高精度單電機傳動激光雷達三維掃描儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光雷達技術領域，尤其涉及一種高精度單電機傳動激光雷達三維掃描儀。
【背景技術】
[0002]隨著我國航空航天業的迅猛發展，人們對非接觸式的大氣成分測量、風場數據測量、距離測量、速度測量、圖像目標識別等技術方法的需求越來越大，激光雷達是解決以上問題的良好方案。由于激光的高度準直特性，為了實現大面積探測，掃描式激光雷達得到了廣泛應用。其中，三維掃描儀是掃描式激光雷達的重要組成部分。
[0003]三維掃描儀分為透射式掃描儀和反射式掃描儀。由于透射式掃描儀存在色散差(吸收)，以及對不同波長激光透過率不相同等問題，使得透射式掃描儀在使用過程中產生一定的測量誤差。反射式掃描儀應用更為廣泛，尤其是，采用潛望鏡原理的二次反射式掃描儀應用最為廣泛。美國CLRphotonics公司的WindTracer相干測風激光雷達，法國LE0SPHERE公司的WindCube激光雷達，使用的都是潛望鏡原理的二次反射式掃描儀。
[0004]但是，目前使用在激光雷達上的反射式掃描儀存在以下難點:
[0005]1、掃描儀的掃描角度誤差將引起實際探測目標范圍的誤差。如圖1所示，掃描儀角度誤差A Θ與探測距離L和探測目標范圍的誤差Ad(即ΔΧ)存在以下關系:
[0006]Ad = Δ Θ.L.π/180。
[0007]因此，在探測距離為1km的情況下，±0.1°的掃描角度誤差將導致探測目標范圍±17.44m的誤差，這對激光雷達精確定位的大氣參數測量造成了嚴重影響。
[0008]2、激光雷達的探測目標范圍與掃描儀的掃描角度直接相關。在WindCube中，其探測指向(方位角和俯仰角)由計算機發送給兩個獨立工作的高精度伺服電機來確定并實現空間掃描。實際上，由此確定的探測指向與實際的探測指向存在偏差，原因在于現有的掃描儀采用純齒輪傳動，在現有機械加工精度條件下，無法避免齒輪的回程誤差(如圖3)。即使是在裝調初期實現了高精度指向，隨著齒輪的磨損，也會導致掃描儀實際掃描的角度范圍與伺服電機的旋轉角度范圍存在偏差。
[0009]3、采用高精度伺服電機來控制掃描儀的掃描角度，如果不引入實時角度檢測系統對掃描角度進行校準并實際獲得當前的方位角度，就無法避免由于傳導過程中的震動、器件制作誤差、齒輪回程誤差、熱脹冷縮、機械磨損等導致的掃描儀旋轉角度誤差。使用傳統的角度傳感器進行掃描儀旋轉角度檢測，受限于傳感器的線纜，使得掃描儀無法連續順時針或連續逆時針掃描。
[0010]4、目前使用的潛望鏡式三維連續掃描儀，使用兩個高精度伺服電機分別控制掃描儀的水平和垂直掃描，但是在激光雷達具體應用中，三維掃描儀一般作RH1、VAD或PPI掃描；對于以上任意一種掃描方式，均是半球空間的單個自由度的掃描，所以采用雙電機是冗余的，增加了成本，并降低了運行可靠性。

【發明內容】

[0011]本發明的目的是提供一種高精度單電機傳動激光雷達三維掃描儀，實現了使用單個高精度伺服電機控制掃描儀全空間連續掃描，并提高了激光雷達掃描儀的精度，縮小了掃描儀的體積，簡化了掃描儀的操作流程，使掃描式激光雷達系統測量更為準確可靠。
[0012]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0013]—種高精度單電機傳動激光雷達三維掃描儀，包括:高精度伺服電機1、帶順時針逆止器的蝸桿2、帶逆時針逆止器的蝸桿3、內筒蝸輪4、掃描儀內筒5，內筒齒輪組6與7、無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器8、俯仰角度傳感器電源模塊9、外筒蝸輪10、掃描儀外筒11、環形角度編碼器12、軸承組13與激光雷達外殼17 ;
[0014]高精度伺服電機I分別與帶順時針逆止器的蝸桿2以及帶逆時針逆止器的蝸桿3相連，帶順時針逆止器的蝸桿2通過安裝在掃描儀內筒5下端的內筒蝸輪4，驅動掃描儀內筒5轉動，掃描儀內筒上部安裝有內筒齒輪組6和7，使水平旋轉的掃描儀內筒5轉換為掃描儀的豎直方向掃描；帶逆時針逆止器的蝸桿3通過安裝在掃描儀外筒3下端的外筒蝸輪10，驅動掃描儀外筒11水平旋轉，從而實現掃描儀的水平掃描；環形角度編碼器12的編碼器固定在激光雷達外殼17上，其碼盤固定在掃描儀外筒11上；無線雙軸超高精度角度傳感器8固定在掃描儀內筒5的外壁上，其內置有俯仰角度傳感器電源模塊9 ;掃描儀內筒5與掃描儀外筒11，以及掃描儀外筒11與激光雷達外殼17之間均通過軸承組13相連；
[0015]實現水平方向旋轉和角度檢測的方式如下:由控制計算機設定一個水平掃描角度，并控制高精度伺服電機I逆時針旋轉，由高精度伺服電機I驅動帶逆時針逆止器的蝸桿3旋轉，并由帶逆時針逆止器的蝸桿3驅動外筒蝸輪10旋轉，外筒蝸輪10驅動掃描儀外筒11旋轉，同時安裝在掃描儀外筒11上的環形角度編碼器12的碼盤隨外筒一起旋轉，環形角度編碼器12的編碼器固定在激光雷達外殼17上，記錄外筒旋轉角度；
[0016]實現垂直方向旋轉和角度檢測的方式如下:由控制計算機設定一個垂直掃描角度，并控制高精度伺服電機I順時針旋轉，由高精度伺服電機I驅動帶順時針逆止器的蝸桿2旋轉，并由帶順時針逆止器的蝸桿2驅動內筒蝸輪4旋轉，內筒蝸輪4驅動掃描儀內筒5，通過內筒齒輪組6和7將掃描儀內筒5水平方向的旋轉轉化為掃描頭豎直方向的旋轉，同時無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器8實時記錄掃描頭垂直旋轉角度。
[0017]進一步的，帶順時針逆止器的蝸桿2與帶逆時針逆止器的蝸桿3均為蝸桿和逆止器的套接使用，通過連接高精度伺服電機1，實現了使用一臺高精度伺服電機順時針旋轉時，控制掃描儀水平方向掃描；逆時針旋轉時，控制掃描儀垂直方向掃描。
[0018]進一步的，在掃描儀開機時，無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器8檢測掃描頭的水平方位，并通過無線信號反饋給控制計算機，由控制計算機控制高精度伺服電機I順時針旋轉，驅動帶順時針逆止器的蝸桿2旋轉，由帶順時針逆止器的蝸桿2驅動內筒蝸輪4旋轉，內筒蝸輪4通過齒輪組6和7將內筒水平方向的旋轉轉化為掃描頭豎直方向的旋轉，直至掃描頭處于豎直向上的零點位置，從而實現掃描儀的開機自動水平校準。
[0019]進一步的，所述無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器8與環形角度編碼器12的精度均為±0.001°，通過讀取這兩個傳感器的數據，對掃描儀實際旋轉角度進行實時記錄，并在后續數據處理中，對旋轉角度數據進行糾正。
[0020]進一步的，還包括:保護鏡頭15與擋雨器16 ;
[0021]所述保護鏡頭15設置在掃描頭上方，所述擋雨器16設置在激光雷達外殼與掃描儀外筒11的接觸部位。
[0022]由上述本發明提供的技術方案可以看出，
[0023](I)使用高精度伺服電機，通過水平旋轉方向的±0.001°環形編碼器，垂直方向的±0.001°無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器對掃描角度進行實時記錄，解決了由于伺服電機旋轉角度與實際旋轉角度不符導致的掃描儀旋轉角度誤差的問題，實現了水平方向小于±0.001°的角度誤差，垂直方向小于±0.001°的角度誤差，將1km處激光雷達的水平探測范圍誤差縮小到±0.17m，垂直探測范圍誤差縮小到±0.17m。
[0024](2)通過使用蝸桿搭配逆止器，實現了單個高精度伺服電機控制掃描儀360°不間斷連續三維掃描。同時由于逆止器的單向旋轉掃描特性，避免了齒輪雙向傳動產生的回程誤差，且在國內現有的機械加工水平下，蝸桿的制作精度和耐磨損性都高于齒輪。
[0025](3)使用單個高精度伺服電機，減小了掃描儀的體積，降低了掃描儀的復雜度。
[0026](4)使用±0.001°的無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器，實現了掃描頭的開機自動水平校準，避免了在坑洼地面使用時的人工校準，降低了掃描式激光雷達系統的操作復雜程度，提高了測量準確度。
[0027](5)掃描頭出光口加上了可單獨拆卸的保護鏡頭。望遠鏡光路與掃描頭光路水平銜接，可以保護望遠鏡系統。在掃描儀外筒與外殼之間，安裝了防雨器，可以防止雨水通過掃描儀與外殼之間的空隙侵入儀器內部。
[0028](6)垂直掃描是通過齒輪組傳動實現，精確角度定位采用高精度位置傳感器實現，這種方式避免了雙電機實現二維掃描產生的繞線問題，使得整體掃描結構更緊湊、位置指向精度更高、旋轉自由度更強。
【附圖說明】
[0029]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0030]圖1為【背景技術】提供的掃描儀掃描角度誤差導致的探測目標范圍誤差示意圖；
[0031]圖2為【背景技術】提供的齒輪的回程誤差的示意圖；
[0032]圖3為本發明實施例提供的一種高精度單電機傳動激光雷達三維掃描儀的結構剖視圖；
[0033]圖4為本發明實施例提供的激光雷達的截面剖圖；
[0034]圖5為本發明實施例提供的無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器的示意圖；
[0035]圖6為本發明實施例提供的環形角度編碼器的示意圖；
[0036]圖7為本發明實施例提供的使用PPI掃描方式使用傳感器實際讀取數值為坐標值進行數據記錄的數據記錄格式示意圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0038]本發明實施例提供一種高精度單電機傳動激光雷達三維掃描儀，其結構剖視圖如圖3所示，其主要包括:高精度伺服電機1、帶順時針逆止器的蝸桿2、帶逆時針逆止器的蝸桿3、內筒蝸輪4、掃描儀內筒5、內筒齒輪組6與7、無線雙軸超高精度俯仰角度傳感器8、俯仰角度傳感器電源模塊9、外筒蝸輪10、掃描儀外筒11、環形角度編碼器12、軸承組13、內部反射鏡14、保護鏡頭15、擋雨器16、激光雷達外殼17 ；
[0039]高精度伺服電機I分別與帶順時針逆止器的蝸桿2以及帶逆時針逆止器的蝸桿3相連，帶順時針逆止器的蝸桿2通過安裝在掃描儀內筒5下端的內筒蝸輪4，驅動掃