LIDAR扫描系统的制作方法
本发明要求2017年7月24日递交的发明名称为“lidar扫描系统”的第15/657,405号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文中。
本发明涉及激光雷达(lightdetectionandranging，简称lidar)，尤其涉及一种lidar扫描系统。
背景技术：
lidar系统(亦称为激光扫描和三维(three-dimensional，简称3d)扫描)用于绘图、测量和物体检测以及其它用途。lidar有许多应用，包括机器人、自治和车辆(例如汽车、机器人)和其它传感应用。lidar系统发射激光并检测所发射激光的反射。通过测量发射所述激光与检测所发射激光之间的飞行时间(time-of-flight，简称tof)，可以计算lidar单元与发射所述激光的物体之间的距离。
可以由所述lidar系统在所发送/接收的信号上执行数字信号处理，以生成可用于显示、导航、自动驾驶或其它类似应用的周围环境的3d地图。
技术实现要素：
在本发明的一个方面，提供了一种lidar扫描系统。所述系统包括用于传输激光的激光器。所述激光器与一个光开关光耦合，以通过输入端口接收激光。所述光开关包括多个输出端口，用于将所接收的激光传输到待扫描的环境。所述多个输出端口中的每一个朝向不同的方向。设置一个检测器子系统，用于接收反射的激光。所述检测器子系统与一个处理器耦合。所述处理器用于从对应于所接收激光的检测器子系统接收数据信号。所述处理器还用于基于传输激光束与接收激光束的反射之间的时间，来确定从所述lidar扫描系统到所述lidar扫描系统环境中的一个或多个物体的距离。
在一些示例中，所述多个输出端口中的每一个位于所述lidar扫描系统壳体周围的不同位置，以具有不同的视场角(fieldofview，简称fov)。在一些示例中，对所述多个输出端口进行配置，使得相邻输出端口的fov在待扫描环境区域中提供覆盖范围。
在一些示例中，所述多个输出端口配置为具有360度的水平视场角(horizontalfieldofview，简称hfov)。
在一些示例中，所述多个输出端口配置为具有2度的垂直角分辨率(verticalangularresolution，简称var)。
在一些示例中，所述多个输出端口配置为具有0.1度的水平角分辨率(horizontalangularresolution，简称har)。
在一些实例中，所述处理器是数据信号处理器。在其它示例中，所述处理器是车辆控制系统的控制器。
在一些示例中，所述激光器用于传输脉冲光，所述光开关光耦合到所述激光器，以接收来自所述激光器的脉冲光。在一些示例中，所述处理器用于基于所传输光脉冲与所接收光脉冲之间的时间，来确定从所述lidar扫描系统到所述环境中的物体的距离。
在一些示例中，所述激光器是用于传输红外光的红外激光器，其中，所述检测器子系统是用于接收所反射的红外光的红外检测器子系统。
在一些示例中，所述系统包括多个激光器，每个激光器用于传输不同类型的光，其中所述检测器子系统用于接收由所述多个激光器发射的每种不同类型的光。在一些示例中，所述多个激光器中的每个激光器用于传输红外光或一种或多种可见光中的相应一种。在一些示例中，所述多个激光器包括：红外激光器，用于传输红外光；蓝光激光器，用于传输蓝光；红光激光器，用于传输红光；绿光激光器，用于传输绿光。所述检测器子系统包括：一个或多个红外检测器，用于接收所述环境中的物体反射的红外光；一个或多个蓝光检测器，用于接收所述环境中的物体反射的蓝光；一个或多个红光检测器，用于接收所述环境中的物体反射的红光；一个或多个绿光检测器，用于接收所述环境中的物体反射的绿光。
在一些示例中，所述多个输出端口配置为具有30度的角视场(angularfieldofview，简称afov)。在一些示例中，所述afov的范围为水平参考面+15度与所述水平参考面-15度之间。
在一些示例中，所述处理器通过控制所述光开关中的光开关块以选择传输所述激光经由的多个输出端口中的输出端口，来控制所述激光的传输方向(例如，扫描方向)。在一些示例中，所述处理器通过使所述激光循环通过所述光开关的每个输出端口，使所述系统执行扫描周期。在一些示例中，所述输出端口设置在多层中。在一些示例中，每层的输出端口均呈环形布置，以形成环路。在一些示例中，所述输出端口设置在多个同心环中。在一些示例中，每层具有3600个输出端口，每层的输出端口彼此径向偏移0.1度，以提供0.1度的水平角分辨率(horizontalangularresolution，简称har)和360度的hfov。
在一些示例中，所述输出端口设置在16层中，其中每层的输出端口与相邻层中的输出端口呈2度的角向偏移，以提供2度的垂直角分辨率(verticalangularresolution，简称var)和30度的afov。
在一些示例中，所述系统还包括多个微透镜，其中所述多个输出端口中的每个输出端口与微透镜光耦合，以在传输期间聚焦所述激光。在一些示例中，所述多个输出端口中的每个输出端口与微透镜阵列光耦合，以在传输期间聚焦所述激光。
在一些示例中，所述处理器用于基于所确定的与所述环境中一个或多个物体之间的距离，来生成所述环境的三维(threedimensional，简称3d)地图。
在一些示例中，所述检测器子系统包括多个检测器元件，用于接收反射的激光，每个元件位于所述lidar扫描系统周围的不同位置。
在一些示例中，所述多个检测器元件中的每一个位于所述光开关的输出端口附近，所述光开关与所述检测器元件成对。
在一些示例中，所述lidar扫描系统是二维(twodimensional，简称2d)扫描系统。在其它示例中，所述lidar扫描系统是二点五维(twoandahalfdimensional，简称2.5d)扫描系统。在其它示例中，所述lidar扫描系统是三维(threedimensional，简称3d)扫描系统。在本发明的另一方面，提供了一种用于车辆的车辆控制系统。所述车辆控制系统包括用于传输激光的激光器。所述激光器与一个光开关光耦合，以通过输入端口接收激光。所述光开关包括多个输出端口，用于将所接收的激光传输到待扫描的环境。所述多个输出端口中的每一个朝向不同的方向。设置一个检测器子系统，用于接收反射的激光。所述检测器子系统与一个处理器耦合。所述处理器用于从对应于所接收激光的检测器子系统接收数据信号。所述处理器与一个存储器耦合，所述存储器用于存储可执行指令，当由所述处理器执行所述指令时，使所述车辆控制系统基于传输激光束与接收激光束的反射之间的时间，来确定从所述车辆到所述车辆环境中的一个或多个物体的距离。
在本发明的另一方面，提供了一种车辆。所述车辆包括用于移动所述车辆的机械系统以及耦合到所述机械系统以控制所述机械系统的驱动控制系统。所述车辆还包括耦合到所述驱动控制系统的车辆控制系统。所述车辆控制系统包括用于传输激光的激光器。所述激光器与一个光开关光耦合，以通过输入端口接收激光。所述光开关包括多个输出端口，用于将所接收的激光传输到待扫描的环境。所述多个输出端口中的每一个朝向不同的方向。设置一个检测器子系统，用于接收反射的激光。所述检测器子系统与一个处理器耦合。所述处理器用于从对应于所接收激光的检测器子系统接收数据信号。所述处理器与一个存储器耦合，所述存储器用于存储可执行指令，当由所述处理器执行所述指令时，使所述车辆控制系统基于传输激光束与接收激光束的反射之间的时间，来确定从所述车辆到所述车辆环境中的一个或多个物体的距离。
在本发明的另一方面，提供了一种传感器网络，所述传感器网络包括至少一个lidar扫描系统。所述系统包括用于传输激光的激光器。所述激光器与一个光开关光耦合，以通过输入端口接收激光。所述光开关包括多个输出端口，用于将所接收的激光传输到待扫描的环境。所述多个输出端口中的每一个朝向不同的方向。设置一个检测器子系统，用于接收反射的激光。所述检测器子系统与一个处理器耦合。所述处理器用于从对应于所接收激光的检测器子系统接收数据信号。所述处理器还用于基于传输激光束与接收激光束的反射之间的时间，来确定从所述lidar扫描系统到所述lidar扫描系统环境中的一个或多个物体的距离。
在本发明的另一方面，提供了一种控制lidar扫描系统的方法。所述lidar扫描系统包括：激光器，用于传输光；光开关，包括光耦合到所述激光器的输入端口，以在传输期间接收来自所述激光器的光；多个输出端口，用于将所接收的激光传输到待扫描的环境。所述多个输出端口中的每一个朝向不同的方向。所述方法包括：控制所述激光器发射激光；通过选择传输所述激光经由的多个输出端口中的活动输出端口，来控制所述激光的传输方向。可以控制每个输出端口为活动输出端口的时间，以设置扫描速率。
在一些示例中，在扫描周期中，所述激光循环通过所述光开关中的每个输出端口。在一些示例中，所述输出端口设置在多层中，所述激光的传输方向由扫描序列定义，在所述扫描序列中，逐层、逐个端口按顺序选择所述活动输出端口。在一些示例中，所述输出端口设置在多个同心环中，所述激光的传输方向由扫描序列定义，在所述扫描序列中，逐列、逐个端口选择所述活动输出端口。
附图说明
图1是本发明一示例性实施例提供的lidar扫描系统的框图；
图2a是lidar扫描系统的示意性侧视图，示出了设置在多个同心环中的输出端口和微透镜；
图2b是图2a中所示lidar扫描系统的示意性侧视图，示出了lidar扫描系统的水平角视场；
图2c是图2a中所示lidar扫描系统的示意性侧视图，示出了角视场；
图2d是图2a中所示lidar扫描系统的示意性顶视图，示出了水平角视场和水平角分辨率；
图3a是16端口光开关的示意图，其中每个输出端口指向空间中的不同方向，以提供360度的覆盖区域；
图3b是9端口光开关的示意图，其中每个输出端口指向空间中的不同方向，以提供180度的覆盖区域；
图4是本发明一示例性实施例提供的1x4光开关的框图，所述光开关用于将光信号引导至使用多个1x2光开关块构造的四个不同的方向；
图5是本发明一示例性实施例提供的车辆定位系统的示意图；
图6是本发明一示例性实施例提供的1x4光开关的框图，所述光开关用于将光信号引导至四个不同的方向；
图7是体现图1中所示车辆定位系统的车辆控制系统的框图；
图8是包含lidar扫描系统的车辆的示意图，所述lidar扫描系统具有位于车辆前侧、后侧、左侧和右侧的输出端口；
图9是示出本发明一示例性实施例提供的控制lidar扫描系统的示例方法的流程图。
示例性实施例说明
参考附图进行本公开，其中附图中示出了实施例。然而，可以使用许多不同的实施例，因此此处的说明不应被解释为仅限于此处阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本发明透彻完整。在本发明中，相同的数字表示相同的元件，并且主要标记用于指示替代实施例中的类似元件、操作或步骤。所示系统和设备的功能元件的单独框或图示分离并不一定需要对此类功能进行物理分离，因为可以通过消息传送、函数调用、共享存储器空间等方式，在不进行此类物理分离的情况下实现此类元件之间的通信。因此，不需要在物理上或逻辑上分离的平台中实现这些功能，尽管为方便说明，此处将其单独示出。不同的设备可能具有不同的设计，使得尽管一些设备在固定功能硬件中实现一些功能，但是其它设备可以在具有从机器可读介质获得的代码的可编程处理器中实现此类功能。
首先参考图1，该图示出了本公开一示例性实施例提供的lidar扫描系统100的简化框图。所述lidar扫描系统100包括控制器110，所述控制器包括一个或多个处理器(例如，微处理器)、激光源120、光耦合到所述激光源120的光开关130以及检测器子系统140，所述检测器子系统包括一个或多个检测器，例如一个或多个雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，简称apd)、电荷耦合器件(charge-coupleddevice，简称ccd)传感器、互补型金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，简称cmos)传感器、微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems，简称mems)传感器。
所述lidar扫描系统100的控制器110可以耦合到主机系统，所述主机系统可以是固定或移动应用程序。所述主机系统可以包括但不限于三维物体扫描仪、用于自动停车辅助、自动驾驶辅助(例如，盲点和防撞)、半自动驾驶或全自动驾驶的车辆控制系统、机器人导航系统、安全摄像机、监控或监视系统，用于监控或监视所述环境区域的传感器网络。
包括一个或多个激光器的激光源120用于生成和传输激光，例如激光束。所述激光源120可以生成高斯光束。所述激光源120可以传输脉冲激光(例如，脉冲光束)。所述激光源120通常发射红外(infrared，简称ir)光，例如近红外(nearinfrared，简称nir)光，但是除红外光之外或代替红外光，可以发射一种或多种可见光和/或可能存在的紫外(ultraviolet，简称uv)光。所述激光源120可以包括多个激光器，每个激光器用于传输不同类型的光。在一示例中，所述多个激光器中的每个激光器用于传输红外光或一种或多种可见光中的相应一种。在一示例中，所述多个激光器包括：红外激光器，用于传输红外光；蓝光激光器，用于传输蓝光；红光激光器，用于传输红光；绿光激光器，用于传输绿光。可以控制这些激光，以同时或非并发的方式发送激光束。
本领域技术人员可以理解的是，其它光源(例如led)可用于替代激光源。然而，此类替代必须考虑系统要求，并且可能会附带其它修改(例如准直)以满足要求。
所述检测器子系统140使用一个或多个检测器检测所反射的激光，生成并输出对应于所接收激光(发送至所述控制器110)的数据信号。所述控制器110可以包括数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称dsp)，所述数字信号处理器使用来自所述检测器子系统140的输出，基于传输激光束与接收激光束的反射之间的时间，来确定从所述lidar扫描系统100到所述lidar扫描系统100的环境中的一个或多个物体的距离。模数转换器(analog-to-digitalconverter，简称adc)可以将来自所述检测器子系统140的数据信号转换成数字形式，以供dsp进一步处理。所述控制器110还可以基于所确定的与所述环境中一个或多个物体之间的距离，来生成所述环境的三维3d地图。尽管所描述的实施例中使用的是dsp，但是，在其它实施例中，可以使用现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，简称fpga)或其它处理器。或者，可以将所述检测器子系统140生成的数据信号发送至所述主机系统的控制器，并且所述dsp的功能可以由所述主机系统的处理器执行。
所述控制器110可以使用软件、固件、硬件或其组合中的一个或组合来控制所述lidar扫描系统100。所述软件可以由所述控制器110执行。用于执行本文所述功能的软件编码在本发明的本领域普通技术人员的范围内。可由所述控制器110运行以执行所述功能的机器可读代码可以存储在所述lidar扫描系统的非瞬时性机器可读介质(未示出)中。或者，所述控制器110的功能可以由所述主机系统的处理器执行。
所述检测器子系统140用于接收与所述激光源120发射的光类型相对应的光。当所述激光源120传输的光多于一种时，所述检测器子系统140用于接收由所述激光源120发射的不同类型的光中的每一种(例如，通过所述多个激光器)。例如，当所述lidar扫描系统100包括用于传输红外光的红外激光器、用于传输蓝光的蓝光激光器、用于传输红光的红光激光器以及用于传输绿光的绿光激光器时，所述检测器子系统140包括：一个或多个红外检测器，用于接收所述环境中的物体反射的红外光；一个或多个蓝光检测器，用于接收所述环境中的物体反射的蓝光；一个或多个红光检测器，用于接收所述环境中的物体反射的红光；一个或多个绿光检测器，用于接收所述环境中的物体反射的绿光。可以在所述检测器子系统140的一个或多个检测器的前面设置光接收组件(未示出)。所述检测器子系统140的一个或多个检测器可以通过光纤电缆(未示出)连接至所述控制器。用于检测多个激光的机制取决于期望的具体实现方式和要求，并且可以基于相干(外差和零差)或非相干(基于强度)方案。
所述光开关130是1×n光开关，其具有：1个输入端口132，用于接收来自所述激光源120的激光；n个输出端口134，分别由参考标号134a、134b......134n表示。所述1xn光开关130在所述控制器110的控制下提供可编程光束，所述可编程光束可用于将所述光束引导到n个方向。所述激光源120可以直接光耦合到所述光开关130的输入端口132。或者，所述激光源120可以通过光纤电缆等(未示出)光耦合到所述光开关130的输入端口132。
可以使用mems、硅基液晶(liquidcrystalonsilicon，简称lcos)、硅光子(siliconphotonics，简称siph)或其它合适的结构来构造所述光开关130。可以定制所述开关架构以实现所述lidar扫描系统100的最佳性能。根据用于制造所述光开关130的技术，可以实现从亚赫兹到兆赫兹(megahertz，简称mhz)的各种扫描速度(即，扫描速率)。与其它架构和比较相比，siph可以提供更好的性能。所述输出端口134的数量、所述输出端口134之间的间隔以及所述输出端口134之间的角度可以根据设计要求(技术或客户)而有所变化。通常，所述输出端口134之间的间隔和角度相同，以简化所收集数据的处理，并提供所述lidar扫描系统100的相应视场的均匀覆盖。
所述光开关130的输出端口134用于在扫描区域中提供覆盖范围(fieldofcoverage，简称foc)，其通常是无间隙的。所述输出端口134分别定向为在空间中多个不同方向中的一个方向上输出来自所述光开关130的激光。所述输出端口134分别安装在或以其它方式定位在所述lidar扫描系统100周围的不同位置，使得每个输出端口134具有不同的视场角(fieldofview，简称fov)并且引导每个输出端口以覆盖/指向空间中的不同区域。例如，所述lidar扫描系统100可以包括壳体(或刚性壳体)，其中所述输出端口134在所述壳体周围分开，使得每个输出端口134具有不同的fov。或者，所述输出端口134和成对的检测器可以安装在或以其它方式定位于所述主机系统的壳体中。在一些示例中，相邻输出端口134的fov可以部分重叠。
微透镜136或包括多个微透镜的微透镜阵列可位于每个输出端口134处，以帮助聚焦激光束。所述微透镜136可以是位于每个输出端口134处的光传输组件(未示出)的一部分。所述光微透镜还可以帮助使光束成形，以获得所述lidar设备的所需角分辨率。这涉及设计和定制，以在从所述光开关100传输光束之前准备光束。这些要求通常由所述lidar规范驱动，例如所需的角分辨率等。因此，根据应用要求，光束准直器、光束扩束器等其它光组件可以在所述光开关130之后与所述微透镜136结合使用。所述光开关和所述环境之间的耦合规范可以根据应用要求而变化。合适的微透镜示例是由precisionopticscorporation(gardner，美国马萨诸塞州)制造的微透镜。
图2a至2d示出了所述lidar扫描系统100的示例性实施例，其中所述lidar扫描系统100包括通常为圆柱形的壳体135。如图2a所示，所述输出端口134设置在一层或多层中，每层的输出端口134与相邻层中的输出端口134呈角向偏移。可以选择所述输出端口134的配置、所述输出端口134的数量和所述光开关130的输出端口134之间的间隔，以配置所述光开关130，从而提供图2b所示特定垂直角分辨率(verticalangularresolution，简称var)、图2c所示角视场(angularfov，简称afov)、图2d所示水平fov(horizontalfov，简称hfov)和/或图2d所示水平角分辨率(horizontalangularresolution，简称har)中的一个或任意组合。所述afov是一种相对于水平参考面的度量，例如所述输出端口134安装或以其它方式定位的水平面，例如，所述lidar扫描系统100的壳体135的水平面。
如图2b所示，当角向偏移量相等时，角向偏移定义所述lidar扫描系统100的垂直角分辨率(verticalangularresolution，简称var)。所述输出端口134可以设置在多个同心环中。在每层中，所述输出端口134和所述微透镜136设置在彼此径向偏移(间隔开)的同心环中。当径向偏移量相等时(即，围绕所述壳体135的周边均匀地间隔开时(例如，安装在所述壳体135的外表面中并且从所述外表面露出)，所述径向偏移定义所述lidar扫描系统100的水平角分辨率。所述输出端口134的成对检测器或以其它方式对应的检测器可以位于所述壳体135中的输出端口134附近。例如，成对检测器可以类似的方式设置在同心环中，围绕所述壳体135的周边均匀地间隔开(即，安装在所述壳体135的外表面中并且从所述外表面露出)。
如图2c所示，可以配置所述输出端口134，使得相邻输出端口134的角视场(angularfov，简称afov)中没有间隙。在图2c中，所述输出端口134用于在下限与上限之间共同提供θ度的afov。相邻输出端口134的afov可以部分重叠。
如图2d所示，可以配置所述输出端口134，使得相邻输出端口134的水平fov(horizontalfov，简称hfov)中没有间隙。在图2d中，所述输出端口134用于共同提供360度的hfov，以捕获其中包含所述lidar扫描系统100的主机系统的整个周围环境。相邻输出端口134的hfov可以部分重叠。
在一示例配置中，所述光开关130的输出端口134以配置所述光开关130，从而提供360度的hfov、30度的afov(例如，相对于水平参考面的+15度到-15度)、2度的var以及0.1度的har中的一个或任意组合。所述光开关130可以包括各层中的3600个输出端口134，每层的输出端口134在通常为圆柱形的壳体135的同心设置中均匀间隔开。每层的输出端口134彼此径向偏移0.1度，以提供0.1度的har和360度的hfov。典型的2cm×2cm硅片可提供多达4096个输出端口。所述光开关130的输出端口134可以设置在16层中，每层的输出端口134与相邻层中的输出端口134呈2度的角向偏移，以提供2度的var和30度的afov(例如，相对于水平参考面的+15度到-15度)。这会导致16层的叠层(即，16x2cmx2cm)。每层具有相当小的厚度，通常为1至2mm，这取决于技术。其它参数也可能影响厚度。这将导致1.6cm到3.2cm的叠层和2cmx2cm的占用空间。
在前述示例中，假设单个光开关130的3600个输出端口134被映射到360度的afov，使得每个输出端口134覆盖与0.1度相关的区域。如上所述，微透镜阵列与光束准直器组合可用于使用不同的架构实现相同的hfov和分辨率。也可以考虑使用不同的架构来设置尺寸较小的水平开关，以实现期望的afov。例如，与使用端口数较多的开关相比，具有512个输出端口的光开关可以彼此相邻设置，以实现期望的分辨率。
图3a示出了16端口光开关的示例图，其中每个输出端口134指向空间中的不同方向，以提供360度的hfov。或者，可以使用多个光开关(可能每个开关具有自身的激光源120)来获得360度的hfov。例如，图3b示出了9端口光开关的示例，其中每个输出端口134指向空间中的不同方向，以提供180度的hfov。可以将图3b中所示9端口光开关中的两个定位为在不同方向上扫描，并且可以组合所获得的数据，以从由所述两个9端口光开关获得的两个离散180度hfov中获得360度的hfov。然而，所述hfov可以选择为任意数字，并且不限于180度或360度。
如果提供多个激光源120，所述光开关130可以具有m个输入端口132，而不是仅具有如上所述的单个输入端口132，其中m是激光源120的数量。所述激光源120中的每一个通过相应的输入端口132光耦合到所述光开关130。或者，每个激光源120可以具有自身的专用光开关130。可以考虑各种架构来优化此类方案。
本文所述的lidar扫描系统100提供了端口到方向映射的灵活性，可以在处理应用要求或技术挑战之前对其进行优化或定制。通过以对应于不同方向的不同端口的方式设置所述光开关130的输出端口134，可以通过控制所述光开关130，特别是通过使所述激光源120循环通过所述光开关130的每个输出端口134(通常按顺序进行)，来扫描所述环境区域。例如，当输出端口134设置在多层中时，例如，所述扫描序列可以是逐个端口和逐层。当所述端口设置在同心环中时，所述扫描序列可以是逐个端口和逐列。所述控制器110通过控制所述光开关130中的光开关块以选择传输所述激光经由的多个输出端口134中的一个输出端口134，来控制扫描方向和时间。通过在任何给定时间控制所述光开关130的活动输出端口134，所述控制器110控制扫描方向和扫描速率。
所述光开关130的两个设计考虑因素是从所述光开关130到空气的耦合损耗，以及可扩展性问题。当光束离开所述光开关130时，会发生耦合损耗。也就是说，所述光束的光功率水平随着它离开所述光开关130而减小。所述损耗取决于技术，但通常最大值为5-7db，如果使用新技术，可能会低至2-3db。选择所述激光源120以及所述光开关130的级数(相当于端口数)时需要考虑耦合损耗。离开所述光开关130的光束的光功率要求取决于lidar扫描系统的应用要求，例如覆盖距离(可以实现和报告可靠且有效的读数)、分辨率(在所需距离处区分两个物体的能力)以及所述检测器子系统140检测和区分光反射光束的灵敏度。可以选择所述激光源120的功率，使得离开所述光开关130的光束的光功率足以获得所需的覆盖范围。增加所述激光源120的功率可能会带来更高的成本和/或复杂性。
所述光开关130可以构造或至少建模为多个1×2开关。参考图4，为便于解释说明，示出了本发明一示例性实施例提供的1x4光开关400的框图，所述光开关用于将光信号引导至使用多个1x2光开关块构造的四个不同的方向。所述光开关400包括三个1×2光开关块，分别表示为402a、402b和402c。所述光开关块402包括耦合到所述激光源120的输入端口，表示为404。所述光开关块402b和402c也各包括2个输出端口，分别表示为406b-1、406b-2，406c-1、406c-2，和406a-1、406a-2。中间连接端口408a-1和408b将光开关块402a连接到光开关块402b，中间连接端口408a-2和408c将光交换块402a连接到光开关块402c。在示出的示例中，设置所述光开关400，使得所述激光从所述输入端口404通过所述中间连接端口408a-1和408b到达输出端口406b-1，这些端口切换为打开状态并定义用于来自所述激光源120的透射光路径，由参考字符l表示。所述中间连接端口408将激光传输到下游光开关块402b和402c，所述下游光开关块提供用于将所述激光传输到所述环境以进行扫描的终端光开关块。
将1x2开关用于输出端口开关时，需要log2(n)级。每1x2开关单元的损耗表示为lswitch。不同的交换技术针对每个1x2开关采用不同的损耗。出于安全考虑，所述光束的输出功率最好遵循i类激光器安全性，即小于10dbm。然而，对光耦合到所述光学开关130的激光器的功率(plaser)没有要求或只有最低要求。也就是说，plaser可以高达1瓦。根据实施形式不同，可能存在从所述激光束到所述光开关130以及从所述光开关130到自由空间(例如，空气)的耦合损耗，表示为lcoupling。耦合损耗取决于技术和介质。通过假设所述激光与所述开关以及从所述开关到所述环境的耦合相同并且等于lcoupling(db)，可以简化等式，使所述激光功率的等式可由以下等式(1)定义：
pbeam(dbm)＝plaser(dbm)-2xlcoupling(db)-log2(n)-lswitch(db)(1)
作为最坏的情况示例，如果使用基于硅光子的光开关，则对于n＝1024个输出端口，上述因素的最坏情况估计是：lswitch＝0.5db(对于热开关)，lcoupling＝4db，产生约为10dbm的pbeam，这可以通过约为1瓦的plaser实现，相对较为容易获得并且成本可以忽略不计。即使有3600个端口而不是1024个端口，仍然会产生大约1瓦的plaser。
如果为了提高分辨率或扫描速率需要更多的端口，则可以使用放大器或更高功率的激光源。也可以采用使用小开关和/或多个激光源的定制设置的不同架构。可扩展性涉及离开所述光开关130时光信号的光束(空间)尺寸。光束具有满足所需空间分辨率的最小尺寸。这意味着所述光开关130的每个输出端口134处的光束尺寸至少是最小光束尺寸，这取决于所述lidar扫描系统100的分辨率。
所述输出端口134的输出光束的发散角(或光束半径)等于角分辨率(在小于2的系数范围内)。对于高斯光束，所述发散角可以等于所述激光源120通过以下等式(2)产生的光束的最大强度：
对于0.1度的水平角分辨率，输出光束发散角为0.1度或约为0.002弧度。对于高斯光束，发散角和束腰半径可以通过以下等式(3)计算：
在等式(3)中，λ是用于lidar应用的激光源的波长(所有其它光学元件，例如开关必须设计成在该波长下工作)，这取决于所述激光器120的技术和要求。所述激光束的束腰(或光束焦点)是沿着传播方向光束半径具有最小值的位置。平均束腰半径是该位置的光束半径。作为示例，在所述光开关130的构造中使用硅光子时，λ的值可以位于红外光的范围内。在波长为1550nm且光束发散角约为0.002弧度的示例配置中，束腰半径约为0.6mm，导致束腰直径约为1.2mm。对于所述光开关130的输出端口134，这可以转换为约1mm的尺寸(直径)。如上所述，微透镜或微透镜阵列(例如由precisionopticscorporation制造的微透镜或微透镜阵列)可以位于每个输出端口134处，以协助聚焦所述光束。
其它改变可以是解决功率耦合损耗和可扩展性问题，包括改变所述光开关的架构和/或耦合技术以最大限度地减少问题，例如，当扫描速率或分辨率增加时。使用2d、2.5d或3d基板、混合方案等进行光开关和/或多层开关的多个级联，可以支持更高的分辨率，更多的方向。可以通过使所述激光源120循环通过所述光开关130的每个输出端口134来控制所述光开关130，以便扫描某个区域。对所述光开关130的输出端口134的数量没有技术限制。可以以毫秒至微秒的速度控制各个开关模块，具体取决于所述交换技术。所述扫描速率(速度)可以由应用要求(例如，客户要求)来设置。为在空间上扫描所述光束，所述控制器110对所述光开关130的控制使得本发明的lidar扫描系统具有可靠性。
所述lidar扫描系统生成3d地图的要求通常是类似的，但可以在应用之间的细节上有所变化。通常，所述lidar系统需要以相对较高的速率在多个不同的方向(例如，不同的高度和方位角)发送激光脉冲。这带来了技术挑战，特别是涉及机械旋转时。所述lidar系统的约束可能包括成本、性能(例如，精确的距离测量、分辨率(范围、高度和方位角)、功耗、生成3d视图的扫描速度)、尺寸/占用空间(非常需要小尺寸)以及可靠性(包括设计、制造、控制、校准、安全等)。
lidar扫描系统通常包括两种类型中的一种：机械扫描和相控阵固态扫描。在机械扫描系统中，一个或多个激光发射器和接收器对在不同方向上旋转或以其它方式进行物理移动，例如，通过向上、向下、向左和向右扫描和移动所述lidar单元，将所述lidar单元转圈或两者。机械扫描系统尺寸相对较大，相对较为昂贵，并且对于某些应用(例如，消费者使用)而言不可靠，因为所述lidar单元持续或频繁移动。
在相控阵固态扫描系统中，光学相控阵用作发射器，其通过在激光脉冲投射通过阵列时移动激光脉冲的相位来控制激光脉冲。相控阵固态扫描系统相对较为昂贵，需要复杂的电光控制，会遇到光束发散问题，需要大量信号处理来处理光束控制中形成的旁瓣，尺寸相对较大，需要多个激光源，并且可能经常出现制造问题。
本发明公开了一种lidar扫描系统，所述lidar扫描系统包括多端口光开关，用于改变激光束的方向以执行所述环境的3d扫描而不是机械扫描和相控阵列固态扫描。所述多端口光开关可用于通过将所述激光束从一个输出端口切换到另一个输出端口来有效地将激光器引导至不同方向，以覆盖整个扫描区域，直至扫描整个环境。
相对于机械扫描和相控阵固态扫描系统，本发明提供的lidar扫描系统的预期优点在于：它没有移动部件，具有相对简单的控制方案(基于相对简单的架构以支持不同的应用要求)，相对较为廉价，相对易于实现，具有相对较小的占用空间(尺寸)，具有相对较低的功耗(例如，可忽略的功耗)，由于基于由电信行业开发的光交换技术(例如mems、lcos、siph等)具有相对较高的可靠性，这些技术在电信行业中相对较为成熟、经过充分研究且经过良好实践，可以相对易于并入主机系统中且可以针对更高分辨率进行扩展。
尽管在电信行业中发布了光交换技术，但是电信行业的应用要求与lidar扫描系统的应用要求显著不同。例如，电信行业通常需要较高的信号质量，而在lidar应用中通常可接受较低的信号质量。因此，尽管光交换在电信领域是已知技术，但是之前没有考虑使用用于lidar的光开关，并且用于lidar的光开关的设计不是基于电信行业中的光学开关的简单过程，因为存在应用要求差异以及其它因素。
图5是示出本发明一示例性实施例提供的车辆定位系统400(包含所述lidar扫描系统100)的所选组件的示意图。在图5中，所述lidar扫描系统100以车辆405(例如汽车)的形式并入主机系统中。所述lidar扫描系统100安装在或以其它方式定位于所述壳体135中的车辆405顶部(例如，车顶)上。多个输出端口134和成对的微透镜136分组到分别位于所述壳体135(以及所述车辆405)前侧、后侧、左侧和右侧的四个传感器区域，用于扫描所述车辆405的前侧、后侧、左侧和右侧。
在图5所示的车辆定位系统400中，所述输出端口134和微透镜136朝向不同的方向，以扫描所述车辆405的前侧、后侧、左侧和右侧环境。图6是1x4光开关600的框图，所述光开关可以在图6所示的车辆定位系统中使用，以在四个不同的方向上引导激光，例如所述车辆406的前侧、后侧、左侧和右侧方向。所述光开关600包括1个输入端口604和4个输出端口606，分别由参考标号606a、606b、606c和606d表示，指向所述车辆406的前侧、后侧、左侧和右侧方向。在所示示例中，所述光开关600包括壳体620，所述输出端口606位于其中。所述输出端口606可以通过光纤电缆等(未示出)连接至光传输组件(未示出)，例如所述微透镜136。
所述车辆定位系统400是嵌入所述车辆405中的车辆控制系统415的一部分。所述车辆控制系统415耦合到所述车辆405的驱动控制系统450和机械系统490，如下所述。在其它实施例中，所述车辆定位系统400可以是专用系统。所述车辆控制系统415允许所述车辆405以完全自主、半自主或完全由用户控制的模式操作。
所述车辆定位系统400包括：多个传感器410，位于所述车辆405周围；一个或多个无线收发器430，耦合到所述车辆控制系统415的控制器。所述多个传感器410包括：一个或多个数码相机412；至少一个lidar扫描系统300，其包括至少一个lidar扫描单元；一个或多个合成孔径雷达(syntheticapertureradar，简称sar)单元416；惯性测量单元(inertialmeasurementunit，简称imu)418；电子罗盘419。处于活动状态的传感器410将重复(例如，定期)感知(或扫描)信息并将感知的信息以实时或近实时的方式提供给所述车辆控制系统415(包括所述车辆定位系统400)。
使用所述传感器410，所述车辆定位系统400可以收集有关所述车辆405的局部环境、任何紧邻的障碍物(例如，使用所述相机412)的信息以及来自更宽区域的信息(例如，使用所述lidar扫描系统300和sar单元416可以从所述车辆405周围半径达100m或更远的区域收集信息)。所述车辆定位系统400还可以使用所述imu418收集有关所述车辆405的位置和方向的信息。使用所述imu418和其它传感器，所述车辆控制系统415可以确定所述车辆405的线性速度(例如，里程表)、角速度、加速度和/或轮胎抓地力以及其它因素。
在一些实施例中，一个或多个相机412和/或一个或多个sar单元416可以与所述lidar扫描系统300的光开关330的输出端口334和光透镜336同位。或者，在其它实施例中，所述相机412和/或sar单元416可以位于其它位置，或者甚至可以省略。
所述无线收发器430使所述车辆控制系统415能够与无线广域网(wideareanetwork，简称wan)210交换数据以及可选地进行语音通信。所述车辆定位系统400可以使用无线wan210通过一个或多个通信网络220(例如互联网)访问服务器240(例如，驾驶辅助服务器)。所述服务器240可以实现为一个或多个服务器模块，并且通常位于防火墙230后面。所述服务器240可以连接到一个或多个数据库250，所述数据库包含供所述车辆控制系统415使用的数据。
所述车辆定位系统400还包括卫星接收器432。所述车辆定位系统400可以使用所述卫星接收器432从卫星网络260中的多个卫星接收的信号来确定其位置。所述卫星网络260通常包括多个卫星，这些卫星是至少一个全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，简称gnss)的一部分，所述全球导航卫星系统在全球范围内自动提供地理空间定位。例如，所述卫星网络260可以是gnss卫星的星座。示例gnss包括美国navstar全球定位系统(globalpositioningsystem，简称gps)或俄罗斯全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，简称glonass)。已经部署或正在开发的其它卫星导航系统包括欧盟的伽利略定位系统、中国的北斗卫星导航系统(beidounavigationsatellitesystem，简称bds)、印度区域导航卫星系统和日本卫星导航系统。
接下来参考图7，该图示出了本发明一示例性实施例提供的车辆控制系统415的所选组件。处理器420经由通信总线(未示出)耦合到多个组件，所述通信总线提供所述组件与所述处理器420之间的通信路径。所述处理器420耦合到：驱动控制系统450；随机存取存储器(randomaccessmemory，简称ram)422；只读存储器(readonlymemory，简称rom)424；永久(非易失性)存储器426，例如，可擦除可编程只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，简称eprom)(闪存)；一个或多个无线收发器430，用于与无线网络210交换射频信号；卫星接收器432，用于接收来自卫星网络260的卫星信号，所述卫星网络包括作为全球或区域卫星导航系统的一部分的多个卫星；实时时钟(real-timeclock，简称rtc)434；触摸屏436。
所述无线收发器430可以包括一个或多个蜂窝(rf)收发器，用于使用不同的无线数据通信协议和标准与多个不同的无线接入网络(例如，蜂窝网络)通信。所述车辆定位系统400可以与其地理覆盖区域内的无线wan210(例如，蜂窝网络)的多个固定收发器基站中的任何一个通信。所述车辆定位系统400和/或车辆控制系统415可以通过所述无线wan210发送和接收信号。所述无线收发器430可以包括支持多个射频频段的多频段蜂窝收发器。
所述无线收发器430还可以包括无线局域网(wirelesslocalareanetwork，简称wlan)收发器，用于经由wlan接入点(accesspoint，简称ap)与wlan(未示出)通信。所述wlan可以包括符合ieee802.11x标准(有时称为
所述触摸屏436包括显示器，例如彩色液晶显示器(liquidcrystaldisplay，简称lcd)、发光二极管(light-emittingdiode，简称led)显示器或主动矩阵有机发光二极体面板(active-matrixorganiclight-emittingdiode，简称amoled)显示器，具有连接到电子控制器的触敏输入表面或覆盖层。还可以提供耦合到所述处理器420的其它输入设备(未示出)，包括按钮、开关和拨号盘。
所述车辆控制系统415还包括一个或多个扬声器438、一个或多个麦克风440以及一个或多个数据端口442，例如串行数据端口(例如，通用串行总线(universalserialbus，简称usb)数据端口)。所述系统还可以包括其它传感器，例如，轮胎压力传感器(tirepressuresensor，简称tps)、车门接触开关、光传感器、接近传感器等。
所述车辆控制系统415还包括用于控制所述车辆405运动的驱动控制系统450。所述驱动控制系统450包括转向单元452、制动单元454和节流单元456，这些单元中的每一个可以实现为所述驱动控制系统450中的软件模块或控制块。当处于完全或半自动驾驶模式时，所述转向单元452、制动单元454和节流单元456接收从路径规划系统(未示出)收到的路径信息并生成控制信号，以分别控制所述车辆405的转向，制动和节流，从而按规划的路线驾驶。所述驱动控制系统450可以包括其它组件，用于控制所述车辆405的其它方面，例如，控制转向信号和制动灯。
所述机械系统490从所述驱动控制系统415接收控制信号，以操作所述车辆405的机械组件。所述机械系统480实现所述车辆405的物理操作。所述机械系统490包括发动机492、变速器494和车轮496。例如，所述发动机492可以是汽油发动机、电池动力发动机或混合发动机。其它组件可以包括在所述机械系统490中，例如，包括转向灯、制动灯、风扇和车窗。所述车辆控制系统415的图形用户界面(graphicaluserinterface，简称gui)由所述处理器420呈现并显示在所述触摸屏436上。用户可以使用所述触摸屏和可选的其它输入设备(例如，按钮、刻度盘)与gui交互，以显示相关信息，例如导航信息、驾驶信息、停车信息、媒体播放器信息、温度控制信息等。所述gui可以包括一系列可遍历的内容特定菜单。
所述存储器426上存储有操作系统软件460，除gui之外，所述操作系统软件由所述处理器420以及多个应用程序462执行。所述应用程序460包括：车辆定位464、驾驶辅助466、停车辅助468以及用于完全或半自动驾驶的自动驾驶470。绘图、导航、温度控制、媒体播放器、电话和消息收发应用等其它应用也存储在所述存储器中。由所述处理器420执行时，所述车辆定位464使得所述车辆控制系统415执行车辆定位操作，例如，基于传输激光束与接收激光束的反射之间的时间来确定从所述车辆到所述车辆405的环境中的一个或多个物体的距离，基于所确定的与所述环境中一个或多个物体之间的距离，来生成所述环境的三维(threedimensional，简称3d)地图。
所述存储器426还存储各种数据480。所述数据480可以包括：由传感器410感测的传感器数据482；用户数据484，包括用户偏好、设置和可选的个人媒体文件(例如，音乐、视频、方向等)；下载缓存486，包括通过所述无线收发器430下载的数据。所述下载缓存486可以周期性地删除，例如在预定的时间之后。系统软件、软件模块、特定设备应用或其部分可以临时加载到易失性存储器中，例如ram422，其用于存储运行时数据变量和其它类型的数据或信息。所述车辆控制系统415接收的数据也可以存储在所述ram422中。尽管针对各种类型的存储器描述了特定功能，但仅仅是示例，并且还可以使用对存储器类型的不同功能分配。图8是本发明另一示例性实施例提供的包含lidar扫描系统的车辆480的示意图，所述lidar扫描系统具有位于车辆480的前侧、后侧、左侧和右侧的输出端口。所述输出端口134和微透镜136以及成对的检测器安装到或并入所述车辆480的不同车身部件，位于所述车辆480周围的不同位置，而不是安装在上文图4中所示的lidar扫描系统100的壳体135中。在所示示例中，所述输出端口134和微透镜136分组到分别位于所述车辆480前侧、后侧、左侧和右侧的四个传感器区域，分别用于扫描所述车辆480的前侧、后侧、左侧和右侧环境。为方便起见，本发明参考汽车、卡车、公共汽车、船只、飞机、仓储设备、施工设备、拖拉机或其它农场设备等机动车辆描述了示例实施例。本发明的理念不限于任何特定类型的车辆，并且可以应用于不运载乘客的车辆以及运载乘客的车辆。本发明的理念还可以在非车辆移动机器人中实现，包括但不限于自动真空吸尘器、探测车和割草机。
现在参照图8，该图示出了本发明一实施例提供的控制lidar扫描系统的方法900的流程图。所述方法900可以由所述车辆控制系统415的处理器420等运行的软件来执行。用于执行方法900的软件编码在本发明的本领域普通技术人员的范围内。所述方法900可以包括比所示和/所述更多或更少的过程，并且可以不同的顺序执行。可由所述处理器420运行以执行所述方法900的机器可读代码可以存储在非瞬时性机器可读介质中，例如所述车辆控制系统415的存储器426。
在902中，所述控制器110所述激光器120发射激光。
在904中，所述控制器110控制所述光开关130，以通过选择传输所述激光经由的多个输出端口134中的活动输出端口134，来控制所述激光的传输方向。
在906中，所述控制器110控制所述光开关130，以控制每个输出端口为活动输出端口的时间，从而设置扫描速率。即使所述操作904和906在图9中单独示出，所述操作904和906也可能会同时发生。
在扫描周期中，所述激光循环通过所述光开关130中的每个输出端口134。在一些示例中，所述输出端口134设置在多层中，所述激光的传输方向由扫描序列定义，在所述扫描序列中，逐层、逐个端口按顺序选择所述活动输出端口134。在一些示例中，所述输出端口134设置在多个同心环中，所述激光的传输方向由扫描序列定义，在所述扫描序列中，逐列、逐个端口选择所述活动输出端口134。
通过以对应于不同方向的不同端口的方式设置所述光开关130的输出端口134，可以通过控制所述光开关130，特别是通过使所述激光源120循环通过所述光开关130的每个输出端口134，来扫描所述环境区域。通过在任何给定时间控制所述光开关130的活动输出端口134，所述控制器110控制扫描方向和扫描速率。
本文描述的流程图和附图中的步骤和/或操作仅用于示例目的。在不脱离本发明理念的情况下，这些步骤和/或操作可以有许多变化。例如，可以以不同的顺序执行所述步骤，或者可以添加、删除或修改所述步骤。
此外，还公开了所公开范围内的所有值和子范围。而且，尽管本文公开和示出的系统、设备和过程可以包括特定数量的元件/组件，但是所述系统、设备和组件可以修改为包括更多或更少的此类元件/组件。例如，尽管所公开的任何元件/组件可以引用为单数，但是本文公开的实施例可以修改为包括多个此类元件/组件。本文描述的主题旨在涵盖并包含所有适当的技术变化。
尽管在方法方面至少对本发明进行了部分描述，但是本领域普通技术人员可以理解的是，本发明还涉及用于执行至少一些方面和所述方法特征的各种组件，无论是采用硬件(dsp、asic或fpga)、软件还是其组合的形式。因此，本发明的技术方案可以体现在非易失性或非瞬时性机器可读介质(例如，光盘、闪存等)中，其上存储有可执行指令，所述可执行指令有形地存储在其上，使处理设备(例如，车辆控制系统)以执行本文公开的方法示例。
在不脱离权利要求书主题的情况下，本发明可以以其它特定形式来体现。所描述的示例性实施例在各方面都仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明旨在涵盖并包含所有适当的技术变化。因此，本发明的范围通过所附的权利要求书而不是通过以上描述进行说明。权利要求书的范围不应受实例中阐述的实施例的限制，而是应给予与说明书整体一致的最宽泛的解释。
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