使用彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]对用于向顾客配送产品的无人驾驶飞行器(UAV)的商业用途的关注在增加。在2013年，每家知名公司都演示或试验了将UAV用作自主配送车。其他公司建议在缺乏交通基础设施的发展中国家将UAV用于配送医疗用品和其他关键物品。
[0002]UAV的这些商业演示依赖于用于引导的GPS导航系统。该技术的弱点在于GPS信号不能到达所有配送位置。这样的GPS “死区”通常位于可能发生多个配送的城市环境中的建筑物附近。
[0003]车道偏离警告系统位于包括在新型车辆中的驾驶员辅助特征中。现有技术的系统使用基于视觉的定位，这既低效又只是间歇性地可靠。它们需要使用数百万的图像传感器像素来捕获图像，且需要进行计算图像处理以获取车道位置。这些基于图像的系统取决于车道标线清晰视图，不被例如雨、冰和雾阻碍。
[0004]为了追求更高的燃料效率和增加的有效载荷容量，商业航空公司调查了机翼变体，该机翼变体涉及响应于飞行状况使飞机的机翼形状动态变形。用于测量机翼变体例如偏转和扭转的技术包括平面图像和立体图像两者的后处理。这些系统在计算上低效且对环境因素例如云和雨敏感，这可使图像模糊并因此导致不精确的测量。如果需要高分辨率相机，则系统还笨重一对于需要两个相机的立体照相系统尤其如此。
【发明内容】
[0005]在实施方式中，引导系统确定目标的位置参数，并包括:至少一个振荡元件，定位在所述目标处，用于发射调制的光学辐射；至少两个彼此区分的信号修正电光传感器，每个所述电光传感器具有检测器、以及用于响应于对所述调制的光学辐射的至少一部分的检测而生成解调的电信号的解调器；以及处理器，用于从所述解调的电信号确定所述位置参数。
[0006]在实施方式中，引导系统进行畸变校正的成像，并包括:多个电光传感器，共享视场并从所述多个电光传感器彼此区分地提供相应的多个改变的图像；以及图像生成模块，用于线性地和非线性地处理所述多个改变的图像的空间频率特性，以合成用于成像系统的畸变校正的图像。
【附图说明】
[0007]图1示出了实施方式中的、使用具有彼此区分的信号修正电光传感器的光学引导系统的无人机配送方案。
[0008]图错误！未找到引用源。示出了实施方式中的、使用彼此区分的信号修正传感器以提供驾驶员辅助系统来提高驾驶员安全性的光学引导系统。
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[0019]图错误！未找到引用源。以及实施方式中的、使用彼此区分的信号修正电光传感器。
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[0036]图30示出了从基于射线的视角得到的MTF功率损失。
[0037]图31示出了实施方式中的复杂系统响应(CSR)以及如何在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的MTF功率。
[0038]图32示出了实施方式中的、在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中基于传感器的出瞳形成CSR。
[0039]图33描述了实施方式中的、基于像散组件的、CSR滤波器的构造单元。
[0040]图34示出了实施方式中的、基于圆柱形组件的、用于CSR滤波器的一组构造单元。
[0041]图35示出了实施方式中的、从CSR构造单元构造的CSR滤波器
[0042]图36示出了实施方式中的、来自图35的、用于4个角度的单个CSR滤波器示例以及来自图33的正弦和余弦像散构造单元两者。
[0043]图37示出了实施方式中的、与来自图34的圆柱形构造单元相关的CSR滤波器。
[0044]图38描述了实施方式中的、包括像散和散焦的一组CSR滤波器。
[0045]图39示出了实施方式中的、与来自图38的、用于多个角度的散焦和振幅的线性组合以及正弦和余弦像散构造单元两者相关的CSR滤波器。
[0046]图40示出了实施方式中的、类似于图38的CSR滤波器，但是具有图34和图37的圆柱形CSR构造单元。
[0047]图41示出了实施方式中的、使用CSR滤波以记录并随后恢复由于三次相位畸变而损失的OTF的示例。
[0048]图42示出了实施方式中的、用于图41的三次畸变媒介的CSR滤波器和CSR 2910。
[0049]图43示出了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的OTF的示例，其中中间畸变媒介是一个球面畸变波。
[0050]图44示出了实施方式中的、表示图43的畸变的CSR。
[0051]图45示出了在使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统中恢复损失的0TF，其中畸变是1.25个彗形波。
[0052]图46示出了实施方式中的、用于图45的彗形畸变的CSR。
[0053]图47示出了实施方式中的、正交CSR滤波的示例，示出了在经典的MTF中而不是在正交采样系统中产生零点的畸变。
[0054]图48示出了用于与图47相关的畸变的CSR。
[0055]图49示出了实施方式中的、多个彼此区分的孔，每个孔具有构成具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统的、独特的CSR构造单元。
[0056]图50示出了实施方式中的、图49的线性处理组件。
[0057]图51示出了实施方式中的、图49的非线性处理组件。
[0058]图52示出了实施方式中的、从振幅估计的乘积的二维逆傅里叶变换形成畸变校正的图像。
[0059]图53示出了实施方式中的、通过光学/数字引导系统的一个信道的射线追踪。
[0060]图54示出了实施方式中的、在图53中示出的透镜元件的球面组件和非球面组件。
[0061]图55示出了图53中的透镜系统的畸变。
[0062]图56示出了用于图53中的光学系统的照明的带通性质。
[0063]图57示出了使用彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统的3X1信道。
[0064]图58示出了实施方式中的、共同地优化目标侧和接收器侧的子系统的成本和复杂性的系统和方法。
[0065]图59示出了实施方式中的、图58的独特的目标侧投射光学。
[0066]图60示出了实施方式中的、与图59相关的、Zemax型格式的光学配置。
【具体实施方式】
[0067]于2013 年 I 月 3 日提交的题目为 “Coded localizat1n systems, methods andapparatus (编码定位系统、方法和设备)”的第W02013103725A1号的国际专利申请通过全文引用整体并入本文。
[0068]GPS死区的存在是基于GPS的UAV和其他系统，尤其是用作自主配送车的系统的缺点。本文公开的是可补充或替代GPS导航以例如在UAV行程的最后几百米期间将UAV引导到其目的地的光学引导系统和方法。本文公开的、具有彼此区分的信号修正传感器的光学引导系统和方法配置有电光传感器以用于光学辐射的检测。射频信号一直存在于人口稠密的区域中，例如源于蜂窝网络或无线互联网。本光学系统和方法从本质上避免了来自周围射频信号的干扰，其原因是这样的信息不被电光传感器检测。在本公开中，光学辐射是具有位于横跨紫外频率、可见光频率和红外频率的光学范围内的载波频率的辐射。射频是位于从约3kHz至约300GHz的范围内的频率。本系统还使用时间调制以抑制电光传感器的载波频率时的干扰。
[0069]在本文中，“彼此区分的”信号修正指的是彼此区分的信号修正，使得例如入射到传感器上的、相同的或基本上相同的信号的修正产生相互彼此区分的修正信号。此外在本文中，彼此区分的信号修正传感器是具有彼此区分的信号修正的传感器。从数学视角看，“彼此区分的”可被理解为在空间域或时间域中信号修正如何正交的度。在本文中，术语“彼此区分的”和“正交的”可互换地使用。
[0070]图1示出了使用具有下面更详细地描述的、彼此区分的信号修正电光传感器122的光学引导系统的无人机配送方案100。给无人机120的任务是将包裹124配送到建筑物105。无人机120使用光学引导系统执行该任务。光学引导系统包括安装在无人机120上的、彼此区分的信号修正电光传感器122，以及定位在配送区的三个振荡元件106。在本公开中，振荡元件可以是生成并发射光学辐射的发射器，或者振荡元件可以是反射来自定位于其他位置的发射器的光学辐射的一部分的回射器。例如，在振荡元件是回射器的实施方式中，发射器可定位在用于检测光学辐射的电光传感器附近。电光传感器122检测由三个振荡元件106发射的光学辐射。电光传感器122包括用于彼此区分地修正检测的信号的多个传感器。基于此，引导系统确定由振荡元件106提供的三个定位参考，并使用这三个定位参考估计配送区的地面相对于包裹配送无人机120的位置和方位。
[0071]方案100包括与包裹配送无人机120在相同区域中操作的另一包裹配送无人机130。包裹配送无人机130配备有振荡元件132。包裹配送无人机120的电光传感器122检测来自振荡元件132的光学辐射。引导系统由此提供包裹配送无人机130对于包裹配送无人机120的位置和方位，以避免碰撞。
[0072]方案100进一步包括建筑物110，建筑物110具有包括振荡元件162的配送区。该配送区是不起作用的，其原因是建筑物I1不期望包裹配送并不操作振荡元件162。振荡元件162可例如由房主触发或通过来自包裹配送跟踪系统的信息自动地触发。在多个配送器到达附近位置例如到达与振荡元件162和106相关的配送区的情况下，由振荡元件162和106提供的光学辐射可在调制、极化和波长中的至少一个方面不同。此外，来自振荡元件106，132和162的光学辐射可例如以射频频率或更高的频率调制，以能够与其他辐射区分。其他辐射包括例如来自太阳150的阳光、来自在该区域中操作且不会引起包裹配送无人机120关注的其他振荡元件的光学辐射、或者来自远离建筑物105，110，115的窗的振荡元件的光学辐射的反射。来自振荡元件106和/或振荡元件162的光学辐射可被调制以识别具体建筑物的地址。电光传感器122彼此区分地解调与接收的光学辐射相关的信号，以在入射到电光传感器122上的不同的光学辐射信号之间进行区分。
[0073]图错误！未找到引用源。示出了在提高驾驶员安全性的运输方案200中使用彼此区分的信号修正传感器224，234，264，274，278的一个示例性光学引导系统。传统的车道偏离警告系统受制于高带宽需求，这增加了系统成本，以及对于车道标线的未受障碍的视图的依赖，这束缚了功能。图2的光学引导系统对常见的车道标线障碍例如雾或雨不敏感。
[0074]系统200包括振荡元件，例如沿着车行道280的边缘和沿着中心线错误！未找到引用源。15的有源发射器和无源回射器错误！未找到引用源。10。助力车错误！未找到引用源。60接近斜坡并使用传感器264精确估计道路边缘位置。助力车260还控制发射器262，发射器262使得对于具有传感器的其他车辆来说助力车更加可见。发射器262配置为例如与车辆220上的传感器224通信，以使车辆220可估计助力车260的位置、方向、速度和方位中的至少一个。类似地，车辆220支撑与助力车传感器264协作的发射器222，以估计车辆220的姿态、位置、方向、速度和方位中的至少一个。货车205下坡朝着车辆220和助力车260运动，但没有看得见导向车行道的传感器，以及在没有通过标牌或其他装置获得进一步辅助的情况下不能从基础设施获益。
[0075]系统200还包括塔台，塔台具有发射器240以提供位于与车行道的平面不同的平面内的全局参考。在例如由于雪、尘土、沙和碎物位于车行道上而导致的模糊时，这些发射器增补车行道发射器。来自塔台系统的方位可能不比来自基于车行道的系统的方位精确。在极其模糊时，对于“道路在哪儿？ ”塔台至少提供低精度的估计，而在良好条件时，对于“车道的边缘在哪儿？ ”车行道传感器提供高精度信息。还可基于车行道传感器的性能估计路面状况，其中在极端天气条件时，基于可见光波长散射和模糊效应，车行道传感器的性能将降级。
[0076]为了向基础设施提供维修并向旅行者提供安全，空气监测车230配备有与车行道振荡元件:发射器和无源回射器210、发射器222和262以及发射器272通信的传感器234。发射器272例如定位在应急车辆270的投射灯条276中，并可以以将车辆识别为应急车辆的方式调制。应急车辆270还具有面朝天空以与空气监测车230上的发射器232通信的传感器274，而能够使维修人员跟踪彼此的位置和方位。传感器234和278还可与发射器222，210，262和240通信，以评估车行道情况并将消息传送到起作用标牌252，例如使可能未配备有本文公开的传感器的货车205警觉即将到来的交通状况。发射器和传感器调制，以去除太阳250的环境影响以及来自其他车辆220和车行道280的反射。
[0077]在一个实施方式中，传感器264，224和278容纳有源发射器，该有源发射器提供沿着车行道280和中心线215朝着210的无源回射器部指向的调制的照明。在另一实施方式中，传感器264，224和278具有有源发射器，该有源发射器提供朝着车辆的无源回射器部例如前反射器、侧反射器和后反射器、车牌照、安全条带或标记指向的调制的照明。
[0078]在另一实施方式中，传感器264，224和278还对它们相应的视场中的目标例如由于雨或雾阻碍的车道标线产生畸变校正的图像。
[0079]现有技术的、用于测量飞机机翼变形的成像系统存在类似于车道检测的现有技术的缺陷:需要计算处理并对机翼和成像系统之间的畸变媒介敏感。因此，发明人开发了克服这些问题的动态运动测量系统。
[0080]图错误！未找到引用源。系统300示出了使用传感器318以监测发射器312，314和316的飞机310。在本实施方式中，发射器312分布在场或阵列中以提供高精度表面轮廓监测。发射器314定位在翼面上以提供机翼弯曲、方位、迎角和平移的测量。发射器316例如位于控制面上并提供直接表面角度信息。在一个实施方式中，位于控制面上的发射器316可用作反馈回路的一部分以影响控制机构319。在另一实施方式中，飞机330配置为通过具有未安装在机翼上并与振荡元件332通信的传感器334，在风切事件期间测量相对于传感器334的机翼弯曲336，其中振荡元件332可以是发射器或回射器。在另一实施方式中，飞机350包含与定位在旋转的螺旋桨叶片上的回射器352通信的传感器354。在本实施方式中，传感器354例如提供反射离开352并回到354的调制的照明信号。传感器356还提供反射离开352并回到356的、并在调制、极化和波长中的至少一个方面与来自传感器354的信号区分的调制的照明信号。
[0081]图4描述了具有彼此区分的信号修正电光传感器的引导系统400。定位器402使点405运动以定位到参考目标406的顶部。定位器402和参考目标406包括振荡元件404和408，例如通过传感器阵列410经由潜在畸变媒介(传感器阵列410和元件404，408之间的媒介)检测的发射器或回射器。在本实施方式中，振荡元件404和408是发射器，例如发射待由传感器阵列410接收的、彼此区分的电磁信号的LED。传感器阵列410和元件404，408之间的潜在畸变媒介作用而减少引导系统400的精度；该潜在畸变媒介是例如具有对于光学质量不平坦或透明的光学表面的窗或盖。
[0082]传感器阵列410中的传感器元件包括成像透镜，该成像透镜将由404和408发射的入射信号的角度映射到传感器上的位置。包括传感器阵列410的一个传感器具有正弦强度响应函数415，其中正弦强度响应函数415具有在4mm范围内的连续灰度级。传感器阵列410中的检测器的宽度是4mm。第二传感器具有更高的频率强度响应函数417，其中频率强度响应函数417具有一个周期大约为IRF 415的周期的1/100的连续灰度级。IRF 417大约4mm宽。因此在本示例中，在相同大小的检测区上IRF 417具有与IRF 415的循环的100倍一样多的循环。其他IRF(未示出)是纯的或没有灰度衰减。该纯信道是参考信道。从IRF 415和IRF 417到纯信道的检测的振幅水平的比较能够进行到振荡元件的角度低分辨率和高分辨率估计。