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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein LIDAR-System beispielsweise für ein Fahrerassistenzsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Systems.
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Stand der Technik
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Bei einem LIDAR-System wird ein Licht in einen Erfassungsbereich gesendet und aufgrund einer Zeitdauer, bis eine Reflexion des Lichts erfasst wird, eine Entfernung bis zu einem Objekt bestimmt, an dem die Reflexion stattgefunden hat. Da das Licht gerichtet gesendet wird, ist auch eine Richtung zu dem Objekt bekannt. Von dem LIDAR-System generierte Rohdaten liegen also als Polarkoordinaten oder Kugelkoordinaten mit dem LIDAR-System als Ursprung vor.
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Rotierende Systeme können aus mehreren Einheiten bestehen. Beispielsweise ist in der
US 007969558 B2 ein sogenannter Lidar-Makroscanner beschrieben. Dabei decken jeweilige Sende- und Empfangseinheiten alle einen gleichen Winkelbereich ab. Für eine Abdeckung eines hohen vertikalen Winkelbereichs ist eine aufwändige Optik nötig.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein LIDAR-System und ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Systems gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, mehrere kostengünstige Sende- und Empfangseinheiten mit einem begrenzten Erfassungswinkelbereich zu verwenden, um einen größeren Erfassungswinkelbereich zu erfassen. Alternativ oder ergänzend kann ein Gesamterfassungsbereich mit einer erhöhten Auflösung und/oder einer erhöhten Erfassungsfrequenz erfasst werden.
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Es wird ein LIDAR-System vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein um eine Rotationsachse drehbarer Rotor des LIDAR-Systems mehrere diskrete Sendeempfangseinheiten mit in unterschiedliche Richtungen ausgerichteten Erfassungsbereichen aufweist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Systems gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Schritt des Sendens durch die Sendeempfangseinheiten bestimmte Erfassungsinformationen sequenziell zu einem Steuergerät des LIDAR-Systems übertragen werden.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Um mit einem einzelnen LIDAR-System Objekte in allen Richtungen erfassen zu können, kann ein rotierendes System verwendet werden. Dabei können bei einer vertikalen Ausrichtung einer Rotationsachse des Systems verschiedene Lichtstrahlen verschiedene Winkelbereiche bzw. Höhen abtasten. Ein Erfassungsbereich deckt dabei umlaufend um die Rotationsachse einen Winkelbereich von Polarkoordinaten ab. Beispielsweise kann ein Erfassungsbereich einen Winkelbereich von zwischen 15 und 40 Grad abdecken. Um eine aussagekräftige Auflösung zu erhalten, kann eine Vielzahl an Lichtstrahlen ausgesandt werden und eine Vielzahl an Reflexionen empfangen werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden mehrere Sende- und Empfangseinrichtungen einfacher Bauart auf einem gemeinsamen Rotor verwendet, um jeweils eine begrenzte Anzahl an Lichtstrahlen und deren Reflexionen in unterschiedliche Richtungen, insbesondere in unterschiedliche Winkelbereiche, zu senden und zu empfangen. Die gewonnenen Richtungs- und Entfernungsinformationen werden anschließend zu einem Gesamtbild der Umgebung kombiniert.
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Unter einem LIDAR-System kann ein lichtbasiertes Richtungs- und Entfernungserfassungssystem (Light Detection and Ranging) verstanden werden. Als Sendeempfangseinheit kann eine Sende- und Empfangseinheit bezeichnet werden, die Lichtstrahlen beziehungsweise Laserstrahlen als einen Winkelbereich überstreichender Fächer in einen Erfassungsbereich sendet und deren Reflexionen aus dem Erfassungsbereich empfängt. Die Sendeempfangseinheit kann als Laserscanner bezeichnet werden. Die Sendeempfangseinheit kann Sendezeitpunkte und Laufzeiten des Lichts oder Richtung und Entfernung zu einem detektierten Objekt bereitstellen.
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Die Sendeempfangseinheiten können in einer ausgewuchteten Anordnung um die Rotationsachse angeordnet sein. Bei einer ausgewuchteten Anordnung kann ein Gesamtschwerpunkt des Rotors mit den Sendeempfangseinheiten und Peripherie auf die Rotationsachse fallen. Die Anordnung kann statisch oder statisch und dynamisch ausgewuchtet sein. Durch die ausgewuchtete Anordnung kann der Rotor mit geringen Schwingungen gedreht werden, wodurch hohe Drehzahlen mögliche sind. Für eine ungerade Anzahl von Sendeempfangseinheiten besteht ein besonderer Vorteil bezüglich Auswuchtung und Stabilität.
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Die Sendeempfangseinheiten können gleichartig sein. Die Sendeempfangseinheiten können den gleichen Aufbau beziehungsweise die gleiche Struktur aufweisen. Beispielsweise können die Sendeempfangseinheiten die gleiche Anzahl an Lichtstrahlen aussenden. Ebenso können die Sendeempfangseinheiten das gleiche Gewicht und/oder gleiche Abmessungen aufweisen. Die Sendeempfangseinheiten sind unterschiedlich ausgerichtet.
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Die Erfassungsbereiche können in unterschiedlichen Winkelstellungen zu der Rotationsachse ausgerichtet sein. Dazu können die Sendeempfangseinheiten gegenüber einer Rotationsebene des Rotors zumindest teilweise verkippt beziehungsweise angestellt angeordnet sein. Ebenso kann eine Optik der Sendeempfangseinheiten innerhalb eines Gehäuses der Sendeempfangseinheit schräg angeordnet sein. Durch die unterschiedlichen Winkelstellungen können sich die Winkelbereiche der Erfassungsbereiche zu einem Gesamterfassungsbereich ergänzen.
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Die Erfassungsbereiche können sich zumindest teilweise überlappen. Durch eine Überlappung werden die überlappenden Bereiche häufiger abgetastet. Wenn die Lichtstrahlen in den überlappenden Bereichen mit einem Winkelversatz ausgerichtet sind, werden die überlappenden Bereiche mit einer erhöhten Auflösung abgetastet. Wenn die Lichtstrahlen in den überlappenden Bereichen keinen Winkelversatz aufweisen, ergibt sich eine erhöhte Abtastrate.
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Ebenso können sich die Erfassungsbereiche nicht überlappen. Ohne Überlappung ist der Gesamterfassungsbereich des LIDAR-Systems maximal.
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Der Rotor kann eine induktive Energieübertragungseinrichtung aufweisen. Eine induktive Energieübertragung erfolgt durch benachbarte Spulen. Die Energieübertragung kann berührungslos erfolgen. Dadurch können Schleifkontakte und resultierende Vibrationen beim Betrieb des LIDAR-Systems vermieden werden.
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Der Rotor kann drei Sendeempfangseinheiten aufweisen. Die Sendeempfangseinheiten können in einem Azimutwinkel von 120° versetzt zueinander angeordnet sein. Drei einfache Sendeempfangseinheiten können im gleichen Bauraum angeordnet werden, wie ein Einzelsensor gleicher Auflösung und/oder mit dem gleichen Gesamterfassungsbereich.
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Die Sendeempfangseinheiten können dazu ausgebildet sein, den jeweiligen Erfassungsbereich unter Verwendung je eines in die Richtung ausgesendeten Strahlenfächers aus mehreren Laserstrahlen abzutasten. Ein Strahlenfächer kann aus divergierenden Laserstrahlen bestehen. Die Laserstrahlen können durch unterschiedlich ausgerichtete Laserlichtquellen, beispielsweise Laserdioden bereitgestellt werden. Ebenso kann eine einzelne Laserlichtquelle über eine Ablenkeinheit den Strahlenfächer bereitstellen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen betreffend ein LIDAR-System bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines LIDAR-Systems beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt ein Blockschaltbild eines LIDAR-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 zeigt eine räumliche Darstellung eines Rotors eines LIDAR-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines LIDAR-Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das LIDAR-System 100 ist dazu ausgebildet, Objekte in einem Gesamterfassungsbereich 102 von 360° zu erfassen. Dazu weist das LIDAR-System 100 einen um eine Drehachse 104 drehbar gelagerten Rotor 106 auf. Der Rotor 106 ist ein Sensorträger und weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei diametral gegenüberliegende Sendeempfangseinheiten 108 auf.
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Diese symmetrische Anordnung ist eine ausgewuchtete Anordnung. Abhängig von den Anforderungen an das LIDAR-System 100 kann der Rotor 106 unterschiedliche Anzahlen von Sendeempfangseinheiten 108 aufweisen. Auch eine Mehrzahl von Sendeempfangseinrichtungen 108 ist dabei in einer ausgewuchteten Anordnung anordenbar. Durch die hier gegenüberliegen Sendeempfangseinrichtungen 108 weist der Rotor 106 bereits eine geringe Unwucht auf. Um die Unwucht in einen Toleranzbereich zu bringen, kann der Rotor 106 durch lokale Gewichtszugabe oder Gewichtswegnahme einfach statisch und dynamisch ausgewuchtet werden. Der Rotor kann dann mit einer hohen Drehzahl gedreht werden, ohne zu vibrieren.
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Die Sendeempfangseinheiten 108 sind eigenständige Laserscanner, die je einen Strahlenfächer 110 in je einen Erfassungsbereich 112 aussenden. Die Strahlenfächer 110 sind hier radial zu der Rotationsachse 104 und um 180° versetzt ausgerichtet. Die Strahlenfächer 110 bestehen dabei aus mehreren über einen Winkelbereich divergierend ausgesandten Laserstrahlen. Wenn die Strahlenfächer 110 auf ein Objekt treffen, projizieren sie eine Linie 114 von Lichtpunkten beziehungsweise Lichtstreifen auf das Objekt. Die Lichtstreifen können nahtlos ineinander übergehen.
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Die Strahlenfächer 110 der beiden Sendeempfangseinheiten 108 sind hier in unterschiedlichen Winkeln zur Rotationsachse 104 ausgerichtet. Die Strahlenfächer 110 sind gleich breit aufgefächert. Die Strahlenfächer 110 sind auf unterschiedliche Seiten einer Normalen zur Rotationsachse 104 gerichtet. Dadurch ergänzen sich die beiden Erfassungsbereiche 112 zu dem Gesamterfassungsbereich 102 des LIDAR-Systems 100.
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Die Rotationsachse 104 ist hier in einer vertikalen Ausrichtung dargestellt. Die Sendeempfangseinheiten 108 bewegen sich daher in einer horizontalen Rotationsebene auf einer Kreisbahn. Die Linie 114 der Lichtpunkte ist hier vertikal ausgerichtet. Der eine Strahlenfächer 110 ist oberhalb der Rotationsebene gerichtet, der andere Strahlenfächer 110 ist unterhalb der Rotationsebene gerichtet.
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Der Rotor 106 wird durch einen Antrieb 116 angetrieben. Dadurch rotieren die Strahlenfächer 110 um das LIDAR-System 100. Der Gesamterfassungsbereich 102 wird so einmal pro Umdrehung erfasst. Der Rotor 106 kann beispielsweise mit bis zu 20 Umdrehungen pro Sekunde gedreht werden.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Strahlenfächer 110 im Wesentlichen im gleichen Winkel zur Rotationsachse 104 ausgerichtet. Der Gesamterfassungsbereich 102 deckt damit den gleichen Winkel ab, wie die Strahlenfächer 110. Dafür wird der Gesamterfassungsbereich 102 zweimal pro Umdrehung erfasst.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das LIDAR-System 100 eine berührungslose Energieübertragungseinrichtung 118 auf. Die Energieübertragungseinrichtung 118 weist eine feststehende Induktionseinheit und eine mit dem Rotor 106 drehende Induktionseinheit auf. Die Induktionseinheiten sind durch einen Luftspalt voneinander beabstandet. Die feststehende Induktionseinheit ist mit einer Energieversorgungseinrichtung 120 des LIDAR-Systems 100 verbunden. Die mitdrehende Induktionseinheit ist mit den Sendeempfangseinheiten 108 verbunden.
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Die Laserstrahlen werden gepulst ausgesendet und werden zurückgestreut, wenn sie auf ein Objekt treffen. Über eine Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen kann eine Entfernung zwischen der Sendeempfangseinheit 108 und dem Objekt berechnet werden. Eine Winkelstellung des Rotors 106 zu einem Zeitpunkt des Aussendens ist bekannt. Somit ist auch eine Richtung zu dem Objekt bekannt. Diese Entfernungsinformationen 122 und Richtungsinformationen 122 werden in einem Ausführungsbeispiel drahtlos an ein Steuergerät 124 des LIDAR-Systems 100 übertragen.
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Die Informationen 122 werden sequentiell bearbeitet, da zusammengehörende horizontale Winkelbereiche nicht gleichzeitig sondern nacheinander abgefahren werden. Durch eine sequenzielle Übertragung werden die Informationen 122 nacheinander übertragen. Im Steuergerät 124 werden die Entfernungsinformationen 122 der einzelnen Sendeempfangseinheiten 108 über die Richtungsinformationen 122 korreliert.
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2 zeigt eine räumliche Darstellung eines Rotors 106 eines LIDAR-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Rotor 106 entspricht im Wesentlichen dem Rotor in 1. Im Gegensatz dazu weist der Rotor 106 hier drei Sendeempfangseinheiten 108 auf. Die Sendeempfangseinheiten 108 sind gleichartig, und azimutal um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnet. Der Rotor 106 ist hier eine Kreisscheibe mit drei Ausschnitten 200, in denen die Sendeempfangseinheiten 108 angeordnet sind. Die Sendeempfangseinheiten 108 sind gleichmäßig entlang eines Umfangs der Kreisscheibe verteilt angeordnet. Dies entspricht einer zumindest statisch ausgewuchteten Anordnung, da ein Schwerpunkt des Rotors 106 und der Sendeempfangseinheiten 108 mit der Rotationsachse 104 zusammenfällt.
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Die Sendeempfangseinheiten 108 weisen eine Sende- und Empfangsapertur 202 auf. Die Sende- und Empfangsapertur 202 ist bei allen Sendeempfangseinheiten 108 von der Rotationsachse 104 abgewandt. In den Ausschnitten 200 sind die Sendeempfangseinheiten 108 gegenüber einer Ebene der Kreisscheibe zum Teil um einen Winkel verkippt angeordnet, damit die hier nicht dargestellten Erfassungsbereiche in unterschiedlichen Winkelstellungen zur Rotationsachse 104 ausgerichtet sind. Dabei ist hier eine der Sendeempfangseinheiten 108 nach oben verkippt angeordnet. Eine der Sendeempfangseinheiten 108 ist nach unten verkippt angeordnet. Eine der Sendeempfangseinheiten 108 ist nicht verkippt angeordnet. Durch diese Anordnung decken die Sendeempfangseinheiten 108 zusammen einen oberen Bereich, einen mittleren Bereich und einen unteren Bereich des Gesamterfassungsbereichs des LIDAR-Systems ab.
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Mit anderen Worten kann eine Sendeempfangseinheit 108 als ein Teilsystem oder ein Sensor bezeichnet werden. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann unter Verwendung von n Teilsystemen 108 eine Reduzierung der Anforderungen an die Winkelauflösung des Einzelsystems 108 erreicht werden.
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LIDAR-Sensoren können zum Realisieren hochautomatisierter Fahrfunktionen verwendet werden. Zur Abdeckung großer horizontaler Erfassungswinkel zwischen 150° und 360° können mechanische Laserscanner verwendet werden. Bei einem Drehspiegel-Laserscanner dreht sich nur ein motorgetriebener Ablenkspiegel und der maximale Erfassungsbereich ist auf etwa 150° beschränkt. Für größere Erfassungsbereiche bis zu 360° befinden sich alle elektrooptischen Komponenten auf einem motorgetriebenen Drehteller 106 oder Rotor 106. Dabei wird bisher der gesamte vertikale Bereich durch einen einzelnen Sensor abgedeckt.
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Durch den Einsatz von n ähnlichen Teilsystemen 108 können bei dem hier vorgestellten Ansatz mit einem Lider-Konzept große Winkelbereiche mit hoher Auflösung und hohen Frameraten abgetastet werden. Durch die Verwendung von n Teilsystemen 108 kann die Anforderung an ein einzelnes Teilsystem 108 reduziert werden.
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Durch eine geeignete Wahl der vertikalen Winkeleinstellung von n gleichen Sensoren 108 kann eine erhöhte Auflösung und/oder ein erhöhter Winkelbereich bzw. eine erhöhte Framerate erreicht werden. Insbesondere besteht dadurch die Möglichkeit, einfache optische Systeme mit begrenzten Abbildungseigenschaften verwenden zu können.
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Durch die erhöhte Symmetrie kann der Rotor 106 einfacher ausgewuchtet werden. Als Sendeempfangseinheiten 108 können einfache, nicht abbildende optische Systeme verwendet werden.
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Das hier vorgestellte LIDAR-System ist ein Laserscanner mit elektrooptischen Bauelementen auf einem sich drehenden Rotor 106 und besteht aus n Teilsystemen 108, wovon jedes Teilsystem 108 einen anderen vertikalen Winkelbereich abdeckt. Dadurch kann die Anforderung an ein einzelnes Teilsystem 108 in Bezug auf Winkelabdeckung reduziert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das LIDAR-System drei Teilsysteme 108 mit einem Akzeptanzwinkel von ±3° auf. Dabei deckt das erste Teilsystem 108 den vertikalen Winkelbereich zwischen -9° und -3° ab. Das zweite Teilsystem 108 deckt den vertikalen Winkelbereich zwischen -3° und +3° ab. Das dritte Teilsystem deckt den vertikalen Winkelbereich zwischen +3° und +9° ab.
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Das LIDAR-System kann auch mehr als drei Teilsysteme 108 aufweisen, die dabei ebenfalls in einer ausgewuchteten Anordnung auf dem Rotor 106 verteilt sind. Beispielsweise können fünf Teilsysteme 108 um je 72 Grad versetzt zueinander oder neun Teilsysteme 108 um je 40 Grad versetzt zueinander auf dem Rotor 106 angeordnet sein.
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Ebenso kann das LIDAR-System aus n Teilsystemen 108 bestehen, die den gleichen Winkelbereich abdecken. Dabei können die Teilsysteme 108 auch unterschiedliche vertikale Winkelschritte abdecken, also beispielsweise um einen Auflösungsschritt versetzt sein. So kann die Auflösung erhöht werden.
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Wenn die Teilsysteme 108 alle den gleichen Winkelbereich abdecken, kann die Wiederholungsrate und/oder die funktionale Sicherheit des Systems erhöht werden.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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