DE102016219955A1

DE102016219955A1 - Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, System und Verfahren zum Erfassen einer Umgebung mittels eines scanbaren Ausleuchtungsmusters

Info

Publication number: DE102016219955A1
Application number: DE102016219955.2A
Authority: DE
Inventors: Reiner Schnitzer; Tobias HIPP
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-19
Anticipated expiration: 2036-10-14
Also published as: DE102016219955B4

Abstract

Sendeeinheit (100) zum Ausleuchten einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Lasermustererzeugungseinheit (101), einer Ablenkeinheit (102) und einer Steuereinheit (108), dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermustererzeugungseinheit (101) eingerichtet ist ein Ausleuchtungsmuster (105) in einem Sichtfeld (107) zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster (105) eine erste Richtung (109) und eine zweite Richtung (106) aufweist, wobei die erste Richtung (109) und die zweite Richtung (106) orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (105) entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (105) entlang der zweiten Richtung, wobei das Ausleuchtungsmuster (105) insbesondere ein Karomuster ist, und die Steuereinheit (108) eingerichtet ist, die Ablenkeinheit (102) mindestens entlang der zweiten Richtung (106) zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster (105) mindestens entlang der zweiten Richtung (106) bewegt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, ein System und ein Verfahren zum Erfassen einer Umgebung mittels eines scanbaren Ausleuchtungsmusters.
Es sind scannende Lidarsysteme bekannt, die die Umgebung eines Fahrzeugs Pixel für Pixel abtasten und erfassen. Dabei wird das Sichtfeld, das sogenannte field of view, mit einem stark kollimierten Laserstrahl zeitlich abgetastet. Um ein 360° - Umfeldbild erfassen zu können, werden dazu Sende- und Empfangseinheiten benötigt, die um eine gemeinsame Achse rotieren.
Nachteilig ist hierbei, dass die Auflösung des Gesamtsystems begrenzt ist. Mit anderen Worten die Auflösung ist in vertikaler Richtung durch die Anzahl der Sende- und Empfangseinheiten limitiert.
Das Dokument US 2013/0128257 A1 beschreibt eine Kamera, die mittels einer gepulsten Lasersendeeinheit ein Sichtfeld mit Hilfe eines einzigen hochenergetischen Lichtstrahls ausleuchtet. Es handelt sich hierbei um ein Flashlidar.
Nachteilig ist hierbei, dass eine hohe Pulsleistung erforderlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, umfasst eine Lasermustererzeugungseinheit, eine Ablenkeinheit und eine Steuereinheit. Erfindungsgemäß ist die Lasermustererzeugungseinheit dazu eingerichtet, ein Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld zu erzeugen. Das Ausleuchtungsmuster weist eine erste Richtung und eine zweite Richtung auf. Die erste Richtung und die zweite Richtung sind dabei im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass geringe Abweichungen vom rechten Winkel ebenfalls umfasst sind, z. B. Abweichnungen, die durch einen Justagefehler eines Lasers auftreten. Eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung ist dabei größer als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. Das Ausleuchtungsmuster weist insbesondere ein Karomuster auf. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Ablenkeinheit mindestens entlang der zweiten Richtung zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster mindestens entlang der zweiten Richtung bewegt wird. Mit anderen Worten die Lasermustererzeugungseinheit erzeugt ein Ausleuchtungsmuster, das orthogonal zur ersten Richtung gescannt wird. Das bedeutet das Ausleuchtungsmuster wird nicht pixelweise, sondern als Ganzes gescannt. Es handelt sich somit um eine Kombination des Flash- und Scanprinzips.
Der Vorteil ist hierbei, dass die benötigte Pulsleistung gering ist, wodurch die Augensicherheit erhöht wird. Das bedeutet die benötigte Pulsleistung ist geringer verglichen mit einem Flashlidar.
In einer Weiterbildung weist die Ablenkeinheit einen Mikrospiegel auf. Der Mikrospiegel kann dabei als MEMS-Mikrospiegel ausgestaltet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ablenkeinheit ein Optical Phased Array auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass das Ausleuchtungsmuster lediglich eindimensional bzw. entlang einer einzigen Richtung abgelenkt werden muss, um eine komplette Ausleuchtung des Sichtfelds zu erzeugen.
Das System zum Erfassen einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, umfasst eine Lasermustererzeugungseinheit, eine Ablenkeinheit, eine Steuereinheit, eine Empfangsoptik und einen Detektor. Erfindungsgemäß ist die Lasermustererzeugungseinheit dazu eingerichtet, ein Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld zu erzeugen. Das Ausleuchtungsmuster weist eine erste Richtung und eine zweite Richtung auf, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal zueinander angeordnet sind. Eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters entlang der ersten Richtung ist größer als eine Ausdehung des Ausleuchtungsmusters entlang der zweiten Richtung. Bei dem Ausdehnungmuster handelt es sich insbesondere um ein Karomuster, eine Linie oder ein Rechteck. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Ablenkeinheit mindestens entlang der zweiten Richtung zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster entlang der zweiten Richtung bewegt wird. Mit anderen Worten es besteht auch die Möglichkeit, dass das Ausleuchtungsmuster zusätzlich entlang der ersten Richtung bewegt wird. Die Empfangsoptik ist dazu eingerichtet, das Sichtfeld zu erfassen und auf den Detektor abzubilden, wobei der Detektor ein Detektorarray umfasst. Das bedeutet der Detektor weist eine Vielzahl von Dioden bzw. Empfangspixeln auf. Die Steuereinheit steuert bzw. kontrolliert sowohl die Ablenkeinheit als auch den Detektor, um eine jeweilige Entfernungsmessung der korrekten Position im Sichtfeld zuordnen zu können.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Auflösung des Gesamtsystems entlang der ersten Richtung von der Anzahl der Pixel und deren Größe im Detektorarray, sowie der Brennweite der Empfangsoptik abhängig ist. Die Auflösung des Gesamtsystems entlang der zweiten Richtung ist abhängig von der Winkelauflösung bzw. der Anzahl der Messungen der Ablenkeinheit. Mit anderen Worten die Auflösung entlang der ersten Richtung ist abhängig von der Empfangsseite des Systems und die Auflösung entlang der zweiten Richtung ist abhängig von der Sendeseite des Systems.
In einer Weiterbildung umfasst die Ablenkeinheit einen Mikrospiegel, insbesondere einen MEMS-Mikrospiegel.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Ablenkeinheit ein Optical Phased Array.
In einer Weiterbildung ist das Diodenarray ein Spaltenarray.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Detektorgröße klein ist und eine der Dimensionen bzw. Richtungen des Sichtfelds unabhängig von der Detektorgröße und der Empfangsoptik ist.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Diodenarray SPAD-Dioden auf.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der Detektor eine hohe Sensitivität aufweist. Des Weiteren ist die hohe zeitliche Auflösung der Photonendetektion, die einfache digitale Signalauswertung und die Integration in CMOS-Technologien vorteilhaft.
In einer Weiterbildung ist das Diodenarray als Silicon Photon Multiplier ausgestaltet.
Der Vorteil ist hierbei, dass eine hohe Sensitivität der einzelnen Fotodioden und eine erhöhte Störfestigkeit gegenüber Hintergrundlicht vorliegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, umfasst das Erzeugen eines Ausleuchtungsmusters in einem Sichtfeld, das Bewegen einer Ablenkeinheit mit Hilfe einer Steuereinheit, sodass das Ausleuchtungsmuster entlang einer zweiten Richtung bewegt wird. Die zweite Richtung verläuft bzw. erstreckt sich im Wesentlichen orthogonal zur ersten Richtung. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Empfangen des Sichtfelds mittels einer Empfangsoptik und das Abbilden des Sichfelds auf einen Detektor, wobei der Detektor ein Diodenarray umfasst.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Sendeeinheit zum Ausleuchten einer Umgebung,
2 ein erfindungsgemäßes System zum Erfassen einer Umgebung,
3 ein weiteres erfindungsgemäßes System zum Erfassen der Umgebung und
4 ein Verfahren zum Erfassen einer Umgebung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Sendeeinheit 100 zum Ausleuchten einer Umgebung. Die Sendeeinheit 100 weist eine Lasermustererzeugungseinheit 101, eine Ablenkeinheit 102 und eine Steuereinheit 108 auf. Die Lasermustererzeugungseinheit 101 weist dabei mindestens einen Laser auf und erzeugt ein Ausleuchtungsmuster 105 in einem Sichtfeld 107. Das Ausleuchtungsmuster 105 erstreckt sich entlang einer ersten Richtung 109 und einer zweiten Richtung 106, wobei eine Ausdehnung entlang der zweiten Richtung kleiner ist als eine Ausdehnung entlang der ersten Richtung. Die erste Richtung 109 verläuft beispielsweise parallel zur Mittelachse der Sendeeinheit 100 in einem bestimmten horizontalen Abstand. Das Sichtfeld 107 ist dabei der Bereich der Umgebung, den die Sendeeinheit 100 ausleuchten kann. Das Sichtfeld 107 erstreckt sich vorzugsweise in einem Abstand von 1 m - 180 m zur Sendeeinheit 100 bzw. Ablenkeinheit 102. Die Steuereinheit 108 steuert die Ablenkeinheit 102 derart an, dass das Ausleuchtungsmuster 105 entlang der zweiten Richtung 106 bewegt wird. Die zweite Richtung 106 verläuft dabei orthogonal zur ersten Richtung 109, d. h. horizontal. Die Bewegung des Ausleuchtungsmusters 105 kann beispielsweise schrittweise erfolgen oder als kontinuierliche Scanbewegung durchgeführt werden. 1 zeigt beispielhaft einen Makrospiegel als Ablenkeinheit 102, es ist jedoch ebenfalls ein Mikrospiegel als Ablenkeinheit realisierbar.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes System 200 zum Erfassen einer Umgebung. 2 weist eine Lasermustererzeugungseinheit 201, eine Ablenkeinheit 202 und eine Steuereinheit 208 auf. Die Lasermustererzeugungseinheit 201 weist dabei mindestens einen Laser auf und erzeugt ein Ausleuchtungsmuster 205 in einem Sichtfeld 207. Das Sichtfeld 207 ist dabei der Bereich der Umgebung, den das System 200 erfassen kann. Zusätzlich dazu umfasst das System 200 einen Strahlteiler 210, eine Empfangsoptik 203 und einen Detektor 204. Der Detektor 204 umfasst dabei ein Detektorarray, das eine Vielzahl an Dioden bzw. Pixeln aufweist. Es handelt sich hierbei um ein koaxiales System, d. h. das optische System weist eine gemeinsame Achse auf, sodass Sendesignal und Empfangssignal zeitlich versetzt das gleiche optische System verwenden.
3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes System 300 zum Erfassen der Umgebung. Das System 300 umfasst eine Lasererzeugungseinheit 301, eine Ablenkeinheit 302 und eine Steuereinheit 308, die eine Sendeeinheit bilden. Hierbei dient das gemeinsame rotierende Trägerelement als Ablenkeinheit. Das System 300 umfasst eine Empfangsoptik 303 und einen Detektor 304, die eine Empfangseinheit bilden. Somit handelt es sich hierbei um ein biaxiales System. Die Empfangsoptik 303 umfasst mindestens eine Linse und mindestens ein spektrales Filter. Die Empfangsoptik 303 ist derart ausgestaltet, dass das Sichtfeld mit hoher Qualität in mindestens einer Liniendimension abgebildet wird.
Die Sende- und Empfangseinheit sind auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet, sodass Sende- und Empfangseinheit ortsfest zueinander angeordnet sind und gleichzeitig bewegt werden. Mit anderen Worten es handelt sich um einen Makroscanner. Somit ist für den Detektor 304 lediglich ein Spaltenarray notwendig, bei dem die Ausdehnung entlang der ersten Richtung deutlich kleiner als in der zweiten Richtung ist. Das bedeutet das Detektorarray umfasst m x n - Pixel, wobei m, n eine beliebige Anzahl natürlicher Zahlen ausgenommen der Zahl null darstellt und m « n, insbesondere m=1.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Detektorarray Single Photon Avalanche Dioden, sogenannte SPAD-Dioden. Dabei handelt es sich um Avalanche Photodioden, die im Geigermode betrieben werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Detektorarray als Silicon Photon Multiplier ausgestaltet. Das bedeutet, mehrere SPAD-Dioden eines Pixels sind miteinander parallel verschaltet.
In den beschriebenen Figuren können die erste Richtung 109, 209 und 309 und die zweite Richtung 106, 206, 306 miteinander vertauscht werden, sodass sich das Ausleuchtungsmuster 105, 205 und 305 entlang der zweiten Richtung erstreckt und entlang der ersten Richtung gescannt wird, d. h. die größere Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters erstreckt sich in horizontaler Richtung und wird in vertikaler Richtung gescannt. Das Ausleuchtungsmuster ist beispielsweise als Laserlinie oder in Form eines Karomusters ausgestaltet.
Die Ablenkeinheit 102, 202 und 302 kann beispielsweise einen Spiegel, einen polygonen Spiegel, einen MEMS-Spiegel, ein Beugungsgitter oder ein Optical Phased Array umfassen.
4 zeigt ein Verfahren 400 zum Erfassen der Umgebung. Das Verfahren startet mit dem Schritt 410, in dem ein Ausleuchtungsmuster in einem Sichtfeld erzeugt wird. In einem folgenden Schritt 420 wird eine Ablenkeinheit mit Hilfe einer Steuereinheit angesteuert bzw. bewegt, sodass das Ausleuchtungsmuster entlang einer zweiten Richtung gescannt bzw. schrittweise bewegt wird, wobei die zweite Richtung orthogonal zu einer ersten Richtung verläuft. In einem folgenden Schritt 430 wird das Sichtfeld mit Hilfe einer Empfangsoptik erfasst und in einem folgenden Schritt 440 wird das Sichtfeld auf den Detektor abgebildet.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird das Ausleuchtungsmuster mit Hilfe einer Sendeeinheit erzeugt, wobei die Sendeeinheit und eine Empfangseinheit getrennt voneinander angeordnet sind, d. h. sie weisen keine gemeinsame optische Achse auf. Mit anderen Worten es handelt sich um ein biaxiales Lidarsystem. Daher erfasst die Empfangsoptik in Schritt 430 das gesamte Sichtfeld und bildet das rückgestrahlte Laserlicht auf den Detekor ab.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Laserlinie mit Hilfe der Sendeeinheit erzeugt, wobei die Sendeeinheit und die Empfangseinheit eine gemeinsame optische Achse aufweisen. Es handelt sich somit um ein koaxiales Lidarsystem. Daher muss die Empfangsoptik in Schritt 430 nur einen Teil des Sichtfelds erfassen und bildet das rückgestrahlte Laserlicht auf einem Spaltendetektor ab.
Das Ausleuchtungsmuster ist vor zugsweise als Karomuster ausgestaltet, um eine bessere Trennfähigkeit der Pixel im Detektor zu erreichen. Der Vorteil ist hierbei, dass ein Übersprechen verringert wird.
Die Sendeeinheit 100, das System 200 und das Verfahren 300 können sowohl zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs als auch zur Erfassung einer Umgebung eines Roboters oder Objekts eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0128257 A1 [0004]

Claims

Sendeeinheit (100) zum Ausleuchten einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Lasermustererzeugungseinheit (101), einer Ablenkeinheit (102) und einer Steuereinheit (108), dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermustererzeugungseinheit (101) eingerichtet ist ein Ausleuchtungsmuster (105) in einem Sichtfeld (107) zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster (105) eine erste Richtung (109) und eine zweite Richtung (106) aufweist, wobei die erste Richtung (109) und die zweite Richtung (106) orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (105) entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (105) entlang der zweiten Richtung, wobei das Ausleuchtungsmuster (105) insbesondere ein Karomuster ist, und die Steuereinheit (108) eingerichtet ist, die Ablenkeinheit (102) mindestens entlang der zweiten Richtung (106) zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster (105) mindestens entlang der zweiten Richtung (106) bewegt wird.
Sendeeinheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (102) einen Mikrospiegel aufweist, insbesondere einen MEMS-Mikrospiegel.
Sendeeinheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (102) ein Optical Phased Array aufweist.
System (200) zum Erfassen einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Lasermustererzeugungseinheit (201), einer Ablenkeinheit (202), einer Steuereinheit (208), einer Empfangsoptik (203) und einem Detektor (204), dadurch gekennzeichnet, dass • die Lasermustererzeugungseinheit (201) eingerichtet ist, ein Ausleuchtungsmuster (205) in einem Sichtfeld (207) zu erzeugen, wobei das Ausleuchtungsmuster (205) eine erste Richtung (209) und eine zweite Richtung (206) aufweist, wobei die erste Richtung (209) und die zweite Richtung (206) orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (205) entlang der ersten Richtung größer ist als eine Ausdehnung des Ausleuchtungsmusters (205) entlang der zweiten Richtung, wobei das Ausleuchtungsmuster (205) insbesondere ein Karomuster ist, • die Steuereinheit (208) eingerichtet ist, die Ablenkeinheit (202) mindestens entlang der zweiten Richtung (206) zu bewegen, sodass das Ausleuchtungsmuster (205) mindestens entlang der zweiten Richtung (206) bewegt wird und • die Empfangsoptik (203) eingerichtet ist, das Sichtfeld (207) zu erfassen und auf den Detektor (204) abzubilden, wobei der Detektor (204) ein Diodenarray umfasst.
System (200) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (202) einen Mikrospiegel aufweist, insbesondere einen MEMS-Mikrospiegel.
System (200) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (202) ein Optical Phased Array aufweist.
System (200) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Diodenarray ein Spaltenarray ist.
System (200) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Diodenarray SPAD-Dioden aufweist.
System (200) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Diodenarray als Silicon Photon Multiplier ausgestaltet ist.
Verfahren (400) zum Erfassen einer Umgebung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit den Schritten: • Erzeugen (410) eines Ausleuchtungsmusters in einem Sichtfeld eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 9, • Bewegen (420) einer Ablenkeinheit mit Hilfe einer Steuereinheit, sodass das Ausleuchtungsmuster entlang einer zweiten Richtung bewegt wird, wobei die zweite Richtung orthogonal zu einer ersten Richtung verläuft, • Empfangen (430) des Sichtfelds mittels einer Empfangsoptik und • Abbilden (440) des Sichtfelds auf einen Detektor, wobei der Detektor ein Diodenarray umfasst.