CN111175787B - 激光雷达信号处理设备和激光雷达设备 - Google Patents

Abstract

提供了激光雷达信号处理设备和激光雷达设备，能够使用光学装置准确地测量到测量对象的距离，该激光雷达信号处理设备包括飞行长度导出单元、车辆的垂直倾斜度测量单元、车辆的水平倾斜度测量单元、可靠性确定单元和数据处理单元。

Description

激光雷达信号处理设备和激光雷达设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月13日提交的韩国专利申请No.10-2018-0138981的优先权，其内容以全文引用的方式并入。

技术领域

本公开涉及一种激光雷达信号处理设备和激光雷达设备，更具体地，涉及一种能够使用光学装置精确地测量到测量对象的距离的激光雷达信号处理设备和激光雷达设备。

背景技术

光检测和测距(激光雷达，LIDAR)设备是一种传感器，它用于发射激光，然后接收从障碍物反射的反射波，以借助激光的传播时间来测量到障碍物的距离。

就功能而言，这种激光雷达设备类似于无线电检测和测距(雷达，RADAR)设备。但是，与使用无线电波的雷达设备不同，激光雷达设备使用光，因此被称为“视频雷达”。由于光和微波之间的多普勒效应差异，激光雷达在方位角分辨率、距离分辨率等方面具有比雷达更好的特性。

作为激光雷达的主要性能指标，可有最大/最小测量距离、距离分辨率、水平视野、垂直视野、角分辨率等。

如今，为了通过扩展激光器的转向角来改善激光雷达的视野性能，正在开发诸如电动机旋转、微镜、光学相控阵、VCSEL阵列等的技术。

对于现在最常用的电动机旋转技术而言，扩展水平视野很容易，但是扩展垂直视野需要几个激光二极管或棱镜光学系统。

棱镜光学系统由于激光的散射而具有有限的测距性能，因此主要使用采用几个多通道激光二极管的方案。

考虑到激光雷达传感器的安装位置，这样的现有激光雷达设备可在水平方向上采用各种电动机驱动系统，以确保宽视野，但是在垂直方向上，即，车辆的高度方向上的视野可能受到限制。

为了确保垂直方向上的视野，采用具有单独通道的激光二极管以及光电二极管，该激光二极管发射激光使得激光关于垂直方向朝向道路倾斜，光电二极管接收激光。

然而，增加通道的数量是限制性的，并且当车辆相对于道路的实际倾斜方向由于道路上的障碍物而变得不同时，难以确保障碍物检测信息的可靠性。

因此，例如，当车辆通过道路上的石头，或者通过道路上的斜坡或坑洼时，激光的发射范围发生变化，因此不能准确地确定正在接近的障碍物。

发明内容

本公开提供了一种激光雷达信号处理设备和激光雷达设备，其能够通过实时地获得关于道路的车辆倾斜度来检查所检测信息的可靠性，该车辆倾斜度是通过使用用于发射激光使激光朝向道路倾斜的传感器和通过传感器获得的飞行距离，从现有车辆的理想垂直倾斜度和水平倾斜度减去实际测量的垂直倾斜度和水平倾斜度而获得的。然而，上述仅仅是示例性的，并且本公开的范围不限于此。

根据示例性实施方式，一种激光雷达信号处理设备包括：飞行长度导出单元，被配置为导出发射的第一激光的飞行长度，第一激光被发射成从车辆向道路倾斜；车辆的垂直倾斜度测量单元，被配置为从所述飞行长度估计车辆关于所述道路的垂直倾斜度；车辆的水平倾斜度测量单元，被配置为从飞行长度估计车辆关于道路的水平倾斜度；可靠性确定单元，被配置为基于车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度确定所检测信息的可靠性；和数据处理单元，被配置为在所检测信息被确定为可靠时将所检测信息作为有效数据处理，并且在所检测信息没有被确定为可靠时将所检测信息作为无效数据处理或输出警告消息。

在实施方式中，飞行长度导出单元可使用从道路上的第一位置接收的关于被发射成基于车辆的高度方向以第一角度朝向道路倾斜的第一激光的反射光来计算飞行时间(TOF)，并使用计算出的TOF导出第一激光的飞行长度。

在实施方式中，车辆的垂直倾斜度测量单元可根据导出的飞行光和被配置为发射第一激光的传感器的安装高度来计算实际垂直倾斜度，从理想垂直倾斜度减去实际倾斜度，并估计车辆的垂直倾斜度，并且车辆的水平倾斜度测量单元可确定第一激光的左右参考图案(left and right reference patterns)PT是否在容错范围内，当左右参考图案PT在容错范围内时，从理想水平倾斜度计算实际水平倾斜度，并从理想水平倾斜度中减去实际水平倾斜度，以估计车辆的水平倾斜度。

在实施方式中，当车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度在基于在车辆和道路都平行的状态下测得的理想数的正常范围内时，可靠性确定单元可将所所检测信息确定为可靠，并且在超出正常范围时，可不将所检测信息确定为可靠。

根据另一示例性实施方式，一种激光雷达信号处理方法，包括：飞行长度导出步骤，用于导出发射的第一激光的飞行长度，以便从车辆向道路倾斜；车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度估计步骤，用于从飞行长度估计相对于道路的车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度；可靠性确定步骤，用于基于车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度确定所检测信息的可靠性；和数据处理步骤，用于在确定所检测信息可靠时将所检测信息作为有效数据处理，并且在所检测信息未确定为可靠时将所检测信息作为无效数据处理或输出警告消息。

在实施方式中，在飞行长度导出步骤中，可使用相对于第一激光从道路上的第一位置接收的反射光来计算飞行时间(TOF)，第一激光已经被发射以便基于车辆的高度方向以第一角度朝向道路倾斜，并使用计算出的TOF导出第一激光的飞行长度。

在实施方式中，在车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度估计步骤中，可参考导出的飞行光和被配置为发射第一激光的传感器的安装高度来计算实际垂直倾斜度，可从理想的垂直倾斜度减去实际倾斜度以估计车辆的垂直倾斜度，可确定第一激光的左右参考图案PT是否在容错范围内，当左右参考图案PT在容错范围内时，可从理想水平倾斜度计算实际水平倾斜度，然后可从理想水平倾斜度中减去实际水平倾斜度，以估计车辆的水平倾斜度。

在实施方式中，在可靠性确定步骤中，当基于在车辆和道路都平行的状态下测得的理想数，车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度在正常范围内时，所所检测信息被确定为可靠，并且在超出正常范围时，所检测信息可能不能被确定为可靠。

根据又一示例性实施方式，一种激光雷达设备，包括：传感器，被配置为发射第一激光，使得第一激光以第一角度从车辆朝向道路倾斜，并接收反射波；飞行长度导出单元，被配置为导出第一激光的飞行长度；车辆的垂直倾斜度测量单元，被配置为从飞行长度估计车辆相对于道路的垂直倾斜度；车辆的水平倾斜度测量单元，被配置为从飞行长度估计车辆相对于道路的水平倾斜度；可靠性确定单元，被配置为基于车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度确定所检测信息的可靠性；和数据处理单元，被配置为在确定从传感器检测的信息可靠时将从传感器所检测的信息作为有效数据处理，并且在确定从传感器所检测的信息不可靠时将来自传感器的传感器信息作为无效数据处理或输出警告消息。

在实施方式中，传感器可包括：安装在车辆中的多个激光二极管，能够以各种角度发射各种通道的激光束；和多个光电二极管，被配置为能够针对每个激光二极管接收各种通道的激光束。

附图说明

根据结合附图的以下描述，可更详细地理解示例性实施方式，其中：

图1是示意性示出根据本公开的一些实施方式的激光雷达信号处理设备和激光雷达设备的示意图；

图2是示出图1的激光雷达信号处理设备的框图；

图3是示出其中安装有图1的激光雷达设备的车辆的实际倾斜状态的示意图；

图4是示出其中安装有图1的激光雷达设备的车辆的理想垂直倾斜状态的示意图；

图5是示出图3或图4的垂直倾斜度测量原理的图；

图6是示出图1的车辆的水平倾斜状态的示意图；

图7是示出根据本公开的一些实施方式的激光雷达信号处理方法的流程图；和

图8是示出图7中的激光雷达信号处理方法的实例的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述具体实施方式。

提供本公开的实施方式以向本领域的普通技术人员更完美地解释本公开。以下实施方式可改变为各种其他形式，并且本发明的范围将不限于此。提供实施方式，使得本公开将是透彻和完整的，并且将本发明的范围充分传达给本领域的普通技术人员。在附图中，为了清楚和便于描述，放大了层的厚度或尺寸。

在以下描述和权利要求中使用的术语和词语是为了描述实施方式，但不限制本发明构思。除非上下文另有定义外，如本文所用的单数可包括多个。同样，术语“包括”和/或“包含”在本文中用于指定所述及的形状、数字、步骤、操作、构件、元件和/或其组的存在，但不排除一个或多个其他形状、数字、操作、构件、元件和/或其组的存在或增加。

在下文中，将参照示意性地示出实施方式的附图来描述本发明的实施方式。在附图中，例如，根据制造技术和/或公差，可对所示形状进行修改。因此，应当理解，本发明的实施方式不限于说明书中示出的区域的特定形状，并且可包括例如在制造过程中引起的形状变化。

在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的各种实施方式的激光雷达信号处理设备和激光雷达设备。

图1是示意性示出根据本公开的一些实施方式的激光雷达信号处理设备100和包括该激光雷达信号处理设备的激光雷达设备1000的示意图，

图2是示出图1的激光雷达信号处理设备100的框图，图3是示出其中安装有图1的激光雷达设备1000的车辆1的实际倾斜状态的示意图，图4是示出其中安装有图1的激光雷达设备1000的车辆1的理想垂直倾斜状态的示意图。图5是示出图3或图4的倾斜度测量原理的图。图6是示出图1的车辆的水平倾斜状态的示意图。

首先，如图1和图2所示，根据本公开的一些实施方式的激光雷达设备1000可广泛地包括传感器10和激光雷达信号处理设备100。

例如，如图3中示例性地示出的，传感器10可以是一种激光雷达传感器，其可发射第一激光L1以使得第一激光L1从车辆1朝向道路2倾斜并且可接收反射波。

更具体地，如图1所示，传感器10可包括：安装在车辆1中的多个激光二极管11，以便以与垂直方向成各种角度发射各种通道的激光束L1、L2和L3，以及多个光电二极管12，它们能够接收针对每个激光二极管的各种通道的激光束L1、L2和L3。这里，激光二极管11的安装角度、安装数量等不限于图中所示的那些，并且可以以各种方式采用激光二极管11的安装角度、安装数量等。

另外，激光二极管可以是具有两个用于激光器运转的电极的半导体激光二极管。更具体地，激光二极管可由三层构成，其中作为有源层的GaAs介于两层AlxGa1-xAs之间。可设计GaAs的折射率n1和AlxGa1-xAs的折射率n2，以便能够限制在有源层中产生的光，并且所产生的光可从有源层的侧面发射。另外，通常可使有源层的厚度小于所产生的光的波长，并且由于与通过光或电子的激发不同，可仅通过使电流流动来实现粒子数反转分布，因此容易被处理。

另外，例如，如图1至图6所示，激光雷达信号处理设备100可包括：飞行长度导出单元110，用于导出第一激光L1的飞行长度FL；车辆的垂直倾斜度测量单元120-1，用于从飞行长度FL估计车辆相对于道路的垂直倾斜度K；车辆的水平倾斜度测量单元120-2，用于从飞行长度FL估计车辆相对于道路的水平倾斜度；可靠性确定单元130，用于基于相对于道路的车辆的垂直倾斜度K和车辆的水平倾斜度确定由传感器10所检测信息的可靠性；以及数据处理单元140，用于当所检测信息被确定为可靠时将从传感器10所检测信息作为有效数据处理，并且当检测到信息未确定为可靠时将从传感器10所检测信息作为无效数据处理或输出警告消息。

详细地，例如，如图4和图5所示，所述飞行长度导出单元110可使用从道路2上的第一位置P1接收的关于朝向道路2以基于车辆(1)的高度方向的第一角度A倾斜地发射的第一激光L1的反射光来计算飞行时间(TOF)，并使用计算出的TOF导出第一激光的飞行长度L1。

换句话说，如图5所示，车辆的垂直倾斜度测量单元120-1可参考导出的飞行长度FL和用于发射第一激光L1的传感器10的安装高度H来计算实际倾斜度A，并通过从理想倾斜度Ideal A减去实际倾斜度A来估计车辆相对于道路的垂直倾斜度K。

这里，倾斜度A表示激光基于车辆1而垂直倾斜的倾斜角，并且可使用余弦值获得。

换句话说，余弦A是安装高度H相比于飞行长度FL，并且由于余弦A的值是已知的，因此也可获得A的值。

当获得A的值时，图3中的车辆相对于道路的垂直倾斜度K可通过从理想倾斜度Ideal A中减去实际垂直倾斜度A而估计。

类似地，如图6所示，车辆的水平倾斜度测量单元120-2可确定左右参考图案(reference pattern，参考模式)PT是否在容错范围内，即，在上限容错范围和下限容错范围内，并且当左右参考图案PT在容错范围内时，从理想水平倾斜度计算实际水平倾斜度，并且通过从理想水平倾斜度中减去实际水平倾斜度来测量车辆相对于道路的水平倾斜度。

同时，例如，如果在车辆1平行于道路2的状态下测得的理想数的基础上关于道路的车辆的垂直倾斜度K和车辆的水平倾斜度在正常范围内，则可靠性确定单元130确定所检测信息是可靠的。否则，可靠性确定单元130确定所检测信息不是可靠的。

在下文中，将详细描述根据本公开的一些实施方式的激光雷达信号处理设备100的操作过程。首先，可导出第一激光L1的飞行长度FL，而该第一激光L1被发射为从车辆1朝道路2倾斜。

这里，使用从第一位置P1接收的关于朝向道路2以基于车辆1的高度方向的第一角度A倾斜地发射的第一激光L1的反射光来计算TOF，并且可使用相同TOF来导出第一激光L1的飞行长度FL。

然后，可根据飞行长度FL估计车辆的相对于道路的垂直倾斜度K。这里，可参考导出的飞行长度FL和发射第一激光L1的传感器10的安装高度H来计算实际倾斜度A，并且可通过从理想倾斜度Ideal A减去实际倾斜度A来估计车辆的相对于道路的垂直倾斜度K。

然后，确定左右参考图案PT是否在容错范围内，即，在上限容错范围和下限容错范围内，并且在位于容错范围内的情况下，从理想水平倾斜度计算实际水平倾斜度，并且通过从理想水平倾斜度中减去实际水平倾斜度来测量车辆的相对于道路的水平倾斜度。

然后，可基于关于道路的车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度来确定传感器10所检测信息的可靠性。在此，如果在车辆1平行于道路2的状态下测得的理想数的基础上，车辆的垂直倾斜度K和车辆的水平倾斜度在正常范围内，则确定所检测信息是可靠的。否则，所检测信息不被确定为可靠。

然后，当所检测信息确定为可靠时，将从传感器10所检测信息作为有效数据处理或对其赋予优先级，并且当确定为不可靠时，从传感器10所检测信息作为无效数据处理或可输出警告消息。

因此，可通过实时地获得车辆的垂直倾斜度K来检查所检测信息的可靠性，而该车辆的垂直倾斜度K是使用传感器发射第一激光L1使得第一激光朝向道路2关于垂直方向倾斜和通过传感器获得的飞行距离，通过从现有车辆的理想倾斜度减去实际测量倾斜度A而获得的。这样，可仅处理有效数据以提高障碍物检测信息的可靠性，并且可通过校正障碍物检测信息等来提高检测信息的准确性。

此外，如图1所示，根据本公开的一些实施方式的激光雷达设备100可包括：由透镜、棱镜、反射镜等的组合形成的光学系统13，用于引导激光束的路径；低噪声放大器，用于放大从光电二极管12接收到的信号；比较器15，用于比较接收到的信号并进行选择；时间数字转换器16，用于计算发送时间和接收时间；驱动控制单元17，用于驱动激光二极管11；其他连接器以及通信单元18，诸如无线发送和接收装置。然而，本公开的激光雷达设备1000不限于附图中所示的那些，并且可将各种类型和形式的电子组件应用于激光雷达设备。

图7是示出根据本公开的一些实施方式的激光雷达信号处理方法的流程图。

如图1至图7所示，根据本公开的一些实施方式的激光雷达信号处理方法可包括飞行长度导出步骤S1，用于导出从车辆1向道路2倾斜发射的第一激光L1的飞行长度；车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度估计步骤S2，用于从飞行长度估计关于道路的车辆的垂直倾斜度和水平倾斜度；可靠性确定步骤S3，用于基于车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度确定从传感器10所检测信息的可靠性；和数据处理步骤S4，用于所检测信息可靠时将从传感器10所检测信息作为有效数据处理或赋予其优先级，并且将所检测信息作为无效数据处理或输出警告消息。

这里，飞行长度导出步骤S1可以是以下步骤：使用关于以基于车辆1的高度方向的第一角度A朝向道路2倾斜发射的第一激光L1从第一位置P1接收的反射光来计算TOF，并使用计算出的TOF导出第一激光L1的飞行长度FL。

另外，车辆的垂直倾斜度和车辆的水平倾斜度估计步骤S2可以是以下步骤：参考导出的飞行光FL和用于发射第一激光L1的传感器10的安装高度H来计算实际倾斜度A，从理想的倾斜度Ideal A减去实际倾斜度A估计车辆的垂直倾斜度K，确定左右参考图案是否在容错范围内，以在位于容错范围内的情况下，从理想水平倾斜度计算实际水平倾斜度，并且从理想水平倾斜度中减去实际水平倾斜度，测算车辆相对于道理的水平倾斜度。

此外，可靠性确定步骤S3可以是以下步骤：如果在车辆1平行于道路2的状态下测得的理想数的基础上车辆的垂直倾斜度K和车辆的水平倾斜度在正常范围内时，确定所所检测信息为可靠，否则，确定所检测信息不可靠。

图8是示出图7中的激光雷达信号处理方法的实例的流程图。

详细地，例如，如图1至图8所示，在根据本公开另一些实施方式的激光雷达信号处理方法中，首先，为了推导飞行长度可发射第一激光(步骤S11)，并接收其反射波(步骤S12)。

然后，使用发送时间和接收时间之间的差值来计算TOF，并且可由此导出飞行长度FL(步骤S13)。

然后，可参考传感器安装高度H(其为常数)和导出的飞行长度FL来估计相对于道路的车辆的垂直倾斜度K和车辆的水平倾斜度(步骤S14)。

然后，通过车辆的垂直倾斜度K和车辆的水平倾斜度来确定传感器信息的可靠性(步骤S15)，并且当确定传感器信息可靠时，可将传感器检测信息作为有效数据进行传递(步骤S16)。

当确定传感器信息不可靠时，检查传感器信息是否在容错范围内(步骤S17)。当在误差容限范围内时，可对误差值进行补偿并且可传递补偿后的传感器信息(步骤S18)。

当传感器信息超出容错范围时，从误差值中减去倾斜度值，然后将所相减后的值与车辆的方位信息进行比较(步骤S19)。当比较结果也超出容错范围时，可确定发生实时可靠性下降并且输出警告消息(步骤S21)。当在容错范围内时，可输出简单的设备故障通知或警告消息(步骤S22)。

根据本公开的一些实施方式，可通过实时地获得车辆相对于道路的倾斜度来检查所检测信息的可靠性，该车辆相对于道路的倾斜度是通过从现有车辆的理想垂直倾斜度和水平倾斜度减去实际测量的垂直倾斜度和水平倾斜度而获得的，由此，可仅处理有效数据以提高障碍物检测信息的可靠性。另外可通过校正障碍物检测信息来提高检测信息的准确性。不用说，本公开的范围不限于上述效果。

因此，应该理解，由于这里描述的实施方式和附图的配置仅仅是本发明的示例性实施方式，而并不包括本发明的所有技术精神，因此可提供各种等同形式和修改形式，它们可代替上述配置。因此，本公开的真正的技术保护的范围应该由所附权利要求的技术思想来限定。

Claims (5)

1.一种激光雷达信号处理设备，包括：

飞行长度导出单元，被配置为导出被发射成从车辆的传感器朝着道路倾斜的第一激光的飞行长度；

车辆的垂直倾斜度测量单元，被配置为根据所述飞行长度估计关于所述道路的车辆的垂直倾斜度；

车辆的水平倾斜度测量单元，被配置为根据所述飞行长度估计关于所述道路的车辆的水平倾斜度；

可靠性确定单元，被配置为基于所述车辆的垂直倾斜度和所述车辆的水平倾斜度确定所检测信息的可靠性；以及

数据处理单元，被配置为在所检测信息被确定为可靠时将所检测信息作为有效数据处理，并且在所检测信息没被确定为可靠时将所检测信息作为无效数据处理或输出警告消息，

其中，所述飞行长度导出单元使用从所述道路上的第一位置接收的关于被发射成以基于所述车辆的高度方向的第一角度朝着所述道路倾斜的所述第一激光的反射光来计算飞行时间，并使用计算出的所述飞行时间导出所述第一激光的所述飞行长度，

其中，所述垂直倾斜度测量单元根据导出的所述飞行长度和所述传感器的安装高度来计算实际垂直倾斜度，从理想垂直倾斜度减去所述实际垂直倾斜度，并且估计所述车辆的垂直倾斜度，以及其中，所述传感器的安装高度是在垂直方向上从所述道路到所述传感器的长度。

2.根据权利要求1所述的激光雷达信号处理设备，

所述车辆的水平倾斜度测量单元确定所述第一激光的左右参考图案是否在容错范围内，当所述左右参考图案在所述容错范围内时，根据理想水平倾斜度计算实际水平倾斜度，并且从所述理想水平倾斜度中减去所述实际水平倾斜度，以估计所述车辆的水平倾斜度。

3.根据权利要求2所述的激光雷达信号处理设备，其中，当所述车辆的垂直倾斜度和所述车辆的水平倾斜度在基于所述车辆和所述道路两者平行的状态下测得的理想数的正常范围内时，所述可靠性确定单元将所检测信息确定为可靠，并且当所述车辆的垂直倾斜度和所述车辆的水平倾斜度在所述正常范围以外时，不将所检测信息确定为可靠。

4.一种激光雷达设备，包括：

传感器，被配置为发射第一激光使得所述第一激光以第一角度从车辆朝着道路倾斜，并且接收反射波；

飞行长度导出单元，被配置为导出所述第一激光的飞行长度；

车辆的垂直倾斜度测量单元，被配置为根据所述飞行长度估计关于所述道路的车辆的垂直倾斜度；

车辆的水平倾斜度测量单元，被配置为根据所述飞行长度估计关于所述道路的车辆的水平倾斜度；

可靠性确定单元，被配置为基于所述车辆的垂直倾斜度和所述车辆的水平倾斜度确定所检测信息的可靠性；和

数据处理单元，被配置为在从所述传感器检测的信息被确定为可靠时将从所述传感器检测的信息作为有效数据处理，并且在从所述传感器检测的信息不被确定为可靠时将来自所述传感器的信息作为无效数据处理或输出警告消息，

其中，所述垂直倾斜度测量单元根据导出的所述飞行长度和所述传感器的安装高度来计算实际垂直倾斜度，从理想垂直倾斜度减去所述实际垂直倾斜度，并且估计所述车辆的垂直倾斜度，以及其中，所述传感器的安装高度是在垂直方向上从所述道路到所述传感器的长度。

5.根据权利要求4所述的激光雷达设备，其中，所述传感器包括：

多个激光二极管，安装在车辆内以能够以各种角度发射各种通道的激光束；以及

多个光电二极管，被配置为能够对每个激光二极管接收各种通道的激光束。