使用彼此區(qū)分的信號修正傳感器的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)和方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]對用于向顧客配送產(chǎn)品的無人駕駛飛行器(UAV)的商業(yè)用途的關(guān)注在增加。在2013年，每家知名公司都演示或試驗了將UAV用作自主配送車。其他公司建議在缺乏交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展中國家將UAV用于配送醫(yī)療用品和其他關(guān)鍵物品。
[0002]UAV的這些商業(yè)演示依賴于用于引導(dǎo)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。該技術(shù)的弱點在于GPS信號不能到達所有配送位置。這樣的GPS “死區(qū)”通常位于可能發(fā)生多個配送的城市環(huán)境中的建筑物附近。
[0003]車道偏離警告系統(tǒng)位于包括在新型車輛中的駕駛員輔助特征中?，F(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)使用基于視覺的定位，這既低效又只是間歇性地可靠。它們需要使用數(shù)百萬的圖像傳感器像素來捕獲圖像，且需要進行計算圖像處理以獲取車道位置。這些基于圖像的系統(tǒng)取決于車道標(biāo)線清晰視圖，不被例如雨、冰和霧阻礙。
[0004]為了追求更高的燃料效率和增加的有效載荷容量，商業(yè)航空公司調(diào)查了機翼變體，該機翼變體涉及響應(yīng)于飛行狀況使飛機的機翼形狀動態(tài)變形。用于測量機翼變體例如偏轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)的技術(shù)包括平面圖像和立體圖像兩者的后處理。這些系統(tǒng)在計算上低效且對環(huán)境因素例如云和雨敏感，這可使圖像模糊并因此導(dǎo)致不精確的測量。如果需要高分辨率相機，則系統(tǒng)還笨重一對于需要兩個相機的立體照相系統(tǒng)尤其如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在實施方式中，引導(dǎo)系統(tǒng)確定目標(biāo)的位置參數(shù)，并包括:至少一個振蕩元件，定位在所述目標(biāo)處，用于發(fā)射調(diào)制的光學(xué)輻射；至少兩個彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器，每個所述電光傳感器具有檢測器、以及用于響應(yīng)于對所述調(diào)制的光學(xué)輻射的至少一部分的檢測而生成解調(diào)的電信號的解調(diào)器；以及處理器，用于從所述解調(diào)的電信號確定所述位置參數(shù)。
[0006]在實施方式中，引導(dǎo)系統(tǒng)進行畸變校正的成像，并包括:多個電光傳感器，共享視場并從所述多個電光傳感器彼此區(qū)分地提供相應(yīng)的多個改變的圖像；以及圖像生成模塊，用于線性地和非線性地處理所述多個改變的圖像的空間頻率特性，以合成用于成像系統(tǒng)的畸變校正的圖像。
【附圖說明】
[0007]圖1示出了實施方式中的、使用具有彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)的無人機配送方案。
[0008]圖錯誤！未找到引用源。示出了實施方式中的、使用彼此區(qū)分的信號修正傳感器以提供駕駛員輔助系統(tǒng)來提高駕駛員安全性的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)。
[0009]圖錯誤！未找到引用源。
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[0017]圖錯誤！未找到引用源。實施方式中的。
[0018]圖錯誤！未找到引用源。
[0019]圖錯誤！未找到引用源。以及實施方式中的、使用彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器。
[0020]圖錯誤！未找到引用源。
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[0036]圖30示出了從基于射線的視角得到的MTF功率損失。
[0037]圖31示出了實施方式中的復(fù)雜系統(tǒng)響應(yīng)(CSR)以及如何在使用彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)中恢復(fù)損失的MTF功率。
[0038]圖32示出了實施方式中的、在使用彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)中基于傳感器的出瞳形成CSR。
[0039]圖33描述了實施方式中的、基于像散組件的、CSR濾波器的構(gòu)造單元。
[0040]圖34示出了實施方式中的、基于圓柱形組件的、用于CSR濾波器的一組構(gòu)造單元。
[0041]圖35示出了實施方式中的、從CSR構(gòu)造單元構(gòu)造的CSR濾波器
[0042]圖36示出了實施方式中的、來自圖35的、用于4個角度的單個CSR濾波器示例以及來自圖33的正弦和余弦像散構(gòu)造單元兩者。
[0043]圖37示出了實施方式中的、與來自圖34的圓柱形構(gòu)造單元相關(guān)的CSR濾波器。
[0044]圖38描述了實施方式中的、包括像散和散焦的一組CSR濾波器。
[0045]圖39示出了實施方式中的、與來自圖38的、用于多個角度的散焦和振幅的線性組合以及正弦和余弦像散構(gòu)造單元兩者相關(guān)的CSR濾波器。
[0046]圖40示出了實施方式中的、類似于圖38的CSR濾波器，但是具有圖34和圖37的圓柱形CSR構(gòu)造單元。
[0047]圖41示出了實施方式中的、使用CSR濾波以記錄并隨后恢復(fù)由于三次相位畸變而損失的OTF的示例。
[0048]圖42示出了實施方式中的、用于圖41的三次畸變媒介的CSR濾波器和CSR 2910。
[0049]圖43示出了在使用彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)中恢復(fù)損失的OTF的示例，其中中間畸變媒介是一個球面畸變波。
[0050]圖44示出了實施方式中的、表示圖43的畸變的CSR。
[0051]圖45示出了在使用彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)中恢復(fù)損失的0TF，其中畸變是1.25個彗形波。
[0052]圖46示出了實施方式中的、用于圖45的彗形畸變的CSR。
[0053]圖47示出了實施方式中的、正交CSR濾波的示例，示出了在經(jīng)典的MTF中而不是在正交采樣系統(tǒng)中產(chǎn)生零點的畸變。
[0054]圖48示出了用于與圖47相關(guān)的畸變的CSR。
[0055]圖49示出了實施方式中的、多個彼此區(qū)分的孔，每個孔具有構(gòu)成具有彼此區(qū)分的信號修正傳感器的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)的、獨特的CSR構(gòu)造單元。
[0056]圖50示出了實施方式中的、圖49的線性處理組件。
[0057]圖51示出了實施方式中的、圖49的非線性處理組件。
[0058]圖52示出了實施方式中的、從振幅估計的乘積的二維逆傅里葉變換形成畸變校正的圖像。
[0059]圖53示出了實施方式中的、通過光學(xué)/數(shù)字引導(dǎo)系統(tǒng)的一個信道的射線追蹤。
[0060]圖54示出了實施方式中的、在圖53中示出的透鏡元件的球面組件和非球面組件。
[0061]圖55示出了圖53中的透鏡系統(tǒng)的畸變。
[0062]圖56示出了用于圖53中的光學(xué)系統(tǒng)的照明的帶通性質(zhì)。
[0063]圖57示出了使用彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)的3X1信道。
[0064]圖58示出了實施方式中的、共同地優(yōu)化目標(biāo)側(cè)和接收器側(cè)的子系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性的系統(tǒng)和方法。
[0065]圖59示出了實施方式中的、圖58的獨特的目標(biāo)側(cè)投射光學(xué)。
[0066]圖60示出了實施方式中的、與圖59相關(guān)的、Zemax型格式的光學(xué)配置。
【具體實施方式】
[0067]于2013 年 I 月 3 日提交的題目為 “Coded localizat1n systems, methods andapparatus (編碼定位系統(tǒng)、方法和設(shè)備)”的第W02013103725A1號的國際專利申請通過全文引用整體并入本文。
[0068]GPS死區(qū)的存在是基于GPS的UAV和其他系統(tǒng)，尤其是用作自主配送車的系統(tǒng)的缺點。本文公開的是可補充或替代GPS導(dǎo)航以例如在UAV行程的最后幾百米期間將UAV引導(dǎo)到其目的地的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)和方法。本文公開的、具有彼此區(qū)分的信號修正傳感器的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)和方法配置有電光傳感器以用于光學(xué)輻射的檢測。射頻信號一直存在于人口稠密的區(qū)域中，例如源于蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無線互聯(lián)網(wǎng)。本光學(xué)系統(tǒng)和方法從本質(zhì)上避免了來自周圍射頻信號的干擾，其原因是這樣的信息不被電光傳感器檢測。在本公開中，光學(xué)輻射是具有位于橫跨紫外頻率、可見光頻率和紅外頻率的光學(xué)范圍內(nèi)的載波頻率的輻射。射頻是位于從約3kHz至約300GHz的范圍內(nèi)的頻率。本系統(tǒng)還使用時間調(diào)制以抑制電光傳感器的載波頻率時的干擾。
[0069]在本文中，“彼此區(qū)分的”信號修正指的是彼此區(qū)分的信號修正，使得例如入射到傳感器上的、相同的或基本上相同的信號的修正產(chǎn)生相互彼此區(qū)分的修正信號。此外在本文中，彼此區(qū)分的信號修正傳感器是具有彼此區(qū)分的信號修正的傳感器。從數(shù)學(xué)視角看，“彼此區(qū)分的”可被理解為在空間域或時間域中信號修正如何正交的度。在本文中，術(shù)語“彼此區(qū)分的”和“正交的”可互換地使用。
[0070]圖1示出了使用具有下面更詳細(xì)地描述的、彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器122的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)的無人機配送方案100。給無人機120的任務(wù)是將包裹124配送到建筑物105。無人機120使用光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行該任務(wù)。光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)包括安裝在無人機120上的、彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器122，以及定位在配送區(qū)的三個振蕩元件106。在本公開中，振蕩元件可以是生成并發(fā)射光學(xué)輻射的發(fā)射器，或者振蕩元件可以是反射來自定位于其他位置的發(fā)射器的光學(xué)輻射的一部分的回射器。例如，在振蕩元件是回射器的實施方式中，發(fā)射器可定位在用于檢測光學(xué)輻射的電光傳感器附近。電光傳感器122檢測由三個振蕩元件106發(fā)射的光學(xué)輻射。電光傳感器122包括用于彼此區(qū)分地修正檢測的信號的多個傳感器。基于此，引導(dǎo)系統(tǒng)確定由振蕩元件106提供的三個定位參考，并使用這三個定位參考估計配送區(qū)的地面相對于包裹配送無人機120的位置和方位。
[0071]方案100包括與包裹配送無人機120在相同區(qū)域中操作的另一包裹配送無人機130。包裹配送無人機130配備有振蕩元件132。包裹配送無人機120的電光傳感器122檢測來自振蕩元件132的光學(xué)輻射。引導(dǎo)系統(tǒng)由此提供包裹配送無人機130對于包裹配送無人機120的位置和方位，以避免碰撞。
[0072]方案100進一步包括建筑物110，建筑物110具有包括振蕩元件162的配送區(qū)。該配送區(qū)是不起作用的，其原因是建筑物I1不期望包裹配送并不操作振蕩元件162。振蕩元件162可例如由房主觸發(fā)或通過來自包裹配送跟蹤系統(tǒng)的信息自動地觸發(fā)。在多個配送器到達附近位置例如到達與振蕩元件162和106相關(guān)的配送區(qū)的情況下，由振蕩元件162和106提供的光學(xué)輻射可在調(diào)制、極化和波長中的至少一個方面不同。此外，來自振蕩元件106，132和162的光學(xué)輻射可例如以射頻頻率或更高的頻率調(diào)制，以能夠與其他輻射區(qū)分。其他輻射包括例如來自太陽150的陽光、來自在該區(qū)域中操作且不會引起包裹配送無人機120關(guān)注的其他振蕩元件的光學(xué)輻射、或者來自遠離建筑物105，110，115的窗的振蕩元件的光學(xué)輻射的反射。來自振蕩元件106和/或振蕩元件162的光學(xué)輻射可被調(diào)制以識別具體建筑物的地址。電光傳感器122彼此區(qū)分地解調(diào)與接收的光學(xué)輻射相關(guān)的信號，以在入射到電光傳感器122上的不同的光學(xué)輻射信號之間進行區(qū)分。
[0073]圖錯誤！未找到引用源。示出了在提高駕駛員安全性的運輸方案200中使用彼此區(qū)分的信號修正傳感器224，234，264，274，278的一個示例性光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的車道偏離警告系統(tǒng)受制于高帶寬需求，這增加了系統(tǒng)成本，以及對于車道標(biāo)線的未受障礙的視圖的依賴，這束縛了功能。圖2的光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)對常見的車道標(biāo)線障礙例如霧或雨不敏感。
[0074]系統(tǒng)200包括振蕩元件，例如沿著車行道280的邊緣和沿著中心線錯誤！未找到引用源。15的有源發(fā)射器和無源回射器錯誤！未找到引用源。10。助力車錯誤！未找到引用源。60接近斜坡并使用傳感器264精確估計道路邊緣位置。助力車260還控制發(fā)射器262，發(fā)射器262使得對于具有傳感器的其他車輛來說助力車更加可見。發(fā)射器262配置為例如與車輛220上的傳感器224通信，以使車輛220可估計助力車260的位置、方向、速度和方位中的至少一個。類似地，車輛220支撐與助力車傳感器264協(xié)作的發(fā)射器222，以估計車輛220的姿態(tài)、位置、方向、速度和方位中的至少一個。貨車205下坡朝著車輛220和助力車260運動，但沒有看得見導(dǎo)向車行道的傳感器，以及在沒有通過標(biāo)牌或其他裝置獲得進一步輔助的情況下不能從基礎(chǔ)設(shè)施獲益。
[0075]系統(tǒng)200還包括塔臺，塔臺具有發(fā)射器240以提供位于與車行道的平面不同的平面內(nèi)的全局參考。在例如由于雪、塵土、沙和碎物位于車行道上而導(dǎo)致的模糊時，這些發(fā)射器增補車行道發(fā)射器。來自塔臺系統(tǒng)的方位可能不比來自基于車行道的系統(tǒng)的方位精確。在極其模糊時，對于“道路在哪兒？ ”塔臺至少提供低精度的估計，而在良好條件時，對于“車道的邊緣在哪兒？ ”車行道傳感器提供高精度信息。還可基于車行道傳感器的性能估計路面狀況，其中在極端天氣條件時，基于可見光波長散射和模糊效應(yīng)，車行道傳感器的性能將降級。
[0076]為了向基礎(chǔ)設(shè)施提供維修并向旅行者提供安全，空氣監(jiān)測車230配備有與車行道振蕩元件:發(fā)射器和無源回射器210、發(fā)射器222和262以及發(fā)射器272通信的傳感器234。發(fā)射器272例如定位在應(yīng)急車輛270的投射燈條276中，并可以以將車輛識別為應(yīng)急車輛的方式調(diào)制。應(yīng)急車輛270還具有面朝天空以與空氣監(jiān)測車230上的發(fā)射器232通信的傳感器274，而能夠使維修人員跟蹤彼此的位置和方位。傳感器234和278還可與發(fā)射器222，210，262和240通信，以評估車行道情況并將消息傳送到起作用標(biāo)牌252，例如使可能未配備有本文公開的傳感器的貨車205警覺即將到來的交通狀況。發(fā)射器和傳感器調(diào)制，以去除太陽250的環(huán)境影響以及來自其他車輛220和車行道280的反射。
[0077]在一個實施方式中，傳感器264，224和278容納有源發(fā)射器，該有源發(fā)射器提供沿著車行道280和中心線215朝著210的無源回射器部指向的調(diào)制的照明。在另一實施方式中，傳感器264，224和278具有有源發(fā)射器，該有源發(fā)射器提供朝著車輛的無源回射器部例如前反射器、側(cè)反射器和后反射器、車牌照、安全條帶或標(biāo)記指向的調(diào)制的照明。
[0078]在另一實施方式中，傳感器264，224和278還對它們相應(yīng)的視場中的目標(biāo)例如由于雨或霧阻礙的車道標(biāo)線產(chǎn)生畸變校正的圖像。
[0079]現(xiàn)有技術(shù)的、用于測量飛機機翼變形的成像系統(tǒng)存在類似于車道檢測的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷:需要計算處理并對機翼和成像系統(tǒng)之間的畸變媒介敏感。因此，發(fā)明人開發(fā)了克服這些問題的動態(tài)運動測量系統(tǒng)。
[0080]圖錯誤！未找到引用源。系統(tǒng)300示出了使用傳感器318以監(jiān)測發(fā)射器312，314和316的飛機310。在本實施方式中，發(fā)射器312分布在場或陣列中以提供高精度表面輪廓監(jiān)測。發(fā)射器314定位在翼面上以提供機翼彎曲、方位、迎角和平移的測量。發(fā)射器316例如位于控制面上并提供直接表面角度信息。在一個實施方式中，位于控制面上的發(fā)射器316可用作反饋回路的一部分以影響控制機構(gòu)319。在另一實施方式中，飛機330配置為通過具有未安裝在機翼上并與振蕩元件332通信的傳感器334，在風(fēng)切事件期間測量相對于傳感器334的機翼彎曲336，其中振蕩元件332可以是發(fā)射器或回射器。在另一實施方式中，飛機350包含與定位在旋轉(zhuǎn)的螺旋槳葉片上的回射器352通信的傳感器354。在本實施方式中，傳感器354例如提供反射離開352并回到354的調(diào)制的照明信號。傳感器356還提供反射離開352并回到356的、并在調(diào)制、極化和波長中的至少一個方面與來自傳感器354的信號區(qū)分的調(diào)制的照明信號。
[0081]圖4描述了具有彼此區(qū)分的信號修正電光傳感器的引導(dǎo)系統(tǒng)400。定位器402使點405運動以定位到參考目標(biāo)406的頂部。定位器402和參考目標(biāo)406包括振蕩元件404和408，例如通過傳感器陣列410經(jīng)由潛在畸變媒介(傳感器陣列410和元件404，408之間的媒介)檢測的發(fā)射器或回射器。在本實施方式中，振蕩元件404和408是發(fā)射器，例如發(fā)射待由傳感器陣列410接收的、彼此區(qū)分的電磁信號的LED。傳感器陣列410和元件404，408之間的潛在畸變媒介作用而減少引導(dǎo)系統(tǒng)400的精度；該潛在畸變媒介是例如具有對于光學(xué)質(zhì)量不平坦或透明的光學(xué)表面的窗或蓋。
[0082]傳感器陣列410中的傳感器元件包括成像透鏡，該成像透鏡將由404和408發(fā)射的入射信號的角度映射到傳感器上的位置。包括傳感器陣列410的一個傳感器具有正弦強度響應(yīng)函數(shù)415，其中正弦強度響應(yīng)函數(shù)415具有在4mm范圍內(nèi)的連續(xù)灰度級。傳感器陣列410中的檢測器的寬度是4mm。第二傳感器具有更高的頻率強度響應(yīng)函數(shù)417，其中頻率強度響應(yīng)函數(shù)417具有一個周期大約為IRF 415的周期的1/100的連續(xù)灰度級。IRF 417大約4mm寬。因此在本示例中，在相同大小的檢測區(qū)上IRF 417具有與IRF 415的循環(huán)的100倍一樣多的循環(huán)。其他IRF(未示出)是純的或沒有灰度衰減。該純信道是參考信道。從IRF 415和IRF 417到純信道的檢測的振幅水平的比較能夠進行到振蕩元件的角度低分辨率和高分辨率估計。