DE102016004334A1 - Sensor device for detecting environmental information and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend eine Sendeeinheit (2) zum Senden von Laserstrahlung in einem zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich (8), mit einer Empfangseinheit (3) zum Empfangen von durch Objekte (20, 31) im Umgebungserfassungswinkelbereich (8) zurückgeworfene Laserstrahlung, sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) zum Auswerten der zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren, um die Lage und den Abstand dieser Objekte (20, 31) relativ zur Empfängereinheit (3) zu ermitteln und zu signalisieren, wobei die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) bewegungsfest angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit (2) einen Laser (4), ein lichtbeugendes optisches Element (5) und ein lichtzerstreuendes optisches Element (6) aufweist, wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich (8) in mehrere Winkelteilbereiche (8a–8e) unterteilt ist, wobei jedem Winkelteilbereich (8a–8e) ein gebeugter Einzelstrahl (7a–7e) zugeordnet ist, und dass die Empfangseinheit (3) ein lichtsammelndes optisches Element (14, 17, 27, 41–43) aufweist, welches die von Objekten (20, 31) in dem Umgebungserfassungswinkelbereich (8) zurückgeworfene Laserstrahlung für jeden Einzelstrahl (7a–7e) in einen eigenen Bildpunkt (16a–16e) auf jeweils einem lichtdetektierenden elektronischen Empfangselement (12a–12e) in einer Empfangsebene (15) der Empfangseinheit (3) fokussiert und/oder ablenkt.The invention relates to a sensor device (1) having a LIDAR transceiver for acquiring environmental information, comprising a transmitting unit (2) for transmitting laser radiation in an ambient detection angle range (8) to be detected, having a receiving unit (3) for receiving objects (20 31) in the ambient detection angle range (8) reflected laser radiation, as well as with a control and evaluation device (10) for evaluating the returned laser radiation according to a transit time or phase shift method to the position and the distance of these objects (20, 31) relative to the receiver unit ( 3) to determine and signal, wherein the transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are arranged immovably. According to the invention, the transmitting unit (2) has a laser (4), a light-diffractive optical element (5) and a light-diffusing optical element (6), wherein the ambient detection angle range (8) is subdivided into a plurality of angular sub-ranges (8a-8e), wherein each angular subarea (8a-8e) is associated with a diffracted single beam (7a-7e), and in that the receiving unit (3) comprises a light-collecting optical element (14, 17, 27, 41-43) corresponding to the objects (20, 31) focused in the ambient detection angle range (8) laser radiation for each individual beam (7a-7e) in a separate pixel (16a-16e) on each of a light-detecting electronic receiving element (12a-12e) in a receiving plane (15) of the receiving unit (3) focused and / or distracts.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend eine Sendeeinheit zum Senden von gepulster oder elektronisch modulierter Laserstrahlung in einem mittels des LIDAR-Sendeempfängers zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich, und eine Empfangseinheit zum Empfangen von zurückgestreuter Laserstrahlung, die durch die gesendete Laserstrahlung entstanden und von Objekten in einem Umgebungserfassungswinkelbereich zurückgeworfen worden ist, sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von diesen Objekten zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren, um die Lage und den Abstand dieser Objekte relativ zu dem LIDAR-Sendeempfänger zu ermitteln und zu signalisieren, und bei der sämtliche Komponenten der Sendeeinheit sowie der Empfangseinheit zum Senden und Empfangen von Laserstrahlung bewegungsfest angeordnet sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoreinrichtung.The invention relates to a sensor device with a LIDAR transceiver for detecting environmental information, comprising a transmitting unit for transmitting pulsed or electronically modulated laser radiation in a detected by the LIDAR transceiver ambient detection angle range, and a receiving unit for receiving backscattered laser radiation transmitted through the transmitted Laser radiation has arisen and has been reflected by objects in an ambient detection angle range, as well as with a control and evaluation device for evaluating the reflected back from these objects laser radiation according to a transit time or phase shift method to determine the position and distance of these objects relative to the LIDAR transceiver and to signal, and in which all the components of the transmitting unit and the receiving unit for transmitting and receiving laser radiation are arranged immovably. Moreover, the invention relates to a method for operating such a sensor device.
Sensoreinrichtungen zur Erfassung von Umgebungsinformationen werden für verschiedene Funktionen ständig weiterentwickelt, beispielsweise zur Erfassung von Umgebungsinformationen im Nah- und Fernbereich von Fahrzeugen sowie Flugzeugen, zur Sammlung von Umweltdaten oder in der Sicherheitstechnik zum Überwachen von Arbeitsbereichen von Maschinen. In Fahrerunterstützungssystemen von Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen und Bussen werden sie als Hilfsmittel zur Fahrerinformation und zur Unfallvermeidung bei der Erkennung von Hindernissen oder gefährdeten Verkehrsteilnehmern im Front-, Heck- oder im Totwinkel-Bereich des Kraftfahrzeugs genutzt.Environmental information sensing devices continue to evolve for various functions, such as sensing environmental information in the near and far range of vehicles and aircraft, collecting environmental data, or in safety engineering to monitor work areas of machinery. In driver assistance systems of passenger cars, commercial vehicles and buses they are used as an aid to driver information and accident prevention in the detection of obstacles or vulnerable road users in the front, rear or blind spot area of the motor vehicle.
Derartige Sensoreinrichtungen können auf optischen Verfahren wie der LIDAR-Technik beruhen, bei der eine Sendeeinheit einen oder mehrere gepulste oder elektronisch modulierte Laserstrahlen im ultravioletten, visuellen oder infraroten Wellenlängenbereich aussendet, und eine Empfangseinheit das von einem Objekt durch Streuung, Reflexion oder Absorptions-Emission zurückgeworfene Licht zeitlich, räumlich und/oder wellenlängenselektiv detektiert. Das von einem Objekt zurückgeworfene Licht wird auf einen lichtempfindlichen Detektor, wie eine einzelne Empfangsdiode oder ein Dioden-Array gelenkt und in einer zugehörigen Elektronik in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal kann nach einem bekannten Lichtpulslaufzeitverfahren (englisch: Time-of-Flight, TOF), bei dem die Pulssignale zeitlich und/oder räumlich aufgelöst oder gemittelt betrachtet werden, der relative Abstand und die Richtung beziehungsweise Lage des detektierten Objekts zum Sender ermittelt werden. Bei einem anderen bekannten Verfahren kann eine Phasenverschiebung zwischen den Laserstrahlen und den reflektierten Strahlen zur Objektentfernungsmessung ausgewertet werden. Bildgebende LIDAR-Verfahren und/oder zusätzliche Kameras ermöglichen zudem eine Formerkennung, um beispielsweise Fußgänger oder Radfahrer im Umfeld eines Fahrzeugs leichter zu erkennen.Such sensor devices may be based on optical methods such as the LIDAR technique in which a transmitter unit emits one or more pulsed or electronically modulated laser beams in the ultraviolet, visual or infrared wavelength range, and a receiver unit that reflects back from an object by scattering, reflection or absorption emission Detected light temporally, spatially and / or wavelength-selectively. The reflected light from an object is directed to a photosensitive detector, such as a single receiving diode or a diode array, and converted into an electrical received signal in associated electronics. From the time interval between the transmission signal and the received signal, the relative distance and the direction or position can be considered according to a known light pulse transit time method (time-of-flight, TOF) in which the pulse signals are temporally and / or spatially resolved or averaged the detected object to the transmitter are determined. In another known method, a phase shift between the laser beams and the reflected beams for object distance measurement can be evaluated. Imaging LIDAR methods and / or additional cameras also enable shape recognition to make it easier to recognize, for example, pedestrians or cyclists in the vicinity of a vehicle.
Bekannte optische Sensoreinrichtungen zur Erfassung von Umgebungsinformationen weisen eine drehbare Einheit auf, in der eine Sendeeinheit oder eine der Sendeeinheit zugehörige Komponente, beispielsweise eine einzelne Laserdiode oder eine Laserzeile, und eine Empfangseinheit oder eine der Empfangseinheit zugehörige Komponente, beispielsweise ein im 45°-Winkel zur Drehachse geneigter Spiegel, koaxial auf einer Rotationsachse angeordnet und durch einen Motor gemeinsam sowie synchron antreibbar sind. Ein derartiger Laserscanner ermöglicht eine Rundumabtastung mit einer hohen Winkelauflösung. Meistens wird jedoch als Sichtfeld (englisch: Field of View, FOV) der Sensoreinrichtung ein auf die jeweilige Anwendung bezogener bestimmter kleinerer Winkelbereich, beispielsweise ein Öffnungswinkel von 180°, festgelegt.Known optical sensor devices for detecting environmental information have a rotatable unit in which a transmitting unit or a transmission unit associated component, such as a single laser diode or a laser line, and a receiving unit or the receiving unit associated component, for example, a 45 ° angle to Rotary axis inclined mirror, arranged coaxially on a rotation axis and by a motor together and synchronously driven. Such a laser scanner allows a Rundumabtastung with a high angular resolution. In most cases, however, the field of view (FOV) of the sensor device is a specific smaller angular range, for example an opening angle of 180 °, which is related to the respective application.
Eine drehbare Scanner-Einheit wird meistens bei relativ hohen Drehzahlen betrieben und unterliegt einem entsprechenden mechanischen Verschleiß, was zu einer begrenzten maximalen Gebrauchsdauer führt. Ein Motorantrieb benötigt einen relativ großen Bauraum in einem Sensorgehäuse, verbraucht elektrische Energie und ist zudem vergleichsweise teuer. Diese Nachteile können durch LIDAR-Sensoren vermieden werden, welche ohne bewegliche Komponenten auskommen.A rotatable scanner unit is usually operated at relatively high speeds and is subject to a corresponding mechanical wear, resulting in a limited maximum service life. A motor drive requires a relatively large space in a sensor housing, consumes electrical energy and is also relatively expensive. These disadvantages can be avoided by LIDAR sensors, which manage without moving components.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Sensoreinrichtung ohne bewegte Komponenten zur Erfassung von Umgebungsinformationen vorzustellen, die einen großen horizontalen Öffnungswinkel beziehungsweise Erfassungsbereich abdecken kann und außerdem kompakt aufgebaut sowie im Herstellungsaufwand günstig ist. Diese Sensoreinrichtung soll in einem oder durch ein Fahrerunterstützungssystem eines Fahrzeugs nutzbar sein. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung beschrieben werden.The invention has for its object to present a generic sensor device without moving components for the detection of environmental information that can cover a large horizontal opening angle or detection range and also has a compact design and low production costs. This sensor device should be usable in or by a driver support system of a vehicle. In addition, a method for operating a sensor device according to the invention is to be described.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Laserscanner zur Umgebungserfassung ohne bewegte Elemente gegenüber Laserscannern mit drehbaren Sende- und Empfangseinheiten hinsichtlich Kosten, Baugröße sowie maximaler Gebrauchsdauer und Robustheit von Vorteil sind. Eine solche Sensoreinrichtung kann mit Hilfe von Bildpunkte (Pixel) auflösenden Detektortechniken, wie sie beispielsweise in digitalen Kameras oder anderen Bilderfassungssystemen verwendet werden, in Kombination mit einem optischen Aufbau erreicht werden. Der optische Aufbau soll Idealerweise die Abstrahlung einer einzigen Laserstrahlquelle in einen gewünschten horizontalen Öffnungswinkel verteilen, so dass der Umgebungserfassungswinkelbereich im Gegensatz zu rotierenden abtastenden Scannern in Gänze vollständig ausgeleuchtet werden kann. Dabei soll eine winkelaufgelöste Entfernungsmessung von Objekten in dem ausgeleuchteten, Umgebungserfassungswinkelbereich möglich sein. Ein Aufbau mit diesen Eigenschaften kann sich die Lichtbeugung an einem Mehrfachspalt zunutze machen, um aus einer Laserquelle Einzelstrahlen zu erzeugen, welche in verschiedenen Richtungen abstrahlen. Die Einzelstrahlen können im weiteren Strahlengang des Aufbaus mittels Optiken gezielt in den Umgebungserfassungswinkelbereich abgelenkt werden. Die von Objekten zurückgeworfenen Einzelstrahlen können pixelweise mittels fotoempfindlicher Detektoren, wie einer Sensorzeile, ausgewertet werten.The invention is based on the recognition that laser scanners for environment detection without moving elements are advantageous compared to laser scanners with rotatable transmitting and receiving units in terms of cost, size and maximum service life and robustness. Such a sensor device can be achieved using pixel-resolving detector techniques, such as those used in digital cameras or other imaging systems, in combination with an optical design. Ideally, the optical assembly should distribute the radiation of a single laser beam source to a desired horizontal aperture angle so that the ambient coverage angle range, unlike rotating scanning scanners, can be fully illuminated entirely. In this case, an angle-resolved distance measurement of objects in the illuminated, ambient detection angle range should be possible. A design with these properties can exploit light diffraction at a multiple slit to create single beams from a laser source which radiate in different directions. The individual beams can be deflected in the further beam path of the structure by means of optics targeted in the ambient detection angle range. The individual beams reflected by objects can be evaluated pixel by pixel by means of photosensitive detectors, such as a sensor line.
Die Erfindung geht daher aus von einer Sensoreinrichtung mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend eine Sendeeinheit zum Senden von gepulster oder elektronisch modulierter Laserstrahlung in einem mittels des LIDAR-Sendeempfängers zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich, und eine Empfangseinheit zum Empfangen von zurückgestreuter Laserstrahlung, die durch die gesendete Laserstrahlung entstanden und von Objekten in einem Umgebungserfassungswinkelbereich zurückgeworfen worden ist, sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von diesen Objekten zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren, um die Lage und den Abstand dieser Objekte relativ zu dem LIDAR-Sendeempfänger zu ermitteln und zu signalisieren, und bei der sämtliche Komponenten der Sendeeinheit sowie der Empfangseinheit zum Senden und Empfangen von Laserstrahlung bewegungsfest angeordnet sind.The invention is therefore based on a sensor device with a LIDAR transceiver for detecting environmental information, comprising a transmitting unit for transmitting pulsed or electronically modulated laser radiation in an environment detection angle range to be detected by the LIDAR transceiver, and a receiving unit for receiving backscattered laser radiation originated by the transmitted laser radiation and has been reflected by objects in an ambient detection angle range, and with a control and evaluation device for evaluating the laser radiation reflected by these objects according to a transit time or phase shift method in order to determine the position and the distance of these objects relative to the LIDAR Transmitter to identify and signal, and in which all components of the transmitting unit and the Receiving unit for transmitting and receiving laser radiation are arranged immovably.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung bei dieser Sensoreinrichtung vor, dass die Sendeeinheit in Abstrahlrichtung hintereinander folgendes umfasst:
- – mindestens einen Laser, der mindestens einen gepulsten oder elektronisch modulierten Laserstrahl aussenden kann,
- – mindestens ein lichtbeugendes optisches Element, an dem der mindestens eine Laserstrahl in verschiedene Richtungen gebeugt werden kann, sowie
- – mindestens ein lichtzerstreuendes optisches Element, welches die gebeugte Laserstrahlung so zerstreuen kann, dass der vorgegebene Umgebungserfassungswinkelbereich zeitgleich vollständig oder in Winkelschritten zeitlich nacheinander erfassbar ist, wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich in mehrere Winkelteilbereiche unterteilt ist, und bei der jedem Winkelteilbereich ein gebeugter Einzelstrahl zugeordnet ist, welcher diesen Winkelteilbereich erfasst, und dass die Empfangseinheit in Empfangsrichtung hintereinander folgendes umfasst:
- – mindestens ein lichtsammelndes und/oder lichtablenkendes optisches Element, welches die von Objekten in dem Umgebungserfassungswinkelbereich zurückgeworfenen Einzelstrahlen so sammelt und/oder ablenkt, dass jeder zurückgeworfene Einzelstrahl in einen gesonderten Bildpunkt auf einer Empfangsebene der Empfangseinheit fokussiert und/oder ablenkt ist,
- – mindestens ein lichtdetektierendes elektronisches Empfangselement je Bildpunkt, welches in der Empfangsebene angeordnet ist und mittels dem die in dem Bildpunkt erfasste Laserstrahlung in ein elektrisches Objektentfernungsmesssignal umformbar ist, und mittels dem dieses Objektentfernungsmesssignal an die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung signalisierbar ist,
- – wobei die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung elektronische Mittel aufweist, mittels denen aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen die Lage und den Abstand von in dem Umgebungserfassungswinkelbereich detektierten Objekten relativ zur Empfängereinheit ermittelbar sowie als Umgebungsinformation zur Verfügung stellbar sind.
- At least one laser capable of emitting at least one pulsed or electronically modulated laser beam,
- - At least one light-diffractive optical element on which the at least one laser beam can be diffracted in different directions, and
- At least one light-diffusing optical element which can diffuse the diffracted laser radiation such that the predetermined ambient detection angle range can be detected simultaneously in time or in angular increments, wherein the ambient detection angle range is subdivided into a plurality of angular subranges, and wherein each diffracted portion is associated with a diffracted single beam detects this angle subarea, and that the receiving unit in the receive direction successively comprises:
- At least one light-collecting and / or light-deflecting optical element which collects and / or deflects the individual beams reflected by objects in the ambient detection angle range such that each reflected individual beam is focused and / or deflected into a separate pixel on a receiving plane of the receiving unit,
- At least one light-detecting electronic receiving element per pixel, which is arranged in the receiving plane and by means of which the laser radiation detected in the pixel is convertible into an electrical object distance measuring signal, and by means of which this object distance measuring signal can be signaled to the control and evaluation device,
- Wherein the control and evaluation device comprises electronic means by means of which the position and the distance of objects detected in the ambient detection angle range relative to the receiver unit can be determined from the detected object distance measuring signals and also provided as environmental information.
Diese Sensoreinrichtung weist demnach eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf, welche ohne bewegte Elemente ausgebildet sind, und die einen relativ großen Öffnungswinkel der Umgebung mit einer hohen Winkelauflösung erfassen kann. Die Sensoreinrichtung benötigt dafür relativ wenige einzelne Bauteile und ist dadurch besonderes kompakt, kostengünstig und langlebig ausgebildet.This sensor device accordingly has a transmitting unit and a receiving unit, which are formed without moving elements, and which can detect a relatively large opening angle of the surroundings with a high angular resolution. The sensor device requires relatively few individual components and is therefore designed to be particularly compact, inexpensive and durable.
Gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Sensoreinrichtung kann die Sendeeinheit genau eine Laserdiode sowie genau ein lichtbeugendes optisches Element aufweisen, wobei das lichtbeugende optische Element der einen Laserdiode im Strahlengang nachgeordnet ist. Demnach kann die Sendeeinheit aus nur einer Sendediode und einem optischen Beugungselement bestehen, um den Laserstrahl der Sendediode in viele Einzelstrahlen aufzuspalten.According to a first embodiment of this sensor device, the transmitting unit can have exactly one laser diode and exactly one light-diffractive optical element, wherein the light-diffractive optical element is arranged downstream of a laser diode in the beam path. Accordingly, the transmitting unit can consist of only one transmitting diode and one optical diffraction element in order to split the laser beam of the transmitting diode into many individual beams.
Eine dazu alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Sendeeinheit mehrere Laser aufweist, die zu einem Laser-Array, also hinsichtlich ihrer Austrittsöffnungen in einer Fläche angeordnet sind. Ein solches Laser-Array kann vorteilhaft sein, wenn eine besonders hohe Strahldichte über den gesamten Umgebungserfassungswinkelbereich gefordert wird. Andererseits können mehrere besonders kostengünstige Laser mit vergleichsweise niedriger Leistung in einem Array verwendet werden, wenn ausreichend Bauraum in einem Sensorgehäuse zur Verfügung steht.An alternative embodiment provides that the transmitting unit has a plurality of lasers, which are arranged to form a laser array, that is, with regard to their outlet openings in a surface. Such a laser array can be advantageous if a particularly high beam density is required over the entire range of the coverage of the surroundings. On the other hand, several particularly low-cost lasers with comparatively low power can be used in an array if sufficient space is available in a sensor housing.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine lichtbeugende optische Element der Sendeeinheit ein optisches Transmissionsgitter ist, welches als ein Mehrfachspalt wirksam ist. Fällt monochromatisches, kohärentes Licht auf einen Mehrfachspalt, so entstehen durch Beugung in m verschiedenen Richtungen scharfe Hauptmaxima gemäß der Formel
Das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit kann eine konkav-konvexe Zerstreuungslinse sein. Durch eine solche Zerstreuungslinse können die Einzelstrahlen in den Umgebungserfassungswinkelbereich der Sensoreinrichtung einfach verteilt werden.The at least one light-diffusing optical element of the transmitting unit may be a concave-convex diverging lens. By means of such a diverging lens, the individual beams can be easily distributed in the ambient detection angle range of the sensor device.
Bei einer dazu alternativen Ausführungsform kann das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit eine Fresnel-Linse sein. Fresnel-Linsen, wie sie beispielsweise aus Fahrzeugscheinwerfern bekannt sind, weisen eine ringförmige Stufenstruktur auf. Dadurch verringern sich Dicke, Volumen und Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Linsen. Hierdurch lässt sich die Baugröße der Sensoreinrichtung weiter verringern. Die schlechtere Abbildungsqualität der Fresnel-Linsen ist für die Entfernungsmessung der Sensoreinrichtung nachrangig.In an alternative embodiment, the at least one light-diffusing optical element of the transmitting unit may be a Fresnel lens. Fresnel lenses, as they are known for example from vehicle headlights, have an annular step structure. This will reduce Thickness, volume and weight compared to conventional lenses. As a result, the size of the sensor device can be further reduced. The poorer imaging quality of the Fresnel lenses is subordinate to the distance measurement of the sensor device.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit als ein Sende-Prismen-Array ausgebildet ist, welches beispielsweise eine halbkreisförmige Anordnung von Einzelprismen bildet. Bei einem solchen Sende-Prismen-Array ist jedem gebeugten Einzelstrahl ein Sende-Prisma zugeordnet, welches diesen Strahl gezielt in eine Richtung ablenkt. Dadurch kann die Sendeeinheit der Sensoreinrichtung leicht an jeden gewünschten Öffnungswinkel zur Umgebungserfassung angepasst werden.According to another embodiment of the invention it can be provided that the at least one light-diffusing optical element of the transmitting unit is formed as a transmitting prism array, which forms, for example, a semicircular arrangement of individual prisms. In such a transmission prism array each diffracted single beam is associated with a transmission prism, which deflects this beam targeted in one direction. As a result, the transmitting unit of the sensor device can be easily adapted to any desired opening angle for environmental detection.
Die Empfangseinheit ist dazu ausgebildet, um jeden von Objekten in der Umgebung zurückgeworfenen Einzelstrahl mittels jeweils eines zugeordneten Empfangselements zu detektieren. Mittels eines lichtsammelnden und/oder lichtablenkenden optischen Elements können die Einzelstrahlen gezielt und winkelaufgelöst auf eine Empfangsebene, in der die Empfangselemente angeordnet sind, gelenkt werden. Dieses lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eine einfache bikonvexe Sammellinse sein. Alternativ dazu kann eine bikonkave Linse vorgesehen sein.The receiving unit is designed to detect each individual beam reflected by objects in the environment by means of an associated receiving element. By means of a light-collecting and / or light-deflecting optical element, the individual beams can be directed targeted and angularly resolved to a receiving plane in which the receiving elements are arranged. This light-collecting and / or light-deflecting optical element may be a simple biconvex converging lens according to another embodiment. Alternatively, a biconcave lens may be provided.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element der Empfangseinheit als ein Empfangs-Prismen-Array ausgebildet ist. Demnach können der Sender und/oder der Empfänger jeweils mit Prismen-Arrays ausgebildet sein, um mittels Einzelstrahlen einen gewünschten Öffnungswinkel der Sensoreinrichtung zu erfassen. Da die Maße der Anordnung bei dem jeweiligen Prismen-Array nicht durch eine Linsenbrennweite bestimmt sind, kann die Bauform der Sensoreinrichtung variabler an bauliche Vorgaben angepasst sein.According to another embodiment of the invention it can be provided that the at least one light-collecting and / or light-deflecting optical element of the receiving unit is designed as a receive prism array. Accordingly, the transmitter and / or the receiver can each be formed with prism arrays in order to detect a desired opening angle of the sensor device by means of individual beams. Since the dimensions of the arrangement in the respective prism array are not determined by a lens focal length, the design of the sensor device can be adapted to variable structural requirements.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Empfangselemente der Empfangseinheit einen zeilenförmigen oder flächenförmigen Sensor bilden, aus dem mit Hilfe einer nach dem Lichtpulslaufzeitverfahren arbeitenden Photomisch-Kamera (PDM) oder Laufzeit-Kamera (TOF) ein Entfernungssignal zwischen dem Sensor und einem Objekt bildpunktweise direkt auslesbar ist.According to another embodiment of the invention can be provided that the receiving elements of the receiving unit form a line-shaped or planar sensor from which using a working according to the light pulse transit time photomixing camera (PDM) or runtime camera (TOF), a distance signal between the sensor and an object can be read out pixel by pixel directly.
Jedem Winkelteilbereich ist ein eigenes Empfangselement der Empfangseinheit zugeordnet. Bei der Empfangseinheit kann es sich demnach um ein Time-of-Flight basiertes Sensorarray, beispielsweise einen Zeilensensor, wie sie aus PMD-Kameras bekannt sind, handeln. Anstelle eines Zeilensensors kann ein flächenförmiger Sensor beziehungsweise eine flächige Sensor-Matrix vorgesehen sein, in der die Anzahl von Matrix-Elementen mit der Anzahl der Einzelstrahlen übereinstimmt. Aus jedem von Objekten zurückgeworfenem Einzelstrahl kann ein Entfernungssignal zu diesen Objekten ermittelt werden. Dadurch wird eine winkelaufgelöste Darstellung der Umgebung ermöglicht.Each angular section is assigned its own receiving element of the receiving unit. The receiving unit can therefore be a time-of-flight-based sensor array, for example a line sensor, as known from PMD cameras. Instead of a line sensor, a planar sensor or a planar sensor matrix may be provided, in which the number of matrix elements coincides with the number of individual beams. From each individual beam reflected by objects, a distance signal to these objects can be determined. This allows an angle-resolved representation of the environment.
Weiter kann bei einem flächenförmigen Sensor mit mehreren Sensorzeilen vorgesehen sein, dass die elektronischen Empfangselemente der jeweiligen Sensorzeile parallel oder geneigt zu einer Fahrbahn für das Fahrzeug oder zu einer gedachten planen Bodenfläche des Fahrzeugs ausgerichtet sind, derart, dass ein fahrbahnparalleler erster Umgebungserfassungswinkelbereich, und/oder ein schräg von der Fahrbahn weg gerichteter zweiter Umgebungserfassungswinkelbereich und/oder ein schräg zu der Fahrbahn hin gerichteter dritter Umgebungserfassungswinkelbereich erfasst wird.Furthermore, in the case of a planar sensor having a plurality of sensor lines, it may be provided that the electronic receiving elements of the respective sensor line are aligned parallel or inclined to a roadway for the vehicle or to an imaginary plane floor surface of the vehicle, such that a road-first parallel detection field region, and / or a second environment detection angle range directed obliquely away from the roadway and / or a third ambient detection angle range directed obliquely towards the roadway are detected.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung in einem Fahrerunterstützungssystem eines Nutzfahrzeugs oder Personenkraftwagens eingebaut oder mit dieser über wenigstens eine Steuerungsleitung und wenigstens eine Datenleitung verbunden ist.In addition, it can be provided that the sensor device is installed in a driver support system of a commercial vehicle or passenger car or connected to it via at least one control line and at least one data line.
Weiter kann eine solche Sensoreinrichtung zur Erfassung und Überwachung eines Totwinkel-Bereichs des Nutzfahrzeugs oder Personenkraftwagens ausgebildet sein, wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich vorzugsweise 90° bis 270° beträgt, und wobei je Winkelgrad ein Winkelteilbereich durch je einen Einzelstrahl der Laserstrahlung erfassbar ist.Furthermore, such a sensor device can be designed to detect and monitor a blind spot area of the utility vehicle or passenger car, wherein the ambient coverage angle range is preferably 90 ° to 270 °, and wherein each angle degree an angular range can be detected by a single beam of laser radiation.
In einem fortschrittlichen Fahrerunterstützungssystem (ADAS: Advanced Driver Assistance System), wie beispielsweise einer zukünftigen Sensoreinrichtung zur frühzeitigen Erkennung gefährdeter Verkehrsteilnehmer (VRUD: Vulnerable Road User Detection) auf Basis eines LIDAR-Sendeempfängers zur Erfassung eines Winkelbereichs der Umgebung, kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Sensoreinrichtung vorteilhaft eingesetzt werden und dabei positionsgenaue sowie hochaufgelöste Informationen zur zuverlässigen Erkennung von Verkehrsteilnehmern im Totwinkel-Bereich des Fahrzeugs liefern. Aus solchen Informationen kann das Auslösen von Warnsignalen abgeleitet werden sowie gegebenenfalls geeignete Steuerungsmaßnahmen, wie Bremsvorgänge oder Ausweichmanöver, eingeleitet werden, um dadurch zur Erhöhung der Verkehrssicherheit beitragen.In an advanced driver assistance system (ADAS), such as a future sensor device for early detection of vulnerable road users (VRUD: Vulnerable Road User Detection) based on a LIDAR transceiver for detecting an angular range of the environment, an inventively designed sensor device can be advantageous be used and deliver positionally accurate and high-resolution information for the reliable detection of road users in the blind spot area of the vehicle. From such information, the triggering of warning signals can be derived and, where appropriate, appropriate control measures, such as braking or evasive maneuvers, initiated, thereby contributing to increase traffic safety.
Der abzutastende Winkelbereich in einem derartigen Fahrerunterstützungssystem liegt beispielsweise zwischen 90° und 270°, vorzugsweise beträgt er jedoch 180°. Demnach ist es besonders vorteilhaft, den zu erfassenden Winkelbereich in 180 Winkelteilbereiche zu unterteilen und in der Sendeeinheit mittels der Anordnung gemäß der Erfindung
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Sensoreinrichtung. Dieses wird am Ende der Beschreibung dargestellt.The invention also relates to a method for operating the described sensor device. This will be shown at the end of the description.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Nutzfahrzeug oder ein Personenkraftwagen, mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Umgebungsinformationen, welche gemäß zumindest einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut ist.Finally, the invention also relates to a vehicle, such as a commercial vehicle or a passenger car, with a sensor device for detecting environmental information, which is constructed according to at least one of the device claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to several embodiments illustrated in the accompanying drawings. In the drawing shows
Einige Bauelemente der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen stimmen überein, so dass sie mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.Some components of the embodiments described below are identical, so that they are designated by the same reference numerals.
Die in den
Wie
Die Sensoreinrichtung
Wie
Wie die
Wie die
In Empfangsrichtung des Zeilensensors
Das lichtsammelnde optische Element einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Empfangseinheit
Die in
Wie
Der Zeilensensor
In
Erkennbar weist der geneigte zweite Umgebungserfassungswinkelbereich
Die beiden geneigten Umgebungserfassungswinkelbereiche
Zum Betreiben der vorgestellten Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung sind zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchzuführen:
- a) Erzeugen eines gepulsten oder elektronisch modulierten Laserstrahls
7 , - b) Beugen des
Laserstrahls 7 an mindestens einem lichtbeugenden optischenElement 5 zur Erzeugung einer Mehrzahl von Einzel-Laserstrahlen 7a ,7b ,7c ,7d ,7e ;7a' ,7b' ,7c' , - c) Zerstreuen der Einzel-
Laserstrahlen 7a ,7b ,7c ,7d ,7e ;7a' ,7b' ,7c' mittels mindestens einem lichtzerstreuenden optischenElement 6 ,6' ;11a ,11b ,11c derart, dassein vorgegebener Umgebungserfassungswinkelbereich 8 ,8' ,8'' zeitgleich mit den Einzel-Laserstrahlen 7a ,7b ,7c ,7d ,7e ;7a' ,7b' ,7c' vollständig oder in Winkelschritten zeitlich nacheinander erfasst wird, - d) Empfangen von Einzel-
Laserstrahlen 13a ,13b ,13c ,13d ,13e ;13a' ,13b' ,13c' ;44 ,45 ,46 , welchevon Objekten 20 ,31 indem Umgebungserfassungswinkelbereich 8 ,8' ,8'' zurückreflektiert wurden mittels mindestens einem lichtsammelnden und/oder lichtablenkenden optischenElement 14 ,17 ,27 ,41 ,42 ,43 derart, dass für jeden durch einen Einzelstrahl7a ,7b ,7c ,7d ,7e ;7a' ,7b' ,7c' erfassten Winkelteilbereich 8a ,8b ,8c ,8d ,8e die in diesen jeweiligen Winkelteilbereich8a ,8b ,8c ,8d ,8e von Objekten 20 ,31 zurückgeworfene Laserstrahlung in einen gesonderten Bildpunkt16a ,16b ,16c ,16d ,16e ;16a' ,16b' ,16c' auf einerEmpfangsebene 15 der Empfangseinheit 3 fokussiert und/oder ablenkt ist, - e) Erfassen und Umwandeln der empfangenen und fokussierten und/oder abgelenkten Einzel-
Laserstrahlen 13a ,13b ,13c ,13d ,13e ;13a' ,13b' ,13c' ;44 ,45 ,46 mittels mindestens einem lichtdetektierenden elektronischen Empfangselement12a ,12b ,12c ,12d ,12e ;12a' ,12b' ,12c' je Bildpunkt 16a ,16b ,16c ,16d ,16e ;16a' ,16b' ,16c' , welches inder Empfangsebene 15 angeordnet ist, - f) Umformen der in
dem jeweiligen Empfangselement 12a ,12b ,12c ,12d ,12e ;12a' ,12b' ,12c' erfassten Laserstrahlung in ein elektrisches Objektentfernungsmesssignal, - g) Weiterleiten dieses Objektentfernungsmesssignals eine Steuerungs-
und Auswerteeinrichtung 10 , - h) Ermitteln von Lage und Abstand von in
dem Umgebungserfassungswinkelbereich 8 ,8' ,8'' detektierten Objekten20 ,31 relativ zur Empfängereinheit3 durch die Steuerungs-und Auswerteeinrichtung 10 aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen der einzelnen Winkelteilbereiche8a ,8b ,8c ,8d ,8e .
- a) generating a pulsed or electronically modulated
laser beam 7 . - b) bending the
laser beam 7 on at least one light-diffractiveoptical element 5 for generating a plurality ofindividual laser beams 7a .7b .7c .7d .7e ;7a ' .7b ' .7c ' . - c) scattering of the
individual laser beams 7a .7b .7c .7d .7e ;7a ' .7b ' .7c ' by means of at least one light-scatteringoptical element 6 .6 ' ;11a .11b .11c such that a predetermined ambient detection angle range8th .8th' .8th'' at the same time as thesingle laser beams 7a .7b .7c .7d .7e ;7a ' .7b ' .7c ' is detected completely or in angular steps one after the other, - d) receiving
single laser beams 13a .13b .13c .13d .13e ;13a ' .13b ' .13c ' ;44 .45 .46 , which ofobjects 20 .31 in the ambient detection angle range8th .8th' .8th'' were reflected back by means of at least one light-collecting and / or light-deflectingoptical element 14 .17 .27 .41 .42 .43 such that for each by asingle beam 7a .7b .7c .7d .7e ;7a ' .7b ' .7c ' detectedangle portion 8a .8b .8c .8d .8e in this particularangular section 8a .8b .8c .8d .8e ofobjects 20 .31 reflected laser radiation in aseparate pixel 16a .16b .16c .16d .16e ;16a ' .16b ' .16c ' at areception level 15 the receivingunit 3 focused and / or distracted, - e) detecting and converting the received and focused and / or deflected
single laser beams 13a .13b .13c .13d .13e ;13a ' .13b ' .13c ' ;44 .45 .46 by means of at least one light-detectingelectronic receiving element 12a .12b .12c .12d .12e ;12a ' .12b ' .12c ' perpixel 16a .16b .16c .16d .16e ;16a ' .16b ' .16c ' which is in thereception level 15 is arranged - f) forming the in the
respective receiving element 12a .12b .12c .12d .12e ;12a ' .12b ' .12c ' detected laser radiation into an electrical object distance measurement signal, - g) forwarding this object distance measuring signal to a control and
evaluation device 10 . - h) determining position and distance of in the ambient detection angle range
8th .8th' .8th'' detected objects20 .31 relative to thereceiver unit 3 through the control andevaluation device 10 from the acquired Objektentfernungsmesssignalen the individualangular sections 8a .8b .8c .8d .8e ,
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensoreinrichtungsensor device
- 22
- Sendeeinheittransmission unit
- 33
- Empfangseinheitreceiver unit
- 44
- Laser, LaserdiodeLaser, laser diode
- 55
-
Lichtbeugendes optisches Element von Sendeeinheit
2 , TransmissionsgitterLight diffractive optical element of transmitting unit2 , Transmission grating - 66
- Lichtzerstreuendes optisches Element, Konkav-Konvex-LinseLight-diffusing optical element, concave-convex lens
- 6'6 '
- Lichtzerstreuendes optisches Element, Sende-Prismen-ArrayLight-diffusing optical element, transmission prism array
- 77
- Laserstrahl, Laserpuls, LaserlichtLaser beam, laser pulse, laser light
- 7a–7e7a-7e
- Einzelstrahl, Beugungs-HauptmaximumSingle beam, main diffraction maximum
- 7a'–7c'7a'-7c '
- Einzelstrahl, Beugungs-HauptmaximumSingle beam, main diffraction maximum
- 88th
- Erster Umgebungserfassungswinkelbereich, nicht geneigtFirst ambient detection angle range, not inclined
- 8'8th'
- Zweiter Umgebungserfassungswinkelbereich, geneigtSecond ambient detection angle range, inclined
- 8''8th''
- Dritter Umgebungserfassungswinkelbereich, geneigtThird ambient detection angle range, inclined
- 8a–8e8a-8e
- WinkelteilbereichAngle portion
- 99
- Sendeoptiktransmission optics
- 1010
- Steuerungs- und AuswerteeinrichtungControl and evaluation device
- 11a11a
-
Erstes Sende-Prisma des Sende-Prismen-Arrays
6' First transmit prism of the transmit prism array6 ' - 11b11b
-
Zweites Sende-Prisma des Sende-Prismen-Arrays
6' Second transmit prism of the transmit prism array6 ' - 11c11c
-
Drittes Sende-Prisma des Sende-Prismen-Arrays
6' Third transmit prism of the transmit prism array6 ' - 1212
- Zeilensensorline sensor
- 12a–12e12a-12e
- Empfangselement (erste Ausführungsform)Receiving element (first embodiment)
- 12a'–12c'12a'-12c '
- Empfangselement (zweite Ausführungsform)Receiving element (second embodiment)
- 13a–13e13a-13e
- Zurückgeworfener Einzel-Laserstrahl (erste Ausführungsform)Rejected single laser beam (first embodiment)
- 13a–13c'13a-13c '
- Zurückgeworfener Einzel-Laserstrahl (zweite Ausführungsform)Rejected single laser beam (second embodiment)
- 1414
- Lichtsammelndes optisches Element, Bikonkav-LinseLight-collecting optical element, biconcave lens
- 1515
- Empfangsebenereception plane
- 16a–16e16a-16e
- Bildpunkte (erste Ausführungsform)Pixels (first embodiment)
- 16a'–16c'16a'-16c '
- Bildpunkte (zweite Ausführungsform)Pixels (second embodiment)
- 1717
- Lichtsammelndes optisches Element, Bikonvex-LinseLight-collecting optical element, biconvex lens
- 1818
- Lastkraftwagen, NutzfahrzeugTrucks, commercial vehicles
- 1919
- FahrerunterstützungssystemDriver support system
- 2020
- Objekt, PersonenkraftwagenObject, passenger car
- 2121
- Totwinkel-BereichBlind Spot area
- 22 22
- Ungenutzter WinkelbereichUnused angle range
- 2323
- Empfangsoptikreceiving optics
- 2424
- Steuerungsleitungcontrol line
- 2525
- Datenleitungdata line
- 2626
-
Lichtsammelndes optisches Element von Empfangseinheit
3 , Empfangs-Prismen-ArrayLight collecting optical element of receivingunit 3 , Receive prism array - 2727
-
Lichtsammelndes optisches Element von Empfangseinheit
3 , Fresnel-LinseLight collecting optical element of receivingunit 3 , Fresnel lens - 3030
- Erster PersonenkraftwagenFirst passenger car
- 3131
- Zweiter Personenkraftwagen, ObjektSecond passenger car, object
- 3232
- Fahrbahnroadway
- 3333
- Flächenförmiger SensorFlat-shaped sensor
- 33a33a
-
Erste Zeile des flächenförmigen Sensors
33 First line of theplanar sensor 33 - 33b33b
-
Zweite Zeile des flächenförmigen Sensors
33 Second line of theplanar sensor 33 - 33c33c
-
Dritte Zeile des flächenförmigen Sensors
33 Third line of theplanar sensor 33 - 4141
- Erstes Empfangs-PrismaFirst reception prism
- 4242
- Zweites Empfangs-PrismaSecond reception prism
- 4343
- Drittes Empfangs-PrismaThird reception prism
- 4444
-
Zurückgeworfener Einzelstrahl am ersten Empfangs-Prisma
41 Thrown back single beam at the first receivingprism 41 - 4545
-
Zurückgeworfener Einzelstrahl am zweiten Empfangs-Prisma
42 Thrown back single beam at the second receivingprism 42 - 4646
-
Zurückgeworfener Einzelstrahl am dritten Empfangs-Prisma
43 Thrown back single beam at the third receivingprism 43
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Claims (16)
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