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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer Distanz eines Objekts von einem Fahrzeug durch Aussenden eines Lichtimpulses vom Fahrzeug zum Objekt. An dem Fahrzeug wird ein am Objekt reflektierter Teil des Lichtimpulses empfangen. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug zum Durchführen eines solchen Verfahrens. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Messen einer Distanz eines Objekts von einem Fahrzeug mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtimpulses zum Objekt und einer Sensoreinrichtung zum Empfangen eines am Objekt reflektierten Teils des Lichtimpulses.
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Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zum Messen einer Distanz zu einem Objekt von einem Fahrzeug. Ein sehr geläufiges ist ToF-LIDAR (Laufzeit, Lichtdetektion und Entfernungsmessung). Zwei Hauptverfahren werden in ToF-LIDAR-Systemen verwendet. Ein erstes Verfahren ist ein Impulsverfahren. Dieses Impulsverfahren basiert auf der Registrierung der Front von reflektiertem Licht, um die Laufzeit zu messen. Das zweite Verfahren ist ein Phasenverfahren. Dieses Verfahren basiert auf der Messung einer Phasenverschiebung zwischen emittiertem und reflektiertem Licht.
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Beide bekannten ToF-LIDAR-Verfahren verwenden lichtempfindliche Empfänger. Der jeweilige lichtempfindliche Empfänger empfängt ankommendes Licht aus einer gegebenen Richtung. Ferner arbeitet er im Zeitbereich. Dies bedeutet, dass das detektierte Signal sich über die Zeit ändert. Das Phasenverfahren erfordert gewöhnlich schnelle Betriebssequenzen in einem GHz-Bereich.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer Distanz eines Objekts von einem Fahrzeug bereitzustellen, das mit weniger Aufwand im Vergleich zu den bekannten Messverfahren auf der Basis der Laufzeitbestimmung ausgeführt werden kann. Ferner wird eine jeweilige Vorrichtung zum Messen einer Distanz eines Objekts von einem Fahrzeug bereitgestellt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zum Messen einer Distanz eines Objekts von einem Fahrzeug durch Aussenden eines Lichtimpulses vom Fahrzeug zum Objekt und Empfangen eines am Objekt reflektierten Teils des Lichtimpulses am Fahrzeug gelöst. Dies bedeutet, dass ein Lichtimpuls von einer Lichtquelle vom Fahrzeug ausgesendet wird. Die Lichtquelle ist beispielsweise an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet und der Lichtimpuls wird in die Umgebungen vor dem Fahrzeug ausgesendet. Ein Objekt in den Umgebungen des Fahrzeugs reflektiert einen Teil des Lichtimpulses, der auf das Objekt auftrifft. Zumindest ein Teil des reflektierten Lichtimpulses trifft auf einen Sensor des Fahrzeugs auf, der den reflektierten Teil des Lichtimpulses detektiert.
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Ferner umfasst das Verfahren den Schritt, dass der reflektierte Teil des Lichtimpulses durch ein oszillierendes optisches Element auf ein Sensorarray des Fahrzeugs umgelenkt wird. Dieser Schritt wird vorzugsweise in einem Lichtdetektor des Fahrzeugs durchgeführt. Das oszillierende optische Element führt eine Transformation vom Zeitbereich in den Raumbereich durch. Dies bedeutet, dass die Auftreffzeit des Lichtimpulses auf einen Ort des Sensors abgebildet wird. Da das optische Element oszilliert, überstreicht das Licht vorzugsweise das vollständige Sensorarray.
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Danach wird ein Ort am Sensorarray bestimmt, an dem der reflektierte Teil des Lichtimpulses auf das Sensorarray trifft. Das Sensorarray weist beispielsweise eine Vielzahl von Sensorelementen auf. Signale der verschiedenen Sensorelemente werden separat ausgelesen. Wenn ein Sensorelement ein Signal liefert, bedeutet dies folglich, dass der reflektierte Teil des Lichtimpulses exakt dieses Sensorelement trifft. Da der Ort des Sensorelements innerhalb des Sensorarray bekannt ist, ist der Ort, an dem der reflektierte Teil des Lichtimpulses das Sensorarray trifft, auch bekannt.
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Schließlich wird die Distanz aus dem Ort und einem Bewegungsparameter des optischen Elements bestimmt. Dies bedeutet, dass die Distanz des Objekts vom Fahrzeug durch den Ort, an dem der reflektierte Teil des Lichtimpulses das Sensorarray trifft, und die Bewegung des optischen Elements dargestellt wird. Z. B. ist der Bewegungsparameter die Geschwindigkeit des optischen Elements oder ein Winkel in Abhängigkeit von der Messzeit. Folglich kann die Distanz des Objekts vom Fahrzeug leicht aus dem Ort am Sensorarray erhalten werden. Folglich kann die Datenverarbeitung der Messvorrichtung vereinfacht werden und insbesondere sind hohe Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich nicht erforderlich.
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Vorzugsweise wird die Oszillation des optischen Elements mit der Ausendung des Lichtimpulses synchronisiert. Eine solche Synchronisation stellt sicher, dass von einem Objekt in einer vorbestimmten Distanz vom Fahrzeug reflektiertes Licht immer am gleichen Sensorelement des Sensorarray ankommt. Folglich benötigt das Auswertungssystem nicht die exakte Zeit der Aussendung des Lichtimpulses und die exakte Position des optischen Elements. Folglich kann die Bestimmung der Distanz vereinfacht werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Oszillationsfrequenz des optischen Elements höher als 5 kHz und insbesondere höher als 10 kHz. Solche hohen Frequenzen ermöglichen die Trennung von Differenzen der Laufzeit des von den Objekten reflektierten Lichts in einer vernünftigen Auflösung, die für den praktischen Betrieb erforderlich ist. Solche hohen Oszillationsfrequenzen können beispielsweise durch Mikrospiegel erhalten werden. Solche Mikrospiegel können mit hoher Winkelgeschwindigkeit oszillieren, wobei somit das Licht mit einem Winkelgeschwindigkeitswert von zweimal der Größe umgelenkt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug zum Durchführen des obigen Verfahrens oder von Weiterentwicklungen von diesem bereitgestellt. Solche Fahrerassistenzsysteme können im Fahrzeug zum Unterstützen des Fahrers z. B. in Parksituationen, bei Überholmanövern, in Fahrspurwechselsituationen, usw. verwendet werden, sobald eine Distanzkontrolle erforderlich ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe auch durch eine Vorrichtung zum Messen einer Distanz eines Objekts vom Fahrzeug mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtimpulses zum Objekt und einer Sensoreinrichtung zum Empfangen eines am Objekt reflektierten Teils des Lichtimpulses gelöst. Die Sensoreinrichtung umfasst ein Sensorarray und ein optisches Element, das zu Oszillationen angeregt werden kann, wobei der reflektierte Teil des Lichtimpulses durch das optische Element umlenkbar ist. Ferner ist die Sensoreinrichtung mit einer Analyseeinrichtung zum Bestimmen eines Orts des Sensorarray, an dem der reflektierte Teil des Lichtimpulses das Sensorarray trifft, und zum Bestimmen der Distanz des Objekts aus dem Ort und einem Bewegungsparameter des optischen Elements verbunden.
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Die Vorteile und Variationen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt sind, gelten auch analog für die erfindungsgemäße Vorrichtung. In diesem Fall können die Verfahrensmerkmale als Funktionsmerkmale von entsprechenden Einrichtungen wie der Lichtquelle, der Sensoreinrichtung usw. der Vorrichtung interpretiert werden.
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Vorzugsweise ist das Sensorarray der Vorrichtung eben oder bogenförmig ausgebildet. Wenn das Sensorarray bogenförmig ausgebildet ist (vorzugsweise mit einem konstanten Radius in Bezug auf die Drehachse des optischen Elements), kann die Zeit linear in einen Ort am Sensorarray transformiert werden. Wenn das Sensorarray eben ausgebildet ist, wird ansonsten eine bestimmte Nicht-Linearität erreicht, wenn die Laufzeit in einen Ort am Sensorarray transformiert wird. Eine solche Nicht-Linearität kann jedoch für praktische Verwendungsfälle annehmbar sein.
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Wie bereits vorstehend angegeben, kann das optische Element ein Mikrospiegel sein. Solche Mikrospiegel ermöglichen hohe Oszillationsfrequenzen sowie hohe Oszillationsgeschwindigkeiten. Überdies sind solche Mikrospiegel für die Verwendung in Fahrzeugen geeignet.
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In einer weiteren Ausführungsform lenkt die optische Eingabeeinrichtung den reflektierten Teil des Lichtimpulses in einer vorgegebenen Richtung auf das optische Element um. Eine solche optische Eingabeeinrichtung kann erforderlich sein, um die Genauigkeit des Systems zu verbessern. Wenn eine solche optische Eingabeeinrichtung nicht vorhanden ist, würde ein Eingangslicht, das von einem ersten Objekt in einer ersten Winkelposition relativ zum Fahrzeug reflektiert wird, das Sensorarray an einem anderen Ort als das reflektierte Licht von einem zweiten Objekt in einer zweiten Winkelpostion relativ zum Fahrzeug treffen. Folglich empfängt die optische Eingabeeinrichtung die Eingangsstrahlen und liefert die ankommenden Strahlen von im Wesentlichen einer vorgegebenen Richtung.
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In einer speziellen Ausführungsform überstreicht das in der vorgegebenen Richtung auf das optische Element auftreffende Licht, das dort abgelenkt wird, die vollständige Ausdehnung des Sensorarray in einer Periode der Oszillation des optischen Elements. Dies bedeutet, dass das vollständige Sensorarray für das Transformieren des Zeitbereichs in den Raumbereich verwendet wird. Folglich ist die optische Auflösung der Vorrichtung so hoch wie möglich. Wenn beispielsweise das Sensorarray 256 Zellen oder Sensorelemente aufweist, sollten alle diese Elemente periodisch belichtet werden, wenn konstantes Licht in die Vorrichtung eingegeben wird.
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Wie bereits vorstehend angegeben, kann ein Fahrzeug mit einer vorstehend erläuterten Vorrichtung verwendet werden. Folglich kann das Fahrzeug von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung profitieren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch aus separierten Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
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Die beigefügten Figuren zeigen:
- 1 eine Zeichnung eines Fahrzeugs mit einem LIDAR-System;
- 2 ein Prinzipdiagramm einer Vorrichtung zum Messen einer Distanz eines Objekts von einem Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 einen Abschnitt eines Sensorarray und
- 4 ein Signalschaubild der Signale der Sensorelemente des Sensorarray.
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Die folgenden Ausführungsformen sind bevorzugte Beispiele der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1 umfasst in Fahrzeug 1 eine Messvorrichtung 2 mit einer Lichtquelle 3 (insbesondere einem Laserscanner) zum Abtasten der Umgebungen 4 des Fahrzeugs 1 mit einem Abtastlicht 5 (vorzugsweise Lichtimpulse). Ferner umfasst die Messvorrichtung 2 eine Sensoreinrichtung 6 zum Detektieren eines reflektierten Teils 8 des Abtastlichts 5. Der reflektierte Teil 8 wurde an einem Objekt 7 in den Umgebungen 4 des Fahrzeugs reflektiert. Die Messvorrichtung 2 (insbesondere ein LIDAR-Sensor) umfasst zusätzlich eine Datenverarbeitungseinheit, die auch Analyseeinrichtung 9 genannt wird, die dazu ausgelegt ist, eine Distanz d des Objekts 7 zur Messvorrichtung 2 und folglich zum Fahrzeug 1 zu bestimmen. Im Stand der Technik wird diese Bestimmung durch direktes Messen der Laufzeit des detektierten reflektierten Teils des Lichts oder durch Messen einer Phasendifferenz zwischen dem Abtastlicht 5 und dem detektierten reflektierten Teil des Lichts durchgeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Laufzeit indirekt durch Durchführen einer Transformation in den Raumbereich gemessen. Dies wird in Verbindung mit 2 bis 4 genauer erläutert.
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Die Analyseeinrichtung kann eine Datenschnittstelle 10 enthalten, wie in 1 gezeigt, und kann dazu ausgelegt sein, die Bestimmung der Distanz d in Abhängigkeit von mindestens einem Fahrsituationsparameter zu verwenden oder zu aktivieren, der durch die Datenschnittstelle 10 geliefert wird. Ferner kann die Analyseeinrichtung 9 und somit die Messvorrichtung 2 durch die Datenschnittstelle 10 mit einem Datenbus 11, z. B. einem CAN-Bus des Fahrzeugs 1, gekoppelt sein.
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Wie vorstehend angegeben, besteht die Hauptidee der Erfindung darin, die Zeitinformationen des reflektierten Teils des Abtaststrahls in räumliche oder lokale Informationen zu transformieren. Dies wird durch Ausführen eines räumlichen Durchlaufs des ankommenden Lichts durchgeführt, so dass der Raumbereich für die Trennung von verschiedenen Laufzeitwerten für z. B. gepulste ToF-LIDAR verwendet wird. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass ein mechanisches System mit niedriger Frequenz anstelle von GHz-Elektronik verwendet werden kann.
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Die Transformation des Zeitbereichs in den Raumbereich ist in 2 bis 4 gezeigt. Eine Impulslichtquelle (z. B. ähnlich zu ToF-LIDAR) emittiert kurze Lichtimpulse in einer gegebenen Richtung. Das Hauptkonzept besteht hier darin, das ankommende (reflektierte) Licht schnell genug umzulenken, so dass Licht, das verschiedenen Laufzeiten entspricht, verschiedene lichtempfindliche Zellen in einem Sensorarray trifft.
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2 zeigt eine Sensorgestaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Sensoreinrichtung 6 kann ein Gehäuse 12 aufweisen, das durch eine transparente Abdeckung 13 bedeckt ist. Wahlweise ist ein optischer Mechanismus 14 vorgesehen, der sicherstellt, dass ankommendes Licht 15 eine gegebene Richtung aufweist.
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Ein optisches Element 16 ist im Gehäuse 12 befestigt. Das optische Element 16 kann ein „MEMS-Spiegel“ (mikroelektromechanische Systeme) sein. Er kann gemäß einem Pfeil 17 um seine Drehachse 18 geschwenkt werden Das oszillierende optische Element 16 kann sich mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω drehen.
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Das ankommende Licht 15 (durch das Objekt 7 reflektiert) trifft auf das optische Element 16 (z. B. MEMS-Spiegel) auf und lenkt das Licht auf ein Sensorarray 19 in Übereinstimmung mit seiner Drehposition um. Für Beleuchtungszwecke sind die Grenzstrahlen 20 und 21 in 2 dargestellt, wobei diese Grenzstrahlen 20, 21 sich aus den äußersten Positionen des oszillierenden Elements 16 ergeben. Durch Anordnen des Sensorarray weit genug (Distanz R) vom Umlenkspiegel, d. h. optischen Element 16, das sich mit der Winkelgeschwindigkeit Ω bewegt, ist es möglich, ein lineares Durchlaufen (oder Überstreichen) mit einer gewünschten linearen Geschwindigkeit v zu erreichen. Es ist zu erkennen, dass dies für einen Empfänger mit kleiner Größe (beispielsweise von etwa 11 mm) gilt. Das optische Element 16 kann entweder oszillieren (MEMS-Spiegel) oder rotieren. Die gewünschte lineare Geschwindigkeit v stellt sicher, dass jedes Element des lichtempfindlichen Sensorarray dem ankommenden Licht 15 ausgesetzt wird, erstens nur für eine festgelegte Zeitdauer, die eine bestimmte Distanzgranularität ergibt, und zweitens zum speziellen Zeitpunkt, der den speziellen Ort auf dem Sensorarray 19 und folglich die zu messende Distanz des Objekts 7 vom Fahrzeug 1 ergibt.
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3 zeigt einen Teil des Sensorarray 19. Das Sensorarray 19 umfasst eine Vielzahl von Sensorzellen oder Sensorelementen 22. Jedes Sensorelement 22 weist eine Zellengröße s_cell auf. Die Zeit, in der der Strahl eine Zelle überstreicht, entspricht dem Winkel α dividiert durch die Winkelgeschwindigkeit ω.
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In einem praktischen Beispiel können die folgenden Parameter angenommen werden:
| c = 299792458 | (Lichtgeschwindigkeit m/s) |
| s_cell = 10e-6 | (Zellengröße m) |
| n_cell = 256 | (Anzahl von Zellen im Array) |
| t_cell = 4 e-9 | (gewünschte Zeit zum Überstreichen einer Zelle) |
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| mems_f = 16 e3 | (MEMS-Oszillationsfrequenz) |
| mems_a = 20 x pi/180 | (MEMS-Oszillationsamplitude (20 Grad) in Radiant umgerechnet) |
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| mems_sa = mems_a x 2 x mems_f x2 | (Winkelgeschwindigkeit, rad/s) |
| def_sa = 2x mems_sa | (Umlenkwinkelgeschwindigkeit, a/s) |
| d = s_cell x n_cell | (Größe des ganzen Array) |
| t = t_cell x n_cell | (Zeit zum Abdecken des Array) |
| | |
| v = d/t | (zum Abdecken des Array erforderliche Geschwindigkeit) |
| ω = def_sa | (Winkelgeschwindigkeit des Durchlaufstrahls, rad/s) |
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Die Distanz R zwischen der Achse des optischen Elements 16 und dem Sensorarray 19 ergibt sich aus der Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω und der linearen Geschwindigkeit v:
- R = v / ω = 0,056 m oder 5,6 cm (im vorliegenden Beispiel).
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Die obigen Parameter können zum Anpassen an individuelle praktische Anwendungen optimiert werden.
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4 zeigt ein Sensorarray 19 und ein Signal 23, das aus den Sensorelementen 22 des Sensorarray 19 ausgelesen wird. Im dargestellten Beispiel weist das Signal 23 eine Spitze bei der Zelle Nummer 24 auf. Jede Zelle im Sensorarray deckt 4 ns der Lichtlaufzeit ab, was ungefähr 0,6 m Distanz zum Ziel, d. h. Objekt 7, entspricht. Folglich ist die Distanz zum reflektierenden Objekt 7 24 x 0.6 m = 14.4 m im vorliegenden Beispiel.
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Die Granularität der Distanzmessung im vorliegenden Beispiel ist 0,6 m. Diese Granularität der Distanzmessung kann jedoch mit den obigen Systemparametern geändert werden. Ferner kann die Auflösung der Distanzmessung, d. h. die Granularität, viel besser sein, da die ganze Wellenform des ankommenden Lichtimpulses anstelle nur der Wellenfront registriert wird. Die Form des Signals ist beispielsweise ein Gauß-Impuls. Dann kann das Zentrum des Impulses genau wiedergewonnen werden. Mit einer solchen Technik kann eine Auflösung in cm und sogar unter cm-Niveau erhalten werden. Mit anderen Worten, es gibt mindestens zwei verschiedene Techniken, um die Ankunftszeit zu messen: Detektion der Front des Signals oder Detektion der ganzen Wellenform des Signals, um bestimmte Parameter des Signals wiederzugewinnen.
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Die obige Technik des mechanischen Strahldurchlaufs ermöglicht das Vermeiden der Hochfrequenz-CCD-Technologie und stellt eine leichte Weise zum Bestimmen einer Distanz bereit. Überdies kann die Abtastwelle leicht durch Ändern der Systemparameter wie der Winkelgeschwindigkeit des Spiegels oder der Distanz zum Sensorarray oder beider verringert werden.
