CN108369095B

CN108369095B - 旋转光雷达

Info

Publication number: CN108369095B
Application number: CN201680046894.5A
Authority: CN
Inventors: R·麦克玛蒂
Original assignee: Aerovironment Inc
Current assignee: Aerovironment Inc
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: AU2016307705B2; US10042042B2; JP6929526B2; AU2021250957A1; EP3308101A4; EP3308101A2; AU2021250957B2; WO2017030638A2; AU2016307705A1; US11092673B2; US20180081036A1; CA3027331A1; CA3027331C; US20190064325A1; US20230366985A1; EP3308101B1; WO2017030638A3; JP2018520371A; CN108369095A; KR20180093865A

Abstract

光雷达系统包括底座、传感器主体和具有轴的电机。电机附连到底座，并且可以驱动传感器主体相对于底座旋转。LED装置和光传感器各自安装在传感器主体上。数据处理装置也安装在传感器主体上，并且被编程为基于传感器数据产生范围信息。轴承载两个滑环。LED、传感器和数据处理装置均经由两个滑环接收电功率。数据处理装置被配置成使用脉冲宽度调制经由两个滑环传输范围信息。

Description

旋转光雷达

技术领域

本发明涉及旋转光雷达系统(用于检测物体并且测量其范围的基于照明的遥感技术)，诸如用于如飞行器或汽车的交通工具。

背景技术

目前的光雷达(lidar)系统通常被认为是激光技术与现有雷达型范围和方向检测系统的组合。因为商业系统的激光器对扫描的个体不提供光学威胁，所以商业系统已用于景观的高空航空360度扫描以及类似的扫描操作。典型的基于激光器的光雷达系统的重要的限制是，它们必须限制直接暴露于个体观测者，以便避免灼烧观测到的个体的视网膜。这些系统在大范围下操作，并且因此几乎不需要感测瞬时变化。业余系统使此技术拓宽到可更局部地实施的危害较小的基于光的传感器系统，但受限于可能限制系统在空间和速度方面的操作的结构约束。

还已知使用除高度集中的激光之外的激光用于光雷达，还已知使用非激光(诸如来自LED的光)来操作光雷达系统。作为高度局部观测系统，因为局部情况下的变化可能为高度活跃的，所以该系统需要为时间极其敏感的，并且需要极其迅速地且在宽的观测范围内检测。

现有系统(诸如基于固定电线或旋转反射镜的系统)限制了光雷达系统的观察的范围，通常在360度旋转上具有盲点和/或限制。此外，过去对克服这些限制的尝试基于电子/机械技术，该电子/机械技术限制了带宽通信和信息的相关数据传送，该信息需要被处理以计算范围和方向信息以获取光雷达系统的全部潜力。

应当理解，需要改进的光雷达系统，该改进的光雷达系统在360度内操作并允许与观测到的个体进行安全交互，并且该改进的光雷达系统还提供高扫描数据速率以提供显著的实时观测。

发明内容

在各种实施例中，本发明解决了上面提及的需求中的一些或全部，提供了光雷达装置，该光雷达装置可以允许与观测到的个体进行安全交互并且还提供高扫描数据速率以使用用于引导的光雷达提供装置的实时操作。

光雷达系统包括底座、传感器主体以及具有定子和转子的电机。转子具有轴，定子可以驱动该轴旋转。电机附连到底座和传感器主体，使得电机可以驱动传感器主体相对于底座旋转。照明装置安装在传感器主体上，并且被配置成发射照明。传感器也安装在传感器主体上，并且被指引用于接收由照明装置发射的并朝传感器反射回的照明。数据处理装置也安装在传感器主体上，并且被编程为基于传感器数据产生范围信息。

有利地，传感器主体上的数据处理装置的存在提供了待解析成相对少量的范围数据的大量的传感器数据。此较小的数据流提供从传感器主体到底座的高数据传输速率，这可以通过结构上有利的机电结构实现。

光雷达系统还以轴上的两个滑环为特征。照明装置、传感器和数据处理装置均经由两个滑环接收电功率。数据处理装置被配置成使用脉冲调制经由两个滑环传输范围信息。有利地，此机电结构使成本、重量和电子或机械故障的风险最小化。

结合以举例的方式说明本发明的原理的附图，从以下优选实施例的详细描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。如下陈述的使人们能够构建并使用本发明的实施例的特定的优选实施例的详细描述，并非旨在限制所枚举的权利要求，而是旨在充当要求保护的本发明的特定示例。

附图说明

图1为体现本发明的光雷达装置的透视图。

图2为图1所描绘的光雷达装置的一部分的剖面正视图。

图3为图1所描绘的光雷达装置的电子系统的示意图。

图4为图1所描绘的光雷达装置的一部分的透视图。

具体实施方式

上面总结的并且由所枚举的权利要求限定的本发明可通过参考以下的详细描述更好地理解，该详细描述应与附图一起进行阅读。下面陈述的使人们能够构建并使用本发明的实施例的本发明的特定的优选实施例的该详细描述，并非旨在限制所枚举的权利要求，而是旨在提供它们的特定示例。此外，不旨在受本申请中存在的任何明示或暗示的理论的束缚。

参考图1，本发明的典型的实施例在于用于安装在将受益于光雷达系统(未示出)的装置(诸如无人驾驶航空交通工具(“UAV”))上的旋转光雷达系统。光雷达系统包括底座101、传感器主体103和电机105。电机具有定子107、转子109和附连到转子的轴111。定子被配置成驱动转子(并且从而驱动轴)旋转。

电机105附连到底座101和传感器主体103，使得电机可以驱动传感器主体相对于底座旋转。更具体地(但不是必须的)，定子107附连到电机壳体113，该电机壳体113进而附连到底座，同时轴111附连到传感器主体。

底座101被配置用于安装到将受益于光雷达系统的装置，例如UAV或汽车。底座包括容纳微控制器控制系统123的底座印刷电路板(“底座PCB”)121，该微控制器控制系统123呈安装在底座PCB上的电子装置125(诸如CPU和存储器)的形式。

传感器主体103包括由偏移且平行安装的一对传感器主体PCB(“SBPCB”)制成的传感器板。该对SB PCB中的第一SB PCB 131承载照明装置133，该照明装置133安装在传感器主体103上并且配置有LED 135(即，发光二极管)以在选定时间发射照明。该对SB PCB中的第二SB PCB 137承载安装在传感器主体上的传感器139，该传感器139被指引用于接收由照明装置发射的并且由受照物体朝传感器反射回的照明。传感器还被配置成基于该反射接收的照明来发射传感器数据。

照明装置133和传感器139被指引成沿垂直于由转子109和轴111的取向限定的转子旋转轴141的感测方向彼此平行。照明装置对其被指引朝向的物体进行照明，并且然后传感器接收由照明装置发射的并且由其被指引朝向的物体朝传感器反射回的反射照明。当电机驱动传感器主体旋转时，贯穿感测方向所穿过的弧生成传感器数据。

传感器主体103还包括安装在传感器主体上的微控制器数据处理装置143，该数据处理装置被编程为将传感器数据减少至相关信息数据，并且更具体地，基于从传感器接收的传感器数据产生范围信息。数据处理装置位于第一SB PCB 131和/或第二SB PCB 137上，并且呈安装在SB PCB上的电子装置151(诸如CPU和存储器)的形式。

控制系统123被编程为控制电机105的操作。更具体地，控制系统适于以各种不同的操作指引电机。在第一操作中，控制系统适于使转子109和轴111(并且从而使传感器主体103的感测方向)在照明装置133和传感器139两者正在操作时以一个旋转方向反复地旋转360度(即，以一个旋转方向全方位360度连续地扫描范围信息)。

在第二动作中，控制系统123适于指引电机105在照明装置133和传感器139两者正在操作时将转子109和轴111的位置固定(并且从而将传感器主体103的感测方向固定)在单个方向上达延长的时间段，以便生成单个感测方向上的范围信息。该操作在将受益于光雷达系统的装置(例如，UVA)将其自身附连在单个位置并观测单个目标的存在或距离时是特别感兴趣的。

在第三操作中，控制系统123适于指引电机105使转子109和轴111(并且从而使传感器主体的感测方向)在照明装置133和传感器139两者正在操作时在小于360度的有限范围内以相反的旋转方向来回旋转。更通常地，在该第三操作中，使转子和轴在小于90度或甚至小于30度的小范围内旋转，诸如以便注意在有限的旋转方向范围中的移动。

控制系统123的第四操作与第三操作相同，区别在于控制系统还适于基于感测的读数来调整有限的运动范围的限度，以便跟踪并跟随感测的物体的范围和方向两者，正如它可以在远超正在扫描的有限的旋转方向范围的旋转方向范围内行进一样。

对于典型的激光装置，由于激光在显著的暴露的情况下可具有的对眼镜的影响，因此有限的运动范围动作(并且特别是将照明装置固定在单个方向上的操作)将使观测到的人类和动物处于显著的光学风险(即，眼睛损伤的风险)下。该优选实施例用LED而不是激光器来操作的事实意味着基本上限制或消除了光学损害观测对象的风险。此外，LED照明在检测玻璃方面比激光器更有效，并且更不太可能被狭窄的裂隙误导。

当然，使用不太聚焦的光(例如，LED)导致有限的操作范围(即，距离)。此观察范围的限度取决于照明装置133和传感器139。优选地，在该实施例中，照明装置为红外LED装置，并且传感器为红外传感器。

为了支持多种类型的系统操作，光雷达系统需要能胜任的旋转检测系统来建立和确认感测的信息的旋转方向，正如电机105反复地改变取向一样。为此，光雷达系统还包括位置传感器系统，该位置传感器系统包括与电机分离的磁体173和与电机分离的磁体转位(index)传感器175。

电机105为通常以2度增量操作的步进电机。数据处理装置143被配置成使用磁体173和磁体转位传感器175确认转子相对于定子的位置。因此，即使步进电机通常被配置成知道其相对于其上一个位置的位置，每次磁体和传感器经过彼此时，磁体和磁体转位传感器调整并确认该信息，以从其提供绝对参考以进行操作。在本实施例中，磁体附连到底座101，并且磁体转位传感器为附连到传感器主体103的霍尔效应(Hall Effect)磁体传感器。

在现有技术系统中，根本缺陷为期望的运动范围与由通信系统暗示的物理约束之间的冲突。例如，已知将所有电气装置(包括照明装置和传感器)放置在静止的平台上，并且然后通过转动反射镜来指引照明。此类装置由于由接线和/或转动结构阻碍视野引起的盲点而具有限制。在照明装置和传感器具有观察障碍的系统中，系统具有显著的限制。

此外，可能需要对具有电子部件(如激光器)的系统的任何旋转部分进行供电和控制。必须将由旋转系统生成的任何信息(例如，感测的传感器数据)回传到非旋转系统。直接接线的转动光学系统由于接线而不能反复地转动360度。使用转动反射镜的光学系统固有地具有盲点，其中来自反射镜控制系统(或发射器/接收器系统)的电线穿过反射镜的视野以便使两个系统通信。

大量的滑环(例如，四个或更多个)即可以用于传送旋转体的任何功率需求，又可以进一步用于传达来自传感器的感测的数据。然而，该类型的系统将导致显著量的故障情况(即，风险因素)。每个滑环不仅增加系统故障的风险，而且还增加系统的成本和复杂性。此外，每个滑环添加了对旋转体的旋转的附加阻力，并且因此影响了系统的准确性。本实施例提供针对该问题的更好的解决方案。

本实施例仅包括两个各自具有两个电刷的滑环161来传送信息和功率两者。照明装置133、传感器139和数据处理装置143经由两个滑环接收电功率。数据处理装置还被配置成使用脉冲调制经由两个滑环传输生成的范围信息。脉冲调制的数据在电力线上的传递会限制在输送全功率时可以传达的带宽。然而，因为由数据处理装置143生成的范围信息需要比从传感器直接传输感测的数据将所需的带宽小的多的带宽，所以仅使用两个滑环是可行的解决方案。因此，系统可以以非常高的范围数据生成速率操作，同时为低功率光雷达系统。

光雷达系统从附接到底座101的功率源201接收功率。来自功率源的功率经由两个滑环161传递到传感器主体103，其中功率被分配在传感器主体上需要它的地方(例如，照明装置133、传感器139和数据处理装置143)。

通过滑环161传递的功率由电机控制系统123调制，以传递供数据处理装置143使用的操作模式信息。经调制的功率信号经由滑环161传递到传感器主体103，其中功率被分配到电源总线179。

经调制的功率信号中的信息在传感器主体电平转换器181中进行转换，并且然后被传递到数据处理装置143，为其提供操作模式信息。数据处理装置控制照明装置133和传感器139的操作，并且从传感器接收传感器数据。数据处理装置还监视磁体转位传感器175以用于位置的信息。数据处理装置计算与传感器主体103的旋转位置对应的范围信息。

然后，数据处理装置143将每个感测方向的范围和位置信息调制成功率信号。在滑环161的另一侧，底座电平转换器183转换信息并且将其传递到控制系统123以用于外部的传播。

因此，滑环允许通过两根电线发送功率和数据。每个滑环的两个电刷增加了链路的可靠性。传感器主体103通过将其拉低来将数据放置在该线上。该编码用于使传感器主体的功率损耗最小化。来自传感器主体的串行数据由IRDA编码器进行编码，并被转化为叠加在输入功率上的窄脉冲。传感器主体103上的二极管211隔离这些脉冲。在底座101上，使用电平晶体管181将这些窄脉冲转化为数字脉冲流，并将其馈送到控制系统123。然后，控制系统将IRDA流转化为UART串行数据，并将分组发送出到需要光雷达装置的装置(例如，UAV)。

在对旋转部件的功率的有效输送与信息的有效输送之间存在折衷。然而，通过对旋转体进行所有范围信息计算，待传输的信息的量大大减少，并且因此对功率传输的影响可以极其有限。

有利地，本发明的特征提供了具有非常高的数据容量的光雷达装置。例如，在每秒超过5个传感器主体103旋转的情况下，可以由重大约35克且需要1.4W的光雷达装置生成并且传输大约每秒1000个数据点。此外，因为传感器主体的旋转可以在传感器主体上的电气装置151上产生连续的气流，所以数据处理装置143可以不需要冷却。因此，本实施例提供了轻量的、廉价的、可靠的、光学安全的且准确的光雷达装置，同时所有这些都在高数据速率下操作。

应当理解，本发明包括用于设计并且用于生产根据本发明的光雷达装置的设备和方法，以及本发明自身的设备和方法。另外，本发明的各种实施例可结合这些特征和/或结合所述的特征的其它系统的各种组合。简而言之，上面公开的特征可以在本发明的预期范围内以各种各样的配置进行组合。

虽然已说明并且描述本发明的特定形式，但显而易见，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，尽管已仅参考优选实施例详细描述了本发明，但是本领域普通技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种修改。因此，本发明并非旨在受由上面的讨论的限制，而是参考随附权利要求进行限定。

Claims

1.一种光雷达系统，所述光雷达系统包括：

底座；

传感器主体；

电机，所述电机具有定子和转子，所述转子具有轴，所述定子能够驱动所述轴旋转，其中所述电机附连到所述底座和所述传感器主体，使得所述电机能够驱动所述传感器主体相对于所述底座旋转以便360度旋转；

在所述底座上的印刷电路板，所述印刷电路板容纳控制所述电机的运转以进行多个不同的感测操作的控制系统；

照明装置，所述照明装置安装在所述传感器主体上并被配置成发射照明；

传感器，所述传感器安装在所述传感器主体上，并且被指引用于接收由所述照明装置发射的并朝所述传感器反射回的照明并基于接收的照明发射传感器数据；以及

数据处理装置，所述数据处理装置安装在所述传感器主体上，所述数据处理装置被编程为产生被传输经过滑环的范围信息，所述范围信息自所述传感器数据大大减少。

2.根据权利要求1所述的光雷达系统，其中在多个所述感测操作中，所述控制系统适于指引所述电机以一个方向反复地转动360度，并且其中所述控制系统还适于指引所述电机在360度以下的有限的运动范围内以相反的方向来回转动。

3.根据权利要求2所述的光雷达系统，其中所述控制系统还适于基于所述范围信息调整所述有限的运动范围的限度，以便跟踪感测的物体。

4.根据权利要求2所述的光雷达系统，其中所述照明装置为红外LED装置，并且其中所述传感器为红外传感器。

5.根据权利要求1所述的光雷达系统，其中在多个所述感测操作中，所述控制系统适于指引所述电机以一个方向反复地转动360度，并且其中所述控制系统还适于指引所述电机在所述照明装置和所述传感器两者正在操作时将所述转子固定在单个方向上达延长的时间段。

6.根据权利要求5所述的光雷达系统，其中所述照明装置为红外LED装置，并且其中所述传感器为红外传感器。

7.根据权利要求1所述的光雷达系统，其中：

所述轴包括两个所述滑环；

所述照明装置、所述传感器和所述数据处理装置经由两个所述滑环接收电功率信号；以及

所述数据处理装置被配置成经由两个所述滑环调制所述功率信号以传输所述范围信息。

8.根据权利要求7所述的光雷达系统，其中所述数据处理装置还被配置成使用脉冲宽度调制和IRDA协议经由两个所述滑环传输所述范围信息。

9.根据权利要求1所述的光雷达系统，并且所述光雷达系统还包括：

磁体，所述磁体与所述电机分离；

磁体转位传感器，所述磁体转位传感器与所述电机分离；以及

控制系统，所述控制系统被配置成控制所述电机的操作；

其中所述电机为步进电机，并且其中所述数据处理装置被配置成使用所述磁体和所述磁体转位传感器确认所述转子相对于所述定子的位置并且计算相应于所述传感器主体相对于所述底座的经确认的位置的范围信息。

10.一种光雷达系统，所述光雷达系统包括：

底座；

传感器主体；

在所述底座上的印刷电路板，所述印刷电路板容纳控制所述电机的运转的控制系统；

传感器，所述传感器安装在所述传感器主体上，并且被指引用于接收由所述照明装置发射的并朝所述传感器反射回的照明；以及

数据处理装置，所述数据处理装置安装在所述传感器主体上，所述数据处理装置被编程为将所述传感器数据减少为相关信息数据；

其中所述轴包括两个滑环；

其中所述照明装置、所述传感器和所述数据处理装置经由所述两个滑环接收电功率信号；以及

其中所述数据处理装置被配置成产生被传输经过滑环的范围信息，所述范围信息自所述传感器数据大大减少，并且所述数据处理装置被配置成经由所述两个滑环调制所述功率信号以传输所述相关信息数据。

11.根据权利要求10所述的光雷达系统，其中所述数据处理装置还被配置成使用脉冲宽度调制经由所述两个滑环传输所述相关信息数据。

12.根据权利要求10所述的光雷达系统，其中所述数据处理装置还被配置成使用脉冲宽度调制和IRDA协议经由所述两个滑环传输所述相关信息数据。

13.根据权利要求10所述的光雷达系统，并且所述光雷达系统还包括被配置成控制所述电机的操作以进行多个不同的感测操作的控制系统，其中在所述多个不同的感测操作中，所述控制系统适于指引所述电机以一个方向反复地转动360度，并且所述控制系统被配置为指引所述电机在360度以下的运动范围内以相反的方向来回转动。

14.根据权利要求13所述的光雷达系统，其中所述控制系统还适于基于所述相关信息数据调整有限的所述运动范围的限度，以便跟踪感测的物体。

15.根据权利要求13所述的光雷达系统，其中所述照明装置为红外LED装置，并且其中所述传感器为红外传感器。

16.根据权利要求10所述的光雷达系统，并且所述光雷达系统还包括被配置成控制所述电机的操作以进行多个不同的感测操作的控制系统，其中在所述多个不同的感测操作中，所述控制系统适于指引所述电机以一个方向反复地转动360度，并且所述控制系统还适于指引所述电机在所述照明装置和所述传感器两者正在操作时将所述转子固定在单个方向上达延长的时间段。

17.根据权利要求16所述的光雷达系统，其中所述照明装置为红外LED装置，并且其中所述传感器为红外传感器。

18.根据权利要求10所述的光雷达系统，并且所述光雷达系统还包括：

磁体，所述磁体与所述电机分离；

控制系统，所述控制系统被配置成控制所述电机的操作；

19.一种光雷达系统，所述光雷达系统包括：

底座；

传感器主体；

电机，所述电机具有定子和转子，所述转子具有轴，所述定子能够驱动所述轴旋转，其中所述电机附连到所述底座和所述传感器主体，使得所述电机能够驱动所述传感器主体相对于所述底座旋转以便360度旋转并且所述轴包括两个滑环；

传感器，所述传感器安装在所述传感器主体上，并且被指引以接收由所述照明装置发射的并朝所述传感器反射回的照明；

数据处理装置，所述数据处理装置安装在所述传感器主体上，并且被配置成根据从所述传感器接收的数据产生大大减少的相关信息数据，其中所述相关信息数据被传输通过所述两个滑环；

控制系统，所述控制系统被配置成控制所述电机的操作；以及

磁体和磁体转位传感器，所述磁体和所述磁体转位传感器各自与所述电机分离，

20.根据权利要求19所述的光雷达系统，所述磁体附连到所述底座，并且其中所述磁体转位传感器为附连到所述传感器主体的霍尔效应磁体传感器。

21.根据权利要求19所述的光雷达系统，并且所述光雷达系统还包括被配置成控制所述电机的操作以进行多个不同的感测操作的控制系统，其中在所述多个不同的感测操作中，所述控制系统适于指引所述电机以一个方向反复地转动360度，并且其中所述控制系统还适于指引所述电机在360度以下的运动范围内以相反的方向来回转动。

22.根据权利要求21所述的光雷达系统，其中所述控制系统还适于基于所述相关信息数据调整有限的所述运动范围的限度，以便跟踪感测的物体。

23.根据权利要求21所述的光雷达系统，其中所述照明装置为红外LED装置，并且其中所述传感器为红外传感器。

24.根据权利要求19所述的光雷达系统，并且所述光雷达系统还包括被配置成控制所述电机的操作以进行多个不同的感测操作的控制系统，其中在所述多个不同的感测操作中，所述控制系统适于指引所述电机以一个方向反复地转动360度，并且其中所述控制系统还适于指引所述电机在所述照明装置和所述传感器两者正在操作时将所述转子固定在单个方向上达延长的时间段。

25.根据权利要求24所述的光雷达系统，其中所述照明装置为红外LED装置，并且其中所述传感器为红外传感器。