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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Überprüfen von zumindest einer scanrelevanten Funktionseigenschaft einer Laserscaneinrichtung, insbesondere einer Laserscaneinrichtung für Objekterfassungsvorrichtungen von Fahrzeugen, wobei die Laserscaneinrichtung eine Laserlichtquelle, eine Scaneinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle und der Scaneinheit umfasst.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Der Begriff Laserlicht soll im Rahmen dieser Anmeldung nicht auf sichtbares Laserlicht beschränkt sein, sondern synonym für elektromagnetische Strahlung stehen, die zumindest teilweise auf stimulierter Emission von Strahlung, also dem Effekt, der dem Laser-Verstärkungsprinzip zugrunde liegt, beruht.
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Das Dokument
DE 10 2015 100 910 A1 beschreibt eine Objekterfassungsvorrichtung für Fahrzeuge, deren als Laserscaneinrichtung ausgestaltete Sendeeinrichtung eine Laserlichtquelle, einen MEMS-Mikrospiegel als Scaneinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle und des MEMS-Mikrospiegels umfasst.
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Bei einer derartigen Objekterfassungsvorrichtung, die Entfernungen zu erfassten Objekten über eine Flugzeitmessung, also nach dem ToF-Prinzip (ToF: Time of Flight) misst, wird das gepulste Licht einer Laserlichtquelle über einen frei schwingenden Spiegel abgelenkt. Der auf MEMS-Technologie basierende Ablenkspiegel, also der MEMS-Mikrospiegel, schwingt nahezu kosinusförmig, in der Regel mit einer Eigenfrequenz von mehreren kHz. Ein derartiger Schwingspiegel zur Strahlablenkung muss in seiner Resonanzfrequenz betrieben werden. Da diese im kHz Bereich liegt, werden mehre Schwingungen des Schwingspiegels benötigt um jede Position zu treffen was unter anderem höhere Anforderungen an die Güte des Schwingspiegels stellt. Daher ist ein Überprüfen von scanrelevanten Funktionseigenschaften einer derartigen Laserscaneinrichtung - zum Beispiel bei deren Herstellung - geboten.
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Auch bei einer Laserscaneinrichtung, deren Scaneinheit auf einem anderen Funktionsprinzip beruht, beispielsweise Refraktion oder Diffraktion statt Reflexion, kann ein Überprüfen der scanrelevanten Funktionseigenschaften dieser Laserscaneinrichtung geboten sein.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, die ein schnelles Überprüfen von zumindest einer Funktionseigenschaft einer Laserscaneinrichtung ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen System zum Überprüfen von zumindest einer scanrelevanten Funktionseigenschaft einer Laserscaneinrichtung, die eine Laserlichtquelle, eine Scaneinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle und der Scaneinheit umfasst, ist vorgesehen, dass das System einen mit der Laserlichtquelle und/oder der Scaneinheit synchronisierbaren bildgebenden Sensor zur optischen Erfassung eines von der Laserscaneinrichtung abgescannten Scanbereichs einer Scanfläche während eines Scanvorgangs aufweist, welcher auf dem Dynamic-Vision-Prinzip basiert. Durch diese Maßnahme wird die Prüfung der genauen Positionierung der Triggerung ermöglicht. Dies wird mit Hilfe eines als Dynamic Vision Sensor (kurz DVS) bekannten Sensors beziehungsweise eines anderen auf dem Dynamic-Vision-Prinzip basierenden bildgebenden Sensors durchgeführt.
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Konventionelle bildgebende Sensoren erzeugen eine Reihe von aufeinanderfolgenden Frames. Derart aufeinanderfolgende Frames enthalten in der Regel enorme Mengen an redundanten Informationen, verschwenden Speicherzugriff, RAM, Speicherplatz, Energie, Rechenleistung und Zeit. Darüber hinaus ergibt sich bei jedem Frame die gleiche Belichtungszeit für jedes der Pixel, was den Umgang mit Szenen, die sehr dunkle und sehr helle Bereiche enthalten, schwierig macht. Der Dynamic Vision Sensor (DVS) löst diese Probleme mittels einer Technologie, die analog zur Netzhaut funktioniert. Anstatt verschwenderisch ganze Bilder mit festen Frame-Raten zu versenden, werden nur die örtlichen Pixel-Level-Änderungen, die beispielsweise durch die Bewegung in einer Szene verursacht werden, übertragen, und zwar zeitnah. Leistung, Speicherbedarf und rechnerische Anforderungen werden ebenfalls drastisch reduziert und der Dynamikbereich des Sensors wird aufgrund der lokalen Verarbeitung um Größenordnungen erhöht.
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Ein großer Vorteil des Dynamic Vision Sensors gegenüber herkömmlichen Kamerasystemen ist die Geschwindigkeit dieses Sensors. Mit einem DVS kann eine Aufnahme im µs Bereich gemacht werden. Da die Wiederholrate des Laserpulses einer Laserscaneinrichtung etwa 10µs beträgt, kann sichergestellt werden, dass kein Laserpuls übersehen wird und alle Positionen für die Überprüfung in Echtzeit erfasst werden.
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Die zumindest eine scanrelevante Funktionseigenschaft der Laserscaneinrichtung ist beziehungsweise umfasst insbesondere Eigenschaften wie eine Triggerung der Laserlichtquelle und/oder eine Positionierung der Scaneinheit.
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Die Scaneinheit der Laserscaneinrichtung für Fahrzeuge kann auf unterschiedliche Arten realisiert sein, zum Beispiel über eine Spiegeleinrichtung mit einem gesteuert bewegbaren Ablenkspiegel. Bevorzugt ist die Scaneinheit als MEMS-Mikrospiegel ausgebildet. Bei dem MEMS-Spiegel kann es sich um einen Strahlablenker handeln welcher z.B. ein Motor mit einem Spiegel sein könnte. Aber der Laserstrahl kann außer von einem MEMS-Spiegel auch auf andere Art und Weise abgelenkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das System eine Auswerteeinheit auf, die eingerichtet ist, zum Überprüfen der Funktionseigenschaft den zeitlichen Verlauf der Aufnahmen des bildgebenden Sensors mit (i) einem von der Steuereinrichtung vorgegebenen zeitlichen Scanablauf und/oder (ii) einem zeitlichen Verlauf eines von einer Empfangseinrichtung der Laserscaneinrichtung empfangenen Signals abzugleichen. Mit anderen Worten kann mittels dieser Prüfung die Lasertriggerung sowie die Positionsbestimmung des Scanelements/der Scanelemente der Scaneinheit, insbesondere eine Spiegelposition des MEMS-Spiegels, verifiziert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laserscaneinrichtung, der bildgebende Sensor und ein die Scanfläche bereitstellendes Objekt in einer vordefinierten Prüfanordnung anordenbar sind, insbesondere in dieser Anordnung angeordnet sind.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in der Scanfläche Markierungen angeordnet. Mittels des die Scanfläche während des Scanvorgangs optisch erfassenden bildgebenden Sensors kann überprüft werden, ob die Laserscaneinrichtung beim Abscannen des Scanbereichs die dort vorhandene Markierungen in einer bestimmten Zeit trifft.
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Mit Vorteil weist das System weiterhin eine computerbasierte Systemsteuerung zur Steuerung des Systems auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überprüfen von zumindest einer Funktionseigenschaft einer Laserscaneinrichtung für Fahrzeuge, die eine Laserlichtquelle, eine Scaneinheit zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle und der Scaneinheit umfasst, ist vorgesehen, dass ein mit der Laserlichtquelle und/oder der Scaneinheit synchronisierter bildgebender Sensor, basierend auf dem Dynamic-Vision-Prinzip, einen von der Laserscaneinrichtung abgescannten Scanbereich einer Scanfläche während eines Scanvorgangs optisch erfasst.
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Die Funktionseigenschaft ist insbesondere eine scanrelevante Funktionseigenschaft der Laserscaneinrichtung. Eine solche scanrelevante Funktionseigenschaft der Laserscaneinrichtung ist beziehungsweise umfasst insbesondere Eigenschaften wie eine Triggerung der Laserlichtquelle und/oder eine Positionierung der Scaneinheit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Überprüfen der Funktionseigenschaft der zeitlichen Verlauf der Aufnahmen des bildgebenden Sensors mit (i) einem von der Steuereinrichtung vorgegebenen zeitlichen Scanablauf und/oder (ii) einem zeitlichen Verlauf eines von einer Empfangseinheit der Laserscaneinrichtung empfangenen Signals abgeglichen wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Scanfläche Markierungen angeordnet sind, wobei mittels des die Scanfläche während des Scanvorgangs optisch erfassenden bildgebenden Sensors überprüft wird, ob die Laserscaneinrichtung beim Abscannen des Scanbereichs dort vorhandene Markierungen in einer bestimmten Zeit trifft.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass zum Überprüfen der Funktionseigenschaft mehrere unterschiedliche Scanabläufe genutzt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt ist vorgesehen, dass dieses Programmteile umfasst, die in einem Prozessor einer computerbasierten Systemsteuerung geladen zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Objekterfassungsvorrichtung mit einer Laserscaneinrichtung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus zum Überprüfen von scanrelevanten Funktionseigenschaften der Laserscaneinrichtung,
- 3 eine schematische Darstellung einer mittels eines Dynamic Vision Sensors erstellte Aufnahme eines von der Laserscaneinrichtung abgescannten Scanbereichs einer Scanfläche.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Objekterfassungsvorrichtung 10 . Die Objekterfassungsvorrichtung 10 umfasst eine als Sendeeinrichtung fungierende Laserscaneinrichtung 12 und eine Empfangseinrichtung 14.
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Die Laserscaneinrichtung 12 weist eine Laserlichtquelle 16 auf, mit der ein Laserlichtstrahl 18 erzeugt wird. Die Laserlichtquelle 16 ist ein Laser und sendet den erzeugten Laserlichtstrahl 18 auf eine als Mikrospiegel 20 ausgebildete Scaneinheit 22 zum Erzeugen einer Scanbewegung des Laserlichts. Hierzu ist die Laserlichtquelle 16 in einem vordefinierten Winkel zur Scaneinheit 22 angeordnet. Der Mikrospiegel 20 besteht gemäß der so genannten MEMS-Technologie aus kleinen Einzelelementen, welche jeweils eine spiegelnde Fläche aufweisen, und wird daher im Weiteren als MEMS-Mikrospiegel 20 bezeichnet.
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Der MEMS-Mikrospiegel 20 ist so zu der Laserlichtquelle 16 angeordnet, dass der Laserlichtstrahl 18 direkt auf den MEMS-Mikrospiegel 20 trifft, wobei gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, ein oder mehrere Umlenkspiegel zwischen der Laserlichtquelle 16 und dem MEMS-Mikrospiegel 20 angeordnet sind, sodass der Laserlichtstrahl 18 auf den MEMS-Mikrospiegel 20 über die Umlenkspiegel gelenkt wird.
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Der MEMS-Mikrospiegel 20 ist um eine erste zur Zeichnungsebene parallele Achse und gegebenenfalls auch um eine zweite Achse, die senkrecht zur Zeichnungsebene liegt, bewegbar. Der Laserlichtstrahl 18 wird durch den MEMS-Mikrospiegel 20 demnach in zumindest eine Richtung der Umgebung abgelenkt. Diese Richtung kann auch als Abtastwinkel bezeichnet werden.
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Zur Bewegung des MEMS-Mikrospiegels 20 dient eine Steuereinrichtung 24. Die Steuereinrichtung 22 steuert den MEMS-Mikrospiegel 20 so, dass dieser zumindest in einer Richtung schwenkbar ist (Doppelpfeil).
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Die Laserlichtquelle 16 umfasst im Beispiel eine oder mehrere Laserdioden. Die Laserlichtquelle 16 ist mit der Steuereinrichtung 24 so verbunden, dass die Laserlichtquelle 16 mittels der Steuereinrichtung 24 gesteuert wird und durch die Ansteuerung ein gepulster Laserlichtstrahl 18 als Sendelichtstrahl mit einer Frequenz, z.B. 100 kHz ausgesendet wird. Die Steuereinrichtung 24 kann die Laserlichtquelle 16 auch abschalten.
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Die Empfangseinrichtung 14 weist eine Diode 26 auf, die hier eine Photodiode ist. Mit der Diode 26 wird Licht 28 empfangen, das dem von der Umgebung reflektierten oder zurück gestreuten Laserlichtstrahl 18 entspricht. Das empfangene Licht 28, wird mit der Diode 26 und deren Beschaltung in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird dann einer Auswerteeinrichtung 30 der Objekterfassungsvorrichtung 10 zugeführt.
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Die Objekterfassungsvorrichtung 10 misst die Entfernungen zu erfassten Objekten über eine Flugzeitmessung, also eine Messung nach dem ToF-Prinzip (ToF: Time of Flight), Dabei wird das gepulste Laserlicht der Laserlichtquelle 16 über die Scaneinheit 22 abgelenkt. Daher wird die Scaneinheit 22 oft auch als Ablenkeinheit bezeichnet. Ist diese Scaneinheit 22 ein MEMS-Mikrospiegel 20, so schwingt dieser, in der Regel mit einer Eigenfrequenz von mehreren kHz, nahezu kosinusförmig. Ein derartiger „Schwingspiegel“ zur Strahlablenkung muss in seiner Resonanzfrequenz betrieben werden. Da diese im kHz Bereich liegt, sind mehre Schwingungen des MEMS-Mikrospiegels 20 benötigt um jede Position in einem (in den 2 und 3 gezeigten) Scanbereich zu treffen was unter anderem höhere Anforderungen an die Güte des Spiegels 20 stellt. Daher ist ein Überprüfen von scanrelevanten Funktionseigenschaft einer derartigen Laserscaneinrichtung 12 schon bei deren Herstellung geboten.
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Die 2 zeigt nun einen Prüfaufbau beziehungsweise eine Prüfanordnung zum Überprüfen der scanrelevanten Funktionseigenschaften der Laserscaneinrichtung 12 mittels eines entsprechenden Systems 32 zum Überprüfen dieser scanrelevanten Funktionseigenschaften. Das System 32 weist einen mit der Laserlichtquelle 16 und/oder der Scaneinheit 20 synchronisierbaren bildgebenden Sensor 34 zur optischen Erfassung eines von der Laserscaneinrichtung 12 abgescannten Scanbereichs 36 einer Scanfläche 38 während eines Scanvorgangs auf. Die Scanfläche 38 ist insbesondere eine ebene Fläche, die von einem entsprechenden Objekt 40, beispielsweise einer Bildwand (auch Projektionswand genannt) bereitgestellt wird. Der bildgebende Sensor 34 ist ein auf dem Dynamic-Vision-Prinzip basierender Sensor 34.
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Das System 32 weist ferner eine Auswerteeinheit 42 auf, die eingerichtet ist, zum Überprüfen der scanrelevanten Funktionseigenschaft der Laserscaneinrichtung 12 den zeitlichen Verlauf der Aufnahmen des bildgebenden Sensors 34 (a) mit einem von der Steuereinrichtung 24 vorgegebenen zeitlichen Scanablauf und/oder (b) mit einem zeitlichen Verlauf eines von einer Empfangseinrichtung 14 der Objekterfassungsvorrichtungen 10 empfangenen Signals abzugleichen.
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Weiterhin weist das System 32 eine computerbasierte Systemsteuerung 44 zur Steuerung des Systems 44 auf. Die Auswerteeinheit 42 und die Systemsteuerung 44 werden gemeinsam durch einen Computer 46 realisiert, der als Standard-PC oder entsprechender Laptop ausgebildet sein kann.
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Es ergibt sich die folgende Funktion:
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Zum Überprüfen der zumindest einen scanrelevanten Funktionseigenschaft der Laserscaneinrichtung 12, wird mittels des mit der Laserlichtquelle 16 und/oder der Scaneinheit 22 synchronisierten bildgebenden Sensors 34 der von der Laserscaneinrichtung 12 abgescannte Scanbereich 36 der Scanfläche 38 während eines Scanvorgangs optisch erfasst. Die Synchronisation kann direkt zwischen Sensor 34 und Laserscaneinrichtung 12 oder über den Computer 46 erfolgen. Innerhalb der Laserscaneinrichtung 12 erfolgt die Synchronisation der Laserlichtquelle 16 und/oder der Scaneinheit 22 mit dem bildgebenden Sensors 34 bevorzugt über die Steuereinrichtung 24.
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Die 3 zeigt eine mittels des auf dem Dynamic-Vision-Funktionsprinzip beruhenden bildgebenden Sensor 34 erstellte Aufnahme eines von der Laserscaneinrichtung abgescannten Scanbereichs 36 auf einer Scanfläche 38. Das Objekt, welches die Scanfläche 38 bereitstellt, weist in der Scanfläche 38 Markierungen 48 auf. Mittels des die Scanfläche 38 während des Scanvorgangs optisch erfassenden bildgebenden Sensors 36 wird überprüft, ob die Laserscaneinrichtung 12 beim Abscannen des Scanbereichs 36 die dort vorhandenen Markierungen 48 in einer bestimmten Zeit trifft.
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Nach einem Scanzyklus werden die Aufnahmen des auf dem Dynamic-Vision-Funktionsprinzip beruhenden bildgebenden Sensors 34 ausgewertet und es sollte zu jeder Position einer Markierung 48 stets ein abgebildeter Laserpuls 50 zuordenbar sein. Fehlt eine solche Übereinstimmung oder ist zumindest ein Laserpuls 50 an einer falschen Position 52, so hat die Laserscaneinrichtung 12 bezüglich zumindest einer scanrelevanten Funktionseigenschaft einen Mangel.
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Im einfachsten Fall soll durch das Überprüfen der scanrelevanten Funktionseigenschaft(en) der Laserscaneinrichtung 12 nicht die Ursache des Problems aufgezeigt werden, sondern lediglich die Tatsache, dass die Laserscaneinrichtung 12 den Scanbereich 36 innerhalb einer bestimmten Zeit (Echtzeit) nicht komplett abtastet oder an vereinzelt Positionen eine nicht gewünschte Mehrfachabtastung stattfindet.
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Ein solcher Aufbau kann nicht nur während der Entwicklung verwendet werden, sondern auch bei einer „Bandende-Prüfung“ des fertigen Produktes, da es gerade hier auf eine kurze Taktzeit ankommt.
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Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung noch einmal mit anderen Worten genannt werden:
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Durch die Verwendung eines auf dem Dynamic-Vision-Funktionsprinzip beruhenden bildgebenden Sensors 34, zum Beispiel eines DVS selbst, müssen nur verhältnismäßig geringe Datenmengen bearbeitet werden, da keine oder nahezu keine redundanten Daten entstehen. Es entsteht ein Bild-Datensatz, der nur die Information über den Scanbereich 36 mit seinen Markierungen 48 sowie die Information über die Positionen und den jeweiligen Zeitpunkt der auftretenden Laserpulse enthält. Zur Bearbeitung solcher Datensätze reicht ein Standard-PC oder Computer mit vergleichbarer Leistung. Dementsprechend ergeben sich geringe Kosten und ein relativ geringer Energieverbrauch.
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Weitere Vorteile eines solchen Sensors 34 sind: seine Größe, die vergleichbar mit einer Web-Cam ist, USB2.0, die Möglichkeit zur Real-Time-Erfassung, eine sehr kleine Latenzzeit, hohe Empfindlichkeit sowie ein sehr hoher Dynamik-Bereich von etwa 120 dB. Durch diese Eigenschaften ist der Sensor 34 portabel, einfach zu programmieren, geeignet für ein kontinuierliches Prozessieren, hinreichend empfindlich und für einen sehr breiten Einsatzbereich geeignet.
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Bezugszeichenliste
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| Objekterfassungsvorrichtung |
10 |
| Laserscaneinrichtung |
12 |
| Empfangseinrichtung |
14 |
| Laserlichtquelle |
16 |
| Laserlichtstrahl |
18 |
| MEMS-Mikrospiegel |
20 |
| Scaneinheit |
22 |
| Steuereinrichtung |
24 |
| Diode |
26 |
| Licht |
28 |
| Auswerteeinrichtung (Objekterfassungsvorrichtung) |
30 |
| System |
32 |
| Sensor |
34 |
| Scanbereich |
36 |
| Scanfläche |
38 |
| Objekt (Bildwand) |
40 |
| Auswerteeinheit (System) |
42 |
| Systemsteuerung |
44 |
| Computer |
46 |
| Markierung |
48 |
| abgebildeter Laserpuls |
50 |
| fehlende Übereinstimmung/falsche Position |
52 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015100910 A1 [0004]
