一种直升机载激光雷达激光扫描姿态角稳定方法与装置制造方法及图纸

一种直升机载激光雷达激光扫描姿态角稳定方法与装置，激光反射镜的旋转采用推转结构，可有效增大激光反射镜尺寸并减小装置的体积和质量。激光反射镜安装在磁性万向球轴承上并以球心为旋转中心摆动扫描，激光脉冲在激光反射镜的旋转中心反射。机载平台姿态角变化时，采用两个丝杆步进电机以直线推动方式控制激光反射镜绕x轴与y轴反向转动滚动角和俯仰角的一半进行补偿；采用z轴步进电机驱动激光反射镜绕z轴反向转动偏航角幅值进行补偿，使激光扫描中心的空间指向不受平台姿态角变化影响。机载平台安装激光陀螺仪，激光反射镜上安装MEMS陀螺仪，通过比较两者姿态角测量值，控制激光反射镜的法线指向期望空间方位，实现对动态目标的实时跟踪扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种直升机载激光雷达激光扫描姿态角稳定方法与装置
本专利技术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。
技术介绍
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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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激光扫描的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；采用所述激光陀螺仪(2)实时测出所述机载平台（5）的姿态角变化，并控制所述激光扫描姿态角稳定装置(1)的机械传动部分中的激光反射镜（101）进行相应转动，以稳定激光扫描中心的出射空间方位不变；所述MEMS陀螺仪（4）安装在所述激光反射镜（101）的背面，测量所述激光反射镜（101）的三维姿态角；通过比较所述激...

【技术特征摘要】
1.一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激光扫描的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；采用所述激光陀螺仪(2)实时测出所述机载平台（5）的姿态角变化，并控制所述激光扫描姿态角稳定装置(1)的机械传动部分中的激光反射镜（101）进行相应转动，以稳定激光扫描中心的出射空间方位不变；所述MEMS陀螺仪（4）安装在所述激光反射镜（101）的背面，测量所述激光反射镜（101）的三维姿态角；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，可控制所述激光反射镜（101）的中心法线指向任意期望的空间方位，对动态和静态目标进行激光跟踪扫描探测；当所述机载平台（5）有三维姿态角变化时，控制所述激光反射镜（101）的x轴和y轴分别反向转动所述机载平台（5）的滚动角和俯仰角测量值幅值的一半，而z轴反向转动与所述机载平台（5）的偏航角测量值相同的幅值，从而可使经所述激光反射镜（101）反射后出射的激光束的空间指向不受所述机载平台（5）的三维姿态角变化影响；所述激光反射镜（101）绕x轴摆动，实现激光扫描功能；所述激光反射镜（101）的控制运动是三个控制信号的叠加，一是绕x轴的摆动扫描运动，实现激光二维扫描；二是对所述机载平台（5）三维姿态角变化的实时补偿运动；三是控制所述激光反射镜（101）法线指向，实现对空间动态目标的实时跟踪运动。2.按照权利要求1所述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，所述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，所述激光反射镜（101）的镜面对称中心与其旋转中心重合，由所述中心立柱（107）固定其空间位置；所述激光反射镜（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和俯仰角的旋转轴，可由所述x轴丝杆步进电机（108）和所述y轴丝杆步进电机（109）分别驱动所述激光反射镜（101）绕y轴和x轴转动；所述中心立柱(107)可绕z轴转动，z轴与偏航角的旋转轴相同，由固定在所述安装底座（114）上的所述z轴步进电机（112）驱动所述中心立柱(107)旋转，进而带动所述激光反射镜（101）绕z轴转动。3.按照权利要求1和2所述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，所述激光反射镜（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；通过所述球头万向轴承（103）连接四个所述直动滑块（118）；四个所述直动滑块（118）两端安装了滚动轴承，可分别沿四个所述电机支架（104）的轨道槽上下移动；在x轴和y轴正方向上相连的两个所述电机支架（104）中分别安装所述X轴丝杠步进电机（108）和所述Y轴丝杠步进电机（109），两个所述直动滑块（118）分别通过所述消隙丝杠螺母（119）安装在所述X轴丝杠步进电机（108）和所述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所述直动滑块（118）进行上下直线运动，驱动所述激光反射镜（101）绕x轴和y轴的转动；在另外两个所述电机支架（104）上，安装了所述配重块（117），用于满足所述激光反射镜（101）绕三轴转动时的静平衡和动平衡；所述中心立柱（107）的下部阶梯轴穿过所述微型滚珠轴承（111），与所述z轴步进电机（112）通过联轴器连接；四个所述电机支架（104）分别与四个所述纵向偏转铰链（116）固定连接，可实现四个所述电机支架（104）沿着垂直于所连接所述激光反射镜（101）的对应边方向的微小偏转；同时，四个所述纵向偏转铰链（116）分别与四个所述轴向偏转铰链（110）连接，可实现四个所述电机支架（104）沿着平行于所连接所述激光反射镜（101）的对应边方向的微小偏转。4.按照权利要求1和2所述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，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所述激光反射镜（101）并保持较小的装置体积和质量；采用的所述激光反射镜（101）的具体尺寸为100mm×100mm×2mm；所述激光反射镜（101）安装在所述十字形镜面支撑杆（102）上，所述十字形镜面支撑杆（102）的四个杆端为带有螺纹孔的方形接头，可与所述球头万向轴承（103）的螺杆端相连；所述球头万向轴承（103）的螺纹孔端与所述直动滑块（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建军，范媛媛，苗松，乔建委，许文硕，王志勇，白崇岳，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37