激光雷达
阅读：774发布：2020-05-12
专利汇可以提供激光雷达专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 激光雷达 ，用于形成关于周围环境的点 云 图像，其特征在于，所述激光雷达包括激光发射模 块 、激光接收模块和发射接收共用模块，其中：激光发射模块包括用于产生出射光的激光发生器，所述出射光沿发射路径传输并穿过发射接收共用模块；发射共用模块将所述出射光朝向周围环境引导，并收集周围环境的一个或多个对象反射的反射光且将所述反射光沿接收路径朝向激光接收模块引导；激光接收模块包括激光检测器，所述激光检测器被配置为检测沿接收路径传输的反射光；且其中在所述发射接收共用模块中，所述出射光的发射路径和所述反射光的接收路径至少部分地重合。，下面是激光雷达专利的具体信息内容。
1.一种激光雷达，用于形成关于周围环境的点云图像，其特征在于，所述激光雷达包括激光发射模块、激光接收模块和发射接收共用模块，其中：
激光发射模块包括用于产生出射光的激光发生器，所述出射光沿发射路径传输并穿过发射接收共用模块；
发射共用模块将所述出射光朝向周围环境引导，并收集周围环境的一个或多个对象反射的反射光且将所述反射光沿接收路径朝向激光接收模块引导；
激光接收模块包括激光检测器，所述激光检测器被配置为检测沿接收路径传输的反射光；且其中
在所述发射接收共用模块中，所述出射光的发射路径和所述反射光的接收路径至少部分地重合。
2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射接收共用模块包括扫描结构，所述扫描结构改变来自激光发射模块的出射光的空间取向并将出射光朝向周围环境引导，且改变来自由周围环境中的一个或多个对象反射的反射光的空间取向并将反射光沿接收路径朝向激光接收模块引导。
3.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括透射反射器件，所述透射反射器件包括透射区域和反射区域，所述透射区域允许由激光发射模块产生的出射光透过并进入发射接收共用模块，所述反射区域反射来自发射接收共用模块的反射光并将所述反射光朝向激光接收模块引导。
4.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括第一反射器件，用于折叠所述出射光的发射路径，和/或所述激光发射模块包括第二反射器件，用于折叠所述反射光的接收路径。
5.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括发射透镜，用于准直由激光发生器产生的出射光，和/或所述激光接收模块包括接收透镜，用于聚焦来自发射接收共用模块的反射光。
6.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括K个激光发生器(K≥2)，所述K个激光发生器所产生的出射光互成角度，所述角度被设置成使得K个激光发生器形成的点云图像形成重叠区域，在所述重叠区域中，点云图像的密度为单个激光发生器形成的点云图像的密度的K倍。
7.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，K的数值在2至4的范围内。
8.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括附接至所述激光发生器的冷却器件。
9.如权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述冷却器件为包括电热材料的半导体制冷片。
10.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块还包括附接至激光发生器的温度检测器。
激光雷达
技术领域
背景技术
[0002] 机动车辆可以被配置为以自主模式或半自主模式操作，其中，车辆在具有很少或没有驾驶员介入的情况下导航通过环境。所述机动车辆可包括配置为检测关于车辆周围的环境的信息的一个或多个传感器，例如激光雷达。
[0003] 激光雷达可通过快速且重复地发射激光光束来扫描周围环境，以获取反映周围环境中的一个或多个对象的形貌、位置和运动的“点云”数据。具体地，一个或多个对象的反射表面的距离通过如下方式来确定：激光雷达向周围环境发射激光光束并接收由周围环境中的对象的反射表面所反射的反射光，通过计算激光光束的发射时间点和反射光的返回时间点之间的时间延迟来确定周围环境中的反射表面的距离信息。同时，激光雷达可确定描述激光光束的空间取向的角度信息。将反射表面的距离信息和激光光束的角度信息相结合，可生成包括所扫描的周围环境的点云数据的三维地图。
发明内容
[0004] 本发明旨在至少提供一种兼顾低成本、小体积、高性能的激光雷达。
[0005] 根据本发明的一个实施例，提供了一种激光雷达，包括激光发射模块、激光接收模块和发射接收共用模块，其中：激光发射模块包括用于产生出射光的激光发生器，所述出射光沿发射路径传输并穿过发射接收共用模块；发射共用模块将所述出射光朝向周围环境引导，并收集周围环境的一个或多个对象反射的反射光且将所述反射光沿接收路径朝向激光接收模块引导；激光接收模块包括激光检测器，所述激光检测器被配置为检测沿接收路径传输的反射光；且其中在所述发射接收共用模块中，所述出射光的发射路径和所述反射光的接收路径至少部分地重合。
[0006] 由于这样的光路结构设计，发射接收共用模块可提供发射路径和接收路径的共用空间，从而激光雷达的外形尺寸、制造成本可被压缩。
[0007] 根据本发明的一个实施例，所述发射接收共用模块包括扫描结构，所述扫描结构改变来自激光发射模块的出射光的空间取向并将出射光朝向周围环境引导，且改变来自由周围环境中的一个或多个对象反射的反射光的空间取向并将反射光沿接收路径朝向激光接收模块引导。由此，扫描结构兼具改变出射光和反射光的空间取向的功能，在发射接收共用模块中，出射光的发射路径和反射光的接收路径基本同轴设置，这有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。
[0008] 根据本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括透射反射器件，所述透射反射器件包括透射区域和反射区域，所述透射区域允许由激光发射模块产生的出射光透过并进入发射接收共用模块，所述反射区域反射来自发射接收共用模块的反射光并将所述反射光朝向激光接收模块引导。透射反射器件的设计有助于实现激光发射模块和激光接收模块空间上的合理布局，以更高效的方式利用激光雷达的内部容积。
[0009] 优选地，所述激光发射模块包括第一反射器件，用于折叠所述出射光的发射路径，和/或所述激光发射模块包括第二反射器件，用于折叠所述反射光的接收路径。由于至少一个反射器件的设置，反射光的发射路径和/或接收路径可被折叠，激光发射模块和/或激光接收模块所占据的空间体积与未包括反射器件的激光发射模块和/或激光接收模块相比可被缩小，并且可将激光接收模块和/或激光接收模块的组成元件更紧凑、灵活地排布在激光雷达内部，从而减小激光雷达的外形尺寸。
[0010] 优选地，所述激光发射模块包括发射透镜，用于准直由激光发生器产生的出射光，和/或所述激光接收模块包括接收透镜，用于聚焦来自发射接收共用模块的反射光。发射透镜可具有能够准直由激光发生器产生的出射光的光学倍率，以减小所述出射光的发散度，即减小出射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。接收透镜可具有能够聚焦反射光的光学倍率，以减小所述出射光的发散度，即减小反射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度，从而实现更有效的检测。
[0011] 根据本发明的进一步的实施例，激光发射模块包括K个激光发生器(K≥2)，所述K个激光发生器所产生的出射光互成角度，所述角度被设置成使得K个激光发生器形成的点云图像形成重叠区域，在所述重叠区域中，点云图像的密度为单个激光发生器形成的点云图像的密度的K倍。通过合理设置该角度与扫描结构在水平方向和竖直方向上的扫描角度和扫描频率的关系，K个激光发生器的出射光扫描所形成的点云可相互重叠，在点云的重叠区域中，点云的密度数倍地增加，从而成倍地提高激光雷达的角度分辨率。
[0012] 优选地，K的数值在2至4的范围内。随着激光发生器数量增加，会导致激光雷达的零部件成本攀升，可能需要牺牲激光雷达的外形尺寸以容纳额外的激光发生。此外，额外的激光发生器还会增加系统装调的工作量和困难程度。K＝2～4是对成本、空间体积、复杂程度和测量精度进行综合考虑后的优选数值范围。
[0013] 根据本发明的一个有利的实施例，激光发射模块包括附接至所述激光发生器的冷却器件。冷却器件的设置能够避免由于激光发生器的发热现象造成的激光波长漂移问题，从而提高反射光接收比且因此提高长距离测量的准确性。
[0014] 优选地，所述冷却器件为包括电热材料的半导体制冷片。半导体制冷片特别适用于冷却激光发生器，这是因为半导体制冷片冷却效率高，不需要任何制冷剂，没有污染源，且没有旋转部件，工作时没有震动、噪音，且半导体制冷片为固体片件，占用空间少，安装容易，寿命长。
[0016] 通过阅读以下详细描述并适当参考附图，其他方面、实施例和实现方案对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见，其中：
[0017] 图1示出了根据本发明的激光雷达的光路结构；
[0018] 图2示出了根据本发明的激光雷达的透视图；以及
[0019] 图3局部地示出了根据本发明的激光雷达的两个激光发生器形成的点云。
具体实施方式
[0020] 在根据本发明的各种示例性结构的以下描述中，参考了附图，附图形成了本发明的一部分，并且其中通过图示的方式示出了其中可以实践本发明的各方面的各种示例性装置、系统和环境。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以利用部件、示例性装置、系统和环境的其他特定布置，并且可以进行结构和功能修改。
[0021] 图1示出了根据本发明的激光雷达的光路结构。所述激光雷达例如安装在至少以半自主模式操作的机动车辆中，用于获取机动车辆的周围环境的点云数据。机动车辆的处理器(例如车载计算机)可以接收该点云数据，并进行分析和处理，从而实现其特定功能，获得车辆的周围环境的情况，借此输出特定的控制策略，控制车辆进行转向、变速、启停等功能，从而实现无需驾驶员介入的智能驾驶。
[0022] 在本发明的一个示例性实施例中，激光雷达可包括激光发射模块1、激光接收模块2和发射接收共用模块3。激光发射模块1连续发出脉冲形式的出射光，所述出射光经由发射接收共用模块3进入机动车辆的周围环境。出射光投射至周围环境中的对象的反射表面处，并产生反射光。反射光经由发射接收共用模块3回到激光雷达内部，由激光接收模块2接收并检测。通过测算发出激光脉冲与接收到反射光脉冲之间的时间差△t，即可获得反射表面的距离d＝C△t/2(C为光速)。
[0023] 激光发射模块1包括激光发生器11，其例如包括激光驱动器和激光二极管，以沿着发射路径L1产生出射光，发射路径L1在图中以实线示出。根据本发明的一个示例性实施例，激光器以特定频率(例如，125kHz)连续发出脉冲形式的激光。所述出射光可覆盖位于电磁波谱的紫外线波段、可见光波段或红外线波段内的窄的波长范围。根据本发明的一个示例性实施例，激光发生器11产生具有大约905nm的波长的出射光，所述出射光覆盖大约895nm至大约910nm的波长范围。
[0024] 激光发生器11产生的出射光可能沿着发射路径L1例如在光束截面的第一方向和第二方向上发散。为此，激光发射模块1可包括具有光学倍率的发射透镜13，用于准直由激光发生器11产生的出射光，以减小所述出射光的发散度，即减小出射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。
[0025] 优选地，激光发射模块1还包括4第一反射器件12。根据图1中的示例性实施例，第一反射器件12沿着出射光的发射路径L1设置在发射透镜13和激光发生器11之间，且所述第一反射器件12被放置成与所述激光发生器11产生的出射光的传输方向形成45°的夹角。由此，来自激光发生器11的出射光在第一反射器件12处发生90°的偏转，继而沿着发射路径L1传输并穿过发射透镜13。本领域技术人员可以设想，将发射透镜13沿着出射光的发射路径L1设置在激光发生器11和第一反射器件12和之间。在这种情况下，来自激光发生器11的出射光首先由发射透镜13准直，再入射至第一反射器件12，在第一反射器件12处偏转90°，进而继续沿着发射路径L1传输至发射接收共用模块3。
[0026] 由于第一反射器件12的设置，出射光的发射路径L1可被折叠，激光发射模块1所占据的空间体积与未包括第一反射器件12的激光发射模块1相比可被缩小，并且可将激光发射模块1的组成元件更紧凑、灵活地排布在激光雷达内部，从而减小激光雷达的外形尺寸。
[0027] 沿着出射光的发射路径L1，发射接收共用模块3位于激光发射模块1的下游。以将来自激光发射模块1的出射光朝向周围环境引导。
[0028] 根据本发明的一个实施例，发射接收共用模块3包括扫描结构31，其可在一个或多个方向上改变出射光的空间取向，以实现对周围环境的扫描。根据本发明的一个示例性实施例，所述扫描结构31可包括一维振镜，其例如可围绕沿水平延伸的轴线X(见图2)以一定的竖直扫描频率(例如600Hz)往复旋转(或称“振动”)，以在竖直方向上改变出射光的空间取向。由此，可以产生在竖直方向上下扫描的一维扫描光，竖直扫描角度例如为±10°。扫描结构31还可以包括附接至一维振镜的旋转机构(未示出)，所述旋转机构可例如围绕沿竖直延伸的轴线Y(见图2)以一定的水平扫描频率(例如5Hz)旋转并带动所述一维振镜，以在水平方向上改变出射光的空间取向，水平扫描角度例如为±24°。由此，可以在竖直方向的上下扫描运动基础上叠加水平方向的左右扫描运动，将一维扫描光进一步转换为二维扫描光，从而在一定空间范围内实现对周围环境的探测与测量。根据本发明的一个示例性实施例(未示出)，所述扫描结构31可包括二维振镜，其可围绕沿水平延伸的轴线和沿竖直延伸的轴线振动，以同时在水平方向和竖直方向上改变出射光的空间取向。
[0029] 空间取向被改变的出射光继而沿发射路径L1离开发射接收共用模块3进入周围环境，在周围环境的一个或多个对象的反射表面处发生漫反射。来自周围环境的反射光部分地沿着接收路径L2返回发射接收共用模块3，所述发射接收共用模块3进而将所述反射光沿着接收路径L2朝向激光接收模块2引导。具体地，发射接收共用模块3的扫描结构31可改变来自所述反射光的空间取向并将反射光沿接收路径L2朝向激光接收模块2引导。
[0030] 根据本发明的一个示例性实施例，激光雷达还包括透射反射器件4。透射反射器件4例如沿着出射光的发射路径L1设置激光发射模块1和发射接收共用模块3之间。透射反射器件4可包括透射区域41和反射区域42。在例如由图2所示出的一些实施例中，透射区域41例如为透射反射器件4中的孔洞或开口。在另一些未示出的实施例中，透射区域41可包括透明材料。一方面，由激光发射模块1产生的出射光经由发射路径L1穿过所述透射区域41而进入发射接收共用模块3。反射区域42可例如通过在基板的表面上覆盖反射材料而形成。另一方面，在发射接收共用模块3中由扫描结构31改变取向的反射光可在透射反射器件4的反射区域42中被反射，进而继续沿着接收路径L2到达激光接收模块2。透射反射器件4可被放置成与来自发射接收共用模块3的反射光的传输方向形成45°的夹角。由此，反射光的接收路径L2可在反射区域42中发生90°的角度偏转。
[0031] 由图1可见，在发射接收共用模块3中，出射光的所述出射光的发射路径L1和所述反射光的接收路径L2至少部分地重合。由于这样的光路结构设计，发射接收共用模块3可提供发射路径L1和接收路径L2的共用空间，从而激光雷达的外形尺寸、制造成本可被进一步压缩。此外，出射光的发射路径L1和反射光的接受路径在发射接收共用模块3中基本同轴设置，有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。
[0032] 激光接收模块2包括激光检测器21，用于接收并检测由周围环境的一个或多个物体反射的沿着接收路径L2传输的反射光。激光检测器21例如为面阵式的雪崩光电二极管(APD)。替换地，激光检测器21可以是任何能将所接收的光信号转换成电信号的光学传感器。
[0033] 由于出射光在一个或多个物体的反射表面处发生漫反射，沿着接收路径L2传输的反射光可具有较大的发散度。为使更多的反射光到达激光检测器21，激光接收模块2可包括具有光学倍率的接收透镜23，用于聚焦反射光，减小反射光的发散度，即减小反射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。有利地，接收透镜23被设计为使得反射光聚焦在激光接收模块2的激光检测器21处。
[0034] 优选地，激光接收模块2还包括第二反射器件22。根据图1中的示例性的实施例，第二反射器件22沿着反射光的接收路径L2设置在接收透镜23和激光检测器21之间，且所述第二反射器件22被放置成与经由透射反射器件4反射后的反射光的传输方向形成45°的夹角。由此，来自透射反射器件4反射的反射光在第二反射器件22处发生90°的偏转，继而沿着接收路径L2传输到达激光检测器21。本领域技术人员可以设想，将接收透镜23沿着反射光的接收路径L2设置在第二反射器件22和激光检测器21之间。在这种情况下，沿着接收路径L2传输的反射光首先入射至第二反射器件22，在第二反射器件22处发生90°的偏转，再由接收透镜23聚焦至激光检测器21。
[0035] 由于第二反射器件22的设置，反射光的接收路径L2可被折叠，激光接收模块2所占据的空间体积与未包括第二反射器件22的激光发射模块1相比可被缩小，并且可将激光接收模块2的组成元件更紧凑、灵活地排布在激光雷达内部，从而减小激光雷达的外形尺寸。
[0036] 图2示出了以透视图的形式示出了根据本发明的激光雷达。为了更清楚性展示根据本发明的光路结构，激光雷达的壳体、光学器件支架等零部件被隐去。
[0037] 激光雷达包括主电路板P0，主电路板P0上可承载处理器、存储器、I/O接口等电学部件。激光发生器11电连接至激光器电路板P1，激光器电路板P1上承载的电路适于驱动激光发生器11。检测器2电连接至检测器电路板P2，检测器电路板P2上承载的电路适于接收和传输来自检测器2的输出信号。激光器电路板P1和检测器电路板P2二者彼此平行设置，并在同一侧垂直端接至主电路板P0，主电路板P0可以与激光器电路板P1、检测器电路板P2电连接，由此，处理器可以控制激光发生器11脉冲发光，并且处理来自检测器2的输出信号，产生并输出表征周围环境的点云数据。
[0038] 在一些实施例中，所述激光发射模块1可包括K个激光发生器11(Gi,i＝1～K,K≥2)。K个激光发生器11设置在例如设置在同一水平面内，并且K个激光发生器11产生的出射光在水平方向上互成角度。例如，相邻的两个激光发生器Gi,Gi+1产生的出射光在水平方向上互成角度θ(未示出)。激光发生器Gi和激光发生器Gi+1的出射光经由扫描结构31偏转而进入周围环境时，在水平方向上仍然互成角度θ。通过合理设置该角度θ与扫描结构31在水平方向和竖直方向上的扫描角度和扫描频率的关系，K个激光发生器11的出射光扫描所形成的点云可相互重叠，并且在点云的重叠区域中，点云的密度为使用单个激光发生器11的所形成的点云的密度的K倍，从而激光雷达的角度分辨率为仅使用单个激光发生器11的激光雷达的K倍。
[0039] 以激光发射模块1包括两个激光发生器G1和G2为例。如图3所示，激光发生器G1、激光发生器G2的出射光可分别形成点云C1、C2。为清楚起见，仅部分地示出了点云C1、C2，且点云C1、C2以不同的线型示意性地示出。点云C1、C2分别由等间隔分布的竖直扫描线组成。在扫描结构31水平扫描角度为±24°，水平方向扫描频率为600hz，竖直方向扫描频率为5hz的情况下，点云C1、C2各自可包括120条竖直扫描线，相邻的两条竖直扫描线之间的角度间隔为0.4°。激光发生器G1和G2产生的出射光在水平方向上的角度θ例如设置为3°。相应地，点云C2整体在水平方向上从点云C1偏移3°的角度，也就是说，点云C2的水平方向上的第一条竖直扫描线与点云C1的水平方向上的第一条竖直扫描线的角度间隔为3°。在点云C1和C2的重叠区域内，点云C1可包括相邻的第一竖直扫描线L1和第二竖直扫描线L2，第一竖直扫描线L1和第二竖直扫描线L2之间的角度间隔为0.4°，点云C2可包括相邻的第三竖直扫描线L3和第四竖直扫描线L4，第三竖直扫描线L3和第四竖直扫描线L4之间的角度间隔为0.4°。点云C2的第三竖直扫描线L3位于点云C1的第一竖直扫描线L1和第二竖直扫描线L2之间，并且点云C2的第三竖直扫描线L3与点云C1的第一竖直扫描线L1和第二竖直扫描线L2之间的角度间隔均为0.2°。由此，在点云的重叠区域中，点云的密度为使用单个激光发生器11的所形成的点云的密度的2倍，从而激光雷达的角度分辨率为仅使用单个激光发生器11的激光雷达的2倍。
[0040] 然而，另一方面，随着激光发生器数量增加，会导致激光雷达的零部件成本攀升，可能需要牺牲激光雷达的外形尺寸以容纳额外的激光发生。此外，额外的激光发生器还会增加系统装调的工作量和困难程度。因此，出于对成本、空间体积、复杂程度和测量精度之间的折衷考虑，K的数值可设置在2至4的范围内。在图2所示出的示例性实施例中，激光发射模块1可设置有两个激光发生器G1、G2。
[0041] 相应地，沿着出射光的发射路径L1布置的透射反射器件4被设计为，透射区域41的尺寸允许K个激光发生器11所发出的K束出射光通过。激光接收模块2中也设置有K个激光检测器21，K个激光检测器21在同一水平面内分布，以分别接收对应于K个激光发生器11产生的出射光的在周围环境中被反射的K束反射光。
[0042] 在由周围环境通过发射接收共用模块3进入激光接收模块2的光中，除了对应于激光发射模块1产生的出射光且被由一个或多个对象所反射的反射光之外，可能还包括其他环境光。为消除其他环境光的干扰，激光接收模块2还可包括过滤器件，用于使具有激光发生器11产生的出射光的波长范围内的光通过并滤除具有其他波长的光。因此，激光检测器21基本上仅接收到具有上述出射光的波长范围内的光，对于905nm激光发生器而言，所述波长范围为大约895nm至大约910nm，称为理想波长范围。
[0043] 然而，在实际情况中，激光发生器11在持续工作时会产生很高的热量，这导致激光发生器11的温度升高。在激光发射模块1配置有多个激光发生器11的情况下，这种升温现象尤为显著。激光发生器11所产生的出射光的波长范围会由于温度的升高出现漂移，从而偏离理想波长范围。相应地，由一个或多个对象所反射的反射光的波长范围也偏离该理想波长范围。具有不落入理想波长范围内的波长的反射光进而被激光接收模块2的过滤器件所滤除，结果是到达激光检测器21的反射光将减少，这对于实现长距离的检测是非常不利的。
[0045] 根据本发明的一个示例性实施例，冷却器件例如为包括电热材料的半导体制冷片(Thermal Electric Cooler)。半导体制冷片包括一对冷端基板和热端基板，以及设置冷端基板和热端基板之间的由N型半导体材料和P型半导体材料组成的热电偶。冷端基板例如贴附在激光发生器11的背面。对热电偶输入直流电流，在半导体制冷片的冷端基板和热端基板之间会发生热量传递，从而实现对激光发生器11的冷却。
[0046] 半导体制冷片特别适用于冷却激光发生器11，这是因为半导体制冷片冷却效率高，不需要任何制冷剂，没有污染源，且没有旋转部件，工作时没有震动、噪音，且半导体制冷片为固体片件，占用空间少，安装容易，寿命长。
[0047] 此外，通过对半导体制冷片的输入电流的控制，可实现高精度的温度控制。半导体制冷片还可以与温度检测和控制手段结合，以实现对激光发生器温度的自动控制。优选地，根据本发明的一个示例性实施例，所述激光检测模块还可包括附接至激光发生器11的温度检测器，以实时地测量激光发生器11的温度，并将测得的温度通过激光器电路板发送至主电路板的处理器。处理器进而根据测得的温度控制半导体制冷片的输入电流，从而实现对激光发生器11温度的实时调节。
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