一種精密減速機構以及光束自動對中系統及對中方法
【技術領域】
[0001] 本發明應用于激光雷達系統的光束自動對準。
【背景技術】
[0002] 激光雷達的激光器發射的激光束在設計中應當嚴格與接收器平行，如果不平行， 被氣溶膠反射的激光就不能準確進入接收器而造成信號減弱導致測量誤差增加，嚴重時甚 至無法接收到反射的激光，因此激光雷達的激光束對中對于測量精度非常重要。

【發明內容】

[0003] 本發明的技術解決問題是:通過高精度、大減速比的精密減速機構實現了將步進 電機的大角度位移轉換為反射鏡的微小角度位移，實現達到5urad角度分辨率，完成了對反 射鏡的高精度轉角控制，進而實現了對光束的高精度控制。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明技術方案如下：一種精密減速機構，包括底座、反射 鏡壓板、鏡架、下支承座、上支承座、十字軸以及兩套驅動機構;每套驅動機構包括彈簧、步 進電機、諧波減速器、凸輪軸、球頭、軸連接件、旋變內圈和旋變外圈；
[0005] 每套驅動機構的步進電機和諧波減速器組合安裝在底座上，諧波減速器輸出軸上 固定凸輪軸，凸輪軸通過軸連接件連接旋變內圈;旋變外圈安裝在底座上；
[0006] 底座和下支承座固定，下支承座通過軸承和十字軸連接，十字軸通過軸承和上支 承座連接;鏡架固定在上支承座上，反射鏡放置在鏡架的凹槽中，反射鏡壓板和鏡架固定， 壓緊反射鏡;鏡架垂直兩個方向上分別固定一個球頭，球頭與凸輪軸靠緊;彈簧勾住底座和 鏡架上靠近球頭的部分。
[0007] -種光束自動對中系統，包括:微處理器、步進電機驅動器、所述的精密減速機構、 旋轉變壓器以及反射鏡；
[0008] 微處理器接收來自處理機的控制指令，同時通過旋轉變壓器采集凸輪軸的角度， 計算出對步進電機的控制指令并發送給步進電機驅動器，步進電機驅動器將該控制指令轉 換為驅動步進電機轉動的電信號驅動精密減速機構中的步進電機轉動，由精密減速機構將 步進電機的轉動變換為反射鏡的微小角度位移，進而實現對光束的高精度控制。
[0009] -種光束自動對中方法，步驟如下：
[0010] (1)微處理器接收外部激光雷達系統輸入的光束對中的角誤差控制指令wO;
[0011] (2)通過旋轉變壓器讀取凸輪軸的角度，結合精密減速機構的結構尺寸確定反射 鏡當前的角度位置wl;
[0012] (3)微處理器將反射鏡當前的角度位置wl與控制指令wO相減得到dw;
[0013] (4)微處理器根據dw計算出步進電機需要旋轉的步數N發給步進電機驅動器；
[0014] (5)步進電機驅動器驅動步進電機旋轉N步；
[0015] (6)旋轉變壓器讀取凸輪軸的角度，結合精密減速機構的結構尺寸確定反射鏡當 前的角度位置w2，將w2反饋給微處理器用來檢測步進電機是否失步，如果失步則微處理器 會再次發出指令至步進電機驅動器，控制步進電機補充轉動所失步數；
[0016] (7)精密減速機構在電機驅動器的作用下帶動反射鏡旋轉，旋轉的反射鏡導致入 射光線產生旋轉；
[0017] (8)激光雷達系統實時計算光束對中的角誤差，當光束對中的角誤差小于系統設 計的值時，發送指令控制反射鏡停止轉動，并使反射鏡保持在當前位置，否則繼續發送角誤 差控制指令WO，從步驟(2)開始執行。
[0018] 本發明與現有技術相比的有益效果為：
[0019] (1)本發明中的減速機構實現了大的減速比，同時通過彈簧將鏡架壓緊在凸輪上， 消除了在傳統齒輪傳動中普遍存在的空回等因素，實現了精密的大變速比。本減速機構比 采用俯仰-方位形式的兩軸轉臺式調整結構，結構更簡單，調整精度更高;相比傳統的球頭-螺紋調整形式的結構，摩擦更小，精度更容易控制。本發明的大變比高精度減速機構在將其 前端輸入的大角度運動變換為其輸出的微小角度運動的同時，也將其輸入運動的大的角誤 差同比縮小為小的角誤差，進而實現了對反射鏡的小角度、高精度轉動控制。
[0020] (2)本發明通過接收激光雷達系統實時計算的光束對中角度誤差，同時采集反射 鏡當前位置，由微處理器計算出對電機的控制指令控制電機轉動，電機拖動之后的精密減 速機構進而控制反射鏡完成精密的轉動，以消除自動對中的角誤差。直至光束對中角度誤 差小于系統預先設定的指標時，自動對中系統控制反射鏡停止轉動，完成光束的自動對中。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明精密減速機構三視圖；
[0022] 圖2為圖1的立體圖；
[0023]圖3為本發明精密減速機構原理示意圖；
[0024] 圖4為本發明
【具體實施方式】：
[0025]如圖1所示，一種精密減速機構，包括底座1、反射鏡壓板2、鏡架4、下支承座5、上支 承座6、十字軸7以及兩套驅動機構;每套驅動機構包括彈簧8、步進電機9、諧波減速器10、凸 輪軸11、球頭12、軸連接件13、旋變內圈14和旋變外圈15;
[0026] 每套驅動機構的步進電機9和諧波減速器10組合安裝在底座1上，諧波減速器10輸 出軸上固定凸輪軸11，凸輪軸11通過軸連接件13連接旋變內圈14;旋變外圈15安裝在底座1 上；
[0027] 底座1和下支承座5固定，下支承座5通過軸承和十字軸7連接，十字軸7通過軸承和 上支承座6連接;鏡架4固定在上支承座6上，反射鏡3放置在鏡架4的凹槽中，反射鏡壓板2和 鏡架4固定，壓緊反射鏡3;鏡架4垂直兩個方向上分別固定一個球頭12,球頭12與凸輪軸11 靠緊;彈簧8勾住底座1和鏡架4上靠近球頭的部分，目的將球頭壓緊在凸輪軸上。
[0028] 精密減速機構采用偏心輪與杠桿臂(球頭中心到十字軸中心部分）的組合，如圖3 所示。諧波減速器的傳動輸出到偏心輪，設偏心距為a，偏心輪半徑為c，b為杠桿臂與偏心輪 的接觸點到偏心輪轉動軸心的距離，偏心輪轉動180°，調整行程2a，調整支架繞固定端轉動 ±a/b弧度。
[0029] 圖4為第二級減速器幾何關系示意圖，杠桿臂通過一個半徑為r的球面與偏心輪接 觸于P點，〇為偏心輪的軸心。a為偏心距，c為偏心輪半徑，b為偏心輪運動軸心到杠桿臂球面 圓心的距離，Θ為偏心輪轉過的角度。根據余弦定理，可以得到Θ和b的關系如下：
[0030] a2+b2-2ab cos9 = (c+r)2