CN105393138A - 光-电子检测装置和用于以扫描的方式检测机动车辆的周围环境的方法 - Google Patents

光-电子检测装置和用于以扫描的方式检测机动车辆的周围环境的方法 Download PDF

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CN105393138A CN201480040357.0A CN201480040357A CN105393138A CN 105393138 A CN105393138 A CN 105393138A CN 201480040357 A CN201480040357 A CN 201480040357A CN 105393138 A CN105393138 A CN 105393138A
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Abstract

本发明涉及一种扫描光电子检测装置，和一种用于借助光电子检测装置(2)以扫描方式对机动车辆(1)的环境进行检测的方法。检测装置(2)包括发射和接收光学单元(4)，其输出电磁束并将反射束在检测器上成像，其中，检测器具有多单元设计，且包括多个检测器单元，用于依据被接收的反射束提供电接收信号，所述检测器单元在检测器单元堆叠部中成行排列，且可在平行测量平面中被评价。检测装置还包括镜支撑件(7)，其具有彼此背离的镜面(9、10)，所述镜面相对于镜支撑件(7)的旋转轴线(8)成一倾角倾斜设置，且所述镜面将用于反射束的不同垂直检测区域成像到检测器上。根据本发明，为了允许机动车辆的环境通过具有最大可行检测区域的光电子检测装置以小的构造复杂性被检测，镜面(9、10)的这样的一定倾角α设置为检测区域(14ˊ、14”)在总的检测区域(16)的中央部段中重叠。

Description

光-电子检测装置和用于以扫描的方式检测机动车辆的周围环境的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于机动车辆的扫描光-电子检测装置，特别是激光扫描仪。本发明还涉及一种根据权利要求6的前序部分的用于通过借助光-电子检测装置进行扫描来对机动车辆的周围环境进行传感的方法，所述光-电子检测装置特别是激光扫描仪。
背景技术
在汽车领域，大量的驾驶辅助系统被越来越多地使用，即用于特别是在驾驶情况下辅助司机的电子补充装置。在该背景下，基于全景视野传感器的具有安全性和便利功能的各种驾驶辅助系统是已知的，例如适应性速度调节器、碰撞避免系统、停车辅助、车道偏离警告辅助等。在该背景下，用于机动车辆的基于激光的测量设备以名称“Lidar”(“光检测和测距”)已知，它们特别地用于光学距离和速度测量，并允许识别距机动车辆相对校远范围处的物体。在该情况下，发射和接收光学系统输出电磁射线，并将反射射线映射(map)到检测器上，所述反射射线即从机动车辆的周围环境中的目标物体反射的射线。基于接收到的反射射线，提供被接收的电信号，它们通常在评价装置中被分析。如果在接收到的信号中识别出回声或脉冲，它们可归因于来自周围环境中的目标物体的、被发射激光脉冲的反射。通过评价相移，或特别地测量回声时间，关于被传感物体的信息被确定。激光脉冲的发射和回声的接收之间的时间段与距物体的距离成比例。激光扫描仪包括按步移动的旋转镜载体，扫描传感在每个角度步进(anglestep)中发生，且以此方式，周围环境被扫描。在该情况下，侧向和垂直分辨率二者都存在。利用发射和接收光学系统的机械扫描以及用于束偏移的旋转镜允许精确的角分辨率。
已知激光扫描仪，其检测器包括多个检测器单元，它们通常垂直于发射和接收光学系统的光轴排列。检测器单元的相应被接收信号在平行的测量平面中被评价，从而存在多路扫描。在径向扇区内，首先可以评价接近低测量平面中的地面的结构，然后可以确定在较上部测量平面或线中的目标物体的信息。
已知的称为“IbeoLUX”的激光扫描仪通过使用具有四个检测器单元的多路检测器而提供与3.2°的扇区相对应的垂直视野。在该情况下，检测器单元成行排列在检测器单元堆叠部中，使得相应的被接收信号可与传感区域内的平行测量平面相关联。已知的激光扫描仪包括两个激光二极管作为光学发射器，其每个照明四个检测器单元中的两个。多个发光二极管的使用按充分快的序列曝光检测器单元，以便获得高的扫描速率。特别地在典型的短程应用中，诸如碰撞警告和行人保护，期望高的扫描速率，以便确保相关的检测质量。但是，垂直视野的界限是已知激光扫描仪的缺点，因为原理上，期望有尽可能大的垂直视野。对于一些应用，已知激光的有限视野是不足够的。
为了提供较大的垂直视野，另外已知的称为“IbeoLUX8L”的激光扫描仪具有额外的检测器单元。此外，可被驱动旋转的镜载体的、彼此移开的两个镜面以相对于旋转轴线的一倾角设置，这意味着镜面使束沿不同方向偏转。在已知激光扫描仪的情况下，倾斜的镜载体以一倾角设置，该倾角使得一个镜面扫描发射和接收光学系统的光轴下方的传感区域，并将其映射到检测器单元的一个部分上，另一镜面捕获光轴上方的传感区域，并将其映射到可用检测器单元的另一部分上。具有双倍数量的检测器单元的镜面的倾斜设置意味着，与垂直于发射和接收光学系统的光轴垂直定位的镜面相比，已知的激光扫描仪能够使测量平面的数量且因此垂直视野成双倍。在该情况下，总的传感区域由一个镜面的在光轴上方的传感区域和另一镜面的传感区域汇集而成。但是，大量的检测器单元导致低的扫描速率，这意味着需要多个光源。
尽管通过合并两个镜面的各传感扇区使已知的激光扫描仪获得大的总传感扇区，但必须接受极大的设计复杂性，且因此接受相应的制造成本。另外，垂直的可视范围的扩展以有效扫描速率(扫描频率)减小(即，减半)为代价。
发明内容
本发明基于通过借助光-电子检测装置进行扫描来允许机动车辆周围环境的廉价传感的目的，该装置给出最低可行的设计复杂性。
本发明通过具有权利要求1的特征的扫描光-电子检测装置来实现该目的。该目标还通过一种具有权利要求6的特征的用于通过借助光-电子检测装置进行扫描来对机动车辆的周围环境进行传感的方法而实现。
根据本发明，在具有用于使被发射和被接收束偏转的旋转镜载体的光-电子检测装置中，镜面相对于旋转轴线以一倾角设置或设定，该倾角使得检测器的传感区域——由倾斜镜面不同地投射——相交，即彼此部分地覆盖或局部覆盖，而不是完全覆盖。在该情况下，检测器单元堆叠部的传感区域是这样的垂直区域，在该垂直区域中，检测器单元堆叠部经由发射和接收光学系统和旋转镜载体的镜面被投射到要被监测的周围环境中。考虑镜面的倾斜设置，检测器单元堆叠部从镜面投射到彼此偏置且相交的传感区域中。
因此检测器(结合每个镜面)具有传感区域，所述传感区域在每种情况下不同地定位。在该情况下，发射和接收光学系统被排列为使得，被发射束在无限远处被映射在检测器单元堆叠部的被投射到无限远的映射上。当评价检测器单元的被接收信号时，通过考虑镜面的倾角，则可以将平行测量平面中的被接收信号与传感区域中的不同情况相关联，所述传感区域通过适当的评价算法联系到一起，以形成总的传感区域。在该情况下，可以通过额外的虚拟测量平面根据检测器单元堆叠部的高度——取决于多少检测器单元与两个传感区域相关联——来扩展传感区域。
因为每个镜面相对于旋转轴线以相应倾角使束偏转，并覆盖特定的传感区域，根据本发明的具有倾角的传感区域相交，使得至少一个测量平面位于后续或先前扫描过程的扫描区域中。本发明基于的观点是，当单个检测器单元用于两个传感区域，即在重叠范围内时，检测器单元堆叠部的传感区域可扩展以形成更大的总传感区域，用于在特定范围内(即那些重叠的范围)同时高的扫描速率。本发明在检测装置上产生对实际需求的优化折中，即首先提供尽可能大的总传感区域，其次还允许尽可能高的扫描速率，特别是在对于特定驾驶辅助应用的重要传感区域中。这还涉及较少部件被使用，且因此获得成本节省。
在根据本发明的检测装置的总传感区域的中央部段中，获得了高扫描速率，因为总传感区域的该部段被两个镜面扫描。以此方式，中央部段——对于短程应用特别重要——以高扫描速率操作。通过少量检测器，甚至在总传感区域的边际部段中——即，位于相交范围之外的边际部段中——反射的束被捕获，且因此检测到目标物体。
在本发明的一个有利实施例中，两个镜面相对于镜载体的旋转轴线以特定倾角(例如0.1°至10°)设置或设定，两个传感区域的共用中央部段能够被精确地设定。在该情况下，镜面的倾角可不同，且具有任何速率，其调节为使得，根据本发明，确保经由相应镜面实现的传感区域的相交。
特别有利地，镜面平行设置，其中，镜载体相对于其旋转轴线以一倾角设置。在该实施例中，两个镜面以相同倾角设置，制造相对简单且具有平行镜面的镜载体足以制造根据本发明的检测装置，特别是激光扫描仪，且根据本发明以倾角定位。在镜载体回转期间，不同的垂直传感区域通过存在的检测器单元被交替地扫描。有利地，镜面以多个倾角设置，所述倾角使得相应镜面的传感区域制造在至少一个共用的检测器单元上。在该情况下，少量检测单元——其因此确保高的功率平衡且由此确保长程——可传感或扫描大的扫描传感区域。
作为例子，在具有三个物理存在的检测器单元的检测装置的情况下，传感区域到总传感区域的两个共用检测器单元上的映射可通过另外的测量平面放大。在该情况下，根据本发明，在两个镜面的扫描过程期间，检测器单元的被接收信号每个被分配给在取决于倾角的高度处的虚拟测量面，两个相继扫描过程的虚拟测量平面重合或以共面方式投射到总的传感区域上。这优选地通过适当建立的评价电子器件作为被接收信号的评价的一部分实现。在具有三个检测器单元的示例性实施例中，其中两个检测器单元与两个传感区域相关联，可以建立四个虚拟测量平面，且通过考虑倾角而评价这四个虚拟平面，其结果是，对于给定的恒定设计复杂性，具有三个检测器单元的检测器的总传感区域扩展大约三分一。检测器与发射和接收光学系统结合的几何接收范围——作为例子2.4°，其可通过几个检测器单元和单个光源实现——通过本发明扩展到大约3.2°。
在本发明的一个有利实施例中，在该情况下，检测器单元的被接收信号分配给相应工作镜面的相应传感区域，这意味着不同传感区域中的测量平面可通过考虑镜面的相应倾角而被评价。
根据本发明的一个实施例，如果检测器单元彼此以间隔设置以形成中间空间，其中，镜面以倾角设置，该倾角使得，每个镜面将检测器单元映射到相应另一镜面的映射的中间空间中，则确保检测装置的大的垂直总传感区域。在本发明的该实施例中，因为检测器单元以垂直间隔设置，一镜面的相应传感区域中的垂直间隙通过相应另一镜面的扫描过程、借助镜载体以特定倾角适当倾斜而被关闭，检测装置的大的总传感区域是可行的，其具有低的设计复杂性，以及特别地，在检测器单元堆叠部中有少许检测器单元。
取决于多少检测器单元与两个传感区域相关或在两个镜面的被投射传感区域下有多少检测器单元，根据检测器单元堆叠部的高度的传感区域的附加扩展由于附加的虚拟测量平面而可行。
本发明增加垂直传感区域，而没有改变检测装置的功率平衡。与具有平行于镜载体旋转轴线定位的镜面(且因此总是将两个镜面映射到所有检测单元上)的已知检测装置相比，在总传感区域的中央部段中确保了对于相同功率平衡的高扫描速率，边际区域——其中，减小的扫描速率通常足够——明显扩展。
附图说明
以下将参考附图对本发明的示例性实施例进行更详细解释，在图中：
图1示出了具有光-电子检测装置的机动车辆的侧视图，
图2示出图1所示的用于机动车辆的检测装置的基本概图，
图3示出多路检测器的示例性实施例的基本概图，
图4示出图3所示的多路检测器的被接收信号的评价的示意图，
图5示出多路检测器的另一示例性实施例的被接收信号的评价的示意图。
具体实施方式
图1示出机动车辆1的侧视图，其具有用于辅助司机的一个或多个驾驶辅助系统，该驾驶辅助系统考虑机动车辆1的周围环境。驾驶辅助系统包括中央计算机单元——未示出——和为中央单元提供测量数据的传感器系统。车辆传感器系统特别地包括一个或多个光电子检测装置2，即激光扫描仪。在所示的示例性实施例中，这样的检测装置2定位在机动车辆1的前部区域中，即散热器格栅的区域中。在该情况下，检测装置2监视机动车辆1的周围环境。其是Lidar系统的一部分，其中，电磁射线3(激光脉冲)被发射，由机动车辆1的周围环境中的目标物体Z反射的光(光束5)被检测。
图2和图3示出检测装置2的基本设计。检测装置2具有发射和接收光学系统4，其从光学发射器——未示出——输出电磁射线3，并将反射射线5映射到检测器6(图3)上。发射和接收光学系统4具有相关联的镜载体7，镜载体7可被驱动绕旋转轴线8旋转，并使被发射的束3偏转到要被测量的场景上。反射射线5通过镜载体7偏转到检测器6上。在所示的示例性实施例中，镜载体7包括两个镜面9、10，镜面9、10彼此移开且平行定位。在检测装置2的操作期间，镜载体7以角度步进旋转，从而整个视野的扫描在特定的扫描角范围内发生。在该情况下，对于每个扫描角，发射一个激光脉冲。在相同的角度步进中，反射射线5通过检测器被接收，且相应的被接收电信号被提供。如果在被接收的信号中识别出回声或脉冲，它们可归因于来自周围环境中的目标物体Z的、发射束3的反射。回声的发射和接收之间的回声时间与距目标物体Z的距离成比例。回声时间的测量用于推断距目标物体Z的范围。
检测装置2具有多路设计，即多个测量平面在传感扇区11内被评价。对于机动车辆1的周围环境的多路监视，检测器6包括检测器单元堆叠部12，其具有多个检测器单元13，在所示示例性实施例中为三个检测器单元13。检测器单元13是雪崩光电二极管，当被反射射线5照到时，其产生电信号。检测器单元13相应地将被接收的反射射线5作为用于产生被接收电信号的基础，所述被接收电信号被提供用于评价电子器件(未示出)。
发射和接收光学系统4被布置为使得，发出的激光束在无限远处正好在映射在检测器6投射到无限远的映射上。根据捆绑在一起的检测器单元13，检测器单元堆叠部12的光学传感区域14因此经由镜载体7被偏转，且投射到要被监视的空间中。
镜载体7以相对于其旋转轴线8倾斜特定倾角α的方式设置。根据两个镜面9、10的倾角α，平行的镜面9、10因此以相对于镜载体7的旋转轴线8以倾角α倾斜的方式定位，使得检测器单元堆叠部12的光学传感区域14以不同方向偏转，或投射到不同的传感区域14'、14”中的周围环境中。一个镜面9用于使反射射线从被投射传感区域14'偏转到检测器6，由于倾角α，该检测器6关于发射和接收光学系统4的光轴15的一侧偏置。根据倾角α，另一镜面10捕获位于光轴15另一侧的被投射的传感区域14”。根据本发明，镜面9、10的倾角α被选择为使得，被投射的传感区域14'、14”部分重叠。倾角α被选择为使得，传感区域14'、14”映射到检测器单元堆叠部12中的至少一个共用检测器单元13上。倾角α的大小可通过经验确定而决定，特别地通过试验，且意图确保高扫描速率的期望相交区域越小，则倾角α的大小越大。在所示的示例性实施例中，倾角α大约为0.3°，与由装置的光学元件的位置(例如检测器单元相对于镜载体7的位置)引起的几何情况相适应。
由于倾斜的镜面9、10而彼此偏置的两个传感区域14'、14”允许在对于镜载体7的完整回转的两个相继扫描过程上的扩展的总传感区域16，其包围两个被投射的传感区域14'、14”。在该情况下，总传感区域16在光轴15的区域中包括中央部段17，在该中央部段中，反射射线经由两个镜面9、10被映射到检测器单元13上，且因此确保与在中间的中央部段17之外的边际区域18相比的双倍扫描速率。居中定位的中央部段17——对于短程传感目标物体特别重要——因此提供对于这种应用(诸如行人保护)的高扫描速率。
在评价检测器单元13的被接收信号期间，被接收信号在传感区域14'、14”内被分配给平行测量平面，且总传感区域16从两个传感区域14'、14”的测量平面被确定用于两个相继的扫描过程。在该情况下，适当的倾角α确保，至少一个测量平面在相继的扫描过程中定位在检测器6的两个传感区域14'、14”中。在该情况下，检测器单元13的被接收信号分配给在一高度(取决于倾角α)处的相应的平行测量平面。在所示的示例性实施例中，两个检测器单元13位于两个传感区域14'、14”中，其意味着，检测器单元13位于每个边际区域18中。在该情况下，每个边际区域18包含位于检测器单元13系列之外的检测器单元。
图2和图3所示的示例性实施例的三个检测器单元经由检测器装置2的旋转镜载体7投射的例子通过图4所示的评价策略显示。图4所示的图示的左侧示出用于一个镜面9的传感区域14'，三个检测器单元每个提供被接收的电信号20、23、24。由被接收信号表示的检测器单元堆叠部的传感区域的部段或这些被接收信号被分配给平行的测量平面I、II、III。第二镜面10用于对基于倾角而偏置的传感区域14”中的三个检测器单元的被接收信号20、21、22进行传感，且用于将它们分配给相应的平行测量平面。通过考虑传感区域14'、14”的偏置位置，在扫描过程期间，测量信号20、21、22经由第二镜面10分配给测量平面II、III、IV。在评价被接收信号20、21、22期间，两个镜面9、10的平行测量平面以共面的方式投射到总传感区域16上，总传感区域16相应地包括所有四个测量平面I、II、III、IV。在该情况下，中央测量平面2、3在两个扫描过程中被进行传感，这意味着与边际区域17相比(图2)存在双倍的扫描速率，其特征在于在图4所示的示意评价图示中的测量平面I、IV。
在没有示出的示例性实施例中，传感区域基于用于镜面的对应倾角经由检测器单元的映射或共用测量平面而相交。在该情况下，检测器装置具有比示例性实施例大的总传感区域，该实施例在相交中央部段中具有两个测量平面，后一示例性实施例提供了具有增大扫描速率的较大中央部段的优点。
辐射源的功率在正好三个单元上分配，这意味着对于检测装置存在高的功率平衡，且因此达到长程。但是，根据本发明的使得双镜面9、10的传感区域14'、14”在中央部段17中局部重叠的倾角提供了具有四个平行测量平面I、II、III、IV的总传感区域16。换句话说，检测器单元13的传感区域——可对应于2.4°的传感扇区——增加大约三分之一到3.2°的传感区域，而没有改变功率平衡。
图5示出检测装置的另一示例性实施例的评价策略的图示，其检测器单元堆叠部，与图3所示的示例性实施例相对照，包括六个检测器单元13。检测器单元在检测单元堆叠部内成间隔地设置，以形成中间空间，从而检测器单元堆叠部可通过相对较少数量的检测器单元覆盖大的传感区域。在该情况下，图示的左侧示出传感区域14”'，其通过镜载体的一个镜面9映射到具有六个检测器单元的检测器上。右侧示出经由第二镜面10的检测器的传感区域14”″。根据检测器单元的间隔设置，每个传感区域14”'、14””拒绝(reject)由单个检测器单元传感的区域之间的中间空间23，对于该中间空间，在相应的测量平面中存在被接收信号。
为了在评价被接收信号期间关闭间隙，所述间隙在被一个镜面9照到期间由于在检测器单元13之间的间隔23而出现，镜载体7的倾角α(图2)被确定为使得，另一镜面10覆盖中间空间23中的检测器单元。在镜载体7上具有平行镜面9、10的示例性实施例中，倾角被确定为使得，每个镜面9、10映射检测器单元13到相应另一镜面9、10的映射的中间空间23中。检测器单元13之间的间隔23允许检测装置的垂直传感区域的明显扩大，两个镜面9、10的相应扫描区域中的光学间隙被镜载体7的倾斜关闭。在图5所示的例子中，检测器单元间隔设置，传感区域中的垂直间隙大约为检测器单元13的工作面的垂直范围的50％。

Claims (8)

1.一种用于机动车辆(1)的扫描光-电子检测装置，特别是激光扫描仪，具有发射和接收光学系统(4)，其输出电磁束(3)并将从机动车辆(1)的周围环境中的目标物体反射的束(5)映射到检测器(6)上，且还具有镜载体(7)，该镜载体可被驱动旋转，且出于使被发射束(3)和反射束(5)偏转的目的，该镜载体与发射和接收光学系统(4)相关联，并具有彼此远离的镜面(9、10)，其中，所述检测器(6)具有多路设计，且包括多个检测器单元(13)，用于基于被接收的反射束(5)提供被接收的电信号，所述检测器单元在检测器单元堆叠部(12)中成行排列，且在平行的测量平面(I、II、III、IV)中可评价，其中，所述镜面以相对于镜载体(7)的旋转轴线(8)仅倾斜一倾角的方式设置，且将用于反射束(5)的不同垂直传感区域映射到所述检测器(6)上，
其特征在于，用于镜面(9、10)的倾角(α)使得传感区域(14′、14″、14″′、14″″)在总传感区域(16)的至少一个部段中相交。
2.根据权利要求1所述的检测装置，
其特征在于，每个镜面(9、10)相对于镜载体(7)的旋转轴线(8)以特定倾角(α)设置。
3.根据权利要求2所述的检测装置，
其特征在于，所述镜面(9、10)平行设置，且所述镜载体(7)相对于其旋转轴线(8)以倾角α设置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的检测装置，
其特征在于，所述镜面(9、10)的倾角(α)使得传感区域(14′、14″、14″′、14″″)映射到至少一个共用的检测器单元(13)上。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的检测装置，
其特征在于，所述检测器单元(13)彼此成间隔地设置，以形成中间空间(23)，其中，所述镜面(9、10)以一倾角(α)设置，该倾角使得，每个镜面(9、10)将检测器单元(9、10)映射到相应另一镜面(9、10)的映射的中间空间(23)中。
6.一种通过借助光-电子检测装置(2)进行扫描来对机动车辆(1)的周围环境进行传感的方法，所述装置特别是激光扫描仪，其中，发射和接收光学系统(4)输出电磁束(3)并将从机动车辆周围环境中的目标物体反射的束(3)映射到多路检测器(6)上，所述检测器具有在检测器单元堆叠部(12)中成行排列的多个检测器单元(13)，其中，旋转镜载体(7)将发射束(3)偏转到要被检测的场景上和/或将反射束(5)偏转到发射和接收光学系统(4)，并根据倾角确定检测器(6)的不同垂直传感区域，所述镜载体具有彼此移开且相对于镜载体(7)的旋转轴线(8)以特定倾角倾斜的镜面(9、10)，其中，检测器单元(13)将被接收束(5)用作用于产生被接收电信号的基础，所述电信号被分配给检测器(6)的传感区域内的平行测量平面，并且其中，从两个传感区域的测量平面，确定总的传感区域，用于通过相应镜面(9、10)进行的两个相继的扫描过程，
其特征在于，设定所述镜面(9、10)，使所述束(3、5)相对于旋转轴线(8)以倾角(α)偏转，所述倾角使得传感区域(14′、14″、14″′、14″″)相交。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，所述检测器单元(13)的被接收信号(20、21、22)被分配给所述镜面(9、10)的相应传感区域(14′、14″)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其特征在于，在两个镜面(9、10)的扫描过程期间，检测器单元(18)的被接收信号(20、21、22)每个被分配给在取决于倾角α的高度处的平行测量面(I、II、III、IV)，且两个相继扫描过程的平行测量平面(I、II、III、IV)以共面方式被投射到总的传感区域(16)上。
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