CN113330329A

CN113330329A - 具有lidar传感器的阻挡检测和天气检测系统

Info

Publication number: CN113330329A
Application number: CN201980090786.1A
Authority: CN
Inventors: N·特雷夫
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-08-31
Also published as: WO2020113021A1; US20200174156A1; EP3887853A1

Abstract

一种方法和装置检测LIDAR传感器的窗户上的异物，并确定恶劣天气条件（雾、喷雾、雨）的存在。LIDAR传感器具有：包括光源的照射部分；接收部分，具有用于接收从光源发送的光的至少一个光电检测器，所述光从接收光学器件的视场中的对象反射；邻近于照射部分的阻挡检测部分；以及从照射部分延伸到阻挡检测部分的窗户部分。所述方法防止当异物在窗户表面上时或当恶劣天气条件存在时散射的来自光源的光传入接收部分，并且准许这样的散射光传入阻挡检测部分。散射光被聚集在部署在阻挡检测部分中的光电二极管上。

Description

具有LIDAR传感器的阻挡检测和天气检测系统

技术领域

本发明涉及使用LIDAR（光检测和测距）相机的高级驾驶员辅助系统或自主驾驶车辆，并且特别地涉及使用高分辨率闪光LIDAR（HFL）传感器的系统，该高分辨率闪光LIDAR（HFL）传感器检测视场何时被引起性能劣化的异物阻挡。

背景技术

如相机、雷达和其他ADAS传感器之类的LIDAR传感器在传感器的视场被任何异物阻挡时——即当污垢或其他异物沉积在传感器通过其查看环境的传感器窗户上时，遭受显著的性能劣化。在HFL传感器的特定情况下，由于传感器安装在汽车之外，在那里它受到环境的直接影响，使得它易受阻挡影响，因此阻挡的影响将是显著的。窗户上的这些阻挡物质和结构包括但不限于水滴、雪、盐、冰、冷凝物、飞溅物、喷雾、污垢、泥浆、灰尘、水垢、贴纸、碎片、划痕等。

在阻挡的情况下，HFL传感器的性能由于以下主要原因而劣化。首先，激光光源的功率被部分或完全阻挡，从而减小了最大可检测距离。第二，阻挡物质通过降低分辨率、对比度、锐度和距离准确度而使图像或点云的质量劣化。此外，阻挡物质阻碍了视场的部分或全部视图。最后，大多数阻挡物质在对象周围创建光晕，从而在对象周围创建虚假的返回物（return）。

如图1中所示，常规的HFL传感器10具有包括激光器11的照射部分（I）和包括透镜12和用于接收反射光的检测器阵列14的接收部分（R）。检测器阵列14包括布置在焦平面阵列（FPA）上的多个像素（未示出）。为了保护透镜和漫射器在不利环境中免受损坏，并且为了美观目的，通常在安装在车辆外部的驾驶员辅助传感器前面部署透明玻璃窗户18。利用这样的设计，发射器和接收器共享共用的玻璃，并且由于没有通过传感器10的窗户18的隔板，所以如果诸如雨滴、泥浆、污垢、划痕等之类的阻挡20在窗户18上时，来自激光器11的部分光LL被引导通过窗户18，并被接收部分R拾取。这对于传感器10的正常运作是不希望的影响。物理上，当在玻璃窗户18上反射或散射的光L被引导通过窗户18并且由于在玻璃窗户18上进一步的反射或散射而耦合到透镜12时，该泄漏信号出现。

通常，如果窗户18非常干净，那么该光泄漏在接收部分R上引入可忽略的信号。然而，在窗户18的表面上存在一些颗粒或物质20的情况下，泄漏信号的量显著增加，从而使传感器10针对近距离变得是盲的。玻璃窗户18上的异物通过增加玻璃和阻挡界面之间的激光L的反射或散射来增加通过窗户18的所引导的光。

为了解决上述问题，图2中所示的另一常规HFL传感器10'确保隔板16'将窗户18分离成两个窗户部分18、18'，以防止光L从照射部分I到接收部分R的任何种类的直接泄漏。透镜12因此仅接收从被感测对象（未示出）反射的光RL。可替代地，隔板16'可以穿过共用的窗户18。

然而，在不损害传感器的正常功能性（对象感测）的情况下，传感器10或10'都不能可靠地检测窗户18上的阻挡或异物。

因此，需要随时检测LIDAR传感器窗户上的阻挡或异物以有助于在这样的阻挡事件中采取适当的措施。

发明内容

本发明的目的是要满足上面提到的需要。根据实施例的原理，该目的通过具有包括光源的照射部分的LIDAR传感器来实现。接收部分邻近照射部分。接收部分具有接收器光学器件和用于接收从光源发送的光的至少一个光电检测器，所述光从接收器光学器件的视场中的对象反射。第一隔板将照射部分与接收部分分离，使得来自光源的光由于第一隔板而不能进入接收部分。传感器的阻挡检测部分邻近照射部分。第二隔板将照射部分与阻挡检测部分分离。第一窗户部分从接收部分延伸到照射部分，并且第二窗户部分从照射部分延伸到阻挡检测部分。第一隔板将第一窗户部分与第二窗户部分分离，以防止来自光源的光经由窗户部分进入接收部分，其中反射光能够穿过窗户到光电检测器或光电检测器阵列。第二隔板准许当异物在窗户表面上时散射的来自照射部分的光传入阻挡检测部分。阻挡检测部分包括光电二极管和限定其的结构，该结构被构造和布置成允许散射光穿过光圈并聚集在光电二极管上。

根据实施例的另一方面，提供了一种用于检测LIDAR传感器的窗户上的异物以及检测环境中的恶劣天气条件的方法。LIDAR传感器具有包括光源的照射部分；邻近照射部分的接收部分，所述接收部分具有用于接收从光源发送的光的光电检测器，所述光从光电检测器的视场中的对象反射；邻近照射部分的阻挡检测部分；以及从照射部分延伸到阻挡检测部分的窗户部分。所述方法防止当异物在窗户表面上时或当恶劣天气条件存在时散射的来自光源的光传入接收部分。当异物在窗户表面上时或当恶劣天气条件存在时散射的来自光源的光被准许传入阻挡检测部分。散射光被聚集在部署在阻挡检测部分中的至少一个光电二极管上。

在参考随附附图考虑以下详细描述和所附权利要求——所有这些形成了本说明书的一部分——之后，本发明的其他目的、特征和特性，以及操作方法和结构的相关元件的功能、部件的组合和制造的经济性将变得更加清楚。

附图说明

从以下结合随附附图对本发明的优选实施例的详细描述中，将更好地理解本发明，其中相同的参考标号指代相同的部件，其中：

图1是常规HFL传感器的示意性视图，该HFL传感器具有用于照射部分和接收部分这两者的共用窗户，允许从传感器的照射部分泄漏的光进入传感器的接收部分；

图2是另一常规HFL传感器的示意性视图，该HFL传感器具有分离窗户的隔板，以防止从传感器的照射部分泄漏的光进入传感器的接收部分；

图3是根据实施例提供的包括具有专用阻挡检测通道的HFL传感器和控制单元的HLF系统的示意性视图；

图4是图3的HLF传感器的集成电路的示意性附图；

图5A和5B示出了系统的HFL传感器的进一步实施例的针孔光圈和光电二极管布置的不同配置；

图6是示出检测恶劣天气条件的图33的传感器的示意性视图。

具体实施方式

参考图3，示出了根据一个实施例的LIDAR系统，总体以22指示。系统22优选用于在车辆（未示出）的驾驶员辅助系统中使用或用于自主驾驶车辆。系统22包括LIDAR传感器10''，优选地为高分辨率闪光LIDAR（HFL）传感器。传感器10''典型地安装在车辆的表面23上，使得其窗户部分18、18'在车辆之外并暴露于环境。传感器10''利用激光照射车辆之外的区域，并检测激光从部署在光照区域中的对象的反射。控制单元24电耦合到传感器10''，以便处理从传感器10''接收的信号。

HFL传感器10''具有包括激光器11和闪光检测器13的激活照射部分（I）和包括接收器光学器件（诸如透镜12）和用于接收反射光RL的光电检测器（诸如PIN光电二极管或检测器阵列14）的接收部分（R）。在图3的实施例中，提供了检测器阵列14，其包括布置在焦平面阵列（FPA）上的多个像素15。隔板16'将照射部分I与接收部分R分离。隔板16'还延伸通过窗户18，以防止光L从照射部分I到接收部分R的任何种类的直接泄漏。

根据该实施例，阻挡检测部分B邻近照射部分I来提供。窗户部分18'从照射部分I延伸到阻挡检测部分。如图3中所示，由于在窗户部分18和18'之间的完整隔板16'，所以在接收部分R和照射部分I之间存在完全的分离（隔离）。然而，照射部分I和阻挡检测部分B没有完全的分离（隔离），并且因此它们由于隔板16''没有延伸通过窗户部分18'而共享同一窗户。该结构对HFL传感器10''的正常运作没有任何不利影响，这是因为在接收部分R和照射部分I之间仍然有完全的分离。然而，照射部分I和阻挡检测部分B共享共用窗户部分18'，以使得能够检测由于部署在窗户部分18'表面上的异物所致的激光阻挡。

在阻挡检测部分B内，存在诸如透镜或限定针孔光圈26的构件的结构，该结构被构造和布置成允许泄漏或散射的激光SL聚集在一个或多个光电二极管28上。光电二极管28安装在传感器10''的印制电路板30上，并将聚集的散射激光SL转换成电流。

光电二极管28与安装在电路板30上的集成电路（IC）32连接。参考图4，IC 32包括飞行时间测量电路34，该飞行时间测量电路34被构造和布置成以规律的时间间隔对来自光电二极管28的电流进行采样，并保持对光脉冲（例如，来自SL）从激光器11传播到光电二极管28所花费的时间的跟踪。IC 32还包括信号处理电路36，其被构造和布置成计算由光电二极管28接收的光脉冲的幅度和距离，并确定来自异物20的阻挡在窗户18上的存在和不存在。代替于在传感器10''中提供IC 32，IC 32可以被提供在控制单元24中。

因此，如图3中所示，从阻挡物质20散射开的激光SL成功穿过透镜或针孔光圈26并且到达光电二极管28。光电二极管28与IC 32连接，该IC 32计算给定时间间隔处的信号幅度，并将该信号转发给控制单元24的处理器电路38。处理器电路38计算距离和幅度。根据计算的距离和幅度，由处理器电路38执行的软件的阻挡检测算法确定窗户18上是否有阻挡。用于检测窗户18上阻挡的程度或存在的主要准则是由光电二极管28检测的高幅度零米或非常接近的脉冲的检测。该阻挡检测方法还利用由HFL传感器10''生成的点云进行最终决策。

主要的阻挡检测准则是在阻挡光电二极管28上接收到其距离非常近（<50cm）的信号。单独在光电二极管28上接收到信号并不能保证阻挡的检测，因为来自远处对象的光可以被阻挡光电二极管28感测到。然而，在使用针孔26而不是透镜的情况下，阻挡光电二极管28对远处对象的感测能力显著降低。这就是为什么使用针孔作为优选实施例来减少阻挡检测的模糊性。此外，LIDAR传感器的主接收通道中对象的存在和不存在也可以用作阻挡检测的输入。在主接收通道中没有对象并且在阻挡检测通道上存在非常近距离的信号导致阻挡检测的高可靠性。此外，阻挡光电二极管28上的信号幅度和车辆的运动学将进一步用于证明阻挡的存在。

可以领会，通过在电路板30上提供处理器电路38和存储电路40，控制单元24的功能可以集成到传感器10''中。

参考图5A和5B，变化针孔光圈26'相对于光电二极管检测器28的布置是可能的。如图5A中所见，从光电检测器28'到针孔光圈26'的更短距离确保了光电二极管28'查看更大得多的视场。这增加了聚集的信号，但是需要在窗户18上有大量空地，这又增加了所需的空间。

在图3的实施例中，针孔光圈26到光电二极管28之间的距离大于图5A所示的距离。该间距有助于减小窗户18上所需的空间，但是该间距减小了视场，并减少了来自阻挡的接收到的光量，使其不太灵敏。

图5B示出了还可能的是相对于针孔光圈26'的中心偏移光电二极管28''的中心以允许光电二极管28''仅在期望方向上观看。如果希望光电二极管28''仅检测阻挡，那么该配置非常有用。通常，光电二极管也可以检测其他对象，但阻挡位于零米处或至少非常近的距离处。这是HFL传感器10''的优选配置。该配置使得即使在车辆静止时也能够实现阻挡检测。

当传感器10''检测到光的阻挡如此以至于超过预定阈值时，控制单元24或其处理器电路38可以生成信号来激活清洁器42（图3），诸如刮水器、洗涤器、气泵或加热器，以去除窗户18上的阻挡。如果在清洁或加热窗户18之后阻挡仍然持续，则传感器10''可以转变到低性能模式，并利用通知信号44通知驾驶员去除阻挡或去进行维修。

系统22可以用于检测恶劣天气。参考图6，来自光电二极管28的信号可以用作输入，以确定周围环境中恶劣天气20'的存在和不存在，恶劣天气诸如雨、降雪、毛毛雨、雾、喷雾、水花、冰雹、烟雾、蒸汽、沙尘暴和来自尘暴的灰尘。当检测到恶劣天气时，集成电路32或处理器电路38被构造和布置成生成信号以操作车辆的挡风玻璃刮水器，从而试图使刮水器激活自动化。

该实施例的系统22的优点包括：

-有效检测不透明和透明的阻挡，诸如水滴、冰、细尘、划痕等

-不需要附加的光源

-不需要专门的测量周期

-节省空间

-非常灵敏（甚至可以拾取少量阻挡）

-它有助于对天气（雨、喷雾、雾等）的可靠天气检测

-仅使用几个组件

-可以容易地集成到HFL传感器基础设施中

-是非常有成本效益的解决方案

-对阻挡的出现和去除快速响应

-需要极其短的算法运行时间来用于检测

-它可以可靠地区分对象和阻挡

-它可以区分天气对象（喷雾、雨、雾）和阻挡

-利用LIDAR传感器捕获的图像

-有助于容易地确定阻挡的密度

-使得LIDAR传感器能够自清洁和加热。

本文描述的操作和算法可以被实现为如描述的IC 32或具有处理器电路38的控制单元24内的可执行代码，或者被存储在独立的计算机或机器可读的非暂时性有形存储介质上，这是基于使用一个或多个集成电路实现的处理器电路对代码的执行而完成的。所公开的电路的示例实现方式包括在诸如可编程逻辑阵列（PLA）、现场可编程门阵列（FPGA）之类的逻辑阵列中实现的硬件逻辑，或者通过诸如专用集成电路（ASIC）之类的集成电路的掩模编程实现的硬件逻辑。这些电路中的任何一个也可以使用基于软件的可执行资源来实现，该可执行资源由诸如微处理器电路（未示出）的对应内部处理器电路来执行，并且使用一个或多个集成电路来实现，其中存储在内部存储器电路中的可执行代码的执行引起实现处理器电路的（一个或多个）集成电路将应用状态变量存储在处理器存储器中，从而创建执行如本文所述的电路操作的可执行应用资源（例如，应用实例）。因此，在本说明书中，术语“电路”的使用指代使用一个或多个集成电路实现的并且包括用于执行所述操作的逻辑的基于硬件的电路，或者包括（使用一个或多个集成电路实现的）处理器电路的基于软件的电路这两者，该处理器电路包括处理器存储器的保留部分，其用于存储通过由处理器电路执行可执行代码而修改的应用状态数据和应用变量。存储器电路40可以例如使用诸如可编程只读存储器（PROM）或EPROM的非易失性存储器和/或诸如DRAM的易失性存储器等来实现。

前述优选实施例被出于说明本发明的结构和功能原理以及说明采用优选实施例的方法的目的而示出和描述，并且在不脱离这样的原理的情况下经受改变。因此，本发明包括被涵盖在以下权利要求的范围内的所有修改。

Claims

1.一种LIDAR传感器（10''），包括：

照射部分（I），包括光源（11），

接收部分（R），邻近于照射部分（I），所述接收部分（R）具有接收器光学器件和用于接收从光源发送的光的至少一个光电检测器，所述光从接收器光学器件的视场中的对象反射，

第一隔板（16'），将照射部分（I）与接收部分（R）分离，使得来自光源（11）的光由于第一隔板（16'）而不能进入接收部分（R），

阻挡检测部分（B），邻近于照射部分（I），

第二隔板（16''），将照射部分（I）与阻挡检测部分（B）分离，以及

第一窗户部分（18），从接收部分（R）延伸到照射部分（I），

第二窗户部分（18'），从照射部分（I）延伸到阻挡检测部分（B），第一隔板（16'）将第一窗户部分（18）与第二窗户部分（18'）分离，以防止来自光源（11）的光经由窗户部分（18，18'）进入接收部分（R），其中反射光能够穿过窗户到光电检测器或光电检测器阵列，

其中，第二隔板（16'）准许当异物在窗户表面上时被散射的来自照射部分（I）的光传入阻挡检测部分（B），并且

其中，阻挡检测部分（B）包括至少一个光电二极管（28）和结构，所述结构被构造和布置成允许散射光穿过光圈（26）并聚集在所述至少一个光电二极管上。

2.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括与光电二极管（28）相关联的集成电路（32），所述集成电路包括飞行时间测量电路（34），所述飞行时间测量电路（34）被构造和布置成以规律的时间间隔对来自所述光电二极管的电流进行采样，并保持对光脉冲从光源传播到光电二极管所花费的时间的跟踪。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中，集成电路（32）进一步包括信号处理电路（36），所述信号处理电路（36）被构造和布置成计算由光电二极管接收的光脉冲的幅度和距离，并确定异物在窗户表面上的存在或不存在，以及确定恶劣天气的存在和不存在。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述异物是以下各项中的一种：水滴、雪、盐、冰、冷凝物、飞溅物、喷雾、污垢、泥浆、灰尘、贴纸、碎片和窗户中的划痕。

5.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述恶劣天气是以下各项中的一种：雨、降雪、毛毛雨、雾、喷雾、水花、冰雹、烟雾、蒸汽、沙尘暴和灰尘。

6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器是高分辨率闪光LIDAR传感器或任何其他LIDAR传感器。

7.根据权利要求1所述的传感器，其中光电检测器是包括焦平面阵列上的多个像素的检测器阵列。

8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述光源是激光器。

9.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在照射部分中的闪光检测器。

10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述结构是具有光圈的构件。

11.根据权利要求1所述的传感器，进一步包括处理器电路，所述处理器电路与所述传感器电耦合，并且被构造和布置成处理从所述传感器获得的信号。

12.根据权利要求11所述的传感器，安装在车辆表面上，使得窗户部分在车辆之外。

13.根据权利要求12所述的传感器，进一步包括清洁器，使得当在窗户上检测到异物时，处理器电路被构造和布置成生成信号来操作清洁器，以试图从窗户中去除异物。

14.根据权利要求3所述的传感器，其中当检测到恶劣天气时，集成电路被构造和布置成生成信号以操作车辆的挡风玻璃刮水器，从而试图使刮水器激活自动化。

15.根据权利要求12所述的传感器，其中所述清洁器是刮水器、加热器、气泵或洗涤器。

16.一种检测LIDAR传感器的窗户上的异物和检测环境中恶劣天气条件的方法，所述方法包括：

提供LIDAR传感器，所述LIDAR传感器具有：包括光源的照射部分；邻近于照射部分的接收部分，所述接收部分具有接收器光学器件和用于接收从光源发送的光的至少一个光电检测器，所述光从接收器光学器件的视场中的对象反射；邻近于照射部分的阻挡检测部分；以及从照射部分延伸到阻挡检测部分的窗户部分，

防止当异物在窗户表面上时或当恶劣天气条件存在时散射的来自光源的光传入接收部分，

准许当异物在窗户表面上时或当恶劣天气条件存在时散射的来自光源的光传入阻挡检测部分，以及

在部署在阻挡检测部分中的光电二极管上聚集散射光。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

根据聚集的散射光确定由窗户表面上的异物引起的光阻挡程度。

18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

根据聚集的散射光和从接收部分的视场聚集的对象确定聚集的散射光是由窗户上的异物、恶劣天气条件还是外部对象引起的。

19.根据权利要求18所述的方法，其中确定步骤包括计算由光电二极管接收的光脉冲的幅度和距离。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，传感器被提供为高分辨率闪光LIDAR传感器或任何其他LIDAR传感器。

21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述异物是以下各项中的一种：水滴、雪、盐、冰、冷凝物、飞溅物、喷雾、污垢、泥浆、灰尘、贴纸、碎片和窗户中的划痕。

22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述恶劣天气是以下各项中的一种：雨、降雪、毛毛雨、雾、喷雾、水花、冰雹、烟雾、蒸汽、沙尘暴和灰尘。

23.根据权利要求17所述的方法，当光的阻挡超过预定阈值时，所述方法进一步包括：

操作清洁器以试图从窗户去除异物，或

发送关于阻挡的通知。

24.根据权利要求18所述的方法，其中当检测到恶劣天气条件时，所述方法进一步包括：

生成信号以操作车辆的挡风玻璃刮水器，从而试图使刮水器激活自动化。