JP7122477B2 - 屈折ビームステアリング方法およびシステム - Google Patents
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Description
本出願は、全開示の内容が本明細書に参照として含まれる2019年1月4日に出願した米国臨時出願番号第62/788、304号についての優先権およびその利益を主張する。
1.位相エンコーディングされた検出概要(Phase-Encoded)
ここで、cは、媒質内の光の速度であり、v0は、観察者の速度であり、vsは、ソースと受信機を連結するベクトルに従うソースの速度である。観察者とソースが2つの間のベクトル上で同じ方向に同じ速度で動いている場合、2つの周波数は、同じであることに注目するべきである。2つの周波数の間の差(Δf=f’-f)は、距離測定について問題点を引き起こすドップラーシフト(ΔfD)であり、数式2によって与えられる。
誤差の大きさは、信号の周波数fに応じて増加することに注目するべきである。また、静止したLIDARシステム(v0=0)の場合、毎秒10メートル(vs=10)で移動するオブジェクトと約500THzの周波数を有する可視光線についてのドップラーシフトの大きさは、約16メガヘルツ(MHz、1MHz=106ヘルツ(Hz)、1Hz=毎秒1サイクル)であることに注目するべきである。以下に説明される様々な実施例において、距離計算のためのデータを処理するためにドップラーシフトの誤差が検出されて使用される。
2.チャープ検出概要(Chirped Detection Overview )
fRの値は、デチャーピング(De-chirping)と呼ばれる時間ドメインミキシング動作で送信された信号116とリターンされた信号166aとの間の周波数差によって測定される。したがって、距離Rは、数式4bによって与えられる。
パルスが完全に送信された後にリターンされた信号が到着すると、すなわち、2R/cがτよりも大きければ、数式4aおよび4bは、有効ではない。この場合に、基準信号は、リターンされた信号が基準信号と重畳することを保証するように知られている量または定められた量だけ遅延し得る。基準信号の定められた遅延時間または知られている遅延時間は、数式4bから計算された距離に追加される追加距離を提供するために光の速度Cと乗じられる。媒質で光の速度の不確実性によって絶対距離は、不正確であり得るが、これは、ほとんど一定の誤差(Near-Constant Error)であり、周波数差を基盤とした相対的距離は、相変らず非常に正確である。
3.光検出ハードウェア概要(Optical Detection Hardware Overview)
4.屈折ビームステアリングのためのコヒーレントLIDARシステム
このとき、θは、[0、2π]のドメインで定義された角度404、hは、軸分離426、rは、半径428、uは、[0、h]のドメインで定義された変数、cは、ビームがリスレープリズム402を離れ、コーン形状の表面424のナップ(Nappe)が配置された軸417に沿った座標を示す。各数式5a-5cごとに、コーン半径428は、u=0のとき最大であり、(Sx、Sy)は、軸417に対して直交する2次元平面で半径がrである円を定義する。数式5aごとに、x軸414 に沿ってステアリングされたビーム408’のコンポーネントは、r sinθである。角度406、半径428と軸分離426との間の関係は、次の数式6の通りである。
このとき、Aは、ステアリング角度406、rは、半径428、hは、軸分離426を示す。
5.車両制御概要(Vehicle Control Overview)
6.コヒーレントLIDARシステムでスキャンパターンを最適化するための方法(Method for Optimization of Scan Pattern in Coherent LIDAR System)
一実施例において、ステアリングされたビーム408’を生成する望む三角波形420について、このフーリエシリーズは、下記の数式7bのように再記載され得る。
このとき、Bは、コーン形状の表面424によって定義されるコーン角度またはx-z平面(例えば、軸414、417によって定義される平面)での角度406の2倍であり、fは、軸417に対するリスレープリズム402とステアリングされたビーム408’の回転周波数(ヘルツ単位、Hz)であり、Ajxは、j番目のリスレープリズムの回転に基づいて、x軸414に沿ったステアリング角度406の投影であり、jは、第1リスレープリズム402aに対してはA、第2リスレープリズム402bに対してはB、第3リスレープリズム402cに対してはCであり、インデックスiは、数式7bの初項やAAxに対しては1、数式7bの第2項やABxに対しては3、数式7bの第3項やACxに対しては5である。一実施例において、数式7b内の正弦曲線の振幅Ajは、下記の数式7cのとおりである。
また、Ajは、装置内の各リスレープリズムについて計算される。一実施例において、装置に3つのリスレープリズムが使用される場合、AAは、第1リスレープリズム402aに基づくスイープされたビーム(Swept Beam)408’の角度406aであり、j=A、i=1のときに、数式7bまたは数式7cの初項の正弦曲線の振幅である。同様に、ABは、第2リスレープリズム402bに基づくスイープされたビーム408’の角度406bであり、j=B、i=3のとき、 数式7bまたは数式7cの第2項の正弦曲線の振幅である。同様に、ACは、第3リスレープリズム402cに基づくスイープされたビーム408’の角度406cであり、j=C、i=5のとき、数式7bまたは数式7cの第3項の正弦曲線の振幅である。
このとき、iは、第1リスレープリズム402aに対して1、第2リスレープリズム402bに対して3、第3リスレープリズム402cに対して5である。
このとき、Tは厚さ432、dは直径405、αはカット角度407である。一実施例において、数式7eを使用すると、3つの各リスレープリズム402a、402b、402cについての厚さ432は、それぞれ約3mm、0.4mm、そして0.15mmで計算される。例示的な一実施例において、製造可能性および耐久性を促進するためにリスレープリズム402b、402cについての後者の厚さは、最小厚さに増加し得る。リスレープリズム402a、402b、402cの算出されたパラメータを考慮してアセンブリは、非常にコンパクトに作ることができる。
7.コンピュータハードウェア概要(Computational Hardware Overview)
8.変更、拡張および修正(Alterations、Extensions and Modifications)
Claims (20)
- 光軸に沿って送信されたビームを受信し、前記ビームを前記光軸に対して定義される第1角度と第2角度との間の第1平面に複数のスキャンラインで投影する第1スキャナと、
前記光軸に沿って配置される第2スキャナと、
前記第1スキャナおよび前記第2スキャナに結合される1つ以上のモーターと、
特定波形の1つ以上のコンポーネントに基づいて回転情報を生成し、前記回転情報に基づいて前記第1スキャナおよび前記第2スキャナを回転させるようにする信号を前記1つ以上のモーターに送信するように構成される1つ以上のプロセッサと、を含み、
前記信号は、(1)前記第1スキャナおよび前記第2スキャナのそれぞれの角周波数と、(2)前記第1スキャナと前記第2スキャナとの相対位相と、を含むデータを示し、
前記第1スキャナは、同一方向に回転する複数のプリズムを含む、
LIDAR(Light Detection And Ranging)システム。 - 前記特定波形は、三角波形(Triangular Waveform)または鋸歯状波形(Sawtooth Waveform)である請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記複数のスキャンラインは、前記第1平面に投影される第1スキャンラインおよび第2スキャンラインを含み、
前記第1スキャンラインは、前記第2スキャンラインから均等にまたはほぼ均等に離隔される請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記特定波形の1つ以上のコンポーネントは、前記特定波形の1つ以上のフーリエ(Fourier)コンポーネント波形を含む請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記1つ以上のフーリエコンポーネント波形のうち、第1フーリエコンポーネント波形は、前記1つ以上のフーリエコンポーネント波形のうち、第2フーリエコンポーネント波形の振幅よりも大きい振幅を有する請求項4に記載のLIDARシステム。
- 前記第1フーリエコンポーネント波形は、前記第2フーリエコンポーネント波形の周波数よりも低い周波数を有する請求項5に記載のLIDARシステム。
- 前記回転情報は、角周波数(Angular Frequency)、周波数、位相または振幅のうち、少なくとも1つを含む請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記1つ以上のプロセッサは、
前記第1スキャナに関連する1つ以上のパラメータを決定し、
前記1つ以上のパラメータおよび前記1つ以上のコンポーネントに基づいて前記回転情報を生成するようにさらに構成される請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記1つ以上のパラメータは、角度、屈折率または寸法のうち、少なくとも1つを含む請求項8に記載のLIDARシステム。
- 前記第2スキャナは、前記第1スキャナから前記第1平面に投影された前記複数のスキャンラインを受信し、前記複数のスキャンラインを前記光軸に対して定義される第3角度と第4角度との間の第2平面に複数の第2スキャンラインで投影する請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記第3角度と前記第4角度との差は、前記第1角度と前記第2角度との間の絶対差よりも大きい請求項10に記載のLIDARシステム。
- 前記第1スキャナは、1つ以上のリスレープリズム(Risley Prism)を含む請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記第2スキャナは、前記第1平面に投影された前記複数のスキャンラインを受信し、前記複数のスキャンラインを第3平面に複数の第3スキャンラインで投影する請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記第2スキャナは、ポリゴン(Polygon)スキャナを含む請求項13に記載のLIDARシステム。
- 前記第1スキャナは、第1軸に沿って前記ビームの作動(Actuation)を制御し、前記第2スキャナは、第2軸に沿って前記ビームの作動を制御する請求項13に記載のLIDARシステム。
- 前記第1軸は、前記第2軸に直交する請求項15に記載のLIDARシステム。
- 前記第1平面に複数のスキャンラインとして、前記ビームを投影することに応答してリターンされた信号を受信する受信機をさらに含み、
前記1つ以上のプロセッサは、前記リターンされた信号に基づいて車両を動作させる請求項1に記載のLIDARシステム。 - 光軸に沿って送信されたビームを受信するステップと、
特定波形の1つ以上のコンポーネントに基づいて、1つ以上の光学コンポーネントの角周波数および相対位相を決定するステップと、
1つ以上のモーターに信号を送信するステップと、
ここで、前記信号は、前記1つ以上のモーターが前記1つ以上の光学コンポーネントを回転させ、第1スキャンパターンおよび第2スキャンパターンを生成させるものであり、前記信号は、(1)前記1つ以上の光学コンポーネントの前記角周波数および(2)前記1つ以上の光学コンポーネントの前記相対位相を含むデータを示し、
前記第1スキャンパターンに基づいて、前記ビームを第1平面に複数のスキャンラインで投影するステップと、
前記第1平面に投影された前記複数のスキャンラインを受信するステップと、
前記第2スキャンパターンに基づいて、前記第1平面と直交する第2平面に前記複数のスキャンラインを複数の第2スキャンラインで投影するステップと、を含み、
前記第1スキャンパターンは、同一方向に回転する複数のプリズムにより生成される方法。 - 前記第1平面に複数のスキャンラインとして前記ビームを投影することに応答してリターンされた信号を受信するステップと、
前記リターンされた信号に基づいて車両を動作させるステップと、をさらに含む請求項18に記載の方法。 - 1つ以上のプロセッサを含む自律走行車の制御システムとして、前記1つ以上のプロセッサは、
三角波形の複数のフーリエコンポーネント波形を決定し、
前記複数のフーリエコンポーネント波形の第1パラメータ値に基づいて、複数の光学コンポーネントのパラメータ値を決定し、
前記フーリエコンポーネント波形の第2パラメータ値に基づいて、複数の光学コンポーネントの角周波数および相対位相を決定し、
前記複数の光学コンポーネントが光軸に沿って送信されたビームを受信し、前記三角波形に基づいて、前記光軸に対する第1角度および第2角度との間の第1平面に前記ビームを複数のスキャンラインで投影させるために前記複数の光学コンポーネントそれぞれの前記角周波数および前記相対位相に基づいて、1つ以上のモーターにより、前記複数の光学コンポーネントを回転させるために、前記1つ以上のモーターに信号を送信し、
ここで、前記信号は、前記複数の光学コンポーネントのそれぞれの前記角周波数および前記相対位相を含むデータを示し、
前記第1平面に複数のスキャンラインとして前記ビームを投影することに応答して複数の電気信号を受信し、
前記複数の電気信号を用いて自律走行車の動作を制御し、
前記複数の光学コンポーネントは、同一方向に回転するように構成される自律走行車の制御システム。
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