DE102010054078A1 - Laser sensor for driver assistance system for detecting surrounding of car, has transmission unit with laser diodes generating laser beams, where scanning of laser beams takes place in plane around angular distance - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Lasersensor für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser sensor for a driver assistance system of a motor vehicle according to the preamble of
Lasersensoren für Fahrerassistenzsystem werden in heutigen Kraftfahrzeugen beispielsweise zur genauen Umfeldbestimmung des Fahrzeugs eingesetzt, um dem Fahrerassistenzsystem Daten über andere Fahrzeuge oder Hindernisse im näheren und weiteren Umfeld zu liefen. Bei einem Einbau eines Lasersensors über der Frontscheibe zur Beobachtung des vorderen Fahrzeugumfelds waren bisher zwei Lasersensorprinzipien relevant:
- – Lasersensoren mit einer Vielzahl von Sende- und Empfangskanälen (Multikanal) sowie
- – Lasersensoren mit einem nachgeführten Strahlfächer.
- - Laser sensors with a variety of transmit and receive channels (multi-channel) as well
- - Laser sensors with a tracked jet fan.
Während das Multikanalkonzept zum Erreichen einer noch akzeptablen Lateralauflösung eine hohe Zahl an kostenträchtigen Fotohalbleitern benötigt, erreicht das mechanische Nachführkonzept durch seine überlagernde Scanbewegungen eine gute Lateralauflösung. Allerdings erforderte dies eine Mechanik, die bisher nicht allzu robust ausgefallen ist. Dazu kommt noch eine aufwendige und komplizierte Lichtleitertechnik, die zur weiteren Minimierung der Fotohalbleiteranzahl eingebaut wurde.While the multi-channel concept requires a high number of costly photo semiconductors to achieve acceptable lateral resolution, the mechanical tracking concept achieves good lateral resolution due to its overlapping scanning movements. However, this required a mechanism that has not been too robust so far. In addition, there is a complex and complicated optical fiber technology, which was installed to further minimize the number of photomultipliers.
So zeigt die
Weiterhin zeigt
Aus der Druckschrift
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lasersensor für Fahrerassistenzsystem zu schaffen, der eine gute Lateralauflösung sowie eine Sensierung auf verschiedenen Ebenen bei einem einfachen Aufbau ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a laser sensor for driver assistance system, which allows a good lateral resolution and sensing at different levels with a simple structure.
Diese Aufgabe wird durch eine Lasersensor für ein Fahrerassistenzsystem zur Vermessung des Umfeldes eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a laser sensor for a driver assistance system for measuring the environment of a motor vehicle with the features of
Ein erfindungsgemäßer Lasersensor für ein Fahrerassistenzsystem zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs weist einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit auf, wobei die Sendeeinheit eine vorgegebene Anzahl von Laserelementen zur Erzeugung entsprechender Laserstrahlen umfasst. Dabei bilden die Laserstrahlen eine fächerförmige Anordnung in einer ersten Ebene, wobei die beiden äußeren Laserstrahlen des Fächers einen vorgegebenen Erfassungswinkel definieren, benachbarte Laserstrahlen des Fächers unter einem vorgegebenen Winkelabstand angeordnet sind und ein Scannen des Laserfächers in der ersten Ebene um den vorgegebenen Winkelabstand erfolgt.An inventive laser sensor for a driver assistance system for detecting the surroundings of a vehicle has a transmitting unit and a receiving unit, wherein the transmitting unit comprises a predetermined number of laser elements for generating corresponding laser beams. The laser beams form a fan-shaped arrangement in a first plane, wherein the two outer laser beams of the fan define a predetermined detection angle, adjacent laser beams of the fan are arranged at a predetermined angular distance and scanning the laser fan in the first plane by the predetermined angular distance.
Mit dieser Maßnahme kann der Laserfächer den vorgegebenen Winkelabstand zweier Laserstrahlen mittels einer kleinen Scanbewegung vollständig überstreichen und ist damit in der Lage jeden Winkel des Erfassungswinkels messtechnisch anzusteuern und zu erfassen.With this measure, the laser fan can completely sweep the predetermined angular distance of two laser beams by means of a small scanning movement and is thus able to control and detect every angle of the detection angle.
Vorzugsweise sind die Laserelemente zur Erzeugung de Laserstrahlen in Form eines Arrays nebeneinander angeordnet.Preferably, the laser elements for generating de laser beams in the form of an array are arranged side by side.
Weiter bevorzugt ist vor der Sendeeinheit eine erste optische Einheit angeordnet, die den Laserfächer erzeugt.More preferably, a first optical unit is arranged in front of the transmitting unit, which generates the laser fan.
Insbesondere kann das Scannen des Laserfächers durch eine Bewegung der Sendeeinheit und/oder durch eine Bewegung der ersten optischen Einheit erzeugt werden.In particular, the scanning of the laser fan can be generated by a movement of the transmitting unit and / or by a movement of the first optical unit.
Vorzugsweise weist die Sendeeinheit eine bewegliche zweite optische Einheit auf, die in Strahlrichtung nach der ersten optischen Einheit angeordnet ist, deren Bewegung ein Versetzen der Laserstrahlen in einer zweiten Ebene bewirkt, wobei die zweite Ebene senkrecht zur ersten Ebene angeordnet ist. Preferably, the transmitting unit has a movable second optical unit, which is arranged in the beam direction after the first optical unit whose movement causes a displacement of the laser beams in a second plane, wherein the second plane is arranged perpendicular to the first plane.
Vorzugsweise ist die Bewegung der ersten optischen Einheit eine oszillierende Horizontalbewegung, die durch einen ersten Antrieb bewirkt wird. Weiter bevorzugt ist die Bewegung der zweiten optischen Einheit eine Vertikalbewegung, die durch einen zweiten Antrieb bewirkt wird. Dadurch kann ein kontinuierliches Ausleuchten des Erfassungswinkel innerhalb der ersten Ebene erreicht werden. Durch die zusätzliche Bewegung in der zweiten Ebene kann dies auch in dieser Ebene erzielt werden.Preferably, the movement of the first optical unit is an oscillating horizontal movement caused by a first drive. More preferably, the movement of the second optical unit is a vertical movement, which is effected by a second drive. Thereby, a continuous illumination of the detection angle within the first plane can be achieved. Due to the additional movement in the second level, this can also be achieved in this level.
Durch die Aneinanderreihung mehrere Laserdioden mit definierten Abständen vervielfacht eine oszillierende Horizontalbewegung mit einem Hub, der dem Abstand der Laserdioden entspricht, die durch die Laserdiodenzahl bedingte Lateralauflösung. Die zusätzliche Vertikalbewegung kann dann die Fahrzeugneigung kompensieren und/oder ermöglicht eine Sensierung auf mehreren Ebenen.By juxtaposing a plurality of laser diodes with defined distances, an oscillating horizontal movement with a stroke corresponding to the spacing of the laser diodes multiplies the lateral resolution caused by the laser diode number. The additional vertical movement can then compensate for the vehicle inclination and / or allows multi-level sensing.
Insbesondere kann jede Lasereinheit der Sendeeinheit separat ansteuerbar sein. Dadurch ist der erfindungsgemäße Lasersensor skalierbar und kann in unterschiedlichen Ausstattungsvarianten an die jeweils gewünschten Fahrerassistenzaufgaben angepasst werden. Dies wird erreicht, indem die Messung, d. h. das Senden und Empfangen der Signale, beispielsweise von der jeweiligen Umgebungssituation und/oder der Fahrerassistenzfunktion abhängt. So können beispielsweise bei einem ACC-System (Adaptive Cruise Control) nur die mittleren Strahlen mit einer höheren Anzahl von Messungen pro Hub aktiv sein. Für den Nahbereich wären vorteilhafterweise alle Messungen mit einer niedrigeren Anzahl von Messungen pro Hub aktiv. Ferner kann zunächst bei einem ersten Durchgang geprüft werden, ob sich Objekte im Messbereich befinden und anschließend können die so erfassten Objekte mit höherer Auflösung bzw. höherer Genauigkeit vermessen werden.In particular, each laser unit of the transmitting unit can be controlled separately. As a result, the laser sensor according to the invention is scalable and can be adapted in different equipment variants to the respective desired driver assistance tasks. This is achieved by measuring, i. H. the transmission and reception of the signals, for example, depending on the particular environmental situation and / or the driver assistance function. For example, in an ACC (Adaptive Cruise Control) system, only the middle beams with a higher number of measurements per stroke can be active. For the near range, advantageously all measurements would be active with a lower number of measurements per stroke. Furthermore, it can first be checked in a first pass whether there are objects in the measuring range and then the objects thus detected can be measured with higher resolution or higher accuracy.
Angefangen bei der Nahfeldsensierung für ein System zur Notbremsung bis hin zur Kombination mit einer Videokamera (LiCam) sind viele Einsatzmöglichkeiten und Variationen möglich.Starting with near-field sensing for a system for emergency braking to the combination with a video camera (LiCam) many applications and variations are possible.
Vorzugsweise wird die erste optische Einheit durch Strahlformungseinheiten gebildet, deren Anzahl derjenigen der Lasereinheiten entspricht, wobei eine vor einer jeweiligen Lasereinheit angeordnete Strahlformungseinheit den gewünschten Strahlquerschnitt des Laserstrahls in zwei zur Strahlrichtung senkrechten Ebenen herstellt. Weiter bevorzugt weist die einer jeweiligen Lasereinheit zugeordnete Strahlformungseinheit einen rechteckigen Querschnitt und konischen Verlauf auf, wobei der Konus sich in Strahlrichtung verjüngt.Preferably, the first optical unit is formed by beam-forming units whose number corresponds to that of the laser units, wherein a beam-shaping unit arranged in front of a respective laser unit produces the desired beam cross-section of the laser beam in two planes perpendicular to the beam direction. Further preferably, the beam-shaping unit assigned to a respective laser unit has a rectangular cross-section and conical profile, wherein the cone tapers in the beam direction.
Damit kann die Strahlformungseinheit den gewünschten Strahlquerschnitt in zwei Ebenen herstellen. Ferner kann der Konus so ausgelegt sein, dass in jeder Verschiebeposition das gesamte oder zumindest ein erheblicher teil des Sendelichts der entsprechenden Lasereinheit in die Strahlformungseinheit einkoppelt, so dass insgesamt betrachtet eine optimale Einkopplung der Laser in die als Strahlformer wirkende erste optische Einheit erzielt wird.Thus, the beam shaping unit can produce the desired beam cross section in two planes. Furthermore, the cone can be designed so that in each displacement position, the entire or at least a significant part of the transmitted light of the corresponding laser unit coupled into the beam shaping unit, so that overall considered an optimal coupling of the laser is achieved in acting as a beam former first optical unit.
Vorzugsweise wird die zweite optische Einheit durch einen Spiegel gebildet, beispielsweise durch einen Hohlspiegel.Preferably, the second optical unit is formed by a mirror, for example by a concave mirror.
Weiter bevorzugt umfasst die Empfangseinheit einen Array von Photodetektoren, deren Anzahl gleich der Anzahl der Lasereinheiten ist, wobei vor der Empfangseinheit eine dritte durch Lichtsammlerelemente gebildete optische Einheit angeordnet ist, so dass jedem Photodetektor ein Lichtsammlerelement zugeordnet ist. Dabei weisen die Lichtsammlerelement bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt und konischen Verlauf auf, wobei der Konus sich zum Photodetektor, also in Strahlrichtung des einfallenden, reflektierten Strahls, hin verjüngt.More preferably, the receiving unit comprises an array of photodetectors, the number of which is equal to the number of laser units, wherein before the receiving unit, a third optical unit formed by light collector elements is arranged, so that each photodetector is associated with a light collector element. In this case, the light collector element preferably has a rectangular cross-section and a conical shape, with the cone tapering towards the photodetector, that is to say in the beam direction of the incident, reflected beam.
Vorzugsweise ist vor der dritten optischen Einheit eine vierte optische Einheit angeordnet, die das reflektierte Licht einer jeweiligen Lasereinheit auf das entsprechende Lichtsammlerelement des zur jeweiligen Lasereinheit korrespondierenden Photodetektors leitet. Insbesondere kann die vierte optische Einheit beispielsweise durch einen Hohlspiegel gebildet werden.Preferably, a fourth optical unit is arranged in front of the third optical unit, which guides the reflected light of a respective laser unit onto the corresponding light collector element of the photodetector corresponding to the respective laser unit. In particular, the fourth optical unit can be formed for example by a concave mirror.
Zur weiteren Optimierung können zur Korrektur der Abbildungsfehler der zweiten optischen Einheit die Austrittsfenster der Strahlformungselemente auf einer Korrekturkurve angeordnet sein. In analoger Weise können zur Korrektur der Abbildungsfehler der vierten optischen Einheit die Eintrittsfenster der Lichtsammlerelemente ebenfalls auf einer entsprechenden Korrekturkurve angeordnet sein. Dabei ergeben sich die Korrekturkurven aus der Geometrie der zweiten bzw. der vierten optischen Einheiten.For further optimization, the exit windows of the beam-shaping elements can be arranged on a correction curve to correct the aberrations of the second optical unit. In an analogous manner, in order to correct the aberrations of the fourth optical unit, the entrance windows of the light collector elements can likewise be arranged on a corresponding correction curve. The correction curves result from the geometry of the second and the fourth optical units.
Ferner ist es möglich, die Empfangseinheit synchron zum Scannen des Laserfächers zu bewegen, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis einer Messung verbessert wird.Further, it is possible to move the receiving unit synchronously with the scanning of the laser fan, thereby improving the signal-to-noise ratio of a measurement.
Weiterhin kann der Lasersensor einen Nahbereichssensor aufweisen, dessen Nagbereichssendeeinheit vorzugsweise unterhalb der durch die Lasereinheiten gebildeten Sendeeinheit und dessen Nahbereichsempfangseinheit vorzugsweise unterhalb der durch die Photodetektoren gebildete Empfangseinheit angeordnet ist.Furthermore, the laser sensor may comprise a proximity sensor, the nines range transmitting unit preferably below the transmitting unit formed by the laser units and whose short-range receiving unit is preferably arranged below the receiving unit formed by the photodetectors.
Der erfindungsgemäße Lasersensor weist daher die folgenden Vorteile auf:
- – Der Sensor ist modular aufgebaut und kann in seiner Ausgestaltung unterschiedlichen Fahrerassistenzsystemen angepasst werden. Von der einfachsten Ausführung mit festen Strahlen bis zu LiCam. Auch ein 3D-Scanner ist realisierbar.
- – Die Lateralauflösung ist skalierbar und im Grunde nur durch den Aufwand an Auswerte-Hardware und deren Verarbeitungsgeschwindigkeit begrenzt.
- – Die Scanbewegung mit ihrer geringer Amplitude ist mit einfachen mechanischen Mitteln darstellbar. Denkbare Lösungen sind Hubmagnet (siehe
6 ), Piezoelemente oder eine Mechatronik, wie sie für die Bildstabilisierung bei Digitalkameras angewendet wird. - – Die Minimalmechanik und die hier eingesetzte Optik führen zu geringeren Abmessungen.
- – Durch den Aufbau mit den auf Abstand montierten Laserdioden ist genug Raum zu deren verlustfreiem und prozesssicherem Bonding vorhanden. Das ist unterschiedlich zu einem Multikanal-Aufbau, bei dem die Laserdioden auf ihrer aktiven Fläche gebondet werden müssen.
- – Die Horizontalbewegung erfolgt durch die Hubbewegungen des Lichtformers vor der Sendeeinheit. Die Elektronik ist auf einer Platine montiert. Normalerweise ist sie bei Bewegungen sehr anfällig. Aus diesem Grund ist es sehr vorteilhaft, nur die Strahlformer zu bewegen, um so die Elektronik nicht zu belasten, insbesondere die Anschlussleitungen.
- – Die Vertikalbewegung wird erreicht, indem beispielsweise der Spiegel in die entsprechende Ebene gekippt wird. Der Vorteil besteht darin, dass eine komplizierte Vertikal- und Horizontalbewegung an einem Element nicht notwendig ist.
- – Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Spiegel mit nur einer niedrigen Frequenz von beispielsweise 2
bis 5 Hz kontinuierlich bewegt wird, um 3D-Informationen zu bekommen. - – Eine Frequenz von beispielsweise 1
bis 2 Hz ist für den Spiegel ausreichend, um die Nickbewegungen des Fahrzeugs zu kompensieren. - – Die Messfolge während der Bewegung in horizontaler Ebene ist skalierbar, d. h. bei einer ersten Messfolge zur Detektion von mindestens einem Objekt ist die Bewegung gleichmäßig. Im weiteren Messverlauf wird die Messfolge, d. h. die Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit dort erhöht, wo zuvor ein Objekt erfasst wurde, um so bessere Messwerte zu bekommen. D. h. es werden auch nur die Messungen z. B. an drei Kanälen durchgeführt, die dem Objekt zugewandt sind. Der Vorteil ist, dass die Auswertung so nicht mit den uninteressanten Informationen außerhalb des detektierten Objektes belastet wird. Zwischendurch, beispielsweise alle 0,5 Sekunden, kann der komplette Messverlauf mit allen Kanälen durchgeführt werden, damit zwischenzeitlich im Überwachungsbereich, d. h. dem Bereich der komplett mit allen Kanälen überwacht wird bzw. überwacht werden kann, aufgetauchte Objekte erfasst werden. Wird ein neues Objekt erfasst, das aufgrund seiner näheren Entfernung eine höhere Relevanz hat, wird dieser Bereich nachfolgend mit einer höheren Messfolge untersucht.
- - The sensor is modular and can be adapted in its design different driver assistance systems. From the simplest design with solid beams to LiCam. A 3D scanner is also feasible.
- - The lateral resolution is scalable and basically limited only by the amount of evaluation hardware and its processing speed.
- - The scanning movement with its low amplitude can be displayed by simple mechanical means. Conceivable solutions are solenoid (see
6 ), Piezo elements or mechatronics, as used for image stabilization in digital cameras. - - The minimal mechanics and the optics used here lead to smaller dimensions.
- - Due to the structure with the distance mounted laser diodes enough space is available for their lossless and process-reliable bonding. This is different from a multi-channel design where the laser diodes must be bonded on their active surface.
- - The horizontal movement takes place by the strokes of the light former in front of the transmitting unit. The electronics are mounted on a circuit board. Usually she is very vulnerable to movement. For this reason, it is very advantageous to move only the beam shaper so as not to stress the electronics, in particular the connecting lines.
- - The vertical movement is achieved, for example, by tilting the mirror in the corresponding plane. The advantage is that a complicated vertical and horizontal movement on an element is not necessary.
- Furthermore, it is advantageous that the mirror is continuously moved with only a low frequency, for example 2 to 5 Hz, in order to obtain 3D information.
- A frequency of, for example, 1 to 2 Hz is sufficient for the mirror to compensate for the pitching movements of the vehicle.
- - The measurement sequence during the movement in the horizontal plane is scalable, ie, in a first measurement sequence for detecting at least one object, the movement is uniform. In the further course of the measurement, the measurement sequence, ie the number of measurements per unit of time, is increased where previously an object was detected in order to obtain better measured values. Ie. it will be only the measurements z. B. performed on three channels, which face the object. The advantage is that the evaluation is not burdened with the uninteresting information outside the detected object. In between, for example every 0.5 seconds, the complete measurement process can be carried out with all channels, so that in the meantime in the monitoring area, ie the area which can be monitored or monitored completely with all channels, objects that have emerged can be detected. If a new object is detected, which has a higher relevance due to its proximity, this area is subsequently examined with a higher measurement sequence.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:A preferred embodiment of the invention will be explained below with reference to the drawings. Showing:
Ferner ist in
Ferner ist in der
Durch die Hubbewegung der Bewegungseinrichtung
Um Nickbewegungen des Fahrzeugs ausgleichen zu können oder um ein dreidimensionales Bild der Umgebung zu erhalten, ist der in
Zur Kompensation der sphärischen Aberration des Hohlspiegels
Die Lichtsammelelemente
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lasersensorlaser sensor
- 22
- Sendeeinrichtung mit Sendeeinheit und erster optischer EinheitTransmitting device with transmitting unit and first optical unit
- 33
- Hohlspiegel (zweite optische Einheit)Concave mirror (second optical unit)
- 44
- Empfangseinrichtung mit Empfangseinheit und dritter optischer EinheitReceiving device with receiving unit and third optical unit
- 55
- Hohlspiegel (vierte optische Einheit)Concave mirror (fourth optical unit)
- 66
- Grundplattebaseplate
- 77
- Gehäusecasing
- 88th
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 99
- Fernbereichremote area
- 1010
- Nahbereichclose range
- 1111
- AutobahnHighway
- 2121
- Sendeeinheittransmission unit
- 2222
- erste optische Einheitfirst optical unit
- 221221
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 222222
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 223223
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 224224
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 225225
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 226226
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 227227
- StrahlformungselementBeam shaping element
- 2323
- Hubelementlifting
- 2424
- Achseaxis
- 2525
- Aufnahme StrahlformungselementRecording beam-shaping element
- 2626
- Bewegungsrichtungmovement direction
- 2727
- NahfeldsendeeinheitNahfeldsendeeinheit
- 2828
- Laserdiodelaser diode
- 22E22E
- Eintrittsflächeentry surface
- 22A22A
- Austrittsflächeexit area
- 2929
- LaserlichtrichtungLaser light direction
- 4141
- Empfangseinheitreceiver unit
- 411411
- Photodetektorphotodetector
- 412412
- Photodetektorphotodetector
- 413413
- Photodetektorphotodetector
- 414414
- Photodetektorphotodetector
- 415415
- Photodetektorphotodetector
- 416416
- Photodetektorphotodetector
- 417417
- Photodetektorphotodetector
- 4242
- Lichtsammeleinheit (dritte optische Einheit)Light collecting unit (third optical unit)
- 421421
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 422422
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 423423
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 424424
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 425425
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 426426
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 427427
- LichtsammelelementLight-collecting element
- 42A42A
- Austrittsflächeexit area
- 42E42E
- Eintrittsflächeentry surface
- 4343
- NahfeldempfangseinheitNahfeldempfangseinheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102007004609 A1 [0006] DE 102007004609 A1 [0006]
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