应用于点云增稠的摆动装置、凸轮机构及低速移动机构的制作方法

1.本技术涉及点云增稠技术领域，具体涉及一种应用于点云增稠的摆动装置、凸轮机构及低速移动机构。


背景技术：

2.激光雷达、水下声呐等点云设备作为扫描定位的传感器，已经广泛应用于各个智能机器上，例如，激光雷达是通过旋转镜面将脉冲激光向平面内各个方向发射并接收反射光线，通过计时器计算反射和接收之间的时间差测量出障碍物到雷达的距离。激光雷达能够获取环境点云信息，已经成为移动机器人用于定位和建图的重要传感器，单线数或低线数的激光雷达存在点云稀疏的缺点，很难重建出环境的细节，也较难识别体积出较小的障碍物，而高线数的激光雷达价格高昂。
3.为了利用价格较低的单线数或低线数的激光雷达达到高线数的效果，可以将单线数或低线数的激光雷达通过一个摇摆装置摆动以扩大其扫描范围，然后将多帧点云信息拼接成一帧更为稠密的点云(点云的增稠)。现有的方法多是采用连杆机构作为摇摆装置实现激光雷达的摆动，然而连杆机构因其结构原因无法保证激光雷达的匀速摆动，从而导致获取的点云数据在部分位置上稠密、而另外部分位置上稀疏，无法实现均匀增稠的效果。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，提出了本技术。本技术的实施例提供了一种应用于点云增稠的摆动装置、凸轮机构及低速移动机构，解决了上述技术问题。
5.根据本技术的一个方面，提供了一种应用于点云增稠的摆动装置，包括：设备安装架，所述设备安装架的第一侧安装所述点云设备；摆动旋转轴，所述摆动旋转轴设置于所述设备安装架的第二侧，所述设备安装架绕所述摆动旋转轴转动；以及凸轮，所述凸轮绕凸轮旋转轴转动且所述凸轮的外表面与所述设备安装架的第二侧表面相切，所述凸轮绕所述凸轮旋转轴转动带动所述设备安装架及所述点云设备匀速摆动。
6.在一实施例中，所述摆动装置还包括：压力弹性部件，所述压力弹性部件连接所述设备安装架的第一侧和固定部件，用于将所述设备安装架按压至与所述凸轮的外表面相切。
7.在一实施例中，所述摆动装置还包括：驱动机构，所述驱动机构与所述凸轮连接，用于驱动所述凸轮绕所述凸轮旋转轴转动。
8.在一实施例中，所述驱动机构包括电机。
9.在一实施例中，所述凸轮的轮廓设计方法包括：根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的位置关系，计算所述凸轮的轮廓尺寸；其中，所述轮廓尺寸表示所述凸轮的外表面与所述凸轮旋转轴之间的距离值。
10.在一实施例中，所述根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的位置关系，计算所述凸轮的轮廓尺寸包括：根据所述设备安装架的期
望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，计算所述凸轮的轮廓尺寸。
11.在一实施例中，所述根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，计算所述凸轮的轮廓尺寸包括：r(t)＝hcos(θ(t))+lsin(θ(t))；其中，t为单个运动周期内所述凸轮由起始时刻开始的转动时间，r(t)为所述凸轮的轮廓尺寸，l和h分别为所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，θ(t)为所述设备安装架的期望摆动角度。
12.在一实施例中，所述设备安装架的期望摆动角度的计算方式包括：根据所述凸轮的运动周期、所述设备安装架的最大摆动角度，计算所述设备安装架的期望摆动角度。
13.在一实施例中，所述根据所述凸轮的运动周期、所述设备安装架的最大摆动角度，计算所述设备安装架的期望摆动角度包括：
[0014][0015]
其中，t为所述凸轮的运动周期，所述设备安装架在单个运动周期t内在-α到+α范围内摆动。
[0016]
根据本技术的另一个方面，提供了一种凸轮机构，应用于上述任一项所述的点云增稠的摆动装置上，所述凸轮机构包括所述凸轮。
[0017]
根据本技术的另一个方面，提供了一种低速移动机构，包括：机构本体；点云设备，所述点云设备设置于所述机构本体上；以及如上述任一项所述的应用于点云增稠的摆动装置。
[0018]
本技术提供的一种应用于点云增稠的摆动装置、凸轮机构及低速移动机构，通过设置设备安装架，设备安装架的第一侧安装点云设备；摆动旋转轴，摆动旋转轴设置于设备安装架的第二侧，设备安装架绕摆动旋转轴转动；以及凸轮，凸轮绕凸轮旋转轴转动且凸轮的外表面与设备安装架的第二侧表面相切；即利用凸轮带动设备安装架往复摆动，继而带动设置于设备安装架上的点云设备往复摆动，以扩大点云设备的扫描范围，从而实现低点云密度点云设备的点云增稠，并且利用凸轮结构可以控制凸轮转速，以实现设备安装架和点云设备的匀速摆动，从而保证点云设备所扫描范围内的点云稠密度的一致性，从而提高点云设备的扫描效果和定位精度。
附图说明
[0019]
通过结合附图对本技术实施例进行更详细的描述，本技术的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术实施例一起用于解释本技术，并不构成对本技术的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
[0020]
图1是本技术一示例性实施例提供的一种应用于点云增稠的摆动装置的结构示意图。
[0021]
图2是本技术一示例性实施例提供的一种应用于点云增稠的摆动装置中凸轮的轮
廓设计原理示意图。
[0022]
附图标记说明：设备安装架1、摆动旋转轴2、凸轮3、凸轮旋转轴4、压力弹性部件5。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]
此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。
[0025]
在整个说明书及权利要求书中，当一个部件描述为“连接”到另一部件，该一个部件可以“直接连接”到另一部件，或者通过第三部件“电连接”到另一部件。此外，除非明确地进行相反的描述，术语“包括”及其相应术语应仅理解为包括所述部件，而不应该理解为排除任何其他部件。
[0026]
激光雷达、水下声呐等点云设备作为扫描定位的传感器，已经广泛应用于各个智能机器上，然而由于点云设备的价格较为昂贵，特别是高线数的点云设备。为了降低使用成本，很多智能机器上都选用单线数或低线数的点云设备作为定位传感器，然而单线数或低线数的点云设备却很难满足高精度要求的点云定位要求。为了实现单线数或低线数的点云设备也能满足高精度定位的要求，可以通过增稠点云设备的点云数据实现，其中，增稠是指将单线数或低线数的点云设备稀疏的点云变成稠密的点云数据，即增加扫描范围内的点云数据，具体的做法是通过摆动单线数或低线数的点云设备的扫描角度以获取不同的点云数据，并且将单线数或低线数的点云设备的多帧数据拼接成一帧数据，从而增加了点云数据量，从而实现增稠的目的。
[0027]
下面结合附图具体说明本技术提供的应用于点云增稠的摆动装置、凸轮机构及低速移动机构的具体结构和实现方式。
[0028]
图1是本技术一示例性实施例提供的一种应用于点云增稠的摆动装置的结构示意图。如图1所示，该应用于点云增稠的摆动装置包括：设备安装架1、摆动旋转轴2以及凸轮3；其中，设备安装架1的第一侧安装点云设备(即图1中上侧)，摆动旋转轴2设置于设备安装架1的第二侧(即图1中下侧)，设备安装架1绕摆动旋转轴2转动，从而带动位于设备安装架1的第一侧的点云设备摆动，凸轮3绕凸轮旋转轴4转动且凸轮3的外表面与设备安装架1的第二侧表面相切，凸轮3绕凸轮旋转轴4转动带动设备安装架1及设备安装架1上的点云设备匀速摆动。由于凸轮3的外表面为非圆弧形结构(不规则形状)，且凸轮3可以灵活控制其转动速度，从而可以根据需求设计凸轮3的外表面形状，并控制凸轮3的转动速度，从而可以有效控制设备安装架1的摆动速度和角度，继而可以有效控制点云设备(下面以激光雷达为例进行说明)的摆动速度和扫描范围，以满足增稠点云和匀速摆动的效果。
[0029]
本技术提供的一种应用于点云增稠的摆动装置，通过设置设备安装架，设备安装架的第一侧安装点云设备；摆动旋转轴，摆动旋转轴设置于设备安装架的第二侧，设备安装架绕摆动旋转轴转动；以及凸轮，凸轮绕凸轮旋转轴转动且凸轮的外表面与设备安装架的
第二侧表面相切，凸轮绕凸轮旋转轴转动带动设备安装架及点云设备匀速摆动；即利用凸轮带动设备安装架往复摆动，继而带动设置于设备安装架上的点云设备达往复摆动，以扩大点云设备的扫描范围，从而实现低点云密度点云设备的点云增稠，并且利用凸轮结构可以控制凸轮转速，以实现设备安装架和点云设备的匀速摆动，从而保证点云设备所扫描范围内的点云稠密度的一致性，从而提高点云设备的扫描效果和定位精度。
[0030]
在一实施例中，如图1所示，上述摆动装置还可以包括：压力弹性部件5，压力弹性部件5连接设备安装架1的第一侧和固定部件，用于将设备安装架1按压至与凸轮3的外表面相切。
[0031]
具体的，由于激光雷达可以用于智能机器的定位，采用激光雷达定位的智能机器是需要将激光雷达需要设置于智能机器上，为了避免设备安装架1的过度摆动而脱离凸轮3，本技术通过在设备安装架1和固定部件(智能机器的固定部位)之间设置压力弹性部件5，以提供一定的压力使得设备安装架1与凸轮3的外表面保持相切的状态，从而可以保证设备安装架1跟随凸轮3的外表面形状而摆动。应当理解，本技术中的压力弹性部件5需要保证凸轮3在旋转过程中压力弹性部件5一直提供压力，不能改变其力的方向，从而保证设备安装架1与凸轮3的外表面有效贴合。应当理解，本技术中的压力弹性部件5也可以设置于设备安装架1的第二侧，以提高拉力将设备安装架1拉向凸轮3一侧，从而实现设备安装架1与凸轮3相切。还应当理解，设备安装架1与凸轮3的切点位于摆动旋转轴2的一端，即设备安装架1与凸轮3的切点不能与摆动旋转轴2重合，以避免设备安装架1干扰凸轮3的转动，同时也避免凸轮3转动挤压设备安装架1而损坏设备安装架1。
[0032]
在一实施例中，上述摆动装置还可以包括：驱动机构，驱动机构与凸轮3连接，用于驱动凸轮3绕凸轮旋转轴4转动。为了实现凸轮3的转动，可以利用驱动机构(图中未示出)驱动凸轮3自行转动，从而可以实现激光雷达的自动摆动，具体的，驱动机构可以是电机，例如步进电机或伺服电机等精度较高的电机，利用电机的高可控性，可以保证凸轮3按照预期的转动速度带动激光雷达摆动。
[0033]
图2是本技术一示例性实施例提供的一种应用于激光雷达点云增稠的摆动装置中凸轮的轮廓设计原理示意图。如图2所示，在确定了激光雷达的扫描需求(包括激光雷达的期望摆动角度，即设备安装架1的期望摆动角度)后，可以根据扫描需求和设备安装架1的尺寸、位置信息等设计凸轮3的外表面轮廓形状。具体的，凸轮的轮廓设计方法可以是：根据设备安装架1的期望摆动角度、摆动旋转轴2与凸轮旋转轴4之间的位置关系，计算凸轮3的轮廓尺寸；其中，轮廓尺寸表示凸轮3的外表面与凸轮旋转轴4之间的距离值。通过设计凸轮3的轮廓尺寸，以实现凸轮3在转动过程中凸轮3的外表面与凸轮旋转轴4之间的距离值变动，即实现凸轮3在转动过程中设备安装架1与凸轮旋转轴4之间的距离值变动，从而实现设备安装架1的摆动，并且根据设备安装架1的期望摆动角度、摆动旋转轴2与凸轮旋转轴4之间的位置关系，计算凸轮3的轮廓尺寸，以保证凸轮3在转动过程中，设备安装架1能够达到该期望摆动角度。
[0034]
在进一步的实施例中，计算凸轮的轮廓尺寸的具体方式可以是：根据设备安装架1的期望摆动角度、摆动旋转轴2与凸轮旋转轴4之间的水平距离和垂直距离，计算凸轮3的轮廓尺寸。在确定了摆动旋转轴2的位置和凸轮旋转轴4的位置后，可以根据设备安装架1的期望摆动角度设计凸轮3的轮廓尺寸，以达到激光雷达的期望摆动角度。
[0035]
具体的，可以采用以下公式计算凸轮的轮廓形状(凸轮3在周期转动过程中每一个时刻对应的尺寸值)：
[0036]
r(t)＝hcos(θ(t))+lsin(θ(t))；
[0037]
其中，t为单个运动周期内凸轮由起始时刻开始的转动时间，r(t)为凸轮的轮廓尺寸，l和h分别为摆动旋转轴与凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，θ(t)为设备安装架的期望摆动角度。
[0038]
具体的，如图2所示，根据上述摆动装置的结构，可以得到如下公式：
[0039]
r(t)*sin(θ(t))+d*cos(θ(t))＝l；
[0040]
r(t)*cos(θ(t))-d*sin(θ(t))＝h；
[0041]
其中，d为凸轮3和设备安装架1的切点与摆动旋转轴2之间的距离值。通过求解上述两个公式即可得到上述凸轮3的轮廓尺寸的计算公式。
[0042]
在一实施例中，设备安装架1的期望摆动角度的计算方式可以是：根据运动周期(即凸轮3的转动周期或激光雷达的摆动周期)、设备安装架1的最大摆动角度，计算设备安装架1的期望摆动角度(即凸轮3在周期性转动过程中，期望设备安装架1在每个时刻的摆动角度)。
[0043]
具体的，可以采用以下公式计算设备安装架1的期望摆动角度：
[0044][0045]
其中，t为凸轮的运动周期，设备安装架在单个运动周期t内在-α到+α范围内摆动。例如，运动周期为1秒(即t＝1)，设备安装架1在正负30度范围内摆动，则凸轮从0度转到90度对应支架从0度转到30度，凸轮从90度转到270度对应支架从30度转到-30度，凸轮从270度转到360度对应支架从-30度转到0度。即有：
[0046][0047]
本技术还提供了一种凸轮机构，应用于上述任一项所述的点云增稠的摆动装置上，凸轮机构包括凸轮。应当理解，该凸轮机构还可以包括上述实施例中所述的驱动机构。
[0048]
本技术提供的一种凸轮机构，通过设置凸轮的外表面与设备安装架的第二侧表面相切，利用凸轮绕凸轮旋转轴转动带动设备安装架及点云设备匀速摆动；即利用凸轮带动设备安装架往复摆动，继而带动设置于设备安装架上的点云设备往复摆动，以扩大点云设备的扫描范围，从而实现低点云密度点云设备的点云增稠，并且利用凸轮结构可以控制凸轮转速，以实现设备安装架和点云设备的匀速摆动，从而保证点云设备所扫描范围内的点云稠密度的一致性，从而提高点云设备的扫描效果和定位精度。
[0049]
本技术还提供了一种低速移动机构，该低速移动机构包括：机构本体、点云设备以及如上述任一项的应用于点云增稠的摆动装置，点云设备设置于机构本体上。具体的，该低速移动机构可以是低速水面无人艇、室外割草机器人、洗地机器人、低速配送无人车、扫地机器人等。
[0050]
本技术提供的一种低速移动机构，通过设置设备安装架，设备安装架的第一侧安装点云设备；摆动旋转轴，摆动旋转轴设置于设备安装架的第二侧，设备安装架绕摆动旋转轴转动；以及凸轮，凸轮绕凸轮旋转轴转动且凸轮的外表面与设备安装架的第二侧表面相切；即利用凸轮带动设备安装架往复摆动，继而带动设置于设备安装架上的点云设备往复摆动，以扩大点云设备的扫描范围，从而实现低点云密度点云设备的点云增稠，并且利用凸轮结构可以控制凸轮转速，以实现设备安装架和点云设备的匀速摆动，从而保证点云设备所扫描范围内的点云稠密度的一致性，从而提高点云设备的扫描效果和定位精度。
[0051]
以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
[0052]
本技术中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
[0053]
还需要指出的是，在本技术的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
[0054]
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
[0055]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
[0056]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，包括：设备安装架，所述设备安装架的第一侧安装所述点云设备；摆动旋转轴，所述摆动旋转轴设置于所述设备安装架的第二侧，所述设备安装架绕所述摆动旋转轴转动；以及凸轮，所述凸轮绕凸轮旋转轴转动且所述凸轮的外表面与所述设备安装架的第二侧表面相切，所述凸轮绕所述凸轮旋转轴转动带动所述设备安装架及所述点云设备匀速摆动。2.根据权利要求1所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述摆动装置还包括：压力弹性部件，所述压力弹性部件连接所述设备安装架的第一侧和固定部件，用于将所述设备安装架按压至与所述凸轮的外表面相切。3.根据权利要求1所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述摆动装置还包括：驱动机构，所述驱动机构与所述凸轮连接，用于驱动所述凸轮绕所述凸轮旋转轴转动。4.根据权利要求1所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述凸轮的轮廓设计方法包括：根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的位置关系，计算所述凸轮的轮廓尺寸；其中，所述轮廓尺寸表示所述凸轮的外表面与所述凸轮旋转轴之间的距离值。5.根据权利要求4所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的位置关系，计算所述凸轮的轮廓尺寸包括：根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，计算所述凸轮的轮廓尺寸。6.根据权利要求5所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述根据所述设备安装架的期望摆动角度、所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，计算所述凸轮的轮廓尺寸包括：r(t)＝hcos(θ(t))+lsin(θ(t))；其中，t为单个运动周期内所述凸轮由起始时刻开始的转动时间，r(t)为所述凸轮的轮廓尺寸，l和h分别为所述摆动旋转轴与所述凸轮旋转轴之间的水平距离和垂直距离，θ(t)为所述设备安装架的期望摆动角度。7.根据权利要求4-6中任一项所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述设备安装架的期望摆动角度的计算方式包括：根据所述凸轮的运动周期、所述设备安装架的最大摆动角度，计算所述设备安装架的期望摆动角度。8.根据权利要求7所述的应用于点云增稠的摆动装置，其特征在于，所述根据所述凸轮的运动周期、所述设备安装架的最大摆动角度，计算所述设备安装架的期望摆动角度包括：
其中，t为所述凸轮的运动周期，所述设备安装架在单个运动周期t内在-α到+α范围内摆动。9.一种凸轮机构，其特征在于，应用于上述权利要求1-8中任一项所述的点云增稠的摆动装置上，所述凸轮机构包括所述凸轮。10.一种低速移动机构，其特征在于，包括：机构本体；点云设备，所述点云设备设置于所述机构本体上；以及如权利要求1-8中任一项所述的应用于点云增稠的摆动装置。

技术总结
本申请公开了一种应用于点云增稠的摆动装置、凸轮机构及低速移动机构，通过设置设备安装架，设备安装架的第一侧安装点云设备；摆动旋转轴，摆动旋转轴设置于设备安装架的第二侧，设备安装架绕摆动旋转轴转动；以及凸轮，凸轮绕凸轮旋转轴转动且凸轮的外表面与设备安装架的第二侧表面相切；即利用凸轮带动设备安装架往复摆动，继而带动设置于设备安装架上的点云设备往复摆动，以扩大点云设备的扫描范围，从而实现低点云密度点云设备的点云增稠，并且通过设计凸轮的轮廓，以实现设备安装架和点云设备的匀速摆动，从而保证点云设备所扫描范围内的点云稠密度的一致性，从而提高点云设备的扫描效果和定位精度。备的扫描效果和定位精度。备的扫描效果和定位精度。


技术研发人员：钟春号 尤泽毅 张云飞 陈胜
受保护的技术使用者：珠海云洲智能科技股份有限公司
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/8/5