技术领域
[0001] 本
发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种高精度单电机传动激光雷达三维
扫描仪。
背景技术
[0002] 随着我国航空航天业的迅猛发展，人们对非
接触式的大气成分测量、
风场数据测量、距离测量、速度测量、图像目标识别等技术方法的需求越来越大，激光雷达是解决以上问题的良好方案。由于激光的高度
准直特性，为了实现大面积探测，扫描式激光雷达得到了广泛应用。其中，三维扫描仪是扫描式激光雷达的重要组成部分。
[0003] 三维扫描仪分为透射式扫描仪和反射式扫描仪。由于透射式扫描仪存在色散差(吸收)，以及对不同
波长激光透过率不相同等问题，使得透射式扫描仪在使用过程中产生一定的测量误差。反射式扫描仪应用更为广泛，尤其是，采用潜望镜原理的二次反射式扫描仪应用最为广泛。美国CLRphotonics公司的WindTracer相干测风激光雷达，法国LEOSPHERE公司的WindCube激光雷达，使用的都是潜望镜原理的二次反射式扫描仪。
[0004] 但是，目前使用在激光雷达上的反射式扫描仪存在以下难点：
[0005] 1、扫描仪的扫描
角度误差将引起实际探测目标范围的误差。如图1所示，扫描仪角度误差Δθ与探测距离L和探测目标范围的误差Δd(即ΔX)存在以下关系：
[0006] Δd＝Δθ·L·π/180°
[0007] 因此，在探测距离为10km的情况下，±0.1°的扫描角度误差将导致探测目标范围±17.44m的误差，这对激光雷达精确
定位的大气参数测量造成了严重影响。
[0008] 2、激光雷达的探测目标范围与扫描仪的扫描角度直接相关。在WindCube中，其探测指向(方位角和
俯仰角)由计算机发送给两个独立工作的高精度
伺服电机来确定并实现空间扫描。实际上，由此确定的探测指向与实际的探测指向存在偏差，原因在于现有的扫描仪采用纯
齿轮传动，在现有
机械加工精度条件下，无法避免齿轮的回程误差(如图3)。即使是在装调初期实现了高精度指向，随着齿轮的磨损，也会导致扫描仪实际扫描的角度范围与伺服电机的旋转角度范围存在偏差。
[0009] 3、采用高精度伺服电机来控制扫描仪的扫描角度，如果不引入实时角度检测系统对扫描角度进行校准并实际获得当前的方位角度，就无法避免由于传导过程中的震动、器件制作误差、齿轮回程误差、热胀冷缩、机械磨损等导致的扫描仪旋转角度误差。使用传统的角度
传感器进行扫描仪旋转角度检测，受限于传感器的线缆，使得扫描仪无法连续顺
时针或连续逆时针扫描。
[0010] 4、目前使用的潜望镜式三维连续扫描仪，使用两个高精度伺服电机分别控制扫描仪的
水平和垂直扫描，但是在激光雷达具体应用中，三维扫描仪一般作RHI、VAD或PPI扫描；对于以上任意一种扫描方式，均是半球空间的单个
自由度的扫描，所以采用双电机是冗余的，增加了成本，并降低了运行可靠性。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供一种高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪，实现了使用单个高精度伺服电机控制扫描仪全空间连续扫描，并提高了激光雷达扫描仪的精度，缩小了扫描仪的体积，简化了扫描仪的操作流程，使扫描式激光雷达系统测量更为准确可靠。
[0012] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0013] 一种高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪，包括：高精度伺服电机1、带顺时针逆止器的
蜗杆2、带逆时针逆止器的蜗杆3、内筒蜗轮4、扫描仪内筒5，内筒齿轮组6与7、无线双轴超高精度俯仰角度传感器8、俯仰角度传感器电源模
块9、外筒蜗轮10、扫描仪外筒11、环形角度
编码器12、
轴承组13与激光雷达
外壳17；
[0014] 高精度伺服电机1分别与带顺时针逆止器的蜗杆2以及带逆时针逆止器的蜗杆3相连，带顺时针逆止器的蜗杆2通过安装在扫描仪内筒5下端的内筒蜗轮4，驱动扫描仪内筒5转动，扫描仪内筒上部安装有内筒齿轮组6和7，使水平旋转的扫描仪内筒5转换为扫描仪的竖直方向扫描；带逆时针逆止器的蜗杆3通过安装在扫描仪外筒3下端的外筒蜗轮10，驱动扫描仪外筒11水平旋转，从而实现扫描仪的水平扫描；环形角度编码器12的编码器固定在激光雷达外壳17上，其码盘固定在扫描仪外筒11上；无线双轴超高精度角度传感器8固定在扫描仪内筒5的外壁上，其内置有俯仰角度传感器电源模块9；扫描仪内筒5与扫描仪外筒11，以及扫描仪外筒11与激光雷达外壳17之间均通过轴承组13相连；
[0015] 实现水平方向旋转和角度检测的方式如下：由控制计算机设定一个水平扫描角度，并控制高精度伺服电机1逆时针旋转，由高精度伺服电机1驱动带逆时针逆止器的蜗杆3旋转，并由带逆时针逆止器的蜗杆3驱动外筒蜗轮10旋转，外筒蜗轮10驱动扫描仪外筒11旋转，同时安装在扫描仪外筒11上的环形角度编码器12的码盘随外筒一起旋转，环形角度编码器12的编码器固定在激光雷达外壳17上，记录外筒旋转角度；
[0016] 实现垂直方向旋转和角度检测的方式如下：由控制计算机设定一个垂直扫描角度，并控制高精度伺服电机1顺时针旋转，由高精度伺服电机1驱动带顺时针逆止器的蜗杆2旋转，并由带顺时针逆止器的蜗杆2驱动内筒蜗轮4旋转，内筒蜗轮4驱动扫描仪内筒5，通过内筒齿轮组6和7将扫描仪内筒5水平方向的旋转转化为扫描头竖直方向的旋转，同时无线双轴超高精度俯仰角度传感器8实时记录扫描头垂直旋转角度。
[0017] 进一步的，带顺时针逆止器的蜗杆2与带逆时针逆止器的蜗杆3均为蜗杆和逆止器的套接使用，通过连接高精度伺服电机1，实现了使用一台高精度伺服电机顺时针旋转时，控制扫描仪水平方向扫描；逆时针旋转时，控制扫描仪垂直方向扫描。
[0018] 进一步的，在扫描仪开机时，无线双轴超高精度俯仰角度传感器8检测扫描头的水平方位，并通过无线
信号反馈给控制计算机，由控制计算机控制高精度伺服电机1顺时针旋转，驱动带顺时针逆止器的蜗杆2旋转，由带顺时针逆止器的蜗杆2驱动内筒蜗轮4旋转，内筒蜗轮4通过齿轮组6和7将内筒水平方向的旋转转化为扫描头竖直方向的旋转，直至扫描头处于竖直向上的零点
位置，从而实现扫描仪的开机自动水平校准。
[0019] 进一步的，所述无线双轴超高精度俯仰角度传感器8与环形角度编码器12的精度均为±0.001°，通过读取这两个传感器的数据，对扫描仪实际旋转角度进行实时记录，并在后续
数据处理中，对旋转角度数据进行纠正。
[0020] 进一步的，还包括：保护镜头15与挡雨器16；
[0021] 所述保护镜头15设置在扫描头上方，所述挡雨器16设置在激光雷达外壳与扫描仪外筒11的接触部位。
[0022] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，
[0023] (1)使用高精度伺服电机，通过水平旋转方向的±0.001°环形编码器，垂直方向的±0.001°无线双轴超高精度俯仰角度传感器对扫描角度进行实时记录，解决了由于伺服电机旋转角度与实际旋转角度不符导致的扫描仪旋转角度误差的问题，实现了水平方向小于±0.001°的角度误差，垂直方向小于±0.001°的角度误差，将10km处激光雷达的水平探测范围误差缩小到±0.17m，垂直探测范围误差缩小到±0.17m。
[0024] (2)通过使用蜗杆搭配逆止器，实现了单个高精度伺服电机控制扫描仪360°不间断连续三维扫描。同时由于逆止器的单向旋转扫描特性，避免了齿轮双向传动产生的回程误差，且在国内现有的机械加工水平下，蜗杆的制作精度和耐磨损性都高于齿轮。
[0025] (3)使用单个高精度伺服电机，减小了扫描仪的体积，降低了扫描仪的复杂度。
[0026] (4)使用±0.001°的无线双轴超高精度俯仰角度传感器，实现了扫描头的开机自动水平校准，避免了在坑洼地面使用时的人工校准，降低了扫描式激光雷达系统的操作复杂程度，提高了测量准确度。
[0027] (5)扫描头出光口加上了可单独拆卸的保护镜头。望远镜光路与扫描头光路水平衔接，可以保护望远镜系统。在扫描仪外筒与外壳之间，安装了防雨器，可以防止雨水通过扫描仪与外壳之间的空隙侵入仪器内部。
[0028] (6)垂直扫描是通过齿轮组传动实现，精确角度定位采用高精度
位置传感器实现，这种方式避免了双电机实现二维扫描产生的绕线问题，使得整体扫描结构更紧凑、位置指向精度更高、旋转自由度更强。
附图说明
[0029] 为了更清楚地说明本发明
实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0030] 图1为背景技术提供的扫描仪扫描角度误差导致的探测目标范围误差示意图；
[0031] 图2为背景技术提供的齿轮的回程误差的示意图；
[0032] 图3为本发明实施例提供的一种高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪的结构剖视图；
[0033] 图4为本发明实施例提供的激光雷达的截面剖图；
[0034] 图5为本发明实施例提供的无线双轴超高精度俯仰角度传感器的示意图；
[0035] 图6为本发明实施例提供的环形角度编码器的示意图；
[0036] 图7为本发明实施例提供的使用PPI扫描方式使用传感器实际读取数值为坐标值进行数据记录的数据记录格式示意图。
具体实施方式
[0037] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0038] 本发明实施例提供一种高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪，其结构剖视图如图3所示，其主要包括：高精度伺服电机1、带顺时针逆止器的蜗杆2、带逆时针逆止器的蜗杆3、内筒蜗轮4、扫描仪内筒5、内筒齿轮组6与7、无线双轴超高精度俯仰角度传感器8、俯仰角度传感器电源模块9、外筒蜗轮10、扫描仪外筒11、环形角度编码器12、轴承组13、内部反射镜14、保护镜头15、挡雨器16、激光雷达外壳17；
[0039] 高精度伺服电机1分别与带顺时针逆止器的蜗杆2以及带逆时针逆止器的蜗杆3相连，带顺时针逆止器的蜗杆2通过安装在扫描仪内筒5下端的内筒蜗轮4，驱动扫描仪内筒5转动，扫描仪内筒上部安装有内筒齿轮组6和7，使水平旋转的扫描仪内筒5转换为扫描仪的竖直方向扫描。
[0040] 带逆时针逆止器的蜗杆3通过安装在扫描仪外筒11下端的外筒蜗轮10，驱动扫描仪外筒11水平旋转，从而实现扫描仪的水平扫描。同时，环形角度编码器12的编码器固定在激光雷达外壳17上，其码盘固定在扫描仪外筒11上，可以随着扫描仪外筒11一起旋转，从而对扫描仪外筒11水平扫描角度实时记录。
[0041] 无线双轴超高精度角度传感器8固定在扫描仪内筒5的外壁上(靠近扫描头)，其内置有俯仰角度传感器电源模块9，对扫描仪内筒竖直扫描角度实时记录。
[0042] 同时，扫描仪内筒5与扫描仪外筒11之间通过轴承组13相连，扫描仪外筒11与激光雷达外壳17之间，也通过轴承组13相连，并在扫描仪外筒11与激光雷达外壳之间，使用挡雨器16，保护扫描仪内部不受外界环境干扰。扫描头处采用可更换的保护镜头15，方便以后维护。
[0043] 本发明实施例所提供的高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪的光线传播原理与现有的潜望镜原理类似；其外形结构与图1所述的激光雷达装置(图1左下角立方体装置)类似，为了便于理解其外形结构可参见图4，即本实施例所述的激光雷达外壳17与图1中的立方体外壳类似，扫描仪在激光雷达中的位置与图1中立方体顶部的扫描仪类似。
[0044] 本发明实施例中，使用了无线双轴超高精度俯仰角度传感器8，从而使该高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪可以实现扫描仪的开机自动水平校准，其校准过程如下：
[0045] 在扫描仪开机时，安装在扫描头(图3中出光口)附近的无线双轴超高精度俯仰角度传感器8(由俯仰角度传感器电源模块9为其供电)检测扫描头的水平方位，并通过无线信号反馈给控制计算机，由控制计算机控制高精度伺服电机1顺时针旋转，驱动带顺时针逆止器的蜗杆2旋转，由带顺时针逆止器的蜗杆2驱动内筒蜗轮4旋转，内筒蜗轮4安装在扫描仪内筒5下端，通过内筒齿轮组6和7将内筒水平方向的旋转转化为扫描头竖直方向的旋转，直至扫描头处于竖直向上的零点位置。
[0046] 另外，实现水平方向旋转和角度检测的方式如下：由控制计算机设定一个水平扫描角度，并控制高精度伺服电机1逆时针旋转，由高精度伺服电机1驱动带逆时针逆止器的蜗杆3旋转，并由带逆时针逆止器的蜗杆3驱动外筒蜗轮10旋转，外筒蜗轮10驱动扫描仪外筒11旋转，同时安装在外筒上的环形角度编码器12的码盘随扫描仪外筒11一起旋转，环形角度编码器12的编码器固定在激光雷达外壳(17)上，从而记录外筒旋转角度；
[0047] 实现垂直方向旋转和角度检测的方式如下：由控制计算机设定一个垂直扫描角度，并控制高精度伺服电机1顺时针旋转，由高精度伺服电机1驱动带顺时针逆止器的蜗杆2旋转，并由带顺时针逆止器的蜗杆2驱动内筒蜗轮4旋转，内筒蜗轮4安装在扫描仪内筒5下端，通过内筒齿轮组6和7将内筒水平方向的旋转转化为扫描头竖直方向的旋转，同时无线双轴超高精度俯仰角度传感器8实时记录扫描头垂直旋转角度。
[0048] 本发明实施例中，所述无线双轴超高精度俯仰角度传感器8与环形角度编码器12的精度均为±0.001°，所述无线双轴超高精度俯仰角度传感器7的示意图如图5所示，所述环形角度编码器12的示意图如图6所示。同时，本发明实施例中，使用直接读取扫描头的旋转角度的方式，减小了扫描仪的角度扫描误差导致的激光雷达的测量目标范围误差；示例性的，如图7所示，为使用PPI(水平)扫描方式使用传感器实际读取数值为坐标值进行数据记录的数据记录格式示意图。
[0049] 本发明的上述方案，主要获得了如下有益效果：
[0050] 1)使用高精度伺服电机，通过水平旋转方向的±0.001°环形编码器，垂直方向的±0.001°无线双轴超高精度俯仰角度传感器对扫描角度进行实时记录，解决了由于伺服电机旋转角度与实际旋转角度不符导致的扫描仪旋转角度误差的问题，实现了水平方向小于±0.001°的角度误差，垂直方向小于±0.001°的角度误差，将10km处激光雷达的水平探测范围误差缩小到±0.17m，垂直探测范围误差缩小到±0.17m。
[0051] 2)通过使用蜗杆搭配逆止器，实现了单个高精度伺服电机控制扫描仪360°不间断连续三维扫描。同时由于逆止器的单向旋转扫描特性，避免了齿轮双向传动产生的回程误差，且在国内现有的机械加工水平下，蜗杆的制作精度和耐磨损性都高于齿轮。
[0052] 3)使用单个高精度伺服电机，减小了扫描仪的体积，降低了扫描仪的复杂度。
[0053] 4)使用±0.001°的无线双轴超高精度俯仰角度传感器，实现了扫描头的开机自动水平校准，避免了在坑洼地面使用时的人工校准，降低了扫描式激光雷达系统的操作复杂程度，提高了测量准确度。
[0054] 5)扫描头出光口加上了可单独拆卸的保护镜头。望远镜光路与扫描头光路水平衔接，可以保护望远镜系统。在激光雷达外壳与扫描仪外筒的接触部位使用挡雨器，防止仪器内部受外界不良环境影响。
[0055] 6)垂直扫描是通过齿轮组传动实现，精确角度定位采用高精度位置传感器实现，这种方式避免了双电机实现二维扫描产生的绕线问题，使得整体扫描结构更紧凑、位置指向精度更高、旋转自由度更强。
[0056] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。
