DE102021202234A1 - LiDAR system for determining the distance of objects - Google Patents
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Abstract
Es wird ein LiDAR-System (10) zur Entfernungsbestimmung von Objekten, umfassend ein Sendemodul (15) zum Aussenden eines Lichtstrahls, ein Empfangsmodul (16) zum Empfangen eines Lichtstrahls und einen um eine Drehachse (19) rotierbaren Spiegel (12), beschrieben, wobei das LiDAR-System (10) weiterhin eine Photodiode (14) umfasst, welche um die Drehachse (19) rotierbar ist.A LiDAR system (10) for determining the distance of objects is described, comprising a transmitter module (15) for emitting a light beam, a receiver module (16) for receiving a light beam and a mirror (12) rotatable about an axis of rotation (19), wherein the LiDAR system (10) further comprises a photodiode (14) which is rotatable about the axis of rotation (19).
Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem LiDAR-System gemäß dem unabhängigen Patentanspruch.The present invention is based on a LiDAR system according to the independent patent claim.
Stand der TechnikState of the art
Hoch- und vollautomatisierte Fahrzeuge (Level 3-5) werden in den nächsten Jahren immer mehr auf unseren Straßen vorzufinden sein. Es existieren verschiedene Konzepte, wie ein solches automatisiertes Fahrzeug realisiert werden kann. All diese Ansätze benötigen verschiedenste Sensoren (z.B. Videokameras, LiDAR-, Radar-, Ultraschall-Sensoren), wobei insbesondere LiDAR-Sensoren eine immer wichtigere Rolle spielen - optische Sensoren, welche mithilfe von Laserlicht 3D-Punktewolken der Umgebung erzeugen.Highly and fully automated vehicles (level 3-5) will be found more and more on our roads in the next few years. There are various concepts of how such an automated vehicle can be implemented. All of these approaches require a wide variety of sensors (e.g. video cameras, LiDAR, radar, ultrasonic sensors), with LiDAR sensors in particular playing an increasingly important role - optical sensors that use laser light to generate 3D point clouds of the environment.
Eine Art von LiDAR-Sensoren sind LiDAR-Sensoren mit rotierendem Spiegel. Dabei sind die Sende- und Empfangsmodule auf dem Stator fest verbaut und das Laserlicht wird durch einen rotierenden Spiegel in verschiedene Raumrichtungen abgelenkt. Dabei deckt die Spiegelrotation eine Raumrichtung ab, während die zweite Scanrichtung durch das Anbringen mehrerer Laserquellen oder durch die Nutzung eines Line-Flashs und mehrerer Detektoren im Empfangsmodul abgedeckt wird.One type of LiDAR sensors are rotating mirror LiDAR sensors. The transmitter and receiver modules are permanently installed on the stator and the laser light is deflected in different spatial directions by a rotating mirror. The mirror rotation covers one spatial direction, while the second scanning direction is covered by attaching multiple laser sources or by using a line flash and multiple detectors in the receiving module.
Die genauen Messrichtungen der Laserstrahlung sind abhängig von der Rotorposition und werden in einem Kalibrierschritt während der Herstellung des LiDAR-Sensors bestimmt (Winkelkalibrierung). Während des Normalbetriebs wird der aktuelle Rotorwinkel von einem Encoder bestimmt. Die Winkelbestimmung des rotierenden Spiegels kann dabei jedoch mit der Zeit fehlerhaft werden. In solchen Fällen wird eine Rekalibrierung bzw. ein Reset der Winkel notwendig. Dabei kann es von hoher Sicherheitsrelevanz sein, dass das automatisierte Fahrzeug eine solche Miss-Kalibrierungs-Situation automatisch erkennt und entsprechend eine Rekalibrierung anfordert. Jedoch ist ein Werkstattbesuch für eine Rekalibrierung preisintensiv. Daher wäre es wünschenswert, eine Methode zu entwickeln, um LiDAR-Sensoren automatisch im Einsatz auf der Straße zu rekalibrieren (auch Online-Kalibration genannt).The precise measuring directions of the laser radiation depend on the rotor position and are determined in a calibration step during the manufacture of the LiDAR sensor (angle calibration). During normal operation, the current rotor angle is determined by an encoder. However, the determination of the angle of the rotating mirror can become incorrect over time. In such cases, a recalibration or a reset of the angles becomes necessary. It can be of high safety relevance that the automated vehicle automatically recognizes such a miscalibration situation and accordingly requests a recalibration. However, a workshop visit for a recalibration is expensive. It would therefore be desirable to develop a method to automatically recalibrate LiDAR sensors on the road (also called online calibration).
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Offenbart wird ein LiDAR-System mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.A LiDAR system with the characterizing features of the independent patent claim is disclosed.
Dabei umfasst das LiDAR-System ein Sendemodul zum Aussenden eines Lichtstrahls, ein Empfangsmodul zum Empfangen eines Lichtstrahls und einen um eine Drehachse rotierbaren Spiegel, wobei das LiDAR-System weiterhin eine Photodiode umfasst, welche um die Drehachse rotierbar ist. Dies ist vorteilhaft, um mit der Photodiode das LiDAR-System auch während des Betriebs auf korrekte Winkel zu überwachen und kalibrieren zu können.The LiDAR system includes a transmitter module for emitting a light beam, a receiving module for receiving a light beam and a mirror that can be rotated about an axis of rotation, the LiDAR system also including a photodiode that can be rotated about the axis of rotation. This is advantageous in order to be able to use the photodiode to monitor and calibrate the LiDAR system for correct angles even during operation.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject matter of the dependent claims.
Zweckmäßigerweise umfasst das LiDAR-System einen weiteren rotierbaren Spiegel, wobei die Photodiode zwischen den Spiegeln angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, um eine kompakte Bauform des LiDAR-System zu erreichen.The LiDAR system expediently comprises a further rotatable mirror, with the photodiode being arranged between the mirrors. This is advantageous in order to achieve a compact design of the LiDAR system.
Zweckmäßigerweise sind die beiden Spiegel parallel angeordnet. Dies ist vorteilhaft, um einen großen Winkelbereich abdecken zu können. Ein weiterer Vorteil ist, dass parallele Spiegel zu einer konstanten Zeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Frames sorgen (z.B. je 100ms). Wären die Spiegel dagegen unter einem Winkel zueinander angeordnet, so wären die Zeitdifferenzen unterschiedlich (z.B. 90ms und 110ms).The two mirrors are expediently arranged in parallel. This is advantageous in order to be able to cover a large angular range. Another advantage is that parallel mirrors ensure a constant time difference between consecutive frames (e.g. 100ms each). If the mirrors were arranged at an angle to each other, the time differences would be different (e.g. 90ms and 110ms).
Zweckmäßigerweise ist das LiDAR-System eingerichtet, mittels der Photodiode eine Winkelposition des rotierbaren Spiegels zu ermitteln. Dies ist vorteilhaft, um ein kompaktes LiDAR-System zu erhalten, bei dem das LiDAR-System integriert eine Winkelkalibrierung durchführt.The LiDAR system is expediently set up to determine an angular position of the rotatable mirror using the photodiode. This is advantageous for obtaining a compact LiDAR system in which the LiDAR system integrally performs angle calibration.
Zweckmäßigerweise ist das LiDAR-System eingerichtet, mittels der ermittelten Winkelposition des rotierbaren Spiegels eine Winkelkalibrierung des rotierbaren Spiegels durchzuführen. Dies ist vorteilhaft, da das LiDAR-System somit automatisch im Betrieb bezüglich des Rotationswinkels kalibriert werden kann.The LiDAR system is expediently set up to carry out an angular calibration of the rotatable mirror using the determined angular position of the rotatable mirror. This is advantageous because the LiDAR system can thus be automatically calibrated during operation with regard to the angle of rotation.
Zweckmäßigerweise ist das LiDAR-System eingerichtet, bei wiederholten Winkelkalibrierungen innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne einen defekt an dem LiDAR-System festzustellen. Dies ist vorteilhaft, um ein defektes LiDAR-System rechtzeitig zu erkennen und gegebenenfalls eine Reparatur oder einen Austausch zu veranlassen.The LiDAR system is expediently set up to detect a defect in the LiDAR system when angle calibrations are repeated within a predefined period of time. This is advantageous for detecting a defective LiDAR system in good time and, if necessary, for repairing or replacing it.
Zweckmäßigerweise ist das LiDAR-System eingerichtet, mittels der Photodiode die Lichtleistung des vom Sendemodul ausgesendeten Lichtstrahls zu ermittelm und bei Überschreiten eines vordefinierten Lichtleistungsgrenzwertes die Lichtleistung zu reduzieren. Dies ist vorteilhaft, um die Augensicherheit bei Nutzung des LiDAR-Systems zu gewährleisten.The LiDAR system is expediently set up to use the photodiode to determine the light output of the light beam emitted by the transmission module and to reduce the light output if a predefined light output limit value is exceeded. This is beneficial to ensure eye safety when using the LiDAR system.
Zweckmäßigerweise ist vor der Photodiode ein abschwächendes optisches Filter plaziert, um eine auf die Photodiode auftreffende Lichtintensität abzuschwächen. Dies ist vorteilhaft, um eine Saturierung der Photodiode zu vermeiden und somit die Einsatzbereitschaft des LiDAR-Systems zu erhöhen.Conveniently, an attenuating optical filter is placed in front of the photodiode to attenuate an intensity of light incident on the photodiode. This is advantageous in order to avoid saturation of the photodiode and thus increase the operational readiness of the LiDAR system.
Figurenlistecharacter list
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.Advantageous embodiments of the invention are shown in the figures and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Draufsicht eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems gemäß einer ersten Ausführungsform; -
2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems gemäß der ersten Ausführungsform; und -
3 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eine erfindungsgemäßen LiDAR-Systems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
1 a schematic representation of the plan view of an inventive LiDAR system according to a first embodiment; -
2 a schematic representation of a side view of the LiDAR system according to the invention according to the first embodiment; and -
3 a schematic representation of a side view of an inventive LiDAR system according to a second embodiment.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.The same reference symbols designate the same device components or the same method steps in all figures.
Weiterhin weist das LiDAR-System 10 eine Photodiode 14 auf, welche um die Drehachse 19 rotierbar angeordnet ist. Weiterhin weist das LiDAR-System 10 einen weiteren rotierbaren Spiegel 13 auf, welcher ebenfalls um die Drehachse 19 rotierbar ist. Die Photodiode 14 ist dabei zwischen den Spiegeln 12, 13 angeordnet.Furthermore, the LiDAR
Bevorzugt sind die Spiegel 12, 13 dabei parallel zueinander angeordnet. Sobald das Sendemodul 15 einen entsprechechenden Lichtstrahl aussendet, wird dieser von einem der Spiegel 12, 13, reflektiert und durch ein entsprechend durchlässiges optisches Fenster 17 nach außen aus dem Gehäuse 18 hinaus geleitet. Ein von einem Objekt reflektierter Lichtstrahl tritt durch das optische Fenster 17 in deas Gehäuse 18 ein und wird durch einen der Spiegel 12, 13 auf ein Empfangsmodul 16 geleitet, wo er entsprechend registriert wird.The
Bei der in
In allen beschriebenen Ausführungsformen kann die Potodiode 14 weiterhin dazu dienen, die Lichtleistung des vom Sendemodul 15 ausgesendeten Lichtstrahls zu ermitteln. Dazu kann das LiDAR-System 14 eingerichtet sein, bei Überschreiten eines vordefinierten Lichtleistungsgrenzwertes die Lichtleistung des vom Sendemodul 15 ausgesandten Lichtstrahls zu reduzieren, um insbesondere vorgeschriebene Grenzwert einzuhalten und die Augensicherheit eines menschlichen Betrachters zu gewährleisten.In all of the described embodiments, the
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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