本發(fā)明涉及雷達技術(shù)領域，具體涉及一種激光雷達指向性穩(wěn)定器，及上述激光雷達指向性穩(wěn)定器的補償方法。

背景技術(shù)：

激光雷達是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。激光雷達已廣泛應用于大氣探測、自動駕駛、環(huán)境測繪以及目標跟蹤識別等領域。

當激光雷達應用于車載、船載、機載等運動載體上工作時，由于載體顛簸造成的擾動會引起激光雷達發(fā)射光束的指向性改變，導致激光雷達出現(xiàn)較大的測量誤差，甚至不能正常工作。

為了實現(xiàn)激光雷達的測量的準確性，需要保證雷達在各種載體上的光束指向性穩(wěn)定，目前，可以采取整體穩(wěn)定和發(fā)射光路穩(wěn)定兩種方法實現(xiàn)。而由于激光雷達體積較大，采用整體穩(wěn)定的方法在指向性控制精度和制造成本上都有較大的困難，成本也很高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中激光雷達采用整體法實現(xiàn)雷達指向性穩(wěn)定的方法，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本更低的利用反射光路原理實現(xiàn)的指向性穩(wěn)定器。

本發(fā)明還提供了一種應用上述指導向性穩(wěn)定器于激光雷達的激光雷達指向性穩(wěn)定系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供了一種激光雷達在載體顛簸晃動時，光路發(fā)生改變的補償方法。

本發(fā)明提供的一種激光雷達指向性穩(wěn)定器，包括：

旋轉(zhuǎn)單元，具有旋轉(zhuǎn)架，所述旋轉(zhuǎn)架通過旋轉(zhuǎn)單元軸固定于載體平臺上，旋轉(zhuǎn)架上設有旋轉(zhuǎn)單元角速度測量器；所述旋轉(zhuǎn)單元軸與旋轉(zhuǎn)單元電機連接；

反射單元，具有反射框，所述反射框通過反射單元軸鉸接于所述旋轉(zhuǎn)架上，所述反射框上設有反射單元角速度測量器；所述反射單元軸上固定設有測角儀，反射單元軸與反射單元電機連接；

所述旋轉(zhuǎn)單元軸與反射單元軸相互垂直且位于同一平面上。

可選地，所述反射單元為對稱結(jié)構(gòu)體，對稱結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量中心位于所述反射單元軸和所述旋轉(zhuǎn)單元軸延長線的交點上。

可選地，所述反射框為菱形體，反射鏡設于菱形體的前傾斜面上。

可選地，所述旋轉(zhuǎn)架為u型框架，具有一個底板和與所述底板兩對邊垂直連接的兩個側(cè)板，兩個側(cè)板上對稱設有成型孔。

可選地，所述旋轉(zhuǎn)單元角速度測量器和反射單元角速度測量器均為兩自由度速率陀螺儀，分別敏感于旋轉(zhuǎn)單元坐標系和反射單元坐標系中的兩個相互垂直的方向上。

可選地，兩個所述兩自由度速率陀螺儀和測角儀所測得信號，輸出至旋轉(zhuǎn)單元電機和反射單元電機，均為閉環(huán)控制。

可選地，可以選擇慣性導航單元替代所述的旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀、反射單元陀螺儀。

可選地，角速度測量單元也可以選擇慣性導航單元與陀螺儀組合的方式實現(xiàn)載體擾動下各坐標系軸線角速度的變化。

本發(fā)明還提供了一種激光雷達指向性穩(wěn)定系統(tǒng)，包括激光雷達和上述的激光雷達指向性穩(wěn)定器，所述激光雷達與所述激光雷達指向性穩(wěn)定器分別設于同一載體相互垂直的兩個平面上，所述激光雷達的發(fā)射光束通過反射鏡反射后發(fā)射至探測區(qū)域。

本發(fā)明還提供了一種激光雷達補償方法，包括以下步驟：

旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀和反射單元陀螺儀分別測得旋轉(zhuǎn)單元坐標系和反射單元坐標系的軸向角速度，測角儀測得反射單元軸的旋轉(zhuǎn)角度；

測得軸向角速度和旋轉(zhuǎn)角度經(jīng)信號運算放大后輸出至旋轉(zhuǎn)單元電機和反射單元電機；

所述旋轉(zhuǎn)單元電機和反射單元電機產(chǎn)生反向力矩，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)單元軸和反射單元軸產(chǎn)生補償角度轉(zhuǎn)動。

可選地，所述旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀敏感于旋轉(zhuǎn)架坐標系x軸和y軸，測量該兩個軸向上的角速度變化；反射單元陀螺儀敏感于反射單元運動坐標系y軸和z軸，測量該兩個軸向上的角速度變化。

若設，載體坐標系：{ωi，ωj，ωk}；

旋轉(zhuǎn)單元坐標系：{ωa1，ωa2，ωa3}；

反射單元坐標系：{ωe1，ωe2，ωe3}；

激光雷達光束軸向坐標系：{ωr，ωe，ωa}；

當載體發(fā)生擾動時，擾動引起旋轉(zhuǎn)單元軸和反射單元軸發(fā)生轉(zhuǎn)動角度為α和β，由旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀和反射單元陀螺儀反饋信號引起的旋轉(zhuǎn)架與反射框轉(zhuǎn)動角速度分別為和由旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀測得的旋轉(zhuǎn)架坐標系xa軸角速度分量ωa1，與反射單元陀螺儀測得的反射單元坐標系ze軸角速度分量ωe3，與測角儀測量得到的反射單元軸的旋轉(zhuǎn)角度β，根據(jù)ωr＝ωa1+2ωe3sinβ進行信號運算放大至控制器，經(jīng)相應的驅(qū)動器至旋轉(zhuǎn)單元電機，帶動旋轉(zhuǎn)單元軸進行轉(zhuǎn)動；

由旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀測得的旋轉(zhuǎn)架坐標系ya軸角速度分量ωa2，反射單元陀螺儀測得的反射單元坐標系ye軸角速度分量ωe2，根據(jù)ωe＝2ωe2-ωa2進行信號運算放大至控制器，經(jīng)相應的驅(qū)動器至反射單元電機，帶動反射單元軸進行轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明實施例提供的一種激光雷達指向性穩(wěn)定器，采用反射光路穩(wěn)定的設計原理，該穩(wěn)定器獨立于激光雷達，采用2個兩自由度速率陀螺通過閉環(huán)控制實現(xiàn)激光雷達光束軸向坐標系的穩(wěn)定，具有指向性穩(wěn)定精度高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點，可與各種激光雷達結(jié)合使用，構(gòu)成激光雷達指向性穩(wěn)定系統(tǒng)，使得激光雷達在車載、船載、機載等載體顛簸擾動的情況下，發(fā)射光束指向性仍保持穩(wěn)定；同時，該激光雷達指向性穩(wěn)定器的體積小，利于安裝，適應范圍廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為激光雷達指向性穩(wěn)定器示意圖；

圖2為激光雷達指向性穩(wěn)定器俯示圖；

圖3為圖2激光雷達指向性穩(wěn)定器旋轉(zhuǎn)架b-b剖面圖；

圖4為激光雷達指向性穩(wěn)定器側(cè)視圖；

圖5為激光雷達指向性穩(wěn)定器反射單元e-e剖面圖；

圖6為穩(wěn)定器與激光雷達安裝位置示意圖；

圖7為載體、旋轉(zhuǎn)架、反射單元、雷達光束軸向坐標系示意圖；

圖8為載體、旋轉(zhuǎn)架、反射單元、雷達光束坐標系耦合作用示意圖；

圖9為激光雷達穩(wěn)定器各軸電機閉環(huán)控制框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實施例1

本實施例提供的一種激光雷達指向性穩(wěn)定器，參見圖1至圖5所示，包括旋轉(zhuǎn)單元1和反射單元2，其中，旋轉(zhuǎn)單元1包括旋轉(zhuǎn)架13，旋轉(zhuǎn)單元軸12的一個端部固定于載體平臺上，另一個端部通過旋轉(zhuǎn)架13底部旋轉(zhuǎn)單元軸承15與旋轉(zhuǎn)架13連接，具體地，旋轉(zhuǎn)架13為u型框架，具有一個底板和與底板兩對邊垂直連接的兩個側(cè)板，兩個側(cè)板上對稱設有成型孔，旋轉(zhuǎn)架上設有旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14，旋轉(zhuǎn)單元軸12與旋轉(zhuǎn)單元電機11連接；反射單元2包括反射框21，本實施例中，反射框21為菱形框體結(jié)構(gòu)，其與激光雷達相對的側(cè)面設有45度反射鏡22，45度反射鏡22與反射框21的底面根據(jù)具體使用需要設計成一定角度，本實施例為45度角，反射框21固定于反射單元軸25上，反射單元軸25的兩個端部分別穿過反射單元軸承28后置于旋轉(zhuǎn)架13側(cè)板的成型孔內(nèi)，之后其中一個端部與反射單元電機26連接，該端部還設有一測角儀27固定設于反射單元軸25上，反射單元軸25的另一個端部設有與反射單元電機和測角儀相平衡的平衡配重體24，以保證軸體兩側(cè)的質(zhì)量相等，反射單元2整體的質(zhì)量中心位于反射單元軸25和旋轉(zhuǎn)單元軸12延長線的交點上；反射框21上設有反射單元陀螺儀23。

實施例2

當激光雷達應用于車載、船載、機載等運動載體上，參見圖6所示，激光雷達指向性穩(wěn)定器與激光雷達3安裝于同一載體4相互垂直的兩個平面上，激光雷達3光束與指向性穩(wěn)定器x軸平行，激光雷達光束沿x軸入射至45度反射鏡22中心區(qū)域附近，光束經(jīng)指向性穩(wěn)定器45度反射鏡22轉(zhuǎn)向90度發(fā)射至探測區(qū)域。當外力作用于載體產(chǎn)生擾動時，旋轉(zhuǎn)單元1和反射單元2上的旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14、反射單元陀螺儀23和測角儀27分別測量得到各自坐標系中相應軸的角速度和旋轉(zhuǎn)角度，輸出信號經(jīng)運算放大后輸出至旋轉(zhuǎn)單元電機11和反射單元電機24，由旋轉(zhuǎn)單元電機11和反射單元電機24產(chǎn)生反向力矩，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)單元軸12和反射單元軸25的補償角度轉(zhuǎn)動，來補償外力對激光雷達擾動所產(chǎn)生的光束指向性改變，由此實現(xiàn)激光雷達指向性穩(wěn)定。

具體地，所使用的旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14和反射單元陀螺儀23為兩自由度速率陀螺，可以完成對兩個方向上的角速度變化測量。進一步，旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14敏感于旋轉(zhuǎn)架坐標系x軸和y軸，測量該兩個軸向上的角速度變化；反射單元陀螺儀23敏感于反射單元運動坐標系y軸和z軸，測量該兩個軸向上的角速度變化，兩個陀螺儀安裝方向上分別于上述各軸向?qū)省Ｊ褂玫臏y角儀27為編碼器，測量反射單元軸25的旋轉(zhuǎn)角度。由測得的角速度和角度信號反饋至電機實現(xiàn)補償。旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14安裝于旋轉(zhuǎn)架13側(cè)板之上，反射單元陀螺儀23安裝于反射單元2頂端；測量信號解算過程如下：

參見圖7所示，

設載體坐標系：{ωi，ωj，ωk}；

旋轉(zhuǎn)架坐標系：{ωa1，ωa2，ωa3}；

反射單元坐標系：{ωe1，ωe2，ωe3}；

激光雷達光束軸向坐標系：{ωr，ωe，ωa}；

當載體4發(fā)生擾動時，擾動引起旋轉(zhuǎn)單元軸12和反射單元軸25發(fā)生轉(zhuǎn)動角度為α和β，由陀螺反饋信號引起的旋轉(zhuǎn)架13與反射單元2轉(zhuǎn)動角速度為和旋轉(zhuǎn)架13、反射單元2、雷達光束軸向坐標系各軸運動關(guān)系如下，參見圖8所示：

旋轉(zhuǎn)架坐標系各軸的角速度為：

反射單元坐標系各軸的角速度為：

激光雷達光束軸向坐標系各軸的角速度為：

由③和②得知：

可以得到：

ωe＝2ωe2-ωa2④

由③和②得知：

ωr＝ωa1cos2β+ωa3sin2β⑤

ωe3＝-ωa1sinβ+ωa3cosβ⑥

⑤-2sinβ⑥得到：

ωr＝ωa1+2ωe3sinβ⑦

由④和⑦可以得到：

ωr＝ωa1+2ωe3sinβ

ωe＝2ωe2-ωa2

由上述推演過程可得，只要確保激光雷達光束軸向ωr和ωe的穩(wěn)定，即可實現(xiàn)激光雷達指向性的穩(wěn)定，此過程需要2個兩自由度速率陀螺分別測量旋轉(zhuǎn)架13和反射框21的角速度變化，及反射單元軸25轉(zhuǎn)動的角度β，即可得出需要反饋至電機的角速度信號。具體地，需要通過旋轉(zhuǎn)架13兩自由度速率陀螺敏感xa軸測量ωa1和敏感ya軸測量ωa2，反射單元2兩自由度速率陀螺敏感ye軸測量ωe2和敏感ze軸測量ωe3來實現(xiàn)。

旋轉(zhuǎn)單元電機11和反射單元電機24的閉環(huán)控制過程參見圖9所示，由旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14測得的旋轉(zhuǎn)架坐標系xa軸角速度分量ωa1，與反射單元陀螺儀25測得的反射單元坐標系ze軸角速度分量ωe3，與測角儀27測量得到的反射單元軸25的旋轉(zhuǎn)角度β，根據(jù)ωr＝ωa1+2ωe3sinβ進行信號運算放大至控制器，經(jīng)相應的驅(qū)動器至旋轉(zhuǎn)單元電機11，帶動旋轉(zhuǎn)單元軸12進行轉(zhuǎn)動。由旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀14測得的旋轉(zhuǎn)架坐標系ya軸角速度分量ωa2，與反射單元陀螺儀25測得的反射單元坐標系ye軸角速度分量ωe2，根據(jù)ωe＝2ωe2-ωa2進行信號運算放大至控制器，經(jīng)相應的驅(qū)動器至反射單元電機24，帶動反射單元軸25進行轉(zhuǎn)動。通過上述過程實現(xiàn)激光雷達光束軸向的角度補償，光束指向性得到穩(wěn)定。

需要說明的是，旋轉(zhuǎn)單元陀螺儀和反射單元陀螺儀的位置和敏感方向是可以改變，隨之對應的算法也會發(fā)生改變，但均可實現(xiàn)激光雷達光束的指向性穩(wěn)定，本實施例僅對其中一種設置方式進行算法推演，其它設置方式及其算法在本發(fā)明實施例的提示下，本領域技術(shù)人員是容易推演得出的，在此不作一一敖述。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。