CN111512181A - 用于检测对象的激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测对象的激光雷达系统(100)，所述激光雷达系统具有能够围绕旋转轴线(104)旋转的转子(106)，其中，所述转子(106)具有至少两个发送接收单元(108)，每个所述发送接收单元(108)具有检测区域(112)，其中，所述检测区域(112)指向不同的方向。所述至少两个发送接收单元(108)中的每个具有发送单元(301)，所述发送单元具有至少一个激光器(302‑1至302‑p)，用于将激光束(303‑1‑1至303‑1‑p)发送到所述发送接收单元(108)的所述检测区域(112)中；接收单元(304)，所述接收单元用于接收在所述发送接收单元(108)的所述检测区域(112)中被所述对象反射的激光(306)。所述至少两个发送接收单元(108)中的至少一个具有至少一个射束复制单元(305)，所述至少一个射束复制单元用于将所述至少一个激光束(303‑1‑1至303‑1‑p)复制成至少两个复制射束(303‑m‑1至303‑m‑p)。

Description

用于检测对象的激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种用于检测对象的激光雷达系统，构造有激光雷达系统的一种工作设备和/或一种车辆，以及一种用于借助激光雷达系统来检测对象的方法。
背景技术
DE 10 2004 014 041 A1公开一种用于地面车辆和航空器的障碍物识别的传感器系统。在此，根据传播时间方法工作的多个多通道测距系统安置在进行旋转的头部中。通过借助多通道测距系统的扫描对障碍物的涂料进行分析处理。
发明内容
本发明基于一种用于检测对象的激光雷达系统，该激光雷达系统具有能够围绕旋转轴线旋转的转子，其中，转子具有至少两个发送接收单元，所述至少两个发送接收单元分别具有一个检测区域。检测区域指向不同的方向。至少两个发送接收单元中的每个分别具有一个发送单元，所述发送单元具有用于将激光束发送到发送接收单元的检测区域中的至少一个激光器。至少两个发送接收单元中的每个分别具有一个接收单元，用于接收在发送接收单元的检测区域中被对象反射的激光。
根据本发明，至少两个发送接收单元中的至少一个具有至少一个射束复制单元用于将至少一个激光束的复制成至少两个复制射束。
为了能够借助单个激光雷达系统在所有方向上检测对象，可以使用进行旋转的系统。在此，在系统的旋转轴线的垂直取向上，不同的光束可以扫描不同的角度范围。在此，检测区域围绕旋转轴线覆盖极坐标的一个角度范围。转子可以具有感应式能量传输装置。感应式能量传输通过相邻的线圈进行。能量传输能够不接触地进行。由此可以避免在运行激光雷达系统时发生滑动接触(Schleifkontakt)和所引起的振动。
在此提出的方案中，在共同的转子上使用多个发送接收装置，以便在不同的方向上(尤其是不同的角度范围中)发送预给定数量的复制射束，并接收所述复制射束的反射。接下来，将所获得的方向和距离信息组合成为周围环境的整体图像。如下发送和接收单元可以称为发送接收单元：该发送和接收单元将复制射束发送到检测区域中并接收所述复制射束的来自检测区域的反射。发送接收单元可以称为激光扫描仪。发送接收单元可以提供光的发送时刻和传播时间，或者至探测到的对象的方向和距离。
激光雷达系统可以具有第一数量p的发送接收单元。第一数量p在此是大于或等于2的整数。发送接收单元可以以平衡的布置围绕旋转轴线地布置。在平衡的布置中，具有发送接收单元的转子的整体重心以及外围的重心可以落在旋转轴线上。该布置可以是静态的或静态和动态平衡的。发送接收单元可以是同类型的。发送接收单元可以具有相同的构造或相同的结构。发送接收单元可以彼此不同。发送接收单元可以具有不同的构造或不同的结构。
至少两个发送接收单元中的每个可以具有第二数量n的激光器。第二数量n是大于或等于1的整数。通过将至少一个激光束复制成至少两个复制射束来形成射束扇
Figure BDA0002550094510000021
射束扇可以由发散的复制射束组成。可以以相对于至少一个激光束的不同的角度发送至少两个复制射束。由于复制射束的角度分布，在一个平面中形成不同的分辨平面。因此可以对激光雷达系统的至少两个发送接收单元中的每个在至少一个平面中进行提高。可以将至少一个激光束复制成第三数量m的复制射束。第三数量小m是大于或等于2的整数。
根据第一数量p的发送接收单元、第二数量n的激光器和第三数量m的复制射束得出整个激光雷达系统的分辨率。通过这三个值的不同变化，可以实现改善激光雷达系统的可定标性。
可以借助常见的光传播时间方法来分析处理借助接收单元接收的激光。为此，激光雷达系统可以具有合适的分析处理单元。分析处理单元可以构造用于确定所发送的和再次接收的激光的光传播时间。确定所反射的激光脉冲的接收时间的脉冲方法，或者发送经振幅调制的激光并确定其相对于所接收的激光的相位偏移的相位方法属于这种光传播时间方法。
本发明的优点在于能够在至少一个平面中提高分辨率。在此，在每个发送接收单元的相应的发送路径中实现分辨率。在相应的接收路径中对分辨率的要求可以更低。因此，在接收路径中可以使用大孔径。在接收路径中可以使用简单的光学器件。在发送路径中可以使用简单的光学器件。对激光雷达系统的光学滤波器的要求可以保持得低。相比于在已知的发送接收单元中，借助至少一个发送单元中的保持恒定的第二数量n的激光器能够实现更高的分辨率。借助至少一个发送单元中的较少的第二数量n的激光器能够实现与在已知的发送接收单元中等大的分辨率。代替将第二数量n的激光器用于一定数量的分辨平面
Figure BDA0002550094510000031
发送单元中的单个激光器可能足以实现相同数量的分辨平面。因此能够节省激光雷达系统的大量其他电子部件。由此能够更成本有利地实现激光雷达系统。可以减小激光雷达系统的安装空间。可以使调整步骤的数量最小化。
光束复制单元不构造成进行透射的或进行反射的。
在本发明的一种有利的构型中设置，检测区域以相对于旋转轴线的不同角度位置定向。为此，发送接收单元可以至少部分地相对于转子的旋转平面倾斜地或经调整地(angestellt)布置。同样，发送接收单元的光学器件可以倾斜地布置在发送接收单元的壳体内。这种构型的优点在于，通过不同的角度位置能够将检测区域的角度范围补充成总检测区域。
在本发明的另一有利构型中设置：检测区域至少部分重叠。这种构型的优点在于：由于重叠，该重叠区域经常被扫描。如果光束在重叠区域中以一定的角度偏移定向，则以更高的分辨率扫描该重叠区域。如果光束在重叠区域中没有角度偏移，则会产生提高的采样率。
在本发明的另一有利的构型中设置：检测区域不重叠。这种构型的优点在于：在没有重叠的情况下，激光雷达系统的总检测区域是最大的。
在本发明的另一有利构型中设置，两个发送接收单元中的至少一个发送接收单元的射束复制单元中的至少一个射束复制单元进一步构造用于，在垂直方向上以及附加地或替代地在水平方向上对至少两个复制射束进行偏转。在此，“水平平面”可以理解为那些与垂线方向(Lotrichtung)成直角的平面。在此，“垂直平面”可以理解为那些平行于垂线方向的平面。这种构型的优点在于能够提高激光雷达设备的垂直分辨率以及(附加地或替代地)水平分辨率。在此能够成本有利地实现提高分辨率。
在本发明的另一有利构型中设置：将两个发送接收单元中的至少一个发送接收单元中的射束复制单元中的至少一个射束复制单元构造成衍射光学元件。衍射光学元件例如可以是光栅。衍射光学元件可以是全息光学元件。不仅进行相位偏移的实施方式(例如相位光栅)而且进行吸收的实施方式(例如振幅光栅)是能够实现的。通过衍射光学元件上的干涉产生至少两个复制射束。这些构型的优点在于：衍射光学元件能够良好地控制激光雷达系统的垂直视场。衍射光学元件能够以简单的方式且单独地匹配激光雷达系统的要求。因此通过匹配光栅常数(光栅周期、间隙宽度、照明间隙的数量)可以控制角度间隔以及关于角度的强度分布。复制射束的角度分布可以匹配于相应的发送接收单元的接收单元。
在本发明的另一有利的构型中设置：两个发送接收单元中的至少一个发送接收单元中的射束复制单元中的至少一个射束复制单元构造成折射光学元件。通过折射光学元件上的光折射产生至少两个复制射束。这种构型的优点在于能够良好地控制至少一个平面的分辨率。
在本发明的另一有利构型中设置：激光雷达系统还具有控制单元，该控制单元构造用于操控发送接收单元的至少一个激光器。在此能够时间错位地操控至少两个发送接收单元。如果发送接收单元中的至少一个具有至少两个激光器，则至少两个激光器可以是时间错位地可操控的。此外，控制单元可以构造用于操控激光雷达系统的其他部件。控制单元可以构造用于操控可旋转的转子。
还要求保护一种工作设备和/或车辆，所述工作设备和/或所述车辆构造成具有以上描述的系统。尤其在高度自动化的车辆中，所描述的激光雷达系统对于高度自动化的驾驶功能可以是有利的。所描述的用于自动驾驶功能的系统在全自动化的车辆中也可以是有利的。对于高度自动化的或全自动化的车辆，在至少一个平面中的高分辨率导致能够更好地识别车辆的周围环境。
还要求保护一种用于借助激光雷达系统来检测对象的方法，激光雷达系统具有围绕旋转轴线可旋转的转子。转子具有至少两个发送接收单元，其具有在不同方向上定向的接收区域。该方法具有以下步骤：操控至少两个发送接收单元的发送单元，用以分别将至少一个激光束发送到相应的发送接收单元的检测区域中。在此，激光在相应的发送接收单元的检测区域中被对象反射。该方法具有以下其他步骤：将由至少两个发送接收单元中的至少一个发送接收单元所发送的至少一个激光束复制成至少两个复制射束。
附图说明
以下参考附图更详细地阐述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的或相同作用的元件。
图1示出根据一种实施例的激光雷达系统的方框图；
图2示出根据一种实施例的激光雷达系统的转子的空间图示；
图3示出根据一种实施例的发送接收单元；
图4示出根据一种实施例的用于借助激光雷达系统检测对象的方法。
具体实施方式
图1示出根据一种实施例的激光雷达系统100的方框图。激光雷达系统100构造用于在360°的总检测区域102中检测对象。为此，激光雷达系统100具有转子106，该转子围绕旋转轴线104可旋转地支承。转子106是传感器载体，并且在该实施例中具有径向(diametral)相对置的两个发送接收单元108。
这种对称的布置是平衡的布置。取决于对激光雷达系统100的要求，转子106可以具有不同的第一数量p的发送接收单元108。
发送接收单元108是独立的激光扫描仪。发送接收单元108中的每个发送接收单元的发送单元具有用于发送激光束的至少一个激光器。此外，发送接收单元108还分别具有射束复制单元。射束复制单元分别将至少一个激光束复制成多个复制射束110(也参见图3)。复制射束110作为射束扇110被分别发送到每个检测区域112中。射束扇110在此径向于旋转轴线104并且偏移180°地定向。当复制射束110照射到对象上时，复制射束将由光点或光带组成的线114投射到对象上。光带可以彼此无缝地合并。
在此，两个发送接收单元108的复制射束110以相对旋转轴线104的不同角度定向。复制射束110等宽地呈扇形散开。复制射束110在旋转轴线104的法线的不同侧上定向。由此，两个检测区域112彼此互补成为激光雷达系统100的总检测区域102。
在此示出垂直方向上的旋转轴线104。因此，发送接收单元108在水平的旋转平面中在圆形轨道上运动。光点的线114在此垂直地定向。一个射束扇110指向旋转平面的上方，另一射束扇110指向旋转平面的下方。
通过驱动器116驱动转子106。由此，复制射束110围绕激光雷达系统100旋转。如此，对总检测区域102每转检测一次。转子106例如可以以高达每秒20转的速度旋转。
在一种实施例中，射束扇110基本上以相对于旋转轴线104相同的角度地定向。因此，总检测区域102覆盖与射束扇110相同的角度。为此，对总检测区域102每转检测两次。
在一种实施例中，激光雷达系统100具有无接触式的能量传输装置118。能量传输装置118具有固定放置的感应单元和与转子106共同旋转的感应单元。感应单元通过空气隙彼此间隔开。固定放置的感应单元与激光雷达系统100的能量供给装置120连接。共同旋转的感应单元与发送接收单元108连接。
激光束以脉冲的方式发送，并且激光束在照射到对象上时被散射回或被反射。通过发送与接收之间的传播时间计算发送接收单元108与对象之间的距离。转子106在发送时刻的角度位置是已知的。因此同样已知相对于对象的方向。在一种实施例中，将所述距离信息122和方向信息122无线地传输到激光雷达系统100的控制单元124。
按顺序处理信息122，因为不是同时地、而是依次地通过(abfahren)同属的水平角度范围。通过按顺序的传输，依次地传输信息122。在控制单元124中，各个发送接收单元108的距离信息122通过方向信息122相关。在这种情况下，控制单元124构造为激光雷达系统100的分析处理单元。替代地，激光雷达系统100也可以具有单独的分析处理单元。
图2示出根据一种实施例的激光雷达系统的转子106的空间图示。转子106基本上相应于图1中的转子。与此不同，转子106在此具有三个发送接收单元108。发送接收单元108是相同类型的并且彼此偏移120°的方位角地布置。转子106在此是具有三个切口200的圆盘，发送接收单元108布置在所述切口中。发送接收单元108沿着圆盘的圆周均匀分布地布置。这相应于至少静态平衡的布置，因为转子106的和发送接收单元108的重心与旋转轴线104重合。
所有的电子光学部件都可以位于转子106上。可以覆盖高达360°的检测区域。迄今，在此通过单个激光雷达系统100能够覆盖整个垂直区域。
发送接收单元108具有发送接收孔202。在所有发送接收单元108中，发送和接收孔202背向旋转轴线104。在切口200中，发送接收单元108部分地相对于圆盘的平面倾斜一角度布置，因此在此未示出的检测区域以相对于旋转轴线104的不同的角度位置定向。在此，发送接收单元108中的一个向上倾斜地布置。发送接收单元108中的一个向下倾斜地布置。发送接收单元108中的一个不倾斜地布置。通过这些布置，发送接收单元108总共覆盖激光雷达系统的总检测区域的上部区域、中间区域和下部区域。
换句话说，发送接收单元108可以称为子系统或传感器。通过在此提出的方案，可以在使用p个发送接收单元108的情况下实现降低对每个发送接收单元108的角度分辨率的要求。可以以高分辨率和高帧频对大的角度范围进行扫描。
根据第一数量p的发送接收单元108、根据第二数量n的激光器并且根据第三数量m的复制射束110得到整个激光雷达系统的分辨率。在一种实施例中，激光雷达系统具有三个发送接收单元108。第一数量p在此为3。如果要例如以180个分辨平面实现27°的垂直视场范围，则可以将180分辨平面分配给三个发送接收单元108。于是，三个发送接收单元108中的每个都可以在9°中解析其60个分辨平面。例如三个发送接收单元108中的每一个分别具有一个激光器。第二数量n为1。此外，三个发送接收单元108中的每个可以分别具有射束复制单元，该射束复制单元可以将一个激光束复制成三个复制射束。第三数量m为3。因此，每个发送接收单元108的要求降低到以3°解析20个分辨平面。
激光雷达系统也可以具有多于三个发送接收单元108，在此发送接收单元同样能够以平衡的布置分布在转子106上。例如五个发送接收单元108可以分别彼此偏移72度地布置在转子106上，或者九个发送接收单元108可以分别彼此偏移40度地布置在转子106上。通过适当地选择p个相同的发送接收单元108的垂直角度设置，可以实现提高分辨率和/或提高角度范围或提高帧速率。
激光雷达系统也可以由覆盖相同角度范围的p个发送接收单元108组成。在此，发送接收单元108也可以覆盖不同的垂直角度步长，即——例如错位一个分辨率步长。如此可以提高分辨率。如果发送接收单元108全部覆盖相同的角度范围，则可以提高重复率和/或系统的功能安全性。
图3示出根据一种实施例的发送接收单元108。发送接收单元108具有发送单元301。发送单元301具有激光器单元302。激光器单元302具有激光器302-1至302-n。激光器302-1至302-n发送激光束303-1-1至303-1-n。发送单元301可以具有在所发送的激光束303-1-1至303-1-n的光路中的光学元件308。这样的光学元件例如可以是光学透镜、镜或类似物。发送接收单元108还具有射束复制单元305。射束复制单元305可以构造成衍射光学元件或折射光学元件。激光束303-1-1至303-1-n照射到射束复制单元305上，并且被复制成复制射束303-m-1至303-m-n。在此，可以在一个水平平面中复制激光束303-1-1至303-1-n。在此，可以在一个垂直平面中复制激光束303-1-1至303-1-n。如果在检测区域112中存在对象，则复制射束303-m-1至303-m-n可以被对象散射。复制射束303-m-1至303-m-n可以被对象反射。此外，发送接收单元108具有接收单元304。借助接收单元304可以接收由对象反射的激光306。接收单元304可以具有在所接收的激光306的光路中的光学元件309。这样的光学元件可以是例如光学透镜、镜或类似物。所接收的激光306可以照射到探测器307-1至307-q上。借助在此未示出的分析处理单元可以对基于所接收的激光而生产的信号进行分析处理。
图4示出根据一种实施例的用于借助激光雷达系统来检测对象的方法400，所述激光雷达系统具有能够围绕旋转轴线旋转的转子，其中，该转子具有至少两个发送接收单元，所述至少两个发送接收单元具有在不同方向上定向的检测区域。方法400在步骤401开始。在步骤402中，操控至少两个发送接收单元中的发送单元用以分别将至少一个激光束发送到相应的发送接收单元的检测区域中。在步骤403中，将由至少两个发送接收单元中的至少一个所发送的至少一个激光束复制成至少两个复制射束。在步骤405中，分别借助至少两个发送接收单元中的每个发送接收单元的接收单元来接收在相应的发送接收单元的检测区域中被对象反射的激光。方法400在步骤405结束。

Claims (9)

1.一种激光雷达系统(100)，所述激光雷达系统用于检测对象，所述激光雷达系统具有能够围绕旋转轴线(104)旋转的转子(106)，其中，所述转子(106)具有至少两个发送接收单元(108)，所述至少两个发送接收单元(108)分别具有一个检测区域(112)，其中，所述检测区域(112)在不同的方向上定向，其中，所述至少两个发送接收单元(108)中的每个发送接收单元具有：
发送单元(301)，所述发送单元具有至少一个激光器(302-1至302-p)，用于将激光束(303-1-1至303-1-p)发送到所述发送接收单元(108)的所述检测区域(112)中；
接收单元(304)，所述接收单元用于接收在所述发送接收单元(108)的所述检测区域(112)中已经被所述对象反射的激光(306)；
其特征在于，
所述至少两个发送接收单元(108)中的至少一个发送接收单元具有至少一个射束复制单元(305)，所述至少一个射束复制单元用于将所述至少一个激光束(303-1-1至303-1-p)复制成至少两个复制射束(110，303-m-1至303-m-p)。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统(100)，其特征在于，所述检测区域(112)以相对于所述旋转轴线(104)的不同的角度位置定向。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(100)，其特征在于，所述检测区域(112)至少部分地重叠。
4.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(100)，其特征在于，所述检测区域(112)不重叠。
5.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(100)，其特征在于，所述两个发送接收单元(108)中的至少一个发送接收单元的所述射束复制单元(305)中的至少一个射束复制单元还构造用于，对所述至少两个复制射束(110，303-m-1至303-m-p)在垂直方向上和/或在水平方向上进行偏转。
6.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(100)，其特征在于，所述两个发送接收单元(108)中的至少一个发送接收单元的所述射束复制单元(305)中的至少一个射束复制单元构造为衍射光学元件。
7.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(100)，其特征在于，所述两个发送接收单元(108)中的至少一个发送接收单元的所述射束复制单元(305)中的至少一个射束复制单元构造为折射光学元件(600)。
8.一种工作设备和/或车辆，所述工作设备和/或车辆构造成具有根据权利要求1至7中任一项所述的激光雷达系统(100)。
9.一种用于借助激光雷达系统(100)检测对象的方法(400)，所述激光雷达系统具有能够围绕旋转轴线(104)旋转的转子(106)，其中，所述转子(106)具有至少两个发送接收单元(108)，所述发送接收单元具有在不同方向上定向的检测区域(112)，所述方法具有步骤：
操控(402)所述至少两个发送接收单元(108)的发送单元(301)，用于分别将至少一个激光束(303-1-1至303-1-p)发送到相应的发送接收单元(108)的所述检测区域(112)中；
分别借助所述至少两个发送接收单元(108)中的每个发送接收单元的接收单元(304)来接收(405)激光(306)，所述激光在相应的发送接收单元(108)的所述检测区域(112)中已经被所述对象反射，
其特征在于另外的步骤：
将由所述至少两个发送接收单元(108)中的至少一个发送接收单元所发送的至少一个激光束(303-1-1至303-1-p)复制(403)成至少两个复制射束(110，303-m-1至303-m-p)。
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