專利名稱：高精確度激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
高精確度激光雷達(dá)系統(tǒng)
背景技術(shù)：
應(yīng)用光的脈沖測(cè)量距離是熟知的。正因?yàn)槠毡楸挥迷诶缇焖俣忍?測(cè)器的設(shè)備上，基本的原理是使激光發(fā)射器脈沖，其引起將要發(fā)射的光的 脈沖，通常通過(guò)透鏡或透鏡部件聚焦。然后，測(cè)量用于光的脈沖返回到安 裝在輻射器附近的探測(cè)器所花費(fèi)的時(shí)間，然后從測(cè)量值高精確度地得到距 離。
當(dāng)快速接連地發(fā)射多個(gè)脈沖，這些發(fā)射的方向以某種方式連續(xù)變化， 將每個(gè)距離測(cè)量值看成一個(gè)像素，快速接連發(fā)射和記錄的像素的收集(稱 為"點(diǎn)云")能夠形成圖像或分析其他原因，例如探測(cè)障礙物。繪制這些
點(diǎn)云的觀測(cè)儀(現(xiàn)在一般是基于PC)可以對(duì)圖像進(jìn)行處理以給出三維圖 像的形貌。當(dāng)返回的數(shù)據(jù)缺少顏色或其他特征，可以利用不同的方案描述 距離測(cè)量值以讓繪圖裝置顯示三維圖像，仿佛它是通過(guò)實(shí)時(shí)工作的攝像機(jī) 拍攝的一樣。
現(xiàn)在有很多商業(yè)產(chǎn)品能夠快速接連記錄一定距離外的點(diǎn)和繪制二維 (也就是單個(gè)平面)點(diǎn)云。這些裝置通常用在測(cè)量、繪制地圖、自主導(dǎo)航、 工業(yè)應(yīng)用和其他用途。大多數(shù)這些裝置依賴于利用單激光發(fā)射器、探測(cè)器 結(jié)合一些移動(dòng)的鏡子的結(jié)合體以實(shí)現(xiàn)跨過(guò)至少一個(gè)面的掃描，如圖1所示。
這樣的裝置通常用在工業(yè)應(yīng)用，如圖2所示。注意到，掃描線從單元 一旋轉(zhuǎn)鏡子發(fā)射讓單個(gè)激光發(fā)射器/探測(cè)器部件通過(guò)利用轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡子沿著 平面瞄準(zhǔn)。
通常，這些鏡子以非?？斓乃俣?每分鐘成千轉(zhuǎn)(RPM)的轉(zhuǎn)動(dòng)。正 如上面描述的，這種設(shè)計(jì)固有地僅僅繪制二維點(diǎn)云。然而，人們常常需要 三維點(diǎn)云。另外的一維可以以多個(gè)方式提供。最常見(jiàn)的，當(dāng)閃爍或擺動(dòng)傳 感器時(shí)整個(gè)裝置通常在萬(wàn)向支架上被向上和向下驅(qū)動(dòng)和/或向前向后驅(qū)動(dòng) ——本領(lǐng)域所熟知的方法。因而，雖然一次一個(gè)點(diǎn)，單束激光雷達(dá)單元可 以用來(lái)記錄一定距離之外的點(diǎn)的整個(gè)三維排列。這種方法的示例如圖3所
5示。圖3示出二維掃描器，其采用單個(gè)激光發(fā)射器/探測(cè)器對(duì)和安裝在萬(wàn)向 支架上下點(diǎn)頭擺動(dòng)并前后轉(zhuǎn)動(dòng)以便增大視場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)鏡子。
在其他單獨(dú)的激光發(fā)射器/探測(cè)器對(duì)基于鏡子的現(xiàn)有技術(shù)裝置中，設(shè)置 有棱鏡，它將激光脈沖"分成"多個(gè)"層線"，每個(gè)層線具有細(xì)微不同的 垂直角。這模擬了上面所述的點(diǎn)頭擺動(dòng)效果，但不需要驅(qū)動(dòng)傳感器本身。
在所有上面的示例中，主要的前提是單個(gè)激光發(fā)射器/探測(cè)器的結(jié)合 體，其中光的路徑以某種方式改變以獲得比單個(gè)傳感器能夠獲得的更寬視 場(chǎng)。由于從單個(gè)激光器可能每秒多少脈沖的限制，這種裝置固有地受限于 它能產(chǎn)生的像素的數(shù)量。無(wú)論是否通過(guò)鏡子、棱鏡或裝置的驅(qū)動(dòng)，激光器 的路徑的任何改變，引起點(diǎn)云密度減低，但覆蓋更寬的區(qū)域。對(duì)于這種特 性的傳感器的目標(biāo)是使像素的數(shù)量最大化，以提供覆蓋寬的視場(chǎng)，而且盡 可能稠密的點(diǎn)云。
當(dāng)然，增加附加的激光器和探測(cè)器到轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡子單元是可能的。雖然 這很容易辦到，但是最終的性能與用到的激光器的數(shù)量不成必然的比例。 當(dāng)多個(gè)激光發(fā)射器/探測(cè)器的結(jié)合體被用到旋轉(zhuǎn)鏡掃描器，或當(dāng)單個(gè)激光通 過(guò)應(yīng)用棱鏡被分離，圖像也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。因而，當(dāng)束在一個(gè)方向上垂直地輸出， 它們將會(huì)扭曲以便在90度旋轉(zhuǎn)方向上水平對(duì)齊。雖然這種布置結(jié)構(gòu)能夠
用于僅向前看(forward-looking-only)的單元，但是如果也希望得到側(cè)部 視野，這就不是所要的，而對(duì)于許多應(yīng)用通常是需要側(cè)部視野的。
還存在"閃光激光雷達(dá)"("flash lidar")單元。這些單元通過(guò)同時(shí)照 射大的區(qū)域，并且記錄在具體化的二維焦平面陣列(FPA)的綜合像素-距離信息。這樣的傳感器很復(fù)雜并且很難制造，因而商業(yè)上開(kāi)發(fā)的并不廣 泛。然而，可以設(shè)想，它們某種程度上代替了商業(yè)的掃描傳感器，因?yàn)樗?們是固態(tài)的，并且不需要移動(dòng)的部分。圖4示出用于閃光激光雷達(dá)單元的 探測(cè)器陣列的框架。
人們總是希望更快地收集更多的點(diǎn)。直到應(yīng)用閃光激光雷達(dá)技術(shù)，一 直處于傳感器的折衷，也就是為了獲得寬的視場(chǎng)，改變發(fā)射器/探測(cè)器束的 路徑。
如上面提到，三維點(diǎn)云以幾種結(jié)構(gòu)存在，對(duì)于車輛自主導(dǎo)航的需要對(duì) 于目前的系統(tǒng)提出不現(xiàn)實(shí)要求。例如，現(xiàn)在有許多能夠獲得很好的照片的
6系統(tǒng)，但是要花費(fèi)幾分鐘去收集單個(gè)圖像。這樣的系統(tǒng)不適于公路使用。 還有閃光系統(tǒng)，其具有很好的更新速率，但是視場(chǎng)不足并且缺少良好的距 離性能。還有單束系統(tǒng)，其能夠提供有用的信號(hào)，但是不能用來(lái)處理太小 的物體和落在單元的視場(chǎng)外邊的物體。事實(shí)上，為了安全地導(dǎo)航如今的公
路，看見(jiàn)車輛周圍的任何地方(幾乎整個(gè)360度)是必要的。此外，在現(xiàn)
實(shí)世界的動(dòng)作發(fā)生和給動(dòng)作形成圖像/對(duì)動(dòng)作產(chǎn)生反應(yīng)之間具有最小的延 遲是必要的。通常，人類反應(yīng)時(shí)間是幾十分之一秒，是可以接受的。因此， 提供具有完全新接近十次每秒的更新的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)然，更快
是更好的，但是對(duì)于具有更新速率5次每秒的也可能成功地導(dǎo)航。垂直視
場(chǎng)需要延伸到地平線上面，以防汽車進(jìn)入道路中的斜坡，并且應(yīng)該延伸到 地平線下盡可能的近，以看見(jiàn)車輛前面的地面。當(dāng)然，直接看見(jiàn)前面的車 輛是不可能的，因?yàn)槠嚨能嚺窕蚱渌糠肿钃趿艘暰€。
雖然優(yōu)選的實(shí)施例用64個(gè)離散的垂直束來(lái)記錄點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可以采 用16束或更少，具有大體上相同的結(jié)果。此外，優(yōu)選地使這些束散開(kāi)， 使得在車輛前面覆蓋更詳細(xì)直接水平，這樣的集中度(concentration)對(duì) 于在公路以一定速度開(kāi)車是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于激光雷達(dá)的三維點(diǎn)云測(cè)量系統(tǒng)。示例系統(tǒng)包括基 部、殼體、包括在殼體內(nèi)的多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器、環(huán)繞基部轉(zhuǎn)動(dòng) 殼體的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和將由光子探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送到外部部件的通信部 件。
本發(fā)明的一方面，旋轉(zhuǎn)部件包括旋轉(zhuǎn)功率聯(lián)結(jié)器，構(gòu)造成從外部源提 供功率給旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、光子發(fā)射器和光子探測(cè)器，以及進(jìn)入和離開(kāi)單元的信 號(hào)。
本發(fā)明的另一方面，每對(duì)光子發(fā)射器和探測(cè)器以相互固定關(guān)系保持。 本發(fā)明的還一方面，單個(gè)探測(cè)器通過(guò)將幾個(gè)探測(cè)區(qū)域聚焦到單個(gè)探測(cè)
器，或利用單個(gè)的、大的探測(cè)器，在幾個(gè)激光器之間共享。
在本發(fā)明的還一方面，單個(gè)激光束被分離成幾個(gè)更小的束，每個(gè)更小
的束聚焦到其本身的探測(cè)器上。在本發(fā)明的還一方面，通信部件包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器裝置或無(wú)線 通信裝置。
本發(fā)明提供更加緊湊和堅(jiān)固耐用的單元用于收集三維點(diǎn)云信息。此 外，本發(fā)明提供識(shí)別多個(gè)返回信息的能力。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選的和可選的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述
圖1-4示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)形成的發(fā)明；
圖5是靜止示出的激光雷達(dá)地形繪圖和障礙物探測(cè)系統(tǒng)；
圖6是以300轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)行示出的激光雷達(dá)地形繪圖和障礙物探測(cè)系
統(tǒng)；
圖7是安裝到車輛上的本發(fā)明的透視圖8A和B示出自動(dòng)剎車部件和自動(dòng)方向盤部件；
圖9和IO示出用于執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)車輛控制的電路；
圖11和12示出自動(dòng)車輛運(yùn)行系統(tǒng)的部件；
圖13-22示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成的掃描裝置的多個(gè)視圖23A和B示出用于驅(qū)動(dòng)激光二極管的電路；
圖24示出為激光二極管形成的示例脈沖；
圖25-26示出圖23A中的電路的運(yùn)行的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
圖5-12示出了作為自主傳感器被用于車輛的激光成像探測(cè)和測(cè)距(激 光雷達(dá))地形繪圖和障礙物探測(cè)系統(tǒng)。激光雷達(dá)系統(tǒng)包括8個(gè)激光器的8 個(gè)部件，每個(gè)如圖5所示，或者32個(gè)激光器的2個(gè)部件，每個(gè)形成64個(gè) 元件激光雷達(dá)系統(tǒng)，如圖13-26所示。該系統(tǒng)具有360度水平視場(chǎng)(FOV) 和26.8度垂直視場(chǎng)。該系統(tǒng)典型地安裝在車輛的頂部中央，在所有方向上 給予清楚的視野，并且以達(dá)到20赫茲的速率旋轉(zhuǎn)，借此提供高的點(diǎn)云更 新速率，這種高速率對(duì)于以更高速度的自主導(dǎo)航是必要的。在這種結(jié)構(gòu)中， 該系統(tǒng)能夠每秒收集大約1百萬(wàn)飛行時(shí)間(TOF)距離點(diǎn)。該系統(tǒng)提供獨(dú) 特的360度水平視場(chǎng)(FOV)、高點(diǎn)云密度和高更新速率。飛行時(shí)間(TOF)
8測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差(deviation)等于或小于5cm。激光雷達(dá)系統(tǒng)具有安裝其 上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)傳感器系統(tǒng)，以通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)修正這些偏差 來(lái)報(bào)告單元的精確的截距(pitch)和轉(zhuǎn)動(dòng)(roll)。該單元產(chǎn)生其自身的光 并用其獨(dú)有的過(guò)濾器抵擋太陽(yáng)光，這樣它就能在所有的照明和大多數(shù)天氣 條件下良好地工作。通過(guò)利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制，如果通過(guò)光 子探測(cè)器不能獲得清晰的地形映像(是否因?yàn)榉瓷浔砻?、天氣或其他?因)，動(dòng)態(tài)功率特性讓系統(tǒng)能夠增大激光發(fā)射器的強(qiáng)度，如果通過(guò)光子探 測(cè)器探測(cè)到強(qiáng)的反射信號(hào)，處于安全原因就減小提供給激光發(fā)射器的功 率。這種特性的直接好處在于，激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)地提高激光 功率并忽視早期反射(earlyreflection)看穿煙霧和大雨。該單元還能夠， 當(dāng)由發(fā)射器產(chǎn)生的信號(hào)返回時(shí)，接收和通過(guò)數(shù)字化和分析由探測(cè)器產(chǎn)生的 波形解讀來(lái)自單個(gè)激光發(fā)射的多個(gè)返回信號(hào)。
激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)輸出(或類似輸出)發(fā)送測(cè)距和強(qiáng)度信息形 式的數(shù)據(jù)給主導(dǎo)航系統(tǒng)。利用標(biāo)準(zhǔn)三角法，將測(cè)距數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成x和y坐標(biāo) 和高度值。校正高度值用于車輛的間距和轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣最終的地圖參考車輛 的水平面。然后，與車輛向前或轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作相呼應(yīng)移動(dòng)地圖。因而，傳感器 的輸入進(jìn)行累計(jì)并且形成周圍環(huán)境的極高密度的輪廓地圖。
然后，如果需要這種高的詳細(xì)地形地圖被用來(lái)計(jì)算障礙物躲避向量， 并且，同樣重要地，確定給予前方地形最大的可允許速度。激光雷達(dá)系統(tǒng) 識(shí)別在視野中的物體尺寸和距離，包括垂直位置和路面的輪廓。車輛與位 于不同距離的或垂直或水平的直的、水平路徑的預(yù)期偏差被轉(zhuǎn)化成當(dāng)以目 前的速度沿著計(jì)劃路徑時(shí)車輛將要遭受的g-力。這個(gè)信號(hào)可以用來(lái)確定車 輛應(yīng)該行駛的最大的速度，并因此發(fā)送加速或剎車命令。在所有情況下， 盡管還在全球定位系統(tǒng)(GPS)的邊界線以內(nèi)穿過(guò)沿途停車點(diǎn)，軟件尋求 最佳的可用的路面(和因此最佳可能速度)。
如圖5-8所示的系統(tǒng)，包括被分成八組八個(gè)的64個(gè)發(fā)射器/探測(cè)器(也 就是激光二極管/光電二極管)對(duì)。圖13-24示出的系統(tǒng)也包括64個(gè)發(fā)射 器/探測(cè)器對(duì)，但是2對(duì)32個(gè)部件組的結(jié)構(gòu)。通過(guò)將幾個(gè)探測(cè)區(qū)域聚焦到 單個(gè)探測(cè)器上，或通過(guò)利用單個(gè)、大的探測(cè)器，也有可能在幾個(gè)激光器之 間共享單個(gè)探測(cè)器。通過(guò)一次發(fā)射單個(gè)激光，將不會(huì)存在關(guān)于哪個(gè)激光負(fù)
9責(zé)返回信號(hào)的不清楚。相反，也可以將單個(gè)激光再細(xì)分成幾個(gè)更小的束。 每個(gè)束將聚焦到其自身的探測(cè)器。在任何情況下，這種系統(tǒng)仍然考慮發(fā)射 器-探測(cè)器對(duì)。
激光二極管優(yōu)選OSRAM905發(fā)射器，光電二極管優(yōu)選雪崩品種，但 是其他類型的二極管也可以應(yīng)用。透鏡優(yōu)選地是被處理成防太陽(yáng)光的透 鏡。每對(duì)發(fā)射器/探測(cè)器以1/3度增量物理排列成一行，覆蓋從水平線上面
(與車輛前面500英尺對(duì)準(zhǔn))到接近-24度(與車輛前面20英尺對(duì)準(zhǔn))。 每個(gè)發(fā)射器/探測(cè)器對(duì)由一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制，它確定 什么時(shí)候應(yīng)該發(fā)射、在前面返回信號(hào)的基礎(chǔ)上確定發(fā)射的強(qiáng)度、記錄飛行 時(shí)間和在飛行時(shí)間和每對(duì)的角度對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上計(jì)算高度數(shù)據(jù)。包括多個(gè)返 回信號(hào)(如果有的話)的結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器發(fā)送到主導(dǎo)航計(jì) 算機(jī)。
一次只發(fā)射幾個(gè)激光，或優(yōu)選只發(fā)射一個(gè)激光，是有利的。這是因?yàn)?必然地發(fā)生色度亮度干擾，或當(dāng)激光束遭遇返回的激光束發(fā)生眩目 (blinding)。這種回射器普遍地沿著馬路安裝。因而， 一次單束的系統(tǒng)對(duì) 回射器眩目具有抵抗效果，而相反結(jié)果閃光系統(tǒng)可能遭受嚴(yán)重的圖像惡化 的麻煩。
一次僅發(fā)射小數(shù)目的激光的另一優(yōu)點(diǎn)在于能夠在幾個(gè)探測(cè)器之間共 享或復(fù)用探測(cè)電路。因?yàn)樘綔y(cè)電路包括高速A-D (模擬-數(shù)字)，例如由國(guó) 家半導(dǎo)體制造的電路，通過(guò)最少地利用這些昂貴部件能夠節(jié)省相當(dāng)大的成 本。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，探測(cè)器是周期地被提供功率，使得在任何一次只 有所需的探測(cè)器功率升高。然后信號(hào)可以簡(jiǎn)單地以"二極管-或 (diode-ored)"連在一起以獲得所需的多路復(fù)用(multiplexing)。周期的 功率的探測(cè)器其他的優(yōu)點(diǎn)在于總的系統(tǒng)功率消耗減小，因此探測(cè)器趨向更 低溫，并且因此更敏感。
單個(gè)直流(DC)馬達(dá)控制器驅(qū)動(dòng)高可靠的換向器電動(dòng)機(jī)控制發(fā)射器/ 探測(cè)器的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)編碼器提供轉(zhuǎn)動(dòng)位置給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，數(shù)字 信號(hào)處理器(DSP)利用位置數(shù)據(jù)確定發(fā)射次序。軟件和物理保險(xiǎn)(failsafes) 確保直到系統(tǒng)以最小的轉(zhuǎn)動(dòng)/分鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)才發(fā)射。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航系統(tǒng)利用雙全球定位系統(tǒng)(GPSS)接收器。第
一個(gè)是應(yīng)用星球發(fā)射服務(wù)(Starfire subscription service)的Navcom 2050G, 第二是應(yīng)用全向星球月艮務(wù)(Omnistar subscription service) 的Novatel ProPak-LB接收器。典型地，當(dāng)以雙微分模式運(yùn)行時(shí)，這些服務(wù)(subscription service)在全天空監(jiān)視(sky-in-view)條件下產(chǎn)生2英寸的精確度。任何 高精度的全球定位系統(tǒng)(GPSs)都可以應(yīng)用。全球定位系統(tǒng)(GPSs)接 收器被用來(lái)校正在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)中的錯(cuò)誤。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS) 包括回轉(zhuǎn)儀(gyros),例如光纖陀螺(FOG， fiber optic gyros)。此外，還 有安裝在激光雷達(dá)頭的六軸慣性系統(tǒng)，其用于校正激光雷達(dá)信號(hào)并提供用 于校正光纖陀螺(FOG)回轉(zhuǎn)儀信號(hào)的間距和轉(zhuǎn)動(dòng)信息。
車輛控制通過(guò)分別由Texas Instruments C2400數(shù)字信號(hào)處理器芯片控 制的剎車和方向操縱(見(jiàn)圖8A、 B)的2個(gè)20HP無(wú)刷馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加速 是通過(guò)將雙電壓加速系統(tǒng)安裝到車輛來(lái)電子實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可以改進(jìn)裝備到 實(shí)際上任何交通工具上一陸地、天上、海洋或太空交通工具。
圖9示出在旋轉(zhuǎn)頭單元內(nèi)的電路部件的示例。旋轉(zhuǎn)頭單元包括多個(gè)探 測(cè)器和發(fā)射器電路，每個(gè)具有其自身的處理器。由每個(gè)電路得出的數(shù)據(jù)通 過(guò)旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器輸出給外部部件。也可以應(yīng)用其他數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，例如通過(guò) 任何數(shù)量的不同的無(wú)線協(xié)議的無(wú)線傳輸。
圖10示出系統(tǒng)50的關(guān)鍵的導(dǎo)航(key navigational aspect)以及它們?nèi)?何互聯(lián)的。通過(guò)與串聯(lián)到并聯(lián)(serial-to-pamllel)轉(zhuǎn)換器52的單個(gè)頻道高 速連接提供由激光地形-繪圖系統(tǒng)產(chǎn)生的地形地圖(未示出)，然后占據(jù) FIFO存儲(chǔ)陣列54 (后面的實(shí)施例通過(guò)以太網(wǎng)連接轉(zhuǎn)移信息)。接著數(shù)字信 號(hào)處理器(DSP) 60接收來(lái)自FIFO存儲(chǔ)陣列54激光雷達(dá)信息，伴隨著來(lái)自 兩個(gè)全球定位系統(tǒng)(GPSs)、兩個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、光纖陀螺(FOG) 回轉(zhuǎn)儀(gyro)、里程表和遠(yuǎn)程緊急開(kāi)關(guān)(remote kill switch)。評(píng)估這個(gè)數(shù) 據(jù)以通過(guò)發(fā)送的系列命令決定接下來(lái)的路徑以控制車輛(注釋，方向操縱、 剎車、減速和鳴笛)。操縱方向和剎車馬達(dá)由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 62， 64控制，而加速通過(guò)由顧客界面平臺(tái)(custom interface board)的電子界面 控制。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 60還控制視頻顯示器68，視頻顯示器呈現(xiàn) 用于觀察和調(diào)試用途的激光雷達(dá)圖像。
ii通過(guò)應(yīng)用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)技術(shù)獲得小的覆蓋區(qū)。用于
決定形成、傳感、馬達(dá)控制和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)所有PC板都是所有權(quán) (proprietary),用于這種用途的排他性設(shè)計(jì)，并且適于單個(gè)母板/姊妹板 (daughterboard)的情形。所有主要的導(dǎo)航部件安裝在設(shè)置在卡車駕駛室
的頂上的盒子內(nèi)(如圖7和11所示)。對(duì)于車輛的唯一的其他調(diào)整是，與方
向操縱機(jī)構(gòu)集成在引擎箱內(nèi)的方向操縱馬達(dá)，安置在駕駛室地板上的剎車
馬達(dá)，以及加速界面(在這里是電子的)。
優(yōu)選的實(shí)施例設(shè)計(jì)的結(jié)果是，即使處于自主模式，卡車也是能合法上
街并讓所有乘客感到舒服。當(dāng)乘坐在車子的內(nèi)部，并開(kāi)動(dòng)駕駛員頭上的用
于氣體、方向操作和剎車的三個(gè)開(kāi)關(guān)，就可以執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試，如圖12所示。
本發(fā)明執(zhí)行允許高速導(dǎo)航的幀頻，提供主動(dòng)和被動(dòng)障礙物同時(shí)識(shí)別， 提供優(yōu)越的點(diǎn)云密度，提供全360度HFOV，提供寬的視場(chǎng)VFOV，以及 提供高精度的比率。
圖13示出了 64個(gè)發(fā)射器/探測(cè)器對(duì)激光雷達(dá)部件150的透視圖。部件 150包括殼體152，殼體一邊開(kāi)口以容納位于第二激光雷達(dá)系統(tǒng)156上的 第一激光雷達(dá)系統(tǒng)。第二激光雷達(dá)系統(tǒng)156定位成比第一激光雷達(dá)系統(tǒng) 154相對(duì)于水平線具有更大夾角的視線。殼體152安裝在基部殼體部分158 上。
如圖14和15所示，部分158包括磁性轉(zhuǎn)子159和定子160。旋轉(zhuǎn)聯(lián) 結(jié)器161 ，例如三導(dǎo)體Mercotac模式(three-conductor Mercotac model)305， 通過(guò)部分158和轉(zhuǎn)子159的中心。由旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器驅(qū)動(dòng)的三個(gè)導(dǎo)體是功率導(dǎo) 體、信號(hào)導(dǎo)體和接地導(dǎo)體。軸承162安裝在旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器161上。旋轉(zhuǎn)編碼 器163具有安裝在旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器161上的一部分和安裝在殼體152的基部部 分158上的另一部分。旋轉(zhuǎn)編碼器163，例如美國(guó)數(shù)字模式數(shù)字E6S-1000-750-I-PKG 1提供關(guān)于殼體152的旋轉(zhuǎn)位置的信息。磁性轉(zhuǎn)子159和 定子160引起基部部分158的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，并因此使殼體152關(guān)于旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié) 器161轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖16示出第一激光雷達(dá)系統(tǒng)14的透視圖。激光雷達(dá)系統(tǒng)154包括面 部部分，其包括兩個(gè)用于安置發(fā)射器透鏡的腔174和一個(gè)更大的用于安置
12單個(gè)探測(cè)器透鏡的腔170。如圖22所示，在每個(gè)腔174內(nèi)的透鏡后面，是 16個(gè)相對(duì)水平地布置的激光發(fā)射器，因而結(jié)合總的32個(gè)發(fā)射器。在腔170 的透鏡后面是32個(gè)探測(cè)器，探測(cè)器定位在單元154的管176內(nèi)。如圖17 所示，第二激光雷達(dá)單元156與第一激光雷達(dá)系統(tǒng)154優(yōu)點(diǎn)類似，但是包 括更短的管178并具有向下的俯視角。圖18示出第二激光雷達(dá)系統(tǒng)156 的后視圖。
在每個(gè)腔174的透鏡后面是發(fā)射器組180。每個(gè)發(fā)射器組180包括16個(gè) 獨(dú)立的發(fā)射器188 (每邊)。發(fā)射器單元180的每個(gè)發(fā)射器188設(shè)置在單元 196內(nèi)部，并設(shè)置成激光器托架195 (如圖19和20)。每個(gè)發(fā)射器與位于連 接有每個(gè)發(fā)射器的配件的激光探測(cè)器板166上相應(yīng)的接收器對(duì)齊，并與托 架激光器單元196和托架墊塊帶子195對(duì)齊。
圖23A和B示出用于控制激光二極管的發(fā)射的電路。關(guān)于圖23A和24， 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送帶電荷(charge/on)的信號(hào)到場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 200，因而給電感器204充電，電感器依次給電容器206充電，接著 電容器引起激光器210發(fā)射。如前面通過(guò)來(lái)自最后脈沖的返回強(qiáng)度測(cè)量確 定的那樣，在預(yù)定時(shí)間周期后，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)晶體 管200。充電脈沖5微秒一次，而發(fā)射脈沖20微秒一次?？勺児β始す舛O 管發(fā)射電路?？梢钥吹剑瑑?chǔ)存在電感器中的能量是1/2*"匸2。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng) 晶體管關(guān)閉，這個(gè)能量通過(guò)二極管被轉(zhuǎn)移到放電電容器。電容器中的能量 是1/2*0*廠2。很明顯，電容器中的電壓與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的持續(xù)時(shí)間成比 例。因而，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可以應(yīng)用單個(gè)算法預(yù)測(cè)電容器中的電 壓的合適量。例如，從噪音和測(cè)量精確度的觀點(diǎn)看，如果返回脈沖是所需 的l/2大，那么為下一次脈沖數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)只要單次充電電感 器兩次。當(dāng)然，這種系統(tǒng)不能看到未來(lái),因此不可能一直每次都得到最佳的 返回強(qiáng)度。不過(guò)，這個(gè)技術(shù)運(yùn)行得足夠好，在大多數(shù)時(shí)間，該系統(tǒng)受益于 這種技術(shù)。
圖23B包括兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。當(dāng)在充電脈沖過(guò)程中場(chǎng)效應(yīng)晶體管1 開(kāi)啟(圖24)，電感器240給電容器242充電。當(dāng)在發(fā)射脈沖過(guò)程中場(chǎng)效 應(yīng)晶體管2開(kāi)啟，場(chǎng)效應(yīng)晶體管2引起電容器242放電，因而使激光二極 管244發(fā)射。圖25示出圖23A和B中的電路的電流和照射輸出。圖26示出接收 側(cè)的光電二極管的數(shù)字化的傳感值。
雖然己經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例，正如上面提到的，在 不脫離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的條件下能夠進(jìn)行許多改變。因而，本發(fā) 明的范圍不受到優(yōu)選的實(shí)施例的限制。相反，本發(fā)明應(yīng)該完全參照權(quán)利要 求來(lái)決定。
權(quán)利要求
1.一種基于激光雷達(dá)的三維點(diǎn)云系統(tǒng)，其包括多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器；和旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器裝置，所述旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器裝置構(gòu)造成轉(zhuǎn)動(dòng)多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器裝置包括旋轉(zhuǎn)功率聯(lián)結(jié)器，所述旋轉(zhuǎn)功率聯(lián)結(jié)器構(gòu)造成從外部源提供功率給多個(gè)光子發(fā)射器 和光子探測(cè)器。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光子發(fā)射器和所述光子探 測(cè)器包括多對(duì)光子發(fā)射器和探測(cè)器，每對(duì)以相互固定的關(guān)系保持。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器裝置包括旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié) 器，所述旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器構(gòu)造成傳輸信號(hào)到多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器和接 收來(lái)自多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括通信部件，所述通信部件構(gòu)造成 允許將由光子探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送到外部部件。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述通信部件包括無(wú)線通信裝置。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu) 造成確定所述殼體相對(duì)于所述基部的旋轉(zhuǎn)位置。 >
8. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器包括 16個(gè)或更多個(gè)發(fā)射器和探測(cè)器。
9. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器包括 一個(gè)構(gòu)造成接收來(lái)自一個(gè)以上發(fā)射器的反射的探測(cè)器。
10. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器包 括一個(gè)構(gòu)造成提供反射給一個(gè)以上探測(cè)器的發(fā)射器。
11. 一種基于激光雷達(dá)的三維點(diǎn)云系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 基部；殼體；容納在所述殼體內(nèi)的多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器；旋轉(zhuǎn)部件，所述旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)造成環(huán)繞所述基部旋轉(zhuǎn)所述殼體；和 通信部件，所述通信部件構(gòu)造成將由所述光子探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)傳輸 到外部部件。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)部件還包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和 旋轉(zhuǎn)功率聯(lián)結(jié)器，所述旋轉(zhuǎn)功率聯(lián)結(jié)器構(gòu)造成將外部源的功率提供給光子 發(fā)射器和光子探測(cè)器。
13. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器包括多對(duì)光子發(fā)射器和探測(cè)器，每對(duì)光子發(fā)射器和探測(cè)器以相互固定的 關(guān)系保持。
14. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述通信部件包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn) 聯(lián)結(jié)器裝置或無(wú)線通信裝置。
15. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，還包括旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)造成確定所述殼體相對(duì)于所述基部的 旋轉(zhuǎn)位置。
16. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述殼體以大于200轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)。
17. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè) 器包括一個(gè)構(gòu)造成接收來(lái)自一個(gè)以上發(fā)射器的反射的探測(cè)器。
18. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè) 器包括一個(gè)構(gòu)造成提供反射給一個(gè)以上探測(cè)器的發(fā)射器。
19. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述探測(cè)器以大于300千點(diǎn)/秒 記錄。
20. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述光子發(fā)射器包括至少一個(gè)激 光二極管，所述激光二極管構(gòu)造成發(fā)射光信號(hào)，并且所述光子探測(cè)器包括 至少一個(gè)光電二極管，所述光電二極管構(gòu)造成響應(yīng)于所述發(fā)射的光信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)，所述系統(tǒng)還包括控制器，所述控制器構(gòu)造成基于響應(yīng)于所述發(fā)射的光信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào) 改變所述至少一個(gè)激光二極管的輸出。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，放電電容器和電感裝置。
22.—種產(chǎn)生三維點(diǎn)云的方法，所述方法包括 提供多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器；和利用旋轉(zhuǎn)聯(lián)結(jié)器裝置旋轉(zhuǎn)多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器; 從所述發(fā)射器發(fā)射光信號(hào)；基于所述發(fā)射的光信號(hào)在所述探測(cè)器接收光反射； 基于所述接收的光反射產(chǎn)生三維點(diǎn)云。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于激光雷達(dá)的三維點(diǎn)云測(cè)量系統(tǒng)和方法。示例的系統(tǒng)包括基部(158)、殼體(152)、包括在殼體內(nèi)的多個(gè)光子發(fā)射器和光子探測(cè)器、環(huán)繞基部旋轉(zhuǎn)殼體的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和將由光子探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)射到外部部件的通信部件。旋轉(zhuǎn)部件包括旋轉(zhuǎn)功率聯(lián)結(jié)器，構(gòu)造成將來(lái)自外部源的功率提供給旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、光子發(fā)射器和光子探測(cè)器。在另一實(shí)施例中，每對(duì)光子發(fā)射器和探測(cè)器以彼此固定的關(guān)系保持。在還一實(shí)施例中，通過(guò)將幾個(gè)探測(cè)區(qū)域聚焦到單個(gè)探測(cè)器上或通過(guò)利用單個(gè)大的探測(cè)器來(lái)在幾個(gè)激光器之間共享單個(gè)探測(cè)器。
文檔編號(hào)G01C1/00GK101688774SQ200780030113
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者大衛(wèi)·S·霍爾 申請(qǐng)人:威力登音響公司