CN1601324A - 大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置，包括有平面反射镜，水平旋转机构，和垂直旋转机构，平面反射镜成45度角安装在水平旋转机构和垂直旋转机构上。垂直旋转机构和水平旋转机构之间转动连接，垂直旋转机构下端有转盘，水平旋转机构和垂直旋转机构均通过涡轮涡杆传动机构马驱动。本发明装置扫描精度很高，系统的稳定性好，控制简单，可以与接收系统远距离对接，安装起来相当方便。

Description

大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置

技术领域

本发明涉及一种激光雷达的三维扫描装置。

背景技术

在光学仪器中经常用到光学扫描，尤其在大气探测，激光雷达扫描，航空相机，激光打标等等系统中。扫描系统中最常用的就是单片平面镜的扫描方式，如：在陆地卫星上光谱扫描仪MSS扫描镜就是一个长轴为33cm，短轴为23cm的表面镀膜的椭圆形平面镜，其与地面和后面的光学系统各成45度，以13.65Hz的频率摆动，实现扫描；利用了单反射镜的水平和垂直旋转，实现了在造船的中3D激光扫描和近距离拍摄照相，此外扫描系统经常应用旋转反射镜鼓、折射棱镜柱、旋转折射光楔、旋转V型反射镜，双平面反射镜旋转扫描。在激光雷达监测系统中多采用旋转主镜筒进行扫描。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置，可以广泛应用到激光雷达系统和扫描成像系统中，尤其是对一些扫描精度要求比较高的系统中。

一种大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置，包括有平面反射镜，水平旋转机构，和垂直旋转机构，其特征在于垂直旋转箱体上安装有45度平面反射镜，垂直箱体的侧面外圈安装在垂直旋转内环上，垂直旋转内环外圈固定有涡轮，垂直旋转内环之外套有垂直旋转外环，垂直旋转外环与垂直旋转内环之间安装有向心轴承，垂直旋转外环与水平旋转箱体固定连接，水平旋转箱体上固定有支座，支座上固定安装有垂直旋转涡轮涡杆传动机构，和垂直旋转内环上的涡轮配合；水平旋转箱体上安装有45度平面反射镜，与垂直旋转箱体内安装的平面反射镜平行，水平旋转箱体的下方固定安装有水平旋转内环，水平旋转内环外安装有涡轮，水平旋转内环固定在中空的转盘上，转盘下方是固定的基板，基板与转盘上均有圆周槽，圆周槽内分别固定平面支撑环，上下两圆周槽之间有钢球。

所述的三维扫描装置，其特征在于所述的平面反射镜固定在镜座上，镜座再固定在水平旋转箱体或垂直旋转箱体上。

所述的三维扫描装置，其特征在于所述的转盘下方固定连接在定位内环，基板下方连接有定位外环，定位内环与定位外环之间安装有向心轴承。

所述的三维扫描装置，其特征在于所述的水平旋转箱体外侧安装有配重块。

本发明的精度指标如下：

(1)潜望式扫描镜：

水平扫描角范围：-180°-180°；

角    速    度：＞5°/秒；

垂直扫描角范围：-5°-95°；

角    速    度：＞5°/秒；

(2)两扫描镜转动时，光轴摆动＜5′；

(3)两平面反射镜平行偏差＜5′；

(4)潜望式扫描镜的水平扫描和垂直扫描分别有零角度鉴别装置。

本发明的优点如下：1、在计算机的控制下，利用涡轮蜗杆传动原理实现平面反射镜的旋转，从而使得扫描部分成为一个独立的部件广泛应用到激光雷达系统中，避免了旋转望远镜系统所带来的不便。2、由于它本身是一个独立的系统，从而在安装地点上有了很大余量，可与激光雷达的望远镜分开，大大减小了安装空间上的限制。3、整个扫描系统由计算机控制，控制精度上有了一定的保证，避免了人工操作的不便和不足等。4、扫描精度很高，系统的稳定性好，控制简单、方便。由于系统由独立的安装方式，在安装的空间上没有距离的限制，可以与接收系统远距离对接，安装起来相当方便。采用了计算机的控制技术，避免了人工操作的不便；由于系统中增加了限位装置，从而提高系统运转的可靠性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明扫描原理示意图。

图3是本发明三维扫描机构的扫描空间示意图。

图4涡轮蜗杆传动机构。

图5是增量式角位移编码器的原理示意图。

图6是平面支撑环结构图。

图7是是平面反射镜座结构图。

图8是垂直旋转箱体剖视图。

图9是是垂直旋转箱体立体结构图。

图10是水平旋转箱体剖视图。

图11是水平旋转箱体立体结构图。

图12是平面反射镜结构图。

具体实施方式

参见图1~图10。图中各标号：1、平面反射镜，2、平面反射镜座，3、垂直旋转箱体，4、垂直旋转内环，5、垂直旋转外环，6、向心轴承，7、水平旋转箱体，8、水平配重，9、垂直配重，10、蜗轮蜗杆传动机构，11、固定基座，12、定位外环，13、定位内环，14、向心轴承，15、平面支撑环，16、钢球，17、支座，18、水平防护罩，19、水平旋转内环，20、转盘，21、基板，22、蜗杆，23、电机，24、增量式角位移编码器，25、电源线，26、控制线，27、计算机，28涡轮。

一种大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置，平面反射镜1固定在镜座2上，共二组，其中一组镜座2再固定在垂直旋转箱体3上，平面反射镜1成45度安装，垂直旋转箱体3的侧面外圈安装在垂直旋转内环4上，垂直旋转内环4外圈固定有涡轮，垂直旋转内环4之外套有垂直旋转外环5，垂直旋转外环5与垂直旋转内环4之间安装有向心轴承6，垂直旋转外环5与水平旋转箱体7固定连接，水平旋转箱体上固定有支座17，支座17上固定安装有垂直旋转涡轮涡杆传动机构10，和垂直旋转内环4上的涡轮配合；另一组平面反射镜1与镜座2安装在水平旋转箱体7上，平面反射镜1也成45度安装，与垂直旋转箱体3内安装的平面反射镜1平行，水平旋转箱体7的下方固定安装有水平旋转内环19，水平旋转内环19外安装有涡轮，水平旋转内环29固定在中空的转盘20上，转盘20下方是中空的固定的基板21，基板21与转盘20都有圆周槽，槽内分别固定平度精度很高的平面支撑环15，钢球16在上下平面支撑环15之间绕中心轴滚动，起支撑和减少摩擦力作用。基板21固定安装在固定基座11上。

转盘20下方固定连接在定位内环13，基板21下方连接有定位外环12，定位内环13与定位外环12之间安装有向心轴承14。

图1所示的为通光口径Φ300mm的潜望式扫描的光机系统剖面示意图。本发明在光学系统上采用了潜望式的双平面反射镜结构，两块平面反射镜与主光线成45度平行放置，反射镜根据实际的使用情况镀了高反射膜。由于反射镜45度放置，反射镜上的通光孔径为椭圆形；在通光口径Φ300mm扫描系统中，反射镜的实际口径为长轴a＝424mm，短轴c＝300mm的椭圆，考虑到加工和装夹，实际的两块平面反射镜做成八角形。潜望式激光雷达三位扫描旋转原理如图2所示，其旋转系统有水平旋转和垂直旋转构成，水平旋转时，两片反射镜整体旋转；垂直旋转时，只有垂直旋转方向的反射镜转动，其扫描空间示意图如图3所示。

1.垂直旋转的实现

从图1可以看出，平面反射镜1采用悬挂形式固定在镜座2上，镜座2通过螺钉与重直旋转箱体3连接为一体，箱体与垂直旋转内环4用定位销进行定位连接，提高了定位精度和旋转的稳定性。垂直旋转内环4与蜗轮连接，为了控制转动时光轴的摆动量，在内环4和外环5之间安装了两个大直径向心轴承6；垂直旋转部分通过外环5与水平旋转箱体7衔接。这样，当电机驱动涡轮蜗杆传动机构10时，垂直旋转箱体及其上的平面反射镜实现垂直旋转。而外环5和箱体7可以保持静止状态。

2.水平旋转的实现

水平旋转需要考虑系统的安装及其重量等因素，所以水平旋转结构较为复杂。水平旋转的转系如图1所示，平面反射镜1同样采用悬挂形式固定在镜座2上，镜座2固定在箱体7上，整个转动部件最终与旋转内环13连接，旋转内环13与旋转外环12之间为两个大直径向心轴承14，承担整个系统的重量。通过涡轮蜗杆传动机构10的带动实现了整个旋转体系的水平转动，为了减小摩擦力和光轴晃动量，采用了钢球16支撑，并使钢球16在两块高平面度的支撑环15上滚动，用于承受整个扫描机构的重力，避免了向心轴承承受过大的轴向力。

钢球的设计实际上就是计算钢球所需的最小直径，其公式为：

$d=\sqrt{\frac{Q_k}{C}}---\left(1\right)$

式中 C——钢球材料的许用负荷强度，约为780～980N/cm²

Q_k——计算载荷，其计算公式为

Q_k＝Q₀·a₁·a₂·a₃                    (2)其中a₁——考虑到座圈转动的系数，此处取1.4；

a₂——考虑到负荷情况的系数，此处取1.8；

a₃——考虑到工作时间的系数，此处取2；

Q₀——承受轴向负荷时，钢球受到的最大负荷，计算公式为

$Q_0=\frac{Q}{0.8z\cos \mathrm{\α}}---\left(3\right)$

其中Q——轴向总载荷，根据所有载荷约为Q＝210kg；

    z——使用的钢球数，本系统使用的钢球数为60个；

    α——钢球受力方向与轴线的夹角，本系统中α为零。将数据代入，可以得到：

Q_k＝Q₀·a₁·a₂·a₃＝4.79×1.4×1.8×2＝24.15kg＝236.7N；

$d=\sqrt{\frac{Q_k}{C}}=\sqrt{\frac{236.7}{780}}=0.55\mathrm{cm}=5.5\mathrm{mm}$

所以本系统中使用直径为10mm的钢球强度是足够的。

3.涡轮蜗杆传动机构

涡轮蜗杆传动机构如图4所示，涡轮28和蜗杆22由电机23驱动，电机后面连接增量式角位移编码器24，电机和编码器通过电源线25和控制线26与控制系统及计算机27相连。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本发明选用的步进电机为两相混合式，步距角为1.8°(经过驱动器细分后为0.36°)。因为扫描机构的转动惯量很大，步进电机在起步和停止时，有可能对一个控制脉冲还没有完全响应，另一个脉冲已经到来了，这种失步现象将大大影响控制精度。解决的办法就是在系统中加入零位角度鉴别装置和增量式角位移编码器24。增量式角位移编码器是一种脉冲盘式角度数字传感器。其原理示意图如图5所示。在圆盘的边缘上刻有相等角距的辐射状缝隙(分为透光和不透光部分)。在开缝圆盘的两侧分别安装光源和光敏元件。当圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线明暗的变化。通过光敏元件产生一次电信号的变化。再经整形放大，即可得一定幅值和功率的电脉冲输出信号。脉冲数等于转过的缝隙数。将输出的脉冲信号送到计数器中去进行计数，则由得到的计数值就可得到圆盘转角值。

步进电机两端配有伸出轴，一端接蜗杆，另一端接角位移编码器，用来监测轴的转角。这种计数方法的最小误差为角位移编码器的角度分辨率，即每产生一个脉冲转轴所转过的角度。因此计数方法对控制精度的影响可由下式表示：

${\mathrm{\Δ\θ}}_2=\frac{360/N}{i}$

式中Δθ₂——角位移编码器的角度分辨率对控制精度的影响(°)；

  N——角位移编码器中的光栅盘旋转一周产生的脉冲数；

  i——总传动比。光栅盘的刻线一般比较密，因此N值很大，再经过1/168的细分，所以采用了角位移编码器以后，角度计数方法对控制精度的影响也就微乎其微了。利用计算机编程实现增量式角位移编码器和电机转动同步，在光电开光和行程开关的严格控制下，实现了扫描机构按给定的角度进行三维空间的扫描。对于Φ300mm口径的扫描机构中涡轮蜗杆的计算如下：

(1)蜗杆头数Z₁、蜗轮齿数Z₂及传动比i的计算：

根据实际光学和机械尺寸，确定了蜗轮蜗杆的外形尺寸，大致如下：

    蜗轮：外径Φ430mm，内径Φ336mm，厚度35mm；

    蜗杆：直径Φ35mm取模数m＝2、5，蜗轮分度圆直径为d2＝420mm，则蜗轮齿数为：

    Z₂＝d₂/m＝420/2.5＝168

因为本例中的传动比比较大，可以取蜗杆头数Z1＝1，传动比为：i＝Z₂/Z₁＝168

所以可以确定：蜗杆头数Z₁＝1，蜗轮齿数Z₂＝168，传动比i＝168。

(2)选择材料并确定其许用应力：

蜗杆副的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是要有良好的减摩耐磨性能，因此采用ZQSn10-1作蜗轮的材料，它的抗胶合和耐磨性能好，允许的滑动速度高，且易于切削加工；蜗杆选用的材料为40Cr，表面淬火到HRC40～45，具有很高的硬度。

估计正常工作时蜗轮与蜗杆的相对滑动速度不超过0、5m/s，蜗轮的许用接触应力为[σ_H]＝180N/mm²。

(3)模数m、直径系数q以及几何尺寸的计算：

第一步中已经取m＝2、5，取蜗杆分度圆直径为d1＝30mm，则直径系数为

q＝d₁/m＝30/2.5＝12

其他几何尺寸的计算公式以及结果见表1

4、配重块的设计

为了使系统运行平稳，还分别对水平和垂直旋转机构进行了配重设计。这部分内容是借助PRO/E软件完成的。在Assembly(装配)模式下先将扫描机构的大致模型设计出来，然后根据每个零件的材料输入零件的密度值，即可对整个模型进行质量属性的分析。

配重分两个部分进行。首先要对垂直旋转机构进行配重，然后对水平旋转机构配重，两个过程方法是一样的，这里只介绍水平旋转机构的配重过程。由于水平旋转机构运转时带动垂直旋转机构一起转动，所以对水平旋转机构配重时要加入垂直旋转机构一起分析，这也是必须先对垂直机构进行配重的原因。

配重前系统的总重量约为G＝173公斤。这是配重所要用到的关键参数。为减小重心相对于水平转轴的偏移量，需在相反的方向上添加配重块。应使用密度较大而又廉价的材料，如铸铁等。设计时把配重块安装在离转轴稍远的位置，这样可以在取得同样配重效果的情况下减轻系统的总重量。添加配重块时不必准确计算要添加多少重量，可以在添加一定配重后马上进行质量属性分析，若不满意可以很方便地改变配重的体积(重量)再次进行分析，直到满意为止。

根据PRO/E软件计算出配重8和9的重量为37公斤，再加上总重为20公斤的基板11和防护罩18，三维扫描系统总重量为230公斤左右。

Claims (4)

1、一种大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置，包括有平面反射镜，水平旋转机构，和垂直旋转机构，其特征在于垂直旋转箱体上安装有45度平面反射镜，垂直箱体的侧面外圈安装在垂直旋转内环上，垂直旋转内环外圈固定有涡轮，垂直旋转内环之外套有垂直旋转外环，垂直旋转外环与垂直旋转内环之间安装有向心轴承，垂直旋转外环与水平旋转箱体固定连接，水平旋转箱体上固定有支座，支座上固定安装有垂直旋转涡轮涡杆传动机构，和垂直旋转内环上的涡轮配合；水平旋转箱体上安装有45度平面反射镜，与垂直旋转箱体内安装的平面反射镜平行，水平旋转箱体的下方固定安装有水平旋转内环，水平旋转内环外安装有涡轮，水平旋转内环固定在中空的转盘上，转盘下方是固定的基板，基板与转盘上均有圆周槽，圆周槽内分别固定平面支撑环，上下两圆周槽之间有钢球。

2、根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于所述的平面反射镜固定在镜座上，镜座再固定在水平旋转箱体或垂直旋转箱体上。

3、根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于所述的转盘下方固定连接在定位内环，基板下方连接有定位外环，定位内环与定位外环之间安装有向心轴承。

4、根据权利要求1所述的三维扫描装置，其特征在于所述的水平旋转箱体外侧安装有配重块。

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