故障诊断方法、激光雷达发射端组件及激光雷达

摘要

本发明涉及一种可用于激光雷达发射端的故障诊断方法，其中所述激光雷达发射端包括激光器以及与所述激光器的一端耦接的开关器件、与所述激光器的另一端耦接的储能单元、以及为所述储能单元供电的电源单元，并且其中所述故障诊断方法包括：采集所述激光雷达发射端中一个或多个节点的电信号；根据所述电信号，判断所述激光雷达发射端是否存在故障。

说明书

技术领域

本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及可用于激光雷达发射端的故障诊断方法、激光雷达发射端组件以及包括该激光雷达发射端组件的激光雷达。

背景技术

激光雷达LiDAR是激光主动探测传感器设备的一种统称，其工作原理大致如下：激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。根据激光线束的多少，通常有例如单线激光雷达、4线激光雷达、8/16/32/64线激光雷达等。一个或多个激光束在竖直方向沿着不同的角度发射，经水平方向扫描，实现对目标区域三维轮廓的探测。多个测量通道(线)相当于多个倾角的扫描平面，因此垂直视场内激光线束越多，其竖直方向的角分辨率就越高，激光点云的密度就越大。

激光雷达体积较小，内部安装容纳了数目非常多的电子元器件和电路。以机械式激光雷达激光发射端的电路设计为例，其内部例如包括有高压驱动电路、发光通路、光电二极管控制电路等。各个部件可能会发生故障，例如高压驱动电路、光电二极管控制电路等发生失效、短路、开路等。目前的激光雷达并无探测手段，存在器件损坏导致激光并未发射成功，系统却无法探知，当作前方没有障碍物存在处理的问题。亟待解决当雷达作为感知的关键传感器应用于自动驾驶时，存在器件失效引起安全风险的问题。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个问题，本发明提供一种可用于激光雷达发射端的故障诊断方法，其中所述激光雷达发射端包括激光器以及与所述激光器的一端耦接的开关器件、与所述激光器的另一端耦接的储能单元、以及为所述储能单元供电的电源单元，并且其中所述故障诊断方法包括：

采集所述激光雷达发射端中一个或多个节点的电信号；

根据所述电信号，判断所述激光雷达发射端是否存在故障。

根据本发明的一个方面，所述一个或多个节点包括所述电源单元的输出端，所述电信号包括所述电源单元的输出端的电压波形。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达发射端还包括与所述开关器件的控制端耦接的驱动单元，所述驱动单元配置成可控制所述开关器件的通断以及通断的持续时长，其中所述节点还包括所述驱动单元的输出端，所述电信号还包括所述驱动单元的输出端的电压波形。

根据本发明的一个方面，所述根据电信号判断激光雷达发射端是否存在故障的步骤包括：将所述电信号的波形，与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达发射端是否存在故障以及故障的类型。

根据本发明的一个方面，所述故障包括以下中的一种或多种：激光器短路，激光器开路，电源单元开路，储能元件开路。

根据本发明的一个方面，所述储能元件包括充电电容组和充电电感，所述储能元件开路包括充电电容开路和充电电感开路。

本发明还提供一种激光雷达发射端组件，包括：

激光器；

开关器件，与所述激光器的一端耦接；

储能单元，与所述激光器的另一端耦接；

电源单元，耦合到所述储能单元并为所述储能单元供电；

故障诊断单元，所述故障诊断单元配置成可采集所述激光雷达发射端中一个或多个节点的电信号，并根据所述电信号，判断所述激光雷达发射端是否存在故障。

根据本发明的一个方面，所述一个或多个节点包括所述电源单元的输出端，所述电信号包括所述电源单元的输出端的电压波形。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达发射端还包括与所述开关器件的控制端耦接的驱动单元，所述驱动单元配置成可控制所述开关器件的通断以及通断的持续时长，其中所述节点还包括所述驱动单元的输出端，所述电信号还包括所述驱动单元的输出端的电压波形。

根据本发明的一个方面，所述故障诊断单元配置成：将所述电信号的波形，与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达发射端是否存在故障以及故障的类型。

根据本发明的一个方面，所述故障包括以下中的一种或多种：激光器短路，激光器开路，电源单元开路，储能元件开路。

根据本发明的一个方面，所述储能元件包括充电电容组和充电电感，所述储能元件开路包括充电电容开路和充电电感开路。

本发明还提供一种激光雷达，包括：

如上所述的激光雷达发射端组件，配置成可发射探测光束；和

接收端组件，配置成可接收所述探测光束在障碍物上反射后形成的雷达回波。

根据本发明的实施例的技术方案，故障诊断的覆盖率较高，可以满足激光发射端多个器件失效的探测和诊断。另外，本申请中的故障诊断单元可为或者设置于lidar中本身已有的上仓板或下仓板，因此实施的复杂程度也相对较低。本发明实施例的设计方案中，可以在电源单元的输出端上进行信号采集，以64线激光雷达为例，通常只需要采集5个点(具体取决于架构，但对于多线激光雷达pin脚数量可以减少30％以上)，实施复杂程度相对传统方案低。方案实施的成本较低。电路采集逻辑实时性要求很高，甚至为纳秒级别，但可以复用激光发射端的高速ADC来进行采集，不会额外增加ADC芯片。另外，诊断逻辑电路不影响正常工作电路，即使诊断电路损坏也可以通过FPGA逻辑识别出来，鲁棒性高

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的激光雷达发射端组件的示意图；

图2示出了根据图1激光雷达发射端组件的一种优选的电路结构的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的一种的故障诊断方法；

图4A-4E分别示出了根据本发明一个实施例的多种故障的预设波形；和

图5示出了根据本发明一个实施例的激光雷达发射端组件。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了激光雷达发射端组件100的一个实施例。如图1所示，激光雷达发射端组件100包括电源单元101、储能单元102、激光器103以及开关器件104。其中电源单元101通常可接收较低的电压输入，例如12V，然后通过升压电路，将输出电压进行升压，提供高压HV，例如提升到60V。储能单元102用于接收所述电源单元101的输出的高压HV，并进行电能存储和积蓄。所述激光器103例如为激光二极管LD，其一端耦接到开关器件104，另一端耦接到所述储能单元102。根据本发明的一种实现方式，电源单元101为储能单元102供电，储能单元102积蓄电能，当控制开关器件104闭合时，储能单元102驱动激光器103，通过开关104形成的回路进行放电，电流流过激光器103，激光器103发射出激光束。所述开关器件104例如可以为GaN开关。

另外如图1所示，激光雷达发射端组件100还包括驱动单元105，驱动单元105与所述开关器件104的控制端耦接在一起，从而可以输出控制信号，控制所述开关器件104的通和断以及通断的持续时长，例如30ns，从而可以影响激光器103发射的激光束的脉宽。当所述驱动单元105控制所述开关器件104处于导通状态时，开关器件104为所述激光器103提供了放电回路，从而储能单元102驱动激光器103，电流流过激光器103，激光器103发出激光束。当所述驱动单元105控制所述开关器件104处于断开状态时，所述放电回路被断开，激光器103停止发光。因此通过控制所述开关器件104的通断的持续时长，可以控制激光器103的发光时长。

图2示出了根据图1激光雷达发射端组件100的一种优选的电路结构的示意图。下面结合图1和图2详细描述。

图2中示出了图1电源单元101的具体结构。如图2所示，电源单元101包括充电电感1011、二极管1012以及开关1013(例如场效应管)。充电电感1011的一端接输入电压PSV，例如为12V的输入电压，另一端分别连接到所述开关1013的漏极以及所述二极管1012。开关1013的栅极接收控制电压脉冲Vpulse，源极接地。所述电源单元101耦接到所述电容102(储能单元)，从而可以在其上建立高压HV，并且耦接到所述激光器103。激光器103的另一端耦接到开关器件104(图中所示为场效应管，或者为GaN开关)的漏极，开关器件104的源极接地，栅极耦接到作为驱动单元105的FPGA。本领域技术人员容易理解，除了采用FPGA来实现驱动单元105之外，还可以采用DSP、ASIC来实现驱动单元，这些都在本发明的保护范围内。

其工作原理基本如下。电路工作过程如下：储能单元102进行充电和储能，当开关器件104导通时，激光器被高压HV驱动从而发光放电，整个激光探测过程中循环持续。

在充电时，提供输入电压PSV(例如12v或者5v)，控制电压脉冲Vpulse控制了开关1013是否导通以及导通时间。当开关1013导通的时候，其源极接地，形成回路，从而在输入电压PSV的驱动下，对电感1011进行充电；当开关1013断开的时候，电感1011由于要维持其上的电流，因此会进行放电，二极管1012导通，从而给电容102进行充电，电容102充电后两端的电压即为高压HV，作为驱动单元105的FPGA向开关器件104提供驱动信号VDRV使其导通，从而使得发光通路导通，电流流过激光器103，激光器发出测量光。通过采用不同占空比的脉冲信号Vpulse控制开关1013的导通时间，从而实现对高压HV电平的控制。通过控制FPGA 105输出的驱动信号VDRV的占空比，可以控制激光器103的发光时间。另外，FPGA 105还可以采集所述激光雷达发射端中一个或多个节点的电信号，并将所述电信号的波形，与预设的波形进行比较，从而判断所述激光雷达发射端是否存在故障以及可能的故障类型，比如具体的故障是激光器短路、激光器开路、电源单元开路，还是储能元件开路。

图3示出了根据本发明一个实施例的一种的故障诊断方法200，例如可用于图1和图2的激光雷达发射端组件100的故障诊断。下面参考图3详细描述。

如图3所示，在步骤S201，采集所述激光雷达发射端中一个或多个节点的电信号。

本申请的发明人发现，可以采集所述电源单元101的输出端的电信号(即高压HV)，即电源单元的输出端的电压波形(或储能单元上的电压波形)，因为电源单元输出端的电压波形可表征和识别多种故障。另外优选的，所述节点还包括所述驱动单元105的输出端，所采集的电信号包括驱动单元105的输出端的电压波形。

在步骤S202，根据所述电信号，判断所述激光雷达发射端是否存在故障。

根据采集到的电信号的幅值和/或波形，进行一定的处理后，就可以判断在激光雷达发射端组件100中是否存在故障。

激光雷达发射端组件的故障可能包括以下故障中的一种或多种：激光器短路，激光器开路，电源单元开路，储能元件开路。每一种故障会反映在其中一个或多个节点的电信号上。因此可以在存储器中存储预先设置的故障波形或者判断条件，将所述电信号与所述预设波形或者判断条件进行比较，以判断所述激光雷达发射端是否存在故障以及故障的类型。

图4A-4E示出了多种故障的预设波形，对应于在电源单元101的输出端的电信号。其中，如图4A所示，波形Q1代表激光器短路的波形。当图1中的激光器103发生短路时，所述电源单元101的输出电压波形会很快降至零，因此可以通过电源单元101的输出端的电信号下降的斜率来判断是否发生了激光器短路的故障。

如图4B所示，波形Q2代表激光器开路的波形。图1中的激光器103发生开路时，在储能单元102中存储的电能无法通过激光器103进行放电，因此电源单元101的输出端的电压信号将较为平稳，或者以很小的速度下降，体现在波形图上，其下降的斜率较小。

如图4C所示，波形Q3代表电源单元开路的波形。当图1中的电源单元101发生开路或断路时，电源单元101的输出将始终保持在较低的电平，如波形Q3所示。

所述电源单元包括充电电感，所述故障还包括充电电感开路。如图4E所示，其中波形Q5代表充电电感开路的波形。波形Q5中完全缺失了建立高压的一个脉冲，表明充电电感可能发生开路。

根据本发明一个实施例，可以根据电源单元101的输出进行计算，例如计算其幅值、下降斜率等，进而与预设阈值进行比较，从而判断其是否存在故障，以及具体的故障类型。或者可选的，可以将电源单元101的输出的电压波形与预设波形进行比对，例如通过图像分类算法，得到与电压波形最为接近的其中一个预设波形，从而判断其是否存在故障以及具体的故障类型。

根据本发明的一个实施例，所述储能单元包括充电电容或充电电容组，波形Q4代表充电电容开路的波形。当充电电容发生开路之后，高压HV将始终保持高位，无法驱动激光器而泄放其上的电荷，波形如图4D中的波形Q4所示。

另外，本领域技术人员容易理解，图4中所示出的各种故障对应的波形仅是示意性的，不构成对本发明的保护范围的限制。本领域技术人员在本发明的教导下，可以设置其他各种类型的故障波形，都在本发明的范围内。

图5示出了根据本发明一个实施例的激光雷达发射端组件100’，其同样包括电源单元101、储能单元102、激光器103、开关器件104以及驱动单元105，与图1所示的激光雷达发射端组件100基本相同，此处不再赘述。另外，图2所示的实施例中的各种组件及其连接关系等特征，同样可结合到图5中，不需要付出创造性的劳动。下面着重描述其与图1的激光雷达发射端组件100的不同之处。

如图5所示，激光雷达发射端组件100’还包括故障诊断单元106，所述故障诊断单元106配置成可采集所述激光雷达发射端100’中的一个或多个节点的电信号，并根据所述电信号，判断所述激光雷达发射端是否存在故障。

如参考图1和图3描述的，所述一个或多个节点可以包括所述电源单元101的输出端，电信号包括所述电源单元的输出端的电压波形。

故障诊断单元106可以用于实施如图3所示的故障诊断方法200，例如将所述电信号的波形，与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达发射端是否存在故障以及故障的类型。所述故障例如包括：激光器短路，激光器开路，电源单元开路，储能元件开路。

所述储能元件102例如包括充电电容或充电电容组，所述电源单元包括充电电感，所述故障还包括充电电感开路。

本发明还涉及一种激光雷达，包括：如上所述的激光雷达发射端组件100或100’以及接收端组件。其中，激光雷达发射端组件100或100’配置成可发射探测光束。探测光束在激光雷达外部的障碍物上会发生漫反射，部分反射光束会作为雷达回波入射到接收端组件上。接收端组件中例如包括光学透镜和光电传感器。其中，光学透镜将雷达回波进行汇聚，使其入射到光电传感器上。光电传感器可以是雪崩式光电二极管APD或者SiPM，根据所接受的光强或者光子数目产生电信号，电信号经过后续的电路和信号处理，进行放大和滤波等处理，生成激光雷达的点云数据，可表征障碍物的距离、方位、反射率等信息。

根据本发明的实施例的技术方案，故障诊断的覆盖率较高，可以满足激光接收端多个器件失效的探测和诊断。另外实施复杂程度低。本发明实施例的设计方案中，可以在电源单元的输出端上进行信号采集，以64线激光雷达为例，通常只需要采集5个点(具体取决于架构，但对于多线激光雷达pin脚数量可以减少30％以上)，实施复杂程度相对传统方案低。方案实施的成较低。电路采集逻辑实时性要求很高，甚至为纳秒级别，但可以复用激光接收端的高速ADC来进行采集，不会额外增加ADC芯片。另外，诊断逻辑电路不影响正常工作电路，即使诊断电路损坏也可以通过FPGA逻辑识别出来，鲁棒性高

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。