CN113740827A - 激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

公开一种激光雷达系统(2)，其在接收路径中包括视频传感器(4)和激光雷达传感器(5)。激光雷达系统(2)在接收路径中具有可旋转镜(7)，以便将入射到所述激光雷达系统(2)中的光转向至视频传感器(4)和/或激光雷达传感器(5)。

Description

激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统，其在接收路径中包括视频传感器和激光雷达传感器。

背景技术

在常见的高度自动化的交通工具(Fahrzeug)中，将视频数据与激光雷达-点云数据合并以便实现可靠的对象探测。为此，通常将彼此分离的视频传感器和激光雷达传感器集成到交通工具中。为此通常必须构造高成本的车顶箱。此外，必须关于激光雷达传感器对视频传感器进行校准。通过分离的交通工具集成得到长的公差链(Toleranzkette)。由分离的交通工具集成产生的另一个缺点是：两个传感器类型必然具有不同传感器坐标系，所述不同传感器坐标系在周围环境中具有不同的视角。在能够执行相应数据的合并之前，这要求原始数据的开销极高的转换。

WO 2014/040 081 A1公开一种激光雷达系统，其具有由深度摄像机和图像摄像机组成的组合。该文件公开，所述两个摄像机/传感器系统借助在接收射束路径中的可旋转镜能够被安置在单个模块中。

EP 3460520 A1公开一种用于激光雷达系统的多射束激光扫描仪。在接收射束路径中设置有可旋转镜。可旋转镜通过中央聚焦光学器件使接收射束转向至多个光电探测器上。

从WO 2017/106875 A1中已知一种激光雷达系统，其中，可旋转镜设置在发送射束路径中用于以光束扫描视场。

WO 2016/126297 A1示出并且描述了一种移动式安全机器人，其中，在接收射束路径中设置有可旋转镜，以便扩大图像传感器的视场。

发明内容

根据本发明提供一种激光雷达系统，该激光雷达系统在接收路径中具有可旋转镜，以便将入射到激光雷达系统中的光转向至视频传感器和/或激光雷达传感器。

本发明的优点

该激光雷达系统的优点在于，在视频传感器和激光雷达传感器之间的公差链被最小化。此外，交通工具集成仅进行一次，这导致成本节省。由于轴承间隙而影响可旋转镜的、可能的振动或者说冲击

还以相同的方式作用到两个传感器上。此外，待识别的对象在测量的时刻对于两个传感器总是位于相同的位置上，从而产生两个传感器的测量数据的高相关性。

在一些实施方式中，激光雷达传感器、视频传感器和可旋转镜安装在共同的壳体中。因此，能够提供紧凑的单元，该单元能够记录视频数据和激光雷达数据。

一些实施方式设置，可旋转镜具有第一运行位置和第二运行位置，在该第一运行位置中可旋转镜布置用于将入射光转向至激光雷达传感器，在该第二运行位置中可旋转镜布置用于将入射光转向至视频传感器。因此，能够选择性地将入射光引导至要么激光雷达传感器、要么视频传感器。

其他实施方式设置，可旋转镜具有第一运行位置，在该第一运行位置中可旋转镜布置用于将入射光转向至激光雷达传感器和视频传感器，并且具有第二运行位置，以便中断通向激光雷达传感器和视频传感器的接收路径。因此，在第一运行位置中，入射光能够同时被转向到激光雷达传感器和视频传感器上，并且在第二运行位置中，能够同时中断用于激光雷达传感器和视频传感器的接收路径。

激光雷达系统优选具有二向色镜(dichroitischen Spiegel)。由此能够将入射光的、适用于视频传感器的可见波长与适用于激光雷达传感器的红外波长分离。二向色镜可以是静态镜，该静态镜能够布置在可旋转镜和视频传感器之间的接收路径以及在可旋转镜和激光雷达传感器之间的接收路径中。在一些实施方式中，可旋转镜是二向色镜。视频传感器在多个实施方式中是摄像机，该摄像机设置用于由入射光记录静止图像和/或运动图像作为传感器数据。因此，将入射光的可见波长转向到视频传感器上能够是有意义的。激光雷达传感器在多个实施方式中是激光传感器，该激光传感器设置用于记录红外光，优选以便由入射光产生点云数据、尤其是3D-点云数据。因此，将入射光的红外波长转向到激光雷达传感器上能够是有意义的。

优选的是，激光雷达系统具有至少一个激光源。特别优选地，至少一个激光源相对于激光雷达传感器侧向偏移地布置，因此，不会如在以下情况中的那样出现激光雷达传感器在接收路径中被光源遮挡：激光源在接收路径中布置在激光雷达传感器前面但不侧向偏移地布置。激光源优选是红外激光器。激光源设置用于将光发射到周围环境中，该光随后在周围环境中的对象上反射之后作为入射光的部分再次进入激光雷达系统中。

在一些实施方式中，至少一个激光源、激光雷达传感器和视频传感器布置在关于可旋转镜的同一侧上。由此能够实现同时测量对象的距离值、灰度值和颜色信息。也能够实现激光雷达传感器的特别紧凑的构造方式。如果激光雷达系统具有二向色镜，则能够特别有利地实现这种布置。然而，在一些替代的实施方式设置，激光雷达传感器和至少一个激光源布置在可旋转镜的一侧上，而视频传感器布置在可旋转镜的另一侧上。于是能够有利地省去二向色镜，因为不必将来自入射光的可见波长和红外波长分离，而是能够简单地将所有入射光转向至要么视频传感器、要么激光雷达传感器。

在一些实施方式中，激光雷达系统具有两个或更多个激光源，所述两个或更多个激光源分别在激光雷达传感器的侧向布置在激光雷达传感器的相对置的侧上。借此也优选检测布置在激光雷达传感器上方和下方的激光源。因此，能够提供用于两个或更多个激光源中的一个的故障情况的冗余，或，能够在多个激光源同时运行的情况下实现增强的射束功率。如果多个激光源如所建议地位于相对置的侧上，则它们既不可能相互影响，也不可能遮挡激光雷达传感器。优选地，每个激光源如此定向：其主动(aktive)侧与激光雷达传感器的接收方向反向地定向，即，激光源布置成与入射到激光雷达传感器上的光反向地发射。

优选的是，视频传感器布置成直接从可旋转镜接收入射光。因此，能够实现激光雷达传感器的简化的构造，因为附加的转向镜变得多余。

替代地，一些实施方式设置，视频传感器布置成经由两个或更多个静态镜从可旋转镜接收入射光，所述两个或更多个静态镜布置在可旋转镜和所述视频传感器之间的接收路径中。这允许用于激光雷达系统更紧凑的实现可能性，因为视频传感器和激光雷达传感器能够更紧凑地布置。然而，一些替代的实施方式设置，视频传感器布置成仅经由唯一的静态镜从可旋转镜接收入射光，该唯一的静态镜布置在可旋转镜和视频传感器之间的接收路径中。这可以是在使用两个或更多个静态镜与从可旋转镜直接接收之间的良好的折衷。该一个静态镜可以是二向色镜，但不一定必须是二向色镜。

视频传感器和激光雷达传感器优选设置成使用共同的传感器坐标系。于是，在能够执行合并之前不再必须开销极高地转换两个传感器的原始数据。这能够节省计算性能并且加速激光雷达传感器的工作方式或降低制造成本。共同的传感器坐标系能够特别有利地通过以下方式实现：视频传感器和激光雷达传感器集成在激光雷达系统中。

一些实施方式设置，激光雷达系统设置用于，相互通过使用视频传感器和激光雷达传感器的记录数据，对激光雷达系统的污染进行可信度检验(plausibilisieren)。激光雷达系统优选设置用于，识别激光雷达系统的前部圆盘(Frontscheibe)的污染并且通过比较视频传感器和激光雷达传感器的相应的记录数据对该污染进行可信度检验。例如，如果两个传感器都没有接收到信号，则能够将前部圆盘的严重污染确定为可信的。因此能够对例如由于激光雷达传感器的不佳的原始数据而猜测的可能污染进行可信度检验，这允许更可靠地识别污染。

优选进一步提供一种交通工具，该交通工具具有开头所提及的激光雷达系统。优选的是，激光雷达系统与交通工具的电池有效连接，以便运行激光雷达系统。激光雷达系统在接收路径中优选具有可旋转镜，以便将入射到激光雷达系统中光转向至视频传感器和/或激光雷达传感器。

交通工具可以涉及机动车、尤其是道路相关的机动车，例如乘用车或载货车或两轮车。交通工具的其他实施方式是飞行设备，优选自动化的飞行出租车(Flugtaxis)和无人机。

由上面阐述的激光雷达系统的实施方式，加以必要的修改(mutatis mutandis)，得出交通工具的其他可能的实施方式以及其优点，使得在此处省去了重复。

以下说明并且在说明书中描述本发明的有利的扩展方案。

附图说明

根据附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施例。附图示出：

图1示出具有根据第一实施方式的激光雷达系统的交通工具，

图2示出在第一运行状态下的根据图1的实施方式的激光雷达系统，

图3示出在第二运行状态下的根据图1的实施方式的激光雷达系统，

图4示出在第一运行状态下的根据第二实施方式的激光雷达系统，

图5示出在第一运行状态下的根据第三实施方式的激光雷达系统，

图6示出在第一运行状态下的根据第四实施方式的激光雷达系统。

具体实施方式

在图1中示出交通工具1，该交通工具在根据本发明的一种实施方式中具有激光雷达系统2。激光雷达系统2与交通工具1的电池3有效连接，以便运行激光雷达系统2。交通工具1是道路相关的机动车，在这里特别是自主行驶的乘用车。

在图2中以简化的俯视图说明图1的激光雷达系统2，确切地说，在第一运行状态下的激光雷达系统。激光雷达系统2在接收路径中包括视频传感器4和激光雷达传感器5。视频传感器4和激光雷达传感器5安装在共同的壳体6中。激光雷达系统2在接收路径中具有可旋转镜7。可旋转镜7同样安装在壳体6中。可旋转镜7能够围绕旋转轴8在两个不同的运行位置之间转动，所述运行位置定义激光雷达系统2的可能的运行状态。因此，激光雷达系统2设置用于将入射光转向至要么视频传感器4、要么激光雷达传感器5。在所示出的运行位置中，激光雷达系统2处于第一运行状态中，在该第一运行状态中视频传感器4处于运行中并且入射光通过可旋转镜7被转向至视频传感器4。可旋转镜7的位态(Stellung)在该运行位置中是用于视频的0°-位态。视频传感器4布置成直接从可旋转镜7接收入射光，即在接收路径中没有中间连接的其他镜。入射光在这种情况下包括可见光，该可见光从周围环境入射到激光雷达系统2中并且然后能够由视频传感器4记录作为图像数据。因此，该实施方式是本发明的可能的实现方式，该实现方式不需要用于视频传感器4的静态转向镜。

如在图2中同样可以看到的，激光雷达系统2还具有激光源9a，该激光源9a相对于激光雷达传感器2侧向偏移地布置。激光源9a的发射方向和激光雷达传感器2的接收方向垂直于视频传感器4的接收方向。

图3示出第一实施方式的第二运行状态。可旋转镜7围绕旋转轴线8被转动到第二运行位置中，以便将入射到激光雷达系统2中的光转向至激光雷达传感器5。可旋转镜7的位态在该运行位置中是用于激光雷达的0°-位态。入射光在这种情况下附加地是这样的光：该光能够从激光源9a经由第一静态镜10a发送到可旋转镜7上并且从那里发送到激光雷达系统2的周围环境中并且在那里由对象反射回激光雷达系统2。第一静态镜10a布置用于，将来自激光源9a的光偏转90°并且将其进一步传递到可旋转镜7上。因此，可旋转镜7在此示例性地不仅布置在激光雷达系统2的接收路径、而且布置在其发送路径中。第二静态镜11布置用于将由可旋转镜7反射的入射光偏转90°并且将其进一步传递到激光雷达传感器5上。可旋转镜7也布置用于将入射到其上的光(来自激光源9a的光以及前往激光雷达传感器5的光)分别偏转90°。

图4示出激光雷达系统2的第二实施方式，第二实施方式替代地能够安装在交通工具1中。在此，激光雷达系统2在接收路径中具有可旋转镜7，以便在所示出的第一运行位置中将入射到激光雷达系统2中的光转向至视频传感器4和激光雷达传感器5。除了第一静态镜10a和第二静态镜11，还设置了第三静态镜12，该第三静态镜是二向色镜。二向色镜布置用于，将入射光中的可见光与红外光分离，将可见光偏转到视频传感器4，并且允许由激光源9a发射到周围环境中并且在那里被反射回激光雷达系统2中的红外光通过到激光雷达传感器5。允许通过的红外光然后由第二静态镜11偏转，确切地说在该实施方式中偏转90°，以便照射激光雷达传感器5。因此，激光源9a、激光雷达传感器5和视频传感器4布置在关于可旋转镜的同一侧上。在该实施例中，所提到的顺序以距可旋转镜7的距离减小的方式进行排序。通过将可旋转镜7从所示出的第一运行位置转动出来进入第二运行位置(未示出)，能够同时中断用于两个传感器4、5的接收路径，这在必要时实现了简单且快速地中断入射光的流入。

图5示出激光雷达系统2的第三实施方式，第三实施方式替代地能够安装在图1的交通工具1中。可旋转镜7在这里又布置用于将入射光转向至视频传感器4或激光雷达传感器5。示出第一运行位置，在该第一运行位置中，可旋转镜7将入射光转向至激光雷达传感器5。视频传感器4在该实施例中布置成：在可旋转镜7的第二运行位置(未示出)中，经由多个静态镜12、13——在此经由第三静态镜12和第四静态镜13——从可旋转镜7接收入射光。在该实施方式中，第三静态镜12不是二向色镜，因为——由于视频传感器4和激光雷达传感器5在关于可旋转镜7的不同侧上的布置——不必根据波长范围分离光束。第三静态镜12和第四静态镜13布置用于，分别使来自可旋转镜7的光偏转90°，使得入射光总共偏转180°并且被引导到视频传感器4上。因此实现了激光雷达传感器5的非常紧凑的构造方式。借助该实施方式能够胜任小的构造空间，其方式是，在可旋转镜7之后对入射光进行附加的、两次的转向，以到达视频传感器4。

最后，图6示出激光雷达系统2的第四实施方式，该第四实施方式替代地能够安装在图1的交通工具1中。该实施方式也又具有可旋转镜7，以便将入射到激光雷达系统2中光转向至视频传感器4或激光雷达传感器5。在可旋转镜7的所示出的运行位置中，可旋转镜7布置用于使入射光转向到激光雷达传感器5。因此，没有入射光在可旋转镜7和视频传感器4之间的接收路径上经由第三静态镜12，该第三静态镜在此由于视频传感器4和激光雷达传感器5在关于可旋转镜7的不同侧上的布置再一次不是二向色镜。在该实施方式中，激光雷达系统2具有多个激光源9a、b，确切地说，在此具有恰好两个激光源，所述激光源分别在激光雷达传感器5的侧向布置在激光雷达传感器5的相对置的侧上。图像信息的垂直分辨首先在探测器侧上进行，其中，通过可旋转镜7的扫描过程实现水平分辨。通过发送路径对周围环境的照明能够通过一个或多个发送模块、在此即两个激光源9来实现，所述激光源通过一个或说多个脉冲发送射束照明竖直视场。在所示出的运行位置中，可旋转镜7布置用于将两个激光源9a、b的光转向到周围环境中，其中，在光照射到可旋转镜7之前，光首先通过相应的第一静态镜10a、b偏转90°。此外，可旋转镜7在所示出的运行位置中布置用于，将从周围环境入射的光通过第二静态镜11示例性地以90°角转向到激光雷达传感器5。在该实施方式中还说明了激光雷达系统2的前部圆盘14，该前部圆盘安装在壳体6中。激光雷达系统2借助未示出的控制设备而设置用于：相互通过使用视频传感器4和激光雷达传感器5的记录数据，对激光雷达系统2的污染——在此尤其是激光雷达系统2的前部圆盘14的污染——进行可信度检验。

根据所示出的实施例可以看出，基于可旋转镜7，激光雷达系统2允许将视频传感器4和激光雷达传感器5集成在共同的激光雷达系统2中。在所示出的所有实施例中，视频传感器4和激光雷达传感器5设置成使用共同的传感器坐标系，其方式是，根据实施方式同时或选择性地，取决于可旋转镜7的运行位置向所述视频传感器和激光雷达传感器提供从周围环境进入激光雷达系统2的接收路径中的相同的入射光。由于共同使用可旋转镜7，对于视频传感器4和激光雷达传感器5创建了用于所有测量数据的共同的参考坐标系。在视频传感器4和激光雷达传感器5之间的接收路径的分离如根据图4所说明地通过二向色镜实现，或，如根据2、3、5和6所说明地通过将两个传感器4、5定位在可旋转镜7的对置的侧上的方式实现。

根据所实现的实施方式，本发明相对于现有技术的优点是：面式的构造方式，也就是说视频传感器4不再必须装配在激光雷达传感器5上方，这导致简化的交通工具集成；仅进行一次交通工具集成，这导致成本节省；或大幅缩短在视频传感器4和激光雷达传感器5之间的机械公差链。此外，可能不再存在视频传感器4和激光雷达传感器5之间的竖直或水平的偏移，即能够使用共同的传感器坐标系，视频传感器4和激光雷达传感器5能够相互校准(固定的像素到像素的分配(Pixel zu Pixel Zuordnung))，并且在视频传感器4和激光雷达传感器5之间不必强制地同步帧速率。此外，视频传感器4不需要大的水平视场，由此，物镜能够更简单，并且成像器能够更小，这导致成本节省。激光雷达-物镜能够在多个实施方式中甚至与视频-物镜相同，例如当物镜布置在前部圆盘14和可旋转镜7之间或集成到前部圆盘14中时。在优选的实施方式中，视频传感器4和激光雷达传感器5在视场的相同区域中同时进行测量，优选在根据图4的实施方式中。此外，仅需传输一次角度信息到激光雷达系统2的数据接口，这简化了数据处理。

虽然通过优选的实施例进一步详细地说明且描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且，本领域技术人员能够由此推导出其他变型，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达系统(2)，所述激光雷达系统在接收路径中包括视频传感器(4)和激光雷达传感器(5)，

其特征在于，

所述激光雷达系统(2)在所述接收路径中具有可旋转镜(7)，以便将入射到所述激光雷达系统(2)中的光转向至所述视频传感器(4)和/或将入射到所述激光雷达系统(2)中的光转向至所述激光雷达传感器(5)。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统(2)，其中，所述激光雷达系统(2)具有二向色镜。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统(2)，其中，所述激光雷达系统(2)具有至少一个激光源(9a，b)，所述至少一个激光源相对于所述激光雷达传感器(5)侧向偏移地布置。

4.根据权利要求3所述的激光雷达系统(2)，其中，所述至少一个激光源(9a，b)、所述激光雷达传感器(5)和所述视频传感器(4)布置在关于所述可旋转镜(7)的同一侧上。

5.根据权利要求3或4所述的激光雷达系统(2)，其中，所述激光雷达系统(2)具有两个或更多个激光源(9a，b)，所述两个或更多个激光源分别在所述激光雷达传感器(5)的侧向布置在所述激光雷达传感器(5)的相对置的侧上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达系统(2)，其中，所述视频传感器(4)布置成直接从所述可旋转镜(7)接收入射光。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达系统(2)，其中，所述视频传感器(4)布置成，从所述可旋转镜(7)经由两个或更多个静态镜(12、13)接收所述入射光，所述两个或更多个静态镜布置在所述可旋转镜(7)和所述视频传感器(4)之间的接收路径中。

8.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(2)，其中，所述视频传感器(4)和所述激光雷达传感器(5)设置成使用共同的传感器坐标系。

9.根据以上权利要求中任一项所述的激光雷达系统(2)，其中，所述激光雷达系统(2)设置成，相互通过使用所述视频传感器(4)和所述激光雷达传感器(5)的记录数据，对所述激光雷达系统(2)的污染进行可信度检验。

Images