ЛАЗЕРНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТРЕХМЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ НАВИГАЦИИ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Область техники.
Техническое решение относится к устройствам, датчикам, сенсорам технического зрения или лазерного трехмерного сканирования, системам автономной навигации транспортных и робототехнических средств.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент США №7969558, опубликованный от 28.06.2011, «Лидар с высоким разрешением». Патент компании Velodyne описывает лидар с вращающейся приемо-передающей головкой, которая содержит в себе множество пар лазер-приемник, а также прецизионную механику. Решение обладает высокими техническими характеристиками, точностью, но при этом сложность системы существенно увеличивает себестоимость и снижает надежность.
Из уровня техники известна патентная заявка США №20140211194 А1, опубликованная от 31.07.2014, «Многозадачный лидар детектор с низкой стоимостью для детектирования множества сигналов, включая слабые сигналы и метод его использования». В документе описывается конструкция компактного лидара с улучшенными алгоритмом обработки отражений. Лидар предназначен для транспорта и робототехники. Тем не менее, конструкция содержит двигатель и вращаемый оптический блок, что увеличивает себестоимость системы и снижает надежность.
Техническая задача и технический результат.
Технической задачей является разработка лидара для построения трехмерного изображения окружающей обстановки в режиме реального времени с возможностью сканирования сцены лазерным лучом и приемником излучения одновременно.
Техническим результатом является сниженное требование к углу обзора фотоприемника (угол может быть меньшим).
Решение.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать лазерный сканирующий трехмерный дальномер, содержащий:
a. передающий канал, включающий импульсный когерентный источник ИК-излучения и коллиматор,
b. принимающий канал, включающий, фотодетектор на лавинном диоде с фокусирующей оптикой,
c. блок обработки и управления.
При этом дальномер включает микроэлектромеханическое зеркало для сканирования сцены, а также имеет совмещенные оптические оси передающего и принимающего каналов за счет использования наклоненного зеркала, выполненного с отверстием в центре, через которое беспрепятственно проходит коллимированный пучок излучения передающего канала, и при этом после отражения от объекта сканирования пучок излучения большего размера преимущественно направляется указанным зеркалом в принимающий канал.
Устройство может быть выполнено таким образом, что когерентным источником света является, по крайней мере, один лазерный диод, излучающий в ИК-спектре. Также могут быть использованы, по крайней мере, два лазерных диода, излучающих в ИК-спектре, выполненных с возможностью попеременного генерирования оптических импульсов с целью увеличения частоты следования оптических импульсов кратно количеству используемых лазерных диодов. При этом фотодетектор может быть выполнен на одном или нескольких лавинных фотодиодах, а микроэлектромеханическое зеркало с двухкоординатным подвесом. Блок обработки и управления может быть выполнен с возможностью передачи данных на удаленное устройство.
Для реализации устройства элементы следует жестко закрепить внутри корпуса в пылевлагозащищенном исполнении с прозрачными для ИК-излучения окнами, выполненного с возможностью монтирования на транспортное средство.
Описание чертежей.
На фиг. 1 изображена крупноблочная оптическая схема лидара.
Введены следующие обозначения:
1 - источник импульсного лазерного излучения (ИЛИ1),
2 - коллиматор,
3 - зеркало с отверстием в центре,
4 - МЕМС,
5 - контроллер лидара,
6 - ADC,
7 - TDC,
8 - пиковый детектор,
9 - дискриминатор,
10 - усилитель,
11 - ЛФД.
Детальное описание решения.
Объектом патентования является лидар (лазерный сканирующий трехмерный дальномер реального времени), устанавливаемый на транспортных средствах, работающих в помещении и на открытом воздухе, и предназначенный для оперативного сканирования окружающей среды/обстановки во время движения транспортного средства.
Использование лидара позволяет получить трехмерное изображение окружающих объектов в электронном цифровом виде, которое затем может быть передано по каналам передачи данных и обработано автоматически на компьютере с помощью известных алгоритмов для выделения на изображении объектов и их классификации, а также для построения маршрута и геопозиционирования транспортного средства, на котором установлен лидар. Вышеупомянутые алгоритмы обычно не являются частью технического решения лидара, однако в нашем лидаре некоторая часть этих алгоритмов реализуется в ПО лидара.
Разрабатываемый лидар включает в себя следующие основные компоненты.
1. Приемопередающий тракт лидара выполнен по коаксиальной схеме, что дает возможность сканирования сцены лазерным лучом и приемником излучения одновременно. Это снижает требования к углу обзора фотоприемника (угол может быть в данном случае меньшим).
Приемопередающий тракт состоит из следующих блоков:
1.1. Лазерного блока, состоящего из одного или нескольких лазерных диодов, коллимирующей оптики и оконечных усилителей лазерных диодов, и работающего в диапазонах длин волн 900-950 нм или 1500-1600 нм, обеспечивая повышенную безопасность для глаз и улучшенное качество сканирования в замутненной среде. На рынке представлены лазерные диоды производства Osram и Excelitas, работающие на длине волны лазера 905 нм, и лазерные диоды производства Laser Components, Applied Optoelectronics, Seminex, работающие на длине волны 1550 нм.
1.2. Блока детектирования, который основан на одном или нескольких лавинных фотодиодах и оснащен усилителем с особыми характеристиками. Усилитель является достаточно широкополосным, чтобы усиливать без искажений импульсы с фронтами длительностью до 1 наносекунды. Усилитель является достаточно малошумящим, чтобы регистрировать возвраты на детекторе с 95% вероятностью для заданной дистанции измерений, мощности излучения лазерного блока и отражающей способности объекта.
1.3. Сканатор на базе двухкоординатного MEMS-зеркала, обеспечивающий высокую надежность/длительное время наработки на отказ лидара.
2. Вычислительный блок, выполняющий следующие функции:
а. Вычисление дистанции по времяпролетном принципу.
б. Формирование паттерна сканирования (т.е. траектории движения лазерного луча при сканировании сцены) и его трансляция в сканирующее устройство. Причем паттерны сканирования являются стандартными и предопределенными, либо задаваемыми пользователем.
в. Управление лазерным блоком: формирование синхросигналов для определения точных координат точки доставки каждого лазерного импульса.
г. Предобработка - выполнение алгоритмов обработки данных измерений.
д. Формирование потока выходных данных в стандартном формате или в формате, определенном пользователем.
3. Встроенное ПО - обеспечивает обработку результатов измерений и реализует интерфейс внешнего управления лидаром.
В процессе перенастройки режима работы лидара возможно изменение следующих параметров (в процессе работы или в режиме обслуживания):
- паттерн сканирования (путь сканирующего лазерного пучка по сцене)
- скорость сканирования / частота кадров / разрешение
- мощность излучения
- формат выходных данных
- скорость передачи выходных данных
- формат и способ передачи данных диагностики
4. Корпус - встраиваемый, пылевлагозащищенный, виброустойчивый.
Элементы полезной модели функционально связаны следующим образом (фиг 1). ИЛИ1 (1) содержит импульсный источник ИК-излучения на одном или нескольких лазерных диодах. Он связан с Ктр1 (5), который обеспечивает питание и посылает высокочастотные синхросигналы на ИЛИ1 (1) для формирования импульсов лазера.
Коллиматор Кол1 (2) обеспечивает коллимацию (минимизирует расходимость) лазерного луча ИЛИ1 (1), приводя его к диаметру Д1.
Расположенное под углом зеркало 3 пропускает коллимированный лазерный пучок сквозь отверстие, проходящее по центру под углом к его поверхности.
Сканатор на двухкоординатном МЕМС-зеркале (4) отклоняет луч на произвольные углы по двум координатам после его прохождения через зеркало 3. После этого луч выходит из лидара и отражается от непрозрачных объектов снаружи. Сканатор 4 получает управляющие команды для формирования углов отклонения зеркала по двум координатам от Ктр1 (5).
Импульсы, отраженные от внешних объектов, отражаются зеркалом 3 и затем принимаются детектором ЛФД (11).
Сигналы с ЛФД (11) обрабатываются усилителем (10), пиковым детектором (8) и дискриминатором (9), и далее обрабатываются Ктр1 (5) с целью вычисления дистанции для каждого импульса по времяпролетному принципу и коэффициента отражения поверхности.
Предлагаемый лидар обладает следующими отличительными техническими признаками:
- использование сканирующего устройства на базе двухкоординатного MEMS-зеркала,
- использование коаксиальной оптической схемы с наклоненным зеркалом,
- использование встроенного ПО для предобработки результатов измерений и интерфейса внешнего управления,
- использование встраиваемого корпуса в качестве компонента транспортного средства или робота, встроенного в общий корпус данного транспортного средства. Конструктивное исполнение корпуса подразумевает внешние крепления, технологические отверстия и радиаторы охлаждения.