一种基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，包括由n个测距组件构成的测距模块、反射镜组和扫描模块，在系统中设置定位控制模块；定位控制模块由压电电机、驱动器和定位组件构成；将扫描模块中的二维MEMS振镜与定位组件固定安装，由压电电机控制定位组件调整二维MEMS振镜的空间位置，实现激光扫描系统分辨率倍增与视场角扩展。本发明专利技术通过设置精密定位模块改变扫描组件的空间位置，可以显著提高扫描系统的分辨率及视场角，降低对扫描组件性能的要求，扩展激光扫描系统的应用场景。的应用场景。的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统


[0001]本专利技术涉及激光扫描
，更具体地说是涉及一种基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统。

技术介绍

[0002]激光扫描技术可用于快速获取物体表面的三维信息，已广泛应用于工业制造、地形绘制、光电医疗等领域。随着测量需求的扩展，被测物的复杂程度不断增加，对激光扫描系统的分辨力和视场角提出了更高的要求。MEMS振镜作为激光扫描系统的核心部件，可以通过快轴的高频谐振运动与慢轴的低频受迫振动将测量光束反射至被测空间实现三维扫描。然而为了获得高分辨力与大视场的扫描结果，需要在提高快轴的谐振频率的情况下保证振镜逐行扫描的均匀性，同时驱动电路提供更大的驱动力增加振镜的机械转角。这增加了MEMS振镜反射面畸变及断裂的风险，且在实际应用中难以实现。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，在不改变MEMS振镜扫描频率的情况下增大探测视场角,提高系统分辨力和扫描范围，降低控制难度。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特点是所述系统包括：由n个测距组件构成的测距模块、反射镜组、扫描模块和定位控制模块；
[0006]所述测距模块，用于发射和接收测量激光光束，以实现距离测量；
[0007]所述反射镜组，用于反射各测距组件发射的测量光束，将其以设定角度入射至扫描模块；
[0008]所述扫描模块，其为二维MEMS振镜，用于将测量光束反射至待测空间进行二维扫描；
[0009]所述定位控制模块由压电电机、驱动器和定位组件构成；将所述二维MEMS振镜与所述定位组件固定安装，由所述压电电机控制定位组件调整二维MEMS振镜的空间位置，实现激光扫描系统分辨率倍增与视场角扩展。
[0010]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：所述定位组件是由运动导轨、柔性铰链或蜗轮蜗杆机构构成的回转件，具有回转轴、回转面，以及回转面上的回转中心；设置所述二维MEMS振镜的反射面中心与定位组件的回转中心同心，二维MEMS振镜的慢轴方向与定位组件的回转轴所成夹角γ不大于45
°
。
[0011]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：所述定位组件绕其回转轴的转动角度δ为：δ<α
‑
β/2，其中，α为测距组件发射的测量激光光束与二维MEMS振镜快轴方向的最小夹角，β为二维MEMS振镜的快轴振动方向的最大机械转角。
[0012]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：以距离
二维MEMS振镜反射面中心L位置处为原点O，以平行于振镜快轴方向为X轴，以平行于振镜慢轴方向为Y轴方向，建立坐标系XOY，针对距离L处的被测对象，每个测距组件的测量点的坐标值(X，Y)为：
[0013][0014][0015]由定位控制模块根据振镜快慢轴的偏转角度实时调整定位组件绕其回转轴的转动角度δ，用于补偿振镜水平扫描时的枕形失真，调整后的快轴方向扫描角度d
x
为：
[0016][0017]其中：
[0018]ε为所述测距组件的测量激光光束与振镜反射面法线的夹角；
[0019]i为MEMS振镜快轴振动方向机械转角，j为MEMS振镜慢轴振动方向机械转角；
[0020]δ为定位组件绕其回转轴的转动角度。
[0021]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：定义：由压电电机控制定位组件所实现的最小位移分辨率为Δ，压电电机对定位组件进行回转驱动的回转半径为l；则，由定位组件对二维MEMS振镜的快轴振动方向所实现的最小角度分辨力θ为：θ＝Δ/l。
[0022]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：所述的n个测距组件以M
×
P的矩阵形式分布，且M≥2，P≥1，同一行中M个测距组件发射的测量光束经反射镜组反射后以相同的角度间隔入射至二维MEMS振镜反射面中心，以M
×
P的测距组件实现待测空间M
×
P个矩形区域的扫描测量。
[0023]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：设置所述激光扫描系统的工作模式为：常规均匀扫描模式M1、大视场扫描模式M2或高分辨率集中扫描模式M3；
[0024]所述常规均匀扫描模式M1是指：在不改变定位组件初始位置的情况下，对当前测量区域以系统初始分辨率H1及系统初始视场角H2进行均匀扫描；所述系统初始分辨率H1及系统初始视场角H2由所述测距组件、反射镜组以及扫描模块的安装位置决定；
[0025]所述大视场扫描模式M2是指：在常规均匀扫描模式M1的基础上，通过压电电机对定位组件的位置进行调整，扩大系统的扫描视场；所述大视场扫描模式M2按如下步骤进行：
[0026]步骤a、按常规均匀扫描模式M1进行测量，获得基础测量数据；
[0027]步骤b、根据所需测量的扩大区域的位置数据，启用与所述扩大区域相邻近的测距组件按步骤c进行测量；
[0028]步骤c、根据系统在大视场扫描模式M2下设置的视场角计算获得扫描模块需要转动的角度值，依据所述扫描模块需要转动的角度值计算获得由压电电机驱动的定位组件所需调整的距离值，在由压电电机对定位组件完成驱动及定位后，由所述与扩大区域相邻近的测距组件完成扫描测量，获得视场角调整后的测量数据；
[0029]步骤d、对所述基础测量数据和视场角调整后的测量数据进行点云拼接，获得大视场扫描测量结果。
[0030]所述高分辨率集中扫描模式M3是指：在常规均匀扫描模式M1或大视场扫描模式M2的基础上，通过压电电机控制定位组件实现的高分辨率扫描，以提高区域测量密度；所述高分辨率集中扫描模式M3按如下步骤进行：
[0031]步骤1、根据所需集中扫描的集中区域的位置数据，启用与所述集中区域相对应的测距组件按步骤2进行测量；
[0032]步骤2、根据设定的分辨率计算获得扫描模块单次转动的角度值，依据所述扫描模块单次转动的角度值计算获得压电电机驱动定位组件完成单次转动的转动距离，在由压电电机对定位组件完成驱动及定位后，由所述与集中区域相对应的测距组件完成测量；
[0033]步骤3、重复步骤2，由测距组件完成k
‑
1次定位控制后的扫描测量，k为角度分辨率提升的倍数，实现集中区域内设定分辨率下的关于定位控制和扫描测量的多组测量数据；
[0034]步骤4、对所述多组测量数据进行点云拼接，获得集中区域的高分辨率扫描测量结果。
[0035]本专利技术基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统的特点也在于：所述压电电机以其驱动足对所述定位组件施加预压力，设置压电电机为AC模式、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特征是所述系统包括：由n个测距组件构成的测距模块、反射镜组、扫描模块和定位控制模块；所述测距模块，用于发射和接收测量激光光束，以实现距离测量；所述反射镜组，用于反射各测距组件发射的测量光束，将其以设定角度入射至扫描模块；所述扫描模块，其为二维MEMS振镜，用于将测量光束反射至待测空间进行二维扫描；所述定位控制模块由压电电机、驱动器和定位组件构成；将所述二维MEMS振镜与所述定位组件固定安装，由所述压电电机控制定位组件调整二维MEMS振镜的空间位置，实现激光扫描系统分辨率倍增与视场角扩展。2.根据权利要求1所述的基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特征是：所述定位组件是由运动导轨、柔性铰链或蜗轮蜗杆机构构成的回转件，具有回转轴、回转面，以及回转面上的回转中心；设置所述二维MEMS振镜的反射面中心与定位组件的回转中心同心，二维MEMS振镜的慢轴方向与定位组件的回转轴所成夹角γ不大于45
°
。3.根据权利要求2所述的基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特征是：所述定位组件绕其回转轴的转动角度δ为：δ<α
‑
β/2，其中，α为测距组件发射的测量激光光束与二维MEMS振镜快轴方向的最小夹角，β为二维MEMS振镜的快轴振动方向的最大机械转角。4.根据权利要求1所述的基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特征是：以距离二维MEMS振镜反射面中心L位置处为原点O，以平行于振镜快轴方向为X轴，以平行于振镜慢轴方向为Y轴方向，建立坐标系XOY，针对距离L处的被测对象，每个测距组件的测量点的坐标值(X，Y)为：点的坐标值(X，Y)为：由定位控制模块根据振镜快慢轴的偏转角度实时调整定位组件绕其回转轴的转动角度δ，用于补偿振镜水平扫描时的枕形失真，调整后的快轴方向扫描角度d
x
为：其中：ε为所述测距组件的测量激光光束与振镜反射面法线的夹角；i为MEMS振镜快轴振动方向机械转角，j为MEMS振镜慢轴振动方向机械转角；δ为定位组件绕其回转轴的转动角度。5.根据权利要求1所述的基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特征是：定义：由压电电机控制定位组件所实现的最小位移分辨率为Δ，压电电机对定位组件进行回转驱动的回转半径为l；则，由定位组件对二维MEMS振镜的快轴振动方向所实现的最小角度分辨力θ为：θ＝Δ/l。6.根据权利要求1所述的基于压电电机调节的大视场高分辨率激光扫描系统，其特征
是：所述的n个测距组件以M
×
P的矩阵形式分布，且M≥2，P≥1，同一行中M个测距组件发射的测量光束经反射镜组反射后以相同的角度间隔入射至二维MEMS振镜反射面中心，以M
×
P的测距组件实现待测空间M
×
P个矩形区域的扫描测量。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞君，康锴，雷英俊，梅寒冰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：