具体实施方式

无人飞行器(UAV)能够独立检测障碍物和/或自动进行规避机动是非常重要的。由于光检测和测距(LIDAR)几乎可以在所有的天气条件下工作，所以LIDAR是一种可靠而稳定的检测技术。然而，传统的LIDAR装置通常昂贵且沉重，使得大多数传统LIDAR设备不适合许多UAV应用。

因此，本技术涉及用于实现运动机构的技术，该运动机构用于承载和操作光电扫描模块(例如，LIDAR模块)。本技术使得能够使用单线激光LIDAR模块进行三维扫描，从而降低了在较小或较便宜的UAV上实现LIDAR的成本，同时仍然具有与更昂贵的多线LIDAR变型相关优点相同或类似的多个优点(例如，高精度和全天候操作)。本文所述的各种技术的示例实施例包括可以耦接在无人的可移动物体的主体和光电扫描模块之间的运动机构。运动机构可以包括例如自转装置和倾斜装置。自转装置可操作以使扫描模块围绕自转轴相对于主体旋转。倾斜装置可操作以例如响应于倾斜角度输入而使扫描模块围绕与自转轴横切的附加轴旋转。其他示例实施例包括安装在无人的可移动物体的主体上的朝向传感器。一些实施例还提供控制器，其被配置为从朝向传感器接收朝向信号，并至少部分地基于朝向信号来确定用于运动机构中的倾斜装置的倾斜角度输入的倾斜值。

在下面描述中，仅出于说明的目的，使用UAV的示例来解释各种技术，这些技术可使用用于承载更简单的LIDAR扫描模块(例如，单线LIDAR)的运动机构来实现，以减少或消除对传统LIDAR实现(例如多线LIDAR)的需求。在其他实施例中，这里描述的技术适用于其他合适的扫描模块、载具或两者。例如，尽管结合这些技术描述的一个或多个附图示出了UAV，但是在其他实施例中，这些技术可以以类似的方式应用于其他类型的可移动物体，包括但不限于无人驾驶的陆地或水上载具、手持装置或机器人。在另一示例中，尽管这些技术特别适用于由LIDAR系统中的激光二极管产生的激光束，但在其他实施例中也可以应用于其他类型的光源(例如，其他类型的激光器或发光二极管(LED))。

在以下描述中，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，这里描述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技术，不详细描述诸如具体制造技术之类的众所周知的特征。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指代相同的实施例。另一方面，这样的引用也不一定是相互排斥的。此外，可以在一个或多个实施例中通过任何合适的方式来组合特定特征、结构、材料或特性。此外，应该理解的是，附图中示出的各种实施例仅仅是说明性的表示，并且不一定按比例绘制。

为了清楚起见，在下面的描述中没有阐述若干细节，这些细节用于描述众所周知并经常与UAV以及相应的系统和子系统相关联的但可能不必要地与所公开的技术的一些重要方面相混淆的结构或过程。此外，尽管以下公开内容阐述了本公开的不同方面的若干实施例，但是一些其它实施例可以具有与本部分中所描述的不同的配置或不同的部件。因此，所描述的技术可以具有其他实施例，这些其他实施例具有附加元件或者不具有下面描述的若干元件。

以下描述的本公开的许多实施例可以采取计算机或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将认识到，所描述的技术可以在除以下所示和所述的之外的计算机或控制器系统上实施。本文描述的技术可以体现在被专门编程、配置或构造为执行下面描述的一个或多个计算机可执行指令的专用计算机或数据处理器中。因此，本文通常使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，并且可以包括互联网设备和手持设备(包括掌上计算机、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器的或可编程的消费电子产品、网络计算机、迷你计算机等)。由这些计算机和控制器处理的信息可以呈现在包括液晶显示器(LCD)在内的任何合适的显示介质上。用于执行计算机或控制器可执行任务的指令可以存储在任何合适的计算机可读介质中或其上，包括硬件、固件、或硬件和固件的组合。指令可以被包含在任何合适的存储设备中，包括例如闪存驱动器、USB设备和/或其它合适的介质。

本文可以使用术语“耦接”和“连接”及其派生词来描述组件之间的结构关系。应当理解：这些术语不意在作为彼此的同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接接触。除非在上下文中另外说明，否则术语“耦接”可以用于指示两个或更多个元件直接或间接地(其间具有其他中间元件)彼此接触、或者两个或更多个元件彼此协作或相互作用(例如，具有因果关系)、或两者。

1.概述

图1A是根据本技术的一个或多个实施例的具有多个元件的代表性系统100的示意图。该系统100包括可移动物体110和控制系统140。虽然可移动物体110被描述为无人飞行器(UAV)，但是这种描述并不意图是限制性的，如本文所述，在其他实施例中可以使用任何合适类型的可移动物体。

可移动物体110可以包括能够承载例如成像装置或光电扫描装置(例如，LIDAR装置)的负载120的主体111(例如，机身)。在特定实施例中，负载120可以是相机，例如，摄像机和/或静止相机。相机可以对各种合适波段(包括可视光、紫外线、红外线和/或其他波段)中的任何波长敏感。在另一些实施例中，负载120可以包括其他类型的传感器和/或其他类型的货物(例如包裹或其他可配送物)。在这些实施例中的许多实施例中，负载120通过承载机构125相对于主体111得到支撑。在一些实施例中，承载机构125可以允许负载120相对于主体111独立地布置。例如，承载机构125可以允许负载120围绕一个、两个、三个或更多个轴旋转。在其他实施例中，承载机构125可以允许负载120沿着一个、两个、三个或更多个轴线性移动。根据特定实施例，用于旋转或平移移动的轴可以彼此正交或可以不彼此正交。这样，当负载120包括成像装置时，成像装置可以相对于主体111移动例如以便拍摄、录像或跟踪目标。

在一些实施例中，负载120可以刚性地耦接到可移动物体110或与可移动物体110连接，使得负载120相对于可移动物体110总体上保持静止。例如，连接可移动物体110和负载120的承载机构125可以不允许负载120相对于可移动物体110移动。在其他实施例中，负载120可以直接耦接到可移动物体110，而不需要承载机构125。在一些示例中，承载机构可以包括允许在一个或多个轴上进行调节的机械机构，例如盘头(pan head)或球形头。盘头也被称为平移-倾斜头，其可允许负载围绕两个或三个垂直轴独立旋转。球形头可以包括用于进行朝向控制的球窝型接头；例如，球可以位于窝中，该窝可以拧紧以将球锁定在适当位置。承载机构的一些实现可以提供将移动限制到单个轴的能力。另外，一些承载机构可以包括机电组件以提供自动化目标跟踪功能或辅助目标跟踪功能。

一个或多个推进单元130能够使可移动物体110相对于多达三个平移自由度和多达三个旋转自由度移动(例如，起飞、降落、悬停和在空中移动)。在一些实施例中，推进单元130可以包括一个或多个旋翼。旋翼可以包括耦接到轴杆的一个或多个旋翼叶片。旋翼叶片和轴杆可以通过合适的驱动机构(例如电机)旋转。尽管可移动物体110的推进单元130被描述为基于螺旋桨并且可以具有四个旋翼(如图1B所示)，但是可以取决于具体实施例而使用任何合适的数量、类型和/或推进单元的布置。例如，旋翼的数量可以是一个、两个、三个、四个、五个甚至更多。旋翼可以相对于可移动物体110竖直地、水平地或以任何其他适当的角度取向。旋翼的俯仰角可以是固定的或可变的。推进单元130可以由任何合适的电机驱动，例如DC电机(例如，刷式或无刷式)或AC电机。在一些实施例中，电机可以被被配置为安装和驱动旋翼叶片。

可移动物体110被配置为从控制系统140接收控制命令。在图1A所示的实施例中，控制系统140包括承载在可移动物体110上的一些部件和位于可移动物体110外的一些部件。例如，控制系统140可以包括：由可移动物体110承载的第一控制器142和位于远离可移动物体110处并经由通信链路146(例如，诸如基于射频(RF)的链路之类的无线链路)连接的第二控制器144(例如，由人操作的远程控制器)。第一控制器142可以包括计算机可读介质143，其执行指导可移动物体110的动作的指令，这些动作包括但不限于推进系统130和负载120(例如相机)的操作。第二控制器144可以包括一个或多个输入/输出装置，例如显示器和控制按钮。操作员操控第二控制器144以远程控制可移动物体110，并且经由显示器和/或第二控制器144的其它接口从可移动物体110接收反馈。在其他代表性实施例中，可移动物体110可以自主操作，在这种情况下，第二控制器144可以被取消，或者可以仅用于操作员越权(override)功能。

图1B示意性地示出了承载有代表性光电扫描模块(或扫描元件)150的图1A的可移动物体110。扫描模块150可以由运动机构126承载。运动机构126可以与以上参照图1A描述的用于负载120的承载机构125相同或相似。例如，如图1B所示，运动机构126包括自转装置127(例如电动机)和支撑杆129。运动机构126耦接在可移动物体110的主体和扫描模块150之间，以将两者连接在一起。此外，在多个实施例中，运动机构126可操作(例如，通过来自第二控制器144(图1A)的控制或者通过编程自主地操作)以使扫描模块150围绕自转轴102相对于主体旋转。因此，扫描模块150可以执行水平扫描(例如，360度水平扫描)。

光电扫描模块150可以包括承载发光模块154和光感测模块156的扫描平台152。发光模块154被布置以发光，且光感测模块156被布置以检测所发出的光的反射部分。在许多实现中，光电扫描模块150是LIDAR模块，且发光模块154包括半导体激光二极管(例如，P-I-N结构二极管)。光感测模块156可以包括光电探测器，例如固态光电探测器(包括硅(Si))、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管或前述的组合。在一些实现中，半导体激光二极管可以以约1000Hz或3600Hz的脉冲速率发射激光。

在各种实施例中，扫描模块150可以执行覆盖水平方向和垂直方向两者的三维(3D)扫描操作，以便检测障碍物和/或进行地面测量。能够被检测的物体通常包括任何物理物体或构造，包括地理景观(例如，山脉、树木或悬崖)、建筑物、载具(例如飞机、轮船或汽车)或室内障碍物(例如，墙壁、桌子、或小隔间)。其他物体包括诸如人或动物的活体对象。物体可以是移动的或静止的。

图2示出了具有多个激光束发射器254a-254d的激光雷达(LIDAR)发光模块254的放大图，这些激光束发射器用于垂直扫描以覆盖不同高度的潜在障碍物。如上所述，3D激光雷达通常在两个平面(例如，水平和垂直)内扫描。在水平平面中，可以使用电动机(例如，图1B所示的自转装置127)来驱动由发光模块254发射的激光束，从而在360度范围内进行旋转和扫描。

在垂直平面上，为了覆盖不同高度的潜在障碍物，一种方法(如图2所示)是使用多个激光束，每个激光束配置为覆盖不同高度的障碍物。该方法需要多个激光发射器(例如，发射器254a至254d)同时操作，这增加了单元的成本、功耗和重量。此外，在许多应用中(例如，在利用LIDAR的主要目标之一是在飞行期间避免与静止物体碰撞的应用中)，在激光雷达中使用多个激光发射器可能不仅昂贵而且浪费。通常，在这些应用中，因为仅单个方向(例如，飞行方向)前方的障碍物是令人感兴趣的，所以单个激光发射器对于特定应用的目的(例如，用于在飞行期间执行障碍物检测和规避)而言是足够的。但是，使用单线LIDAR模块也有缺点。

图3A-3B示出了在在操作中使用单轴旋转机构实现单线激光器的实施例中观察到的示例性缺陷。如图3A至3B所示，为了检测UAV310前方的障碍物360，具有单个激光发射器354(其发射单线激光信号355)的单线LIDAR模块经由扫描平台352安装在单轴旋转机构326上。

具体地，在图3A所示的示例中，激光发射器354在由主控制单元(例如，如图1A所示的控制器142)执行的程序的控制下，以一频率(例如，1000Hz或3600Hz)发射激光信号355。当信号355遇到障碍物360时，信号355被障碍物360反射，并且反射信号由LIDAR模块中的光传感器356检测。经由自转装置327(例如，电动机)，单线LIDAR可以在水平平面内执行扫描(例如，360度扫描)。可以通过旋转的电动机来控制扫描频率(例如，表示为每秒的转数)，这种控制通过遥控器(例如，图1A的控制器144)手动地进行、或通过存储在与UAV 310上的控制器耦接的存储介质(例如，图1A中的介质143)中的计算机程序)来进行。这样，主控制器或另一模块可以基于激光355的发射与对所反射的激光的检测之间的时间差来计算从UAV310到障碍物360的距离。因此，该过程实现了单向障碍物检测和距离估计功能。要注意的是因为LIDAR模块通过单轴旋转机构326(例如，经由支架)连接到UAV 310，所以承载LIDAR模块的扫描平台352通常平行于UAV 310的主体311，使得单线LIDAR的扫描平面可以平行于主体311。

然而，如图3B所示，在UAV 310的飞行期间，该飞行器的俯仰角或姿态370可以随着在给定方向上的飞行速度和加速度而改变。例如，通常当UAV 310以较低且恒定的速度飞行时，该飞行器的姿态370可以大致平行于地面；然而，当所述飞行器以更高的速度飞行或加速时，该飞行器的姿态370可以降低，使得该飞行器向下倾斜(例如，大约30度)。如果在加速期间在UAV 310的运动方向375上存在障碍物360，并且LIDAR的扫描方向(如由单线激光信号355所示)显著偏离运动方向375，则单线LIDAR可能无法检测到障碍物360。

2.代表性实施例

下面描述的技术实现多轴(例如双轴)运动机构，该机构除了上述的自转装置(例如，图1B中所示的自转装置127)之外还包括至少一个倾斜装置以提供额外的自由度。倾斜装置可以被配置成调整扫描方向以使单线激光器可以始终瞄准行进方向(例如，每转至少一次)，而不管飞行器主体的姿态如何。该调整可以基于例如由飞行器的主体承载的朝向传感器(例如，惯性测量单元(IMU))来执行。IMU可以包括例如陀螺仪、加速度计、旋转编码器、霍尔效应传感器或其任何合适的组合。在一些实施例中，通过多轴运动机构，单线激光器也可以被指示为瞄准其他方向，例如，为了进行某个物体的距离估计或者用于进行局部地形的3D扫描。因为这种方法能够使用少至一对激光发射和感测装置来实现LIDAR障碍物检测，所以UAV上的LIDAR模块的成本和复杂性可以大大降低，使得单线LIDAR模块比传统的多线LIDAR扫描器更加适用于对成本敏感的中小型无人飞行器应用。

图4是根据本技术的实施例的在UAV 410上采用多电机(例如，双电机)机构426来执行水平扫描和垂直扫描两者的方法的示意图。图5示出了在操作中使用双电机机构实现单线激光器的实施例。下面同时参考图4和5进一步描述本技术的实施例。

具体而言，双电机运动机构426可以包括自转电极427和倾斜电机428，以执行水平扫描和垂直扫描两者。该方法可以使用单线激光器(例如，来自单个激光二极管)来实现3D扫描。UAV 410承载单线LIDAR模块450。激光发射器454包括在LIDAR模块450中，其可以包含激光二极管和用于准直或其他目的的一个或多个透镜。以与上述单线LIDAR模块相同或相似的方式，LIDAR模块450可由UAV410上的主控制单元(例如，图1A中所示的控制器142)控制，以发射脉冲激光信号。LIDAR模块450还包括光传感器456，光传感器456可以包括例如聚焦透镜、光电二极管和模数转换器(ADC)。ADC可以将检测到的光信号转换为电信号，并将该电信号输出至主控制单元，主控制单元转而可以执行例如障碍物检测、地形测量或碰撞规避。包括例如光发射器454和光传感器456在内的LIDAR模块450的元件安装在扫描平台453上或以其他方式由扫描平台453承载。

如图4所示，具有单个激光发射器454的单线LIDAR模块450经由扫描平台453安装在多轴运动机构426上。运动机构426包括至少两个伺服电机(例如，电动机)，例如自转电极427和倾斜电机428。自转电极427和倾斜电机428可以分别用于控制LIDAR模块450在水平平面和垂直平面中的扫描操作。类似于上面关于图1B描述的运动机构126，自转电极427可操作以使扫描LIDAR模块450围绕自转轴402相对于UAV 410的主体411旋转。在一些实施例中，自转电极427可以以通常恒定的速率(例如±10％)使LIDAR模块450自转。在某些例子中，速率大约是每秒10到20转(r.p.s.)。取决于实施方式，自转可以由UAV 410上的主控制器或另一合适的电路来控制。在其他实施例中，自转电极427可以是简单的恒速电机。在特定实施例中(例如，在扫描模块450持续自转的情况下)，扫描模块450连同运动机构426可以相对于自转轴线402是重量平衡的。

响应于倾斜角度输入，倾斜电机428能够可操作以使扫描LIDAR模块450围绕与自转轴402横切的附加轴404旋转。在一些示例中，附加轴404垂直于自转轴402。此外，朝向传感器412可以由主体411承载。朝向传感器412的示例可以包括IMU，IMU可以包括陀螺仪、加速度计、旋转编码器、霍尔效应传感器或适合于及时且准确地检测主体411的俯仰角的传感器的任何组合方式。根据本技术的多个实施例，UAV 410上的控制器(例如，图1A中所示的主控制器142)可以被配置为接收来自朝向传感器412的朝向信号，并且至少部分地基于该朝向信号上确定用于倾斜电机428的倾斜角度输入的倾斜值。通过安装在UAV 410上的朝向传感器412，可以获得飞行器410的当前姿态(或俯仰角)570。控制器可以被配置为例如通过引导倾斜电机428以使扫描平台453变得水平，来在主体411并非水平时补偿主体411的俯仰角570。因此，在UAV 410的操作期间，控制器可以获得俯仰角570，并且使用该信息来控制倾斜电机428以补偿俯仰角。因此，由LIDAR模块450发射的LIDAR激光束的方向可以始终与飞行器410的飞行方向对齐，以便检测障碍物360。这样，即使当主体411倾斜时，运动机构426和扫描LIDAR模块450也能够检测障碍物。

要注意的是在操作期间运动机构426可以使单线LIDAR模块450的扫描平面发生改变，并且更具体地，变成圆锥形而不是平坦的。然而，由于扫描LIDAR模块450每次旋转360度时扫描平台452c至少一次变成水平的，所以该结果通常不会对障碍物检测和碰撞规避过程产生不利影响。换句话说，只要通过控制器调节倾斜角度，使得在扫描模块450自转时扫描LIDAR模块450每转一圈至少一次是水平的(或者与飞行器运动方向对齐)，则通常足以使模块450检测飞行方向上的障碍物360。

图6A至6C示出了根据本技术的实施例的若干系统。如图6A所示，系统可以包括具有双轴构造的运动机构626a，其包括由自转装置627a旋转的中间平台652a。倾斜装置628a由中间平台652a承载以使扫描平台653a倾斜。也就是说，自转装置627a被配置成经由中间平台652a旋转扫描元件(例如，LIDAR模块450)，其中自转装置627a承载倾斜装置628a。

图6B示出了包括具有双轴构造的运动机构626b的另一实施例。相应的中间平台652b被简化为具有杆状的形状/构造。中间平台652b由相应的自转装置627b旋转。相应的倾斜装置628b由中间平台652b承载，并被布置以使相应的扫描平台653b倾斜。

图6C示出了根据本技术的另一实施例配置的相应的运动机构626c。运动机构626c也是双轴运动机构；然而，在该实施例中，它是承载相应的自转装置627c的倾斜装置628c。具体而言，倾斜装置628c可以使中间平台653c倾斜，中间平台653c继而承载自转装置627c。由中间平台653c承载的自转装置627c使相应的扫描平台652c旋转。也就是说，倾斜装置627c被配置为经由中间平台653c使扫描元件(例如，LIDAR模块450)倾斜。

图7示出了本技术的实施例可以执行的附加功能。具体地，利用本文描述的多轴运动机构，本技术的实施例可以使用单线LIDAR实现3D扫描。具体地，当飞行器410静止时(例如，在飞行中悬停或位于地面上)，光电扫描平台可以是倾斜的(例如通过倾斜电机428)以瞄准任何角度，从而在倾斜装置范围内的各种高度实现对地形765的3D扫描以及障碍物距离检测。

例如，在将UAV 410引导为水平之后，UAV 410上的控制器可以首先使运动机构426的自转装置427将单线LIDAR旋转360度，同时倾斜装置428处于第一倾角，由此执行第一扫描755a。然后，UAV 410上的控制器可以使自转装置427将单线扫描元件(例如扫描模块450)旋转360度，同时倾斜装置428处于不同的倾角，由此执行位于不同的高度处的后续扫描(例如，扫描755b和755c)。通过这种方式，可以通过逐渐改变垂直扫描方向，来绘制3D深度图(例如由图7中的地形765的轮廓所示)。利用本文描述的运动机构，单线LIDAR扫描器可以被配置为执行地面测量、障碍物检测等。

在一些实施例中，检测到的地形信息可以与由UAV上的传感器产生的其他数据(例如其他飞行器朝向信息)组合使用，并且控制器可以响应于由扫描器检测到的地形或障碍物来操控UAV，从而实现独立定位和自主飞行。

3.总结

从上文中可以理解，为了说明的目的，本文已经描述了本技术的具体实施例，但是可以在不偏离本技术的情况下做出各种修改。在代表性实施例中，LIDAR装置可以具有除本文具体示出和描述的构造以外的构造，包括其他半导体结构。本文描述的光学装置可以在其他实施例中具有其他构造，这些其他构造也可以产生本文描述的期望的光束形状和特性。虽然代表性实施例在中小型UAV的内容下进行了描述，但是本文描述的技术的多个方面可以应用于其他UAV和/或其他实施例中的其他飞行器。

在特定实施例的上下文中描述的本技术的某些方面可以在其他实施例中被组合或排除。例如，在图6和7的上下文中描述的光学结构的多个方面可以应用于除附图中具体示出的那些之外的实施例。此外，尽管已经在这些实施例的上下文中描述了与本技术的某些实施例相关联的优点，但是其他实施例也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施例都需要显示出落入本技术范围内的优点。相应地，本公开和相关技术可以涵盖未在本文中明确示出或描述的其他实施例。

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