用于扩大UAV和其他物体的激光雷达扫描范围的光学结构以及相关系统和方法与流程

本发明总体上涉及无人可移动设备，并且更具体地涉及具有光电扫描模块的无人机以及相关的部件、系统和方法。

背景技术：

随着无人机(uav)性能的不断提高和成本的降低，其现在被广泛用于许多领域。代表性任务包括作物监测、房地产摄影、建筑物和其他结构的检查、消防和安全任务、边境巡逻以及产品交付等。为了提高飞行安全以及用户的体验(例如，通过使飞行控制更容易)，无人机能够独立地检测障碍物和/或自动进行机动规避是重要的。激光雷达(lidar)是一种可靠而稳定的检测技术，因为其能够在几乎所有的天气条件下工作。然而，传统的lidar装置通常昂贵且笨重，使得大多数传统lidar装置不适合uav应用。

因此，仍然需要用于实现由uav和其他物体承载的lidar扫描模块的改进技术和系统。

技术实现要素：

提供以下概述是为了读者的方便，并且确定了所公开的技术的几个代表性实施例。根据代表性实施例的无人机(uav)设备包括主体、由主体承载的扫描元件以及联接在主体和扫描元件之间的运动机构。运动机构可操作为使扫描元件相对于主体围绕旋转轴线旋转。扫描元件可以包括定位成发射光的发光模块。扫描元件可以进一步包括光感测模块，光感测模块被定位成检测所发射的光的反射部分。扫描元件可以进一步包括光学结构，光学结构联接到发光模块并且被定位成增大所发射的光的光束高度，同时基本保持所发射的光的光束宽度。

在一些实施例中，光感测模块包括多个光传感器，并且光感测模块中的光传感器的数量可以大于发光模块中的光发射器的数量。一些实施例提供以下方案，包括在光感测模块中的单个光传感器的高度方向视野可以比所发射的光的增大的光束高度更窄。

根据实施例，光学结构可以包括平凹柱面透镜。光学结构还可以包括位于平凹柱面透镜和发光模块之间的平凸透镜。在各个实施方式中，平凸透镜的平坦侧可面向发光模块。另外，平凹柱面透镜的平坦侧也可以面向发光模块。根据在此公开的一个或多个实施例，平凸透镜、平凹柱面透镜和发光模块可被定位成使得由平凸透镜形成的发光模块的虚拟图像点落入对应于平凹柱面透镜的后焦距的距离内。

在一个或多个实施例中，所发射的光的高度方向光束角由光学结构从大约1度至2度增大至30度以上。在许多实施方式中，所发射的光的高度方向光束角由光学结构增大10倍，并且在一些示例中增大30倍以上。在一些变型中，所发射的光的高度方向光束角通过光学结构从大约1度增大到大约33度，并且所发射的光的宽度方向光束角保持大约小于2度。根据某些实施例，包括在光感测模块中的单个光传感器的高度方向视野为大约10度。例如，包括在光感测模块中的多个光传感器的高度方向视野可被布置成彼此不重叠。

在一些示例中，扫描元件联接到致动器以便以基本恒定速率连续地旋转。例如，扫描元件可被联接到致动器以便以每秒大约10转到20转的速度旋转。扫描元件包括扫描器，其可以是光检测和测距(lidar)系统。lidar系统可以包括例如半导体激光二极管，半导体激光二极管被配置为以约1000hz或3600hz的脉冲速率发射光。在一些实施方式中，lidar系统包括单线激光发射器。

扫描元件可以进一步包括承载扫描器的扫描平台。在各种示例中，扫描器被配置为执行地形勘测、障碍物检测或其组合。此外，uav可以包括具有指令的控制器，指令在被执行时响应于由扫描器检测到的地形或障碍物来操纵uav。在某些实施例中，发光模块可以包括红外(ir)发光二极管(led)，并且光感测模块可以包括光电二极管。

在许多实施例中，光感测模块包括光传感器阵列。载运工具还可以包括控制器，控制器被配置为基于来自光传感器阵列中的选择的一个(例如，最中心的)光传感器的输出来估算载运工具与检测到的障碍物之间的第一距离。然后，控制器可以基于估算的第一距离调整一个或多个光传感器的灵敏度。在特定实施例中，可以提高更靠近光传感器阵列的边缘定位的光传感器的灵敏度。

在一个或多个实施例中，扫描元件相对于旋转轴线进行重量平衡。

本发明的若干实施例还包括控制器，该控制器被配置为响应于由扫描元件承载的传感器检测到的地形或障碍物来操纵载运工具。本文公开的一些实施例可以进一步包括多个推进器，推进器由主体承载并且定位成响应于来自控制器的输入来操纵载运工具。多个推进器可以包括翼型件，例如四个螺旋桨。

此外，在多个示例中，载运工具包括配置为从远程控制装置接收扫描命令的射频模块。

更进一步的实施例包括制造上述装置的任何和所有组合的方法。

附图说明

图1a是包括具有根据本技术的一个或多个实施例配置的元件的可移动物体的代表性系统的示意图。

图1b是根据本技术的实施例的图1a的承载代表性光电扫描模块的可移动物体的示意图。

图2a是根据本技术的实施例的能够使光电扫描平台旋转以水平地扫描(例如，覆盖360度)的代表性机动旋转机构的示意图。

图2b是具有多个激光束发射器的激光雷达(lidar)发光模块的放大视图，激光束发射器用于垂直扫描以覆盖不同高度处的潜在障碍物。

图3是根据本技术的实施例的来自激光二极管的激光束的示意图，激光二极管的光斑在水平和垂直方向上不对称。

图4包括示出由图3所示的不对称性导致的水平和垂直方向上的不同虚拟图像点的两个示意图。

图5a-5c示出可被用于实施根据本技术的实施例的一种或多种光学技术的代表性光学透镜。

图6示出根据本技术的实施例的具有两个透镜的示例光学结构的实施方式的侧视图。

图7示出图6中所示的实施方式的俯视图。

图8示出由实施根据本技术的实施例的一种或多种技术的示例光电扫描模块所产生的激光束的形状。

图9是示出根据本技术的实施例的发光模块和光感测模块的示例图。

图10是示出根据本技术的实施例的光电扫描模块的示例图。

具体实施方式

对于无人机(uav)来说能够独立地检测障碍物和/或自动进行机动规避是重要的。激光雷达(lidar)是一种可靠且稳定的探测技术，因为lidar能够在几乎所有天气条件下保持功能。然而，传统的lidar装置通常昂贵且笨重，使得大多数传统的lidar装置不适用于uav应用。

因此，本技术涉及用于实现比传统lidar模块更轻且更便宜的光电扫描模块(例如，lidar模块)的技术，并且仍然可以带来与传统lidar相同或类似的优点(例如，高精度以及全天候操作)。本文介绍的各种技术的示例实施例包括可以由比如为uav的无人可移动物体承载的光电扫描模块。扫描模块可以包括定位成发射光的发光模块和定位成检测所发射的光的反射部分的光感测模块。扫描模块进一步包括联接到发光模块的光学结构。光学结构被定位成增大所发射的光的光束高度，同时基本保持所发射的光的光束宽度。此外，运动机构可以位于uav的主体和扫描模块之间。运动机构可操作为使扫描模块相对于机身围绕旋转轴线旋转，使得扫描模块可执行360度水平扫描。

在下面的描述中，仅出于说明的目的，使用uav的示例来解释可以利用比传统的lidar更便宜和更轻的lidar扫描模块实施的各种技术。在其他实施例中，在此介绍的技术适用于其他合适的扫描模块、载运工具或两者。例如，尽管结合技术介绍的一个或多个附图示出了uav，但是在其他实施例中，这些技术可以以与其他类型的可移动物体类似的方式应用，其他类型的可移动物体包括但不限于无人载运工具、手持装置或机器人。在另一个例子中，即使这些技术特别适用于由lidar系统中的激光二极管产生的激光束，但是其他类型的光源(例如，其他类型的激光器或发光二极管(led))也可以适用于其他实施例。

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开的技术的充分理解。在其他实施例中，在此介绍的技术可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免使本发明不必要地变得模糊，没有详细描述比如为特定制造技术的公知特征。在本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的引用表示所描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中这些短语的出现不一定都指代同一实施例。另一方面，这些引用并不一定相互排斥。此外，特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。此外，应该理解的是，附图中示出的各种实施例仅仅是说明性的表示，并且不一定按比例绘制。

为了清楚起见，在下面的描述中没有阐述描述众所周知的并且通常与uav和相应的系统和子系统相关但并不一定混淆所公开的技术的一些重要方面的结构或过程的若干细节。此外，尽管以下公开内容阐述了本公开的不同方面的若干实施例，但是几个其他实施例可以具有与本部分中所描述的实施例不同的配置或不同的部件。因此，所介绍的技术可以具有其他实施例，其他实施例具有另外的元件或者不具有下面描述的几个元件。

下面描述的本发明的许多实施例可以采取计算机或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的程序。相关领域的技术人员将认识到，所介绍的技术可以在不同于以下所示和所述的计算机或控制器系统上实施。在此介绍的技术可以嵌入在被专门编程、配置或构造为执行下面描述的一个或多个计算机可执行指令的专用计算机或数据处理器中。因此，通常在此使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，并且可以包括互联网设施和手持设备(包括掌上电脑、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器或可编程的消费电子产品、网络计算机、迷你计算机等)。由这些计算机和控制器处理的信息可以呈现在任何合适的显示介质上，包括液晶显示器(lcd)。用于执行计算机或控制器可执行任务的指令可以存储在任何合适的计算机可读介质中或其上，包括硬件、固件或硬件和固件的组合。指令可以包含在任何合适的存储装置中，包括例如闪存驱动器、usb装置和/或其他合适的介质。

术语“联接”和“连接”及其派生词可以在本文中用于描述部件之间的结构关系。应该理解，这些术语非旨在作为彼此的同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可被用于表示两个或更多个元件彼此直接接触。除非在上下文中做出清楚表示，否则术语“联接”可以用于表示两个或更多个元件彼此直接或间接地(其之间具有其他介入元件)接触，或者两个或更多个元件彼此协作或相互作用(例如，如以因果关系)，或者即彼此协作又相互作用。

在此为了讨论的目的，术语“水平”、“水平地”、“垂直”或“垂直地”以相对的意义使用，且更具体地相对于无人载运工具的主体使用。例如，“水平”扫描表示具有基本平行于由主体形成的平面的扫描平面的扫描，而“垂直”扫描表示具有基本垂直于由主体形成的平面的扫描平面的扫描。

1.概述

图1a是具有根据本技术的一个或多个实施例的元件的代表性系统100的示意图。系统100包括可移动物体110和控制系统140。虽然可移动物体110被描述为无人机(uav)，但是这种描述并非旨在限制，并且如本文所述，在其他实施例中可以使用任何合适类型的可移动物体。

可移动物体110可以包括能够承载例如成像装置或光电扫描装置(例如，lidar装置)的搭载物120的主体111(例如机身)。在特定实施例中，搭载物120可以是相机，例如摄像机和/或静态照相机。相机可以对任何各种合适波段的波长敏感，包括可视、紫外、红外和/或其他波段。在又一些实施例中，搭载物120可以包括其他类型的传感器和/或其他类型的货物(例如包裹或其他可交付物)。在许多这些实施例中，搭载物120通过承载机构125相对于主体111被支撑。在一些实施例中，承载机构125可以允许搭载物120相对于主体111被独立地定位。例如，承载机构125可以允许搭载物120围绕一个、两个、三个或更多个轴线旋转。在其他实施例中，承载机构125可以允许搭载物120沿着一个、两个、三个或更多个轴线线性运动。对于旋转或平移运动的轴线可以彼此正交或者可以不彼此正交。这样，当搭载物120包括成像装置时，成像装置可相对于主体111运动以拍摄、录像或追踪目标。

在一些实施例中，搭载物120可以与可移动物体110刚性地联接或连接，使得搭载物120相对于可移动物体110保持基本固定。例如，连接可移动物体110和搭载物120的承载机构125可以不允许搭载物120相对于可移动物体110移动。在其他实施例中，搭载物120可以直接联接到可移动物体110而不需要承载机构125。

一个或多个推进单元130能够使可移动物体110关于多达三个平移自由度和多达三个旋转自由度在空中起飞、着陆、悬停和移动。在一些实施例中，推进单元130可以包括一个或多个旋翼。旋翼可以包括联接到轴的一个或多个旋翼叶片。旋翼叶片和轴可以通过比如为电机的合适的驱动机构旋转。尽管可移动物体110的推进单元130被描述为基于螺旋桨并且可以具有四个旋翼(如图1b所示)，但是可以采用任何合适数量、类型和/或布置的推进单元。例如，旋翼的数量可以是一个、两个、三个、四个、五个或甚至更多。旋翼可以相对于可移动物体110垂直地、水平地或以任何其他适当的角度定向。旋翼的角度可以固定或可变。推进单元130可以由任何合适的电机驱动，比如dc电机(例如，刷式或无刷式)或ac电机。在一些实施例中，电机可被配置成安装和驱动旋翼叶片。

可移动物体110被配置为从控制系统140接收控制命令。在图1a所示的实施例中，控制系统140包括承载在可移动物体110上的一些部件和位于可移动物体110外的一些部件。例如，控制系统140可以包括由可移动物体110承载的第一控制器142以及远离可移动物体110定位且经由通信链路146(例如，比如为基于射频(rf)的链路的无线链路)连接的第二控制器144(例如，人工操作的远程控制器)。第一控制器142可以包括执行控制可移动物体110的动作的指令的计算机可读介质143，可移动物体110的动作包括但不限于推进系统130和搭载物120(例如相机)的操作。第二控制器144可以包括一个或多个输入/输出装置，例如显示器和控制按钮。操作员操纵第二控制器144以远程控制可移动物体110，并经由第二控制器144上的显示器和/或其他接口接收来自可移动物体110的反馈。在其他代表性实施例中，可移动物体110可以自主操作，在这种情况下，第二控制器144可被取消，或者可以仅用于操作员超控功能。

图1b示意性地示出了图1a的承载代表性光电扫描模块(或扫描元件)150的可移动物体110。扫描模块150可以由运动机构126承载。如参照图1a的上述描述，运动机构126可以与用于搭载物120的承载机构125相同或相似。例如，如图1b所示，运动机构126包括旋转装置126a(例如电动机)和支撑杆126b。运动机构126联接在可移动物体110的主体和扫描模块150之间，以将两者连接在一起。此外，在多个实施例中，运动机构126可操作(例如，通过来自第二控制器144(图1a)的控制或通过编程自主地操作)以使扫描模块150相对于主体围绕旋转轴线102旋转，使得扫描模块150可以执行水平扫描(例如，360度水平扫描)。

光电扫描模块150可以包括承载发光模块154和光感测模块156的扫描平台152。发光模块154被定位成发射光，并且光感测模块156被定位成检测所发射的光的反射部分。在许多实施方式中，光电扫描模块150是lidar模块，并且发光模块154包括半导体激光二极管(例如，p-i-n结构化二极管)。光感测模块156可以包括光电探测器，例如固态光电探测器(包括硅(si))、雪崩光电二极管(apd)、光电倍增管或前述的组合。在一些实施方式中，半导体激光二极管可以以大约1000hz或3600hz的脉冲速率发射激光。

在各个实施例中，扫描模块150可以执行覆盖水平和垂直两个方向的三维(3d)扫描操作，以便检测障碍物和/或进行地形勘测。可被检测的物体通常包括任何物理物体或结构，比如地理景观(例如山脉、树木或悬崖)、建筑物、交通工具(例如飞机、轮船或汽车)、或室内障碍物(例如墙壁、桌子或小隔间)。其他物体包括比如人类或动物的活体物体。物体可以运动或静止。

图2a示出代表性的机动旋转机构226，其可以使光电扫描平台252旋转以水平地扫描，例如覆盖360度。如上所述，3d激光雷达通常在两个方向上扫描，例如水平和垂直。在水平面上，可以使用电动机(例如，图1b所示的旋转元件126a)来驱动由发光模块254发射的激光束在360度范围内旋转和扫描。

在垂直平面中，为了覆盖不同高度处的潜在障碍物，一种方案是使用多个激光束，其中每个激光束被配置为覆盖不同高度处的障碍物。图2b示出具有多个激光束发射器254a-254d的激光雷达(lidar)发光模块254的放大视图，激光束发射器254a-254d用于垂直地扫描以覆盖不同高度处的潜在障碍物。该方案需要多个激光发射器(例如发射器254a-254d)同时操作，这增加了单元的成本、功耗和重量。

下面介绍的技术实现了比传统lidar模块重量更轻且更便宜的光电扫描模块(例如，lidar模块)，并且仍然产生与传统激光雷达相同或类似的优点(例如，高精度和全天候操作)。

更具体地，如下面将更详细描述的，根据本技术的技术可以利用激光二极管在不同平面上的光束发散特性。因此，所公开的实施例可以包括用于控制激光束在不同的轴向方向上的形状的光学结构，使得激光束可以具有相对较大的光束高度，同时基本保持光束的宽度。在一些实施例中，垂直(高度)方向上的增大的光束角可以超过30度。对于水平方向，可以使用同一旋转装置(例如电动机226a)以使扫描模块旋转，以在水平面内完成360°扫描。这样，对于实现3d覆盖的多线激光发射器(例如，发射器254a-254d)的需求大大减少或甚至完全消除，由此大大降低了在uav系统上实施lidar扫描模块的成本、重量以及结构复杂度。因此，当前公开的lidar扫描模块的实施例比传统的lidar扫描器更适合于中小型无人机应用。

2.操作原理

图3是根据本技术的实施例的系统的示意图，该系统产生沿水平和垂直方向不对称的激光束和光斑310。在图3中，产生光束的激光二极管结构300包括有源层302、背面304(其可以涂覆有高反射层)以及前发射面306。用于lidar应用的这种激光二极管结构通常具有小的形状因子。使用作为增益介质的二极管结构(例如，结构300)产生的激光束预期与传统激光器提供的光束不同。其中一个突出的区别是这种激光二极管的谐振腔通常具有较小的尺寸，因此，所得到的激光束通常具有较大的发散角(例如约10度至20度)。

此外，因为二极管结构300在两个相互垂直的方向上(例如，如图3所示的x和y方向)通常具有不同的尺寸，所发射的激光束通常在两个方向上具有不同的发散角度。也就是说，激光束的光斑310通常是椭圆形的，并且在与二极管结构300的发射结点平行和垂直的平面中的光束发散的不对称性被称为“像散”。现在参照图4，像散的程度可以通过虚拟图像焦点的两个不同位置之间的距离来衡量，一个在水平面中(例如，py)，一个在垂直面中(例如，px)。图4示出两个示意图，显示了由图3所示的光束不对称引起的水平和垂直方向上的不同的虚拟图像焦点。为了讨论的目的，在此(在图3-4和6-7中)假设z方向是激光传播的方向，x-z平面垂直于地面(或“竖直”)，并且y-z平面平行于地面(或“水平”)。

图5a-5c示出可用于实现在此介绍的一种或多种技术的代表性光学透镜500。图5a-5c分别示出了光学透镜500的等距视图、俯视图和端视图。

为了减小上面讨论的发散角，可以使用凸透镜来校准激光束。具体地，设置在凸透镜的后焦点处的激光二极管可以校准从激光二极管发射的所得激光束，例如产生具有平行光线的光束。然而，凸透镜通常具有中心对称性，并且由于像散的存在，激光束将不会同时被凸透镜在x-z平面和y-z平面上校准。由于柱面透镜可以在两个轴向方向上具有不同的曲率(例如，一个轴线上的有限曲率，以及另一个轴线上的无限曲率)，所以可以在凸透镜后面设置柱面透镜以调整像散。

本发明的实施例可以增加激光束的校准度的差异，并且在期望的方向上而非在其他方向上拉伸光斑尺寸。因此，一些实施例包括进一步在上述凸透镜后面增加柱面透镜(例如，光学透镜500，以平凹柱面透镜示出)的光学结构。进一步的实施细节描述如下。

3.代表性实施例

图6示出具有两个透镜的代表性光学结构600的侧视图，例如平凸球面透镜604和平凹柱面透镜602的组合。图7示出图6所示结构的俯视图。为了讨论的目的，术语“前”和“后”以相对意义使用；在描述图6-7中，“后”表示朝向激光的发射源，“前”表示与“后”相反的方向。例如，参考图6，平凸透镜604被描述为被设置在平凹透镜602的“前方”。注意在此示出的附图不是按比例绘制的。

在图6-7所示的结构600中，平凸透镜604的直径φ1＝12.7mm。平凸透镜604的平面侧的曲率是无限的(因为该侧是平面)，而另一侧的曲率是r1＝15mm。在一些实施方式中，用于平凸透镜604的材料可以是玻璃(例如，硼硅酸盐玻璃)或其他合适的材料。在示例性光学结构600中，平凸透镜604布置在激光二极管654的前方，其平面表面面向激光二极管654。该平面表面可以设置在离激光二极管654的发光点合适的距离处，例如在平凸透镜604的后焦点处，使得y-z平面(图7)上的激光束660可以被适当地校准。在一些实施例中，该合适的距离u＝12mm。

然而，由于存在像散，图6的x-z平面中的虚拟图像点(即，vp1)位于图7的y-z平面中的虚拟图像点(即，平凸透镜604的焦点，其是发射器654的位置)的前方。也就是说，平凸透镜604在x-z平面(图6)中发散激光束660，形成虚拟图像点vp1。在一些实施例中，vp1位于v＝60mm的位置处。

此外，在一个或多个实施例中，光学结构600中的平凹柱面透镜602以合适的距离l设置在平凸透镜604后面，例如，l＝120mm。在一些实施例中，平凹透镜602的孔径为φ2＝35mm。根据一些实施例，平行于x-z平面的凹圆柱侧的曲率(如图6所示)是r2，并且r2＝100mm。平行于y-z平面的凹圆柱侧的曲率(如图7所示)是无限的。因为平凹柱面透镜602的凹圆柱侧在y-z平面中的曲率是无限的，所以已经校准的光束不发散，而是保持平行。

又参考图6，在x-z平面中，激光束660在经过平凹柱面透镜602之后可以变得更加发散。这是因为虚拟图像点vp1被配置为定位于平凹透镜602的后焦距内。由此在虚拟图像点vp2的位置处形成虚拟图像。因此，激光束660产生的光斑610具有增大的光束高度(在x-z平面内)，而其光束宽度(在y-z平面内)通常保持相同。

图8示出由实施上述技术中的一个或多个技术的示例光电扫描模块产生的激光束660的形状。具体地，图8示出由上面参考图6-7描述的代表性光电扫描模块和光学结构产生的代表性光斑。

同时参考图6-7，在图8中，在距离平凹透镜602大约一米的距离处，光斑610具有近似高度h＝0.6m(x-z平面，垂直于地面)和近似宽度w＝0.04m(y-z平面，平行于地面)。换句话说，由光斑610覆盖的光束角为大约33°(h)×2°(w)。没有上述光学结构的典型光发射器(例如发射器654)的光斑的高度为大约为1°～2°。因此，上述光结构的实施例可以将所发射的光的高度方向光束角从大约1度到2度增大到30度以上。也就是说，所发射的光的高度方向光束角通过光学结构增大至少30倍，并且所发射的光的宽度方向光束角可保持大约相同(例如小于2度)。

如上所述，根据本技术的实施例，光学结构可以在一个维度上改变激光束的尺寸，使其可以在比没有光学结构时更宽的高度范围内照亮障碍物。利用在此介绍的技术，对于实现3d覆盖的多线激光发射器(例如，图2b所示的发射器254a-254d)的需求大大减少或甚至完全消除，由此大大降低了在uav系统上实施lidar扫描模块的成本、重量和结构复杂性。

图9是示出根据本发明的实施例配置的发光模块和光感测模块的代表图。在图9中，发光模块954仅包括单个激光二极管并发射单线激光。发光模块954装配有上述光学结构600的实施例，因此能够在垂直方向(即，x-z平面)上产生具有宽光束角962的激光束660。另外，整个系统可以包括具有设置在接收终端处的光传感器956a-956c阵列(例如，3个光电二极管)的光感测模块956。光传感器956a-956c阵列平行于x-z平面，每个光电二极管覆盖大约10度的视野(fov)(分别示为fov962a、fov962b和fov962c)。光传感器956a-956c中的每一个稍微倾斜以面向不同的方向，使得光传感器956a-956c可以共同地检测在垂直方向上大约33度的fov角范围内的反射光信号。也就是说，在多个实施方式中，光感测模块956中的光传感器的数量大于发光模块954中的光发射器的数量，并且包括在光感测模块中的单个光传感器的高度方向视野(例如，fov962a)可以比所发射的光(例如，如光斑610所示)的增大的光束高度更窄。根据本发明的某些实施例，包括在光感测模块956中的多个光传感器(例如，传感器956a-956c)的高度方向视野(例如，fov962a-962c)被布置为彼此不重叠。在这样的实施例中，因为不同二极管的视野不重叠，所以在给定二极管处的信号的检测对应于在与给定二极管相关的方向上和高度处的检测物体。在其他实施例中，阵列中更大数量的光电二极管通常可以以更高程度的角精度定位反射光。

图10示出根据本发明的实施例的包括光电扫描模块的lidar系统950。

一起参考图9和图10，发光模块954(包括所介绍的光学结构600)和光感测模块956安装在扫描平台952上，并且整个平台952可以利用运动机构926(其可以包括旋转元件，比如电动机)在水平方向上转动。运动机构926可以包括可以控制扫描平台952的转动速度的控制电路(例如，用于电动机)。根据该实施例，转动速率(或旋转速率)可以基本恒定，并且在一些实施例中，可以由用户设定。在一个或多个实施方式中，旋转速率可以设定为大约每秒10转(r.p.s.)。传感器(例如，霍尔效应传感器或旋转编码器)可以设置在运动机构926上以提供当前角位置的读数。在特定实施例中(例如，在扫描平台952持续旋转的实施例)，扫描模块可以相对于旋转轴线进行重量平衡。

图10中所示的lidar系统950的实施例以10r.p.s.的旋转速率利用激光进行扫描。激光束在穿过光学结构600之后垂直地扩展，并且由光感测阵列956中的一个或多个光传感器956a-956c检测由障碍物反射的光。二极管将检测到的光转换成用于输出的电信号。

然后，例如，通过确定传播时间，即正被发射的光与正被检测的反射光之间的时间差，并且基于估算的光速将传播时间转换为距离，可以确定到障碍物的距离。然后，基于检测到障碍物的相应二极管的位置，可以确定障碍物在垂直方向上的定向。另外，基于检测到反射光时的旋转电动机的角位置，可以确定障碍物在水平方向上的定向。以这种方式，lidar系统950可以用于uav系统以执行3d扫描。

扫描器可用于执行地形勘测、障碍物检测或其组合。在一些实施例中，uav上的控制器可被编程以响应由扫描器检测到的地形或障碍物来操纵载运工具。这可以大大地提高飞行安全性以及uav系统的用户体验(例如通过降低飞行控制的难度)。

根据实施例，本文公开的一些光学结构可以产生跨越激光束高度的光强度分布(例如，如图8所示)。因此，可以调整来自光传感器的输出以形成分布以便提高扫描的精度和一致性。例如，可以对控制器进行编程以执行载运工具与检测到的物体之间的第一距离的初始估算。在一些实施例中，该初始估算可以基于来自选择位置处的光传感器的输出(例如，图9中示出的光传感器阵列中的最中心光传感器956b)。然后，控制器可以基于估算的第一距离调整一个或多个光传感器的灵敏度。例如，可以使用与控制器一起存储的查询表来执行这样的调整，或者可以使用与估算距离的灵敏度有关的公式来执行调整。在一些实施例中，灵敏度调整的幅度与估算的距离成正例。此外，该公式可以具有特定用于给定光传感器相对于阵列的位置的一组参数。调整可以包括但不限于调整(例如，提高)更靠近光传感器阵列的边缘定位的光传感器的灵敏度，因为对应于这些传感器的视野的光强度可能基于传感器位置变弱。该公式还可以考虑其他因素，包括，例如，光从物体反射的可能角度(检测器接收到的光的强度也取决于该角度)。

4.uav制造方法

本发明的实施例还包括制造无人机的方法。代表性的方法包括将扫描元件安装在机身上。扫描元件包括定位成发射光的发光模块、定位成检测所发射的光的反射部分的光感测模块以及联接到发光模块并定位成在基本保持所发射的光的光束宽度的同时增大所发射的光的光束高度的光学结构。安装扫描元件的步骤可以包括在机身和扫描元件之间联接运动机构。在某些实施例中，运动机构可操作以使扫描元件相对于机身围绕旋转轴线旋转。

在一些实施例中，该方法还可以包括将多个光传感器设置在光感测模块中，并且将多个光发射器设置在发光模块中。光感测模块中的光传感器的数量可以大于发光模块中的光发射器的数量。该方法可以进一步包括将平凹柱面透镜设置在光学结构中。该方法的一些实施例还包括将平凸透镜设置在光学结构中。平凸透镜可以位于平凹柱面透镜和发光模块之间。平凸透镜的平坦侧和平凹柱面透镜的平坦侧都可以面向发光模块。平凸透镜、平凹柱面透镜和发光模块可被定位成使得由平凸透镜形成的发光模块的虚拟图像点落入对应于平凹柱面透镜的后焦距的距离内。

在多个实施例中，所发射的光的高度方向光束角由光学结构增大至少30倍。在一些实施方式中，包括在光感测模块中的单个光传感器的高度方向视野为大约10度。在其他示例中，包括在光感测模块中的多个光传感器的高度方向视野被布置为彼此不重叠。

该方法可以进一步包括将扫描元件联接到致动器，该致动器可操作为使扫描元件以大致恒定的速率连续地旋转。该扫描元件可以包括承载扫描器的扫描平台。扫描元件可以是光检测和测距(lidar)系统。

根据各个实施例的方法可以包括安装承载指令的控制器，该控制器响应于与由扫描元件检测到的地形或障碍物相对应的输入来操纵载运工具。在各个实施方式中，该方法包括在机身上安装多个推进器，多个推进器定位成响应来自控制器的输入来操纵载运工具。在一些实施例中，控制器还被配置为基于光传感器阵列中的最中心光传感器的输出估算载运工具与检测到的物体之间的第一距离，并且基于估算的第一距离来调整一个或多个光传感器的灵敏度。该调整可以包括，例如，提高更靠近光传感器阵列的边缘定位的光传感器的灵敏度。该方法可以进一步包括相对于旋转轴线执行扫描元件的重量平衡。另外，该方法可以包括安装射频模块以从远程控制装置接收扫描命令。

5.结论

从上文中可以理解，为了说明的目的本文已经描述了本技术的具体实施例，但是可以在不偏离本技术的情况下做出各种修改。在代表性实施例中，lidar装置可以具有除本文具体示出和描述的配置之外的配置，包括其他半导体结构。本文描述的光学装置可以在其他实施例中具有其他配置，其也带来本文描述的期望的光束形状和特性。

在特定实施例的上下文中描述的技术的某些方面可以在其他实施例中被组合或消除。例如，在图6和图7的上下文中描述的光学结构的各个方面可以应用于在附图中具体示出的实施例之外的实施例中。此外，尽管与本技术的某些实施例相关的优点已经在这些实施例的上下文中进行了描述，但是其他实施例也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施例都必定需要表现出落入本技术范围内的优点。因此，本发明和相关技术可以涵盖本文未明确示出或描述的其他实施例。

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