用于光学距离测量的系统和方法技术方案

提供执行光学距离测量的系统和方法。在一方面，一种用于测量到物体距离的系统包括被配置为发射出射光脉冲的光发射器，以及被配置为接收从物体发射的返回光脉冲并输出表示该返回光脉冲的模拟脉冲信号的光传感器。所述系统还包括耦合到光传感器的现场可编程门阵列(FPGA)。所述FPGA被配置为将模拟脉冲信号转换为多个数字信号值，并生成基于多个数字信号值的多个时间测量。该系统还包括被配置为基于多个数字信号值和多个时间测量来计算到物体的距离的控制器。距离的控制器。距离的控制器。

【技术实现步骤摘要】
用于光学距离测量的系统和方法


[0001]本公开总体上涉及距离测量，并且更具体地涉及使用光检测和测距(LIDAR)的用于距离测量的系统和方法。

技术介绍

[0002]无人载运工具如无人机(UAVs)可应用于许多应用，包括农作物监测、摄影、建筑物和其他结构的检测、消防和安全任务、边境巡逻以及产品交付等。这些无人载运工具可被配置用于检测周围环境中的障碍物和其他物体的传感器。LIDAR系统可用于提供三维障碍物检测和环境测绘的距离测量。然而，现有的LIDAR系统的测量精度可能不足以用于复杂的环境。因此，有需要对无人载运工具和其他可移动物体携带的LIDAR系统实施的改进技术。

技术实现思路

[0003]本公开涉及使用LIDAR和其他光学技术进行距离测量的系统和方法。
[0004]在一个方面，提供一种用于测量到物体距离的系统。所述系统包括被配置为发射出射光脉冲的光发射器。所述系统还包括被配置为接收物体反射的返回光脉冲并输出表示所述返回光脉冲的模拟脉冲信号的光传感器。所述系统还包括耦合到光传感器的FPGA。所述FPGA被配置为将模拟脉冲信号转换为多个数字信号值，并通过对每个数字信号值进行采样以生成与多个数字信号值相对应的多个时间测量值。采样的时间分辨率比FPGA的时钟周期短。所述系统还包括配置为基于多个数字信号值和多个时间测量值计算到物体的距离的控制器。
[0005]另一方面，提供一种用于测量到物体距离的方法。所述方法包括通过光发射器发射出射光脉冲。物体反射的返回光脉冲由光传感器接收。由光传感器输出表示返回光脉冲的模拟脉冲信号。使用FPGA来将模拟脉冲信号转换为多个数字信号值。所述FPGA被用来通过对每个数字信号值进行采样以生成与多个数字信号值相对应的多个时间测量值，其中采样的时间分辨率比FPGA的时钟周期短。基于多个数字信号值和多个时间测量值计算到物体的距离。
[0006]另一方面，提供一种用于测量到物体距离的系统。所述系统包括被配置为发射出射光脉冲的光发射器。所述系统还包括被配置为接收物体反射的返回光脉冲并输出表示所述返回光脉冲的模拟脉冲信号的光传感器。所述系统还包括耦合到光传感器的FPGA。所述FPGA被配置为通过(1)将所述模拟脉冲信号与多个阈值比较，并且(2)基于所述比较生成多个数字信号值，将所述模拟脉冲信号转换为多个数字信号值。所述FPGA还被配置为生成与多个数字信号值相对应的多个时间测量值。所述系统还包括配置为基于多个数字信号值和多个时间测量值计算到物体的距离的控制器。
[0007]另一方面，提供一种用于测量到物体距离的方法。所述方法包括通过光发射器发射出射光脉冲。物体反射的返回光脉冲由光传感器接收。由光传感器输出表示返回光脉冲的模拟脉冲信号。使用FPGA来(1)将所述模拟脉冲信号与多个阈值比较，并且(2)基于所述
比较生成多个数字信号值，以将所述模拟脉冲信号转换为多个数字信号值。所述FPGA还被用来生成与多个数字信号值相对应的多个时间测量值。基于多个数字信号值和多个时间测量值计算到物体的距离。
[0008]另一方面，提供一种用于校准距离测量设备的方法。所述方法包括提供具有多个差分输入端口的FPGA，其中多个差分输入端口中的每一个与偏移电压相关联。所述FPGA被配置为接收表示物体反射的返回光脉冲的模拟脉冲信号。所述FPGA还被配置为通过(1)使用多个差分输入端口将所述模拟脉冲值与多个阈值比较，并且(2)基于所述比较生成多个数字信号值，将所述模拟脉冲信号转换为多个数字信号值。所述FPGA还被配置为生成与多个数字信号值相对应的多个时间测量值。所述方法还包括校准FPGA以补偿转换模拟脉冲信号时与多个差分输入端口中的每一个相关联的偏移电压。
附图说明
[0009]在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了以上和其他方面及其实现。
[0010]图1A是根据本技术的实施例的包括可移动物体的代表系统的示意图。
[0011]图1B是根据本技术的实施例的示例性LIDAR系统的示意图。
[0012]图2A是根据本技术的实施例的基于比较器的采样配置的示意图。
[0013]图2B示出了根据本技术的实施例的图2A的比较器的输入和输出波形。
[0014]图3是根据本技术的实施例的多比较器采样配置的示意图。
[0015]图4是根据本技术的实施例的使用FPGA距离测量的系统的示意图。
[0016]图5A是根据本技术的实施例的被配置用于脉冲数字化的FPGA的示意图。
[0017]图5B示出了使用根据本技术的实施例的图5A的FPGA进行模拟脉冲信号的数字化。
[0018]图6示出根据本技术的实施例用于执行偏移校准的梯形波信号。
[0019]图7是根据本技术的实施例用于测量端口延迟的方法的示意图。
[0020]图8A是根据本技术的实施例被配置用于以高时间分辨率进行时间
‑
数字转换的FPGA的示意图。
[0021]图8B示出了根据本技术的实施例的上升沿信号的时间
‑
数字转换。
[0022]图8C示出了根据本技术的实施例的下降沿信号的时间
‑
数字转换。
[0023]图9示出了根据本技术的实施例的用于时间
‑
数字转换的多个PLL时钟信号。
[0024]图10示出了根据本技术的实施例的用于测量到物体的距离的方法。
[0025]图11示出了根据本技术的实施例的用于校准距离测量设备的方法。
具体实施方式
[0026]本公开涉及使用电磁辐射(诸如光)来测量到物体的距离的系统和方法。在一些实施例中，通过使用FPGA来处理表示检测的光脉冲的模拟脉冲信号，本文的系统和方法提供改进的测量精度(例如，厘米级精度)以及降低的成本、功耗和处理负担。本技术的基于FPGA的方法可用于准确地数字化模拟脉冲信号，并且以增大的时间分辨率(例如，皮秒级分辨率)测量该信号的定时信息。此外，本技术可以集成到各种可移动物体中，包括但不限于无人载运工具、自主载运工具和机器人。因此，这里描述的实施例对依赖于复杂和动态环境中的高精度距离测量的应用特别有利，诸如由自主或半自主载运工具执行的障碍物检测和环
境测绘。
[0027]在下文中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开的技术的透彻理解。在其他实施例中，这里介绍的技术可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本公开，没有详细描述如特定制造技术的公知特征。在本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的引用表示所描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，本说明书中这些短语的出现不一定都参考相同的实施例。另一方面，这样的引用也不一定是互相排斥的。此外，特定特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。并且，应当理解，附图所示的各种实施例仅仅是示例性的表示，并且不一定按比例绘制。
[0028]在本公开中，用语本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测量到物体的距离的方法，所述方法包括：通过光发射器发射出射光脉冲；在光传感器处接收从所述物体反射的返回光脉冲；通过所述光传感器输出表示所述返回光脉冲的模拟脉冲信号；使用现场可编程门阵列“FPGA”，通过(1)将所述模拟脉冲值与多个阈值进行比较，并且(2)基于所述比较生成多个数字信号值，将所述模拟脉冲信号转换为所述多个数字信号值；使用所述FPGA，生成与所述多个数字信号值相对应的多个时间测量，以及基于所述多个数字信号值和所述多个时间测量来计算到所述物体的距离。2.如权利要求1所述的方法，其中所述FPGA包括多个差分输入端口，并且其中转换步骤是使用所述多个差分输入端口来执行的。3.如权利要求2所述的方法，其中所述计算步骤包括：将所述多个数字信号值和所述多个时间测量输入到函数中；以及使用所述函数导出所述返回光脉冲的估计时间值。4.如权利要求3所述的方法，其中所述函数包括脉冲信号模型，并且其中通过将所述多个数字信号值和所述多个时间测量拟合到所述脉冲信号模型来导出所述估计时间值。5.如权利要求3所述的方法，其中所述多个差分输入端口中的每一个与测量偏移电压相关联，并且其中所述计算步骤包括：将每个差分输入端口的测量偏移电压输入到所述函数中。6.如权利要求3所述的方法，其中所述计算步骤还包括：将偏移调整参数输入到所述函数中，并且其中所述偏移调整参数被配置为补偿所述多个差分输入端口的偏移电压。7.如权利要求2所述的方法，其中每个差分输入端口与延迟时间相关联，并且其中生成多个时间测量的步骤包括：补偿每个差分输入端口的延迟时间。8.一种用于校准距离测量设备的方法，所述方法包括：提供包括多个差分输入端口的现场可编程门阵列“FPGA”，其中所述多个差分输入端口中的每一个差分输入端口与偏移电压相关联，并且其中所述FPGA被配置为：接收表示从物体反射的返回光脉冲的模拟脉冲信号；通过(1)使用所述多个差分输入端口将所述模拟脉冲值与多个阈值进行比较，以及(2)基于所述比较生成多个数字信号值，将所述模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘祥，高明明，洪小平，吴迪，
申请(专利权)人：深圳市大疆创新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：