表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统

摘要

本发明涉及一种用于表征车辆动态的基于激光二极管的多光束激光点成像系统。基于激光二极管（优选地是基于VCSEL）的激光成像系统被利用来表征车辆动态。一个或更多激光束被导向道路表面。包括诸如CCD或CMOS摄影机之类的成像矩阵传感器的紧凑成像系统测量各个激光点的位置或分离。可以通过分析激光点位置或分离的改变来表征车辆的负载状态以及车辆的纵摇和横摇角。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及对于诸如速度和横摇角之类的车辆动态的测量。更具体来说，本发明涉及对于车辆动态的光学测量。

背景技术

已经知道激光自混合干涉（SMI）可以被用于速度和距离测量，例如参见G. Giuliani、M. Norgia、S. Donati、T. Bosch的“Laser Diode Self-mixing Technique for Sensing Applications（用于感测应用的激光二极管自混合技术）”（Journal of Pure and Applied Optics，6（2002），第283－294页）。此外还知道具有集成光电二极管的垂直空腔表面发射激光器（VCSEL）特别适用于SMI感测应用。但是利用自混合传感器进行速度测量的一个通常的问题在于，传感器关于道路的指向会直接影响测量。随着车辆频繁地改变其关于道路的指向（例如由于弯道中的离心力而引发的车辆主体的倾斜），会引发测量误差。因此，自混合地面速度传感器的绝对测量精度会受到车辆动态的损害，即车辆的横摇和纵摇移动。

发明内容

因此，本发明的一个目的是改进基于光学激光器的车辆动态传感器。该目的是通过独立权利要求的主体内容实现的。本发明的有利实施例和细化在从属权利要求中限定。

根据本发明，利用一种基于激光二极管（优选地是基于VCSEL）的激光成像系统来表征车辆动态。在最简单的情况下，将单个激光束（优选地是多个激光束）指向参考表面，即相应的道路表面。包括诸如CCD或CMOS摄影机之类的成像矩阵传感器的紧凑成像系统测量各个激光点的位置、分离或距离。可以通过分析激光点位置或分离的改变来表征车辆的负载状态以及车辆的纵摇和横摇角。

与激光自混合地面速度传感器相组合，根据本发明的多光束激光点成像系统可以显著提高车辆的地面速度测量的绝对精度。从激光成像系统导出的纵摇和横摇角可以被实施在旋转矩阵中，以便校正地面速度测量的系统性误差。

与激光自混合地面速度传感器相组合，本发明的多点激光成像系统改进了对于车辆的地面速度测量的可靠性。可以通过监测道路上的各个光束点的对比率来连续地分析激光器输出功率、光束聚焦质量、传感器出射窗的污染以及道路表面反射率。反常的改变表明激光器故障、感测光束失焦、传感器出射或入射窗的严重污染或者极低反射率道路的存在。

由于近红外VCSEL的典型波长（例如0.86μm）处在传统CCD或CMOS摄影机的光谱响应范围内，因此优选地采用低成本CCD或CMOS摄影机作为多点激光成像系统的感测组件。

具体来说，提供一种用于检测车辆动态参数的光学车辆激光传感器系统，其包括：

生成至少一个激光束的激光装置，从而使得所述激光束在与激光装置相对放置的参考表面上生成激光点；

包括至少一个矩阵传感器的成像装置，所述至少一个矩阵传感器具有用于将激光点成像到参考表面上的透镜，所述成像装置被设置成使得参考表面上的激光点在该成像装置的视场内是可见的，由此成像装置的光轴（即观看方向）与所述激光束的方向不重合；

用于根据从参考表面反射或散射回的激光束的信号检测光学车辆激光传感器系统相对于参考表面的速度的检测器；

用于在获取自成像装置的图像数据内检测激光点位置并且根据所述点位置计算所述光学车辆激光传感器系统的指向的数据处理装置。

由于成像装置的观看方向或光轴与激光束的方向不重合，因此由摄影机摄取的图像内的激光点位置同时取决于激光装置到参考表面的距离以及激光装置关于参考表面的垂直线的极角。在这方面有利的是在关于观看方向的一定角度下发射激光束。与在空间上分开但是平行于观看方向的激光束相比，光束与观看方向的角度导致作为激光装置的垂直位移的函数的图像中的激光点的更大位移。

如果采用多于一个并且特别是至少三个空间上分开的激光束，则指向确定的灵敏度可以得到显著增强，并且测量中的不定性也可以被消除。

因此，根据本发明的一个优选实施例，激光装置生成三个空间上分开的激光束，从而使得三个激光束在参考表面上产生三个激光点，其中两对点沿着参考表面上的两个不同侧向方向分开。

具体来说，可以确定各激光点之间的侧向距离，并且可以基于侧向距离计算光学车辆激光传感器系统关于参考表面的指向。

激光点沿着两个不重合方向的空间分离允许测量各个点沿着这些方向的相互距离的改变，从而提供关于任意方向上的倾斜的信息。

在例如轿车、摩托车、卡车或公共汽车之类的道路车辆的情况下，道路表面可以有利地被用作参考表面。由数据处理装置确定的指向可以包括其上安装有传感器系统的车辆的横摇角和纵摇角。横摇角是车辆围绕前向或首向方向的旋转角度。纵摇角是围绕垂直于驾驶方向并且平行于参考表面或道路表面的轴的旋转角度。

没有必要以度数形式计算这些角度。相反，可以计算代表这些角度的数字。相应地，取代角度，可以由数据处理装置确定与之等效的参数。优选的是，所有这些角度或等效参数分别都被确定来提供关于车辆动态的详细信息。此外还可以确定偏离角（其也被称作侧滑角）。该角度是围绕与道路表面（或者相应的参考表面）垂直的轴的旋转角。根据从自混合振荡频率的测量所确定的前向与侧向速度的比较可以导出该角度。

与使用单个激光束的实施例类似，如果至少其中一个激光束关于参考表面法线成一定角度撞击到参考表面上，则各激光点的距离变化可以被有利地增强。因此有利的是三个激光束当中的至少两个是在不同角度下发射的，从而使得这些光束是不平行的。

对于检测关于参考表面的速度来说存在不同的检测原理。举例来说，检测可以是基于行程时间测量。但是优选的是，检测是基于对自混合激光器功率震荡的测量。如果散射或反射回来的激光的一部分沿着光径进入到空腔中，则反射回来的光与空腔中生成的光的相干叠加会导致强度振荡。可以利用多普勒测速来执行采用这种原理的特别精确的测量。

为此目的，单个激光束或者多个激光束当中的至少一个激光束的方向具有沿着速度方向的分量。这可以通过使用其方向包括与参考表面垂直线的一定角度的光束而很容易地实现。于是多普勒效应对于反射激光束引入时变相移。如果速度是恒定的，则该相移导致周期性变化的激光强度。该振荡的频率与速度直接成比例。因此，根据本发明的一项细化，用于检测光学车辆激光传感器系统相对于参考表面的速度的检测器包括用于检测自混合激光强度振荡的检测器和用于确定所述振荡的频率或周期的电路。

可以利用监测光电二极管作为检测器来测量激光强度。此外还可行的是分别测量激光器空腔两端的电压或激光器电流的变化。

光束可以通过分离激光束而生成。但是优选的是使用三个激光二极管，其中的每一个激光二极管对应于一个光束。这对于利用自混合多普勒测速来分离移动的各个分量是特别有利的，这是因为可以对于每一个光束独立地确定自混合振荡。

此外，一种优选的激光二极管类型是垂直空腔表面发射激光二极管（VCSEL）。与边缘发射激光二极管相比，这些类型的激光二极管通常产生具有更好地限定的光束轮廓的光束。此外，VCSEL可以很容易地被生产为单个芯片上的激光二极管阵列，而不会显著增加关于单个激光二极管的生产成本。因此，根据本发明的一项细化，激光装置包括其中具有三个VCSEL台面晶体管的芯片。由于本发明的装置采用多个光束，因此这种VCSEL激光二极管阵列特别适用于激光装置。

此外还有利的是采用近红外发射激光二极管，即在至少800纳米的波长下发射的激光二极管。虽然波长为大约0.86μm的典型的近红外VCSEL激光对于人眼是不可见的，但是其仍然可以很容易地被其光谱响应范围高达1μm的传统CCD和CMOS摄影机检测到。当光束被引导到道路表面上时，即使存在很高的环境光也能很容易以强对比度成像各个激光点。因此，根据本发明的一项细化，激光装置生成波长在800到1000纳米之间的激光束。

与速度传感器（或者相应的用于检测速度的检测器）相组合，可以大大提高车辆的地面速度测量的精度和可靠性。一旦从本发明的多点激光成像系统获知车辆的纵摇和横摇角之后，就可以相应地校正由于车辆动态引发的速度传感器的系统性误差。

因此，根据本发明的一项细化，数据处理装置被设置成计算纵摇角和横摇角，并且基于纵摇角和横摇角来校正由检测器所测量的速度。

可以通过前向与侧向速度的比较来确定偏离角，并且基于所确定的横摇角和纵摇角对其进行校正。

如果激光束包括一定角度，则不仅是所采集图像内的点的绝对位置，其相互距离也会随着激光装置到参考表面的距离而变化。在这种情况下，从而可以由数据处理装置根据各点的分离或相互距离来计算激光装置到参考表面的距离。由于点位置也改变，因此还可以根据激光点的位置确定到道路表面的距离。

此外，通过监测各个VCSEL焦点的对比率的改变可以揭示激光二极管的故障、传感器的出射窗的污染、感测光束失焦以及低反射率道路的存在。

如果光学车辆激光传感器系统包括与第一激光装置侧向偏移的第二或另一个激光装置，则可以进一步可观地提高系统的精度。如果存在特定的前向方向，比如车辆的前向驾驶方向，则在这方面还有利的是各个激光装置沿着该前向方向以及横截该前向方向都间隔开。优选的是对于全部两个激光装置提供分开的图像传感器或摄影机，从而可以把摄影机放置在参考表面附近。激光装置到参考表面的距离的测量是特别灵敏的。正如横摇角和纵摇角的情况那样，各个激光装置到参考表面的距离不同，可以由数据处理装置根据所测量的距离计算这些角度。

一般来说，激光器的强度足以在所记录的图像中提供足够的对比度，以便明确地检测激光点位置。但是通过抑制背景光可以进一步提高对比度。根据一个实施例，透射激光的优选地窄带通滤光器被设置到矩阵传感器的上游，以便阻断背景光。优选的是，滤光器的最大透射被选择成处于激光波长或其附近。

根据另一个替换或附加实施例，激光二极管被操作在脉冲模式（例如方波）下，在时间上同步的成像会进一步提高激光点的对比率。具体来说，提供用于激光装置的脉冲电源以便脉冲发送激光束。将成像装置与脉冲电源同步，从而在一个脉冲期间以及在两个脉冲之间采集图像。为了抑制背景信号，数据处理单元可以简单地将所述图像相减。

附图说明

图1示出了CCD摄影机和CMOS摄影机的光谱响应曲线。

图2示出了道路表面上的激光点的图像。

图3图示出光学车辆激光传感器系统的一个实施例。

图4描绘了具有两个空间上分开的激光装置的另一个实施例。

图5示出了激光束的指向。

图6示出了光学车辆激光传感器系统的另一个实施例。

具体实施方式

根据本发明的用于检测车辆动态参数的光学车辆激光传感器系统是基于生成被引导到道路表面上的三个空间上分开的激光束的激光装置，从而产生道路表面上的三个侧向分开的激光点。具有矩阵传感器的成像装置对激光点进行成像。根据由于多普勒效应引发的自混合激光强度振荡来确定车辆的速度。激光传感器系统还包括数据处理装置，其用于计算所成像的激光点之间的侧向距离，并且确定光学车辆激光传感器系统关于道路表面的指向，或者相应的车辆关于道路的指向。

在800到1000纳米波长之间的红外光谱区段内发射的VCSEL特别优选地作为激光二极管。虽然自混合地面速度传感器的VCSEL光束在这种情况下对人眼不可见，但是仍然可以利用传统CCD或CMOS摄影机很容易地成像，正如在图1中可以看到的那样。点线示出了CMOS传感器的光谱响应，连续线是CCD传感器的光谱响应。如图1中所示，近红外VCSEL的典型波长（例如由垂直虚线所示的0.86μm）同时处在CCD和CMOS传感器的光谱响应范围内。

作为一个示例性实施例假设激光装置的所有VCSEL都以大约0.02的数值孔径聚焦在道路表面上，则道路表面上的VCSEL聚焦半径大约是26μm。来自典型的VCSEL的仅仅1mW的光学功率可以在道路表面上产生4.7MW/m²的功率密度。与此相对，全日晒的最大照射仅仅是1MW/m²。因此，即使存在很高的环境光，VCSEL焦点的亮度也至少比背景的亮度高三个数量级。因此，即使利用低成本CCD或CMOS摄影机也能够以非常高的对比度显现VCSEL焦点，这一点在图2中得到验证，其中示出了利用低成本矩阵摄影机摄取的道路上的三个激光点10、11、12的颜色反转图像。

图3示出了光学车辆激光传感器系统1的第一实施例。激光装置3被安装在车辆上并且高出道路表面2的距离为Z。该激光装置发射出三个侧向分开的激光束30、31、32。所述激光束是不平行地发射的，从而在光束30、31之间以及光束31、32之间都包括一定角度。由于这些角度，如果激光装置关于道路表面2倾斜或者沿着方向Z与之发生垂直位移，则不仅所成像的点位置而且还有其相互距离都会变化。

此外，由于激光束在一定斜角下击中道路表面2，因此因为沿着道路表面的侧向方向上的移动由多普勒效应所引发的相移被引入到反射光中，从而可以对激光二极管的激光强度进行评估，以便提取出自混合振荡并且从中确定车辆速度。

摄影机4被放置在激光束30、31、32附近，从而使得道路表面2上的激光点处在所述摄影机的视场40内。

例如如果车辆围绕其主首向方向或前向方向13倾斜，则光束31与32的点之间的距离ΔY将会改变。围绕该方向的旋转角度被称作横摇角θ。另一方面，车辆主体围绕垂直于方向13并且平行于道路表面2延伸的轴14的倾斜会改动激光束30和31的点的位置和侧向相互距离。围绕该轴14的旋转角度被称作纵摇角。

如果激光装置到道路表面2的距离减小，则所有各点之间的相互距离也将减小，反之亦然。因此，也可以根据激光点之间的相互距离ΔX和ΔY来计算到道路的距离。

在图4中示出了光学车辆激光传感器系统的另一个实施例的配置。根据该实施例，采用第一激光装置3和第二激光装置5，其被侧向偏移地设置在车辆上的两个不同位置处。为每一个激光装置3、5提供单独的摄影机4、6。具体来说，激光装置3和5沿着前向方向13间隔开距离b，并且横截前向方向13沿着轴14间隔开距离a。

激光束30、31与50、51之间的VCSEL焦点分离ΔX与相应的激光装置3、5相对于道路表面2的高度成比例：

其中，Z₀和ΔX₀分别代表VCSEL在静态无负载车辆中的安装高度和道路表面处的对应的VCSEL焦点分离。在有车辆动态存在情况下的实际激光点分离被标记为ΔX’₁和ΔX’₂。由纵摇/横摇和/或负载引发的激光装置3、5的高度改变被标记为ΔZ₁、ΔZ₂。考虑底盘高度为15cm（Z₀）的典型的4.5m长的车辆，1度的纵摇角可以产生4cm的高度改变ΔZ，其对应于ΔX的26%相对改变。因此，具有少于20000个像素（比如只有10K个像素）的低成本CCD或CMOS摄影机对于许多应用都将是足够的。

如图6中的另一个实施例所示，车辆高度的改变ΔZ还可以从由CMOS或CCD摄影机4捕获的激光点位置导出。

激光束关于道路表面法线成一定斜角撞击到道路表面。这导致激光点12发生与高度偏移ΔZ有关的位置偏移，其可以被表示为下式：

在该关系式中，ΔY₀代表激光地面速度传感器3与摄影机系统4之间的分离。ΔY表示激光点12与摄影机4的中心光轴41之间的距离。为了简单起见，安装在无负载的静态车辆中的传感器3的激光束被聚焦在道路表面处并且与摄影机4的中心光轴交叉。相应地，可能已经通过监测单个激光束而获得车辆动态参数，前提是如果该激光束还具有x方向上的分量的话。

当然，作为针对其相互距离的相对测量的补充或替换，对于如图3和4中所示的多光束装置还可以应用对于激光点位置偏移的监测。此外，在激光束30与摄影机4的光轴不重合但是平行的情况下甚至也观测到位置偏移。这是由于摄影机的放大倍数与距离有关的事实。

通过如图4中所示的利用两个激光装置3、5的设置，可以从激光装置的不同位置处的VCSEL安装高度的改变（ΔZ）导出车辆的纵摇角（ψ）和横摇角（θ）：

因此，取代利用惯性或角度传感器来表征车辆动态，多光束激光成像系统提供针对监测车辆的纵摇/横摇移动和负载状况的一种有效的替换方案。具体来说，与激光地面速度传感器相组合，可以显著提高车辆的地面速度和偏离角测量的精度和可靠性，正如下面更加详细地阐述的那样。为了提高地面速度和偏离角测量的精度，数据处理装置如前面所解释的那样计算纵摇角和横摇角，并且随后基于所计算的纵摇角和横摇角来校正由检测器所测量的速度（即速度矢量的数值）。

从例如由集成到每一个VCSEL的光电二极管测量的多普勒频率矢量(f₁,f₂,f₃)导出车辆的地面速度或速度矢量V0=(Vx,Vy,Vz)。频率f₁、f₂、f₃是相应的激光强度的自混合振荡频率。频率f₁、f₂、f₃与速度Vx、Vy、Vz（即速度矢量的笛卡尔分量）的关系由下式给出：

在该矩阵等式中，角度θ₁、θ₂、θ₃代表关于道路表面的垂直线测量的三个激光束的极角。角度φ₁、φ₂、φ₃代表关于与前向方向13垂直的方向14测量的光束的方位角。在图5中对于其中一个光束（即光束30）示出了这些角度关于前向方向13和方向14的指向。

在存在车辆动态的情况下，可以利用旋转矩阵M_R校正所测量的速度矢量V=(V_x,V_y,V_z)，以便根据下面的等式导出真实车辆地面速度V₀=(V_x0,V_y0,V_z0)

V₀=M_R^-1V，其中M_R是下面的矩阵：

相应地，为了获得经过校正的矢量V₀，将所测量的矢量乘以矩阵M_R的逆矩阵。在前面的等式中，θ代表横摇角，Ψ代表纵摇角。φ代表激光装置的参考指向（或者相应的其前向方向）与车辆的前向方向之间的角度。该角度例如可能由于激光装置的安装不精确而出现。

可以在校准规程中确定角度φ。具体来说，如果使用多个光束并且可以通过相应的激光二极管的自混合信号获得对于横向或侧向速度的确定，则在车辆径直向前移动的情况下可以从剩余的侧向速度获得角度φ。在这种情况下，可以根据关系式φ=arctan(V_x/V_y)来计算角度φ，其中在没有横向加速度的动态状态下，V_y代表前向速度，V_x代表横向速度。

除了地面速度之外，车辆的主体偏离角是与车辆动态控制有关的另一个关键参数。所测量的（β）与真实的（β₀）车辆主体偏离角之间的关系可以由数据处理装置根据下面的等式近似：

同样地，θ代表横摇角，Ψ代表纵摇角。φ代表激光装置的参考指向（或者相应的其前向方向）与车辆的前向方向之间的角度。V_z0和V_y0代表经过校正的垂直和前向速度。这些速度可以根据前面的矩阵等式来校正。主体偏离角是车辆的实际首向（或前向）方向与其纵轴之间的角度。根据关系式β=arctan(V_x/V_y)与角度φ类似地测量该角度，其中V_y代表前向速度，V_x代表横向速度。与角度φ不同，主体偏离角通常出现在横向加速期间，例如当驾驶过转弯时，而角度φ则由于激光装置与车辆纵轴的失准而出现。因此，根据本发明的一项细化，利用前面的等式校正所测量（例如通过比较前向速度与侧向速度来测量）的主体偏离角。

一旦从多点激光成像系统获知纵摇角和横摇角之后，就可以利用旋转矩阵M_R校正SMI地面速度传感器的系统性误差。从而可以大大提高地面速度和偏离角的绝对测量精度。

除了精度提高之外，光学车辆激光传感器系统还可以提高地面速度传感器的可靠性。通过测量每一个VCSEL焦点的亮度或对比率来连续地分析各个VCSEL的输出功率、每一个感测光束的聚焦质量以及道路表面的反射率。

对比率的反常减小可能表明VCSEL故障、感测光束失焦、传感器出射窗的严重污染或者极低反射率道路表面的存在。对于可以被用于车辆稳定性控制并且直接暴露于严苛环境的光学传感器（例如SMI地面速度传感器）来说，针对这样的事件的早期检测是特别有利的。

在无需传统的惯性或角度传感器的情况下，基于VCSEL的多光束激光点成像系统能够测量车辆的横摇角、纵摇角以及负载状态。该系统可以被用于车辆动态控制、头灯自动校平以及高级悬挂系统。特别是与多光束自混合地面速度传感器相组合，可以大大提高车辆的地面速度和偏离角测量的精度和可靠性。