CN106125065B

CN106125065B - 具有可控视野的阵列激光雷达

Info

Publication number: CN106125065B
Application number: CN201610299816.8A
Authority: CN
Inventors: R.Y.贾兹特; A.利普森; K.J.谢姆
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2020-07-21
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: US10295671B2; CN106125065A; DE102016108422A1; US20160327636A1

Abstract

本发明涉及具有可控视野的阵列激光雷达。公开了一种平台上的阵列激光雷达系统和一种操作平台上的阵列激光雷达系统的方法，所述系统包括发射通过透镜的成阵列的多个照明器，所述方法包括建立所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置以限定所述阵列激光雷达系统的初始视野。该方法还包括将所述初始视野可控地改变成第二视野。

Description

具有可控视野的阵列激光雷达

相关申请的交叉引用

本申请是于2015年5月7日提交的美国临时专利申请No. 62/158,288的非临时专利申请，其公开的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本主题发明涉及具有可控视野的阵列激光雷达。

背景技术

激光雷达（其可以被称为光雷达或者激光阵列光探测和测距）通常指的是将光发射到目标并且接收和处理产生的反射。照明器（例如，激光器、发光二极管（LEDs））的阵列可以用在阵列激光雷达系统中，以获得来自相比于用单个照明器可能获得的视野更加宽广的视野的反射。总体地，阵列激光雷达系统的照明器以静态布置放置并且透镜被用于将来自照明器的光束传播遍及整个视野。在许多应用中，对视野的调节可以是有利的。因此，希望提供一种具有可控视野的阵列激光雷达系统。

发明内容

根据示例性实施例，一种操作平台上的阵列激光雷达系统（包括发射通过透镜的成阵列的多个照明器）的方法包括：建立所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置，以限定所述阵列激光雷达系统的初始视野；以及将所述初始视野可控地改变成第二视野。

根据另一个示例性实施例，平台上的阵列激光雷达系统包括：多个照明器，其被布置成阵列并且被构造成发射通过透镜，所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置限定所述阵列激光雷达系统的初始视野；以及处理系统，其被构造成将初始视野改变成第二视野。

当结合附图时，从本发明的下述具体描述中将容易地显而易见到本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点。

本申请还公开了以下技术方案：

方案1. 一种操作平台上的阵列激光雷达系统的方法，所述系统包括发射通过透镜的成阵列的多个照明器，所述方法包括：

建立所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置，以限定所述阵列激光雷达系统的初始视野；以及

将所述初始视野可控地改变成第二视野。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，可控地改变所述初始视野包括改变所述阵列内所述多个照明器彼此之间的所述初始布置。

方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括改变所述透镜的位置或形状。

方案4. 根据方案1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括改变所述阵列的位置。

方案5. 根据方案1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括控制施加至所述阵列或所述透镜的线性致动器或压电支撑结构的电流。

方案6. 根据方案1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括控制所述阵列或所述透镜的柔性支撑结构的温度。

方案7. 根据方案1所述的方法，还包括接收来自辅助传感器的信息，其中所述可控地改变所述初始视野是基于所述信息。

方案8. 根据方案1所述的方法，还包括处理来自所述初始视野的来自所述多个照明器的反射，其中所述可控地改变所述初始视野是基于所述处理的结果。

方案9. 一种平台上的阵列激光雷达系统，包括：

多个照明器，其被布置成阵列并且被构造成发射通过透镜，所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置限定所述阵列激光雷达系统的初始视野；以及

处理系统，其被构造成将所述初始视野改变成第二视野。

方案10. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统通过改变所述阵列内所述多个照明器彼此之间的所述初始布置来改变所述初始视野。

方案11. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统通过改变所述透镜的位置或形状来改变所述初始视野。

方案12. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统通过改变所述阵列的位置来改变所述初始视野。

方案13. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统接收来自辅助传感器的信息并且基于所述信息改变所述初始视野。

方案14. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统处理产生于所述多个照明器在所述初始视野中发射的反射并且基于所述处理的结果改变所述初始视野。

方案15. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统通过控制施加于所述阵列或所述透镜的线性致动器或压电支撑结构的电流来改变所述初始视野。

方案16. 根据方案9所述的系统，其中，所述处理系统通过控制所述阵列或所述透镜的柔性支撑结构的温度来改变所述初始视野。

方案17. 根据方案9所述的系统，其中，所述平台是车辆。

附图说明

其他特征、优点和细节仅以示例的方式显示于实施例的下述详细描述中，所述详细描述参考附图，附图中：

图1是根据实施例的示例性阵列激光雷达系统的框图；

图2示出根据示例性实施例的阵列激光雷达相对于透镜的位置变化；

图3示出在示例性车辆应用中根据实施例的阵列激光雷达相对于透镜的不同布置；

图4示出根据示例性实施例的阵列激光雷达的激光器之间的距离变化；

图5示出在示例性车辆应用中根据实施例的阵列激光雷达间距的不同布置；

图6示出根据示例性实施例的透镜的不同布置；以及

图7示出根据实施例的通过控制阵列激光雷达或透镜的布置来控制视野的示例性机制。

具体实施方式

如上文所述，激光雷达系统用于探测和测距。激光雷达系统在诸如滑坡调查、考古学、油气勘探、气象学和机动车辆应用中的导航（例如，障碍物探测）的领域中具有多种多样的应用。如上文所述，常规阵列激光雷达系统包括照明器的静态布置。用于将从照明器发射的光传播遍及整个视野的透镜是不变的。因此，虽然视界可以由于整个阵列激光雷达系统运动（例如，当阵列激光雷达系统处于车辆中时）而改变，但是与视界（视野）相关联的尺寸保持固定。本文详细描述的系统和方法的实施例涉及控制阵列激光雷达系统的视野，使得视野是可变的。可以控制照明器彼此之间的布置、它们相对于透镜的布置和透镜本身以控制视野。控制可以例如基于来自辅助传感器的信息。在车辆中的阵列激光雷达系统的示例性情况中，视野控制可以有助于各种调节，诸如，例如以考虑道路海拔（例如，当驾驶上坡或者下坡时）、考虑当围绕曲线驾驶时光束调向（beam steering），以及考虑即使当车辆上仰或下俯（例如，在紧急制动期间）时仍保持激光光束平行于路面。视野的改变可以导致接收反射的接收透镜的对应变化。虽然出于解释性的目的在本文将激光器作为示例性照明器讨论，但是下文的讨论也可以应用于阵列激光雷达系统中所用的任意公知照明器。

图1是根据实施例的示例性阵列激光雷达系统100的框图。阵列激光雷达110指的是成阵列的两个或更多个激光器111的布置，成阵列的布置使得激光器111的发射构成视野135。图1中所示的示例性阵列激光雷达系统110包括每行五个激光器的两行激光器111-a至111-e和111-f至111-j。图示来自阵列激光雷达110的发射的透视俯视图示出了一行激光器111产生的五条激光光束126。图1中示出的示例性阵列激光雷达系统100包括半透性镜115，其使来自阵列激光雷达110的每个激光器111的光集中通过透镜125。透镜125使由每个激光器111发射的激光光束分散遍及视野135。光学探测器阵列120接收由阵列激光雷达110的发射产生的反射127。控制器或者处理系统130可以包括一个或多个处理器131和一个或多个存储器装置132以及其他的公知部件，以便控制阵列激光雷达110的激光器111中的每一个的发射以及由光学探测器阵列120对所接收到的反射的处理。在替代性实施例中，对所接收到的反射的处理可以由与控制阵列激光雷达110的处理系统130通信的另一处理系统执行。如图1所示，阵列激光雷达110可以被用于沿方位角（azimuth）112和仰角（elevation）113二者扫描视野135。进一步地，每个激光器111给出视野135中的一个目标范围。因此，阵列激光雷达110提供三维图像，其中由激光器111的每个脉冲放射产生的每个反射均可以被看作图像中的一个像素。本文详细描述的实施例涉及控制阵列激光雷达110或者透镜125以控制对视野135的扫描（每个图像中获得的像素）。参考图2-6讨论视野135的示例性变化，并且参考图7讨论控制视野135的示例性机制。

图2示出根据示例性实施例的阵列激光雷达110相对于透镜125的位置的变化。根据布置210，阵列激光雷达110在透镜125上居中（即，阵列激光雷达110的中心激光器111-c和111-h（如图1具体所示）发射通过透镜125的中心）。因此，通过透镜125的激光光束126相对于透镜125居中，如图2中左侧所示。根据布置220，阵列激光雷达110相对于透镜125移位使得阵列激光雷达110的一端上的激光器111-e和111-j（如图1具体所示）发射通过透镜125的中心。因此，穿过透镜125的激光光束126集中在一侧，如图2中右侧所示。即，基于图1中所示的示例性激光雷达阵列110，根据布置220，激光器111-e和111-j发射通过透镜125的中心。如箭头201所指示的，阵列激光雷达110和透镜125之间的相对位置变化可以通过使阵列激光雷达110的位置移动来实现。根据替代性实施例，如箭头202所指示的，阵列激光雷达110和透镜125之间的相对位置变化可以额外地或替代性地通过使透镜125的位置移动来实现。

图3示出在示例性车辆310中，根据实施例，阵列激光雷达110相对于透镜125的两种不同构造320、330。术语布置和构造二者在本文中被用于指代激光器111之间的间距和激光器111与透镜125的相对对齐。阵列激光雷达系统100可以例如是车辆310的防碰撞系统的一部分。示例车辆310包括具有相关联的透镜125的两个阵列激光雷达110。阵列激光雷达系统100的其他部件（例如，光学探测器阵列120、处理系统130）可以是对于两个阵列激光雷达110共用的或者可以是单独用于每个阵列激光雷达110的。根据构造320，阵列激光雷达110探测在车辆310正前方的目标，如图3左侧所示。这种构造类似于布置210（图2），例如当车辆310正在高速公路上行驶时，这种构造可以是优选的。这是因为车辆310的更高速度或者其他因素（诸如护栏或者减少物体从车辆310的侧面接近的可能性的其他障碍物）表明防碰撞应该关注车辆310的正前方。根据构造330，阵列激光雷达110探测车辆310的每一侧上的目标，如图3右侧所示。这种构造330涉及每个阵列激光雷达110的移位（类似于布置220（图2）），但所述移位沿相对方向。即，根据图1中所示的示例性阵列激光雷达110，使阵列激光雷达110中的一个移位（或者使对应的透镜125移位），使得激光器111-a和111-f发射通过透镜125的中心（该阵列激光雷达110在图3右侧的顶部处示出），并且使阵列激光雷达110中的另一个移位，使得激光器111-e和111-j发射通过透镜125的中心（该阵列激光雷达110在图3右侧的底部处示出）。当车辆310在物体（例如，其他汽车、动物）可以从侧面接近的城市或乡村环境中行驶时，这种构造330是可以优选的。

可以确定使用构造320、330中的哪种的条件可以包括车辆速度或者速度一致性（即，在指定时间中将速度维持在指定范围内）。这样的条件可以例如由车辆310控制器探测并且对阵列激光雷达系统100的处理系统130指示。虽然图3仅示出阵列激光雷达110的两种示例性构造320、330，但是也可以想到移位和附加阵列激光雷达110的其他组合。例如，在一些条件下，可以使在图3中针对车辆310示出的两个阵列激光雷达110移位，以集中在车辆310的同侧上，而不是使每个阵列激光雷达110移位以集中在车辆310的相对侧上，如针对构造330所示的那样。即，可以使两个阵列激光雷达110如图2所示那样移位。优选这种移位的一种示例性条件是在泊车期间，使得车辆310所接近的路缘可以是两个阵列激光雷达110的焦点。另一示例性条件是当在道路的一侧上探测到危险时。可以由车辆310的阵列激光雷达110中的一个或者由车辆的另一传感器（例如，雷达、摄像机）探测危险。可以使两个阵列激光雷达110移位以集中在车辆310的同一侧上的又一示例性条件是在恶劣天气期间。由于道路的中心不可见，所以阵列激光雷达110可以被用于跟踪道路的一条边缘。

图4示出根据示例性实施例的阵列激光雷达110的激光器111之间的距离的变化。根据布置410，阵列激光雷达110的激光器111被间隔开，使得它们发射穿过大部分透镜125。因此，激光光束126在阵列激光雷达110的前方散开并且散至侧面。根据布置420，阵列激光雷达110的激光器111被狭窄地间隔分开，使得它们发射通过透镜125的狭窄区域。如图4所示，透镜125的这个狭窄区域是透镜125的中央区域。因此，激光光束126集中在阵列激光雷达110前方相对狭窄的视野135中。

图5示出在示例性车辆应用中根据实施例的阵列激光雷达110的间距的不同布置410、420。阵列激光雷达系统100可以例如是车辆510的防碰撞系统的一部分。示例性车辆510包括阵列激光雷达110和阵列激光雷达系统100的其他部件。根据布置410，阵列激光雷达110的激光器111的间距使得产生相对宽广的视野135A。在低速下这种布置可以是优选的。根据布置420，阵列激光雷达110的激光器111的间距使得产生相对狭窄的视野135B。在高速下这种布置可以是优选的。因此，车辆510控制器可以基于车辆510的速度触发阵列激光雷达系统100的处理系统130以改变阵列激光雷达110当中的激光器111的间距。

如上文所讨论的，图2和图4中所示的视野135的示例性变化产生于使阵列激光雷达110移位或者改变阵列激光雷达110的激光器111之间的间距。另外或者替代性地，可以改变透镜125的形状以实现视野135的类似变化。图6示出根据示例性实施例的透镜125的不同构造。使透镜125运动（类似于使阵列激光雷达110运动（例如，如图2所示））是一种补充或代替根据实施例控制阵列激光雷达110的可以改变视野135的方式。根据示出为构造610的一个实施例，可以由处理系统130通过将透镜125布置成类似于变焦透镜，并且多个透镜125在透镜镜筒615内来改变透镜125的视野135。可以使透镜125运动更加靠近在一起或者进一步远离以改变视野135。根据又一些其它实施例，可以改变透镜125的形状。如构造620所示，例如，可以基于由处理系统130控制的机械作用力或电气作用力的施加来改变透镜125的曲率。当透镜125是光流控透镜（optofluidic lens）时，可以基于处理系统130的控制施加电场以改变透镜125的形状。

图7示出根据实施例的通过控制阵列激光雷达110或透镜125的布置来控制视野的示例性机制。上文所讨论的用于改变透镜125的形状的示例性机制是公知的并且不再次重复。可以使整个阵列激光雷达110或透镜125运动（例如，如图2所示）的简单机制是通过使用线性致动器（诸如音圈马达（VCM）710）。如公知的那样，VCM 710包括线圈701，当电经过该线圈701（基于处理系统130的控制）时，该线圈701产生磁场。磁场与永磁体702作用以排斥或者吸引线圈701，从而使线圈701沿着轴线运动。附接到线圈701的弹簧703有助于在电力停止在线圈701中流动之后将线圈701带回其静止位置。因为VCM 710是公知装置，所以在图7中仅大体示出VCM 710。图7中所示的布置不反映例如线圈701可以与阵列激光雷达110或透镜125联接以及永磁体702不与线圈701封装在一起，而是代替地被定位成沿轴线指向线圈701并且因此阵列激光雷达110或透镜125。可以使用两个或更多个VCM 710来单独地控制阵列激光雷达110内激光器111的位置。上文参考VCM 710描述的线性致动可以代替地由微机电系统（MEMS）720实现。MEMS 720具有与针对VCM 710所描述的类似的操作和复原，但是使用静电电荷而不是电磁，并且因此相比于VCM 710使用更少的功率。在替代实施例中，可以在阵列激光雷达110的激光器111或激光器111的子集上使用两个或更多个MEMS 720。由于MEMS 720具有更小的大小，所以各个激光器111可以由相应的MEMS 720更容易地致动以例如如图4所示改变它们之间的间距。

基于锆钛酸铅（PZT）的压电致动器730也可以被用于基于施加的电流生成机械应力。可以存在两个或者更多个压电致动器730，比如MEMS 720，使得可以使整个阵列激光雷达110或者透镜125移位（例如，如图2所示）或者可以使单个激光器111移位（例如，如图4所示）。压电致动器730可以是阵列激光雷达110和/或透镜125的支撑结构的一部分。这样，通过控制压电致动器730实现的机械应力不仅可以使部件运动，还可以压缩部件之间的间距（例如，如图4所示）。用于通过控制阵列激光雷达110内的激光器111的相对放置或者阵列激光雷达110与透镜125的相对放置来控制视野135的又一示例性机制是通过形状记忆合金（SMAs）740。可以通过热的施加使SMAs 740变形（温度上升到阈值水平之上）并且当温度下降到阈值之下时SMAs 740返回其原始形状。示例性SMAs 740可以是铜基或镍钛（NiTi）基的。因为SMAs 740的形状改变，所以阵列激光雷达110或者透镜125可以置于SMA基的支撑件（柔性结构）上或者单个激光器111可以置于SMAs 740上。阵列激光雷达110和透镜125两者均可以置于SMA 740的柔性支撑件上，使得热的施加改变柔性支撑件的形状，并且因此改变阵列激光雷达110和透镜125的相对位置。替代性地，基于经由处理系统130的温度控制，可以控制SMAs 740的形状以及因此激光器111或阵列激光雷达110的位置。如参考VCM 710所述的那样，图7并非示出具体布置或构造（例如，阵列激光雷达110或者透镜125置于SMA 740上），而是大体示出阵列激光雷达系统100的部件之间的联接，因为SMAs 740是公知的。虽然VCM 710、MEMS 720、压电致动器730和SMAs 740是实现根据本文所讨论的实施例的控制的示例性机制，但是这些示例不旨在是限制性的。可以利用任意公知的致动器和线性引导机构（例如，手机摄像机中使用的超薄自动对焦模块）来实现本文所讨论的控制。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，在不背离本发明的范围的情况下可以做出各种修改并且其元件可以被等价物替代。此外，在不背离本发明的实质范围的情况下可以做出许多修改以使本发明的教导适应于具体情形或材料。因此，目的在于本发明不限制于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落入本应用的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种操作平台上的阵列激光雷达系统的方法，所述系统包括发射通过单个透镜的成阵列的多个照明器，所述方法包括：

建立所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置，以限定所述阵列激光雷达系统的初始视野，其中，由半透性镜使来自所述阵列激光雷达的每个照明器的光集中通过所述透镜；以及

将所述初始视野可控地改变成第二视野，其中，可控地改变所述初始视野包括改变所述阵列内所述多个照明器彼此之间的所述初始布置，并且改变所述多个照明器彼此之间的初始布置包括改变所述多个照明器之间的间距，改变所述多个照明器之间的间距包括将电流施加到一个或多个压电致动器，所述压电致动器是所述多个照明器的支持结构的一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括改变所述透镜的位置或形状。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括改变所述阵列的位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括控制施加至所述阵列或所述透镜的线性致动器或压电支撑结构的电流。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可控地改变所述初始视野包括控制所述阵列或所述透镜的柔性支撑结构的温度。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括接收来自辅助传感器的信息，其中所述可控地改变所述初始视野是基于所述信息。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括处理来自所述初始视野的来自所述多个照明器的反射，其中所述可控地改变所述初始视野是基于所述处理的结果。

8.一种平台上的阵列激光雷达系统，包括：

多个照明器，其被布置成阵列并且被构造成由半透性镜使来自所述阵列激光雷达的每个照明器发射的光集中通过单个透镜，所述多个照明器彼此之间的初始布置以及所述多个照明器相对于所述透镜的初始布置限定所述阵列激光雷达系统的初始视野；以及

处理系统，其被构造成将所述初始视野改变成第二视野；

其中，所述处理系统通过改变所述阵列内所述多个照明器彼此之间的所述初始布置来改变所述初始视野，并且改变所述多个照明器彼此之间的初始布置包括改变所述多个照明器之间的间距，改变所述多个照明器之间的间距包括将电流施加到一个或多个压电致动器，所述压电致动器是所述多个照明器的支持结构的一部分。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理系统通过改变所述透镜的位置或形状来改变所述初始视野。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理系统通过改变所述阵列的位置来改变所述初始视野。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理系统接收来自辅助传感器的信息并且基于所述信息改变所述初始视野。

12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理系统处理产生于所述多个照明器在所述初始视野中发射的反射并且基于所述处理的结果改变所述初始视野。

13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理系统通过控制施加于所述阵列或所述透镜的线性致动器或压电支撑结构的电流来改变所述初始视野。

14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理系统通过控制所述阵列或所述透镜的柔性支撑结构的温度来改变所述初始视野。

15.根据权利要求8所述的系统，其中，所述平台是车辆。