CN116438465A - 激光雷达传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达传感器，所述激光雷达传感器具有发送单元(10)、接收单元(20)、转动的偏转单元(30)和分析处理单元(40)，其中，所述转动的偏转单元(30)设立用于，将通过所述发送单元(10)产生的激光在所述转动的偏转单元(30)的第一转动角度范围(50)中偏转到所述激光雷达传感器的环境(60)中并且将所发出的激光的在所述环境中反射的分量引导到所述激光雷达传感器的接收单元(20)上，并且将通过所述发送单元(10)产生的激光在所述转动的偏转单元(30)的第二转动角度范围(55)中在所述激光雷达传感器内引导到所述接收单元(20)上，而以这样的方式偏转的激光不离开所述激光雷达传感器，其中，所述分析处理单元(40)设立用于，接收所述接收单元(20)的第一信号，所述第一信号代表通过所述接收单元(20)在所述第一转动角度范围(50)内接收到的激光，接收所述接收单元(20)的第二信号，所述第二信号代表通过所述接收单元(20)在所述第二转动角度范围(55)内接收到的激光，自动地区分所述第一信号与所述第二信号，基于所述第二信号检查所述转动的偏转单元(30)的角度校准。

Description

激光雷达传感器

技术领域

本发明涉及一种激光雷达传感器。

背景技术

由现有技术已知高度自动化的和全自动化的车辆，所述车辆通常具有多个相同类型的和/或不同的传感器，用于检测车辆的环境。例如，视频摄像机、激光雷达传感器、雷达传感器和超声波传感器用作这样的传感器，其中，尤其是激光雷达传感器在该使用范围中扮演越来越重要的角色。这能够借助激光产生环境的3D点云。

作为激光雷达传感器的一种类型，已知具有转动的镜单元的激光雷达传感器，在所述激光雷达传感器中，发送与接收模块固定地安装在定子上，在所述激光雷达传感器中，通过转动的镜单元使激光沿环境的不同空间方向偏转。这样的激光辐射的准确的测量方向与镜单元的相应的转子角度有关，并且在制造激光雷达传感器期间在校准步骤中确定(在下文中也称为角度校准)。在运行这些激光雷达传感器时，由编码器分别确定当前的转子角度。然而，随着时间的推移，可能出现与相应的转子位置的经校准的目标值的偏差，因此，在现有技术中通常设置有重新校准，该重新校例如需要在车间中执行。

DE 102018201688 A1描述一种用于校准用于电磁射束、尤其是激光射束的发送设备的校准设备，该校准设备具有至少一个光学器件单元和至少一个参考单元，该光学器件单元用于使由发送设备发出的至少一个电磁射束偏转。此外，描述一种用于校准用于电磁射束的发送设备的方法。

EP 3229042 A1描述一种光电传感器和一种用于对监控范围中的对象进行检测和距离确定的方法，其具有用于发出光束的光发送器、具有用于由在对象上退回的(remittiert)光束产生接收信号的光接收器、具有布置在光接收器前方的接收光学器件以及具有分析处理单元，该接收光学器件用于将退回的光束聚束。

发明内容

本发明提出一种激光雷达传感器、尤其是用于运输工具(Fortbewegungsmittel)的激光雷达传感器，该激光雷达传感器具有发送单元、接收单元、转动的偏转单元和分析处理单元。这样的运输工具例如是道路车辆(例如摩托车、PKW、运输机、LKW)或者轨道车辆或者飞行器/飞机和/或水运工具，并且优选是如下运输工具：该运输工具将根据本发明的激光雷达传感器用作环境检测传感器。分析处理单元例如构型为ASIC、FPGA、处理器、数字信号处理器、微控制器或类似物。发送单元例如是激光二极管，发送单元和接收单元优选是以不能够运动的方式布置在激光雷达传感器内的部件。

转动的偏转单元设立用于，将通过发送单元产生的激光在转动的偏转单元的第一转动角度范围中偏转到激光雷达传感器的环境中并且将所发出的激光的在环境中反射的分量引导到激光雷达传感器的接收单元上。基于通过接收单元从环境中接收到的激光的传播时间测量，能够求取激光雷达传感器的环境中的如下对象的距离：所述对象将激光反射回至激光雷达传感器。应指出的是，转动的偏转单元根据其具体构型可以具有多于一个的第一转动角度范围。在描述本发明的有利构型的上下文中，稍后更详细地描述这一点。除此之外，转动的偏转单元设立用于，将通过发送单元产生的激光在转动的偏转单元的第二转动角度范围中在激光雷达传感器内引导到接收单元上，而以这样的方式偏转的激光不离开该激光雷达传感器。应指出的是，转动的偏转单元根据其具体构型可以具有多于一个的第二转动角度范围。

分析处理单元设立用于，接收接收单元的第一信号并且接收接收单元的第二信号，该第一信号代表通过接收单元在第一转动角度范围内接收到的激光，该第二信号代表通过接收单元在第二转动角度范围内接收到的激光。为此，分析处理单元在信息技术方面与接收单元连接。产生相应信号的相应时间点例如由于大于到接收单元中的光进入的开始的阈值而产生，该光进入通过第二转动角度范围所引起。替代地或者附加地，根据在遍历第二转动角度范围时到接收单元中的最大光进入，来确定该时间点。除此之外，能够考虑另外的可能性，用于确定相应时间点，所述时间点是同步时间点。

除此之外，分析处理单元设立用于，自动地区分第一信号与第二信号并且基于第二信号检查转动的偏转单元的角度校准。这提供根据本发明的优点：在运行激光雷达传感器期间，能够与在现有技术中所使用的编码器无关地反复检查角度校准。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

在本发明的一种有利构型中，转动的偏转单元设立用于，在第一转动角度范围中和在第二转动角度范围中借助同一镜单元使激光偏转。换言之可能的是，通过偏转单元的一个或者多个镜(在下文中也称为偏转镜)在第二转动角度范围中将通过发送单元发出的激光直接反射至接收单元，所述偏转单元的主要使用目的是发送单元的激光到激光雷达传感器的环境中的上述偏转。为此，可能需要的是，发送单元的和接收单元的光学轴线(即主放射轴线或主接收轴线)不是以彼此平行的方式布置，而是相对于彼此以预定义的角度布置。替代地或者附加地能够考虑，发送光束具有至少一个这样的发散度，使得该发送光束在第二转动角度范围中至少按份额地直接反射至接收单元。进一步替代地或者附加地，转动的偏转单元设立用于，在第一转动角度范围中借助偏转单元的第一镜单元(即借助一个或者多个偏转单元)使激光偏转并且在第二转动角度范围中借助偏转单元的第二镜单元使激光偏转，所述偏转单元的镜在下文中也称为校准镜。这提供如下优点：相应镜单元能够在其相应的布置位置和/或定向和/或光学特性方面分别以最佳的方式适配于其相应的主要使用目的。

有利地，第二镜单元关于第一镜单元成90°角度地布置。这具体地应如此理解，使得第二镜单元这样相对于第一镜单元放置，使得该第二镜单元在圆形轨道上围绕偏转单元的转动轴线运动，而第二镜单元的镜面处在背离转动轴线的侧上。应指出的是，第一和第二镜单元的定向不局限于相对于彼此的90°的角度。

优选地，第一镜单元具有两个镜(即扫描镜)，所述镜以预定义的间距平行地布置，所述镜的相应的镜面彼此背离。通过这种方式可能的是，在第一镜单元已经旋转180°之后将待偏转到环境中的射束重新偏转到环境中，以便由此对该环境进行扫描。换言之，因此，转动的偏转单元对于两个镜中的每个镜分别具有第一转动角度范围，其中，所述第一转动角度范围分别关于转动轴线相对于彼此旋转180°。替代地或者附加地，第二镜单元布置在第一镜单元的至少一个边上和/或布置在第一镜单元的相应的镜之间。与使用两个第一镜单元类似地，也能够考虑，将第二镜单元(与其相应的校准镜)布置在第一镜单元的两个边上，使得转动的偏转单元通过这种方式具有两个第二转动角度范围，所述第二转动角度范围同样关于转动轴线相对于彼此旋转180°。除此之外能够考虑，偏转单元具有多于两个的第一镜单元和/或多于两个的第二镜单元。

有利地，这样布置发送单元的光学轴线、接收单元的光学轴线和转动的偏转单元的转动轴线，使得上述轴线基本上处在一个平面内，并且因此，第二转动角度范围是如下范围：在该范围中，第一镜单元的镜与发送单元的和接收单元的光学轴线平行地取向。应指出的是，相应的轴线可以在预定义的公差范围中与共同的平面有偏差，而不会由此消除待借助本发明实现的效果。

在使用一个或者多个第二镜单元的情况下，能够考虑，第二镜单元中的每个第二镜单元分别具有校准镜、即分别具有如下镜：该镜设立用于，在相应的相对应的第二转动角度范围中将通过发送单元发出的激光直接偏转到接收单元上。这尤其在如下情况下是可能的：发送光束具有相应高的发散度和/或发送单元的和接收单元的光学轴线相对于彼此以预定义的角度定向，使得相应的光学轴线在远离发送单元和接收单元的地方相交。特别有利地，相应的第二镜单元分别具有多个校准镜。对于每个第二镜单元而言的校准镜的特别适合的数量是两个镜，所述镜例如能够分别关于发送单元的或接收单元的光学轴线以45°的角度布置，使得当发送光束具有低发散度且发送单元的和接收单元的光学轴线基本上平行时，也将发送单元的光偏转至接收单元。因此，这样的构型在根据本发明的激光雷达传感器的相应的部件的布置位置和定向方面提供增加的灵活性。

通过在第二转动角度范围中将发送光束直接反射至接收单元，能够预期在接收单元的区域中的相应高的光强度，因为通过这种方式转向的光不在到激光雷达传感器的环境中的路径上以及在回到激光雷达传感器的路径上被削弱。为了避免潜在地伴随于此的、对接收单元的过载(

)，第二镜单元有利地具有削弱光的光学滤波器(例如灰色滤波器)，该光学滤波器布置在第二镜单元的光学路径内。替代地或者附加地，第二镜单元具有拥有最大90％的、优选为最大50％的、尤其优选为最大30％的反射率的镜，以便削弱在接收单元的区域中的光强度。

有利地，第二镜单元具有射束成形光学元件，该射束成形光学元件例如是光散射透镜或者光聚束透镜。光散射透镜能够例如用于降低照射到接收单元上的激光的发光强度

而光聚束透镜能够例如用于改进对基于第二转动角度范围的同步时间点的识别。替代地或者附加地，上述效应也能够通过在第二镜单元的光学路径内使用光阑来实现。

优选地，分析处理单元设立用于，根据激光在发送单元与接收单元之间的、与相应的转动角度范围相对应的传播时间来区分第一信号与第二信号，因为在环境中反射的光的传播时间相应地比在激光雷达传感器内反射的光的传播时间长。替代地或者附加地，分析处理单元设立用于，根据激光在接收单元中的、与相应的转动角度范围相对应的光强度来执行该区分，因为在环境中反射的光的强度比在激光雷达传感器内反射的光的强度低。另一种用于区分的替代的或者附加的可能性是，观察接收单元的周期性地接收到的信号的相似性。尤其结合激光雷达传感器在环境中的运动，能够认为，相继的第一信号彼此之间的相似性比相继的第二信号彼此之间的相似性小，因为第二信号不受激光雷达传感器的环境中的改变的影响。

本发明的另一种有利构型设置，分析处理单元基于第二信号设立用于，将激光雷达传感器的发送功率与预定义的、用于发送功率的目标范围进行比较。这主要能够监控激光雷达传感器的眼睛安全性(该眼睛安全性例如在意外增加的发送功率的情况下不再存在)和/或监控环境识别质量(该环境识别质量例如由于意外降低的发送功率的情况下劣化)。

在本发明的一种特别有利构型中，激光雷达传感器设立用于，根据对角度校准的检查的结果，输出指示信号和/或执行对激光雷达传感器的转子角度的自动重新校准。

附图说明

下面，参考所附附图详细描述本发明的实施例。在此示出：

图1示出第一实施方式中的根据本发明的激光雷达传感器的示意性俯视图；

图2示出第一实施方式中的根据本发明的激光雷达传感器的示意性侧视图；

图3示出第二实施方式中的根据本发明的激光雷达传感器的示意性侧视图。

具体实施方式

图1示出第一实施方式中的根据本发明的激光雷达传感器的示意性俯视图，其中，激光雷达传感器在此是道路车辆的环境检测传感器。激光雷达传感器具有壳体100，该壳体具有窗口80。窗口80是到激光雷达传感器的环境60的光学接口。在壳体100的内部布置有发送单元10和接收单元20，该发送单元设立用于产生用于对环境60进行扫描的激光，该接收单元设立用于接收激光的在环境中反射的分量。发送单元10和接收单元20在该俯视图中叠置地布置，并且因此不能够单个地看到。

分析处理单元40在此是微控制器，该分析处理单元在信息技术方面与接收单元20连接。此外，激光雷达传感器具有转动的偏转单元30，该转动的偏转单元具有第一镜单元32，该第一镜单元包括两个平行布置的镜，所述镜分别布置在偏转单元30的转动轴线70上。这两个镜的镜面分别位于镜的背离转动轴线70的侧上。除此之外，偏转单元30具有第二镜单元34，该第二镜单元在第一镜单元32的镜之间以与第一镜单元30的镜成90°的角度布置。此外，发送单元10的光学轴线12、接收单元20的光学轴线22和转动轴线70基本上处在一个平面中。

扫描单元30的如下转动角度范围是相应的第一转动角度范围50：在所述转动角度范围中，在偏转单元30的转动的进程中通过第一镜单元32使发送单元10的所产生的激光偏转。扫描单元30的如下转动角度范围是相应的第二转动角度范围55：在所述转动角度范围中，在偏转单元30的转动的进程中通过第二镜单元34使所产生的激光偏转。每当所产生的激光入射到第二旋转角度范围55上时，通过第二镜单元34将该激光直接转向到接收单元20上。

此外，分析处理单元40设立用于从接收单元20接收第一信号并且接收接收单元20的第二信号，该第一信号代表通过接收单元20在第一转动角度范围50内接收到的激光，该第二信号代表通过接收单元20在第二转动角度范围55内接收到的激光。除此之外，分析处理单元40基于先前的配置设立用于，自动地区分第一信号与第二信号并且基于第二信号检查转动的偏转单元30的角度校准。为此，分析处理单元40将目标校准值与相应的第二信号进行比较(abgleichen)，所述目标校准值在制造激光雷达传感器的进程中在校准步骤中保存在连接到分析处理单元40上的存储器单元中。

具体而言，分析处理单元40在此设立用于，借助观察通过信号代表的激光的相应的传播时间来执行第一信号与第二信号之间的自动区分。

此外，分析处理单元40在此设立用于，在求取到激光雷达传感器的实际角度校准与激光雷达传感器的目标角度校准的偏差的情况下，向包括激光雷达传感器的道路车辆的用户输出指示信号。除此之外，分析处理单元40设立用于，输出用于补偿角度校准的偏差的信号。

除此之外能够考虑，分析处理单元40设立用于，将发送单元10的发送功率与预定义的用于发送功率的目标范围进行比较，以便可以识别可能存在的、由于激光雷达传感器造成的、对眼睛安全性的危害并且可以采取相应的保护措施(例如对发送单元10的停用)。

图2示出第一实施方式中的根据本发明的激光雷达传感器的示意性侧视图。由该侧视图尤其能够看到上文描述的发送单元10和接收单元20的具体布置。此外能够看到，第二镜单元14在该实施方式中具有单个的镜，该单个的镜由于在此存在的、激光的高发散度而设立用于，在第二转动角度范围55中在激光雷达传感器内将激光转向到接收单元20上，而激光不离开激光雷达传感器。就图2的另外的组成部分而言，为了避免重复，参考图1。

图3示出第二实施方式中的根据本发明的激光雷达传感器的示意性侧视图。应指出的是，为了避免重复，仅描述与在图1和图2中描述的第一实施方式的区别。由于所发出的激光的低发散度，第二实施方式设置在第二镜单元34内使用两个镜，所述两个镜这样布置，使得激光在第二转动角度范围55中通过两个镜中的第一镜沿与偏转单元30的转动轴线70平行的方向转向。随后，借助两个镜中的第二镜使激光沿着接收单元20的光学轴线22在接收单元20的方向上转向。在此，由于激光在照射到接收单元20上时的高的光强度，在两个镜之间设置有灰色滤波器90，该灰色滤波器削弱光强度，使得照射到接收单元20上的激光不导致对接收单元20的过载。

替代地或者附加地能够考虑，为了降低光强度，***光阑和/或使用第二镜单元34中的削弱光的镜。

Claims (11)

1.一种激光雷达传感器，所述激光雷达传感器具有：

发送单元(10)，

接收单元(20)，

转动的偏转单元(30)，和

分析处理单元(40)，

其中，

所述转动的偏转单元(30)设立用于，将通过所述发送单元(10)产生的激光

在所述转动的偏转单元(30)的第一转动角度范围(50)中偏转到所述激光雷达传感器的环境(60)中并且将所发出的激光的在所述环境中反射的分量引导到所述激光雷达传感器的接收单元(20)上，

在所述转动的偏转单元(30)的第二转动角度范围(55)中在所述激光雷达传感器内引导到所述接收单元(20)上，而以这样的方式偏转的激光不离开所述激光雷达传感器，

所述分析处理单元(40)设立用于，

接收所述接收单元(20)的第一信号，所述第一信号代表通过所述接收单元(20)在所述第一转动角度范围(50)内接收到的激光，

接收所述接收单元(20)的第二信号，所述第二信号代表通过所述接收单元(20)在所述第二转动角度范围(55)内接收到的激光，

自动地区分所述第一信号与所述第二信号，

基于所述第二信号检查所述转动的偏转单元(30)的角度校准。

2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述转动的偏转单元(30)设立用于，

在所述第一转动角度范围(50)中和在所述第二转动角度范围(55)中借助所述偏转单元(30)的同一镜单元(32)使所述激光偏转，或者

在所述第一转动角度范围(50)中借助所述偏转单元(30)的第一镜单元(32)使所述激光偏转，并且在所述第二转动角度范围(55)中借助所述偏转单元(30)的第二镜单元(32)使所述激光偏转。

3.根据权利要求2所述的激光雷达传感器，其中，所述第二镜单元(32)关于所述第一镜单元(32)成90°角度地布置。

4.根据权利要求2或3所述的激光雷达传感器，其中，

所述第一镜单元(32)具有两个镜，所述两个镜以预定义的间距平行地布置，所述两个镜的相应的镜面彼此背离，和/或

所述第二镜单元(34)布置在所述第一镜单元(32)的至少一个边上和/或布置在所述第一镜单元(32)的相应的镜之间。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述发送单元(10)的光学轴线(12)、所述接收单元(20)的光学轴线(22)和所述转动的偏转单元(30)的转动轴线(70)基本上处在一个平面中，因此，所述第二转动角度范围(55)是如下范围：在所述范围中，所述第一镜单元(32)的镜与所述发送单元(10)的光学轴线和所述接收单元(20)的光学轴线(12，22)基本上平行地取向。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述第二镜单元(34)设立用于，借助一个镜或者借助多个镜将所述发送单元(10)的激光偏转至所述激光雷达传感器的接收单元(20)。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述第二镜单元(34)具有

削弱光的光学滤波器，和/或

具有最大90％的、优选最大50％的并且尤其优选最大30％的反射率的镜。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述第二镜单元(34)具有

射束成形光学元件，和/或

光阑。

9.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述分析处理单元(40)设立用于，根据

所述激光在所述发送单元(10)与所述接收单元(20)之间的、与相应的转动角度范围(50，55)相对应的传播时间，和/或

所述激光在所述接收单元(20)中的、与相应的转动角度范围(50，55)相对应的光强度，和/或

所述接收单元(20)的周期性地接收到的信号的相似性，

来区分所述第一信号与所述第二信号。

10.根据上述权利要求中任一项所述的激光雷达传感器，其中，所述分析处理单元(40)基于所述第二信号设立用于，将所述激光雷达传感器的发送功率与预定义的、用于所述发送功率的目标范围进行比较。

11.所述激光雷达传感器设立用于，根据对所述角度校准的检查的结果，

输出指示信号，和/或

执行对所述激光雷达传感器的转子角度的自动的重新校准。

Images