JP7379731B2 - リターン信号の偏光解消比を利用した自律走行車両制御システム及び方法 - Google Patents
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-
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Description
本出願は2020年6月30日付で出願された米国特許出願第16/916,981号に対する利益及び優先権を主張し、その全体の開示内容は本願に参照として含まれる。
1.自律走行車両のためのシステム環境
2.自動車アプリケーションのためのFM LIDAR
[0052]
FMまたは位相変調(PM)LIDARシステムは、自動車及び/または商用トラックの運送アプリケーションに関して従来のLIDARシステムに比べ相当な利点を提供する。まず、一部の場合、オブジェクト(例えば、暗い服を着ている歩行者)はそのオブジェクトにぶつかる光の少ない量(例えば、10%未満)のみをFMまたはPM LIDARシステムのセンサ(例えば、図1aのセンサ130)に更に反射するということから低い反射率を有する。他の場合、オブジェクト(例えば、光る道路表示板)はそのオブジェクトにぶつかる光の多い量をFM LIDARシステムのセンサに更に反射するということから高い反射率(例えば、10%超過)を有する。
[0053]
オブジェクトの反射率とは関係なく、FM LIDARシステムは従来のLIDARシステムより遠い距離(例えば、2×)でオブジェクトを検出(例えば、分類、認識、発見など)することができる。例えば、FM LIDARシステムは300メートル以上の距離にある低反射率のオブジェクト及び400メートル以上の距離にある光反射率のオブジェクトを感知することができる。
[0054]
検出能力におけるこのような改善を達成するために、FM LIDARシステムはセンサ(例えば、図1aのセンサ130)を使用する。一部の具現例において、これらのセンサは単一光子(single photon)に敏感であるが、これはこれらができる限り最も少ない量の光を検出することができるということを意味する。FM LIDARシステムは一部の応用分野で赤外線波長(例えば、950nm、1550nmなど)を使用するが、赤外線波長の範囲(例えば、近赤外線:800nm乃至1500nm、中間赤外線:1500nm乃至5600nm、及び遠赤外線:5600nm乃至1,000,000nm)に限らない。赤外線波長でFMまたはPM LIDARシステムを作動することで、FMまたはPM LIDAシステムは目の安全標準を満たすと共により強い光パルスまたは光ビームをブロードキャスティングする。従来のLIDARシステムは時々単一光子に敏感ではなく/ないか近赤外線波長でのみ作動するため、目の安全上の理由で高出力(及び距離感知能力)が制限される。
[0055]
よって、より遠い距離でオブジェクトを感知することで、FM LIDARシステムは予期せぬ障害物に反応するためにより長い時間を有する。実際に、特に高速道路の速度で走行する大型車両(例えば、商用トラック運送車両)の場合、数ミリ秒の追加時間だけでも安全と乗り心地を向上させることができる。
[0056]
FM LIDARシステムの他の長所は、各データポイントに対して正確な速度を瞬間的に提供するということである。一部の具現例において、速度の測定は、半径方向の速度(例えば、検出されたオブジェクトとセンサとの方向ベクトル)またはレーザ信号の周波数のうち少なくとも一つに基づいて、オブジェクトから受信された光の周波数をシフトさせるドップラー効果を使用して行われる。例えば、速度が秒当たり100メートル(m/s)未満のオンロード(on-road)状況で発生する速度の場合、1550ナノメートル(nm)波長においてこのようなシフトは130メガヘルツ(MHz)未満の周波数シフトに当たる。このような周波数シフトは光学系ドメインで直接感知することが難しいくらい小さい。しかし、FMCW、PMCW、またはFMQW LIDARシステムのコヒーレント検出を使用することで、信号は周波数シフトが多様な信号プロセッシング技術を使用して計算されるようにRFドメインに変換される。それによって自律走行車両制御システムは収集されるデータをより速くプロセッシングすることができる。
[0057]
瞬間速度(instantaneous velocity)の計算は、FM LIDARシステムが距離を決定するか、希少データポイントをオブジェクトとして決定し/するか、このようなオブジェクトが時間が経つにつれどのように移動するのかを追跡することをより容易にする。例えば、FM LIDARセンサ(例えば、図1aのセンサ130)は300m距離のオブジェクトに対して単に数個のリターン(例えば、ヒット(hit))のみを受信するが、これらのリターンが関心のある速度値(例えば、>70mphの速度で車両に向かって移動)を提供すれば、FM LIDARシステム及び/または自律走行車両制御システムは該当オブジェクトに関する確立に対するそれぞれの重みを決定する。
[0058]
FM LIDARシステムのより速い識別及び/または追跡は自律走行車両制御システムが車両を操縦するに当たってより多くの時間を提供する。オブジェクトがどれぐらい速く移動するのかをよりよく理解することができれば、自律走行車両制御システムはよりよい反応を計画することができる。
[0059]
FM LIDARシステムの他の長所は従来のLIDARシステムに比べ少なく静的(static)であるということである。つまり、光により敏感であるように設計された従来のLIDARシステムは、通常明るい光の下ではろくに作動しない。このようなシステムはまた、クローストーク(crosstalk)(例えば、センサが互いの光パルスまたは光ビームによって混線を引き起こす場合)及び自己干渉(self-interference)(例えば、センサが自らの以前の光パルスまたは光ビームによって混線を引き起こす場合)によって性能が低下する傾向がある。このような短所を克服するために、従来のLIDARシステムを使用する車両は時々このような「ノイズ」を管理するための追加のハードウエア、複雑なソフトウェア、及び/またはより多くの計算能力を必要とする。
[0060]
それに対し、FM LIDARシステムは各センサが自らの光特性(例えば、光ビーム、光波、光パルス)にのみ反応するように特別に設計されているため、このような類型の問題が生じない。リターン光が元々伝送された光のタイミング、周波数及び/または波長と一致しなければ、FMセンサは該当データポイントをフィルタリング(例えば、除去、無視など)する。よって、FM LIDARシステムはより少ないハードウエアまたはソフトウェアの要求事項を使用してより正確なデータを生産(例えば、生成、導出)して、より安全でスムーズな走行を可能にする。
[0061]
最後に、FM LIDARシステムは従来のLIDARシステムより拡張することがより容易である。より多くの自律走行車両(例えば、自動車、商用トラックなど)が道路に登場しているが、FM LIDARシステムで駆動される車両はセンサクロストークによる干渉問題から逸脱することができる。また、FM LIDARシステムは従来のLIDARセンサより少ない光ピーク電力(optical peak power)を使用する。このように、FM LIDARのための光学コンポーネントの一部または全部は単一チップ上で製造されるが、これは本願で論議されるようちそれ自体の利点を生成する。
3.商用運送トラック
[0062]
図1bは、一部の具現例による自律走行商用トラック運送車両のためのシステム環境の一例を示すブロックダイヤグラムである。環境100Bは貨物106Bを運ぶための商用トラック102Bを含む。一部の具現例において、商用トラック102Bは長距離貨物運送、地域貨物運送、複合貨物運送(つまり、道路基盤車両が貨物を移動させるための複数の運送モードのうち一つとして使用される運送)、及び/または任意の他の道路基盤の貨物運送アプリケーションのために構成される車両を含む。商用トラック102Bは、フラットベッド(flatbed)トラック、冷蔵トラック(例えば、リーファー(reefer)トラック、ベントバン(vented van)(例えば、乾式バン)、移動(moving)トラックなどである。貨物106Bは商品及び/または製品である。商業用トラック102Bは、プラットベッドトレーラー、ローボーイ(lowboy)トレーラー、ステップデック(step deck)トレーラー、拡張可能なプラットベッドトレーラー、サイドキット(sidekit)トレーラーなどのような貨物106Bを運ぶためのトレーラーを含む。
[0063]
環境100Bは、トラックから30メートル以下の距離範囲内にあるオブジェクト110B(図1bで他の車両として図示)を含む。
[0064]
商用トラック102Bは、オブジェクト110Bまでの距離を決定し/するかオブジェクト110Bの速度を測定するためのLIDARシステム104B(例えば、FM LIDARシステム、図1aの車両制御システム120、図3aのLIDARシステム300、図3bのLIDARシステム350など)を含む。図1bは一つのLIDARシステム104Bが商用トラック102Bの前面に取り付けられることを示しているが、LIDARシステムの個数及び商用トラック上のLIDARシステムへの取り付け領域は特定個数または特定領域に制限されない。商用トラック102Bは、商用トラック102Bに対する任意の自由空間内におけるオブジェクトの検出を容易にするために、商用トラック102Bの任意の領域(例えば、前面、後面、側面、上端、下端、下及び/または底)の上に取り付けられる任意の数のLIDARシステム104B(または、センサ、変調器、コヒーレント信号発生器などのようなコンポーネント)を含む。
4.連続波(Continuous Wave)変調及び準連続波(Quasi-Continuous Wave)変調
5.リターン信号の偏光解消比を利用したLIDARシステム
Claims (39)
- 光検出と測距(LIght Detection And Ranging、LIDAR)システムであって、
レーザソースからの送信信号を送信するように構成される送信器と、
オブジェクトによって反射されたリターン信号を受信するように構成される受信器と、
第1偏光を有する前記リターン信号の第1偏光信号を生成し、前記第1偏光に直交する第2偏光を有する前記リターン信号の第2偏光信号を生成するように構成される一つ以上の光学系であって、前記第1偏光信号は前記第1偏光を有する前記オブジェクトの第1画像を示し、前記第2偏光信号は前記第2偏光を有する前記オブジェクトの第2画像を示す、一つ以上の光学系と、
前記第1画像の平均信号対雑音比(Signal-to-Noise Ratio、SNR)値と前記第2画像の平均SNR値との間の比を計算して、前記第1偏光信号と前記第2偏光信号との間の反射率の比を計算するように構成されるプロセッサと、を含むLIDARシステム。 - 前記一つ以上の光学系は、
前記第1偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第1偏光信号を生成し、前記第2偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第2偏光信号を生成するように構成される偏光ビームスプリッタ(Polarization Beam Splitter、PBS)と、
前記第1偏光信号を検出するように構成される第1検出器と、
前記第2偏光信号を検出するように構成される第2検出器と、を含む請求項1に記載のLIDARシステム。 - 前記第2偏光信号の位相をシフト(shift)するように構成される位相シフタを更に含み、
前記第1検出器及び前記第2検出器は、
前記第1偏光信号を検出し、
前記位相シフトされた第2偏光信号を検出するように構成される単一検出器である請求項2に記載のLIDARシステム。 - 前記送信器及び前記受信器は単一送受信器である請求項1に記載のLIDARシステム。
- 一つ以上のプロセッサを含む自律走行車両制御システムであって、
前記一つ以上のプロセッサは、
送信器がレーザソースから送信信号を受信させるようにし、
受信器がオブジェクトによって反射されたリターン信号を受信させるようにし、
一つ以上の光学系が第1偏光を有する前記リターン信号の第1偏光信号を生成し、前記第1偏光に直交する第2偏光を有する前記リターン信号の第2偏光信号を生成するようにし、
ここで、前記第1偏光信号は前記第1偏光を有する前記オブジェクトの第1画像を示し、前記第2偏光信号は前記第2偏光を有する前記オブジェクトの第2画像を示し、
前記第1画像の平均信号対雑音比(SNR)値と前記第2画像の平均SNR値との間の比を計算して、前記第1偏光信号と前記第2偏光信号との間の反射率の比を計算し、
前記第1偏光信号と前記第2偏光信号との間の反射率の比に基づいて車両を作動するように構成される自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記一つ以上の光学系の偏光ビームスプリッタ(PBS)が前記第1偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第1偏光信号を生成させるようにし、
前記PBSが前記第2偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第2偏光信号を生成させるようにし、
前記一つ以上の光学系の第1検出器が前記第1偏光信号を検出させるようにし、
前記一つ以上の光学系の第2検出器が前記第2偏光信号を検出させるようにするために更に構成される請求項5に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記第1検出器及び前記第2検出器は単一検出器であり、
前記一つ以上のプロセッサは、
位相シフタが前記第2偏光信号の位相をシフトさせるようにし、
前記単一検出器が前記第1偏光信号を検出させるようにし、前記位相シフトされた第2偏光信号を検出させるようにするために更に構成される請求項6に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記送信器及び前記受信器は単一送受信器である請求項5に記載の自律走行車両制御システム。
- 前記一つ以上のプロセッサは、
前記計算された反射率の比に基づいて前記オブジェクトの類型を決定し、
前記オブジェクトの類型に基づいて前記車両の経路(trajectory)を制御するように更に構成される請求項5に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型をアスファルト道路、車線表示、荒いコンクリート道路、芝、または砂利のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の比に基づいて前記オブジェクトがアスファルト道路であることを決定するように更に構成される請求項9に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を金属柱、木、または電信柱のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の比に基づいて前記オブジェクトが金属柱であることを決定するように更に構成される請求項9に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を一人以上の人であると決定し、
前記計算された反射率の比に基づいて前記一人以上の人の皮膚及び衣服のそれぞれの領域を決定するように更に構成される請求項9に記載の自律走行車両制御システム。 - 自律走行車両であって、
レーザソースからの送信信号を送信するように構成される送信器と、
オブジェクトによって反射されたリターン信号を受信するように構成される受信器と、
第1偏光を有する前記リターン信号の第1偏光信号を生成し、前記第1偏光に直交する第2偏光を有する前記リターン信号の第2偏光信号を生成するように構成される一つ以上の光学系であって、前記第1偏光信号は前記第1偏光を有する前記オブジェクトの第1画像を示し、前記第2偏光信号は前記第2偏光を有する前記オブジェクトの第2画像を示す、一つ以上の光学系と、を含む光検出と測距(LIDAR)システムと、
操向システムまたは制動システムのうち少なくとも一つと、
前記第1画像の平均信号対雑音比(SNR)値と前記第2画像の平均SNR値との間の比を計算して、前記第1偏光信号と前記第2偏光信号との間の反射率の比を計算し、
前記第1偏光信号と前記第2偏光信号との間の反射率の比に基づいて前記操向システムまたは前記制動システムのうち少なくとも一つの作動を制御するように構成される一つ以上のプロセッサを含む車両制御器と、を含む自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記一つ以上の光学系の偏光ビームスプリッタ(PBS)が前記第1偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第1偏光信号を生成させるようにし、
前記PBSが前記第2偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第2偏光信号を生成させるようにし、
前記一つ以上の光学系の第1検出器が前記第1偏光信号を検出させるようにし、
前記一つ以上の光学系の第2検出器が前記第2偏光信号を検出させるようにするために更に構成される請求項13に記載の自律走行車両。 - 前記第1検出器及び前記第2検出器は単一検出器であり、
前記一つ以上のプロセッサは、
位相シフタが前記第2偏光信号の位相をシフトさせるようにし、
前記単一検出器が前記第1偏光信号を検出させるようにし、前記位相シフトされた第2偏光信号を検出させるようにするために更に構成される請求項14に記載の自律走行車両。 - 前記送信器及び前記受信器は単一送受信器である請求項13に記載の自律走行車両。
- 前記一つ以上のプロセッサは、
前記計算された反射率の比に基づいて前記オブジェクトの類型を決定し、
前記オブジェクトの類型に基づいて前記自律走行車両の経路(trajectory)を制御するように更に構成される請求項13に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型をアスファルト道路、車線表示、荒いコンクリート道路、芝、または砂利のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の比に基づいて前記オブジェクトがアスファルト道路であることを決定するように更に構成される請求項17に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を金属柱、木、または電信柱のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の比に基づいて前記オブジェクトが金属柱であることを決定するように更に構成される請求項17に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を一人以上の人であると決定し、
前記計算された反射率の比に基づいて前記一人以上の人の皮膚及び衣服のそれぞれの領域を決定するように更に構成される請求項17に記載の自律走行車両。 - 光検出と測距(LIght Detection And Ranging、LIDAR)システムであって、
レーザソースからの送信信号を送信するように構成される送信器と、
オブジェクトによって反射されたリターン信号を受信するように構成される受信器と、
第1偏光を有する前記リターン信号の第1偏光信号を生成し、前記第1偏光に直交する第2偏光を有する前記リターン信号の第2偏光信号を生成するように構成されるが、前記第1偏光信号は前記第1偏光を有する前記オブジェクトの第1画像を示し、前記第2偏光信号は前記第2偏光を有する前記オブジェクトの第2画像を示す一つ以上の光学系と、
(i)前記第1画像の平均信号対雑音比(Signal-to-Noise Ratio、SNR)値と前記第2画像の平均SNR値との間の比に基づいて反射率の値を計算し、(ii)車両が前記反射率の値に基づいて作動するように前記車両に前記反射率の値を提供するように構成されるプロセッサと、を含むLIDARシステム。 - 前記一つ以上の光学系は、
前記第1偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第1偏光信号を生成し、
前記第2偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第2偏光信号を生成し、
前記第1偏光信号及び前記第2偏光信号を検出するように更に構成される請求項21に記載のLIDARシステム。 - 前記一つ以上の光学系は、
前記第2偏光信号の位相をシフトし、
前記位相シフトされた第2偏光信号を検出することで前記第2偏光信号を検出するように更に構成される請求項22に記載のLIDARシステム。 - 一つ以上のプロセッサを含む自律走行車両制御システムであって、
前記一つ以上のプロセッサは、
送信器がレーザソースからの送信信号を送信させるようにし、
受信器がオブジェクトによって反射されたリターン信号を受信させるようにし、
一つ以上の光学系が前記第1偏光を有する前記リターン信号の第1偏光信号を生成し、前記第1偏光に直交する第2偏光を有する前記リターン信号の第2偏光信号を生成させるようにするが、前記第1偏光信号は前記第1偏光を有する前記オブジェクトの第1画像を示し、前記第2偏光信号は前記第2偏光を有する前記オブジェクトの第2画像を示し、
前記第1画像の平均信号対雑音比(SNR)値と前記第2画像の平均SNR値との比に基づいて反射率の値を計算し、
前記反射率の値に基づいて車両を作動するように構成される自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記一つ以上の光学系が前記第1偏光に前記リターン信号を偏光させて第1偏光信号を生成させるようにし、
前記一つ以上の光学系が前記第2偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第2偏光信号を生成させるようにし、
前記一つ以上の光学系が第1偏光信号及び前記第2偏光信号を検出させるように更に構成される請求項24に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記一つ以上の光学系が前記第2偏光信号の位相をシフトさせるようにし、
前記一つ以上の光学系の前記位相シフトされた第2偏光信号を検出することで前記第2偏光信号を検出させるように更に構成される請求項25に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記計算された反射率の値に基づいて前記オブジェクトの一つ以上の特徴を決定し、
前記オブジェクトの一つ以上の特徴に基づいて前記車両の経路(trajectory)を制御するように更に構成される請求項24に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記オブジェクトの一つ以上の特徴は前記オブジェクトの類型を含む請求項27に記載の自律走行車両制御システム。
- 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型をアスファルト道路、車線表示、荒いコンクリート道路、芝、または砂利のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の値に基づいて前記オブジェクトがアスファルト道路であることを決定するように更に構成される請求項28に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を金属柱、木、または電信柱のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の値に基づいて前記オブジェクトが金属柱であることを決定するように更に構成される請求項28に記載の自律走行車両制御システム。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を一人以上の人であると決定し、
前記計算された反射率の値に基づいて前記一人以上の人の皮膚及び衣服のそれぞれの領域を決定するように更に構成される請求項28に記載の自律走行車両制御システム。 - 自律走行車両であって、
レーザソースからの送信信号を送信するように構成される送信器と、オブジェクトによって反射されたリターン信号を受信するように構成される受信器と、
第1偏光を有する前記リターン信号の第1偏光信号を生成し、前記第1偏光に直交する第2偏光を有する前記リターン信号の第2偏光信号を生成するように構成されるが、前記第1偏光信号は前記第1偏光を有する前記オブジェクトの第1画像を示し、前記第2偏光信号は前記第2偏光を有する前記オブジェクトの第2画像を示す一つ以上の光学系と、を含む光検出と測距(LIDAR)システムと、
操向システムまたは制動システムのうち少なくとも一つと、
前記第1画像の平均信号対雑音比(SNR)と前記第2画像の平均SNRとの比に基づいて反射率の値を計算し、
前記反射率の値に基づいて前記操向システムまたは前記制動システムのうち少なくとも一つの作動を制御するように構成される一つ以上のプロセッサを含む車両制御器と、を含む自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記一つ以上の光学系が前記第1偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第1偏光信号を生成させるようにし、
前記一つ以上の光学系が前記第2偏光に前記リターン信号を偏光させて前記第2偏光信号を生成させるようにし、
前記一つ以上の光学系が第1偏光信号及び前記第2偏光信号を検出させるように更に構成される請求項32に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記一つ以上の光学系が前記第2偏光信号の位相をシフトさせるようにし、
前記一つ以上の光学系の前記位相シフトされた第2偏光信号を検出することで前記第2偏光信号を検出させるように更に構成される請求項33に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記計算された反射率の値に基づいて前記オブジェクトの一つ以上の特徴を決定し、
前記オブジェクトの一つ以上の特徴に基づいて前記自律走行車両の経路を制御するように更に構成される請求項32に記載の自律走行車両。 - 前記オブジェクトの一つ以上の特徴は前記オブジェクトの類型を含む請求項35に記載の自律走行車両。
- 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型をアスファルト道路、車線表示、荒いコンクリート道路、芝、または砂利のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の値に基づいて前記オブジェクトがアスファルト道路であることを決定するように更に構成される請求項36に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を金属柱、木、または電信柱のうち一つと決定し、
前記計算された反射率の値に基づいて前記オブジェクトが金属柱であることを決定するように更に構成される請求項36に記載の自律走行車両。 - 前記一つ以上のプロセッサは、
前記オブジェクトの類型を一人以上の人であると決定し、
前記計算された反射率の値に基づいて前記一人以上の人の皮膚及び衣服のそれぞれの領域を決定するように更に構成される請求項36に記載の自律走行車両。
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