CN114174867A - 具有两个激光雷达测量设备的激光雷达测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测车辆(10)的环境(16)中的物体(14)的激光雷达测量系统(12)，其具有：第一激光雷达测量设备(22)，其用于以第一垂直分辨率扫描第一视野(18)；和第二激光雷达测量设备(24)，其用于以第二垂直分辨率扫描第二视野(20)，其中第二视野位于第一视野内的垂直方向上，并且包括车辆前方的道路(15)的区域；并且所述第二垂直分辨率高于所述第一垂直分辨率。本发明还涉及一种具有激光雷达测量系统(12)的车辆(10)和一种用于检测车辆(10)的环境(16)中的物体(14)的方法。

Description

具有两个激光雷达测量设备的激光雷达测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于检测车辆环境中的物体的激光雷达测量系统。本发明还涉及一种具有激光雷达测量系统的车辆，以及一种用于检测车辆环境中的物体的方法。

背景技术

现代车辆(汽车、运输工具、卡车、摩托车等)具有多个传感器，这些传感器向驾驶员提供信息并以部分或完全自动化的方式控制车辆的各种功能。车辆的环境以及其他道路使用者通过传感器被采集。基于所采集的数据，可以生成车辆环境的模型，并且可以对该车辆环境中的变化做出反应。

激光雷达(光检测和测距)技术在这里构成了采集环境的一个重要传感器原理。激光雷达传感器基于发射光信号和检测反射光。到反射位置的距离可以通过运行时间测量来计算。此外，可以确定相对速度。这里既可以使用未调制脉冲，也可以使用调频信号(啁啾信号)。可以通过评估接收到的反射来检测目标。在激光雷达传感器的技术实现方面，在扫描和非扫描系统之间需要进行区分。这里，扫描系统通常基于微镜，并且用光点扫描环境，其中当发射和接收的光脉冲通过同一微镜偏转时，参考了同轴系统。在非扫描系统中，若干发射和接收元件彼此并排地静态布置(特别是所谓的焦平面阵列布置)。

在这方面，WO 2018/127789 A1公开了用于检测和分类物体的激光雷达系统和方法。在其中一个实施方式中，激光雷达系统可以基于反射信号中的一个或多个时间失真来检测物体的一个或多个表面角度。在另外的实施例中，激光雷达系统可以基于反射指纹、表面角度指纹或其他测量属性来识别物体。这里，其他测量的属性可以包括物体的表面成分、环境照明、若干扫描时间之间的检测差异以及若干检测特性的置信度值。

激光雷达系统领域的一个挑战在于检测更小、颜色更深和/或更远的物体，其中尤其是躺在道路上的物体是相关的。例如，轮胎、死去的动物或丢失的货物部分必须优选地在超过100米的距离处已经被采集。在水平和垂直方向上具有0.1°的各自分辨率或点距离的扫描激光雷达传感器通常已经难以检测到50米距离处的躺在街道上的轮胎，即使分辨率基本上足够了。这一方面是因为黑色物体的反射率非常低，另一方面是因为躺在街道上的物体通常在垂直方向上只有相对轻微的扩展。如果轮胎落入检测网格中的间隙，即两行光点之间的间隙，则不能保证可靠的检测。

使用更高分辨率的方法对扫描系统提出了严格的要求，并且经常导致刷新率不足，因为所采集的数据不能以足够高的速度被进一步处理。另一种方法是使用更大的点。然而，这样做的缺点是信噪比在明亮的环境(阳光、日光)下变得非常低，并且使得可靠的物体检测更加困难。

发明内容

根据上面的内容，本发明的目的是提供一种方法，以改善对障碍物的检测。特别是，目标是能够以更高的可靠性采集车辆前方区域的街道上的物体。即使是远距离、颜色深和/或平坦的物体也要尽可能可靠地采集。

为了实现该目的，本发明的第一目的涉及一种用于检测车辆环境中的物体的激光雷达测量系统，其具有：

第一激光雷达测量设备，其用于以第一垂直分辨率扫描第一视野；和

第二激光雷达测量设备，其用于以第二垂直分辨率扫描第二视野，其中第二视野位于第一视野内的垂直方向上，并且包括车辆前方的道路区域；并且

第二垂直分辨率高于第一垂直分辨率。

另一方面，本发明涉及一种具有如前所述的激光雷达测量系统的车辆。

本发明的其他方面涉及一种根据激光雷达测量系统配置的方法，以及一种具有程序代码的计算机程序产品，在计算机上运行程序代码时实现该方法的步骤。此外，本发明的一个方面涉及一种存储计算机程序的存储介质，该计算机程序在计算机上运行时实现这里描述的方法。

从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。应当理解，在不脱离本发明的框架的情况下，上面提到的和下面将要解释的特征不仅可以用在分别指出的组合中，而且可以用在其他组合中或分开使用。特别是，车辆、方法和计算机程序产品可以根据从属权利要求中针对激光雷达测量系统描述的实施例来配置。

根据本发明提出了一种具有两个激光雷达测量设备的激光雷达测量系统。两个激光雷达测量设备各自扫描一个视野，其中第二视野位于第一视野内的至少一个垂直方向上，并且包括车辆前方的道路区域。第二激光雷达测量系统在垂直方向上的分辨率高于第一激光雷达测量系统。在这方面，建议通过两个激光雷达测量设备在垂直方向上扫描视野的一部分。特别是，包括车辆前方道路的车辆视野部分或环境部分被双重扫描。第二激光雷达测量设备的附加扫描在这里以比第一激光雷达测量设备的扫描更高的分辨率完成。车辆前方的街道会以比环境其他部分更高的分辨率被扫描。

这使得以更高的可靠性检测躺在街道上的平坦物体成为可能。可以增加用于检测这种物体的范围，从而可以基于对检测到的物体的评估来改善车辆行驶时的安全性。可以防止与躺在街道上的物体发生碰撞。躺在街道上的物体造成的危险被减少了。

这里，第一激光雷达测量设备优选地配置成具有2D扫描仪单元的扫描激光雷达测量设备。特别是，通过相应的微机电系统(MEMS)或通过检流计操作的微镜可以用于2D扫描仪单元。微镜逐行扫描视野。由此可以在高刷新率下实现高分辨率。实现了对车辆环境中物体可靠的物体检测。

第二激光雷达测量设备优选地包括以焦平面阵列布置的接收单元。使用传感器，其中接收功能通过布置在网格中的若干接收元件来实现。特别是，这里可以使用可以被逐行激活或逐行读出的接收单元。这种焦平面阵列布置允许实现高刷新率和高分辨率。可以实现对躺在街道上的物体的可靠检测。

在优选实施例中，激光雷达测量系统包括用于接收输入信号的输入接口，该输入信号具有关于道路相对于激光雷达测量系统的位置的信息。第二激光雷达测量设备用于基于输入信号调节第二视野。换句话说，第二激光雷达测量设备的视野基于车辆前方道路的进展来调节。这里的调节特别是理解为垂直方向上视野的尺寸和对准的调节。例如，不平坦的街道可能需要在垂直方向上扩大视野，或者街道的斜坡或坡度以及多余的车辆货物可能需要调节的对准。特别是，这里的调节可以动态地或持续地进行。在这方面，输入信号的使用允许第二视野的优化。所需的处理器功率最小化，并且可靠性可以得到改善。

在优选实施例中，第二激光雷达测量设备用于基于输入信号选择接收单元的有效胞元(原文如此)。特别是，通过选择有效行，可以根据当前要求调节以焦平面阵列布置的接收单元。根据视野的哪个部分是相关的，接收单元的相应行被激活。仅评估对应于相关区域的数据。结果，可以增加刷新频率，并且可以可靠地检测道路上的物体。

在优选实施例中，输入接口用于接收环境传感器的环境传感器信号作为输入信号。附加地或替代地，输入接口用于接收位置传感器的位置传感器信号作为输入信号。附加地或替代地，输入接口用于接收地图数据库的地图数据作为输入信号。此外，附加地或替代地，输入接口用于接收第一激光雷达测量设备的输出信号作为输入信号。允许断言道路相对于激光雷达测量系统的进展的各种参数可以用作输入信号。应当理解，也可以使用若干不同的输入信号来调节第二视野。根据当前情况，使用针对这种情况调节或优化的第二视野。实现了对躺在街道上的物体的可靠检测。

在优选实施例中，第二激光雷达测量单元配置用于基于输入信号来调节第二垂直视野的垂直扩展。特别是，根据输入信号改变或调节垂直扩展可能是有利的。例如，不平坦的街道可能需要更大的垂直视野。针对要评估的数据或当前情况实现优化。

在优选实施例中，激光雷达测量设备用于基于输入信号确定水平线，并基于所述水平线调节第二视野。有可能例如基于相机的信号检测水平线，并且根据该水平线对准第二视野，以便对道路延伸的水平线下方的区域进行成像。应当理解，可以使用第一或第二激光雷达测量单元来确定水平线。

在优选实施例中，第一视野包括在20°和30°之间的垂直角度，优选为25°。第一垂直分辨率在0.2°和0.8°之间，优选至多为0.4°。附加地或替代地，第二视野包括在1°和15°之间的垂直角度，优选为5°到8°。第二垂直分辨率在0.05°和0.15°之间，优选为0.1°。在这方面，第一视野包括对应于第二视野的垂直角度的倍数的垂直角度。这个大角度对于确保可靠检测车辆环境中可能相关的物体是必要的。第二视野包括明显更小的垂直角度，其足以观察道路表面。然而，在这个明显更小的垂直角度内可以使用更高的分辨率。在这方面，建议在车辆前方的不同区域使用调节后的分辨率。

在优选实施例中，第一激光雷达测量设备的第一扫描速率小于第二激光雷达测量设备的第二扫描速率。这里的第一扫描速率在10赫兹和15赫兹之间，优选为12.5赫兹。第二扫描速率在20赫兹和70赫兹之间，优选在25赫兹和50赫兹之间。特别是，除了更高的分辨率之外，第二激光雷达测量设备还可以使用更高的扫描速率。这使得确保更好地跟踪躺在街道上的物体成为可能。物体检测期间的可靠性得到了改善，并且基于激光雷达测量系统自主或部分自主操作的车辆的安全性得到了改善。

在优选实施例中，第二视野至少包括20至100行，特别是50至80行。特别是，使用了逐行操作系统。如果提供至少40至50行，则在检测躺在街道上的物体的期间可以实现足够的可靠性。

特别是，车辆的环境包括车辆环境中的从车辆内可见的区域。物体可以是静态物体，如房子、树或交通标志。物体同样可以是动态物体，例如另一车辆或行人。激光雷达测量设备的可视区域或视野对应于激光雷达测量设备可见的区域。特别是，通过指示垂直方向上的角度和水平方向上的角度来建立视野。可以通过指示相对于车辆或激光雷达测量设备的垂直方向的角度来建立垂直视野或垂直可视区域。激光雷达测量设备的分辨率对应于每个角度范围的点或行和列的指示。每个点在每个扫描过程中被读出一次。道路的区域特别对应于道路延伸的视野部分，特别是道路延伸在车辆前方50至150米之间的视野部分。道路的位置特别是被理解为道路在车辆固定坐标系中的对准的指示。例如，道路平面相对于车辆水平面的角度可以对应于道路的位置。应当理解，更全面的指示也可以描述道路的位置。

附图说明

下面将结合附图，基于几个选定的示例性实施例更详细地描述和解释本发明。其中：

图1是根据本发明的具有激光雷达测量系统的车辆的示意图；

图2是根据本发明的激光雷达测量系统的示意图；

图3是具有激光雷达测量系统的另一实施例的车辆的示意图；

图4是具有2D扫描仪单元的扫描激光雷达测量设备的示意图；

图5是以焦平面阵列布置的激光雷达测量设备的接收单元的示意图；和

图6是根据本发明的方法的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的车辆10，其具有用于检测车辆10的环境16中的物体14的激光雷达测量系统12。该图示对应于侧面视图。在所示的示例性实施例中，激光雷达测量系统12被集成到车辆10中。例如，激光雷达测量系统12可以安装在车辆10的保险杠区域，并且用于在视野内检测车辆10前方的物体。在图示中，视野在垂直方向上的扩展由虚线表示。例如，车辆10的环境16中的物体14可以是躺在道路15上的汽车轮胎或某个其他障碍物。

本发明规定激光雷达测量系统12包括扫描视野的两个激光雷达测量设备。这里，第一视野18由第一激光雷达测量设备扫描，第二视野20由第二激光雷达测量设备扫描。第二视野20位于第一视野18内的垂直方向上。第二视野20包括车辆10前方的道路15的区域。在这方面，第二激光雷达测量设备能够检测躺在道路15上的物体14。第二激光雷达测量设备在第二视野内的分辨率高于第一激光雷达测量设备在(较大的)第一视野内的分辨率。这里特别相关的是垂直分辨率，即垂直方向上的分辨率。特别是，垂直方向上的分辨率被理解为每个角度的行数。

图2示意性地示出了根据本发明的激光雷达测量系统12。激光雷达测量系统12包括第一激光雷达测量设备22以及第二激光雷达测量设备24。

特别是，第一激光雷达测量设备22可以配置成具有2D扫描仪单元的扫描激光雷达测量设备。这种类型的激光雷达测量设备使得以高分辨率对相对较大的区域成像成为可能。然而，如果物体的位置在两次扫描之间变化，则发射的光信号或激光信号可能会错过平坦物体。因此，物体可能会系统地落入各行之间的间隙中。除此之外，时间因素可能同样会导致较小的物体在顺序扫描若干行和若干列时丢失。例如，对于小物体，例如轮胎，在40毫秒的扫描帧中，视野的相应区域只能每5到10毫秒被命中一次。光信号不能在正确的时间瞄准物体的概率相对较高。

第二激光雷达测量设备24用于以更高的分辨率扫描包括道路的视野区域，从而改善对位于其中的物体的物体采集。为此，第二激光雷达测量设备具有更小的第二垂直视野，但是在其中实现了更高的分辨率。第二激光雷达测量设备在这里可以有利地包括以焦平面阵列布置的接收单元。这里可以进行逐行地读出，其中在一个时间点采集相应的完整行。作为结果，可以实现更高的扫描频率。

例如，第二视野在垂直方向上的一个可能的开度角可以基于激光雷达测量系统12在道路15上的安装高度的几何检查(例如，0.5米)以及要覆盖的距离的检查(例如，10米)而发生。例如，根据这些值，在第二视野的垂直方向上出现2.8°的角度。第二激光雷达测量设备所需的角分辨率可以根据物体在垂直方向上的高度和物体的距离来确定。例如，对于20厘米的物体高度和100米的距离，需要0.11°的角分辨率。从这样的检查和类似的计算可以确定相应的分辨率。

图3示意性地示出了根据本发明的车辆10的实施例。为了更清楚起见，车辆10的激光雷达测量系统12在此以右侧的放大视图示出。除了第一激光雷达测量设备22和第二激光雷达测量设备24之外，所示示例性实施例中的激光雷达测量系统12具有输入接口26，该输入接口26用于接收具有关于道路相对于激光雷达测量系统12的进展或位置的信息的输入信号。根据这个输入信号，可以调节第二视野。特别是，可以调节第二视野相对于第一视野的对准，以及第二视野在垂直方向上的尺寸。

例如，车辆10内的位置传感器28的传感器信号可以用作调节用的输入信号。此外，可以使用车辆的环境传感器30的环境传感器信号。例如，可以使用车辆10上的雷达、激光雷达、超声波或相机传感器的信号。

同样可能且有利的是，激光雷达测量系统或第一或第二激光雷达测量设备本身的信号被用作输入信号。可以基于环境传感器的这种信号来检测道路的进展或位置。特别是，水平线的位置可以通过图像评估的算法来确定。基于此，然后可以相应地调节第二视野。还可以使用地图数据库32的地图数据作为输入信号。在所示的示例性实施例中，地图数据库32在这里是远程数据库，例如，其可以配置成相应服务提供商的互联网数据库。为了与该地图数据库32通信，在所示的示例性实施例中，车辆10具有移动通信单元33。然而，应当理解，地图数据库也可以布置在车辆内部，例如在车辆导航系统中。例如，为了与各个单元通信，激光雷达测量系统可以挂接到车辆10的总线系统。

图4示意性地示出了第一激光雷达测量设备22的示例。第一激光雷达测量设备22包括用于发射光信号的发射器34和用于接收在物体上反射后的光信号的接收器36。特别是，发射器34配置成激光源。一方面，可以使用脉冲信号。另一方面，也可以使用调频信号(啁啾信号)。特别是，接收器36对应于光电检测器，其用于接收在物体上反射后的光信号，从而能够检测物体。

第一激光雷达测量设备22还包括2D扫描仪单元38，以便扫描第一激光雷达测量设备22的视野。特别是，2D扫描仪单元38可以配置成微机电系统(MEMS)。同样也可以使用电流计。致动微镜以将光信号发射到不同位置，并相应地接收不同位置的检测。特别是，这里逐行扫描第一激光雷达测量设备22的第一视野。在这方面，有快速水平轴和较慢的垂直轴，它们都可以由伴随的致动器来致动。特别是，2D扫描仪单元38提供了相应的控制接口，从而可以致动镜子的垂直和水平移动。特别是，可以为轴确定两行或两列之间使用哪个角度。例如，第一分辨率可以在水平和垂直方向上测量0.1°×0.1°。在这方面，行距离对应于角度指示。

第一激光雷达测量设备22还包括组合单元40。在所示的示例性实施例中，组合单元40配置成循环器。同样可能的是，组合单元40对应于分束器。使用分束器的缺点是会损失一部分信号。然而，在反应速率和生产成本方面确实有优势。

因为2D扫描仪单元38和组合单元40之间的发射光信号和接收光信号使用的是同一条路径，所以所示出的第一激光雷达测量设备22也被称为同轴激光雷达测量设备或具有同轴设计的激光雷达测量设备。

图5示意性地示出了第二激光雷达测量设备的接收单元42。接收单元2配置成以焦平面阵列布置，并且包括若干单独的接收元件44，这些接收元件44基本上被布置在相应芯片上的一个平面中的若干行Z1、Z2、Z3中。应当理解，第一激光雷达测量设备22包括相应配置的发射单元，其同样可以配置成以焦平面阵列布置。逐行读出是可能的。此外，可以通过仅部分激活或读行来调节第二视野。

图6示意性地示出了根据本发明的用于检测车辆环境中的物体的方法。该方法包括扫描S10第一视野和扫描S12第二视野32的步骤。例如，该方法可以在运行在车辆控制设备或激光雷达测量系统的微处理器上的软件中实现。特别是，该方法可以用作激光雷达测量系统的控制软件。

基于附图和说明书对本发明进行了全面描述和解释。说明书和解释应被理解为示例，而不是限制。本发明不限于所公开的实施例。对于本领域技术人员，在本发明的应用以及对附图、公开内容和所附权利要求的准确分析中将想到其他实施方式或变型。在权利要求中，词语“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤的存在。不定冠词“一”或“一个”(“a”或“an”)不排除复数的存在。单个元件或单个单元可以执行权利要求中提到的几个单元的功能。元件、单元、接口、设备和系统可以部分或完全以硬件和/或软件实现。在几个不同的从属权利要求中仅仅提到几个措施并不意味着不能同样有利地使用这些措施的组合。权利要求中的附图标记不应理解为限制。

附图标记

10 车辆

12 激光雷达测量系统

14 物体

15 道路

16 环境

18 第一视野

20 第二视野

22 第一激光雷达测量设备

24 第二激光雷达测量设备

26 输入接口

28 位置传感器

30 环境传感器

32 地图数据库

33 移动通信单元

34 发射器

36 接收器

38 2D扫描仪单元

40 组合单元

42 接收单元

44 接收元件

Claims (14)

1.一种用于检测车辆(10)的环境(16)中的物体(14)的激光雷达测量系统(12)，其具有：

第一激光雷达测量设备(22)，其用于以第一垂直分辨率扫描第一视野(18)；和

第二激光雷达测量设备(24)，其用于以第二垂直分辨率扫描第二视野(20)，其中所述第二视野位于所述第一视野内的垂直方向上，并且包括所述车辆前方的道路(15)的区域；并且

所述第二垂直分辨率高于所述第一垂直分辨率。

2.根据权利要求1所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第一激光雷达测量设备(22)配置成具有2D扫描仪单元(38)的扫描激光雷达测量设备。

3.根据前述权利要求之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第二激光雷达测量设备(24)包括以焦平面阵列布置的接收单元(42)。

4.根据前述权利要求之一所述的激光雷达测量系统(12)，其具有用于接收输入信号的输入接口(26)，所述输入信号具有关于所述道路(15)相对于所述激光雷达测量系统的位置的信息，其中所述第二激光雷达测量设备(24)用于基于所述输入信号调节所述第二视野(20)。

5.根据权利要求3和4之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第二激光雷达测量设备(24)用于基于所述输入信号选择所述接收单元(42)的有效行(Z1、Z2、Z3)。

6.根据权利要求4至5之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述输入接口(26)

用于接收环境传感器(30)的环境传感器信号作为所述输入信号；

用于接收位置传感器(28)的位置传感器信号作为所述输入信号；

用于接收地图数据库(32)的地图数据作为所述输入信号；和/或

用于接收所述第一激光雷达测量设备(22)的输出信号作为所述输入信号。

7.根据权利要求4至6之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第二激光雷达测量单元(24)用于基于所述输入信号来调节所述第二视野(20)的垂直扩展。

8.根据权利要求4至7之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第二激光雷达测量设备(24)用于基于所述输入信号确定水平线，并且基于所述水平线调节所述第二视野(20)。

9.根据前述权利要求之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第一视野(18)包括20°和30°之间的垂直角度，优选为25°，并且所述第一垂直分辨率的测量值在0.2°和0.8°之间，优选至多为0.4°；和/或

所述第二视野(20)包括在1°和15°之间的垂直角度，优选为5°到8°，并且所述第二垂直分辨率在0.05°和0.15°之间，优选为0.1°。

10.根据前述权利要求之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第一激光雷达测量设备(22)的第一扫描速率小于所述第二激光雷达测量设备(24)的第二扫描速率，所述第一扫描速率在10赫兹和15赫兹之间，优选为12.5赫兹，所述第二扫描速率在20赫兹和70赫兹之间，优选在25赫兹和50赫兹之间。

11.根据前述权利要求之一所述的激光雷达测量系统(12)，其中，所述第二视野包括至少包括20至100行，优选50至80行。

12.一种具有根据前述权利要求之一所述的激光雷达测量系统(12)的车辆(10)。

13.一种用于检测车辆(10)的环境(16)中的物体(14)的方法，包括以下步骤：

用第一激光雷达测量设备(22)以第一垂直分辨率扫描(S10)第一视野(18)；和

用第二激光雷达测量设备(24)以第二垂直分辨率扫描(S12)第二视野(20)，其中所述第二视野位于所述第一视野内的垂直方向上，并且包括所述车辆前方的道路(15)的区域；并且

所述第二垂直分辨率高于所述第一垂直分辨率。

14.一种具有程序代码的计算机程序产品，当在计算机中运行所述程序代码时实现根据权利要求13所述的方法的步骤。

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