CN112782674A - 激光雷达及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达，包括：壳体，所述壳体中具有接收舱；接收单元，设置在所述接收舱中，配置成可接收雷达回波，所述接收单元包括光电探测器，用于将所述雷达回波转换成电信号；检测光源，设置在所述接收舱中，配置成可向所述光电探测器发射检测光束；和控制单元，所述控制单元与所述接收单元耦合，配置成当所述检测光源发射检测光束时，采集所述接收单元的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。

Description

激光雷达及其控制方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光雷达及其控制方法。

背景技术

激光雷达系统目前被广泛地用在无人驾驶领域，包括激光发射系统和探测接收系统，发射激光遇到目标后反射并被探测系统所接收，通过测量激光往返的时间可测量相应目标点的距离(如时间飞行法)，当对整个目标区域扫描探测后，则最终可实现三维成像。机械lidar是指带有电机或者其他可带动旋转的部件的产品，可以通过360度旋转，对周边的物体进行探测。

本申请的发明发现，当前机械式激光雷达激光接收端经常会发生一些故障，例如雪崩式光电二极管APD、跨阻放大器TIA、解复用器Demux、复用器Mux、高压驱动电路等发生失效、短路、开路、卡滞等，目前的激光雷达并无探测手段，存在器件损坏导致激光并未接收成功而系统却无法探知，当作前方没有障碍物存在处理的问题。因此，本领域中亟待解决当激光雷达作为感知的关键传感器应用于自动驾驶时，存在器件失效引起安全风险的问题。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种激光雷达，包括：

壳体，所述壳体中具有接收舱；

接收单元，设置在所述接收舱中，配置成可接收雷达回波，所述接收单元包括光电探测器，用于将所述雷达回波转换成电信号；

检测光源，设置在所述接收舱中，配置成可向所述光电探测器发射检测光束；和

控制单元，所述控制单元与所述接收单元耦合，配置成当所述检测光源发射检测光束时，采集所述接收单元的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。

根据本发明的一个方面，所述控制单元与所述检测光源耦合，并配置成当所述激光雷达在开机时控制所述检测光源发光，并采集所述接收单元中一个或多个节点的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。

根据本发明的一个方面，所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述控制单元配置成依次判断每个接收通道是否工作正常。

根据本发明的一个方面，所述光电探测器为雪崩光电二极管，所述检测光源设置在所述接收舱的侧壁的上部。

根据本发明的一个方面，所述检测光源包括位于所述侧壁表面的LED以及位于所述侧壁内部的PCB驱动板，所述PCB驱动板连接到所述LED。

根据本发明的一个方面，所述的激光雷达还包括位于所述壳体表面上的接收透镜，用于汇聚所述雷达回波，其中所述检测光源位于所述接收透镜上方。

根据本发明的一个方面，所述检测光源通过转角连接件被固定在所述接收舱上，所述转角连接件的侧表面与所述接收舱的侧表面齐平，所述转角连接件的顶面与所述侧壁的顶面齐平。

根据本发明的一个方面，所述控制单元配置成通过以下方式判断所述接收单元工作是否正常：

如果所述电信号的波形与所述检测光束的波形相对应，判断所述接收单元工作正常；

否则判断所述接收单元工作不正常。

本发明还涉及一种如上所述的激光雷达的控制方法，包括：

步骤S101：通过所述激光雷达的检测光源向所述激光雷达的光电探测器发射检测光束；

步骤S102：采集所述激光雷达的接收单元中一个或多个节点的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。

根据本发明的一个方面，所述步骤S101包括：当所述激光雷达在开机时控制所述检测光源发射检测光束。

根据本发明的一个方面，所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述控制方法包括：对每个接收通道分别执行所述步骤S101和步骤S102。

根据本发明的一个方面，其中判断所述接收单元工作是否正常的步骤包括：

如果所述电信号的波形与所述检测光束的波形相对应，判断所述接收单元工作正常；

否则判断所述接收单元工作不正常。

本发明的实施例的技术方案诊断覆盖率高，可以覆盖激光雷达接收端电路的全部失效。其实施复杂程度低，方案成本低：方案未增加专用检测芯片及复杂电路，因此成本低。方案合理高，诊断逻辑电路不影响正常工作电路，即使诊断电路损坏也可以通过FPGA逻辑识别出来，鲁棒性高。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达；

图2示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达的接收单元的分解图；

图3示出了根据本发明一个实施例的LED光源的示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例测试示意图；和

图5示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的控制方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达1。下面参考图1详细描述。激光雷达1主要包括发射单元200和接收单元300，其中发射单元200用于产生并出射探测激光束，探测激光束在激光雷达外部的物体上发生漫反射，部分反射光束返回到激光雷达1，由接收单元300所接收并处理，将雷达回波的光信号转换成电信号，并进行进一步的放大、模数转换、滤波等信号处理操作，最后形成激光雷达的点云，可以识别和表征外部物体的距离、方位等参数。

激光雷达1包括壳体(未示出)，用于容纳或支撑激光雷达1的机械、光学和电子器件。壳体中具有发射舱和接收舱，分别用于在其中接纳激光雷达1的发射单元200和接收单元300。图1中虽然没有示出发射舱和接收舱，但本领域技术人员容易理解，发射舱和接收舱可以在物理上通过一个或多个隔板隔离开，从而更好地隔离发射单元和接收单元，避免二者之间光线的串扰。但本发明不限于此，发射舱和接收舱也可以不必隔离开，而是通过其中容纳的发射单元200和接收单元300来大致进行区分，这些都在本发明的保护范围内。

下面参考图1描述发射单元200和接收单元300。

发射单元200包括激光器驱动电路201、激光器组件203、发射端反射镜组件208以及发射透镜209。其中，激光器组件203包括一个或多个激光器，每个均可单独控制而发出探测脉冲。激光器组件203耦接到激光器驱动电路201，由激光器驱动电路201为其提供驱动电压以及发射脉冲信号。当接收到发射脉冲信号时，激光器组件203中的一个激光器将被驱动以发出探测光束。发射端反射镜组件208以及发射透镜209依次设置在激光器组件203的光路下游，其中发射端反射镜组件208用于通过一次或多次反射，改变探测光束的方向，将探测光束反射到所述发射透镜209上。图1中示出了发射端反射镜组件208包括两个反射镜，本发明不限于此，也可以设置一个或者更多个反射镜，这都在本发明的范围内。发射透镜209通常位于激光雷达1的壳体的表面上，配置成可将入射到其上的探测光束进行准直或者其他类型的整形处理，并将其发射到激光雷达的外部，用于探测周围的障碍物。这对本领域技术人员是容易理解的，此处不再详细描述。

在接收单元300中，沿着光路的方向依次设置有接收透镜301、接收端反射镜组件302以及探测组件303。其中接收透镜301通常位于激光雷达1的壳体的表面上，例如与发射透镜209在水平方向上并置，用于接收来自外部障碍物的反射光束(或称雷达回波)，并将反射光束进行汇聚，被汇聚的光束通过接收端反射镜组件302改变其方向，经历一次或多次反射后，入射到所述探测组件303上。所述探测组件上可包括光电传感器3031(如图4所示)、放大电路、模数转换器以及其他一些信号处理电路。其中光电传感器例如可以包括光电二极管、雪崩式光电二极管APD、SiPM等，其可以根据入射到其上的光束的强度或者光子数量而输出电信号(例如电流信号)。该电信号通常比较微弱，所以需要放大电路进行放大，才能进行后续的信号处理操作。放大电路例如可以是跨阻放大器TIA，其耦接到所述光电传感器3031的输出端，接收光电传感器3031输出的电流信号，进行放大并转换输出电压信号。模数转换器连接到放大电路，用于将放大后的模拟信号采样转换并输出数字信号，以便于后续的诸如滤波、存储等操作。此处不再赘述。

根据本发明的一个优选实施例，所述探测组件303包括基板和APD阵列探测器，所述APD阵列探测器设置于所述基板一侧面，大致朝向所述接收透镜301或接收端反射镜组件302。所述APD阵列探测器为APD面阵探测器，由N×N排布的面阵雪崩光电二极管组成，其中M≥2，N≥2。如4×4,4×8,8×8等，具体地，所述N×N排布取决于激光雷达的激光器布置方式。

另外如图1所示，所述发射透镜209和接收透镜301位于激光雷达1的壳体的表面上，并且在二者之间可以设置隔光片127，用于进一步隔离发射透镜209和接收透镜301，减少二者之间的光线串扰。

如图2所示，所述激光雷达1还包括检测光源16和控制单元3032(如图4所示，或称诊断单元)。其中，检测光源16设置在所述接收舱中，配置成可发射检测光束，检测光束可以由所述光电探测器3031接收到。本领域技术人员容易理解，所述检测光源16发射出的检测光束可以直接入射到所述光电探测器3031上，也可以经过接收端反射镜组件302的反射后入射到所述光电探测器3031上，这些都在本发明的保护范围内。

如图4所示，所述激光雷达1还包括控制单元3032，控制单元3032与所述光电探测器3031耦合，配置成当所述检测光源16发射检测光束时，采集所述光电探测器3031的电信号并且进行分析，以根据分析结果来判断所述接收单元300的工作是否正常。本领域技术人员容易理解，所述控制单元3032可以集成到所述激光雷达1的探测组件303中，也可以实现为一个单独的器件，在本发明的教导下这些都是容易实现的，都在本发明的保护范围内。例如，控制单元3032可以是所述探测组件303的处理电路的一部分或一个单元模块，其可以接收经过放大、转换后的光电探测器3031的输出并进行诊断操作。

在判断过程中，例如可以对接收端整个链路进行诊断。接收单元例如包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器。根据一个实施例，通过诊断每个通道有无输出，就可以判断该通道是否正常工作。例如当所述检测光源16发射的探测光束理论上应当被所有的光电探测器所接收到时，那么每一个接收通道应当具有相应的输出。那么如果当其中一个通道没有输出时，则可断定该接收通道发生了故障。

另外也能通过接收端输出信号的脉宽、幅值和相位等参数中的一个或多个，与正常输出信号的脉宽、幅值和相位进行比对，识别由于故障导致的接收端输出信号的脉宽、幅值和相位的异常。另外，所述检测光源16所发出的脉冲的波形是可以预先设定或者获知的，所述光电探测器检测到所述检测光源16发出的光束后，控制单元3032将经过信号采集和处理后的波形，与检测光源16发出的脉冲的波形进行比较，如果二者相同或者大致吻合，则判断所述接收单元工作正常；否则，判断接收单元工作异常，发出报警。

根据本发明的一个优选实施例，所述控制单元3032与所述检测光源16耦合，并配置成当所述激光雷达在开机时控制所述检测光源16发光，进行激光雷达的自检，采集所述接收单元中一个或多个节点的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。并且当其中一个或多个接收通道发生故障时，向用户发出报警。

所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器。所述检测光源可以为一个或多个。在设置一个检测光源的情况下，检测光源被设置于预设位置，在所述预设位置上，所述检测光源的检测光束可被每个接收通道对应的光电探测器检测到。在此情况下，一个检测光源发出的检测光束可覆盖所有接收通道的光电探测器，因此一个检测光源发出的光能够被所有光电传感器接收到，也就实现了模拟多个激光器同时发光的作用。接收端有多个采样通道，各采样通道可同时工作，各个采样通道分别负责一定数目的光电传感器，因此检测光源可以以一定周期持续驱动，同每个采样通道上的光电传感器以一定周期切换就能实现对所有采样通道输出的识别。

在设置多个检测光源的情况下，多个所述检测光源发出的检测光束可覆盖所有接收通道的光电探测器。所述检测光源个数应根据所述光电探测器布局、所述检测光源强度和两者相对位置关系确定，多个所述检测光源发出的检测光束可覆盖所有接收通道的光电探测器。

根据本发明的一个优选实施例，所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述控制单元配置成依次判断每个接收通道是否工作正常。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，所述检测光源16设置在所述接收舱的内部侧壁12的相对上部。如图2和图3所示，所述检测光源16包括位于LED光源162以及PCB驱动板161，所述PCB驱动板161连接到所述LED光源162，为LED光源162提供驱动电压和电流。如图2所示，所述检测光源16可设置于所述接收透镜301上方的内部侧壁12的侧表面上。或者可替换的，检测光源16包括可在激光雷达工作温度范围内使得光电探测器3031感受到足够光辐射的发光器件。LED光源体积小、功耗低，发热量少，进而对接收舱的温度影响较小，同时驱动电压低、驱动电路简单可靠，因而是一种优选的实现方式。

根据本发明的一个优选实施例，所述检测光源16位于所述接收透镜301上方的内部侧壁，所述接收透镜位于所述壳体表面，用于汇聚所述雷达回波。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，所述检测光源16通过转角连接件17被固定在所述接收透镜301上方的内部侧壁12上，所述转角连接件17的侧表面与所述接收透镜301上方的内部侧壁12的侧表面齐平贴合，所述转角连接件17的顶面与所述内部侧壁12的顶面齐平贴合。如图2和3所示，在所述转角连接件17的侧表面上具有开孔172，在所述光源16的PCB驱动板161具有穿孔1611，二者的位置相对应，从而可以通过螺钉将所述PCB驱动板161连同所述转角连接件17固定在所述内部侧壁12上。在所述转角连接件17的上表面上具有开孔171，在所述内部侧壁12的顶面上具有相对应的开孔，从而可以通过螺钉将所述转角连接件17固定到所述内部侧部12的顶面上。因此通过转角连接件17的顶面和侧面的固定，可以将光源16牢固地固定在内部侧壁12上。

根据本发明的一个优选实施例，在接收透镜上方的内部侧壁位置上，可以尽量使得LED与光电探测器正对，使得LED发出的光的辐射能量的最大的位置照射在光电探测器上。如图3所示，根据本发明一个优选实施例，所述LED的纵向的中心轴线大致与光电探测器阵列的纵向平分线对齐。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光雷达包括上舱板(未示出)，其上可以设置有电源接口。所述上舱板上靠近接收舱的外边缘处设置有开槽，所述PCB驱动板161与所述上舱板通过软排线18相连，所述软排18的一端连接所述PCB驱动板161，另一端通过接头19连接所述上舱板的开槽处，即连接到所述上舱办上的电源接口，用于传送电源和信号。相比其他连接方式，软排线与PCB板可一体式加工，连接可靠；软排线扁平，占据空间小，同时便于接收舱处密封；安装方便。

根据本发明的一个实施例，还可以将所述LED放置于接收舱的上盖板位置，该位置便于安装。

根据本发明的一个优选实施例，所述控制单元配置成通过以下方式判断所述接收单元工作是否正常：

如果所述电信号的波形与所述检测光束的波形相对应，判断所述接收单元工作正常；

否则判断所述接收单元工作不正常。

本发明还涉及一种如上所述的激光雷达的控制方法100，例如可在如上所述的激光雷达1上实施。如图5所示，控制方法100包括：

步骤S101：当光电探测单元不接收用于测距的雷达回波时，通过所述激光雷达的检测光源向所述激光雷达的光电探测器发射检测光束；

步骤S102：采集所述激光雷达的接收单元中一个或多个节点的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。所述多个节点可以位于接收单元中的多个位置处，例如所述光电探测器的输出端、所述放大器的输出端、所述模数转换器的输出端等各个位置，本发明不限于具体的位置。

根据本发明一个优选实施例，步骤S101包括：每间隔预设的时间控制所述检测光源发射检测光束。

根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S101包括：当所述激光雷达在开机时控制所述检测光源发射检测光束。

根据本发明的一个优选实施例，所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述控制方法包括：对每个接收通道分别执行所述步骤S101和步骤S102。

根据本发明的一个优选实施例，其中判断所述接收单元工作是否正常的步骤包括：

如果所述电信号的波形与所述检测光束的波形相对应，判断所述接收单元工作正常；

否则判断所述接收单元工作不正常。

本发明的实施例的技术方案诊断覆盖率高，可以覆盖激光雷达接收端电路的全部失效。其实施复杂程度低，方案成本低：方案未增加专用检测芯片及复杂电路，因此成本低。方案合理高，诊断逻辑电路不影响正常工作电路，即使诊断电路损坏也可以通过FPGA逻辑识别出来，鲁棒性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种激光雷达，包括：

壳体，所述壳体中具有接收舱；

接收单元，设置在所述接收舱中，配置成可接收雷达回波，所述接收单元包括光电探测器，用于将所述雷达回波转换成电信号；

检测光源，设置在所述接收舱中，配置成可向发射检测光束，所述检测光束可被所述光电探测器接收；和

控制单元，所述控制单元与所述接收单元耦合，配置成当所述检测光源发射检测光束时，采集且分析所述接收单元的电信号，根据分析结果判断所述接收单元工作是否正常。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，所述检测光源设置在所述接收舱的内部侧壁的相对上部。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，还包括位于所述壳体表面上的接收透镜，用于汇聚所述雷达回波，其中所述检测光源位于所述接收透镜上方的内部侧壁。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其中所述检测光源通过转角连接件被固定在所述接收透镜上方的内部侧壁上，所述转角连接件的侧表面与所述接收透镜上方的内部侧壁的侧表面贴合，所述转角连接件的顶面与所述侧壁的顶面贴合。

5.根据权利要求2-4任一项所述的激光雷达，其中所述检测光源包括LED以及用于驱动LED的PCB驱动板；所述LED设置于所述接收透镜上方的内部侧壁的侧表面上；所述LED设置于所述PCB驱动板上。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，所述激光雷达包括上舱板，所述上舱板上靠近接收舱的外边缘处设置有开槽，所述PCB驱动板与所述上舱板通过软排线相连，所述软排线一端连接所述PCB驱动板，另一端连接所述上舱板的开槽处。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其中所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述检测光源为1个，且所述检测光源被设置于预设位置，在所述预设位置上，所述检测光源的检测光束可被每个接收通道对应的光电探测器检测到。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其中所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述检测光源为多个，多个所述检测光源发出的检测光束可覆盖所有接收通道的光电探测器。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的激光雷达的控制方法，包括：

步骤S101：当光电探测单元不接收用于测距的雷达回波时，通过所述激光雷达的检测光源向所述激光雷达的光电探测器发射检测光束；

步骤S102：采集所述激光雷达的接收单元中一个或多个节点的电信号，以判断所述接收单元工作是否正常。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中所述步骤S101包括：当所述激光雷达在开机时控制所述检测光源发射检测光束。

11.根据权利要求9所述的控制方法，其中所述步骤S101包括：每间隔预设的时间控制所述检测光源发射检测光束。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的控制方法，其中所述接收单元包括多个接收通道，每个接收通道包括相应的所述光电探测器，所述控制方法包括：对每个接收通道分别执行所述步骤S101和步骤S102。

13.根据权利要求9-11中任一项所述的激光雷达，其中判断所述接收单元工作是否正常的步骤包括：

如果所述电信号的波形与所述检测光束的波形相对应，判断所述接收单元工作正常；

否则判断所述接收单元工作不正常。

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