DE102021203829A1 - Range-optimized LiDAR system and LiDAR device (110) and control device for such a LiDAR system - Google Patents
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Abstract
Es wird ein LiDAR-System (100) zum Detektieren von Objekten (201) innerhalb eines mehrere Detektionsbereiche (2111- 211i) umfassenden Beobachtungsbereichs (210) beschrieben, umfassend:- eine stationäre Sendeeinrichtung (120) umfassend ein primäres Sendemodul (121) ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls (122) in Form von primären Lichtpulsen (123), die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich (211) des Beobachtungsbereichs (200) beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul (121) zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul (124) ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls (125) in Form von sekundären Lichtpulsen (126), die den jeweils aktuellen Detektionsbereich (211) zeitgleich mit den primären Lichtpulsen (122) beleuchten,- eine optische Strahlkombinationseinrichtung (140) ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls (122) und des sekundären Laserstrahls (125) zu einem kombinierten Laserstrahl (127),- eine Scaneinrichtung (150) ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung (153) des kombinierten Laserstrahls (127), durch die verschiedene Detektionsbereiche (2111- 211i) des Beobachtungsbereichs (210) nacheinander beleuchtet werden,- eine Empfangseinrichtung (130) mit wenigstens einem Lichtdetektor (131) zum Detektieren der von Objekten (201) aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich (211) zurückreflektierten Lichtpulse (123, 126), und- eine Steuereinrichtung (190) zum Steuern der Sendeeinrichtung (120),wobei die Steuereinrichtung (190) ausgebildet ist, die Emission des sekundären Laserstrahls (125) durch das sekundäre Sendemodul (124) unabhängig von der Emission des primären Laserstrahls (122) durch das primäre Sendemodul (121) zu steuern.A LiDAR system (100) for detecting objects (201) within an observation area (210) comprising a plurality of detection areas (2111- 211i) is described, comprising: - a stationary transmission device (120) comprising a primary transmission module (121) designed for Emitting a primary laser beam (122) in the form of primary light pulses (123), each of which illuminates a current detection area (211) of the observation area (200), and a secondary transmission module (124) that can be switched on selectively in terms of time to the primary transmission module (121) is designed for Emitting a secondary laser beam (125) in the form of secondary light pulses (126), which illuminate the current detection area (211) at the same time as the primary light pulses (122), - an optical beam combination device (140) designed to combine the primary laser beam (122) and the secondary laser beam (125) to a combined laser beam (127), - a scanning device (150) out ldet for generating a scanning movement (153) of the combined laser beam (127), by which different detection areas (2111- 211i) of the observation area (210) are illuminated one after the other, - a receiving device (130) with at least one light detector (131) for detecting the of objects (201) from the current detection area (211) reflected back light pulses (123, 126), and - a control device (190) for controlling the transmission device (120), wherein the control device (190) is designed to emit the secondary laser beam ( 125) by the secondary transmission module (124) independently of the emission of the primary laser beam (122) by the primary transmission module (121).
Description
Die Erfindung betrifft ein reichweitenoptimiertes LiDAR-System. Ferner betrifft die Erfindung eine LiDAR-Vorrichtung und eine Steuereinrichtung für ein solches LiDAR-System.The invention relates to a range-optimized LiDAR system. Furthermore, the invention relates to a LiDAR device and a control device for such a LiDAR system.
Stand der TechnikState of the art
Aktuelle LiDAR-Systeme sind üblicherweise als rotierende Scanner, Mikro-Scanner (MEMS-Spiegel) oder Flash-Systeme ausgeführt. Beim scannenden LiDAR-System wird das Gesichtsfeld (engl. Field of View, FoV) zeitlich mit einem stark kollimierten Laserstrahl abgetastet. Die Auflösung in horizontaler Richtung wird mit Hilfe einer Winkelmessung in feinen Schritten realisiert. In vertikaler Richtung wird die Auflösung hingegen durch die Anzahl der Sende-/ Empfangseinheiten bestimmt. Aus dem Stand der Technik sind dabei verschiedene Makroscanner bekannt. Hierbei handelt es sich um einen optoelektronischen Sensor, bei dem eine makroskopische Einheit rotiert, beispielsweise ein Sender oder ein Detektor. Die Laserleistung pro Messpuls ist bei scannenden LiDAR-Systemen wesentlich geringer als bei einem Flash-System, da hier stark gebündelte Laser zum Einsatz kommen und der Empfänger idealerweise stets nur den kleinen Ausschnitt des FoV beobachtet, welcher aktuell vom Laser auch tatsächlich beleuchtet wird. Alternativ kann ein Makroscanner auch über ortsfeste Sender und Empfänger verfügen, wobei die Strahlablenkung dabei durch einen rotierenden makroskopischen Spiegel erfolgt. Letzterer Sensortyp ist besonders vorteilhaft, wenn viel Wärme abgeführt werden muss, denn ein ortsfester (d.h. nicht rotierender) Sender lässt sich besonders effektiv an größere Wärmesenken bzw. andere Kühlkomponenten anbinden.Current LiDAR systems are usually designed as rotating scanners, micro-scanners (MEMS mirrors) or flash systems. In the scanning LiDAR system, the field of view (FoV) is temporally scanned with a highly collimated laser beam. The resolution in the horizontal direction is realized in fine steps with the help of an angle measurement. In the vertical direction, on the other hand, the resolution is determined by the number of transmitter/receiver units. Various macro scanners are known from the prior art. This is an optoelectronic sensor in which a macroscopic unit rotates, for example a transmitter or a detector. The laser power per measurement pulse is significantly lower in scanning LiDAR systems than in a flash system, since strongly bundled lasers are used here and the receiver ideally only ever observes the small section of the FoV that is actually being illuminated by the laser. Alternatively, a macro scanner can also have stationary transmitters and receivers, with the beam deflection being effected by a rotating macroscopic mirror. The latter type of sensor is particularly advantageous when a lot of heat has to be dissipated, because a stationary (i.e. non-rotating) transmitter can be connected particularly effectively to larger heat sinks or other cooling components.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Reichweite des LiDAR-Systems insbesondere für Anwendungen mit hoher Fahrgeschwindigkeit oder großer Bremsmasse des Ego-Fahrzeugs zu verbessern. Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.The object on which the invention is based can therefore be seen as providing a way of improving the range of the LiDAR system, in particular for applications with high driving speeds or large braking masses of the ego vehicle. This object is solved by means of the respective subject matter of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent subclaims.
Gemäß der Erfindung ist ein LiDAR-System zum Detektieren von Objekten innerhalb eines mehrere Detektionsbereiche umfassenden Beobachtungsbereichs vorgesehen, das eine stationäre Sendeeinrichtung umfassend ein primäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls in Form von primären Lichtpulsen, die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich des Beobachtungsbereichs beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls in Form von sekundären Lichtpulsen, die den jeweils aktuellen Detektionsbereich zeitgleich mit den primären Lichtpulsen beleuchten, umfasst. Das LiDAR-System umfasst ferner eine optische Strahlkombinationseinrichtung ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls zu einem kombinierten Laserstrahl, eine Scaneinrichtung ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung des kombinierten Laserstrahls, durch die verschiedene Detektionsbereiche des Beobachtungsbereichs nacheinander beleuchtet werden, und eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Lichtdetektor zum Detektieren der von Objekten aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten Lichtpulse. Schließlich umfasst das LiDAR-System eine Steuereinrichtung zum Steuern der Sendeeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Emission des sekundären Laserstrahls durch das sekundäre Sendemodul unabhängig von der Emission des primären Laserstrahls durch das primäre Sendemodul zu steuern. Die Verwendung eines zuschaltbaren sekundären Sendemodul ermöglicht eine verbesserte maximale Reichweite des LiDAR-Systems. Dabei zeigt sich aufgrund der höheren Pulsspitzenleistung eine Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses (SNR, Signal Noise Ratio) und damit eine bessere Performance des LiDAR-Systems bei Hintergrund- und Störlicht. Das sekundäre Sendemodul kann dabei als „Boost-Modus“ dienen, der bei viel Hintergrundlicht zur Verbesserung des SNR gezielt zugeschaltet werden kann. Ferner ergibt sich aus der Verwendung eines unabhängig vom primären Sendemodul steuerbaren sekundären Sendemodul eine Redundanz, durch welche Defekte bei einem der beiden Sendemodule ausgeglichen werden können. Bei einem defekten primären oder sekundären Sendemodul wird das jeweils funktionstüchtige Sendemodul in einen normalen Betriebsmodus weiterbetrieben, sodass es zu einem Ausfall des LiDAR-Systems kommt. Gegebenenfalls kommt es nur zu einer Degeneration der Fahrfunktionen, da das entsprechende Fahrzeug gegebenenfalls nicht mehr so schnell fahren kann.According to the invention, a LiDAR system is provided for detecting objects within an observation area comprising a plurality of detection areas, which has a stationary transmission device comprising a primary transmission module designed to emit a primary laser beam in the form of primary light pulses, each of which illuminates a current detection area of the observation area, and a secondary transmission module that can be selectively connected to the primary transmission module in terms of time and is designed to emit a secondary laser beam in the form of secondary light pulses that illuminate the current detection area at the same time as the primary light pulses. The LiDAR system also includes an optical beam combination device designed to combine the primary laser beam and the secondary laser beam to form a combined laser beam, a scanning device designed to generate a scanning movement of the combined laser beam, by which different detection areas of the observation area are illuminated one after the other, and a receiving device with at least a light detector for detecting the light pulses reflected back by objects from the current detection area. Finally, the LiDAR system includes a control device for controlling the transmission device, the control device being designed to control the emission of the secondary laser beam by the secondary transmission module independently of the emission of the primary laser beam by the primary transmission module. The use of a switchable secondary transmitter module enables an improved maximum range of the LiDAR system. Due to the higher pulse peak power, there is an improvement in the signal-to-noise ratio (SNR, Signal Noise Ratio) and thus better performance of the LiDAR system in the case of background and interfering light. The secondary transmitter module can serve as a "boost mode" that can be switched on to improve the SNR when there is a lot of background light. Furthermore, the use of a secondary transmission module that can be controlled independently of the primary transmission module results in redundancy, through which defects in one of the two transmission modules can be compensated. In the event of a defective primary or secondary transmitter module, the functional transmitter module continues to operate in a normal operating mode, resulting in a failure of the LiDAR system. If necessary, there is only a degeneration of the driving functions, since the corresponding vehicle may no longer be able to drive as fast.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Die Steuereinrichtung ist dabei ferner ausgebildet, das sekundäre Sendemodul während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse des primären Sendemoduls bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Durch das gezielte Zuschalten des zusätzlichen Sendemoduls in ausgesuchten Bereichen werden Veränderungen des gängigen Sichtfelds möglich. So kann in bestimmten Bereichen gezielt weiter geschaut werden, um potentielle Gefahrenquellen früher ermitteln zu können. Ferner kann das Konzept auch dazu verwendet werden, um das Signal-Rausch Verhältnis in bestimmten Bereichen gezielt zu erhöhen. Beispielsweise kann in Bereichen, die Objekte mit nur geringer Reflektivität aufweisen, durch die Erhöhung der Pulsspitzenleistung ein brauchbares Signal erzielt werden. So kann beispielsweise ähnlich einem Radar-System zentral in der Mitte weiter geschaut werden als zur Seite oder es kann bei einer Kreuzungssituation selektiv rechts und links mit größerer Reichweite nach schnell heranfahrenden Fahrzeugen geschaut werden. Für Autopilot-Anwendungen (HWP, Highway Pilot) kann ferner selektiv nur die eigene Fahrspur mit langer Reichweite vermessen werden. Durch zeitliches Timing der sekundären Pulse kann die Aktivierung im Verlauf des horizontalen Scans selektiert und von außen gesteuert werden. Ferner können auch kurvige Autobahnabschnitte vorausschauend nach Objekten, wie z.B. „Lost Cargo“ gescannt werden.In one embodiment, it is provided that the control device is designed to selectively connect the secondary transmission module to the primary transmission module during a scanning process in order to illuminate selected areas of the observation area with a relatively high pulse peak power resulting from the addition of the primary and secondary light pulses. The control device is also designed to deactivate the secondary transmission module selectively in terms of time during the scanning process in order to provide non-selected areas of the observation area with a relatively low light intensity provided only by the primary light pulses of the primary transmission module gen pulse peak power to illuminate. By selectively switching on the additional transmitter module in selected areas, changes in the usual field of vision are possible. In this way, specific areas can be looked at further in order to be able to identify potential sources of danger earlier. Furthermore, the concept can also be used to specifically increase the signal-to-noise ratio in certain areas. For example, in areas that have objects with only low reflectivity, a usable signal can be achieved by increasing the pulse peak power. For example, similar to a radar system, you can look further in the middle than to the side, or you can look selectively to the right and left at a crossroads with a longer range for fast approaching vehicles. Furthermore, for autopilot applications (HWP, Highway Pilot), only one's own lane can be selectively measured with a long range. By timing the secondary pulses, activation can be selected during the horizontal scan and controlled externally. In addition, curved sections of motorway can also be scanned for objects such as “Lost Cargo” in advance.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das zweite Sendemodul zuzuschalten, um wenigstens einen der folgenden Bereiche mit einer langen Reichweite zu beleuchten, nämlich einen schmalen zentralen Bereich vor einem Ego-Fahrzeug zum Überwachen der eigenen Fahrspur und wenigstens einen Bereich seitlich eines Ego-Fahrzeugs zum Detektieren von auf querenden bzw. kreuzenden oder einmündenden Straßen herannahenden Fahrzeugen. Mithilfe dieser Maßnahmen lässt sich die Fahrsicherheit von automatisierten Fahrzeugen erhöhen. Im ersten Fall kann beispielsweise ähnlich einem Radar-System zentral in der Mitte weiter geschaut werden als zur Seite, wodurch sich beispielsweise für HWP-Anwendungen selektiv nur die eigene Fahrspur mit langer Reichweite vermessen lässt. Hingegen kann bei einer Kreuzungssituation selektiv rechts und links mit größerer Reichweite nach schnell heranfahrenden Fahrzeugen geschaut werden. Insgesamt kann durch das gezielte Zuschalten des sekundären Sendemoduls in bestimmten Bereichen eine bessere Übersicht über das Verkehrsgeschehen erreicht werden, was mit einer Erhöhung der Fahrsicherheit insbesondere bei automatisierten Fahrzeugen einhergeht.In a further embodiment, it is provided that the control device is designed to switch on the second transmission module in order to illuminate at least one of the following areas with a long range, namely a narrow central area in front of an ego vehicle for monitoring its own lane and at least one area on the side of an ego vehicle for detecting approaching vehicles on crossing or intersecting or merging roads. With the help of these measures, the driving safety of automated vehicles can be increased. In the first case, for example, similar to a radar system, you can look further in the middle than to the side, which means that you can only selectively measure your own lane with a long range for HWP applications, for example. On the other hand, in an intersection situation, you can selectively look to the right and left with a longer range for fast approaching vehicles. Overall, by switching on the secondary transmission module in specific areas, a better overview of the traffic situation can be achieved, which is associated with an increase in driving safety, particularly in automated vehicles.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Strahlkombinationseinrichtung in Form eines Umlenkspiegels mit einer Durchlassöffnung ausgebildet ist. Dabei sind der Umlenkspiegel, der primäre Laserstrahl und der sekundäre Laserstrahl so zueinander ausgerichtet, dass ein erster der beiden Laserstrahlen durch die Durchlassöffnung hindurchtritt, während der jeweils andere der beiden Laserstrahlen in einem Randbereich der Durchgangsöffnung von dem Umlenkspiegel so umgelenkt wird, dass sich die beiden Laserstrahlen zu dem kombinierten Laserstrahl überlagern. Eine derartige Strahlkombinationseinrichtung ermöglicht eine Kombination der beiden Laserstrahlen bereits im Gerät, wodurch eine besonders gute räumliche Überlagerung der beiden Laserstrahlen und damit auch eine besonders gute Pulsspitzenleistung erreicht wird. Dabei ermöglicht der als Lochspiegel ausgebildete Umlenkspiegel eine effiziente Addition der beiden Laserstrahlen bei gleichzeitig einem nur sehr geringen Verlust im Empfangspfad. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines einzelnen Bauteils zur Strahlkombination eine relativ kleine bzw. flache Bauweise des Geräts.In a further embodiment it is provided that the optical beam combination device is designed in the form of a deflection mirror with a passage opening. The deflection mirror, the primary laser beam and the secondary laser beam are aligned with one another in such a way that a first of the two laser beams passes through the passage opening, while the other of the two laser beams is deflected by the deflection mirror in an edge area of the passage opening in such a way that the two Superimpose laser beams to form the combined laser beam. Such a beam combination device enables a combination of the two laser beams already in the device, as a result of which particularly good spatial superimposition of the two laser beams and thus also particularly good pulse peak power is achieved. The deflection mirror designed as a perforated mirror enables the two laser beams to be added efficiently with at the same time only a very small loss in the reception path. In addition, the use of a single component for beam combination enables a relatively small and flat design of the device.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung und/oder wenigstens eine der Sendeeinrichtung optisch nachgeschaltete Optik ausgebildet ist, bei den primären und sekundären Laserstrahlen jeweils ein Strahlprofil in Form einer vertikalen Linie zu erzeugen. Dabei ist die Durchlassöffnung des Umlenkspiegels in Form eines vertikalen Schlitzes ausgebildet. Durch diese Maßnahme kann der Beobachtungsraum spaltenweise gescannt werden. Darüber hinaus ermöglich die speziell geformte Durchgangsöffnung eine besonders gute Überlagerung der beiden linienförmigen Laserstrahlen.In a further embodiment it is provided that the transmission device and/or at least one of the optics optically connected downstream of the transmission device is designed to generate a beam profile in the form of a vertical line in each case for the primary and secondary laser beams. The passage opening of the deflection mirror is designed in the form of a vertical slit. This measure allows the observation space to be scanned column by column. In addition, the specially shaped through opening enables the two linear laser beams to be superimposed particularly well.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Sendemodul im Wesentlichen identisch zu dem ersten Sendemodul ausgebildet ist. Mithilfe der identischen Sendemodul können relativ einfach identische und synchrone Lichtpulse erzeugt werden, die sich besonders gut addieren lassen. Hierdurch werden besonders hohe Pulsspitzenleistungen erzielt. Ferner ergeben sich durch die Verwendung identischer Sendemodule auch Kostenvorteile bei der Herstellung.In a further embodiment it is provided that the second transmission module is essentially identical to the first transmission module. With the help of the identical transmitter module, identical and synchronous light pulses can be generated relatively easily, which can be added particularly well. As a result, particularly high pulse peak powers are achieved. Furthermore, the use of identical transmission modules also results in cost advantages in production.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, als sekundäres Sendemodul dasjenige der beiden Sendemodule zu verwenden, welches wenigstens eines der folgenden Kriterien erfüllt, nämlich dass das entsprechende Sendemodul aufgrund seiner Bauart, seinem Einbauort und/oder seiner relativ zu dem jeweils anderen Sendemodul schlechteren thermischen Anbindung an eine Wärmesenke einen größeren Kühlbedarf aufweist oder dass das entsprechende Sendemodul situationsbedingt eine aktuell höhere Temperatur aufweist. Durch diese Maßnahme kann ein besonders effizienter und für die beteiligten Komponenten schonender Betrieb sichergestellt werden. Insbesondere kann im ersten Fall dasjenige der beiden Sendemodule für den Sekundärbetrieb ausgewählt werden, welches sich im Normalbetrieb stärker erwärmen würde. Sofern die Sendemodule identisch ausgelegt sind, ist es im normalen Betriebsmodus (d.h. mittlere Reichweite) ganz gleich, welches der beiden Sendemodule den primären Laserstrahl emittiert. Somit ergibt sich im zweiten Fall ein Vorteil für das thermische Management, denn das tendenziell eher abzukühlende Sendemodul wird in den Sekundärbetrieb versetzt und erwärmt sich durch seine reduzierte Pulszahl nur noch geringfügig. Grundsätzlich lässt sich hiermit auch ein flexibler Modus vorsehen, in dem jedes der beiden Sendemodule abwechselnd im Primär- und Sekundärbetrieb betrieben wird.In a further embodiment, it is provided that the control device is designed to use that of the two transmission modules as the secondary transmission module which meets at least one of the following criteria, namely that the corresponding transmission module, due to its design, its installation location and/or its relative to the respective another transmitter module poorer thermal connection to a heat sink has a greater cooling requirement or that the corresponding transmitter module currently has a higher temperature due to the situation. This measure ensures particularly efficient operation that is gentle on the components involved. In particular, in the first case that of the two transmission modules for the secun dary operation can be selected, which would heat up more in normal operation. If the transmitter modules are designed identically, it makes no difference in normal operating mode (ie medium range) which of the two transmitter modules emits the primary laser beam. In the second case, there is an advantage for thermal management, because the transmitter module, which tends to be cooled down, is switched to secondary operation and only heats up slightly due to its reduced number of pulses. In principle, a flexible mode can also be provided in this way, in which each of the two transmission modules is operated alternately in primary and secondary operation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das zweite Sendemodul erst bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit eines mit dem LiDAR-System ausgestatteten Ego-Fahrzeugs zuzuschalten. Da die mithilfe des zugeschalteten sekundären Sendemoduls erzielten langen Reichweiten für die automatisierten Fahrfunktionen nur bei höheren Geschwindigkeiten benötigt werden und bei diesen Geschwindigkeiten erwartungsgemäß sich keine Menschen in unmittelbarer Umgebung des LiDAR-Systems befinden, kann ein intelligenter Betriebsmodus vorgesehen werden, bei dem das sekundäre Sendemodul nur bei höheren Geschwindigkeiten zugeschaltet wird. Hierdurch lässt sich die Augensicherheit trotz der relativ hohen Pulsspitzenleistung gewährleistet werden.According to a further embodiment, the control device is designed to switch on the second transmission module only when a predefined driving speed of an ego vehicle equipped with the LiDAR system is exceeded. Since the long ranges achieved for the automated driving functions with the help of the switched-on secondary transmitter module are only required at higher speeds and, as expected, at these speeds there are no people in the immediate vicinity of the LiDAR system, an intelligent operating mode can be provided in which the secondary transmitter module only switched on at higher speeds. In this way, eye safety can be guaranteed despite the relatively high pulse peak power.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das LiDAR-System eine externe Schnittstelle ausgebildet zum Empfangen von Steuersignalen über eine externe Signalleitung. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das sekundäre Sendemodul zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn über die externe Schnittstelle ein entsprechendes Steuersignal empfangen wird. Da die externe Steuerbarkeit vorteilhaft an der Systemschnittstelle verfügbar ist, kann die Fahrfunktion bzw. der zentrale Leitrechner des Ego-Fahrzeugs die Erhöhung der Reichweite situationsabhängig beeinflussen. Somit lässt sich das LiDAR-System besonders gut in das Steuerung-Konzept automatisierter Fahrzeuge integrieren.According to a further embodiment, the LiDAR system includes an external interface designed to receive control signals via an external signal line. The control device is designed to activate and deactivate the secondary transmission module when a corresponding control signal is received via the external interface. Since the external controllability is advantageously available at the system interface, the driving function or the central control computer of the ego vehicle can influence the increase in range depending on the situation. The LiDAR system can thus be integrated particularly well into the control concept of automated vehicles.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ferner eine LiDAR-Vorrichtung für das oben beschriebene LiDAR-System vorgesehen, die eine stationäre Sendeeinrichtung umfassend ein primäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines primären Laserstrahls in Form von primären Lichtpulsen, die jeweils einen aktuellen Detektionsbereich des Beobachtungsbereichs beleuchten, und ein zu dem primären Sendemodul zeitlich selektiv zuschaltbares sekundäres Sendemodul ausgebildet zum Emittieren eines sekundären Laserstrahls in Form von sekundären Lichtpulsen, die den jeweils aktuellen Detektionsbereich zeitgleich mit den primären Lichtpulsen beleuchten, umfasst. Das LiDAR-System umfasst ferner eine optische Strahlkombinationseinrichtung ausgebildet zum Kombinieren des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls zu einem kombinierten Laserstrahl, eine Scaneinrichtung ausgebildet zum Erzeugen einer Scanbewegung des kombinierten Laserstrahls, durch die verschiedene Detektionsbereiche des Beobachtungsbereichs nacheinander beleuchtet werden, und eine Empfangseinrichtung mit wenigstens einem Lichtdetektor zum Detektieren der von Objekten aus dem jeweils aktuellen Detektionsbereich zurückreflektierten Lichtpulse. Für die LiDAR-Vorrichtung ergeben sich die im Zusammenhang mit dem LiDAR-System genannten Vorteile.According to a further aspect, a LiDAR device is also provided for the LiDAR system described above, which comprises a stationary transmission device, a primary transmission module designed to emit a primary laser beam in the form of primary light pulses, each of which illuminates a current detection area of the observation area, and a to the primary transmission module time-selectively switchable secondary transmission module designed to emit a secondary laser beam in the form of secondary light pulses, which illuminate the current detection area at the same time as the primary light pulses. The LiDAR system also includes an optical beam combination device designed to combine the primary laser beam and the secondary laser beam to form a combined laser beam, a scanning device designed to generate a scanning movement of the combined laser beam, by which different detection areas of the observation area are illuminated one after the other, and a receiving device with at least a light detector for detecting the light pulses reflected back by objects from the current detection area. The advantages mentioned in connection with the LiDAR system result for the LiDAR device.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist schließlich eine Steuereinrichtung für das oben genannte LiDAR-System vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das sekundäre Sendemodul während eines Scanvorgangs zeitlich selektiv zu dem primären Sendemodul zuzuschalten, um ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer aus der Addition der primären und sekundären Lichtpulse resultierenden relativ hohen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Die Steuereinrichtung ist ferner ausgebildet, das sekundäre Sendemodul während des Scanvorgangs zeitlich selektiv zu deaktivieren, um nicht ausgewählte Bereiche des Beobachtungsbereichs mit einer lediglich durch die primären Lichtpulse des primären Sendemoduls bereitgestellten relativ niedrigen Pulsspitzenleistung zu beleuchten. Für die Steuereinrichtung ergeben sich die im Zusammenhang mit dem LiDAR-System genannten Vorteile.Finally, according to a further aspect, a control device is provided for the above-mentioned LiDAR system, wherein the control device is designed to switch the secondary transmission module on to the primary transmission module selectively in terms of time during a scanning process in order to provide selected areas of the observation area with one of the addition of the primary and to illuminate secondary light pulses resulting relatively high pulse peak power. The control device is also designed to selectively deactivate the secondary transmission module during the scanning process in order to illuminate non-selected areas of the observation area with a relatively low pulse peak power provided only by the primary light pulses of the primary transmission module. The advantages mentioned in connection with the LiDAR system result for the control device.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 schematisch die Funktionsweise eines LiDAR-Systems zum Erfassen von Objekten in einem Beobachtungsbereich seiner Umgebung; -
2 schematisch den Aufbau eines LiDAR-Systems mit einem statischen Sendemodul und einem rotierenden Umlenkspiegel; -
3 schematisch den Aufbau eines LiDAR-Systems mit zwei statischen Sendemodulen und einem rotierenden Umlenkspiegel; -
4 schematisch ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Lichtleistung verschiedener Lichtpulse des LiDAR-Systems aus3 ; -
5 schematisch ein Fahrzeug, bei dem mithilfe des LiDAR-Systems ein breiter Erfassungsbereich mit einer mittleren Reichweite und ein schmaler zentraler Erfassungsbereich mit langer Reichweite realisiert sind; und -
6 schematisch ein Fahrzeug, bei dem mithilfe des LiDAR-Systems ein breiter Erfassungsbereich mit einer mittleren Reichweite und zwei schmale seitliche Erfassungsbereiche mit langer Reichweite realisiert sind.
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1 Schematically the functioning of a LiDAR system for detecting objects in an observation area of its surroundings; -
2 schematic of the structure of a LiDAR system with a static transmission module and a rotating deflection mirror; -
3 schematic of the structure of a LiDAR system with two static transmitter modules and a rotating deflection mirror; -
4 schematically shows a diagram with the time course of the light output of different light pulses of the LiDAR system3 ; -
5 schematically a vehicle in which a wide detection area with a medium range and a narrow central detection area with a long range are realized with the help of the LiDAR system; and -
6 Schematic representation of a vehicle in which a wide detection area with a medium range and two narrow lateral detection areas with a long range are implemented using the LiDAR system.
Das hier beschriebene Konzept sieht ein gepulstes LiDAR-System vor, das vorzugsweise als ein Makroscanner mit einem z.B. mittels einer elektrischen Antriebseinheit um die vertikale Achse rotierten Spiegel, einen eindimensionalen Sende- und Empfangspfad zur Spaltenbeleuchtung und Spaltendetektion mit optionaler Makropixelbildung in horizontaler und vertikaler Richtung sowie einen stationären Laser, Detektor, Elektronik und Optik. Ein wesentlicher Aspekt des neuen LiDAR-Systems bildet ein sekundäres Sendemodul, das unabhängig von dem primären Sendemodul des LiDAR-Systems zugeschaltet werden kann. Das sekundäre Sendemodul ist vorzugsweise identisch zu dem primären Sendemodul des LiDAR-Systems ausgelegt, wobei Wellenlänge, Strahlform, Optik, Pulslänge, Pulsfrequenz, etc. bei beiden Sendemodulen übereinstimmen, so dass bei beiden Sendemodulen die gleiche vertikale Spalte (Laserstrahl mit linienförmigen Strahlprofil) als Emission resultiert. Die Emission des sekundären Sendemoduls wird dabei so in den optischen Pfad des primären Sendemoduls eingefügt, dass die von den beiden Sendemodulen emittierten Spalten bereits im Gerät miteinander zur Addition kommen. Dabei wird insgesamt eine relativ hohe Pulsspitzenleistung und Pulsenergie erzeugt, die optional und steuerbar einen langreichweitigen Betrieb in ausgesuchten, horizontalen Raumwinkeln ermöglicht.The concept described here envisages a pulsed LiDAR system, which is preferably used as a macro scanner with a mirror rotated about the vertical axis, e.g. by means of an electric drive unit, a one-dimensional transmission and reception path for column illumination and column detection with optional macro-pixel formation in the horizontal and vertical directions as well as a stationary laser, detector, electronics and optics. A key aspect of the new LiDAR system is a secondary transmitter module that can be switched on independently of the primary transmitter module of the LiDAR system. The secondary transmission module is preferably designed identically to the primary transmission module of the LiDAR system, with the wavelength, beam shape, optics, pulse length, pulse frequency, etc. being the same for both transmission modules, so that the same vertical column (laser beam with linear beam profile) as emission results. The emission of the secondary transmission module is inserted into the optical path of the primary transmission module in such a way that the columns emitted by the two transmission modules are already added to one another in the device. Overall, a relatively high pulse peak power and pulse energy is generated, which optionally and controllably enables long-range operation in selected, horizontal solid angles.
Die
Wie aus der
Wie aus der
Die
Die
Wie aus der
Der Laser der beiden als Emitter dienenden Sendemodule 121, 124 sowie die zugehörige die Optik, die Elektronik (hier nicht gezeigt) sind ortsfest am Stator angeordnet. Auch der Detektor 121 der Empfangseinrichtung 120 sowie die zugehörige Optik 163, 164 und Elektronik (hier nicht gezeigt) sind ortsfest am Stator angeordnet. Hierdurch ergeben sich gegenüber einem rotierenden LiDAR-System bereits bekannten Vorteile für die Wärmeabfuhr sowie die Energie- und Datenübertragung.The laser of the two
Bei einer geschickten Platzierung des zusätzlichen Sendemoduls 124 wird der Bauraum nicht oder zumindest nicht wesentlich vergrößert. Das kann beispielsweise durch Platzieren des sekundären Sendemoduls 124 in die Ecke hinter dem Umlenkspiegel 140 realisiert werden.If the additional transmission module 124 is cleverly placed, the installation space is not increased, or at least not significantly so. This can be realized, for example, by placing the secondary transmission module 124 in the corner behind the
Zur Verdeutlichung der Addition der von den beiden Sendemodulen 121, 124 emittierten Laserstrahlen 122, 125 ist in der
Grundsätzlich lässt sich die Reichweite des LiDAR-Systems 100 durch zeitweises Zuschalten des sekundären Sendemoduls 124 zur Verbesserung der Sicht in beliebigen Raumwinkeln des Beobachtungsbereichs 210 erhöhen. In den
Die in der
Die Sendemodule können eine oder mehrere Laserlichtquellen umfassen, die z.B. als Kantenemitter, VCSEL, VeCSEL ausgebildet sind. Ein Solches Sendemodul kann den Beobachtungsbereich z.B. mittels einzelner Spots, linear oder sequentiell angeordneter, diskreter Einzelquellenspots, Linien- und Spaltenbeleuchtung sowie Flächenbeleuchtung (Flash) beleuchten. Die Scaneinrichtung kann eine oder mehrere Lichtablenkeinheiten umfassen, insbesondere ein um seine senkrechte Achse rotierender, makroskopischen Spiegel mit mindestens einer reflektierenden Fläche. Dabei sind auch eine Vorder- und Rückseitenreflektion sowie Polygonspiegel mit mehreren reflektierenden Flächen möglich. Das LiDAR-System kann verschiedenartige, unabhängige Merkmale der optischen Pfade mit z.B. sphärischen und zylinderförmigen Linsen, parallelem und nicht parallelem Strahlenverlauf getrennt und örtlich zusammenfallenden Strahlenverläufen sowie stationären Umlenkspiegeln und optischen Filtern für den Sende- und Empfangspfad aufweisen. Für die Detektion kommen beispielsweise sowohl ein Einzeldetektor, linear und sequenziell angeordnete, diskrete Einzeldetektoren, ein 1 D-Array oder ein 2D-Array mit oder ohne Superpixelbildung (Makropixel), mit gängigen Auswerteschaltungen und -methoden (z.B. Histogrammbildung bei SPADs) zum Einsatz. Dabei können verschiedene Detektortechnologien, wie z.B. Imager, PIN, PSD, APD, SPAD oder SiPM verwendet werden. Ferner kann grundsätzlich auch eine sukzessive Aktivierung der Detektorpixel erfolgen, um das Signal-RauschVerhältnis des Sensors zu erhöhen.The transmission modules can include one or more laser light sources, which are designed, for example, as edge emitters, VCSELs, VeCSELs. Such a transmission module can illuminate the observation area, for example, by means of individual spots, linearly or sequentially arranged, discrete individual source spots, line and column lighting, and area lighting (flash). The scanning device can comprise one or more light deflection units, in particular a macroscopic mirror which rotates about its vertical axis and has at least one reflecting surface. A front and rear reflection as well as polygon mirrors with several reflecting surfaces are also possible. The LiDAR system can have various, independent features of the optical paths with, for example, spherical and cylindrical lenses, separate parallel and non-parallel beam paths and locally coincident beam paths, as well as stationary deflection mirrors and optical filters for the transmission and reception path. For example, an individual detector, linearly and sequentially arranged, discrete individual detectors, a 1D array or a 2D array with or without superpixel formation (macropixels), with common evaluation circuits and methods (e.g. histogram formation with SPADs) are used for detection. Various detector technologies such as imager, PIN, PSD, APD, SPAD or SiPM can be used. In principle, you can also successive activation of the detector pixels in order to increase the signal-to-noise ratio of the sensor.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Rather, other variations can also be derived from this by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.
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