CN109631782A

CN109631782A - 用于测量桥梁间隙的系统和方法

Info

Publication number: CN109631782A
Application number: CN201811166432.4A
Authority: CN
Inventors: H·温伯格
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2038-10-08
Also published as: DE102018124538A1; US10229596B1; CN109631782B

Abstract

本公开涉及用于测量桥梁间隙的系统和方法。激光雷达系统可以提供用于测量架空基础设施的间隙，例如桥梁或立交桥。如果可用的间隙小于车辆的高度，激光雷达系统可以警告车辆驾驶员或自动制动车辆。激光雷达系统可以在一定角度范围内朝着目标区域发射光线，其中光线可以具有垂直跨度。然后，激光雷达系统可以接收从目标区域反射或散射的光线，并且可以通过确定光线的往返行程时间来确定光线行进的距离。然后可以使用几何关系确定架空基础设施的间隙。

Description

用于测量桥梁间隙的系统和方法

技术领域

本公开涉及用于测量顶部间隙的系统和方法，例如桥梁间隙。

背景技术

某些基础设施，例如桥梁或立交桥，可以为车辆提供间隙。高于所提供间隙的车辆可以会损坏基础设施。

发明内容

在某些系统中，摄像机或雷达可用于观察车辆周围的特征，例如基础设施(例如，桥梁或立交桥)特征。然而，这样的系统可能缺乏空间分辨率来识别基础设施的间隙，例如当在移动的车辆中使用时。除其他之外，发明人已经认识到需要一种低成本系统，该系统能够准确地检测基础设施间隙并且可以向车辆操作者提供警报，或者如果基础设施间隙小于车辆高度则可以自动制动车辆。

在一方面中，本公开可表征一种用于确定激光雷达系统中的顶置障碍物的间隙的方法。该方法可包括在一定角度范围内朝向目标区域发射来自车辆的光线，该光线可建立垂直角度跨度。该方法还可包括作为回应，从所述目标区域接收光线。该方法还可包括确定从所述车辆到接收的光线可以与所述目标区域相互作用的位置的水平距离。该方法还可包括使用一对接收的光线确定所述顶置障碍物的高度，其中该对的第一射线可以与所述顶置障碍物相互作用，并且该对的第二射线可以与地面特征相互作用，以及所述第一射线和所述第二射线可以对应相同水平距离。该方法还可包括选择可以与所述顶置障碍物相互作用的第一接收的光线。该方法还可包括选择两条接收的光线，其可以与所述顶置障碍物下面的地面特征相互作用，并估计来自可以与所述地面特征相互作用的两条接收的射线的第二接收的光线，其中估计的第二接收的射线和第一接收的射线可以对应于来自所述车辆的相同水平距离。该方法还可包括使用第一和第二接收的光线确定所述顶置障碍物的高度。该方法还可包括在一定角度范围内朝向目标区域同时从车辆发射光线，其中所述光线可以建立垂直角度跨度。该方法还可包括使用一维像素阵列接收光线，其中每个像素可以对应于一定角度范围。该方法还可包括确定从激光雷达系统到地面的距离，然后使用确定的距离以利用可以附接所述车辆的激光雷达系统的高度确定从车辆到其中接收的光线可以与目标区域相互作用的位置的水平距离。该方法还可包括如果确定的顶置障碍物的高度可以小于车辆高度则产生警报。该方法还可包括如果确定的顶置障碍物的高度可以小于车辆高度则自动制动车辆。该方法还可包括确定多对接收的光线的顶置障碍物的高度，其中每一对射线可包括具有相同水平距离的射线。该方法还可包括选择顶置障碍物的最小确定高度作为顶置障碍物的高度。架空基础设施可包括桥梁或立交桥。

在一方面中，本公开可表征一种用于确定车辆的顶置障碍物的间隙的系统。该方法可包括发射器，可以被配置为在一定角度范围内朝向目标区域发射光线，其中所述光线可以建立垂直角度跨度。该方法还可包括接收器，可以被配置为从所述目标区域接收光线。该方法还可包括控制电路，可以被配置为确定从所述车辆到接收的光线可以与所述目标区域相互作用的位置的水平距离，和使用一对接收的光线确定所述顶置障碍物的高度，其中该对的第一射线可以与所述顶置障碍物相互作用，并且该对的第二射线可以与地面特征相互作用，以及所述第一射线和所述第二射线可以具有相同水平距离。控制电路可以被配置为：选择可以与所述顶置障碍物相互作用的第一接收的光线，选择两条接收的光线，其可以与所述顶置障碍物下面的地面特征相互作用，并估计来自可以与所述地面特征相互作用的两条接收的射线的第二接收的光线，其中估计的第二接收的射线和第一接收的射线可以对应于来自所述车辆的相同水平距离；和使用第一和第二接收的光线确定所述顶置障碍物的高度。发射器可以被配置为在一定角度范围内朝向目标区域同时发射光线，其中所述光线可以建立垂直角度跨度。该系统还可包括一维像素阵列，其中每个像素可以对应于接收光的一定角度范围。控制电路可以被配置为使用从所述激光雷达系统到地面的确定的距离来确定从车辆到其中接收的光线可以与目标区域相互作用的位置的水平距离。控制电路可以被配置为如果确定的顶置障碍物的高度可以小于车辆高度则产生警报。控制电路可以被配置为如果确定的顶置障碍物的高度可以小于车辆高度则自动制动车辆。控制电路可以被配置为确定多对接收的光线的顶置障碍物的高度，其中每一对射线可包括具有相同水平距离的射线。控制电路可以被配置为选择顶置障碍物的最小确定高度作为顶置障碍物的高度。

在一方面中，本公开可表征一种用于确定车辆的顶置障碍物的间隙的系统。该系统可包括构件，用于在一定角度范围内朝向目标区域发射来自车辆的光线，其中该光线可以建立垂直角度跨度用于发射光线的构件可包括发射器，例如图1B中所示的发射器115。该系统还可包括构件，用于响应于发射的光线从所述目标区域接收光线。用于接收光线的构件可包括接收器，例如图1B中所示的接收器120。该系统还可包括构件，用于确定从所述车辆到接收的光线可以与所述目标区域相互作用的位置的水平距离，使用一对接收的光线确定所述顶置障碍物的高度，其中该对的第一射线可以与所述顶置障碍物相互作用，并且该对的第二射线可以与地面特征相互作用，以及所述第一射线和所述第二射线可以具有相同水平距离。用于确定水平距离的构件可包括控制电路，例如图1B中所示的控制电路110。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本公开，其中：

图1A示出了车载激光雷达系统的示例。

图1B示出了激光雷达系统的示例。

图1C示出了激光雷达系统的操作的示例。

图2A示出了激光雷达系统的操作的示例。

图2B示出了激光雷达系统中的几何形状的示例。

图2C示出了激光雷达系统的操作的示例。

图3示出了激光雷达系统的操作方法的示例。

具体实施方式

卡车可能导致事故和损坏基础设施，例如与桥梁、立交桥或其他架空基础设施发生碰撞，其中卡车的高度高于可用的间隙。架空基础设施可以存在于高速公路、城市环境或郊区环境中。本发明人已经认识到需要一种低成本的激光雷达系统，其可用于检测架空基础设施的间隙，例如防止车辆和/或架空基础设施的碰撞和损坏。其他系统，例如雷达或基于摄像头的系统可能不适合确定头顶间隙，因为它们可能缺乏必要的视觉分辨率。下面描述的是激光雷达系统，用于测量可用间隙并警告车辆驾驶员或者如果可用间隙小于车辆高度则自动制动车辆。

图1A和1B示出了用于确定基础设施间隙的激光雷达系统的示例，例如用于车辆。激光雷达系统可用于消费、军事、工业或其他应用。激光雷达系统105可包括在车辆107中或安装在车辆107上。激光雷达系统105可包括控制电路110、发射器115和接收器120。控制电路110可以连接到发射器115和接收器120。发射器115可包括一个或多个红外发光二极管或红外激光二极管。在操作期间，控制电路110可以指示发射器115朝向目标130发射光束125。发射器115可以使用单个光脉冲照射视场。在一个示例中，光束125可以跨越关注场转向，例如通过使用电光波导、可移动镜、固定光学器件(例如，分束器)或任何其他类型的有源光学器件。光束可以照射目标130。接收器120然后可以接收可以从目标130反射或散射的光束135的一部分。然后，控制电路110可以确定光束的往返行进时间，例如通过比较光束125朝向目标130发射的时间和接收器120接收光束135的时间。然后可以根据表达式确定到目标130的距离，其中d可以表示从激光雷达系统105到目标130的距离，t可以表示往返旅行时间，并且c可以表示光速。接收器120可以包括像素阵列121，例如可以用于从目标区域接收光束的一部分。在一个示例中，像素阵列(例如，光电二极管)121可以包括一维像素阵列，并且像素阵列中的每个像素可以接收对应于角度或角度范围的光束的一部分(例如，光线)。在另一示例中，像素阵列(例如，光电二极管)121可包括二维像素阵列。

可以期望减少像素阵列121中的多个像素，例如以降低激光雷达系统105的成本和复杂性。架空基础设施如桥梁或立交桥可以包括主要是水平特征，可以与它们下方的地面平行。如本文所解释的，包括水平维度中的单个像素的一维阵列可用于检测这种架空基础设施而不损失性能。在像素阵列121可以是一维像素阵列的示例中，一维像素阵列可以包括12到24个像素。在垂直维度中，视场可以在2到5度的范围内，对应于垂直维度中大约0.2度的分辨率。在示例中，垂直维度中的分辨率可以是1度或更小。在大约100米的距离处，0.2度的角度偏差可以对应于大约14英寸的偏移。在水平尺寸中，视场可以在1.5到3度的范围内。在大约100米的距离处，1度的视野可以对应于1.7米。因此，在1.5至3度范围内的水平尺寸的视场可以跨越车道或其他架空基础设施的宽度。

图1C示出了发送脉冲150和接收脉冲160的示例。可以确定发送脉冲150和接收脉冲160之间的时间差，例如通过比较各个脉冲的前沿。脉冲之间的时间差可以用于确定车辆107和目标130之间的距离。在单个脉冲中发射多个射线的示例中，每个射线可以由像素阵列121中的一个或多个像素接收，并且可以为每个射线确定从车辆107到目标130的距离。可以对接收脉冲160进行采样，然后至少部分地在模拟域中存储和处理。

图2A示出了激光雷达系统的操作的示例，例如激光雷达系统105。激光雷达系统105可以发射光束125。光束可以包括在垂直维度上跨越一系列角度的光线，其中单个光线可以对应于角度或角度范围。在由目标区域反射或散射之后，激光雷达系统105可以接收射线。目标区域可包括架空基础设施205，例如桥梁或立交桥。目标区域还可以包括地面特征210，例如道路。可以针对接收的射线确定从激光雷达系统105到目标区域的距离，例如基于所接收的射线的往返行进时间(例如，通过使用等式)。然后可以使用从接收光线的往返行程时间、接收光线的角度和车辆上的激光雷达系统105的位置确定的距离来确定水平距离(例如，沿水平尺寸的距离)。可以在安装激光雷达系统105期间测量从地面到激光雷达系统105的距离。然后可以使用一对射线确定从地面特征210到架空基础设施205的距离，例如第一射线125a和第二射线125b。第一射线125a可以与架空基础设施205相互作用。第二射线125b可以与地面特征210相互作用并且可以对应于第一射线125a(例如，第二射线125b的水平距离可以与第一射线125a的水平距离相同)。从架空基础设施205到地面特征210的距离可以使用几何关系来确定，例如图2B中所示。从激光雷达系统105到地面的距离可以表示为h₃。可以为每条光线125a和125b确定距离，例如基于往返行程时间(例如，通过使用等式)。θ₁和θ₂可以分别表示光线125a和125b的角度，其中可以基于激光雷达系统105的操作知道光线125a和125的角度(例如，可以以已知角度发射/接收光线)。x可以表示从激光雷达系统105到架空基础设施和地面特征的水平距离。然后可以根据几何关系h1_＝dsinθ₁确定垂直距离(h₁)，然后可以根据几何关系h₂＝dsinθ₂确定垂直距离(h₂)。然后可以确定从架空基础设施210到地面特征的距离，例如通过增加h₁和h₂。然后可以将从架空基础设施205到地面特征210的距离与车辆107的高度进行比较。如果车辆107的高度大于从架空基础设施205到地面特征210的距离，则警报器可以发出警报以警告车辆107的驾驶员或者车辆107可以自动制动以避免与架空基础设施205碰撞。在一个示例中，如果车辆107的高度大于从架空结构205到地面特征210的确定距离，可以在稍后的时间进行距离的后续测量，以在警告车辆107的驾驶员或自动制动车辆之前确认从架空结构205到地面特征210的确定距离。可能没有与地面特征210相互作用的相应射线。例如，射线125c可以与架空基础设施205相互作用，并且可能没有与地面特征210相互作用的光线具有与光线125c相同的水平距离。在这样的示例中，可以使用射线125c和估计的射线确定从地面特征210到架空基础设施205的距离。可以使用具有不同水平距离的射线125c下方的射线来计算估计的射线。例如，光线125b和125d可用于提供具有与第一射线125c相同的水平距离的估计射线(例如，通过使用插值)。然后可以使用估计的射线与射线125c一起确定从地面特征210到架空基础设施205的距离。在一个示例中，激光雷达系统可用于测量50米范围内的顶部间隙，其中激光雷达系统可以包括0.5度的垂直分辨率，并且可以在50厘米内测量精度，并且可以以大约60千米/小时的速度提供大约3秒的警告。为了增加警告时间，可以增加激光雷达系统105的范围。

图2C示出了架空基础设施205可具有随车辆107的水平距离而变化的变化高度的示例。激光雷达系统105可发射包括成对的射线225a和225b、226a和226b和227a和227b的光束，它们在垂直方向上跨越一系列角度。然后可以使用与上面参照图2A和2B描述的相同水平距离相对应的每对光线来确定从地面特征210到架空基础设施205的距离。控制电路110，例如控制电路110，然后可以确定从地面特征210到顶部结构205的距离，例如通过选择为每对光线确定的最小距离。然后，从地面特征210到顶部结构205的确定距离可用于发出警报以警告车辆107的驾驶员，或者车辆107可自动制动以避免与架空基础设施205发生碰撞。

图3示出了操作激光雷达系统的方法，例如图1所示的激光雷达系统105。发射器，例如发射器115可以发射光束，例如照亮目标区域(步骤310)。可以通过接收器，例如接收器120(步骤320)，从目标区域接收光束。接收的光束可以由目标区域反射或散射。控制电路110，例如控制电路110，然后可以确定从架空基础设施接收的射线，例如架空基础设施205(步骤330)。在一个示例中，可以使用从接收光线的往返行程时间、接收光线的角度以及车辆上的激光雷达系统105的位置确定的距离来确定光线的垂直高度。从垂直范围内的垂直高度(例如，垂直高度，从10英尺到25英尺)接收的射线可以被确定为从架空基础设施接收。控制电路110，例如控制电路110，然后可以确定从地面特征(例如地面特征210)接收的射线(步骤340)。控制电路110可以确定从地面特征接收的射线具有与来自架空基础设施的接收射线相同的水平距离。可以根据基于往返行程时间、接收光线的角度以及车辆107上的激光雷达系统105的位置的距离来确定射线的水平距离。在没有从地面特征接收的射线具有与来自架空结构的接收射线相同的水平距离的示例中，控制电路110可以确定估计的射线。可以使用从地面特征210接收的光线来计算估计的光线，例如通过插值。估计的射线可以具有与从架空基础设施205接收的射线相同的水平距离。控制电路110，例如控制电路110，然后可以使用从架空基础设施205接收的射线和从地面特征210接收的射线或具有相同水平距离的估计射线确定垂直间隙(步骤350)。如果确定的垂直间隙小于车辆的高度，则可以发出警报以警告车辆的驾驶员或者车辆可以自动制动，例如以防止车辆与架空基础设施碰撞(步骤360)。

本文描述的每个非限制性方面可以独立存在，或者可以以各种排列组合或与一个或多个其他示例组合。以上详细描述包括对附图的参考，附图形成详细描述的一部分。附图通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。这些示例除了示出或描述的那些之外还可以包括元件。然而，本发明人还设想了仅提供所示出或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑使用所示或所述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例、关于特定示例(或其一个或多个方面)、或关于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。如果本文档与通过引用并入的任何文档之间的使用不一致，则以本文档中的用法为准。

在该文献中，术语“一”或“一个”在专利文献中是常见的，包括一个或多于一个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文件中，术语“或”用于表示非排他性的，例如“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”，除非另有说明表示。在本文中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的等同词。此外，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即除了在权利要求中的这一术语之后列出的元件之外的元件的系统、装置、物品、组合物、配方或工艺仍被认为属于该权利要求的范围内。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不旨在对其对象施加数字要求。

这里描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中描述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。这种代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的一部分。此外，在示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如光盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述后，例如本领域普通技术人员可以使用其他实施例。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，允许读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。而且，在以上详细描述中，各种特征可以组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图无人认领的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。相反，发明主题可能在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求作为示例或实施例被并入到具体实施方式中，其中每个权利要求自身作为单独的实施例，并且可以预期这些实施例可以以各种组合或置换彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

Claims

1.一种用于确定激光雷达系统中的顶置障碍物的间隙的方法，该方法包括：

在一定角度范围内朝向目标区域发射来自车辆的光线，该光线建立垂直角度跨度；

作为回应，从所述目标区域接收光线；

确定从所述车辆到接收的光线与所述目标区域相互作用的位置的水平距离；和

使用一对接收的光线确定所述顶置障碍物的高度，其中该对的第一射线与所述顶置障碍物相互作用，并且该对的第二射线与地面特征相互作用，以及所述第一射线和所述第二射线对应相同水平距离。

2.权利要求1所述的方法，包括：

选择与所述顶置障碍物相互作用的第一接收的光线；

选择两条接收的光线，其与所述顶置障碍物下面的地面特征相互作用，并估计来自与所述地面特征相互作用的两条接收的射线的第二接收的光线，估计的第二接收的射线和第一接收的射线对应于来自所述车辆的相同水平距离；和

使用第一和第二接收的光线确定所述顶置障碍物的高度。

3.权利要求1所述的方法，包括在一定角度范围内朝向目标区域同时从车辆发射光线，所述光线建立垂直角度跨度。

4.权利要求3所述的方法，包括使用一维像素阵列接收光线，其中每个像素对应于一定角度范围。

5.权利要求1所述的方法，包括确定从激光雷达系统到地面的距离，然后使用确定的距离以利用附接所述车辆的激光雷达系统的高度确定从车辆到其中接收的光线与目标区域相互作用的位置的水平距离。

6.权利要求1所述的方法，包括如果确定的顶置障碍物的高度小于车辆高度则产生警报。

7.权利要求1所述的方法，包括如果确定的顶置障碍物的高度小于车辆高度则自动制动车辆。

8.权利要求1所述的方法，包括确定多对接收的光线的顶置障碍物的高度，其中每一对射线包括具有相同水平距离的射线。

9.权利要求8所述的方法，包括选择顶置障碍物的最小确定高度作为顶置障碍物的高度。

10.权利要求1所述的方法，其中架空基础设施包括桥梁或立交桥。

11.一种用于确定车辆的顶置障碍物的间隙的系统，该方法包括：

发射器，被配置为在一定角度范围内朝向目标区域发射光线，所述光线建立垂直角度跨度；

接收器，被配置为从所述目标区域接收光线；和

控制电路，被配置为：

使用一对接收的光线确定所述顶置障碍物的高度，其中该对的第一射线与所述顶置障碍物相互作用，并且该对的第二射线与地面特征相互作用，以及所述第一射线和所述第二射线具有相同水平距离。

12.权利要求11所述的系统，其中所述控制电路被配置为：

选择与所述顶置障碍物相互作用的第一接收的光线；

使用第一和第二接收的光线确定所述顶置障碍物的高度。

13.权利要求11所述的系统，其中所述发射器被配置为在一定角度范围内朝向目标区域同时发射光线，所述光线建立垂直角度跨度。

14.权利要求13所述的系统，包括一维像素阵列，其中每个像素对应于接收光的一定角度范围。

15.权利要求11所述的系统，其中所述控制电路被配置为使用从所述激光雷达系统到地面的确定的距离来确定从车辆到其中接收的光线与目标区域相互作用的位置的水平距离。

16.权利要求11所述的系统，其中所述控制电路被配置为如果确定的顶置障碍物的高度小于车辆高度则产生警报。

17.权利要求11所述的系统，其中所述控制电路被配置为如果确定的顶置障碍物的高度小于车辆高度则自动制动车辆。

18.权利要求11所述的系统，其中所述控制电路被配置为确定多对接收的光线的顶置障碍物的高度，其中每一对射线包括具有相同水平距离的射线。

19.权利要求18所述的系统，其中所述控制电路被配置为选择顶置障碍物的最小确定高度作为顶置障碍物的高度。

20.一种用于确定车辆的顶置障碍物的间隙的系统，该系统包括：

构件，用于在一定角度范围内朝向目标区域发射来自车辆的光线，该光线建立垂直角度跨度；

构件，用于响应于发射的光线从所述目标区域接收光线；和

构件，用于确定从所述车辆到接收的光线与所述目标区域相互作用的位置的水平距离，使用一对接收的光线确定所述顶置障碍物的高度，其中该对的第一射线与所述顶置障碍物相互作用，并且该对的第二射线与地面特征相互作用，以及所述第一射线和所述第二射线具有相同水平距离。