CN113702991A - 光检测和测距装置及其校准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了光检测和测距装置及其校准系统。该装置包括：光束发射器(101)，其可操作以发射光束；棱镜组，其定位在光束的光路中，以将光束折射到周围对象(104)的表面上，所述棱镜组包括多个棱镜；光探测器(105)，用以检测由周围对象的表面反射的光；控制器，其被配置为基于检测到的光估计周围对象(104)的表面。控制器可操作以确定棱镜组中的相对偏离，以及基于棱镜组中的相对偏离，对控制器对周围对象(104)的表面的估计中的估计误差进行补偿。

Description

光检测和测距装置及其校准系统
技术领域
本公开内容总体上涉及系统校准，更具体地，涉及光检测和测距(LIDAR)系统的校准。
背景技术
随着无人可移动对象不断增加的性能和降低的成本，无人可移动对象(诸如无人载具、遥控飞机和其他机器人)现在广泛用于许多领域。代表性任务尤其包括房地产摄影、建筑物和其他构筑物的检查、消防和安全任务、边境巡逻和产品交付等。与仅能够在二维中感测周围环境的传统图像传感器(例如，相机)不同，LIDAR可以通过检测深度来获得三维信息。由于依赖于发射和反射的光束来确定周围环境的位置，因此仍需要改进的技术和系统来提高LIDAR扫描模块的准确性。
发明内容
本专利文献涉及用于进行LIDAR系统的校准的技术、系统和装置。
在一个示例性方面，公开了一种光检测和测距(LIDAR)装置。该装置包括：光束发射器，其可操作以发射光束；棱镜组，其定位在光束的光路中，以将光束折射到周围对象的表面上；光探测器，用以检测由周围对象的表面反射的光；控制器，其与光探测器通信，被配置为基于检测到的光估计周围对象的表面。棱镜组包括至少第一棱镜和第二棱镜。控制器可操作以(1)确定棱镜组中的相对偏离，相对偏离是第一棱镜的旋转偏差与第二棱镜的旋转偏差之间的差；以及(2)基于棱镜组中的相对偏离，对控制器对周围对象的表面的估计的估计误差进行补偿。
在另一示例性方面，公开了一种用于光检测和测距(LIDAR)装置的校准系统。该系统包括：存储器，其存储指令；以及处理器，其与存储器通信并且可操作以执行指令来实现校准LIDAR装置的第一棱镜和第二棱镜的方法。该方法包括：获得指示周围对象的表面形状的多个点；使用所述多个点来评估解释周围对象的表面形状的变化的成本函数；使用成本函数确定棱镜组中的相对偏离，其中，相对偏离是第一棱镜的旋转偏差与第二棱镜的旋转偏差之间的差；以及基于相对偏离，对估计周围对象的表面形状中的估计误差进行补偿。
在又一示例性方面，公开了一种光检测和测距(LIDAR)装置。该装置包括：光束发射器，其可操作以发射光束；棱镜组，其定位在光束的光路中，以将光束折射到周围对象的表面上；马达，其联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，可操作以以旋转速度旋转并使棱镜组中的所述一个或多个棱镜旋转；编码装置，其联接到马达，可操作以响应于马达在多个时间间隔期间的角移动而产生脉冲信号；以及控制器，其与编码装置通信，可操作以(1)基于脉冲信号确定马达的旋转速度，(2)基于旋转速度确定马达的角位置，以及(3)使用马达的角位置确定棱镜组的角位置，以便于估计周围对象的表面。
在又一示例性方面，公开了一种用于光检测和测距(LIDAR)装置的校准系统。该系统包括：存储器，其存储指令；以及处理器，其与存储器通信并且可操作以执行指令来实现校准LIDAR装置的棱镜组的方法，其中，棱镜组将出射光束引导到周围对象的表面上，该方法包括：获得与马达在多个时间间隔期间的角移动量对应的脉冲信号，其中，马达联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，以使棱镜组中的棱镜旋转；基于脉冲信号和角移动量确定马达的旋转速度；基于旋转速度确定马达的角位置；使用马达的角位置确定棱镜组的角位置；以及基于棱镜组的角位置计算出射光束的方向。
在又一示例性方面，公开了一种校准光检测和测距(LIDAR)装置的方法。该方法包括：获得指示周围对象的表面形状的多个点；使用所述多个点来评估解释周围对象的表面形状的变化的成本函数；基于所述多个点的法向矢量确定第一棱镜和第二棱镜之间的相对偏离，其中，相对偏离是第一棱镜的旋转偏差与第二棱镜的旋转偏差之间的差；以及基于相对偏离，对估计周围对象的表面形状中的估计误差进行补偿。
在又一示例性方面，公开了一种校准光检测和测距(LIDAR)装置的方法。该方法包括：获得与马达在多个时间间隔期间的角移动对应的脉冲信号，其中，棱镜组将出射光束引导到周围对象的表面上，并且马达联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，以使棱镜组中的一个或多个棱镜旋转；基于脉冲信号和角移动量确定马达的旋转速度；基于旋转速度确定马达的角位置；使用马达的角位置确定棱镜组的角位置；以及基于棱镜组的角位置计算出射光束的方向。
在附图、说明书和权利要求中更详细地描述了以上和其他方面及其实施方案。
附图说明
图1示出了根据本发明的各种实施例的示例性LIDAR传感器系统的示意图。
图2示出了使用棱镜对的示例性折射模式的图。
图3示出了使用棱镜对的出射光束的示例性移动中的一些移动。
图4A示出了在俯仰、偏航和滚转方向上限定的示例性棱镜的取向。
图4B示出了在俯仰和偏航方向上限定的马达的示例性旋转平面的取向。
图5是用以示出棱镜的滚转方向的偏差如何累积的示例性示意图。
图6A示出了包含一些盒子和其他形状的容器的示例性测试场景。
图6B示出了在没有棱镜校准的情况下的示例性重建点云数据集。
图7示出了在ΔR＝0情况下的示例性重建点数据模型与地面真实模型的比较。
图8示出了在盒子的顶表面上的示例性点的示意图。
图9A示出了在没有棱镜校准的情况下的示例性重建点云数据集。
图9B示出了在校准ΔR之后的示例性重建点云数据集。
图9C示出了地平面的示例性检测。
图9D示出了在校准R0和R1之后的示例性重建点云数据集。
图10A示出了可用于校准马达的位置的示例性编码装置。
图10B示出了由光学开关产生的示例性脉冲信号。
图11示出了可以用于动态校准马达的光学旋转编码器的示例性配置。
图12示出了可以用于动态校准马达的光学旋转编码器的另一示例性配置。
图13示出了基于历史统计的角速度的衰减的示例性分析模型。
具体实施方式
随着无人可移动对象(诸如无人汽车或航空载具)的不断增加的使用，对它们来说重要的是能够独立地检测障碍物并自动地进行避障操作。光检测和测距(LIDAR)是一种可靠且稳定的替代性检测技术。此外，与仅能够在二维中感测周围环境的传统图像传感器(例如，相机)不同，LIDAR可以通过检测深度来获得三维信息。因为LIDAR系统依赖于发射和反射的光束来确定周围环境的位置，所以希望确保校准系统的部件以实现对环境的准确估计。该专利文献描述了用于校准LIDAR系统的技术和方法，该LIDAR系统使用点云数据在周围环境的重建中提供额外的准确性。
在下文中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开技术的透彻理解。在一些情况下，没有详细描述众所周知的特征以避免不必要地模糊本公开内容。本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的引用意味着所描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开内容的至少一个实施例中。因此，本说明书中这些短语的出现不一定都指同一实施例。另一方面，这些引用也不一定是相互排斥的。此外，特定特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式进行组合。而且，要理解的是，图中所示的各种实施例仅是说明性的表示，并不一定按比例绘制。
在该专利文献中，词语“示例性”用于指用作示例、实例或说明。本文描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计优选或具有优势。相反，使用词语示例性旨在以具体方式呈现概念。
在下列描述中，仅出于说明性目的，使用LIDAR系统中的棱镜校准的示例来解释可以实现的各种技术。在其他实施例中，这里介绍的技术适用于其他合适的扫描模块、载具或两者都适用。例如，尽管关于技术引入的一个或多个图说明了Risley棱镜对中的校准，但是在其他实施例中，该技术可以以类似的方式适用于为其他类型的光学部件提供校准，该其他类型的光学部件包括但不限于其他类型的棱镜或棱镜组或者衍射光栅。
概述
图1示出了根据本发明的各种实施例的示例性LIDAR传感器系统的示意图。例如，传感器系统110可以是LIDAR传感器系统，其可以基于测量光在传感器系统110和对象104之间行进的时间，即飞行时间(TOF)来检测对象104的距离。
传感器系统110包括可以产生激光束的光发射器101。例如，激光束可以是单个激光脉冲或一系列激光脉冲。透镜102可以用于准直由光发射器101产生的激光束。准直光可以被引导朝向光束分离装置103。光束分离装置103可以允许来自光源101的准直光通过。替代性地，当采用不同的方案时(例如，当光发射器定位在检测器前方时)，光束分离装置103可能不是必需的。
在图1所示的该特定实施例中，LIDAR传感器系统100在出射光的路径中包括Risley棱镜对。Risley棱镜对可以包括两个棱镜151-152，用于光操纵/扫描。例如，两个棱镜151-152可以以平行方式彼此相邻放置。在各种实施例中，棱镜151-152可以具有圆形横截面，并且棱镜151-152的中心轴线可以彼此重合。在各种实施例中，一个或多个马达(例如，马达108)可以使(例如，通过齿轮或其他控制/驱动机构)棱镜151-152绕公共轴线109(例如，中心轴线)旋转。例如，在一些实施方案中，系统可以包括单个马达，该单个马达例如通过一组齿轮或其他合适的机构负责驱动棱镜中的一些或全部棱镜。在其他示例中，棱镜可以由单独的马达单独驱动。两个棱镜的旋转频率、几何形状和取向可以不同，使得两个棱镜之间的相对角可以随时间变化。因此，当激光束通过棱镜对151-152时，出射光束的方向可以相应地改变。由于折射率的差异(即，棱镜可以具有与空气不同的折射率)，当光束通过棱镜时，在各种空气-基板界面处可能发生折射。
光束操纵装置可以包括各种光学元件，诸如棱镜、反射镜、光栅、光学相位阵列(例如，液晶控制光栅)。这些不同的光学元件可以绕公共轴线109旋转，以便操纵光朝向不同的方向，诸如方向111和111'。
当出射光束111碰到对象104时，反射或散射的光可以在大角120上扩散，并且只有一小部分能量可以朝向传感器系统110反射回来。返回光束112可以被光束分离装置103朝向接收透镜106反射，该接收透镜可以收集返回的光束并将其聚焦在检测器105上。
检测器105接收返回的光并将该光转换成电信号。而且，测量电路(诸如飞行时间(TOF)单元107可以用于测量TOF，以便检测到对象104的距离。因此，传感器系统110可以基于光源101产生光脉冲111和检测器105接收返回光束112之间的时间差来测量到对象104的距离。
在图2所示的示例中，入射光束201可以以竖直角从空气入射到第一棱镜210的第一表面处。由于光束201垂直于第一表面，因此不会发生折射(即，在第一棱镜210中透射的光束202与入射光束201在相同的方向上)。在其他示例中，如果入射角是非竖直的，则可以在第一表面处发生折射。
此外，当光束202从第一棱镜210射出时，在第一棱镜210的第二表面处可能发生折射并形成光束203。此外，当光束203入射到第二棱镜211中时，在第二棱镜211的第一表面发生折射并形成折射光束204。然后，当光束204穿过第二棱镜211的第二表面时，出射光束205进一步偏离原始入射光束201的方向。
此外，随着棱镜210和211旋转，出射角205'相应地改变。棱镜210和211的不同旋转速度可以引起出射光束的不同类型的移动。图3示出了使用棱镜对的出射光束的示例性移动中的一些移动。
为了准确地测量对象104到LIDAR传感器系统110的距离，期望知道棱镜的准确取向和旋转角。如下面更详细讨论的，这里公开的实施例能够确定棱镜中的不同偏离，并且通过补偿控制器对周围对象的估计中的估计误差来执行校准。在一些示例中，控制器可以可操作以确定棱镜组中的相对偏离和/或棱镜组中的共同偏离，并基于这些偏离中的一个或多个偏离来执行校准。在这些示例中的一些示例中，控制器能够使用这些确定的偏离来确定棱镜组中的每个棱镜的旋转偏差，并且使用旋转偏差获得校准量。
对静态棱镜属性的校准
在棱镜401安装在LIDAR系统中之后，如图4A所示，其初始取向可以在俯仰、偏航和滚转方向上限定为(p0，y0，r0)。在一些实施方案中，棱镜401还联接到具有旋转平面411的马达(为简单起见未示出)。图4B示出旋转平面411的取向进一步在俯仰和偏航方向上限定为(p1，y1)。理想地，所有这些值-p0、y0、r0、p1和r1-都是零。然而，制造过程中的不精确可能引起棱镜的预期取向以及马达的取向的偏差。如果偏差未经调整，则它们可能大大地影响TOF计算的准确性，并导致对周围对象的错误估计。因此，期望校准LIDAR系统以解释这些偏差。特别地，棱镜的取向在滚转方向上的偏差对感测结果具有实质影响。因此，本公开的技术集中于校准棱镜在滚转方向上的偏差。然而，注意，这里公开的技术可以应用于以类似的方式减轻其他方向上的偏差。
图5是示出棱镜在滚转方向上的偏差如何累积的示例性示意图。累积的偏差可以导致周围对象的估计位置与周围对象的实际位置之间的较大差异。在该示例中，棱镜1在滚转方向上具有小的偏差角501，该偏差角可能在棱镜1的安装期间由制造不精确引起。类似地，由于制造过程中的不精确，棱镜2在滚转方向上具有小的偏差角503。偏差角501和503也可以在棱镜组安装之后由其他因素引起，诸如LIDAR系统在其使用期间遭受的结构影响。在不知道偏差角501的情况下，方向511是来自第一棱镜的出射光束的预期方向。然而，由于偏差角501，实际方向513偏离预期方向511。类似地，方向515是来自第二棱镜的出射光束的预期方向。由于在滚转方向上累积的501和503的偏差，实际方向517偏离515。
图6A至图6B示出了在测试场景中由棱镜偏差引入的示例性误差。图6A示出了包含一些盒子和其他形状的容器的示例性测试场景。图6B示出了在没有棱镜校准的情况下的示例性重建点云数据集。由于棱镜的取向(特别地，滚转方向)中的偏差，重建的表面中的一些表面看起来是翘曲的。例如，地表面601看起来是弯曲表面而不是平坦表面。其他表面(诸如603)也看起来具有一些物理变形，这些物理变形可能无法准确地表示测试场景中的对象。
实验已经表明，假设第一棱镜在滚转方向上具有偏差R0，并且第二棱镜在滚转方向上具有偏差R1，则表面变形可以在很大程度上归因于ΔR＝R0-R1。例如，如图7所示，当ΔR＝0(即，R0＝R1)时，盒子701的重建点数据模型没有表现出太多的表面变形。模型701仅示出了与地面真实模型703相比由第一棱镜的偏差R0引起的旋转偏离。因此，期望首先评估ΔR。然后，在获得剩余的偏离R0之后，通过计算R1＝R0+ΔR可以知道R1。在一些实施方案中，还可以独立地并且以不同的顺序评估R0和R1。在其他实施方案中，R0和R1可以被视为棱镜组的组合偏差并且作为整体一起评估。
在各种实施例中，校准过程可以利用LIDAR传感器系统的周围对象中的平滑或平坦表面。例如，LIDAR传感器系统可以感测建筑物和街道。建筑物的表面在从远处被感测时可以被视为几个平坦表面。类似地，其他对象(诸如椅子或路缘石)可以被视为具有主平坦表面，虽然表面中的一些表面可以具有弯曲的子部分。基本平坦表面的表面法线在表面上的不同位置处保持近似相同。
因此，如果点云数据集中的一组点被认为是同一对象的表面点，则可以合理地假设每个点处的表面法线非常接近其相邻点处的表面法线。例如，图8示出了在盒子的顶表面上的示例性点的示意图。点801具有若干相邻点，包括点803和点805。
在一些实施例中，相邻点可以在时间域中与点801相邻(例如，因为每个点与指示LIDAR感测系统何时检测到反射的光信号的时间戳相关联)。例如，点803与ti-1的时间戳相关联，点801与ti的时间戳相关联，以及点805与ti+1的时间戳相关联。替代性地，当相邻点的位置指示它们定位成彼此接近时，相邻点也可以在空间域中与点801相邻。
在一些实施例中，空间相邻点和时间相邻点可以是相同的一组点。在一些实施例中，空间相邻点和时间相邻点可以是两组基本上重叠但不相同的点。在图8所示的特定示例中，可以基于点801的相邻点(例如点803和点805)的位置为点801计算法向矢量N1。类似地，可以基于点803的相邻点(例如点801和点807)的位置为点803计算法向矢量N2。因为点801和803都位于盒子的顶表面上，所以N1和N2基本上相同，并且N1和N2之间的角θ1接近零。
如果点定位成接近表面边界，则计算的法向矢量可能无法准确地反映对象的实际表面法线。例如，点817位于盒子的顶表面和侧表面中的一个侧表面的边界处。其法向矢量N3受其相邻点819中的一个相邻点的位置影响。类似地，点817的法向矢量N4也受影响，并且因此不准确。N3和N4之间的角θ2基本上大于其他法向矢量之间的角度值。在一些实施方案中，考虑如果边界点的法线与相邻法线之间的角超过预定阈值，则可以使用边界条件T(θ)来排除边界点。
在一些实施例中，找到ΔR的问题可以被视为解决在给定N个点的点云数据集的情况下最小化θi的优化问题：
Figure BDA0003264440660000091
图9A示出了在没有棱镜校准的情况下的示例性重建点云数据集(与图6B相同)。图9B示出了在校准相对偏离ΔR之后的示例性重建点云数据集。显然，在校准ΔR之后，表面变形大大减小。
在各种实施例中，LIDAR传感器系统的周围对象包括地平面(例如，街道、道路或地板)作为参照物。可以假设地平面具有与如图4A所示的y轴对齐的法向矢量：Ny＝(0,1,0)。因此，在知道ΔR之后，可以通过首先检测点云数据集中的参考平面(例如，地平面或其他合适的参照物)然后计算地平面的法向矢量和Ny之间的差来获得第一棱镜的偏差R0。例如，如图9C所示，可以使用算法(诸如随机样本一致性(RANSAC)算法)来检测地平面901。地平面901的法线计算为N'，而地面真实法线应该是Ny。N'和Ny之间的
Figure BDA0003264440660000101
指示第一棱镜的偏差R0。然后，通过计算R0+ΔR可以随后获得偏差R1。图9D示出了在校准R0和R1之后的示例性重建点云数据集。在一些实施方案中，参照物也可以是除地平面之外的对象。例如，在预定测试场景中，参照物可以是具有已知表面法线的预先识别的对象。
对动态棱镜属性的校准
除了棱镜在各个方向上的静态偏差之外，LIDAR传感器系统还需要棱镜的准确动态角位置以计算周围对象的估计位置。在一些实施例中，棱镜组联接到具有不同齿轮的马达，使得马达可以在棱镜组中的不同棱镜中驱动不同的角移动。棱镜组还可以联接到多个马达，以允许棱镜组中的不同棱镜的不同角移动。因此，对马达位置的校准使得能够准确读取棱镜的角位置。
可以使用各种类型的编码装置来校准马达的位置。例如，编码装置可以是利用赫尔效应的导电旋转编码器。替代性地，编码装置可以是光学旋转编码器。图10A至图10B示出了可以用于动态地校准马达的位置的示例性系统。图10A中所示的特定示例是联接到光学开关1003的光学旋转编码器1001。一组孔1005沿着编码器1001的周边分布。光学开关1003定位成接近孔1005，使得它可以响应于光学旋转器的角移动产生脉冲信号。
图10B示出了由光学开关1003产生的示例性脉冲信号。每次脉冲信号变为高电平时(诸如在T0或T1处)，它触发马达的动态校准。动态校准方法是基于作为现有知识的马达的强转动惯量的假设而言的。因为马达的旋转移动的时间常数大，所以可以假设，在没有任何驱动力变化的情况下，马达的角速度W在短时间段内是恒定的。因此，马达在时间t处的角位置可以限定为：
A(t)＝A0+(t-T0)*W 等式(2)
因此，在每个触发点处由脉冲信号(诸如T0)指示的校准允许准确读取在时间t处的马达位置A(t)。
图11至图12示出了可以用于马达的动态校准的光学旋转编码器的一些示例性配置。例如，如图11所示，光学旋转编码器可以包括附加孔1101，以确定编码器的绝对零位置。相应地，两个光学传感器1103和1105联接到光学旋转编码器。较小的光学传感器1103产生与图10中所示的传感器1003相同类型的脉冲信号，而较大的光学传感器1105产生指示编码器的绝对零位置的信号。
替代性地，如图12所示，光学旋转编码器1201可以沿其周边包括单个缺失的孔。缺失的孔可以便于检测编码器1201的绝对零位置。例如，两个相同的光学传感器1203a和1203b可以定位成接近孔以产生脉冲信号S1和S2。通过对S1和S2应用逻辑OR运算，可以获得等同于图10B所示的脉冲信号的脉冲信号S3。可以通过对S1和S2应用逻辑XOR运算来获得指示编码器的绝对零位置的脉冲信号S4。
类似地，依赖于马达的转动惯量，可以基于先前N个时间间隔中的速度值来预测角速度W。可以使用各种方法进行预测。示例性方法中的一些示例性方法包括：
1.基于先前n个时间间隔中的速度值计算平均速度。例如，在时间t(Wt)处的预测速度可以被限定为：
Figure BDA0003264440660000111
AngleDiff(i)是马达在时间间隔I中的角位置的差，以及TimeDiff(i)是时间间隔i中的时间的差。
2.基于先前n个时间间隔中的速度值计算加权速度。例如，预测速度Wt可以被限定为：
Figure BDA0003264440660000112
这里，w(i)是每个时间间隔i中的权重，并且
Figure BDA0003264440660000113
在一些实施例中，权重与时间成反比。例如，如果j>i(即，时间间隔j比时间间隔i更接近预测时间)，则w(j)比w(i)被赋予更大的值，因为更接近时间t的速度是在时间t处的速度的更好的指示。
3.基于角速度W的预定模型计算预测速度。例如，图13示出了基于W值的历史统计的角速度W的衰减的示例性分析模型。使用该模型，可以在给定特定时间t的情况下计算预测角速度Wt。
因此明显的是，在所公开的技术的一个方面，公开了一种光检测和测距(LIDAR)装置。该装置包括：光束发射器，其可操作以发射光束；棱镜组，其定位在光束的光路中，以将光束折射到周围对象的表面上；光探测器，用以检测由周围对象的表面反射的光；以及控制器，其与光探测器通信，被配置为基于检测到的光估计周围对象的表面。棱镜组包括至少第一棱镜和第二棱镜。控制器可操作以(1)确定棱镜组中的相对偏离，该相对偏离是第一棱镜的旋转偏差与第二棱镜的旋转偏差之间的差；以及(2)基于棱镜组中的相对偏离，对控制器对周围对象的表面的估计的估计误差进行补偿。
在一些实施例中，在确定相对偏离时，控制器可操作以执行对成本函数的评估，该成本函数解释周围对象的表面的性质的变化。确定相对偏离还可以包括最小化成本函数。在一些实施例中，对于所述多个测量点中的每个点，对成本函数的评估包括：(1)确定点的法向矢量，该点表示如由控制器使用检测到的光测量的周围对象的表面上的点；以及(2)将该点的法向矢量与该点的相邻点的法向矢量进行比较。相邻点可以在时间上与该点相邻。相邻点也可以在空间上与该点相邻。在一些实施方案中，控制器可操作以响应于确定该点的法向矢量与相邻点的法向矢量之间的角超过预定阈值而排除该点。
在一些实施例中，控制器还可操作以确定棱镜组中的共同偏离，该共同偏离是棱镜组的旋转偏差。可以基于对参照物的估计法向矢量的评估来确定共同偏离。控制器可操作以对多个测量点执行随机样本一致性(RANSAC)函数以识别参照物。在一些实施例中，控制器在对估计误差进行补偿时可操作以基于相对偏离和共同偏离来确定第一棱镜的旋转偏差和第二棱镜的旋转偏差。
在一些实施例中，该装置还包括：马达，其联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，可操作以以旋转速度旋转并使棱镜组中的所述一个或多个棱镜旋转；以及编码装置，其联接到马达，可操作以响应于马达在多个时间间隔期间的角移动量而产生脉冲信号。控制器可操作以(1)基于脉冲信号确定马达的旋转速度，(2)基于旋转速度确定马达的角位置，以及(3)使用马达的角位置确定棱镜组的角位置，以便于估计周围对象的表面。
编码装置可以是导电旋转编码器。编码装置也可以是光学旋转编码器。在一些实施方案中，光学旋转编码器可以包括：圆形板，其包括沿着圆形板的周边分布的多个孔，其中单个孔缺失；以及两个相同的光学传感器，其并排地定位在圆形板的周边位置处。控制器可以可操作以通过评估马达在所述多个时间间隔期间的平均角移动量来确定马达的旋转速度。控制器可以可操作以通过评估马达的加权角移动量来确定马达的旋转速度，其中，所述多个时间间隔中的每个时间间隔中的角移动被赋予与时间成反比的不同权重。控制器还可以可操作以使用马达的旋转速度的预定分析模型来确定马达的旋转速度。
在所公开的技术的另一方面，公开了一种用于光检测和测距(LIDAR)装置的校准系统。该系统包括：存储器，其存储指令；以及处理器，其与存储器通信并且可操作以执行指令，以实现校准LIDAR装置的包括至少第一棱镜和第二棱镜的棱镜组的方法。该方法包括：获得指示周围对象的表面形状的多个点；使用所述多个点来评估解释周围对象的表面形状的变化的成本函数；使用成本函数确定棱镜组中的相对偏离，其中，相对偏离是第一棱镜的旋转偏差与第二棱镜的旋转偏差之间的差；以及基于相对偏离，对估计周围对象的表面形状的估计误差进行补偿。
在一些实施例中，确定相对偏离包括最小化成本函数。对于所述多个点中的每个点，评估成本函数包括：确定点的法向矢量，该点表示如由控制器使用检测到的光测量的周围对象的表面上的点；以及将该点的法向矢量与该点的相邻点的法向矢量进行比较。相邻点可以在时间上与该点相邻。相邻点也可以在空间上与该点相邻。评估成本函数还可以包括响应于确定该点的法向矢量与相邻点的法向矢量之间的角超过预定阈值而排除该点。
在一些实施例中，该系统还包括确定棱镜组中的共同偏离，共同偏离是棱镜组的旋转偏差。确定共同偏离包括识别所述多个点中的参照物。
在所公开的技术的另一方面，公开了一种光检测和测距(LIDAR)装置。该装置包括：光束发射器，其可操作以发射光束；棱镜组，其定位在光束的光路中，以将光束折射到周围对象的表面上；马达，其联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，可操作以以旋转速度旋转并使棱镜组中的所述一个或多个棱镜旋转；编码装置，其联接到马达，可操作以响应于马达在多个时间间隔期间的角移动量而产生脉冲信号；以及控制器，其与编码装置通信，可操作以(1)基于脉冲信号确定马达的旋转速度，(2)基于旋转速度确定马达的角位置，以及(3)使用马达的角位置确定棱镜组的角位置，以便于估计周围对象的表面。
编码装置可以是导电旋转编码器。编码装置也可以是光学旋转编码器。在一些实施方案中，光学旋转编码器包括：圆形板，其包括沿着圆形板的周边分布的多个孔，其中单个孔缺失；以及两个相同的光学传感器，其并排地定位在圆形板的周边位置处。
在一些实施例中，控制器通过评估马达在多个时间间隔期间的平均角移动量来确定马达的旋转速度。控制器可以通过评估马达的加权角移动量来确定马达的旋转速度，其中，所述多个时间间隔中的每个时间间隔中的角移动被赋予与时间成反比的不同权重。控制器还可以使用马达转速的预定分析模型来确定马达的旋转速度。
在所公开的技术的另一方面，公开了一种用于光检测和测距(LIDAR)装置的校准系统。该系统包括：存储器，其存储指令；以及处理器，其与存储器通信并且可操作以执行指令，以实现校准LIDAR装置的棱镜组的方法，其中，该棱镜组将出射光束引导到周围对象的表面上。该方法包括：获得与马达在多个时间间隔期间的角移动量对应的脉冲信号，其中，马达联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，以使棱镜组中的所述一个或多个棱镜旋转；基于脉冲信号和角移动量确定马达的旋转速度；基于旋转速度确定马达的角位置；使用马达的角位置确定棱镜组的角位置；以及基于棱镜组的角位置计算出射光束的方向。
在一些实施例中，确定马达的旋转速度包括评估马达在所述多个时间间隔期间的平均角移动量。确定马达的旋转速度可以包括评估马达的加权角移动量，其中，所述多个时间间隔中的每个时间间隔中的角移动被赋予与时间成反比的不同权重。确定马达的旋转速度还可以包括使用马达的旋转速度的预定分析模型。
在所公开的技术的另一方面，公开了一种校准光检测和测距(LIDAR)装置的方法。该方法包括：获得指示周围对象的表面形状的多个点；使用所述多个点来评估解释周围对象的表面形状的变化的成本函数；基于所述多个点的法向矢量确定第一棱镜和第二棱镜之间的相对偏离，其中，相对偏离是第一棱镜的旋转偏差与第二棱镜的旋转偏差之间的差；以及基于相对偏离，对估计周围对象的表面形状的估计误差进行补偿。
在一些实施例中，确定相对偏离包括最小化成本函数。对于所述多个测量点中的每个点，评估成本函数包括：确定点的法向矢量，该点表示如由控制器使用检测到的光测量的周围对象的表面上的点；以及将该点的法向矢量与该点的相邻点的法向矢量进行比较。相邻点可以在时间上与该点相邻。相邻点也可以在空间上与该点相邻。
在一些实施例中，对估计误差进行补偿包括确定棱镜组中的共同偏离，该共同偏离是棱镜组的旋转偏差。该确定包括对所述多个点执行随机样本一致性(RANSAC)函数以识别参照物。
在所公开的技术的另一方面，一种校准光检测和测距(LIDAR)装置的方法。该方法包括：获得与马达在多个时间间隔期间的角移动对应的脉冲信号，其中，棱镜组将出射光束引导到周围对象的表面上，以及马达联接到棱镜组中的一个或多个棱镜，以使棱镜组中的所述一个或多个棱镜旋转；基于脉冲信号和角移动确定马达的旋转速度；基于旋转速度确定马达的角位置；使用马达的角位置确定棱镜组的角位置；以及基于棱镜组的角位置计算出射光束的方向。
在一些实施例中，确定马达的旋转速度包括评估马达在所述多个时间间隔期间的平均角移动量。确定马达的旋转速度可以包括评估马达的加权角移动量，其中，所述多个时间间隔中的每个时间间隔中的角移动被赋予与时间成反比的不同权重。确定马达的旋转速度还可以包括使用马达的旋转速度的预定分析模型。
本文描述的实施例中的一些实施例在方法或过程的总体背景中进行描述，其可以在一个实施例中由计算机程序产品实现，该计算机程序产品以计算机可读介质体现，包括由网络环境中的计算机执行的计算机可执行指令，诸如程序代码。计算机可读介质可以包括可移动和不可移动存储装置，该可移动和不可移动存储装置包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、光盘(CD)、数字通用盘(DVD)等。因此，计算机可读介质可以包括非暂时性存储介质。通常，程序模块可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例行程序、程序、对象、部件、数据结构等。计算机(或处理器)可执行指令、相关数据结构和程序模块表示用于执行本文公开的方法的步骤的程序代码的示例。这种可执行指令或相关数据结构的特定序列表示用于实现在这些步骤或过程中描述的功能的对应动作的示例。
可以使用硬件电路、软件或其组合将所公开的实施例中的一些实施例实现为装置或模块。例如，硬件电路实施方案可以包括离散的模拟和/或数字部件，其例如被集成为印刷电路板的一部分。替代性地或另外地，所公开的部件或模块可以被实现为专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)装置。一些实现方案可以附加地或替代性地包括数字信号处理器(DSP)，其是具有针对与本申请的公开功能相关联的数字信号处理的操作需求而优化的架构的专用微处理器。类似地，每个模块内的各种部件或子部件可以用软件、硬件或固件实现。可以使用本领域中已知的连通方法和介质中的任何一种来提供模块内的模块和/或部件之间的连通性，包括但不限于使用适当协议的因特网、有线或无线网络上的通信。
虽然本专利文献包含许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或可能要求保护的内容的范围的限制，而是作为对可以特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。在单独的实施例的背景下在本专利文献中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以分别地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。此外，尽管在上面特征可以被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在一些情况下可以从组合中切除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
类似地，虽然在图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按先后顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。此外，在本专利文献中描述的实施例中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离。
仅描述了少数实施方式和示例，并且可以基于本专利文献中描述和示出的内容来进行其他实现、增强和变化。

Claims (10)

1.一种光检测和测距装置，包括：
光束发射器，其可操作以发射光束；
棱镜组，其定位在所述光束的光路中，以将所述光束折射到周围对象的表面上，所述棱镜组包括多个棱镜；
光探测器，用以检测由所述周围对象的表面反射的光；
控制器，其与所述光探测器通信，被配置为基于检测到的光估计所述周围对象的表面，
其中，所述控制器可操作以确定所述棱镜组中的相对偏离，所述相对偏离是各所述棱镜的旋转偏差之间的差；以及基于所述棱镜组中的所述相对偏离，对所述控制器对所述周围对象的表面的估计的估计误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，在确定所述相对偏离时，所述控制器可操作以执行对成本函数的评估，所述成本函数解释所述周围对象的表面的性质的变化；其中，
确定所述相对偏离包括最小化所述成本函数；和/或
对于多个测量点中的每个点，对所述成本函数的评估包括：确定所述点的法向矢量，所述点表示如由所述控制器使用所述检测到的光测量的所述周围对象的表面上的点；将所述点的法向矢量与所述点的相邻点的法向矢量进行比较。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述相邻点在时间上与所述点相邻；和/或，
所述相邻点在空间上与所述点相邻。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制器可操作以响应于确定所述点的法向矢量与所述相邻点的法向矢量之间的角超过预定阈值而排除所述点。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还可操作以确定所述棱镜组中的共同偏离，所述共同偏离是所述棱镜组的旋转偏差。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，基于对参照物的估计法向矢量的评估来确定所述共同偏离。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述控制器可操作以对多个测量点执行随机样本一致性函数以识别所述参照物。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制器在对所述估计误差进行补偿时可操作以基于所述相对偏离和所述共同偏离来确定每个所述棱镜的旋转偏差。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：
马达，其联接到所述棱镜组中的一个或多个棱镜，可操作以以旋转速度旋转并使所述棱镜组中的所述一个或多个棱镜旋转；以及
编码装置，其联接到马达，可操作以响应于所述马达在多个时间间隔期间的角移动而产生脉冲信号；
其中，所述控制器可操作以基于所述脉冲信号确定所述马达的旋转速度，基于所述旋转速度确定所述马达的角位置，以及使用所述马达的角位置确定所述棱镜组的角位置，以便于估计所述周围对象的表面。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，
所述编码装置是导电旋转编码器；或者，所述编码装置是光学旋转编码器；其中，所述光学旋转编码器包括：圆形板，其包括沿着所述圆形板的周边分布的多个孔，其中，单个孔缺失；以及，两个相同的光学传感器，其并排地定位在所述圆形板的周边位置处；
和/或，
所述控制器可操作以通过评估所述马达在所述多个时间间隔期间的平均角移动量来确定所述马达的旋转速度；或者，所述控制器可操作以通过评估所述马达的加权角移动量来确定所述马达的旋转速度，其中，所述多个时间间隔中的每个时间间隔中的角移动被赋予与时间成反比的不同的权重；或者，所述控制器可操作以使用所述马达的旋转速度的预定分析模型来确定所述马达的旋转速度。
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