RU192814U1 - LASER HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL RANGE FOR THE NAVIGATION OF MOBILE ROBOTIC DEVICES - Google Patents
LASER HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL RANGE FOR THE NAVIGATION OF MOBILE ROBOTIC DEVICES Download PDFInfo
- Publication number
- RU192814U1 RU192814U1 RU2019107415U RU2019107415U RU192814U1 RU 192814 U1 RU192814 U1 RU 192814U1 RU 2019107415 U RU2019107415 U RU 2019107415U RU 2019107415 U RU2019107415 U RU 2019107415U RU 192814 U1 RU192814 U1 RU 192814U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- laser
- mirror
- channel
- transmitting
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
- G01C3/02—Details
- G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
- G01C3/08—Use of electric radiation detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
- G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Устройство относится к устройствам, датчикам, сенсорам технического зрения или лазерного трехмерного сканирования, системам автономной навигации транспортных и робототехнических средств. Устройство содержит жестко закрепленные в корпусе передающий канал, включающий импульсный когерентный источник ИК-излучения и коллиматор, принимающий канал, включающий фотодетектор с фокусирующей оптикой, блок обработки и управления и выполненное с двухкоординатным подвесом микроэлектромеханическое зеркало, размещенное после коллиматора передающего канала и перед фокусирующей оптикой принимающего канала для одновременного сканирования сцены лазерным лучом и приемником излучения. Оптические оси передающего и принимающего каналов совмещены за счет использования наклоненного зеркала, выполненного с отверстием в центре, через которое проходит коллимированный пучок излучения передающего канала, и при этом после отражения от объекта сканирования пучок излучения направляется указанным зеркалом в принимающий канал. Технический результат - снижение требований к величине угла обзора фотоприемника. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.The device relates to devices, sensors, sensors for technical vision or laser three-dimensional scanning, autonomous navigation systems of vehicles and robotic means. The device comprises a transmitting channel rigidly fixed in the housing, including a pulsed coherent source of infrared radiation and a collimator, a receiving channel including a photodetector with focusing optics, a processing and control unit and a microelectromechanical mirror with a two-coordinate suspension, located after the transmitting channel collimator and in front of the receiving focusing optics channel for simultaneously scanning the scene with a laser beam and a radiation receiver. The optical axes of the transmitting and receiving channels are combined by using an inclined mirror made with a hole in the center through which the collimated radiation beam of the transmitting channel passes, and after reflection from the object of scanning, the radiation beam is directed by the specified mirror to the receiving channel. The technical result is a reduction in the requirements for the viewing angle of the photodetector. 5 cp f-ly, 1 ill.
Description
Область техники.The field of technology.
Техническое решение относится к устройствам, датчикам, сенсорам технического зрения или лазерного трехмерного сканирования, системам автономной навигации транспортных и робототехнических средств.The technical solution relates to devices, sensors, sensors for technical vision or laser three-dimensional scanning, autonomous navigation systems of transport and robotic means.
Уровень техникиState of the art
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.The prior art is known to US patent No. 7969558, published from 06/28/2011, "Lidar with high resolution." Velodyne's patent describes a lidar with a rotating transceiver head, which contains many laser-receiver pairs, as well as precision mechanics. The solution has high technical characteristics, accuracy, but at the same time, the complexity of the system significantly increases the cost and reduces reliability.
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.The prior art patent application US No. 2014211194 A1, published on 07/31/2014, "Multitasking lidar detector with low cost for the detection of multiple signals, including weak signals and method of its use." The document describes the design of a compact lidar with an improved reflection processing algorithm. Lidar is designed for transport and robotics. However, the design includes a motor and a rotatable optical unit, which increases the cost of the system and reduces reliability.
Техническая задача и технический результат.The technical problem and the technical result.
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.The technical task is to develop a lidar to build a three-dimensional image of the environment in real time with the ability to scan the scene with a laser beam and a radiation receiver at the same time.
Техническим результатом является сниженное требование к углу обзора фотоприемника (угол может быть меньшим).The technical result is a reduced requirement for the viewing angle of the photodetector (the angle may be smaller).
Решение.Decision.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать лазерный сканирующий трехмерный дальномер, содержащий:To solve this problem, it is proposed to use a laser scanning three-dimensional range finder, containing:
a. передающий канал, включающий импульсный когерентный источник ИК-излучения и коллиматор,a. a transmitting channel including a pulsed coherent source of infrared radiation and a collimator,
b. принимающий канал, включающий, фотодетектор на лавинном диоде с фокусирующей оптикой,b. a receiving channel, including a photodetector on an avalanche diode with focusing optics,
c. блок обработки и управления.c. processing and control unit.
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.In this case, the range finder includes a microelectromechanical mirror for scanning the scene, and also has combined optical axes of the transmitting and receiving channels due to the use of an inclined mirror made with a hole in the center through which the collimated beam of radiation of the transmitting channel passes unhindered, and after reflection from the object being scanned a larger radiation beam is mainly directed by the indicated mirror into the receiving channel.
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.The device can be made in such a way that at least one laser diode emitting in the IR spectrum is a coherent light source. At least two laser diodes emitting in the IR spectrum can also be used, configured to alternately generate optical pulses in order to increase the repetition rate of the optical pulses by a multiple of the number of laser diodes used. In this case, the photodetector can be made on one or more avalanche photodiodes, and a microelectromechanical mirror with a two-coordinate suspension. The processing and control unit may be configured to transmit data to a remote device.
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.To implement the device, the elements should be rigidly fixed inside the housing in a dust and water tight design with windows transparent for IR radiation, made with the possibility of mounting on a vehicle.
Описание чертежей.Description of the drawings.
На фиг. 1 изображена крупноблочная оптическая схема лидара.In FIG. 1 shows a large-block optical scheme of a lidar.
Введены следующие обозначения:The following notation is introduced:
1 - источник импульсного лазерного излучения (ИЛИ1),1 - source of pulsed laser radiation (OR1),
2 - коллиматор,2 - collimator,
3 - зеркало с отверстием в центре,3 - mirror with a hole in the center,
4 - МЕМС,4 - MEMS,
5 - контроллер лидара,5 - lidar controller,
6 - ADC,6 - ADC,
7 - TDC,7 - TDC,
8 - пиковый детектор,8 - peak detector,
9 - дискриминатор,9 - discriminator,
10 - усилитель,10 - amplifier
11 - ЛФД.11 - APD.
Детальное описание решения.Detailed description of the solution.
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.The object of patenting is a lidar (real-time laser scanning three-dimensional range finder) installed on vehicles operating indoors and outdoors and designed for on-line scanning of the environment / situation while the vehicle is in motion.
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.Using a lidar allows you to get a three-dimensional image of the surrounding objects in electronic digital form, which can then be transmitted via data channels and processed automatically on a computer using well-known algorithms to select objects in the image and classify them, as well as to build a route and map the vehicle, on which the lidar is mounted. The above algorithms are usually not part of the technical solution of the lidar, however in our lidar some of these algorithms are implemented in the lidar software.
Разрабатываемый лидар включает в себя следующие основные компоненты.The developed lidar includes the following main components.
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).1. The lidar transceiver path is made according to a coaxial scheme, which makes it possible to scan the scene with a laser beam and a radiation receiver at the same time. This reduces the requirements for the viewing angle of the photodetector (the angle may be smaller in this case).
Приемопередающий тракт состоит из следующих блоков:The transceiver path consists of the following blocks:
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.1.1. A laser unit consisting of one or more laser diodes, collimating optics and terminal amplifiers of laser diodes, and operating in the wavelength ranges of 900–950 nm or 1500–1600 nm, providing increased eye safety and improved scanning quality in a cloudy environment. On the market are laser diodes manufactured by Osram and Excelitas operating at a laser wavelength of 905 nm, and laser diodes manufactured by Laser Components, Applied Optoelectronics, Seminex operating at a wavelength of 1550 nm.
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.1.2. The detection unit, which is based on one or more avalanche photodiodes and is equipped with an amplifier with special characteristics. The amplifier is broadband enough to amplify pulses with fronts up to 1 nanosecond without distortion. The amplifier is low noise enough to register returns on the detector with a 95% probability for a given measurement distance, the radiation power of the laser unit and the reflectivity of the object.
1.3. Сканатор на базе двухкоординатного MEMS-зеркала, обеспечивающий высокую надежность/длительное время наработки на отказ лидара.1.3. Scanner based on a two-coordinate MEMS mirror, providing high reliability / long operating time for lidar failure.
2. Вычислительный блок, выполняющий следующие функции:2. The computing unit that performs the following functions:
а. Вычисление дистанции по времяпролетном принципу.but. Calculation of distance according to the time-of-flight principle.
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.b. The formation of the scanning pattern (i.e., the trajectory of the laser beam when scanning the scene) and its translation into the scanning device. Moreover, the scanning patterns are standard and predefined, or user-defined.
в. Управление лазерным блоком: формирование синхросигналов для определения точных координат точки доставки каждого лазерного импульса.at. Laser unit control: generation of clock signals to determine the exact coordinates of the delivery point of each laser pulse.
г. Предобработка - выполнение алгоритмов обработки данных измерений.d. Pre-processing - execution of measurement data processing algorithms.
д. Формирование потока выходных данных в стандартном формате или в формате, определенном пользователем.e. Formation of the output stream in a standard format or in a format defined by the user.
3. Встроенное ПО - обеспечивает обработку результатов измерений и реализует интерфейс внешнего управления лидаром.3. Firmware - provides processing of measurement results and implements an external lidar control interface.
В процессе перенастройки режима работы лидара возможно изменение следующих параметров (в процессе работы или в режиме обслуживания):In the process of reconfiguring the lidar operating mode, the following parameters can be changed (during operation or in maintenance mode):
- паттерн сканирования (путь сканирующего лазерного пучка по сцене)- scanning pattern (path of the scanning laser beam along the stage)
- скорость сканирования / частота кадров / разрешение- scan speed / frame rate / resolution
- мощность излучения- radiation power
- формат выходных данных- output format
- скорость передачи выходных данных- output data rate
- формат и способ передачи данных диагностики- format and method of transmitting diagnostic data
4. Корпус - встраиваемый, пылевлагозащищенный, виброустойчивый.4. Housing - built-in, dust and water tight, vibration-proof.
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.Elements of a utility model are functionally related as follows (FIG. 1). OR1 (1) contains a pulsed source of infrared radiation on one or more laser diodes. It is connected with Ktr1 (5), which provides power and sends high-frequency clock signals to OR1 (1) to form laser pulses.
Коллиматор Кол1 (2) обеспечивает коллимацию (минимизирует расходимость) лазерного луча ИЛИ1 (1), приводя его к диаметру Д1.The collimator Kol1 (2) provides collimation (minimizes the divergence) of the laser beam OR1 (1), leading it to a diameter D1.
Расположенное под углом зеркало 3 пропускает коллимированный лазерный пучок сквозь отверстие, проходящее по центру под углом к его поверхности.An
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).The scanner on a two-coordinate MEMS mirror (4) deflects the beam at arbitrary angles in two coordinates after it passes through
Импульсы, отраженные от внешних объектов, отражаются зеркалом 3 и затем принимаются детектором ЛФД (11).Pulses reflected from external objects are reflected by
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.Signals with an APD (11) are processed by an amplifier (10), a peak detector (8) and a discriminator (9), and then processed by Ktr1 (5) in order to calculate the distance for each pulse according to the time-of-flight principle and surface reflection coefficient.
Предлагаемый лидар обладает следующими отличительными техническими признаками:The proposed lidar has the following distinctive technical features:
- использование сканирующего устройства на базе двухкоординатного MEMS-зеркала,- the use of a scanning device based on a two-coordinate MEMS mirror,
- использование коаксиальной оптической схемы с наклоненным зеркалом,- the use of a coaxial optical scheme with an inclined mirror,
- использование встроенного ПО для предобработки результатов измерений и интерфейса внешнего управления,- use of firmware for preprocessing measurement results and an external control interface,
- 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.- the use of a built-in housing as a component of a vehicle or a robot integrated in a common housing of a given vehicle. The design of the case involves external fasteners, technological holes and cooling radiators.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019107415U RU192814U1 (en) | 2017-10-02 | 2017-10-02 | LASER HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL RANGE FOR THE NAVIGATION OF MOBILE ROBOTIC DEVICES |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019107415U RU192814U1 (en) | 2017-10-02 | 2017-10-02 | LASER HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL RANGE FOR THE NAVIGATION OF MOBILE ROBOTIC DEVICES |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU192814U1 true RU192814U1 (en) | 2019-10-02 |
Family
ID=68162675
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019107415U RU192814U1 (en) | 2017-10-02 | 2017-10-02 | LASER HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL RANGE FOR THE NAVIGATION OF MOBILE ROBOTIC DEVICES |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU192814U1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150109604A1 (en) * | 2013-10-18 | 2015-04-23 | Makoto Masuda | Distance measuring apparatus using laser light |
RU2579817C1 (en) * | 2014-10-16 | 2016-04-10 | Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" | Optical range finder system |
US20170131388A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system with improved scanning speed for high-resolution depth mapping |
US20170199277A1 (en) * | 2015-11-30 | 2017-07-13 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system with distributed laser and multiple sensor heads |
US20170212229A1 (en) * | 2015-03-27 | 2017-07-27 | Waymo Llc | Methods and Systems for LIDAR Optics Alignment |
-
2017
- 2017-10-02 RU RU2019107415U patent/RU192814U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150109604A1 (en) * | 2013-10-18 | 2015-04-23 | Makoto Masuda | Distance measuring apparatus using laser light |
RU2579817C1 (en) * | 2014-10-16 | 2016-04-10 | Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" | Optical range finder system |
US20170212229A1 (en) * | 2015-03-27 | 2017-07-27 | Waymo Llc | Methods and Systems for LIDAR Optics Alignment |
US20170131388A1 (en) * | 2015-11-05 | 2017-05-11 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system with improved scanning speed for high-resolution depth mapping |
US20170199277A1 (en) * | 2015-11-30 | 2017-07-13 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system with distributed laser and multiple sensor heads |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10739460B2 (en) | Time-of-flight detector with single-axis scan | |
KR102506579B1 (en) | Noise Adaptive Solid-State LIDAR System | |
KR102715478B1 (en) | LIDAR-based distance measurement using hierarchical power control | |
US6759649B2 (en) | Optoelectronic detection device | |
KR102020037B1 (en) | Hybrid LiDAR scanner | |
US7940444B2 (en) | Method and apparatus for synchronous laser beam scanning | |
US11662463B2 (en) | Lidar apparatus and method | |
US20210333371A1 (en) | Lidar system with fog detection and adaptive response | |
US10473923B2 (en) | Focal region optical elements for high-performance optical scanners | |
WO2020142941A1 (en) | Light emitting method, device and scanning system | |
US11237255B2 (en) | LiDAR system | |
JP2020020612A (en) | Distance measuring device, method for measuring distance, program, and mobile body | |
CN106646500A (en) | Self-adaptive closed loop adjustment laser range finding method and device | |
JP7545770B2 (en) | Scanning laser apparatus and method having detector for sensing low energy reflections - Patents.com | |
CN112269181A (en) | Laser active detection device and laser active detection processing system | |
RU192814U1 (en) | LASER HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL RANGE FOR THE NAVIGATION OF MOBILE ROBOTIC DEVICES | |
WO2022134004A1 (en) | Laser measuring device and movable platform | |
CN111095019B (en) | Scanning system and transmitting and receiving device for scanning system | |
CN108885260B (en) | Time-of-flight detector with single axis scanning | |
CN209400691U (en) | A kind of laser radar based on line laser | |
CN110456327B (en) | Laser radar receiving device and laser radar system | |
CN113447947A (en) | Device and method for generating scene data | |
KR102731003B1 (en) | Module type flash lidar device | |
CN117111093B (en) | Single-pixel three-dimensional imaging method and system based on neural network | |
US20230228851A1 (en) | Efficient laser illumination for scanned lidar |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20191003 |