CN109541620A - 激光雷达阵列中帧速率提升的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请一般涉及在受监测的驾驶环境中的通信和危险避免。更具体地，通过响应于先前确定的接收时间同时发射阵列中的多个激光器，使得以非重叠时间间隔接收对来自每个激光器的光脉冲的检测，该申请教导了一种用于在配备有激光检测和测距激光雷达***的车辆中改进目标物体检测的***。

Description

激光雷达阵列中帧速率提升的方法和装置
技术领域
本申请一般涉及自主和半自主车辆。更具体地，该申请教导了一种用于在配备有激光检测和测距激光雷达***的车辆中改进目标物体检测的装置。
背景技术
现代车辆的操作变得更加自动化，即能够以越来越少的驾驶员干预来提供驾驶控制。车辆自动化被分类为从零(对应于完全人为控制而没有自动化)开始到五级(对应于完全自动化而没有人为控制)的数字级别。各种自动驾驶辅助***，例如巡航控制、自适应巡航控制和停车辅助***对应于较低的自动化级别，而真正的“无人驾驶”车辆对应于较高的自动化级别。
越来越多的车辆能够使用车载传感器自主地或半自主地确定车辆周围的环境。用于此任务的有价值的传感器是激光雷达，它是一种通过用激光照射目标来测量距离的测量技术。然而，固定的激光雷达***通常需要激光用于视场中的每个点，从而需要大量的激光以便在一定距离处实现密集点云，这需要长采集时间用于每帧扫描。期望实现更大密度的点云，同时减少每次扫描的采集时间。
发明内容
根据本公开的实施例提供了许多优点。例如，根据本公开的实施例可以实现自主车辆控制命令的独立验证，以帮助诊断主控制***中的软件或硬件条件。因此，根据本公开的实施例可以更鲁棒，从而提高客户满意度。
根据本发明的一个方面，一种装置，包括：多个发射器，用于发射多个光脉冲；检测器，用于检测所述多个光脉冲；处理器，用于确定所述多个光脉冲中的每个光脉冲的接收时间和用于确定第一子集发射器，其中来自第一子集发射器的多个光脉冲具有第一多个接收时间，其中所有第一多个接收时间都小于第一时间，处理器进一步可操作用于确定第二子集发射器，其中来自第二子集发射器的多个光脉冲具有第二多个接收时间，其中所有第二多个接收时间都大于第一时间；以及控制器，用于控制多个发射器，使得所述第一子集发射器中的至少一个发射器与所述第二子集发射器中的至少一个发射器同时发射。
根据本发明的另一方面，一种激光雷达***，包括：用于发射光脉冲的发射器；具有第一检测部分和第二检测部分的第一检测器，第一检测部分和第二检测部分具有第一取向；具有第三检测部分和第四检测部分的第二检测器，第三检测部分和第四检测部分具有第二取向，其中第二取向与第一取向正交；以及处理器，用于响应于由第一检测部分和第二检测部分检测到的光脉冲的第一比率以及由第三检测部分和第四检测部分检测到的光脉冲的第二比率来确定发射器的位置。
根据本发明的另一方面，一种方法包括：从第一发射器发射第一光脉冲，从第二发射器发射第二光脉冲，从第三发射器发射第三光脉冲，以及从第四发射器发射第四光脉冲，接收第一光脉冲、第二光脉冲、第三光脉冲和第四光脉冲，响应于第一光脉冲的发射和第一光脉冲的接收确定第一接收时间，响应于第二光脉冲的发射和第二光脉冲的接收确定第二接收时间，响应于第三光脉冲的发射和第三光脉冲的接收确定第三接收时间，响应于第四光脉冲的发射和第四光脉冲的接收确定第四接收时间，以及响应于第一接收时间和第二接收时间，产生控制信号以控制第一发射器和第二发射器使得第一发射器和第二发射器同时发射。
从以下结合附图对优选实施例的详细描述，本公开的上述优点和其他优点和特征将变得显而易见。
附图说明
本发明的上述和其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且通过参考以下结合附图的本发明的实施例的描述将更好地理解本发明，其中：
图1是根据实施例的包括自主控制车辆的通信***的示意图。
图2是根据一个实施例的用于车辆的自动驾驶***(ADS)的示意性框图。
图3是示出用于实现本公开的***和方法的示例性环境的图。
图4是示出用于车辆中的激光雷达实现的装置的示例性实现的框图。
图5是示出用于车辆中的激光雷达实现的方法的示例性实现的框图。
图6示出了用于改进的激光雷达扫描的所提出的VCSEL阵列的示例性实施例。
图7示出了说明相干信号检测的示例性时序图。
图8示出了根据示例性实施例的用于改进的激光雷达扫描的方法的流程图。
本文所述的示例说明了本发明的优选实施例，并且这些示例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开或其应用和用途。此外，无意受前述背景技术或以下详细描述中提出的任何理论的约束。例如，本发明的激光雷达传感器具有在车辆上使用的特定应用。然而，如本领域技术人员将理解的，本发明的激光雷达传感器可以具有其他应用。
现代车辆有时包括各种主动安全和控制***，例如防撞***、自适应巡航控制***、车道保持***、车道对中***等，其中车辆技术正朝着半自动和全自动驾驶车辆发展。例如，本领域已知防撞***，如果检测到与另一车辆或物体的潜在或即将发生的碰撞，该防撞***提供自动车辆控制，例如制动，并且还可提供警告以允许驾驶员采取纠正措施以防止碰撞。此外，已知自适应巡航控制***采用前视传感器，如果主车辆正在接近另一车辆，则该前视传感器提供自动速度控制和/或制动。用于这些类型的***的物体检测传感器可以使用多种技术中的任何一种，例如短程雷达、远程雷达、具有图像处理的照相机、激光或激光雷达、超声波等。物体检测传感器检测主车辆的路径中的车辆和其他物体，并且应用软件使用物体检测信息来提供警告或采取适当的动作。
激光雷达传感器有时用于车辆上以检测车辆周围的物体，并且使用来自物体的反射提供这些物体的范围和取向，提供多个扫描点，这些扫描点组合为点群范围图，其中在传感器的视场(FOV)上每1/2°或更小角度提供一单独的扫描点。因此，如果在目标车辆的前方检测到目标车辆或其他物体，则可能存在返回的多个扫描点，其识别目标车辆距主车辆的距离。通过提供一组扫描返回点，可以更容易地检测到具有各种任意形状的物体，例如卡车、拖车、自行车、行人、护栏等，其中物体越大和/或越接近主车辆，提供的扫描点越多。
大多数已知的激光雷达传感器采用单个激光器和快速旋转镜来产生围绕车辆的三维反射点云或返回点云。当镜子旋转时，激光器发射光脉冲，并且传感器测量光脉冲被其FOV中的物体反射和返回所花费的时间以确定物体的距离，在本领域中称为飞行时间计算。通过非常快速地脉冲激光，可以产生传感器的FOV中的物体的三维图像。可以提供多个传感器，并且可以将来自其的图像相关联以产生车辆周围的物体的三维图像。
大多数已知的激光雷达传感器的一个缺点是有限角度网格分辨率。激光雷达可操作以在车辆周围的离散角度脉冲激光。例如，如果激光器在50米处以0.5度的角分辨率脉冲，则视场的交叉范围间隔约为0.5米。对于在自主车辆应用中使用的激光雷达，目标车辆可以仅反射一个或两个发射的激光脉冲。在大距离处的目标物体的少量命中可以提供物体边界的不充分信息。期望估计每个命中点的表面长度和角度取向并且恢复另外的物体信息。
图1示意性地示出了包括用于机动车辆12的移动车辆通信和控制***10的操作环境。用于车辆12的通信和控制***10通常包括一个或多个无线载波***60、陆地通信网络62、计算机64、联网无线设备57，包括但不限于智能手机、平板电脑或诸如手表的可穿戴设备和远程访问中心78。
在图1中示意性地示出的车辆12包括推进***13，该推进***13在各种实施例中可包括内燃机、电机(例如牵引马达)和/或燃料电池推进***。在所示实施例中，车辆12被描绘为乘用车，但是应当理解，也可以使用包括摩托车、卡车、运动型多用途车(SUV)、休闲车(RV)、船舶、飞机等的任何其他车辆。
车辆12还包括变速器14，该变速器14被配置为根据可选择的速比将动力从推进***13传递到多个车轮15。根据各种实施例，变速器14可包括步进比自动变速器、无级变速器或其他适当的变速器。车辆12另外包括车轮制动器17，车轮制动器17被配置为向车轮15提供制动转矩。在各种实施例中，车轮制动器17可包括摩擦制动器、再生制动***，例如电机，和/或其他适当的制动***。
车辆12另外包括转向***16。虽然为了说明的目的被描绘为包括方向盘，但是在本公开的范围内设想的一些实施例中，转向***16可以不包括方向盘。
车辆12包括无线通信***28，其被配置为与其他车辆(“V2V”)和/或基础设施(“V2I”)无线通信。在示例性实施例中，无线通信***28被配置为使用IEEE 802.11标准或通过使用蜂窝数据通信经由无线局域网(WLAN)进行通信。然而，诸如专用短程通信(DSRC)信道的附加或替代通信方法也被认为在本公开的范围内。DSRC信道是指专为汽车应用而设计的单向或双向短距离到中距离无线通信信道以及相应的协议和标准集。
推进***13、变速器14、转向***16和车轮制动器17与至少一个控制器22通信或在其控制下。虽然为了说明的目的描绘为单个单元，但是控制器22可以另外包括一个或多个其他控制器，统称为“控制器”。控制器22可包括与各种类型的计算机可读存储设备或介质通信的微处理器，例如中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)。计算机可读存储设备或介质可以包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储器。KAM是持久性或非易失性存储器，可用于在CPU断电时存储各种操作变量。计算机可读存储设备或介质可以使用许多已知存储器设备中的任何一种来实现，例如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电子PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或能够存储由控制器22用于控制车辆的数据(其中一些代表可执行指令)的任何其他电性、磁性、光学或组合存储设备。
控制器22包括用于自动控制车辆中的各种致动器的自动驾驶***(ADS)24。在示例性实施例中，ADS 24是所谓的四级或五级自动化***。四级***表示“高度自动化”，指的是动态驾驶任务的所有方面的自动驾驶***的驾驶模式特定性能，即使人类驾驶员没有对干预请求做出适当响应的情况下也是如此。五级***表示“完全自动化”，指的是自动驾驶***在可由人类驾驶员管理的所有道路和环境条件下的动态驾驶任务的所有方面的全时性能。在示例性实施例中，ADS 24被配置为响应于来自多个传感器26(其可以包括GPS、雷达、激光雷达、光学相机、热像仪、超声波传感器和/或适当的附加传感器)的输入控制推进***13、变速器14、转向***16和车轮制动器17以分别控制车辆加速、转向和制动，而无需经由多个致动器30进行人为干预。
图1示出了可以与车辆12的无线通信***28通信的若干联网设备。可以经由无线通信***28与车辆12通信的联网设备之一是联网无线设备57。联网无线设备57可以包括计算机处理能力，能够使用短程无线协议进行通信的收发器，以及可视显示器59。计算机处理能力包括可编程设备形式的微处理器，其包括存储在内部存储器结构中并且应用于接收二进制输入以创建二进制输出的一个或多个指令。在一些实施例中，联网无线设备57包括能够接收GPS卫星信号并且基于那些信号产生GPS坐标的GPS模块。在其他实施例中，联网无线设备57包括蜂窝通信功能，使得联网无线设备57使用一个或多个蜂窝通信协议在无线载波***60上执行语音和/或数据通信，如本文所讨论的。视觉显示器59还可以包括触摸屏图形用户界面。
无线载波***60优选地是蜂窝电话***，其包括多个蜂窝塔70(仅示出一个)，一个或多个移动交换中心(MSC)72，以及连接无线载波***60与陆地通信网络62所需的任何其他网络组件。每个蜂窝塔70包括发送和接收天线以及基站，来自不同蜂窝塔的基站直接或经由诸如基站控制器的中间设备连接到MSC 72。无线载波***60可以实现任何合适的通信技术，包括例如数字技术，例如CDMA(例如，CDMA2000)，LTE(例如，4G LTE或5G LTE)，GSM/GPRS或其他当前或新兴的无线技术。其他蜂窝塔/基站/MSC布置是可能的并且可以与无线载波***60一起使用。例如，基站和蜂窝塔可以共同位于同一站点或者它们可以彼此远程定位，每个基站可以负责单个小区塔，或者单个基站可以服务于各个小区塔，或者各个基站可以耦合到单个MSC，仅举几个可能的布置。
除了使用无线载波***60之外，可以使用卫星通信形式的第二无线载波***来提供与车辆12的单向或双向通信。这可以使用一个或多个通信卫星66和上行链路发射站67来完成。单向通信可以包括例如卫星无线电服务，其中由发射站67接收节目内容(新闻、音乐等)，打包用于上载，然后发送到向订户广播节目的卫星66。双向通信可以包括例如使用卫星66来中继车辆12和站67之间的电话通信的卫星电话服务。除了无线载波***60之外或代替无线载波***60，可以使用卫星电话。
陆地网络62可以是连接到一个或多个陆线电话的传统陆基电信网络，并且将无线载波***60连接到远程接入中心78。例如，陆地网络62可以包括公共交换电话网络(PSTN)，例如用于提供硬连线电话，分组交换数据通信和互联网基础设施的网络。陆地网络62的一个或多个网段可以通过使用标准有线网络、光纤或其他光网络、有线网络、电力线、诸如无线局域网(WLAN)的其他无线网络、或提供宽带无线接入(BWA)的网络、或其任何组合来实现。此外，远程访问中心78不需要经由陆地网络62连接，而是可以包括无线电话设备，使得它可以直接与无线网络(例如无线载波***60)通信。
尽管在图1中示出为单个设备，但是计算机64可以包括可经由私人或诸如互联网的公共网络访问的多个计算机。每个计算机64可用于一个或多个目的。在示例性实施例中，计算机64可以被配置为车辆12可经由无线通信***28和无线载波60访问的web服务器。其他计算机64可以包括例如：服务中心计算机，在服务中心计算机中无论是通过与车辆12、远程访问中心78通信、联网的无线设备57还是这些的一些组合的通信，还可以经由无线通信***28或第三方存储库(车辆数据或其他信息提供至第三方存储库，或从第三方存储库提供)从车辆上载诊断信息和其他车辆数据。计算机64可以维护可搜索的数据库和数据库管理***，其允许输入、删除和修改数据以及接收在数据库内定位数据的请求。计算机64还可以用于提供诸如DNS服务之类的互联网连接或用作使用DHCP或其他合适协议来为车辆12分配IP地址的网络地址服务器。
远程访问中心78被设计为向车辆12的无线通信***28提供多个不同的***功能，并且根据图1所示的示例性实施例，通常包括一个或多个交换机80、服务器82、数据库84、现场顾问86，以及自动语音响应***(VRS)88。这些各种远程访问中心组件优选地经由有线或无线局域网90耦合到彼此。可以是专用小交换机(PBX)交换机的交换机80路由输入信号，使得语音传输通常通过普通电话发送给现场顾问86或使用VoIP发送到自动语音响应***88。现场顾问电话也可以使用VoIP，如图1中的虚线所示。通过交换机80的VoIP和其他数据通信是经由连接在交换机80和网络90之间的调制解调器(未示出)实现的。数据传输经由调制解调器传递到服务器82和/或数据库84。数据库84可以存储帐户信息，例如订户认证信息、车辆标识符、简档记录、行为模式和其他相关订户信息。数据传输也可以由无线***(例如802.11x，GPRS等)进行。尽管已经描述了所示实施例，因为它将与使用现场顾问86的有人操作的远程访问中心78结合使用，但是应当理解，作为替代，远程访问中心可以将VRS 88用作自动顾问或可以使用VRS 88和现场顾问86的组合。
如图2所示，ADS 24包括多个不同的控制***，至少包括用于确定车辆附近的检测到的特征或物体的存在、位置、分类和路径的感知***32。感知***32被配置为从各种传感器(例如图1中所示的传感器26)接收输入，并且合成并处理传感器输入以产生用作ADS 24的其他控制算法的输入的参数。
感知***32包括传感器融合和预处理模块34，其处理和合成来自各种传感器26的传感器数据27。传感器融合和预处理模块34执行传感器数据27的校准，包括但不限于，激光雷达到激光雷达校准，相机到激光雷达校准，激光雷达到底盘校准，以及激光雷达光束强度校准。传感器融合和预处理模块34输出预处理后的传感器输出35。
分类和分段模块36接收预处理的传感器输出35并执行物体分类、图像分类、交通灯分类、物体分段、地面分段和物体跟踪过程。物体分类包括但不限于识别和分类周围环境中的物体，包括交通信号和标志的识别和分类、雷达融合和跟踪以考虑传感器的放置和视野(FOV)以及经由激光雷达融合的误报拒绝以消除城市环境中存在的许多误报，例如井盖、桥梁、架空树木或灯杆，以及雷达横截面高但不影响车辆沿着其路径行驶的能力的其他障碍物。由分类和分段模型36执行的附加物体分类和跟踪过程包括但不限于自由空间检测和高级跟踪，其融合来自雷达轨道、激光雷达分段、激光雷达分类、图像分类、物体形状拟合模型、语义信息、运动预测、栅格地图、静态障碍物地图和其他来源的数据，以产生高质量的物体轨道。
分类和分段模块36另外执行交通控制设备分类和交通控制设备与车道关联和交通控制设备行为模型的融合。分类和分段模块36产生包括物体标识信息的物体分类和分段输出37。
定位和映射模块40使用物体分类和分段输出37来计算参数，包括但不限于在典型和具有挑战性的驾驶场景中估计车辆12的位置和取向。这些具有挑战性的驾驶场景包括但不限于具有许多汽车的动态环境(例如，密集交通)、具有大规模障碍物的环境(例如，道路施工或建筑工地)、丘陵、多车道道路、单车道道路、各种道路标记和建筑物或无这些(例如，住宅区与商业区)、桥梁和立交桥(车辆当前路段的上方和下方)。
定位和映射模块40还合并了作为经由车辆12在操作期间执行的车载映射功能获得的扩展地图区域的结果而收集的新数据，以及经由无线通信***28“推送”到车辆12的映射数据。定位和映射模块40用新信息(例如，新车道标记、新建筑结构、建筑区域的添加或移除等)更新先前地图数据，同时保持未受影响的地图区域不被修改。可以产生或更新的地图数据的示例包括但不限于屈服线分类、车道边界产生、车道连接、次要和主要道路的分类、左转弯和右转弯的分类以及交叉车道创建。
在一些实施例中，定位和映射模块40使用SLAM技术来开发周围环境的地图。SLAM是Simultaneous Localization and Mapping(同时定位和映射)的首字母缩写。SLAM技术构建环境地图并跟踪物体在环境中的位置。Graph SLAM是SLAM的变体，它使用稀疏矩阵，用于产生包含观察相互依赖性的图。
地图内的物***置由以物体的预测路径为中心的高斯概率分布表示。最简单形式的SLAM利用三个约束：初始位置约束；作为物体的路径的相对运动约束；以及作为物体到地标的一个或多个测量的相对测量约束。
初始运动约束是车辆的初始姿势(例如，位置和取向)，其包括车辆在二维或三维空间中的位置，包括俯仰、滚转和偏航数据。相对运动约束是物体的位移运动，其包含一定程度的灵活性以适应地图一致性。相对测量约束包括从物体传感器到地标的一个或多个测量值。初始位置约束、相对运动约束和相对测量约束通常是高斯概率分布。传感器产生的地图内的物体定位方法通常采用卡尔曼滤波器、各种统计相关方法，例如Pearson乘积矩相关和/或粒子滤波器。
在一些实施例中，一旦构建了地图，就经由粒子滤波器实时地实现车辆定位。与贝叶斯或卡尔曼滤波器不同，粒子滤波器适用于非线性***。为了定位车辆，经由高斯概率分布在预期平均值周围产生粒子。为每个粒子分配一个数字权重，表示粒子位置对预测位置的准确性。考虑传感器数据并调整粒子权重以适应传感器数据。粒子与传感器调整位置的距离越近，粒子权重的数值越大。
当动作命令发生时，每个粒子被更新为新的预测位置。在新的预测位置处观察传感器数据，并且为每个粒子分配表示粒子位置相对于预测位置和传感器数据的准确度的新权重。对粒子进行重新采样，选择具有最大数值大小的权重，从而提高预测和传感器校正的物***置的准确度。通常，重新采样数据的均值、方差和标准偏差提供新的物***置可能性。
粒子滤波处理表示为：
P(Ht|Ht-1，At，Dt) 公式1
其中Ht是当前的假设，即物***置。Ht-1是前一个物***置，At是动作，通常是马达命令，并且Dt是可观察数据。
在一些实施例中，定位和映射模块40通过如上所述在扩展卡尔曼滤波器(EKF)框架中结合来自多个源的数据来维持车辆的全球位置的估计。卡尔曼滤波器是基于递归贝叶斯滤波器的线性滤波器。递归贝叶斯过滤器(也称为递归贝叶斯估计)基本上将估计的后验替换为先前位置以在新的估计迭代上计算新的后验。这有效地产生：
P(Ht|Ht-1，Dt) 公式2
其中假设Ht的概率是通过前一次迭代Ht-1的假设和当前时间t的数据Dt估计的。
卡尔曼滤波器添加一个动作变量At，其中t是时间迭代，产生：
P(Ht|Ht-1，At，Dt) 公式3
其中假设Ht的概率基于先前的假设Ht-1、动作At和当前时间t的数据Dt。
卡尔曼滤波器在机器人技术中广泛使用，估计当前位置(其是联合概率分布)，并且基于动作命令预测新位置(该新位置也是联合概率分布)，这称为状态预测。获取传感器数据并计算分离的联合概率分布，这称为传感器预测。
状态预测表示为：
X′t＝AXt-1+Bμ+εt 公式4
其中X't是基于先前状态AXt-1、Bμ和ξt的新状态。常数A和B由感兴趣的物理量定义，μ通常是机器人马达命令，并且ξt是高斯状态误差预测。
传感器预测表示为：
Z′t＝CXt+εz 公式5
其中Z't是新的传感器估计，C是函数，并且ξz是高斯传感器误差预测。
新的预测状态估计表示为：
XEST＝Xt+K(Zt-Zt) 公式6
其中产品K(Zt-Z't)被称为卡尔曼增益因子。如果传感器预测Z't与实际传感器数据Zt之间的差异(也就是，Zt-Z't)合理地接近零，则X't被认为是新的状态估计。如果Zt-Z't合理地大于零，则添加K(Zt-Z't)因子以产生新的状态估计。
当接收到车辆运动信息时，EKF更新车辆位置估计，同时还扩展估计协方差。一旦传感器协方差被集成到EKF中，定位和映射模块40就产生定位和映射输出41，其包括车辆12相对于检测到的障碍物和道路特征的位置和取向。
车辆测距模块46从车辆传感器26接收数据27并产生车辆测距输出47，其包括例如车辆航向、速率和距离信息。绝对定位模块42接收定位和映射输出41和车辆测距信息47，并产生车辆位置输出43，其用于如下所述的单独计算中。
物体预测模块38使用物体分类和分段输出37来产生参数，包括但不限于检测到的障碍物相对于车辆的位置，检测到的障碍物相对于车辆的预测路径，以及交通车道相对于车辆的位置和取向。在一些实施例中可以使用贝叶斯模型来基于语义信息、先前轨迹和瞬时姿势来预测驾驶员或行人意图，其中姿势是物体的位置和取向的组合。
贝叶斯定理常用于机器人，也称为贝叶斯过滤器，是一种条件概率。贝叶斯定理，如下面的公式7所示，提出假设H的概率、给定数据D，等于假设的概率H乘以给定假设H的数据D的似然性，除以数据P(D)的概率。
P(H/D)被称为后验，P(H)被称为先验。贝叶斯定理测量了在数据D中体现的证据之前(先验)和之后(后验)对命题的概率信念度。贝叶斯定理在迭代时通常递归使用。在每次新的迭代中，先前的后验成为产生新后验的先验，直到迭代完成。关于物体(包括行人、周围车辆和其他运动物体)的预测路径的数据被输出作为物体预测的输出39并且在如下所述的单独计算中使用。
ADS 24还包括观察模块44和解释模块48。观察模块44产生由解释模块48接收的观察输出45。观察模块44和解释模块48允许由远程访问中心78访问。现场专家或顾问，例如如图1所示的顾问器86可以可选地查看物体预测的输出39并提供额外的输入和/或超控自动驾驶操作，并且如果车辆情况需要或请求，则采取车辆的操作。解释模块48产生解释的输出49，其包括由现场专家提供的附加输入(如果有的话)。
路径规划模块50处理和合成从远程访问中心78的在线数据库或现场专家接收的物体预测的输出39、解释的输出49和附加路由信息79，以确定要遵循的车辆路径，在遵守交通法规并避免任何检测到的障碍物的同时，将车辆保持在所需的路线上。路径规划模块50采用被配置为避开车辆附近的任何检测到的障碍物，将车辆保持在当前行车道中并且将车辆保持在期望路线上的算法。路径规划模块50使用姿势图优化技术，包括非线性最小二乘姿态图优化，以优化六个自由度中的汽车车辆轨迹的地图并减少路径误差。路径规划模块50输出车辆路径信息作为路径规划输出51。路径规划输出51包括基于车辆路线、相对于路线的车辆位置，车道的位置和取向、以及任何检测到的障碍的存在和路径的命令的车辆路径。
第一控制模块52处理和合成路径规划输出51和车辆位置输出43以产生第一控制输出53。在远程接管车辆操作模式的情况下，第一控制模块52还包括由远程访问中心78提供的路由信息79。
车辆控制模块54接收第一控制输出53以及从车辆测距模块46接收的速率和航向信息47，并产生车辆控制输出55。车辆控制输出55包括一组致动器命令以实现来自车辆控制模块54的命令的路径，包括但不限于转向命令、换挡命令、油门命令和制动命令。
车辆控制输出55被传递到致动器30。在示例性实施例中，致动器30包括转向控制、换挡控制、油门控制和制动控制。转向控制可以例如控制如图1所示的转向***16。换挡控制可以例如控制如图1所示的变速器14。例如，油门控制可以控制如图1所示的推进***13。制动控制例如可以是如图1所示的控制车轮制动器17。
应当理解，所公开的方法可以与任何数量的不同***一起使用，并且不具体限于这里示出的操作环境。***10及其各个组件的架构、构造、设置和操作通常是已知的。此处未示出的其他***也可以采用所公开的方法。
现在转向图3，示出了用于实现本公开的***和方法的示例性环境300。在说明性示例中，车辆310正在与操作性的激光雷达***一起行驶。该***具有发射器，其可操作以将脉冲光或激光330发射远离车辆310。一些脉冲光入射在车辆周围的物体320上，并且反射信号返回到车辆上的接收器。车辆还配备有处理器，用于处理返回的信号以测量幅度、传播时间和相移以及其他特性，以便确定到物体320的距离，以及物体320的尺寸和速率。
现在转向图4，示出了根据示例性方法和***的激光雷达***400的功能框图。激光雷达收发器410可操作用于产生激光束、发射激光束并捕获从FOV内的物体散射/反射的激光能量。扫描仪420使激光束移动穿过目标区域，位置定向***(POS)测量传感器位置和取向430，***处理器440控制所有上述动作、车辆控制***和用户界面450、数据存储器460。
激光雷达收发器410可操作用于产生激光束，将激光束发射到FOV中并捕获从目标反射的能量。激光雷达传感器采用飞行时间来确定脉冲激光束从其反射的物体的距离。检测器还可以采用峰值检测。
扫描仪420用于使激光束移动通过FOV。在一个示例性应用中，旋转镜用于在FOV上反射静止激光。在另一示例性应用中，多个固定激光器在不同方向上脉冲，以便产生FOV物体模型。
当激光脉冲时，POS 430用于准确地确定扫描仪420的时间、位置和取向。该***可以包括GPS传感器、惯性测量***和其他传感器。POS还可操作用于确定范围测量、扫描角度、传感器位置、传感器取向和信号幅度。由POS 430产生的数据可以与激光雷达收发器410产生的数据组合，以便产生FOV物体模型。
***处理器440可操作用于将控制信号发射到激光雷达收发器410、POS 430和扫描器420，并从这些设备接收数据。***处理器240接收数据并确定FOV内的物体的位置，并且可以确定其他信息，例如物体的速率、物体的构成、信号滤波等。存储器460可操作用于存储返回的信号脉冲的数字表示和/或存储由***处理器440计算的数据。车辆控制***/用户界面450可操作用于接收来自用户的输入，如果需要则显示结果，并且可选地，响应于由***处理器440产生的数据产生车辆控制信号。车辆控制信号可以用于控制自主车辆，可以用于避免碰撞，或者可以用于驾驶员警告***以及其他用途。
图5是根据实施例的阵列激光雷达***500的框图。阵列激光雷达510包括激光器阵列511。每个激光器511可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。VCSEL是一种基于半导体的激光二极管，从其顶面垂直发射光束，如图所示。由每个激光器511(例如，VCSEL)发射的激光束512形成视场。阵列激光雷达510的视场内的任何物体515导致在带通滤波器(BPF)520处接收的反射516。阵列激光雷达***500的接收侧的视场中的反射516通过BPF 520滤波并通过透镜525聚焦到雪崩光电二极管(APD)535，雪崩光电二极管535将接收到并经滤波的光转换成电信号。该电信号被提供给处理***530。处理***530可以产生最终作为激光束512发射的信号。所产生的信号可以在到达阵列激光雷达510之前通过幅度调制器505。
示例性激光雷达***500可操作用于以已知脉冲持续时间和已知脉冲重复率发射光脉冲，并接收来自具有发射激光脉冲的路径的物体的发射脉冲反射导致的光脉冲。典型的脉冲持续时间可以是10纳秒，其中典型的脉冲重复率可以是140kHz-1MHz。较长的脉冲持续时间可能导致较低的SNR
发射器510可操作用于以已知方向发射一系列激光脉冲。发射器可以包括用于产生激光的激光二极管、波长调制器、脉冲宽度调制器、频率调制器和/或放大器。发射器可操作用于在一段时间内在期望的视场上扫描激光脉冲。
接收器530可操作用于在脉冲激光信号从FOV内的物体反射之后接收脉冲激光信号。接收器可以包括放大器、混频器、循环器等，以便将接收的脉冲激光信号转换成可以由处理器540操纵的中频(IF)信号。接收器530还可以进一步操作以将接收的脉冲激光信号转换为数字表示。这些数字表示可以表示接收到的脉冲激光信号或转换后的IF信号。
处理器540可操作用于产生控制接收器530和发射器510的控制信号。这些控制信号可操作用于控制激光脉冲的脉冲速率和脉冲的脉冲宽度。另外，控制信号可以控制接收器530，使得接收器530可操作用于接收不同脉冲速率和脉冲宽度的反射脉冲激光信号。在示例性实施例中，处理器产生控制信号，使得发射器510发射具有已知脉冲持续时间的激光脉冲。因此，对于每个脉冲，激光被发射已知的时间量。处理器540还产生控制信号，使得接收器530可操作用于接收激光脉冲的反射表示，并确定或记录接收的激光脉冲的脉冲持续时间。
一旦从发射器510和/或接收器530接收到数据，处理器540就响应于表示激光器的反射表示的数据来确定到物体的距离。此外，处理器540将发射的激光脉冲的持续时间与相应的接收的数据脉冲的持续时间进行比较。如果接收的激光脉冲具有比发射的激光脉冲更长的持续时间，则可以假设光脉冲入射在倾斜表面上，因为由于一部分光脉冲的增加的传播时间，激光雷达脉冲将在从倾斜表面反射时变宽。例如，在60米处，0.5°光束在45°表面处产生λ＝0.5米的距离扩展。如果g(t)是从垂直表面反射的脉冲的形状，则倾斜表面将产生以下波形：
现在转向图6，示出了用于改进的激光雷达扫描的VCSEL阵列610中的所提出的分段检测***600的示例性实施例。如根据该示例性实施例所描述的，所提出的***可以用单个检测器或分段检测器612操作。阵列激光雷达610使用激光器阵列来照射场景。示出了阵列激光雷达610，其中单独的VCSEL以矩形阵列布置。每个VCSEL在衬底上具有相同的取向，并且使用分散透镜615将激光束散布在视场上。切换单个激光器会创建场景扫描。分段的激光雷达检测器612使用检测器阵列来检测由VCSEL发射的反射激光。聚焦或分散透镜616可用于将入射的反射激光聚焦到检测器或多个检测器。如前所述，每个检测器可以耦合到放大器、A/D和/或处理器。
现在转向图7，示出了示出相干信号检测的示例性时序图700。上面的时间线示出两个脉冲Tx1、Tx2，它们通过两个发射VCSEL同时在Tx 1+2中发射到视场中。VCSEL#1示出了作为Tx1的结果的在检测器处接收的信号，其中在接收持续时间中较早地接收了脉冲。VCSEL#2示出了作为Tx2的结果的检测器接收到的信号，其中在接收持续时间中稍后接收脉冲。VCSEL#1+2示出Tx1和Tx2两者的接收持续时间。可以看出，Tx1已经从近目标反射而Tx2从更远的目标反射。如果来自第一组的最大接收时间小于来自第二组的最小接收时间，则可以同时发射来自两个单独组的两个VCSEL。例如，如果来自第一组的所有VCSEL具有与Tx1相似的接收时间，并且来自第二组的所有VCSEL具有与Tx2相似的接收时间，则可以同时扫描这两个组并使用公共检测器接收，根据接收持续时间由处理器分离所产生的脉冲。
如在时间线720中所示，VCSEL阵列的分段的最小和最大接收时间可以通过同时发射该分段中的所有VCSEL来确定。在该示例性实施例中，VCSEL阵列的分段具有16个发射器。所有16个发射器同时发射，并且根据接收时间线720一次在检测器或检测器处检测所得到的反射信号。因此，可以在一个发射周期中确定最小接收时间Rx(min)和最大接收时间Rx(max)。
在所提出的***中，期望在分段VCSEL时找到良好的分组启发式。两种提出的方法是基于四叉树和基于时间相干性的。在基于四叉树的方法中，假设相邻VCSELS产生类似的深度。在四叉树方法中，VCSEL帧被分成块，例如2x2或4x4。然后逐段触发每个帧以测量每个分段的最小和最大传播时间。然后根据最小值和最大值嵌套VCSEL分段。然后同时发射成对的VCSEL，从而减少获取时间。
虽然四叉树利用了空间场景的一致性，但场景变化也是递增的，因此也存在很大程度的时间一致性。特别是，具有均匀深度值的一组VCSEL在几个连续帧上保持很大程度的均匀性。例如，对于帧#(N+1)，***首先可操作用于从#N获取所有深度值。VCSEL按这些深度值排序，从而在时间一致性假设成立时便于紧密分组。然后，***可操作用于将VCSEL分类成预定大小的分段，例如16。这些分段可能不是方块，并且它们可能根本没有结构，只有16个VCSEL可以为前一帧产生接近的深度值。然后逐个触发每个分段以确定每个分段的最小和最大传播时间。然后根据最小值和最大值对这些分段进行配对和/或嵌套。然后同时发射每对，从而减少获取时间。
现在转到图8，示出了通过VCSEL激光雷达阵列中的VCSEL分组进行帧速率提升的示例性方法。该方法首先可操作用于确定阵列中每个VCSEL的接收时间(810)。这可以通过从每个VCSEL发射光脉冲并测量发射和接收之间的经过时间来完成。该方法然后可操作用于响应于接收时间对VCSEL阵列进行分段(820)。例如，可以对各个VCSEL进行分段或分组，使得第一组的接收时间少于第一时间，并且第二组的接收时间大于第一时间。因此，第一组和第二组可以同时发射，并且所得到的返回脉冲可以通过接收时间分开。然后，该方法可操作用于根据分组扫描VCSEL阵列(830)。在重新确认接收时间之前，可以多次扫描VCSEL阵列。如果在接收中出现歧义，则该方法可以返回到接收时间的确定步骤810。该方法可以可选地同时发射分组或分段内的所有VCSEL(840)并且确认所有接收时间不与另一组的最小和最长接收时间重叠。如果任何接收时间与另一组的最小和最大接收时间重叠，则该方法可以返回到接收时间的确定步骤810。然后，该方法可操作用于根据分组扫描VCSEL阵列(850)。在重新确认接收时间810之前，可以多次扫描VCSEL阵列。
应当理解，虽然在完全功能的计算机***的背景下描述了该示例性实施例，但是本领域技术人员将认识到，本公开的机制能够作为程序产品发布为一个或多个类型的非暂时性计算机可读信号承载介质，用于存储程序及其指令并执行其发布，例如承载程序并包含存储在其中的计算机指令用于使计算机处理器实施和执行程序的非暂时性计算机可读介质。这样的程序产品可以采用各种形式，并且本公开同样适用，而与用于执行发布的特定类型的计算机可读信号承载介质无关。信号承载介质的示例包括：可记录介质，例如软盘、硬盘驱动器、存储卡和光盘，以及传输介质，例如数字和模拟通信链路。

Claims (10)

1.一种装置，包括：
-多个发射器，用于发射多个光脉冲；
-检测器，用于检测所述多个光脉冲；
-处理器，用于确定第一子集发射器，其中来自所述第一子集发射器的所述多个光脉冲具有第一多个接收时间，其中所有所述第一多个接收时间都小于第一时间，所述处理器还可操作用于确定第二子集发射器，其中来自所述第二子集发射器的所述多个光脉冲具有第二多个接收时间，其中所有所述第二多个接收时间都大于第一时间；以及
-控制器，用于控制多个发射器，使得所述第一子集发射器中的至少一个发射器与所述第二子集发射器中的至少一个发射器同时发射。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一子集发射器是连续定位的，并且所述第二子集发射器是连续定位的。
3.如权利要求1所述的装置，其中响应于四叉树结构确定所述第一子集发射器和所述第二子集发射器。
4.如权利要求1所述的装置，其中响应于先前确定的每个发射器的接收时间，确定所述第一子集发射器和所述第二子集发射器。
5.如权利要求1所述的装置，其中通过顺序地发射所述多个光脉冲中的每个并且测量所述接收时间来确定所述多个光脉冲中的每个的接收时间。
6.如权利要求1所述的装置，其中通过同时发射所述多个光脉冲的一部分来确定所述多个光脉冲的所述接收时间。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述多个发射器和所述检测器具有固定的取向。
8.一种激光雷达***，包括：
-第一发射器，用于发射第一光脉冲；
-第二发射器，用于发射第二光脉冲；
-第三发射器，用于发射第三光脉冲；
-第四发射器，用于发射第四光脉冲；
-检测器，用于检测所述第一光脉冲、所述第二光脉冲、所述第三光脉冲和所述第四光脉冲；以及
-处理器，用于确定所述第一光脉冲的第一接收时间、所述第二光脉冲的第二接收时间、所述第三光脉冲的第三接收时间和所述第四光脉冲的第四接收时间，所述处理器还可操作用于控制所述第一发射器和所述第二发射器，使得响应于所述第一接收时间和所述第二接收时间同时发射所述第一光脉冲和所述第二光脉冲。
9.如权利要求8所述的激光雷达***，其中所述处理器还可操作用于控制所述第三发射器和所述第四发射器，使得响应于所述第三接收时间和所述第四接收时间同时发射所述第三光脉冲和所述第四光脉冲。
10.一种方法，包括：
-从第一发射器发射第一光脉冲，从第二发射器发射第二光脉冲；
-接收所述第一光脉冲和所述第二光脉冲；
-响应于接收到所述第一光脉冲和所述第二光脉冲，确定第一最小接收时间和第一最大接收时间；
-从第三发射器发射第三光脉冲，从第四发射器发射第四光脉冲；
-接收所述第三光脉冲和所述第四光脉冲；
-响应于接收到所述第一光脉冲和所述第二光脉冲，确定第二最小接收时间和第二最大接收时间；以及
-响应于所述第一最大接收时间小于所述第二最小接收时间，产生控制信号以控制所述第一发射器和所述第三发射器，使得所述第一发射器和所述第三发射器同时发射。
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