CN110736998B - 激光雷达系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种LiDAR系统及其操作方法，所述系统可以包括：发射器，配置为输出脉冲激光；反射镜，包括两个或多个反射表面以反射所述脉冲激光；驱动器，配置为旋转所述反射镜；路径控制镜，配置为将所述脉冲激光反射到所述反射镜的反射表面上，以形成所述脉冲激光的光路；接收器，配置为接收由所述反射镜反射的光，并将所接收的光转换为电信号，其中，所述反射镜包括：第一反射面和第二反射表面，其中所述第一反射表面和第二反射表面在一点处彼此连接，所述第一反射表面和所述第二反射表面具有彼此不同的倾斜角，并且所述第一反射表面在所述第二反射表面的相反方向上倾斜。本发明的LiDAR系统能够在降低硬件单价和尺寸的同时最大化FOV。

Description

激光雷达系统及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月20日提交的申请号为10-2018-0084568的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种LiDAR(激光雷达)系统及其操作方法。
背景技术
通常，LiDAR系统是指能够将激光照射到物体上，分析由物体反射和返回的光，并且检测到物体的距离以及物体的方向、速度、温度、材料分布和浓度的系统。
图1示出了根据相关技术的LiDAR系统的光学系统的一部分。LiDAR系统的光学系统通过具有垂直结构的第一和第二镜110和120反射发射的/接收的光束。第一和第二镜110和120具有不同的视场(FOV)。因此，当应用三对发射器和接收器130和140时，光学系统具有与由六对发射器/接收器所获得的效果相同的效果。根据相关技术的LiDAR系统的缺点在于，接收到的光量根据FOV而减少。当光被第一和第二镜110和120反射的角度变为钝角时，到物体的可检测距离可朝向扫描区域的边缘减小。出现这样的问题是因为光接收区域根据角度而不同并且在钝角处进一步变窄。另一个问题是第一和第二镜110和120的最大FOV限制在145度。
相关技术可以包括本发明人为得到本发明而保留的技术信息，或者在得到本发明的过程中获得的技术信息。相关技术可以不必是在应用本发明之前向公众发布的公知技术。
[相关技术文献]
[专利文献]
韩国专利公开号2016-0034719
发明内容
本发明的实施方案涉及能够在降低硬件单价和尺寸的同时最大化FOV的LiDAR(激光雷达)系统。
并且，本发明的实施方案涉及除了水平检测功能之外还具有感测功能的LiDAR系统。
在一个实施方案中，LiDAR系统可以包括：发射器，配置为输出脉冲激光；反射镜，包括两个或多个反射表面以反射所述脉冲激光；驱动器，配置为旋转所述反射镜；路径控制镜，配置为将所述脉冲激光反射到所述反射镜的反射表面上，以形成所述脉冲激光的光路；接收器，配置为接收由所述反射镜反射的光，并将所述接收的光转换为电信号，其中，所述反射镜包括：第一反射表面；和第二反射表面，其中所述第一和第二反射表面在一点处彼此连接，所述第一反射表面和所述第二反射表面具有彼此不同的倾斜角，并且所述第一反射表面在所述第二反射表面的相反方向上倾斜。
所述第一反射表面可以在平行于水平面的第一方向上反射所述脉冲激光，并且所述第二反射表面可以在垂直于水平面的第二方向上反射所述脉冲激光。
在所述一点处彼此连接的所述第一和第二反射表面可以具有彼此对应的V形凹槽。
所述驱动器可以包括配置成使所述反射镜旋转360度的电机。
LiDAR系统还可以包括控制器，所述控制器被配置为使用由所述接收器转换的电信号来计算到物体的距离和物体的速度。
所述控制器根据到所述物体的距离和所述物体的速度适应性地改变由所述发射器发射的所述脉冲激光的脉冲宽度、包括在预设时间内由所述发射器发射的脉冲激光的数量的发射重复率、包括在预设时间内由所述接收器接收的反射光的数量的接收重复率，和所述脉冲激光的功率值。
在另一实施方案中，LiDAR系统的操作方法可以包括：通过发射器输出脉冲激光；通过路径控制镜反射所述脉冲激光，以形成所述脉冲激光的光路；通过反射镜反射由所述路径控制镜反射的所述脉冲激光，其中所述反射镜由驱动器旋转，并包括第一和第二反射表面，所述第一和第二反射表面在一点处彼此连接并具有不同的倾斜角；和通过接收器接收由所述反射镜反射的光，并将接收的光转换成电信号。
所述第一反射表面可以在平行于水平面的第一方向上反射所述脉冲激光，并且所述第二反射表面可以在垂直于水平面的第二方向上反射所述脉冲激光。
所述操作方法还可以包括由驱动器将所述反射镜旋转360度。
所述操作方法还可包括：使用由所述接收器转换的电信号，通过所述控制器计算到物体的距离和物体的速度。
所述操作方法还可以包括：由控制器根据到所述物体的距离和所述物体的速度适应性地改变由所述发射器发射的所述脉冲激光的脉冲宽度，包括在预设时间内由所述发射器发射的脉冲激光的数量的发射重复率，包括在预设时间内由所述接收器接收的反射光的数量的接收重复率，以及所述脉冲激光的功率值。
另外，可以进一步提供用于实现本发明的另一种方法和系统以及用于执行所述方法的计算机程序。
附图说明
图1示出了根据相关技术的LiDAR系统的光学系统的一部分。
图2示意性地示出了根据本发明实施方案的LiDAR系统的详细配置。
图3A和3B示意性地示出了图2的LiDAR系统中的光学单元的详细配置。
图4A和4B是根据本发明的实施方案的LiDAR系统的透视图和分解透视图。
图5A至5C示出了根据相关技术的LiDAR系统的感测区域和根据本发明实施方案的LiDAR系统的感测区域。
图6是示出根据本发明的实施方案的LiDAR系统的操作方法的流程图。
具体实施方式
如在相应领域中是传统的，一些示例性实施方案可以按照功能块、单元和/或模块在附图中示出。本领域普通技术人员将理解，这些块、单元和/或模块通过电子(或光学)电路，例如逻辑电路、分立元件、处理器、硬连线电路、存储元件、布线连接等等物理地实现。当块、单元和/或模块由处理器或类似硬件实现时，可以使用软件(例如，代码)对它们进行编程和控制，以执行本文所讨论的各种功能。或者，每个块、单元和/或模块可以由专用硬件实现，或者作为执行某些功能的专用硬件和处理器(例如一个或多个编程处理器和相关电路)的组合来执行其他功能。在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施方案的每个块、单元和/或模块可以物理地分成两个或更多个交互和离散的块、单元和/或模块。此外，在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施方案的块、单元和/或模块可以物理地组合成更复杂的块、单元和/或模块。
通过参考附图详细描述的以下实施方案，将阐明本发明的优点和特征以及用于实现所述优点和特征的方法。然而，应理解，本发明不限于以下实施方案，可以以各种不同的形式实施，并且包括在本发明的范围和技术范围内的所有修改、等同物或替代物。提供以下实施方案以完成本发明的公开，使得本发明的范围可被本发明所属领域的技术人员充分理解。此外，将排除与公知功能或配置有关的详细描述，以免不必要地模糊本发明的主题。
本申请中使用的术语仅用于描述特定实施方案，并不旨在限制本发明。除非另有相反的说明，否则单数形式的术语可包括复数形式。在本申请中，“包括”或“具有”的含义仅指明属性、数量、步骤、操作、组件、零件或其组合，并且不排除一个或多个其他属性、数量、步骤、操作、组件、零件或其组合。诸如第一和第二的术语可用于描述各种组件，但所述组件不应受所述术语限制。这些术语仅用于区分一个组件与另一个组件。
下文将参考附图详细描述本发明的示例性实施方案。在以下参考附图的描述中，相同或相应的组件将由相同的附图标记表示，并且将省略其重复描述。
图2示意性地示出了根据本发明的实施方案的LiDAR(激光雷达)系统的详细配置。图3A和3B示意性地示出了图2的LiDAR系统中的光学单元的详细配置，和图4A和4B是根据本发明的实施方案的LiDAR系统的透视和分解透视图。
参照图2至图4，根据本发明实施方案的LiDAR系统可包括发射器200、光学单元300、驱动器400、接收器500、信号处理器600、控制器700和壳体800。在本实施方案中，光学单元300可以包括路径控制镜310、反射镜320和光接收透镜330，反射镜320包括第一反射表面321和第二反射表面322。虽未示出，但光学单元300可进一步包括光发射透镜。光发射透镜可包括在发射器200中，并且光接收透镜330可包括在接收器500中。
在控制器700的控制下，发射器200可以产生脉冲激光并将产生的脉冲激光发射到光学单元300。由发射器200产生的脉冲激光可以通过光发射透镜发射到光学单元300。基于脉冲激光的方法可以根据信号调制方法分为ToF(飞行时间)方法和PS(相移)方法。ToF方法可以指示测量距离的方法，其通过发射脉冲激光信号和测量从测量范围内的物体反射的脉冲信号到达接收器500的时间来测量所述距离。PS方法可以指示计算时间和距离的方法，其通过发射以特定频率顺序地调制的脉冲激光信号，并测量从测量范围内的物体反射和返回的信号的相移来计算所述时间和距离。
光学单元300可以反射来自发射器200的脉冲激光，并将反射的脉冲激光发射到物体。此外，光学单元300可以将光发射到接收器500，该光响应于所接收的脉冲激光而被物体反射。在本实施方案中，光学单元300可以包括路径控制镜310、反射镜320和光接收透镜330，反射镜320包括第一反射表面321和第二反射表面322。
路径控制镜310可以将来自发射器200的脉冲激光反射到反射镜320。即，当来自发射器200的脉冲激光到达路径控制镜310时，路径控制镜310可以将脉冲激光反射到反射镜320以形成脉冲激光的光路。
反射镜320可包括两个或更多个反射表面，反射脉冲激光以传输到物体，并将从物体反射的光反射到光接收透镜330。在一个实施方案中，反射镜320可包括第一和第二反射表面321和322。然而，反射镜320不限于此，而反射表面的数量可以增加或减少。
在一个实施方案中，第一和第二反射表面321和322可以在一个点(图3中的323)彼此连接，第一反射表面321的倾斜角(图3中的θ1)和第二反射表面322的倾斜角(图3中的θ2)可以彼此不同，并且第一反射表面321可以在第二反射表面322的相反方向上倾斜。与相关技术相比，第一和第二反射表面321和322可以不形成直角，而是以大约45度角对角地倾斜。在这种情况下，由于第一和第二反射表面321和322依据倾斜角具有相同的光接收面积，因此可以根据倾斜角检测相同的距离。此外，由于没有对最大FOV进行限制，因此可以执行360度扫描。第一和第二反射表面321和322可以具有彼此对应的V形凹槽。
在本实施方案中，第一反射表面321可以在平行于水平面的第一方向(水平方向)上反射脉冲激光，并且第二反射表面322可以在垂直于水平面的第二方向(地面方向)上反射脉冲激光。在相关技术中，已经分别开发了用于检测第一和第二方向的反射镜。然而，在本实施方案中，由于驱动器400使反射镜320旋转，所以可以通过第一和第二反射表面321和322检测第一和第二方向。因此，当这种结构应用于停车系统时，例如，可以容易地检测到凸起或停车阻挡物以及周围物体或停车场结构。另外，由于应用了发射和接收光轴相同的同轴结构，而不是应用双轴结构，因此可以实现0m的最小检测距离。
反射镜320可以由覆盖窗810覆盖，从而形成壳体800。覆盖窗810可以由可以使脉冲激光和从物体反射的光容易地通过的材料形成。
光接收透镜330可以将由第一和第二反射表面321和322反射的光发送到接收器500。
驱动器400可以包括能够旋转反射镜320的电机(未示出)，并且电机的旋转速度可以由控制器700控制。在本实施方案中，驱动器400可以进一步包括轴(未示出)以支撑反射镜320，并且电机可以安装在轴下方。在一个实施方案中，电机可以旋转360度。
接收器500可以将由光接收透镜330接收的光转换为电信号。接收器500可以包括光检测器(未示出)，以将接收的光转换为电信号。由光检测器检测的电信号可以通过信号处理器600输出为图像信号，并且图像信号可以以这样的方式提供使得用户可以通过诸如车辆导航系统的显示装置(未示出)观看图像信号。
信号处理器600可以将由接收器500转换的电信号放大，并将放大的信号发送到控制器700。此外，信号处理器600可以接收来自控制器700的控制信号用于发射器200、光学单元300、驱动器400和接收器500，将接收的信号转换成适合于相应组件的信号，并将转换后的信号发送到相应组件。
控制器700可以控制从发射器200到信号处理器600的全部组件的操作，并且基于由接收器500转换并由信号处理器600放大的电信号来计算到物体的距离和物体的速度。由控制器700计算的到物体的距离和物体的速度也可以由信号处理器600计算。也就是说，信号处理器600可以包括在控制器700中。
控制器700可以根据到物体的距离和物体的速度适应性地改变由发射器200发射的脉冲激光的脉冲宽度、包括在预设时间内由发射器200发射的脉冲激光的数量的发射重复率、包括在预定时间内由接收器500接收的反射光的数量的接收重复率，和脉冲激光的功率值。
当发射的脉冲激光的功率降低并且发射重复率和接收重复率提高时，可以增加扫描角的分辨率。这里，提高或降低脉冲激光的功率可以具有与增加或减小脉冲激光的脉冲宽度相同的效果。此外，当接收的用于距离检测的数据的数量减少时，可以增加检测距离同时降低角分辨率。基于这些特性，可以依据室内或室外情况，根据车辆的速度可变地应用距离检测、检测间隔和检测性能。
例如，为了检测第一方向，可以增加脉冲激光的脉冲宽度、可以提高脉冲激光的功率，或者可以提高发射重复率和接收重复率以检测长距离。为了检测第二方向，可以应用反向参数。也就是说，可以减小脉冲激光的脉冲宽度、可以降低脉冲激光的功率，并且可以降低发射重复率和接收重复率。此外，可以调整具有特定图案的脉冲激光的脉冲宽度、脉冲激光的功率，以及发射重复率和接收重复率，以消除传感器之间的干扰。
图5A至5C示出了根据相关技术的LiDAR系统的感测区域和根据本发明实施方案的LiDAR系统的感测区域。图5A示出了根据相关技术的LiDAR系统的感测区域。图5B和5C示出了根据本发明实施方案的LiDAR系统的感测区域。
如图5A所示，根据相关技术的LiDAR系统需要单独地包括用于感测第一和第二方向的镜子，并且最大FOV限制为145度。但是参照图5B和5C，根据本实施方案的LiDAR系统可以同时感测第一和第二方向并执行360度扫描而不限制最大FOV，因为第一和第二反射表面以大约45度的角度对角地倾斜。
图6是示出根据本发明的实施方案的LiDAR系统的操作方法的流程图。下文与图1至5的描述重复的描述将省略。
参照图6，在步骤S610，LiDAR系统的发射器200可以在控制器700的控制下产生脉冲激光并通过光发射透镜发射所产生的脉冲激光。
在步骤S620，光学单元300的路径控制镜310可以将接收的脉冲激光反射到反射镜320，并且反射镜320可以反射脉冲激光以传送到物体。
在一个实施方案中，反射镜320可以包括第一和第二反射表面321和322。第一和第二反射表面321和322可以在一点处彼此连接，第一反射表面321的倾斜角和第二反射表面322的倾斜角可以彼此不同，并且第一反射表面321可以在第二反射表面322的相反方向上倾斜。第一和第二反射表面321和322可以具有彼此对应的V形凹槽。在本实施方案中，第一反射表面321可以在平行于水平面的第一方向(水平方向)上反射脉冲激光，并且第二反射表面322可以在垂直于水平面的第二方向(地面方向)上反射脉冲激光。由于驱动器400使反射镜320旋转，因此可以通过第一和第二反射表面321和322感测第一和第二方向。
在步骤S630，从物体反射的光可以通过光学单元300的反射镜320的第一和第二反射表面321和322反射。
在步骤S640，由反射镜320反射的光可以通过光接收透镜传送到接收器500，并且接收器500可以将反射的光转换为电信号。
在步骤S650，控制器700可以使用由接收器500转换的电信号来计算到物体的距离和物体的速度。
控制器700可以根据到物体的距离和物体的速度适应性地改变由发射器200发射的脉冲激光的脉冲宽度、包括在预设时间内由发射器200发射的脉冲激光的数量的发射重复率、包括在预设时间内由接收器500接收的反射光的数量的接收重复率，和脉冲激光的功率值。
根据本发明的实施方案，可以在降低硬件单价和尺寸的同时使FOV最大化。
此外，LiDAR系统可以执行地面检测和水平检测。
本发明的上述实施方案可以以计算机程序的形式实现，该计算机程序可以通过各种组件在计算机上执行，并且计算机程序可以记录在计算机可读介质中。此时，介质可以包括诸如硬盘、软盘或磁带的磁介质，诸如CD-ROM或DVD的光记录介质，诸如光磁软盘的磁光介质，诸如ROM、RAM或闪存的硬件设备，所述介质具体用于存储和执行程序命令。
计算机程序可以包括可用程序，其是为本发明专门设计和配置的，或者是计算机软件领域的技术人员公知的。计算机程序的示例可以包括能由计算机通过解释器执行的高级语言代码，以及由编译器生成的机器语言代码。
在本发明的说明书(或特别是权利要求)中，术语“所述”的使用和类似于“所述”的方向术语可以对应于单数形式或复数形式。此外，当在本发明中描述范围时，可以表明本发明包括应用属于该范围的各个值的实施方案(除非另有指出)，并且构成该范围的各个值在本发明的详细描述中进行了描述。
当明确指定步骤的顺序或者除非另有指出，构成本发明的实施方案的方法的步骤可以以适当的顺序执行。本发明不限于步骤的顺序。在本发明中，所有示例或示例性术语(例如，等)仅用于详细描述本发明。只要本发明的范围不受权利要求的限制，本发明的范围不受限于示例或示例性术语。此外，对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据在权利要求或等同物的范围内的设计条件和因素进行各种修改、组合和改变。
因此，本发明的精神不限于上述实施方案，并且可以认为等同于所附权利要求的或从权利要求等同地变化的以及权利要求的所有范围都包含在本发明的精神中。

Claims (7)

1.一种LiDAR(激光雷达)系统，包括：
发射器，配置为输出脉冲激光；
反射镜，包括两个或多个反射表面以反射所述脉冲激光；
驱动器，配置为旋转所述反射镜；
路径控制镜，配置为将所述脉冲激光反射到所述反射镜的反射表面上，以形成所述脉冲激光的光路；
接收器，配置为接收由所述反射镜反射的光，并将所接收的光转换为电信号；以及
控制器，配置为使用由所述接收器转换的所述电信号来计算到物体的距离和所述物体的速度，
其中所述反射镜包括：
第一反射表面；和
第二反射表面，
其中，所述第一反射表面和第二反射表面在一点处彼此连接，所述第一反射表面和所述第二反射表面具有彼此不同的倾斜角，并且所述第一反射表面在所述第二反射表面的相反方向上倾斜，
所述控制器根据到所述物体的距离和所述物体的速度适应性地改变由所述发射器发射的所述脉冲激光的脉冲宽度、包括在预设时间内由所述发射器发射的脉冲激光的数量的发射重复率、包括在预设时间内由所述接收器接收的反射光的数量的接收重复率及所述脉冲激光的功率值。
2.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中所述第一反射表面在平行于水平面的第一方向上反射所述脉冲激光，并且所述第二反射表面在垂直于所述水平面的第二方向上反射所述脉冲激光。
3.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中在所述一点处彼此连接的所述第一反射表面和第二反射表面具有彼此对应的V形凹槽。
4.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其中所述驱动器包括配置成使所述反射镜旋转360度的电机。
5.一种LiDAR系统的操作方法，包括：
通过发射器输出脉冲激光；
通过路径控制镜反射所述脉冲激光，以形成所述脉冲激光的光路；
通过反射镜反射由所述路径控制镜反射的所述脉冲激光，其中所述反射镜由驱动器旋转，并包括第一反射表面和第二反射表面，所述第一反射表面和第二反射表面在一点处彼此连接并具有不同的倾斜角；
通过接收器接收由所述反射镜反射的光，并将所接收的光转换成电信号；
使用由所述接收器转换的所述电信号，通过控制器计算到物体的距离和所述物体的速度；以及
由所述控制器根据到所述物体的距离和所述物体的速度适应性地改变由所述发射器发射的所述脉冲激光的脉冲宽度、包括在预设时间内由所述发射器发射的脉冲激光的数量的发射重复率、包括在预设时间内由所述接收器接收的反射光的数量的接收重复率及所述脉冲激光的功率值。
6.根据权利要求5所述的操作方法，其中所述第一反射表面在平行于水平面的第一方向上反射所述脉冲激光，并且所述第二反射表面在垂直于所述水平面的第二方向上反射所述脉冲激光。
7.根据权利要求5所述的操作方法，还包括通过所述驱动器将所述反射镜旋转360度。
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