改進(jìn)的激光測距傳感器的制造方法
【專利摘要】本說明書公開了一種用于獲取車輛分類信息的脈沖飛行時(shí)間測距系統(tǒng)。傳感器確定到在傳感器的感測區(qū)內(nèi)行進(jìn)的車輛的各部分的距離范圍。由具有反射表面的四面立方體組成的掃描機(jī)構(gòu)用于朝著行進(jìn)車輛對準(zhǔn)和引導(dǎo)激光。處理系統(tǒng)處理各自距離范圍數(shù)據(jù)和角度范圍數(shù)據(jù)以便確定車輛的三維形狀。
【專利說明】改進(jìn)的激光測距傳感器
[0001]交叉引用
[0002]本說明書依賴于2011年9月13日提交、發(fā)明名稱為“改進(jìn)的激光測距傳感器”的美國臨時(shí)專利申請第61/534，148號。在此通過引用全文并入上述說明書。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本說明書涉及一般涉及物體傳感器，尤其涉及可用在精確和準(zhǔn)確感測，檢測和/或分類車輛中，同時(shí)也能夠觸發(fā)交通、進(jìn)口、出口或其它監(jiān)管執(zhí)法攝像機(jī)的改進(jìn)激光測距傳感器。
【背景技術(shù)】
[0004]傳統(tǒng)光電傳感器使用飛行時(shí)間型激光測距系統(tǒng)來測量從道路表面上方的固定點(diǎn)到道路表面的垂直距離，然后測量到從傳感器下面通過或停止在傳感器下面的車輛的距離。由于脈沖束的高重復(fù)速率，傳統(tǒng)系統(tǒng)能夠隨著車輛在傳感器下面移動使用多個(gè)相繼范圍測量值得出車輛的縱向輪廓。一些傳統(tǒng)系統(tǒng)可能還能夠確定車輛速率并使用這個(gè)信息得出車輛的輪廓。
[0005]傳統(tǒng)上，傳感器接收從該區(qū)域或像車輛那樣的位于該區(qū)域內(nèi)的物體反射的能量的一部分。然后將返回的脈沖能量作為輸入提供給接收器，以便確定可能由該區(qū)域內(nèi)物體的存在引起的、發(fā)射和接收的脈沖的飛行時(shí)間變化。該傳感器還具有可用在提供指示該區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)物體的速度、調(diào)查、尺寸或形狀的輸出中的各種特征。例如，典型的傳感器配備了從飛行時(shí)間確定裝置接收輸入以及提供指示該物體是否滿足多條分類準(zhǔn)則之一(例如，該物體是汽車，卡車還是摩托車)的輸出的組件。
[0006]這樣的傳感器正跨越包括收費(fèi)、流通流分析、橋梁/隧道凈空驗(yàn)證，以及交通控制和監(jiān)察的各式各樣應(yīng)用，用作跟蹤和分析交通的非侵入性解決方案。這些應(yīng)用具有需要高度準(zhǔn)確傳感器跟蹤和檢測能力的高度動態(tài)操作環(huán)境。傳統(tǒng)系統(tǒng)仍然不能具有使車輛得到識別和分類的足夠高掃描速率地精確測量和跟蹤通過一個(gè)地點(diǎn)的高速交通流，尤其在惡劣天氣期間。
[0007]于是，需要一種在高掃描速率上具有提高的范圍精度和分辨率的傳感系統(tǒng)。還需要一種減少由不利天氣狀況引起的假測量值的傳感器系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本說明書公開了一種包含用于提供車輛分類信息的激光裝置的脈沖飛行時(shí)間測距傳感器。更具體地說，本說明書公開了一種包含在車輛在傳感器的感測區(qū)內(nèi)行進(jìn)的情況下確定從傳感器到車輛的各部分的距離范圍的激光裝置的脈沖飛行時(shí)間測距傳感器。本說明書還公開了與每個(gè)距離范圍數(shù)據(jù)輸出的傳感器角相對應(yīng)的各自范圍數(shù)據(jù)輸出。另外，提供了讓至少一條光束掃過車輛的掃描裝置，在一個(gè)實(shí)施例中該掃描裝置是用作掃描鏡、具有反射表面的四面立方體。并且，還提供了處理各個(gè)距離范圍數(shù)據(jù)和角度范圍數(shù)據(jù)以便確定車輛的三維形狀的處理裝置。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，本說明書提供了一種確定車輛的三維形狀的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含:包含激光發(fā)射器和光電檢測器的距離傳感器，用于生成多條激光束和檢測多條反射束，所述反射束的每一條對應(yīng)于多條生成激光束之一；相對于該距離傳感器放置的掃描機(jī)構(gòu)，用于對準(zhǔn)跨過車輛的所述生成激光束的每一條，其中所述掃描機(jī)構(gòu)包含每一個(gè)具有反射表面的四面立方體，其中相對于該距離傳感器地放置所述四面立方體，以便適合反射所生成激光束，以及其中所述掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包含與所述距離傳感器數(shù)據(jù)通信觸發(fā)激光束的生成以便形成預(yù)定掃描角的掃描器控制電路；以及處理系統(tǒng)，用于當(dāng)車輛在傳感器的感測區(qū)內(nèi)行進(jìn)時(shí)，使用從所述生成激光束和反射束的定時(shí)中導(dǎo)出的飛行時(shí)間測量值確定從傳感器到車輛的某些部分的距離范圍，以及根據(jù)距離范圍確定車輛的三維形狀。
[0010]并且，本說明書的系統(tǒng)還包含用于飛行時(shí)間測量的時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，其中該TDC適用于接收來自單個(gè)激光脈沖的多達(dá)四個(gè)返回脈沖。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包含至少兩個(gè)TDC。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，本說明書所述的四面立方體以恒定速度沿著一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使得每轉(zhuǎn)一圈能夠掃描四次。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)生成多個(gè)激光覆蓋區(qū)，以及其中所述激光覆蓋區(qū)表現(xiàn)為端到端接觸和提供連續(xù)檢測線的條紋。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，本說明書公開了一種確定通過包含激光發(fā)射器和光電檢測器的測距傳感器的感測區(qū)的車輛的三維形狀的方法，該方法包含:使用包含四面立方體的掃描機(jī)構(gòu)讓多條激光束掃過車輛，所述四面立方體具有用于沿著直線引導(dǎo)激光束跨過其視場的反射面，所述掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包含在預(yù)定掃描角上觸發(fā)激光器的掃描器控制電路；使用飛行時(shí)間測量值確定從傳感器到車輛的某些部分的距離范圍；以及處理每個(gè)掃描角的距離范圍數(shù)據(jù)以便確定車輛的三維形狀。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，該四面立方體在掃描期間以恒定速度沿著一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，該掃描立方體適用于每轉(zhuǎn)一圈掃描四次。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，本說明書的方法進(jìn)一步將時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)用于飛行時(shí)間測量，其中該TDC適用于接收來自單個(gè)激光脈沖的多達(dá)四個(gè)返回脈沖。在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包含至少兩個(gè)TDC。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)在掃描期間生成多個(gè)激光覆蓋區(qū)，以及其中所述激光覆蓋區(qū)的每一個(gè)表現(xiàn)為端到端接觸和提供連續(xù)檢測線的條紋。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)的距離范圍分辨率是± lcm。在另一個(gè)實(shí)施例中，該距離范圍測量值的極限是可定制的。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，該掃描器控制電路每度掃描角觸發(fā)激光脈沖一次。
[0019]在下面提供的附圖和詳細(xì)描述中將更深刻地描述本說明書的上述和其它實(shí)施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將得到進(jìn)一步認(rèn)識，因?yàn)楫?dāng)結(jié)合附圖來考慮時(shí)，通過參考如下詳細(xì)描述可以更好地了解它們:
[0021]圖1示出了安裝在道路上方的光電傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的正視圖；[0022]圖2是描述在圖1中、安裝在高度“H”上和具有向前俯視角“A”的傳感器的側(cè)視圖；
[0023]圖3示出了在一個(gè)實(shí)施例中傳感器被安裝在近似7米的高度上的激光覆蓋區(qū)(footprint)；
[0024]圖4是提供傳感器相對于交通方向成0°角時(shí)隨傳感器的安裝高度而變的車道(lane)覆蓋數(shù)據(jù)的表格；
[0025]圖5A是示出依照一個(gè)實(shí)施例的感測系統(tǒng)的多個(gè)性能參數(shù)的表格；
[0026]圖5B是描述依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)激光輸出參數(shù)的表格；
[0027]圖5C是示出依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、傳感器能夠工作的多種環(huán)境因素和相關(guān)性能參數(shù)的表格；以及
[0028]圖6圖示了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)立方體掃描器。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本說明書公開了一種包含提供車輛分類信息的激光裝置的脈沖飛行時(shí)間測距傳感器系統(tǒng)。更具體地說，本說明書公開了一種脈沖飛行時(shí)間測距傳感器系統(tǒng)，其包含在車輛在傳感器的感測區(qū)內(nèi)行進(jìn)的情況下確定從傳感器到車輛的某些部分的距離范圍的激光裝置，以及與每個(gè)距離范圍數(shù)據(jù)輸出的傳感器角相對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出的各自范圍。
[0030]另外，該感測系統(tǒng)包含讓至少一條光束掃過車輛的掃描裝置，在一個(gè)實(shí)施例中該掃描裝置是用作掃描鏡、具有反射表面的四面立方體。并且，還提供了處理各自距離范圍數(shù)據(jù)和角度范圍數(shù)據(jù)以便確定車輛的三維形狀的處理裝置。
[0031]本說明書公開了多個(gè)實(shí)施例。提供如下公開是為了使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。用在本說明書中的語言不應(yīng)該解釋為否認(rèn)任何一個(gè)特定實(shí)施例的一般性，或用于將權(quán)利要求限制成超過本文使用的術(shù)語的含義。本文界定的一般原理可以不偏離本發(fā)明的精神和范圍地應(yīng)用于其它實(shí)施例和應(yīng)用。此外，使用的術(shù)語和短語用于描述示范性實(shí)施例的目的，不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的。因此，當(dāng)前公開的發(fā)明應(yīng)當(dāng)與包含符合公開的原理和特征的許多替代例、修改例、和等效例的最寬范圍一致。為了清楚起見，不詳細(xì)描述與在本發(fā)明所涉及的【技術(shù)領(lǐng)域】中已知的技術(shù)內(nèi)容有關(guān)的細(xì)節(jié)，以免不必要地掩蓋本發(fā)明。
[0032]圖1示出了安裝在含有多種行車道115的道路110上方的感測系統(tǒng)的光電傳感器105的正視圖，該傳感器105用于感測、檢測和/或分類從傳感器105下面通過的車輛120，以及還用于觸發(fā)視頻和音頻捕獲裝備。依照一個(gè)實(shí)施例，在多車道電子收費(fèi)操作中將傳感器105用于檢測以高速公路速度行進(jìn)的車輛。傳感器105通常被安裝在行進(jìn)車道的頭頂上的龍門架、橫桿或收費(fèi)站層頂結(jié)構(gòu)125上。更具體地說，傳感器被優(yōu)選地安裝在在道路110的上方延伸和通過固定地附在龍門結(jié)構(gòu)125的左右垂直部分上保持在空中的龍門結(jié)構(gòu)125的水平部分的中心點(diǎn)上或附近。
[0033]圖2是安裝在近似7米(23英尺)的高度“H”上和具有10°的向前俯視角“A”215的傳感器205的側(cè)視圖。傳感器被優(yōu)選地安裝成偏離垂直方向，以便從傳感器205發(fā)射的光束225朝著道路向下行進(jìn)，以相對于龍門架230小于90°的角度與道路相交。這樣的角度可以通過使用在小于25°的范圍中的俯視角215，優(yōu)選的是近似10°相對于龍門架230安裝傳感器205形成。[0034]參照圖1和2，在工作期間，傳感器105掃描道路，跨過在傳感器下面的道路的寬度地作出距離/范圍測量。當(dāng)不存在車輛時(shí)，范圍測量值等于到道路110的距離范圍。當(dāng)在傳感器下面存在車輛120時(shí)，在每次掃描時(shí)測量到車輛的頂面的距離，并提供車輛的橫向高度輪廓。因此，當(dāng)車輛通過掃描激光束時(shí)，如圖2所示，通過朝著車輛發(fā)射多條激光束，檢測多條激光束每一條的相應(yīng)反射束，記錄每條發(fā)射和相應(yīng)反射束的飛行時(shí)間以及使用飛行時(shí)間數(shù)據(jù)生成距離信息來測量到車輛的表面上的各種點(diǎn)的距離或范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器105以120次掃描每秒(sps)的速率跨過90°視場的寬度掃描窄激光束135。窄激光束寬度使高速行進(jìn)的緊跟車輛能夠得到檢測和分離。
[0035]然后將這些范圍或測量距離用在生成車輛輪廓中。該輪廓通過將在本領(lǐng)域中眾所周知的幾何變換用于獲得的距離測量值形成。在一個(gè)實(shí)施例中，以各種掃描角度進(jìn)行光束掃描，以獲取較寬范圍的距離測量值和生成更精確的車輛輪廓。
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中，使這些測量值實(shí)時(shí)地流式輸入(使用有線和/或無線網(wǎng)絡(luò))計(jì)算機(jī)中，該計(jì)算機(jī)被編程成唯一地檢測、分類和確定每輛車在道路中的位置。依照本發(fā)明的一個(gè)方面，掃描激光測距儀測量使車輛檢測和觸發(fā)的精度能夠得到提高的單個(gè)平面輪廓。在一個(gè)實(shí)施例中，脈沖飛行時(shí)間范圍測量提供精確的±2.5cm(±1.0in)車輛輪廓。通過使相繼掃描流式輸入計(jì)算機(jī)中，可以實(shí)時(shí)地得出完整三維車輛輪廓。
[0037]這里應(yīng)當(dāng)注意的是，傳感器安裝高度可能隨每個(gè)安裝地點(diǎn)而變。下面提供了以及參照圖4示出了各種水平束寬和安裝高度相關(guān)性，圖4提供了提供傳感器相對于交通方向成0°角時(shí)隨傳感器的安裝高度415而變的用水平束寬405表示的車道覆蓋范圍的表格。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，向前俯視角“A”在0°到10°的范圍中，以便使發(fā)射的激光被高度反射。可選地可以在按大于10°的俯視角定位的道路上以某些長度將反射條紋涂漆在道路表面上，以提高發(fā)射激光的反射。如果路面很黑，因此反射率低，則可選地應(yīng)用反射條紋。這保證了在有雨水停留在路面上和往往背離掃描器反射能量(似鏡面效果)的雨天里有足夠的能量反射回來。
[0038]回頭參照圖1和2，依照一個(gè)實(shí)施例，傳感器105，205應(yīng)用以并排、偏軸配置包含二極管激光發(fā)射器和硅雪崩光電二極管(APD)接收器的脈沖飛行時(shí)間測距儀。例如，如本文所使用，雪崩光電二極管是當(dāng)由于電子雪崩受到少量飛行物沖擊時(shí)生成大量電流的光電傳感器。該發(fā)射器包含二極管激光器、它的驅(qū)動電路、和準(zhǔn)直透鏡。該光接收器包含每一個(gè)都相互耦合的物鏡、窄帶濾光器、檢測器/放大器、和閾值檢測器。
[0039]在一個(gè)實(shí)施例中，二極管激光器是受二極管驅(qū)動器驅(qū)動產(chǎn)生脈沖輸出的InGaAs(銦鎵砷)注入式激光器。來自掃描器控制電路的觸發(fā)脈沖在所需掃描角上觸發(fā)激光器。在一個(gè)實(shí)施例中，硅AH)接收器的理想激光器發(fā)射波長是904nm(納米)。圖5B示出了述依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多個(gè)激光輸出參數(shù)，包括但不限于波長、最大脈沖寬度、每個(gè)脈沖的最大能量、和平均激光功率。在一個(gè)實(shí)施例中，激光波長是904nm。在一個(gè)實(shí)施例中，最大脈沖寬度是8ns (納秒)。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)脈沖的最大能量是64nJ (納焦)。在一個(gè)實(shí)施例中，平均激光功率是8 μ W (微瓦)。上面提供的數(shù)量是反映本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范性數(shù)值。應(yīng)當(dāng)注意到，可以改變這些數(shù)值，以及由于制造誤差可能隨單元而稍有不同。
[0040]依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該傳感器還應(yīng)用旋轉(zhuǎn)四面立方體來直線掃描，因此沿著直線跨過其(道路)視場地有效引導(dǎo)二極管激光器脈沖。因此，將四面立方體用作激光準(zhǔn)直器。參照圖6,立方體掃描器601以恒定速度沿著一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。立方體掃描器601包含四個(gè)側(cè)面，或小面601a, 601b, 601c和60Id。在一個(gè)實(shí)施例中，立方體掃描器601包含由四個(gè)小面601a，601b, 601c和601d形成的一個(gè)正方或長方塊691和也由四個(gè)小面形成的第二正方或長方塊692。配置成接收和反射來自激光二極管602的發(fā)射能量的第二方塊692、和配置成接收和反射來自道路或車輛的反射能量的第一方塊691可以相隔一個(gè)間隙，以及在物理上可以通過一根軸耦合，以便兩個(gè)方塊691，692能夠彼此相對旋轉(zhuǎn)。將兩個(gè)方塊691，692安裝在基座693上，基座693可以與第二方塊692相隔一個(gè)間隙，并且以允許它們旋轉(zhuǎn)的方式與兩個(gè)方塊耦合。
[0041]每個(gè)方塊691，692中的每個(gè)小面包含反射面。每個(gè)小面之間以及每個(gè)小面與各自方塊的底面之間的角度都是90°。四面掃描立方體能夠每轉(zhuǎn)一圈掃描四次。傳統(tǒng)掃描系統(tǒng)使用以45°角安裝在激光器的軸上單個(gè)鏡面，從而使鏡子每轉(zhuǎn)一圈只掃描一次。通過具有與激光器軸垂直的四個(gè)小面，本系統(tǒng)的立方體601為每轉(zhuǎn)一圈掃描四次創(chuàng)造了條件。這樣，本系統(tǒng)中的電機(jī)只需以傳統(tǒng)系統(tǒng)中的電機(jī)速度的1/4速度旋轉(zhuǎn)就可以達(dá)到相同掃描次數(shù)。另外，由于在本系統(tǒng)中每旋轉(zhuǎn)1°將激光脈沖化一次，所以使用四面立方體使本系統(tǒng)中的激光可以以傳統(tǒng)系統(tǒng)的重復(fù)速率的1/4脈沖化。這使本系統(tǒng)可以更快地轉(zhuǎn)動電機(jī)，更迅速地掃描，以及以較低頻率將激光脈沖化，這使激光器避免了過度工作或加熱到有害溫度。
[0042]即使高速公路具有三條或更多條車道，旋轉(zhuǎn)立方體也能夠?qū)崿F(xiàn)跨過整條高速公路沿著近直線掃描二極管激光器602所需的固定角分離。將電機(jī)控制機(jī)構(gòu)603與立方體601耦合以有助于旋轉(zhuǎn)。用于電機(jī)速度控制631和小面位置632的信號通過數(shù)字信號處理器(DSP) 610生成，在一個(gè)實(shí)施例中，DSP610通過適當(dāng)接口 660與計(jì)算機(jī)連接。
[0043]DSP610還生成觸發(fā)激光器驅(qū)動器604以便激活激光二極管602的激光器觸發(fā)信號633。從二極管激光器發(fā)射的激光束使用透鏡605對準(zhǔn)。光束640被旋轉(zhuǎn)立方體掃描器601引導(dǎo),通過溫控窗口 606掃描目標(biāo)車輛。因?yàn)樵摯翱谀軌虬此杓訜岷?或冷卻，所以該窗口較不容易由于凝結(jié)而起霧或變模糊。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，光檢測電路將從車輛和/或道路反射的光福射轉(zhuǎn)換成輸入福射的等效電模擬量，隨后轉(zhuǎn)換成邏輯電平信號。因此，從目標(biāo)車輛650反射的激光束再次被掃描立方體601引導(dǎo)，通過包含接收器物鏡607、濾波器608和APD檢測器609的光檢測電路，最后到達(dá)光接收器611。邏輯電平信號在范圍計(jì)數(shù)邏輯電路620內(nèi)得到處理，生成數(shù)字范圍數(shù)據(jù)634。
[0045]在一個(gè)實(shí)施例中，脈沖飛行時(shí)間測量值被數(shù)字信號處理器(DSP)610讀取，轉(zhuǎn)換成距離/范圍測量值。在一個(gè)實(shí)施例中，時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)作為單芯片上的集成電路用于飛行時(shí)間測量。這種器件使系統(tǒng)的嵌入式軟件能夠通過提供點(diǎn)火激光器時(shí)生成的開始脈沖635與激光器的反射能量擊中目標(biāo)并反射回到掃描器時(shí)生成的停止脈沖636之間的時(shí)間間隔，確定在掃描器下面的物體的范圍。與現(xiàn)有技術(shù)的時(shí)間到模擬轉(zhuǎn)換(TAC)和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)多芯片電路相比，TDC的使用提供了更好的分辨率、更小的尺寸、更簡單的電路、更低的功耗和更低的成本。這是因?yàn)椋琓DC技術(shù)將時(shí)間分段轉(zhuǎn)換成那個(gè)時(shí)間的數(shù)字表示，而TAC技術(shù)將時(shí)間分段轉(zhuǎn)換成以后必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的模擬值。TAC需要相對大量的電路來執(zhí)行該任務(wù)，而TDC由小集成電路組成。TDC與等效TAC電路所需的電路板基面相比，消耗該電路板基面的約0.005%。在一個(gè)實(shí)施例中，相對于現(xiàn)有技術(shù)中的±7.62cm，范圍分辨率提高到±lcm。
[0046]并且，TDC可以接收來自單個(gè)激光脈沖的多達(dá)四個(gè)返回脈沖。依照一個(gè)實(shí)施例，通過使用傳感器上的兩個(gè)TDC芯片，以便在它們之間來回切換，可以接收來自單個(gè)激光脈沖的八個(gè)返回脈沖。在一個(gè)實(shí)施例中，對于設(shè)置在36ft上的最大范圍，在不超過70nS或0.00000007秒中接收八個(gè)返回脈沖?？梢宰⒁獾?，這也可以使用TAC來實(shí)現(xiàn)，但達(dá)到該目的所需的電路的數(shù)量將在電路板上占據(jù)至少200多倍的空間。這種配置通過忽略來自不利天氣狀況的返回和使用來自在傳感器下面行進(jìn)的車輛的返回，提高了洞察下雨、下雪和起霧的不利天氣狀況的能力。
[0047]圖5C示出了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、傳感器能夠工作的多種環(huán)境因素和相關(guān)性能參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)境因素包括但不限于溫度、熱沖擊、濕度、雨量、雪負(fù)載、冰負(fù)載、風(fēng)負(fù)載、灰塵、振動、沖擊、可靠性和可維護(hù)性。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，提供的激光器幾何和對準(zhǔn)光具(四面立方體)提供了特征發(fā)散角在垂直軸上為82.6微弧度和在水平軸上為16.5微弧度的激光覆蓋區(qū)。當(dāng)顯示在圖1中的傳感器105被安裝在道路上方的7.65m(25英尺)高度上時(shí)，掃描90個(gè)激光脈沖照射的地面上的道路的寬度覆蓋15.3米(50英尺)。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)傳感器105被安裝在道路上方的約6m(20英尺)高度上時(shí)，單個(gè)激光脈沖照射道路上的
0.762mm(0.03 ;丨)X 139mm(5.49 '丨)條紋/覆蓋區(qū)，從而當(dāng)每度掃描角將激光脈沖化一次時(shí)，提供高車道內(nèi)分辨率和兩條或三條車道的最佳車道間覆蓋。在另一個(gè)實(shí)施例中，如果將傳感器安裝在，例如，7米的高度上，則激光束的每個(gè)范圍測量值照射路面上的
0.508111111(0.02' ' ) X 115.6mm(4.55'')條紋 / 覆蓋區(qū)。
[0049]參照圖3，在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)將傳感器安裝在25英尺的高度上時(shí)，落在路面上的激光覆蓋區(qū)在垂直方向310上約0.15in(3.6mm)和在水平方向305上約4.6in(117mm)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，覆蓋區(qū)表現(xiàn)為沿著路面的條紋。這些“條紋”樣式覆蓋區(qū)在掃描期間形成，表現(xiàn)為剛好端到端接觸，因此提供連續(xù)檢測線的跨過道路的相繼條紋。條紋狀覆蓋區(qū)樣式是使用發(fā)光芯片的輸出小面在形狀上是長方形的二極管激光器的結(jié)果。
[0050]在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)每次掃描生成90個(gè)像素，該90個(gè)像素其間存在很小間隙地跨過掃描線排成一行。對于圖1的安裝幾何，像素間隙比大于18.8。在這個(gè)安裝高度上隨后像素之間的間隙近似6.6mm(0.26'')。因此，大于該間隙的尺寸的任何形狀，例如，5cm(2/ ')橫桿都將被傳感器的至少一個(gè)像素檢測到，從而在一個(gè)實(shí)施例中能夠達(dá)到超過99%的車輛檢測精度。表現(xiàn)為連續(xù)掃描線的這種類型的激光覆蓋區(qū)使得，例如，可以檢測掛車及其牽引車的附件?？梢宰⒁獾?，高像素間隙比是使用本系統(tǒng)的條紋狀連續(xù)掃描線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)實(shí)施例中，按1°間隔將激光脈沖化。對于已知的間隔，選擇適當(dāng)激光寬度和光具以產(chǎn)生特定光束發(fā)散角，以便激光的寬度隨著角分離在尺寸上以精確速率增大。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員要認(rèn)識到，傳統(tǒng)激光掃描器與本發(fā)明的條紋狀連續(xù)掃描線相反，具有圓形覆蓋區(qū)，因此傳統(tǒng)掃描器隨著范圍增大造成大量重疊，而當(dāng)前公開的實(shí)施例使重疊最小。
[0051]圖5A是示出像掃描速率、范圍精度、角分辨率等那樣，依照一個(gè)實(shí)施例的本發(fā)明的傳感器的多個(gè)性能參數(shù)的表格。依照所公開發(fā)明的一個(gè)方面，傳感器的最小范圍選通可以由客戶設(shè)置和/或定制。這使客戶能夠?qū)鞲衅髟O(shè)置成忽略直到預(yù)定范圍的任何返回，只處理在那個(gè)范圍之外的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，可以以l/8ft增量將最小范圍選通設(shè)置成從Oft到25ft。這也可以用于禁止不利天氣狀況引起使受到掃描的車輛的所得三維輪廓失真的短范圍(誤報(bào))。
[0052]在一個(gè)實(shí)施例中，客戶可以定制出現(xiàn)在每次掃描中的脈沖的數(shù)量。在一個(gè)實(shí)施例中，客戶可以定制掃描的角度。在一個(gè)實(shí)施例中，可以從最大90°到最小20°調(diào)整掃描的角度。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員要認(rèn)識到，可以按照用戶偏愛通過軟件調(diào)整幾個(gè)其它參數(shù)。
[0053]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員要認(rèn)識到，由于本發(fā)明的傳感器在單個(gè)平面中測量范圍，所以運(yùn)動車輛的速度可選地由其它傳感器來捕獲，以便實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的三維測量。但是，甚至未校準(zhǔn)的3D輪廓也使有關(guān)車輛輪廓的信息有價(jià)值，使計(jì)算機(jī)能夠容易地區(qū)分，例如，卡車和客車。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員要認(rèn)識到，像卡車、客車、皮卡、小轎車、面包車、四門轎車、敞篷車、緊湊型轎車等那樣，各種類型的車輛分類只受軟件的復(fù)雜性限制，因此該系統(tǒng)可以適用于將車輛分類成任何數(shù)量的類別。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)能夠分類多達(dá)12個(gè)類別的車輛。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的傳感器在加電時(shí)自動初始化測距過程，以及它的自校過程省去了初始化時(shí)任何現(xiàn)場調(diào)整的需要。
[0054]依照另一個(gè)方面，本發(fā)明的系統(tǒng)具有與范圍數(shù)據(jù)一起報(bào)告反射物體的強(qiáng)度的能力?？邕^掃描線的每個(gè)像素的反射強(qiáng)度用于進(jìn)行范圍校正以及在確定車輛的類別時(shí)向分類算法提供附加數(shù)據(jù)。另外，強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以用于在不利天氣狀況下改進(jìn)車輛的分類和檢測。在從地面上的池水或油反射或從車輛擋風(fēng)玻璃反射的情況下，傳感器報(bào)告的范圍可以顯著大于到參考表面的實(shí)際范圍。因此，強(qiáng)度數(shù)據(jù)的捕獲有助于用戶理解為什么從傳感器報(bào)告的數(shù)據(jù)似乎是錯(cuò)誤的。故障查找的另一個(gè)例子是由于不明原因變更了傳感器的光學(xué)對準(zhǔn)的情況。在這種情況下，反射回到掃描器的強(qiáng)度對于適當(dāng)和一致測距來說可能太低。于是，分析范圍和強(qiáng)度數(shù)據(jù)使系統(tǒng)操作人員能夠識別傳感器性能降低的原因。
[0055]上面的例子僅僅圖示了本發(fā)明的系統(tǒng)的許多應(yīng)用。盡管本文只描述了本發(fā)明的少數(shù)幾個(gè)實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)明白，可以不偏離本發(fā)明的精神或范圍地以許多其它特定形式將本發(fā)明具體化。因此，當(dāng)前例子和實(shí)施例應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是圖示性的而不是限制性的，可以在所附權(quán)利要求書的范圍對本發(fā)明加以修改。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定車輛的三維形狀的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含: 包含激光發(fā)射器和光電檢測器的距離傳感器，用于生成多條激光束和檢測多條反射束，所述反射束的每一條對應(yīng)于多條生成激光束之一； 相對于該距離傳感器放置的掃描機(jī)構(gòu)，用于對準(zhǔn)跨過車輛的所述生成激光束的每一條，其中所述掃描機(jī)構(gòu)包含每一個(gè)具有反射表面的四面立方體，其中相對于該距離傳感器放置所述四面立方體，以便適合反射生成激光束，以及其中所述掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包含與所述距離傳感器數(shù)據(jù)通信觸發(fā)激光束的生成以便形成預(yù)定掃描角的掃描器控制電路；以及 處理系統(tǒng)，用于當(dāng)車輛在傳感器的感測區(qū)內(nèi)行進(jìn)時(shí)，使用從所述生成激光束和反射束的定時(shí)導(dǎo)出的飛行時(shí)間測量，確定從傳感器到車輛的各部分的距離范圍，以及根據(jù)距離范圍確定車輛的三維形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含用于飛行時(shí)間測量的時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中該TDC適用于接收來自單個(gè)激光脈沖的多達(dá)四個(gè)返回脈沖。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含至少兩個(gè)TDC。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該四面立方體以恒定速度沿著一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該四面立方體能夠每轉(zhuǎn)一圈掃描四次。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)生成多個(gè)激光覆蓋區(qū)，以及其中所述激光覆蓋區(qū)表現(xiàn)為端到端接觸和提供連續(xù)檢測線的條紋。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)的距離范圍分辨率是±lcm。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中距離范圍測量值的極限是可定制的。
10.一種用于確定通過包含激光發(fā)射器和光電檢測器的測距傳感器的感測區(qū)的車輛的三維形狀的方法，該方法包含: 使用包含四面立方體的掃描機(jī)構(gòu)讓多條激光束掃過車輛，所述四面立方體具有用于沿著直線引導(dǎo)激光束跨過其視場的反射面，所述掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包含在預(yù)定掃描角上觸發(fā)激光器的掃描器控制電路； 使用飛行時(shí)間測量確定從傳感器到車輛的各部分的距離范圍；以及 處理每個(gè)掃描角的距離范圍數(shù)據(jù)以便確定車輛的三維形狀。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該四面立方體在掃描期間以恒定速度沿著一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法,其中該掃描立方體適用于每轉(zhuǎn)一圈掃描四次。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包含將時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)用于飛行時(shí)間測量。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該TDC適用于接收來自單個(gè)激光脈沖的多達(dá)四個(gè)返回脈沖。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該系統(tǒng)包含至少兩個(gè)TDC。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，該系統(tǒng)在掃描期間生成多個(gè)激光覆蓋區(qū)，以及其中所述激光覆蓋區(qū)的每一個(gè)表現(xiàn)為端到端接觸和提供連續(xù)檢測線的條紋。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中測量值的距離范圍分辨率是±lcm。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該距離范圍測量值的極限是可定制的。
19.如權(quán)利要求10所述 的方法,其中該掃描器控制電路每度掃描角觸發(fā)激光脈沖一次。
【文檔編號】G01C3/08GK103988050SQ201280055639
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月13日
【發(fā)明者】K.福勒, N-M.賴 申請人:Osi光電子公司