DE102013007961A1

DE102013007961A1 - Optisches Messsystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013007961A1
Application number: DE102013007961.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Schlittenbauer; Yosef Dalbah; Martin Roehder
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: DE102013007961B4

Abstract

Zur Vergrößerung des sensierten Bereichs wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein optisches Messsystem 11 für ein Fahrzeug 50 mit einer Vielzahl von Lichtquellen 14 zur Ausleuchtung eines zu sensierenden Bereichs und mit mindestens einem Sensor 15, der nach dem Time of Flight-Prinzip arbeitet, wobei der Sensor 15 mit einer Weitwinkeloptik 19 zusammenwirkt ist. Hierbei ist vorgesehen, dass mindestens eine Lichtquelle 14 aus der Vielzahl von Lichtquellen 14 in eine erste Richtung gerichtet ist und mindestens eine Lichtquelle 14 aus der Vielzahl der Lichtquellen 14 in eine zweite Richtung gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Messsystem für ein Fahrzeug.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
Es sind optische Messsysteme bekannt, die in oder an einem Fahrzeug installiert sind, um dreidimensionale Messungen im Innenraum des Fahrzeugs oder im Außenbereich des Fahrzeugs bereitzustellen.
Es ist bekannt eine Kamera zu schwenken oder mehrere Kameras zu verwenden, um einen größeren sensierten Bereich zu erhalten. Ferner werden lichtbündelnden Linsen bei Kameras verwendet, die einen Öffnungswinkel von etwa 60 Grad haben. Hierbei ergibt sich ein Nachteil bei den bisher bekannten Kameras, da der sensierte Bereich durch den vorgegebenen Öffnungswinkel sehr schmal ist.
DE 10 2009 057 336 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung eines Raumbereichs außerhalb eines Fahrzeugs mit einer Erfassungseinheit, die einen Bildsensor enthält, der auf PMD oder Time of Flight Technologie basiert, wobei die Erfassungseinheit ein optischer Weitwinkelsensor ist und Bilder an unterschiedlichen Kamerapositionen aufgenommen werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Messsystem bereitzustellen, das einen vergrößerten sensierbaren Bereich bereitstellt, ohne eine Kamera schwenken zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches Messsystem gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße optische Messsystem weist eine Vielzahl von Lichtquellen zur Ausleuchtung eines zu sensierenden Bereichs auf. Ferner weist das optische Messsystem mindestens einen Sensor auf, der nach dem Time of Flight Prinzip arbeitet, wobei der Sensor mit einer Weitwinkeloptik zusammenwirkt. Ferner ist vorgesehen, dass mindestens eine Lichtquelle aus der Vielzahl von Lichtquellen in eine erste Richtung gerichtet ist und mindestens eine Lichtquelle aus der Vielzahl der Lichtquellen in eine zweite Richtung gerichtet ist.
Der verwendete Sensor arbeitet nach dem Time of Flight Prinzip. Eine Kamera mit einem ToF-Sensoren wird daher auch ToF-Kamera genannt und kann Teil des erfindungsgemäßen optischen Messsystems sein. ToF-Kameras basieren auf dem Prinzip eines Laufzeitverfahrens (ToF = Time of Flight), um Distanzen zu messen. Dazu wird das zu überwachende Gebiet oder der sensierte Bereich mit Lichtimpulsen ausgeleuchtet. Die ToF-Kamera misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis einem Objekt im zu überwachenden Gebiet und wieder zurück benötigt. Die benötigte Zeit ist direkt proportional zur Distanz zwischen der ToF-Kamera und dem Objekt. Die ToF-Kamera liefert somit für jeden Bildpunkt eine Entfernung des darauf abgebildeten Objekts. Dieses Prinzip der Laufzeitmessung wird auch bei einem Laserscanning verwendet, bei der ToF-Kamera jedoch mit dem Vorteil, dass das gesamte Gebiet auf einmal aufgenommen wird und nicht abgetastet werden muss.
Die vorgeschlagene ToF-Kamera weist einen oder mehrere ToF-Sensoren auf, die mit einer oder mehreren Linsen zusammenwirken. Der ToF-Sensor errechnet nach dem ToF-Prinzip Abstandsdaten zum mit der Linse erfassten Bereich.
Der ToF-Sensor kann beispielsweise als PMD-Sensor (PMD = Photonic Mixing Device) ausgebildet sein, der als optischer Sensor auf dem Funktionsprinzip der Laufzeitmessung beruht und auch als ToF-Sensor verstanden werden kann. Der PMD-Sensor dient somit als Bildsensor in der ToF-Kamera.
Das erfindungsgemäße optische Messsystem kann als 3D-Messsystem ausgebildet sein. Ferner kann es sich um ein Echtzeitsystem handeln, dass Echtzeitmessungen bereitstellt.
Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass jeweils einer Lichtquelle ein Sensor zugeordnet ist und die eine Lichtquelle und der eine Sensor auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Die Lichtquellen werden demnach modularisiert und bilden in ihrer Gesamtheit die Lichtquelle der Kamera. Das individuelle Ausrichten der Module kann den Öffnungswinkel der Kamera erweitern zusätzlich zu der Verwendung von optischen Linsen. Hierbei können die Platinen so ausgerichtet werden, dass mindestens eine Lichtquelle und ein Sensor in eine Richtung ausgerichtet sind, beispielsweise in Richtung einer Hauptachse der Kamera und mindestens eine weitere Platine mit einer Lichtquelle und einem Sensor in eine zweite Richtung ausgerichtet ist, beispielsweise verkippt in Bezug auf die Hauptachse der Kamera, um einen Randbereich zu sensieren.
Vorzugsweise kann hierbei mindestens eine Platine schwenkbar gelagert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kamera flexibel eingesetzt werden kann, indem verschiedene Öffnungswinkel durch eine oder mehrere schwenkbare Platinen eingestellt werden können. Es können mehrere Platinen mit einem gemeinsamen Antrieb versehen sein. Für feinere Einstellungen kann auch jede Platine einzeln ansteuerbar sein, so dass eine individuelle Ausrichtung pro Platine möglich ist.
Ferner kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Vielzahl von Lichtquellen auf einem Umfangsabschnitt eines Kreises angeordnet ist. Die bedeutet, dass bereits durch die Vorgabe eines Kreissegments die Lichtquellen, die hierauf angeordnet sind in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Auf diese Weise können die Randbereiche des zu sensierenden Bereichs besonders einfach ausgeleuchtet und gemessen werden.
Bevorzugterweise sind die Vielzahl von Lichtquellen Infrarot-Lichtquellen. Die Ausgestaltung mehrerer Lichtquellen der Kamera als Infrarot-Lichtquelle hat den Vorteil, dass Infrarot für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, so dass ein Messvorgang von Insassen eines Fahrzeugs oder von Personen außerhalb eines Fahrzeugs nicht wahrgenommen werden.
Die Funktionsweise eines PMD-Sensor basiert darauf, dass Photonen bzw. Lichtstrahlen erfasst werden. Mit einem angepassten Beleuchtungskonzept kann durch eine Linse vor den Sensoren oder durch eine Linse vor jedem Sensor aktives Infrarotlicht (IR-Licht) eines größeren Öffnungswinkels auf jeden PMD-Sensor gerichtet werden. Die Infrarot-Lichtquelle kann beispielsweise eine LED sein.
Es ist mit Vorteil vorgesehen, dass das optische Messgerät einen Öffnungswinkel von größer 120 Grad aufweist. Dies bedeutet, dass das optische Messgerät einen Bereich von mindestens 120 Grad sensieren kann. Hierbei muss eine Kamera des Messsystems nicht bewegt werden, da die Lichtquellen und Sensoren entsprechend ausgerichtet sind.
Es kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass das optische Messsystem für eine Überwachung eines Außenraums eines Fahrzeugs verwendbar ist. Das Messsystem kann beispielsweise eingesetzt werden, um ein autonomes Fahren zu unterstützen. Ferner kann das Messsystem verwendet werden, um ein Kollisionsüberwachung während der Fahrt des Fahrzeugs durchzuführen. Dies setzt voraus, dass die Kamera im Echzeitbetrieb arbeitet und die Verarbeitung der aufgenommenen Daten mit dem Messsystem so schnell geschieht, dass im Falle einer Kollision das Fahrzeug noch reagieren kann.
Ferner kann Vorteil vorgesehen werden, dass das optische Messsystem für eine Überwachung eines Innenraums eines Fahrzeugs verwendbar ist. Hierbei kann das Messsystem für eine Gestenbedienung verwendet werden oder an ein Sicherheitssystem des Fahrzeugs angeschlossen sein und mit einer Alarmanlage gekoppelt sein. Auch kann vorgesehen werden, dass die Kamera bzw. das optische Messsystem im Innenraum installiert ist und diesen erfasst und zusätzlich auch den Außenbereich des Fahrzeugs sensiert. In einem solchen Fall kann die Kamera je nach Anwendung beweglich gelagert sein, um zwei verschiedene Anwendungen mit einer Installation abzudecken.
Es wird nun erreicht, dass mit einer Kamera bzw. mit dem optischen Messsystem alleine ein Öffnungswinkel von bis zu 180 Grad möglich wird. Folglich kann mit einer Kamera bzw. mit dem optischen Messsystem ein örtlich verteilter Funktionsumfang ohne Schwenken oder durch Einsatz mehrer Kameras umgesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch ein optisches dreidimensionales Messsystem basierend auf dem ToF-Prinzip;
2 schematisch eine ToF-Kamera nach dem Stand der Technik;
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Messsystems;
4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Messsystems; und
5 schematisch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Messsystem, installiert in einem Innenraum des Fahrzeugs.
Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
1 zeigt ein optisches (3D-)Messsystem 11, das ist als ToF-Kamera ausgebildet und ist mit einer Lichtquelle 14 und einem Sensor 15 in Form eines ToF-Sensors. Ferner weist die ToF-Kamera 11 eine optische Linse 16 auf, die vor dem Sensor 15 angeordnet ist und einfallendes Licht aus der Umgebung bündelt und auf den Sensor 15 lenkt. Die Lichtquelle 14 erzeugt hierbei Infrarot-Licht und straht diese in Form von Lichtpulsen an die Umgebung ab, wo es beispielsweise an einem Objekt 16 reflektiert wird und dann auf dem ToF-Sensor 15 trifft, und innerhalb des Messsytems 11 verarbeitet wird. Die ToF-Kamera 11 weist eine Hauptachse 17 auf, die zur Orientierung der Lichtquelle 14 und der ToF-Kamera 11 bzw. des optisches Messsystems als Referenzachse gesehen werden kann.
In 2 zeigt eine beispielhafte ToF-Kamera 21, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit einer Vielzahl von Lichtquellen 22 und einem Sensor 23, die alle in eine Richtung ausgerichtet sind, hier beispielsweise in Richtung einer Hauptachse 24 der ToF-Kamera 21. Die ToF-Kamera 21 weist einen Öffnungswinkel von weniger als 90 Grad auf. Der Öffnungswinkel ergibt sich hierbei durch eine Überlagerung der ausgesendeten Lichtstrahlen aller ausleuchtenden Lichtquellen.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Messsystems 11 bzw. einer ToF-Kamera im Detail. Die ToF-Kamera 11 ist mit einer Vielzahl von Lichtquellen 14 zur Ausleuchtung eines zu sensierenden Gebiets ausgestattet, wobei mehrere dieser Lichtquellen 14 gegenüber einer Hauptachse 17 der Kamera 11 verkippt angeordnet sind. In 3 sind schematisch vier Lichtquellen 14 dargestellt, wovon die beiden äußeren Lichtquellen 14 verkippt sind, und zwar jeweils nach außen verkippt, so dass sie einen Randbereich des zu sensierenden Bereichs beleuchten können. Fernerweist die Kamera 11 einen ToF-Sensor 15 auf, der in 3 auf der Hauptachse 17 der Kamera 11 angeordnet ist, aber auch an jeder beliebigen anderen Stelle vorhanden sein kann. Das ausgesendete Infrarot-Licht der ToF-Kamera 11 von den Lichtquellen 14 aus kann durch den Sensor 15 als Reflektionsstrahl wieder eingefangen werden und weiterverarbeitet werden. Es sind hierbei die beiden innen angeordneten Lichtquellen 14 in eine erste Richtung gerichtet, nämlich in die Richtung der Hauptachse 17 der Kamera 11, während die beiden äußeren Lichtquellen 14 in eine zweite Richtung gerichtet sind, um den zu sensierenden Bereich zu vergrößern. Insgesamt weist die ToF-Kamera 11 eine Öffnungswinkel 18 von etwa 120 Grad auf, bevorzugt sind 180 Grad. Dieser Öffnungswinkel 18 ergibt sich aus einer Überlagerung der einzelnen Ausstrahlungswinkel der Lichtquellen 14. Dabei bilden die äußeren Lichtstrahlen, die von den außen liegenden Lichtquellen 14 abgestrahlt werden und von dem Sensor 15 empfangenen werden, reflektierte Lichtstrahlen und bilden die Grenzen des Öffnungswinkels 18. Ein vergrößerter Öffnungswinkel wird erreicht indem eine Vielzahl von Lichtquellen 14, hier LED-Lichtquellen, zum Ausleuchten des Randbereichs verwendet werden, die beispielsweise auf einem Halbkreissegment angeordnet sind. Somit wird das zuvor ausgesendete Licht der Lichtquellen 14 wieder durch den Sensor 15 eingesammelt, wobei zum Sammeln wird eine Weitwinkeloptik verwendet, die in 3 als einstückige Linse 19 gezeigt ist und vor dem Sensor 15 angeordnet ist. Auch ist es möglich, dass bei einer ToF-Kamera 11, wie in 3 gezeigt, mehrere Sensoren 15 verwendet werden, die mit einer entsprechenden Weitwinkeloptik 19 ausgestattet sind.
4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen ToF-Kamera 11 bzw. eines optischen Messsystems. Hierbei ist jeweils einer Lichtquelle 14 ein Sensor 15 zugeordnet und eine Lichtquelle 14 und ein Sensor 15 ist jeweils auf einer gemeinsamen Platine 20 angeordnet. Die Platinen 20 sind schwenkbar um ihre Mittelachse gelagert, so dass die darauf angeordnete Lichtquellen 14 mit Sensor 15 gemeinsam verkippt werden können, um auch Außenbereiche des zu sensierenden Bereichs zu erfassen. Die Strahlungscharakteristik der Kamera 11 mit einem Öffnungswinkel 18 von vorzugsweise größer als 120 Grad kann ähnlich sein, wie in 3 gezeigt. Ferner kann vorgesehen werden, dass jeweils eine Weitwinkellinse jeder Platine 20 zugeordnet ist, die jeweils ebenfalls verlagerbar sein kann, um eine gleiche Ausrichtung der Lichtquelle 14 und des Sensors 15 zu haben.
5 zeigt ein Fahrzeug 50 bei dem das erfindungsgemäße optische Messsystem 11 im Innenraum 51 des Fahrzeugs 50 installiert ist. Hierbei kann die das Messsystem 11 sowohl den Innenraum 51 wie auch einen Bereich 52 vor dem Fahrzeug 50 und einen Bereich 53 hinter dem Fahrzeug 50 sensieren. Das installierte optische 3D-Messsystem 11 kann zur Kollisionsüberwachung im Rahmen eines autonomen Fahrens verwendet werden wie auch zur Überwachung des Fahrzeugs 50 mit Hilfe einer Alarmanlage.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009057336 A1 [0005]

Claims

Optisches Messsystem (11) für ein Fahrzeug (50) mit einer Vielzahl von Lichtquellen (14) zur Ausleuchtung eines zu sensierenden Bereichs; und mindestens einem Sensor (15), der nach dem Time of Flight-Prinzip arbeitet; wobei der Sensor (15) mit einer Weitwinkeloptik (19) zusammenwirkt ist; und wobei mindestens eine Lichtquelle (14) aus der Vielzahl von Lichtquellen (14) in eine erste Richtung gerichtet ist und mindestens eine Lichtquelle (14) aus der Vielzahl der Lichtquellen (14) in eine zweite Richtung gerichtet ist.
Optisches Messsystem nach Anspruch 1, wobei jeweils einer Lichtquelle (14) ein Sensor (15) zugeordnet ist und die eine Lichtquelle (14) und der eine Sensor (15) auf einer gemeinsamen Platine (20) angeordnet sind.
Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens eine Platine (20) schwenkbar gelagert ist.
Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Lichtquellen (14) auf einem Umfangsabschnitt eines Kreises angeordnet ist.
Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vielzahl von Lichtquellen (14) Infrarot-Lichtquellen sind.
Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das optische Messsystem (10) einen Öffnungswinkel (18) von größer 120 Grad aufweist.
Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Messsystem (11) für eine Überwachung eines Außenraums (52, 53) eines Fahrzeugs (50) verwendbar ist.
Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische Messsystem (11) für eine Überwachung eines Innenraums (51) eines Fahrzeugs (50) verwendbar ist.
Fahrzeug (50), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (50) ein optisches Messsystem (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei das Messsystems (11) im Innenraum (51) des Fahrzeugs (50) installiert ist.