ЛИДАРНЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ Российский патент 2024 года по МПК G01S17/88 

Область техники, к которой относится изобретение

[001] Настоящая технология относится к лазерным системам обнаружения и измерения дальности – лидарным (LIDAR, Light Detection and Ranging) системам, в целом – к способам обнаружения объектов в окружающем пространстве автономного транспортного средства и в частности – к формированию изображений в лидарных системах.

Уровень техники

[002] В устройствах, использующих лидарные системы, например, в транспортных средствах с автономным управлением, в процессе адаптации лидарной системы зачастую приходится решать проблемы, связанные с точностью и плотностью информации. В общем случае окружающее пространство сканируется световым лучом и лидарная система собирает световой поток, отраженный от окружающих объектов.

[003] Из уровня техники известен (US 2021325663) сканер для лидарной системы, выполненный для направления излучаемого света для сканирования поля зрения лидарной системы. Сканер включает в себя зеркало, которое имеет отражающую поверхность и заднюю поверхность и может поворачиваться вдоль оси зеркала. Узел привода расположен вдоль задней поверхности зеркала и выполнен с возможностью приложения крутящего момента к зеркалу, чтобы заставить зеркало поворачиваться вокруг оси зеркала.

[004] В некоторых случаях целесообразно одновременно получать несколько изображений окружающего пространства конкретной лидарной системы. Как правило, для этого требуются дополнительные каналы формирования изображения, например, дополнительные камеры или двумерные датчики, расположенные в корпусе лидарной системы или рядом с ним. При этом установка дополнительного оборудования для формирования изображений может оказаться недостатком, например, из-за увеличения стоимости изготовления и/или массы лидарной системы.

[005] Следовательно, сохраняется потребность в усовершенствовании лидарных систем.

Раскрытие изобретения

[006] Таким образом, существует потребность в системах и способах, позволяющих исключить, уменьшить или преодолеть эти недостатки известных технических решений.

[007] В соответствии с первым широким аспектом настоящей технологии реализована лидарная система, способная работать как в режиме лидарного измерения дальности на основе облака точек, так и в режиме формирования изображений. Когда сканирующее зеркало лидарной системы движется в первом направлении сканирования, формируется облако точек расстояний, определенных на основе времени пролета. Когда сканирующее зеркало движется во втором направлении сканирования для возврата в начальное положение сканирования, система, реализующая настоящую технологию, дополнительно получает изображения окружающего пространства. Для проведения лидарных измерений времени пролета и для получения изображений используется одна и та же матрица датчиков. Получение изображений окружающего пространства во время возврата сканирующего зеркала в начальное положение, когда лидарные измерения отсутствуют, дает возможность собирать дополнительную информацию об окружающем пространстве, не прерывая обычной работы лидарной системы. Поскольку для получения изображений используется та же матрица датчиков, что и для измерений с целью формирования облака точек, дополнительных отдельных камер и датчиков не требуется.

[008] В соответствии со вторым широким аспектом настоящей технологии реализован способ управления сканированием в лидарной системе, осуществляемый контроллером лидарной системы. Способ предусматривает управление сканирующим зеркалом лидарной системы с целью сканирования пространства множеством световых лучей, выходящих из лидарной системы и формируемых источником света лидарной системы, которое включает в себя обеспечение вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения и обеспечение вращения сканирующего зеркала со второй скоростью, большей первой скорости, во втором направлении вращения, противоположном первому направлению вращения, обнаружение матрицей датчиков лидарной системы света, отраженного от сканирующего зеркала на матрицу датчиков, формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения, и формирование изображения зоны сканирования вокруг лидарной системы на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала со второй скоростью во втором направлении вращения.

[009] В некоторых вариантах осуществления формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков, включает в себя формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного выбранным датчиком из матрицы датчиков.

[010] В некоторых вариантах осуществления вращение сканирующего зеркала со второй скоростью включает в себя вращение сканирующего зеркала со скоростью, по меньшей мере в два раза превышающей первую скорость.

[011] В некоторых вариантах осуществления вращение сканирующего зеркала со второй скоростью включает в себя вращение сканирующего зеркала со скоростью, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость.

[012] В некоторых вариантах осуществления формирование изображения зоны сканирования включает в себя получение информации о свете от каждого из множества детекторов, образующих матрицу датчиков, и построение изображения методом реконструкции изображений на основе по меньшей мере полученной информации о свете.

[013] В некоторых вариантах осуществления управление сканирующим зеркалом для сканирования включает в себя вращение сканирующего зеркала с первой скоростью в течение по меньшей мере 90% времени работы и вращение сканирующего зеркала со второй скоростью в течение не более 10% времени работы.

[014] В некоторых вариантах осуществления сканирующее зеркало вращается вокруг первой оси и дополнительно предусмотрено управление сканирующим элементом для реализации его вращения вокруг второй оси, перпендикулярной первой оси.

[015] В некоторых вариантах осуществления управление сканирующим элементом включает в себя управление сканирующим элементом для реализации его вращения со скоростью вращения, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость сканирующего зеркала.

[016] В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно предусматривает управление источником света, при котором множество световых лучей формируется только во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения.

[017] В соответствии с другим широким аспектом настоящей технологии реализована лидарная система, содержащая контроллер, источник света, функционально связанный с контроллером, матрицу датчиков, функционально связанную с контроллером и содержащую множество детекторов, и сканирующую систему, функционально связанную с контроллером. Сканирующая система содержит сканирующее зеркало, способное совершать колебания относительно первой оси, а также вращаться вокруг первой оси с первой скоростью в первом направлении вращения и со второй скоростью во втором направлении вращения, сканирующий элемент, способный вращаться вокруг второй оси, перпендикулярной первой оси, матрицу датчиков и контроллер, способные формировать облако точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения, и формировать изображение зоны сканирования на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала со второй скоростью во втором направлении вращения.

[018] В некоторых вариантах осуществления вторая скорость вращения сканирующего зеркала выше первой скорости вращения сканирующего зеркала.

[019] В некоторых вариантах осуществления вторая скорость вращения приблизительно в десять раз превышает первую скорость вращения.

[020] В некоторых вариантах осуществления система способна формировать облако точек данных о расстоянии на основе времени пролета, определенного с использованием по меньшей мере одного из множества детекторов.

[021] В некоторых вариантах осуществления множество детекторов включает в себя по меньшей мере шестнадцать детекторов, расположенных в одной плоскости.

[022] В некоторых вариантах осуществления сканирующий элемент представляет собой вращающуюся призму, способную поворачиваться вокруг второй оси.

[023] В некоторых вариантах осуществления вращающаяся призма способна вращаться вокруг второй оси со скоростью, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость сканирующего зеркала.

[024] В некоторых вариантах осуществления сканирующее зеркало способно вращаться с первой скоростью в течение по меньшей мере 90% времени работы системы и со второй скоростью в течение не более 10% времени работы системы.

[025] В контексте данного описания термин «источник света» в широком смысле относится к любому устройству, способному испускать излучение, в частности, излучать сигнал в виде луча, например, среди прочего, светового луча с одной или несколькими длинами волн в спектре электромагнитного излучения. В одном примере осуществления источником света может быть лазерный источник. Таким образом, указанные источники света могут содержать по меньшей мере один лазер, например, твердотельный лазер, лазерный диод, лазер высокой мощности, или альтернативный источник света, например, источник света на основе светоизлучающих диодов. Некоторыми (не имеющими ограничительного характера) примерами лазерного источника являются лазерный диод Фабри-Перо, лазер на квантовых ямах, лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR, Distributed Bragg Reflector), лазер с распределенной обратной связью (DFB, Distributed FeedBack), волоконный лазер или поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Кроме того, лазерные источники могут испускать световые лучи в различных формах, например, световые импульсы, непрерывные колебания, квазинепрерывные колебания и т.д. В некоторых не имеющих ограничительного характера примерах лазерные источники могут содержать лазерный диод, способный излучать свет с длиной волны в диапазоне приблизительно 650–1150 нм. В альтернативном варианте источники света могут содержать лазерный диод, способный излучать свет с длиной волны в диапазоне приблизительно 800–1000 нм, приблизительно 850–950 нм, приблизительно 1300–1600 нм или в любом другом подходящем диапазоне. Например, длина волны источников света может варьироваться от 400 до 2000 нм в зависимости от конкретных элементов. Если не указано иное, термин «приблизительно» применительно к числовому значению определяется как отклонение, не превышающее 10% от указанного значения.

[026] В контексте настоящего описания термин «выходной луч» может также относиться к пучку излучения, например, к лучу света, формируемому источником излучения и направленному в сторону интересующей области (ROI, Region Of Interest). Выходной луч может характеризоваться одним или несколькими параметрами, такими как продолжительность излучения, угловая расходимость луча, длина волны, мгновенная мощность, плотность фотонов на разных расстояниях от источника света, средняя мощность, удельная мощность пучка, ширина луча, частота повторения импульсов излучения, последовательность излучаемых импульсов, скважность импульсов, длина волны, фаза и т.д. Выходной луч может быть неполяризованным или случайно поляризованным, может не иметь определенной или постоянной поляризации (например, поляризация может меняться со временем) или может иметь определенную поляризацию (например, линейную, эллиптическую или круговую поляризацию).

[027] В контексте настоящего описания «входной луч» представляет собой излучение или свет, попадающий в систему, как правило, после отражения или рассеяния от одного или нескольких объектов в интересующей области. Входной луч также может называться пучком излучения или световым лучом. Под термином «отраженный» подразумевается, что по меньшей мере часть выходного луча падает на один или несколько объектов в интересующей области и отражается от них. Входной луч может характеризоваться одним или несколькими параметрами, такими как время пролета (т.е. время от момента излучения до момента обнаружения), мгновенная мощность (например, сигнатура мощности), средняя мощность обратного импульса, распределение фотонов в сигнале по периоду обратного импульса и т.д. В некоторых случаях применения часть излучения или света во входном луче может являться не отраженным выходным лучом, а излучением других источников. Например, по меньшей мере некоторая часть входного луча может представлять сбой световой шум из окружающего пространства (в том числе рассеянный солнечный свет) или от других источников света, внешних по отношению к данной системе.

[028] В контексте настоящего описания термин «окружающее пространство» или «окружающая среда» транспортного средства относится к области или объему вокруг этого транспортного средства, включая часть его текущей окружающей среды, доступную для сканирования с использованием одного или нескольких датчиков, установленных на этом транспортном средстве, например, для формирования трехмерной карты окружающего пространства или для обнаружения в нем объектов. В некоторых не имеющих ограничительного характера примерах объекты могут включать в себя, полностью или частично, человека, транспортное средство, мотоцикл, грузовик, поезд, велосипед, инвалидную коляску, детскую коляску, пешехода, животное, дорожный знак, светофор, разметку полосы движения, разметку дорожного покрытия, парковочное пространство, пилон, ограждение, дорожный барьер, выбоину, железнодорожный переезд, препятствие на дороге или рядом с ней, бордюр, остановившееся транспортное средство на дороге или рядом с ней, электрический столб, дом, здание, мусорный бак, почтовый ящик, дерево, любой другой подходящий объект или любое подходящее сочетание, полностью или частично, двух или большего количества объектов.

[029] В контексте настоящего описания термин «интересующая область» в широком смысле может включать в себя часть наблюдаемого окружающего пространства лидарной системы, в которой могут быть обнаружены один или несколько объектов. Следует отметить, что на интересующую область лидарной системы могут влиять различные условия, среди прочего, такие как ориентация лидарной системы (например, направление оптической оси лидарной системы), положение лидарной системы в окружающем пространстве (например, расстояние над поверхностью земли, а также рельеф местности и препятствия в непосредственной близи от системы), рабочие параметры лидарной системы (например, мощность излучения, вычислительные настройки, заданные углы работы) и т.д. Интересующая область лидарной системы может задаваться, например, плоским или телесным углом. В одном примере интересующая область также может быть задана диапазоном дальности (например, приблизительно до 200 м).

[030] В контексте настоящего описания «контроллер» или «электронное устройство» представляет собой любые компьютерные аппаратные средства, способные обеспечивать работу программного обеспечения, подходящего для поставленной задачи, и/или управлять функционированием подключенных элементов. В контексте настоящего описания термин «электронное устройство» подразумевает, что устройство может функционировать в качестве сервера для других электронных устройств, впрочем, это не носит обязательного характера для настоящей технологии. Таким образом, примерами (не имеющими ограничительного характера) электронных устройств являются беспилотный модуль, персональные компьютеры (настольные компьютеры, ноутбуки, нетбуки и т.п.), смартфоны и планшеты, а также сетевое оборудование, например, маршрутизаторы, коммутаторы и шлюзы. Следует понимать, что в данном контексте факт функционирования оборудования в качестве электронного устройства не означает, что оно не может функционировать в качестве сервера для других электронных устройств.

[031] Функции различных элементов, описанных или показанных на чертежах, включая все функциональные блоки, обозначенные как «процессор», могут быть реализованы с использованием специализированных аппаратных средств, а также аппаратных средств, способных обеспечивать работу соответствующего программного обеспечения. Если используется процессор, эти функции могут выполняться одним выделенным процессором, одним совместно используемым процессором или несколькими отдельными процессорами, некоторые из которых могут использоваться совместно. Кроме того, явное использование термина «процессор» или «контроллер» не должно трактоваться как указание исключительно на аппаратные средства, способные обеспечивать работу программного обеспечения, и может подразумевать, среди прочего, аппаратные средства цифрового сигнального процессора (DSP), сетевой процессор, специализированную интегральную схему (ASIC), программируемую вентильную матрицу (FPGA), ПЗУ для хранения программного обеспечения, ОЗУ и энергонезависимое ЗУ. Также могут подразумеваться другие аппаратные средства, общего назначения и/или заказные.

[032] Программные модули или просто модули, реализация которых предполагается в виде программных средств, могут быть представлены здесь в виде любого сочетания элементов блок-схемы или других элементов, указывающих на выполнение шагов процесса и/или содержащих текстовое описание. Такие модули могут реализовываться с помощью аппаратных средств, показанных явно или подразумеваемых.

[033] В контексте настоящего описания числительные «первый», «второй», «третий» и т.д. служат лишь для указания на различие между существительными, к которым они относятся, а не для описания каких-либо определенных взаимосвязей между этими существительными. Кроме того, как встречается в настоящем описании в другом контексте, ссылки на «первый» элемент и «второй» элемент не исключают того, что эти два элемента в действительности могут быть одним и тем же элементом.

[034] Каждый вариант осуществления настоящей технологии относится по меньшей мере к одной из вышеупомянутых целей и/или к одному из вышеупомянутых аспектов, но не обязательно ко всем ним. Следует понимать, что некоторые аспекты настоящей технологии, связанные с попыткой достижения вышеупомянутой цели, могут не соответствовать этой цели и/или могут соответствовать другим целям, не упомянутым здесь явным образом.

[035] Дополнительные и/или альтернативные признаки, аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящей технологии содержатся в дальнейшем описании, на приложенных чертежах и в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

[036] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящей технологии содержатся в дальнейшем описании, в приложенной формуле изобретения и на следующих чертежах.

[037] На фиг. 1 схематически представлена сетевая компьютерная среда, пригодная для использования с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.

[038] На фиг. 2 схематически представлено электронное устройство, пригодное для реализации некоторых не имеющих ограничительного характера вариантов осуществления настоящей технологии.

[039] На фиг. 3 схематически представлена лидарная система согласно не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии.

[040] На фиг. 4 схематически представлена матрица датчиков лидарной системы, представленной на фиг. 3, в первом режиме работы.

[041] На фиг. 5 схематически представлена матрица датчиков, представленная на фиг. 4, во втором режиме работы.

[042] На фиг. 6 приведена блок-схема, иллюстрирующая принцип действия лидарной системы, представленной на фиг. 3.

[043] Если не указано иное, масштаб на фигурах может не соблюдаться.

Осуществление изобретения

[044] Представленные здесь примеры и условный язык предназначены для обеспечения лучшего понимания принципов настоящей технологии, а не для ограничения ее объема до таких специально приведенных примеров и условий. Следует понимать, что специалисты в данной области техники способны разработать различные способы и устройства, которые явно не описаны и не показаны, но реализуют принципы настоящей технологии в пределах ее существа и объема.

[045] Кроме того, чтобы способствовать лучшему пониманию, последующее описание может содержать упрощенные варианты реализации настоящей технологии. Специалисты в данной области должны понимать, что различные варианты осуществления настоящей технологии могут быть значительно сложнее.

[046] В некоторых случаях приводятся предположительно полезные примеры модификаций настоящей технологии. Они призваны способствовать пониманию и также не определяют объема или границ настоящей технологии. Представленный перечень модификаций не является исчерпывающим и специалист в данной области может разработать другие модификации в пределах объема настоящей технологии. Кроме того, если в некоторых случаях модификации не описаны, это не означает, что они невозможны и/или что описание содержит единственно возможный вариант реализации того или иного элемента настоящей технологии.

[047] Описание принципов, аспектов и вариантов реализации настоящей технологии, а также их конкретные примеры предназначены для охвата их структурных и функциональных эквивалентов, независимо от того, известны они в настоящее время или будут разработаны в будущем. Например, специалисты в данной области техники должны понимать, что все приведенные здесь блок-схемы соответствуют концептуальным представлениям иллюстративных принципиальных схем, реализующих принципы настоящей технологии. Также следует понимать, что все блок-схемы, схемы процессов, диаграммы изменения состояния, псевдокоды и т.п. соответствуют различным процессам, которые могут быть представлены на машиночитаемом физическом носителе информации и могут выполняться компьютером или процессором независимо от того, показан такой компьютер или процессор в явном виде или нет.

[048] С учетом вышеизложенных принципов ниже рассмотрены некоторые не имеющие ограничительного характера примеры, иллюстрирующие различные варианты реализации аспектов настоящей технологии.

[049] На фиг. 1 представлена сетевая компьютерная среда 100, пригодная для использования с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии. Сетевая компьютерная среда 100 содержит электронное устройство 110, связанное с транспортным средством 120 и/или с пользователем (не показан), связанным с транспортным средством 120 (в частности, с оператором транспортного средства 120). Сетевая компьютерная среда 100 также содержит сервер 135, соединенный с электронным устройством 110 через сеть 140 связи (например, через сеть Интернет и т.п., как более подробно описано ниже).

[050] На фиг. 2 представлена схема варианта осуществления электронного устройства 110, подходящего для использования в некоторых вариантах реализации настоящей технологии. Электронное устройство 110 содержит различные аппаратные элементы, включая один или несколько одноядерных или многоядерных процессоров, совместно представленных процессором 113, твердотельный накопитель 115 и память 117, которая может быть памятью с произвольным доступом или памятью любого другого вида.

[051] Связь между элементами устройства 110 может осуществляться через одну или несколько внутренних и/или внешних шин (не показаны), таких как шина PCI, шина USB, шина FireWire стандарта IEEE 1394, шина SCSI, шина Serial-ATA и т.д., с которыми различные аппаратные элементы соединены электронными средствами. Согласно вариантам осуществления настоящей технологии, твердотельный накопитель 115 хранит программные команды, пригодные для загрузки в память 117 и исполнения процессором 113 с целью определения наличия объекта. Например, программные команды могут входить в состав управляющего приложения транспортного средства, выполняемого процессором 113. Следует отметить, что устройство 110 может содержать дополнительные и/или необязательные элементы (не показаны), например, модули передачи данных по сети, модули определения местоположения и т.д.

[052] Согласно настоящей технологии, на реализацию электронного устройства 110 не накладывается каких-либо особых ограничений. Например, электронное устройство 110 может быть реализовано в виде блока управления двигателем транспортного средства, центрального процессора транспортного средства, навигационного устройства транспортного средства (например, TomTom™, Garmin™), планшета, персонального компьютера, встроенного в транспортное средство 120, и т.д. Следует отметить, что электронное устройство 110 может быть связано или не связано с транспортным средством 120 постоянным образом. Дополнительно или в качестве альтернативы, электронное устройство 110 может быть реализовано в виде устройства беспроводной связи, такого как мобильный телефон (например, смартфон или радиотелефон). В некоторых вариантах осуществления изобретения электронное устройство 110 содержит дисплей 170.

[053] В настоящем варианте осуществления электронное устройство 110 содержит элементы компьютерной системы 100, представленной на фиг. 2, при этом некоторые элементы могут быть исключены или модифицированы в зависимости от конкретного варианта осуществления. В некоторых вариантах осуществления электронное устройство 110 представляет собой бортовое компьютерное устройство и содержит процессор 113, твердотельный накопитель 115 и память 117. Иными словами, электронное устройство 110 содержит аппаратные средства и/или программное обеспечение и/или микропрограммное обеспечение либо их комбинацию для осуществления обработки данных, как более подробно описано ниже.

[054] Как показано на фиг. 1, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сетевая компьютерная среда 100 может содержать спутник системы GPS (не показан), передающий сигнал GPS электронному устройству 110 и/или принимающий сигнал GPS от него. Следует понимать, что настоящая технология не ограничивается применением системы GPS и может быть реализована на базе любой другой технологии определения местоположения. Следует отметить, что спутник GPS может вообще отсутствовать.

[055] Транспортное средство 120, с которым связано электронное устройство 110, может представлять собой любое транспортное средство для отдыха или иных целей, например, автомобиль для индивидуального или коммерческого использования, грузовой автомобиль, мотоцикл и т.д. Несмотря на то, что транспортное средство 120 изображено как наземное транспортное средство, это не является обязательным для каждого не имеющего ограничительного характера варианта осуществления настоящей технологии. В частности, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии транспортным средством 120 может быть водное транспортное средство, например, лодка, или летательный аппарат, например, летающий дрон.

[056] Транспортное средство 120 может управляться пользователем или представлять собой беспилотное транспортное средство. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии предполагается, что транспортное средство 120 может быть реализовано в виде беспилотного автомобиля (SDC, Self-Driving Car). Следует отметить, что при этом не накладывается ограничений на конкретные параметры транспортного средства 120, к числу которых, например, относятся производитель транспортного средства, модель транспортного средства, год выпуска транспортного средства, масса транспортного средства, размеры транспортного средства, распределение массы транспортного средства, площадь поверхности транспортного средства, высота транспортного средства, вид трансмиссии (например, с приводом на два или четыре колеса), вид шин, тормозная система, топливная система, пробег, идентификационный номер транспортного средства и рабочий объем двигателя.

[057] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сеть 140 связи представляет собой сеть Интернет. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сеть 140 связи может быть реализована как любая подходящая локальная сеть (LAN, Local Area Network), глобальная сеть (WAN, Wide Area Network), частная сеть связи и т.п. Следует понимать, что варианты осуществления сети 140 связи приведены лишь в иллюстративных целях. Между электронным устройством 110 и сетью 140 связи предусмотрена линия связи (отдельно не обозначена), реализация которой зависит, среди прочего, от реализации электронного устройства 110. Для примера можно отметить, что в тех не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, где электронное устройство 110 реализовано в виде устройства беспроводной связи, такого как смартфон или навигационное устройство, линия связи может быть реализована в виде беспроводной линии связи. Примерами беспроводных линий связи могут служить, помимо прочего, канал сети связи 3G, канал сети связи 4G и т.п. В сети 140 связи также может использоваться беспроводное соединение с сервером 135.

[058] В некоторых вариантах осуществления настоящей технологии сервер 135 реализован в виде компьютерного сервера и может содержать некоторые или все элементы устройства 110, представленного на фиг. 2, например, процессоры, твердотельные накопители и/или запоминающие устройства. В одном не имеющем ограничительного характера примере сервер 135 реализован в виде сервера Dell™ PowerEdge™, работающего под управлением операционной системы Microsoft™ Windows Server™, при этом он также может быть реализован на базе любых других подходящих видов аппаратных средств, программного обеспечения и/или микропрограммного обеспечения либо их сочетания. В представленных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сервер 135 представляет собой одиночный сервер. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии функции сервера 135 могут быть распределены между несколькими серверами (не показаны).

[059] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии процессор 113 электронного устройства 110 может быть связан с сервером 135 для получения одного или нескольких обновлений. Такие обновления могут включать в себя, среди прочего, обновления программного обеспечения, обновления карт, обновления маршрутов, обновления погодных данных и т.п. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии процессор 113 также способен отправлять на сервер 135 некоторые рабочие данные, например, информацию о пройденных маршрутах, данные о дорожной обстановке, эксплуатационные данные и т.п. Некоторые или все такие данные, передаваемые между транспортным средством 120 и сервером 135, могут быть зашифрованы и/или обезличены.

[060] Следует отметить, что электронное устройство 110 может использовать целый ряд датчиков и систем для сбора информации об окружающем пространстве 150 транспортного средства 120. Как показано на фиг. 1, транспортное средство 120 может быть оборудовано множеством систем 180 датчиков. Следует отметить, что для сбора различных видов данных об окружающем пространстве 150 транспортного средства 120 могут применяться различные системы датчиков из множества систем 180 датчиков.

[061] В одном примере множество систем 180 датчиков может содержать различные оптические системы, в том числе одну или несколько систем датчиков типа «камера», установленных на транспортном средстве 120 и связанных с процессором 113 электронного устройства 110. В целом, одна или несколько систем датчиков типа «камера» может собирать данные изображения о разных частях окружающего пространства 150 транспортного средства 120. В некоторых случаях данные изображения, предоставленные одной или несколькими системами датчиков типа «камера», могут использоваться электронным устройством 110 для выполнения процедур обнаружения объектов. Например, электронное устройство 110 может передавать данные изображения, предоставленные одной или несколькими системами датчиков типа «камера», в нейронную сеть обнаружения объектов (ODNN, Object Detection Neural Network), обученную определению местоположения и классификации потенциальных объектов в окружающем пространстве 150 транспортного средства 120.

[062] В другом примере множество систем 180 датчиков может содержать одну или несколько систем датчиков типа «радиолокатор», установленных на транспортном средстве 120 и связанных с процессором 113. В целом, одна или несколько систем датчиков типа «радиолокатор» может использовать радиоволны для сбора данных о разных частях окружающего пространства 150 транспортного средства 120. Например, одна или несколько систем датчиков типа «радиолокатор» может собирать радиолокационные данные о потенциальных объектах в окружающем пространстве 150 транспортного средства 120 и такие данные могут относиться к расстоянию от системы датчиков типа «радиолокатор» до объектов, к ориентации объектов, к абсолютной и/или относительной скорости объектов и т.п.

[063] Следует отметить, что в рамках объема настоящей технологии множество систем 180 датчиков может включать в себя системы датчиков других видов в дополнение к тем, что описаны выше в качестве примеров.

[064] В соответствии с настоящей технологией, как показано на фиг. 1, транспортное средство 120 оборудовано по меньшей мере одной лазерной системой обнаружения и измерения дальности (лидарной системой), например, лидарной системой 200, для сбора информации об окружающем пространстве 150 транспортного средства 120. Несмотря на то, что описание здесь приводится в контексте установки на транспортном средстве 120, также предполагается, что лидарная система 200 может работать автономно или с подключением к другой системе.

[065] В зависимости от варианта осуществления, транспортное средство 120 может содержать больше или меньше лидарных систем 300, чем показано на чертежах. В зависимости от конкретного варианта осуществления, выбор конкретных систем из множества систем 180 датчиков может соответствовать конкретному варианту осуществления лидарной системы 200. Лидарная система 200 может быть установлена на транспортном средстве 120 изначально или при его модернизации в разных местах и/или в разных конфигурациях.

[066] Например, в зависимости от исполнения транспортного средства 120 и лидарной системы 200, лидарная система 200 может быть установлена в верхней части лобового стекла транспортного средства 120 с его внутренней стороны. При этом, как показано на фиг. 1, установка лидарной системы 200 в других местах, включая заднее окно, боковые окна, передний капот, крышу, переднюю решетку, передний бампер и боковину транспортного средства 120, не выходит за рамки объема настоящей технологии. В некоторых случаях лидарная система 200 может монтироваться в специальном корпусе, установленном сверху транспортного средства 120. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления изобретения, например, в показанном на фиг. 1, одна лидарная система 200 из множества таких систем установлена на крыше транспортного средства 120 и способна вращаться. Например, лидарная система 100, установленная на транспортном средстве 120 и способная вращаться, может содержать по меньшей мере некоторые элементы, способные поворачиваться на 360 градусов вокруг оси вращения лидарной системы 200. Лидарная система 200, установленная с возможностью вращения, может собирать данные о большей части окружающего пространства 150 транспортного средства 120.

[067] В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, также проиллюстрированных на фиг. 1, лидарная система 200 может быть установлена на боковине или на передней решетке, например, без возможности вращения. В частности, лидарная система 200, установленная на транспортном средстве 120 без возможности вращения, может содержать по меньшей мере некоторые элементы, не способные поворачиваться на 360 градусов, но способные собирать данные о заданных частях окружающего пространства 150 транспортного средства 120.

[068] Независимо от конкретного места установки и/или от конкретного варианта исполнения, лидарная система 200 способна собирать данные об окружающем пространстве 150 транспортного средства 120, например, для построения многомерной карты объектов в окружающем пространстве 150 транспортного средства 120. В тех вариантах осуществления, где лидарная система 200 установлена вне транспортного средства 120, лидарная система 200 может собирать данные о тех или иных заданных частях окружающего пространства в месте установки лидарной системы 200.

[069] Следует отметить, что в приведенном здесь описании лидарная система 200 реализована как «времяпролетная лидарная система» и в связи этим содержит соответствующие элементы, свойственные такой реализации, при этом также возможны и другие варианты осуществления лидарной системы 200 без отклонения от существа и объема настоящей технологии.

[070] На фиг. 3 представлена схема одного конкретного варианта осуществления лидарной системы 200, реализованного в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.

[071] В общем случае лидарная система 200 содержит множество внутренних элементов, в том числе (1) источник 210 света (также называемый «лазерным источником» или «источником излучения»), (2) светорасщепляющий элемент 220, (3) сканирующую систему 230 (также называемую «сканирующим узлом»), (4) матрицу 250 датчиков (также называемую «системой обнаружения», «приемным узлом» или «матрицей детекторов») и (5) контроллер 280. Предполагается, что в дополнение к элементам, неисчерпывающе перечисленным выше, лидарная система 200 может содержать множество датчиков (например, датчик температуры, датчик влажности и т.д.), которые для простоты не показаны на фиг. 3.

[072] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии один или несколько внутренних элементов лидарной системы 200 размещены в общем корпусе 205, как показано на фиг. 3. В некоторых вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 280 может быть расположен вне общего корпуса 205, но связан с находящимися в нем элементами. Например, в по меньшей мере некоторых вариантах осуществления контроллер 280 может быть реализован на базе электронного устройства 110.

[073] В общем случае лидарная система 200 работает следующим образом: источник 210 света лидарной системы 200 излучает импульсы света, формируя выходной луч 212, сканирующая система 230 сканирует выходным лучом 212 окружающее пространство 150 транспортного средства 120 для сбора данных о находящихся в нем заранее неизвестных объектах и для определения их местоположения, например, с целью формирования многомерной карты окружающего пространства 150, объекты на которой представляются в виде одной или нескольких точек данных. Источник 210 света и сканирующая система 230 более подробно описаны ниже.

[074] Когда выходной луч 212 достигает одного или нескольких объектов в окружающем пространстве, по меньшей мере часть света выходного луча 212, как правило, отражается от таких объектов, и некоторые из отраженных световых лучей могут возвращаться в лидарную систему 200 в виде входного луча 214. Следует отметить, что свет выходного луча 212 может частично поглощаться или рассеиваться объектами в окружающем пространстве.

[075] При поступлении в лидарную систему 200 входной луч 214 принимается сканирующей системой 230, которая направляет его на матрицу 250 датчиков. Затем входной луч 214 улавливается и регистрируется матрицей 250 датчиков. В ответ матрица 250 датчиков способна формировать один или нескольких репрезентативных сигналов данных. Например, матрица 250 датчиков может формировать выходной электрический сигнал (не показан), который представляет входной луч 214. Кроме того, матрица 250 датчиков может передавать сформированный таким образом электрический сигнал в контроллер 280 для дальнейшей обработки. Наконец, измеряя время между моментом излучения выходного луча 212 и моментом приема входного луча 214, контроллер 280 вычисляет расстояния до объектов в окружающем пространстве 150 (как описано ниже).

[076] Использование и варианты реализации этих элементов лидарной системы 200 в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии описаны ниже.

[077] Источник 210 света связан с контроллером 280 и способен излучать свет с заданной рабочей длиной волны. Для этого в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник 210 света может содержать по меньшей мере один лазер, предназначенный для работы на определенной рабочей длине волны. Рабочая длина волны источника 210 света может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Выбор рабочей длины волны в общем случае может ограничиваться различными факторами, к числу которых, помимо прочего, относятся параметры узкополосных фильтров, используемых в системе, и чувствительность детекторов в системе. Например, источник 210 света может содержать по меньшей мере один лазер с рабочей длиной волны в диапазоне приблизительно 650–1150 нм. В другом варианте источник 210 света может содержать лазерный диод, способный излучать свет с длиной волны в диапазоне приблизительно 800–1000 нм, приблизительно 850–950 нм или приблизительно 1300–1600 нм. В некоторых других вариантах осуществления изобретения источник 210 света может содержать светоизлучающий диод.

[078] Как правило, источник 210 света лидарной системы 200 представляет собой безопасный для зрения лазер, иными словами, лидарная система 200 может быть классифицирована как безопасная для зрения лазерная система или безопасное для зрения лазерное изделие. В общем случае безопасными для зрения лазером, лазерной системой или лазерным изделием может считаться система с таким сочетанием характеристик, а именно длины волны излучения, средней мощности, пиковой мощности, пиковой интенсивности, энергии импульса, размера луча, расходимости луча, длительности облучения, или таким сканирующим выходным лучом, при котором вероятность нарушения зрения человека из-за воздействия излучаемого этой системой света мала или равна нулю.

[079] Чтобы обеспечить проведение времяпролетных лидарных измерений, источник 210 света, как правило, представляет собой импульсный источник, способный формировать или излучать импульсы света определенной длительности. Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник 210 света может излучать импульсы с длительностью (т.е. с шириной импульса) в диапазоне от 10 до 100 нс. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник 210 света способен излучать импульсы с частотой повторения в диапазоне приблизительно от 100 кГц до 5 МГц или с периодом повторения импульсов (т.е. временным интервалом между соседними импульсами) в диапазоне приблизительно от 200 нс до 10 мкс. Тем не менее, в общем случае, источник 210 света может формировать выходной луч 212 с любой подходящей средней оптической мощностью, при этом выходной луч 212 может представлять собой оптические импульсы с любой энергией импульса или пиковой оптической мощностью, подходящей для данной области применения.

[080] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник 210 света может содержать один или несколько лазерных диодов, в том числе, среди прочего, лазерный диод Фабри-Перо, лазер на квантовых ямах, лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR), лазер с распределенной обратной связью (DFB) или поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL). Лишь в качестве примера, лазерный диод в источнике 210 света может представлять собой лазерный диод на основе арсенида алюминия-галлия (AlGaAs), арсенида индия-галлия (InGaAs), арсенид-фосфида индия-галлия (InGaAsP) или любой другой подходящий лазерный диод. Также предполагается, что источник 210 света может содержать один или несколько лазерных диодов с модуляцией током для формирования оптических импульсов.

[081] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник 210 света, как правило, способен формировать выходной луч 212, который является коллимированным оптическим лучом, тем не менее, предполагается, что такой луч может иметь любую расходимость, подходящую для данной области применения. В общем случае расходимость выходного луча 212 является угловой мерой увеличения поперечного размера луча (например, радиуса или диаметра луча) по мере удаления выходного луча 212 от источника 210 света или лидарной системы 200. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии выходной луч 212 может иметь практически круглое поперечное сечение. Также предполагается, что выходной луч 212, излучаемый источником 210 света, может быть неполяризованным или случайно поляризованным, может не иметь определенной или постоянной поляризации (например, его поляризация может изменяться со временем) или может иметь определенную поляризацию (например, выходной луч 212 может иметь линейную, эллиптическую или круговую поляризацию).

[082] В по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии выходной луч 212 и входной луч 214 могут быть практически коаксиальными. Иными словами, выходной луч 212 и входной луч 214 могут по меньшей мере частично перекрываться или иметь общее направление распространения, при этом входной луч 214 и выходной луч 212 проходят практически по одному и тому же оптическому пути (но в противоположных направлениях). При этом в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии выходной луч 214 и входной луч 214 могут быть некоаксиальными или, иными словами, могут не перекрываться или не иметь общего направления распространения внутри лидарной системы 200 без отступления от существа и объема настоящей технологии. На схематическом изображении на фиг. 3 лучи 212, 214 показаны разнесенными просто для удобства обозначения.

[083] Как показано на фиг. 3, дополнительно предусмотрен светорасщепляющий элемент 220, расположенный в корпусе 205. Например, как упоминалось ранее, светорасщепляющий элемент 220 способен направлять выходной луч 212 от источника 210 света к сканирующей системе 230. Светорасщепляющий элемент 220 также способен направлять входной луч 314, отраженный от окружающего пространства, к матрице 250 датчиков для его дальнейшей обработки контроллером 310. Следует отметить, что некоторая доля (например, до 10%) интенсивности выходного луча 212 может поглощаться материалом светорасщепляющего элемента 220 в зависимости от конструкции последнего.

[084] В зависимости от варианта осуществления лидарной системы 200, светорасщепляющий элемент 220 может быть представлен в различных формах, в том числе, среди прочего, как светорасщепляющий элемент на основе стеклянной призмы, светорасщепляющий элемент на основе полупосеребренного зеркала, светорасщепляющий элемент на основе дихроичной зеркальной призмы, волоконно-оптический светорасщепляющий элемент и т.п. Таким образом, в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии, открытый перечень регулируемых параметров, связанных со светорасщепляющим элементом 220, в зависимости от конкретной области его применения, может включать в себя, например, рабочий диапазон длин волн, который может варьироваться от конечного числа длин волн до более широкого светового спектра (например, от 1200 до 1600 нм), входной угол падения, наличие или отсутствие поляризации и т.п. В конкретном не имеющем ограничительного характера примере светорасщепляющий элемент 220 может быть реализован как волоконно-оптический светорасщепляющий элемент, выпускаемый компанией OZ Optics Ltd., 219 Westbrook Rd Ottawa, Ontario K0A 1L0 Canada (Канада). Очевидно, что светорасщепляющий элемент 304 может быть реализован на базе любого другого подходящего оборудования.

[085] Следует отметить, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии лидарная система 200 может содержать дополнительные оптические элементы. Например, лидарная система 200 может содержать один или несколько оптических элементов, способных изменять параметры и форму, производить фильтрацию и модификацию, а также изменять или задавать направление выходного луча 212 и/или входного луча 214. Например, лидарная система 200 может содержать линзы, зеркала, фильтры (например, полосовые или режекторные), оптические волокна, циркуляторы, светорасщепители, поляризаторы, поляризационные светорасщепители, волновые (например, полуволновые или четвертьволновые) пластины, дифракционные элементы, микроэлектромеханические (MEM) элементы, коллиматорные элементы или голографические элементы в количестве одной или нескольких единиц.

[086] В общем случае сканирующая система 230 направляет выходной луч 212 в одном или нескольких направлениям в сторону окружающего пространства 150, и наоборот, направляет входной луч 214 после его поступления в лидарную систему 200 к матрице 250 датчиков. Сканирующая система 230 связана с контроллером 280. Соответственно, контроллер 280 способен управлять сканирующей системой 230, направляя выходной луч 212 в нужном направлении и/или в соответствии с заданной схемой сканирования. В целом, в контексте настоящего описания «характеристикой сканирования» может быть схема или путь, по которому сканирующая система 230 направляет выходной луч 212 во время работы.

[087] В соответствии с настоящими вариантами осуществления, сканирующая система 230 содержит сканирующее зеркало 232, предназначенное для совершения колебаний вокруг первой оси 233. В настоящем варианте осуществления сканирующее зеркало 232 представляет собой сканирующее зеркало с гальванометром, также называемое гальванометрическим зеркалом 232. Предполагается, что особенности сканирующего зеркала 232 могут варьироваться в зависимости от варианта осуществления. В настоящем варианте осуществления первая ось 233 располагается, как правило, горизонтально (как показано на схематическом виде сверху на фиг. 3) с тем, чтобы во время колебаний сканирующего зеркала 232 отраженный от него свет производил сканирование вверх или вниз по вертикали.

[088] Совершая колебания относительно оси 233, сканирующее зеркало 232 вращается в двух направлениях. В частности, сканирующее зеркало 232 вращается вокруг оси 233 в первом направлении 241 вращения и во втором направлении 243 вращения, причем второе направление 243 вращения прямо противоположно первому направлению 241 вращения (см. фиг. 4 и 5). Когда сканирующее зеркало 232 движется в первом направлении 241 вращения, выходной луч 212 источника 210 света отражается от него и выполняет сканирование окружающего пространства 150, как правило, вниз по вертикали. Когда сканирующее зеркало 232 достигает конца области сканирования, оно возвращается в начальное положение сканирования, двигаясь во втором направлении 243 вращения, при этом отражающая поверхность сканирующего зеркала 232 поворачивается вверх. Когда сканирующее зеркало 232 поворачивается во втором направлении 243 вращения для возврата в начальное положение сканирования, источник 210 света не формирует выходного луча (т.е. точки данных лидарной системы не собираются).

[089] Как отмечалось выше, сканирующее зеркало 232 поворачивается в первом направлении 241 вращения при сканировании окружающего пространства 150 и во втором направлении 243 вращения при возврате сканирующего зеркала 232 в начальное положение. Поскольку во время вращения сканирующего зеркала 232 во втором направлении 243 вращения лидарные измерения не проводятся, предпочтительно быстро возвращать сканирующее зеркало 232 в начальное положение сканирования, чтобы сканирующее зеркало 232 выполняло сканирование (вращалось в первом направлении 241 вращения) по меньшей мере большую часть времени работы лидарной системы 200. Таким образом, в настоящем варианте осуществления сканирующее зеркало 232 способно вращаться с первой скоростью в первом направлении 241 вращения в течение по меньшей мере 90% времени работы системы 200 и со второй скоростью во втором направлении 243 вращения в течение не более 10% времени работы системы 200. Чтобы обеспечить такой временной баланс между режимом сканирования (движением в первом направлении 241 вращения) и режимом возврата в начальное положение (движением во втором направлении 243 вращения), вторая скорость вращения сканирующего зеркала 232 задается выше первой скорости вращения сканирующего зеркала 232. В настоящем варианте осуществления вторая скорость вращения приблизительно в десять раз превышает первую скорость вращения. Предполагается, что относительное время работы в каждом режиме и, следовательно, относительная разность между первой и второй скоростями вращения в разных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления могут различаться.

[090] Сканирующая система 230 также содержит сканирующий элемент 236, способный принимать выходной луч 212 от сканирующего зеркала 232 и сканировать окружающее пространство 150 с помощью выходного луча 212. Сканирующий элемент 236 в настоящих вариантах осуществления представляет собой, в частности, вращающуюся (поворотную) призму 236, при этом особенности сканирующего элемента 236 могут варьироваться в зависимости от варианта осуществления. Призма 236 вращается вокруг второй оси 237, которая перпендикулярна первой оси 233 и, в частности, в настоящем варианте осуществления является, как правило, вертикальной. Во время вращения призмы 236 вокруг оси 237 выходной луч 212 сканирует окружающее пространство 150, как правило, по горизонтали. Таким образом, при вертикальном сканировании сканирующим зеркалом 232 обеспечивается сканирование выходным лучом 212 двумерной области окружающего пространства. В настоящем варианте осуществления вращающаяся призма 236 способна вращаться вокруг оси 237 со скоростью, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость вращения (в первом направлении 241) сканирующего зеркала 232, при этом относительные скорости призмы 236 и зеркала 232 могут варьироваться в зависимости от варианта осуществления.

[091] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сканирующая система 230 может дополнительно содержать ряд других оптических и/или механических элементов для сканирования выходным лучом 212. Например, сканирующая система 230 в некоторых вариантах осуществления может содержать зеркала, призмы, линзы, микроэлектромеханические элементы, пьезоэлектрические элементы, оптические волокна, делители, дифракционные элементы, коллиматорные элементы и т.п. в количестве одной или нескольких единиц. Следует отметить, что сканирующая система 230 также может содержать один или несколько дополнительных исполнительных механизмов (отдельно не показанных), приводящих в действие по меньшей мере некоторые другие оптические элементы, например, для их вращения, наклона, поворота или изменения угла относительно одной или нескольких осей.

[092] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, матрица 250 датчиков связана с контроллером 310 и может быть реализована множеством способов. В соответствии с настоящей технологией, матрица 250 датчиков содержит множество детекторов 252 (см. фиг. 4 и 5). В показанном примере матрица 250 датчиков представляет собой линейную решетку, состоящую из шестнадцати детекторов 252, расположенных в одной плоскости, причем конкретное расположение и общее количество детекторов 252 могут варьироваться. Также следует отметить, что матрица 250 схематично показана расположенной вертикально, однако возможны и другие способы размещения детекторов 252, например, горизонтальный, диагональный, с неравномерным распределением и/или в виде двумерной решетки. Конкретный способ размещения выбирается с учетом ряда факторов, включая, среди прочего, тип детектора, особенности конструкции сканирующей системы 230, особенности метода реконструкции изображений и требуемое разрешение изображения. Как более подробно описано ниже, для лидарных измерений используется определенный детектор 255 из числа детекторов 252, тогда как остальные детекторы 252 работают в режиме захвата изображений (описан ниже).

[093] В данном примере каждый детектор 252 представляет собой фотодетектор, но может содержать и фотоприемник, оптический приемник, оптический датчик, детектор, оптический детектор, оптические волокна и т.п., не ограничиваясь ими. Как указано выше, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии матрица 250 датчиков может принимать или обнаруживать по меньшей мере часть входного луча 214 и формировать электрический сигнал, соответствующий входному лучу 214. Например, если входной луч 214 включает в себя оптический импульс, один или несколько детекторов 252 из матрицы 250 датчиков может формировать импульс электрического тока или напряжения, соответствующий оптическому импульсу, обнаруженному матрицей 250 датчиков. Предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии детекторы 252 могут быть реализованы с использованием одного или нескольких лавинных фотодиодов (APD, Avalanche Photo Diode), одного или нескольких однофотонных лавинных диодов (SPAD, Single-Photon Avalanche Diode), одного или нескольких PN-фотодиодов (например, фотодиодной структуры с полупроводником p-типа и полупроводником n-типа), одного или несколько PIN-фотодиодов (например, фотодиодной структуры с нелегированной областью полупроводника, обладающей собственной проводимостью и расположенной между областями p-типа и n-типа) и т.п.

[094] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления матрица 250 датчиков и/или контроллер 280 также может содержать электронные схемы или программные средства, выполняющие усиление, дискретизацию, фильтрацию сигнала, преобразование формы сигнала, аналого-цифровое преобразование, время-цифровое преобразование, детектирование импульсов, пороговое детектирование, детектирование переднего фронта, детектирование заднего фронта и т.п. В частности, матрица 250 датчиков может содержать электронные элементы, способные преобразовывать принятый фототок (например, ток, создаваемый диодом APD под действием принимаемого оптического сигнала) в сигнал напряжения. Матрица 250 датчиков также может содержать дополнительные схемы для формирования аналогового или цифрового выходного сигнала, соответствующего одной или нескольким характеристикам (например, переднему фронту, заднему фронту, амплитуде, длительности и т.п.) принятого оптического импульса.

[095] В зависимости от реализации, контроллер 280 может содержать один или несколько процессоров, специализированную интегральную схему (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit), программируемую вентильную матрицу (FPGA, Field-Programmable Gate Array) и/или другие подходящие схемы. Контроллер 280 также может содержать долговременную машиночитаемую память для хранения команд, исполняемых контроллером 280, а также данных, которые контроллер 280 может формировать на основе сигналов, полученных от других внутренних элементов лидарной системы 200, и/или для сигналов, выдаваемых другим внутренним элементам лидарной системы 200. Память может содержать энергозависимые (например, ОЗУ) и/или энергонезависимые (например, флэш-память, жесткий диск) элементы. Контроллер 280 способен формировать данные во время работы и сохранять их в памяти. Например, такие данные, формируемые контроллером 280, могут быть связаны с точками данных в облаке точек данных о расстоянии относительно лидарной системы 200.

[096] Предполагается, что в по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 280 может быть реализован аналогично электронному устройству 110 без отступления от существа и объема настоящей технологии. В дополнение к сбору данных от матрицы 250 датчиков, контроллер 280 также способен выдавать управляющие сигналы для источника 210 света и сканирующей системы 230 и, возможно, принимать от них данные диагностики.

[097] Как указано выше, контроллер 280 связан с источником 210 света, сканирующей системой 230 и матрицей 250 датчиков. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 280 способен принимать электрические пусковые импульсы от источника 210 света, причем каждый электрический пусковой импульс соответствует излучению оптического импульса источником 210 света. Контроллер 280 может дополнительно выдавать источнику 210 света команды, управляющий сигнал и/или пусковой сигнал, указывающие на то, когда источник 210 света должен формировать оптические импульсы, например, для выходного луча 212. Также предполагается, что контроллер 280 может обеспечивать изменение источником 210 света одной или нескольких характеристик выходного луча 212, формируемого источником 210 света, таких как, среди прочего, частота, период, длительность, энергия импульса, пиковая мощность, средняя мощность и длина волны оптических импульсов.

[098] В соответствии с настоящей технологией, контроллер 280 способен определять значение «времени пролета» оптического импульса для вычисления расстояния между лидарной системой 200 и одним или несколькими объектами в поле обзора, как описано ниже. Время пролета определяется на основе информации о времени, связанной (1) с первым моментом времени, когда оптический импульс (например, выходной луч 212) был излучен источником 210 света, и (2) со вторым моментом времени, когда часть этого оптического импульса (например, из входного луча 214) была зарегистрирована или принята матрицей 250 датчиков, в частности, если входной луч 214 регистрируется определенным детектором 255 из числа детекторов 252 матрицы 250 датчиков. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии первый момент времени может соответствовать моменту передачи контроллером 280 электрического импульса, связанного с оптическим импульсом, а второй момент времени может соответствовать моменту приема контроллером 280 от матрицы 250 датчиков электрического сигнала, сформированного в ответ на прием части оптического импульса входного луча 214.

[099] В соответствии с настоящей технологией, контроллер 280 способен определять на основе первого и второго моментов времени значение времени пролета и/или величину фазовой модуляции для излученного импульса выходного луча 212. Значение времени T пролета в некотором смысле представляет собой время прохождения излученного импульса «туда и обратно», т.е. от лидарной системы 200 до объекта и обратно до лидарной системы 200. Таким образом, контроллер 280 в общем случае способен определять расстояние до объекта по следующей формуле:

(1)

где D – определяемое расстояние, T – время пролета, а c – скорость света (приблизительно 3,0×10⁸ м/с).

[0100] Таким образом, лидарная система 200 способна определять расстояние до одного или нескольких других потенциальных объектов, расположенных в окружающем пространстве 150. Производя сканирование выходным лучом 212 интересующей области лидарной системы 200 в соответствии с заданной схемой сканирования (как правило, как уже отмечалось, в двумерной области окружающего пространства 150), контроллер 280 способен отображать расстояния до соответствующих точек данных в интересующей области лидарной системы 200. Исходя из этого, контроллер 280 обычно способен представлять эти поочередно получаемые точки данных (например, облака точек) в виде многомерной карты. В некоторых вариантах реализации данные, связанные с определенным временем пролета и/или с расстоянием до объекта, могут отображаться в разном информационном формате.

[0101] Например, такая многомерная карта может использоваться электронным устройством 110 для обнаружения или иной идентификации объектов либо для определения формы или расстояния до потенциальных объектов в интересующей области лидарной системы 200. Предполагается, что лидарная система 200 способна многократно или итеративно получать и/или формировать облака точек с любой скоростью, пригодной для данного применения.

[0102] Согласно вариантам осуществления настоящей технологии, лидарная система 200 дополнительно способна работать в режиме захвата изображений в дополнение к режиму лидарного измерения. Режим лидарного измерения в широком смысле относится к излучению и сбору света для формирования описанного выше облака точек данных о расстоянии во время движения сканирующего зеркала 232 в первом направлении 241 вращения с первой скоростью вращения. В соответствии с настоящей технологией, система 200 дополнительно способна получать изображения окружающего пространства 150, что относится к режиму захвата изображений, когда сканирующее зеркало 232 движется во втором направлении 243 вращения со второй скоростью вращения.

[0103] Для реализации этих режимов матрица 250 датчиков и контроллер 280 способны формировать облако точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей 250 датчиков во время вращения сканирующего зеркала 232 с первой скоростью в первом направлении 241 вращения (см. фиг. 4). В частности, сканирующая система 230 может направлять входной луч 214 на выбранный детектор 255 матрицы 250 датчиков, благодаря чему контроллер 280 получает информацию о времени пролета для формирования облака точек данных о расстоянии, как описано выше. Как показано на фиг. 5, в режиме захвата изображений матрица 250 датчиков и контроллер 280 способны формировать изображение зоны сканирования (окружающего пространства 150) на основе света, собранного матрицей 250 датчиков во время вращения сканирующего зеркала 232 со второй скоростью во втором направлении 243 вращения. В частности, сигналы отдельных световых лучей, поступающих в сканирующую систему 230 и падающих на один из детекторов 252, собираются контроллером 280 во время возврата сканирующего зеркала 232 в начальное положение сканирования. Как показано на чертежах, свет, поступающий из различных областей поля обзора системы 200, направляется сканирующей системой 230 на отдельные детекторы 252 матрицы 250 датчиков. Поскольку источник 210 света не излучает свет, когда сканирующее зеркало 232 движется во втором направлении 243 вращения, световые лучи, поступающие в систему 200 и собираемые для формирования изображений, относятся к свету окружающей среды в окружающем пространстве 150. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления детекторы 232 матрицы 250 датчиков могут иметь ограниченный диапазон принимаемых длин волн. Несмотря на то что свет, попадающий на матрицу 250 датчиков в режиме захвата изображений, может характеризоваться большим разбросом длин волн, следует отметить, что для формирования изображений собирается только свет в диапазоне принимаемых длин волн.

[0104] Контроллер 280 дополнительно способен формировать изображение по меньшей мере некоторых частей окружающего пространства 150, используя метод реконструкции изображений. Конкретный метод реконструкции изображений выбирается в зависимости от целого ряда факторов, связанных с системой 200, и поэтому дополнительно здесь не описывается. Поскольку свет из окружающего пространства 150 собирается вне процесса измерений для формирования облака точек расстояний, изображения окружающего пространства можно собирать, не увеличивая времени простоя системы 200, при этом также не требуется предусматривать дополнительный оптический путь или отдельные наборы датчиков (помимо множества детекторов 252 в плоскости обнаружения).

[0105] Соответственно, контроллер 280 способен реализовывать способ 300 функционирования лидарной системы, например, лидарной системы 200, обеспечивая формирование облака точек данных о расстоянии и изображений. На фиг. 6 представлена блок-схема способа 300, соответствующего не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии. Способ 300 может быть реализован контроллером 280.

[0106] Шаг 310: управление сканирующим зеркалом для сканирования пространства множеством световых лучей, выходящих из лидарной системы.

[0107] Реализация способа 300 начинается с шага 310 – управления сканирующим зеркалом 232 для сканирования пространства множеством световых лучей, выходящих из лидарной системы 200, например, при повторяющемся формировании выходного луча 212. Управление сканирующим зеркалом 232 включает в себя вращение сканирующего зеркала 232 с первой скоростью в первом направлении 241 вращения. Управление сканирующим зеркалом 232 также включает в себя вращение сканирующего зеркала 232 со второй скоростью во втором направлении 243 вращения. Как упомянуто выше, вторая скорость вращения выше первой скорости вращения, а второе направление вращения противоположно первому направлению.

[0108] В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления вращение сканирующего зеркала 232 со второй скоростью включает в себя вращение сканирующего зеркала 232 со скоростью, по меньшей мере в два раза превышающей первую скорость. Чтобы свести к минимуму время, в течение которого система 200 не формирует облако точек данных о расстоянии, при возврате в начальное положение сканирующее зеркало 232 вращается быстрее, чем при выполнении сканирования. В настоящем не имеющем ограничительного характера варианте осуществления вращение сканирующего зеркала 232 со второй скоростью, в частности, включает в себя вращение сканирующего зеркала 232 со скоростью, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость. В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления управление сканирующим зеркалом 232 для сканирования включает в себя вращение сканирующего зеркала 232 с первой скоростью в течение по меньшей мере 90% времени работы и вращение сканирующего зеркала 232 со второй скоростью в течение не более 10% времени работы.

[0109] В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления способ 300 дополнительно предусматривает управление сканирующим элементом 236 (призмой 236) для вращения вокруг второй оси 237, перпендикулярной первой оси 233. В некоторых случаях вращение призмы 236 включает в себя вращение призмы 236 со скоростью вращения, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость сканирующего зеркала 232 (в режиме сканирования).

[0110] Шаг 320: обнаружение матрицей датчиков света, отраженного от сканирующего зеркала на матрицу датчиков.

[0111] Следующим шагом в способе 300 является шаг 320 – обнаружение матрицей 250 датчиков света, отраженного от сканирующего зеркала 232 на матрицу 250 датчиков. Во время вращения сканирующего зеркала 232 в первом направлении 241 вращения входной луч 214 регистрируется выбранным детектором матрицы 250 датчиков для формирования массива облака точек данных о расстоянии. Во время вращения сканирующего зеркала 232 во втором направлении 243 вращения свет, отраженный от окружающего пространства 150, регистрируется по меньшей мере одним из детекторов 252 матрицы 250 датчиков для построения изображений частей окружающего пространства 150.

[0112] Шаг 330: формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения.

[0113] Следующим шагом в способе 300 является шаг 330 – формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей 250 датчиков во время вращения сканирующего зеркала 232 с первой скоростью в первом направлении 241 вращения.

[0114] В некоторых вариантах осуществления формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей 250 датчиков, включает в себя формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного выбранным датчиком 255 из матрицы 250 датчиков.

[0115] Шаг 340: формирование изображения зоны сканирования вокруг лидарной системы на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала со второй скоростью во втором направлении вращения.

[0116] Следующим шагом в способе 300 является шаг 340 – формирование изображения зоны сканирования вокруг лидарной системы 200 на основе света, собранного матрицей 250 датчиков во время вращения сканирующего зеркала 232 со второй скоростью во втором направлении 243 вращения. Следует отметить, что зона сканирования может включать в себя как то же поле обзора, что и при формировании облака точек данных о расстоянии, так и другое поле обзора.

[0117] В некоторых вариантах осуществления формирование одного или нескольких изображений окружающего пространства 150 включает в себя получение информации о свете от каждого из детекторов 252, образующих матрицу 250 датчиков. Далее способ 300 дополнительно предусматривает построение изображения или нескольких изображений контроллером 180 с применением метода реконструкции изображений на основе по меньшей мере полученной информации о свете.

[0118] На этом реализация способа 300 завершается.

[0119] В по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления способ 300 дополнительно предусматривает управление источником 210 света, при котором множество световых лучей формируется только во время вращения сканирующего зеркала 232 с первой скоростью в первом направлении 241 вращения.

[0120] Несмотря на то, что выше описаны варианты осуществления изобретения с указанием конкретных шагов, выполняемых в определенном порядке, следует понимать, что эти шаги могут быть объединены, разделены на части или переупорядочены без отступления от существа и объема настоящей технологии. Соответственно, порядок и группирование шагов не носят ограничительного характера для настоящей технологии.

[0121] Для специалиста в данной области могут быть очевидными возможные изменения и усовершенствования описанных выше вариантов осуществления настоящей технологии. Предшествующее описание приведено лишь в иллюстративных целях, а не для ограничения объема изобретения. Объем охраны настоящей технологии определяется исключительно объемом приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к лидарным системам. Способ управления сканированием в лидарной системе осуществляется контроллером и предусматривает управление сканирующим зеркалом для сканирования пространства множеством световых лучей, выходящих из лидарной системы и формируемых источником света системы, вращение сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения и со второй скоростью, большей первой скорости, во втором направлении вращения, обнаружение матрицей датчиков лидарной системы света, отраженного от сканирующего зеркала на матрицу датчиков, формирование облака точек данных о расстоянии во время вращения сканирующего зеркала в первом направлении и формирование изображения зоны сканирования вокруг лидарной системы во время вращения сканирующего зеркала во втором направлении. Технический результат - повышение плотности полученных с помощью лидарной системы данных. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления сканированием в лидарной системе, осуществляемый контроллером лидарной системы и включающий в себя:

- управление сканирующим зеркалом лидарной системы для сканирования пространства множеством световых лучей, выходящих из лидарной системы и формируемых источником света лидарной системы, включая обеспечение вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения и обеспечение вращения сканирующего зеркала со второй скоростью, большей первой скорости, во втором направлении вращения, противоположном первому направлению вращения;

- обнаружение матрицей датчиков лидарной системы света, отраженного от сканирующего зеркала на матрицу датчиков;

- формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения; и

- формирование изображения зоны сканирования вокруг лидарной системы на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала со второй скоростью во втором направлении вращения,

при этом множество световых лучей формируется источником света только во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения.

2. Способ по п. 1, в котором формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков, включает в себя формирование облака точек данных о расстоянии на основе света, собранного выбранным датчиком из матрицы датчиков.

3. Способ по п. 1, в котором вращение сканирующего зеркала со второй скоростью включает в себя вращение сканирующего зеркала со скоростью, по меньшей мере в два раза превышающей первую скорость.

4. Способ по п. 1, в котором вращение сканирующего зеркала со второй скоростью включает в себя вращение сканирующего зеркала со скоростью, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость.

5. Способ по п. 1, в котором формирование изображения зоны сканирования включает в себя получение информации о свете от каждого из множества детекторов, образующих матрицу датчиков, и построение изображения методом реконструкции изображений на основе по меньшей мере полученной информации о свете.

6. Способ по п. 1, в котором управление сканирующим зеркалом для сканирования включает в себя вращение сканирующего зеркала с первой скоростью в течение по меньшей мере 90% времени работы и вращение сканирующего зеркала со второй скоростью в течение не более 10% времени работы.

7. Способ по п. 1, в котором сканирующее зеркало вращается вокруг первой оси и дополнительно предусмотрено управление сканирующим элементом для реализации его вращения вокруг второй оси, перпендикулярной первой оси.

8. Способ по п. 7, в котором управление сканирующим элементом включает в себя управление сканирующим элементом для реализации его вращения со скоростью вращения, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость сканирующего зеркала.

9. Лидарная система, содержащая

- контроллер;

- источник света, функционально связанный с контроллером;

- матрицу датчиков, функционально связанную с контроллером и содержащую множество детекторов; и

- сканирующую систему, функционально связанную с контроллером, которая содержит сканирующее зеркало, способное совершать колебания относительно первой оси, и сканирующий элемент, способный вращаться вокруг второй оси, перпендикулярной первой оси, при этом сканирующее зеркало способно вращаться вокруг первой оси с первой скоростью в первом направлении вращения и вращаться вокруг первой оси со второй скоростью во втором направлении вращения, а матрица датчиков и контроллер способны формировать облако точек данных о расстоянии на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения, и формировать изображение зоны сканирования на основе света, собранного матрицей датчиков во время вращения сканирующего зеркала со второй скоростью во втором направлении вращения, при этом источник света формирует множество световых лучей только во время вращения сканирующего зеркала с первой скоростью в первом направлении вращения.

10. Система по п. 9, в которой вторая скорость вращения сканирующего зеркала выше первой скорости вращения сканирующего зеркала.

11. Система по п. 10, в которой вторая скорость вращения приблизительно в десять раз превышает первую скорость вращения.

12. Система по п. 9, которая способна формировать облако точек данных о расстоянии на основе времени пролета, определенного с использованием по меньшей мере одного из множества детекторов.

13. Система по п. 9, в которой множество детекторов включает в себя по меньшей мере шестнадцать детекторов, расположенных в одной плоскости.

14. Система по п. 9, в которой сканирующий элемент представляет собой вращающуюся призму, которая поворачивается вокруг второй оси.

15. Система по п. 14, в которой вращающаяся призма способна вращаться вокруг второй оси со скоростью, приблизительно в десять раз превышающей первую скорость сканирующего зеркала.

16. Система по п. 9, в которой сканирующее зеркало способно вращаться с первой скоростью в течение по меньшей мере 90% времени работы системы и вращаться со второй скоростью в течение не более 10% времени работы системы.