DE102016201057A1 - LIDAR DEVICE, VEHICLE AND METHOD FOR DETECTING AN OBJECT - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lidarvorrichtung (100) zum Erfassen eines Objekts, mit einer um eine Drehachse (14) herum drehbaren optischen Einrichtung (6), welche eine Vielzahl von ersten optischen Elementen (12) und eine Vielzahl von zweiten optischen Elementen (11) aufweist; einer Sendeeinrichtung (10) zum Aussenden von Laserlichtstrahlen; und einer Empfangsreinrichtung (9) zum Empfangen von reflektierten Laserlichtstrahlen; wobei die optische Einrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass bei Drehung der optischen Einrichtung (6) um die Drehachse (14) Laserlichtstrahlen mittels der Sendeeinrichtung (10) durch jeweils ein optisches Element (12) der Vielzahl von ersten optischen Elementen (12) hindurch ausgesendet werden, und die an dem Objekt reflektierten Laserlichtstrahlen nach dem Durchgang durch ein optisches Element (11) der Vielzahl von zweiten optischen Elementen (11) von der Empfangseinrichtung (9) empfangen werden. The invention relates to a lidar device (100) for detecting an object, having an optical device (6) which can be rotated around a rotation axis (14) and which has a plurality of first optical elements (12) and a multiplicity of second optical elements (11) ; a transmitting device (10) for emitting laser light beams; and a receiving device (9) for receiving reflected laser light beams; wherein the optical device (6) is designed such that upon rotation of the optical device (6) about the axis of rotation (14) laser light beams by means of the transmitting device (10) by a respective optical element (12) of the plurality of first optical elements (12) are transmitted, and the laser light beams reflected on the object are received by the receiving means (9) after passing through an optical element (11) of the plurality of second optical elements (11).
Description
Die Erfindung betrifft eine Lidar-Vorrichtung zum Erfassen eines Objekts, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts. The invention relates to a lidar device for detecting an object, a vehicle and a method for detecting an object.
Lidar(Light detection and ranging)-Systeme weisen Laserdioden auf, welche Laserimpulse aussenden. Die an Objekten reflektierten Laserimpulse werden von Empfängern des Lidar-Systems erfasst und die erfassten Daten ausgewertet. Lidar-Systeme können dadurch beispielsweise zur Entfernungsmessung, zur Geschwindigkeitskontrolle oder zur Hinderniserkennung eingesetzt werden. Lidar (light detection and ranging) systems have laser diodes that emit laser pulses. The laser pulses reflected on objects are detected by receivers of the Lidar system and the recorded data is evaluated. Lidar systems can be used, for example, for distance measurement, speed control or obstacle detection.
Insbesondere bei Fahrerassistenzsystemen werden Lidar-Systeme zur Erfassung von weiteren Fahrzeugen oder von Fahrbahnbegrenzungen eingesetzt und können somit ein halbautonomes oder autonomes Fahren ermöglichen. Particularly in driver assistance systems, lidar systems are used to detect other vehicles or road boundaries and can thus enable semi-autonomous or autonomous driving.
Der ausgesendete Laserstrahl muss hierbei entsprechend abgelenkt werden, um einen gewünschten Umfeldbereich um das Fahrzeug herum abrastern zu können. Zum Abrastern können beispielsweise Spiegel oder Prismen verwendet werden, welche gedreht werden oder in entsprechenden Richtungen abgelenkt werden. The emitted laser beam has to be deflected accordingly in order to be able to scan a desired surrounding area around the vehicle. For scanning, for example, mirrors or prisms can be used, which are rotated or deflected in corresponding directions.
Aus der
Oftmals ist es jedoch erwünscht, das Laserlicht für verschiedene Erfassungsbereiche unterschiedlich abzulenken bzw. optisch zu brechen. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, einen zentral vor einem Fahrzeug gelegenen Umfeldbereich innerhalb eines großen Abstandsbereichs mit Laserstrahlen mit kleinen Öffnungswinkeln abzurastern, während seitliche Bereiche des Fahrzeugs in einem kleineren Abstandsbereich mit einem entsprechend größeren Öffnungswinkel abgerastert werden sollen. Often, however, it is desirable to divert the laser light differently for different detection areas or to optically break. For example, it may be advantageous to scan a surrounding region located centrally in front of a vehicle within a large distance range with laser beams with small opening angles, while lateral areas of the vehicle are to be scanned in a smaller distance range with a correspondingly larger opening angle.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaueres und besser einstellbares Erfassen von Objekten zu ermöglichen. It is therefore an object of the present invention to enable a more accurate and more adjustable detection of objects.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lidar-Vorrichtung zum Erfassen eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. This object is achieved by a lidar device for detecting an object with the features of claim 1, a vehicle having the features of
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Lidarvorrichtung zum Erfassen eines Objekts, mit einer um eine Drehachse herum drehbaren optischen Einrichtung, welche eine Vielzahl von ersten optischen Elementen und eine Vielzahl von zweiten optischen Elementen aufweist. Die Lidarvorrichtung umfasst weiter eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laserlichtstrahlen, und eine Empfangsreinrichtung zum Empfangen von reflektierten Laserlichtstrahlen, wobei die optische Einrichtung derart ausgebildet ist, dass bei Drehung der optischen Einrichtung um die Drehachse Laserlichtstrahlen mittels der Sendeeinrichtung durch jeweils ein optisches Element der Vielzahl von ersten optischen Elementen hindurch ausgesendet werden kann, und der an dem Objekt reflektierte Laserlichtstrahl nach dem Durchgang durch ein optisches Element der Vielzahl von zweiten optischen Elementen von der Empfangseinrichtung empfangen werden kann. Accordingly, the present invention provides a lidar apparatus for detecting an object having an optical device rotatable about an axis of rotation and having a plurality of first optical elements and a plurality of second optical elements. The lidar device further comprises a transmitting device for emitting laser light beams, and a receiving device for receiving reflected laser light beams, wherein the optical device is designed such that upon rotation of the optical device about the axis of rotation laser light beams by means of the transmitting device by one optical element of the plurality of first can be transmitted through optical elements, and the laser light beam reflected on the object can be received by the receiving device after passing through an optical element of the plurality of second optical elements.
Die Erfindung schafft demnach weiter ein Fahrzeug mit einer Lidarvorrichtung. The invention accordingly further provides a vehicle with a lidar device.
Schließlich schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts. Hierbei werden Laserlichtstrahlen mittels einer Sendeeinrichtung durch ein erstes optisches Element einer Vielzahl von ersten optischen Elementen einer um eine Drehachse herum drehbaren optischen Einrichtung ausgesendet. Die an dem Objekt reflektierten Laserlichtstrahlen werden nach dem Durchgang durch ein optisches Element einer Vielzahl von zweiten optischen Elementen der optischen Einrichtung mittels einer Empfangsreinrichtung empfangen. Finally, the invention provides a method for detecting an object. In this case, laser light beams are emitted by means of a transmitting device through a first optical element of a multiplicity of first optical elements of an optical device which is rotatable about an axis of rotation. The laser light beams reflected on the object are received by a receiving means after passing through an optical element of a plurality of second optical elements of the optical device.
Durch Drehung der optischen Einrichtung können Laserlichtstrahlen sukzessive durch die ersten optischen Elemente hindurch ausgesendet werden. Durch geeignete Wahl und Ausrichtung der optischen Elemente kann somit ein beliebiger Erfassungsbereich durch die Lidar-Vorrichtung abgerastert werden. Unter Ausrichtung ist hierbei insbesondere die Orientierung der optischen Elemente mit Bezug auf den Lichtgang des ausgesendeten Laserlichtstrahls umfasst. Insbesondere können verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen optischen Elementen abgerastert werden und somit die Genauigkeit der Lidar-Vorrichtung optimiert werden. Besonders bevorzugte Bereiche können beispielsweise durch eine größere Anzahl von optischen Elementen mit kleinen Öffnungswinkeln abgerastert werden, während Randbereiche, welche mit einer geringeren Genauigkeit überwacht werden sollen, mit einer kleineren Anzahl von optischen Elementen und entsprechend größeren Öffnungswinkeln abgerastert werden können. Bei einer vollständigen Umdrehung der optischen Einrichtung wird hierbei vorzugsweise durch jedes der ersten optischen Elemente genau ein Laserlichtstrahl ausgesendet. By rotating the optical device, laser light beams can be emitted successively through the first optical elements. By suitable choice and alignment of the optical elements, an arbitrary detection area can thus be scanned through the lidar device. In this case, alignment is in particular the orientation of the optical elements with respect to the light path of the emitted laser light beam. In particular, different areas with different optical elements can be scanned and thus the accuracy of the lidar device can be optimized. Particularly preferred areas can be scanned, for example, by a larger number of optical elements with small opening angles, while edge areas which are to be monitored with a lower accuracy can be scanned with a smaller number of optical elements and correspondingly larger opening angles. In the case of a complete revolution of the optical device, precisely one laser light beam is emitted by each of the first optical elements.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung sind die ersten optischen Elemente in einem ersten radialen Abstand von der Drehachse ringförmig um die Drehachse der optischen Einrichtung angeordnet und die zweiten optischen Elemente sind in einem von dem ersten radialen Abstand verschiedenen zweiten radialen Abstand von der Drehachse ringförmig um die Drehachse der optischen Einrichtung angeordnet. According to a development of the lidar device, the first optical elements are annular at a first radial distance from the axis of rotation arranged around the axis of rotation of the optical device and the second optical elements are arranged in a different from the first radial distance second radial distance from the axis of rotation annularly about the axis of rotation of the optical device.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung ist die Sendeeinrichtung in dem ersten radialen Abstand von der Drehachse angeordnet und die Empfangsreinrichtung ist in dem zweiten radialen Abstand von der Drehachse angeordnet. According to a development of the lidar device, the transmitting device is arranged at the first radial distance from the axis of rotation and the receiving device is arranged at the second radial distance from the axis of rotation.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Lidarvorrichtung einen Antriebsmotor, welcher derart ausgebildet ist, die optische Einrichtung mit einer vorgegebenen Frequenz um die Drehachse herum zu drehen. Die Lidar-Vorrichtung kann somit gleichmäßig ein Gebiet überwachen und Objekte erfassen. According to a development, the lidar device comprises a drive motor, which is designed to rotate the optical device at a predetermined frequency about the axis of rotation. The lidar device can thus uniformly monitor an area and detect objects.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung ist die Sendeeinrichtung derart ausgebildet, die Laserlichtstrahlen im Wesentlichen parallel zur Drehachse auszusenden. According to a development of the lidar device, the transmitting device is designed to emit the laser light beams substantially parallel to the axis of rotation.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung unterscheiden sich die ersten optischen Elemente und/oder zweiten optischen Elemente zumindest teilweise untereinander in ihren Brennweiten und/oder Ausrichtungen relativ zur Drehachse der optischen Einrichtung. Durch geeignete Wahl der Ausrichtung können die Laserlichtstrahlen entsprechend abgelenkt werden. Durch Wahl der Brennweite bzw. der Ausrichtung der optischen Elemente kann die Lidar-Vorrichtung feinjustiert werden, da somit sowohl unterschiedliche Reichweiten als auch unterschiedliche Ablenkungen und Öffnungswinkel des Laserlichtstrahls möglich sind. According to a development of the lidar device, the first optical elements and / or second optical elements differ at least partially from each other in their focal lengths and / or orientations relative to the axis of rotation of the optical device. By appropriate choice of orientation, the laser light beams can be deflected accordingly. By selecting the focal length or the alignment of the optical elements, the lidar device can be finely adjusted, since thus both different ranges and different deflections and aperture angles of the laser light beam are possible.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung entspricht die Anzahl der ersten optischen Elemente der Anzahl der zweiten optischen Elemente. Somit entspricht jedem der ersten optischen Elemente jeweils ein zweites optisches Element. Nach dem Aussenden des Laserlichtstrahls durch das erste optische Element wird der durch das dem ersten optischen Element zugeordnete zweite optische Element hindurch gesendete reflektierte Laserlichtstrahl von der Empfangsreinrichtung empfangen. Durch geeignete Wahl der ersten bzw. zweiten optischen Elemente können diese aufeinander abgestimmt werden. Vorzugsweise können hierbei die Brennweite und/oder die Ausrichtung eines jeden ersten optischen Elements mit der Brennweite bzw. der Ausrichtung des zugehörigen zweiten optischen Elements übereinstimmen. According to a development of the lidar device, the number of first optical elements corresponds to the number of second optical elements. Thus, each of the first optical elements corresponds to a second optical element. After emitting the laser light beam through the first optical element, the reflected laser light beam transmitted through the second optical element associated with the first optical element is received by the receiving device. By suitable choice of the first and second optical elements, these can be matched to one another. In this case, the focal length and / or the orientation of each first optical element may preferably coincide with the focal length or the orientation of the associated second optical element.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung sind die Sendeeinrichtung und die Empfangsreinrichtung auf gegenüberliegenden Seiten zur Drehachse angeordnet. Durch diese Anordnung sind Sendeeinrichtung und Empfangsreinrichtung voneinander entfernt, wodurch Übersprecher, das heißt, ungewünschte Störungen zwischen dem ausgesendeten Laserlichtstrahl und dem reflektierten Laserlichtstrahl, reduziert werden. According to a development of the lidar device, the transmitting device and the receiving device are arranged on opposite sides to the axis of rotation. By this arrangement, transmitting means and receiving means are removed from each other, whereby crosstalk, that is, unwanted interference between the emitted laser light beam and the reflected laser light beam can be reduced.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung umfassen die ersten optischen Elemente und/oder zweiten optischen Elemente mindestens eines von: Mikrooptiken, Fresnel-Linsen und diffraktiven Elementen. According to a development of the lidar device, the first optical elements and / or second optical elements comprise at least one of: micro-optics, Fresnel lenses and diffractive elements.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Lidarvorrichtung eine Messeinrichtung, welche derart ausgebildet ist, eine Winkelstellung der optischen Einrichtung zu messen, und eine Steuereinrichtung, welche derart ausgebildet ist, anhand der von der Messeinrichtung gemessenen Winkelstellung der optischen Einrichtung die Sendeeinrichtung derart anzusteuern, dass die Sendeeinrichtung die Laserlichtstrahlen dann aussendet, wenn sich eines der ersten optischen Elemente im Strahlengang des von der Sendeeinrichtung ausgesendeten Laserlichtstrahls befindet. Somit wird bei einer vollständigen Umdrehung die optische Einrichtung durch jedes optische Element genau ein Laserlichtstrahl durchgesendet. Es wird verhindert, dass ein Laserlichtstrahl in Bereiche zwischen zwei optischen Elementen auf der optischen Einrichtung ausgesendet wird. Vielmehr werden durch Messen der Winkelstellung lediglich Laserlichtstrahlen durch die optischen Elemente der Vielzahl von ersten optischen Elementen hindurch ausgesendet. According to a further development, the lidar device comprises a measuring device which is designed to measure an angular position of the optical device, and a control device which is designed to control the transmitting device by means of the angular position of the optical device measured by the measuring device such that the transmitting device controls the Laser light beams then emits when one of the first optical elements in the beam path of the laser light beam emitted by the transmitting device is located. Thus, in one complete revolution, the optical device is transmitted through each optical element exactly one laser light beam. It is prevented that a laser light beam is emitted in areas between two optical elements on the optical device. Rather, by measuring the angular position, only laser light beams are emitted through the optical elements of the plurality of first optical elements.
Gemäß einer Weiterbildung der Lidarvorrichtung ist auf der optischen Einrichtung eine Vielzahl von Schaufeln angeordnet, welche derart ausgebildet sind, die Lidarvorrichtung bei Rotation der optischen Einrichtung durch Luftverwirbelung zu kühlen. Die optische Einrichtung dient hierbei gleichzeitig als Kühlelement und kann somit dazu beitragen, die Temperatur der Lidar-Vorrichtung zu reduzieren. Ein Überhitzen im Betrieb wird verhindert. According to a development of the lidar device, a multiplicity of blades is arranged on the optical device, which are designed to cool the lidar device as a result of air turbulence during rotation of the optical device. The optical device serves as a cooling element at the same time and can thus help to reduce the temperature of the lidar device. Overheating during operation is prevented.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die optische Einrichtung mit einer vorgegebenen Frequenz um die Drehachse herum gedreht. According to a development of the method, the optical device is rotated around the axis of rotation at a predetermined frequency.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Laserlichtstrahlen dann ausgesendet, wenn sich eines der ersten optischen Elemente im Strahlengang des von der Sendeeinrichtung ausgesendeten Laserlichtstrahls befindet. According to a development of the method, the laser light beams are emitted when one of the first optical elements is located in the beam path of the laser light beam emitted by the transmitting device.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings.
Es zeigen: Show it:
Weiter umfasst die Lidar-Vorrichtung einen Motor
Die optische Einrichtung
In dem ersten Bereich
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die ersten optischen Elemente
Die optischen Elemente
Gemäß Ausführungsformen können die optischen Elemente auch Kombinationen von Linsen und/oder Mikrooptiken und/oder Fresnel-Linsen und/oder diffraktiven Elementen umfassen. According to embodiments, the optical elements may also comprise combinations of lenses and / or micro-optics and / or Fresnel lenses and / or diffractive elements.
Vorzugsweise unterscheiden sich die ersten optischen Elemente
Vorzugsweise ist die Anzahl der ersten optischen Elemente
Auf der Leiterplatte
Die Sendeeinrichtung
Vorzugsweise ist somit jedem ersten optischen Element
Der Antriebsmotor
Die Sendeeinrichtung ist derart ausgebildet, bei der Drehung der optischen Einrichtung
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Lidar-Vorrichtung
Der Flansch
In
In
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden die an dem Objekt reflektierten Laserlichtstrahlen nach dem Durchgang durch ein optisches Element
Vorzugsweise wird hierbei die optische Einrichtung
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Laserlichtstrahlen dann ausgesendet, wenn sich eines der ersten optischen Elemente
Anhand der empfangenen Signale kann weiter Information über das erfasste Objekt generiert werden. Derartige Information kann insbesondere einen Abstand, eine Geschwindigkeit oder eine Form des Objekts umfassen.On the basis of the received signals further information about the detected object can be generated. Such information may in particular comprise a distance, a speed or a shape of the object.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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