CN203688800U - 一种扫描式激光雷达及激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种扫描式激光雷达和激光雷达系统，包括激光雷达、三维运动驱动单元和控制单元；所述激光雷达安装在一壳体内，所述三维运动驱动单元接收控制单元发送的运动控制信号，驱动所述壳体在三维空间内运动。本实用新型的扫描式激光雷达，结构简单，集成化、自动化程度高。将所述扫描式激光雷达应用到激光雷达系统中，监测人员可以通过上位机控制激光雷达的测量方向和测量模式，实现了对激光雷达的自动控制。
Description
技术领域
本实用新型属于雷达技术领域，具体地说，是涉及一种扫描式激光雷达的结构设计以及采用所述扫描式激光雷达设计的激光雷达系统。
背景技术
传统激光雷达的测量方向大多是固定的，为了扩展激光雷达的测量模式，需要将激光雷达与三维扫描测量结构结合起来。目前，激光雷达与三维扫描测量结构的结合方式大多采用的是将激光雷达发射系统与接收系统集成在一个手动扫描平台上，通过手动调整扫描平台旋转，从而改变激光雷达测量的方向，这种方式需要人为的调整激光雷达的测量方向，自动化程度不高，不利于连续观测，并且还会引入扫描误差。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种扫描式激光雷达，解决了现有的激光雷达自动化程度不高以及系统集成化低的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种扫描式激光雷达，包括激光雷达、三维运动驱动单元和控制单元；所述激光雷达安装在一壳体内，所述三维运动驱动单元接收控制单元发送的运动控制信号，驱动所述壳体在三维空间内运动。
优选的，所述三维运动驱动单元和控制单元安装在一支撑结构内，所述支撑结构位于壳体下部，并与壳体连接。
进一步的，所述支撑结构包括支撑架和底座，所述支撑架通过设置在壳体上的水平轴与壳体转动连接，并对壳体进行支撑，所述底座安装在支撑架的下方；所述三维运动驱动单元包括俯仰驱动单元和水平驱动单元；所述俯仰驱动单元安装在支撑架中，连接所述水平轴，驱动水平轴转动，带动壳体在垂直方向上做俯仰运动；所述水平驱动单元安装在底座中，通过设置在支撑架底部的垂直轴与支撑架连接，驱动垂直轴转动，带动支撑架水平转动。
又进一步的，所述俯仰驱动单元包括俯仰驱动电机、俯仰减速机、小同步带轮、大同步带轮和同步带；所述俯仰驱动电机与俯仰减速机连接，所述俯仰减速机与小同步带轮连接，所述小同步带轮通过同步带与大同步带轮连接，所述大同步带轮与所述水平轴连接。
优选的，所述水平驱动单元包括水平驱动电机、水平减速机、小传动齿轮、大传动齿轮和轴座；所述水平驱动电机与水平减速机连接，所述水平减速机与小传动齿轮连接，所述小传动齿轮与大传动齿轮啮合，所述大传动齿轮与所述垂直轴连接，所述垂直轴嵌套安装在轴座中，所述轴座固定安装在底座中。
进一步的，所述激光雷达包括激光发射单元和光学接收单元；所述激光发射单元包括激光器、分束镜、反射镜和电控反射镜；所述反射镜和激光器分设在分束镜的左右两侧，所述分束镜和反射镜与所述激光器出射光方向成一定角度放置，在所述反射镜的一侧设置有用于将所述反射镜的反射光线进行反射的电控反射镜，所述电控反射镜连接控制单元；所述光学接收单元包括接收望远镜、小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片、聚焦透镜和光电倍增管，所述小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜依次并行放置在接收望远镜的一侧，且所述小孔光阑设置在接收望远镜的焦平面处，所述光电倍增管接收从聚焦透镜透射出的光线，并转换成电信号传输至控制单元。
优选的，在所述反射镜与分束镜之间设置有一扩束镜。
又进一步的，在所述激光发射单元中还设置有触发模块，所述触发模块接收所述分束镜反射的光线，并转换成触发电信号传输至控制单元。
优选的，在所述控制单元中设置有俯仰电机驱动器、水平电机驱动器、电控反射镜控制接口和信号接口模块；一外接压电控制器通过所述电控反射镜控制接口与电控反射镜连接，所述俯仰电机驱动器与俯仰驱动电机连接，所述水平电机驱动器与水平驱动电机连接，所述信号接口模块分别与光电倍增管、触发模块、俯仰电机驱动器、水平电机驱动器相连，并与上位机进行通信。
基于上述扫描式激光雷达的设计，本实用新型还提出了一种采用所述扫描式激光雷达的激光雷达系统，包括上位机、数据采集卡、运动控制卡和扫描式激光雷达，所述扫描式激光雷达包括激光雷达、三维运动驱动单元和控制单元，所述激光雷达安装在一壳体内，所述三维运动驱动单元接收控制单元发送的运动控制信号，驱动所述壳体在三维空间内运动；所述数据采集卡和运动控制卡安装在上位机上，所述上位机分别通过数据采集卡和运动控制卡与所述扫描式激光雷达中的信号接口模块进行通信。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的扫描式激光雷达，结构简单，集成化、自动化程度高。将所述扫描式激光雷达应用到激光雷达系统中，监测人员可以通过上位机控制激光雷达的测量方向，实现了对激光雷达的自动控制。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的扫描式激光雷达的一种实施例的结构示意图；
图2是图1中三维运动驱动单元的结构示意图；
图3是图1中激光雷达的结构示意图；
图4是图1中控制单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
实施例一，本实施例的扫描式激光雷达主要由激光雷达、三维运动驱动单元和控制单元组成，其中，所述激光雷达固定安装在壳体1内，参见图1所示，所述控制单元与三维运动驱动单元连接，并发送运动控制信号至三维运动驱动单元，所述三维运动驱动单元接收控制单元发送的运动控制信号，并根据接收到的运动控制信号驱动壳体1在三维空间内运动，从而带动激光雷达在三维空间内扫描。
所述三维运动驱动单元和控制单元安装在支撑结构内，所述支撑结构位于壳体1的下部，并与壳体1连接。所述支撑结构包括支撑架和底座6，所述支撑架主要由两个支撑腿和位于两个支撑腿之间的水平支撑部组成，所述水平支撑部与两个支撑腿固定连接，所述两个支撑腿分别与设置在壳体1左右两侧的两个水平轴对应转动连接，并分别对壳体1起到支撑作用。所述底座6安装在支撑架的水平支撑部的下方，参见图1所示。
所述三维运动驱动单元包括俯仰驱动单元和水平驱动单元，所述俯仰驱动单元安装在支撑架中，所述水平驱动单元安装在底座6中。
具体来说，所述俯仰驱动单元主要由俯仰驱动电机7、俯仰减速机8和同步带传动结构组成，所述俯仰驱动电机7和俯仰减速机8安装在支撑架的水平支撑部中，所述同步带传动结构安装在支撑架的一个支撑腿中，并连接与此支撑腿转动连接的水平轴12。在本实施例中，所述同步带传动结构主要由小同步带轮9、同步带10和大同步带轮11组成，所述俯仰驱动电机7与俯仰减速机8连接，所述俯仰减速机8通过键与小同步带轮9连接，所述小同步带轮9通过同步带10与大同步带轮11连接，所述大同步带轮11通过键与水平轴12连接，参见图2所示。所述俯仰驱动电机7通过俯仰减速机8带动小同步带轮9转动，小同步带轮9通过同步带10带动大同步带轮11转动，大同步带轮11通过键带动水平轴12转动，从而带动壳体1绕水平轴12在垂直方向上做俯仰运动，因此安装在壳体1内的激光雷达能够绕水平轴12在垂直方向上进行扫描。
所述水平驱动单元通过设置在支撑架的水平支撑部的底部的垂直轴与支撑架连接，驱动垂直轴转动，带动支撑架水平转动。具体来说，所述水平驱动单元主要由水平驱动电机13、水平减速机14、小传动齿轮15、大传动齿轮16和轴座17组成。所述水平驱动电机13与水平减速机14连接，所述水平减速机14通过键与小传动齿轮15连接，所述小传动齿轮15和大传动齿轮16啮合，所述大传动齿轮16与所述垂直轴连接，所述垂直轴嵌套安装在轴座17中，所述轴座17固定安装在底座6中，参见图2所示。所述水平驱动电机13通过水平减速机14带动小传动齿轮15转动，小传动齿轮15带动大传动齿轮16转动，大传动齿轮16带动所述垂直轴转动，从而带动支撑架绕垂直轴在水平方向上转动，从而带动壳体1绕垂直轴水平转动。因此安装在壳体1内的激光雷达能够绕垂直轴在水平方向上进行扫描。
在本实施例中，所述水平减速机14优选采用直角减速机，有利于合理利用底座6的空间。
在壳体1前侧开设有激光发射窗口2和光学接收窗口3，参见图1所示，激光雷达发射出的激光束通过激光发射窗口2发射出去，后向散射光信号通过光学接收窗口3进入激光雷达并被激光雷达接收。
所述激光雷达主要由激光发射单元和光学接收单元组成，所述激光发射单元主要由激光器18、分束镜19、反射镜21和电控反射镜22组成，参见图3所示。其中，所述分束镜19可以选用高透过率的分光镜片，按照与激光器18出射光方向成一定角度放置，在分束镜19的左右两侧对应设置反射镜21和激光器18，所述反射镜21按照与激光器18出射光方向成一定角度放置；所述电控反射镜22设置在反射镜21的一侧，并能够将反射镜21的反射光线进行反射，所述电控反射镜22的反射光线通过激光发射窗口2发射出去。
所述电控反射镜22采用压电调节方式，并与控制单元电连接。所述控制单元向电控反射镜22发送二维控制信号，对电控反射镜22进行二维方向上的调节，进而调整了由电控反射镜22反射出去的光线的方向。
为了减小激光雷达的尺寸，在本实施例中，所述激光器18优选采用小型固体激光器。在所述反射镜21与分束镜19之间设置有一扩束镜20，参见图3所示。由激光器18发射出的激光束，大部分激光束经过分束镜19透射到扩束镜20，经过扩束镜20扩束并压缩发散角后，光束射到反射镜21上，经过反射镜21反射后，光束射向电控反射镜22，经过电控反射镜22的反射后，从激光发射窗口2发射出去。
在所述激光发射单元中还设置有触发模块23，所述触发模块23设置在分束镜19的一侧。由激光器18发射出的激光束，小部分激光束经过分束镜19反射后，射入触发模块23，所述触发模块23接收由分束镜19反射的光束，并转换为触发电信号，输出至控制单元。
所述光学接收单元主要由接收望远镜24、小孔光阑25、准直透镜26、干涉滤光片27、聚焦透镜28和光电倍增管29组成，参见图3所示。其中，小孔光阑25、准直透镜26、干涉滤光片27和聚焦透镜28依次并行设置在接收望远镜24的一侧，且所述小孔光阑25设置在接收望远镜24的焦平面处。后向散射光信号由接收望远镜24接收后，经过小孔光阑25射入准直透镜26，经过准直透镜26后平行射入干涉滤光片27，经过干涉滤光片27滤除干扰信号后，射入聚焦透镜28，经聚焦透镜28会聚至光电倍增管29的接收窗口，所述光电倍增管29接收光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，输出至控制单元。
所述控制单元设置在底座6内，主要由俯仰电机驱动器30、水平电机驱动器31、电控反射镜控制接口和信号接口模块组成，所述电控反射镜控制接口由X方向控制接口35和Y方向控制接口36组成，所述信号接口模块主要由运动控制信号接口32、触发信号接口33和回波信号接口34组成，参见图4所示。其中，所述俯仰电机驱动器30与俯仰驱动电机7连接，所述水平电机驱动器31与水平驱动电机13连接，所述X方向控制接口35和Y方向控制接口36与一外接压电控制器连接。所述外接压电控制器输出的二维控制信号经由X方向控制接口35和Y方向控制接口36传输至电控反射镜22，对电控反射镜22进行二维方向上的调节。
所述信号接口模块分别与光电倍增管29、触发模块23、俯仰电机驱动器30、水平电机驱动器31相连，并通过线缆与上位机进行通信，具体来说，所述运动控制信号接口32接收上位机输出的控制指令，并发送至俯仰电机驱动器30和水平电机驱动器31，从而驱动俯仰驱动电机7和水平驱动电机13运行；所述触发信号接口33接收触发模块23输出的触发电信号，并发送至上位机；所述回波信号接口34接收光电倍增管29输出的电信号，并发送至上位机。
将所述扫描式激光雷达应用到激光雷达系统中，所述激光雷达系统主要由上位机、数据采集卡、运动控制卡和所述的扫描式激光雷达组成。所述数据采集卡和运动控制卡安装在上位机上，并分别与上位机进行通信；所述运动控制卡通过线缆与扫描式激光雷达的控制单元的运动控制信号接口32连接，所述数据采集卡通过线缆分别与扫描式激光雷达的控制单元的触发信号接口33和回波信号接口34连接。
触发模块23发出的触发电信号传输至触发信号接口33，经由线缆传输至数据采集卡，数据采集卡将接收到的触发电信号发送至上位机，上位机接收到触发电信号后，向数据采集卡发送指令，触发数据采集卡准备采集由回波信号接口34传输的电信号。当然，当数据采集卡接收到触发电信号时，也可以自行触发，准备采集由回波信号接口34传输的电信号。
光电倍增管29发出的电信号传输至回波信号接口34，经由线缆传输至数据采集卡，数据采集卡将接收到的电信号发送至上位机，由上位机进行数据处理 。
上位机发出的控制指令传输至运动控制卡，所述运动控制卡接收上位机输出的控制指令，并转换成运动控制信号，通过线缆将运动控制信号传输至运动控制信号接口32，经由运动控制信号接口32分别传输至俯仰电机驱动器30和水平电机驱动器31，进而分别驱动俯仰驱动电机7和水平驱动电机13运行。此外，所述运动控制信号接口32能够将俯仰电机驱动器30和水平电机驱动器31的运动状态传输至运动控制卡，经由运动控制卡传输至上位机，从而能够监控俯仰电机驱动器30和水平电机驱动器31的运行状态。
当扫描式激光雷达开始测量时，激光器18发射出激光束，小部分激光束经过分束镜19反射后，射入到触发模块23，大部分激光束经过分束镜19透射后射入扩束镜20。触发模块23将接收到的光信号转换成触发电信号，并将生成的触发电信号通过触发信号接口33传输至数据采集卡，数据采集卡将触发电信号传输至上位机，上位机向数据采集卡发出指令，触发数据采集卡准备采集由回波信号接口34传输的电信号；射入扩束镜20的激光束，经过扩束镜20的作用后，射入反射镜21，并经由反射镜21反射到电控反射镜22，然后由电控反射镜22进行反射，电控反射镜22的反射光线通过激光发射窗口2发射出去，当电控反射镜22的反射光线的方向需要调整时，可通过外接压电控制器对电控反射镜22进行二维方向上的调节，从而调整电控反射镜22的反射光线的方向。后向散射光信号由光学接收单元接收，并由光学接收单元中的光电倍增管29转换为电信号，所述电信号通过回波信号接口34传输至数据采集卡，数据采集卡将接收到的电信号发送至上位机。
当需要改变扫描式激光雷达的测量方向时，上位机发送控制指令至运动控制卡，所述运动控制卡将接收到的控制指令转换为运动控制信号，并传输至控制单元，控制三维运动驱动单元运行，驱动壳体1在三维空间内运动，从而控制扫描式激光雷达旋转，改变测量方向。
根据上位机发送的控制指令的不同，所述扫描式激光雷达能够在垂直方向上进行0～180°范围内的扫描测量以及在水平方向上进行0～360°范围内的扫描测量。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种扫描式激光雷达，其特征在于：包括激光雷达、三维运动驱动单元和控制单元；所述激光雷达安装在一壳体内，所述三维运动驱动单元接收控制单元发送的运动控制信号，驱动所述壳体在三维空间内运动。
2.根据权利要求1所述的扫描式激光雷达，其特征在于：所述三维运动驱动单元和控制单元安装在一支撑结构内，所述支撑结构位于壳体下部，并与壳体连接。
3.根据权利要求2所述的扫描式激光雷达，其特征在于：所述支撑结构包括支撑架和底座，所述支撑架通过设置在壳体上的水平轴与壳体转动连接，并对壳体进行支撑，所述底座安装在支撑架的下方；所述三维运动驱动单元包括俯仰驱动单元和水平驱动单元；所述俯仰驱动单元安装在支撑架中，连接所述水平轴，驱动水平轴转动，带动壳体在垂直方向上做俯仰运动；所述水平驱动单元安装在底座中，通过设置在支撑架底部的垂直轴与支撑架连接，驱动垂直轴转动，带动支撑架水平转动。
4.根据权利要求3所述的扫描式激光雷达，其特征在于：所述俯仰驱动单元包括俯仰驱动电机、俯仰减速机、小同步带轮、大同步带轮和同步带；所述俯仰驱动电机与俯仰减速机连接，所述俯仰减速机与小同步带轮连接，所述小同步带轮通过同步带与大同步带轮连接，所述大同步带轮与所述水平轴连接。
5.根据权利要求3所述的扫描式激光雷达，其特征在于：所述水平驱动单元包括水平驱动电机、水平减速机、小传动齿轮、大传动齿轮和轴座；所述水平驱动电机与水平减速机连接，所述水平减速机与小传动齿轮连接，所述小传动齿轮与大传动齿轮啮合，所述大传动齿轮与所述垂直轴连接，所述垂直轴嵌套安装在轴座中，所述轴座固定安装在底座中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的扫描式激光雷达，其特征在于：所述激光雷达包括激光发射单元和光学接收单元；所述激光发射单元包括激光器、分束镜、反射镜和电控反射镜；所述反射镜和激光器分设在分束镜的左右两侧，所述分束镜和反射镜与所述激光器出射光方向成一定角度放置，在所述反射镜的一侧设置有用于将所述反射镜的反射光线进行反射的电控反射镜，所述电控反射镜连接控制单元；所述光学接收单元包括接收望远镜、小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片、聚焦透镜和光电倍增管，所述小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜依次并行放置在接收望远镜的一侧，且所述小孔光阑设置在接收望远镜的焦平面处，所述光电倍增管接收从聚焦透镜透射出的光线，并转换成电信号传输至控制单元。
7.根据权利要求6所述的扫描式激光雷达，其特征在于：在所述反射镜与分束镜之间设置有一扩束镜。
8.根据权利要求6所述的扫描式激光雷达，其特征在于：在所述激光发射单元中还设置有触发模块，所述触发模块接收所述分束镜反射的光线，并转换成触发电信号传输至控制单元。
9.根据权利要求8所述的扫描式激光雷达，其特征在于：在所述控制单元中设置有俯仰电机驱动器、水平电机驱动器、电控反射镜控制接口和信号接口模块；一外接压电控制器通过所述电控反射镜控制接口与电控反射镜连接，所述俯仰电机驱动器与俯仰驱动电机连接，所述水平电机驱动器与水平驱动电机连接，所述信号接口模块分别与光电倍增管、触发模块、俯仰电机驱动器、水平电机驱动器相连，并与上位机进行通信。
10.一种激光雷达系统，其特征在于：包括上位机、数据采集卡、运动控制卡及如权利要求1至9中任一项所述的扫描式激光雷达，所述数据采集卡和运动控制卡安装在上位机上，所述上位机分别通过数据采集卡和运动控制卡与所述扫描式激光雷达中的信号接口模块进行通信。
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