CN112540362B - 一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置及其方法 - Google Patents

一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置，包括雨刮单元、传动装置、窗口镜、水泵喷水器；所述雨刮单元通过固定底座固定安装在水平面，所述水泵喷水器3固定安装在雨刮单元的一侧；所述传动装置设置为三维方向运动的结构，通过机械连接件固定安装窗口镜。同时，还提供了上述装置的方法，一方面，采用雨刮单元固定结合扫描器自运行的方式，能够有效的清除窗口镜的遮挡物；另一方面，通过信噪比的好坏程度以及雨刮动作后信噪比的对比，能够完成不同天气及工况下，雨刮不同的工作方式。

Description

一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置及其方法
技术领域
本发明涉及三维扫描式测风激光雷达的雨刮领域，特别是涉及一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置及方其方法。
背景技术
三维扫描式测风激光雷达根据相干多普勒测风原理，探测大气中气溶胶后向散射信号，从而获取分速信息，因此，三维扫描式测风激光雷达在城市气象探测、风电资源评估、局地风切边预警等领域得到越来越广泛的应用。由于探测光的发射路径和反射光的接收路径不得存在对光路有影响的物体存在，若整个光路径存在遮挡，则会导致探测的信噪比降低，导致雷达分速数据处理失真或异常。
在整个光路径中，最容易产生干扰的地方是窗口镜的表面。因为雷达是在室外运行，由于室外条件的不确定性，经常会出现雨雪、大雾、沙尘等恶劣的天气，即使环境条件较好，雷达长期运行也会有部分灰尘落在窗口镜上。为了减少设备维护，达到无人值守的目的，窗口镜遮挡物的清理成为雷达标配的功能。如何处理遮挡物，成为了技术难题。
目前许多地基种类的雷达均采用安装车载类型的雨刷装置，当雷达系统认为当前信号的信噪比较差时，发送雨刷动作指令给舵机驱动盒，舵机驱动盒驱动雨刷完成固定角度的来回运动，完成一次雨刷动作。见图1中，为现有的雨刷装置，如图1所示，舵机驱动盒安装在窗口镜旁边，舵机安装在驱动盒上部，构成传动系统，雨刷通过传动轴与舵机相连接，当舵机正向或者反向旋转时，雨刷随之划过窗口镜，雨刷支架下配有橡胶材料，贴合在窗口镜，进行车载类型式的清洗。
但是在采用安装车载类型的雨刷装置，固然可以解决清理遮挡物的问题，但是该方法存在以下缺点：
1、信噪比判断方式单一
当雷达系统发生信噪比较差时，雨刷便执行一次动作，若信噪比没有改善，则雨刷一直工作，这样会减少雨刷的寿命，并且若表面颗粒物较多，长时间动作雨刷，会损坏窗口镜的镀膜和玻璃结构，从而干扰整个光回路。
2、增加电气接线，导致稳定性下降
因为是安装在扫描头上，故整个传动系统需要通过导电滑环完成电信号的接入，故需要增加扫描器导电滑环的接口数量。并且舵机运动过程中，若遇到传动轴卡死的情况，可能会导致扫描器编码器读取数据异常，降低扫描器运行的稳定性。
3、增加结构设计难度
安装雨刷装置，需要做好驱动盒的防水处理和扫描头的防水，对于结构设计增加了难度。
发明内容
为了解决上述的技术问题，做到如何有效的清除遮挡物，提高雷达的信噪比，本发明通过在三维扫描式激光雷达的机箱上安装一固定式雨刮装置，通过控制扫描器的转动方式，来处理窗口镜表面的遮挡物，具体的提供的一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置，包括雨刮单元、传动装置、窗口镜、水泵喷水器；所述雨刮单元通过固定底座固定安装在水平面，所述水泵喷水器固定安装在雨刮单元的一侧；所述传动装置设置为三维方向运动的结构，通过机械连接件固定安装窗口镜。
作为改进，所述传动装置包括Z轴扫描电机和X轴扫描电机，所述Z轴扫描电机固定安装在雨刮单元的另一侧，顶端通过机械连接件固定连接X轴扫描电机；所述窗口镜安装在X轴扫描电机的下端。
作为改进，所述雨刮单元的雨刮设置为两片橡胶片贴合结构，当雨刮表面与窗口镜贴合状态时，之间的距离小于0.1mm。
同时，还提供了一种上述三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置的方法，采用上述装置进行工作时，具体步骤为
步骤一：开始状态下，扫描器正常运行，实时读取信噪比的好坏程度，当信噪发生比较差的改变后，雨刮执行动作一次；
步骤二：雨刮执行动作后，继续判断信噪比，若当前信噪比与上一次信噪比相比改变不大于10％，执行步骤三；
若当前检测的信噪比达到标定信噪比的80％及以上，其中所述标定信噪比为一固定值，每台雷达均有其经过标定固定的信噪比，则继续判断信噪比的变化；
若信噪比保持良好状态，执行步骤四；
若信噪比变差，低于标定信噪比的60％，执行步骤五；
步骤三：信噪比无任何变化，再次执行雨刮动作一次的操作，若3～7min内无雨刮执行，说明信噪比改善，结束本次雨刮执行操作，若3～7min内有雨刮执行，并且大于2次，则进入雾天工作模式；雾天工作模式下，雨刮每9～11min动作一次，每次动作完成后，判断信噪比，直到信噪比好转，再跳出雾天模式，进入正常状态；
步骤四：信噪比无变化，则说明仅有遮挡物遮挡，无任何天气异常情况，进入正常状态；
步骤五：信噪比变差，再次执行雨刮动作一次的操作，若3～7min内无雨刮动作，说明信噪比改善，结束本次雨刮执行操作；若3～7min内有雨刮执行，并且大于2次，则进入雨天工作模式；雨天工作模式下，扫描器每执行完一次采样周期，执行一次雨刮操作，每次动作完成后，判断信噪比，直到信噪比无变化，进入正常状态。
作为改进，步骤一中，雨刮执行动作一次的具体方法为：
(a)当接收到扫描器动作指令后，Z扫描电机旋转至雨刮单元一侧，X轴扫描电机将窗口镜固定在雨刮单元正上方；
(b)Z轴扫描电机、X轴扫描电机到位后，执行水泵喷水器喷水，并控制Z轴扫描电机旋转至(a)中雨刮单元另一侧的对称位置，完成一次雨刮操作；
(c)执行完(b)后，再重复Z轴扫描电机来回动作2～4次，此期间不执行水泵喷水器喷水；
(d)2～4次动作完成后，完成雨刮执行一次动作，扫描器继续工作。
有益效果：本发明提出了三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置，一方面，采用雨刮单元固定结合扫描器自运行的方式，能够有效的清除窗口镜的遮挡物；另一方面，通过信噪比的好坏程度以及雨刮动作后信噪比的对比，能够完成不同天气及工况下，雨刮不同的工作方式。
另外，本发明中的控制装置，能够有效降低了传统雨刷的故障高的问题，加入了信噪比控制管理算法后，有效的避免了雨刮过多控制的问题，增加了数据采样的时间。同时减少扫描头的结构设计及防水设计，减少了雷达户外使用的风险。
附图说明
图1为现有的雨刮结构示意图。
图2为本发明固定的雨刮结构示意图。
图3为本发明扫描电机的转动起始终止位置结构示意图。
图4为本发明的工作过程流程图。
附图中：1、雨刮单元；2、窗口镜；3、水泵喷水器；4、Z轴扫描电机；5、X轴扫描电机；。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置，包括雨刮单元1、传动装置、窗口镜2、水泵喷水器3；所述雨刮单元1通过固定底座固定安装在水平面，所述水泵喷水器3固定安装在雨刮单元1的一侧；所述传动装置设置为三维方向运动的结构，通过机械连接件固定安装窗口镜2。
所述传动装置包括Z轴扫描电机4和X轴扫描电机5，所述Z轴扫描电机4固定安装在雨刮单元1的另一侧，顶端通过机械连接件固定连接X轴扫描电机5；所述窗口镜2安装在X轴扫描电机5的下端。
进一步地，Z轴扫描电机4和X轴扫描电机5能够完成360°的旋转及位置控制，旋转角度可控，控制方式多种多样。
所述雨刮单元1的雨刮设置为两片橡胶片贴合结构，当雨刮表面与窗口镜2贴合状态时，之间的距离小于0.1mm。其中，优选地，雨刮采用两片较高硬度的橡胶材料贴合在一起，当窗口镜经过固定雨刷上方，固定雨刮可以较好的贴合窗口镜表面，由于是两片贴合在一起，在扫描器经过的过程中，雨刷与窗口镜表面形成较好的清除坡度，有助于颗粒物的清除。
水泵喷水器3的设置，当窗口镜经过固定的雨刮单元1时，水泵喷水器3喷射玻璃水到窗口镜2上，有助于防止颗粒物损坏窗口镜。这种结构设计，很好的避免了增加导电滑环的供电问题，并且对扫描头的防水结构的设计大大减小了难度，无需考虑舵机驱动盒的防水设计。
使用固定的雨刮单元的结构，减少了一个机械的执行机构，扫描器可根据自身不同的动作方式，完成遮挡物的清理。
通过上述固定的雨刮整个装置结构和动作方式，下面结合整个雷达装置对这个装置的操作过程及使用方法进行详细的说明。
在三维扫描式测风激光雷达运行过程中，通过信噪比的好坏程度，来判断窗口镜是否存在遮挡物，信噪比的好坏通过雷达上位机软件进行判断，本装置只接收信噪比好坏的结果，控制方法流程如图4，具体步骤为：
步骤一：开始状态下，扫描器正常运行，实时读取信噪比的好坏程度，当信噪发生比较差的改变后，雨刮执行动作一次；
步骤二：雨刮执行动作后，继续判断信噪比，若当前信噪比与上一次信噪比相比改变不大于10％，执行步骤三；
若当前检测的信噪比达到标定信噪比的80％及以上，其中所述标定信噪比为一固定值，每台雷达均有其经过标定固定的信噪比，则继续判断信噪比的变化；
若信噪比保持良好状态，执行步骤四；
若信噪比变差，低于标定信噪比的60％，执行步骤五；
步骤三：信噪比无任何变化，再次执行雨刮动作一次的操作，若3-7min内无雨刮执行，说明信噪比改善，结束本次雨刮执行操作，若3-7min内有雨刮执行，并且大于2次，则进入雾天工作模式；雾天工作模式下，雨刮每9-11min动作一次，每次动作完成后，判断信噪比，直到信噪比好转，再跳出雾天模式，进入正常状态；
步骤四：信噪比无变化，则说明仅有遮挡物遮挡，无任何天气异常情况，进入正常状态；
步骤五：信噪比变差，再次执行雨刮动作一次的操作，若3-7min内无雨刮动作，说明信噪比改善，结束本次雨刮执行操作；若3-7min内有雨刮执行，并且大于2次，则进入雨天工作模式；雨天工作模式下，扫描器每执行完一次采样周期，执行一次雨刮操作，每次动作完成后，判断信噪比，直到信噪比无变化，进入正常状态。
步骤一中，雨刮执行动作一次的具体方法为：
(1)当接收到扫描器动作指令后，Z扫描电机旋转至雨刮单元一侧，X轴扫描电机将窗口镜固定在雨刮单元正上方，见图3的①位置；
(2)Z轴扫描电机、X轴扫描电机到位后，执行水泵喷水器喷水，并控制Z轴扫描电机旋转至(1)中雨刮单元另一侧的对称位置，见图3的②位置，完成一次雨刮操作；
(3)执行完(2)后，再重复Z轴扫描电机来回动作2-4次，优选地为3次，此期间不执行水泵喷水器喷水；
(4)2-4次优选为3次，动作完成后，完成雨刮执行一次动作，扫描器继续工作。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置的方法，其特征在于：三维扫描式测风激光雷达固定式雨刮控制装置，包括雨刮单元(1)、传动装置、窗口镜(2)、水泵喷水器(3)；所述雨刮单元(1)通过固定底座固定安装在水平面，所述水泵喷水器(3)固定安装在雨刮单元(1)的一侧；所述传动装置设置为三维方向运动的结构，通过机械连接件固定安装窗口镜(2)；
采用装置进行工作的具体步骤为：
步骤一：开始状态下，扫描器正常运行，实时读取信噪比的好坏程度，当信噪发生比较差的改变后，雨刮执行动作一次；
步骤二：雨刮执行动作后，继续判断信噪比，若当前信噪比与上一次信噪比相比改变不大于10％，执行步骤三；
若当前检测的信噪比达到标定信噪比的80％及以上，其中所述标定信噪比为一固定值，每台雷达均有其经过标定固定的信噪比，则继续判断信噪比的变化；
若信噪比保持良好状态，执行步骤四；
若信噪比变差，低于标定信噪比的60％，执行步骤五；
步骤三：信噪比无任何变化，再次执行雨刮动作一次的操作，若3～7min内无雨刮执行，说明信噪比改善，结束本次雨刮执行操作，若3～7min内有雨刮执行，并且大于2次，则进入雾天工作模式；雾天工作模式下，雨刮每9～11min动作一次，每次动作完成后，判断信噪比，直到信噪比好转，再跳出雾天模式，进入正常状态；
步骤四：信噪比无变化，则说明仅有遮挡物遮挡，无任何天气异常情况，进入正常状态；
步骤五：信噪比变差，再次执行雨刮动作一次的操作，若3～7min内无雨刮动作，说明信噪比改善，结束本次雨刮执行操作；若3～7min内有雨刮执行，并且大于2次，则进入雨天工作模式；雨天工作模式下，扫描器每执行完一次采样周期，执行一次雨刮操作，每次动作完成后，判断信噪比，直到信噪比无变化，进入正常状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中，雨刮执行动作一次的具体方法为：
(a)当接收到扫描器动作指令后，Z扫描电机旋转至雨刮单元一侧，X轴扫描电机将窗口镜固定在雨刮单元正上方；
(b)Z轴扫描电机、X轴扫描电机到位后，执行水泵喷水器喷水，并控制Z轴扫描电机旋转至(a)中雨刮单元另一侧的对称位置，完成一次雨刮操作；
(c)执行完(b)后，再重复Z轴扫描电机来回动作2～4次，此期间不执行水泵喷水器喷水；
(d)2～4次动作完成后，完成雨刮执行一次动作，扫描器继续工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述传动装置包括Z轴扫描电机(4)和X轴扫描电机(5)，所述Z轴扫描电机(4)固定安装在雨刮单元(1)的另一侧，顶端通过机械连接件固定连接X轴扫描电机(5)；所述窗口镜(2)安装在X轴扫描电机(5)的下端。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述雨刮单元(1)的雨刮设置为两片橡胶片贴合结构，当雨刮表面与窗口镜(2)贴合状态时，之间的距离小于0.1mm。
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