CN108761427A - 分布式激光雷达及自动驾驶*** - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种分布式激光雷达及自动驾驶***。本方案通过激光发射接收装置产生窄脉冲激光信号并通过每个光学传感器的出光光纤发射到反射镜，并通过反射镜的反射面反射到MEMS扫描镜的扫描面，MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将窄脉冲激光信号扫描至准直镜，准直镜将窄脉冲激光信号进行准直后将对应的准直光在三维扫描范围对应的探测范围内进行扫描，准直光在接触到障碍物时产生的反射激光信号经由窗口镜进入耦合镜中并通过耦合镜耦合到回波光纤内，回波光纤将反射激光信号传送至激光发射接收装置转换为电信号后发送给工控机设备进行信号处理。由此，本申请探测距离更远，扫描范围广，并采用分布式结构，安装方便，体积小，更换维护成本低。
Description
技术领域
本申请涉及雷达技术领域，具体而言，涉及一种分布式激光雷达及自动驾驶***。
背景技术
自动驾驶汽车又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车，是一种通过电脑***实现无人驾驶的智能汽车。自动驾驶汽车拥有环境感知、路径规划和控制车辆动作的能力，让电脑自动地操作机动车辆。自动驾驶汽车在进行自主行驶的时候需要对周围环境进行感知，进而根据所得到的环境信息做出行为决策。环境感知能力是实现自动驾驶的前提，只有对汽车周围的环境进行准确和快速的感知，自动驾驶才可能得以实现。
自动驾驶汽车通过车上安装的各类传感器来获取周围环境信息，常用的传感器包括激光雷达，然而目前自动驾驶汽车中的激光雷达探测距离较短，且为单点扫描、扫描范围小，同时激光雷达的光学***安装复杂、更换维护成本很高。
申请内容
为了克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种分布式激光雷达及自动驾驶***，探测距离更远，扫描范围广，并采用分布式结构，安装方便，体积小，更换维护成本低。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供一种分布式激光雷达，应用于自动驾驶车辆，所述分布式激光雷达包括：
分布设置在所述自动驾驶车辆的车体周围的多个光学传感器；
与所述光学传感器连接，并设置在所述自动驾驶车辆的车体内部的激光发射接收装置；以及
与所述激光发射接收装置电性连接的工控机设备；
所述光学传感器包括：
传感器本体，所述传感器本体包括底面、与所述底面相对的顶面以及位于所述底面和所述顶面之间的侧面，所述侧面上设置有开口、出光光纤接口以及回波光纤接口；
设置在所述侧面的开口位置处的窗口镜；
连接于所述出光光纤接口和所述激光发射接收装置之间的出光光纤；
连接于所述回波光纤接口和所述激光发射接收装置之间的回波光纤；
设置在所述底面上的MEMS扫描镜、反射镜、准直镜以及耦合镜，所述MEMS扫描镜设置在靠近所述出光光纤接口的位置处，所述反射镜的反射面靠近所述MEMS扫描镜的扫描面，所述准直镜和所述耦合镜设置在靠近所述窗口镜的位置处；
所述激光发射接收装置用于产生窄脉冲激光信号并通过每个光学传感器的出光光纤发射到所述反射镜上，所述反射镜的反射面将所述窄脉冲激光信号反射到所述MEMS扫描镜的扫描面上，所述MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将所述窄脉冲激光信号扫描至所述准直镜上，所述准直镜将所述窄脉冲激光信号进行准直后将对应的准直光在所述三维扫描范围对应的探测范围内进行扫描，当准直光在接触到障碍物时产生反射激光信号，所述反射激光信号经由所述窗口镜进入所述耦合镜中并通过所述耦合镜耦合到所述回波光纤内，所述回波光纤将所述反射激光信号传送至所述激光发射接收装置中，所述激光发射接收装置将所述反射激光信号转换为电信号后发送给所述工控机设备进行信号处理。
可选地，所述激光发射接收装置包括：
用于产生初始触发信号的激光处理器；
与所述激光处理器电性连接，用于响应所述初始触发信号产生窄脉冲激光信号的激光器；
与所述激光器和所述多个光传感器连接连接，用于根据所述激光器产生的窄脉冲激光信号生成多路激光信号并分别发射给对应的光传感器的信号均分器；
与所述多个光传感器连接，用于接收各个光传感器发送的各个反射激光信号，并将所述各个反射激光信号转换为对应的电信号的光电转换器；
与所述光电转换器电性连接，用于接收转换得到的各个电信号并在监测到每个所述电信号为正确电信号时将该电信号作为终止信号的时间监测芯片。
可选地，每个所述光传感器通过出光光纤与所述信号均分器连接、并通过收光光纤与所述光电转换器连接，用于通过所述出光光纤获取所述信号均分器发送的对应路的激光信号，并通过所述收光光纤将采集到的反射激光信号发送给所述光电转换器。
可选地，所述信号均分器包括光分束器，所述光分束器用于将所述窄脉冲激光信号均分为多路激光信号。
可选地，所述信号均分器包括光开关，所述光开关包括多个传输端口，用于将所述窄脉冲激光信号通过多个传输端口生成多路激光信号。
可选地，所述光电转换器还用于在将所述各个反射激光信号转换为对应的电信号后，将所述电信号进行信号放大和信号滤波，得到信号放大和信号滤波后的电信号并发送给所述时间监测芯片。
可选地，所述时间监测芯片采用TDC-GP2芯片。
可选地，所述窄脉冲激光信号的波长为1550nm。
可选地，所述光学传感器还包括与所述MEMS扫描镜连接的驱动器，所述驱动器用于驱动所述MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将所述窄脉冲激光信号扫描至所述准直镜上。
第二方面，本申请实施例还提供一种自动驾驶***，所述自动驾驶***包括设置在车辆中的自动驾驶控制设备以及与所述自动驾驶控制设备电性连接的上述的分布式激光雷达
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供一种分布式激光雷达及自动驾驶***。本方案通过激光发射接收装置产生窄脉冲激光信号并通过每个光学传感器的出光光纤发射到反射镜上，反射镜的反射面将窄脉冲激光信号发射到MEMS扫描镜的扫描面上，MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将窄脉冲激光信号扫描至准直镜上，准直镜将窄脉冲激光信号进行准直后将对应的准直光在三维扫描范围对应的探测范围内进行扫描，准直光在接触到障碍物时产生的反射激光信号经由窗口镜进入耦合镜中并通过耦合镜耦合到回波光纤内，回波光纤将反射激光信号传送至激光发射接收装置转换为电信号后发送给工控机设备进行信号处理。由此，本申请采用窄脉冲激光信号进行探测，探测距离更远，同时设计的反射镜、MEMS扫描镜、准直镜、耦合镜的光电传感器结构能够将对应路的激光信号沿预定空间范围向车体外部环境进行多点扫描，扫描范围更广，并采用分布式结构将每个光传感器设置在车辆的车体周围，安装方便，体积小，更换维护成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为本申请实施例提供的分布式激光雷达的结构示意图；
图2为图1中所示的激光发射接收装置的结构示意图；
图3为图1中所示的光传感器的内部结构示意图；
图4为本申请实施例提供的分布式激光雷达的结构示意框图。
图标：10-分布式激光雷达；100-激光发射接收装置；101-激光发射口；102-激光接收口；110-激光处理器；120-激光器；130-信号均分器；140-光电转换器；150-时间监测芯片；200-光传感器；210-底面；212-MEMS扫描镜；214-反射镜；216-准直镜；218-耦合镜；220-侧面；222-窗口镜；224-出光光纤接口；226-回波光纤接口；300-工控机设备。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，一些指示的方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，为本申请实施例提供的分布式激光雷达10的结构示意图。本实施例中，分布式激光雷达10可以应用于自动驾驶***中，用于在自动驾驶车辆进行自主行驶的时候感知与周围障碍物之间的距离信息，进而使自动驾驶***根据所得到的距离信息做出行为决策。
如图1所示，分布式激光雷达10可包括分布设置在自动驾驶车辆(图中未示出)的车体周围的多个光学传感器、与光学传感器连接，并设置在自动驾驶车辆的车体内部的激光发射接收装置100以及与激光发射接收装置100电性连接的工控机设备300。
请结合参阅图2，激光发射接收装置100上设置有激光发射口101和激光接收口102，光学传感器分别与激光发射口101和激光接收口102连接。
详细地，请结合参阅图3，光学传感器可包括传感器本体、窗口镜222、MEMS扫描镜212、反射镜214、准直镜216、耦合镜218、出光光纤(图中未示出)以及回波光纤(图中未示出)，传感器本体包括底面210、与底面210相对的顶面以及位于底面210和顶面之间的侧面220，侧面220上设置有开口、出光光纤接口224以及回波光纤接口226。
窗口镜222设置在侧面220的开口位置处，出光光纤连接于出光光纤接口224和激光发射接收装置100之间，回波光纤连接于回波光纤接口226和激光发射接收装置100之间。MEMS扫描镜212、反射镜214、准直镜216以及耦合镜218设置在底面210上，MEMS扫描镜212设置在靠近出光光纤接口224的位置处，反射镜214的反射面靠近MEMS扫描镜212的扫描面，准直镜216和耦合镜218设置在靠近窗口镜222的位置处。
激光发射接收装置100用于产生窄脉冲激光信号并通过每个光学传感器的出光光纤发射到反射镜214上，反射镜214的反射面将窄脉冲激光信号反射到MEMS扫描镜212的扫描面上，MEMS扫描镜212按照预定的三维扫描范围将窄脉冲激光信号扫描至准直镜216上，准直镜216将窄脉冲激光信号进行准直后将对应的准直光在三维扫描范围对应的探测范围内进行扫描，当准直光在接触到障碍物时产生反射激光信号，反射激光信号经由窗口镜222进入耦合镜218中并通过耦合镜218耦合到回波光纤内，回波光纤将反射激光信号传送至激光发射接收装置100中，激光发射接收装置100将反射激光信号转换为电信号后发送给工控机设备300进行信号处理。
本实施例通过采用窄脉冲激光信号进行探测，相对于现有技术，探测距离更远。此外，本申请发明人经过多次研究测试发现，当窄脉冲激光信号的波长为1550nm时，测量精度高，透雾能力强，对人眼安全性更高。
本实施例采用分布式结构将每个光传感器200设置在车辆的车体周围，比如在车辆的两侧分别安装三个，并在车辆前方安装一个，安装方便，每个光传感器200的体积小，当某个光传感器200发生故障时，只需更换对应的光传感器200即可，无需整体更换，更换维护成本低。同时，设计的反射镜214、MEMS扫描镜212、准直镜216、耦合镜218的光电传感器结构能够将对应路的激光信号沿预定空间范围向车体外部环境进行多点扫描，扫描范围更广。其中，该预定空间范围可以根据需要设置，例如可以设置为左右60度、上下20度的多点扫描范围。此外，每个光传感器200的体积小，当某个光传感器200发生故障时，只需更换对应的光传感器200即可，无需整体更换，更换维护成本低。
本实施例中，光学传感器还可以包括与MEMS扫描镜212连接的驱动器，驱动器用于驱动MEMS扫描镜212按照预定的三维扫描范围将窄脉冲激光信号扫描至准直镜216上。
可选地，请结合参阅图4，激光发射接收装置100可包括激光处理器110、激光器120、信号均分器130以及光电转换器140。
本实施例中，激光处理器110用于产生初始触发信号，激光器120与激光处理器110电性连接，用于响应初始触发信号产生窄脉冲激光信号。其中，激光处理器110还用于在初始触发信号生成后记录对应的初始时刻，该初始时刻也即窄脉冲激光信号产生的时刻。
信号均分器130与激光器120和多个光传感器200连接连接，用于根据激光器120产生的窄脉冲激光信号生成多路激光信号并分别发射给对应的光传感器200。可选地，信号均分器130包括光分束器，光分束器通常是由金属膜或介质膜构成，可将一束光分成两束光或多束光，也即可以用于将窄脉冲激光信号均分为多路激光信号。或者，信号均分器130还可包括光开关，光开关可包括多个传输端口，用于将窄脉冲激光信号通过多个传输端口生成多路激光信号。可以理解，在其它实施方式中，信号均分器130也可以采用其它具有信号均分功能的装置，在此不作具体限制。
本实施例中，每个光传感器200可以通过出光光纤与信号均分器130连接、并通过收光光纤与光电转换器140连接，用于通过出光光纤获取信号均分器130发送的对应路的激光信号，并通过收光光纤将采集到的反射激光信号发送给光电转换器140。如此设计，通过设置出光光纤和收光光纤，使得激光信号在传输过程中抗干扰能力更强。
本实施例中，光电转换器140与多个光传感器200连接，用于接收各个光传感器200发送的各个反射激光信号，并将各个反射激光信号转换为对应的电信号。其中，光电转换器140内部可以由APD偏置电路组成，其还可以用于在将各个反射激光信号转换为对应的电信号后，将电信号进行信号放大和信号滤波，得到信号放大和信号滤波后的电信号。
本实施例中，时间监测芯片150与光电转换器140电性连接，用于接收转换得到的各个电信号并在监测到每个电信号为正确电信号时将该电信号作为终止信号。可选地，时间监测芯片150可以采用TDC-GP2芯片。
其中，本申请发明人在研究过程中还发现，在上述激光测距过程中，由于大气湍流、跟瞄抖动、目标姿态变化等会引入对特定目标的转换得到的各个电信号幅度小范围的快速涨落。APD偏置电路中的雪崩光电二级管产生的电流经过放大电路放大后，最终送到电压比较器以产生计时点。如果仅仅只是设定一个固定的临界电压来判断转换得到的各个电信号出现与否并决定到达时点，将会因为信号大小变化而使时点判别出现误差，此类因为信号形状不同而引起的误差，称为漂移误差。因此，必须采用相应的时间判定技术以减小这种由于幅度的随机抖动而引入的定时误差。
详细地，本申请发明人经过探索研究，提出下述实施方式以解决定时误差。
首先，通过时间监测芯片150对转换得到的每个电信号的上升斜率进行检测，并根据检测到的上升斜率获取对应的上升时间，然后，将上升时间与预设阈值进行比对，当上升时间大于预设阈值时判定该电信号为正确电信号，并将该电信号作为终止信号。由此，可以获得较高的定时精度。
本实施例中，工控机设备300与激光处理器110电性连接，激光处理器110还与时间监测芯片150电性连接，用于将接收到的每个终止信号和对应的初始触发信号发送给工控机设备300，工控机设备300用于根据每个终止信号和对应的初始触发信号计算生成当前探测范围内的所有障碍物的三维图形。
详细地，作为一种实施方式，根据每个终止信号和对应的初始触发信号计算生成当前探测范围内的所有障碍物的三维图形的方式，可以包括：
首先，计算每个终止信号和对应的初始触发信号之间的频谱差信号。接着，根据频谱差信号得到每个终止信号和对应的初始触发信号之间的时间差。而后，根据时间差计算出与对应的障碍物之间的距离，得到多个距离。最后，基于多个距离生成当前探测范围内的所有障碍物的三维图形。当前探测范围内的所有障碍物的三维图形可以体现与各个障碍物之间的距离信息。
本实施例中，工控机(Industrial Personal Computer，IPC)设备即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机设备300具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机主板、CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作***、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。
综上所述，本申请实施例提供一种分布式激光雷达及自动驾驶***。本方案通过激光发射接收装置产生窄脉冲激光信号并通过每个光学传感器的出光光纤发射到反射镜上，反射镜的反射面将窄脉冲激光信号发射到MEMS扫描镜的扫描面上，MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将窄脉冲激光信号扫描至准直镜上，准直镜将窄脉冲激光信号进行准直后将对应的准直光在三维扫描范围对应的探测范围内进行扫描，准直光在接触到障碍物时产生的反射激光信号经由窗口镜进入耦合镜中并通过耦合镜耦合到回波光纤内，回波光纤将反射激光信号传送至激光发射接收装置转换为电信号后发送给工控机设备进行信号处理。由此，本申请采用窄脉冲激光信号进行探测，探测距离更远，同时设计的反射镜、MEMS扫描镜、准直镜、耦合镜的光电传感器结构能够将对应路的激光信号沿预定空间范围向车体外部环境进行多点扫描，扫描范围更广，并采用分布式结构将每个光传感器设置在车辆的车体周围，安装方便，体积小，更换维护成本低。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种分布式激光雷达，其特征在于，应用于自动驾驶车辆，所述分布式激光雷达包括：
分布设置在所述自动驾驶车辆的车体周围的多个光学传感器；
与所述光学传感器连接，并设置在所述自动驾驶车辆的车体内部的激光发射接收装置；以及
与所述激光发射接收装置电性连接的工控机设备；
所述光学传感器包括：
传感器本体，所述传感器本体包括底面、与所述底面相对的顶面以及位于所述底面和所述顶面之间的侧面，所述侧面上设置有开口、出光光纤接口以及回波光纤接口；
设置在所述侧面的开口位置处的窗口镜；
连接于所述出光光纤接口和所述激光发射接收装置之间的出光光纤；
连接于所述回波光纤接口和所述激光发射接收装置之间的回波光纤；
设置在所述底面上的MEMS扫描镜、反射镜、准直镜以及耦合镜，所述MEMS扫描镜设置在靠近所述出光光纤接口的位置处，所述反射镜的反射面靠近所述MEMS扫描镜的扫描面，所述准直镜和所述耦合镜设置在靠近所述窗口镜的位置处；
所述激光发射接收装置用于产生窄脉冲激光信号并通过每个光学传感器的出光光纤发射到所述反射镜上，所述反射镜的反射面将所述窄脉冲激光信号反射到所述MEMS扫描镜的扫描面上，所述MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将所述窄脉冲激光信号扫描至所述准直镜上，所述准直镜将所述窄脉冲激光信号进行准直后将对应的准直光在所述三维扫描范围对应的探测范围内进行扫描，当准直光在接触到障碍物时产生反射激光信号，所述反射激光信号经由所述窗口镜进入所述耦合镜中并通过所述耦合镜耦合到所述回波光纤内，所述回波光纤将所述反射激光信号传送至所述激光发射接收装置中，所述激光发射接收装置将所述反射激光信号转换为电信号后发送给所述工控机设备进行信号处理。
2.根据权利要求1所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述激光发射接收装置包括：
用于产生初始触发信号的激光处理器；
与所述激光处理器电性连接，用于响应所述初始触发信号产生窄脉冲激光信号的激光器；
与所述激光器和所述多个光传感器连接连接，用于根据所述激光器产生的窄脉冲激光信号生成多路激光信号并分别发射给对应的光传感器的信号均分器；
与所述多个光传感器连接，用于接收各个光传感器发送的各个反射激光信号，并将所述各个反射激光信号转换为对应的电信号的光电转换器；
与所述光电转换器电性连接，用于接收转换得到的各个电信号并在监测到每个所述电信号为正确电信号时将该电信号作为终止信号的时间监测芯片。
3.根据权利要求2所述的分布式激光雷达，其特征在于，每个所述光传感器通过出光光纤与所述信号均分器连接、并通过收光光纤与所述光电转换器连接，用于通过所述出光光纤获取所述信号均分器发送的对应路的激光信号，并通过所述收光光纤将采集到的反射激光信号发送给所述光电转换器。
4.根据权利要求2所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述信号均分器包括光分束器，所述光分束器用于将所述窄脉冲激光信号均分为多路激光信号。
5.根据权利要求2所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述信号均分器包括光开关，所述光开关包括多个传输端口，用于将所述窄脉冲激光信号通过多个传输端口生成多路激光信号。
6.根据权利要求2所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述光电转换器还用于在将所述各个反射激光信号转换为对应的电信号后，将所述电信号进行信号放大和信号滤波，得到信号放大和信号滤波后的电信号并发送给所述时间监测芯片。
7.根据权利要求2所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述时间监测芯片采用TDC-GP2芯片。
8.根据权利要求1所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述窄脉冲激光信号的波长为1550nm。
9.根据权利要求1所述的分布式激光雷达，其特征在于，所述光学传感器还包括与所述MEMS扫描镜连接的驱动器，所述驱动器用于驱动所述MEMS扫描镜按照预定的三维扫描范围将所述窄脉冲激光信号扫描至所述准直镜上。
10.一种自动驾驶***，其特征在于，所述自动驾驶***包括设置在车辆中的自动驾驶控制设备以及与所述自动驾驶控制设备电性连接的权利要求1-9中任意一项所述的分布式激光雷达。
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