CN115220064A - 激光雷达装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光雷达装置及其控制方法。本发明提供一种激光雷达装置，其包括：光源，用于发射脉冲光；光检测部，用于检测脉冲光被对象体反射回来的反射光；反射镜，设置有多个反射面，反射脉冲光以将其传递至对象体，反射反射光以将其传递至光检测部；电机，用于使反射镜旋转；编码器，通过检测反射镜的旋转位置来输出检测信号；以及控制部，通过利用检测信号来控制光源的发射时机和光检测部的检测时间。

Description

激光雷达装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光雷达装置及其控制方法。
背景技术
近年来，自动驾驶车辆及智能汽车领域中，需要车辆应对突发情况的主动响应功能。即，需要事先确认如下的威胁驾驶人员和行人安全的情况，需要识别突然出现的行人，或者事先检测超出夜间照明范围的障碍物，或者雨天时检测前照灯减弱引起的障碍物，或者事先检测道路破损等。
根据这种要求，研发了车辆用激光雷达(Light Detection And Ranging；LiDAR)装置。激光雷达装置设置于车辆的挡风玻璃或车辆的前方，并根据自发射光获取车辆前方的影像。在车辆移动的情况下，激光雷达装置通过确认前方的物体来提前警告驾驶人员。激光雷达装置可将成为车辆自身停止或回避障碍物的基础的影像传递至车辆的电子控制单元(Electronic Control Unit；ECU)。电子控制单元可利用从激光雷达装置接收的影像来执行各种控制。
激光雷达装置通过检测光源发射的脉冲光和被对象体反射回来的反射光的时间差来计算激光雷达装置至对象体为止的距离，从而检测对象体。
激光雷达装置根据是否具有反射镜而分为具有反射镜的机械式(旋转式)激光雷达装置和没有反射镜的闪光(flash)型激光雷达装置。其中，机械式激光雷达装置为了使反射镜旋转而需要电机，为了使激光雷达装置的水平分辨率保持规定水平，需要使电机均速旋转。
通常，在机械式激光雷达装置中，以控制部接收电机的旋转速度的反馈，并根据电机的旋转速度调整电机控制信号的方式保障电机的均速旋转。
但是，如上所述的方式具有无法满足需要0.5％以下的抖动(jitter)性能的激光雷达装置的规格的问题。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于，提供一种激光雷达装置及其控制方法，其不仅可提高激光雷达装置的水平分辨率，还可在激光雷达装置使用较低规格的电机，从而可节减激光雷达装置的制造成本。
并且，本发明的目的在于，提供一种激光雷达装置及其控制方法，其可阻隔检测对象体时不需要的噪声信号被检测，并可减少用于处理检测信号的数据容量。
本发明所要实现的技术问题并不局限于以上所提及的技术问题，本发明所属技术领域的普通技术人员可从下述记载明确理解未提及的其他技术问题。
解决问题的方案
为了实现前述的目的，本发明提供一种激光雷达装置，其包括：光源，用于发射脉冲光；光检测部，用于检测脉冲光被对象体反射回来的反射光；反射镜，设置有多个反射面，反射脉冲光以将其传递至对象体，反射反射光以将其传递至光检测部；电机，用于使反射镜旋转；编码器，通过检测反射镜的旋转位置来输出检测信号；以及控制部，通过利用检测信号来控制光源的发射时机和光检测部的检测时间。
其中，控制部以从编码器输入检测信号时从光源发射脉冲光的方式进行控制。
并且，控制部以在反射镜的每个规定旋转位置从光源发射脉冲光的方式进行控制。
并且，控制部以光检测部在检测信号的输出区间中的至少一部分区间内检测反射光的方式进行控制。
并且，反射镜由配置于多个反射面的侧面的多面体构成。
并且，反射镜及上述编码器与电机的电机轴结合来与电机轴一同进行旋转。
并且，编码器为包括多极磁铁及孔传感器的磁铁编码器，或者包括形成有多个夹缝的夹缝部件及光电二极管的光学编码器。
并且，本发明提供一种激光雷达装置的控制方法，其包括下述步骤：光源发射脉冲光；反射镜反射脉冲光以将其传递至对象体；脉冲光被对象体反射；反射镜反射被对象体反射的反射光以将其传递至光检测部；光检测部检测反射光；电机使反射镜旋转；编码器通过检测反射镜的旋转位置来输出检测信号；以及控制部通过利用检测信号来控制光源的发射时机和光检测部的检测时间。
发明的效果
根据本发明，即使电机并不恒速旋转，编码器也检测反射镜的特定旋转位置，控制部以光源从检测的特定旋转位置中发射脉冲光的方式进行控制，从而可不仅提高激光雷达装置的水平分辨率，还可在激光雷达装置中使用较低规格的电机，从而可节减激光雷达装置的制造成本。
并且，根据本发明，光检测部仅在接收反射光的可能性高的特定检测时间内检测反射光，从而可阻隔检测对象体时不需要的噪声信号被检测，从而可减少用于处理检测信号的数据容量。
本发明的效果并不局限于以上所提及的效果，本技术领域的普通技术人员可通过下述记载明确理解未提及的其他效果。
附图说明
图1为本发明实施例的激光雷达装置的简要框图。
图2为本发明实施例的激光雷达装置的反射镜、电机及编码器的分解立体图。
图3为本发明第一实施例的激光雷达装置的电机的剖视图。
图4为本发明第二实施例的激光雷达装置的电机的剖视图。
图5为本发明第三实施例的激光雷达装置的电机的剖视图。
图6为本发明第四实施例的激光雷达装置的电机的剖视图。
图7为分别示出在本发明实施例的激光雷达装置中，编码器根据反射镜的特定旋转位置输出的检测信号(a)、控制部根据检测信号输出的光源的发射信号(b)以及光检测部在检测信号的输出区间中的特定区间内检测反射光的检测信号(c)的曲线图。
图8为本发明实施例的激光雷达装置的控制方法的流程图。
附图标记的说明
110：光源
120：光检测部
130：反射镜
140：电机
150：编码器
160：控制部
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施例，使得本发明所属技术领域的普通技术人员容易实施本发明的实施例。本发明可由各种不同的实施方式实现，并不限定于在此说明的实施例。在附图中，为了明确说明本发明，省略了与说明无关的部分，在说明书全文中，对相同或相似的结构要素赋予了相同的附图标记。
在本说明书中，“包括”或“具有”等的术语用于指定说明书中记载的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在，并不预先排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
图1为本发明实施例的激光雷达装置的简要框图，图2为本发明实施例的激光雷达装置的反射镜、电机及编码器的分解立体图。
如图1所示，本发明实施例的激光雷达装置可包括光源110、光检测部120、反射镜130、电机140、编码器150以及控制部160。
光源110为了检测对象体而朝向反射镜130发射脉冲光，光检测部120检测脉冲光被对象体发射回来的反射光。
本发明实施例的激光雷达装置通过检测脉冲光与反射光的时间差来计算激光雷达装置至对象体为止的距离，从而检测对象体。
光源110可以为发射单通道的脉冲光的单通道光源或发射互不相同的通道的多个脉冲光的多通道光源。
反射镜130设置有多个反射面，反射从光源110发射的脉冲光并将其传递至对象体，反射被对象体反射回来的反射光并将其传递至光检测部120。其中，反射镜130可由多个反射面配置于侧面的多面体构成。例如，如图2所示，反射镜由六面体构成，来在4个侧面分别设置反射面。
反射镜130还可通过电机140的旋转力旋转360度。
光源110被配置为朝向设置于反射镜130的反射面，将脉冲光发射至反射面。其中，光源110可配置于印刷电路板上。
虽未图示，为了提高从光源110发射的脉冲光的指向性，本发明实施例的激光雷达装置还可包括准直透镜，其位于光源110与反射镜130之间。
其中，准直透镜防止从光源110发射的脉冲光到达反射镜130的反射面的过程中散射或分散。
光源110可与反射镜130隔开规定间隔来配置，以免受因反射镜130的旋转产生的振动的影响。
光检测部120被配置为朝向反射镜130的反射面来接收在反射面反射的反射光。
电机140使反射镜130旋转360度，编码器150检测反射镜130的旋转位置，即，旋转角，从而输出检测信号。
其中，编码器150可由具有旋转中心的圆板形态构成。并且，如图1所示，编码器150可以为包括多极磁铁151及孔传感器152的磁铁编码器，或者包括多个夹缝以放射状排列的夹缝部件及光电二极管的光学编码器，但并不限定于此，只要是能够检测反射镜130的旋转位置的编码器即可。
磁性编码器可通过检测孔传感器152旋转的多极磁铁151的方向来检测反射镜130的旋转角。其中，多极磁铁151由4极以上构成，并能够以放射状排列。并且，光学编码器可通过检测光电二极管通过夹缝的光来检测反射镜130的旋转角。
反射镜130及编码器150与电机140的电机轴结合来与电机轴141一同进行旋转。
参照图2，编码器150结合在底板143上，电机140结合在编码器150上。并且，反射镜130形成有能够收容电机140及编码器150的收容空间，并以能够向该收容空间***电机140及编码器150的方式打开下部。
其中，当电机140及编码器150收容在反射镜130的收容空间时，反射镜130和电机140通过电机上部的凸缘142相结合。
控制部160从编码器150接收检测信号，利用所接收的检测信号来控制光源110的发射时机和光检测部120的检测时间。
具体地，控制部160以从编码器150输入检测信号时从光源110发射脉冲光的方式进行控制。并且，控制部160以在每个反射镜130的规定旋转位置从光源110发射脉冲光的方式进行控制。
控制部160以光检测部120在检测信号的输出区间中的至少一部分区间内检测反射光的方式进行控制。
图3为本发明第一实施例的激光雷达装置的电机的剖视图，图4为本发明第二实施例的激光雷达装置的电机的剖视图。
本发明第一实施例及第二实施例的激光雷达装置的电机可由内转子电机实现。
参照图3及图4，反射镜130可通过并不是焊接方式的机构或玻璃的镜面加工(例如，金刚石车削机(Diamond Turning Machine，DTM))制造。
电机外壳144在内部设置磁铁146、线圈147及电机轴141，电机轴141通过贯通电机外壳144的上部来暴露在外部。
其中，磁铁146与电机轴141结合，线圈147可与电机外壳144的内侧面结合。并且，以使电机轴141旋转的方式在电机外壳144的上部与电机轴141之间可设置轴承145。
电机轴141通过凸缘142与反射镜130结合，当电机轴141旋转时，反射镜130也可一同旋转。此时，若向线圈147供给电流，则可使与磁铁146结合的电机轴141旋转。
底板143可与电机外壳144的下部面结合。
如图3所示，多极磁铁151与反射镜130的下部结合，或者，如图4所示，可***于反射镜130的下部内侧。
尤其，如图4所示，在反射镜130的下部内侧形成***槽，可通过向***槽***多极磁铁151来缩小激光雷达装置的高度。此时，为了形成***槽，反射镜130的厚度可与图3的反射镜130相比形成得更厚。
孔传感器152可配置于多极磁铁151的下部来检测反射镜130的旋转角。
图5为本发明第三实施例的激光雷达装置的电机的剖视图，图6为本发明第四实施例的激光雷达装置的电机的剖视图。
本发明第三实施例及第四实施例的激光雷达装置的电机可由外转子电机实现。
参照图5及图6，反射镜130可通过并不是焊接方式的机构或玻璃镜面加工(例如，金刚石车削机)制造。
反射镜130可执行电机外壳作用。即，反射镜130在内部设置磁铁146、线圈147及电机轴141，电机轴141可通过贯通反射镜130的上部来暴露在外部。
线圈147与电机轴141结合，磁铁146可与反射镜130的内侧面结合。此外，在反射镜130的上部与电机轴141之间可设置轴承145，以使反射镜130旋转。
此时，当向线圈147供给电流时，可使结合在磁铁146的反射镜130旋转。
底板143可结合在反射镜130的下部面。
如图5所示，多极磁铁151可结合在反射镜130的下部，或者，如图6所示，可***于反射镜130的下部内侧。
尤其，如图6所示，在反射镜130的下部内侧形成***槽，向***槽***多极磁铁151，从而缩小激光雷达装置的高度。此时，为了形成***槽，反射镜130的厚度可与图3的反射镜130相比形成得更厚。
孔传感器152可通过配置于多极磁铁151的下部来检测反射镜130的旋转角。
图7为分别示出在本发明实施例的激光雷达装置中，编码器根据反射镜的特定旋转位置输出的检测信号(a)、控制部根据检测信号输出的光源的发射信号(b)以及光检测部在检测信号的输出区间中的特定区间内检测反射光的检测信号(c)的曲线图。
在图7中，横轴表示时间，纵轴表示信号(电压)的大小。
首先，参照图7的(a)，当反射镜130旋转时，编码器150每隔规定间隔或不规则间隔检测反射镜130的特定旋转位置。此时，在通过使用较低规格的电机140来使反射镜130旋转的情况下，反射镜130并不以恒速旋转，由此，特定旋转位置的间隔可能是不规则的。
并且，每当反射镜130检测特定旋转位置时，编码器150输出高电平的检测信号。此时，每个高电平的检测信号可持续规定时间。
之后，参照图7的(a)及(b)，控制部160从编码器150接收检测信号，控制光源110来在每当输入高电平的检测信号或者每个高电平检测信号的规定输入间隔发射脉冲光。例如，如图所示，控制部160控制光源来在每当输入单号高电平的检测信号(由箭头表示)时发射脉冲光。
并且，当从编码器150输入高电平的检测信号时，控制部160向光源110输出高电平的发射信号。由此，光源110根据从控制部160接收的发射信号发射脉冲光。在前述的例中，当输入单号的高电平的检测信号时，控制部160可向光源110输出高电平的发射信号。此时，由于信号路径上的延迟，检测信号的上升(rising)时间可与发射信号的上升时间不同。即，发射信号的上升时间可与检测信号相比更延迟。这种信号延迟值对应于数μs单位的非常短的时间，可通过将其事先反映在发射信号的输出时机来解决信号延迟问题。
如上所述，在本发明实施例的激光雷达装置中，即使电机140并不以恒速旋转，编码器150也可检测反射镜130的特定旋转位置，控制部160控制光源110以从检测的特定旋转位置中发射脉冲光，由此不仅可提高激光雷达装置的水平分辨率，还可在激光雷达装置中使用较低规格的电机，从而可节减激光雷达装置的制造成本。
之后，参照图7的(a)及(c)，控制部160以使光检测部120在特定检测时间，即，编码器150输出的高电平的检测信号的输出区间中的至少一部分区间内检测被对象体反射回来的反射光的方式进行控制。此时，高电平的检测信号的输出区间为光检测部120接收被对象体反射回来的反射光的可能性较高的区间，输出区间的前半部的检测可能性与后半部相比更高。
并且，光检测部120在特定检测时间内同时或依次接收反射光来输出高电平的检测信号。其中，光检测部120仅在特定检测时间内检测反射光，在除此之外的时间并不工作。例如，如图所示，光检测部120能够以编码器150所输出的高电平的检测信号中上升时间至输出区间的1/2位置为止的区间(阴影区域)检测反射光的方式被控制。此时，光检测部120可根据与对象体的距离来检测检测时间不同的一个以上的反射光。
如上所述，在本发明实施例的激光雷达装置中，仅在光检测部120接收反射光的可能性高的特定检测时间内检测反射光，由此可阻隔检测对象体时并不需要的噪声信号被检测，从而可减少用于处理检测信号的数据容量。
图8为本发明实施例的激光雷达装置的控制方法的流程图。
以下，参照图1至图8对本发明实施例的激光雷达装置的控制方法进行说明。
首先，为了检测对象体，光源110朝向反射镜130发射脉冲光(步骤S10)。此时，光源110被配置为朝向设置于反射镜130的反射面，将脉冲光发射至反射面。
之后，反射镜130反射脉冲光以将其传递至对象体(步骤S20)。由此，脉冲光被对象体反射(步骤S30)。
接着，反射镜130反射被对象体反射的反射光以将其传递至光检测部120(步骤S40)。由此，光检测部120检测到反射光(S50)。
本发明实施例的激光雷达装置通过检测脉冲光与反射光的时间差来计算激光雷达装置至对象体为止的距离，从而检测对象体。
之后，电机140使反射镜130旋转360度(步骤S60)。由此，编码器150通过检测反射镜130的旋转位置来输出检测信号(步骤S70)。
接着，控制部160从编码器150接收检测信号，并利用该检测信号来控制光源110的发射时机和光检测部120的检测时间(步骤S80)。
此时，控制部160以从编码器150输入检测信号时从光源110发射脉冲光的方式进行控制。并且，控制部160以在反射镜130的每个规定旋转位置从光源110发射脉冲光的方式进行控制。
控制部160以使光检测部120在检测信号的输出区间中的至少一部分区间内检测反射光的方式进行控制。
如上所述，在本发明实施例的激光雷达装置的控制方法中，即使电机140并不以恒速旋转，编码器150也检测反射镜130的特定旋转位置，控制部160控制光源110以在所检测的特定旋转位置发射脉冲光，由此不仅可提高激光雷达装置的水平分辨率，还可在激光雷达装置中使用较低规格的电机，从而可节减激光雷达装置的制造成本。
并且，在本发明实施例的激光雷达装置的控制方法中，仅在光检测部120接收反射光的可能性高的特定检测时间内检测反射光，从而可阻隔检测对象体时不需要的噪声信号被检测，并可减少用于处理检测信号的数据容量。
以上，说明了本发明的一实施例，但本发明的思想并不局限于在本说明书中公开的实施例，理解本发明的思想的普通技术人员可在相同的思想范围内通过结构要素的附加、变更、删除、追加等容易提出其他实施例，这也属于本发明的思想范围内。

Claims (19)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，包括：
光源，用于发射脉冲光；
光检测部，用于检测上述脉冲光被对象体反射回来的反射光；
反射镜，设置有多个反射面，反射上述脉冲光以将其传递至上述对象体，反射上述反射光以将其传递至上述光检测部；
电机，配置在上述反射镜内，包括电机外壳、收容于上述电机外壳且与上述反射镜结合的电机轴、与上述电机轴结合的磁铁以及与上述电机外壳的内侧面结合的线圈；
编码器，通过检测上述反射镜的旋转位置来输出检测信号；以及
控制部，通过利用上述检测信号来控制上述光源的发射时机和上述光检测部的检测时间。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，上述控制部以从上述编码器输入上述检测信号时从上述光源发射上述脉冲光的方式进行控制。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，上述控制部以在上述反射镜的每个规定旋转位置从上述光源发射上述脉冲光的方式进行控制。
4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，上述控制部以上述光检测部在上述检测信号的输出区间中的至少一部分区间内检测上述反射光的方式进行控制。
5.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，上述反射镜由配置于上述多个反射面的侧面的多面体构成。
6.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，上述编码器包括：
多极磁铁，与上述反射镜的下部结合来与上述反射镜一同进行旋转；以及
孔传感器，通过检测上述多极磁铁的方向来检测上述反射镜的旋转角。
7.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其特征在于，上述电机***于上述反射镜的下部内侧面。
8.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，上述反射镜通过上述电机轴的旋转而旋转。
9.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括凸缘，将上述电机轴与上述反射镜的内侧上部面结合。
10.一种激光雷达装置，其特征在于，包括：
光源，用于发射脉冲光；
光检测部，用于检测上述脉冲光被对象体反射回来的反射光；
反射镜，设置有多个反射面，反射上述脉冲光以将其传递至上述对象体，反射上述反射光以将其传递至上述光检测部；
电机，配置在上述反射镜内，包括与上述反射镜结合的电机轴、与上述电机轴结合的线圈以及与上述反射镜的内侧面结合的磁铁；
编码器，通过检测上述反射镜的旋转位置来输出检测信号；以及
控制部，通过利用上述检测信号来控制上述光源的发射时机和上述光检测部的检测时间。
11.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，上述控制部以从上述编码器输入上述检测信号时从上述光源发射上述脉冲光的方式进行控制。
12.根据权利要求11所述的激光雷达装置，其特征在于，上述控制部以在上述反射镜的每个规定旋转位置从上述光源发射上述脉冲光的方式进行控制。
13.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，上述控制部以上述光检测部在上述检测信号的输出区间中的至少一部分区间内检测上述反射光的方式进行控制。
14.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，上述反射镜由配置于上述多个反射面的侧面的多面体构成。
15.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，上述编码器包括：
多极磁铁，与上述反射镜的下部结合来与上述反射镜一同进行旋转；以及
孔传感器，通过检测上述多极磁铁的方向来检测上述反射镜的旋转角。
16.根据权利要求15所述的激光雷达装置，其特征在于，上述多极磁铁***于上述反射镜的下部内侧面。
17.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，上述反射镜通过上述磁铁的旋转而旋转。
18.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，上述电机轴贯通***于上述反射镜的内侧上部面。
19.根据权利要求18所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括轴承，配置在上述电机轴和上述反射镜之间。
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