CN108398692A - 光检测和测距装置 - Google Patents

Abstract

光检测和测距装置、机器人和方法，所述光检测和测距装置包括：光源；以及包括至少一行像素传感器的照相机，其中所述照相机包括至少一行像素传感器，并且其中由所述光源发射的光在与所述至少一行像素传感器的视场相同的平面上。

Description

光检测和测距装置

技术领域

本公开涉及光检测和测距装置(LIDAR)。

背景技术

光检测和测距通常是指用于确定对象或位置与点的距离的方法。光检测和测距包括用光束照射目标，并使用反射光确定到光源的距离。在一些应用中，可以确定在围绕光源的每个方向上到最近对象的距离，从而提供光源环境的测绘。通过投射窄的激光束，可以以高分辨率测绘环境中的物理特征。

光检测和测距装置(Lidar)用于各种目的，包括户外用途，例如创建高分辨率地图，应用于大地测量学，考古学；地理学；地质学；地貌学；地震；林业学；大气物理学；激光导向；机载激光条纹测绘(ALSM)；或激光测高，以及室内用途。

普通Lidar系统中包含的主要部件传统上包括：

光源，通常是激光源，其可以使用几乎任何波长，包括紫外线，可见光或近红外光，其中可以选择波长以适合目标：从约10微米至约250nm的UV。不同类型的散射也可用于不同的Lidar应用；

扫描和光学部件：机械和光学系统，例如用于使光束扫描需要测绘的方位角和高度的透镜组件，并且以所需速率进行扫描；

光电检测器或接收器电子装置：用于在撞击对象时捕获光或接收反射光的部件，可以据此评估距离，并指示相关参数，例如时间，位置，相位等；和

处理单元，用于分析接收到的光，确定在特定方向上到对象的距离，并且可选地基于该距离执行附加计算，例如在多个方向上分析多个距离，从而创建光源周围的环境的测绘。

与之相关的上述示例和限制旨在是说明性的而不是排他性的。在阅读说明书和研究附图之后，相关技术的其它限制对于本领域技术人员将变得显而易见。

发明概述

结合旨在是示例性和说明性的而不是限制范围的系统、工具和方法描述和示出了以下实施方案和方面。

根据实施方案，提供了光检测和测距装置，包括：光源；以及包括至少一行像素传感器的照相机，其中所述照相机包括一行或多行像素传感器，并且其中由所述光源发射的光在与所述至少一行像素传感器的视场相同的平面上。在装置内，该行像素传感器可选地是垂直行的像素传感器。在装置内，光源可选地安装在照相机的上方或下方。在装置内，光源和照相机可选地安装在旋转构件上。在该装置内，光源和照相机可选地安装在垂直于旋转构件的旋转平面的结构上，其中旋转构件旋转光源和照相机。在该装置内，该行像素传感器可选地垂直于旋转构件的旋转平面，其中旋转构件旋转光检测和测距装置。

根据另一实施方案，提供了一种机器人，其包括：被配置为在多个方向上发射NIR光的图案的光源，从而在机器人的环境中形成光图案；照相机，包括一行或多行像素传感器，其中由光源发射的光在与该行像素传感器的视场相同的平面上；以及处理器，其被配置为：根据所述至少一行像素传感器中的哪个像素捕获所述位置，确定所述机器人与由所述光源发射的光撞击对象的位置之间的距离。在机器人内，该行像素传感器可选地是垂直行的像素传感器。在机器人内，光源可选地安装在照相机的上方或下方。在机器人内，光源和照相机可选地安装在旋转构件上。在机器人内，光源和照相机可选地安装在垂直于旋转构件的旋转平面的结构上，其中旋转构件旋转光源和照相机。在机器人内，该行像素传感器垂直于旋转构件的旋转平面，其中旋转构件旋转光检测和测距装置。

根据另一个实施方案，提供了用于确定对象与装置的距离的方法，包括：通过与装置相关联的光源在一方向上发射光；接收照相机的一行像素传感器中的哪个像素捕获光撞击对象的位置的指示；并且根据像素确定对象与装置的距离，其中由光源发射的光与该行像素传感器的视场在同一平面上。在该方法中，该行像素传感器可选地是垂直行的像素传感器。

在该方法内，光源可选地安装在照相机的上方或下方。在该方法中，光源和照相机可选地安装在旋转构件上。在该方法中，光源和照相机可选地安装在垂直于旋转构件的旋转平面的结构上，其中旋转构件旋转光源和照相机。在该方法中，该行像素传感器可选地垂直于旋转构件的旋转平面，其中旋转构件旋转光检测和测距装置。

除了上述示例性方面和实施方案之外，通过参考附图并且通过研究以下详细描述，其他方面和实施方案将变得显而易见。

附图说明

示例性实施方案在参考的图中示出。通常选择附图中所示的部件和特征的尺寸以便呈现的方便和清楚，并且不一定按比例显示。附图列出如下。

图1示出了包括用于测绘环境的装置的移动装置的示意图；

图2A和图2B展示了使用包括激光源和行照相机的装置确定到对象的距离；

图3提供了用于测绘环境的Lidar装置的俯视图的示意图；

图4A和图4B展示了当使用包括激光源和行照相机的装置确定到对象的距离时的遮挡问题；

图5提供了根据本公开主题的实施例的用于测绘环境的Lidar装置的示意图；且

图6示出了根据本公开主题的实施例的使用Lidar装置来测绘环境的移动装置的功能框图。

发明详述

许多装置，特别是移动装置需要用于测绘其环境的装置，例如光检测和测距(Lidar)装置，其中可以在这样的测绘时为移动装置规划路径。

现在参考图1，示出了包括Lidar的诸如机器人的移动装置的图示，其中Lidar包括光源和光电接收器或照相机。

总体上标示为100的移动装置包括转向机构，其可以位于其底部104处，并且包括一个或多个车轮或一个或多个轴承、链条或用于移动的任何其它机构。装置100还可以包括用于启动转向机构的电动机和用于根据所需运动向电动机提供命令的电动机控制器。

移动装置100还可以包括测绘装置108，用于测绘环境，从而使得能够规划路径并在其中导航。在一些实施方案中，测绘装置108可以包括安装在旋转元件上的光源，例如激光发射器和行照相机，以便捕获移动装置100的周围。

然而，在这样的实施方案中，当测绘装置100旋转时，形成移动装置100的垂直部分的部分的构件112和移动装置100的另一侧上的相应构件对测绘装置108形成静态遮挡，其中每个这样的构件遮挡视场，无论是阻挡由光源发射的光，或者是在对象和照相机之间，这相当于360°的很大部分。

应当理解，尽管移动装置100及其结构仅仅是示例性的，但是由于移动装置100周围的环境的较低区域必须被测绘以使装置自主漫游而装置通常需要包括更高的部件来提供功能，所以可能会出现任何结构的问题，其中这些部件因此可能形成遮挡物。

因此，由所公开的主题处理的问题涉及减少由光源和照相机形成的Lidar的视场遮挡的需要。

移动装置100还可以包括诸如托盘116、显示器114等的实用工具。

用于测绘环境的Lidar一般包括用于在特定方向发射光的光源；用于扫描环境并将光源引导到多个方向的机械和光学系统；用于当光线撞击对象时捕获光的光电检测器或用于接收返回光的光接收器；以及用于基于返回的光来确定距离的处理器。

可以使用一些方法来检测撞击或接收的光并计算距离：

一种方法涉及飞行时间(TOF)：发射激光脉冲，并且测量光撞击到对象并返回到发射器附近的检测器的时间段。通过将时间的一半乘以光速，可以确定在发射光的特定方向上与最近对象的距离。

另一种方法涉及具有相位检测器的RF调制光源：确定返回光的返回相位，并且通过将其与透射光的相位进行比较，可以确定行进时间，从该行进时间可以如上所述确定距离。

在图2A和图2B中示例了另一种方法。该方法使用诸如激光源200的光源和线扫描照相机208，其中线扫描照相机208的视场跨越虚拟光线212和216。视场可由与装置相关联的透镜组件来确定。激光源200和行扫描照相机208布置成使得由激光源200发射的光和行扫描照相机208的一行像素传感器202在同一平面上，其中在一行像素传感器220与激光器200发射光的方向214之间存在接近于直角的角度，例如60°至88°之间的角度。当激光器200发光时，光撞击对象204。线扫描照相机208然后可以捕获照明位置，例如图2A的点224或图2B的点228。

激光器200和对象204之间的距离由像素传感器220的捕获光撞击对象204的点的一个像素或多个像素反射。当对象204更接近激光器200时，像素传感器220的捕获撞击点的像素将更接近光线212，而对象204更远离激光器200将以捕获撞击点的像素更接近光线216来表达。行扫描照相机208与沿方向214的光线之间的距离和角度可以根据激光源和环境中的对象之间的期望距离范围以及所需的分辨率来确定。由于测量距离的误差对于较大的距离增加，所以该方法特别适用于较小的距离，例如室内环境。

应当理解，也可以使用常规照相机，其中根据沿着单线的哪些像素捕获被点亮的对象来确定距离。然而，线扫描照相机通常更便宜，占用更少的空间。

现在参考图3，示出了用于测绘环境的Lidar装置的俯视图的示意图。

为了测绘环境，图2A或2B所示的系统通常固定到旋转底座300，例如旋转盘。盘可以可操作地连接到电动机，用于以任何所需的速率旋转盘，例如每分钟2到600转。在每个角度，根据所需的分辨率，激光器200在方向214上发光，并且行照相机208捕获光撞击对象的区域，并且其提供用于确定到对象的距离。使装置周围的距离提供对环境的测绘，例如用于导航需求。

与该方法相关的问题涉及具有环境的多个盲区，即由于遮挡而无法检测对象的区域。

现在参考图4A和4B，明确地说明了该问题。如图4A所示，在旋转底座300的第一位置，遮挡物400阻挡由激光器200发射的光到达对象404，从而禁止行照相机208对其进行检测。

图4B示出了在转动了圆圈的一部分之后处于第二位置处的旋转底座300，其中遮挡物400禁止行照相机208捕获对象404。

因此，遮挡物400干扰在每个周期的两个部分上对环境的测绘：如果遮挡对象阻挡由激光200发射的光到达对象404，或者如果遮挡对象阻止行照相机208捕获对象或其被点亮的部分。

由本公开提供的一个技术方案涉及一种垂直布置的Lidar，其中安装行照相机使得该行像素是垂直的，并且光源在行照相机上方或下方，并且其中沿着在与行照相机的视场相同的平面上的线发射光。因此，由于对象干扰行照相机而被遮挡的区域包括由于对象干扰发射的光而被遮挡的区域，从而消除了一些遮挡区域并增加了视场。

现在参考图5，示出了根据本公开的一些实施方案的Lidar装置的示意图。

总体上标记为500的装置包括具有一行像素传感器的光源100和行照相机108，使得连接光源100和行照相机108的线，例如沿着或平行于支撑物504行进的线，垂直于旋转板200，旋转板200使光源100和行照相机108旋转。装置被安装成使得该行像素也基本上垂直于旋转板200，并且使得通常位于虚拟光线112和116与照相机108会合的地方之间的该行像素在与由光源100发射的光线114相同的平面上，使得如果由激光器100发射的光撞击对象，则保证行照相机108捕获它。

装置的垂直布置提供具有减少的遮挡区域的视场，使得通过将Lidar安装在旋转元件上，可以测绘较大部分的周围环境，并且静态或动态对象将遮挡视场的较小的部分。

应当理解，Lidar装置还可以包括附加部件，例如用于根据需要引导、聚焦或接收光的透镜组件。

现在参考图6，示出了包括根据本公开的测绘系统的诸如机器人的移动装置的功能框图。还参考图4，其示出了机器人的图示。

通常标示为600的移动装置包括可以位于图4的底部404处的转向机构602。装置600还可以包括用于启动转向机构602的电动机604和用于按照要求运动提供命令到电动机604的电动机控制器607。

移动装置600还可以包括垂直布置的距离确定装置608(也称为Lidar系统)，其用作用于测绘环境的测绘装置408的部分。Lidar系统包括如上面结合图5所示垂直布置的光源609和行照相机610。激光系统608还可以包括用于根据需要引导、聚焦或接收光的透镜组件611。Lidar系统608还可以包括与处理器624相关联的下面描述的处理器。

在一些实施方案中，Lidar系统608可以例如以600RPM的速率旋转，使得可以每分钟捕获和分析装置周围的对象至少600次。

移动装置600还可以包括实用工具612，例如用于携带物品的托盘416，显示装置414等。

显示装置414可以根据由Lidar系统608确定的任何方向上的对象的距离来显示环境的图示，从而提供环境的一些可视化。显示装置414还可以显示所捕获的视频或图像，警报，娱乐信息，所需的信息，例如要携带的物品，或任何其他信息。实用工具112还可以包括用于播放或流式传输声音的扬声器，篮子等。

移动装置600还可以包括一个或多个计算机存储装置616，用于存储可操作以使移动装置600执行与以下详细描述的方法的任何步骤或者与例如机器人导航相关的任何其他步骤相关联的动作的数据或程序代码。存储装置616可以是持久的或易失性的。例如，存储装置616可以是闪存盘，随机存取存储器(RAM)，存储器芯片，诸如CD，DVD或激光盘的光学存储装置；诸如磁带，硬盘，存储区域网络(SAN)，网络连接存储(NAS)或其它的磁存储装置；半导体存储装置，例如闪存装置，记忆棒等。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，移动装置600可以包括一个或多个输入/输出(I/O)装置620，其可以用于接收输入或向移动装置600提供输出，作为接收命令、显示指令等。I/O装置620可以包括先前提及的成员，诸如显示器414，扬声器，麦克风，触摸屏等。

在一些示例性实施方案中，移动装置600可以包括一个或多个处理器624。每个处理器126可以是中央处理单元(CPU)，微处理器，电子电路，集成电路(IC)等。可替代地，处理器624可被实现为为诸如数字信号处理器(DSP)或微控制器的特定处理器编程或移植到该特定处理器的固件，或者可被实现为硬件或可配置硬件，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。

在一些实施方案中，一个或多个处理器624可以远离移动装置600定位，使得从装置远程执行一些或所有计算，并且经由通信信道向移动装置200传送结果。

应当理解，处理器624可以被配置为根据在非暂时计算机可读存储介质(例如但不限于存储装置616)上实现的计算机可读指令来执行若干功能模块。这样的功能模块在下文中被称为包括在处理器中。

以下详细描述的部件可以被实现为例如由处理器624或另一个处理器执行的一组或多组相互关联的计算机指令。部件可以被布置为以任何编程语言且在任何计算环境下编程的一个或多个可执行文件、动态库、静态库、方法、函数、服务等。

处理器624可以包括距离确定模块628，用于基于从垂直行照相机610接收的一个或多个读数来确定在特定方向上到最近对象的距离。

处理器624可以包括距离确定模块628，基于从Lidar系统到不同方向上的最近对象的距离，距离确定模块628用于生成地图或环境的另一表示的。例如，近似方向上的类似读数可以被解释为单个对象，并且距离上的显著差异可以被解释为对象之间的空闲区域或最近对象更远离的方向。

处理器624可以包括导航模块640，用于基于所收集的对象信息规划和遵循环境内的路径。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有用于使处理器执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个介质)。

计算机可读存储介质可以是可以保留和存储由指令执行装置使用的指令的有形装置。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储装置、磁存储装置、光学存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或上述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体实施例的非详尽列表包括以下：便携式计算机软盘，硬盘，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)，静态随机存取存储器(SRAM)，便携式光盘只读存储器(CD-ROM)，数字通用盘(DVD)，记忆棒，软盘，其中记录有指令的机械编码装置，以及前述的任何合适的组合。如本文所使用的，计算机可读存储介质不应被解释为暂时信号本身，例如无线电波或其它自由传播的电磁波，通过波导或其它传输介质传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)或通过电线传输的电信号。相反，计算机可读存储介质是非瞬态(即非易失性)介质。

本文描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理装置或经由网络(例如，因特网，局域网，宽域网和/或无线网)下载到外部计算机或外部存储装置。网络可以包括铜传输电缆，光传输光纤，无线传输，路由器，防火墙，交换机，网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理装置中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并将计算机可读程序指令转发以存储在相应的计算/处理装置内的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编器指令，指令集架构(ISA)指令，机器指令，机器相关指令，微代码，固件指令，状态设置数据或以一种或多种编程语言的任何组合编写的源代码或目标代码，编程语言包括诸如Java，Smalltalk，C++等的面向对象的编程语言，以及诸如“C”编程语言或类似编程语言的常规程序编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机上执行，作为独立的软件包执行，部分地在用户的计算机上且部分地在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种场景中，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可连接到外部计算机(例如，通过互联网，使用互联网服务提供商)。在一些实施方案中，包括例如可编程逻辑电路，现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息个性化电子电路来执行计算机可读程序指令，以便执行本发明的方面。

本文参考根据本发明的实施方案的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中的块的组合可以由计算机可读程序指令来实现。

可以将这些计算机可读程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，计算机可读存储介质可引导计算机、可编程数据处理设备和/或其它装置以特定方式工作，使得其中存储指令的计算机可读存储介质包括制造品，制造品包括实现流程图和/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。

计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实现流程图和/或框图的一个框或多个框中指定的功能/动作。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令的指令模块、段或部分。在一些替代的实现方案中，框中记载的功能可能不以在附图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行框。还将注意到，框图和/或流程图图示的各个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定的功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的特殊目的的基于硬件的系统来实现。

已经出于说明的目的呈现了本发明的各种实施方案的描述，但并不旨在穷举或限于所公开的实施方案。在不脱离所描述的实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释实施方案的原理，实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或使得本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施方案。

Claims (18)

1.光检测和测距装置，包括：

光源；和

包括至少一行像素传感器的照相机，

其中所述照相机包括至少一行像素传感器，并且

其中由所述光源发射的光在与所述至少一行像素传感器的视场相同的平面上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一行像素传感器是垂直行像素传感器。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源安装在所述照相机的上方或下方。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源和所述照相机安装在旋转构件上。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源和所述照相机安装在垂直于旋转构件的旋转平面的结构上，其中所述旋转构件旋转所述光源和所述照相机。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述一行该行像素传感器垂直于旋转构件的旋转平面，其中所述旋转构件旋转所述光检测和测距装置。

7.机器人，包括：

光源，被配置为在多个方向上发射NIR光的图案，从而在所述机器人的环境中形成光图案；

包括至少一行像素传感器的照相机，

其中由所述光源发射的光在与所述至少一行像素传感器的视场相同的平面上；和

处理器，被配置为：

根据所述至少一行像素传感器的哪个像素捕获所述位置，确定所述机器人与由所述光源发射的光撞击对象的位置之间的距离。

8.根据权利要求6所述的机器人，其中所述至少一行像素传感器是垂直行像素传感器。

9.根据权利要求6所述的机器人，其中所述光源安装在所述照相机的上方或下方。

10.根据权利要求6所述的机器人，其中所述光源和所述照相机安装在旋转构件上。

11.根据权利要求6所述的机器人，其中所述光源和所述照相机安装在垂直于旋转构件的旋转平面的结构上，其中所述旋转构件旋转所述光源和所述照相机。

12.根据权利要求6所述的机器人，其中所述至少一行像素传感器垂直于旋转构件的旋转平面，其中所述旋转构件旋转所述光检测和测距装置。

13.用于确定对象与装置的距离的方法，包括：

通过与所述装置相关联的光源在一方向上发射光；

接收照相机的一行像素传感器的哪个像素捕获光撞击对象的位置的指示；并且

根据所述像素确定所述对象与所述装置的距离，

其中由所述光源发射的光在与所述一行像素传感器的视场相同的平面上。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述一行像素传感器是垂直行像素传感器。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述光源安装在所述照相机的上方或下方。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述光源和所述照相机安装在旋转构件上。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述光源和所述照相机安装在垂直于旋转构件的旋转平面的结构上，其中所述旋转构件旋转所述光源和所述照相机。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述一行像素传感器垂直于旋转构件的旋转平面，其中所述旋转构件旋转所述光检测和测距装置。