ЛИДАРНЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ С ВЫБОРОЧНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
LIDAR SYSTEMS AND METHODS WITH SELECTIVE SCANNING

Область техники
[01] Настоящая технология относится к лазерным системам обнаружения и измерения дальности - лидарам (LiDAR, Light Detection and Ranging) в целом и, в частности, к способам и системам выборочного сканирования объектов в интересующих областях пространства.
Уровень техники
[02] В известных решениях предложены и реализованы компьютерные навигационные системы, обеспечивающие помощь в навигации и/или в управлении транспортными средствами. Известны различные системы такого рода - от простых решений, основанных на определении местоположения на карте и использующих компьютерную систему для помощи водителю в навигации на маршруте от пункта отправления до пункта назначения, до более сложных решений, таких как компьютеризированные и/или автономные системы вождения.
[03] Некоторые из этих систем реализованы в виде широко известной системы круиз-контроля. В этом случае компьютерная система, установленная на транспортном средстве, поддерживает заданную пользователем скорость движения транспортного средства. Некоторые системы круиз-контроля реализуют систему интеллектуального управления дистанцией, позволяя пользователю задавать расстояние до идущего впереди автомобиля (например, выбирать значение, выраженное в количестве транспортных средств). В дальнейшем компьютерная система регулирует скорость транспортного средства, по меньшей мере частично, в зависимости от его приближения к впереди идущему транспортному средству на заранее заданное расстояние. Некоторые из систем круиз-контроля дополнительно оснащены системами предупреждения столкновений, которые при обнаружении транспортного средства (или другого препятствия) перед движущимся транспортным средством замедляют или останавливают его.
[04] Некоторые из наиболее передовых систем обеспечивают автономное движение транспортного средства без непосредственного участия оператора (т.е. водителя) в управлении. Такие автономные транспортные средства содержат системы, способные ускорять, замедлять, останавливать, перестраивать в другой ряд и самостоятельно парковать транспортное средство.
[05] Одна из основных технических проблем, возникающих при реализации вышеуказанных систем, заключается в способности обнаруживать объекты вокруг транспортного средства. Например, этим системам может требоваться способность обнаруживать другое транспортное средство впереди транспортного средства с установленной системой, которое может представлять опасность для данного транспортного средства и требовать принятия системой упреждающих мер, таких как торможение или иное изменение скорости, остановка или перестроение в другой ряд.
[06] В системах на основе лидаров (также называемых здесь лидарными системами) объекты вокруг транспортного средства могут быть обнаружены путем испускания лучей света в окружающее пространство транспортного средства и обнаружения отраженных световых лучей. В качестве источника света часто используются лазеры, излучающие импульсы света в узком диапазоне длин волн. При этом положение объекта и расстояние до него могут быть определены путем вычисления времени пролета излученных и обнаруженных световых лучей. Вычисляя такие положения как «точки данных», можно сформировать многомерный цифровой образ (например, трехмерную точечную карту) окружающего пространства. Кроме того, вычисление динамических характеристик точек данных с признаками наличия объектов в окружающем пространстве транспортного средства может использоваться для формирования текущей траектории транспортного средства в каждый момент времени.
[07] Должно быть понятно, что разрешающая способность сканирования окружающего пространства транспортного средства может определяться полем обзора лидарной системы, т.е. способностью лидарной системы излучать свет в окружающее пространство транспортного средства - как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Кроме того, в некоторых реализациях лидарная система в заданном фиксированном положении может сканировать заданную часть поля обзора - так называемую интересующую область. Соответственно, формируя точки данных с заранее определенной частотой в каждой интересующей области поля обзора, лидарная система способна формировать трехмерную точечную карту окружающего пространства транспортного средства и/или его текущую траекторию.
[08] При этом одинаковое сканирование всех интересующих областей поля обзора лидарной системы с одной и той же частотой может не обеспечивать формирования надежных цифровых представлений расположенных в ней объектов. Поэтому результирующая трехмерная точечная карта и/или текущая траектория транспортного средства, сформированная на ее основе, может иметь ограниченную точность, что в конечном счете может влиять на безопасность работы транспортного средства.
[09] В некоторых известных технических решениях были предложены определенные подходы для решения указанной выше технической проблемы повышения качества цифрового представления объектов, формируемого системами на основе лидаров.
[010] В патентной заявке US 2018284276 A1 «Dynamically Scanning a Field of Regard Using a Limited Number of Output Beams» («Динамическое сканирование поля обзора с использованием ограниченного количества выходных лучей», Luminar Technologies Inc., опубликована 4 октября 2018 г.) раскрыта лидарная система, содержащая источник света, способный испускать лучи света, в том числе последовательности импульсов, сканер, способный сканировать с использованием последовательности импульсов поле обзора лидарной системы по горизонтали и вертикали в соответствии с первой характеристикой сканирования, приемник, способный обнаруживать свет по меньшей мере некоторых из этих импульсов, рассеянных одной или несколькими удаленными целями, для формирования массива пикселей на основе последовательности импульсов этого луча света. Эта лидарная система дополнительно может изменять первую характеристику сканирования с учетом результата обработки сформированного массива пикселей для создания второй характеристики сканирования и для сканирования поля обзора с использованием последовательности импульсов по горизонтали и вертикали в соответствии со второй характеристикой сканирования.
[011] В патентной заявке US 2020025881 A1 «Lidar Detection Systems and Methods that Use Multi-Plane Mirrors» («Лидарные системы и способы обнаружения с многоплоскостными зеркалами», Innovusion Ireland Ltd., опубликована 23 января 2020 г.) раскрыта лазерная система обнаружения и измерения дальности (лидарная система) для транспортного средства, содержащая корпус, выполненный с возможностью установки на лобовое стекло транспортного средства и содержащий модуль приемопередатчика, способный передавать и принимать световую энергию, многоугольную конструкцию, определяющую боковой угол поля обзора лидарной системы, и подвижное зеркало, расположение которого обеспечивает перенаправление световой энергии между модулем приемопередатчика и многоугольной конструкцией, при этом подвижное зеркало способно управлять углом выхода света, перенаправляемого многоугольной конструкцией, а выходной угол соответствует определенному углу в вертикальном поле обзора лидарной системы.
[012] В патентной заявке CN109471126A «A Kind of Vibration for Linear Array Laser Radar Turns to Combine Circumferential Scanning Device» («Вид колебаний для поворота лидара с линейной антенной решеткой в объединенном устройстве кругового сканирования», опубликована 15 марта 2019 г.) раскрыто устройство кругового сканирования, содержащее лазерный излучатель и приемник, двухосные механические гальванометры, цепи управления двухосными гальванометрами, зеркала, поворачивающиеся на 45°, цепи управления зеркалами, поворачивающимися на 45°, последовательную цепь управления, схему обработки сигналов дальности, модуль сбора данных угол-дальность, цепь интерфейса связи. В изобретении предлагается вид колебаний для лидара с линейной антенной решеткой с поворотом деталей перспективной конструкции на 360°. В этом изобретении реализуется локальное двумерное сканирование с помощью двухосных гальванометров, а круговое сканирование в диапазоне 360° лазерным дальномером с линейной решеткой обеспечивается путем повторного поворота отражающих зеркал на 45° в сочетании с данными обратной связи по углу синхронных двухосных гальванометров и наклоном зеркал, поворачивающихся на 45°, чтобы получить в диапазоне 360° данные облака точек лидара с круговым сканированием и устранить ограничения кругового поля обзора при сканировании одиночным двухосным вибрационным зеркалом.
Раскрытие изобретения
[013] Таким образом, существует потребность в системах и способах, позволяющих исключить, уменьшить или преодолеть ограничения известных технических решений.
[014] Разработчики настоящей технологии установили, что качество и надежность результирующей трехмерной точечной карты и/или текущей траектории транспортного средства могут быть улучшены, если сканирование интересующих областей лидарной системы выполняется с разной частотой, например, в зависимости от видов расположенных в них объектов. Например, некоторые объекты, которые сами по себе не связаны с повышенным риском дорожно-транспортного происшествия, такие как здания, деревья, уличные фонари и т.п., можно сканировать с постоянной частотой, определяемой на основе заданного уровня точности цифрового представления таких объектов. В некоторых вариантах осуществления изобретения вместо этого может представлять интерес более подробное или более частое сканирование статических объектов, например, светофоров. В таком случае эти объекты могут быть включены в исследуемые области, сканируемые с большей частотой.
[015] В другом примере объекты, которые могут быть связаны с повышенным риском дорожно-транспортного происшествия для транспортного средства и/или для других участников дорожного движения (пешеходы, животные, другие транспортные средства, пешеходные переходы, дорожные знаки, припаркованные автомобили и т.п.), можно сканировать с повышенной частотой для формирования большего количества точек данных для них, благодаря чему лидар способен формировать более точные цифровые представления в каждый момент времени.
[016] Такой подход способствует более эффективному предотвращению дорожно-транспортных происшествий, связанных с транспортным средством, а также более эффективному использованию вычислительных ресурсов лидарной системы.
[017] Соответственно, для реализации такого подхода к сканированию окружающего пространства транспортного средства разработана оптическая система, в которой горизонтальные и вертикальные элементы поля обзора определяются первым оптическим элементом и вторым оптическим элементом, соответственно. В частности, такая оптическая система содержит источник света, способный излучать свет. Кроме того, используя первый оптический элемент, вращающийся с постоянной скоростью вокруг первой оси вращения, оптическая система обеспечивает сканирование излучаемого луча света по заданной интересующей области в горизонтальной плоскости с заданной частотой сканирования, а используя второй оптический элемент, вращающийся вокруг третьей оси вращения, перпендикулярной первой оси вращения, оптическая система обеспечивает модуляцию угла падения излучаемого луча света на первый оптический элемент вдоль первой оси вращения, сканируя его по заданной интересующей области в вертикальной плоскости.
[018] Кроме того, второй оптический элемент может вращаться вокруг второй оси вращения, параллельной первой оси вращения, что позволяет изменять частоту сканирования излучаемого луча света интересующей области. Это дополнительно позволяет выборочно изменять частоту сканирования данной интересующей области в зависимости от обнаруженных в ней объектов, используя только второй оптический элемент и не меняя постоянную скорость вращения первого оптического элемента. В частности, если объект в интересующей области идентифицирован как представляющий более серьезную угрозу безопасности, второй оптический элемент начинает вращаться вокруг третьей оси вращения, увеличивая частоту сканирования данной интересующей области. С другой стороны, если объект идентифицирован как не представляющий серьезной угрозы безопасности, второй оптический элемент либо перестает вращаться вокруг третьей оси вращения, либо (если он не вращался в момент идентификации объекта) остается в состоянии покоя, уменьшая или по меньшей мере не изменяя частоту сканирования данной интересующей области.
[019] В частности, в соответствии с первым широким аспектом настоящей технологии, реализована оптическая система. Оптическая система содержит источник света, сканирующий элемент, способный направлять свет от источника света наружу от оптической системы, приемный элемент, способный принимать в оптическую систему свет, отраженный от окружающих объектов, и содержащий по меньшей мере один датчик, и контроллер, соединенный с по меньшей мере одним датчиком, со сканирующим элементом и с приемным элементом. Сканирующий элемент содержит первый оптический элемент, способный вращаться вокруг первой оси и за счет этого частично определять поле обзора оптической системы, и второй оптический элемент, соединенный с контроллером, с источником света и с первым оптическим элементом. При этом второй оптический элемент способен принимать свет от первого оптического элемента и выборочно поворачиваться вокруг второй оси, параллельной первой оси, а контроллер способен управлять перемещением второго оптического элемента в зависимости от информации, полученной от по меньшей мере одного датчика.
[020] В некоторых вариантах осуществления оптической системы второй оптический элемент способен вращаться вокруг третьей оси, перпендикулярной второй оси.
[021] В некоторых вариантах осуществления оптической системы второй оптический элемент способен одновременно вращаться вокруг второй оси и вокруг третьей оси.
[022] В некоторых вариантах осуществления оптической системы второй оптический элемент представляет собой зеркало.
[023] В некоторых вариантах осуществления оптической системы второй оптический элемент представляет собой призму Рисли.
[024] В некоторых вариантах осуществления оптической системы первый оптический элемент способен вращаться вокруг первой оси с постоянной скоростью.
[025] В некоторых вариантах осуществления оптической системы первый оптический элемент представляет собой призму.
[026] В некоторых вариантах осуществления оптической системы призма содержит множество граней и вращающийся сердечник, вытянутый вдоль первой оси, а каждая из множества граней является отражающей поверхностью, расположенной вокруг вращающегося сердечника.
[027] В некоторых вариантах осуществления оптической системы каждая из множества граней расположена под соответствующим заранее заданным углом к первой оси.
[028] В некоторых вариантах осуществления оптической системы каждая из множества граней параллельна первой оси.
[029] В некоторых вариантах осуществления оптической системы контроллер способен управлять движением второго оптического элемента на основе информации, полученной от по меньшей мере одного датчика, для изменения частоты сканирования по меньшей мере одной из множества заранее заданных интересующих областей в поле обзора оптической системы.
[030] В некоторых вариантах осуществления оптической системы контроллер дополнительно способен управлять движением второго оптического элемента с помощью по меньшей мере одного соединенного с ним гальванометра.
[031] В некоторых вариантах осуществления оптической системы источник света, второй оптический элемент и первый оптический элемент расположены последовательно вдоль оптической оси.
[032] В соответствии со вторым широким аспектом настоящей технологии реализован способ управления оптической системой, выполняемый контроллером оптической системы. Способ включает в себя выдачу контроллером команды источнику света на излучение света для сканирования в первом направлении первым оптическим элементом оптической системы, вращающимся вокруг первой оси, перпендикулярной первому направлению, частично определяющему поле обзора оптической системы, обнаружение по меньшей мере одним датчиком, соединенным с контроллером, светового сигнала, отраженного от окружающих объектов в поле обзора оптической системы, выбор контроллером интересующей области поля обзора, в зависимости от по меньшей мере частично отраженного сигнала и выдачу контроллером команды второму оптическому элементу на выборочный поворот вокруг второй оси, параллельной первой оси, с изменением частоты сканирования в интересующей области.
[033] В некоторых вариантах осуществления способа такое изменение включает в себя увеличение частоты сканирования интересующей области при обнаружении контроллером на основе отраженного сигнала по меньшей мере одного объекта первого класса в интересующей области.
[034] В некоторых вариантах осуществления способа такое изменение включает в себя уменьшение частоты сканирования интересующей области при обнаружении контроллером на основе отраженного сигнала по меньшей мере одного объекта второго класса в интересующей области без обнаружения объекта первого класса.
[035] В некоторых вариантах осуществления способа объект первого класса является динамическим объектом, а объект второго класса является статическим объектом.
[036] В некоторых вариантах осуществления способа он дополнительно включает в себя определение контроллером интересующей области на основе заранее заданного правила выбора интересующей области для сканирования.
[037] В некоторых вариантах осуществления способа он дополнительно включает в себя выдачу контроллером команды второму оптическому элементу на поворот вокруг третьей оси, перпендикулярной второй оси.
[038] В некоторых вариантах осуществления способа он дополнительно включает в себя выдачу контроллером команды второму оптическому элементу на одновременный поворот вокруг второй оси и вокруг третьей оси.
[039] В контексте данного описания термин «источник света» в широком смысле относится к любому устройству, способному излучать, в частности, передавать сигнал в виде луча, включая, например, источник света с одной или несколькими длинами волн в спектре электромагнитного излучения. В одном примере осуществления изобретения источником света может быть лазерный источник. Таким образом, источник света может содержать лазер, например, твердотельный лазер, лазерный диод, лазер высокой мощности, или альтернативный источник света, например, источник света на основе светоизлучающих диодов. Некоторые (не имеющие ограничительного характера) примеры лазерного источника включают в себя 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). Лазерный источник может излучать световые лучи в различных форматах, например, световые импульсы, непрерывные колебания, квазинепрерывные колебания и т.д. В некоторых не имеющих ограничительного характера примерах лазерный источник может содержать лазерный диод, способный излучать свет с длиной волны в диапазоне приблизительно 650-1150 нм. В альтернативном варианте источник света может 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. Если не указано иное, термин «приблизительно» применительно к числовому значению определяется как отклонение, не превышающее 10% от указанного значения.
[040] В контексте данного описания термин «выходной луч» может также относиться к испускаемому лучу, например, к лучу света, формируемому источником излучения и направленному в сторону интересующей области. Выходной луч может характеризоваться одним или несколькими параметрами, такими как продолжительность излучения, угловая расходимость пучка, длина волны, мгновенная мощность, плотность фотонов на разных расстояниях от источника света, средняя мощность, удельная мощность пучка, ширина пучка, 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 поляризацию, эллиптическую поляризацию или круговую поляризацию).
[041] В контексте данного описания термин «входной луч» означает излучение или свет, попадающий в систему, обычно после отражения от одного или нескольких объектов в интересующей области. Входной луч также может называться лучом излучения или световым лучом. Термин «отраженный» означает по меньшей мере часть выходного луча, падающего на один или несколько объектов в интересующей области, отраженного от одного или нескольких объектов. 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 или сигнала по периоду обратного импульса и т.д. В зависимости от конкретного использования, некоторая часть излучения или света во входном луче может исходить не от отраженного выходного луча, а от 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.
[042] В контексте данного описания термин «окружающее пространство транспортного средства» относится к области или объему вокруг данного транспортного средства, включая часть его текущего окружающего пространства, доступную для сканирования с использованием одного или нескольких датчиков, установленных на этом транспортном средстве, например, для создания трехмерной карты такого окружающего пространства или для обнаружения в нем объектов.
[043] В контексте данного описания термин «интересующая область» может в широком смысле содержать 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 быть определена, например, плоским или телесным углом. В качестве примера, интересующая область также может быть определена диапазоном дальности (например, до дальности 200 м).
[044] В контексте данного описания термин «сервер» означает компьютерную программу, выполняемую соответствующими аппаратными средствами и способную принимать запросы (например, от электронных устройств) через сеть и выполнять эти запросы или инициировать их выполнение. Такие аппаратные средства могут быть реализованы в виде одного компьютера или одной компьютерной системы, что не существенно для настоящей технологии. В данном контексте выражение «сервер» не означает, что каждая задача (например, принятая команда или запрос) или некоторая конкретная задача принимается, выполняется или запускается одним и тем же сервером (т.е. одними и теми же программными и/или аппаратными средствами). Это выражение означает, что любое количество программных средств или аппаратных средств может принимать, отправлять, выполнять или запускать выполнение любой задачи или запроса либо результатов любых задач или запросов. Все эти программные и аппаратные средства могут представлять собой один сервер или несколько серверов, причем оба эти случая подразумеваются в выражении «по меньшей мере один сервер».
[045] В контексте данного описания термин «электронное устройство» означает любое компьютерное оборудование, способное выполнять программное обеспечение, подходящее для поставленной задачи. В контексте данного описания термин «электронное устройство» подразумевает, что такое устройство может функционировать в качестве сервера для других электронных устройств, тем не менее, это не обязательно для настоящей технологии. Таким образом, некоторые (не имеющие ограничительного характера) примеры электронных устройств включают в себя блок автономного вождения, персональные компьютеры (настольные компьютеры, ноутбуки, нетбуки и т.д.), смартфоны и планшеты, а также сетевое оборудование, такое как маршрутизаторы, коммутаторы и шлюзы. Должно быть понятно, 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.
[046] В контексте данного описания выражение «информация» включает в себя информацию любого рода или вида, допускающую хранение в базе данных. Таким образом, информация включает в себя визуальные произведения (например, карты), аудиовизуальные произведения (например, изображения, фильмы, звукозаписи, презентации и т.д.), данные (например, данные о местоположении, данные о погоде, данные о трафике, числовые данные и т.д.), текст (например, мнения, комментарии, вопросы, сообщения и т.д.), документы, электронные таблицы и т.д., но не ограничивается ими.
[047] В контексте данного описания термин «база данных» означает любой структурированный набор данных, независимо от его конкретной структуры, программного обеспечения для управления базой данных или компьютерных аппаратных средств для хранения этих данных, их применения или обеспечения их использования иным способом. База данных может располагаться в тех же аппаратных средствах, где реализован процесс, обеспечивающий хранение или использование информации, хранящейся в базе данных, либо база данных может располагаться в отдельных аппаратных средствах, таких как специализированный сервер или множество серверов.
[048] В контексте данного описания числительные «первый» «второй», «третий» и т.д. используются лишь для указания различия между существительными, к которым они относятся, но не для описания каких-либо определенных взаимосвязей между этими существительными. Как встречается в данном описании в другом контексте, ссылка на «первый» элемент и «второй» элемент не исключает того, что эти два элемента в действительности могут быть одним и тем же элементом.
[049] Каждый вариант осуществления настоящей технологии относится по меньшей мере к одной из вышеупомянутых целей и/или аспектов, но не обязательно ко всем ним. Должно быть понятно, что некоторые аспекты настоящей технологии, связанные с попыткой достижения вышеупомянутой цели, могут не соответствовать этой цели и/или могут соответствовать другим целям, явным образом здесь не упомянутым.
[050] Дополнительные и/или альтернативные признаки, аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящей технологии содержатся в дальнейшем описании, в приложенных чертежах и в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
[051] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящей технологии содержатся в дальнейшем описании, в приложенной формуле изобретения и на следующих чертежах.
[052] На фиг. 1 схематически представлен пример компьютерной системы, способной реализовывать некоторые не имеющие ограничительного характера варианты осуществления настоящей технологии.
[053] На фиг. 2 схематически представлена сетевая компьютерная среда, пригодная для использования с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[054] На фиг. 3 схематически представлен пример лидарной системы, реализованной в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[055] На фиг. 4 схематически представлено поле обзора лидарной системы, показанной на фиг. 3, определенное на основе заданной характеристики сканирования в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[056] На фиг. 5 представлены отдельные элементы лидарной системы, показанной на фиг. 3, используемые в некоторых вариантах ее реализации, в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[057] На фиг. 6 схематически представлен пример конфигурации одного из элементов лидарной системы, показанной на фиг. 5, в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[058] На фиг. 7 схематически представлена работа лидарной системы, показанной на фиг. 3 и содержащей элементы, показанные на фиг. 5, при сканировании одной или нескольких интересующих областей в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[059] На фиг. 8 представлена блок-схема способа управления лидарной системой, показанной на фиг. 3 и содержащей элементы, показанные на фиг. 5, при сканировании одной или нескольких интересующих областей в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
Осуществление изобретения
[060] Представленные в данном описании 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. Должно быть понятно, 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.
[061] Кроме того, чтобы способствовать лучшему пониманию, последующее описание может содержать упрощенные варианты реализации настоящей технологии. Специалистам в данной области должно быть понятно, что другие варианты осуществления настоящей технологии могут быть значительно сложнее.
[062] В некоторых случаях приводятся полезные примеры модификаций настоящей технологии. Они способствуют пониманию, но 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.
[063] 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, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что любые описанные здесь структурные схемы соответствуют концептуальным представлениям иллюстративных принципиальных схем, реализующих принципы настоящей технологии. Также должно быть понятно, что любые 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 явно или нет.
[064] Функции различных элементов, показанных на чертежах, включая любой функциональный блок, обозначенный как «процессор», могут быть реализованы с использованием специализированных аппаратных средств, а также аппаратных средств, способных выполнять соответствующее программное обеспечение. Если используется процессор, эти функции могут выполняться одним выделенным процессором, одним совместно используемым процессором или множеством отдельных процессоров, некоторые из которых могут использоваться совместно. Кроме того, явное использование термина «процессор» или «контроллер» не должно трактоваться как указание исключительно на аппаратные средства, способные выполнять программное обеспечение, и может подразумевать, помимо 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.
[065] 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 выполняться аппаратными средствами, показанными явно или подразумеваемыми.
[066] Далее с учетом вышеизложенных принципов рассмотрены некоторые не имеющие ограничительного характера примеры, иллюстрирующие различные варианты реализации аспектов настоящей технологии.
Компьютерная система
[067] На фиг. 1 схематически представлена компьютерная система 100, пригодная для использования с некоторыми вариантами осуществления настоящей технологии и содержащая различные элементы аппаратных средств, включая один или несколько одно- или многоядерных процессоров, совместно представленных процессором 110, твердотельный накопитель 120, память 130, которая может представлять собой ОЗУ или память любого другого вида.
[068] Связь между элементами компьютерной системы 100 может осуществляться через одну или несколько внутренних и/или внешних шин (не показаны), таких как шина PCI, универсальная последовательная 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 120 хранит программные команды, пригодные для загрузки в память 130 и выполнения процессором 110 с целью определения наличия объекта. Например, программные команды могут входить в состав управляющего приложения транспортного средства, выполняемого процессором 110. Следует отметить, что компьютерная система 100 может содержать дополнительные и/или не обязательные элементы (не показаны), такие как модули передачи данных по сети, модули определения местоположения и т.д.
Сетевая компьютерная среда
[069] На фиг. 2 представлена сетевая компьютерная среда 200, пригодная для использования с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии. Сетевая компьютерная среда 200 содержит электронное устройство 210, связанное с транспортным средством 220 и/или с пользователем (не показан), который связан с транспортным средством 220 (например, с оператором транспортного средства 220). Сетевая компьютерная среда 200 также содержит сервер 235, соединенный с электронным устройством 210 через сеть 240 связи (например, через сеть Интернет и т.п., как более подробно описано ниже).
[070] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сетевая компьютерная среда 200 может содержать спутник системы GPS (не показан), передающий сигнал GPS электронному устройству 210 и/или принимающий сигнал GPS от него. Должно быть понятно, что настоящая технология не ограничивается системой GPS и может использовать технологию определения местоположения, отличную от системы GPS. Следует отметить, что спутник GPS может вовсе отсутствовать.
[071] Транспортное средство 220, с которым связано электронное устройство 210, может представлять собой любое транспортное средство для отдыха или иных целей, например, автомобиль для личного или коммерческого использования, грузовой автомобиль, мотоцикл и т.д. Несмотря на то, что транспортное средство 220 изображено как наземное транспортное средство, это не обязательно в каждом не имеющем ограничительного характера варианте осуществления настоящей технологии. Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии транспортное средство 220 может быть водным транспортным средством, таким как лодка, или летательным аппаратом, таким как летающий дрон.
[072] Транспортное средство 220 может управляться пользователем или представлять собой самоуправляемое транспортное средство. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии предполагается, что транспортное средство 220 может быть реализовано как самоуправляемый автомобиль (SDC, Self-Driving Car). Следует отметить, что при этом не накладывается каких-либо ограничений на конкретные параметры транспортного средства 200, например, такие как 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, привод на два или четыре колеса), вид шин, тормозная система, топливная система, пробег, идентификационный номер транспортного средства и рабочий объем двигателя.
[073] Согласно настоящей технологии, на реализацию электронного устройства 210 также не накладывается каких-либо особых ограничений. Например, электронное устройство 210 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 220, и т.д. Следует отметить, что электронное устройство 210 может быть связано или не связано с транспортным средством 220 постоянным образом. Дополнительно или в качестве альтернативны, электронное устройство 210 может быть реализовано в устройстве беспроводной связи, таком как мобильный телефон (например, смартфон или радиотелефон). В некоторых вариантах осуществления изобретения электронное устройство 210 содержит дисплей 270.
[074] Электронное устройство 210 может содержать некоторые или все элементы компьютерной системы 100, представленной на фиг. 1, в зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения. В некоторых вариантах осуществления изобретения электронное устройство 210 представляет собой бортовое компьютерное устройство и содержит процессор 110, твердотельный накопитель 120 и память 130. Иными словами, электронное устройство 210 содержит аппаратные средства и/или программное обеспечение и/или микропрограммное обеспечение или их комбинацию для обработки данных, как более подробно описано ниже.
[075] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сеть 240 связи представляет собой сеть Интернет. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сеть 240 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. Должно быть понятно, что варианты осуществления сети 240 связи приведены лишь в иллюстративных целях. Между электронным устройством 210 и сетью 240 связи предусмотрена линия связи (отдельно не обозначена), реализация которой зависит, среди прочего, от реализации электронного устройства 210. Только в качестве примера, а не ограничения, в тех не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, где электронное устройство 210 реализовано в виде устройства беспроводной связи, такого как смартфон или навигационное устройство, линия связи может быть реализована в виде беспроводной линии связи. Примеры беспроводных линий связи могут включать в себя канал сети связи 3G, канал сети связи 4G и т.п. В сети 240 связи также может использоваться беспроводное соединение с сервером 235.
[076] В некоторых вариантах осуществления настоящей технологии сервер 235 реализован как компьютерный сервер и может содержать некоторые или все элементы компьютерной системы 100, показанной на фиг. 1. В одном не имеющем ограничительного характера примере сервер 215 реализован в виде сервера Dell™ PowerEdge™, работающего под управлением операционной системы Microsoft™ Windows Server™, но он также может быть реализован с использованием любых других подходящих аппаратных средств, прикладного программного обеспечения и/или встроенного программного обеспечения либо их сочетания. В представленных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сервер 235 представляет собой одиночный сервер. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии функции сервера 235 могут быть распределены между несколькими серверами (не показаны).
[077] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии процессор 110 электронного устройства 210 может быть связан с сервером 235 для получения одного или нескольких обновлений. Такие обновления могут содержать, 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 110 также может отправлять серверу 235 некоторые рабочие данные, такие как пройденные маршруты, данные о дорожном движении, рабочие характеристики и т.п. Некоторые или все данные, передаваемые между транспортным средством 220 и сервером 235, могут быть зашифрованы и/или обезличены.
[078] Следует отметить, что электронное устройство 210 может использовать множество датчиков и систем для сбора информации об окружающем пространстве 250 транспортного средства 220. Как показано на фиг. 2, транспортное средство 220 может быть оборудовано множеством систем 280 датчиков. Следует отметить, что для сбора данных различных типов об окружающем пространстве 250 транспортного средства 220 могут использоваться различные системы датчиков из множества систем 280 датчиков.
[079] В одном примере множество систем 280 датчиков может содержать различные оптические системы, в том числе, среди прочего, одну или несколько систем датчиков типа «камера», установленных на транспортном средстве 220 и подключенных к процессору 110 электронного устройства 210. В широком смысле, одна или несколько систем датчиков типа «камера» могут собирать данные изображения о различных частях окружающего пространства 250 транспортного средства 220. В некоторых случаях данные изображения, предоставленные одной или несколькими системами датчиков типа «камера», могут использоваться электронным устройством 210 для выполнения процедур обнаружения объекта. Например, электронное устройство 210 может передавать данные изображения, предоставленные одной или несколькими системами датчиков типа «камера», в нейронную сеть обнаружения объектов (ODNN, Object Detection Neural Network), обученную обнаружению и классификации потенциальных объектов в окружающем пространстве 250 транспортного средства 220.
[080] В другом примере множество систем 280 датчиков может содержать одну или несколько систем датчиков типа «радиолокатор», установленных на транспортном средстве 220 и подключенных к процессору 110. В целом, одна или несколько систем датчиков типа «радиолокатор» может использовать радиоволны для сбора данных о различных частях окружающего пространства 250 транспортного средства 220. Например, одна или несколько систем датчиков типа «радиолокатор» может собирать радиолокационные данные о потенциальных объектах в окружающем пространстве 250 транспортного средства 220 и такие данные могут указывать на расстояние от системы датчиков типа «радиолокатор» до объектов, на ориентацию этих объектов, относительную и/или на абсолютную скорость этих объектов и т.п.
[081] Следует отметить, что множество систем 280 датчиков может содержать другие типы систем датчиков в дополнение к неисчерпывающим образом описанным выше и без отклонения от объема настоящей технологии.
Лидарная система
[082] В соответствии с настоящей технологией, как показано на фиг. 2, транспортное средство 220 оборудовано по меньшей мере одной лазерной системой обнаружения и измерения дальности (лидаром), такой как лидарная система 300, для сбора информации об окружающем пространстве 250 транспортного средства 220. Несмотря на то, что лидарная система 300 описана здесь лишь как установленная на транспортном средстве 220, также предполагается, что она может работать автономно или с подключением к другой системе.
[083] В зависимости от варианта осуществления изобретения, транспортное средство 220 может содержать большее или меньшее количество лидарных систем 300, чем показано на чертежах. В зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения, решение о включении в него конкретных систем 280 датчиков из множества таких систем может зависеть от конкретной реализации лидарной системы 300. Лидарная система 300 может быть смонтирована изначально или установлена при модернизации на транспортном средстве 220 в различных его местах и/или в различных вариантах исполнения.
[084] Например, в зависимости от реализации транспортного средства 220 и лидарной системы 300, лидарная система 300 может быть установлена на внутренней верхней части лобового стекла транспортного средства 220. При этом, как показано на фиг. 2, установка лидарной системы 300 в других местах, включая заднее окно, боковые окна, передний капот, крышу, переднюю решетку, передний бампер или боковую сторону транспортного средства 220, не является отклонением от существа и объема настоящего изобретения. В некоторых случаях лидарная система 300 может быть смонтирована в специальном корпусе, установленном сверху на транспортном средстве 220.
[085] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления изобретения, таких как показанный на фиг. 2, одна лидарная система 300 из множества таких систем установлена на крыше транспортного средства 220 и выполнена с возможностью вращения. Например, вращающаяся лидарная система 300, установленная на транспортном средстве 220, может содержать по меньшей мере некоторые элементы, способные поворачиваться на 360 градусов вокруг оси вращения данной лидарной системы 300. При установке с возможностью вращения лидарная система 300 может собирать данные о большей части окружающего пространства 250 транспортного средства 220.
[086] В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, например, в показанном на фиг. 2, лидарная система 300 (одиночная или одна из нескольких лидарных систем) может быть установлена на боковой стороне или на передней решетке и выполнена, например, без возможности вращения. В частности, лидарная система 300, установленная на транспортном средстве 220 и выполненная 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 250 транспортного средства 220.
[087] Независимо от конкретного местоположения и/или конкретного варианта исполнения, лидарная система 300 способна осуществлять сбор данных об окружающем пространстве 250 транспортного средства 220, например, для построения многомерной карты объектов в окружающем пространстве 250 транспортного средства 220. Ниже описано, как лидарная система 300 осуществляет сбор данных об окружающем пространстве 250 транспортного средства 220.
[088] Следует отметить, что, несмотря на то, что в приведенном здесь описании лидарная система 300 реализована как «времяпролетная» (Time of Flight) лидарная система и, как таковая, содержит соответствующие элементы, свойственные такой реализации, также возможны другие варианты реализации лидарной системы 300 без отклонения от существа и объема настоящей технологии. Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии лидарная система 300 также может быть реализована как лидарная система с непрерывным частотно-модулированным сигналом (FMCW, Frequency-Modulated Continuous Wave) согласно одному или нескольким вариантам реализации и на основе их соответствующих элементов, как изложено в заявке на патент «LiDAR detection methods and systems» («Лидарные системы и способы обнаружения») этого же заявителя с номером дела патентного поверенного 102691-023 (эта заявка на патент США еще не опубликована), содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.
[089] На фиг. 3 представлена схема одного конкретного варианта осуществления лидарной системы 300, реализованного в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[090] В общем случае лидарная система 300 содержит множество внутренних элементов, включая, среди прочего (а) источник света 302 (также называемый «излучающим элементом»), (б) светорасщепляющий элемент 304, (в) сканирующий элемент 308 (также называемый «сканирующим узлом»), (г) приемный элемент 306 (также называемый «системой обнаружения», «приемным узлом» или «детектором») и (д) контроллер 310. Предполагается, что в дополнение к внутренним элементам, неисчерпывающим образом перечисленным выше, лидарная система 300 может содержать множество датчиков (таких как, например, датчик температуры, датчик влажности и т.д.), которые для упрощения не показаны на фиг. 3.
[091] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии один или несколько внутренних элементов лидарной системы 300 могут быть размещены в общем корпусе 330, как показано на фиг. 3. В некоторых вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может быть расположен вне общего корпуса 330 и связан с находящимися в этом корпусе элементами.
[092] В общем случае лидарная система 300 работает следующим образом: источник света 302 лидарной системы 300 излучает импульсы света, формируя выходной луч 314, сканирующий элемент 308 сканирует выходным лучом 314 окружающее пространство 250 транспортного средства 220 для обнаружения/захвата данных о находящихся в нем заранее неизвестных объектах (таких как объект 320), например, для создания многомерной карты окружающего пространства 250, где объекты (включая объект 320) представлены в виде одной или нескольких точек данных. Источник света 302 и сканирующий элемент 308 более подробно описаны ниже.
[093] В некоторых не имеющих ограничительного характера примерах объект 320 может включать в себя, полностью или частично, человека, транспортное средство, мотоцикл, грузовик, поезд, велосипед, инвалидную коляску, прогулочную коляску, пешехода, животное, дорожный знак, светофор, разметку полосы движения, разметку дорожного покрытия, парковочное место, пилон, ограждение, дорожный барьер, выбоину, железнодорожный переезд, препятствие на дороге или рядом с ней, бордюр, остановившееся транспортное средство на дороге или рядом с ней, столб, дом, здание, мусорный бак, почтовый ящик, дерево, любой другой подходящий объект или любое подходящее сочетание двух и более объектов, полностью или частично.
[094] Далее можно предположить, что объект 320 расположен на некотором расстоянии 318 от лидарной системы 300. Когда выходной луч 314 достигает объекта 320, то в общем случае свет выходного луча 314 может отражаться, по меньшей мере частично, от объекта 320, при этом некоторые из отраженных световых лучей могут возвращаться к лидарной системе 300 в виде входного луча 316. Термин «отражается» означает, что по меньшей мере часть света выходного луча 314 отражается от объекта 320. Часть света выходного луча 314 может поглощаться или рассеиваться объектом 320.
[095] Входной луч 316 улавливается и обнаруживается лидарной системой 300 с помощью приемного элемента 306. В ответ приемный элемент 306 формирует один или несколько сигналов репрезентативных данных. Например, приемный элемент 306 может формировать выходной электрический сигнал (не показан), который представляет входной луч 316. Затем приемный элемент 306 может передать сформированный таким образом электрический сигнал контроллеру 310 для дальнейшей обработки. Наконец, измеряя время между моментом излучения выходного луча 314 и моментом приема входного луча 316, контроллер 310 вычисляет расстояние 318 до объекта 320.
[096] Как более подробно описано ниже, светорасщепляющий элемент 304 направляет выходной луч 314 от источника света 302 к сканирующему элементу 308 и входной луч 316 от сканирующего элемента к приемному элементу 306.
[097] Использование и варианты реализации этих элементов лидарной системы 300 в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии описаны ниже.
Источник света
[098] Источник света 302 связан с контроллером 310 и способен излучать свет с заданной рабочей длиной волны. С этой целью в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник света 302 может содержать по меньшей мере один лазер, предварительно настроенный для работы на данной рабочей длине волны. Рабочая длина волны источника света 302 может находиться в инфракрасной, видимой и/или ультрафиолетовой части спектра электромагнитно излучения. Например, источник света 302 может содержать по меньшей мере один лазер с рабочей длиной волны в диапазоне приблизительно 650-1150 нм. В альтернативном варианте источник света 302 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 света 302 может содержать светоизлучающий диод.
[099] Источник света 302 лидарной системы 300 в общем случае представляет собой безопасный для зрения лазер, иными словами, лидарная система 300 может быть классифицирована как безопасная для зрения лазерная система или лазерное изделие. В широком смысле, безопасный для зрения лазер, лазерная система или лазерное изделие может быть системой со всеми или с некоторыми из следующих характеристик: длина волны излучения, средняя мощность, пиковая мощность, пиковая интенсивность, энергия импульса, размер луча, расходимость луча, время экспозиции и характеристика сканирования выходным лучом, при которых риск нарушения зрения человека при воздействии излучаемого этой системой света мал или отсутствует.
[0100] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, рабочая длина волны источника света 302 может находиться в тех частях электромагнитного спектра, которые соответствуют свету, излучаемому Солнцем. Следовательно, в некоторых случаях солнечный свет может действовать как фоновый шум, который может маскировать световой сигнал, обнаруживаемый лидарной системой 300. Этот солнечный фоновый шум может приводить к ложноположительным обнаружениям и/или иным образом искажать измерения лидарной системы 300. Несмотря на то, что в некоторых случаях может оказаться целесообразным увеличение отношения сигнал-шум (SNR, Signal-to-Noise Ratio) лидарной системы 300 за счет увеличения уровня мощности выходного луча 314, в по меньшей мере некоторых ситуациях это может быть нежелательным. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения может быть нежелательно увеличивать уровень мощности выходного луча 314 до величины, превышающей безопасное для зрения пороговое значение.
[0101] Источник света 302 может содержать импульсный лазер, способный создавать или излучать импульсы света определенной длительности. Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник света 302 может излучать импульсы с длительностью (т.е. с шириной импульса) в диапазоне от 10 пс до 100 нс. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник света 302 может излучать импульсы с частотой повторения в диапазоне приблизительно от 100 кГц до 5 МГц или с периодом повторения импульсов (т.е. с временным интервалом между соседними импульсами) в диапазоне приблизительно от 200 нс до 10 мкс. В общем случае источник света 302 может формировать выходной луч 314 с любой подходящей средней оптической мощностью, а выходной луч 314 может содержать оптические импульсы с любой подходящей энергией импульса или пиковой оптической мощностью для данного применения.
[0102] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник света 302 может содержать один или несколько лазерных диодов, включая, помимо 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 света 302 может представлять собой лазерный диод на арсениде алюминия-галлия (AlGaAs), лазерный диод на арсениде индия-галлия (InGaAs), лазерный диод на арсенид-фосфиде индия-галлия (InGaAsP) или любой другой подходящий лазерный диод. Также предполагается, что источник света 302 может содержать один или несколько лазерных диодов, модулируемых током для формирования оптических импульсов.
[0103] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления изобретения источник света 302 обычно способен излучать выходной луч 314, который является коллимированным оптическим лучом, но предполагается, что полученный луч может иметь любую расходимость, подходящую для данного применения. В целом, расходимость выходного луча 314 является угловой мерой увеличения размера луча (например, радиуса или диаметра луча) по мере удаления выходного луча 314 от источника света 302 или лидарной системы 300. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии выходной луч 314 может иметь практически круглое поперечное сечение.
[0104] Также предполагается, что выходной луч 314, излучаемый источником света 302, может быть неполяризованным или случайно поляризованным, может не иметь определенной или постоянной поляризации (например, поляризация может изменяться со временем) или может иметь определенную поляризацию (например, выходной луч 314 может быть с линейной, эллиптической или круговой поляризацией).
[0105] В по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии выходной луч 314 и входной луч 316 могут быть практически коаксиальными. Иными словами, выходной луч 314 и входной луч 316 могут по меньшей мере частично перекрываться или иметь общую ось распространения, при этом входной луч 316 и выходной луч 314 проходят практически по одному и тому же оптическому пути (хотя и в противоположных направлениях). В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии выходной луч 314 и входной луч 316 могут не быть коаксиальными или, иными словами, могут не перекрываться или не иметь общей оси распространения внутри лидарной системы 300 без отступления от существа и объема настоящей технологии.
[0106] Следует отметить, что в по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии источник света 302 может поворачиваться, например, на угол на 360 градусов или меньше вокруг оси вращения (не показана) лидарной системы 300, когда лидарная система 300 реализована с возможностью вращения. Тем не менее, в других вариантах осуществления изобретения источник света 302 может быть стационарным, даже когда лидарная система 300 реализована с возможностью вращения, без отступления от существа и объема настоящей технологии.
Светорасщепляющий элемент
[0107] Как показано на фиг. 3, дополнительно предусмотрен светорасщепляющий элемент 304, расположенный в корпусе 330. Например, как упоминалось ранее, светорасщепляющий элемент 304 способен направлять выходной луч 314 от источника света 302 к сканирующему элементу 308. Светорасщепляющий элемент 304 также выполнен с возможностью направления входного луча 316, отраженного от объекта 320, к приемному элементу 306 для дальнейшей обработки контроллером 310.
[0108] Тем не менее, в соответствии с другими не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии, светорасщепляющий элемент 304 может расщеплять выходной луч 314 на по меньшей мере две составляющие меньшей интенсивности, включая сканирующий луч (отдельно не показан) для сканирования окружающего пространства 250 лидарной системы 300 и опорный луч (отдельно не показан), который далее направляется к приемному элементу 306.
[0109] Иными словами, можно сказать, что в этих вариантах осуществления изобретения светорасщепляющий элемент 304 способен разделять интенсивность (оптическую мощность) выходного луча 314 между сканирующим лучом и опорным лучом. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии светорасщепляющий элемент 304 может делить интенсивность выходного луча 314 между сканирующим лучом и опорным лучом поровну. Тем не менее, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии светорасщепляющий элемент 304 может делить интенсивность выходного луча 314 между сканирующим лучом и опорным лучом с любым заданным коэффициентом деления. Например, светорасщепляющий элемент 304 может использовать до 80% интенсивности выходного луча 314 для формирования сканирующего луча, а оставшуюся часть до 20% интенсивности выходного луча 314 - для формирования опорного луча. Тем не менее, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии светорасщепляющий элемент 304 может изменять коэффициент деления для формирования сканирующего луча (например, от 1% до 95% интенсивности выходного луча 314).
[0110] Кроме того, следует отметить, что некоторая часть (например, до 10%) интенсивности выходного луча 314 может поглощаться материалом светорасщепляющего элемента 304, что зависит от его конкретной конструкции.
[0111] В зависимости от реализации лидарной системы 300, светорасщепляющий элемент 304 может быть представлен в различной форме, включая, среди прочего, 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.
[0112] Таким образом, в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии, открытый перечень регулируемых параметров, связанных со светорасщепляющим элементом 304, в зависимости от его конкретного применения, может включать в себя, например, рабочий диапазон длин волн, который может варьироваться от конечного числа длин волн до расширенного светового спектра (например, от 1200 до 1600 нм), входной угол падения, поляризацию или отсутствие поляризации и т.п.
[0113] В конкретном не имеющем ограничительного характера примере светорасщепляющий элемент 304 может быть реализован как волоконно-оптический светорасщепляющий элемент, выпускаемый компанией OZ Optics Ltd., 219 Westbrook Rd Ottawa, Ontario K0A 1L0 Canada (Канада). Должно быть понятно, что светорасщепляющий элемент 304 может быть реализован в виде любого другого подходящего оборудования.
Внутренние пути прохождения луча
[0114] Как схематически показано на фиг. 3, лидарная система 300 имеет множество внутренних путей 312 луча, по которым проходит выходной луч 314 (формируемый источником 302 света) и входной луч 316 (принимаемый из окружающего пространства 250). В частности, свет распространяется по внутренним путям 312 луча следующим образом: свет от источника света 302 проходит через светорасщепляющий элемент 304 к сканирующему элементу 308, а сканирующий элемент 308, в свою очередь, направляет выходной луч 314 наружу в окружающее пространство 250.
[0115] Аналогично, входной луч 316 следует по множеству внутренних путей 312 луча к приемному элементу 306. В частности, входной луч 316 направляется сканирующим элементом 308 в лидарной системе 300 через светорасщепляющий элемент 304 к приемному элементу 306. В некоторых вариантах реализации в лидарной системе 300 могут быть предусмотрены пути прохождения луча, которые направляют входной луч 316 прямо из окружающего пространства 250 в приемный элемент 306 (без прохождения входного луча 316 через сканирующий элемент 308).
[0116] Следует отметить, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии множество внутренних путей 312 луча может содержать различные оптические элементы. Например, лидарная система 300 может содержать один или несколько оптических элементов, способных нормировать, корректировать форму, фильтровать, модифицировать, изменять направление выходного луча 314 и/или входного луча 316. Например, лидарная система 300 может содержать одно или несколько из линз, зеркал, фильтров (например, полосовых или интерференционных фильтров), оптоволоконных линий, циркуляторов, светорасщепителей, поляризаторов, поляризационных светорасщепителей, волновых пластин (например, полуволновых или четвертьволновых пластин), дифракционных элементов, микроэлектромеханических элементов, коллимирующих элементов или голографических элементов.
[0117] Предполагается, что в по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии данный и какой-либо другой внутренние пути прохождения луча из множества внутренних путей 312 луча могут совместно использовать по меньшей мере некоторые общие оптические элементы, но это не является обязательным для всех вариантов осуществления настоящей технологии.
Сканирующий элемент
[0118] В общем случае, сканирующий элемент 308 направляет выходной луч 314 в окружающее пространство 250 по одному или нескольким направлениям. Сканирующий элемент 308 связан с контроллером 310. Таким образом, контроллер 310 способен управлять сканирующим элементом 308, чтобы направлять выходной луч 314 в нужном направлении от источника и/или в соответствии с заданной характеристикой сканирования. В целом, в контексте данного описания «характеристикой сканирования» может быть схема или путь, по которому сканирующий элемент 308 направляет выходной луч 314 во время работы.
[0119] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может выдавать команды сканирующему элементу 308 на сканирование выходным лучом 314 во множестве горизонтальных и/или вертикальных угловых диапазонов. Угловой диапазон, в котором сканирующий элемент 308 направляет выходной луч 314, здесь называется полем обзора. Предполагается, что конкретное устройство, ориентация и/или угловые диапазоны могут зависеть от конкретной реализации лидарной системы 300. Поле обзора обычно включает в себя множество интересующих областей, определяемых в качестве частей поля обзора, которые могут содержать, например, представляющие интерес объекты. В некоторых вариантах реализации сканирующий элемент 308 может дополнительно обследовать выбранную интересующую область 325. Интересующей областью 325 лидарной системы 300 может быть площадь, объем, область, угловой диапазон и/или часть (части) окружающего пространства 250, в которой лидарная система 300 может выполнять сканирование и/или способна собирать данные.
[0120] Следует отметить, что местоположение объекта 320 в окружающем пространстве 250 транспортного средства 220 может перекрываться с интересующей областью, охватываться интересующей областью или охватывать, по меньшей мере частично, интересующую область 325 лидарной системы 300.
[0121] Следует отметить, что в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии, сканирующий элемент 308 может сканировать выходным лучом 314 по горизонтали и/или по вертикали и, соответственно, интересующая область 325 лидарной системы 300 может быть ориентирована в горизонтальном направлении и в вертикальном направлении. Например, интересующая область 325 может быть определена угловым сектором величиной 45° в горизонтальном направлении и 45° в вертикальном направлении. В некоторых вариантах реализации разные оси сканирования могут иметь разную ориентацию.
[0122] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сканирующий элемент 308 может содержать множество оптических элементов и/или механических элементов для выполнения сканирования выходным лучом 314. Например, сканирующий элемент 308 может содержать одно или несколько зеркал, призм, линз, микроэлектромеханических элементов, пьезоэлектрических элементов, оптических волокон, расщепителей, дифракционных элементов, коллимирующих элементов и т.п. Следует отметить, что сканирующий элемент 308 может также содержать один или несколько дополнительных исполнительных элементов (отдельно не показаны), приводящих в движение по меньшей мере некоторые другие оптические элементы, например, для их вращения, наклона, поворота или углового перемещения вокруг одной или нескольких осей.
[0123] Варианты реализации сканирующего элемента 308 в соответствии с настоящей технологией, а также его элементный состав и функциональные возможности описаны ниже со ссылкой на фиг. 5-7.
[0124] Таким образом, лидарная система 300 может использовать заранее заданную характеристику сканирования для формирования облака точек, практически покрывающего интересующую область 325 лидарной системы 300. Как более подробно описано ниже, это облако точек лидарной системы 300 может использоваться для визуализации многомерной карты объектов в окружающем пространстве 250 транспортного средства 220.
[0125] Из приведенного ниже описания должно быть ясно, что в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии заданная характеристика сканирования интересующей области 325 может быть связана с соответствующей частотой сканирования.
Приемный элемент
[0126] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, приемный элемент 306 связан с контроллером 310 и может быть реализован множеством способов. В соответствии с настоящей технологией, приемный элемент 306 содержит фотодетектор, но может содержать (помимо прочего) фотоприемник, оптический приемник, оптический датчик, детектор, оптический детектор, оптические волокна и т.п. Как указано выше, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии приемный элемент 306 может принимать или обнаруживать по меньшей мере часть входного луча 316 и формировать электрический сигнал, соответствующий входному лучу 316. Например, если входной луч 316 включает в себя оптический импульс, приемный элемент 306 может формировать импульс электрического тока или напряжения, соответствующий оптическому импульсу, обнаруженному приемным элементом 306.
[0127] Предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии приемный элемент 306 может быть реализован с использованием одного или нескольких лавинных фотодиодов (APD, Avalanche PhotoDiode), одного или нескольких однофотонных лавинных диодов (SPAD, Single-Photon Avalanche Diode), одного или нескольких PN-фотодиодов (например, фотодиодной структуры, образованной полупроводником p-типа и полупроводником n-типа), одного или несколько PIN-фотодиодов (например, фотодиодной структуры, образованной нелегированной областью полупроводника с собственной проводимостью, расположенной между областями p-типа и n-типа) и т.п.
[0128] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления изобретения приемный элемент 306 также может содержать схемотехнические элементы, выполняющие усиление сигнала, дискретизацию, фильтрацию, преобразование формы сигнала, аналого-цифровое преобразование, преобразование времени в цифровой сигнал, обнаружение импульсов, пороговое обнаружение, обнаружение нарастающего фронта, обнаружение спадающего фронта и т.п. Например, приемный элемент 306 может содержать электронные элементы, способные преобразовывать принятый фототок (например, ток, создаваемый APD-диодом при приеме оптического сигнала) в сигнал напряжения. Приемный элемент 306 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.
Контроллер
[0129] В зависимости от реализации, контроллер 310 может содержать один или несколько процессоров, специализированную интегральную схему (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit), программируемую пользователем логическую матрицу (FPGA, Field-Programmable Gate Array) и/или другие подходящие схемотехнические элементы. Контроллер 310 также может содержать долговременную машиночитаемую память для хранения команд, выполняемых контроллером 310, а также данных, которые контроллер 310 может формировать из сигналов, полученных от других внутренних элементов лидарной системы 300, и/или для сигналов, выдаваемых другим внутренним элементам лидарной системы 300. Память может содержать энергозависимые элементы (например, ОЗУ) и/или энергонезависимые элементы (например, флэш-память, жесткий диск). Контроллер 310 может формировать данные во время работы и сохранять их в памяти. Например, данные, формируемые контроллером 310, могут быть связаны с точками данных в облаке точек лидарной системы 300.
[0130] Предполагается, что в по меньшей мере некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может быть реализован аналогично электронному устройству 210 и/или компьютерной системе 100 без отступления от существа и объема настоящей технологии. В дополнение к сбору данных от приемного элемента 306, контроллер 310 также может выдавать управляющие сигналы источнику света 302 и сканирующему элементу 308 и принимать от них диагностические данные.
[0131] Как указано ранее, контроллер 310 связан с источником света 302, со сканирующим элементом 308 и с приемным элементом 306. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может принимать электрические запускающие импульсы от источника света 302, где каждый электрический запускающий импульс соответствует излучению оптического импульса источником света 302. Контроллер 310 может дополнительно выдавать источнику света 302 команды, управляющий сигнал и/или сигнал запуска, указывающие на то, когда источник света 302 должен формировать оптические импульсы, например, выходного луча 314.
[0132] Лишь в качестве примера, контроллер 310 может выдавать электрический сигнал запуска, включающий в себя электрические импульсы, при этом источник света 302 излучает оптический импульс, представленный оптическим лучом 314, в ответ на каждый электрический импульс электрического сигнала запуска. Также предполагается, что контроллер 310 может оказывать воздействие на источник света 302 для регулирования одной или нескольких характеристик выходного луча 314, создаваемого источником света 302, таких как частота, период, длительность, энергия импульса, пиковая мощность, средняя мощность и длина волны оптических импульсов, не ограничиваясь ими.
[0133] Согласно настоящей технологии, контроллер 310 способен определять значение «времени пролета» оптического импульса для определения расстояния между лидарной системой 300 и одним или несколькими объектами в поле обзора, как описано ниже. Время пролета основано на информации о времени, связанной (а) с первым моментом времени, когда оптический импульс (например, выходной луч 314) был излучен источником света 302, и (б) со вторым моментом времени, когда часть этого оптического импульса (например, входной луч 316) была обнаружена или принята приемным элементом 306. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии первый момент времени может соответствовать моменту формирования контроллером 310 электрического импульса, связанного с оптическим импульсом, а второй момент времени может соответствовать моменту приема контроллером 310 от приемного элемента 306 электрического сигнала, формируемого в ответ на прием части этого оптического импульса из входного луча 316.
[0134] В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, где светорасщепляющий элемент 304 способен расщеплять выходной луч 314 на сканирующий луч (не показан) и опорный луч (не показан), первый момент времени может быть моментом приема от приемного элемента 306 первого электрического сигнала, формируемого в ответ на прием опорного луча. Соответственно, в этих вариантах осуществления изобретения второй момент времени может быть определен как момент приема контроллером 310 от приемного элемента 306 второго электрического сигнала, формируемого в ответ на прием другой части этого оптического импульса из входного луча 316.
T
[0135] В соответствии с настоящей технологией контроллер 310 может определять на основе первого и второго моментов времени значение времени пролета и/или величину фазового сдвига для излучаемого импульса выходного луча 314. Значение времени пролета, в определенном смысле, является временем прохождения «туда и обратно» излучаемого импульса от лидарной системы 300 до объекта 320 и назад до лидарной системы 300. Таким образом, ориентировочно контроллер 310 способен определять расстояние 318 по следующей формуле:
,    (1)
D
T
c
8
где  – расстояние 318,  – время пролета,  – скорость света (приблизительно 3,0×10 м/с).
[0136] Как было указано ранее, лидарная система 300 может использоваться для определения расстояния 318 до одного или нескольких других потенциальных объектов, расположенных в окружающем пространстве 250. Выполняя сканирование выходным лучом 314 интересующей области 325 лидарной системы 300 в соответствии с заданной характеристикой сканирования, контроллер 310 способен отображать расстояние (подобно расстоянию 318) до соответствующих точек данных в интересующей области 325 лидарной системы 300. Исходя из этого, контроллер 310 в целом способен визуализировать эти поочередно получаемые точки данных (например, облако 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.
[0137] Например, эта многомерная карта может использоваться электронным устройством 210 для обнаружения или иной идентификации объектов или для определения формы либо расстояния до потенциальных объектов в интересующей области 325 лидарной системы 300. Предполагается, что лидарная система 300 может многократно/итеративно получать и/или формировать облака точек с любой скоростью, пригодной для данного применения.
[0138] Сканирующий элемент 308 для различных вариантов реализации лидарной системы 300 описан более подробно со ссылкой на фиг. 4–7.
Определение поля обзора
[0139] На фиг. 4 представлена схема сканирующего элемента 308, выполняющего сканирование выходным лучом 314 окружающего пространства 250 транспортного средства 220 в поле обзора 402, связанном со сканирующим элементом 308, в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
H
V
[0140] В соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии, поле обзора 402 определяется контроллером 310, выдающим сканирующему элементу 308 команду на сканирование выходным лучом 314 в соответствии с заданной характеристикой 404 в координатной системе 400, связанной с лидарной системой 300. Таким образом, как показано на фиг. 4, во-первых, контроллер 310 выполнен с возможностью подачи команды сканирующему элементу 308 на сканирование выходным лучом 314 с заданным максимальным значением координаты X (не показано) вдоль оси X координатной системы 400, тем самым определяя горизонтальную составляющую 406 (FOV) поля обзора 402. Во-вторых, постепенно опуская выходной луч 314 вдоль оси Y координатной системы 400 после каждой итерации сканирования по горизонтальной составляющей 406 до заданного максимального значения координаты Y (не показано), контроллер 310 способен определять вертикальную составляющую 408 (FOV) поля обзора 402.
[0141] Следует отметить, что несмотря на то, что в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 4, заданная характеристика 404 определяет горизонтальный зигзагообразный путь выходного луча 314 в поле обзора 402, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии заданная характеристика 404 может определять другой путь выходного луча 314. Например, контроллер 310 может определять заданную характеристику 404 и подавать команды сканирующему элементу 308 сначала на сканирование выходным лучом 314 по оси Y, постепенно смещая его по оси X координатной системы 400. В другом примере контроллер 310 может определять заданную характеристику 404 путем изменения направления сканирования выходным лучом 314 по оси X после каждого опускания выходного луча 314 по оси Y.
[0142] Кроме того, как было указано выше, в соответствии с настоящей технологией поле обзора 402 сканирующего элемента 308 может содержать множество интересующих областей 410. Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии каждая из множества интересующих областей 410 может соответствовать фиксированному пространственному положению сканирующего элемента 308 относительно лидарной системы 300.
[0143] Таким образом, в соответствии с настоящей технологией, контроллер 310 способен дополнительно обследовать одну из множества интересующих областей 410, определенных в поле обзора 402, например, интересующую область 325. С этой целью контроллер 310 может сканировать выходным лучом 314 интересующую область 325 для формирования точек данных, соответствующих расположенному в ней объекту 320 (не показан на фиг. 4). Из приведенного ниже описания должно быть понятно, что в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии горизонтальное и вертикальное направления сканирования интересующей области 325 могут также определяться координатной системой 400, т.е. осями X и Y, соответственно.
Особые элементы системы
[0144] На фиг. 5 представлена схема сканирующего элемента 308, реализованного в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[0145] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, сканирующий элемент 308 содержит дополнительные элементы для сканирования выходным лучом 314 интересующей области 325. В частности, сканирующий элемент 308 содержит первый оптический элемент 502 и второй оптический элемент 504. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии светорасщепляющий элемент 304 (и, следовательно, источник света 302, не показанный на фиг. 5), второй оптический элемент 504 и первый оптический элемент 502 могут размещаться последовательно на общей оптической оси (отдельно не обозначена), как показано на фиг. 5.
[0146] В соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии, первый оптический элемент 502 может быть призмой, пример которой схематически показан на фиг. 6. Как показано на фиг. 6, первый оптический элемент 502 содержит вращающийся сердечник 602, выполненный с возможностью вращения вокруг первой оси 508 вращения, и множество отражающих граней 612, расположенных вокруг вращающегося сердечника 602.
[0147] В соответствии с настоящей технологией, первый оптический элемент 502 связан с контроллером 310 для управления его вращением вокруг первой оси 508 вращения. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии первая ось 508 вращения определяется как одна из осей симметрии первого оптического элемента 502. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может управлять вращением первого оптического элемента 502 вокруг первой оси 508 вращения с постоянной скоростью вращения (например, 400 об/мин) в течение заранее заданного интервала времени работы лидарной системы 300.
[0148] Таким образом, управляя вращением первого оптического элемента 502 вокруг первой оси 508 вращения, контроллер 310 способен выполнять сканирование выходным лучом 314 заданной интересующей области (например, интересующей области 325) по горизонтали в направлении, перпендикулярном первой оси 508 вращения, с частотой сканирования, соответствующей скорости вращения первого оптического элемента 502, как более подробно описано ниже со ссылкой на фиг. 7.
[0149] Как показано на фиг. 6, множество отражающих граней 612 включает в себя 6 (шесть) отражающих поверхностей, расположенных вокруг вращающегося сердечника 602. Тем не менее, множество отражающих граней 612 может содержать другое количество отражающих граней, например, 4, 8, 10 и более без отступления от существа и объема настоящей технологии. Кроме того, несмотря на то, что на фиг. 6 каждая отражающая поверхность из множества отражающих граней 612 имеет прямоугольную форму, также возможны другие варианты формы, например, треугольная, многоугольная и даже круглая.
[0150] Кроме того, как показано на фиг. 6, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии каждая из множества отражающих граней 612 расположена вокруг вращающегося сердечника 602 параллельно первой оси 508 вращения. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии каждая из множества отражающих граней на одном из своих вертикальных ребер может быть наклонена под заданным углом, например, 5, 10 или 20 градусов, к первой оси 508 вращения.
[0151] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, поверхность одной из множества отражающих граней 612 обеспечивает зеркальное отражение падающего на нее света (например, выходного луча 314, излучаемого источником света 302) и, таким образом, может содержать плоское зеркало. Тем не менее, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии поверхность отражающей грани первого оптического элемента 502 может быть зеркалом с заданной кривизной поверхности, например, вогнутым зеркалом, выпуклым зеркалом или зеркалом с переменной кривизной, обеспечивающим диффузное отражение падающего на него выходного луча 314, но не ограничиваясь ими.
[0152] Наконец, следует отметить, что в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии одна из множества отражающих граней 612 обеспечивает зеркальное отражение выходного луча 314 в заданном диапазоне длин волн, например, в диапазоне приблизительно 400–700 нм (видимая область электромагнитного спектра), приблизительно 10–400 нм (ближняя ультрафиолетовая область электромагнитного спектра), приблизительно 700–1050 нм (ближняя инфракрасная область электромагнитного спектра) и т.п., но не ограничиваясь этим. Помимо этого, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии длина волны (или диапазон длин волн), на которой способна работать одна из множества отражающих поверхностей, может быть связана с рабочей длиной волны источника света 302.
[0153] Кроме того, для специалиста в данной области должно быть понятно, что на фиг. 6 показан вращающийся сердечник 602, имеющий практически цилиндрическую форму, лишь для пояснения принципа работы первого оптического элемента 502 и что в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии вращающийся сердечник 602 может иметь другую форму и/или содержать дополнительные элементы для его крепления/монтажа в первом оптическом элементе 502.
[0154] В конкретном не имеющем ограничительного характера примере в качестве первого оптического элемента 502 может быть применен многоугольный лазерный многолинейный сканер, выпускаемый компанией Mirada Technologies Inc., 1485 Bayshore Blvd., San Francisco, California, 94124, USA (США). Должно быть понятно, что первый оптический элемент 502 может быть реализован в виде любого другого подходящего оборудования.
[0155] Как показано на фиг. 5, согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, второй оптический элемент 504 является зеркалом. Подобно описанному выше множеству отражающих граней 612, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии второй оптический элемент 504 может, помимо прочего, представлять собой плоское зеркало, вогнутое зеркало, выпуклое зеркало или зеркало переменной кривизны. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии второй оптический элемент 504 может быть призмой Рисли.
[0156] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии второй оптический элемент 504 выполнен с возможностью вращения. Для этого второй оптический элемент 504 соединен с гальванометром 506, дополнительно связанным с контроллером 310. Таким образом, контроллер 310 может управлять вращением второго оптического элемента 504 для направления выходного луча 314, падающего на него от светорасщепляющего элемента 304 к первому оптическому элементу 502.
[0157] В конкретном не имеющем ограничительного характера примере в качестве гальванометра 506 может применяться прибор, выпускаемый компанией Sino-Galvo (Jiangsu) Technology Co., Ltd: 33, Area D, No. 99 Jing 15th Road, New District, Zhenjiang City, Jiangsu Province, China (Китай). Должно быть понятно, что гальванометр 506 может быть реализован в виде любого другого подходящего оборудования.
[0158] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии второй оптический элемент 504 выполнен с возможностью поворота вокруг проходящей через него второй оси 510 вращения. Например, помимо прочего, вторая ось 510 вращения может быть определена как одна из осей симметрии второго оптического элемента 504, которая может быть параллельна первой оси 508 вращения, связанной с первым оптическим элементом 502.
[0159] Таким образом, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, управляя поворотом второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, контроллер 310 может управлять вторым оптическим элементом 504 и направлять выходной луч 314 к первому оптическому элементу 502 под несколькими углами падения в одном цикле сканирования первого оптического элемента 502, тем самым увеличивая частоту сканирования выходным лучом 314 в горизонтальном направлении интересующей области 325. В частности, частота сканирования выходным лучом 314 в горизонтальном направлении интересующей области 325 увеличивается в результате движения второго оптического элемента 504 назад относительно поворота первого оптического элемента 502 вокруг первой оси 508 вращения. Соответственно, изменяя частоту вращения второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, контроллер 310 может регулировать частоту сканирования выходным лучом 314 интересующей области 325 до заданного значения, как более подробно описано ниже со ссылкой на фиг. 7.
[0160] Кроме того, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии второй оптический элемент 504 выполнен с возможностью вращения вокруг третьей оси 512 вращения, перпендикулярной второй оси 510 вращения. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии, третья ось 512 вращения может быть другой осью симметрии второго оптического элемента 504.
[0161] Таким образом, согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, управляя вращением второго оптического элемента 504 вокруг третьей оси 512 вращения, контроллер 310 управляет сканированием выходного луча 314 в направлении, параллельном направлению первой оси 508 вращения, т.е. в вертикальном направлении интересующей области 325. Иными словами, при вращении вокруг третьей оси 512 вращения второй оптический элемент 504 способен непрерывно изменять угол падения на него выходного луча 314, направляя его к первому оптическому элементу 502 вдоль первой оси 508 вращения и выполняя сканирование интересующей области 325 в вертикальном направлении, как более подробно описано ниже со ссылкой на фиг. 7.
[0162] В соответствии с настоящей технологией, в нужный момент времени контроллер 310 через гальванометр 506 может вызывать вращение второго оптического элемента 504 в различных режимах. Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии в этот момент времени можно вызвать вращение второго оптического элемента 504 только вокруг второй оси 510 вращения. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии в этот момент времени можно вызвать вращение второго оптического элемента 504 только вокруг третьей оси 512 вращения. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии в этот момент времени контроллер 310 способен вызывать одновременное вращение второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения и третьей оси 512 вращения.
[0163] В конкретном не имеющем ограничительного характера примере второй оптический элемент 504 может быть реализован как двухосное резонансное зеркало, выпускаемое компанией Optotune Switzerland AG,  Bernstrasse, 388, CH-8953, Dietikon, Switzerland (Швейцария). Должно быть понятно, что второй оптический элемент 504 может быть реализован в виде любого другого подходящего оборудования.
[0164] На фиг. 7 представлена схема сканирования интересующей области 325 с использованием сканирующего элемента 308, содержащего первый оптический элемент 502 и второй оптический элемент 504 (показанные на фиг. 5), в соответствии с некоторыми не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии.
[0165] Как было указано ранее, для формирования множества точек данных, соответствующих объектам, расположенным в окружающем пространстве 250 транспортного средства 220, контроллер 310 способен (1) формировать с помощью источника света 302 (показанного на фиг. 3) выходной луч 314, (2) сканировать с использованием сканирующего элемента 308 выходным лучом 314 поле обзора 402 и (3) принимать с помощью приемного элемента 306 входной луч 316 (оба показаны на фиг. 3), отраженный от объектов, расположенных в окружающем пространстве 250. Должно быть понятно, что плотность точек данных во множестве точек данных зависит от частоты сканирования выходным лучом 314 поля обзора 402 лидарной системы 300.
[0166] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 может управлять сканирующим элементом 308 с целью изменения частоты сканирования при сканировании различных интересующих областей в зависимости от определенных условий.
[0167] Предположим, что заданная характеристика 404 определяет путь выходного луча 314 в поле обзора 402 в направлении оси X координатной системы 400. Тогда контроллер 310 может поочередно сканировать предыдущую интересующую область 725 и текущую интересующую область 325.
[0168] Как показано на фиг. 5 и фиг. 7, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может (1) вызывать вращение первого оптического элемента 502 вокруг первой оси 508 вращения с постоянной скоростью вращения, сканируя предыдущую интересующую область 725 по горизонтали вдоль оси X координатной системы 400 с заданной частотой сканирования, (2) вызывать вращение второго оптического элемента 504 вокруг третьей оси 512 вращения, сканируя предыдущую интересующую область 725 по вертикали вдоль оси Y координатной системы 400. Кроме того, за счет обработки входного луча 316 (не показан на фиг. 7), возникающего в ответ на каждый случай сканирования выходным лучом 314, контроллер 310 способен формировать первое множество точек данных 702. Далее, анализируя первое множество точек данных 702, контроллер 310 способен обнаруживать по меньшей мере часть объекта 320, расположенного в части окружающего пространства 250, связанной с предыдущей интересующей областью 725.
[0169] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 способен идентифицировать вид объекта 320. В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии вид объекта 320 может представлять собой первый вид или второй вид. В общем случае, на определение первого и второго видов не накладывается ограничений, тем не менее, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии первый вид и второй вид объекта 320 могут быть определены на основе некоторых присущих объекту характеристик. В частности, объекты первого вида в этих вариантах осуществления изобретения могут представлять собой динамические объекты, такие как другие транспортные средства, пешеходы и животные, а объекты второго вида могут представлять собой статические объекты, такие как уличные фонари, защитные ограждения, деревья и т.п.
[0170] Тем не менее, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии первый и второй виды объекта 320 могут быть определены, например, на основе заданного класса безопасности или, иными словами, текущего риска связанного с ними дорожно-транспортного происшествия. Таким образом, в этих вариантах осуществления изобретения объекты первого вида могут представлять собой объекты повышенного интереса, которые могут быть связаны, например, с повышенным риском дорожно-транспортного происшествия, в частности, пешеходные переходы, дорожные знаки, строительные площадки, припаркованные автомобили, и т.п., но не ограничиваясь ими. В этом отношении можно сказать, что объекты первого вида связаны с неожиданным появлением людей и/или с определенными правилами дорожного движения, создающими повышенный риск дорожно-транспортного происшествия, по меньшей мере, для транспортного средства 220. Напротив, объекты второго вида в этих вариантах осуществления изобретения могут представлять собой объекты обычного интереса, т.е., например, не связанные с повышенным риском дорожно-транспортного происшествия, в частности, здания, растения, небо и т.п., но не ограничиваясь ими.
[0171] Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 способен на основе вида объекта 320 изменять частоту сканирования выходным лучом следующей интересующей области, т.е. интересующей области 325, как показано на фиг. 7, после интересующей области 725. Таким образом, контроллер 310 может предварительно выбирать интересующую область для дополнительной проверки в поле обзора 402 сканирующего элемента 308.
[0172] Поэтому в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии в ответ на идентификацию на основе первого множества точек данных 702 объекта 320 как объекта первого вида, контроллер 310 может инициировать дополнительный поворот второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, тем самым увеличивая заданную частоту сканирования интересующей области 325. При этом контроллер 310 может формировать второе множество точек 704 данных с более высокой плотностью точек данных, чем в первом множестве точек 702 данных.
[0173] Следует отметить, что увеличение частоты сканирования за счет поворота второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, а не за счет увеличения скорости вращения первого оптического элемента 502 вокруг первой оси 508 вращения, может быть связано с увеличенной скоростью отклика сканирующего элемента 308. Поскольку первый оптический элемент 502 с относительно большой массой обладает определенной инерцией и не может немедленно изменить скорость своего вращения, сканирующий элемент 308 может пройти интересующую область 325, не имея времени на настройку частоты сканирования. Напротив, изменение заданной частоты сканирования с использованием второго оптического элемента 504 не требует изменения скорости вращения первого оптического элемента 502, обеспечивая более высокую скорость реагирования сканирующего элемента 308.
[0174] Должно быть понятно, что при более высокой плотности точек данных во втором множестве точек данных 704 контроллер 310 способен формировать более точное цифровое представление объекта 320, что дополнительно позволяет повысить безопасность дорожного движения при формировании на основе цифрового представления объекта 320 трехмерной точечной карты окружающего пространства 250 или текущей траектории транспортного средства 220 на ней.
[0175] Кроме того, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии (не показаны), в ответ на идентификацию объекта 320 на основе первого множества точек данных 702 как объекта второго вида, контроллер 310 может продолжить сканирование выходным лучом 314 интересующей области 325 с той же частотой сканирования, что и предыдущей интересующей области 725.
[0176] Наконец, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии (не показаны), в случае, когда контроллер 310 просканировал выходным лучом 314 предыдущую интересующую область 725 с повышенной частотой сканирования, в ответ на идентификацию объекта 320 на основе первого множества точек данных 702 как объекта второго вида, контроллер 310 может остановить вращение второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, уменьшая частоту сканирования выходным лучом 314 интересующей области 325.
Способ
[0177] С учетом описанной выше архитектуры и приведенных примеров возможна реализация способа работы оптической системы (например, сканирующего элемента 308). На фиг. 8 представлена блок-схема способа 800 в соответствии с не имеющими ограничительного характера вариантами осуществления настоящей технологии. Способ 800 может выполняться контроллером 310.
Шаг 802: выдача контроллером команды источнику света на излучение света для сканирования в первом направлении первым оптическим элементом оптической системы, вращающимся вокруг первой оси, перпендикулярной первому направлению, частично определяющему поле обзора оптической системы.
[0178] Способ 800 начинается на шаге 802, где контроллер 310 выдает команду источнику света 302 на излучение выходного луча 314. В дополнение к описанному выше со ссылкой на фиг. 3, выходной луч 314 направляется на светорасщепляющий элемент 304, который далее направляет его на сканирующий элемент 308. Таким образом, сканирующий элемент 308 может выполнять сканирование выходным лучом 314 в пределах поля обзора 402 окружающего пространства 250 транспортного средства 220.
[0179] В частности, как описано выше со ссылкой на фиг. 5 и фиг. 7, сканирующий элемент 308 содержит первый оптический элемент 502, который по команде контроллера 310 вращается вокруг первой оси 508 вращения и сканирует выходным лучом 314 поле обзора 402 в горизонтальном направлении, перпендикулярном первой оси 508 вращения, вдоль оси X координатной системы 400. Соответственно, скорость вращения первого оптического элемента 502 вокруг первой оси 508 вращения определяет частоту сканирования выходным лучом 314 поля обзора 402.
[0180] В некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии сканирующий элемент 308 может дополнительно содержать второй оптический элемент 504, способный вращаться вокруг третьей оси 512 вращения, которая может быть перпендикулярна первой оси 508 вращения. В связи с этим сканирующий элемент 308 может сканировать поле обзора 402 в вертикальном направлении, перпендикулярном горизонтальному направлению, вдоль оси Y координатной системы 400.
[0181] Затем способ продолжается на шаге 804.
Шаг 804: обнаружение по меньшей мере одним датчиком, связанным с контроллером, светового сигнала, отраженного от окружающих объектов в поле обзора оптической системы.
[0182] На шаге 804, как описано выше со ссылкой на фиг. 3, выходной луч 314, отраженный от одного из объектов в окружающем пространстве 250 (например, от объекта 320), может формировать входной луч 316. Затем входной луч 316 принимается приемным элементом 306, который дополнительно может формировать соответствующий электрический сигнал для передачи контроллеру 310. Соответственно, контроллер 310 на основе принятого электрического сигнала может формировать множество точек данных, соответствующих объекту 320.
[0183] Например, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может формировать первое множество точек данных 702 на основе входного луча 316, полученного из предыдущей интересующей области 725 поля обзора 402.
[0184] Затем способ продолжается на шаге 806.
Шаг 806: выбор контроллером интересующей области поля обзора на основании по меньшей мере частично отраженного сигнала.
[0185] На шаге 806, согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 может определять в поле обзора 402 следующую область для дальнейшего обследования.
[0186] Например, контроллер 310 может выбирать интересующую область 325 после предыдущей интересующей области 725 на основе заданной характеристики 404 выходного луча 314 в поле обзора 402. В частности, контроллер 310 может выбирать интересующую область 325 в зависимости от пути выходного луча 314, определяемого заданной характеристикой 404, как описано выше со ссылкой на фиг. 4.
[0187] В другом примере, описанном выше со ссылкой на фиг. 7, в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии контроллер 310 может выбирать интересующую область 325 на основе первого множества точек данных 702, сформированного в результате сканирования выходным лучом 314 предыдущей интересующей области 725. В частности, согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 способен на основе первого множества точек данных 702 определять вид объекта 320 и в зависимости от вида объекта 320 выбирать интересующую область 325 для углубленной проверки.
[0188] Как было указано ранее, объект 320 может быть первого или второго вида. Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, объекты первого вида могут представлять собой динамические объекты, а объекты второго вида – статические объекты. В других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии объекты первого вида могут представлять собой объекты повышенного интереса, а объекты второго вида могут представлять собой объекты обычного интереса, как описано выше со ссылкой на фиг. 7.
[0189] Затем способ продолжается на шаге 808.
Шаг 808: выдача контроллером команды второму оптическому элементу на выборочный поворот вокруг второй оси, параллельной первой оси, для изменения частоты сканирования в интересующей области.
[0190] На шаге 808, согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 способен в зависимости от вида объекта 320, определенного на основе первого множества точек данных 702, изменять заданную частоту сканирования выходным лучом 314 интересующей области 325. Согласно некоторым не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления настоящей технологии, контроллер 310 может изменять заданную частоту сканирования выходным лучом 314, вызывая дополнительный поворот второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, которая может быть параллельна первой оси 508 вращения.
[0191] Поэтому в некоторых не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии в ответ на идентификацию на основе первого множества точек данных 702 объекта 320 как объекта первого вида, контроллер 310 способен инициировать дополнительный поворот второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, увеличивая заданную частоту сканирования интересующей области 325. При этом контроллер 310 может формировать второе множество точек данных 704 с более высокой плотностью точек данных, чем в первом множестве точек данных 702, как показано на фиг. 7.
[0192] Кроме того, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии (не показаны на фиг. 7) в ответ на идентификацию объекта 320 на основе первого множества точек данных 702 как объекта второго вида, контроллер 310 способен продолжать сканирование выходным лучом 314 интересующей области 325 с той же частотой сканирования, что и предыдущей интересующей области 725.
[0193] Наконец, в других не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления настоящей технологии (не показаны на фиг. 7), если контроллер 310 просканировал выходным лучом 314 предыдущую интересующую область 725 с повышенной частотой сканирования, то в ответ на идентификацию объекта 320 на основе первого множества точек данных 702 как объекта второго вида контроллер 310 может остановить поворот второго оптического элемента 504 вокруг второй оси 510 вращения, уменьшая частоту сканирования выходным лучом 314 интересующей области 325.
[0194] Таким образом, некоторые варианты осуществления способа 800 позволяют выборочно сканировать исследуемые области, формируя точки данных различной плотности в зависимости от вида расположенных в них объектов. В частности, эти варианты осуществления способа 800 направлены на создание более плотного множества точек данных в пределах интересующей области, включая объекты повышенного интереса, такие как пешеходные переходы, дорожные знаки, припаркованные автомобили и т.п. При этом способ 800 направлен на создание лидарной системой 300 трехмерной точечной карты окружающего пространства 250 с более эффективным использованием вычислительных ресурсов лидарной системы 300, одновременно позволяя повысить безопасность работы транспортного средства 220.
[0195] На этом выполнение способа 800 завершается.
[0196] 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.
[0197] Несмотря на то, что выше описаны варианты реализации изобретения с указанием конкретных шагов, выполняемых в определенном порядке, должно быть понятно, что эти шаги могут быть объединены, разделены на части или переупорядочены без отступления от существа и объема настоящей технологии. Соответственно, порядок выполнения и группирование этих шагов не являются ограничением настоящей технологии.