CN109884769A - 一种高精度目标指向装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度目标指向装置，包括相机、棱镜模块和用于控制棱镜模块的控制驱动模块，棱镜模块包括棱镜模块外壳和置于棱镜模块外壳内的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，其特征在于，棱镜模块还包括第一镜框、第二镜框、第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承，第一镜框通过第一轴承和第二轴承旋接于棱镜模块外壳内，第二镜框通过第三轴承和第四轴承旋接于棱镜模块外壳内，第一楔形棱镜和第二楔形棱镜分别固定于第一镜框和第二镜框内。与现有技术相比，本发明相比于传统的相机+转台的工作方式，通过使用旋转双棱镜装置实现更高精度与平稳性的视轴调整与指向。同时采用了双轴承结构，进一步提升了转动时的稳定性。

Description

一种高精度目标指向装置

技术领域

本发明涉及光学机械，尤其是涉及一种高精度目标指向装置。

背景技术

旋转双棱镜机构在精密光电跟踪领域中具有广泛的用途。可以实现高精度的光学跟踪、扫描、以及相机视场的扩大，光学避障，激光通信等。

例如中国专利CN1713028A提出了直线电机直接顶进驱动的方式,运动中属于变负载系统，不仅控制精度难以保证，而且难以克服回位弹簧和顶杆等在运动中产生的摩擦和影响。

此外，中国专利CN103149686B提出了同步带驱动旋转棱镜的结构。其主要描述了单个棱镜的同步带驱动机构，组成双棱镜系统时需要两套装置对中布置。其伺服电机外置，通过联轴器连接小带轮，不仅占用空间大，造型不美观实用，而且十分容易受到外界干扰，造成元件受扰动，影响控制精度。由于双棱镜分体布置，难以保证较高的同心度，会引起一定的对中误差。此外，其轴承通过挡圈固定，造成装置轴向尺寸增大，棱镜中心距增大，棱镜可用径向尺寸减小。

另外，中国专利CN108188806A提出了改进的同步带驱动旋转棱镜机构。而同步带装置在低速运行时会产生抖动。此外，壳体的设计无法最大程度地保证双棱镜的同心度，且由于驱动控制电路外置以及棱镜尺寸选定欠佳，装置的精度下降而体积增大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高精度目标指向装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高精度目标指向装置，包括相机、棱镜模块和用于控制棱镜模块的控制驱动模块，所述棱镜模块包括棱镜模块外壳和置于棱镜模块外壳内的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，所述棱镜模块还包括第一镜框、第二镜框、第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承，所述第一镜框通过第一轴承和第二轴承旋接于棱镜模块外壳内，所述第二镜框通过第三轴承和第四轴承旋接于棱镜模块外壳内，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜分别固定于第一镜框和第二镜框内。

所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜均通过胶水分别粘合于第一镜框和第二镜框内。

所述棱镜模块外壳上设有用于限制第一轴承、第二轴承、第三轴承和第四轴承沿楔形棱镜轴向移动的多个台阶支撑面。

所述第一轴承和棱镜模块外壳之间还设有第一轴用弹性挡圈，所述第四轴承和棱镜模块外壳之间还设有第二轴用弹性挡圈。

所述控制驱动模块包括控制器、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第一电机和第二电机，所述第一电机驱动模块和第二电机驱动模块的输入端均连接至控制器，输出端分别连接至第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机分别通过第一齿轮组和第二齿轮组连接至第一镜框和第二镜框。

所述控制驱动模块还包括无线传输模块，该无线传输模块与控制器连接。

所述控制驱动模块还包括分别用于采集第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的转角的第一编码器和第二编码器，所述第一编码器和第二编码器均与控制器连接。

所述相机为安装有红外灯板的相机。

所述第一编码器和第二编码器为绝对值编码器，并分别固定于第一齿轮组和第二齿轮组的磁环上。

所述第一电机和第二电机均为集成减速箱的步进电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)相比于传统的相机+转台的工作方式，通过使用旋转双棱镜装置实现更高精度与平稳性的视轴调整与指向。同时采用了双轴承结构，进一步提升了转动时的稳定性。

2)而相比于在先技术，本申请使用的外壳为一体式的，显著地提升了双棱镜的同心度，从而提升了视轴调整的精度。

3)降低了视轴调整过程中的抖动，缩减了体积并集成了低照度成像、无线传输等功能。

4)将控制驱动模块与机械装置集成在一起，结构更紧凑、空间占用小，方便安装与使用且降低了成本。

5)使用了无线模块，并在内部安装电池，从而可以远程、无线地接受图像信息和编码器反馈，并实时地进行调节。相比在先技术其灵活性更高。

6)将双棱镜封装入一个外壳内，且外壳为整体加工，相比分体式安装的外壳，提升了同心度且避免了外部因素对于装配位置的干扰，从而提升了装置的安装精度，提升了扫描精度。

7)绝对值编码器，可以准确获取棱镜的转角，而不用在系统重启后再标定，提升了装置的易用性。

8)采用了齿轮传动，相比同步带传动更稳定、精确、紧凑。

9)通过采用红外模块，可以在低照度和夜晚正常工作。

10)可以通过更换相机安装法兰，安装激光器、工业相机或激光雷达等元件，实现各种应用。

附图说明

图1为本发明高精度目标指向装置的内部结构图；

图2为本发明棱镜模块的剖视图；

图3为光路示意图；

其中：1、控制器，2、第一电机驱动模块，3、无线传输模块，4、第二电机驱动模块，5、相机，6、第一编码器，7、第二编码器，8、棱镜模块外壳，9、相机安装法兰，10、第一编码器安装法兰，11、第二编码器安装法兰，12、第一电机安装法兰，13、第二电机安装法兰，14、第一电机，15、第二电机，16、第一齿轮组，17、第二齿轮组，18、第一轴用弹性挡圈，19、第二轴用弹性挡圈，20、第一轴承，21、第二轴承，22、第三轴承，23、第四轴承，24、第一楔形棱镜，25、第二楔形棱镜，26、第一镜框，27、第二镜框，28、台阶支撑面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种高精度目标指向装置，如图1和图2所示，包括相机15、棱镜模块和用于控制棱镜模块的控制驱动模块，以及一些安装法兰，各个模块通过铜柱安装在棱镜箱体外壳的各个表面上，从而实现紧凑、高集成的安装，棱镜模块包括棱镜模块外壳8和置于棱镜模块外壳8内的第一楔形棱镜24和第二楔形棱镜25，棱镜模块还包括第一镜框26、第二镜框27、第一轴承21、第二轴承22、第三轴承23和第四轴承24，第一镜框26通过第一轴承21和第二轴承22旋接于棱镜模块外壳8内，第二镜框27通过第三轴承23和第四轴承24旋接于棱镜模块外壳8内，第一楔形棱镜24和第二楔形棱镜25分别固定于第一镜框26和第二镜框27内。

整个棱镜模块外壳8不采用上下或左右分开的方式，而是保持一个整体进行其中轴承、镜框等元件的安装，从而减小了加工时的误差，最大程度地确保了双棱镜的同心度，即目标指向扫描时的精度。四个轴承两两一组安装在两个镜框，即采用双轴承的固定方式，提高了转动的稳定性。

第一楔形棱镜24和第二楔形棱镜25均通过胶水分别粘合于第一镜框26和第二镜框27内，双棱镜通过胶水粘合在镜框内壁内从而略去了楔形挡圈的使用，缩减了棱镜模块的轴向尺寸，而由于棱镜模块轴向尺寸的缩小，相机成像时更不容易产生视场遮挡，从而可以采用更小的棱镜进一步缩减装置的体积，提升了装置安装配置时的灵活性并节约了成本。

棱镜模块外壳8上设有用于限制第一轴承21、第二轴承22、第三轴承23和第四轴承24沿楔形棱镜轴向移动的多个台阶支撑面28。

第一轴承21和棱镜模块外壳8之间还设有第一轴用弹性挡圈18，第四轴承24 和棱镜模块外壳8之间还设有第二轴用弹性挡圈19。

控制驱动模块包括控制器1、第一电机驱动模块2、第二电机驱动模块4、第一电机14和第二电机15，第一电机驱动模块2和第二电机驱动模块4的输入端均连接至控制器1，输出端分别连接至第一电机14和第二电机15，第一电机14和第二电机15分别通过第一齿轮组16和第二齿轮组17连接至第一镜框26和第二镜框 27。齿轮的内侧开口处进行了斜角加工，用于避免当视轴偏转角达到最大值时齿轮内圈遮挡视场。

通过光路仿真与计算，得出了一个广泛适用于常规相机及镜头的棱镜尺寸，在确保得到大视场偏转角的同时避免视场的遮挡，并结合该棱镜对的尺寸进行了其他元件选型及设计的优化。

控制驱动模块还包括无线传输模块3，该无线传输模块3与控制器1连接，无线模块3通过铜柱安装在棱镜模块外壳8上，从而使得相机的图像信号、电机的控制信号、编码器的反馈信号灯均可以无线传输。当使用内部电池时，可以在无线模块工作范围内实现无线运行。相比在先技术的多条引出线，本装置的连接与控制方式更便利且多样。

控制驱动模块还包括分别用于采集第一楔形棱镜24和第二楔形棱镜25的转角的第一编码器6和第二编码器7，第一编码器6和第二编码器7均与控制器1连接，第一编码器6和第二编码器7为绝对值编码器，并分别固定于第一齿轮组16和第二齿轮组17的磁环上，由于使用了小体积的绝对值编码器6、7，通过固定在齿轮上的磁环进行角度反馈.该编码器空间占用小，无需为安装而进一步扩大装置整体体积。同时，绝对值编码器可以准确地获取棱镜的转角，而不用在系统重启后对棱镜转角进行再标定，很大程度地提升了装置的易用性。

相机15为安装有红外灯板的相机，在低照度环境或夜晚时，依旧可以保持装置的正常使用。同时，通过更换相机安装法兰，可以实现各类元件，如激光器、工业相机、激光雷达等与旋转双棱镜的融合使用，拓展了应用领域。

第一电机14和第二电机15均为集成减速箱的步进电机，使用了集成减速箱的步进电机14、15。电机可以在提供大扭矩和高精度的前提下对目标进行快速指向。此外，电机使用的驱动模块2、4的空间占用体积同样较小，不会影响到其余元件的安装。

参见图1，根据常用相机及镜头的型号，选定楔形棱镜的尺寸。结合进行棱镜模块的初步设计并根据使用元件的数量与类型需求，选定控制器1，通过铜柱安装在棱镜模块外壳8上。无线模块3和两个电机驱动模块2、4同样通过铜柱安装。编码器6、7安装在编码器安装法兰10、11上，通过固定在齿轮上的磁环以实现反馈。相机5通过相机安装法兰9安装在棱镜模块外壳8的前面，可以通过更换法兰以实现与不同光学元件的连接。

参见图2，两个齿轮组16、17通过螺钉安装在镜框26、27上。镜框26、27 上过盈安装了轴承20、21、22、23，并统一安装在棱镜模块外壳8内部。使用双轴承进一步提升了转动时的稳定性。通过台阶面以及孔用弹性挡圈18、19对轴承的位置进行固定。机械传动方面，小齿轮通过过盈配合安装在电机14，15的轴上，而电机14、15通过12、13两个电机安装法兰固定在棱镜模块外壳8上。棱镜模块8在与电机安装法兰12、13的连接处留有开口，为大齿轮与小齿轮的啮合留出空间。随着电机14、15的转动，小齿轮同轴转动，而与之啮合的大齿轮也相应转动，从而最终带动镜框26,27以及用胶水固定在镜框内的棱镜24、25转动，从而实现了视轴调整

棱镜模块与控制驱动模块统一安装在装置外壳内，而无线模块的天线从外壳的侧面中延伸出来，以实现无线信号的交换。在外壳上还装有红外灯模块，用以在低照度或夜间情况下进行补光。

参见图3，采用小孔成像模型以说明本专利的工作原理。将相机的视场模拟为光线束。其经过棱镜1后，由于折射，视轴指向角度发生改变(最初为水平向右，经过折射后视轴指向顺时针旋转了相应角度)，并继续经过棱镜2的折射产生进一步的视轴改变。通过两次棱镜的折射，相机的视轴角度得到了改变。而通过改变棱镜转角的组合可以实现不同的视轴指向，最终覆盖空间内一个接近实心圆的区域。

结合图1-图3，本申请的具体运行过程为：电机14、15通过齿轮传动带动镜框26、27及其内部的楔形棱镜24、25转动。通过棱镜转角的不同组合以产生不同的视轴指向，实现对目标或目标区域的指向与跟踪。本申请装置还可以安装在吊舱内或者二维转台上，以实现在机载或车载平台上的应用。

Claims (10)

1.一种高精度目标指向装置，包括相机(15)、棱镜模块和用于控制棱镜模块的控制驱动模块，所述棱镜模块包括棱镜模块外壳(8)和置于棱镜模块外壳(8)内的第一楔形棱镜(24)和第二楔形棱镜(25)，其特征在于，所述棱镜模块还包括第一镜框(26)、第二镜框(27)、第一轴承(21)、第二轴承(22)、第三轴承(23)和第四轴承(24)，所述第一镜框(26)通过第一轴承(21)和第二轴承(22)旋接于棱镜模块外壳(8)内，所述第二镜框(27)通过第三轴承(23)和第四轴承(24)旋接于棱镜模块外壳(8)内，所述第一楔形棱镜(24)和第二楔形棱镜(25)分别固定于第一镜框(26)和第二镜框(27)内。

2.根据权利要求1所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述第一楔形棱镜(24)和第二楔形棱镜(25)均通过胶水分别粘合于第一镜框(26)和第二镜框(27)内。

3.根据权利要求1所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述棱镜模块外壳(8)上设有用于限制第一轴承(21)、第二轴承(22)、第三轴承(23)和第四轴承(24)沿楔形棱镜轴向移动的多个台阶支撑面(28)。

4.根据权利要求1所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述第一轴承(21)和棱镜模块外壳(8)之间还设有第一轴用弹性挡圈(18)，所述第四轴承(24)和棱镜模块外壳(8)之间还设有第二轴用弹性挡圈(19)。

5.根据权利要求1所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述控制驱动模块包括控制器(1)、第一电机驱动模块(2)、第二电机驱动模块(4)、第一电机(14)和第二电机(15)，所述第一电机驱动模块(2)和第二电机驱动模块(4)的输入端均连接至控制器(1)，输出端分别连接至第一电机(14)和第二电机(15)，所述第一电机(14)和第二电机(15)分别通过第一齿轮组(16)和第二齿轮组(17)连接至第一镜框(26)和第二镜框(27)。

6.根据权利要求5所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述控制驱动模块还包括无线传输模块(3)，该无线传输模块(3)与控制器(1)连接。

7.根据权利要求5所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述控制驱动模块还包括分别用于采集第一楔形棱镜(24)和第二楔形棱镜(25)的转角的第一编码器(6)和第二编码器(7)，所述第一编码器(6)和第二编码器(7)均与控制器(1)连接。

8.根据权利要求1所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述相机(15)为安装有红外灯板的相机。

9.根据权利要求7所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述第一编码器(6)和第二编码器(7)为绝对值编码器，并分别固定于第一齿轮组(16)和第二齿轮组(17)的磁环上。

10.根据权利要求7所述的一种高精度目标指向装置，其特征在于，所述第一电机(14)和第二电机(15)均为集成减速箱的步进电机。