CN1601324A - 大口径光学潜望式激光雷达三维扫描装置 - Google Patents
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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,***的稳定性好,控制简单,可以与接收***远距离对接,安装起来相当方便。
Description
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***中。扫描***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***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***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***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***和扫描成像***中,尤其是对一些扫描精度要求比较高的***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***中,避免了旋转望远镜***所带来的不便。2、由于它本身是一个独立的***,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***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,***的稳定性好,控制简单、方便。由于***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***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***中增加了限位装置,从而提高***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***剖面示意图。本发明在光学***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***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***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***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***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:
式中 C——钢球材料的许用负荷强度,约为780~980N/cm2
Qk——计算载荷,其计算公式为
Qk=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
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***使用的钢球数为60个;
α——钢球受力方向与轴线的夹角,本***中α为零。将数据代入,可以得到:
Qk=Q0·a1·a2·a3=4.79×1.4×1.8×2=24.15kg=236.7N;
所以本***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***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***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:
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[σH]=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***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***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***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***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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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081008 Termination date: 20091014 |