CN108226937A - 用于检测物体的激光雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测在采样空间内的物体的激光雷达传感器和用于操控激光雷达传感器的方法，其中，所述激光雷达传感器包括至少一个采样单元、至少一个折射元件和至少一个探测器元件。所述采样单元具有至少一个可运动构件、至少一个磁通道和至少一个导向元件。可运动构件布置在磁通道内并能够沿着导向元件运动。能够借助线性驱动装置控制可运动构件的运动。此外，在可运动构件上布置有折射元件。折射元件和探测器元件这样互相定位，使得折射元件的面向采样空间并且探测器元件背离采样空间。

Description

用于检测物体的激光雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种激光雷达传感器和用于操控激光雷达传感器的方法，所述激光雷达传感器用于检测在采样空间内的物体。
背景技术
由现有技术已知一种传感器装置，所述传感器装置使得能够检测例如车辆的环境中的采样空间内的物体。例如，激光雷达传感器(LIDAR、Light Detection And Ranging)属于这种传感器装置。由光源发射光。接着，在采样空间中的物体上反射的或者散射的光被接收单元接收。
由DE4403297已知一种用于偏转光束的设备，优选地是用于偏转激光束的设备，具有在能够驱动的旋转体上布置的镜面。该旋转体由单晶材料制成。所述镜面由晶体平面构成并且旋转对称地布置。
发明内容
本发明从用于检测在采样空间内的物体的激光雷达传感器出发，所述激光雷达传感器具有至少一个采样单元、至少一个折射元件和至少一个探测器元件，所述探测器元件用于接收由在采样空间内的物体反射的光。
根据本发明，采样单元具有至少一个可运动构件、至少一个磁通道和至少一个导向元件。可运动构件布置在磁通道内并且能够沿着所述导向元件运动。可运动构件的运动能够借助线性驱动装置来控制。折射元件布置在可运动构件上。折射元件和探测器元件这样互相定位：使得折射元件比探测器元件更靠近采样空间地布置。
折射元件能够是光学透镜。折射元件能够作为接收孔起作用。折射元件能够作为发射孔起作用。
在本发明的一个构型中，为了接收来自三维采样空间的光，探测器元件能够构造为探测器列。探测器元件能够构造为探测器阵列。
线性驱动装置是一种驱动系统，可运动构件能够借助该驱动系统被驱动而运动。在一个实施方式中，该线性驱动装置能够作为线性马达实现。为此，导向元件具有磁体。能够构造导向元件的磁场。此外，可运动构件也具有磁体。能够构造可运动构件的磁场。导向元件的磁体能够作为电磁体实现。可运动构件的磁体能够作为电磁体实现。可运动构件的运动能够由此实现：以电流供给电磁体使其相应地极化。导向元件的磁场和可运动构件的磁场能够总是这样结合：使得可运动构件沿着运动方向被吸引一段距离。导向元件的磁场和可运动构件的磁场能够总是这样结合：使得在使用线性驱动装置用于使磁性构件向前运动的任意时刻，可运动构件被在其后的磁场排斥并且同时被在向前运动方向上位于其前的磁场吸引。如果可运动构件已经到达一个新的位置，这意味着，起吸引作用的磁场对上述可运动构件仅仅仍施加小的力，那么电磁体能够转换极性。可运动构件能够被当前位置排斥并且被下一个位置吸引。因此引起机械构件的连续向前运动。
本发明的优点在于，能够实现机械上牢固的采样单元。线性驱动装置最大程度地无磨损。线性驱动装置具有高的疲劳强度。能够实现不同的运动类型。可运动构件的运动例如能够作为平移、环形平移或旋转来实施。线性驱动装置的轨道曲线能够自由地构型。能够实现简单的光学路径。能够有利地构型激光雷达传感器的结构形式，尤其为了在机动车中应用。能够减小激光雷达传感器的结构体积。此外，折射元件能够通过可运动构件的运动非常精确地定位在磁通道中。折射元件能够接收来自采样空间的几乎每个空间角度的光并且几乎无损失地聚焦到探测器元件上。由此，小的探测器面积能够是足够的。通过折射元件和探测器元件关系到采样空间的预给定的布置，借助于探测器元件减少干扰射束的探测概率，所述干扰射束没有贯穿折射元件。
在本发明的一个有利构型中设置：导向元件构造为磁性支承装置。磁性支承装置具有磁力，该磁力能够实现无材料接触地支承和/或运动。磁性支承装置使得可运动元件能够无材料接触地沿着导向元件运动。
该构型的优点在于，磁性支承装置最大程度地无磨损。仅需要使尽可能小的质量运动。为了使可运动元件运动，对电能的少的需求就足够了。磁性支承装置能足够小地实施，以便能够实现激光雷达传感器的小的结构体积。
在本发明的一个优选构型中，此外，采样单元包括至少一个永磁体。永磁体能够是磁性支承装置的一部分。导向元件的磁体能够作为永磁体实现。可运动构件的磁体能够作为永磁体实现。该构型的优点在于，能够以简单的方式并且好地实现可复制的磁场。
磁通道能够通过在采样单元中存在的磁体的磁场构造。磁通道能够具有电磁体和/或永磁体。
在本发明的另一构型中，可运动构件能够沿着导向元件振动地运动。该构型的优点在于，采样空间能够以简单并且非常好复制的方式被采样。
在本发明的一个优选构型中，可运动构件能够沿着导向元件共振地运动。可运动构件能够这样被操控：使得产生可运动构件的增强的共振。可运动构件能够是如减振那样的简谐振动器。该构型的优点在于，对电能的少的需求就能足够用于可运动元件的运动。
在本发明的另一构型中，导向元件在其外边界上具有磁性弹簧。所述磁性弹簧能够作为永磁体实现。磁性弹簧能够作为电磁体实现。该构型的优点在于，能够防止可运动构件碰撞到导向元件的或磁通道的外边界上。此外，能够使用磁性弹簧用于实现可运动构件的共振。磁性弹簧能够对被减振后的简谐振动器起到回复力的作用。
在本发明的另一构型中，采样单元是半环形的。尤其磁通道和导向元件是半环形的。因此，可运动构件能够在半环形的轨道上运动。该构型的优点在于，能够实现大的激光雷达传感器的视域。该视域能够包括例如直到120°的角度范围。通过半环形的轨道能够在测量期间补偿失真(Verzeichnung)。
在本发明的另一构型中，折射元件由至少一个光学透镜构造。折射元件能够例如由正好一个光学透镜构造。折射元件能够例如由两个光学透镜构造。折射元件能够例如由三个光学透镜构造。折射元件能够例如由四个光学透镜构造。该构型的优点在于，能够实现大的发射和/或接收设备。已更简单地发现，例如单透镜能够是足够的。同样能够使用更复杂的透镜，例如双透镜，三透镜或四透镜。
在本发明的另一构型中，此外，激光雷达传感器包括用于将光发射到采样空间中的光源。该光源优选地构造为激光器。光源能够构造为多个激光器的组合。光源能够是采样单元的一部分。在这种情况下，光源能够定位在可运动构件上。该构型的优点在于，光能够以采样空间的几乎每个空间角度发射。替代地，能够以到采样单元的预给定的间距定位光源。
为了在三维采样空间中发射光，光源能够在一个维度上扩张。替代地，光源也能够构造成激光阵列。
在本发明的一个优选的构型中，可运动构件具有至少一个反射性光学元件。由光源发射的光借助该反射性光学元件偏转到采样空间中。该反射性光学元件能够构造为反射镜。该反射镜能够是平的。该反射镜能够是弯曲的。反射性光学元件能够具有尽可能大的面积。该构型的优点在于，反射性光学元件能够通过可运动构件的运动而非常精确地定位在磁通道中。反射性光学元件能够以采样空间的几乎每个空间角度发射光。能够以大的发射功率发射光。能够实现尽可能小的出射窗口。这对于激光雷达传感器的必要的眼睛安全性是有利的。此外，因此产生尽可能小的清洁面积。
在本发明的另一构型中，激光雷达传感器还包括光学过滤装置。该光学过滤装置布置在采样单元的面向采样空间的侧上。能够以到采样单元预给定的间距定位光学过滤装置。替代地，采样单元能够具有光学过滤装置。磁通道例如能够具有作为在其外侧上的涂层的光学过滤装置。该构型的优点在于，尤其在半环形磁通道中，光以小的光学角度照射到采样单元上。由此能够使用窄带光学过滤装置。能够提高信噪比。
在根据本发明的用于操控(用于检测在采样空间内的物体)激光雷达传感器的方法中，激光雷达传感器具有至少一个采样单元。该方法包括下述步骤：所述步骤用于借助线性驱动装置控制采样单元的可运动构件在磁通道内并且沿着导向元件的运动。
在本方法的一个有利构型中，导向元件构造为磁性支承装置。该方法设置：该磁性支承装置借助支承调节装置来控制。
在本方法的一个有利构型中设置：借助所述支承调节装置确定可运动构件在导向元件上的位置。
附图说明
以下根据附图详细地阐述本发明的实施例。在此示出：
图1A根据导向元件和可运动构件以及尤其磁性支承装置的磁体的一个实施方式的采样单元的横截面；
图1B根据导向元件和可运动构件以及尤其磁性支承装置的磁体的另一实施方式的采样单元的横截面；
图2根据导向元件和可运动构件以及尤其线性驱动装置的磁体的另一实施方式的采样单元的横截面；
图3根据图2的具有线性驱动装置的磁体的采样单元的导向元件的示意性示图；
图4根据导向元件和可运动构件以及尤其线性驱动装置的磁体的另一实施方式的采样单元的横截面；
图5根据图4的具有线性驱动装置的磁体的采样单元的导向元件的示意性示图；
图6A根据一个实施方式的具有采样单元的激光雷达传感器；
图6B根据另一实施方式的具有采样单元的激光雷达传感器；
图6C根据另一实施方式的具有采样单元的激光雷达传感器；
图6D根据另一实施方式的具有采样单元的激光雷达传感器；
图7A根据另一实施方式的采样单元的横截面，所述采样单元具有由两个光学透镜构造的反射元件；
图7B根据另一实施方式的采样单元的横截面，所述采样单元具有由三个光学透镜构造的反射元件；
图7C根据另一实施方式的采样单元的横截面，所述采样单元具有由四个光学透镜构造的反射元件；
图8激光雷达传感器的采样单元的前面的俯视图。
具体实施方式
图1A示例性地示出采样单元100的横截面。该采样单元100具有可运动构件101。可运动构件101处于磁通道102中。在这里，所述可运动构件能够沿着T形的导向元件103运动。重力106在本实施例中将可运动构件101向下拉到导向元件103上。然而，导向元件103通过磁体104构造为磁性支承装置。箭头107标记由于该磁性支承装置而向上指向的磁力。因此总体上得到磁力105，该磁力使可运动构件101近似悬浮地保持在导向元件103上方。磁力105通过在附图中的磁场线来标示。磁力105也使得在侧面上不发生在所述可运动构件101和导向元件103之间的材料接触。由此，可运动构件101能够无材料接触地运动。磁性支承装置的控制能够借助支承调节装置进行。
图1B示例性地示出具有导向元件103和可运动构件101的另一实施方式的采样单元100的横截面。在此，采样单元100具有与图1A的采样单元100相同的元件。导向元件103和可运动构件101的形状与之前所示的实施例不同。由于该原因，磁体104在采样单元内的位置也不同。在该实施例中也形成磁力105，该磁力引起可运动构件101能够近似悬浮地在导向元件103上方并且沿着所述导向元件运动。磁性支承装置的控制能够借助支承调节装置进行。
图2示例性地示出根据另一实施方式的采样单元200的横截面。导向元件103和可运动构件101相比较于到目前所示的实施例分别具有另一形状。此外，图2尤其示出线性驱动装置的磁体。该线性驱动装置作为线性马达实现。为此，导向元件103具有磁体201。在本实施例中，磁体201构造为永磁体。磁体201定位在导向元件103的下部分，即底部处。可运动构件101具有磁体202，用于实现线性驱动装置。在本实施例中，磁体202构造为电磁体并且能够包围磁芯203。所述电磁体构造为线圈。磁体202定位在构件101的底部。由此，采样单元200能够以扁平结构实现。
图3示意性地示出图2的采样单元200的导向元件103，在这里，导向元件103简化地表示为平面。该平面示出导向元件103的下述区域，磁体201处于该区域上。在所示的实施例中，导向元件103直线地构造。导向元件的平面相应地矩形地示出。导向元件103也能够具有其它形状。导向元件103能够例如是半环形的。在这种情况下，所述平面同样能够是半环形的。磁体201能够在半环形导向元件103的情况下这样成型和/或布置：使得所述磁体模仿(nachbilden)导向元件103的形状。以下阐述适用于导向元件103的每个形状。
在本实施例中，磁体201构造为永磁体。预给定数量的磁体201可以说平放地布置在平面上。磁体201这样布置：使得其北极和南极分别沿该平面的垂线相互重叠地布置。例如在这里示出四个磁体201-a、201-b、201-c和201-d。磁体201-a、201-b、201-c和201-d的北极和南极分别沿着运动方向301交替。通过已经所说明的线性驱动装置的、尤其线性马达的工作方式，可运动构件101(为了简化而未示出)能够沿着运动方向301、沿着导向元件并且在采样单元200的磁通道102内运动。可运动构件101在导向元件103上的位置的确定能够借助磁性支承装置的支承调节装置进行。
此外，图3示出磁性弹簧302，导向元件103能够在其外边界上具有所述磁性弹簧。
图4示例性地示出根据另一实施方式的另一采样单元400的横截面。导向元件103和可运动构件101相比较于到目前所示出的实施例分别具有另一形状。此外，图4示出线性驱动装置的磁体。线性驱动装置作为线性马达实现。为此，导向元件103具有磁体201。在本实施例中，磁体201构造为永磁体。磁体201定位在导向元件103的两侧。可运动构件101具有磁体202，用于实现线性驱动装置。在本实施例中，磁体202构造为电磁体。所述电磁体构造为线圈。磁体202定位在可运动构件101的侧面上。由此，采样单元200能够变得非常稳定。
图5示意性地示出图4的采样单元400的导向元件103，导向元件103正好如在图3中那样简化地表示为平面。为了简化，仅在导向元件103的一侧上示出磁体201。在所示出的实施例中，导向元件103直线地构造。导向元件103的平面相应地矩形地示出。导向元件103也能够具有其它形状。导向元件103例如能够是半环形的。在这种情况下，所述平面同样能够是半环形的。磁体201能够在半环形导向元件103的情况下这样成型和/或布置：使得所述磁体模仿导向元件103的形状。以下阐述适用于导向元件103的任何形状。
在本实施例中，磁体201构造为永磁体。预给定数量的磁体201可以说竖立地布置在所述平面上。磁体201这样布置：使得其北极和南极分别平行于该平面并且垂直于运动方向301相互重叠地布置。例如在这里示出四个磁体201-a、201-b、201-c和201-d。磁体201-a、201-b、201-c和201-d的北极和南极分别沿着运动方向301交替。通过已经所说明的线性驱动装置的、尤其线性马达的工作方式，可运动构件101(为了简化而未示出)能够沿着运动方向301、沿着导向元件103并且在采样单元200的磁通道102内运动。可运动构件101在导向元件103上的位置的确定能够借助磁性支承装置的支承调节装置进行。
此外，图5示出磁性弹簧302，导向元件103能够在其外边界上具有所述磁性弹簧。
根据本发明的采样单元的横截面能够相应于在图1A、1B、2或4中所示出的横截面。此外，可运动构件101或导向元件103能够具有另外的、在这里未示出的形状。磁体104、201或202能够定位在采样单元的其它在这里未示出的位置上。因此能够构造另外的在这里未示出的采样单元横截面。
图6A至6D分别示出激光雷达传感器600的一个实施方式。在四个实施例的每一个中，激光雷达传感器600具有采样单元606。采样单元606的磁通道102半环形地构造。可运动构件101能够沿着运动方向301在磁通道102内运动。在可运动构件101上至少布置有折射元件607。在四个实施例的每一个中，激光雷达传感器600具有光源601。该光源601能够构造为激光器。光603借助光源601由激光雷达传感器600发射到通过两个直线605标出的采样空间中。两个直线605张开的角度标出激光雷达传感器在该平面中的视域。在采样空间中的物体上已经反射的光604被激光雷达传感器600接收。接收的光604借助折射元件607聚焦到探测器元件608上。折射元件607相应地比探测器元件608更靠近采样空间605地布置。
在图6A的实施例中，光源601以到采样单元606预给定的间距定位。此外，激光雷达传感器600具有三个反射元件602。所述三个反射元件602中的两个被定位在可运动构件101上。可运动构件101能够沿着运动方向301振动地运动。因此，由光源601发射出的光603能够被反射元件602反射并且发射到采样空间的几乎每个空间角度中。在该实施例中，探测器元件608具有多个单个的探测器元件。例如示出了探测器元件608-a、608-b、608-c和608-d。根据可运动构件101在磁通道102中的位置，接收的光604能够分别地聚焦到探测器元件608-a、608-b、608-c和608-d中的一个上。
在图6B的实施例中，光源601以到采样单元606预给定的间距定位。此外，激光雷达传感器600具有反射元件602。该反射元件602定位在可运动构件101上。反射元件602能够是反射镜。该镜能够平地构造。可运动构件101能够沿着运动方向301振动地运动。因此，由光源601发射出的光603能够被反射元件602反射并且发射到采样空间的几乎每个空间角度中。在该实施例中，探测器元件608具有多个单个的探测器元件。例如示出了探测器元件608-a、608-b、608-c和608-d。根据可运动构件101在磁通道102中的位置，接收的光604能够分别地聚焦到探测器元件608-a、608-b、608-c和608-d中的一个上。
在图6C的实施例中，光源601定位在可运动构件101上。在该实施例中能够弃用反射元件602。可运动构件101能够沿着运动方向300起振地(einschwingend)运动。因此，由光源601发射出的光603能够直接发射到采样空间的几乎每个空间角度中。在该实施例中，探测器元件608具有多个单个的探测器元件。例如示出了探测器元件608-a、608-b、608-c和608-d。根据可运动构件101在磁通道102中的位置，接收的光604能够分别地聚焦到探测器元件608-a、608-b、608-c和608-d中的一个上。
在图6D的实施例中，光源601以到采样单元606的预给定间距定位。此外，激光雷达传感器600具有反射元件602。反射元件602定位在可运动构件101上。反射元件602能够是反射镜。该反射镜能够平地构造。可运动构件101能够沿着运动方向301振动地运动。因此，由光源601发射出的光603能够被反射元件602反射并且发射到采样空间的几乎每个空间角度中。此外，在该实施例中，探测器元件608定位在可运动构件101上。通过可运动构件101的运动也能够改变探测器元件608的位置。由此，激光雷达传感器600仅具有一个探测器元件608就能够是足够的。
图7A至7C分别示出采样单元700的横截面。采样单元700分别具有可运动构件101。可运动构件101处于磁通道102中。可运动构件101能够沿着T形导向元件103运动。
在图7A中的可运动构件101上布置有折射元件607。该折射元件607由两个光学透镜607构造。接收的光604穿过前面702到达采样单元700。接收的光604借助第一折射元件607被聚焦到光圈701上。光圈701能够以有利地方式阻挡干扰射束。接着，借助第二折射元件607将所述光转向到探测器元件608上。有利地，能够由此实现附加的角度增大。
在图7B中的可运动构件101上布置有折射元件607。该折射元件607在此由三个光学透镜607构造。接收的光604穿过前面702到达采样单元700。借助第一折射元件607聚焦接收的光604。接着借助第二反射元件607并且借助第三反射元件607将所述光转向到探测器元件608上。在这里示出的实施例中，小的探测器就能够是足够的。有利地，由此能够实现附加的角度增大。
在图7C中的可运动构件101上布置有折射元件607。该折射元件607在此由四个光学透镜607构造。接收的光604穿过前面702到达采样单元700。接收的光604借助所述四个光学透镜607被转向到探测器元件608上。有利地，由此能够实现附加的角度增大。
图8示出了激光雷达传感器600的采样单元800的前面702的俯视图。采样单元能够具有所示出的形状中的一个。此外，采样单元能够具有另外的、在此未示出的形状。在该实施例中，所述前面702具有光学过滤装置。在该实施例中，该光学过滤装置构造为在前面702上的涂层。

Claims (13)

1.用于检测在采样空间(605)内的物体的激光雷达传感器(600)，所述激光雷达传感器具有至少一个采样单元(100、200、400、606、700、800)、至少一个折射元件(607)和至少一个探测器元件(608)，所述探测器元件用于接收由在所述采样空间(605)内的物体反射的光，其中，
-所述采样单元(100、200、400、606、700、800)具有至少一个可运动构件(101)、至少一个磁通道(102)和至少一个导向元件(103)，并且其中，
-所述可运动构件(101)布置在所述磁通道(102)内并且能够沿着所述导向元件(103)运动，并且其中，
-所述可运动构件(101)的运动能够借助线性驱动装置来控制，并且其中，
-所述折射元件(607)布置在所述可运动构件(101)上，并且其中，此外，
-所述折射元件(607)和所述探测器元件(608)这样相对定位：使得所述折射元件(607)比所述探测器元件(608)更靠近所述采样空间(605)地布置。
2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述导向元件(103)构造为磁性支承装置(104)。
3.根据权利要求2所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述采样单元(100、200、400、606、700、800)还具有至少一个永磁体。
4.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述可运动构件(101)能够沿着所述导向元件(103)振动地运动，尤其共振地运动。
5.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述导向元件(103)在所述导向元件的外边界上具有磁性弹簧(302)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述采样单元(606)是半环形的，其中，尤其所述磁通道(102)和所述导向元件(103)是半环形的。
7.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述折射元件(607)由至少一个光学透镜构造。
8.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述激光雷达传感器(600)还具有用于将光发射到所述采样空间(605)中的光源(601)。
9.根据权利要求8所述的激光雷达传感器(600)，其特征在于，所述可运动构件(101)具有至少一个反射性光学元件(602)，其中，由所述光源(601)发射出的光(603)借助所述反射性光学元件(602)偏转到所述采样空间(605)中。
10.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器(600)，其中，所述激光雷达传感器(600)还具有光学过滤装置，并且其中，所述光学过滤装置布置在所述采样单元(800)的面向所述采样空间的侧(702)上。
11.用于操控激光雷达传感器(600)的方法，所述激光雷达传感器用于检测在采样空间(605)内的物体，其中，所述激光雷达传感器(600)具有至少一个采样单元(100、200、400、606、700、800)，所述方法具有下述步骤：
-借助线性驱动装置控制所述采样单元(100、200、400、606、700)的可运动构件(101)在磁通道(102)内并且沿着导向元件(103)的运动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述导向元件(103)构造为磁性支承装置(104)，此外，所述方法具有下述步骤：
-借助支承调节装置控制所述磁性支承装置(104)。
13.根据权利要求12所述的方法，此外，所述方法具有下述步骤：
-借助所述支承调节装置确定所述可运动构件(101)在所述导向元件(103)上的位置。
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