CN112179348B - 一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，旋转座沿中轴线设置中心通孔；旋转座内部沿中轴线设置有安装通孔，旋转座的中心通孔和安装通孔同轴形成光路通孔；安装通孔的一端设置点激光束发生装置，另一端设置用于产生两束相互垂直的径向光束的双扇形激光平面发生装置；旋转座上沿两径向光束分别设置有激光通孔，激光通孔的激光入射侧设置有鲍威尔棱镜，另一侧设置有配重元件；传动机构包括伺服电机、锥套和一对深沟球轴承，旋转座的两端分别套设在一对深沟球轴承内，伺服电机的电机轴顶部通过锥套同轴插入旋转座的驱动端连接驱动；非接触供电装置套设在电机输出轴上，用于为点激光束发生装置无线供电。

Description

一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构

技术领域

本发明涉及大尺寸空间测量技术领域，特别是涉及一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构。

背景技术

随着航空、航天、船舶和大型电站等领域在制造装配过程中对大型部件精确定位和位置实时测控的要求不断提高，大尺寸测量技术在工业生产中的应用越来越广泛。近几年，以经纬仪作为传感器，用两台或两台以上经纬仪配合计算机及相应的硬件、软件所组成的空间坐标测量系统在工程测量以及计量学中得到广泛的应用。

传统的激光经纬仪测量系统在每次测量时都需要人工对准，这样不仅会降低工作效率，而且会人为引入误差。旋转激光自动经纬仪定位系统基于空间交汇原理，是今年来发展起来的新型分布式大尺寸测量系统，包括经纬仪网络、光电探测系统、同步光基站、嵌入式信号处理器和工控机五大部分，广泛应用在航空、航天、船舶和大型电站等大型机械设备的制造装配领域，测量范围大，测量精度高，测量时间短。

针对全空间无死角的无人机轨迹定位问题，旋转激光自动经纬仪定位系统由于其固定的激光扫描基站俯仰角达不到全空间覆盖，运用上受到了很大限制。因此在旋转激光自动经纬仪定位系统的基础上，构建了光电传感定位网络系统。即在空间布置大量光电接收器，组成光电传感网络，无人机上安装激光扫描机构，即可实现无人机三维空间定位。在光电传感网络定位网络中，激光扫描机构的旋转精度和动平衡性，以及扇形激光平面的平面度和均匀性直接决定了系统的定位精度，另外体积及重量都要求足够小，在无人机可承受的负荷之内。然而现有的旋转激光自动经纬仪定位系统技术中，发射头难以保证其结构的质心和回转中心重合，动平衡性较差；发射头的线激光发生器一般采用圆柱棱镜，其线激光的直线度和均匀性较差，难以满足高精度测量的要求。例如，中国专利文献“一种双扇形旋转激光自动经纬仪装置”(申请号201710129828.0)，该专利申请公开了一种双扇形旋转激光自动经纬仪装置的发射头结构，其结构的质心和回转中心不重合，动平衡性较差；另外专利文献“一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头”(专利号：ZL201910759939.9)，虽然光线质量有所提高，但是其体积庞大，一束光路就需一个准直透镜组，而且发射头的悬臂梁模型在高速旋转时稳定性不可靠。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，结构简单，设计合理，定心精度高，满足激光扫描的动平衡性和轻量化要求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，包括旋转座、点激光束发生装置、双扇形激光平面发生装置、非接触供电装置和传动机构；

所述旋转座沿中轴线设置中心通孔；旋转座内部沿中轴线设置有安装通孔，旋转座的中心通孔和安装通孔同轴形成光路通孔；安装通孔的一端设置点激光束发生装置，另一端设置用于产生两束相互垂直的径向光束的双扇形激光平面发生装置；旋转座上沿两径向光束分别设置有激光通孔，激光通孔的激光入射侧设置有鲍威尔棱镜，另一侧设置有配重元件；

所述的传动机构包括伺服电机、锥套和一对深沟球轴承，旋转座的两端分别套设在一对深沟球轴承内，伺服电机的电机轴顶部通过锥套同轴插入旋转座的驱动端连接驱动；

所述的非接触供电装置套设在电机输出轴上，用于为点激光束发生装置无线供电。

优选的，所述的点激光束发生装置包括激光二极管、二极管散热座、准直透镜组和套筒；所述激光二极管安装在二极管散热座中，二极管散热座通过螺纹连接在安装通孔的一端；所述准直透镜组从激光入射到出射依次包括两平凸透镜、平凹透镜、光阑和双凸透镜；各透镜之间利用套筒分隔固定；非接触供电装置用于为激光二极管无线供电。

优选的，所述的双扇形激光平面发生装置沿着旋转座安装通孔从激光入射到出射依次安装固定立方体分光镜、五角棱镜和顶盖；点激光束发生装置产生的入射激光沿同轴轴线射入，经立方体分光镜分成向上的第一径向光束和轴向光束，轴向光束经五角棱镜反射形成第二径向光束。

进一步，安装通孔激光出射端设置阶梯孔固定立方体分光镜和五角棱镜，五角棱镜压紧立方体分光镜轴向光束出射端面限位；旋转座上设置有径向的紧固螺栓顶紧立方体分光镜侧面限位。

进一步，顶盖端面中部设置定位凹槽，五角棱镜镶嵌固定在定位凹槽中。

再进一步，五角棱镜包括依次设置的五个侧面；第一侧面为激光入射面，垂直安装通孔轴线设置；第二侧面为激光出射面，垂直第二径向光束对应的激光通孔轴线设置；第三、四侧面为第一、二反射面，嵌入顶盖定位凹槽固定；第五侧面为第三反射面，倾斜设置在第二径向光束对应的激光通孔内。

优选的，锥套的大端同轴套设在伺服电机上，中心与伺服电机的电机输出轴通过紧定螺栓紧固，锥套的小端同轴嵌入旋转座驱动端的连接凹槽内，通过紧定螺钉与旋转座紧固。

优选的，非接触供电装置包括固定在电机输出轴上的尼龙垫圈，以及用于给激光二极管供电的非接触线圈供电装置；非接触线圈供电装置包括无线供电接收模块和发射模块，发射模块包括发射线圈，发射线圈通过发射线圈座固定设置在伺服电机上，无线供电接收模块包括接收线圈，连接激光二极管供电的接收线圈以回转中心线为中心固定在尼龙垫圈上，尼龙垫圈位于锥套和伺服电机之间。

优选的，第一径向光束和第二径向光束分别经对应的鲍威尔棱镜产生两束扇形激光平面，两束扇形激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负度。

优选的，旋转座的自由端设置旋转座端盖；伺服电机和一对深沟球轴承均固定在安装座上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过激光扫描机构的轴承支撑和锥套结构保证了动力传递的稳定性，通过激光扫描机构旋转座可调节的配重元件保证了激光扫描机构旋转座质心经过回转中心线，进而保证了激光扫描机构的旋转精度和动平衡性。与圆柱棱镜相比，鲍威尔棱镜保证了扇形激光平面的平面度和光线的均匀性。本发明从装置结构上提高了激光扫描机构转动的动平衡性和射出扇形激光平面的平面度，因此在本质上提高了目标点的测量精度。

进一步的，激光扫描机构发出激光平面与竖直平面保证正负30度夹角，因此两激光平面同时相交于旋转轴上的点正是两条光路中心线的交点；从而能够采用空间平面的交会原理，通过底面布置的光电传感器采集经纬仪激光扫描机构发出的两个激光平面信号，经过嵌入式信号处理器处理数据，完成高频计数和角度计算，即可得到无人机所在位置的三维空间坐标。

附图说明

图1为用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构侧向示意图。

图2为图1的B-B剖面图，即用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构第一轴向光束导向结构平面示意图。

图3为图2的C向视图中激光平面方向示意图。

图4为图1的A-A剖面图，即用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构第二轴向光束导向结构平面示意图。

图5为图4的D向视图中激光平面方向示意图。

图中：旋转座101、旋转座端盖102、激光二极管201、二极管散热座202、套筒203、平凸透镜204、平凹透镜205、光阑206、双凸透镜207、立方体分光镜301、五角棱镜302、左鲍威尔棱镜303、左鲍威尔棱镜转接件304、左配重元件305、右鲍威尔棱镜306、右鲍威尔棱镜转接件307、右配重元件308、顶盖309、尼龙垫圈401、无线供电接收模块402、发射模块403、伺服电机501、锥套502、深沟球轴承503和安装座6。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明激光扫描机构利用轴承支撑和锥套结构保证了动力传递的稳定性，且在激光扫描机构旋转座布置有可调节的配重元件保证了激光扫描机构旋转座质心经过回转中心线，进而保证了激光扫描机构的旋转精度和动平衡性。通过准直透镜组达到良好的准直效果；通过立方体分光镜和五角棱镜即可产生两束垂直激光，如此减小机构的体积；鲍威尔棱镜保证了扇形激光平面的平面度和光线的均匀性。本发明从装置结构上提高了激光扫描机构转动的动平衡性和射出扇形激光平面的平面度，因此在本质上提高了目标点的测量精度；另外结构微小轻量化，满足无人机装载要求。

同时，激光扫描机构发出激光平面与竖直平面保证正负30度夹角，因此两激光平面同时相交于旋转轴上的点正是两条光路中心线的交点；从而能够采用空间平面的交会原理，通过底面布置的光电传感器采集经纬仪激光扫描机构发出的两个激光平面信号，经过嵌入式信号处理器处理数据，完成高频计数和角度计算，即可得到无人机所在位置的三维空间坐标。

本发明一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，包括旋转座101、点激光束发生装置、双扇形激光平面发生装置、非接触供电装置、传动机构和安装座6。具体的如图1-图5所示，在本优选实例中，第一径向光束即左径向光束，第二径向光束即右径向光束。

旋转座101沿中轴线设置中心通孔，旋转座101内部沿中轴线设置有安装通孔，旋转座101的中心通孔和安装通孔同轴形成光路通孔；旋转座101利用一对深沟球轴承503支撑，可高速旋转；锥套502左端同轴套设在伺服电机501上，中心与伺服电机501的输出轴通过紧定螺栓紧固，锥套502右端同轴嵌入旋转座101驱动端的连接凹槽内，通过紧定螺钉与旋转座101紧固，如图1所示，旋转座101的自由端设置旋转座端盖102。

点激光束发生装置包括激光二极管201、二极管散热座202、准直透镜组和套筒203；准直透镜组包括四个透镜，分别为由激光二极管201向立方体分光镜301依次设置的两平凸透镜204、一平凹透镜205、光阑206、一双凸透镜207，光阑206设置在平凹透镜205和双凸透镜207之间。具体的，准直透镜组从左往右依次包括两平凸透镜204、平凹透镜205、光阑206和双凸透镜207；各透镜之间利用套筒203分隔；光阑206介于平凹透镜205与双凸透镜207之间；激光二极管201安装在二极管散热座202中，二极管散热座通过螺纹调节到达准直透镜组焦点位置；

双扇形激光平面发生装置沿着旋转座101安装通孔从左到右依次安装固定立方体分光镜301、五角棱镜302和顶盖309；点激光束发生装置产生的入射激光沿同轴轴线射入，经立方体分光镜301分成向上的第一径向光束和向右的轴向光束，轴向光束经五角棱镜302反射形成第二径向光束；旋转座101径向对应左径向光束设置左激光通孔，左激光通孔的光束射出侧上设置左鲍威尔棱镜303，另一侧设置左配重元件305；旋转座101径向对应右径向光束设置右激光通孔；右激光通孔的光束射出侧上设置右鲍威尔棱镜306，另一侧设置右配重元件308；左径向光束沿左激光通孔打在左鲍威尔棱镜303的发散棱上，右径向光束沿右激光通孔打在右鲍威尔棱镜306的发散棱上。左鲍威尔棱镜303和右鲍威尔棱镜306的两束扇形激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度。

其中，左激光通孔和右激光通孔垂直设置。左配重元件305和右配重元件308在对应的左激光通孔和右激光通孔内的径向位置可调。

非接触供电装置4包括固定在锥套502左部的尼龙垫圈401，以及用于给激光二极管201供电的非接触线圈供电装置；非接触线圈供电装置包括无线供电接收模块402和发射模块403，发射模块403包括发射线圈，发射线通过发射线圈座设置在伺服电机501上，无线供电接收模块402包括接收线圈，连接激光二极管201供电的接收线圈以回转中心线为中心固定在尼龙垫圈401上。

所述的传动机构5包括伺服电机501、锥套502和一对深沟球轴承503，电机轴的顶部连接锥套502，用于驱动激光扫描机构旋转座1旋转；伺服电机501和一对深沟球轴承503均固定在同一安装座6上。

旋转座101中心通孔左侧末端为内螺纹，二极管散热座202为外螺纹，通过螺纹调节使激光光源处于准直透镜组的焦点位置；旋转座101安装通孔中部设置阶梯孔固定立方体分光镜301和五角棱镜302，五角棱镜302压紧立方体分光镜301轴向光束出射端面限位；旋转座101上设置有径向的紧固螺栓顶紧立方体分光镜301侧面限位。顶盖309端面中部设置定位凹槽，五角棱镜302镶嵌固定在定位凹槽中。

如图4所示，五角棱镜302包括依次设置的五个侧面；第一侧面为激光入射面，垂直安装通孔轴线设置；第二侧面为激光出射面，垂直右激光通孔轴线设置；第三、四侧面为第一、二反射面，嵌入顶盖定位凹槽固定；第五侧面为第三反射面，倾斜设置在右激光通孔内。

具体的，如图2和图4所示，一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构包括激光扫描机构的旋转座101，旋转座端盖102，激光二极管201，二极管散热座202，准直透镜组，套筒203，光阑206，立方体分光镜301，五角棱镜302，左右鲍维尔棱镜303、306和左右配重元件305、308。其中，旋转座101在立方体分光镜301左侧为圆形安装通孔；圆形安装通孔布置激光二极管201，二极管散热座202，准直透镜组，套筒203和光阑206构成点激光束发生装置；旋转座101在立方体分光镜301右侧为方形安装通孔，方形安装通孔轴向布置五角棱镜302，径向垂直布置左右鲍维尔棱镜303、306，左右鲍维尔棱镜转接件304、307，左右配重元件305、308构成双扇形激光平面发生装置。激光二极管201固定在激光二极管散热座202上，并将左右鲍威尔棱镜303、306和左右鲍威尔棱镜转接件304、307封装固定；锥套502和尼龙垫圈401固定；无线供电接收模块402固定在尼龙垫圈401上；通过紧定螺钉将锥套502与电机输出轴501、锥套502与旋转座101分别连接。

由激光二极管201射出的高斯分布的椭圆光斑，经过准直透镜组的准直整合之后，形成准直效果好的圆形光斑，在准直透镜组中间加上光阑206，利用光阑206孔过滤杂光，最终将圆形光斑缩小为一点，产生点激光束；点激光束经过立方体分光镜301，被分成两束光。如图2所示，其中一束直接打在左鲍威尔棱镜303发散棱上；如图4所示，另一束竖直向右打在五角棱镜302上，经过反射后打在右鲍威尔棱镜306发散棱上，分别产生两质量均匀且直线度好的线激光。如图3和图5所示，左右鲍威尔棱镜303、306的两束扇形激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度。调节二极管散热座202使得激光二极管201的出射光源中心处于准直透镜组的焦点上；旋转左右鲍威尔棱镜转接件304、307使左右两个鲍威尔棱镜303、306的两激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度；左右配重元件305、308分别装在左右鲍威尔棱镜303、306的另一侧位置，具体位置可调节，由此调节整个装配件的质心位置。

非接触线圈供电装置分为无线供电接收模块402和发射模块403两个部分。发射线圈固定在伺服电机501上固定的发射线圈座上；接收线圈固定在尼龙垫圈401上，尼龙垫圈401和锥套502底部紧固；本发明采用非接触线圈供电装置，可为转动的激光二极管201供电，体积小而且重量轻，免维护成本低，无污染。

伺服电机501通过锥套502将动力传递给旋转座101，采用深沟球轴承503支撑，结构紧凑，定心精度高，保证激光扫描机构的旋转精度。左、右配重元件305、308用以调节激光扫描机构的质心位置，使得质心过旋转中心线，质心与旋转中心重合，进而保证激光扫描机构的动平衡性。

Claims (10)

1.一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，包括旋转座(101)、点激光束发生装置、双扇形激光平面发生装置、非接触供电装置和传动机构；

所述旋转座(101)沿中轴线设置中心通孔；旋转座(101)内部沿中轴线设置有安装通孔，旋转座(101)的中心通孔和安装通孔同轴形成光路通孔；安装通孔的一端设置点激光束发生装置，另一端设置用于产生两束相互垂直的径向光束的双扇形激光平面发生装置；旋转座(101)上沿两径向光束分别设置有激光通孔，激光通孔的激光入射侧设置有鲍威尔棱镜，另一侧设置有配重元件；

所述的传动机构包括伺服电机(501)、锥套(502)和一对深沟球轴承(503)，旋转座(101)的两端分别套设在一对深沟球轴承(503)内，伺服电机(501)的电机轴顶部通过锥套(502)同轴插入旋转座(101)的驱动端连接驱动；

所述的非接触供电装置套设在电机输出轴上，用于为点激光束发生装置无线供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，所述的点激光束发生装置包括激光二极管(201)、二极管散热座(202)、准直透镜组和套筒(203)；所述激光二极管(201)安装在二极管散热座(202)中，二极管散热座(202)通过螺纹连接在安装通孔的一端；所述准直透镜组从激光入射到出射依次包括两平凸透镜(204)、平凹透镜(205)、光阑(206)和双凸透镜(207)；各透镜之间利用套筒(203)分隔固定；非接触供电装置(4)用于为激光二极管(201)无线供电。

3.根据权利要求1所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，所述的双扇形激光平面发生装置沿着旋转座(101)安装通孔从激光入射到出射依次安装固定立方体分光镜(301)、五角棱镜(302)和顶盖(309)；点激光束发生装置产生的入射激光沿同轴轴线射入，经立方体分光镜(301)分成向上的第一径向光束和轴向光束，轴向光束经五角棱镜(302)反射形成第二径向光束。

4.根据权利要求3所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，安装通孔激光出射端设置阶梯孔固定立方体分光镜(301)和五角棱镜(302)，五角棱镜(302)压紧立方体分光镜(301)轴向光束出射端面限位；旋转座(101)上设置有径向的紧固螺栓顶紧立方体分光镜(301)侧面限位。

5.根据权利要求3所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，顶盖(309)端面中部设置定位凹槽，五角棱镜(302)镶嵌固定在定位凹槽中。

6.根据权利要求5所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，五角棱镜(302)包括依次设置的五个侧面；第一侧面为激光入射面，垂直安装通孔轴线设置；第二侧面为激光出射面，垂直第二径向光束对应的激光通孔轴线设置；第三、四侧面为第一、二反射面，嵌入顶盖定位凹槽固定；第五侧面为第三反射面，倾斜设置在第二径向光束对应的激光通孔内。

7.根据权利要求1所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，锥套(502)的大端同轴套设在伺服电机(501)上，中心与伺服电机(501)的电机输出轴通过紧定螺栓紧固，锥套(502)的小端同轴嵌入旋转座(101)驱动端的连接凹槽内，通过紧定螺钉与旋转座(101)紧固。

8.根据权利要求1所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，非接触供电装置包括固定在电机输出轴上的尼龙垫圈(401)，以及用于给激光二极管(201)供电的非接触线圈供电装置；非接触线圈供电装置包括无线供电接收模块(402)和发射模块(403)，发射模块(403)包括发射线圈，发射线圈通过发射线圈座固定设置在伺服电机(501)上，无线供电接收模块(402)包括接收线圈，连接激光二极管(201)供电的接收线圈以回转中心线为中心固定在尼龙垫圈(401)上，尼龙垫圈(401)位于锥套(502)和伺服电机(501)之间。

9.根据权利要求1所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，第一径向光束和第二径向光束分别经对应的鲍威尔棱镜产生两束扇形激光平面，两束扇形激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度。

10.根据权利要求1所述的一种用于光电传感定位网络的轻量化激光扫描机构，其特征在于，旋转座(101)的自由端设置旋转座端盖(102)；伺服电机(501)和一对深沟球轴承(503)均固定在安装座(6)上。

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