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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Prioritätsdatums der am 6. Februar 2014 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/936,524 mit dem Titel LOW COST SMALL SIZE LIDAR FOR AUTOMOTIVE.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen LiDAR-Sensor und insbesondere einen LiDAR-Sensor für Kraftfahrzeuganwendungen, wobei der Sensor eine Mehrzahl von Arrays von Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslasern (VCSEL für engl. vertical cavity surface emitting laser) einsetzt, die jeweils eine separate Linse umfassen.
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Erörterung der verwandten Technik
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Moderne Fahrzeuge umfassen manchmal verschiedene aktive Sicherheits- und Steuersysteme, wie beispielsweise Kollisionsvermeidungssysteme, Systeme zur adaptiven Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control), Spurhaltesysteme, Spurzentrierungssysteme usw., wobei sich die Fahrzeugtechnologie in Richtung halbautonom und vollautonom betriebener Fahrzeuge bewegt. Zum Beispiel sind Kollisionsvermeidungssysteme auf dem Fachgebiet bekannt, welche automatische Fahrzeugsteuerung, wie beispielsweise Bremsung, bereitstellen, wenn eine potenzielle oder bevorstehende Kollision mit einem anderen Fahrzeug oder Objekt erkannt wird, und außerdem eine Warnung bereitstellen, um dem Fahrer zu ermöglichen, Korrekturmaßnahmen zum Verhindern der Kollision zu ergreifen. Außerdem sind Systeme zur adaptiven Abstandsregelung bekannt, die einen vorwärts gerichteten Sensor einsetzen, der automatische Geschwindigkeitsregelung und/oder Bremsung bereitstellt, wenn sich das Subjektfahrzeug einem anderen Fahrzeug nähert. Die Objekterkennungssensoren für diese Typen von Systemen können beliebige einer Anzahl von Technologien verwenden, wie beispielsweise Nahbereichsradar, Fernbereichsradar, Kameras mit Bildverarbeitung, Laser oder LiDAR, Ultraschall usw. Die Objekterkennungssensoren erkennen Fahrzeuge und andere Objekte auf dem Weg eines Subjektfahrzeugs, und die Anwendungssoftware verwendet die Objekterkennungsinformationen zum Bereitstellen von Warnungen oder Ergreifen von Maßnahmen, wie jeweils anwendbar.
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LiDAR-Sensoren werden manchmal bei Fahrzeugen verwendet, um Objekte um das Fahrzeug herum zu erkennen und eine Entfernung zu und eine Orientierung von diesen Objekten unter Verwendung von Reflexionen von den Objekten bereitzustellen, welche mehrere Abtastpunkte bereitstellen, die zusammen eine Punkthäufungs-Entfernungskarte ergeben, wobei ein getrennter Abtastpunkt für jeden ½° oder weniger über das Sichtfeld (FOV für engl. field-of-view) des Sensors bereitgestellt wird. Wenn daher ein Zielfahrzeug oder ein anderes Objekt vor dem Subjektfahrzeug erkannt wird, kann es mehrere Abtastpunkte geben, die zurückgesendet werden und die den Abstand des Zielfahrzeugs vom Subjektfahrzeug identifizieren. Durch Bereitstellen einer Häufung von zurückgesendeten Abtastpunkten können Objekte mit verschiedenen und beliebigen Formen, wie beispielsweise Lastkraftwagen, Anhänger, Fahrrad, Fußgänger, Leitplanke usw., leichter erkannt werden, wobei umso mehr Abtastpunkte bereitgestellt werden, je größer und/oder näher das Objekt zum Subjektfahrzeug ist.
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Die meisten bekannten LiDAR-Sensoren setzen einen einzigen Laser und einen schnell drehenden Spiegel ein, um eine dreidimensionale Punktwolke von Reflexionen oder Rücksendungen zu erzeugen, die das Fahrzeug umgibt. Wenn sich der Spiegel dreht, emittiert der Laser Impulse von Licht, und der Sensor misst die Zeit, die es dauert, bis der Lichtimpuls von Objekten in seinem FOV reflektiert und zurückgesendet wird, um den Abstand der Objekte zu bestimmen, was auf dem Fachgebiet als Time-of-Flight-Berechnungen bekannt ist. Durch sehr schnelles Pulsen des Lasers kann ein dreidimensionales Bild von Objekten im FOV des Sensors erzeugt werden. Es können mehrere Sensoren bereitgestellt werden, und die Bilder davon können korreliert werden, um ein dreidimensionales Bild von Objekten zu erzeugen, die das Fahrzeug umgeben. Andere bekannte LiDAR-Sensoren drehen das gesamte Lasersystem statt nur des Spiegels, um Signalabtastung bereitzustellen, aber solche Systeme leiden typischerweise daran, dass sie voluminös sind und es ihnen an Robustheit mangelt.
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Der zuvor erwähnte Spiegel ist ein verhältnismäßig großer und dominierender Teil des LiDAR-Sensors und trägt daher viel zur Größe und Masse des Sensors bei, was außerdem die Kosten des Sensors erhöht. Zudem verursacht der Spiegel eine schlechte Robustheit des Sensors. Ferner bedeutet die einzige Achse des Spiegels, dass der LiDAR-Sensor eigentlich keine echte dreidimensionale Punktwolke von Rücksendungen sammelt, sondern eine Punktwolke, die mehr einem zweidimensionalen Abstand über eine einzige Linie oder, bei Einsatz von mehr als einem Laser, über mehrere Linien ähnelt. Insbesondere da ein einziger Laserstrahl unter Verwendung eines Drehspiegels abgetastet wird, stellen die reflektierten Strahlen kein FOV in einer Richtung vertikal zur Richtung der Drehung des Spiegels bereit. Um Rücksendungen aus diesen Richtungen bereitzustellen, müssen zusätzliche Laser bereitgestellt werden, was Beschränkungen in der Konstruktion mit sich bringt und die Kosten erhöht. Um das Erfordernis schneller Datenaktualisierungen zu erfüllen, muss sich der Spiegel sehr schnell drehen, wodurch nur die Messalgorithmen Time-of-Flight-artig sein können, was infolge der Notwendigkeit schneller Elektroniken ebenfalls sehr kostspielig ist. Außerdem fügt der entsprechende Motor, der zum Drehen des Spiegels erforderlich ist, erhebliche Größe und erhebliches Gewicht zum LiDAR-Sensor hinzu. Da ferner der Spiegel groß und voluminös ist, hat er eine Tendenz, selbst in Reaktion auf kleine Störungen am Fahrzeug leicht aus der Ausrichtung mit dem Laser zu geraten. Außerdem erfordert der Motor erhebliche Leistung und, da sich der Spiegel dreht, besteht eine erhebliche Zunahme der Wahrscheinlichkeit, dass der LiDAR-Sensor infolge von mechanischer Abnutzung ausfällt. Demnach sind aktuelle LiDAR-Sensorkonstruktionen im Allgemeinen zu kostspielig, um in Fahrzeugen implementiert zu werden, die in Masse produziert werden.
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Außerdem berücksichtigen aktuelle LiDAR-Sensorkonstruktionen die Signalrücksendungen von einem Sensor zu einem anderen nicht, und dementsprechend ist bei mehreren Fahrzeugen, die im gleichen relativen Raum fahren, Übersprechen (crosstalk) zwischen Sensoren ein Problem.
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Ein anderer bekannter LiDAR-Sensor wird als Flash-LiDAR-Sensor bezeichnet, der einen einzigen leistungsstarken Laser einsetzt, der das gesamte FOV des Sensors beleuchtet. Der Sensor umfasst ein feines Array von speziellen Detektoren, welche Time-of-Flight(TOF)-Entfernungsberechnungen zum Bestimmen des Abstands zu Objekten bereitstellen. Diese Sensoren neigen dazu, einen leistungsstarken und kostspieligen Laser, eine voluminöse und teure Abbildungslinse, die eine hohe Auflösung aufweist, da die Pixel sehr klein sind, das FOV groß ist, und ein erhebliche Menge Licht gesammelt werden muss, und eine maßgeschneiderte Sensoranordnung zu benötigen.
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Auf dem Fachgebiet ist die Bereitstellung eines LiDAR-Sensors bekannt, der ein zweidimensionales Array von Lasern und zugehörigen Linsen einsetzt, um eine optoelektronische Abtasttechnik ohne bewegliche Teile zu bilden. Das zweidimensionale Array von Lasern kann ein VCSEL-Array sein, die auf dem Fachgebiet bekannt ist und bei der es sich um einen Halbleiterlaser handelt, wobei jede Laserpunktquelle auf einer Halbleiterscheibe zur gewünschten Größe gefertigt ist. Jeder Laser in einem VCSEL-Array wird elektrisch so gesteuert, dass der ausgewählte Laser in dem Array nach Wunsch ein- und ausgeschaltet werden kann. Daher wird durch selektives Ein- und Ausschalten der Laser der Laserstrahl von dem Array abgetastet (scanned), um eine dreidimensionale Rücksendepunktwolke zu ermöglichen, da die Laser nicht in einer einzige Linien ausgerichtet sind. Dieser bekannte LiDAR-Sensor ist jedoch in seinem FOV eingeschränkt, da die Linsenkonstruktion, die zum Erzeugen einer hohen räumlichen Auflösung erforderlich wäre, für größere FOVs sehr schwer zu erreichen wäre, insbesondere zu niedrigen Kosten. Selbst bekannte Fischaugenlinsen mit weiten FOVs sind noch immer in ihrem FOV eingeschränkt und stellen eine schlechte Auflösung an ihren Kanten bereit. Da ferner die Größe des VCSEL-Arrays zunimmt, um einem weiteren FOV zu Rechnung zu tragen, erhöhen sich die Kosten zur Bereitstellung solch eines großen VCSEL-Arrays erheblich. Außerdem ist die Kombination von großem FOV und gut kollimierten Strahlen, die zur Auflösung und Augensicherheit erforderlich sind, zu niedrigen Kosten schwer zu erreichen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen LiDAR-Sensor mit einer bestimmten Anwendung zur Verwendung an einem Fahrzeug. Der LiDAR-Sensor umfasst eine Mehrzahl von beabstandet angeordneten VCSEL-Arrays, die jeweils eine einzige Linse umfassen; wobei die Linse für jedes VCSEL-Array den Strahl des jeweiligen Lasers in dem Array, der leuchtet, in eine gewünschte Richtung lenkt, so dass das Ein- und Ausschalten der Laser in jedem Array eine Scanwirkung erzeugt. Die Anzahl und die Größe der VCSEL-Arrays werden so ausgewählt, dass das gewünschte FOV für den Sensor bereitgestellt wird, wobei die VCSEL-Arrays auf einer gekrümmten Plattform oder jeder anderen geeigneten Form positioniert werden können, um dieses FOV bereitzustellen. Der Sensor umfasst außerdem einen oder mehrere Detektoren zum Erkennen von Reflexionen der Laserstrahlen, die von den Lasern emittiert werden. Steuerelektroniken sind vorgesehen, um die Laserstrahlen abzutasten und eine dreidimensionale Punktwolke von zurückgesendeten Bildpunkten zu erzeugen.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine isometrische Ansicht eines LiDAR-Sensors, der eine Mehrzahl von Strahlern und Empfängern umfasst;
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2 ist eine schematische Darstellung eines LiDAR-Sensors, der eine Mehrzahl von strategisch positionierten VCSEL-Arrays umfasst;
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3 ist eine isometrische Ansicht einer Kamera mit weitem Sichtfeld;
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4 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs, das zwei LiDAR-Sensoren mit einem FOV von 180˚ umfasst;
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5 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs, das einen einzigen LiDAR-Sensor mit einem FOV von 180˚ umfasst;
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6 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Bereitstellen von dreidimensionalen Bildern unter Verwendung des hierin erörterten LiDAR-Sensors; und
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7 ist ein anderes Blockdiagramm eines Systems zum Bereitstellen von dreidimensionalen Bildern durch Laserentfernungsmessung unter Verwendung des hierin erörterten LiDAR-Sensors.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die einen LiDAR-Sensor betrifft, der eine Mehrzahl von VCSEL-Arrays umfasst, ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten in keiner Weise beschränken. Zum Beispiel weist der LiDAR-Sensor der vorliegenden Erfindung eine bestimmte Anwendung zur Verwendung an einem Fahrzeug auf. Für Fachleute ist jedoch zu erkennen, dass der LiDAR-Sensor der Erfindung auch andere Anwendungen haben kann.
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1 ist eine isometrische Ansicht eines LiDAR-Sensors 19, der ein halbkreisförmiges Sensorgehäuse 12 mit einer gekrümmten Außenfläche 14 umfasst. Eine Gruppe 16 von Laserstrahlern (Laseremitter) 18 ist in einer Reihe entlang der Außenfläche 14 des Gehäuses 12 vorgesehen. Die verschiedenen Sensorelektroniken, Prozessoren usw. sind im Gehäuse 12 vorgesehen. Wie im Folgenden ausführlich erörtert, umfasst jeder Strahler (Emitter) 18 ein VCSEL-Array und zugehörige Linse. Die Anzahl, Beabstandung, Größe, Form usw. der Laseremitter 18 wäre anwendungsspezifisch für einen bestimmten LiDAR-Sensor. Die Anzahl von Strahlern 18 in der Gruppe 16 wäre vom gewünschten FOV des Sensors 10 und der Größe der Strahler 18 abhängig. In diesem nicht einschränkenden Beispiel umfasst die Gruppe 16 neun der Strahler 18, um ein FOV von 180˚ bereitzustellen. Der Sensor 10 umfasst außerdem eine Gruppe 20 von Empfängern 22, die in einer Linie ebenfalls an der Außenwand 14 des Gehäuses 12 ausgebildet sind, wobei ein Empfänger 22 jeweils in Bezug auf jeden der Strahler 18 entsprechend positioniert ist. Der LiDAR-Sensor 10 umfasst außerdem eine Weit-FOV-Kamera 24, die an der Außenfläche 14 des Gehäuses 12 positioniert ist, um ein Bild der gleichen Szene oder des gleichen FOVs, die/das durch die Empfänger 22 erkannt wird, u. a. zu Kalibrierzwecken bereitzustellen, wie weiter unten erörtert wird.
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2 ist eine Veranschaulichung einer Gruppe 30 von Strahlern 32, hier fünf, die in einer Bogenform angeordnet sind und eine Darstellung der Gruppe 16 bereitstellen. Jeder Strahler 32 umfasst ein VCSEL-Array 34, die ein zweidimensionales Array von einzelnen Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslasern (nicht dargestellt) ist, die auf einem geeigneten Halbleitersubstrat in einer Art und Weise gefertigt sind, die den Fachleuten allgemein bekannt ist. In einer Ausführungsform umfasst jedes VCSEL-Array 34 hunderte von Lasern. Jeder Laser in jedem VCSEL-Array 34 erzeugt einen Laserstrahl 36, wenn eingeschaltet, der durch eine separate Linse 38 im Strahler 32 auf die gewünschte Brennweite, wie beispielsweise einen geeigneten Abstand von einem Fahrzeug, an dem der LiDAR-Sensor montiert ist, fokussiert wird. Es ist zu erwähnen, dass, obwohl eine Anzahl der Laserstrahlen 36 dargestellt ist, die von jeder der VCSEL-Arrays 34 emittiert werden, im Betrieb jeweils nur einer der Laser in jedem VCSEL-Array 34 zu einem gegebenen Zeitpunkt eingeschaltet wird, wobei die Laser in einer bestimmten VCSEL-Array 34 ein- und ausgeschaltet werden, um einen Abtaststrahl zu erzeugen, der von dem Array 34 emittiert wird.
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Es versteht sich von selbst, dass durch Bereitstellen eines Strahlers 32 von einer bestimmten Größe das FOV des jeweiligen Sensors, der die Mehrzahl von Strahlern 32 umfasst, demgemäß durch ein Ändern der Anzahl von Strahlern 32 vergrößert und verkleinert werden kann. Ferner kann ein einziger Sensor bereitgestellt werden, der genügende der Strahler 32 aufweist, um einen Kreis und demnach ein FOV von 360˚ bereitzustellen. Daher können durch Bereitstellen einer Mehrzahl der Strahler 32, die jeweils ihre eigene Linse 38 aufweisen, Nachteile des Standes der Technik überwunden werden, indem keine beweglichen Teile, wie beispielsweise ein großer Drehspiegel, vorhanden sind und kein komplizierter Spiegel für Weit-FOV-Anwendungen für ein einziges VCSEL-Array erforderlich ist.
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3 ist eine isometrische Ansicht einer Weit-FOV-Kamera 28 von dem Typ, der für die Kamera 24 verwendet werden kann, die am Gehäuse 12 montiert ist. Die Kamera 28 stellt ein optisches Bild der gleichen Szene bereit, welche die VCSEL-Arrays erkennen, so dass die beiden Bilder in verschiedenen Formaten durch geeignete Softwarealgorithmen korreliert werden können, um verbesserte Objekterkennung bereitzustellen. Das Verfügen über Redundanz von Bilderkennung kann zu Kalibrierzwecken oder zum Sicherstellen, dass der Sensor nicht infolge einer Kollision oder dergleichen aus seinem gewünschten FOV bewegt wurde, wünschenswert sein. Ferner kann die Kamera 28 eine bessere Szenenabbildung bei schlechten Wetterverhältnissen bereitstellen, bei welchen die Robustheit des LiDAR-Sensors 10 beschränkt sein kann. Außerdem kann die Kamera 28 verwendet werden, um die Arrays 34 zu kalibrieren, da mechanische Kalibrierung keine geeignete Kalibrierung bereitstellen kann, weil geringfügige Toleranzen bei der Herstellung und Montage bewirken können, dass jedes Array 34 in Bezug auf ihre beabsichtigte Position leicht verdreht, verschoben oder versetzt ist. Eine einzige Kamera, die alle der Laserstrahlen auf einmal betrachten kann, kann jegliche mechanische Fehlausrichtung kompensieren und ferner Herstellungskosten reduzieren. Außerdem kann jegliche Fehlausrichtung, die mit der Zeit oder infolge von Kollisionen auftreten kann, selbstkalibriert werden.
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4 ist eine Draufsicht eines Fahrzeugs 40, die eine Implementierung von zweien der zuvor erörterten LiDAR-Sensoren darstellt. Es kann zum Beispiel ein LiDAR-Sensor 42 mit einem FOV von 180° an der Vorderseite des Fahrzeugs 40 vorgesehen sein, und ein LiDAR-Sensor 44 mit einem FOV von 180° kann an der Rückseite des Fahrzeugs 40 vorgesehen sein, wie dargestellt, um ein vollständiges FOV von 360° rund um das Fahrzeug zu ergeben.
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Es ist zu erwähnen, dass auch andere Formen als eine Halbkreis- oder Kreisform für den LiDAR-Sensor bereitgestellt werden können. Um dies zu veranschaulichen, ist 5 eine Draufsicht eines Fahrzeugs 46, die eine andere Implementierung eines einzigen LiDAR-Sensors 48 von dem zuvor erörterten Typ darstellt, der eine Mehrzahl, hier elf, von VCSEL-Arrays 80 umfasst, die strategisch um das Fahrzeug 46 positioniert sind und ein FOV von 180˚ bereitstellen, und der außerdem eine andere Form als die zuvor erörterten Sensoren aufweist. Es können auch andere Formen angewendet werden.
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Wie bereits erwähnt, setzen bekannte LiDAR-Sensoren Time-of-Flight zum Bestimmen des Abstands von Objekten ein, von welchen die gepulsten Laserstrahlen reflektiert werden. Wie ebenfalls bereits erwähnt, weist diese Art von Abstandserkennung jedoch insofern Beschränkungen auf, als Signale von anderen Sensoren durch einen bestimmten Sensor empfangen werden können, d. h. Übersprechen zwischen mehreren Sensoren, die im gleichen allgemeinen Bereich funktionieren, stattfinden kann. Um diese Beschränkung zu überwinden, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Entfernungsmessungstechniken zum Bestimmen des Abstands D (siehe Gleichung (1) unten) von Objekten vom Fahrzeug vor, um die Möglichkeit von Übersprechen zwischen Sensoren zu eliminieren oder wenigstens erheblich zu reduzieren, was möglich ist, da der vorgeschlagene LiDAR-Sensor keinen Drehspiegel einsetzt. Jeder VCSEL in dem Array kann solange eingeschaltet gelassen werden wie gewünscht, um einen Strahl mit Dauerstrichsignal bereitzustellen. Durch Amplitudenmodulation des Dauerstrichstrahls wird eine Sinuswelle oder ein anderes repetitives Signal, wie beispielsweise Rechteckwellen, Dreieckswellen usw., mit einer bestimmten Frequenz in Abhängigkeit von der Modulation erzeugt. Das Sinuswellensignal wird vom Objekt reflektiert und durch den Detektor mit einer Phasenverschiebung erkannt, die vom Abstand abhängt, den das Objekt vom Sensor entfernt ist. Ein elektronischer Phasenregelkreis (PLL für engl. phase lock loop) kann die Phasenverschiebung aus dem Signal extrahieren, und diese Phasenverschiebung wird durch bekannte Techniken in einen Abstand übersetzt. Durch Modulieren des Dauerstrichstrahls auf eine eindeutige Art und Weise kann die Frequenz dieses Strahls anders als die Frequenz von anderen Strahlen sein, die im Bereich des Fahrzeugs sein können und deren Frequenzen durch den jeweiligen LiDAR-Sensor nicht berücksichtigt werden. Es ist zu erwähnen, dass die zuvor erörterte Bereitstellung von Amplitudenmodulation und des Sinuswellenformats lediglich ein nicht einschränkendes Beispiel ist. Es können auch andere Techniken, wie beispielsweise Phasenmodulation, Polarisationsmodulation und Frequenzmodulation angewendet werden. Außerdem können auch andere Wellenformate, wie beispielsweise eine Rechteckwelle, eingesetzt werden. D = ϕ max distance / 2π(1)
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Wie ebenfalls bereits erwähnt, sind LiDAR-Sensoren, welche Abtastspiegel einsetzen, typischerweise beim Beobachten von Zielen in der Richtung senkrecht auf die Drehrichtung des Spiegels eingeschränkt. Für die VCSEL-Arrays der Erfindung, wie hierin erörtert, kann der Sensor durch Bereitstellen einer Anzahl von VCSELs in dem Array in der gewünschten Richtung so ausgelegt sein, dass er sowohl in den vertikalen als auch horizontalen Richtungen ein FOV aufweist. Da sich ferner der Drehspiegel in den bekannten LiDAR-Sensorkonstruktionen kontinuierlich drehen muss, wenn ein Objekt von Interesse in den Rücksendungen erkannt wird, können die bekannten LiDAR-Sensoren den Spiegel nicht stoppen, um fortzufahren, in der Richtung des erkannten Objekts zu erkennen. Wenn bei der vorliegenden Erfindung ein Objekt von Interesse erkannt wird, dann können die VCSELs in den Arrays, die das Objekt in dieser Richtung erkennen, eingeschaltet gelassen werden, um weitere Erkennung des Objekts bereitzustellen.
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6 ist ein Blockdiagramm eines LiDAR-Sensorsystems 50, das einen allgemeinen Überblick über die Steuerungen zeigt, die zum Bereitstellen der Sensorbilder erforderlich sind. Das System 50 umfasst den LiDAR-Sensor 30, wie zuvor erörtert, und eine Detektorgruppe 52, welche Empfängerelemente 54 umfasst, die jeweils eine Empfangslinse 56 aufweisen, welche optische Strahlen vom Ziel empfängt und die Strahlen auf einen Detektor 60 fokussiert. Der Detektor 60 kann eine Photodiode oder einen Photovervielfacher sein, er kann eine einzelne Vorrichtung oder ein Array sein, und er kann moduliert sein, um Hintergrundrauschen weiter zu reduzieren. Jedes Empfangselement 54 umfasst den Detektor 60, der das gleiche Sichtfeld wie der gesamte LiDAR-Sensor 30 sieht. Demnach kann nur jeweils ein Laser in dem Array 34 zu einem gegebenen Zeitpunkt verwendet werden, da ein Detektor getrennte Strahlen nicht unterscheiden kann. In einer alternativen Ausführungsform können mehrere Laser parallel eingesetzt und auf getrennte Frequenzen moduliert werden, so dass sie die Strahlen parallel erkennen können, wobei ein Algorithmus die Strahlen trennen würde. In noch einer anderen Ausführungsform kann ein Array von Detektoren eingesetzt werden, damit mehrere Laserstrahlen parallel getrennt erkennt werden. Typischerweise kann ein Schmalbandfilter vor dem Detektor 60 verwendet werden, um Umgebungslicht, wie beispielsweise von der Sonne, zu eliminieren, wobei das VCSEL-Array 34 eine eindeutige Wellenlänge-Temperatur-Beständigkeit aufweist.
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Das System 50 umfasst eine Strahlersteuerung 66, die einen Befehl erzeugt, der identifiziert, welcher der jeweiligen Laser in welcher der Laseranordnungen 34 leuchten soll, um Strahlabtastung bereitzustellen, und das Modulationsintensitätssignal zu Entfernungsmessungszwecken bereitstellt, wie zuvor erörtert. Das Signal von der Strahlersteuerung 66 wird an einen Multiplexer 68 übermittelt, der das Signal an den jeweiligen Laser sendet, der ausgewählt ist. Die Signale, die durch die Detektoren 60 empfangen werden, werden an einen Multiplexer 70 übermittelt, der jedes Signal selektiv an einen schnellen Analog-Digital(A/D)-Wandler 72 übermittelt, um das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln. Das digitale Signal wird an eine Empfängersteuerung 74 übermittelt, die das Modulationsintensitätssignal von der Strahlersteuerung 66 empfängt und geeignete Software zum Bilden der Abtastpunkte der dreidimensionalen Wolke im digitalen Signal umfasst. Die Steuerung 74 kann jede geeignete Logikvorrichtung, wie beispielsweise ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA für engl. field programmable gate array), eine ASIC usw. sein. Die Empfängersteuerung 74 empfängt außerdem die Bilddaten von einer Weit-FOV-Kamera, die durch das Feld 76 dargestellt ist, und kombiniert das Kamerabild und die dreidimensionale Wolke unter Verwendung von geeigneter Software. Die Empfängersteuerung 74 übermittelt ein Signal an die Strahlersteuerung 66, das identifiziert, welcher Laser leuchten soll, wenn zum Beispiel ein Objekt erkannt wird. Die Empfängersteuerung 74 stellt dann das Bild mit den eingebetteten dreidimensionalen Daten bereit, wie durch einen Kreis 78 dargestellt.
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Das zuvor erörterte System 50 verwendet Phasenmessungen zum Bereitstellen von Entfernungserkennung von Objekten, die durch den Sensor erkannt werden, durch Vergleichen des gesendeten optischen Signals mit dem reflektierten optischen Signal und anschließendes Extrahieren der Phase zwischen den zwei Signalen. Dieser Prozess verwendet das elektrische Signal, das zum Modulieren der VCSLs in den VCSL-Arrays verwendet wird. Diese Technik kann jedoch durch Bereitstellen eines zweiten Referenzdetektors verbessert werden, der das tatsächliche Laserlicht an der Quelle erfasst und dieses Licht verwendet, um es mit dem reflektierten optischen Signal zu vergleichen, was alle der elektronischen Nebenwirkungen eliminiert und, wenn der gleiche Detektor nicht als der Hauptdetektor verwendet wird, auch das Detektorverhalten eliminiert.
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7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines LiDAR-Sensorsystems 80, das diese Ausführungsform veranschaulicht. Das System 80 umfasst einen Strahler 82 und einen Empfänger 84. Der Strahler 82 umfasst ein VCSEL-Array 86, wobei vorausgesetzt wird, dass der Strahler 82 viele solcher VCSEL-Arrays umfasst, wie oben erörtert. Das VCSEL-Array 86 umfasst ein Substrat 88, auf welchem eine Mehrzahl von Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslasern 90 gefertigt ist, die jeweils zum Emittieren eines Laserstrahls 92 fähig sind. Jeder der Laserstrahlen 92, der durch den Laser 90 getrennt erzeugt wird, wird durch eine Linse 94 fokussiert, um die Strahlabtastung bereitzustellen, wie oben erörtert. Eine Amplitudenmodulations- und -steuerungseinrichtung 96 erzeugt ein amplitudenmoduliertes Sinuswellensignal, das den Laser 90 betreibt und steuert, wobei ein Multiplexer 98 das modulierte Signal zum gewünschten Laser 90 lenkt. Wie oben erörtert, wird ein kleiner Messstrahl 102 des Laserstrahls 92 von einem bestimmten Laser 90 am Strahler 82 zum Beispiel durch einen Reflektor 100 gesammelt und an den Empfänger 84 geleitet.
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Der Empfänger 84 umfasst eine Linse 110, die einen reflektierten Strahl 108 vom Ziel oder Objekt zu einem Hauptdetektor 112, wie beispielsweise einen Einphotonenlawinendioden (SPAD für engl. single-photon avalanche diode)-Detektor, leitet, der das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Messstrahl 102 wird durch einen Referenzdetektor 104 im Empfänger 84 empfangen, der das optische Signal ebenfalls in ein elektrisches Signal umwandelt. Die elektrischen Signale von den Detektoren 104 und 112 werden an einen Komparator 114 gesendet, der ein Fehlersignal zwischen den beiden elektrischen Signalen bereitstellt, das an einen Phasenverschiebungswiedergewinnungsprozessor 116 gesendet wird, der die Phasenverschiebung zwischen dem Messstrahl 102 und dem reflektierten Strahl 108 identifiziert Diese Phasenverschiebung wird zum Beispiel durch Gleichung (1) bei Feld 118 in eine Entfernung umgewandelt.
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Es ist zu erwähnen, dass die vorstehende Erörterung, welche das Verwenden von VCSEL-Arrays zur Objekterkennung unter Einbeziehung von Signalmodulation und Richtungssteuerung betrifft, auch als ein Kommunikationswerkzeug zwischen Fahrzeugen mit den gleichen Sensorfähigkeiten verwendet werden kann. Insbesondere kann der gleiche LiDAR-Sensor, der andere Fahrzeuge und Objekte um das Subjektfahrzeug erkennt, auch zum Kommunizieren mit diesen anderen Fahrzeugen verwendet werden. Diese Kommunikation kann auf eine geeignete Art und Weise, wie beispielsweise für Kollisionsvermeidung, autonomes Fahrer usw., verwendet werden, wobei die beiden Fahrzeuge einander ihre relativen Dynamiken und Bewegungen mitteilen, so dass sie in unmittelbarer Nähe zueinander sicher koexistieren können.
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Wie für Fachleute leicht zu verstehen ist, können sich die mehreren und verschiedenen Schritte und Prozesse, die hierin erörtert werden, um die Erfindung zu beschreiben, auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Rechenvorrichtung durchgeführt werden, welche Daten unter Verwendung des elektrischen Phänomens handhaben und/oder umwandeln. Diese Computer und elektronischen Vorrichtungen können verschiedene flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher einsetzen, die ein nicht-transitorisches, computerlesbares Medium mit einem darauf gespeicherten ausführbaren Programm umfassen, das diversen Code oder ausführbare Anweisungen umfasst, die vom Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Typen von Speicher und anderen computerlesbaren Medien umfassen können.
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Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für einen Fachmann ist aus dieser Erörterung und den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht zu erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
