[发明专利]高精度单电机传动激光雷达三维扫描仪

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

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：

Δd＝Δθ·L·π/180°

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。

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。

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。

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

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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

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；

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；