CN111316121A - 用于调制航空器上lidar传感器范围的系统及方法 - Google Patents

用于调制航空器上lidar传感器范围的系统及方法 Download PDF

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Abstract

航空器(10)的监视系统(5)可以通过响应于航空器(10)上的特定条件而增加或减小LIDAR传感器(30)的功率水平，来调制航空器(10)上的LIDAR传感器(30)的范围。当航空器(10)以起飞或着陆模式运行时，LIDAR传感器(30)的范围减小，以避免对周围的人或动物造成可能的眼睛伤害。随着航空器(10)转变为巡航模式，由于预期在航空器附近没有人或动物，所以可以增加LIDAR传感器(30)的范围。如果系统(5)在巡航模式下运行期间检测到航空器(10)附近有物体(15)，则系统(5)可以确定是否存在与该物体(15)相关的眼睛安全隐患并在物体(15)周围的区域内减小LIDAR传感器(30)的范围。

Description

用于调制航空器上LIDAR传感器范围的系统及方法
背景技术
航空器在飞行过程中可能遇到各种各样的碰撞风险，例如碎片、其他航空器、装置、建筑物、鸟类、地形和其他物体。与任何此类物体的碰撞可能会严重损坏航空器，并在某些情况下伤害其乘员。传感器可用于检测构成碰撞风险的物体，并警告飞行员所检测到的碰撞风险。如果航空器是自动驾驶的，则控制器可以使用指示航空器周围物体的传感器数据来避免与检测到的物体发生碰撞。在其他示例中，物体可以被感测和分类，以辅助以其他方式导航或控制航空器。
可以在航空器上用于检测物体的一种类型的传感器是LIDAR(光检测和测距)传感器。LIDAR传感器的工作原理是：使用激光在物体上发送激光束或脉冲，并从测得的飞行时间和返回的激光束或脉冲的强度计算出距离。当收集返回的激光束或脉冲时，可以通过LIDAR传感器的灵敏度来限定LIDAR传感器的范围。由于涉及与在较高功率下操作LIDAR传感器的激光器有关的眼睛安全隐患，在涉及在地面附近使用LIDAR传感器的应用中，LIDAR传感器的范围通常限于约100-200米。由于眼睛安全的考虑，LIDAR传感器的相对短距离可能会限制LIDAR传感器在检测通常以高速运行的移动航空器前方物体的有用性。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解本公开。附图的元素不必相对于彼此成比例，而是将重点放在清楚地示出本公开的原理上。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的具有航空器监视系统的航空器的三维立体图。
图2描绘了根据本公开的一些实施例的诸如图1所描绘的航空器的顶部透视图。
图3是示出根据本公开的一些实施例的航空器监视系统的各个部件的框图。
图4是示出根据本公开的一些实施例的感测和避免元件的框图。
图5是示出根据本公开的一些实施例的用于调制LIDAR传感器的功率水平的方法的流程图。
图6是示出根据本公开的一些实施例的航空器高度与LIDAR传感器的激光功率之间的关系的曲线图。
图7是示出根据本公开的一些实施例的来自航空器上的LIDAR传感器的扫描范围的框图。
图8是示出根据本公开的一些实施例的LIDAR传感器的激光功率与例如由图7所描绘的扫描范围角之间的关系的曲线图。
图9是示出根据本公开的一些实施例的LIDAR传感器的激光功率与检测到的障碍物之间的随时间变化的关系的曲线图。
具体实施方式
本公开总体上涉及车辆系统和用于调制由诸如航空器的车辆系统使用的LIDAR传感器的范围的方法。在一些实施例中，航空器包括航空器监视系统，该航空器监视系统具有传感器，该传感器用于感测航空器周围的物体的存在，以用于避免碰撞、导航或其他目的。传感器中的至少一个是可以被调制以增加LIDAR传感器的范围(即，LIDAR传感器能够检测物体的距离)的LIDAR传感器。当航空器(以及相应的LIDAR传感器)处于激光功率增加不会对人类或动物造成眼睛伤害风险的位置时，可以通过增加LIDAR传感器的激光器的功率来增加LIDAR传感器的范围。
当航空器在巡航高度以巡航模式运行(例如，从事向前飞行或沿水平方向移动)时，可以使用LIDAR传感器的增大的范围。当在巡航模式下运行时，如果航空器在LIDAR传感器的光束扫描或扫描范围内检测到物体，则确定是否存在与该物体相关的眼睛安全隐患。如果存在与物体有关的眼睛安全隐患(例如，如果物体是鸟、直升机或建筑物)，则降低LIDAR传感器的功率水平(和相应范围)，以避免任何对人或动物造成眼睛伤害的风险。对于与物体相关联的扫描范围的一部分(例如，与物体的角向相关联的安全范围)，可以减小LIDAR传感器的功率水平。对于光束扫描中与物体无关的部分，LIDAR传感器可以保持在增加的范围和功率水平上。一旦物体从LIDAR传感器的扫描范围移开，就可以针对扫描范围中处于降低功率水平的部分增加LIDAR传感器的范围和功率水平。如果没有任何与航空器检测到的物体相关的眼睛安全隐患，LIDAR传感器可以继续在增加的范围和功率水平下运行。
在悬停飞行中的起飞和着陆操作期间，航空器的LIDAR传感器可以在减小的范围和功率水平下运行，以防止对可能在航空器的起飞/着陆区域或悬停区域附近的任何人或动物造成眼睛伤害。当航空器从悬停飞行中的起飞操作转变为巡航操作时，LIDAR传感器的范围和功率水平可以增加，因为在巡航高度下，预期不会有人或动物，对人或动物眼睛伤害的可能性不大。相反，当航空器从巡航操作转变为着陆操作或悬停飞行时，LIDAR传感器的范围和功率水平会减小，以避免由于航空器移入预期会有人或动物出现的区域而对人或动物造成眼睛伤害的可能性。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的具有航空器监视系统5的航空器10的三维立体图。系统5被配置为使用传感器20、30来检测在航空器10的某个附近(例如在航空器10的飞行路径附近)的物体15。
注意，物体15可以是航空器10在飞行期间可能遇到的各种类型。作为示例，物体15可以是另一架航空器，例如无人驾驶航空器、飞机或直升机。物体15也可以是靠近航空器10的路径的鸟、碎片或地形。在一些实施例中，物体15可以是如果航空器10和物体15碰撞则可能损坏航空器10的各种类型的物体。就这一点而言，航空器监视系统5被配置为感测造成碰撞风险的任何物体15，并且如本文所述对其进行分类。
图1的物体15可以被描绘为具有特定尺寸和形状的单个物体，但是应当理解，物体15可以具有各种特性。另外，尽管图1示出了单个物体15，但是，在其他实施例中，在航空器10附近可以有任何数量的物体15。当物体15是建筑物时，物体15可以是静止的，但是在一些实施例中，物体15可能能够运动。例如，物体15可以是沿路径运动的另一航空器，该航空器可能构成与航空器10碰撞的危险。在其他实施例中，物体15可以是对航空器10的安全运行构成危险的其他障碍物(例如，地形或建筑物)。
航空器10可以是各种类型的，但是在图1的实施例中，航空器10可以是被描绘为自主式垂直起降(VTOL)航空器10。航空器10可以被配置为携带各种类型的有效载荷(例如，乘客、货物等)。航空器10可以有人驾驶或无人驾驶，并且可以配置成在各种来源的控制下运行。在图1的实施例中，航空器10被配置用于自动驾驶(例如自主)飞行。作为示例，航空器10可以被配置为通过遵循到其目的地的预定路线来执行自主飞行。航空器监视系统5被配置为与航空器10上的飞行控制器(图1中未示出)通信，以如本文所述控制航空器10。在其他实施例中，航空器10可以被配置为在远程控制下运行，诸如通过与远程飞行员的无线(例如，无线电)通信。可以使用各种其他类型的技术和系统来控制航空器10的运行。航空器的示例性配置由同一天提交的标题为“Vertical Takeoff and Landing Aircraft with PassiveWing Tilt(具有被动机翼倾斜的垂直起飞和着陆航空器)”的、通过引用合并于此的PCT申请号2017/018135和通过引用合并于此的PCT申请号2017/040413公开。在其他实施例中，可以使用其他类型的航空器。
尽管本文公开的实施例通常涉及归因于航空器中实现的航空器监视系统5的功能，但是在其他实施例中，具有类似功能的系统可以与其他类型的车辆10一起使用，例如汽车或船舶。例如，帆船或舰船从岸上或港口移开一定距离后，就有可能增加LIDAR传感器的功率水平和范围。
在图1的实施例中，航空器10具有一个或多个传感器20(例如，雷达和/或照相机)，用于监视航空器10周围的空间，以及一个或多个LIDAR(光检测和测距)传感器30，用于提供对相同空间的冗余感测或额外空间的感测。在一些实施例中，每个传感器20、30可以感测在传感器各自的视野内的物体15的存在，并提供指示该视野内的任何物体15的位置的传感器数据。然后可以处理这样的传感器数据以确定物体15是否对车辆10造成了碰撞威胁。在一个实施例中，传感器20可以包括用于检测物体存在的任何光学或非光学传感器，例如照相机、电光或红外(EO/IR)传感器、无线电检测和测距(雷达)传感器，或其他类型的传感器。使用传感器20、30来感测物体的示例性技术在PCT申请号PCT/US2017/25592和PCT申请号PCT/US2017/25520中进行了描述，它们的全部内容通过引用整体并入本文。
当航空器10从巡航模式转变为起飞/着陆模式时，航空器监视系统5可以处理来自传感器20、30的数据，这些传感器被配置并定向在航空器10的运动方向上。在这方面，航空器10和航空器监视系统5被配置为从传感器20、30接收传感器数据，传感器20、30被配置和定向为在沿航空器10的运动方向的空间中进行感测。航空器监视系统5还可以从传感器20、30接收传感器数据，传感器被配置并定向成在其他空间中感测使得系统5可以检测从任何方向接近航空器10的物体15。
图1还示出了由航空器监视系统5响应于物体15的检测而产生的逃生包络线25。逃生包络线25限定了可以通过其选择逃生路径的区域的边界。逃生包络线可以基于各种因素，例如航空器的当前运行状况(例如，空速、高度、取向(例如，俯仰、侧倾或偏航)、油门设置、可用的电池功率、已知的系统故障等)、航空器在当前运行条件下的能力(例如机动性)、天气、对空域的限制等。通常，逃生包络线25限定了航空器在其当前运行条件下能够飞行的路径范围。逃生包络线25通常在距航空器10较远的点处变宽，这表明航空器10能够在其行进时远离其当前路径转弯这样的事实。在图1所示的实施例中，逃生包络线为漏斗形，但在其他实施例中，其他形状也是可能的，例如圆锥形。
此外，当在由传感器20、30感测到的数据中识别出物体15时，航空器监视系统5可以使用关于航空器10的信息来确定逃生包络线25，该逃生包络线25表示航空器10可以安全地遵循的可能路径范围(例如，在预定的安全范围内或其他范围内)。然后，基于逃生包络线25，系统5在包络线25内选择供航空器10跟随的逃生路径，以便避开检测到的物体15。就这一点而言，图2描绘了由系统5识别和验证的示例性逃生路径35。在识别逃生路径35时，系统5可以使用来自传感器20、30的有关感测物体15的信息，例如其位置、速度和可能的分类(例如，该物体是鸟、航空器、碎片、建筑物等)。还可以限定逃生路径35，使得航空器10将在执行规避机动之前返回到航空器10所遵循的大致航向。用于确定逃生包络线25和/或逃生路径35的示例性技术在美国专利申请号62/503,311中进行了描述，其全部内容通过引用合并于此。
图3是示出根据本公开的一些实施例的航空器监视系统5的各种部件的框图。如图3所示，航空器监视系统5可以包括感测和避免元件207，多个传感器20、30，以及航空器控制系统225。尽管特定的功能可以归因于航空器监视系统5的各个部件，但是应该理解，在某些实施例中，这种功能可以由系统5的一个或多个部件来执行。另外，在一些实施例中，系统5的部件可以位于在航空器10或其它上，并且可以经由各种技术与系统5的其他部件进行通信，包括有线(例如，导电)、光学或无线通信。此外，系统5可以包括在图3中未具体示出的各种部件，用于实现本文描述的功能并且通常执行威胁感测操作和航空器控制。
航空器监视系统5的感测和避免元件207可以执行对从传感器20、30和航空器控制系统225接收的数据进行的处理，以调制LIDAR传感器30的范围和功率水平。另外，感测和避免元件207可以控制每个LIDAR传感器30的关闭系统37。关闭系统37可以用于停止来自LIDAR传感器37的激光器的激光束或脉冲的传输。关闭系统37可以结合机械装置(例如，快门装置)和/或电气装置(例如，隔离开关)以停止激光束或脉冲的传输。在一些实施例中，如图3所示，感测和避免元件207可以耦合到每个传感器20、30，以处理来自传感器20、30的传感器数据，并且向航空器控制系统225提供信号。感测和避免元件207可以是各种类型的能够接收和处理来自传感器20、30的传感器数据的装置。感测和避免元件207可以用硬件或硬件和软件/固件的组合来实现。作为示例，感测和避免元件207可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用软件或固件编程的微处理器或用于执行所描述的功能的其他类型的电路。下面将参照图4更详细地描述感测和避免元件207的示例性配置。
在一些实施例中，航空器控制系统225可以包括用于控制航空器10的操作的各种部件(未具体示出)，包括航空器10的速度和路线。作为示例，航空器控制系统25可以包括推力产生装置(例如螺旋桨)、飞行控制面(例如一个或多个副翼、襟翼、升降舵和方向舵)以及一个或多个用于控制此类部件的控制器和电动机。航空器控制系统225还可包括传感器和其他仪器，用于获得关于航空器部件的操作和飞行的信息。
图4描绘了根据本公开的一些实施例的感测和避免元件207。如图4所示，感测和避免元件207可以包括一个或多个处理器310、存储器320、数据接口330和本地接口340。处理器310可以被配置为执行存储在存储器320中的指令以便执行各种功能，诸如对来自传感器20、30的传感器数据的处理(见图1和2)。处理器310可以包括中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、FPGA、其他类型的处理硬件，或其任意组合。此外，处理器310可以包括任何数量的处理单元以提供更快的处理速度和冗余，如将在下面更详细地描述的。处理器310可以经由本地接口340与该感测和避免元件207范围内的其他元件通信并驱动该其他元件，该本地接口340可以包括至少一条总线。此外，数据接口330(例如，端口或引脚)可以将感测和避免元件207的部件与系统5的其他部件(例如，传感器20、30)接合。
如图4所示，感测和避免元件207可以包括感测和避免逻辑350以及LIDAR控制逻辑355，它们中的每一个都可以以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。在图4中，感测和避免逻辑350和LIDAR控制逻辑355以软件实现并且存储在存储器320中以由处理器310执行。然而，在其他实施例中，感测和避免逻辑350和LIDAR控制逻辑355的其他配置是可能的。
注意，当以软件实现时，感测和避免逻辑350和LIDAR控制逻辑355可以存储在任何计算机可读介质上并在其上传输，以便由可以获取和执行指令的指令执行设备使用或与其结合使用。在本文的上下文中，“计算机可读介质”可以是可以包含或存储供指令执行设备使用或与其结合使用的代码的任何装置。
感知和避免逻辑350被配置为接收由传感器20、30感测的数据，基于该数据对物体15进行分类，并评估物体15和航空器10之间是否存在碰撞风险。感知和避免逻辑350被配置为基于各种信息(例如物体的位置和速度)识别碰撞威胁。
在一些实施例中，感知和避免逻辑350被配置为对物体15进行分类，以便更好地评估其可能的飞行性能，例如速度和可操纵性以及威胁风险。就这一点而言，感测和避免元件207可以存储物体数据344，该物体数据344指示航空器10在飞行期间可能遇到的各种类型的物体，例如鸟类或其他航空器。对于每种物体类型，物体数据344限定可以与传感器数据343比较以确定何时感测到的物体对应于物体类型的签名。作为示例，物体344可以指示物体的预期尺寸和形状，可以将所述预期尺寸和形状与物体的实际尺寸和形状进行比较以确定物体15是否与物体类型匹配。不仅可以识别物体的类别(例如，鸟、无人机、飞机、直升机等)，而且可以识别类别内的特定物体类型。作为示例，可以将物体识别为特定类型的飞机(例如Cessna 172)。在一些实施例中，感知和避免元件207可以采用机器学习算法来分类物体类型。对于每种物体类型，物体数据344限定指示物体的性能和威胁风险的信息。
感测和避免逻辑350被配置为在新数据变得可用时动态地处理传感器数据343。作为示例，当感测和避免元件207从传感器20、30接收新数据时，感测和避免逻辑350处理新数据并根据需要更新任何先前做出的确定。因此，感知和避免逻辑350可以在其从传感器20、30接收到新信息时更新物体的位置、速度、威胁包络等。因此，随着条件的变化，传感器数据343被重复更新。
如上所述，在航空器监视系统5的示例性操作中，传感器20、30中的每一个都可以感测物体15并提供指示物体的位置和速度的数据给感测和避免元件207。感测和避免元件207(例如，逻辑350)可以处理来自每个传感器20、30的数据，并且可以注意到由来自每个传感器的数据指示的信息之间的差异(例如，基于传感器数据343或其他)。在其他实施例中，感测和避免逻辑350还可以基于各种信息(诸如可以存储为传感器数据343或其它的每个传感器20、30的校准数据)，来解决来自传感器20、30的数据内存在的差异。就这一点而言，感测和避免逻辑350可以被配置为确保关于由航空器10的传感器20、30感测到的物体的信息是准确的，以供LIDAR控制逻辑355用于调制LIDAR传感器30的范围和功率水平。
注意，在一些实施例中，感测和避免逻辑350可以被配置为使用来自其他航空器10的信息来检测物体15的存在或位置。例如，在一些实施例中，航空器10可以是一队航空器的一个单元，其可以被类似地配置用于检测航空器附近的物体。此外，航空器可以被配置为彼此通信以便共享关于感测到的物体的信息。作为示例，如图3所示，感测和避免元件207可以耦合到收发器399，用于与其他航空器通信。当感测和避免元件207感测到物体15时，其可以将关于物体15的信息(例如，物体的类型、位置、速度、性能特征或其他信息)发送到其他航空器，从而另一航空器上的感测和避免元件可以监视并避开物体15。此外，感知和避开元件207可以接收关于其他航空器检测到的物体15的类似信息，并使用该信息来监视和避开这些物体15。在一些实施例中，车辆之间可能通过各种协议(例如ADS-B信标)发生调解。在一些实施例中，可以通过使用与中央控制器(未示出)的通信来促进各种航空器之间的通信，该中央控制器在下文中被称为“机队控制器”，该中央控制器接收并处理来自多个航空器10的信息。这种机队控制器可以在任何位置，例如在地面设施(例如，空中交通管制塔楼)或其他位置。可以将关于检测到的物体的信息发送到机队控制器，该机队控制器然后将来自多个航空器10的信息吸收为物体的三维地图，并将这种地图或其他信息分配给航空器10，以便每个航空器10知道其他航空器检测到的物体的位置。在其他实施例中，用于在航空器10之间共享信息的其他技术也是可能的。
LIDAR控制逻辑355可用于通过控制提供给LIDAR传感器30的激光器的功率水平来调制LIDAR传感器30的范围。LIDAR控制逻辑355可将信号提供给LIDAR传感器的激光器30，以控制激光器的输出功率水平。在一实施例中，由LIDAR控制逻辑355提供给用于LIDAR传感器30的激光器的信号可以是脉宽调制信号。然而，在其他实施例中，LIDAR控制逻辑355可以向LIDAR传感器30的激光器提供其他类型的信号。另外，LIDAR控制逻辑355可以连续地从LIDAR传感器30接收指示LIDAR传感器30的激光器的当前功率水平的信号。LIDAR控制逻辑355可以在生成信号时使用关于LIDAR传感器30的激光器的当前功率水平的信息用于调整LIDAR传感器30的激光器的功率水平。
当航空器10处于可能存在容易受到LIDAR传感器30中的激光伤害眼睛的人或动物的区域时，例如当航空器处于起飞/着陆模式(即，执行起飞或着陆操作)时，LIDAR控制逻辑355可以以“眼睛安全”水平操作LIDAR传感器30中的激光器，该“眼睛安全”水平对应于被认为对人或动物的眼睛安全的来自激光器的光束或脉冲的功率水平。相反，如果航空器10处于巡航高度(即，预期没有人或动物的地面高度(AGL)以上的预定距离)并且处于巡航模式(即执行(或即将执行)巡航操作以向前飞行)，则LIDAR控制逻辑355可以将LIDAR传感器30中的激光器以“扩展范围”水平操作，以使来自激光器的光束或脉冲的功率水平能够检测到距离LIDAR传感器30更大的距离(相对于当以眼睛安全水平操作时LIDAR传感器30能够够着的范围)处的物体。在一个实施例中，在扩展范围水平下操作的LIDAR传感器30的检测范围可以是大约1000米。然而，在其他实施例中，在扩展范围水平下操作的LIDAR传感器30的范围可以大于或小于1000米。在扩展范围水平下操作的LIDAR传感器30的范围可以是在眼睛安全水平下操作的LIDAR传感器30的范围的大约5至10倍(或更多倍)，大约是100-200米。当在扩展范围水平下操作时，激光器的功率水平可以基于许多不同因素而变化，例如航空器10的尺寸和构造以及在巡航操作期间航空器10的速度。例如，在巡航操作期间以较高速度操作的航空器10可能需要来自LIDAR传感器30的更大范围(以及相应的更高功率水平)，以便有足够的时间来检测物体15以避免相对于以较低速度运行的航空器10的碰撞。
在航空器10在巡航模式下进行前向飞行期间，感测和避免逻辑350可以确定物体15是否在LIDAR传感器30的扫描范围内(或扫掠范围内)。LIDAR传感器30的扫描范围对应于在LIDAR传感器30的扫描开始与LIDAR传感器30的扫描结束之间来自LIDAR传感器30的激光的光束或脉冲的角位移。在一个实施例中，如图7所示，LIDAR传感器30的扫描范围可以是90度。然而，在其他实施例中，LIDAR传感器30的扫描范围可以大于或小于90度。
在感测和避免逻辑350确定LIDAR传感器30的扫描范围内有物体15之后，LIDAR控制逻辑355可以确定是否由于与物体15相关联的眼睛安全隐患而从扩展范围水平调整LIDAR传感器30的激光的功率水平。LIDAR控制逻辑355可以基于物体识别信息、距离信息(即，LIDAR传感器30和物体15之间的距离)以及通过感测和避免逻辑350提供给LIDAR控制逻辑355的环境信息来确定物体15是否具有相关的眼睛安全隐患。如果物体15引起眼睛安全隐患(例如当物体15是动物(例如鹅)时或包含一个或多个人(例如，建筑物或直升机)并且与LIDAR传感器30保持一定距离，在此距离来自LIDAR传感器30的激光束或脉冲的增强功率水平可能不安全并且对人或动物造成眼睛伤害)，LIDAR控制逻辑355将LIDAR传感器30的激光器的功率水平从扩展范围水平降低。例如，LIDAR控制逻辑355可以基于航空器10与诸如建筑物之类的已知静态物体的接近度来调制或限制LIDAR传感器30的功率。LIDAR控制逻辑355可以从提供给LIDAR控制逻辑355(或由LIDAR控制逻辑355生成)的3D地图信息中知道建筑物的位置。LIDAR控制逻辑355然后可以确定航空器10在3D地图中的位置并计算航空器10相对于建筑物的距离和/或方向。然后，LIDAR控制逻辑355可以使用距离和/或方向信息来调整到LIDAR传感器30的功率。
LIDAR控制逻辑355可以将用于LIDAR传感器30的激光器的功率水平降低到眼睛安全水平或者在眼睛安全水平和扩展范围水平之间的中间水平。在一个实施例中，中间水平基于航空器10到物体15的距离。在另一实施例中，中间水平可以对应于在物体的位置处不会引起眼睛安全隐患的功率水平。换句话说，由激光器发射的光束或脉冲的功率水平降低了足够的量，使得当光束或脉冲到达物体时，光束或脉冲已经耗散了足够的能量，从而光束或脉冲不会引起对人或动物的眼睛安全隐患。在其他实施例中，中间水平可以基于物体的类型(例如，动物和人类可能具有不同的中间水平)或基于物体的速度(例如，运动较快的物体和运动较慢的物体可能具有不同的中间水平)。如果物体15没有引起眼睛安全隐患，例如当物体是地形(例如，山)的一部分或无人机时，LIDAR控制逻辑355可以继续将LIDAR传感器30的激光器的功率水平保持在扩展范围水平。
当LIDAR控制逻辑355确定要降低LIDAR传感器30的激光器的功率水平时，LIDAR控制逻辑355可以针对与物体15所在的区域或区相对应的扫描范围的仅一部分降低功率水平。LIDAR控制逻辑355可以使用来自传感器20、30和感测和避免逻辑350的信息来确定物体15相对于LIDAR传感器30的定位或位置。一旦知道物体15的位置，LIDAR控制逻辑355可以如上所述针对与物体相对应的扫描范围的一部分在降低的功率水平下操作LIDAR传感器30的激光器。在一个实施例中，LIDR控制逻辑355以减小的功率在物体15的方向上加上角度偏移来操作激光器，以提供期望的误差余量。在一个实施例中，角度偏移可以是大约±10度，但是在其他实施例中其他偏移也是可能的。LIDAR控制逻辑355可以在扩展范围水平上操作LIDAR传感器30的其余扫描范围。通过在具有眼睛安全隐患的物体的区域或区中降低LIDAR传感器30的功率水平，同时在其余扫描范围内保持扩展范围的功率水平，LIDAR传感器30能够继续在扩展范围接收信息，而不会给与物体15相关的人或动物带来眼睛安全隐患。一旦物体15从LIDAR传感器30的扫描范围移出，LIDAR控制逻辑355即可对于LIDAR传感器整个扫描范围在扩展范围水平下操作LIDAR传感器30的激光器，除非已检测到具有眼睛安全隐患的新物体15。在一个实施例中，如上所述，如果在LIDAR传感器30的扫描范围内已经检测到多个具有眼睛安全隐患的物体15，则LIDAR控制逻辑355可以针对扫描范围内的每个物体15降低功率水平。
当航空器10从巡航模式转变为起飞/着陆模式时，例如当航空器10已经到达飞行路径的末端并准备着陆时，LIDAR控制逻辑355可以将LIDAR传感器30的激光器的功率水平从扩展范围水平调制回到眼睛安全水平。在一个实施例中，如果航空器10是具有悬停模式的VTOL航空器(即，航空器10保持预定的位置和仰角)，则LIDAR控制逻辑355可以针对不同类型的扫描提供LIDAR传感器30的不同的功率水平。例如，取决于航空器10的高度和航空器10周围的环境，来自LIDAR传感器的垂直扫描可以处于眼睛安全水平，而来自LIDAR传感器30的水平扫描可以处于扩展范围水平。
LIDAR控制逻辑355被配置为：如果当航空器10以巡航模式运行时新数据变得可从感测和避免逻辑350获得，则动态地处理数据。例如，LIDAR控制逻辑355可以从感测和避免逻辑350接收指示具有眼睛安全隐患的物体15已经离开了LIDAR传感器30的扫描范围或相对于LIDAR传感器30的位置改变的新数据。如果物体15已经离开扫描范围，则LIDAR控制逻辑355可以在扩展范围水平上操作用于LIDAR传感器30的激光器。如果物体15已经移动到更靠近LIDAR传感器30，则LIDAR控制逻辑355可以降低用于LIDAR传感器30的激光器的功率水平(如果还没有处于眼睛安全水平)，并且如果物体15已经移离LIDAR传感器30，则LIDAR控制逻辑355可以增加LIDAR传感器30的激光器的功率水平，该功率水平仍然可以解决眼睛安全隐患。
在一个实施例中，如果LIDAR控制逻辑355确定来自LIDAR传感器30的激光器的光束或脉冲构成了即时眼睛安全隐患，则LIDAR控制逻辑355可以向关闭系统37发送信号以防止或阻止用于LIDAR传感器30的激光发射光束或脉冲。作为示例，如果LIDAR控制逻辑355最初在紧邻LIDAR传感器30的位置(例如，小于阈值距离)检测到易受眼睛伤害的物体，则LIDAR控制逻辑355可以完全关闭激光器而不只是降低其功率。在一个实施例中，关闭系统37可以包括可以关闭的快门装置或盖，以防止用于LIDAR传感器30的激光器透射光束或脉冲。在另一个实施例中，关闭系统37可以包括断开开关，该断开开关可以从用于LIDAR传感器30的激光器中移除功率并且防止激光器发射任何光束或脉冲。在其他实施例中，可以使用其他机械或电气装置来防止LIDAR传感器30的激光器发射脉冲或光束。LIDAR控制逻辑355然后可以将后续信号发送至关闭系统37以返回处于允许LIDAR传感器30的激光器发射光束或脉冲的工作状态。
下面将参考图5更详细地描述系统5的示例性使用和操作，以调制航空器10的LIDAR传感器30的范围和功率水平。出于说明目的，将假设航空器10位于地面上并且即将开始起飞操作。
在步骤802，由于航空器10位于地面上或开始起飞操作，所以LIDAR控制逻辑355可以在眼睛安全水平下操作LIDAR传感器30。然后在步骤804确定航空器10是否已经满足与航空器10相关联的预定飞行特性(例如，达到预定飞行阶段)。预定飞行特性可以对应于高度的测量，转变为特定的飞行配置(例如，用于悬停飞行或向前飞行的配置)或航空器的位置。此外，达到预定飞行阶段可以是航空器10中的一个或多个达到预定高度或进入新的高度范围，航空器转变为新的飞行配置(例如，在用于悬停飞行的配置与向前飞行的配置之间的转变)，或航空器沿着飞行计划到达预定位置(例如，进入或到达人口较少的地区或市区)。作为示例，一旦航空器10达到某个高度(例如，巡航高度)，转变为用于向前飞行的配置或者离开市区到人烟稀少的区域，就可以假设眼睛受伤的风险已经足够减小，从而可以增加LIDAR传感器的发射功率，如下所述。
参考步骤804，如果航空器10尚未满足飞行特性，则过程返回到步骤802，并且LIDAR控制逻辑355可以继续以眼睛安全水平操作LIDAR传感器30。然而，如果航空器10已经满足飞行特性，则在步骤806，LIDAR控制逻辑355可以在扩展范围水平上操作LIDAR传感器30。如图6所示，当航空器10上升到巡航高度时，LIDAR传感器30可以在眼睛安全水平下操作。一旦航空器10到达巡航高度，LIDAR控制逻辑355就可以将LIDAR传感器30的功率水平增加到扩展范围水平。
接下来，在步骤808，确定航空器10是否正在开始着陆操作。如果航空器10正在开始着陆操作，则由于预期人或动物在LIDAR传感器30的扫描范围内，LIDAR控制逻辑355可以在步骤810以眼睛安全水平操作LIDAR传感器30，并且过程可以结束。如果在步骤808中航空器10未执行着陆操作，则可以在步骤812中确定航空器10是否已在LIDAR传感器30的扫描范围内检测到物体15。感测和避免逻辑350可以接收来自传感器20、30的信号，以确定在LIDAR传感器30的扫描范围内是否有物体15。如果感测和避免逻辑350在LIDAR传感器30的扫描范围内未检测到物体15，过程返回到步骤806，并且LIDAR控制逻辑355可以继续在扩展范围水平上操作LIDAR传感器30。然而，如果感测和避免逻辑350已经在LIDAR传感器30的扫描范围内检测到物体15，则在步骤814中LIDAR控制逻辑355可以确定物体15是否构成眼睛安全隐患。如果物体15与人或动物相关联并且与LIDAR传感器30相距足够近的距离，则物体15具有眼睛安全隐患。
如果LIDAR控制逻辑355确定物体15没有眼睛安全隐患，则过程返回到步骤806，并且LIDAR控制逻辑355可以继续在扩展范围水平操作LIDAR传感器30。然而，如果LIDAR控制逻辑355确定物体15确实具有眼睛安全隐患，则在步骤816，LIDAR控制逻辑355可以在物体15附近降低LIDAR传感器30的功率水平。如上所述，与具有眼睛安全隐患的物体15相关联的LIDAR传感器30的扫描范围的部分可以在降低的功率水平下操作，该降低的功率水平对应于眼睛安全水平或不会对物体15和LIDAR传感器30之间的相应距离处与物体15相关联的人或动物造成眼睛伤害的风险的中间水平。
LIDAR控制逻辑355在物体15附近调整了LIDAR传感器30的功率水平后，LIDAR控制逻辑355在步骤818中确定物体是否已离开LIDAR传感器30的扫描范围。LIDAR控制逻辑355可以通过从感测和避免逻辑350接收指示物体15已经离开扫描范围的更新的信息来确定物体15是否已经离开LIDAR传感器30的扫描范围。通过在远离LIDAR传感器的扫描范围的方向或高度上行进，或者通过使航空器10改变其飞行路径或高度作为碰撞避免算法的一部分，物体15可以离开LIDAR传感器30的扫描范围。如果物体15尚未离开LIDAR传感器30的扫描范围，则处理返回到步骤816，并且LIDAR控制逻辑355可以针对扫描范围的对应部分继续以降低的功率水平操作LIDAR传感器30，如以上讨论。然而，如果物体15已经离开LIDAR传感器30的扫描范围，则处理返回到步骤806，并且LIDAR控制逻辑355可以在扩展范围水平上操作LIDAR传感器30。
在如图7所示的一个示例性实施例中，可以在LIDAR传感器30的扫描范围内检测到三个物体15(山、无人机和直升机)。如先前所讨论的，LIDAR控制逻辑355可以评估每个物体15并确定是否存在与各个物体15相关的眼睛安全隐患。由于直升机预期有人与之同在，因此LIDAR控制逻辑355将直升机确定为具有眼睛安全隐患，并将无人机和山确定为没有眼睛安全隐患。响应于LIDAR控制逻辑355关于直升机的确定，LIDAR控制逻辑355将直升机周围区域中的LIDAR传感器30的功率水平从扩展范围水平调整到降低的范围水平，如图8所示。根据LIDAR传感器30和直升机之间的距离，降低的范围水平可以是眼睛安全水平或中间水平。此外，LIDAR控制逻辑355可以在直升机位置周围的区域Z的缩小范围内操作LIDAR传感器30，如图8所示。区域Z包括直升机位置周围的角度偏移，以确保来自LIDAR传感器30的光束或脉冲不会接触直升机中的人。图9示出了作为对直升机的检测的结果，LIDAR控制逻辑355为LIDAR传感器30提供减小的范围水平直到直升机离开LIDAR传感器30的扫描范围为止的时间段。
前述内容仅是本公开的原理的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下进行各种修改。给出上述实施例是为了说明而不是限制。除了本文明确描述的形式以外，本公开还可以采取许多形式。因此，要强调的是，本公开不限于明确公开的方法、系统和设备，而是旨在包括在所附权利要求的精神之内的对其的变型和修改。
作为另一示例，可以做出设备或工艺参数的变化(例如，尺寸、配置、部件、工艺步骤顺序等)，以进一步优化所提供的结构、装置和方法，如本文所示和所描述的。无论如何，本文所述的结构和装置以及相关方法具有许多应用。因此，所公开的主题不应限于本文描述的任何单个实施例，而应根据所附权利要求书的广度和范围来解释。

Claims (26)

1.一种用于调制航空器(10)上的光检测和测距(LIDAR)传感器(30)的范围的方法，包括：
用至少LIDAR传感器(30)感测所述航空器(10)外部的物体(15)；
确定与所述航空器(10)相关的动态飞行特性；
根据所述动态飞行特性，在所述航空器(10)飞行期间改变所述LIDAR传感器(30)的发射功率，从而改变所述LIDAR传感器的范围；以及
基于感测到的物体(15)控制所述航空器(10)的速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述动态飞行特性选自包括以下各项的组中的至少一个：所述航空器(10)的高度，所述航空器(10)的飞行配置以及所述航空器(10)的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述感测包括在所述航空器(10)处于悬停飞行中时感测所述物体(15)中的至少一个，并且其中所述改变是在所述航空器(10)处于向前飞行或转变为向前飞行时执行的。
4.一种用于调制航空器(10)上的光检测和测距(LIDAR)传感器(30)的范围的方法，包括：
以第一功率水平操作航空器(10)上的LIDAR传感器(30)以获得所述LIDAR传感器(30)的第一检测范围；
确定所述航空器(10)是否已经转变到预定的飞行阶段；
响应于确定所述航空器(10)已经到达预定飞行阶段，以第二功率水平操作所述航空器(10)上的LIDAR传感器(30)以获得所述LIDAR传感器(30)的第二检测范围，其中，所述第二功率水平大于所述第一功率水平，所述第二检测范围大于所述第一检测范围；
基于所述LIDAR传感器(30)检测所述航空器(10)外部的物体(15)；以及
基于该检测来控制所述航空器(10)的速度。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
评估检测到的物体(15)以确定关于检测到的物体(15)的信息；以及
响应于对检测到的物体(15)的评估，以第三功率水平操作所述航空器(10)上的LIDAR传感器(30)以获得所述LIDAR传感器的第三检测范围，其中所述第三功率水平小于所述第二功率水平，并且所述第三检测范围小于所述第二检测范围。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，评估所述检测到的物体(15)包括识别所述检测到的物体(15)的物体类型。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以所述第三功率水平操作所述航空器(10)上的所述LIDAR传感器(30)是基于所述物体类型。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，以所述第三功率水平操作所述航空器(10)上的所述LIDAR传感器(30)包括对于LIDAR传感器(30)的扫描范围的一部分以所述第三功率水平操作所述航空器(10)上的所述LIDAR传感器(30)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述LIDAR传感器(30)的扫描范围的所述一部分对应于所述检测到的物体(15)周围的区域。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述评估检测到的物体(15)包括确定所述检测到的物体(15)相对于LIDAR传感器(30)的扫描范围的位置；以及
所述检测到的物体(15)周围的区域包括所述检测到的物体(15)的位置和所述检测到的物体(15)的位置的每一侧的角度偏移量。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第三功率水平是所述第一功率水平或中间功率水平中的一个。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述评估检测到的物体(15)包括确定所述检测到的物体(15)和所述LIDAR传感器(30)之间的距离；并且
所述中间功率水平是基于确定的距离。
13.根据权利要求4所述的方法，其中，所述LIDAR传感器(30)在所述第一功率水平下的操作对人的眼睛是安全的，并且所述LIDAR传感器(30)在所述第二功率水平下的操作对于人的眼睛是不安全的。
14.根据权利要求4所述的方法，还包括利用关闭系统(37)来停止所述LIDAR传感器(30)的操作。
15.一种系统(5、205)，包括：
用于感测航空器(10)外部的物体(15)的光检测和测距(LIDAR)传感器(30)，所述LIDAR传感器(30)配置为以第一功率水平操作以获得所述LIDAR传感器(30)的第一检测范围，并且以第二功率水平操作以获得所述LIDAR传感器(30)的第二检测范围，其中，所述第二功率水平大于所述第一功率水平，所述第二检测范围大于所述第一检测范围；以及
感测和避免元件(207)，其具有至少一个处理器(310)，所述至少一个处理器(310)被配置为接收表示由所述LIDAR传感器(30)感测到的至少一个物体(15)的第一数据和表示所述航空器(10)向预定飞行阶段转变的第二数据，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)被配置为基于所述第二数据确定所述航空器(10)是否已经转变到预定飞行阶段，响应于确定所述航空器(10)尚未转变到预定飞行阶段而以第一功率水平操作所述航空器(10)上的LIDAR传感器(30)，并且响应于确定所述航空器(10)已转变到预定飞行阶段而以第二功率水平操作所述航空器(10)上的LIDAR传感器(30)，并且
所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为基于所述第一数据检测物体(15)，并响应于检测到的物体(15)而操作所述LIDAR传感器(30)。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述LIDAR传感器(30)还被配置为以第三功率水平操作以获得所述LIDAR传感器(30)的第三检测范围，所述第三功率水平小于所述第二功率水平，并且所述第三检测范围小于所述第二检测范围，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为评估所述检测到的物体(15)以确定关于所述检测到的物体(15)的信息，并响应于对所述检测到的物体(15)的评估，以第三功率水平操作所述航空器(10)中的所述LIDAR传感器(30)。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为识别所述检测到的物体(15)的物体类型。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为响应于所述物体类型而以所述第三功率水平操作所述航空器(10)上的所述LIDAR传感器(30)。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为对于所述LIDAR传感器(30)的扫描范围的一部分以第三功率水平操作所述LIDAR传感器(30)。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述LIDAR传感器(30)的扫描范围的所述一部分对应于所述检测到的物体(15)周围的区域。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为相对于所述LIDAR传感器(30)的扫描范围来确定所述检测到的物体(15)的位置，并且检测到的物体(15)周围的区域包括检测到的物体(15)的位置和在检测到的物体(15)位置的每一侧的角度偏移量。
22.根据权利要求15所述的系统，其中，所述感测和避免元件(207)的所述至少一个处理器(310)还被配置为基于所述第一数据来确定所述检测到的物体(15)和所述LIDAR传感器(30)之间的距离，并且所述第三功率水平是所述第一功率水平或基于所确定的距离的中间功率水平中的二者一个。
23.根据权利要求15所述的系统，进一步包含经配置以停止所述LIDAR传感器(30)的操作的关闭系统(37)。
24.一种系统(5、205)，包括：
位于航空器(10)上的光检测和测距(LIDAR)传感器(30)，用于感测所述航空器(10)外部的物体(15)；
至少一个处理器(310)，其被配置为确定与所述航空器(10)相关的动态飞行特性，并基于该动态特性来改变所述航空器(10)飞行期间LIDAR传感器(30)的发射功率，从而改变所述LIDAR传感器(30)的范围，所述至少一个处理器(310)还配置为基于感测到的物体(15)控制所述航空器(10)的速度。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述动态飞行特性选自包括以下各项的组中的至少一个：所述航空器(10)的高度，所述航空器(10)的飞行配置，以及所述航空器(10)的位置。
26.根据权利要求24所述的系统，所述动态飞行特性是所述航空器的位置，并且其中，所述至少一个处理器被配置为基于地图确定静态物体的位置，并基于所述静态物体相对于所述航空器的位置的位置来改变所述发射功率。
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