-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems mit einer Lichtemissionsvorrichtung, die einen Emitter und eine Rastereinheit aufweist, und einer Steuereinheit, wobei die Lichtemissionsvorrichtung ausgebildet ist, ihre Umgebung zumindest teilweise zufällig abzutasten.
-
In vielen Fällen ist die Lichtemissionsvorrichtung ein Laserscanner beziehungsweise ein LIDAR-System. Die Funktion eines LIDAR-Systems beruht auf einer Laufzeitmessung von ausgesandten Lichtsignalen. Der Begriff Licht soll hier das ganze elektromagnetische Spektrum vom Ultravioletten über das Sichtbare zum Infraroten umfassen. Für LIDAR-Systeme werden üblicherweise elektromagnetische Strahlen im Wellenlängenbereich von ca. 850 bis ca. 1600 nm (Nanometer) verwendet. Treffen diese auf Oberflächen in der Umgebung des LIDAR-Systems, so wird ein Teil der ausgesandten elektromagnetischen Strahlung bzw. der ausgesandten Strahlungsleistung in Richtung des LIDAR-Systems reflektiert. Dementsprechend kann das Pulsecho, also an einem Objekt reflektierte Lichtstrahlen, mit einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses zum Zeitpunkt z0 und wird das Echosignal zu einem späteren Zeitpunkt z1 erfasst, dann kann der Abstand d zur reflektierenden Oberflache mit der Laufzeit dta = z1 - z0 nach d = dta*c/2 errechnet werden. c ist dabei der Wert der Lichtgeschwindigkeit. Diese Methode arbeitet sinnvollerweise mit Lichtpulsen, welche unter Verwendung beispielsweise von Halbleiterlaserdioden mit einer Wellenlänge von 905 nm, eine FWHM-Pulsbreite tp von 1 ns < tp < 100 ns aufweisen (FWHM = Full Width at Half Maximum).
-
Bisher bekannte LIDAR-Systeme beziehungsweise LIDAR-Sensoren tasten eine Umgebung des LIDAR-Systems nach einem vorgegebenen Muster ab. Dabei kann es in ungünstigen Fällen zu verschiedenen Nachteilen kommen. Durch eine systematische Abtastung des Umgebungsbereichs, zum Beispiel von links nach rechts, könnte ein Objekt, welches sich am Ende des Erfassungsbereichs des LIDAR-Sensors befindet, relativ spät erkannt werden. Zum anderen könnten, bedingt durch die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs und der Messfrequenz des LIDAR-Sensors, sogenannte Aliasing-Artefakte auftreten, insbesondere wenn die Abtastrate kleiner als das Zweifache der höchsten im Signal vorkommenden Frequenz ist (Nyquist-Shannon-Abtasttheorem). Auch Schwebungs- oder Stroboskopeffekte, welche eine Verzerrung der Realität darstellen, könnten sich mit üblichen LIDAR-Systemen ergeben.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein LIDAR-System bereitzustellen, welches eine Möglichkeit bietet, einen größeren Sichtbereich schneller zu erfassen und damit auch eine schnellere Objekterkennung zu ermöglichen. Zudem sollen sogenannte Aliasing-Artefakte reduziert werden, was zusätzlich eine zuverlässigere Aufzeichnung von Objekten in der Umgebung einer Lichtemissionsvorrichtung ermöglichen soll und damit eine verbesserte nachgelagerte Objekterkennung.
-
Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung sieht demnach ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems mit einer Lichtemissionsvorrichtung, die einen Emitter und eine Rastereinheit aufweist, und einer Steuereinheit vor, wobei die Lichtemissionsvorrichtung ausgebildet ist, ihre Umgebung zumindest teilweise zufällig abzutasten. Die Begriffe „stochastisch“ oder „stochastischer Prozess“ oder „Zufallsprozess“ beschreiben eine Abfolge von zeitlich geordneten, zufälligen Vorgängen. Diese Abfolge kann beispielsweise durch physikalische Zufallsgeneratoren oder Pseudozufallszahlengeneratoren erzeugt werden.
-
Zur Verbesserung von Störabständen werden in einem sinnvoll aufgebauten LIDAR-System mehrere zuvor beschriebene Einzelpulsmessungen miteinander verrechnet, um beispielsweise den Störabstand durch Mittelung zu verbessern. Der Störabstand ist auch unter dem Begriff des Signal-Rausch-Verhältnisses bekannt. Der Störabstand ist definiert als das Verhältnis einer mittleren Leistung eines Nutzsignals zu einer mittleren Rauschleistung eines Störsignals. Ein übliches LIDAR-System verwendet darüber hinaus unterschiedlich gestaltete Sender- und Empfängerkonzepte, um die Abstandsinformationen in verschiedene Raumrichtungen erfassen zu können. Damit wird dann ein zwei- oder dreidimensionales Bild der Umgebung erzeugt, welches für jeden aufgelösten Raumpunkt die vollständigen dreidimensionalen Koordinaten enthält. Wird zusätzlich zu den dreidimensionalen Koordinaten auch eine Laufzeit berücksichtigt, kann man von 4-dimensionalen Koordinaten sprechen. LIDAR-Systeme können in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, was aber für die nachfolgend beschriebene Idee keinen prinzipiellen Unterschied bzw. keine Einschränkung bedeutet. Bevorzugt kommen LIDAR-Systeme bei Fahrzeugen zum Einsatz. LIDAR-Systeme arbeiten typischerweise mit infraroten Wellenlängen im Bereich 850 nm < λ < 1600 nm, was jedoch prinzipiell nicht erforderlich ist. Die möglichen LIDAR-Systeme lassen sich abstrakt anhand der Art und Weise unterscheiden, wie die Bildauflösung dargestellt wird. Die Auflösung kann entweder ausschließlich über einen winkelselektiven Detektor, einen winkelselektiven Emitter oder durch eine Kombination bzw. Zusammenwirken beider Systeme dargestellt werden.
-
Ein LIDAR-System, welches seine Auflösung ausschließlich mittels des Detektors erzeugt, wird häufig als „Flash“-LIDAR bezeichnet. Es weist einen Emitter auf, welcher möglichst homogen den gesamten vorgegebenen bzw. voreingestellten Sichtbereich (englisch: FOV = field of view) ausleuchtet. Der Detektor weist in diesem Fall mehrere einzeln auslesbare und in einer Matrix angeordnete Segmente auf. Dazu ist eine Optik, welche verschiedene Raumwinkelsegmente auf die einzelnen Segmente abbildet, erforderlich. Dieser Typ von LIDAR-System wird oft als „Flash“-LIDAR bezeichnet. Oft ist damit auch nur der entsprechende LIDAR-Sensor angesprochen.
-
Im Unterschied dazu weist ein Raster-LIDAR-System einen Emitter auf, welcher die Messpulse gezielt in verschiedene Raumrichtungen aussendet, was allerdings zeitlich sequentiell geschehen muss. Als Detektor genügt hier ein Einzelsegment in Kombination mit einer Optik, welche den gesamten Sichtbereich des LIDAR-Systems darauf abbildet. Eine Mischform ist die genannte Kombination bzw. das oben genannte Zusammenwirken, in der in einer Dimension eine Rasterbewegung erfolgt, die Auflösung in der zweiten Dimension aber mittels eines in dieser Dimension winkelselektiven Detektors erreicht wird. Hierbei kann man auch von einem Hybrid-Raster-LIDAR-System oder Hybrid-Raster-LIDAR-Sensor sprechen. Diese im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung beschriebene Erfindungsidee und Ausführungsformen der Erfindung lässt/lassen sich mit den beiden letztgenannten Typen von LIDAR-Sensoren kombinieren.
-
Eine Lichtemissionsvorrichtung könnte ein System aus LED-Elementen mit einer Blende sein. Auch Ultraschall- oder Radarsignale sind in diesem Kontext als Lichtemissionsvorrichtung zu verstehen.
-
Bevorzugt ist mit dem Wort „Lichtemissionsvorrichtung“ ein Laserscanner-System, insbesondere ein LIDAR-Sensor, gemeint. Ein hier bevorzugt verwendeter Infrarot-Laser (IR-Laserdiode) zeichnet sich durch eine gute Kollimation der Emissionsstrahlung aus. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet folgende Verfahrensschritte. Zunächst wird ein zu erfassender Raumbereich in der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung vorgegeben. In vielen Fällen wird dies bereits bei der Herstellung der Lichtemissionsvorrichtung in derselben implementiert, zum Beispiel durch eine entsprechende Programmierung. So weist beispielsweise ein LIDAR-Sensor ab Werk einen bestimmten Erfassungsbereich auf. Der vorgegebene Raumbereich wird durch Aussenden von Lichtstrahlen durch die Lichtemissionsvorrichtung in verschiedene Raumrichtungen abgetastet.
-
Die verschiedenen Raumrichtungen lassen sich mit unterschiedlichen Koordinatensystemen beschreiben. In den meisten Fällen kommen Polarkoordinaten, also winkelbezogene Koordinaten, zum Einsatz. Jedoch können die Raumrichtungen auch über ein kartesisches Koordinatensystem, also mit x- und y-Komponenten, definiert werden. Prinzipiell auch denkbar ist der Einsatz von Kugelkoordinaten oder anderen Koordinatensystemen. Auch ein Umschalten von verschiedenen Koordinatensystemen kann je nach Einsatzart des LIDAR-Systems sinnvoll sein und implementiert sein.
-
Die Steuereinheit steuert den Emitter auf der Basis einer Zufallskomponente an, wodurch der Emitter zu zufälligen Zeitpunkten Lichtstrahlen in Richtung der Rastereinheit aussendet. Die Rastereinheit lenkt die Lichtstrahlen in die verschiedenen Raumrichtungen um, entlang derer die Lichtstrahlen die Lichtemissionsvorrichtung verlassen. Mit anderen Worten sendet die Lichtemissionsvorrichtung Lichtstrahlen nach jedem Zeitschritt in Richtung einer zufälligen Raumrichtung aus.
-
Die Zeitpunkte, an denen Lichtstrahlen ausgesendet werden, sind zeitlich zufällig, was bedeutet, dass die Zeitpunkte, an denen der Emitter Lichtstrahlen emittiert, stochastisch bzw. zufällig verteilt sind und kein erkennbares regelmäßiges Muster bilden. Mit Zeitschritt ist die Zeitdifferenz zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Lichtpulsen beziehungsweise zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Lichtstrahlen gemeint, wobei die Zeitdifferenz anhand der Zeitpunkte zu Beginn zweier unmittelbar aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen, von einem Lichtpeak zum unmittelbar nächsten Lichtpeak oder anderen vorgegebenen Zuständen des Lichts bestimmt werden kann.
-
Stößt die Lichtemissionsvorrichtung zum Beispiel jede Sekunde einen Lichtimpuls aus (der „Lichtausstoß“ benötigt hier zur Vereinfachung quasi keine Zeit), so wäre der Zeitschritt eine Sekunde. Nach jedem Zeitschritt ergibt sich ein neuer unmittelbar nachfolgender zufälliger Zeitpunkt, an dem ein Lichtstrahl ausgesendet wird. Die zeitliche Länge der einzelnen Zeitschritte kann unregelmäßig, teilweise zufällig oder komplett zufällig sein.
-
Der Begriff „zufällig“ betrifft in diesem Kontext vor allem die zeitliche Stochastik des Emitters. Durch das Zusammenwirken des Emitters mit der Rastereinheit ergibt sich als Folge, dass die Lichtstrahlen in unterschiedliche Raumrichtungen ausgesendet werden, welche man ebenfalls als „zufällig“ oder „stochastisch“ bezeichnen kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Rastereinheit zu bestimmten Zeitpunkten ihre Orientierung zum Emitter ändert oder dass der Emitter nach jedem Zeitpunkt einen anderen Teilbereich der Rastereinheit mit einer anderen Ausrichtung beleuchtet. Dadurch ergibt sich jeweils eine andere Umlenkung der Lichtstrahlen durch die Rastereinheit und somit ein zufälliges Abtasten der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung.
-
Soll beispielsweise ein Bereich von 0 bis 20 Grad abgescannt werden, so wird bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren nicht systematisch von 0° bis 20° abgescannt, sondern die Lichtemissionsvorrichtung sendet nach jedem Zeitschritt beziehungsweise zu dem unmittelbar nachfolgenden Zeitpunkt jeweils Lichtstrahlen in unterschiedliche, stochastisch bestimmte, Raumrichtungen aus. Die Reihenfolge der Raumrichtungen, in welche die Lichtemissionsvorrichtung die Lichtstrahlen aussendet, beinhaltet wenigstens eine Zufallskomponente, nämlich das Aussenden von Lichtstrahlen durch den Emitter zu zufälligen Zeitpunkten. Somit wird das Schema, mit dem die Lichtemissionsvorrichtung die Umgebung abtastet, bis zu einem gewissen Grad zufällig sein. Diese zufällige Abtastung kann auch als stochastische Abtastung oder zufälliges Abtasten bzw. Abscannen bezeichnet werden. Anstelle des Begriffs Abtasten können ebenfalls die Begriffe Abscannen, Abrastern, Ablichten oder andere sinnverwandte Synonyme verwendet werden. Sie alle meinen dasselbe.
-
Durch dieses Abtasten mit wenigstens einer Zufallskomponente können sogenannte Aliasing-Artefakte vermieden bzw. zumindest teilweise reduziert werden. Aliasing-Artefakte können entstehen, wenn das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem verletzt wird.
-
Würde man beispielsweise bei einer Sinusschwingung mittels einer ungünstigen Messfrequenz lediglich stets den Wellenberg abgreifen, so würde sich für einen Sensor ein konstantes Messsignal ergeben, obwohl die Realität eine Sinusschwingung wäre. Dieses Beispiel zeigt, dass bei ungünstigen Umständen beim Abtasten der Umgebung ein verzerrtes Bild der Realität aufgezeichnet werden könnte. Erfolgt jedoch, wie in den Verfahrensschritten geschildert, die Abtastung zumindest teilweise stochastisch, so wäre der Fall, dass stets ungünstig gemessen werden würde, de facto ausgeschlossen. Auch Schwebungs- und Stroboskopeffekte können mittels der teilweisen stochastischen Abtastung durch die Lichtemissionsvorrichtung wirksam unterbunden bzw. reduziert werden. Darüber hinaus kann die Abtastung mittels der Zufallskomponente im Algorithmus derart ausgestaltet werden, dass Objekte mit einer höheren Wahrscheinlichkeit schneller detektiert werden können.
-
In einer weiteren Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit zusätzlich zur Zufallskomponente eine deterministische Komponente verwendet, um den Emitter anzusteuern. Damit kann eine Abtastfunktion für ein Ansteuerverfahren, mit welchem die Steuereinheit den Emitter ansteuert erzeugt werden, welche neben einer systematischen bzw. deterministischen Komponente zusätzlich eine zufällige Komponente aufweist. Bei dieser Variante kann eine zufällige Klumpung der abgetasteten Punkte der Umgebung wirksam verhindert werden. Theoretisch wäre es bei einem rein zufälligen Abtastschema der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung möglich, dass sämtliche Abtastpunkte sich auf einen kleinen Bereich konzentrieren würden. Um dieses „Restrisiko“ der Klumpung vollständig auszuschließen, kann es sinnvoll sein, das Abtastschema nicht nur rein zufällig, sondern in Kombination mit einer deterministischen Komponente vorzunehmen. Damit können die Vorteile einer systematischen und zufälligen Abrasterung der Umgebung kombiniert werden. Somit kann effektiv unterbunden werden, dass bei der Abrasterung der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung zu große Bereiche komplett ausgelassen werden. Damit kann verhindert werden, dass große blinde Flecken entstehen können.
-
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Zufallskomponente basierend auf einer echten Zufallszahl und/oder einer Pseudo-Zufallszahl bestimmt wird. Pseudo-Zufallszahlen können mittels PseudoZufallszahlengeneratoren ermittelt werden. PseudoZufallszahlengeneratoren können auf Fibonacci-Reihen zurückgreifen. Insbesondere kann ein sogenannter Fibonacci-Generator zum Einsatz kommen, um Pseudo-Zufallszahlen zu bestimmen. Der Fibonacci-Generator beinhaltet eine Vorschrift, welche aus zwei Startwerten eine weitere Zahl, die sogenannte Pseudo-Zufallszahl, erzeugt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Generierung von Zufallszahlen nicht auf Fibonacci-Reihen beschränkt. Es können auch andere mathematische Methoden, wie zum Beispiel die lineare Konkurrenzmethode, die Quadratmittenmethode, die Hewlett-Packard-Methode oder das Verfahren von D.H. Lehmer zum Einsatz kommen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf einfache Weise Zufallszahlen bzw. Pseudo-Zufallszahlen erzeugt werden können. Mit dieser Methode können Pseudo-Zufallszahlen mit wenigen Rechenressourcen, also beispielsweise mittels eines Taschenrechners oder eines Computerchips, erzeugt werden. Grob gesprochen können Pseudo-Zufallszahlen mittels mathematischer Methoden erzeugt werden.
-
Des Weiteren kann die Zufallskomponente basierend auf einer echten Zufallszahl bestimmt werden. Für deren Erzeugung sind insbesondere physikalische Zufallszahlengeneratoren geeignet. Solche physikalische Zufallszahlengeneratoren können auf verschiedenen physikalischen Effekten beruhen. So kann beispielsweise ein thermisches Rauschen eines Widerstands oder ein radioaktiver Zerfallsprozess Grundlage für den physikalischen Zufallszahlengenerator sein. Ein Widerstand weist zum Beispiel nicht stets den exakt gleichen Widerstandswert auf, dieser Widerstandswert unterliegt gewissen Schwankungen. Diese Schwankungen können bei der Erzeugung von Zufallszahlen anhand des physikalischen Zufallszahlengenerators berücksichtigt werden.
-
Damit ist es möglich, das Generieren von Zufallszahlen mit der physikalischen Realität zu koppeln. Bei einem mathematischen Verfahren, welches Pseudo-Zufallszahlen erzeugt, könnte beispielsweise bei einem Defekt eines Computerchips die Generation von Pseudo-Zufallszahlen nicht mehr zuverlässig genug sein. Physikalische Schwankungen, wie beispielsweise das Rauschen des Widerstands oder die Fluktuationen des Erdmagnetfelds sind stets unabhängig von Computern beziehungsweise den hinterlegten Algorithmen und somit per se zufällig. Auch andere physikalisch messbare Größen, wie zum Beispiel Abstände der Lichtemissionsvorrichtung zu anderen Objekten, Störstrahlung von anderen Objekten, können verwendet werden, um echte Zufallszahlen für die Zufallskomponente zu erzeugen.
-
Der Emitter kann Lichtstrahlen aussenden und die Rastereinheit kann diese Lichtstrahlen in eine andere Richtung als die ausgesandten Lichtstrahlen umlenken, welche die Lichtemissionsvorrichtung verlassen. Der Emitter kann prinzipiell jede Lichtquelle sein, jedoch wird bevorzugt ein Laserscanner eingesetzt. Die Rastereinheit kann die Lichtstrahlen durch entsprechende Reflexionen umlenken. Vorzugsweise besitzt die Rastereinheit teilweise eine ebene Oberfläche, um eine gezielte Reflexion zu ermöglichen. Unter Umständen kann die Rastereinheit auch bereichsweise definiert gekrümmte Oberflächen aufweisen, was zu einer anderen Reflektion als bei einer ebenen Oberfläche führt. Das heißt, die Lichtstrahlen treffen auf die Rastereinheit auf und werden durch entsprechende Reflexion in ihrer Ausbreitungsrichtung geändert. Die Rastereinheit kann insbesondere als eine MEMS-Spiegelsystem (MEMS = Micro-Electro-Mechanical-System) ausgebildet sein. MEMS-Spiegel können in einer oder in zwei Achsen resonant oder nicht-resonant schwingen. Ein MEMS-Spiegelsystem kann auch aus mehreren MEMS-Einzeleinheiten bestehen. MEMS-Spiegelsysteme können auch sequentiell angeordnet sein, wobei die erste MEMS-Einheit um eine, beispielsweise horizontal ausgerichtete, Achse schwingt, und die reflektierenden Lichtstrahlen auf ein zweites MEMS-System richtet, deren Schwingungsachse orthogonal zur ersten Schwingungsachse ausgerichtet ist. Mit einer solchen zweistufigen Anordnung kann eine vorgegebene Fläche komplett abgescannt werden (z.B. nach einem Lissajous-Verfahren). Anstelle eines MEMS-Spiegelsystems kann die Rastereinheit zusätzlich oder alternativ sogenannte Mikrospiegelaktoren (englisch DMD = digital mirror device) aufweisen. DMD-Spiegeleinheiten können zwei definierte diskrete Orientierungen aufweisen und von einer Stellung in die andere übergehen.
-
Dabei sind die MEMS-Spiegel beziehungsweise die Rastereinheit so ausgestaltet, dass die von ihnen reflektierten Lichtstrahlen die Lichtemissionsvorrichtung verlassen. Damit können Objekte in der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung mittels der ausgesandten Lichtstrahlen abgetastet werden. Damit kann die Erzeugung der Lichtstrahlen und die Aussendung der Lichtstrahlen in verschiedene Raumrichtungen getrennt werden. Das heißt, in dieser Variante gliedert sich die Lichtemissionsvorrichtung in zwei Funktionen auf. Der Emitter erfüllt die erste Funktion, nämlich Lichtstrahlen zu zufälligen Zeitpunkten bereitzustellen. Dies wird mittels der Steuereinheit bewerkstelligt, die sich der Zufallskomponente bedient. Die Rastereinheit beziehungsweise die Spiegeleinheiten (MEMS-Spiegel) ermöglichen es, diese Lichtstrahlen in verschiedene Raumrichtungen auszustrahlen. Damit ist es möglich, das Abtasten beziehungsweise Abscannen der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung flexibler auszugestalten.
-
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Rastereinheit mehrere Spiegeleinheiten aufweist und die Steuereinheit den Emitter aufgrund einer weiteren Zufallskomponente derart ansteuert, dass der Emitter zu zufälligen Zeitpunkten eine zufällig ausgewählte Spiegeleinheit durch Ausstrahlen von Lichtstrahlen beleuchtet. Die Rastereinheit weist in diesem Beispiel viele kleine Spiegeleinheiten, die MEMS-Spiegel und/oder DMD-Spiegel, auf. Diese MEMS-Spiegel können in einem Array angeordnet sein. Der Emitter wird durch die Steuereinheit so gesteuert, dass der Emitter zufällig einen einzelnen MEMS-Spiegel auswählt und diesen mit einem Lichtimpuls anstrahlt. Der jeweilige MEMS-Spiegel, der von dem Emitter beleuchtet würde, wäre in diesem Fall durch die weitere Zufallskomponente zufällig ausgewählt. Die weitere Zufallskomponente umfasst zwei Aspekte.
-
Zum einen sendet der Emitter zu zufälligen Zeitpunkten Lichtstrahlen aus, zum anderen wird nach jedem Zeitschritt eine Spiegeleinheit der Rastereinheit zufällig ausgewählt. Dabei können beide Aspekte mittels Pseudo-Zufallszahlen und/oder echten Zufallszahlen verwirklicht werden. Da jede einzelne Spiegeleinheit unterschiedlich ausgerichtet sein kann, ergäbe sich durch das zufällige Beleuchten der Spiegeleinheiten auch eine zufällige Abrasterung der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung. Die einzelnen Spiegeleinheiten sind vorzugsweise beweglich ausgeführt. Es ist jedoch auch möglich, Spiegeleinheiten einzusetzen, welche ihre Position relativ zum Emitter nicht verändern. In diesem Fall ist es sinnvoll, genügend Spiegeleinheiten vorzusehen, welche jeweils einen kleinen Raumbereich außerhalb der Lichtemissionsvorrichtung abdecken. Insgesamt sollte die Gesamtheit der Spiegeleinheiten jeden Raumbereich erfassen, sodass keine zu großen Lücken bei der Abrasterung entstehen.
-
Ist die Rastereinheit beispielsweise mit mehreren MEMS-Spiegeln ähnlich wie ein Schachbrett aufgebaut, so würde in diesem Beispiel der Emitter das schachbrettartige Muster der MEMS-Spiegel nicht systematisch von links nach rechts beziehungsweise von oben nach unten anleuchten. Die Steuereinheit würde den Emitter derart ansteuern, dass der Emitter zufällig beispielsweise zunächst den fünften MEMS-Spiegel, daraufhin den 23., den 45. etc. MEMS-Spiegel anleuchtet. Diese MEMS-Spiegel sind vorzugsweise unterschiedlich ausgerichtet und somit würden die Lichtstrahlen jeweils in unterschiedliche Raumrichtungen ausgestrahlt werden. Die jeweiligen MEMS-Spiegel sind bevorzugt derart ausgerichtet, dass die Lichtemissionsvorrichtung unterschiedliche Winkelbereiche abtasten kann.
-
In einer besonderen weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Rastereinheit durch eine Eigenbewegung ihre relative Orientierung zu dem Emitter zu vorgegebenen Zeitpunkten ändert. Die vorgegebenen Zeitpunkte können auch den zufälligen Zeitpunkten entsprechen. Das heißt, die Aussendung von Lichtstrahlen aus der Lichtemissionsvorrichtung nach der Umlenkung durch die Rastereinheit erfolgt in diesem Beispiel nicht nach einem fest vorgegebenen Zeitmuster, sondern die Aussendung der Lichtstrahlen erfolgt zu unterschiedlichen zufälligen Zeitpunkten. Die Zeitpunkte der Lichtemission sind aufgrund der Zufallskomponente nicht vorhersehbar, also zufällig. Da die Rastereinheit beziehungsweise auch die jeweiligen Spiegeleinheiten in diesem Beispiel sich bewegen, führen unterschiedliche Zeitpunkte der Ausstrahlung von Lichtstrahlen durch den Emitter in Richtung der Rastereinheit letztendlich zu unterschiedlichen Raumrichtungen der Lichtstrahlen, die die Lichtemissionsvorrichtung verlassen. Dies liegt daran, dass die Rastereinheit sich bewegt und damit Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Somit kann die Aussendung der Lichtstrahlen aus der Lichtemissionsvorrichtung hinsichtlich der Raumrichtungen zufällig ausgestaltet werden.
-
Da in diesem Beispiel die Rastereinheit beziehungsweise die Spiegeleinheiten regelmäßig ihre Ausrichtungen ändern, ergeben sich auch entsprechend unterschiedliche Reflexionswinkel. Das heißt, der Reflexionswinkel der Rastereinheit beziehungsweise der einzelnen Spiegeleinheiten ändert sich mit der Zeit beziehungsweise ist von der Zeit abhängig. Da diese Bewegung der Rastereinheit beziehungsweise der jeweiligen Spiegeleinheiten nicht oder nur sehr schwierig zufällig ausgestaltet werden kann, erfolgt eine zufällige Aussendung von Lichtstrahlen bevorzugt durch den Emitter. Damit kann letztendlich eine zufällige Abrasterung der Umgebung durch die ausgesandten Lichtstrahlen erreicht werden. Zusätzlich ist es auch möglich, diese Variante mit der zuvor genannten Variante zu kombinieren. Das heißt, der Emitter sendet Lichtstrahlen nicht nur zu zufälligen Zeitpunkten aus, sondern strahlt dabei auch unterschiedliche Spiegeleinheiten der Rastereinheit zufällig ausgewählt an. Anhand einer Zufallszahl (echte Zufallszahl oder Pseudo-Zufallszahl) könnte nach jedem Zeitschritt eine andere Spiegeleinheit, die beispielsweise aufgrund ihrer Eigenbewegung ihre relative Position zum Emitter fortlaufend ändert, ausgewählt werden. Diese anhand der Zufallszahl ausgewählte Spiegeleinheit würde von dem Emitter angestrahlt werden. Damit wäre der Effekt der stochastischen Abtastung neben der zufälligen zeitlichen Aussendung von Lichtstrahlen in Kombination mit der Umlenkung durch die Spiegeleinheiten bzw. Rastereinheit auch zusätzlich über eine anhand mit der Zufallszahl ausgewählten Spiegeleinheit „doppelt“ verwirklicht.
-
In einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem einen Detektor aufweist, der Reflexionen der ausgestrahlten Lichtstrahlen empfängt. Eine Lichtemissionsvorrichtung wird in diesem Fall sinnvollerweise mit einem Detektor ergänzt. Damit kann das Sensorsystem Lichtstrahlen, welche von einem Objekt reflektiert werden, mittels des Detektors wieder empfangen. Die zufällige Abrasterung beziehungsweise das zufällige Abtasten der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung durch Aussenden der Lichtstrahlen in zufällig bestimmte Winkelsegmente schlägt sich auch in den Informationen, die der Detektor empfängt, nieder. Der Detektor bzw. eine darin angeordnete Optik sammelt die reflektierten Lichtsignale innerhalb seines Sichtbereichs (englisch FOV = Field of View) auf. Damit kann die zufällige Abrasterung beziehungsweise Abtastung der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung erfasst und gespeichert werden Die so gewonnenen Informationen können im weiteren Verlauf einer Auswertung zugeführt werden.
-
In einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der durch den Detektor empfangenen Lichtstrahlen mittels einer Dekonvolution ein Gesamtbild erzeugt wird. Mit Dekonvolution bezeichnet man die Umkehrung der sogenannten Faltungsoperation. Dabei handelt es sich um eine mathematische Transformation, die unter anderem in der Signal- und Bildverarbeitung Anwendung findet. Mithilfe einer Dekonvolution kann das vom Detektor empfangene Pixelprofil hinsichtlich seiner Auflösung weiter verbessert werden. Dazu muss jedoch die Spotform, die Form eines Pixels im Fernfeld, also an einem zu scannenden Objekt, hinreichend genau bekannt sein. In den meisten Fällen ist dies bekannt. Bei der Herstellung eines Laserscanners oder LIDAR-Sensors ist die Form und Art der eingesetzten Lichtstrahlen bekannt. Auch bekannt ist, wie sich diese Lichtstrahlen in der Ferne verhalten. Ein Laserstrahl beispielsweise ist in der Regel gerichtet und kaum divergent. Bei anderen Lichtquellen verlaufen die entsprechenden Lichtstrahlen kegelförmig auseinander. Somit ist ein Pixel im Fernfeld, das Spotlicht, bekannt und diese Information kann bei einer Dekonvolution entsprechend berücksichtigt werden. Dies kann dabei helfen, aus den empfangenen Informationen ein Gesamtbild von besserer Auflösung zu erzeugen.
-
In einer anderen Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der durch den Detektor empfangenen Lichtstrahlen mittels einer Berechnung von Mittelwerten oder Medianwerten ein Gesamtbild erzeugt wird. Da die Abtastung, Abrasterung beziehungsweise Erfassung der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung zumindest teilweise zufällig erfolgen kann, können bestimmte Raumbereiche mehrfach abgetastet worden sein. Das heißt, zu einem bestimmten Raumgebiet können mehrere Messergebnisse vorliegen. Da jede Einzelmessung mit einer gewissen Schwankung behaftet ist, können durch eine Mehrfachmessung desselben Raumgebiets die Schwankungen, die Fluktuationen beziehungsweise das Rauschen der jeweiligen Messpunkte reduziert werden. Bei einer entsprechend hohen Anzahl an Messpunkten würde sich das Rauschen herausmitteln und der wahre Messwert verstärkt zum Vorschein treten. Ist jedoch das Rauschen klein gegenüber einer Messgröße, so kann die Messgröße auch ohne Mittel- oder Medianwertbildung bestimmt werden.
-
In einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtemissionsvorrichtung gepulstes Licht, bevorzugt im Wellenbereich 850 nm < λ <1600 nm, aussendet. Eine Wellenlänge von 905 nm kann beispielsweise von Halbleiter-Laserdioden bereitgestellt werden. Dafür sind Silizium-Germanium-Halbleiter besonders gut geeignet. Sie weisen dabei den Vorteil auf, dass derartige Halbleiter billig herzustellen sind. Ein Galliumarsenid-Halbleiter kann Laserlicht im Wellenlängenbereich um etwa 1500 nm bereitstellen. Diese Wellenlänge liegt im deutlich nicht sichtbaren Bereich des menschlichen Auges und ein derartiges Laserlicht weist eine geringere Energiedichte auf. Allerdings sind Laserdioden auf Basis von Galliumarsenid deutlich teurer.
-
In einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der reflektierten Lichtstrahlen in dem vorgegebenen Raumbereich wenigstens ein Teilbereich festgelegt wird, der daraufhin von einem zweiten Sensorsystem untersucht wird. Das heißt, die Lichtemissionsvorrichtung erfasst in dieser Variante durch das zufällige beziehungsweise stochastische Abtasten der Umgebung wenigstens einen Teilbereich. Dieser Teilbereich kann daraufhin von dem zweiten Sensorsystem näher untersucht werden, insbesondere, wenn durch eine erste stochastische Abtastung ein Objekt erfasst wurde. Damit ist es möglich, durch das erste Sensorsystem eine grobe (Raumwinkel-) Vorauswahl zu treffen, welche daraufhin von einem zweiten Sensorsystem näher betrachtet werden kann. Dies wird in der Regel dadurch bewerkstelligt, dass zwischen den beiden Sensorsystemen eine Kommunikationsverbindung eingerichtet wird beziehungsweise eingerichtet ist. Die beiden Sensorsysteme können insbesondere LIDAR-Systeme in einem einzigen Kraftfahrzeug sein. Das zweite LIDAR-System könnte ferner in einem anderen Fahrzeug angeordnet sein. Das heißt, die beiden LIDAR-Systeme sind in unterschiedlichen Kraftfahrzeugen angeordnet. Das erste LIDAR-System könnte durch eine zufällige Abrasterung beziehungsweise Abtastung seiner Umgebung eine erste Groberfassung der Umgebung vornehmen. Für eine weitere Auswertung oder eine zusätzliche Auswertung könnte das Ergebnis dieser Abrasterung dem zweiten LIDAR-System übermittelt werden. In diesem Fall würde zwischen den beiden Fahrzeugen durch die LIDAR-Systeme eine entsprechende Kommunikationsverbindung eingerichtet. Solche Sensorsysteme bzw. in Form von LIDAR-System können an unterschiedlichen Stellen am Kraftfahrzeug angeordnet sein. Sie können in einem Seitenbereich, einem Front- oder Heckbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
-
Eine solche direkte Kommunikationsverbindung zwischen zwei Fahrzeugen ist auch unter dem englischen Begriff „Car-to-Car“ (Abkürzung: C2C) Verbindung bekannt. Auch ist es möglich, dass das erste Sensorsystem, welches seine Umgebung mittels der Zufallskomponente abtastet, Daten an eine Umgebung, beispielsweise an einen Server, übermittelt. Zudem kann das erste LIDAR-System Daten von einem Server empfangen und diese Daten bei der Abtastung beziehungsweise Auswertung der empfangenen Lichtstrahlen berücksichtigen. Das heißt, die Zufallskomponente, welche das Abrastern beeinflusst, kann in dieser Variante von dem Ergebnis einer Server-Abfrage abhängig sein. Die genaue Art der Datenübertragung, z.B. Bluetooth, WiFi, Mobilfunk, etc., ist dabei nur insofern wichtig, dass eine zuverlässige Datenübertragung stattfinden kann. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die übertragenen Informationen zuvor verschlüsselt werden und somit verschlüsselt übertragen werden. Damit kann datenschutzrechtlichen Einwänden entgegengewirkt werden. Zudem kann das Sensorsystem bezüglich Hackerangriffen oder Manipulationsversuchen besser geschützt werden.
-
Die vorliegende Erfindung stellt ein Sensorsystem mit einer Lichtemissionsvorrichtung einschließlich eines Emitters und einer Rastereinheit bereit, wobei die Lichtemissionsvorrichtung ausgebildet ist, eine Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung zumindest teilweise zufällig abzutasten. Das Sensorsystem ist zudem ausgebildet, einen vorgegebenen Raumbereich durch Aussenden von Lichtstrahlen in verschiedene Raumrichtungen abzutasten. Das Sensorsystem weist ferner eine Steuereinheit zum Ansteuern der Lichtemissionsvorrichtung auf, wobei die Ansteuerung derart erfolgt, dass das Abtasten auf der Basis einer Zufallskomponente erfolgt, durch die der Emitter zu zufälligen Zeitpunkten Lichtstrahlen in Richtung der Rastereinheit aussendet und die Rastereinheit die Lichtstrahlen in verschiedene Raumrichtungen umlenkt, entlang derer die Lichtstrahlen die Lichtemissionsvorrichtung verlassen. Die in dem Patentanspruch 1 erwähnten Definitionen und Vorteile gelten sinngemäß für diesen Vorrichtungsanspruch. Dadurch, dass die Lichtemissionsvorrichtung ausgebildet ist, Lichtstrahlen auszusenden, kann die Lichtemissionsvorrichtung auch als Sender beziehungsweise Sendeeinheit betrachtet werden.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit einen Zufallszahlengenerator aufweist, um Pseudo-Zufallszahlen und/oder echte Zufallszahlen für die Berechnung der Zufallskomponente zu erzeugen. Die in den vorigen Absätzen geschilderten Verfahren bzw. Methoden zur Berechnung von Zufallszahlen können in einem Computerchip der Steuereinheit integriert sein. Ferner kann es möglich sein, dass die Steuereinheit auf eine externe Recheneinheit zugreift, um dort abgespeicherte Zufallszahlen abzurufen. Die Steuereinheit kann sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen, wobei eine Komponente dabei der Berechnung von Zufallszahlen dient. Damit ist das Verfahren zur Berechnung von Zufallszahlen in der Steuereinheit integriert und das zufällige Abtasten kann verzögerungsfrei erfolgen. Dies ist vermutlich deutlich effizienter, als die Berechnung der Zufallszahlen außerhalb der Steuereinheit durchzuführen. Ein verzögerungsfreier Betrieb der Lichtemissionsvorrichtung kann so besser gewährleistet werden.
-
Der Emitter kann als eine Lichtquelle ausgebildet sein, die Lichtstrahlen kontinuierlich oder zu bestimmten und/oder zu stochastisch bestimmten Zeitpunkten auszusenden. Das heißt, der Emitter kann durchgehend einen Lichtstrahl aussenden oder zu gewissen Zeitpunkten Lichtimpulse beziehungsweise Lichtstrahlen emittieren. Die Rastereinheit dient der Ablenkung der vom Emitter emittierten Lichtstrahlen. Um diese Aufgabe zu bewerkstelligen, ist die Rastereinheit insbesondere als reflektierende Schicht ausgeführt. Dies kann beispielsweise ein Spiegel sein. Jedoch kann sich die Rastereinheit in mehrere Spiegeleinheiten, den sogenannten MEMS-Spiegeln, aufteilen. Die hierzu erwähnten Vorteile und Ausführungen in den vorigen Absätzen gelten sinngemäß auch für diesen Vorrichtungsanspruch.
-
Die Erfindung sieht in einer weiteren Variante vor, dass das Sensorsystem eine Recheneinheit aufweist, die anhand von durch einen Detektor des Sensorsystems empfangenen Lichtstrahlen ein Gesamtbild erzeugt. Anhand des Gesamtbildes kann eine Klassifizierung der erfassten Objekte erfolgen und somit eine Objekterkennung. Ein Detektor ist in dieser Variante Teil des Sensorsystems und idealerweise derart angeordnet, dass er die von einem Objekt reflektierten Lichtstrahlen empfangen kann. Der Detektor kann als Empfänger oder Empfangseinheit der reflektierten Lichtstrahlen betrachtet werden. Anhand der empfangenen Lichtstrahlen kann ein vorläufiges Bild beziehungsweise Pixelmuster erstellt werden. Mittels der Recheneinheit können diese Informationen zu einem Gesamtbild transformiert werden. Dazu eignen sich beispielsweise das Verfahren der Dekonvolution, die Mittelwertbildung oder die Medianwertbildung. Die Recheneinheit kann jedoch auch andere Verfahren aus der Bild- oder Signaltechnik bereithalten, um aus den empfangenen Lichtstrahlen ein Gesamtbild zu generieren. Auch neuronale Netzwerke können hierbei verwendet werden.
-
Eine besonders vorteilhafte Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Lichtemissionsvorrichtung ein Laserscanner, insbesondere ein LIDAR-System, ist. Prinzipiell kann die Lichtemissionsvorrichtung ein LED-Element mit einer entsprechenden zugehörigen geschalteten Blende aufweisen. Deutlich vorteilhafter ist jedoch der Einsatz von Laserscannern beziehungsweise LIDAR-Sensoren als Lichtemissionsvorrichtung. LIDAR-Systeme finden in vielen technischen Bereichen Anwendung, zum Beispiel im Bereich der Mobilität. LIDAR-Systeme haben üblicherweise eine Reichweite von bis zu etwa 300 Metern, können künftig aber auch längere Reichweiten aufweisen. Anstelle von Laserscannern können jedoch auch Radarsensoren beziehungsweise Ultraschallsensoren eingesetzt werden. Sie können jedoch auch als Hilfssensoren zum Einsatz kommen.
-
Eine weitere Variante der Erfindung sieht ein mobiles Fortbewegungsmittel mit einem Sensorsystem vor. Mit dem Begriff „mobiles Fortbewegungsmittel“ sind nicht nur Fahrzeuge oder andere motorgetriebene Objekte angesprochen. Mobile Fortbewegungsmittel können auch Fahrräder, Schlitten, Kutschen, etc. sein.
-
In einer speziellen Variante der vorliegenden Erfindung ist als Fortbewegungsmittel ein Fahrzeug vorgesehen. Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Als Fahrzeug ist hier insbesondere ein Kraftfahrzeug beziehungsweise ein Auto zu betrachten. Ein LIDAR-System als Sensorsystem hat im Bereich der Automobilbranche ein sehr großes Potential, da dort LIDAR-Systeme hinsichtlich autonom fahrender Fahrzeuge sehr vorteilhaft sind. Ein solches Sensorsystem kann auch bei fliegenden Fahrzeugen wie zum Beispiel bei einem Hubschrauber, „CityHawk“, einem fliegenden Auto, einer Drohne, zum Einsatz kommen.
-
Das Fahrzeug kann ferner ein Luftfahrzeug, beispielsweise eine Drohne, oder ein wassergebundenes Fahrzeug, zum Beispiel Schiffe, U-Boote, oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des LIDAR-Systems in einem Lastkraftwagen, Personenkraftwagen oder Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als autonomes oder teil-autonomes Fahrzeug ausgestaltet sein.
-
Weitere Anwendungsbereiche können beispielsweise Scheinwerfer für Effektlichtbeleuchtungen, Entertainmentbeleuchtungen, Architainmentbeleuchtungen, Allgemeinbeleuchtung, medizinische und therapeutische Beleuchtung, Horticulture (Pflanzenbeleuchtung), etc. sein.
-
In einer weiteren Variante der Erfindung weist das Fahrzeug ein weiteres Fortbewegungsmittel auf, welches in einem stationären Zustand an dem Fahrzeug angeordnet ist und in einem Aktivierungszustand räumlich nicht in physischer Verbindung mit dem Fahrzeug steht. Dies kann beispielsweise eine Drohne sein, die auf einem Dach eines Autos angeordnet ist. Die Drohne könnte zum Beispiel das erfindungsgemäße Sensorsystem aufweisen. Im stationären Zustand wäre die Drohne mit dem Dach verbunden. Dies könnte beispielsweise magnetisch erfolgen. In diesem Zustand könnte die Drohne als stationärer LIDAR-Sensor zum Einsatz kommen, wobei dieser LIDAR-Sensor an der Drohne nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
-
Soll beispielsweise ein Bereich untersucht werden, der von dem Fahrzeug nicht erreicht werden kann, so kann die Drohne in einen Aktivierungszustand versetzt werden. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die Drohne von dem Fahrzeug löst und eigenständig in Bewegung setzt. Mit anderen Worten fliegt die Drohne von dem Fahrzeug weg und kann so für das Fahrzeug unzugängliche Bereiche ansteuern. Da die Drohne in diesem Beispiel das erfindungsgemäße Sensorsystem, insbesondere einen LIDAR-Sensor, aufweist, kann es für das Fahrzeug unzugängliche Bereiche dennoch untersuchen. Diese Informationen, welche in diesem Beispiel ein in oder an der Drohne angeordneter Detektor empfängt, können zum einen durch die Drohne direkt ausgewertet werden oder diese Informationen können zu einer Recheneinheit, die in dem Fahrzeug angeordnet ist, übertragen werden. Dort kann die Recheneinheit des Fahrzeugs die empfangenen Informationen auswerten und ein Gesamtbild erstellen. Es ist also möglich, die Recheneinheit im oder am Fahrzeug oder bei der Drohne anzuordnen.
-
Vorteilhaft ist diese Herangehensweise beispielsweise bei Polizeifahrzeugen. Polizeifahrzeuge werden unter anderem in Fällen im Zusammenhang mit einer Verbrechensbekämpfung, einem Industrieunfall und/oder einer Katastrophensituation eingesetzt. Dabei können sich Szenarien ergeben, in denen ein unübersichtliches und unter Umständen gefährliches Gelände untersucht werden soll. In diesem Fall ist es äußerst vorteilhaft, anstatt eines Menschen eine Drohne mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem einzusetzen. So können Informationen über ein unbekanntes Gebiet ohne Gefährdung von Menschenleben gewonnen werden.
-
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die geschilderten Merkmale nicht nur in den beschriebenen Merkmalskombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit einer Lichtemissionsvorrichtung und einem Detektor sowie einem Objekt vor dem Sensorsystem;
- 2 ein beispielhaftes Rasterbild gemäß einer systematischen Abtastung der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung; und
- 3 eine beispielhafte Darstellung eines Rasterbildes gemäß der erfindungsgemäßen, teilweise zufälligen Abrasterung der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung.
-
1 zeigt beispielhaft, wie ein Sensorsystem 5 aufgebaut sein kann. Das Sensorsystem 5 weist eine Lichtemissionsvorrichtung 3 sowie einen Detektor 4 auf. Vor dem Sensorsystem 5 sei ein Objekt 9 angeordnet. Die Lichtemissionsvorrichtung 3 kann technisch unterschiedlich verwirklicht sein. Sie kann beispielsweise als Laserscanner, als LIDAR-Scanner, als Radar-Scanner, als Lichtquelle mit einer davor geschalteten Blende oder als Ultraschallscanner ausgeführt sein. Die Lichtquelle kann durch eine LED realisiert sein.
-
Die LED kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten LED oder in Form mindestens eines LED-Chips, der eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, vorliegen. Es können mehrere LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat („Submount“) montiert sein und eine LED bilden oder einzeln oder gemeinsam beispielsweise auf einer Platine (z.B. FR4, Metallkernplatine, etc.) befestigt sein („CoB“ = Chip on Board). Die mindestens eine LED kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, beispielsweise mit mindestens einer Fresnel-Linse oder einem Kollimator. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen LEDs, beispielsweise auf Basis von AlInGaN oder InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Die LED-Chips können direkt emittierend sein oder einen vorgelagerten Leuchtstoff aufweisen. Alternativ kann die lichtemittierende Komponente eine Laserdiode oder eine Laserdiodenanordnung sein. Denkbar ist auch eine OLED-Leuchtschicht oder mehrere OLED-Leuchtschichten oder einen OLED-Leuchtbereich vorzusehen. Die Emissionswellenlängen der lichtemittierenden Komponenten können im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen. Die lichtemittierenden Komponenten können zusätzlich mit einem eigenen Konverter ausgestattet sein. Bevorzugt werden Lichtquellen eingesetzt, die gepulstes, idealerweise monochromatisches Licht aussenden. Dies sind bevorzugt Laser, ganz besonders Infrarot-Laser im Wellenlängenbereich von 850 nm bis 1600 nm.
-
In diesem Fall stellt die Lichtemissionsvorrichtung 3 bevorzugt ein LIDAR-System dar. Die Lichtemissionsvorrichtung 3 weist in diesem Beispiel einen Emitter 1 sowie eine bewegbare Rastereinheit 2 auf. Die Rastereinheit 2 kann ihrerseits mehrere Spiegeleinheiten aufweisen. Im Bereich der LIDAR-Technologie sind diese Spiegeleinheiten häufig als MEMS-Spiegel ausgeführt. Diese MEMS-Spiegeleinheiten sind bevorzugt bewegbar entlang wenigstens einer Achse ausgeführt. Damit kann mithilfe der MEMS-Spiegel eine Rasterbewegung in horizontaler Richtung erreicht werden. Die dabei ausgeführte Frequenz, die sogenannte Rasterfrequenz, beträgt bevorzugt im Bereich der LIDAR-Technologie mindestens 2 Kilohertz. Diese wurde in diesem Beispiel willkürlich ausgewählt, generell ist es sehr vorteilhaft, wenn die Rasterfrequenz so groß ist, dass innerhalb einer Periode die Abstände zu umgebenden Objekten 9 quasi-statisch sind. Bei einer kleineren Rasterfrequenz könnte eine korrekte Bewertung des Umgebungsbildes, speziell von sich schnell bewegenden Objekten, in einer nachgelagerten Auswertung schwierig werden.
-
Dazu kurz eine Betrachtung der Größenordnungen: Bei einer Geschwindigkeit bzw. Relativgeschwindigkeit zweier Objekte 9 von v = 130 km/ h werden pro Sekunde etwa 36 m zurückgelegt, was wiederum einer Geschwindigkeit von v = 36 mm/ ms= 36 mm kHz entspricht. Da die Genauigkeit der Entfernungsmessung eines LIDAR-Systems für Fahrzeuganwendungen üblicherweise im Bereich von d ∼ ±30 mm angegeben wird, ist für Scanfrequenzen fR∼1 kHz die Bedingung der Quasi-Stationarität innerhalb einer Rasterperiode hinreichend erfüllt. Für noch höhere Anforderungen an die Messgenauigkeit kann die Scanfrequenz fR zu höheren Werten hin angepasst werden. Die Größe eines Sichtbereiches 10 bzw. -winkels ist für die Diskussion unerheblich.
-
Des Weiteren wird in diesem Beispiel von einer idealisierten, linearen Trajektorie des Spiegels ausgegangen, was in einem realen System jedoch nur in einem Teilbereich der Rasterwinkels möglich sein wird. Für die erfinderische Idee macht dieses jedoch keinen prinzipiellen Unterschied, da eine nichtlineare Spiegeltrajektorie grundsätzlich durch eine Anpassung des Pulstimings korrigiert werden kann, beispielsweise bei einer stochastischen Taktung der Messpulse durch eine Superposition einer analytischen Funktion und einer Zufallszahl oder - im Fall einer reinen Zufallszahl als Taktquelle - durch eine zur Trajektorie synchronen Skalierung der normierten Zufallsvariablen. Das heißt, eine Steuereinheit 13 kann die Lichtimpulse zeitlich gesteuert aussenden. Diese zeitliche Steuerung durch die Steuereinheit 13 kann insbesondere gemäß der erwähnten Superposition erfolgen.
-
Der Emitter kann eine einzelne Einheit sein, welche Lichtstrahlen, Lichtimpulse beziehungsweise Lichtquanten ausstrahlt oder aussendet. Der Emitter 1 kann sich jedoch auch aus mehreren einzelnen Emittern 1 zusammensetzen. In diesem Ausführungsbeispiel wird jeder einzelne Emitter 1 bevorzugt mit einer Pulsrate von 10 Kilohertz angesteuert. Diese Pulsrate ist eine Konstante, welche durch die thermische Belastbarkeit des Emitters bestimmt wird. Es ist sehr vorteilhaft, diese Pulsrate im Mittel einzuhalten, da ansonsten der Emitter 1 durch zu hohe thermische Beanspruchungen in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. Entscheidend ist hierbei die Einhaltung der Pulsfrequenz im Mittel, das heißt, kurzfristige Überschreitungen dieser Pulsfrequenz sind dennoch möglich. Es kann jedoch erforderlich sein, eine minimale Totzeit zu erzwingen. Das bedeutet, die Pulsfrequenz kann einen Grenzwert aufweisen, der nicht überschritten werden darf. Ein solcher Grenzwert könnte beispielsweise bei 40 Kilohertz liegen.
-
Der Emitter 1 strahlt Lichtstrahlen 6 beziehungsweise Messpulse aus. Die Häufigkeit der ausgesandten Messpulse pro Zeiteinheit wird durch die Pulsfrequenz angegeben. Neben der Pulsfrequenz beziehungsweise Pulsrate kann auch die Pulsdauer beziehungsweise Pulslänge wichtig sein. Sie liegt in den meisten Fällen zwischen 1 ns (Nanosekunde) und 100 ns. LIDAR-Systeme weisen häufig eine Pulslänge von etwa 10 ns auf.
-
Jedoch ist für die erfindungsgemäße Idee die Pulslänge beziehungsweise Pulsform nicht relevant.
-
In diesem Beispiel kann die Steuereinheit 13 sowohl den Emitter 1 als auch die Rastereinheit 2 ansteuern. Die Steuereinheit 13 kann beispielsweise bewirken, dass der Emitter 1 zu Zeitpunkten Lichtstrahlen 6 emittiert, die nicht vorhersehbar sind, also zufällig sind. Da in diesem Beispiel die Rastereinheit 2 beziehungsweise die dazugehörigen MEMS-Spiegel bewegbar ausgeführt sind und sich fortlaufend bewegen, führt dies bei den emittierten Lichtstrahlen 6 dazu, dass diese Lichtstrahlen 6 durch die Rastereinheit 2 in unterschiedliche Raumrichtungen, insbesondere also in nicht komplett vorhersehbare Raumwinkel α umgelenkt werden. Da das Emittieren der Lichtstrahlen 6 durch den Emitter 1 in Kombination mit der Rastereinheit 2 in zufälliger Weise erfolgt, ergibt sich auch eine zufällige räumliche Verteilung der Lichtstrahlen 6, die durch die Rastereinheit 2 umgelenkt wurden. Idealerweise sind die Bewegungen der jeweiligen Spiegeleinheiten, der MEMS-Spiegel, so ausgeführt, dass unterschiedliche Raumwinkel α durch die umgelenkten Lichtstrahlen 6 abgedeckt werden. Dadurch würde sich selbst bei einem einzigen MEMS-Spiegel, der sich fortlaufend bewegt, ein zufälliges Abtastmuster ergeben. Die Lichtstrahlen 6 würden in zufälliger Weise in nicht vorhersehbaren Raumwinkel α die Lichtemissionsvorrichtung 3 verlassen.
-
Das zufällige Aussenden von den Lichtstrahlen 6 in unterschiedliche Raumwinkel α kann auch über eine zufällige Bestrahlung unterschiedlicher Spiegeleinheiten der Rastereinheit 2 erfolgen.
-
Ist von zufälligem Ausstrahlen oder Abtasten die Rede, so ist damit gemeint, dass die Lichtstrahlen 6 die Lichtemissionsvorrichtung 3 in unterschiedliche Raumrichtungen verlassen und dabei zugleich sich die Raumrichtungen, entlang derer sich die Lichtstrahlen 6 fortbewegen, zufällig ändern können. Damit soll ein vorgegebener Raumbereich nicht vollständig systematisch, sondern zumindest teilweise stochastisch abgescannt werden. Sind mehrere MEMS-Spiegel oder DMD-Spiegel vorhanden, die sich unterschiedlich zueinander bewegen oder unterschiedlich zu dem Emitter 1 angeordnet sind, so kann ein zufälliges Abrastern der Umgebung wie folgt erreicht werden.
-
Die Steuereinheit 13 steuert den Emitter 1 so an, dass dieser zu zufälligen Zeitpunkten Lichtstrahlen 6 aussendet. Diese Lichtstrahlen 6 treffen auf die Rastereinheit 2, welche sich relativ zum Emitter 1 bewegt bzw. zu bestimmten Zeitpunkten ihre relative Position zu dem Emitter 1 ändert. Die Rastereinheit 2 bzw. die MEMS-Spiegel könnten zum Beispiel schwingen. Diese Schwingung könnte dabei auch entlang mehrerer Achsen stattfinden. Dadurch können die Lichtstrahlen 6 in zufällige Raumrichtungen ausgestrahlt werden. Somit ergäbe sich eine Abrasterung mit einer Zufallskomponente. Daneben kann die Rastereinheit 2 sich aus mehreren MEMS-Spiegeleinheiten zusammensetzen. Der Emitter 1 wird in diesem Beispiel durch die Steuereinheit 13 so angesteuert, dass der Emitter 1 einen MEMS-Spiegel zufällig zum Bestrahlen auswählt. Dabei weisen die jeweiligen MEMS-Spiegel unterschiedliche Orientierungen auf. Das heißt, eine zufällige Auswahl von MEMS-Spiegeleinheiten führt in diesem Beispiel zu zufälligen Raumrichtungen der Lichtstrahlen 6, welche die Lichtemissionsvorrichtung 3 verlassen.
-
Das heißt, nach jedem Zeitschritt kann eine andere MEMS-Spiegeleinheit der Rastereinheit 2 durch den Emitter 1 beleuchtet werden. Die Sequenz der beleuchteten MEMS-Spiegeleinheiten kann dabei insbesondere auch zufällig erfolgen. Somit kann das zufällige Abscannen der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung 3 zum einen durch eine zufällige Zeitsequenz erfolgen, welche eine zufällige Verteilung von Zeitpunkten aufweist, an denen der Emitter 1 Lichtstrahlen 6 aussendet. Durch entsprechende Eigenbewegungen der Rastereinheit 2 wird das zu zufälligen Zeitpunkten ausgesandte Lichtsignal beziehungsweise die ausgesandten Lichtstrahlen 6 dann in zufällige Raumrichtungen, insbesondere zu verschiedenen Raumwinkel α, umgelenkt. Das zufällige Abrastern der Umgebung kann zusätzlich oder alternativ dadurch erfolgen, dass die Steuereinheit 13 den Emitter 1 derart ansteuert, sodass dieser nach jedem Zeitschritt unterschiedliche Spiegeleinheiten anstrahlt. Dadurch, dass bei der Rastereinheit 2, die eine Vielzahl von MEMS-Spiegeln beispielsweise in einem Array aufweist, nicht bekannt ist, welcher MEMS-Spiegel zum nächsten Zeitpunkt beleuchtet wird, ergibt sich somit ein zufälliges Abrastern der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung 3.
-
Das Sensorsystem 5 weist in 1 neben der Lichtemissionsvorrichtung 3 einen Detektor 4 auf. Dieser Detektor 4 weist wiederum eine Optik 7 mit einem nachgelagerten Lichtsensor 15 sowie eine Recheneinheit 8 auf. Die Optik 7 erfüllt in diesem Beispiel die Funktion eines Empfängers. Der Lichtsensor 15 ist insbesondere für sichtbares Licht empfindlich, kann aber auch IR-Licht bzw. UV-Licht wahrnehmen. Die von der beweglichen Rastereinheit 2 umgelenkten Lichtstrahlen 6 treffen über zufällige Raumwinkel α auf das Objekt 9. Diese Lichtstrahlen 6 werden am Objekt 9 zumindest teilweise reflektiert und die reflektierten Lichtstrahlen 6' können über den Sichtbereich 10 des Detektors 4 die Optik 7 erreichen. Die von der Optik 7 registrierten reflektierten Lichtstrahlen 6' können als ein Rasterbild 12 zusammengefasst werden und von der Recheneinheit 8 ausgewertet und weiterverarbeitet werden.
-
Das in 1 gezeigte Sensorsystem 5 kann insbesondere als LIDAR-System ausgeführt sein, welches in Verbindung mit einem Fahrzeug eingesetzt wird. Dabei kann eine Drohne an dem Fahrzeug angeordnet sein, welche das Sensorsystem 5 beinhaltet. Eine solche Drohne könnte sich aktivieren, sich von dem Fahrzeug lösen und selbstständig Messungen in Bereichen vornehmen, welche das Fahrzeug nicht erreichen kann. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass die Drohne über eine Kommunikationsschnittstelle verfügt, mittels derer die aus den Messungen gewonnenen Informationen an das Fahrzeug übertragen werden können. In diesem Fall ist am Fahrzeug ebenfalls eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle vorhanden. Mithilfe dieser Kommunikationsschnittstellen können auch Daten von anderen externen LIDAR-Systemen oder Netzwerken empfangen werden. Ebenso können Daten an andere LIDAR-Systeme oder Netzwerke gesendet werden. Durch das Prinzip der zufälligen Abrasterung beziehungsweise Abtastung der Umgebung mit Lichtstrahlen 6 können sich verschiedene Vorteile ergeben. Ein Vorteil besteht darin, dass sogenannte Aliasing-Artefakte effektiv verhindert werden, wenigstens aber deutlich reduziert werden. Dies wird anhand der 2 und 3 besonders deutlich.
-
Die 2, welche den Stand der Technik darstellt, zeigt das Rasterbild 12 mit mehreren reflektierten Pixeln 11. In diesem Beispiel sind vier sukzessive Zeitpunkte, nämlich t1, t2, t3 und t4, dargestellt. Zu diesen Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4 registriert der Detektor 4 unterschiedliche Bildpunkte 11. In diesem Beispiel soll in der Mitte ein Brückenpfeiler 9' und weiter rechts ein Verkehrszeichen 9" angeordnet sein. Zum Zeitpunkt t2 werden ebenfalls vom Detektor 4 verschiedene Bildpunkte 11 registriert. Man kann gut erkennen, dass im Zeitpunkt t2 die registrierten Bildpunkte 11 um eine Pixeleinheit nach rechts verschoben sind. Zum Zeitpunkt t3 sind die Bildpunkte 11 wiederum um einen Pixel nach rechts verschoben. Analog gilt dies auch für den Zeitpunkt t4. Zum Zeitpunkt t4 sind die Bildpunkte 11 um drei Pixel nach rechts verschoben. Das heißt, in diesem Beispiel erfolgte die Abtastung der Umgebung nach einem deterministischen, fest vorgegebenen Schema. Zum Zeitpunkt t1 wurde mit einer Abtastung gestartet, welche zu jedem Zeitpunkt t1, t2, t3 und t4 um einen Pixel nach rechts verschoben wurde. Nach dem vierten Zeitpunkt t4 können die gesammelten Informationen zusammengeführt werden. Dies könnte bedarfsweise auch zu einem früheren Zeitpunkt erfolgen. Diese Zusammenführung ist durch die Pfeile im linken Bereich angedeutet und ergibt ein Gesamtbild 14. Wie man erkennt, wird zu jedem Zeitpunkt t1, t2, t3 und t4 der Brückenpfeiler 9` zuverlässig erkannt. Da der Brückenpfeiler 9' relativ breit ist im Vergleich zum Verkehrszeichen 9", ist eine Detektion des Brückenpfeilers 9' leichter möglich als die des Verkehrszeichens 9". Jedoch ist auch deutlich zu erkennen, dass das Verkehrszeichen 9" erst zum Zeitpunkt t4 detektiert wird.
-
Hätte man im Beispiel der 2 (Stand der Technik) in diesem Fall das Abscannen der Umgebung bereits nach dem dritten Zeitpunkt t3 abgebrochen, so hätte man das Verkehrszeichen 9" überhaupt nicht erfasst. Es können mehrere Szenarien und Fälle auftreten werden, in denen eine systematische Abtastung der Umgebung das Objekt 9 erst nach einer hinreichend großen Anzahl von Zeitschritten zuverlässig erkennt. Würde ein Auto beispielsweise seine Umgebung systematisch von links nach rechts abscannen, so würde ein am rechten Rand befindliches Objekt 9 erst am Ende des Scanvorgangs detektiert werden. Bei zeitkritischen Vorgängen, wie zum Beispiel bei einer Fußgängererkennung, kann eine solche zeitliche Verzögerung erhebliche Auswirkungen haben. Erfolgt das Abtasten nach einem systematischen Schema und weist dieses Schema einen systematischen Fehler auf, so würde sich dieser Fehler auch in Form von zu spät oder nicht erkannten Objekten 9 niederschlagen.
-
Im Gegensatz zu 2 zeigt die 3 ein Rasterbild 12, welches durch Abrasterung mit einer Zufallskomponente von der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung 3 erzeugt wurde. Die Verteilung der jeweiligen Bildpunkte 11 folgt dabei keinem fest vorgegebenen Muster. Um jedoch eine Abrasterung zu vermeiden, welche sich lediglich auf einen bestimmten Teilbereich beschränkt, kann es sinnvoll sein, die Zufallskomponente mit einer deterministischen Komponente zu kombinieren. So kann verhindert werden, dass bei einer rein zufälligen Abrasterung eine sogenannte Klumpenbildung erfolgt und bestimmte größere Bereiche gar nicht abgetastet werden. Sogenannte „weiße oder blinde Stellen“ können so verhindert werden. Im Beispiel der 3 werden beide Objekte, das Verkehrszeichen 9" sowie der Brückenpfeiler 9', bereits zum Zeitpunkt t1 detektiert. Zwar ist zum Zeitpunkt t1 noch nicht die vollständige Ausdehnung der jeweiligen Objekte 9 bekannt, jedoch kann anhand der erfassten Bildpunkte 11 darauf geschlossen werden, dass im rechten Bereich des Detektionsbereichs das Objekt 9 vorhanden ist. Im Beispiel von 2 erfolgte dies erst zum Zeitpunkt t4. Durch diese zufällige Abrasterung kann auch verhindert werden, dass im Rasterbild 12 und im späteren Gesamtbild 14 sogenannte Aliasing-Artefakte auftauchen. Dies wäre beispielsweise dann möglich, wenn das Sensorsystem 5 bei einem gehenden Fußgänger durch die systematische Abrasterung stets nur den Zwischenraum zwischen beiden Beinen des Fußgängers abscannt. Dieses Beispiel verdeutlicht das Prinzip der Aliasing-Artefakte, wie oben beschrieben.
-
Anhand eines zufälligen Abtastens oder Abscannens der Umgebung könnte effektiv verhindert werden, dass im Beispiel des vorbeigehenden Fußgängers stets nur der Zwischenraum zwischen seinen Beinen erfasst werden würde, was bedeutet, dass der Fußgänger vom Sensorsystem 5 unerkannt bliebe. Der vorbeigehende Fußgänger kann mit höherer Wahrscheinlichkeit durch das Rasterbild 12 gemäß 3 erkannt werden. Zudem können, wie in 3 gezeigt ist, bestimmte Bereiche mehrfach durch das zufällige Abtasten der Umgebung der Lichtemissionsvorrichtung 3 erfasst werden. In diesem Fall kann an einigen Stellen eine höhere Auflösung generiert werden. Mittels einer Mittelwert- oder Medianberechnung kann der Signal-Rausch-Abstand verbessert werden. Damit können Bilder bereits zu einem früheren Zeitpunkt ausgelesen werden, welche aber bereits den gesamten Sichtbereich 10, wenn auch mit Lücken, abdecken. Dies kann im Falle einer zeitkritischen Erkennung von Objekten 9, wie zum Beispiel Kindern oder bei Fußgängern, von großem Vorteil sein. Eine zeitkritische Messung bzw. Erkennung von Objekten 9 kann insbesondere dann vorliegen, wenn die Abstände zum Objekt 9 klein sind und/oder das Objekt 9 sich schnell bewegt und/oder sich das Sende-Fahrzeug schnell dreht bzw. rotiert, zum Beispiel bei einer engen Kurvenfahrt oder bei einem Umdrehmanöver.
-
Ist das zumindest eine Objekt 9' oder 9" erfasst und/oder erkannt, so kann eine Objektklassifizierung vorgenommen werden, um dann beispielsweise ein mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem 5 ausgestatteten Fahrzeug einfach beispielsweise in Abhängigkeit von der Objektklasse zu steuern. Ist ein Kraftfahrzeug zum Beispiel mit dem Sensorsystem 5 ausgestattet, so kann es den Brückenpfeiler 9' sowie das Verkehrszeichen 9" erkennen. Darüber hinaus kann die Objektklassifizierung, welche die Recheneinheit 8 bewerkstelligen kann, den Typ des Verkehrszeichens 9" sowie dessen Inhalt erkennen. So ist es beispielsweise möglich, dass die Recheneinheit 8 erkennt, dass das Verkehrszeichen 9" eine Geschwindigkeitsbegrenzung anzeigt und den Grenzwert für die Geschwindigkeit erfasst. Diese Informationen können im weiteren Verlauf einer anderen Steuerung des Kraftfahrzeugs übermittelt werden.
-
Vorzugsweise sind bei der Objektklassifizierung mehrere Objektklassen vorgesehen, wobei dann ein erfasstes Objekt, insbesondere durch die Recheneinheit 8 bzw. eine Datenauswerteeinheit, in eine der Objektklassen eingeordnet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Datenauswerteeinheit oder Recheneinheit 8 Objekte nicht jedes Mal neu identifizieren muss. Für eine jeweilige Objektklasse kann dann vorteilhafterweise eine bestimmte Fahrzeugregelung vorgehalten werden. Beispielsweise kann eine Über-Objektklasse vorgesehen sein, die für Objekte, wie zum Beispiel für das Verkehrszeichen 9", vorgesehen ist, die sich innerhalb eines bestimmten Kreis oder Sektor oder Radius - ausgehend vom aktuellen Standort eines Fahrzeuges - bewegen und/oder stationär angeordnet sind. Damit kann die Erkennung von Verkehrszeichen 9" sowie die Erfassung deren jeweiligen Informationsgehalt beschleunigt werden.
-
Des Weiteren kann eine weitere Über-Objektklasse vorgesehen sein, die für bewegbare Objekte vorgesehen ist, die sich in einem größeren Bewegungsradius oder größeren Radius oder größeren Kreis oder größeren Sektor im Vergleich zur zweiten Objektklasse bewegen. Selbstverständlich können noch weitere Objektklassen vorgesehen sein. Die Datenauswerteeinheit bzw. die Recheneinheit 8 können somit zur Objekterkennung und Objektklassifizierung eingesetzt sein.
Ein solches Sensorsystem 5, ausgeführt als LIDAR-System, kann am Fahrzeug aufgehängt sein oder in einem Scheinwerfer integriert sein. Vorzugweise ist das Sensorsystem 5 im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordnet. Damit ist eine effektive Objekterfassung in Fahrtrichtung möglich. Sensorsysteme 5 können aber auch seitlich oder hinten am Fahrzeug angeordnet sein, sowie oben auf dem Fahrzeugdach. Im Zusammenwirken aller Sensorsysteme lässt sich ein Rundumbild-Bild generieren. Der Detektor 4 kann in Form eines Einzeldetektors oder in Kombination mit mehreren Detektoren ausgeführt sein. Ebenso kann der Emitter 1 als Einzelemitter oder als eine Kombination von mehreren einzelnen Emittern 1 ausgeführt sein. Mehrere einzelne Emitter 1 können in vertikaler Richtung zeilenförmig angeordnet sein. Innerhalb der Lichtemissionsvorrichtung 3 können mehrere Emitter 1 übereinander angeordnet sein. So können beispielsweise vier einzelne Emitter 1 direkt übereinander angeordnet sein, sodass die vier Emitter 1 eine Gerade bilden.
-
Die Anordnung mehrerer Emitter 1 kann auch horizontal ausgeführt sein. Bei einem Fahrzeug könnten beispielsweise entlang der Stoßstange mehrere einzelne Emitter 1 angeordnet sein. Sie können beispielsweise im Bereich eines linken Scheinwerfers, eines rechten Scheinwerfers sowie dazwischen angeordnet sein. Dabei ist es nicht zwingend nötig, dass die Emitter 1 auf derselben Höhe platziert sind. Insbesondere können die Emitter 1 entlang der Stoßstange oder darunter angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass in der Lichtemissionsvorrichtung 3 mehrere Emitter 1 horizontal nebeneinander platziert sind. Auch hier ist es nicht unbedingt nötig, dass alle Emitter 1 dieselbe geodätische Höhe aufweisen. Sind an einem Fahrzeug entlang der Stoßstange beispielsweise vier einzelne Emitter 1 angeordnet und werden diese zeitlich sequentiell zueinander angesteuert, so kann daraus der Detektor 4 eine Auflösung von vier Pixeln erzeugen. Das heißt, jeder einzelne Emitter 1 könnte einer bestimmten Höhe zugeordnet werden. Damit wäre es möglich, anhand der reflektierten Lichtstrahlen 6' neben der Winkelinformation zusätzlich eine weitere Rauminformation, die vertikale Höhe, zu extrahieren.
-
Werden mehrere Emitter 1 miteinander kombiniert, so können diese synchron zueinander, aber bezogen auf die Rasterbewegung zufällig, getaktet sein. Dadurch steht pro adressiertem Raumwinkel α die vierfache Emitterleistung zur Verfügung, was entsprechend die Detektionsreichweite des Sensorsystems 5 erhöht.
-
Die beispielhaft erwähnten vier Emitter 1 können auch zeitversetzt zueinander getaktet werden. Die Zeitabstände zwischen den einzelnen Lichtimpulsen innerhalb dieser Vierergruppe aus vier einzelnen Emittern 1 kann sowohl konstant als auch zufällig gewählt sein. In beiden Fällen kann die Totzeit, also das Zeitintervall bis zum nächsten Sendeimpuls, eines einzelnen Emitters 1 nach dem Aussenden eines Lichtstrahls 6 auf Systemebene reduziert werden. In diesem Beispiel würde sich die Totzeit um den Faktor 4 reduzieren, da hier eine Gruppe von vier Emittern 1 vorhanden ist.
-
Diese beiden beispielhaft dargestellten Betriebsmodi des Sensorsystems 5 können im laufenden Betrieb auch untereinander wechseln. So kann beispielsweise bei hohen Geschwindigkeiten die Detektionsreichweite erhöht werden oder beispielsweise im dichten Verkehr die Auflösung bei geringen Abständen gesteigert werden. Durch eine intelligente, insbesondere Objekt-abstandsbasierte, Steuerung der Steuereinheit 13 kann sinnvoll zwischen diesen beiden Betriebsmodi umgeschaltet werden. In Verbindung mit der Recheneinheit 8 kann anhand der vom Empfänger 7 gewonnenen Informationen das Gesamtbild 14 erzeugt werden, welches einmal ein niedrig auflösendes Bild in einer großen Entfernung bereitstellt oder im Nahbereich des Fahrzeugs ein höher aufgelöstes Bild berechnet. Das heißt, je nach Anforderung könnte entweder ein schwach aufgelöstes Bild aus der Ferne bereitgestellt werden oder ein besser aufgelöstes Bild aus dem Nahbereich des Fahrzeugs beziehungsweise des Sensorsystems 5.
-
Die vorliegende Erfindung kann auch im Zusammenhang mit einem sogenannten Lissajous-Scanner eingesetzt werden. Ein Lissajous-Scanner ist ein Rasterspiegel, der in beiden Achsen resonant oder nicht-resonant betrieben wird. Damit ist die Bewegungskurve jeder Achse sinusförmig, die Trajektorie eines damit abgelenkten Lichtstrahles 6 bilden damit Lissajous-Muster. Diese Lissajous-Muster weisen die Eigenschaft auf, dass nicht jeder Raumwinkel α gleich häufig getroffen wird. In Verbindung mit der stochastischen Taktung der Messpulse beziehungsweise der Lichtstrahlen 6 hätte man hier die Möglichkeit, die Verteilungsfunktion der Zufallszahlen so zu wählen, dass die im Zeitmittel nicht gleichmäßige Ausleuchtung des Sichtbereichs 10 durch einen Lissajous-Scanner kompensiert werden könnte.
-
Eine besonders vorteilhafte Form der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn das erfindungsgemäße Sensorsystem 5 mit einem zweiten Sensorsystem kombiniert wird. Das erste Sensorsystem 5 funktioniert insbesondere gemäß dem Zufallsprinzip, welches auf der Zufallskomponente beruht. Das heißt, das Sensorsystem 5 tastet seine Umgebung durch eine zufällige Ausstrahlung von Lichtstrahlen 6 in zufällig auftretenden Raumwinkel α ab. Dabei kann der Fall auftreten, dass Objekte 9 früher detektiert werden als bei einer systematischen Abrasterung der Umgebung. Im Beispiel der 3 wurde bereits zum Zeitpunkt t1 festgestellt, dass sich zwei Objekte 9, nämlich der Brückenpfeiler 9' und das Verkehrszeichen 9", im Sichtbereich 10 des Detektors 4 befinden. Diese Information, also die erfassten Positionen der detektierten Objekte 9, kann nun dem zweiten Sensorsystem übermittelt werden. Darauf basierend kann das zweite Sensorsystem die vom ersten Sensorsystem 5 gelieferten räumlichen Teilbereiche separat abscannen. Das heißt, das zweite Sensorsystem rastert nicht den kompletten Sichtbereich 10, sondern nur die vom ersten Sensorsystem 5 vorbestimmten Teilbereiche des Sichtbereichs 10 ab. Das zweite Sensorsystem kann insbesondere eine systematische Abrasterung der Teilbereiche vorsehen, welche also nicht oder im Wesentlichen nicht auf einer stochastischen Zeitabfolge basiert.
-
Damit ist es möglich, eine Objekterkennung zu beschleunigen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Fahrzeugen. Bei hohen Geschwindigkeiten von Fahrzeugen oder bei Objekten, welche nahe am Fahrzeug auftreten (etwa in einem Bereich innerhalb von 10 Metern) ist es äußerst vorteilhaft, Objekte 9 so schnell wie möglich zu erkennen. So könnten beispielsweise beim Befahren einer Straße innerhalb einer Ortschaft ein von der Seite plötzlich auftauchender Ball oder ein Kind schneller detektiert werden. Da autonom fahrende Fahrzeuge in einem solchen Fall vermutlich zumindest ein starkes Bremsmanöver einleiten werden, ist es sehr wichtig, diese gefährliche Situation durch das Sensorsystem 5 möglichst schnell zu erkennen. Bereits einige Sekundenbruchteile könnten entscheidend sein, ob es in dieser Situation zu einem Unfall kommen würde oder nicht. Die in diesem Absatz vorgesehen Ausführungsform könnte den plötzlich auftauchenden Ball beziehungsweise das Kind zumindest im groben Stil rechtzeitig erkennen. Das zweite Sensorsystem würde sich in diesem Beispiel früher auf jene Teile der räumlichen Teilbereiche konzentrieren, in denen der Ball beziehungsweise das Kind detektiert wurde. Somit kann die Objekterkennung beschleunigt werden. Durch die Kombination zweier Sensorsysteme, wobei eines davon seine Umgebung zumindest teilweise stochastisch abscannt und das andere die Umgebung systematisch erfasst, können die Vorteile beider Sensorsysteme sinnvoll kombiniert werden.
-
Insgesamt bietet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, Aliasing-Artefakte, die bei der Abtastung durch LIDAR-Systeme auftreten können, zuverlässig zu unterbinden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit bei der Objekterkennung erhöht werden. Im Idealfall werden Objekte 9' oder 9", wie in der 3 gezeigt wurde, rascher detektiert. Dies kann durch eine sinnvolle Ausgestaltung des Sensorsystems 5, das auf einer Zufallskomponente basierend arbeitet, erreicht werden. Die Zufallskomponente kann auch mit einer deterministischen Komponente kombiniert werden. Die genaue Ausgestaltung dieser beiden Komponenten kann hierbei den jeweiligen Erfordernissen des Einzelfalls angepasst sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Emitter
- 2
- Rastereinheit
- 3
- Lichtemissionsvorrichtung
- 4
- Detektor
- 5
- Sensorsystem
- 6
- Lichtstrahl(en)
- 7
- Optik
- 8
- Recheneinheit
- 9
- Objekt
- 10
- Sichtbereich
- 11
- Bildpunkt
- 12
- Rasterbild
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Gesamtbild
- 15
- Lichtsensor
- t1
- Zeitpunkt 1
- t2
- Zeitpunkt 2
- t3
- Zeitpunkt 3
- t4
- Zeitpunkt 4
- 6'
- reflektierte Lichtstrahlen
- 9'
- Brückenpfeiler
- 9"
- Verkehrszeichen
- α
- Raumwinkel
