CN102422165A - 表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统 - Google Patents

表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统 Download PDF

Info

Publication number
CN102422165A
CN102422165A CN2010800189282A CN201080018928A CN102422165A CN 102422165 A CN102422165 A CN 102422165A CN 2010800189282 A CN2010800189282 A CN 2010800189282A CN 201080018928 A CN201080018928 A CN 201080018928A CN 102422165 A CN102422165 A CN 102422165A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
vehicle
sensor system
optics
aid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2010800189282A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102422165B (zh
Inventor
M.韩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN102422165A publication Critical patent/CN102422165A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102422165B publication Critical patent/CN102422165B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/10—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to vehicle motion
    • B60W40/11—Pitch movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
    • B60T8/172—Determining control parameters used in the regulation, e.g. by calculations involving measured or detected parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/10—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to vehicle motion
    • B60W40/112—Roll movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/10—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to vehicle motion
    • B60W40/114—Yaw movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • G01P21/02—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups of speedometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/366—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light by using diffraction of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2250/00—Monitoring, detecting, estimating vehicle conditions
    • B60T2250/04—Vehicle reference speed; Vehicle body speed

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统。基于激光二极管（优选地是基于VCSEL）的激光成像系统被利用来表征车辆动态。一个或更多激光束被导向道路表面。包括诸如CCD或CMOS摄影机之类的成像矩阵传感器的紧凑成像系统测量各个激光点的位置或分离。可以通过分析激光点位置或分离的改变来表征车辆的负载状态以及车辆的纵摇和横摇角。

Description

表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统
技术领域
本发明总体上涉及对于诸如速度和横摇角之类的车辆动态的测量。更具体来说，本发明涉及对于车辆动态的光学测量。
背景技术
已经知道激光自混合干涉（SMI）可以被用于速度和距离测量，例如参见G. Giuliani、M. Norgia、S. Donati、T. Bosch的“Laser Diode Self-mixing Technique for Sensing Applications（用于感测应用的激光二极管自混合技术）”（Journal of Pure and Applied Optics，6（2002），第283－294页）。此外还知道具有集成光电二极管的垂直空腔表面发射激光器（VCSEL）特别适用于SMI感测应用。但是利用自混合传感器进行速度测量的一个通常的问题在于，传感器关于道路的指向会直接影响测量。随着车辆频繁地改变其关于道路的指向（例如由于弯道中的离心力而引发的车辆主体的倾斜），会引发测量误差。因此，自混合地面速度传感器的绝对测量精度会受到车辆动态的损害，即车辆的横摇和纵摇移动。
发明内容
因此，本发明的一个目的是改进基于光学激光器的车辆动态传感器。该目的是通过独立权利要求的主体内容实现的。本发明的有利实施例和细化在从属权利要求中限定。
根据本发明，利用一种基于激光二极管（优选地是基于VCSEL）的激光成像系统来表征车辆动态。在最简单的情况下，将单个激光束（优选地是多个激光束）指向参考表面，即相应的道路表面。包括诸如CCD或CMOS摄影机之类的成像矩阵传感器的紧凑成像系统测量各个激光点的位置、分离或距离。可以通过分析激光点位置或分离的改变来表征车辆的负载状态以及车辆的纵摇和横摇角。
与激光自混合地面速度传感器相组合，根据本发明的多光束激光点成像系统可以显著提高车辆的地面速度测量的绝对精度。从激光成像系统导出的纵摇和横摇角可以被实施在旋转矩阵中，以便校正地面速度测量的系统性误差。
与激光自混合地面速度传感器相组合，本发明的多点激光成像系统改进了对于车辆的地面速度测量的可靠性。可以通过监测道路上的各个光束点的对比率来连续地分析激光器输出功率、光束聚焦质量、传感器出射窗的污染以及道路表面反射率。反常的改变表明激光器故障、感测光束失焦、传感器出射或入射窗的严重污染或者极低反射率道路的存在。
由于近红外VCSEL的典型波长（例如0.86μm）处在传统CCD或CMOS摄影机的光谱响应范围内，因此优选地采用低成本CCD或CMOS摄影机作为多点激光成像系统的感测组件。
具体来说，提供一种用于检测车辆动态参数的光学车辆激光传感器系统，其包括：
生成至少一个激光束的激光装置，从而使得所述激光束在与激光装置相对放置的参考表面上生成激光点；
包括至少一个矩阵传感器的成像装置，所述至少一个矩阵传感器具有用于将激光点成像到参考表面上的透镜，所述成像装置被设置成使得参考表面上的激光点在该成像装置的视场内是可见的，由此成像装置的光轴（即观看方向）与所述激光束的方向不重合；
用于根据从参考表面反射或散射回的激光束的信号检测光学车辆激光传感器系统相对于参考表面的速度的检测器；
用于在获取自成像装置的图像数据内检测激光点位置并且根据所述点位置计算所述光学车辆激光传感器系统的指向的数据处理装置。
由于成像装置的观看方向或光轴与激光束的方向不重合，因此由摄影机摄取的图像内的激光点位置同时取决于激光装置到参考表面的距离以及激光装置关于参考表面的垂直线的极角。在这方面有利的是在关于观看方向的一定角度下发射激光束。与在空间上分开但是平行于观看方向的激光束相比，光束与观看方向的角度导致作为激光装置的垂直位移的函数的图像中的激光点的更大位移。
如果采用多于一个并且特别是至少三个空间上分开的激光束，则指向确定的灵敏度可以得到显著增强，并且测量中的不定性也可以被消除。
因此，根据本发明的一个优选实施例，激光装置生成三个空间上分开的激光束，从而使得三个激光束在参考表面上产生三个激光点，其中两对点沿着参考表面上的两个不同侧向方向分开。
具体来说，可以确定各激光点之间的侧向距离，并且可以基于侧向距离计算光学车辆激光传感器系统关于参考表面的指向。
激光点沿着两个不重合方向的空间分离允许测量各个点沿着这些方向的相互距离的改变，从而提供关于任意方向上的倾斜的信息。
在例如轿车、摩托车、卡车或公共汽车之类的道路车辆的情况下，道路表面可以有利地被用作参考表面。由数据处理装置确定的指向可以包括其上安装有传感器系统的车辆的横摇角和纵摇角。横摇角是车辆围绕前向或首向方向的旋转角度。纵摇角是围绕垂直于驾驶方向并且平行于参考表面或道路表面的轴的旋转角度。
没有必要以度数形式计算这些角度。相反，可以计算代表这些角度的数字。相应地，取代角度，可以由数据处理装置确定与之等效的参数。优选的是，所有这些角度或等效参数分别都被确定来提供关于车辆动态的详细信息。此外还可以确定偏离角（其也被称作侧滑角）。该角度是围绕与道路表面（或者相应的参考表面）垂直的轴的旋转角。根据从自混合振荡频率的测量所确定的前向与侧向速度的比较可以导出该角度。
与使用单个激光束的实施例类似，如果至少其中一个激光束关于参考表面法线成一定角度撞击到参考表面上，则各激光点的距离变化可以被有利地增强。因此有利的是三个激光束当中的至少两个是在不同角度下发射的，从而使得这些光束是不平行的。
对于检测关于参考表面的速度来说存在不同的检测原理。举例来说，检测可以是基于行程时间测量。但是优选的是，检测是基于对自混合激光器功率震荡的测量。如果散射或反射回来的激光的一部分沿着光径进入到空腔中，则反射回来的光与空腔中生成的光的相干叠加会导致强度振荡。可以利用多普勒测速来执行采用这种原理的特别精确的测量。
为此目的，单个激光束或者多个激光束当中的至少一个激光束的方向具有沿着速度方向的分量。这可以通过使用其方向包括与参考表面垂直线的一定角度的光束而很容易地实现。于是多普勒效应对于反射激光束引入时变相移。如果速度是恒定的，则该相移导致周期性变化的激光强度。该振荡的频率与速度直接成比例。因此，根据本发明的一项细化，用于检测光学车辆激光传感器系统相对于参考表面的速度的检测器包括用于检测自混合激光强度振荡的检测器和用于确定所述振荡的频率或周期的电路。
可以利用监测光电二极管作为检测器来测量激光强度。此外还可行的是分别测量激光器空腔两端的电压或激光器电流的变化。
光束可以通过分离激光束而生成。但是优选的是使用三个激光二极管，其中的每一个激光二极管对应于一个光束。这对于利用自混合多普勒测速来分离移动的各个分量是特别有利的，这是因为可以对于每一个光束独立地确定自混合振荡。
此外，一种优选的激光二极管类型是垂直空腔表面发射激光二极管（VCSEL）。与边缘发射激光二极管相比，这些类型的激光二极管通常产生具有更好地限定的光束轮廓的光束。此外，VCSEL可以很容易地被生产为单个芯片上的激光二极管阵列，而不会显著增加关于单个激光二极管的生产成本。因此，根据本发明的一项细化，激光装置包括其中具有三个VCSEL台面晶体管的芯片。由于本发明的装置采用多个光束，因此这种VCSEL激光二极管阵列特别适用于激光装置。
此外还有利的是采用近红外发射激光二极管，即在至少800纳米的波长下发射的激光二极管。虽然波长为大约0.86μm的典型的近红外VCSEL激光对于人眼是不可见的，但是其仍然可以很容易地被其光谱响应范围高达1μm的传统CCD和CMOS摄影机检测到。当光束被引导到道路表面上时，即使存在很高的环境光也能很容易以强对比度成像各个激光点。因此，根据本发明的一项细化，激光装置生成波长在800到1000纳米之间的激光束。
与速度传感器（或者相应的用于检测速度的检测器）相组合，可以大大提高车辆的地面速度测量的精度和可靠性。一旦从本发明的多点激光成像系统获知车辆的纵摇和横摇角之后，就可以相应地校正由于车辆动态引发的速度传感器的系统性误差。
因此，根据本发明的一项细化，数据处理装置被设置成计算纵摇角和横摇角，并且基于纵摇角和横摇角来校正由检测器所测量的速度。
可以通过前向与侧向速度的比较来确定偏离角，并且基于所确定的横摇角和纵摇角对其进行校正。
如果激光束包括一定角度，则不仅是所采集图像内的点的绝对位置，其相互距离也会随着激光装置到参考表面的距离而变化。在这种情况下，从而可以由数据处理装置根据各点的分离或相互距离来计算激光装置到参考表面的距离。由于点位置也改变，因此还可以根据激光点的位置确定到道路表面的距离。
此外，通过监测各个VCSEL焦点的对比率的改变可以揭示激光二极管的故障、传感器的出射窗的污染、感测光束失焦以及低反射率道路的存在。
如果光学车辆激光传感器系统包括与第一激光装置侧向偏移的第二或另一个激光装置，则可以进一步可观地提高系统的精度。如果存在特定的前向方向，比如车辆的前向驾驶方向，则在这方面还有利的是各个激光装置沿着该前向方向以及横截该前向方向都间隔开。优选的是对于全部两个激光装置提供分开的图像传感器或摄影机，从而可以把摄影机放置在参考表面附近。激光装置到参考表面的距离的测量是特别灵敏的。正如横摇角和纵摇角的情况那样，各个激光装置到参考表面的距离不同，可以由数据处理装置根据所测量的距离计算这些角度。
一般来说，激光器的强度足以在所记录的图像中提供足够的对比度，以便明确地检测激光点位置。但是通过抑制背景光可以进一步提高对比度。根据一个实施例，透射激光的优选地窄带通滤光器被设置到矩阵传感器的上游，以便阻断背景光。优选的是，滤光器的最大透射被选择成处于激光波长或其附近。
根据另一个替换或附加实施例，激光二极管被操作在脉冲模式（例如方波）下，在时间上同步的成像会进一步提高激光点的对比率。具体来说，提供用于激光装置的脉冲电源以便脉冲发送激光束。将成像装置与脉冲电源同步，从而在一个脉冲期间以及在两个脉冲之间采集图像。为了抑制背景信号，数据处理单元可以简单地将所述图像相减。
附图说明
图1示出了CCD摄影机和CMOS摄影机的光谱响应曲线。
图2示出了道路表面上的激光点的图像。
图3图示出光学车辆激光传感器系统的一个实施例。
图4描绘了具有两个空间上分开的激光装置的另一个实施例。
图5示出了激光束的指向。
图6示出了光学车辆激光传感器系统的另一个实施例。
具体实施方式
根据本发明的用于检测车辆动态参数的光学车辆激光传感器系统是基于生成被引导到道路表面上的三个空间上分开的激光束的激光装置，从而产生道路表面上的三个侧向分开的激光点。具有矩阵传感器的成像装置对激光点进行成像。根据由于多普勒效应引发的自混合激光强度振荡来确定车辆的速度。激光传感器系统还包括数据处理装置，其用于计算所成像的激光点之间的侧向距离，并且确定光学车辆激光传感器系统关于道路表面的指向，或者相应的车辆关于道路的指向。
在800到1000纳米波长之间的红外光谱区段内发射的VCSEL特别优选地作为激光二极管。虽然自混合地面速度传感器的VCSEL光束在这种情况下对人眼不可见，但是仍然可以利用传统CCD或CMOS摄影机很容易地成像，正如在图1中可以看到的那样。点线示出了CMOS传感器的光谱响应，连续线是CCD传感器的光谱响应。如图1中所示，近红外VCSEL的典型波长（例如由垂直虚线所示的0.86μm）同时处在CCD和CMOS传感器的光谱响应范围内。
作为一个示例性实施例假设激光装置的所有VCSEL都以大约0.02的数值孔径聚焦在道路表面上，则道路表面上的VCSEL聚焦半径大约是26μm。来自典型的VCSEL的仅仅1mW的光学功率可以在道路表面上产生4.7MW/m2的功率密度。与此相对，全日晒的最大照射仅仅是1MW/m2。因此，即使存在很高的环境光，VCSEL焦点的亮度也至少比背景的亮度高三个数量级。因此，即使利用低成本CCD或CMOS摄影机也能够以非常高的对比度显现VCSEL焦点，这一点在图2中得到验证，其中示出了利用低成本矩阵摄影机摄取的道路上的三个激光点10、11、12的颜色反转图像。
图3示出了光学车辆激光传感器系统1的第一实施例。激光装置3被安装在车辆上并且高出道路表面2的距离为Z。该激光装置发射出三个侧向分开的激光束30、31、32。所述激光束是不平行地发射的，从而在光束30、31之间以及光束31、32之间都包括一定角度。由于这些角度，如果激光装置关于道路表面2倾斜或者沿着方向Z与之发生垂直位移，则不仅所成像的点位置而且还有其相互距离都会变化。
此外，由于激光束在一定斜角下击中道路表面2，因此因为沿着道路表面的侧向方向上的移动由多普勒效应所引发的相移被引入到反射光中，从而可以对激光二极管的激光强度进行评估，以便提取出自混合振荡并且从中确定车辆速度。
摄影机4被放置在激光束30、31、32附近，从而使得道路表面2上的激光点处在所述摄影机的视场40内。
例如如果车辆围绕其主首向方向或前向方向13倾斜，则光束31与32的点之间的距离ΔY将会改变。围绕该方向的旋转角度被称作横摇角θ。另一方面，车辆主体围绕垂直于方向13并且平行于道路表面2延伸的轴14的倾斜会改动激光束30和31的点的位置和侧向相互距离。围绕该轴14的旋转角度被称作纵摇角。
如果激光装置到道路表面2的距离减小，则所有各点之间的相互距离也将减小，反之亦然。因此，也可以根据激光点之间的相互距离ΔX和ΔY来计算到道路的距离。
在图4中示出了光学车辆激光传感器系统的另一个实施例的配置。根据该实施例，采用第一激光装置3和第二激光装置5，其被侧向偏移地设置在车辆上的两个不同位置处。为每一个激光装置3、5提供单独的摄影机4、6。具体来说，激光装置3和5沿着前向方向13间隔开距离b，并且横截前向方向13沿着轴14间隔开距离a。
激光束30、31与50、51之间的VCSEL焦点分离ΔX与相应的激光装置3、5相对于道路表面2的高度成比例：
Figure 2010800189282100002DEST_PATH_IMAGE002
其中，Z0和ΔX0分别代表VCSEL在静态无负载车辆中的安装高度和道路表面处的对应的VCSEL焦点分离。在有车辆动态存在情况下的实际激光点分离被标记为ΔX’1和ΔX’2。由纵摇/横摇和/或负载引发的激光装置3、5的高度改变被标记为ΔZ1、ΔZ2。考虑底盘高度为15cm（Z0）的典型的4.5m长的车辆，1度的纵摇角可以产生4cm的高度改变ΔZ，其对应于ΔX的26%相对改变。因此，具有少于20000个像素（比如只有10K个像素）的低成本CCD或CMOS摄影机对于许多应用都将是足够的。
如图6中的另一个实施例所示，车辆高度的改变ΔZ还可以从由CMOS或CCD摄影机4捕获的激光点位置导出。
激光束关于道路表面法线成一定斜角撞击到道路表面。这导致激光点12发生与高度偏移ΔZ有关的位置偏移，其可以被表示为下式：
Figure 2010800189282100002DEST_PATH_IMAGE004
在该关系式中，ΔY0代表激光地面速度传感器3与摄影机系统4之间的分离。ΔY表示激光点12与摄影机4的中心光轴41之间的距离。为了简单起见，安装在无负载的静态车辆中的传感器3的激光束被聚焦在道路表面处并且与摄影机4的中心光轴交叉。相应地，可能已经通过监测单个激光束而获得车辆动态参数，前提是如果该激光束还具有x方向上的分量的话。
当然，作为针对其相互距离的相对测量的补充或替换，对于如图3和4中所示的多光束装置还可以应用对于激光点位置偏移的监测。此外，在激光束30与摄影机4的光轴不重合但是平行的情况下甚至也观测到位置偏移。这是由于摄影机的放大倍数与距离有关的事实。
通过如图4中所示的利用两个激光装置3、5的设置，可以从激光装置的不同位置处的VCSEL安装高度的改变（ΔZ）导出车辆的纵摇角（ψ）和横摇角（θ）：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
因此，取代利用惯性或角度传感器来表征车辆动态，多光束激光成像系统提供针对监测车辆的纵摇/横摇移动和负载状况的一种有效的替换方案。具体来说，与激光地面速度传感器相组合，可以显著提高车辆的地面速度和偏离角测量的精度和可靠性，正如下面更加详细地阐述的那样。为了提高地面速度和偏离角测量的精度，数据处理装置如前面所解释的那样计算纵摇角和横摇角，并且随后基于所计算的纵摇角和横摇角来校正由检测器所测量的速度（即速度矢量的数值）。
从例如由集成到每一个VCSEL的光电二极管测量的多普勒频率矢量(f1,f2,f3)导出车辆的地面速度或速度矢量V0=(Vx,Vy,Vz)。频率f1、f2、f3是相应的激光强度的自混合振荡频率。频率f1、f2、f3与速度Vx、Vy、Vz（即速度矢量的笛卡尔分量）的关系由下式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
在该矩阵等式中，角度θ1、θ2、θ3代表关于道路表面的垂直线测量的三个激光束的极角。角度φ1、φ2、φ3代表关于与前向方向13垂直的方向14测量的光束的方位角。在图5中对于其中一个光束（即光束30）示出了这些角度关于前向方向13和方向14的指向。
在存在车辆动态的情况下，可以利用旋转矩阵MR校正所测量的速度矢量V=(Vx,Vy,Vz)，以便根据下面的等式导出真实车辆地面速度V0=(Vx0,Vy0,Vz0)
V0=MR -1V，其中MR是下面的矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
相应地，为了获得经过校正的矢量V0，将所测量的矢量乘以矩阵MR的逆矩阵。在前面的等式中，θ代表横摇角，Ψ代表纵摇角。φ代表激光装置的参考指向（或者相应的其前向方向）与车辆的前向方向之间的角度。该角度例如可能由于激光装置的安装不精确而出现。
可以在校准规程中确定角度φ。具体来说，如果使用多个光束并且可以通过相应的激光二极管的自混合信号获得对于横向或侧向速度的确定，则在车辆径直向前移动的情况下可以从剩余的侧向速度获得角度φ。在这种情况下，可以根据关系式φ=arctan(Vx/Vy)来计算角度φ，其中在没有横向加速度的动态状态下，Vy代表前向速度，Vx代表横向速度。
除了地面速度之外，车辆的主体偏离角是与车辆动态控制有关的另一个关键参数。所测量的（β）与真实的（β0）车辆主体偏离角之间的关系可以由数据处理装置根据下面的等式近似：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
同样地，θ代表横摇角，Ψ代表纵摇角。φ代表激光装置的参考指向（或者相应的其前向方向）与车辆的前向方向之间的角度。Vz0和Vy0代表经过校正的垂直和前向速度。这些速度可以根据前面的矩阵等式来校正。主体偏离角是车辆的实际首向（或前向）方向与其纵轴之间的角度。根据关系式β=arctan(Vx/Vy)与角度φ类似地测量该角度，其中Vy代表前向速度，Vx代表横向速度。与角度φ不同，主体偏离角通常出现在横向加速期间，例如当驾驶过转弯时，而角度φ则由于激光装置与车辆纵轴的失准而出现。因此，根据本发明的一项细化，利用前面的等式校正所测量（例如通过比较前向速度与侧向速度来测量）的主体偏离角。
一旦从多点激光成像系统获知纵摇角和横摇角之后，就可以利用旋转矩阵MR校正SMI地面速度传感器的系统性误差。从而可以大大提高地面速度和偏离角的绝对测量精度。
除了精度提高之外，光学车辆激光传感器系统还可以提高地面速度传感器的可靠性。通过测量每一个VCSEL焦点的亮度或对比率来连续地分析各个VCSEL的输出功率、每一个感测光束的聚焦质量以及道路表面的反射率。
对比率的反常减小可能表明VCSEL故障、感测光束失焦、传感器出射窗的严重污染或者极低反射率道路表面的存在。对于可以被用于车辆稳定性控制并且直接暴露于严苛环境的光学传感器（例如SMI地面速度传感器）来说，针对这样的事件的早期检测是特别有利的。
在无需传统的惯性或角度传感器的情况下，基于VCSEL的多光束激光点成像系统能够测量车辆的横摇角、纵摇角以及负载状态。该系统可以被用于车辆动态控制、头灯自动校平以及高级悬挂系统。特别是与多光束自混合地面速度传感器相组合，可以大大提高车辆的地面速度和偏离角测量的精度和可靠性。

Claims (15)

1. 一种用于检测车辆动态参数的光学车辆激光传感器系统，其包括：
生成至少一个激光束（30）的激光装置（3），从而使得所述激光束（30）在与激光装置（4）相对放置的参考表面（2）上生成激光点（12）；
包括至少一个矩阵传感器的成像装置（4），所述至少一个矩阵传感器具有用于将所述激光点（12）成像到所述参考表面（2）上的透镜，所述成像装置（4）被设置成使得所述参考表面（2）上的所述激光点（12）在所述成像装置（4）的视场（40）内是可见的，由此所述成像装置（4）的光轴（41）与所述激光束（12）的方向不重合；
检测器，其用于根据从所述参考表面（2）反射或散射回的所述激光束（12）的信号检测所述光学车辆激光传感器系统相对于所述参考表面（2）的速度；
数据处理装置，其用于在获取自所述成像装置（4）的图像数据内检测激光点位置并且根据所述点位置计算所述光学车辆激光传感器系统的指向。
2. 根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统，其中，所述激光装置（3）生成三个空间上分开的激光束（30，31，32），从而使得三个激光束（30，31，32）在与激光装置（3）相对放置的参考表面（2）上生成三个激光点（10，11，12），其中两对点（10，11，12）沿着参考表面（2）上的两个不同侧向方向分开。
3. 根据在前权利要求的光学车辆激光传感器系统，其中，所述数据处理装置确定各个激光点（10，11，12）之间的侧向距离，并且基于所述侧向距离确定所述光学车辆激光传感器系统关于所述参考表面（2）的指向。
4. 根据在前权利要求的光学车辆激光传感器系统，其中，数据处理装置根据激光点的位置或者各个激光点（10，11，12）的相互距离计算激光装置（3）到参考表面的距离。
5. 根据权利要求2的光学车辆激光传感器系统，其中，三个激光束（30，31，32）当中的至少两个是在不同角度下发射的。
6. 根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统，其中，用于检测光学车辆激光传感器系统相对于参考表面的速度的检测器包括用于检测自混合激光强度振荡的检测器和用于确定所述振荡的频率或周期的电路。
7. 根据权利要求2的光学车辆激光传感器系统，其中，所述激光装置包括三个激光二极管，其中每一个生成所述三个激光束（30，31，32）的其中之一。
8. 根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统，其中，所述激光装置（3）包括三个垂直空腔表面发射激光二极管。
9. 根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统，其包括与所述激光装置（3）侧向偏移的另一个激光装置（5），其中各个激光装置（3，5）沿着前向方向以及横截所述前向方向都间隔开。
10. 根据在前权利要求的光学车辆激光传感器系统，其中，所述数据处理装置确定所述激光装置（3）和所述另一个激光装置（5）到所述参考表面（2）的距离，并且根据所述距离计算横摇角和纵摇角。
11. 根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统，其中，所述数据处理装置被设置成计算车辆的纵摇角和横摇角，并且基于所述纵摇角和横摇角来校正由所述检测器所测量的速度。
12. 根据在前权利要求的光学车辆激光传感器系统，其中，由所述数据处理装置通过计算V0=MR -1V来校正所述速度，其中V0=(Vx0,Vy0,Vz0)代表经过校正的速度矢量，V=(Vx,Vy,Vz)代表所测量的速度矢量，并且其中MR -1是下面的矩阵的逆矩阵：
其中，θ代表横摇角，Ψ代表纵摇角，并且φ代表所述激光装置的前向方向与车辆的前向方向之间的角度。
13. 根据在前权利要求的光学车辆激光传感器系统，其中，所述数据处理装置根据下面的等式校正所测量的主体偏离角β的数值：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，β0代表经过校正的主体偏离角。
14. 根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统，其还包括用于激光装置（3）的脉冲电源，其中所述成像装置（4）与所述脉冲电源同步，从而在脉冲期间以及在两个脉冲之间采集图像，并且其中所述数据处理单元把在脉冲期间以及在两个脉冲之间采集的所述图像相减。
15. 一种包括根据权利要求1的光学车辆激光传感器系统的车辆。
CN2010800189282A 2009-04-29 2010-04-19 表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统 Active CN102422165B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09159068.7 2009-04-29
EP09159068 2009-04-29
PCT/IB2010/051687 WO2010125492A1 (en) 2009-04-29 2010-04-19 A laser diode based multiple-beam laser spot imaging system for characterization of vehicle dynamics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102422165A true CN102422165A (zh) 2012-04-18
CN102422165B CN102422165B (zh) 2013-05-29

Family

ID=42357895

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010800189282A Active CN102422165B (zh) 2009-04-29 2010-04-19 表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统

Country Status (6)

Country Link
US (2) US9869689B2 (zh)
EP (1) EP2425261B1 (zh)
JP (1) JP5690329B2 (zh)
KR (1) KR101734354B1 (zh)
CN (1) CN102422165B (zh)
WO (1) WO2010125492A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106950399A (zh) * 2017-03-30 2017-07-14 河海大学 大范围表面流场图像测试系统自动标定装置及方法

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2595794C2 (ru) * 2010-11-03 2016-08-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Устройство определения скорости
EP2829951B1 (en) * 2012-03-19 2017-11-01 Murata Manufacturing Co., Ltd. Optical sensor
JP6140463B2 (ja) * 2013-01-31 2017-05-31 本田技研工業株式会社 車速算出装置
US9245916B2 (en) 2013-07-09 2016-01-26 Rememdia LC Optical positioning sensor
SE538987C2 (sv) * 2013-07-18 2017-03-14 Scania Cv Ab Vältvarning i fordon
EP3696494B1 (en) * 2014-12-31 2022-07-06 Rememdia LC Position sensor and corresponding sensing method
US9851196B2 (en) 2015-04-17 2017-12-26 Rememdia LC Sensor
JP6316240B2 (ja) * 2015-06-09 2018-04-25 日本電信電話株式会社 測定装置及び測定方法
EP3551993B1 (en) * 2016-12-09 2024-04-17 TRUMPF Photonic Components GmbH Optical particle sensor module
US10916916B2 (en) 2017-03-23 2021-02-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Vertical cavity surface emitting laser including meta structure reflector and optical device including the vertical cavity surface emitting laser
KR102319348B1 (ko) * 2017-03-23 2021-10-29 삼성전자주식회사 메타 구조 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 포함하는 광학 장치
EP3422147A1 (en) 2017-06-28 2019-01-02 Koninklijke Philips N.V. Display apparatus for computer-mediated reality
EP3588055A1 (en) * 2018-06-21 2020-01-01 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor module with indication of readiness for use
JP7204612B2 (ja) * 2019-08-06 2023-01-16 株式会社東芝 位置姿勢推定装置、位置姿勢推定方法及びプログラム
KR102253156B1 (ko) * 2019-08-23 2021-05-18 김진형 레이저 거리 측정기 및 레이저 거리 측정 방법
CN114234744B (zh) * 2021-12-24 2024-07-02 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种激光引信探测前端的光学参数测试装置及光学参数测试方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07120554A (ja) * 1993-10-25 1995-05-12 Toyota Motor Corp 対地速度センサ
CN101010561A (zh) * 2004-09-02 2007-08-01 罗伯特·博世有限公司 光学测距设备和方法
CN101310189A (zh) * 2005-10-07 2008-11-19 原子能委员会 用于测量物体相对于表面的运动速度的光学设备
WO2009037278A1 (de) * 2007-09-18 2009-03-26 Continental Teves Ag & Co. Ohg Auf die strassenoberfläche gerichtete lasersensoren zum erfassen der bewegung eines fahrzeugs
CN101405565A (zh) * 2006-03-23 2009-04-08 罗伯特·博世有限公司 用于光学测距的装置以及这种装置的运行方法

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3604804A (en) * 1968-12-27 1971-09-14 Gen Electric Noncontacting motion sensor
US4551017A (en) * 1981-03-02 1985-11-05 General Electric Co. Laser doppler velocimeter for measuring torsional vibration
US4470696A (en) * 1981-10-14 1984-09-11 Systems Research Laboratories, Inc. Laser doppler velocimeter
JPS6262908U (zh) 1985-10-09 1987-04-18
JPS62235519A (ja) * 1986-04-07 1987-10-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 高精度距離計測方法
JPS61236969A (ja) 1986-04-07 1986-10-22 Bridgestone Corp 空気ばね用ダイアフラム
JPH0778538B2 (ja) * 1988-02-20 1995-08-23 綜合警備保障株式会社 光ビーム物体検出装置
US5040116A (en) * 1988-09-06 1991-08-13 Transitions Research Corporation Visual navigation and obstacle avoidance structured light system
US5227859A (en) * 1990-12-04 1993-07-13 Grumman Aerospace Corporation Passive coherent radiation detection system
US5164823A (en) * 1990-12-21 1992-11-17 Kaman Aerospace Corporation Imaging lidar system employing multipulse single and multiple gating for single and stacked frames
US5790243A (en) * 1993-09-30 1998-08-04 Herr; William F. Highway profile measuring system
US5745152A (en) * 1994-10-31 1998-04-28 Hewlett Packard Company Multiple beam laser scanner using lasers with different aperture sizes
JP3532644B2 (ja) 1995-02-03 2004-05-31 株式会社モリテックス 測距測長装置
JPH08321984A (ja) * 1995-03-22 1996-12-03 Sony Corp 自動追尾撮像装置
WO1998007012A1 (en) 1996-08-16 1998-02-19 Automated Precision, Inc. Five-axis/six-axis laser measuring system
JPH1098648A (ja) * 1996-09-25 1998-04-14 Nec Corp 固体撮像装置
US6424407B1 (en) * 1998-03-09 2002-07-23 Otm Technologies Ltd. Optical translation measurement
US6254035B1 (en) * 1998-12-10 2001-07-03 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Synchronized docking system
JP2001010474A (ja) * 1999-06-30 2001-01-16 Aisin Seiki Co Ltd 車両の運動制御装置
US8035612B2 (en) * 2002-05-28 2011-10-11 Intellectual Ventures Holding 67 Llc Self-contained interactive video display system
US6631317B2 (en) 2001-10-01 2003-10-07 Ford Global Technologies, Inc. Attitude sensing system for an automotive vehicle
US6643000B2 (en) * 2002-01-17 2003-11-04 Raytheon Company Efficient system and method for measuring target characteristics via a beam of electromagnetic energy
JP2006513399A (ja) * 2002-05-29 2006-04-20 ケント・エル・デインズ レーザ出力の周波数変調を用いて速度を測定するためのシステム及び方法
US7079928B2 (en) * 2002-08-01 2006-07-18 Ford Global Technologies, Llc System and method for determining a wheel departure angle for a rollover control system with respect to road roll rate and loading misalignment
US6860350B2 (en) 2002-12-20 2005-03-01 Motorola, Inc. CMOS camera with integral laser ranging and velocity measurement
JP4337638B2 (ja) * 2003-06-30 2009-09-30 株式会社日立製作所 対地速度計測装置
DE102004033114A1 (de) * 2004-07-08 2006-01-26 Ibeo Automobile Sensor Gmbh Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandsbildsensors
JP4644540B2 (ja) * 2005-06-28 2011-03-02 富士通株式会社 撮像装置
JP2009509131A (ja) * 2005-09-19 2009-03-05 グテホフヌングスヒュッテ ラッドサッツ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 固体の表面形状を非接触で動的に検出する方法
CN101288081B (zh) * 2005-10-11 2010-11-10 福特全球技术公司 车辆横摆稳定系统
US7705972B2 (en) * 2006-06-20 2010-04-27 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Doppler sensor for the derivation of torsional slip, friction and related parameters
US8269191B2 (en) * 2010-11-05 2012-09-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army System and method for measuring depolarization

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07120554A (ja) * 1993-10-25 1995-05-12 Toyota Motor Corp 対地速度センサ
CN101010561A (zh) * 2004-09-02 2007-08-01 罗伯特·博世有限公司 光学测距设备和方法
CN101310189A (zh) * 2005-10-07 2008-11-19 原子能委员会 用于测量物体相对于表面的运动速度的光学设备
CN101405565A (zh) * 2006-03-23 2009-04-08 罗伯特·博世有限公司 用于光学测距的装置以及这种装置的运行方法
WO2009037278A1 (de) * 2007-09-18 2009-03-26 Continental Teves Ag & Co. Ohg Auf die strassenoberfläche gerichtete lasersensoren zum erfassen der bewegung eines fahrzeugs

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106950399A (zh) * 2017-03-30 2017-07-14 河海大学 大范围表面流场图像测试系统自动标定装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9869689B2 (en) 2018-01-16
EP2425261A1 (en) 2012-03-07
WO2010125492A1 (en) 2010-11-04
US20180011123A1 (en) 2018-01-11
US11054434B2 (en) 2021-07-06
KR20120003967A (ko) 2012-01-11
US20120044477A1 (en) 2012-02-23
JP5690329B2 (ja) 2015-03-25
CN102422165B (zh) 2013-05-29
EP2425261B1 (en) 2015-03-25
JP2012525578A (ja) 2012-10-22
KR101734354B1 (ko) 2017-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102422165B (zh) 表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统
US10295659B2 (en) Angle calibration in light detection and ranging system
US11703567B2 (en) Measuring device having scanning functionality and settable receiving ranges of the receiver
US20170261612A1 (en) Optical distance measuring system and light ranging method
US7667598B2 (en) Method and apparatus for detecting presence and range of a target object using a common detector
KR102020037B1 (ko) 하이브리드 라이다 스캐너
US7495746B2 (en) Optical method and device for measuring a distance from an obstacle
US11252359B1 (en) Image compensation for sensor array having bad pixels
US11789128B2 (en) Fiber-based transmitter and receiver channels of light detection and ranging systems
CN106949854A (zh) 一种激光视觉传感器及其检测方法
CN115047471B (zh) 确定激光雷达点云分层的方法、装置、设备及存储介质
EP3460772B1 (en) Monitoring system setting method, and monitoring system
KR20190071998A (ko) 차량용 라이다 장치
US11747449B2 (en) Scanning unit of an optical transmission and receiving device of an optical detection apparatus of a vehicle
US20220260717A1 (en) Determining a pitch angle position of an active optical sensor system
Kawazoe et al. Development of receiver optics for simplified 3D laser scanner composition
English et al. The complementary nature of triangulation and ladar technologies
US20230194685A1 (en) Active/passive pixel current injection and bias testing
US20230305159A1 (en) Apparatus for testing lidar modules and test method
WO2023183631A1 (en) Real-time monitoring dc offset of adc data of lidar system
CN118318182A (zh) 用于操作激光雷达系统的方法、激光雷达系统和包括至少一个激光雷达系统的车辆
Kawazoe et al. Journal of Vibration Testing and System Dynamics
WO2024132463A1 (en) Device and method to detect refractive objects

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Eindhoven, Netherlands

Patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.

Address before: Eindhoven, Netherlands

Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V.

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20200701

Address after: Ulm

Patentee after: Tongkuai optoelectronic device Co.,Ltd.

Address before: Eindhoven, Netherlands

Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.