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Die Erfindung betrifft einen Lidarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Strahlquelle, die Licht im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarotbereich des Spektrums emittiert, einem Empfänger zum Empfang des an Oberflächen in der Umgebung des Fahrzeugs zurückgeworfenen Lichts der Strahlquelle, und einer elektronischen Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Laufzeiten des emittierten und wieder empfangenen Lichts.
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Stand der Technik
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Solche Lidarsensoren werden insbesondere in Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge zur Ortung von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs eingesetzt. Die Strahlquelle wird zumeist durch eine Laserstrahlquelle gebildet, die einen in der Intensität modulierten Laserstrahl erzeugt, so dass sich anhand eines Zeitversatzes zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen Signal die Laufzeit des Lichts und damit der Abstand zwischen der abgetasteten Oberfläche und dem Lidarsensor bestimmen lässt. Zumeist wird der Laserstrahl mit Hilfe eines Ablenksystems eindimensional oder zweidimensional abgelenkt, so dass der Laserstrahl einen gewissen Winkelbereich oder Raumwinkelbereich vor dem Fahrzeug überstreicht und sich zusammen mit der Abstandsinformation ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild der Umgebung erzeugen lässt.
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Andererseits sind für Kraftfahrzeuge auch Lasersysteme bekannt, die eine Schätzung der Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn ermöglichen. Beispielsweise beschreibt
DE 30 23 444 A1 ein System, bei dem die Strahlquelle Licht bei zwei verschiedenen Wellenlängen emittiert, beispielsweise sichtbares Licht und Infrarotstrahlung, und bei dem anhand des unterschiedlichen spektralen Reflexionsvermögens von beispielsweise einer trockenen Fahrbahnoberfläche, einer nassen Fahrbahnoberfläche oder Schnee oder Eis auf die Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn geschlossen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lidarsensor für Kraftfahrzeuge zu schaffen, der eine weiter erhöhte Fahrsicherheit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Lidarsensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Lichtquelle dazu eingerichtet ist, Licht bei mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen zu emittieren, und dass die Auswerteeinrichtung einen Spektral-Auswertungskanal zur Auswertung von Intensitäten des empfangenen Lichts bei den verschiedenen Wellenlängen aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lidarsensor sind somit die Funktionen der Abstandsmessung und der Messung der Oberflächenbeschaffenheit durch spektrale Analyse des empfangenen Lichts miteinander kombiniert. Dadurch werden Anwendungen ermöglicht, die erheblich zu einer erhöhten Fahrsicherheit beitragen können. Insbesondere ermöglicht die Erfindung nicht nur eine Abschätzung der Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn unmittelbar vor oder unter dem Fahrzeug, sondern auch eine vorausschauende Erkennung von glatten Fahrbahnabschnitten in erheblichem Abstand vor dem eigenen Fahrzeug, wobei die von dem Sensor erhaltene Abstandsinformation es zugleich ermöglicht, die Zeit bis zum Erreichen der Gefahrenstelle zu berechnen, so dass etwaige Gegenmaßnahmen wie z.B. verringern Geschwindigkeit angemessen geplant werden können. Ein Anwendungsbeispiel ist etwa die vorausschauende Erkennung von Fahrbahnvereisungen auf Brücken. Aufgrund des unterschiedlichen spektralen Reflexionsvermögens von Wasseroberflächen bzw. – bei Regen – der von der Wasseroberfläche aufspritzenden Wassertröpfchen einerseits und der Asphaltoberfläche andererseits ist es auch möglich, Wasserpfützen auf der Fahrbahn zu erkennen und ggf. anhand der Laufzeitunterschiede die Tiefe der Pfütze abzuschätzen, so dass beispielsweise ein Warnsystem für Aquaplaning implementiert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Kombination von Strahlquellen und Empfängern, die bei unterschiedlichen Wellenlängen senden bzw. empfangen, eine erhöhte Redundanz und damit eine verbesserte Selbstdiagnose ermöglicht wird, so dass sich beispielsweise Drift-Effekte aufgrund der Alterung der Laserdioden besser erkennen lassen.
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In anderen Anwendungsfällen kann die spektrale Information auch dazu genutzt werden, die von dem Lidarsensor georteten Objekte näher zu klassifizieren, beispielsweise indem zwischen Personen (textile Oberflächen) und Fahrzeugen (Metalloberflächen) unterschieden wird.
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Zugleich wird durch die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen eine größere Robustheit des Lidarsensors gegenüber Lichtstreuung an Schneeflocken, Regen- oder Nebeltröpfchen und Staubpartikeln erreicht. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Streuvermögens von Nebeltröpfchen kann das System beispielsweise auch zur Detektion von Nebelwänden eingesetzt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Wenn der Lidarsensor ein Ablenksystem aufweist, ist es möglich, die Abschätzung der Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn auf der gesamten Fahrbahnbreite oder auf ausgewählten, besonders relevanten Zonen der Fahrbahn auszuführen. Ebenso ist es auch möglich, den Laserstrahl (auch) in Elevation abzulenken, so dass ein und derselbe Lidarsensor beispielsweise abwechselnd zur Ortung von Objekten auf der Fahrbahn und zur Abtastung der Fahrbahnoberfläche eingesetzt werden kann.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Lidarsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine Skizze eines Lidarsensors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
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3 ein Blockdiagramm des Lidarsensors;
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4 eine Prinzipskizze eines Lidarsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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5–7 Skizzen zur Illustration unterschiedlicher Einbau- und Funktionsweisen eines erfindungsgemäßen Lidarsensors in einem Kraftfahrzeug.
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Der in 1 gezeigte Lidarsensor 10 weist eine Strahlquelle 12 auf, die in diesem Beispiel durch drei unabhängig ansteuerbare Laserdioden 14 gebildet wird.
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Jede Laserdiode emittiert Licht bei einer anderen Wellenlänge. Vorzugsweise liegt mindestens eine dieser Wellenlängen im Infrarotbereich des Spektrums.
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Das Licht der drei Laserdioden 14 wird durch ein Prisma 16 und eine Kollimationslinse 18 auf einen oszillierend verschwenkten Ablenkspiegel 20 gelenkt.
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Der Lidarsensor ist so in einem hier nicht gezeigten Kraftfahrzeug eingebaut, dass das am Ablenkspiegel 20 reflektierte Licht schräg auf eine von dem Fahrzeug befahrene Fahrbahnoberfläche 22 trifft. Je nach Wellenlänge wird ein größerer oder kleinerer Teil des auf die Fahrbahnoberfläche treffenden Lichts absorbiert, während ein anderer Teil reflektiert oder diffus zurückgestreut wird, so dass ein Teil der Strahlung wieder auf den Ablenkspiegel 20 fällt und wieder in Richtung auf die Strahlquelle 12 abgelenkt wird.
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Im gezeigten Beispiel ist in dem Strahlengang zwischen dem Ablenkspiegel 20 und der Kollimationslinse 18 ein Strahlteiler 24 in der Form eines halbdurchlässigen Spiegels angeordnet, durch den ein Teil des von der Fahrbahnoberfläche 22 kommenden Lichts über eine Fokussieroptik 26 auf einen Empfänger 28 gelenkt wird.
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Das Licht mindestens einer der Laserdioden 14 ist in der Intensität moduliert, so dass sich anhand des Zeitversatzes zwischen der Intensitätskurve des emittierten Lichts und der vom Empfänger 28 aufgezeichneten Intensitätskurve die Laufzeit des Lichts vom Lidarsensor 10 zur Fahrbahnoberfläche 22 und zurück und damit der Abstand zwischen dem Lidarsensor und dem abgetasteten Bereich der Fahrbahnoberfläche bestimmen lässt.
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Der Ablenkspiegel 20 kann eindimensional verschwenkt werden, wie in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet wird, so dass ein entsprechender Streifen der Fahrbahnoberfläche 22 periodisch abgetastet wird. Durch Korrelation der Signallaufzeiten mit der bekannten aktuellen Winkelstellung des Ablenkspiegels 20 lässt sich dann ein eindimensionales Oberflächenprofil der Fahrbahnoberfläche 22 aufzeichnen. In einer anderen Ausführungsform kann der Ablenkspiegel 20 zusätzlich auch um eine weitere Achse verschwenkt werden, die in 1 in der Ebene der Zeichnung liegt, so dass ein zweidimensionales Gebiet der Fahrbahnoberfläche 22 abgetastet wird.
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Der Empfänger 28 kann beispielsweise drei elektro-optische Elemente, z.B. CCD-Elemente aufweisen, die im Fokus der Fokussieroptik 26 angeordnet sind und jeweils eine maximale Empfindlichkeit für das Licht einer der Laserdioden 14 aufweisen, so dass man zu jedem Zeitpunkt Intensitätswerte für die drei unterschiedlichen Wellenlängen erhält. Durch Vergleich dieser Intensitätswerte lässt sich dann zusätzlich zu der Abstandsinformation auch Information über das spektrale Reflexionsvermögen der Fahrbahnoberfläche 22 gewinnen. Wahlweise kann der Empfänger auch drei breitbandige CCD-Elemente aufweisen, denen, um die unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten zu erreichen, jeweils an anderer optischer Bandpassfilter vorgeschaltet ist.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Empfänger 28 auch ein einziges breitbandiges Empfangselement aufweisen, das für die Strahlung aller drei Laserdioden 14 empfindlich ist. In dem Fall lässt sich die spektrale Information dadurch gewinnen, dass die drei Laserdioden 14 im Zeitmultiplex betrieben werden.
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2 zeigt eine modifizierte Anordnung, bei der im Strahlengang vom Ablenkspiegel 20 zum Empfänger 28 kein Strahlteiler erforderlich ist. Der Winkelversatz zwischen Strahlquelle und Empfänger und die Geschwindigkeit des Ablenkspiegels sind hier so auf die Signallaufzeit abgestimmt, dass das Licht, wenn es den Weg vom Ablenkspiegel zur Fahrbahnoberfläche 22 und wieder zurück zum Ablenkspiegel zurückgelegt hat, aufgrund der veränderten Position des Ablenkspiegels in den Empfänger 28 reflektiert wird.
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In 3 sind die elektronischen Komponenten des Lidarsensors 10 als Blockdiagramm dargestellt. Eine Steuereinheit 30 steuert Treiber S1, S2 und S3 für die drei Laserdioden 14, einen Treiber A für den Ablenkspiegel 20 sowie Treiber E1, E2 und E3 für die drei Empfangselemente des Empfängers 28. Eine Auswerteeinrichtung 32 weist einen Laufzeit-Auswertungskanal 34 und einen Spektral-Auswertungskanal 36 auf. Im gezeigten Beispiel erhält jeder der beiden Auswertungskanäle 34, 36 Zeitsignale T1, T2 und T3 von den Treibern S1–S3 für die Laserdioden, Intensitätssignale I1, I2 und I3 von den Treibern E1–E3, und ein Winkelsignal φ von dem Treiber A für den Ablenkspiegel. Das Winkelsignal φ gibt jeweils die aktuelle Winkelstellung des Ablenkspiegels an. Im Fall einer zweidimensionalen Abtastung würden zwei Winkelsignale übermittelt, je eines für jede Achse des Ablenkspiegels.
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Die Intensitätssignale I1–I3 geben die Intensität der vom Empfänger 28 empfangenen Strahlung bei der jeweiligen Wellenlänge an.
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Als Beispiel soll hier angenommen werden, dass die Laserdioden 14 gepulstes Licht emittieren. Die Zeitsignale T1, T2 und T3 geben dann die Wellenformen der den Laserdioden 14 zugeführten Impulse an und spezifizieren somit insbesondere den Anfangszeitpunkt und den Endzeitpunkt jedes Impulses.
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In dem Laufzeit-Auswertungskanal 34 werden die Zeitdifferenzen zwischen den Zeitsignalen T1–T3 und den zugehörigen Intensitätssignalen I1–I3 gemessen und in Abstandswerte D(φ) umgerechnet, die den Abstand zwischen dem Lidarsensor 10 und der Fahrbahnoberfläche 22 als Funktion des Winkels φ angeben. Im gezeigten Beispiel geschieht dies für jede der drei Wellenlängen, so dass man für jede Winkelstellung des Ablenkspiegels drei Abstandswerte erhält. Wenn man annimmt, dass die Fahrbahnoberfläche 22 bei allen drei Wellenlängen ein gewisses Reflexionsvermögen hat, sollte man folglich drei übereinstimmende Abstandswerte erhalten. Etwaige Unterschiede zwischen den Abstandswerten deuten auf Fehler im Sende- und/oder Empfangssystem hin.
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In einer anderen Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass der Laufzeit-Auswertungskanal 34 nur eines der drei Zeitsignale und das zugehörige Intensitätssignal auswertet. Wenn die drei Laserdioden 14 synchron angesteuert werden, ist es auch möglich, das einheitliche Zeitsignal für alle drei Laserdioden sowie ein Intensitätssignal auszuwerten, dass der Summe der bei den drei Wellenlängen empfangenen Intensitäten I1–I3 entspricht.
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Der Spektral-Auswertungskanal 36 zeichnet die bei den drei verschiedenen Wellenlängen erhaltenen Intensitäten I1, I2 und I3 als Funktion des Winkels φ auf und liefert somit ein spektral aufgelöstes Bild (Falschfarbenbild) B(φ) des abgetasteten Bereichs der Fahrbahnoberfläche 22. Die Zeitsignale T1–T3 sind in dem Spektral-Auswertungskanal 36 nicht zwingend erforderlich. Sie können jedoch dazu dienen, die Interpretation der empfangenen Intensitäten zu erleichtern und insbesondere das von den Laserdioden 14 emittierte Licht von Fremdlicht zu unterscheiden.
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In einer Materialdatenbank 38 sind für eine Auswahl von Materialien, die typischerweise auf Fahrbahnoberflächen anzutreffen sind, beispielsweise Asphalt, Beton, Naturstein, Wasser, Schnee, oder Eis, Triplets von Intensitäten hinterlegt, die bei Bestrahlung des betreffenden Materials mit dem Licht der drei Laserdioden 14 für die drei verschiedenen Wellenlängen zu erwarten wären. In einem Materialbestimmungsmodul 40 wird durch Zugriff auf die Materialdatenbank 38 für jeden Punkt des spektral aufgelösten Bildes B(φ) das entsprechende Material bestimmt, so dass man eine "Karte" der Materialien M(φ) erhält, aus denen der abgetastete Teil der Fahrbahnoberfläche 22 besteht. Wenn das auf diese Weise bestimmte Material der Fahrbahnoberfläche 22 Eis oder Schnee ist, so kann unmittelbar eine Glättewarnung ausgegeben werden.
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Im gezeigten Beispiel sind in einer Musterdatenbank 42 charakteristische Muster hinterlegt, die typische Kombinationen von Materialien M(φ) und Variationen der Abstände D(φ) bzw. die durch diese Variationen repräsentierten Oberflächenrauhigkeiten für eine Auswahl von Oberflächenbeschaffenheiten von Fahrbahnen angeben, und zwar jeweils zusammen mit einem zugehörigen Reibwert µ für die Reibung zwischen Fahrbahnoberfläche und Fahrzeugreifen. Durch Zugriff auf die Musterdatenbank 42 wird in einem Reibwertprognosemodul 44 anhand der gemessenen Abstände D(φ) und der detektierten Materialien M(φ) ein Schätzwert für den zu erwartenden Reibwert µ der Fahrbahn bestimmt. Dieser geschätzte Reibwert µ kann dann in bekannten Fahrerassistenzsystemen, beispielsweise einem Geschwindigkeitsregelsystem, einem Traktionsregelsystem, einem Bremsassistenten, einem ESP-System und dergleichen für die Planung von Eingriffen in die Fahrdynamik genutzt werden. Wahlweise kann der geschätzte Reibwert auch über eine "car-to-car" Schnittstelle an andere, insbesondere nachfolgende Fahrzeuge oder an einen Server eines Navigations- oder Verkehrswarnsystems übermittelt werden, um andere Verkehrsteilnehmer vor der Gefahrenstelle zu warnen.
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Während bei den bisher beschriebenen Beispielen ein gemeinsamer optischer Pfad für die emittierte und die empfangene Strahlung vorgesehen ist, zeigt 4 ein Ausführungsbeispiel mit getrennten Pfaden für die emittierte Strahlung und die empfangene Strahlung. In diesem Fall ist der Empfänger 28 mit der Fokussieroptik 26 direkt auf den abgetasteten Bereich der Fahrbahnoberfläche 22 gerichtet. Bei dem Empfänger 28 kann es sich beispielsweise um eine Infrarot-Farbkamera mit einer CCD-Zeile oder einem CCD-Feld handeln, und die Fokussieroptik 26 ist so angeordnet, dass sie den von den Laserstrahlen abgetasteten Bereich der Fahrbahnoberfläche 22 auf die CCD-Zeile bzw. das CCD-Feld abbildet, so dass man im Empfänger unmittelbar ein "Falschfarbenbild" der Fahrbahnoberfläche erhält. Der gesamte Lidarsensor kann dabei derart in einem Fahrzeug eingebaut sein, dass durch das Verschwenken des Ablenkspiegels 20 eine Strahlablenkung im Azimut erreicht wird, während der gesamte Lidarsensor einschließlich des Ablenkspiegels 20, der Fokussieroptik 26 und des Empfängers 28 in Elevation verschwenkbar ist.
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In 5 ist in einer Seitenansicht der Umriss eines Kraftfahrzeugs 46 gezeigt, bei dem ein oder zwei der Lidarsensoren 10 gemäß 1 oder 3 so im vorderen Teil der Karosserie eingebaut sind, dass die emittierten Laserstrahlen schräg auf die Fahrbahnoberfläche 22 vor dem Fahrzeug gerichtet sind. Durch Verschwenken der Lidarsensoren 10 in Elevation kann der Abstand zwischen dem abgetasteten Bereich der Fahrbahnoberfläche und dem Fahrzeug 46 variiert werden. Wahlweise lassen sich die Lidarsensoren 10 auch so verschwenken, dass die emittierte Strahlung etwa parallel zur Fahrbahnoberfläche 22 abgegeben wird, so dass mit Hilfe der Lidarsensoren vorausfahrende Fahrzeuge oder sonstige Objekte geortet werden können. In dieser Stellung können die Lidarsensoren beispielsweise als Einparkhilfe genutzt werden.
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In 5 ist zugleich der Fall illustriert, dass ein Teil der Fahrbahnoberfläche 22 von einer Wasserpfütze 48 bedeckt ist. Zumindest bei Wellenlängen im sichtbaren des Spektrums wird in diesem Fall der größte Teil des auftreffenden Laserstrahls an der glatten Wasseroberfläche der Pfütze reflektiert werden und gar nicht erst auf die eigentliche Fahrbahnoberfläche 22 gelangen, so dass die Intensität der reflektierten oder gestreuten Strahlung, die wieder in den Empfänger des Lidarsensors gelangt, entsprechend gering ist. Die Materialdatenbank 38 wird in diesem Fall das Ergebnis "Wasser" liefern.
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In einer Ausführungsform, bei der im Laufzeit-Auswertungskanal 34 die Laufzeiten bei zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen gemessen werden, ist es auch möglich, dass bei einer dieser Wellenlängen des Licht detektiert wird, das bei Regen an von der Wasseroberfläche aufspritzenden Wassertröpfchen reflektiert oder gestreut wird. Diese Wassertröpfchen werden dann ein diffuses, über einen gewissen Abstandsbereich verschmiertes Abstandssignal erzeugen, das bei einem bestimmten Maximalabstand (entsprechend der Wasseroberfläche der Pfütze) abrupt abbricht. Bei einem noch etwas größeren Abstand wird man dann (z.B. hauptsächlich bei der anderen Wellenlänge) die Reflexion an der Fahrbahnoberfläche 22 am Grund der Pfütze detektieren. In diesem Fall ist sogar eine Abschätzung der Tiefe der Pfütze möglich.
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In 6 ist das Fahrzeug 46 in der Draufsicht gezeigt. Die beiden Lidarsensoren 10 sind hier so angeordnet, dass sie sich jeweils über der Spur 50 der linken bzw. rechten Fahrzeugräder befinden. Das erlaubt es, gezielt das Vorhandensein von Pfützen in Spurrillen auf der Fahrbahn sowie das Vorhandensein von Eis oder Schnee in den von den Rädern überfahrenen Zonen der Fahrbahn zu detektieren.
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7 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem ein einziger Lidarsensor 10 mittig im Fahrzeug 46 angeordnet ist. Der emittierte Radarstrahl wird hier im Azimut verschwenkt, so dass ein größerer Winkelbereich 52 vor dem Fahrzeug überstrichen werden kann. Auch in diesem Fall ist eine gezielte, besonders intensive Überwachung der von den Fahrzeugrädern überfahrenen Spuren 50 möglich, indem der Laserstrahl beispielsweise oszillierend gemäß einem Muster bewegt wird, das hier durch eine Kurve 54 angegeben ist. Der Laserstrahl wird dabei mehrfach oszillierend über die linke Spur 50 bewegt, schwenkt dann zur rechten Spur, die ebenfalls mehrfach überstrichen wird, und kehrt dann wieder zur linken Spur zurück. Natürlich ist es in einem anderen Betriebsmodus auch möglich, den gesamten Winkelbereich 52 gleichmäßig zu überstreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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