技术领域
[0001] 本
发明涉及直升机载激光雷达高
精度激光扫描技术，如何消除机载平台的姿态角低频
波动和高频振动对激光点
云的影响，提出了一种激光扫描时可保持姿态角稳定的方法与装置。
背景技术
[0002] 机载激光雷达（LiDAR）作为对地测绘设备，可快速精确采集被测地形的大规模激光点云，生成被测地形的数字表面模型（DSM）。数字表面模型作为数字化描述地形信息的
基础，其精度对后续科学研究和应用产生重要影响。因此，如何有效提升机载LiDAR点云数据所生成的DSM精度，具有重要现实意义。
[0003] 直升机作为激光雷达的
载荷平台，得到了广泛应用。直升机飞行灵活，可空中
悬停，最高时速可达300km/h，飞行高度从距离地面数米至6000m高空，可实现无需起降跑道的小场地垂直起降，这些特点使其成为最适合搭载LiDAR的机种。直升机具有旋翼、尾桨等一些高速旋转的动部件，这些部件工作时会产生剧烈振动，导致直升机飞行时振动和噪声较高。这些缺点使直升机的飞行轨迹与
固定翼飞机相比更为复杂，其机载平台的姿态角扰动更加明显和复杂，既有低频波动，又有高频振动，因而对安装在机载平台上的激光雷达工作会产生严重影响。复杂的姿态角扰动将使机载LiDAR发射出的激光脉冲束的出射空间角度发生变化，导致所获得的被测地形激光点云分布极不均匀。激光点云
密度较低处生成的DSM精度恶化，无法清晰描述被测地形在该区域的细节信息。因此，为有效提高DSM精度，需要切实解决直升机载荷平台的姿态角复杂变化对激光扫描带来的不利影响。
[0004] 为解决此问题，国内外常用的方法是制作稳定平台以达到隔离负载与载荷平台的目的。近年来，稳定平台方面的研究文献很多，稳定平台技术也已经相当成熟，但大部分的研究都局限于对维持设备整体姿态角稳定的通用稳定平台。通用稳定平台主要用于消除载体姿态角振动对需要精确
定位的设备仪器的影响，能适应各种载体，如
汽车、飞机、舰船等。而对于实时性要求更高的机载LiDAR，通用稳定平台由于其残余姿态角误差仍较大，故补偿效果较差。机载LiDAR的姿态角补偿目标是快速矫正激光脉冲束的出射空间方向而非整个设备的空间方向定位，因此，通用稳定平台对于机载激光雷达而言，难以实现令人满意的姿态角补偿效果。
[0005] 目前国内外在机载LiDAR姿态角补偿方面也进行了一定程度的研究，如Gat在
专利中提出了一种用于机载或星载平台上推帚式相机以及激光
扫描仪的通用姿态角光学装置；徐立军、王建军等在专利ZL201010183492.4和ZL201010180527.9中分别提出一种用于机载激光雷达
俯仰角偏差实时补偿的方法与装置和一种用于机载激光雷达
滚转角偏差实时补偿的方法与装置，但仅限于对单个姿态角的稳定补偿。一些世界主流的LiDAR生产厂家也已经开始关注研究适合机载LiDAR系统搭载的姿态角光学补偿装置，如徕卡公司和Optech公司的两款产品中加入了一种滚转角补偿方法。综上所述，对于机载LiDAR的激光扫描姿态角稳定方法将成为激光雷达产品重要的研究方向。
发明内容
[0006] 为了实现在直升机载激光雷达激光扫描时不受机载平台姿态角复杂变化的影响，本发明提出了一种专用于直升机载LiDAR的激光扫描姿态角稳定方法与装置。设计时，主要考虑了以下几个方面的因素：（1）由于机载激光雷达测量距离远，激光扫描镜的面积要设计的足够大，以有效收集激光回波
信号；（2）直升机载荷平台的姿态角变化复杂，既有阵
风与
湍流引起的低频大幅度姿态角波动，又有直升机的
发动机与
旋转机构的高频姿态角振动，因此，要求激光扫描对姿态角的补偿控制有较大带宽，以实现快速控制响应，补偿高频姿态角振动。（3）可同时实现对三个姿态角的稳定与补偿。（4）由于作为机载设备安装，稳定装置的体积要小，重量要轻。因此，经过分析比较，设计的直升机载激光雷达激光扫描姿态角稳定装置有别于通用的三轴转动式稳定平台，而是采用推转结构，能够同时实现三轴姿态角复杂振动的实时补偿，扫描镜较大，并且装置有体积小、
质量轻的优点。在扫描镜上安装了MEMS
陀螺仪，可获得扫描镜相对于当地参考
坐标系的三个姿态角实时测量值，因此可通过控制扫描镜法线的空间方位，使扫描镜的激光扫描方向指向期望的空间方位。另外，当直升机载荷平台的姿态角有变化时，采用了两个
丝杆步进
电机以直线推动形式控制扫描镜绕x轴（滚动角
转轴）与y轴（俯仰角转轴）反向转动一定的角度来补偿滚动角和俯仰角扰动；采用z轴步进电机驱动扫描镜绕z轴反向转动一定角度来补偿
偏航角扰动，使激光扫描与出射方向不受机载平台姿态角的变化影响，始终期望指向。此姿态角稳定方法也非常适合于激光对动态目标的
跟踪扫描，虽然飞机载荷平台的姿态角在不断地变化，但激光扫描中心的空间指向可始终不变，或者可实时控制指向动态目标的任意空间方位。
[0007] 本发明提出的一种直升机载激光雷达激光扫描姿态角稳定方法与装置，其特征在于，可实现机载LiDAR激光扫描姿态角稳定系统，包括激光扫描姿态角稳定装置(1)、激光陀螺仪(2)、激光脉冲发射器(3)、MEMS陀螺仪（4）、机载平台（5）。激光扫描姿态角稳定装置(1)包括机械传动部分和姿态角稳定装置
控制器。参考坐标系为XYZ-O，其中X方向为飞机的前进方向，Z为垂直向下方向，Y为飞机的正右方向。坐标原点O为激光扫描光学中心，即激光反射镜（101）的转动中心，亦即激光反射镜（101）的激光脉冲反射点。激光脉冲发射器(3)与机载平台（5）固结，激光出射方向指向激光反射镜（101）中心并射向被测地面。采用激光陀螺仪(2)实时测出机载平台（5）的姿态角变化，并控制激光反射镜（101）进行相应转动，以稳定激光扫描的出射空间方向不变。另外，将MEMS陀螺仪（4）安装在激光反射镜（101）的背面，用于测量激光反射镜（101）的实际三维姿态角。
[0008] 其中，通过比较所述激光陀螺仪（2）和所述MEMS陀螺仪（4）的测量值，获得两者角度差，可控制激光反射镜（101）的中心法线指向任意期望的空间方位上，对动态和静态目标进行激光跟踪扫描和探测。另一方面，当机载平台（5）有三维姿态角变化时，控制激光反射镜（101）的x轴和y轴分别反向转动机载平台（5）的滚动角和俯仰角测量值幅值的一半，而z轴反向转动与机载平台（5）的偏航角测量值相同的幅值，从而可使经激光反射镜（101）反射后出射的
激光束的空间指向不受机载平台（5）的三维姿态角变化影响。同时，激光反射镜（101）还要实现激光扫描功能。因此，激光反射镜（101）的控制运动是三个
控制信号的
叠加，一是绕x轴的扫描摆动运动，实现激光二维扫描；二是对机载平台（5）三维姿态角变化的实时补偿运动；三是激光反射镜（101）法线指向实现对空间动态目标的实时跟踪运动。
[0009] 其中，激光扫描姿态角稳定装置（1）的机械传动部分包括：激光反射镜（101），十字形镜面
支撑杆（102），球头万向
轴承（103），电机
支架（104），开槽不锈
钢小半球体（105），
磁性钢凹球面体（106），中心立柱（107），x轴丝杆步进电机（108），y轴丝杆步进电机（109），轴向偏转
铰链（110），微型
滚珠轴承（111），z轴步进电机（112），支撑立柱（113），安装底座（114），中心立柱底盘（115），纵向偏转铰链（116），
配重块（117），直动滑块（118），消隙
丝杠螺母（119）。所述激光反射镜（101）可实现三轴转动，参考坐标系XYZ-O的坐标原点O为激光反射镜（101）的对称中心，亦即激光反射镜的转动中心及激光脉冲反射点。激光反射镜（101）的镜面对称中心与激光反射镜（101）的旋转中心重合，由中心立柱（107）固定其空间
位置。激光反射镜（101）两个互相垂直边的两个方向x轴和y轴，分别为机载平台的滚转角（x轴）和俯仰角（y轴）的
旋转轴，可由x轴丝杆步进电机（108）和y轴丝杆步进电机（109）分别驱动激光反射镜（101）绕y轴和x轴转动。中心立柱(107)可绕z轴转动，z轴与偏航角的旋转轴相同，由固定在安装底座（114）上的z轴步进电机（112）驱动中心立柱(107)旋转，进而带动激光反射镜（101）绕z轴转动。
[0010] 其中，激光反射镜（101）的镜面中心和镜面四边中点为约束镜面空间转动方位的控制点。通过球头万向轴承（103）连接四个直动滑块（118）。四个直动滑块（118）两端安装了
滚动轴承，可分别沿四个电机支架（104）的轨道槽上下移动。在x轴和y轴正方向上相连的两个电机支架（104）中分别安装了X轴丝杠步进电机（108）和Y轴丝杠步进电机（109），两个直动滑块（118）分别通过消隙丝杠螺母（119）安装在X轴丝杠步进电机（108）和Y轴丝杠步进电机（109）的丝杠上，由两个步进电机的丝杠驱动直动滑块（118）进行上下的直线运动，驱动激光反射镜（101）绕x轴和y轴的转动。在另外两个电机支架（104）上，安装了配重块（117），用于满足激光反射镜（101）绕三轴转动时的静、动平衡。中心立柱（107）与中心立柱底盘（115）紧固连接，保持垂直关系。中心立柱（107）的下部阶梯轴穿过微型滚珠轴承（111），与z轴步进电机（112）通过
联轴器连接。当z轴步进电机（112）转动时，可驱动中心立柱（107）旋转。四个电机支架（104）分别与四个纵向偏转铰链（116）固定连接，可实现四个电机支架（104）沿着垂直于所连接激光反射镜（101）的对应边方向的微小偏转。同时，四个纵向偏转铰链（116）分别与四个轴向偏转铰链（110）连接，可实现四个电机支架（104）沿着平行于所连接激光反射镜（101）的对应边方向的微小偏转。
[0011] 其中，所述激光扫描姿态角稳定装置（1）的本身结构特点，可满足安装较大尺寸的激光反射镜（101）并保持较小的装置体积和质量。采用的激光反射镜（101）的具体尺寸为100mm×100mm×2mm。
[0012] 其中，激光反射镜（101）安装在十字形镜面支撑杆（102）上，所述十字形镜面支撑杆（102）的四个杆端为一个带有
螺纹孔的方形接头，可与球头万向轴承（103）的螺杆端相连。继而所述球头万向轴承（103）的
螺纹孔端与直动滑块（118）的螺杆端相连，而直动滑块（118）与消隙丝杠螺母（119）固结，通过丝杠步进电机驱动上下移动。所述十字形镜面支撑杆（102）与一个开槽
不锈钢小半球体（105）相固连。开槽不锈钢小半球体（105）是将一个直径30mm的实心钢球在偏离球心2mm处所切下来的小半钢球部分，并在切平面上加工出与十字形镜面支撑杆（102）的中心尺寸相同的十字形凹槽，从而可将十字形镜面支撑杆（102）牢固嵌入开槽不锈钢小半球体（105）中心处，并紧固粘接。将激光反射镜（101）粘贴在十字形镜面支撑杆（102）上，这样就可确保激光反射镜（101）的旋转中心与开槽不锈钢小半球体（105）的球心相重合。采用一个磁性钢材料制作的磁性钢凹球面体（106）与中心立柱（107）紧固连接。所述开槽不锈钢小半球体（105）与所述磁性钢凹球面体（106）依靠
磁场力紧紧吸住，二者
接触表面均打磨成镜面精度，并涂抹
润滑油，可在三维空间内不会发生相对位移，只形成球面滑动接触。通过磁力吸引作用，可将开槽不锈钢小半球体（105）和磁性钢凹球面体（106）两个孤立的零件组合成一个磁性万向运动轴承结构。同时，由于激光反射镜（101）的厚度为2mm，正好等于开槽不锈钢小半球体（105）偏离球点的距离，故激光反射镜（101）粘贴在十字形镜面支撑杆（102）上后，激光反射镜（101）的激光反射中心点将与开槽不锈钢小半球体（105）的球心重合，从而激光反射镜（101）转动时的旋转中心可固定不变。当激光脉冲在激光反射镜（101）的旋转中心进行反射时，出射激光脉冲束的扫描中心点也保持不变。
[0013] 其中，激光反射镜（101）绕x和y轴的转动分别采用X轴丝杠步进电机（108）和Y轴丝杠步进电机（109）的丝杆与消隙丝杠螺母（119）机构，驱动直动滑块（118）上下运动；激光反射镜（101）绕z轴的转动采用z轴步进电机（112）
直接驱动。丝杆步进电机为将步进电机的旋转轴替换为一段较长的丝杆，并在丝杆上外加一个可以利用外力驱动的
内螺纹滑块，通过内螺纹与丝杆之间形成
啮合，从而达到滑块沿轴向直线移动的目的。丝杆螺母是一种机械细分结构，可以通过控制螺纹的
螺距达到不同的控制精度。Y轴丝杠步进电机（109）固定安装在电机支架（104）中，丝杆上安装的消隙丝杠螺母（119）与加装在其上的直动滑块（118）固定连接，直动滑块（118）通过前侧面伸出的小螺杆与球头万向轴承（103）的螺孔端连接，而球头万向轴承（103）的另一端伸出的小螺杆与十字形镜面支撑杆（102）的杆端螺孔连接，因此，当Y轴丝杆步进电机（109）旋转时，可依次带动消隙丝杠螺母（119）、直动滑块（118）、球头万向轴承（103）、十字形镜面支撑杆（102）、激光反射镜（101）绕X轴转动。在直动滑块（118）的两侧面垂直伸出光轴，光轴与微型
轴承内圈紧固相连，微型轴承的
外圈则放置于电机支架（104）侧面的轨道槽中，依靠轨道槽的约束可消除直动滑块（118）在摩擦阻力作用下随丝杆的径向旋转，使其只沿丝杆的轴向直线移动，并且微型轴承与轨道槽壁之间形成滚动接触，减小了轨道槽对直动滑块（118）的摩擦阻力。在电机支架（104）底部中心安装纵向偏转铰链（116），纵向偏转铰链（116）与轴向偏转铰链（110）相连。所述轴向偏转铰链（110）具有一定的阻尼和
弹簧恢复力，当激光反射镜（101）垂直于中心立柱（107）时，可维持电机支架（104）与中心立柱平行；而当丝杆步进电机推动激光反射镜旋转时，可根据装置的几何结构约束使电机支架（104）在两个铰链转动方向上产生微小偏转。中心立柱底盘（115）通过
过盈配合与中心立柱（107）紧固连接。在与Y轴丝杠步进电机（109）相对方向上的电机支架（104）中，安装与Y轴丝杠步进电机（109）等质量的配重块（117），实现激光反射镜（101）转动时的动、静平衡。关于X轴丝杠步进电机（109）的相关结构和工作方式，与Y轴丝杠步进电机（109）相同。
[0014] 其中，中心立柱（107）被设计为阶梯轴的形状，共分为四个阶段，这四个部分按其直径大小的降序排列：第一部分作为整个激光反射镜（101）的中心支撑轴，与磁性钢凹球面体（106）紧固
焊接；第二部分与中心立柱底盘（115）的中心孔间形成过盈配合，利用巨大结合力，使中心立柱（107）与中心立柱底盘（115）成为一体；第三部分安装在安装底座（114）中心孔中的微型滚珠轴承（111）上，阶梯轴与微型滚珠轴承（111）的内圈过盈配合装配在一起；第四部分穿过微型滚珠轴承（111），通过联轴器与z轴步进电机（112）的旋转轴相连，实现绕z轴的转动驱动。安装底座（114）为方形，分别在其四个角上加装支撑立柱（113），可进一步与机载平台（5）相固联。
[0015] 其中，当激光反射镜（101）只绕x轴或y轴两轴中的单个轴旋转时，如绕y轴转动，设当X轴丝杠步进电机（108）转动使丝杠上的直动滑块（118）中心点移动了△x距离时，此时激光反射镜（101）绕y轴转动了θ角。设点o是激光反射镜（101）的对称中心，px1是x轴上球头万向轴承（103）的转动中心，px2是x轴上纵向偏转铰链（116）的转动中心点，px3是x轴上直动滑块（118）的运动中心点。px1’是当激光反射镜（101）转动角为θ时x轴上球头万向轴承（103）转动中心的空间位置，px3’是当激光反射镜（101）转动角θ时，亦即x轴上直动滑块（118）上下移动△x距离后的运动中心点。为安装x轴丝杠步进电机（108）的电机支架（104）相对于垂直方向的微小倾斜角。由Px1’和Px2两点之间的距离，根据勾股定理，可建立丝杠上的直动滑块（118）移动量△x与激光反射镜（101）的旋转角度θ之间的关系： （1）
解得：
（2）
当r1=7,r2=3.7,d1=14时,
（3）
（4）
当激光反射镜（101）绕x轴和y轴两个轴旋转时，例如，激光反射镜（101）首先绕x轴转动一个角度ω，然后再绕y轴转动φ，设此时x轴丝杆步进电机（109）上的直动滑块（118）移动△x，而y轴丝杆步进电机（109）上的直动滑块（118）移动△y，分析两个丝杠上的直动滑块（118）的移动距离与激光反射镜（101）的两个转角之间的对应关系。设Py1是y轴上球头万向轴承（103）的转动中心点，py2是y轴上纵向偏转铰链（116）的转动中心点，py3是y轴上直动滑块（118）的运动中心点。激光反射镜（101）绕两轴的转动过程中，py1与py3连线始终平行于y轴方向，py1与py3的连线始终垂直于py2与py3的连线，此时，py2与py3连线绕点py2既有沿着平行于y轴方向的微小转动，又有沿着平行于x轴方向的微小转动。而对于x轴，px2与px3连线绕点px2只有沿着平行于x轴方向的微小转动，而在沿着平行于y轴的方向上没有微小转动。
这是激光反射镜（101）绕两轴都转动时、先控制Y轴丝杆步进电机（109）移动再控制X轴丝杆步进电机（108）移动带来的两轴电机支架（104）的中
心轴倾斜角的不同之处。因此，在结构设计上，在py2处要有一个围绕y轴方向转动的轴向偏转铰链（110），同时有能绕沿着平行于x轴方向转动的纵向偏转铰链（116）。而在px2处，只要有一个绕沿着x轴方向转动的纵向偏转铰链（116）即可，其轴上的轴向偏转铰链（110）可以
锁死在
铅锤方向上而不用转动。
[0016] （5） （6）
即X和Y轴步进电机丝杠上的直动滑块（118）的两个位移与激光反射镜（101）的绕X和Y轴两个转角之间建立了一一对应关系。
[0017] 其中，激光反射镜（101）绕z轴的转动相对独立，只要控制z轴步进电机转动即可，不会造成对绕x轴和y轴转动的耦合效应。
[0018] 其中，激光反射镜（101）的三维转动角是三种运动的合成，一是绕x轴的摆动扫描角，设为θ；二是对机载平台三维姿态角变化（ω，φ，γ）补偿，分别为（-ω/2，-φ/2，-γ）；三是让激光反射镜（101）的法线方向能指向空间任意指向，设期望的激光反射镜（101）的法线方向相对于初始姿态位置的三个姿态角为（ωe，φe，γe），则激光反射镜（101）绕x轴的总转动角度为（θ-ω/2+ωe），绕y轴的总转动角度为（φe-φ/2），绕z轴的总转动角度为（γe-γ）。根据式（5）和（6），可得相应的丝杠直动滑块位移△x和△y，以及绕z轴的转动控制角度（γe-γ）。
[0019] 其中，姿态角稳定装置控制器采用嵌入式控制系统，需操控的原动件共三个：x轴丝杆步进电机（108）、y轴丝杆步进电机（109）和z轴步进电机（112）；需接收的外部信息共有六个：机载平台（5）的三个姿态角，即滚转角、俯仰角和偏航角；激光反射镜（101）的三个姿态角。利用
嵌入式系统S3c2440接收激光陀螺仪（2）和MEMS陀螺仪（4）采集到的六个瞬时姿态角信息；根据设定的激光扫描摆动角度、激光反射镜（101）法线指向的目标空间方位、当前的六个姿态角信息，计算出△x、△y、z轴的转动角度（γe-γ），获得各轴上步进电机的转动步数；最后，利用输出
接口分别控制3个步进电机
驱动器，驱动激光反射镜（101）旋转至
指定的三个转动角度。
[0020] 其中，姿态角稳定装置控制器的控制系统
软件程序包括：(1)启动引导程序：完成异常中断向量表的建立，关闭看
门狗
定时器、系统时钟初始化、通用输入/输出接口（GPIO）初始化、各PWM定时器初始化、中断初始化等工作。(2)I2C
数据采集程序：当姿态角稳定装置开始工作后，首先判断三个步进电机的运行状态。若三个步进电机均处于停转状态，则将I2C接口配置为主接收模式，接收激光陀螺仪（2）与MEMS陀螺仪（4）测量的三轴姿态角数据。（3）电机转动步数解算程序：所选用的丝杆步进电机的步距角为1.8°，则该电机完成360°的转动需要200步运动。丝杆导程为5.08mm，则电机的消隙丝杠螺母（119）运动步长为
0.0254mm，激光反射镜（101）的转角控制
分辨率为0.029°，当采用单双拍步进电机控制方式时，可将激光反射镜的转角控制分辨率减半，即0.0145°。（4）电机运行程序：三个步进电机的转动由三组GPIO引脚控制其步进电机驱动器进行驱动，x轴丝杆步进电机（108）的转向由GPG3提供的电平信号控制，旋转角度由GPE11提供的脉冲信号控制；y轴丝杆步进电机（109）的转向由GPG5提供的电平信号控制，旋转角度由GPE12提供的脉冲信号控制；z轴步进电机（112）的转向由GPG6提供的电平信号控制，旋转角度由GPE13提供的脉冲信号控制。
附图说明
[0021] 图1是直升机载LiDAR可实现激光扫描姿态角稳定原理图。
[0022] 图2是机载LiDAR姿态角稳定系统组成图。
[0023] 图3是激光扫描姿态角稳定装置（1）的机械结构图。
[0024] 图4是激光反射镜（101）的关联结构图。
[0025] 图5是丝杆步进电机驱动机构结构图。
[0026] 图6是中心立柱（107）的z轴驱动结构图。
[0027] 图7是激光反射镜（101）只绕Y轴转动的控制原理分析图。
[0028] 图8是激光反射镜（101）绕X轴和Y轴转动的控制原理分析图。
[0029] 图9是姿态角稳定装置控制器的控制系统结构示意图。
[0030] 图10是姿态角稳定装置控制器的控制系统程序
流程图。
具体实施方式
[0031] 以下结合附图对本发明专利
实施例作进一步详细描述。
[0032] 图1为直升机载LiDAR可实现激光扫描姿态角稳定原理图。激光脉冲发射器（3）与机载平台（5）固结，激光出射方向指向激光反射镜（101）的几何中心并射向被测地面。激光反射镜（101）的底座与机载平台（5）固结，激光反射镜（101）以一个固定角反射激光脉冲束，使激光脉冲束指向一定的空间方向。激光雷达工作时，通常希望激光脉冲束的出射空间方向保持不变，但机载平台（5）的姿态角却随时在变化，造成激光脉冲的出射方向偏离期望的方向。XYZ-O为笛卡尔坐标系，X方向是飞行前进方向，Z方向垂直向下，Y方向与X、Z垂直，并满足右手规则。当机载平台（5）绕Y轴有一个顺
时针方向的俯仰角2α时，出射激光方向偏移，故如果要保持出射方向不变，需将激光反射镜（101）逆时针转动机载平台（5）俯仰角的一半，即α。对于滚动角的补偿，方法相同。因此，在俯仰角和滚转角方向上，可以通过将激光反射镜（101）逆向旋转对应姿态角数值的一半，即可将出射光线角度更正至无姿态角扰动的理想情况下。而机载平台（5）偏航角的扰动仅将激光出射角的方向绕z轴旋转，而并未改变其出射角度，故当机载平台（5）的偏航角有一个转角，只需将扫描镜反向转动与偏航角相同的角度。
[0033] 图2为机载LiDAR姿态角稳定系统组成图。可实现机载LiDAR激光扫描姿态角稳定系统，包括激光扫描姿态角稳定装置(1)、激光陀螺仪(2)、激光脉冲发射器(3)、MEMS陀螺仪（4）、机载平台（5）。激光扫描姿态角稳定装置(1)包括机械传动部分和姿态角稳定装置控制器。参考坐标系为XYZ-o，其中X方向为飞机的前进方向，Z为垂直向下方向，Y为飞机的正右方向。坐标原点o为激光扫描光学中心，即激光反射镜（101）的转动中心，亦即激光反射镜（101）的激光脉冲反射点。激光脉冲发射器(3)与机载平台（5）固结，激光出射方向指向激光反射镜（101）中心并射向被测地面。采用激光陀螺仪(2)实时测出机载平台（5）的姿态角变化，并控制激光反射镜（101）进行相应转动，以稳定激光扫描的出射空间方向不变。另外，将MEMS陀螺仪（4）安装在激光反射镜（101）的背面，用于测量激光反射镜（101）的实际三维姿态角。通过比较所述激光陀螺仪（2）和所述MEMS陀螺仪（4）的测量值，获得两者角度差，可控制激光反射镜（101）的中心法线指向任意期望的空间方位上，对动态和静态目标进行激光跟踪扫描和探测。另一方面，当机载平台（5）有三维姿态角变化时，控制激光反射镜（101）的x轴和y轴分别反向转动机载平台（5）的滚动角和俯仰角测量值幅值的一半，而z轴反向转动与机载平台（5）的偏航角测量值相同的幅值，从而可使经激光反射镜（101）反射后出射的激光束的空间指向不受机载平台（5）的三维姿态角变化影响。同时，激光反射镜（101）还要实现激光扫描功能。因此，激光反射镜（101）的控制运动是三个控制信号的叠加，一是绕x轴的扫描摆动运动，实现激光二维扫描；二是对机载平台（5）三维姿态角变化的实时补偿运动；三是激光反射镜（101）法线指向实现对空间动态目标的实时跟踪运动。
[0034] 图3为激光扫描姿态角稳定装置（1）的机械结构图。激光扫描姿态角稳定装置（1）的机械传动部分包括：激光反射镜（101），十字形镜面支撑杆（102），球头万向轴承（103），电机支架（104），开槽不锈钢小半球体（105），磁性钢凹球面体（106），中心立柱（107），x轴丝杆步进电机（108），y轴丝杆步进电机（109），轴向偏转铰链（110），微型滚珠轴承（111），z轴步进电机（112），支撑立柱（113），安装底座（114），中心立柱底盘（115），纵向偏转铰链（116），配重块（117），直动滑块（118），消隙丝杠螺母（119）。所述激光反射镜（101）可实现三轴转动，参考坐标系XYZ-o的坐标原点o为激光反射镜（101）的对称中心，亦即激光反射镜的转动中心及激光脉冲反射点。激光反射镜（101）的镜面对称中心与激光反射镜（101）的旋转中心重合，由中心立柱（107）固定其空间位置。激光反射镜（101）两个互相垂直边的两个方向x轴和y轴，分别为机载平台的滚转角（x轴）和俯仰角（y轴）的旋转轴，可由x轴丝杆步进电机（108）和y轴丝杆步进电机（109）分别驱动激光反射镜（101）绕y轴和x轴转动。中心立柱(107)可绕z轴转动，z轴与偏航角的旋转轴相同，由固定在安装底座（114）上的z轴步进电机（112）驱动中心立柱(107)旋转，进而带动激光反射镜（101）绕z轴转动。
[0035] 激光反射镜（101）的镜面中心和镜面四边中点为约束镜面空间转动方位的控制点。通过球头万向轴承（103）连接四个直动滑块（118）。四个直动滑块（118）两端安装了滚动轴承，可分别沿四个电机支架（104）的轨道槽上下移动。在x轴和y轴正方向上相连的两个电机支架（104）中分别安装了X轴丝杠步进电机（108）和Y轴丝杠步进电机（109），两个直动滑块（118）分别通过消隙丝杠螺母（119）安装在X轴丝杠步进电机（108）和Y轴丝杠步进电机（109）的丝杠上，由两个步进电机的丝杠驱动直动滑块（118）进行上下的直线运动，驱动激光反射镜（101）绕x轴和y轴的转动。在另外两个电机支架（104）上，安装了配重块（117），用于满足激光反射镜（101）绕三轴转动时的静、动平衡。中心立柱（107）与中心立柱底盘（115）紧固连接，保持垂直关系。中心立柱（107）的下部阶梯轴穿过微型滚珠轴承（111），与z轴步进电机（112）通过联轴器连接。当z轴步进电机（112）转动时，可驱动中心立柱（107）旋转。四个电机支架（104）分别与四个纵向偏转铰链（116）固定连接，可实现四个电机支架（104）沿着垂直于所连接激光反射镜（101）的对应边方向的微小偏转。同时，四个纵向偏转铰链（116）分别与四个轴向偏转铰链（110）连接，可实现四个电机支架（104）沿着平行于所连接激光反射镜（101）的对应边方向的微小偏转。
[0036] 对于机载LiDAR，只有当接收到的回波信号足够强时，才能进行正确记录。随着探测距离的增大，能被镜面接收到的回波信号就较弱，需要增大激光反射镜（101）的尺寸来反射尽可能多的回波信号。传统姿态角稳定平台采用三轴转动平台的结构中，扫描镜的尺寸严重受限。而所述激光扫描姿态角稳定装置（1）的本身结构特点，可满足安装较大尺寸的激光反射镜（101）并保持较小的装置体积和质量。本装置中采用的激光反射镜（101）的具体尺寸为100mm×100mm×2mm。
[0037] 图4为激光反射镜（101）的关联结构图。激光反射镜（101）安装在十字形镜面支撑杆（102）上，所述十字形镜面支撑杆（102）的四个杆端为一个带有螺纹孔的方形接头，可与球头万向轴承（103）的螺杆端相连。继而所述球头万向轴承（103）的螺纹孔端与直动滑块（118）的螺杆端相连，而直动滑块（118）与消隙丝杠螺母（119）固结，通过丝杠步进电机驱动上下移动。所述十字形镜面支撑杆（102）与一个开槽不锈钢小半球体（105）相固连。开槽不锈钢小半球体（105）是将一个直径30mm的实心钢球在偏离球心2mm处所切下来的小半钢球部分，并在切平面上加工出与十字形镜面支撑杆（102）的中心尺寸相同的十字形凹槽，从而可将十字形镜面支撑杆（102）牢固嵌入开槽不锈钢小半球体（105）中心处，并紧固粘接。将激光反射镜（101）粘贴在十字形镜面支撑杆（102）上，这样就可确保激光反射镜（101）的旋转中心与开槽不锈钢小半球体（105）的球心相重合。采用一个磁性钢材料制作的磁性钢凹球面体（106）与中心立柱（107）紧固连接。所述开槽不锈钢小半球体（105）与所述磁性钢凹球面体（106）依靠磁场力紧紧吸住，二者接触表面均打磨成镜面精度，并涂抹润滑油，可在三维空间内不会发生相对位移，只形成球面滑动接触。通过磁力吸引作用，可将开槽不锈钢小半球体（105）和磁性钢凹球面体（106）两个孤立的零件组合成一个磁性万向运动轴承结构。同时，由于激光反射镜（101）的厚度为2mm，正好等于开槽不锈钢小半球体（105）偏离球点的距离，故激光反射镜（101）粘贴在十字形镜面支撑杆（102）上后，激光反射镜（101）的激光反射中心点将与开槽不锈钢小半球体（105）的球心重合，从而激光反射镜（101）转动时的旋转中心可固定不变。当激光脉冲在激光反射镜（101）的旋转中心进行反射时，出射激光脉冲束的扫描中心点也保持不变。
[0038] 图5为丝杆步进电机驱动机构结构图。激光反射镜（101）绕x和y轴的转动分别采用X轴丝杠步进电机（108）和Y轴丝杠步进电机（109）的丝杆与消隙丝杠螺母（119）机构，驱动直动滑块（118）上下运动；激光反射镜（101）绕z轴的转动采用z轴步进电机（112）直接驱动。丝杆步进电机为将步进电机的旋转轴替换为一段较长的丝杆，并在丝杆上外加一个可以利用外力驱动的内螺纹滑块，通过内螺纹与丝杆之间形成啮合，从而达到滑块沿轴向直线移动的目的。丝杆螺母是一种机械细分结构，可以通过控制螺纹的螺距达到不同的控制精度。
Y轴丝杠步进电机（109）固定安装在电机支架（104）中，丝杆上安装的消隙丝杠螺母（119）与加装在其上的直动滑块（118）固定连接，直动滑块（118）通过前侧面伸出的小螺杆与球头万向轴承（103）的螺孔端连接，而球头万向轴承（103）的另一端伸出的小螺杆与十字形镜面支撑杆（102）的杆端螺孔连接，因此，当Y轴丝杆步进电机（109）旋转时，可依次带动消隙丝杠螺母（119）、直动滑块（118）、球头万向轴承（103）、十字形镜面支撑杆（102）、激光反射镜（101）绕X轴转动。在直动滑块（118）的两侧面垂直伸出光轴，光轴与微型
轴承内圈紧固相连，微型轴承的外圈则放置于电机支架（104）侧面的轨道槽中，依靠轨道槽的约束可消除直动滑块（118）在摩擦阻力作用下随丝杆的径向旋转，使其只沿丝杆的轴向直线移动，并且微型轴承与轨道槽壁之间形成滚动接触，减小了轨道槽对直动滑块（118）的摩擦阻力。在电机支架（104）底部中心安装纵向偏转铰链（116），纵向偏转铰链（116）与轴向偏转铰链（110）相连。所述轴向偏转铰链（110）具有一定的阻尼和弹簧恢复力，当激光反射镜（101）垂直于中心立柱（107）时，可维持电机支架（104）与中心立柱平行；而当丝杆步进电机推动激光反射镜旋转时，可根据装置的几何结构约束使电机支架（104）在两个铰链转动方向上产生微小偏转。中心立柱底盘（115）通过过盈配合与中心立柱（107）紧固连接。在与Y轴丝杠步进电机（109）相对方向上的电机支架（104）中，安装与Y轴丝杠步进电机（109）等质量的配重块（117），实现激光反射镜（101）转动时的动、静平衡。关于X轴丝杠步进电机（109）的相关结构和工作方式，与Y轴丝杠步进电机（109）相同。
[0039] 图6为中心立柱（107）的z轴驱动结构图。中心立柱（107）被设计为阶梯轴的形状，共分为四个阶段，这四个部分按其直径大小的降序排列：第一部分作为整个激光反射镜（101）的中心支撑轴，与磁性钢凹球面体（106）紧固焊接；第二部分与中心立柱底盘（115）的中心孔间形成过盈配合，利用巨大结合力，使中心立柱（107）与中心立柱底盘（115）成为一体；第三部分安装在安装底座（114）中心孔中的微型滚珠轴承（111）上，阶梯轴与微型滚珠轴承（111）的内圈过盈配合装配在一起；第四部分穿过微型滚珠轴承（111），通过联轴器与z轴步进电机（112）的旋转轴相连，实现绕z轴的转动驱动。安装底座（114）为方形，分别在其四个角上加装支撑立柱（113），可进一步与机载平台（5）相固联。
[0040] 图7为激光反射镜（101）只绕Y轴转动的控制原理分析图。当激光反射镜（101）只绕x轴或y轴两轴中的单个轴旋转时，如绕y轴转动，设当X轴丝杠步进电机（108）转动使丝杠上的直动滑块（118）中心点移动了△x距离时，此时激光反射镜（101）绕y轴转动了θ角。设点o是激光反射镜（101）的对称中心，px1是x轴上球头万向轴承（103）的转动中心，px2是x轴上纵向偏转铰链（116）的转动中心点，px3是x轴上直动滑块（118）的运动中心点。px1’是当激光反射镜（101）转动角为θ时x轴上球头万向轴承（103）转动中心的空间位置，px3’是当激光反射镜（101）转动角θ时，亦即x轴上直动滑块（118）上下移动△x距离后的运动中心点。为安装x轴丝杠步进电机（108）的电机支架（104）相对于垂直方向的微小倾斜角。由Px1’和Px2两点之间的距离，根据勾股定理，可建立丝杠上的直动滑块（118）移动量△x与激光反射镜（101）的旋转角度θ之间的关系： （1）
解得：
（2）
当r1=7,r2=3.7,d1=14时,
（3）
（4）
图8为激光反射镜（101）绕X轴和Y轴转动的控制原理分析图。当激光反射镜（101）绕x轴和y轴两个轴旋转时，例如，激光反射镜（101）首先绕x轴转动一个角度ω，然后再绕y轴转动φ，设此时x轴丝杆步进电机（109）上的直动滑块（118）移动△x，而y轴丝杆步进电机（109）上的直动滑块（118）移动△y，分析两个丝杠上的直动滑块（118）的移动距离与激光反射镜（101）的两个转角之间的对应关系。设Py1是y轴上球头万向轴承（103）的转动中心点，py2是y轴上纵向偏转铰链（116）的转动中心点，py3是y轴上直动滑块（118）的运动中心点。激光反射镜（101）绕两轴的转动过程中，py1与py3连线始终平行于y轴方向，py1与py3的连线始终垂直于py2与py3的连线，此时，py2与py3连线绕点py2既有沿着平行于y轴方向的微小转动，又有沿着平行于x轴方向的微小转动。而对于x轴，px2与px3连线绕点px2只有沿着平行于x轴方向的微小转动，而在沿着平行于y轴的方向上没有微小转动。这是激光反射镜（101）绕两轴都转动时、先控制Y轴丝杆步进电机（109）移动再控制X轴丝杆步进电机（108）移动带来的两轴电机支架（104）的中心轴倾斜角的不同之处。因此，在结构设计上，在py2处要有一个围绕y轴方向转动的轴向偏转铰链（110），同时有能绕沿着平行于x轴方向转动的纵向偏转铰链（116）。而在px2处，只要有一个绕沿着x轴方向转动的纵向偏转铰链（116）即可，其轴上的轴向偏转铰链（110）可以锁死在铅锤方向上而不用转动。
[0041] （5） （6）
即X和Y轴步进电机丝杠上的直动滑块（118）的两个位移与激光反射镜（101）的绕X和Y轴两个转角之间建立了一一对应关系。
[0042] 激光反射镜（101）绕z轴的转动相对独立，只要控制z轴步进电机转动即可，不会造成对绕x轴和y轴转动的耦合效应。
[0043] 激光反射镜（101）的三维转动角是三种运动的合成，一是绕x轴的摆动扫描角，设为θ；二是对机载平台三维姿态角变化（ω，φ，γ）的补偿，分别为（-ω/2，-φ/2，-γ）；三是让激光反射镜（101）的法线方向能指向空间任意指向，设期望的激光反射镜（101）的法线方向相对于初始姿态位置的三个姿态角为（ωe，φe，γe），则激光反射镜（101）绕x轴的总转动角度为（θ-ω/2+ωe），绕y轴的总转动角度为（φe-φ/2），绕z轴的总转动角度为（γe-γ）。根据式（5）和（6），可得相应的丝杠直动滑块位移△x和△y，以及绕z轴的转动控制角度（γe-γ）。
[0044] 图9为姿态角稳定装置控制器的控制系统结构示意图。姿态角稳定装置控制器采用嵌入式控制系统，需操控的原动件共三个：x轴丝杆步进电机（108）、y轴丝杆步进电机（109）和z轴步进电机（112）；需接收的外部信息共有六个：机载平台（5）的三个姿态角，即滚转角、俯仰角和偏航角；激光反射镜（101）的三个姿态角。利用嵌入式系统S3c2440接收激光陀螺仪（2）和MEMS陀螺仪（4）采集到的六个瞬时姿态角信息；根据设定的激光扫描摆动角度、激光反射镜（101）法线指向的目标空间方位、当前的六个姿态角信息，计算出△x、△y、z轴的转动角度（γe-γ），获得各轴上步进电机的转动步数；最后，利用输出接口分别控制3个步进电机驱动器，驱动激光反射镜（101）旋转至指定的三个转动角度。
[0045] 图10为姿态角稳定装置控制器的控制系统程序流程图。姿态角稳定装置控制器的控制
系统软件程序包括：(1) 启动引导程序：完成异常中断向量表的建立，关闭
看门狗定时器、系统时钟初始化、通用输入/输出接口（GPIO）初始化、各PWM定时器初始化、中断初始化等工作。(2) I2C数据采集程序：当姿态角稳定装置开始工作后，首先判断三个步进电机的运行状态。若三个步进电机均处于停转状态，则将I2C接口配置为主接收模式，接收激光陀螺仪（2）与MEMS陀螺仪（4）测量的三轴姿态角数据。(3) 电机转动步数解算程序：所选用的丝杆步进电机的步距角为1.8°，则该电机完成360°的转动需要200步运动。丝杆导程为5.08mm，则电机的消隙丝杠螺母（119）运动步长为0.0254mm，激光反射镜（101）的转角控制分辨率为0.029°，当采用单双拍控制时，激光反射镜的转角控制分辨率减半，即0.0145°。
(4) 电机运行程序：三个步进电机的转动由三组GPIO引脚控制其步进电机驱动器进行驱动，x轴丝杆步进电机（108）的转向由GPG3提供的电平信号控制，旋转角度由GPE11提供的脉冲信号控制；y轴丝杆步进电机（109）的转向由GPG5提供的电平信号控制，旋转角度由GPE12提供的脉冲信号控制；z轴步进电机（112）的转向由GPG6提供的电平信号控制，旋转角度由GPE13提供的脉冲信号控制。
[0046] 以上对本发明及其具体实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
