222安装于方位反射镜座221上，方位旋转轴211与方位镜箱223固定连接。
如图10和12所示，俯仰驱动部件23包括俯仰驱动箱237、俯仰旋转轴231、深沟球轴承232、俯仰驱动电机233、同步带传动结构234、俯仰编码环235、俯仰编码环读头底座236；同步带传动结构234包括同步带小轮234-1、同步带234-2、同步带大轮234-3，俯仰驱动电机233的输出端与同步带小轮234-1连接，同步带大轮234-3位于俯仰旋转轴231外侧，与俯仰旋转轴231连接，传送动力。俯仰旋转轴231采用深沟球轴承232与俯仰镜箱结构24装配连接。
如图10所示，俯仰镜箱结构24包括俯仰镜箱240、俯仰反射镜座241、俯仰反射镜242和出光口结构，出光口结构固定安装于俯仰镜箱240上。出光口结构包括出光口连接件243、出光口玻璃架244、出光口玻璃246，出光口玻璃246安装于出光口玻璃架244上，出光口连接件243与出光口玻璃架244固定连接，并与俯仰镜箱240固定连接。
再结合图10和图12所示，俯仰编码环235通过螺栓固定于俯仰旋转轴231的轴端，俯仰旋转轴231的另一轴端与俯仰镜箱240连接，俯仰编码环读头底座236固定在俯仰驱动箱237上，俯仰驱动电机233通过同步带传动结构234驱动俯仰旋转轴231转动，带动俯仰镜箱240转动。
再结合图1所示，本发明的外壳结构系统采用树脂材料，其他结构采用铝合金材料。外壳结构系统包括方位轴外壳31、配重端外壳32、俯仰镜箱外壳33和出光口外壳35；方位轴外壳31底部设有方位轴外壳底座34，方位轴外壳底座34与方位轴外壳31通过槽结构配合装配，方位轴外壳底座34固定于顶板1上，左端与配重端外壳32采用螺栓固定连接；俯仰镜箱外壳33通过螺栓固定于俯仰旋转轴231上，所述出光口外壳35固定于俯仰镜箱外壳33上。
如图13所示，本发明的方位反射镜222呈45°安装于方位旋转轴211的轴线与俯仰旋转轴231的轴线交汇处；所述俯仰反射镜242呈45°安装于俯仰旋转轴231的轴线与出光口的轴线交汇处。
双轴光学扫描转镜传动原理：在雷达工作时，激光束经方位与俯仰反射镜的两次反射由出光口射出，返回的光信号通过出光口、经俯仰与反射镜的两次反射后由望远镜接受。从滑环中轴进入的发射光束方位反射镜反射至俯仰反射镜，再次俯仰反射镜反射后由出光口射出。由于俯仰反射镜相对于方位反射镜可作回转运动，因此由方位反射镜反射过来的光束也随之作旋转扫描运动。同理方位反射镜相对底座做方位回转运动时，光束随之作方位扫描。方位-俯仰运动的组合就完成了激光束的三维半球扫描。
为提高扫描转镜的定位精度，本发明的扫描转镜的方位和俯仰轴上安装有编码环，通过读取编码环位置，实时反馈双轴旋转角度与速度，通过运动控制卡控制电机旋转角度与速度，同时实现不同位置的精确定位以及达到不同的扫描速度。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，包括顶板(1)、转动系统(2)、外壳结构系统和配重结构(4)，转动系统(2)安装于顶板(1)上，其特征在于：所述转动系统(2)包括方位驱动部件(21)、方位镜箱结构(22)、俯仰驱动部件(23)、俯仰镜箱结构(24)和滑环结构(25)；所述方位驱动部件(21)包括方位驱动电机(220)、方位旋转轴(211)、方位编码环(214)、方位编码环读头(215)，所述方位驱动电机(220)通过蜗轮蜗杆结构驱动方位旋转轴(211)转动；所述方位镜箱结构(22)包括方位镜箱(223)、方位反射镜座(221)、方位反射镜(222)，所述方位旋转轴(211)与方位镜箱(223)固定连接；所述俯仰驱动部件(23)包括俯仰驱动箱(237)、俯仰旋转轴(231)、俯仰驱动电机(233)、同步带传动结构(234)、俯仰编码环(235)，同步带传动结构(234)的一端与俯仰驱动电机(233)的输出端连接，另一端与俯仰旋转轴(231)连接；所述俯仰镜箱结构(24)包括俯仰镜箱(240)、俯仰反射镜座(241)、俯仰反射镜(242)和出光口结构，出光口结构固定安装于俯仰镜箱(240)上；所述俯仰编码环(235)固定于俯仰旋转轴(231)的轴端，俯仰旋转轴(231)的另一轴端与俯仰镜箱(240)连接，俯仰驱动电机(233)通过同步带传动结构(234)驱动俯仰旋转轴(231)转动，带动俯仰镜箱(240)转动；
所述方位反射镜(222)呈45°安装于方位旋转轴(211)的轴线与俯仰旋转轴(231)的轴线交汇处；所述俯仰反射镜(242)呈45°安装于俯仰旋转轴(231)的轴线与出光口的轴线交汇处；
所述外壳结构系统包括方位轴外壳(31)、配重端外壳(32)、俯仰镜箱外壳(33)和出光口外壳(35)；所述方位轴外壳(31)底部与顶板(1)固定连接，左端与配重端外壳(32)固定连接；所述俯仰镜箱外壳(33)固定于俯仰旋转轴(231)上，所述出光口外壳(35)固定于俯仰镜箱外壳(33)上。
2.根据权利要求1所述的激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，其特征在于：所述方位轴外壳(31)底部设有方位轴外壳底座(34)，所述方位轴外壳底座(34)固定于顶板(1)上。
3.根据权利要求2所述的激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，其特征在于：所述方位驱动部件(21)还包括蜗轮蜗杆结构、滑环转接件(216)、蜗轮蜗杆转台(217)、滑环托架(218)、蜗轮蜗杆转台托架(219)、转台托架固定架(210)；所述方位驱动电机(220)和蜗轮蜗杆结构安装于蜗轮蜗杆转台(217)上，蜗轮蜗杆转台(217)固定于蜗轮蜗杆转台托架(219)上，蜗轮蜗杆转台托架(219)通过转台托架固定架(210)与顶板(1)固定连接。
4.根据权利要求3所述的激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，其特征在于：所述方位驱动部件(21)还包括方位旋转轴限位法兰(212)和方位旋转轴驱动法兰(213)；所述方位旋转轴限位法兰(212)套于方位旋转轴(211)外侧、位于方位轴外壳底座(34)内侧，与方位轴外壳底座(34)密封配合；所述蜗轮蜗杆转台(217)的上端面通过方位旋转轴驱动法兰(213)与方位旋转轴(211)螺栓连接。
5.根据权利要求4所述的激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，其特征在于：所述滑环转接件(216)上设有缺口A，所述方位旋转轴限位法兰(212)的内侧设有凸起B；所述方位旋转轴(211)设有两个沟槽，一个沟槽A贯通轴向，与滑环转接件(216)的缺口A位置相同；另一个沟槽B位于对侧，与方位旋转轴限位法兰(212)的凸起B配合。
6.根据权利要求1所述的激光雷达大口径双轴光学扫描转镜系统，其特征在于：所述出光口结构包括出光口连接件(243)、出光口玻璃架(244)、出光口玻璃(246)，所述出光口玻璃(246)安装于出光口玻璃架(244)上，所述出光口连接件(243)与出光口玻璃架(244)固定连接，并与俯仰镜箱(240)固定连接。
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