周圍環(huán)境感測系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】周圍環(huán)境感測系統(tǒng) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及表征場景或其部分的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于檢測對象或人 (尤其是在車輛附近的對象或人）的特性（例如特征（profile)或?qū)傩裕┑南到y(tǒng)和方法。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 存在與對象的3D特征的知識有關(guān)的大量應(yīng)用。存在用于掃描對象的特征的不同 技術(shù)。基本上，這些技術(shù)能被細分為基于雷達的系統(tǒng)、基于超聲波的系統(tǒng)和光學(xué)感測系統(tǒng)。
[0004] 基于雷達的系統(tǒng)具有它們能夠感測長距離的優(yōu)點，但是它們也存在對于某些應(yīng)用 (例如跟蹤關(guān)于道路的特征）具有較差的角度和深度分辨率的缺點。
[0005] 基于超聲波的系統(tǒng)能用于短距離感測，但是它們的窄帶寬限制了深度靈敏性和采 樣分辨率，并且在空氣中的強吸收性將距離限制至幾米。
[0006] 基于光學(xué)感測的方法能被細分為通過飛行測量的時間或通過三角測量來測量距 離的不同類型。
[0007] 在飛行時間方法中，對象由光源照亮。能夠從發(fā)射和檢測之間的延遲中確定光行 進的距離。飛行時間方法能夠利用脈沖照明。
[0008] 在基于三角測量的系統(tǒng)中，使用三角學(xué)計算對象的未知位置。這種系統(tǒng)的一個例 子是在US8320621中描述的微軟的Kinect系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)化紅外光（例如圓 圈）被投影并且用3D照相機觀察到。這個系統(tǒng)最初旨在用于室內(nèi)游戲和娛樂應(yīng)用，其由于 太陽光的強度而并不適合室外使用。
[0009] 在立體電視中，從由兩個相機在不同視角下獲得的或者由一臺立體相機用兩個鏡 頭獲得的各圖像中的相應(yīng)部件之間的局部移位來確定至對象的距離?；诹Ⅲw視覺的系統(tǒng) 能利用來自機器人視覺的現(xiàn)有設(shè)置和算法，能使用環(huán)境照明操作，且不需要投影。另一方 面，基于立體視覺的系統(tǒng)具有需要具有足夠距離的校準的相機的缺點。另外，需要圖像中有 足夠的結(jié)構(gòu)來允許針對視差的交叉相關(guān)，檢測平面和水是困難的，需要足夠數(shù)量的像素，深 度靈敏度受到限制，且所使用的相機應(yīng)該具有大動態(tài)范圍以應(yīng)對各種光條件。最大的障礙 似乎是如果正被掃描的對象內(nèi)沒有足夠的結(jié)構(gòu)，則基于立體視覺的系統(tǒng)就無法工作。
[0010]因此，還存在改善周圍環(huán)境感測掃描系統(tǒng)以可在室外場合中用于以高分辨率和高 速度在大范圍內(nèi)掃描對象的特征的空間。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 本發(fā)明的實施例的目的是提供用于確定對象的特征的良好系統(tǒng)和方法。
[0013] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：其對于可能在戶外環(huán)境（例如日光和/或雨） 發(fā)生的光條件的變化是穩(wěn)健的。另外，本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：其對于其他車輛的 光是穩(wěn)健的。
[0014] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：在1至15米的范圍內(nèi)的掃描是可能的，在一些 實施例中甚至在1至30米的距離范圍內(nèi)的掃描是可能的，并且在一些實施例中在高達200 米的范圍內(nèi)的掃描是可能的。通過提供高達200米的范圍，本發(fā)明的實施例特別地適合在 自動車輛中的使用。最大的范圍可以通過使用更好的相機和激光器來改善。使用可包括使 用用于制造這樣的組件的半導(dǎo)體技術(shù)的益處。特征確定精度取決于被掃描的范圍。在根據(jù) 本發(fā)明的實施例中，能夠獲得該范圍的1/1000的精度。
[0015] 此處的精度意味著小汽車與道路之間的距離的精度。垂直精度"道路的局部高度" 甚至可以好10倍。
[0016] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：能夠獲得水平方向上1弧度和垂直方向上1弧 度的視角。根據(jù)應(yīng)用，能夠選擇不同的水平角度和垂直角度。另外，如果需要更大的視角， 可以組合更多的系統(tǒng)。
[0017] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：其對于振動是穩(wěn)健的。本發(fā)明的實施例的一個 優(yōu)點是：根據(jù)本發(fā)明的各實施例的系統(tǒng)中使用的組件典型地具有很長的壽命。
[0018] 本發(fā)明的各實施例的優(yōu)點是：每個點的平均輻射功率低于1毫瓦。在100x100個 點的輻射圖案被使用的情況下，這導(dǎo)致10瓦的總體平均輻射。該功率閾值與通常應(yīng)用的安 全規(guī)則相一致。另外，本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：根據(jù)本發(fā)明的各實施例的系統(tǒng)的功 率消耗很低。這在車輛的功率系統(tǒng)必須不會因感測系統(tǒng)而過載的車載環(huán)境中特別重要。
[0019] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：它們能夠容易地安裝并且對準是容易的，甚至 也是自動的。初始的對準可例如通過掃描平面并記錄被投影的點的位置作為初始參考來完 成。在投影儀和檢測器之間的相對位置的可能改變可通過作為整體觀察所投影的圖案而容 易地檢測到。
[0020] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：能夠提供低重量和緊湊的系統(tǒng)。本發(fā)明的各實 施例的一個優(yōu)點是：能夠獲得低成本的系統(tǒng)，例如其能夠基于能夠使用標準處理技術(shù)制造 的組件。本發(fā)明的至少一些實施例的一個優(yōu)點是：不需要對待研究對象進行機械掃描，從 而導(dǎo)致在機械上不那么復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，一個優(yōu)點是基本組件可以是可獲得的組件，例如 CMOS和(XD相機以及激光器陣列。這些組件是容易獲得的。
[0021] 當系統(tǒng)中使用了多個相機時，使用可包括用于使不同相機對準的一個或多個輻射 分離器，例如半透明反光鏡、光束分離器、光束分離立方等。
[0022] 對于諸如CMOS和C⑶相機以及激光器陣列之類的基本組件，從穩(wěn)定的性能提升和 價格下降中獲益。
[0023] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：性能是可擴展的。
[0024] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：該系統(tǒng)的設(shè)計和組件選擇使其使其可靠地運 行，而不依賴于天氣條件（例如不管該系統(tǒng)是在晚上、雨中、霧中運行）、不依賴于道路質(zhì) 量、不依賴于所使用的表面材料等。根據(jù)本發(fā)明的各實施例的系統(tǒng)非常穩(wěn)健，其在許多不同 的環(huán)境條件下提供可靠的操作。操作可以基本上不依賴于道路表面、材料類型、氣候、白天 或晚上等。
[0025] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：在表征系統(tǒng)（例如有源懸架系統(tǒng)）中使用經(jīng)感 測的和/或經(jīng)處理的數(shù)據(jù)來節(jié)省能量和/或優(yōu)化對能量的使用。
[0026] 在不改變該方法的基本原理的情況下，僅通過使用新版的相機和激光器來增加性 能。例如，在3年內(nèi)，CMOS相機從1百萬像素增加到4百萬像素，而費用相同。
[0027] 存在可取決于應(yīng)用要求來調(diào)節(jié)的不同折衷（例如功率和視野之間的折衷），從而 導(dǎo)致對于特定應(yīng)用的最佳特征。
[0028] 在根據(jù)本發(fā)明的至少一些實施例中，將為其確定特性（如特征或?qū)傩裕┑膶ο笫?車輛前面的道路。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，車輛前面的道路的信息被用來控制車輛 的懸架系統(tǒng)。本發(fā)明的各實施例尤其在被應(yīng)用于汽車應(yīng)用時的一個優(yōu)點是：其仍然以高達 50米/秒的速度運行。
[0029] 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點在于：除了受監(jiān)視的對象的信息（諸如特征），還可 以推導(dǎo)出若干其他參數(shù)。例如，當被應(yīng)用于汽車環(huán)境中時，還可以獲得小汽車的3D方向、小 汽車的速度、接近的小汽車或者其他對象的存在、道路表面上水的存在等。
[0030] 上述目標由根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置來完成。
[0031] 本發(fā)明涉及用于檢測對象的特征的車輛可安裝的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：輻射源，其適 于生成由輻射點組成的同時脈沖化的輻射圖案；至少一個檢測器，其具有多個像素；處理 器，其適于在來自輻射源的輻射被對象反射并被至少一個檢測器檢測到時處理來自至少一 個檢測器的數(shù)據(jù)；同步裝置，其對接在至少一個檢測器和輻射源之間；其中同步裝置被適 配成使至少一個檢測器與輻射源同步，使得檢測器對要被處理的輻射的檢測僅在輻射脈沖 期間被檢測，并且處理器被適于通過確定用至少一個檢測器檢測到的檢測點相對于預(yù)先確 定的參考點位置的位移來確定對象的特性。
[0032] 預(yù)先確定的參考點位置可以例如在校準階段確定。圖案的脈沖化屬性暗示輻射點 被間歇地打開和關(guān)閉。"打開"階段的持續(xù)時間可比脈沖頻率短的多。例如，該圖案可以每 16. 6毫秒被打開一次（60赫茲頻率），但是每個周期內(nèi)的照明持續(xù)時間可以是更短的量級。 輻射源可以由多個設(shè)備組成。
[0033] 位移的確定可通過對檢測到的點進行多像素擬合來以亞像素精度執(zhí)行。
[0034] 輻射源可以發(fā)射單色光，且至少一個檢測器可配備有相應(yīng)的濾光器。單色光被理 解為包括如由普通半導(dǎo)體激光設(shè)備產(chǎn)生的激光。
[0035] 具體地，濾光器可以是配備有光學(xué)器件的窄帶通濾波器，該光學(xué)器件被布置成使 得修改到所述窄帶通濾波器上的入射角度，以將所述入射角度限制于所述窄帶濾波器的主 表面的法線周圍的預(yù)定范圍。這個角度范圍可以是9°。
[0036] 單色光可以具有小于±5納米的波長范圍，優(yōu)選地小于±3納米，最優(yōu)選地小于 ± 1納米。
[0037] 輻射源可適于生成在700 - 1500納米（優(yōu)選在800 - 1000納米）的頻譜內(nèi)的激光。
[0038] 輻射源可被適配成以至少100瓦/米2 (優(yōu)選為至少500瓦/米2)的強度投影光， 且以被確定為保持每個點的平均發(fā)射功率低于1毫瓦的脈沖寬度和脈沖頻率操作。相關(guān)的 光強度是對象和發(fā)射的光的交點處的強度。本實施例的一個優(yōu)點是：所投影的點的亮度超 過陽光的預(yù)期亮度。所述的強度準則在傾斜地向下投影（用于道路檢查）時優(yōu)選地被高達 30米的范圍滿足，而在向前投影（用于障礙物檢測）時優(yōu)選地被高達200米的范圍滿足。
[0039] 輻射源可包括具有低光束發(fā)散度的VCSEL陣列，該VCSEL陣列被配置成同時地發(fā) 射輻射圖案的各個體點。
[0040] 特別地，該系統(tǒng)可以進一步包括被配置成聚焦VCSEL陣列的每一激光點和/或確 定VCSEL陣列的每一個激光點的方向的微陣列光學(xué)器件。
[0041] 至少一個輻射源可以包括用于生成構(gòu)成經(jīng)脈沖化的輻射圖案的各激光點的至少 一個激光福射源。
[0042] 該處理器可適于基于三角測量來處理檢測到的數(shù)據(jù)。
[0043] 至少一個輻射源可以包括相位光柵，該相位光柵用于同時生成各輻射點的組合。 本發(fā)明的各實施例的一個優(yōu)點是：可以獲得高效的相位光柵，該光柵包括使用特定的透明 材料的、具有特定深度的凹槽系統(tǒng)。在一個有利的實施例中，可以應(yīng)用一組水平和垂直凹 槽。另外，這個設(shè)計是可彎曲的，使得其能夠相對于目標規(guī)范是最優(yōu)的。相位光柵可以是分 立的相位光柵，例如但不限于達曼光柵。
[0044] 至少一個輻射源可以被構(gòu)建成生成作為各輻射點的組合的輻射圖案，并藉此各輻 射點的群組被按時間順序生成。
[0045] 此至少一個輻射源可包括MEMS-掃描儀。檢測器可包括MEMS-掃描儀，且該系統(tǒng) 可包括同步設(shè)備，該同步設(shè)備用于使輻射源的MEMS-掃描儀與檢測器的MEMS-掃描儀同步。
[0046] 該系統(tǒng)可包括快門，其中該快門當被關(guān)閉時阻擋輻射到達檢測器，并且其中同步 裝置被適配成使至少一個輻射源的脈沖與該快門的打開和關(guān)閉同步。
[0047] 獲得的數(shù)據(jù)能夠用作為輸入以實現(xiàn)對道路或者對象的特性（例如特征或?qū)傩裕┑?