CN1307241A - 用于监控车辆周围的监控器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一个极实用的监控飞行器周围的监控器,特征表现为:监控器垂直方向的尺寸较小,这样监控器可以在没有任何限制的情况下结合到小型飞行器中;性能和特性都很优良。本发明公开了一个特殊机构,以实现监控飞行器周围的监控器。本发明提供一种监控飞行器周围的监控器包括:一个辐射光波的辐射装置,该辐射装置有一个光学系统,用于消除光源的散光偏差;一个光程改变装置,包括用于反射从辐射装置在辐射光漫射装置方向上辐射的光束。可以在矫正光源散光偏差的同时改变光程。

Description

用于监控车辆周围的监控器

本发明涉及一种对带光学雷达装置的车辆周围进行监控的监控器，其中光学雷达装置发出的光波以水平方向扫描目标，在目标上反射并返回至光学雷达装置的光波被接收，这样检测出光学雷达装置到该目标之间的距离和目标的方向。本发明尤其涉及一种用于监控车辆的周围的监控器，其特征为，仅有一组监控器就可以对车辆周围的广阔地域进行监控。

用于监控车辆周围的这类监控器的传统光学雷达装置为人所知，例如日本JP-A-8-122061中，该装置工作方式为在水平方向上用光波扫描目标，这样可以在较大范围内检测该目标。

根据上述专利出版物，揭示了一种装置，包括用于实施扫描的转动驱动装置的转动轴，和光发送装置的一种光学系统，其中转动轴和光学系统同轴排列。

当监控车辆周围的监控器与车辆结合，容纳监控器的空间常常受到车辆自身结构和设计的限制。特别当监控器采用在垂直方向上从车身凸出出来的方式时，人们会认为这种设计外形复杂。因此，容纳监控器的空间在垂直方向上受到极大限制的情况极普遍。然而，按照上述传统的监控装置，垂直方向的尺寸被加在。因此当监控装置与车辆结合时，将会碰到严重的问题。

而且，根据上述传统监控装置，并未完全揭示出用以获取所希望性能和特征的特殊结构和调整机构。归根接底，我们可以说上述专利出版物并未揭示出实践中可以适用的装置。

本发明已经实现解决相关技术的上述问题。本发明提供一种用于监控车辆周围的极其适用的监控器，其特征在于：垂直方向上的尺寸小，这样在不受任何限制的情况下，可以将监控器与小型车辆结合在一起；且性能和特征优良。本发明揭示了一种特殊机构，用以实现监控车辆周围的监控器。

根据本发明的第一个方面，提供一种用于监控车辆周围的监控器，包括：一个用来辐射光波的辐射装置，该装置具有通过一对柱面透镜，棱镜和反射镜来消除光源象散差的光学系统；一个光程改变装置，该装置包括在辐射光漫射装置的方向上，用于反射从辐射装置的辐射的光束。因为，有可能在光源的象散差得到矫正的同时，改变光程，在没有辐射装置位置限制的情况下，设计的自由度得到

了提高。由此，减小了垂直方向上装置的尺寸。

根据本发明第二个方面，提供一种监控器用于监控车辆周围，其中辐射光扩散装置，反射光会聚光装置，光接收装置和光程改变装置的反射镜都排列在转轴的轴线上，辐射装置垂直于与反射镜同平面的轴，因此，显著地降低了垂直方向上装置的尺寸。

根据本发明的第三个方面，提供一种监控器，用于监控车辆周围，其中辐射光扩散装置和反射光会聚装置分别配置阴螺纹，当紧锁螺钉旋入阴螺纹时，该辐射光扩散装置和反射光会聚装置结合为一体，同时螺丝的各个角度位置相对转动轴可作调整，这样辐射光的光轴和反射光的光轴变成相互平行。光接收系统的位置和驱动系统的位置经过调整后，从而可使它们在水平面互相垂直，接收光的光轴可以按所需几何方向调整。接下来，光发送系统经过调整后，光轴可以平行于光接收的光轴，光发送轴和光接收轴可以按一定准确度的几何形状排列，这样实现所希望的性能和特征。

根据本方面的第四个方面，提供一种监控车辆周围的监控器，其中将通过框架件结合为一体的内部结构构件放于外壳中。当内部结构构件由框架件结合为一体时，可以容易地进行上述调整操作，而且也可以进行装配操作。而且，提高了该装置的机械强度。

根据本发明的第五个方面，提供一种监控车辆周围的监控器，进一步包括光的屏蔽框架，当部分光波反射在外壳内表面或内部结构零件上时，该屏蔽光的框架用以防止由辐射光漫射装置辐射和散射的部分光波入射在光的接收装置上。鉴于上述，防止了接收光的错误检测。因此，检测近距离的目标，(该目标易受到错误检测影响)已成为可能。

根据本方面第六个方面，提供一种监控车辆周围的监控器，该监控器中，当转动驱动装置受反馈控制按恒定角速度驱动时，并当参考信号的时钟脉冲累积总和根据将此时的参考信号与反馈信号对比的结果输出的速度差联合计数时，可以精确检测出转轴的角位置。

图1是表示用于本发明的监控车辆周围的监控器结构的截面图。

图2为用于本发明的监控车辆周围的监控器的侧视截面图。

图3为用于本发明的监控车辆周围的监控器的结构框图。

图4为用于本发明的监控车辆周围的监控器的工作原理特性图。

图5表示用于本发明的监控车辆周围的监控器的电动机速度控制的框图。

参考图1～图5，下面将对本发明一个实施例进行解释。图1为用于本发明的监控车辆周围的监控器内部构造的截面图。用于本发明的监控车辆周围的监控器与车辆结合在一起，检测车辆周围的目标，车辆未画出。

图中标号1为激光二极管，用作光源，标号2为主透镜，用于将激光二极管1发出的光束在水平方向将一个展开角度会聚到一个预定角度，标号3为辅助透镜，用于在光束垂直方向将一个展开角度会聚到一个预定角度。这里的主透镜2和辅助透镜3组成了一个消除象散差的光学系统。而且主透镜2和辅助透镜3与激光二极管1一同组成了辐射装置。标号4是一个固定面反射镜，在主透镜1和辅助透镜3将象散差消除后，该固定面反射镜用于改变水平方向产生的光束的光通量的光程，这样光束的光通量的光程在垂直方向成直角地改变。固定平面反射镜4构成一个光程改变装置。标号5是一个支架，该支架是用来将上述光学系统与调整单个光学元件位置的位置校正机构系统相连的联接装置。标号6是一个基线板，该板上有控制组成转动驱动装置的无刷DC电动机转速电路。该基线板6构成了一个扫描装置。标号7是外转子型无刷DC电动机的转子。标号8是无刷DC电动机的转轴。标号9为柱面反射镜，该镜由锁紧螺帽固定在转轴8的一端，形成该柱面反射镜的曲度，这样固定平面反射镜反射光束的光程在水平方向上得到进一步改变，同时垂直方向光束的展开角可以是一个预定的角度。这里的柱面反射镜9可以发出与转轴8的转动相适应的360°方向上的光束。

标号11是一个凹面反射镜，该反射镜用锁紧螺母12固定在转轴8的另一端。凹面反射镜11接收并会聚由柱面反射镜9反射的和由待检测目标回射的部分光束。凹面反射镜的焦点调到转轴8的轴线上。这样的联接当锁紧螺母10和12松动，对柱面镜9和凹面镜11进行调整，使两个反射镜的光轴相互平行。调整好柱面镜9和凹面镜11后，紧固锁紧螺帽10和12。标号13是一个光接收元件，位于转轴8的轴线上，这样光接收元件13设置在凹面镜8的焦点处。标号14是由电路构成的光接收基板，用于将由光接收元件13进行电气会聚的电量进行放大。标号15是一个用来向激光二极管1提供电能的光发射基板。标号16是CPU板，该板分别将光发射触发信号和光接收触发信号给光发射板15和光接收板14，其中，如果反射光束是由待检测目标发出，CPU板实施一系列控制和计算，通过延时和光波传播的速度，来计算从装置到待检测目标之间的距离，同时对由光接收电路将光接收电信号放大到超过一定阈值的时刻的时间差进行计数。CPU板15构成一个距离计算装置。标号17为一个供电电路，用于操纵激光二极管1，无刷DC电动机，光接收元件13，光发射板15和CPU板16。

标号18是一个框架件的机架，用作联接支架5，无刷DC电动机，光接收元件13和光发射板15，这样光发送一侧的光学系统就结合为一体。标号19是一个构成主体的外壳，它组成了装置的底部。固定机架18的内部结构体由外壳构成体19支承。标号20是另一个外壳构成体，按覆盖内部结构体的方式，该外壳构成体与外壳19相固定。该外壳构成体20由光学材料构成，这种光学材料具有的光谱特性为：激光二极管1发出的光波波长可以传输穿过外壳构成体20，且阻止自然光和引起干扰的人造光的波长。标号21是用于在光发出侧和光接收侧之间进行屏蔽的光屏蔽框架，以防止出现错误检测，这种出错是这种方式引起：从激光二极管1发出的部分光波与装置中形成的预定光程相分离开来，直至光波通过外壳20并被发射到装置外侧，这样光波在装置中无规则地反射，而且，部分由此反射的光波到达光接收元件13。标号22是光接收元件，当泥土，雨水或雪花粘附到外壳表面时，该光接收元件用来检测光束传输性质的恶化。

接着，按照如下操作进行解释。激光二极管1结合在支架5中。在该支架中，主透镜2，辅助透镜3和平面反射镜4结合成为一个组合件。激光二极管1是该组合件中一个元件。激光二极管1与光发射板15相连，并在驱动该光发射板15时，该激光二极管1发出激光束。由此产生的激光束的光通量由主透镜2在水平面上形成一个预定展开角，主透镜2是非柱状凸面透镜，从而消除了光源引起的漫射偏差。由此产生的激光束的光通量按照这种形式形成后，就进行发射。在主透镜2上实施散焦调整，这样激光束的光通量有一个约为1度的展开角，然后对主透镜2进行定位。当激光束水平方向的展开角形成后，垂直面上激光束的展开角由第二个非柱面透镜的辅助透镜3构成，这样垂直方向上激光束的展开角可以为一个预定角度。然后，发出按照这种方式形成的展开角的激光束。散焦调整在辅助透镜3上实施，这样激光束的光通量在垂直方向有一个约1度的展开角，然后确定辅助透镜3的位置。通过主透镜2和辅助透镜3的作用，消除光源的象散差，形成了光束。

激光束以成90度角垂直方向在平面镜4上反射，又入射到柱面镜9上，然后反射。当光束反射到柱面镜9上以后，通过外壳20传输，发送到监控车辆周围的监控器周围。屏蔽层21将因在装置内表面实施的反射作用，而将泄漏到光接收元件13一侧的激光束屏蔽。这样就可以防止光接收电路14出现误差检测的机会。对反射镜相对转轴8的固定位置进行调整，从而用锁紧螺母10,12调整反射镜的角度，这样水平方向反射在柱面镜9上光束的光轴和光接收系统凹面镜的光轴大体上相互平行。根据前述，待发出的光束可以发射进入待接收光束的视场。

按照这种方式发出的光束照射到待检测目标如车辆100上，然后部分光束被目标回射。车辆100回射的光束按各个方向反射，部分光束回到监控车辆周围的监控器。这些回射光束传输经过外壳20，入射到凹面镜11上又被反射。这些光束聚焦在转轴8的轴中央。凹面镜11是一个抛物面光接收镜，该抛物面光接收镜的光接收视场的光轴垂直于转轴，该凹面镜11构成一个绕该光轴转动的抛物面反射镜。光束通过凹面镜11的转动抛物面，会聚到焦点，在紧邻焦点的光接收元件13的光接收面上接收回射光束。光接收元件13实施光电转换，通过光电转换，对应接收光的强度，输出电信号。根据该实施例，为了检测到甚至极小的回射光，在光接收元件13实施光电转换的情况下，采用具有雪崩效应的光电二极管，其中的雪崩效应是一种现象，即光电转换量成指数增长，并按照电子和空穴的形成对在运动到电极的过程中连续地感应出相同对数的电子和空穴。接收到的光信号放大电路固定在光接收板14上，进一步放大经光电转换的电信号。该放大信号传输到CPU板16上，用CPU板测量出光接收信号的时间。

距离计算装置固定在CPU板16上，该装置按照如下计算出到车辆100的距离。该距离计算装置测量出从光发射板15驱动激光二极管1以发射光的时间到在光接收板14上产生光接收信号的时间，如此测得的时间被视为装置和车辆100之间激光束往复所需要的时间，即是说，如此测得的时间被视为传播延迟时。装置到车辆100的距离可以根据该传播延时计算出来。

固定在CPU板16上的方向检测装置包括：一个参考信号电路25，为控制无刷DC电动机恒定转速时转子7的转速，该参考信号电路25产生一个参考速度信号；一个转速检测电路26，用来检测转子7的转速，并产生一个反馈信号；一个比较电路33，用于比较参考速度信号和反馈信号，并检测二者之间的速度差27(该实施例中为相位差)。该反馈控制系统的组成如下：根据比较电路33输出的速度差27，控制施加到电动机定子线圈的电压强度或电流强度，使得转子7的角速度保持恒定。根据前述，计数器计算出参考速度信号的同步脉冲的累积值，这样转轴8的参考角度就能检测出来。

在这种联接方法中，速度差27(速度偏差)为转速的波动，产生的原因实际上是轴承中的摩擦，而且还因为转子侧磁铁和定子侧线圈之间的磁场作用不平衡。在对参考速度信号与反馈信号互相比较时，就得到了对应相位差的这种波动量。

因此，这种相位差可用作相对于参考角的角矫正量。在开始对参考速度信号的同步脉冲进行计数的该参考位置，由方位角始点检测电路24在电动机每转动一周时加以检测。

根据上述结构，电动机转动角度位置任何时间都可以得到精确测定，即光发出光学系统的光轴和光接收系统的光轴之间的方向角任何时间都可以精确测出。例如采用传统步进电动机时，检测角度为3.75°。另一方面，本实施例中可能得到0.05°的角度分辨率。

接着，下面将对光束水平扫描进行说明。如上所述，转轴8的转角在任何时间都可以由CPU板16、无刷DC电动机的速度控制电路板6和驱动激光二极管1的光发射信号精确测定，这样激光二极管1发出光在预定时间间隔里提供给光发射板15。参考时钟脉冲在给出光发出信号情况下实施无刷DC电动机的速度控制，通过计数装置的计数器计算出参考时钟脉冲数的累积总和，与此同时产生的角矫正量可以用相同形式的计数器在速度差27信号进行模数转换后计算。由CPU将二者合成后，结果输出作为精确方位角。

通过控制光发射板15产生光发射信号，这样驱动激光二极管1的电压每当无刷DC电动机转轴8到达预定角度位置时就加到激光二极管1上。当光束从无刷DC电动机的各个角度位置发出，可以实施检测水平方向角度的扫描。

在组成上述监控车辆周围的监控器中，对主透镜2，辅助透镜3和固定面反射镜4的位置进行调整，而且将作为扫描镜的柱面镜9的光轴和光接收凹面镜11光轴调整为相互平行。由于柱面镜9的光轴和光接收凹面镜11的光轴都指向同一个方向，两镜相互成一体地转动，即使当光束任意方向发出时，待检测目标上回射的光束确实入射并会聚到光接收元件13。因此的确可以得到预定性能和特征。

接着，下面将对该实施例的设计和制造数据进行说明。在下面的实施例中，确认装置垂直方向上的尺寸降低为传统装置的67％。传统装置垂直方向上的尺寸为122mm(100％)，实施例的垂直方向上测出为81.5mm(67％)。

主透镜2

材料：非晶聚烯烃

折射率：1.52(波长为0.85μm的情况下)

制作方法：树脂模塑浇注

透镜表面处理：两侧上的减反射膜MgO₂汽相淀积

透镜类型：非柱面平板凸面镜

曲率：-0.4279

非柱面系数：-0.55

通过计算，本发明确认如下。当入射到透镜上的光束和光轴之间形成20°角时，该透镜准直的光束角度相对光轴为0.067°，即光束基本上是平行的。实际上，在透镜上实现散焦调整，从而使光束水平方向上的展开角变成装置需要的1°。

辅助透镜3

材料：光学玻璃BK7

折射率：1.51(波长为0.85μm的情况下)

制作方法：机械抛光

透镜表面处理：两侧上的减反射膜MgO₂汽相淀积

透镜类型：非柱面平板凸面镜

曲率：-0.1284

非柱面系数：-0.01

通过计算，本发明确认如下。当入射到透镜上的光束和光轴之间形成10°角时，该透镜准直的光束角度相对光轴为0.499°。透镜在这种情况下焦点方向的位置无法实施，进行设计和装配，使得光束垂直方向上的展开角变成装置需要的1°。

固定平面反射镜4

材料：非晶聚烯烃

反射率：80％(波长为0.85μm的情况下)

制作方法：树脂模塑浇注

反射镜表面处理：铝汽相淀积，MgF的减反射膜汽相淀积(氟化镁)

反射镜类型：平面反射镜

柱面镜9

材料：非晶聚烯烃

反射率：80％(波长为0.85μm的情况下)

制作方法：树脂模塑浇注

反射镜表面处理：铝汽相淀积，MgF的减反射膜汽相淀积(氟化镁)

反射镜类型：非柱面反射镜

曲率：-0.007

非柱面系数：-0.01

凹面镜11

材料：非晶聚烯烃

反射率：80％(波长为0.85μm的情况下)

制作方法：树脂模塑浇注

反射镜表面处理：铝汽相淀积，MgF的减反射膜汽相淀积(氟化镁)

反射镜类型：转动抛物面镜

曲率：-0.007

非柱面系数：-1

如上所述，根据监控车辆周围的监控器，有可能在矫正光源象散差的同时改变光程。因此在不受辐射装置位置限制的情况下，提高了设计自由度。因此垂直方向上装置的尺寸得到容易地减小。

根据监控车辆周围的监控器，在与反射镜的同一平面上将辐射装置安排成与轴线中央相垂直。因此当装置与车辆结合时，作出的限制很小，这一点为该装置的应用提供了良好的效果。

根据监控车辆周围的监控器，用简单结构可以很容易地调整发出光的光轴和接收光的光轴。因此可以得到预定性能和特征，这一点为该装置的应用提供了良好的效果。

根据监控车辆周围的监控器，当用框架件将内部结构结合为一体时，可以容易地实现光学系统的调整，也容易实现该装配操作，并提高装置的机械强度。结果，实现了可靠性的提高和制造费用的降低。

根据监控车辆周围的监控器，可以防止接收光的误差检测，该误差是由光束反射到装置内表面产生的。因此要检测一个可能受误差检测影响的近距离目标，这也成为可能。因此，安全性和可靠性得到了极大提高。

根据监控车辆周围的监控器，我们可能得到一个相当高的分辨能力。特别有

可能精确检测远距离处目标的位置。因此极大提高了安全性和可靠性。

Claims (7)

1．一种监控飞行器周围的监控器，其特征是，包括：

辐射装置，它包含一光学系统，该光学系统具有一对柱面透镜，一对棱镜，和一对用来消除光源像散差的反射镜，所述辐射装置用于辐射光波；

辐射光漫射装置，包括一个柱面镜和辐射光会聚装置，柱面镜用于反射辐射装置辐射光波，辐射光会聚装置用于形成垂直方向上的预定辐射扩散角；

反射光会聚装置，用于会聚由辐射光漫射装置辐射和漫射并在物体上反射的光波；

转动驱动装置，用于转动转轴，其中辐射光漫射装置和反射光会聚装置分别固定在转轴的两端；

一个扫描装置，通过驱动转动驱动装置，使辐射光漫射装置和反射光会聚装置在水平方向转动，用这样的光波实施扫描；

一个光接收装置，它在垂直方向上与转动驱动装置相分开，光接收装置用于接收反射光会聚装置会聚的光波；

一个距离计算装置，根据从辐射装置辐射光波到光接收装置接收被反射的光波之间的传播延时，计算到物体的距离；以及

一个光程改变装置，包括一个反射镜，用于沿辐射光漫射装置的方向从辐射装置辐射的反射光波。

2．根据权利要求1所述的监控飞行器周围的监控器，其特征是，

所述的辐射光漫射装置，反射光会聚装置，光接收装置和光程改变装置的反射镜都位于转轴的轴线位置；以及

辐射装置位于垂直与反射镜相同平面上的轴线。

3．根据权利要求1所述的监控飞行器周围的监控器，其特征是，

辐射光漫射装置和反射光会聚装置各自含有螺母；

当锁紧螺钉旋入阴螺纹时，辐射光漫射装置和反射光会聚装置固定在转轴上；以及

螺钉相对转轴的各个角度位置都是可调的，这样辐射光波的光轴和反射光波的光轴相互平行。

4．根据权利要求1所述的监控飞行器周围的监控器，其特征是，进一步包括：

一个紧固装置，用于固定并联接转动驱动装置，辐射装置和光程改变装置中至少部分光学系统将构成一个整体装置；

一个框架，用于固定并联接该整体装置，辐射装置，辐射装置中至少的光源和光接收装置以及形成各个装置的电路板，框架将这些装置结合为一体；以及

一个外壳，用于容纳通过框架结合为一体的内部结构元件。

5．根据权利要求4所述的监控飞行器周围的监控器，其特征是，

外壳包括一个第一外壳和第二外壳；

将通过框架结合为一体的内部结构元件固到第一外壳，以及

第二外壳与第一外壳固定，其中内部结构元件用第一外壳和第二外壳包覆。

6．根据权利要求4所述的监控飞行器周围的监控器，其特征是，进一步包括：

光屏蔽框架，用以防止当部分光波反射到外壳内表面或内结构元件上时，通过辐射光漫射装置从辐射和漫射的部分光波入射到光接收装置。

7．根据权利要求1所述的监控飞行器周围的监控器，其特征是，

当转动驱动转轴受反馈控制以恒定角速度驱动时，并当输出参考信号的时钟脉冲累积总数和根据该参考信号此时与反馈信号的比较结果输出的速度差联合计数时，可以精确检测转轴的角位置。

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