JP2020536245A - 全波形マルチパルス光学式距離計器 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学式距離計器に関し、より詳細には、全波形マルチパルスシステムに関する。
自動運転は、あらゆる照明条件下および環境条件下で車両が車両自体の環境を認識する必要がある。現在のところ、カメラ、レーダー、および超音波センサを使用しているが、より強力な解決策が求められている。
第1の広義の態様によると、複数の走査方向に従って領域を光学的に走査する方法であって、上記複数の走査方向に対して走査順序を規定するインターリーブ・シーケンスを受信するステップと、上記インターリーブ・シーケンスに従って光パルスを順次伝播するステップと、上記領域内に存在する少なくとも1つの物体上での上記伝播された光パルスの反射に相当するパルスエコーを検出するステップと、上記検出されたパルスエコーを出力するステップと、を含む方法を提供する。
一実施形態では、上記補正部が、時間関数として、上記補正時間に相当する量だけ、上記第2の検出光の強度を一時的に変換するように構成されている。
一実施形態では、上記補正適用モジュールが、時間関数として、上記補正時間に相当する量だけ、上記第2の検出光の強度を一時的に変換するように構成されている。
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面と併せて取り上げる以下の詳細な説明により明らかになるであろう。
光学式距離計の構成の概要
図1の概略図を参照すると、従来技術による光学式距離計10の全般的レイアウトや主要な構成要素/サブシステムをより理解できる。光学式距離計10は、パルス飛行時間(TOF)原理に従って動作し、所定の時間特徴および空間特徴を有する光パルスの列を発する発光器20を含む。光学式距離計10はまた、光帰還信号を検知し、ついでこれらの信号を電気波形に変換する受光器40を含む。受光器40の検知チャネルは、ノイズとは区別される少なくとも1つのピークを含み得る帰還信号波形を出力する。帰還信号波形は、発光器20による各光パルスの射出後に得られるが、所与の瞬間にこの波形が有用な情報を担持していない場合も起こり得る。一方、帰還信号波形に存在する各ピークは、検知チャネルの視野(FOV)内に現在位置する物体のシグネチャである。図2は、ライダー射出光パルス90のタイミングと、2つの検出ピーク、すなわち短距離物体94および長距離物体96を有する帰還信号波形92のタイミングを示す図である。マルチチャネルがある場合、いくつかの連続的なチャネルは、たとえば巨大な物体(例:壁)の距離が測定されたかまたは物体が測定器の近づいた場合に、全く同じシグネチャ(パルスエコーとも称する)を含む波形を生成することができる。
発光器20は、各々の持続時間がたとえば数nsの極めて短い光パルスを放射し、この持続時間は受光器40の出力側で生成される帰還信号波形に存在し得るシグネチャの幅(持続時間)の下限を設定する。実際、光パルスで実現可能な最も短い持続時間は、発光器20内に組み込まれたドライバ電子機器および光源の両方のインパルス応答によって制限される。帰還信号波形のシグネチャは、受光器40の全体的な検知帯域幅が充分に高く、一般的に数十〜数百MHzの範囲内にあれば、発せられた光パルスの忠実な複製となる。
受光器は、少なくとも1つの検知器のアレイを有する。このアレイは、1次元であっても2次元であってもよい。
ADCボード80の出力側における時間系列数値データストリームの組、すなわちデジタル化された帰還信号波形の組は、さらなる処理のためCPU60へ転送される。CPU60の中核は、たとえば、組み込みアプリケーションに適していて、必要なチャネル数で並列処理を実行可能なマイクロプロセッサーアセンブリである。CPU60はまた、フィールドプログラマブルゲートアレイ(Field−Programmable Gate Array:FPGA)、デジタル信号プロセッサー(Digital Signal Processor:DSP)、その他のプログラム可能な論理回路など、他の種類の処理手段を中心に展開することもできる。数値処理の性質および範囲は、意図されたアプリケーションに依存する。CPU60は、ついで、Ethernet(登録商標)、USB、またはCANbusなどの例示的なデータ通信インターフェース下で動作するデータインターフェース70を介して光学式距離計10を組み込み可能な、より高レベルのシステムに出力データを伝送することができる。
光学式距離計器10は、物体の検知や距離測定を行う最大距離により定められた適切な時間間隔にわたり取得されたデジタル化帰還信号波形の組を出力することができるため、完全な波形の光検知および距離測定(Light Detection And Ranging:LIDAR)計器であると考えることができる。検知されたピークが所定の閾値を超えるとすぐに電子カウンターを停止することによって物体の距離測定を行う古典的アナログ光学式距離計と比較すると、完全波形計器は、記録されたデジタル波形に対して多くの数値処理タスクを実行可能にすることによって、より大きな柔軟性を提供する。
図24は、検知される物体を含み得る領域を光学走査するための方法300の一実施形態を示す。この方法は、パルス光光源、光検知器、およびコントローラを含む、ライダー光学式距離計などの光学システムによって実施される。コントローラは、マイクロプロセッサなどの制御ユニット、データを格納するメモリ、ならびにデータを受信および/または送信する通信ユニットを備える。
この場合、N=n*Sである。別の実施形態では、サブアセンブリに含まれる方向の数は、サブアセンブリごとに異なっていてもよい。
ここで、
SUB1=[SUB1(1),SUB1(2),…,SUB1(n)]
SUB2=[SUB2(1),SUB2(2),…,SUB2(n)]…
SUBS=[SUBS(1),SUBS(2),…,SUBS(n)]、および
SUBj(i)は、ステップ320で受信した走査方向のうちの所定の1つに対応する。
SUB1=[d1,d2,d3,d4]
SUB2=[d5,d6,d7,d8]
SUB3=[d9,d10,d11,d12]
この場合、インターリーブ・シーケンスISは以下の通りである。
上記の従来技術の方法と比較して、方向を調整するために共振ミラーが使用される例を再び参照すると、共振ミラーの動作が同じ、たとえば同じ回転速度であると仮定すると、2つのパルスの射出間の時間が長くなる。従来技術では、ミラーが第2の方向d2に従って向けられたときに第2のパルスが射出されるが、本方法によると、ミラーが第5の方向d5に従って向けられたときにのみ第2のパルスが射出される。ミラーは第1方向d1から第2方向d2に回転するよりもミラーが第1方向d1から第5方向d5に回転するのに時間がかかるため、エコーを検出する時間が従来技術と比較して増加し、したがって、従来技術と比較して、物体の明確な検出範囲も増加する。しかしながら、本方法は、従来技術の方法と比較して、領域全体を走査する時間がより多く必要である。というのは、従来技術の方法では、12方向を走査するには左端の角位置から右端の角位置までミラーを1回転する必要がある一方、12方向を走査するにはミラーを左端の位置から右端の位置まで4回転する必要があるためである。
別の実施形態では、ミラーの回転の全周期の間、すなわち、ミラーが左端の角位置から右端の角位置に回転するとき、およびミラーが右端の角位置から左端の角位置に回転するときに、光パルスが射出される。
SUB2=[d8,d6,d7,d5]
SUB3=[d12,d2,d11,d1]
この場合、インターリーブ・シーケンスISは以下の通りである。
ミラーの第1の半回転周期中、つまりはミラーが左端の角位置から右端の角位置に回転するときに方向d4、d8、d12が達成される一方で、ミラーの次の半回転周期中、すなわち、ミラーが右端の角位置から左端の角位置に回転するときに方向d10、d6、d2が達成される。したがって、ミラーの第1の全回転周期中に6方向が走査可能である。ミラーの第3の半回転周期中、すなわち、ミラーが左端の角位置から右端の角位置に回転するときに方向d3、d7、d11が達成される一方で、ミラーの第4の半回転周期中、すなわち、ミラーが右端の角位置から左端の角位置に回転するときに方向d9、d5、d1が達成される。したがって、ミラーの第2の全回転周期中に6つの追加の方向が走査可能であり、モーターのたった2つの全回転周期で12の方向が走査可能である。
一実施形態では、インターリーブ・シーケンスは、マイクロミラーの半回転周期中に、またはマイクロミラーの全回転周期中に実行される走査方向を含んでいてもよい。
IS=[d1,d5,d9,d2,d6,d10,d3,d7,d11,d4,d8,d12]
たとえば、以下のように、インターリーブ・シーケンスが、マイクロミラーの半回転周期中に走査される走査方向をそれぞれ含む4つのインターリーブ・サブシーケンスを含んでいてもよい。
ISS2=[d2,d6,d10]
ISS3=[d3,d7,d11]
ISS4=[d4,d8,d12]
この場合、第1のインターリーブ・サブシーケンスISS1は、走査方向ごとおよび測定ごとに射出される光パルスの数に対応する所定の回数だけまず実行される。ついで、第2のインターリーブ・サブシーケンスISS2が所定の回数だけ実行されてから、第3のインターリーブ・サブシーケンスISS3が所定の回数だけ実行される。最後に、第4のインターリーブ・サブシーケンスISS4が所定の回数だけ実行される。
IS=[d4,d8,d12,d10,d6,d2,d3,d7,d11,d9,d5,d1]
たとえば、以下のように、インターリーブ・シーケンスは、マイクロミラーの全回転周期中に走査される走査方向をそれぞれ含む2つのインターリーブ・サブシーケンスを含んでいてもよい。
ISS2=[d3,d7,d11,d9,d5,d1]
第1のインターリーブ・サブシーケンスは、走査方向ごとおよび測定ごとに射出される光パルスの数に対応する所定の回数だけ実行される。ついで、第2のインターリーブ・サブシーケンスISS2が、指定された回数だけ実行される。
SUB2=[d2,d4,…,d256]
第1のサブアセンブリSUB1および第2のサブアセンブリSUB2を順次組み合わせて、以下のインターリーブ・シーケンスを取得する。
インターリーブ係数が3に等しい場合、方向の3つのサブアセンブリが作成され、それぞれに85の方向が含まれ、走査方向の総数は255に等しくなる。たとえば、第1のサブアセンブリSUB1、第2のサブアセンブリSUB2、および第3のサブアセンブリSUB3は、次のように表すことができる。
SUB2=[d2,d5,…,d255]
SUB2=[d3,d6,…,d256]
サブアセンブリSUB1、SUB2、およびSUB2を順次組み合わせて、以下のインターリーブ・シーケンスを取得する。
インターリーブ係数が増加するにつれて、インターリーブ・シーケンスの作成に同じ方法が使用される。たとえば、図16および図17は、インターリーブ係数が8の場合のシナリオを示している。図16に示すように、マイクロミラーの半周期振動中に、走査方向またはラインd1、d9、d17、…d249に対して光パルスが射出され得る。ついで、図17に示すように、マイクロミラーの第2の半周期振動中に、走査方向またはラインd2、d10、d18、…d250に対して光パルスが射出され、以下、同様に射出される。この場合、256のライン(または走査方向)を走査するには、最小で8つの半周期が必要である。ミラーの振動の往復の半周期中に光パルスが射出される場合、256の方向の走査に必要なのは8つの半周期のみである。しかし、光パルスがミラーの振動当たりわずか1つの半周期中に射出されると、ミラーの振動の16全周期が256の方向を走査するために必要とされる。
関心領域を走査するために、走査される関心領域を受信し、走査方向を生成する走査方向モジュール370;
走査方向を複数の方向サブアセンブリに分割する分割モジュール372;および
複数の方向サブアセンブリから1つのインターリーブ・シーケンスを生成するインターリーブ・シーケンス・モジュール374。
第1のパルスおよび第2のパルスが射出する間に光学システムがカバーする距離ΔLは、次のように表すことができる。
ここで、L0は時間t0における光学システムと物体との距離であり、L1は時間t0における光学システムと物体との距離である。
L0=c.(Δt0/2)
L1=c.(Δt1/2)
ここで、cは光の速度である。
したがって、
ΔL=L0−L1=v.(t1−t0)
L0およびL1をこれらの式に代入すると、次のようになる。
c.(Δt0−Δt1)/2=v.(t1−t0)
δt=Δt0−Δt1より、方程式は次のようになる。
したがって、補正時間δtは、次のように表される。
ステップ414では、補正時間δtを使用して、第2のエコーが補正される。第2のエコーは、補正時間δtに対応する量だけ時間に変換される。図23Bは、第1のエコーと時間的に整列した補正済の第2のエコーを示している。
変位速度を受信し、その変位速度と、上記の第1および第2の時点と光の速度とを使用して補正時間を決定する補正決定モジュール440、および
補正時間を使用して第2のエコーを補正し、補正されたエコーを出力する補正適用モジュール442。
Claims (30)
- 複数の走査方向に従って領域を光学的に走査する方法であって、
前記複数の走査方向に対して走査順序を規定するインターリーブ・シーケンスを受信するステップと、
前記インターリーブ・シーケンスに従って光パルスを順次伝播するステップと、
前記領域内に存在する少なくとも1つの物体上での前記伝播された光パルスの反射に相当するパルスエコーを検出するステップと、
前記検出されたパルスエコーを出力するステップと、
を含む、方法。 - 前記インターリーブ・シーケンスを前記受信するステップが、
前記複数の走査方向を受信することと、
前記インターリーブ・シーケンスを生成することと、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記複数の走査方向を前記受信するステップが、
全走査範囲を受信することと、
走査方向数のうちの1つおよび走査方向毎の視野を受信することと、
前記走査方向を決定することと、
を含む、請求項2に記載の方法。 - 前記インターリーブ・シーケンスを前記生成するステップが、
前記複数の走査方向を複数の方向サブアセンブリに分割することと、
前記方向サブアセンブリを使用して前記インターリーブ・シーケンスを生成することと、
を含む、請求項2または3に記載の方法。 - 前記インターリーブ・シーケンスに従って光パルスを前記順次伝播するステップと、
前記領域内に存在する少なくとも1つの物体上での前記伝播した光パルスの反射に相当するパルスエコーを前記検出するステップと、
前記検出されたパルスエコーを前記出力するステップと、
を反復することをさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 - 複数の走査方向に従って領域を光学的に走査するシステムであって、
前記複数の走査方向に対して走査順序を規定するインターリーブ・シーケンスを受信するコントローラと、
前記インターリーブ・シーケンスに従って光パルスを順次伝播するパルス光光源と、
前記領域内に存在する少なくとも1つの物体上での前記伝播された光パルスの反射に相当するパルスエコーを検出し、前記検出されたパルスエコーを出力する光検知器と、
を含む、システム。 - 前記コントローラが、
前記複数の走査方向を受信し、
前記インターリーブ・シーケンスを生成する、
ように構成されている、請求項6に記載のシステム。 - 前記コントローラが、
全走査範囲を受信し、
いくつかの走査方向のうちの1つおよび走査方向毎の視野を受信し、
前記走査方向を決定する、
ように構成されている、請求項7に記載のシステム。 - 前記コントローラが、
前記複数の走査方向を複数の方向サブアセンブリに分割し、
前記方向サブアセンブリを使用して前記インターリーブ・シーケンスを生成する、
ように構成されている、請求項7または8に記載のシステム。 - 前記インターリーブ・シーケンスに従って光パルスを前記順次伝播することと、
前記領域内に存在する少なくとも1つの物体上での前記伝播した光パルスの反射に相当するパルスエコーを前記検出することと、
前記検出されたパルスエコーを前記出力することと、
を反復するようにさらに構成されている、請求項6から9のいずれか一項に記載のシステム。 - 物体を含む領域を光学的に走査する方法であって、
第1の光パルスを第1の射出時点で射出して前記領域を検査するステップと、
前記物体上での前記第1の光パルスの反射に関連し、前記第1の時点から開始する時間関数としての第1の検出光の強度に相当する第1のエコーを検出するステップと、
前記第1の時点と異なる第2の時点で第2の光パルスを射出するステップと、
前記物体上での前記第2の光パルスの反射に関連し、前記第2の時点から開始する時間関数としての第2の検出光の強度に相当する第2のエコーを検出するステップと、
変位速度を受信するステップと、
前記変位速度と、前記第1および第2の時点と、光の速度とを使用して、補正時間を決定するステップと、
前記補正時間を使用して前記第2のエコーを補正することによって、補正エコーを取得するステップと、
前記補正エコーを出力するステップと、
を含む、方法。 - 前記変位速度を前記受信するステップが、前記変位速度を測定することを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記変位速度を前記受信するステップが、パルス光光源および光検知器を搭載した車両の速度を受信することを含み、前記パルス光光源は前記第1および第2の光パルスを射出し、前記光検知器は前記第1および第2のエコーを検出する、請求項11に記載の方法。
- 前記車両の速度を前記受信するステップが、前記車両の速度を測定することを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記第2のエコーを前記補正するステップが、時間関数として、前記補正時間に相当する量だけ、前記第2の検出光の強度を一時的に変換することを含む、請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。
- 物体を含む領域を光学的に走査するシステムにおいて、
第1の光パルスを第1の射出時点で射出して前記領域を検査し、前記第1の時点と異なる第2の時点で第2の光パルスを射出するパルス光光源と、
前記物体上での前記第1の光パルスの反射に関連し、前記第1の時点から開始する時間関数として第1の検出光の強度に相当する第1のエコー、および、前記物体上での前記第2の光パルスの反射に関連し、前記第2の時点から開始する時間関数として第2の検出光の強度に相当する第2のエコーを検出する光検知器と、
補正部であって、
変位速度を受信し、
前記変位速度と、前記第1および第2の時点と、光の速度とを使用して、補正時間を決定し、
前記補正時間を使用して前記第2のエコーを補正することによって、補正エコーを取得し、
前記補正エコーを出力する
補正部と、
を備える、システム。 - 前記変位速度を測定する装置をさらに備える、請求項16に記載のシステム。
- 前記補正部が、前記パルス光光源および前記光検知器が搭載された車両の速度を受信するように構成されている、請求項16に記載のシステム。
- 前記変位速度を測定する装置をさらに備える、請求項18に記載のシステム。
- 前記補正部が、時間関数として、前記補正時間に相当する量だけ、前記第2の検出光の強度を一時的に変換するように構成されている、請求項16から19のいずれか一項に記載のシステム。
- 光エコーの時間的ずれを補正するコンピュータにより実行される方法において、
物体上での第1の光パルスの反射に関連する第1のエコーを受信するステップであって、前記第1の光パルスは関心領域を検査する第1の射出時点で射出され、前記第1のエコーは前記第1の時点から開始する時間関数として第1の検出光の強度に相当する、第1のエコーを受信するステップと、
前記物体上での第2の光パルスの反射に関連する第2のエコーを受信するステップであって、前記第2の光パルスは、前記第1の時点と異なる第2の時点で射出され、前記第2のエコーは前記第2の時点から開始する時間関数として第2の検出光の強度に相当する、第2のエコーを受信するステップと、
変位速度を受信するステップと、
前記変位速度と、前記第1および第2の時点と、光の速度とを使用して、補正時間を決定するステップと、
前記補正時間を使用して前記第2のエコーを補正することによって、補正エコーを取得するステップと、
前記補正エコーを出力するステップと、
を含む、方法。 - 前記変位速度を前記受信するステップが、前記変位速度を測定することを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記変位速度を前記受信するステップが、射出に使用されるパルス光光源および光検知器を搭載した車両の速度を受信することを含み、前記パルス光光源は前記第1および第2の光パルスを射出し、前記光検知器は前記第1および第2のエコーを検出する、請求項21に記載の方法。
- 前記車両の速度を前記受信するステップが、前記車両の速度を測定することを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記第2のエコーを前記補正するステップが、時間関数として、前記補正時間に相当する量だけ、前記第2の検出光の強度を一時的に変換することを含む、請求項21から24のいずれか一項に記載の方法。
- 光エコーの時間的ずれを補正するシステムにおいて、
物体上での第1の光パルスの反射に関連する第1のエコーを受信することであって、前記第1の光パルスは関心領域を検査する第1の射出時点で射出され、前記第1のエコーは前記第1の時点から開始する時間関数として第1の検出光の強度に相当する、第1のエコーを受信することと、
前記物体上での第2の光パルスの反射に関連する第2のエコーを受信することであって、前記第2の光パルスは、前記第1の時点と異なる第2の時点で射出され、前記第2のエコーは前記第2の時点から開始する時間関数として第2の検出光の強度に相当する、第2のエコーを受信することと、
変位速度を受信することと、
前記変位速度と、前記第1および第2の時点と、光の速度とを使用して、補正時間を決定することと、
を行うように構成されている補正決定モジュールと、
前記補正時間を使用して前記第2のエコーを補正することによって、補正エコーを取得することと、
前記補正エコーを出力することと、を行うように構成されている補正適用モジュールと、
を備える、システム。 - 前記変位速度を測定する装置をさらに備える、請求項26に記載のシステム。
- 前記補正決定モジュールが、パルス光光源および光検知器を搭載した車両の速度を受信するように構成されており、前記パルス光光源は前記第1および第2の光パルスを射出し、前記光検知器は前記第1および第2のエコーを検出する、請求項26に記載のシステム。
- 前記変位速度を測定する装置をさらに備える、請求項28に記載のシステム。
- 前記補正適用モジュールが、時間関数として、前記補正時間に相当する量だけ、前記第2の検出光の強度を一時的に変換するように構成されている、請求項26から29のいずれか一項に記載のシステム。
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