DE102016225797A1

DE102016225797A1 - Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes

Info

Publication number: DE102016225797A1
Application number: DE102016225797.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Sparbert; Annemarie Holleczek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: DE102016225797B4; CN108226897A; US11073614B2; US20180172829A1; CN108226897B

Abstract

Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes innerhalb eines Abtastraumes und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors, wobei der Lidar-Sensor mindestens eine Abtasteinheit umfasst. Die Abtasteinheit weist mindestens ein bewegliches Bauteil, mindestens einen magnetischen Kanal, und mindestens Einführungselement auf. Das bewegliche Bauteile ist innerhalb des magnetischen Kanals angeordnet und entlang des Führungselements bewegbar. Weiterhin ist die Bewegung des beweglichen Bauteils mittels eines Linearantriebs steuerbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lidar-Sensor und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors zur Erfassung eines Objektes innerhalb eines Abtastraums.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensoreinrichtungen bekannt, die es ermöglichen, Objekte innerhalb eines Abtastraumes in der Umgebung, beispielsweise eines Fahrzeuges, zu erfassen. Hierzu gehören zum Beispiel Lidar-Sensoren (LIDAR, Light Detection And Ranging). Von einer Lichtquelle wird Licht ausgesandt. Anschließend wird das an einem Objekt im Abtatsraum reflektierte bzw. gestreute Licht von einer Empfangseinheit empfangen.
Aus der DE4403297 ist eine Vorrichtung zur Ablenkung optischer Strahlen, vorzugsweise zur Ablenkung von Laserstrahlen, mit an einem antreibbaren Rotationskörper angeordneten Spiegelflächen bekannt. Der Rotationskörper besteht aus einkristallinem Material. Die Spiegelflächen werden durch die Kristallebenen gebildet und rotationssymmetrisch angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes innerhalb eines Abtastraumes mit mindestens einer Abtasteinheit. Die Abtasteinheit weist mindestens ein bewegliches Bauteil auf.
Erfindungsgemäß weist die Abtasteinheit weiterhin mindestens einen magnetischen Kanal und mindestens ein Führungselement auf. Das bewegliche Bauteil ist innerhalb des magnetischen Kanals angeordnet und entlang des Führungselements bewegbar. Weiterhin ist die Bewegung des beweglichen Bauteils mittels eines Linearantriebs steuerbar.
Ein Linearantrieb ist ein Antriebssystem, mittels dem das bewegliche Bauteile zu einer Bewegung angetrieben werden kann. In einer Ausführungsform kann der Linearantrieb als Linearmotor realisiert werden. Dafür weist das Führungselement Magnete auf. Es kann sich ein Magnetfeld des Führungselements ausbilden. Weiterhin weist auch das bewegliche Bauteil Magnete auf. Es kann sich ein Magnetfeld des beweglichen Bauteils ausbilden. Ein Magnet des Führungselements kann als Elektromagnet sein. Ein Magnet des beweglichen Bauteils kann als Elektromagnet realisiert sein. Die Bewegung des beweglichen Bauteils kann dadurch realisiert werden, dass die Elektromagnete entsprechend gepolt mit Strom versorgt werden. Die Magnetfelder des Führungselements und des beweglichen Bauteils können immer so kombiniert werden, dass das bewegliche Bauteil ein Wegstück entlang einer Bewegungsrichtung gezogen wird. Die Magnetfelder des Führungselements und des beweglichen Bauteils können immer so kombiniert werden, dass zu jedem Zeitpunkt, zu dem der Linearantrieb zur Fortewegung des magnetischen Bauteils verwendet wird, das bewegliche Bauteile vom Magnetfeld hinter sich abgestoßen wird und gleichzeitig von dem in Fortbewegungsrichtung davorliegenden Magnetfeld angezogen wird. Hat das bewegliche Bauteile eine neue Position erreicht, das bedeutet, dass das anziehende Magnetfeld nur noch eie geringe Kraft auf das bewegliche Bauteil ausübt, so können die Elektromagnete umgepolt werden. Das bewegliche Bauteile kann von der momentanen Position abgestoßen und von der nächsten Position angezogen werden Somit ist für eine kontinuierliche Fortbewegung des mechanischen Bauteils gesorgt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine mechanisch robuste Abtasteinheit realisiert werden kann. Der Linearantrieb ist weitestgehend verschleißfrei. Der Linearantrieb weist eine hohe Dauerfestigkeit auf. Es können verschiedene Bewegungsarten realisiert werden. Die Bewegung des beweglichen Bauteils kann beispielsweise als Translation, als Ringtranslation oder als Rotation ausgeführt werden. Die Bahnkurve des Linearantriebs kann frei gestaltet werden. Es können einfache optische Pfade realisiert werden. Die Bauform des Lidar-Sensors kann, insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, günstig gestaltet werden. Das Bauvolumen des Lidar-Sensors kann reduziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Führungselement als Magnetlager ausgebildet ist. Ein Magnetlager weist magnetische Kräfte auf, die eine Lagerung und/oder Bewegung ohne Materialkontakt ermöglichen können. Das Magnetlager kann eine Bewegung des beweglichen Elements ohne Materialkontakt Führungselement ermöglichen.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Magnetlager weitestgehend verschleißfrei ist. Es ist lediglich notwendig, eine weitestgehend kleine Masse zu bewegen. Zur Bewegung des beweglichen Elements kann ein geringer Bedarf an elektrischer Energie ausreichend sein. Das Magnetlager kann hinreichend klein ausgeführt werden, um ein geringes Bauvolumen des Lidar-Sensors zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Abtasteinheit weiterhin mindestens einen Permanentmagneten auf. Ein Permanentmagnet kann Teil des Magnetlagers sein. Ein Magnet des Führungselements kann als Permanentmagnet realisiert sein. Ein Magnet des beweglichen Bauteils kann als Permanentmagnet realisiert sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass auf einfache Weise und gut reproduzierbar Magnetfelder realisiert werden können.
Der magnetische Kanal kann sich durch die Magnetfelder der in der Abtasteinheit vorhandenen Magnete ausbilden. Der magnetische Kanal kann Elektromagnete und/oder Permanentmagnete aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das bewegliche Bauteil entlang des Führungselements schwingend bewegbar. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Abtastraum auf einfache und sehr gut reproduzierbare Art und Weise abgetastet werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das bewegliche Bauteile entlang des Führungselements resonant schwingend bewegbar. Das bewegliche Bauteil kann derart angesteuert werden, dass es zu einem verstärkten Mitschwingen des beweglichen Bauteils kommt. Das bewegliche Bauteile kann sich wie ein gedämpfter harmonischer Oszillator verhalten. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein geringer Bedarf an elektrischer Energie für die Bewegung des beweglichen Elements ausreichend sein kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Führungselements an seinen äußeren Begrenzungen magnetische Federn auf. Die magnetischen Federn können als Permanentmagnete realisiert sein. Die magnetischen Federn können als Elektromagnete realisiert sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein Anschlagen des beweglichen Bauteils an die äußeren Begrenzungen des Führungselements bzw. des magnetischen Kanals verhindert werden kann. Weiterhin können die magnetischen Federn für die Realisierung der resonanten Schwingung des beweglichen Bauteils verwendet werden. Die magnetischen Federn können als rücktreibende Kraft für die gedämpfte harmonische Oszillation wirken.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abtasteinheit halbringförmig. Es sind insbesondere der magnetische Kanal und das Führungselement halbringförmig. Das bewegliche Bauteil kann sich somit auf einer halbringförmigen Bahn bewegen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein großes Sichtfeld des Lidar-Sensors erreicht werden kann. Das Sichtfeld kann beispielsweise einen Winkelbereich von bis zu 120° umfassen. Durch die halbringförmige Bahn können Verzeichnungen während einer Messung ausgeglichen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Lidar-Sensor weiterhin einen Detektor zum Empfangen von Licht auf. Das bewegliche Bauteile weist mindestens ein erstes reflektorisches optisches Element auf. Das Licht, das vom Objekt innerhalb des Abtastraumes reflektiert wurde, wird mittels des ersten reflektorischen optischen Elements auf den Detektor abgelenkt. Das erste reflektorische optische Element kann als Spiegel ausgebildet sein. Der Spiegel kann plan sein. Der Spiegel kann gebogen sein. Das erste reflektorische optische Element kann eine möglichst große Fläche aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das erste reflektorische optische Element durch die Bewegung des beweglichen Bauteils sehr präzise im magnetischen Kanal positioniert werden kann. Das erste reflektorische optische Element kann Licht aus nahezu jedem Raumwinkel des Abtastraumes empfangen und nahezu verlustfrei auf den Detektor ablenken. Hierdurch können kleine Detektorflächen ausreichend sein. Die Herstellungskosten des Lidar-Sensors können gering gehalten werden.
Um Licht aus einem dreidimensionalen Abtastraum zu empfangen, kann der Detektor in einer Ausgestaltung der Erfindung als Detektorspalte ausgebildet sein. Der Detektor kann als Detektorarray ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Detektor auf einer Seite der Abtasteinheit angeordnet, die dem Abtastraum zugewandt ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine geringe Bautiefe des Lidar-Sensors realisiert werden kann. Dies kann insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen von Vorteil sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Lidar-Sensor weiterhin eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht in den Abtastraum auf. Die Lichtquelle ist bevorzugt als Laser ausgebildet. Die Lichtquelle kann als Kombination aus mehreren Lasern ausgebildet sein. Die Lichtquelle kann Teil der Abtasteinheit sein. Die Lichtquelle kann in diesem Fall auf dem beweglichen Bauteil positioniert sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass Licht in nahezu jeden Raumwinkel des Abtastraumes ausgesendet werden kann. Die Lichtquelle kann alternativ in einem vorgegebenen Abstand zur Abtasteinheit positioniert sein.
Um Licht in einen dreidimensionalen Abtastraum auszusenden, kann die Lichtquelle in einer Dimension aufgeweitet sein. Alternativ kann die Lichtquelle auch als Laserarray ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das bewegliche Bauteile mindestens ein zweites reflektorisches optisches Element auf. Das von der Lichtquelle ausgesendete Licht wird mittels des zweiten reflektorischen optischen Elements in den Abtastraum abgelenkt. Das zweite reflektorische optische Element kann als Spiegel ausgebildet sein. Der Spiegel kann plan sein. Der Spiegel kann gebogen sein. Das zweite reflektorische optische Element kann eine möglichst große Fläche aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das zweite reflektorische optische Element durch die Bewegung des beweglichen Bauteils sehr präzise im magnetischen Kanal positioniert werden kann. Das zweite reflektorische optische Element kann Licht in nahezu jeden Raumwinkel des Abtastraumes aussenden. Licht kann mit großer Sendeleistung ausgesendet werden. Ein möglichst kleines Austrittsfenster kann realisiert werden. Dies kann vorteilhaft für die notwendige Augensicherheit des Lidar-Sensors sein. Außerdem entstehen somit möglichst geringe Reinigungsflächen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Lidar-Sensor weiterhin ein refraktorisches Element auf. Das refraktorische Element ist auf einer Seite der Abtasteinheit angeordnet, die den Abtastraum zugewandt ist. Bei dem refraktorischen Element kann es sich um eine optische Linse handeln. Das refraktorische Element kann als Sendeapertur wirken. Das refraktorische Element kann als Empfangsapertur wirken. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass große Sende-und/oder Empfangsaperturen realisiert werden können. Bereits einfache Optiken, zum Beispiel Ein-Linser, können ausreichend sein. Hierdurch können wiederrum eine geringe Bauhöhe und/oder eine geringe Bautiefe des Lidar-Sensors realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Lidar-Sensor weiterhin einen optischen Filter auf. Der optische Filter ist auf einer Seite der Abtasteinheit angeordnet, die dem Abtastraum zugewandt ist. Der optische Filter kann in einem vorgegebenen Abstand zur Abtasteinheit positioniert sein. Alternativ kann die Abtasteinheit den optischen Filter aufweisen. Der magnetische Kanal kann beispielsweise den optischen Filter als Beschichtung auf seiner Außenseite aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass insbesondere bei einem halbringförmigen magnetischen Kanal das Licht mit kleinen optischen Winkeln auf die Abtasteinheit trifft. Hierdurch kann ein schmalbandiger optischer Filter verwendet werden. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kann erhöht werden.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors zur Erfassung eines Objektes innerhalb eines Abtastraumes weist der Lidar-Sensor mindestens eine Abtasteinheit auf. Das Verfahren umfasst einen Schritt zur Steuerung der Bewegung eines beweglichen Bauteils der Abtasteinheit innerhalb eines magnetischen Kanals und entlang eines Führungselements mittels eines Linearantriebs.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist das Führungselement als Magnetlager ausgebildet. Es ist vorgesehen, dass das Magnetlagers mittels einer Lageregelung gesteuert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Position des beweglichen Bauteils auf dem Führungselement mittels der Lageregelung bestimmt wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1A einen Querschnitt einer Abtasteinheit gemäß einer Ausführungsform eines Führungselements und eines beweglichen Bauteils, sowie insbesondere den Magneten eines Magnetlagers;
1B einen Querschnitt einer Abtasteinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Führungselements und eines beweglichen Bauteils, sowie insbesondere den Magneten eines Magnetlagers;
2 einen Querschnitt einer Abtasteinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform des Führungselements und eines beweglichen Bauteils, sowie insbesondere den Magneten eines Linearantriebs;
3 schematische Darstellung eines Führungselements einer Abtasteinheit gemäß 2 aufweisend die Magnete des Linearantriebs;
4 einen Querschnitt einer Abtasteinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Führungselements und eines beweglichen Bauteils, sowie insbesondere die Magneten eines Linearantriebs;
5 schematische Darstellung eines Führungselements einer Abtasteinheit gemäß 4 aufweisend die Magnete eines Linearantriebs;
6 eine Sendeeinheit eines Lidar-Sensors mit einer Abtasteinheit gemäß einer Ausführungsform;
7 eine Empfangseinheit eines Lidar-Sensors mit einer Abtasteinheit gemäß einer Ausführungsform;
8A Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Abtasteinheit eines Lidar-Sensors mit übereinander angeordneter Sende- und Empfangseinheit;
8B schematische Darstellung eines beweglichen Bauteils einer Abtasteinheit gemäß 8A
9 Draufsicht auf die Frontfläche einer Abtasteinheit eines Lidar-Sensors.

1A zeigt beispielhaft den Querschnitt der Abtasteinheit 100. Die Abtasteinheit 100 weist ein bewegliches Bauteil 101 auf. Das bewegliche Bauteile 101 befindet sich im magnetischen Kanal 102. Hier ist es entlang eines T-förmigen Führungselements 103 bewegbar. Die Gravitationskraft 106 zieht das bewegliche Bauteile 101 im Beispiel nach unten auf das Führungselement 103. Das Führungselement 103 ist jedoch durch die Magnete 104 als Magnetlager ausgebildet. Der Pfeil 107 markiert die aufgrund des Magnetlagers nach oben gerichtete Magnetkraft. Somit ergibt sich in der Summe eine Magnetkraft 105, die das bewegliche Bauteile 101 quasi schwebend über dem Führungselement 103 hält. Die Magnetkraft 105 ist durch magnetische Feldlinien in der Zeichnung angedeutet. Die Magnetkraft 105 bewirkt auch, dass es an den Seiten zu keinem Materialkontakt zwischen dem beweglichen Bauteil 101 und dem Führungselement 103 kommt. Dadurch ist das bewegliche Bauteile 101 ohne Materialkontakt bewegbar. Die Steuerung des Magnetlagers kann mittels einer Lagerregelung erfolgen.
1B zeigt beispielhaft einen Querschnitt einer Abtasteinheit 100 mit einer weiteren Ausführung des Führungselements 103 und des beweglichen Bauteils 101. Die Abtasteinheit 100 weist hierbei die gleichen Elemente wie die Abtasteinheit 100 der 1A auf. Die Form des Führungselements 103 und des beweglichen Bauteils 101 unterscheiden sich zum vorher gezeigten Beispiel. Aus diesem Grund unterscheidet sich auch die Position der Magnete 104 innerhalb der Abtasteinheit. Auch in diesem Beispiel bildet sich die Magnetkraft 105 aus, die bewirkt, dass das bewegliche Bauteile 101 quasi schwebend über und entlang dem Führungselement 103 bewegbar ist. Die Steuerung des Magnetlagers kann mittels einer Lagerregelung erfolgen.
2 zeigt beispielhaft den Querschnitt einer Abtasteinheit 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Führungselement 103 und das bewegliche Bauteil 101 weisen im Vergleich zu den bisher gezeigten Beispielen jeweils eine weitere Form auf. 2 zeigt außerdem insbesondere die Magnete des Linearantriebs. Der Linearantrieb ist als Linearmotor realisiert. Hierfür weist das Führungselement 103 die Magnete 201 auf. Die Magnete 201 sind im Beispiel als Permanentmagnete ausgebildet. Die Magnete 201 sind im unteren Teil, am Boden, des Führungselements 103 positioniert. Das bewegliche Bauteile 101 weist zur Realisierung des Linearantriebs die Magnete 202 auf. Die Magnete 202 sind im Beispiel als Elektromagnete ausgebildet und können einen magnetischen Kern 203 umfassen. Die Elektromagnete sind als Spulen ausgebildet. Die Magnete 202 sind im Boden des Bauteils 101 positioniert. Hierdurch kann die Abtasteinheit 200 flachbauend realisiert werden.
3 zeigt schematisch das Führungselement 103 der Abtasteinheit 200 aus 2. Das Führungselement 103 ist hier vereinfacht als Ebene dargestellt. Diese Ebene stellt den Bereich des Führungselements 103 dar, auf dem sich die Magnete 201 befinden. Im gezeigten Beispiel ist das Führungselement 103 geradlinig ausgebildet. Die Ebene des Führungselements ist entsprechend rechteckig dargestellt. Das Führungselement 103 kann auch eine andere Form aufweisen. Das Führungselement 103 kann beispielsweise halbringförmig sein.
In diesem Fall kann die Ebene ebenfalls halbringförmig sein. Die Magnete 201 können bei einem halbringförmigen Führungselement 103 derart geformt und/oder angeordnet sein, dass sie die Form des Führungselements 103 nachbilden. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten für jede Form des Führungselements 103.
Die Magnete 201 sind im Beispiel als Permanentmagnete ausgebildet. Es ist eine vorgegebene Anzahl von Magneten 201 quasi liegend auf der Ebene angeordnet. Die Magnete 201 sind so angeordnet, dass jeweils ihr Nord- und Südpol entlang einer Senkrechten der Ebene übereinander angeordnet sind. Beispielhaft sind hier die vier Magnete 201-a, 201-b, 201-c und 201-d dargestellt. Entlang der Bewegungsrichtung 301 wechseln sich jeweils der Nordpol und der Südpol der Magneten 201-a, 201-b, 201-c und 201-d ab. Durch die bereits beschriebene Funktionsweise des Linearantriebs, insbesondere des Linearmotors, kann das bewegliche Bauteile 101 (zur Vereinfachung nicht gezeigt) entlang der Bewegungsrichtung 301, entlang des Führungselements und innerhalb des magnetischen Kanals 102 der Abtasteinheit 200 bewegt werden. Die Bestimmung der Position des beweglichen Bauteils 101 auf dem Führungselement 103 kann mittels der Lagerregelung des Magnetlagers erfolgen.
3 zeigt außerdem die magnetischen Federn 302, die das Führungselement 103 an seinen äußeren Begrenzungen aufweisen kann.
4 zeigt beispielhaft den Querschnitt einer weiteren Abtasteinheit 400 gemäß einer weiteren Ausführungform. Das Führungselement 103 und das bewegliche Bauteil 101 weisen im Vergleich zu den bisher gezeigten Beispielen jeweils eine weitere Form auf. 4 zeigt außerdem die Magnete des Linearantriebs. Der Linearantrieb ist als Linearmotor realisiert. Hierfür weist das Führungselement 103 die Magnete 201 auf. Die Magnete 201 sind im Beispiel als Permanentmagnete ausgebildet. Die Magnete 201 sind an beiden Seiten des Führungselements 103 positioniert. Das bewegliche Bauteile 101 weist zur Realisierung des Linearantriebs die Magnete 202 auf. Die Magnete 202 sind im Beispiel als Elektromagnete ausgebildet. Die Elektromagnete sind als Spulen ausgebildet. Die Magnete 202 sind an den Seiten des Bauteils 101 positioniert. Hierdurch kann die Abtasteinheit 200 sehr stabil werden.
5 zeigt schematisch das Führungselement 103 der Abtasteinheit 400 aus 4. Das Führungselement 103 ist genau wie in 3 vereinfacht als Ebene dargestellt. Es sind zur Vereinfachung nur die Magnete 201 auf einer Seite des Führungselements 103 dargestellt. Im gezeigten Beispiel ist das Führungselement 103 geradlinig ausgebildet. Die Ebene des Führungselements 103 ist entsprechend rechteckig dargestellt. Das Führungselement 103 kann auch eine andere Form aufweisen. Das Führungselement 103 kann beispielsweise halbringförmig sein. In diesem Fall kann die Ebene ebenfalls halbringförmig sein. Die Magnete 201 können bei einem halbringförmigen Führungselement 103 derart geformt und/oder angeordnet sein, dass sie die Form des Führungselements 103 nachbilden. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten für jede Form des Führungselements 103.
Die Magnete 201 sind im Beispiel als Permanentmagnete ausgebildet. Es ist eine vorgegebene Anzahl von Magneten 201 quasi stehend auf der Ebene angeordnet. Die Magnete 201 sind so angeordnet, dass jeweils ihr Nord- und Südpol parallel zur Ebene und senkrecht zur Bewegungsrichtung 301 übereinander angeordnet sind. Beispielhaft sind hier die vier Magnete 201-a, 201-b, 201-c und 201-d dargestellt. Entlang der Bewegungsrichtung 301 wechseln sich jeweils der Nordpol und der Südpol der Magneten 201-a, 201-b, 201-c und 201-d ab. Durch die bereits beschriebene Funktionsweise des Linearantriebs, insbesondere das Linearmotors, kann das bewegliche Bauteil 101 (zur Vereinfachung nicht gezeigt) entlang der Bewegungsrichtung 301, entlang des Führungselements 103 und innerhalb des magnetischen Kanals 102 der Abtasteinheit 200 bewegt werden. Die Bestimmung der Position des beweglichen Bauteils 101 auf dem Führungselement 103 kann mittels der Lagerregelung des Magnetlagers erfolgen.
5 zeigt außerdem die magnetischen Federn 302, die das Führungselement 103 an seinen äußeren Begrenzungen aufweisen kann.
Der Querschnitt einer erfindungsgemäßen Abtasteinheit kann dem in 1A, 1B, 2 oder 4 gezeigten Querschnitt entsprechen. Das bewegliche Bauteile 101 oder das Führungselement 103 können darüber hinaus weitere, hier nicht gezeigte, Formen aufweisen. Die Magneten 104, 201 oder 202 können an anderen, hier nicht gezeigten Stellen der Abtasteinheit positioniert sein. Somit können weitere, hier nicht gezeigte, Querschnitte einer Abtasteinheit ausgebildet werden.
Ein Lidar-Sensor kann derart ausgebildet sein, dass seine Empfangseinheit und seine Sendeeinheit nebeneinander in einer Ebene positioniert sind. Hierdurch kann die Bauhöhe des Lidar-Sensors gering gehalten werden. Es können sowohl die Empfangseinheit, als auch die Sendeeinheit jeweils eine erfindungsgemäße Abtasteinheit aufweisen. Eine derartige Sendeeinheit zeigt 6. Eine derartige Empfangseinheit zeigt 7. Durch die Kombination dieser Empfangseinheit und dieser Sendeeinheit kann ein koaxialer Aufbau mit optischen gekoppelten Pfaden realisiert werden.
6 zeigt eine Sendeeinheit 600 eines Lidar-Sensors mit einer Abtasteinheit 606. Der magnetische Kanal 102 der Abtasteinheit 606 ist halbringförmig ausgebildet. Das bewegliche Bauteil 101 kann sich entlang der Bewegungsrichtung 301, innerhalb des magnetischen Kanals 102, bewegen. Auf dem beweglichen Bauteil 101 ist das zweite reflektorische optische Element 601 angeordnet. Bei dem zweiten reflektorischen optischen Element 601 handelt es sich um einen Spiegel, der plan ausgebildet ist. Die Sendeeinheit 600 weist eine Lichtquelle 602 in Form eines Lasers auf. Der Laser 602 sendet das Licht 603 aus, welches über den Spiegel 601 abgelenkt wird. Das Licht 603 durchläuft die optische Linse 604. Es wird in den durch die zwei Geraden 605 markierten Abtastraum ausgesendet. Der Winkel, den die zwei Geraden 605 aufspannen, markiert das Sichtfeld des Lidar-Sensors in dieser Ebene.
7 zeigt eine Empfangseinheit eines Lidar-Sensors mit einer Abtasteinheit 704. Der magnetische Kanal 102 der Abtasteinheit 704 ist halbringförmig ausgebildet. Das bewegliche Bauteile 101 kann sich entlang der Bewegungsrichtung 301, innerhalb des magnetischen Kanals 102, bewegen. Auf dem beweglichen Bauteil 101 ist das erste reflektorische optische Element 702 angeordnet. Bei dem ersten reflektorischen optischen Element 702 handelt es sich um einen Spiegel, der gekrümmt ausgebildet ist. Die zwei Geraden 605 markieren den Abtastraum. Der Winkel, den die zwei Geraden 605 aufspannen, markiert das Sichtfeld des Lidar-Sensors in dieser Ebene. Licht 703, dass von einem Objekt innerhalb des Abtastraumes reflektiert wurde, wird von der Empfangseinheit 700 des Lidar-Sensors empfangen. Es gelangt durch die optische Linse 604 auf den Spiegel 702. Mittels des Spiegels 702 wird das Licht 703 auf den Detektor 701 der Empfangseinheit 700 abgelenkt.
Ein Lidar-Sensor kann derart ausgebildet sein, dass die Empfangseinheit und die Sendeeinheit übereinander in einer Ebene positioniert sind. 8A zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Abtasteinheit eines Lidar-Sensors mit einer Sendeeinheit 801 und einer darüber angeordneten Empfangseinheit 802. In Form und Gestalt können die Sendeeinheit 801 und Empfangseinheit 802 den bisher gezeigten Beispielen gleichen oder ihnen ähneln. Die Sendeeinheit 801 und die Empfangseinheit 802 können in einer Ausführungsform eine gemeinsame Abtasteinheit aufweisen. Das bewegliche Bauteile 101 der gemeinsamen Abtasteinheit kann in diesem Fall sowohl das erste reflektorische optische Element 702, als auch das zweite reflektorische optische Element 604 aufweisen. Das erste reflektorische optische Element 702 und das zweite reflektorische optische Element 604 können nebeneinander angeordnet sein. Das erste reflektorische optische Element 702 und das zweite reflektorische optische Element 604 können übereinander angeordnet sein. Dies ist in 8B schematisch dargestellt. Wie in 8A dargestellt, können die Sendeeinheit 801 und Empfangseinheit 802 in einer Ausführungsform eine gemeinsame optische Linse 604 aufweisen.
9 zeigt die Draufsicht auf die Frontfläche 901 einer Abtasteinheit 900 eines Lidar-Sensors. Die Abtasteinheit kann eine der gezeigten Formen aufweisen. Die Abtasteinheit kann darüber hinaus weitere, hier nicht gezeigte, Formen aufweisen. Die Frontfläche 901 weist im Beispiel einen optischen Filter auf. Im Beispiel ist der optische Filter als Beschichtung auf der Frontfläche 901 ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4403297 [0003]

Claims

Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes innerhalb eines Abtastraums (605) mit mindestens einer Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) aufweisend - mindestens ein bewegliches Bauteil (101), - mindestens einen magnetischen Kanal (102), und - mindestens ein Führungselement (103), wobei - das bewegliche Bauteil (101) innerhalb des magnetischen Kanals (102) angeordnet ist und entlang des Führungselements (103) bewegbar ist, und wobei weiterhin - die Bewegung des beweglichen Bauteils (101) mittels eines Linearantriebs steuerbar ist.
Lidar-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (103) als Magnetlager (104) ausgebildet ist.
Lidar-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) weiterhin mindestens einen Permanentmagneten aufweist.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Bauteil (101) entlang des Führungselements (103) schwingend bewegbar ist, insbesondere resonant schwingend.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (103) an seinen äußeren Begrenzungen magnetische Federn (302) aufweist.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadruch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (606, 704, 900) halbringförmig ist, wobei insbesondere der magnetische Kanal (102) und das Führungselement (103) halbringförmig sind.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Lidar-Sensor weiterhin einen Detektor (701) zum Empfangen von Licht (703) aufweist, und dass - das bewegliche Bauteil (101) mindestens ein erstes reflektorisches optisches Element (702) aufweist, und wobei - Licht (703), das vom Objekt innerhalb des Abtastraums (605) reflektiert wurde, mittels des ersten reflektorischen optischen Elements (702) auf den Detektor (701) abgelenkt wird.
Lidar-Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (701) auf einer Seite der Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) angeordnet ist, die dem Abtastraum (605) zugewandt ist.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lidar-Sensor weiterhin eine Lichtquelle (602) zum Aussenden von Licht (603) in den Abtastraum (605) aufweist.
Lidar-Sensor nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Bauteil (101) mindestens ein zweites reflektorisches optisches Element (601) aufweist, wobei das von der Lichtquelle (602) ausgesendete Licht (603) mittels des zweiten reflektorischen optischen Elements (601) in den Abtastraum (605) abgelenkt wird.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lidar-Sensor weiterhin ein refraktorisches Element (604) aufweist, wobei das refraktorische Element (604) auf einer Seite der Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) angeordnet ist, die dem Abtastraum (605) zugewandt ist.
Lidar-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lidar-Sensor weiterhin einen optischen Filter aufweist, und wobei der optische Filter auf einer Seite der Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) angeordnet ist, die dem Abtastraum (605) zugewandt ist.
Verfahren zur Ansteuerung eines Lidar-Sensors zur Erfassung eines Objektes innerhalb eines Abtastraums (605), wobei der Lidar-Sensor mindestens eine Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) aufweist, mit dem Schritt: - Steuerung der Bewegung (301) eines beweglichen Bauteils (101) der Abtasteinheit (100, 200, 400, 606, 704, 900) innerhalb eines magnetischen Kanals (102) und entlang eines Führungselements (103) mittels eines Linearantriebs (201, 202).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Führungselement (103) als Magnetlager (104) ausgebildet ist, weiterhin umfassend den Schritt: - Steuerung des Magnetlagers mittels einer Lagerregelung.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend den Schritt: - Bestimmung einer Position des beweglichen Bauteils (101) auf dem Führungselement (102) mittels der Lagerregelung.