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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von zumindest zwei Sensoren an einem Kraftfahrzeug zur Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Umfelderfassungssystem zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Umfelderfassungssystem.
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Bei Kraftfahrzeugen werden unterschiedlichste Fahrerassistenzsysteme eingesetzt, das heißt elektronische Zusatzeinrichtungen zur Unterstützung des Fahrers in bestimmten Fahrsituationen. Viele Fahrerassistenzsysteme berücksichtigen dabei Information über Objekte im Umfeld des Kraftfahrzeugs. Die aktiven Funktionen (Regeleingriffe) oder passiven Funktionen (Warnfunktionen) von Fahrerassistenzsystemen setzen Kenntnisse der aktuellen Fahrsituationen voraus. Ein verbreitetes optisches Messverfahren zur Erfassung von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeugs ist unter der Bezeichnung „LIDAR“ („Light detection and ranging“) bekannt. LIDAR- Systeme arbeiten nach dem Lichtlaufzeitverfahren („Time of light- Messung“). Dabei senden optische Detektionsvorrichtungen wie beispielsweise Laserscanner Lichtpulse aus und empfangen an einem eventuell vorhandenen Objekt reflektierte Strahlen, wobei die Zeit bis zum Empfang des reflektierten Signals proportional zur Entfernung ist.
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Zur umfänglichen Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs weisen Umfelderfassungssysteme mehrere Umfeldsensoren auf, welche jeweils unterschiedliche und benachbart liegende Teilsichtfelder erfassen und in entsprechender Lage am Kraftfahrzeug angeordnet sind. Die Messinformationen der Sensoren werden von einer Auswertungseinheit des Umfelderfassungssystems ausgewertet.
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Eine perfekte Einbaulage und Ausrichtung der Sensoren ist nur sehr schwer zu erreichen. Zudem muss die Messinformation verschiedener Sensoren, welche das gleiche Objekt detektieren, bei der Auswertung fusioniert werden, so dass die Sensoren des Umfelderfassungssystems aufeinander abgestimmt sein müssen. In der Regel erfolgt bei der Montage der Sensoren am Kraftfahrzeug eine Justage und eine Kalibrierung der Strahlsensoren, um eine einwandfreie Funktion des Umfelderfassungssystems zu gewährleisten. Eine Einzelkalibrierung und Kalibrierung jedes einzelnen Strahlsensors zu der entsprechenden Einbaulage erfordert einen hohen Aufwand.
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DE 10 2012 108 862 A1 offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung von mehreren Umfeldsensoren in einem Fahrzeug anhand von Daten mindestens eines stehenden Objekts, was von mindestens zwei unterschiedlichen Umfeldsensoren detektiert wird. Die Kalibrierung wird dabei durchgeführt, während das Fahrzeug steht. Die Kalibrierung der unterschiedlichen Umfeldsensoren erfolgt bei dem bekannten Verfahren derart, dass nach der Kalibrierung beider, beziehungsweise aller, Umfeldsensoren von diesen Umfeldsensoren übereinstimmende Daten für das Objekt erzeugt werden. Die übereinstimmenden Daten sollen dabei insbesondere die Position des Objekts, den Abstand zwischen dem eigenen Fahrzeug und dem Objekt erfassen, so dass anhand der Detektion von stehenden Objekten eine Multisensorkalibrierung durchgeführt werden kann. Die im Fahrzeug vorhandenen Umfeldsensoren werden paarweise gegeneinander kalibriert. Bei dem bekannten Verfahren ist eine Kalibrierung im Stillstand des Fahrzeugs vorgesehen, insbesondere wenn das Fahrzeug vor einer roten Ampel steht oder auf eine auf Rot geschaltete Ampel zufährt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand zur Kalibrierung der Sensoren eines Umfelderfassungssystems eines Kraftfahrzeugs zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Kalibrierung von zumindest zwei Sensoren an einem Kraftfahrzeug zur Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Umfelderfassungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie gemäß Anspruch 8 durch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Umfelderfassungssystem gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird in einem ersten Verfahrensschritt der erste Sensor mit einer bekannten Umgebungsinformation kalibriert. In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine erste Messinformation eines Referenzobjektes mittels des ersten Sensors erfasst. Das Referenzobjekt ist im Detektionsbereichs des ersten sowie des zweiten Sensors angeordnet, dessen Detektionsbereich sich mit dem des ersten Sensors zumindest abschnittsweise überschneidet. In einem dritten Verfahrensschritt wird eine zweite Messinformation des Referenzobjektes mittels des zweiten Sensors erfasst. In einem vierten Verfahrensschritt wird anschließend die zweite Messinformation (10') anhand der ersten Messinformation (10) kalibriert.
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Das Kalibrieren ist ein Einstellen oder Abgleichen des zu kalibrierenden Sensors unter Berücksichtigung einer bekannten Messinformation, um systematische Abweichungen so weit zu beseitigen, wie es für die vorgesehene Anwendung erforderlich ist. Die Kalibrierung wird insbesondere elektronisch durch Einstellung von gespeicherten Daten vorgenommen. Eine solche softwareseitige Kalibrierung erfolgt am Speicherort der relevanten Software der Strahlsensoren, welche in unterschiedlichen Ausführungsformen in einem zentralen Steuergerät oder in dem jeweiligen Sensor gespeichert ist.
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Die bekannte Umgebungsinformation wird zur Kalibrierung des ersten Sensors eingemessen oder ermittelt. Für die Kalibrierung der zweiten Sensors wird die Messinformation des ersten Sensors herangezogen. Die bekannte Umgebungsinformation ist ein während der Fahrt gemessene oder aus Messwerten ermittelte Orientierung oder bevorzugt eine im Stillstand eingemessene Umgebungsinformation.
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Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Kalibrierung von zumindest zwei Sensoren an einem Kraftfahrzeug ist lediglich ein Sensoren mit bekannten Umgebungsinformationen zu kalibrieren, während der zweite Sensor des Umfelderfassungssystems mittels geeigneter Algorithmen unter Bezugnahme auf den ersten Sensor kalibrierbar ist. Mit anderen Worten wird der erste Sensor absolut kalibriert, während der zweite Sensor relativ zum ersten Sensor kalibriert wird. Die Kalibrierung erfolgt dabei durch Anpassung des bei jeder Messung berücksichtigten Bezugs für die jeweils erfasste Messinformation. Bei der Kalibrierung des ersten Sensors wird der Bezug durch Einstellen des Sensors auf eine als Bezug vorgesehene Ausrichtung vorgenommen. Dazu wird eine bekannte Umgebungsinformation erfasst und der erste Sensor entsprechend kalibriert.
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Der zweite Sensor, dessen Sichtfeld einen Schnittbereich mit dem Sichtfeld des ersten Sensors bildet, wird unter Bezug auf den ersten Sensor kalibriert, indem mit beiden Sensoren jeweils Messinformationen zu einem Objekt im Schnittbereich ihrer jeweiligen Sichtfelder erfasst werden. Der zweite Sensor wird anhand einer Abweichung seiner unkalibrierten Messinformation von der kalibrierten Messinformation des ersten Sensors kalibriert. Die Abweichung der unkalibrierten Messinformation kann auch als Offset verstanden werden, um den die Messinformation des zweiten Sensors mithilfe geeigneter Algorithmen korrigiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Umgebungsinformation eine Positionsinformation. Mit anderen Worten kann der erste Sensor mit einer bekannten Position, beispielsweise der Position eines Objektes, kalibriert werden. Hierzu kann das Kraftfahrzeug in eine definierte Position bezüglich eines Kalibrierobjektes positioniert werden oder alternativ das Kalibrierobjekt bezüglich des Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Durch genau bekannte Positionsinformation kann der erste Sensor genau kalibriert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Positionsinformation anhand der erste Sensor kalibriert wird, eine Referenzachse und die Messinformation ein Azimutwinkel und/oder Elevationswinkel gegenüber der Referenzachse. Auf diese Weise liefern die Sensoren jeweils einen Azimutwinkel und/oder einen Elevationswinkel gegenüber der Referenzachse als Messinformation, so dass mit entsprechenden Algorithmen eine unmittelbar vergleichbare Azimut- oder Evelation- Messinformation gegeben ist. Das Kalibrieren des ersten Sensors ist dabei auf einfache Weise möglich, indem auf der vorgesehenen Referenzachse durch den zu kalibrierenden ersten Sensor ein Referenz-Objekt, beispielsweise ein Stab oder eine Mess-Stele, genau eingemessen aufgestellt wird und an dem Objekt mit eingemessener und daher bekannter Positionsinformation die Kalibriermessung des ersten Sensors durchgeführt wird.
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Die Referenzachse, zu der die Sensoren des Umfelderfassungssystems Messinformationen in Form von Azimutwinkeln oder Evelationswinkeln gegenüber der Referenzachse liefern, wird vorteilhaft in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs bestimmt. Dadurch können weitere Sensoren des Umfelderfassungssystems kalibriert werden, nämlich beiderseits der Referenzachse angeordnete Sensoren, welche einen Schnittbereich ihres Sichtfelds mit dem Sichtfeld des ersten Sensors aufweisen. Messabweichungen aufgrund einer Höhenentfernung der Sensoren in ihrer Einbaulage gegenüber der Referenzachse durch den Referenz-Strahlsensor werden durch geeignete Algorithmen, beispielsweise durch eine Normalisierung der Messinformation, berücksichtigt und ausgeglichen.
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Vorteilhaft ist die Referenzachse eine Symmetrieachse des Kraftfahrzeugs, wobei der erste Sensor im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und seitlich am vorderen Bereich angeordnete Sensoren an dem ersten-Sensor kalibriert werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein vorderer Sensor im Frontbereich des Kraftfahrzeug mit einer bekannten Positionsinformation und ein hinterer Sensor im Heckbereich des Kraftfahrzeugs mit einer ebenfalls bekannten Positionsinformation kalibriert. Dabei werden weitere Sensoren im Frontbereich des Kraftfahrzeugs an dem vorderen Sensor kalibriert, während der hintere Sensor im Heckbereich des Kraftfahrzeugs für eine softwareseitige Kalibrierung der hinteren Sensoren mit Schnittbereichen einer Überschneidung ihrer Sichtfelder mit dem Sichtfeld des hinteren Sensors zur Verfügung steht.
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Zur Verringerung des Rechenaufwands im Hinblick auf möglichst verlässliche Messinformationen des Umfelderfassungssystems werden der vordere Sensor und der hintere Strahlsensor mit einer gemeinsamen Referenzachse kalibriert. Darunter ist zu verstehen, dass eine Referenzachse des vorderen Sensors und eine Referenzachse des hinteren Sensors kollinear liegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 bis 4: Draufsichten auf ein Kraftfahrzeug mit schematischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Kalibrierung mehrerer optischer Detektionsvorrichtungen an dem Kraftfahrzeug,
- 5: ein Flussschaubild des Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Kalibrierung mehrerer optischer Detektionsvorrichtungen an dem Kraftfahrzeug.
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1 bis 4 zeigen jeweils Draufsichten auf ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Umfelderfassungssystem 2, welches Informationen über Objekte und Ereignisse im Umfeld des Kraftfahrzeugs 1 einem Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellt. Wesentliche Bauteile des Umfelderfassungssystems 2 sind die optischen Detektionsvorrichtungen 3, 4, 5, 6, 7, 8, welche signalübertragend mit einer elektronischen Auswertungseinheit 9 verbunden sind. Die optischen Detektionsvorrichtungen 3, 4, 5, 6, 7, 8 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel Laserscanner, welche Lichtimpulse in die Umgebung des Kraftfahrzeug 1 aussenden und dazu ausgebildet sind, an etwaigen Objekten reflektierte Lichtstrahlen zu empfangen und der Auswertungseinheit 9 eine entsprechende Messinformation 10 zur Verfügung zu stellen. Jeder Laserscanner umfasst ein sektorförmiges Sichtfeld, welche in 2 und 3 dargestellt sind.
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Die Laserscanner 3, 4, 5, 6, 7, 8 sind an dem Kraftfahrzeug 1 derart verteilt, dass mit ihren Sichtfeldern eine möglichst lückenlose Erfassung des Umfelds gegeben ist. Hierzu sind in einem Frontbereich 11 ein Laserscanner 3 in zentraler Lage sowie jeweils Laserscanner 5, 7 an den Seiten 12, 13 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Der zentral angeordneten Laserscanner 3 erfasst ein Sichtfeld (Bezugszeichen 14 in 2) vor dem Kraftfahrzeug 1. Die seitlichen Laserscanner 5, 7 erfassen Sichtfelder 15, 16 seitlich des Kraftfahrzeugs 1. Die Sichtfelder 14, 15, 16 der Laserscanner 3, 5, 7 ergeben zusammen ein durchgehendes Gesamtsichtfeld, wobei benachbarte Sichtfelder sich jeweils in einem Schnittbereich 17, 18 überschneiden. Anders ausgedrückt sind Objekte innerhalb dieser Schnittbereiche 17, 18 von jeweils zwei Laserscanner erfassbar.
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Im Heckbereich 35 des Kraftfahrzeugs 1 umfasst das Umfelderfassungssystem 2 weitere Laserscanner 4, 6, 8, welche analog zur Anordnung der Laserscanner 3, 5, 7 im Frontbereich 11 in zentraler Lage angeordnet, beziehungsweise den Seiten 12, 13 des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind. Entsprechend erfasst der Laserscanner 4 in zentraler Lage mit seinem Sichtfeld 19 (3) den Bereich hinter dem Kraftfahrzeug 1. Die Sichtfelder 20, 21 der seitlich angeordneten Laserscanner 6, 8 überlappen sich mit dem Sichtfeld 19 des zentralen hinteren Laserscanner 4 und bilden Schnittbereiche 22, 23 (in 3).
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Die Laserscanner 3, 4, 5, 6, 7, 8 messen jeweils im Azimut und ermitteln als jeweilige Messinformation 10, 10' Azimutwinkel (Bezugszeichen α, β in 4) gegenüber einer Referenzachse 24. Die Referenzachse 24 ist bei der Abstimmung der Laserscanner im Umfelderfassungssystem 2 als Bezug für die Messinformation 10 gesetzt, nämlich im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Symmetrieachse des Kraftfahrzeugs 1. Der zentrale Laserscanner 3 im Frontbereich 11 und der zentrale Laserscanner 4 im Heckbereich 35 des Kraftfahrzeugs 1 liegen auf der Referenzachse 24.
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Damit das Umfelderfassungssystem 2 aussagefähige Umfeldinformation bereitstellen kann, müssen die Laserscanner mit Schnittbereichen ihrer Sichtfelder aufeinander abgestimmt sein und kalibriert sein. Hierzu wird erfindungsgemäß einer der Laserscanner, nämlich im vorliegenden Fall die zentralen Laserscanner 3, 4, mit einer bekannten Positionsinformation (Bezugszeichen 25 in 5) kalibriert. Nachstehend näher erläutert ist der so kalibrierte Laserscanner als Referenz Laserscanner 3 zur Kalibrierung der zunächst unkalibrierten Laserscanner 5, 7 herangezogen, deren Sichtfelder 15, 16 sich mit dem Sichtfeld 14 des Referenz- Laserscanner 3 abschnittsweise überschneiden.
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Zur Kalibrierung des Referenz- Laserscanner 3 wird im Sichtfeld 14 des Referenz-Laserscanner 3 ein Kalibierobjekt 26, beispielsweise ein Stab oder eine Mess-Stele, an einer bestimmten, genau eingemessenen, Positionsinformation 25 aufgestellt. Die Positionsinformation 25 entspricht einer Lage auf der Referenzachse 24. Zum Kalibrieren des Referenz- Laserscanner wird gemäß 5 eine Referenzmessung 27 mit dem Referenz- Laserscanner 3 durchgeführt. Aus einem Vergleich 32 der unkalibrierten Messinformation 10' des Referenz-Laserscanner 3 mit der bekannten Positionsinformation 25 ergibt sich eine Abweichung 28, welche durch Kalibrierung 29 des Referenz- Laserscanner 3 ausgeglichen wird.
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Die Kalibrierung 29 wird in einem Ausführungsbeispiel durch Eingriff in die Software des Referenz- Laserscanner 3 vorgenommen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt eine Datenanpassung in der Auswertungseinheit 9.
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Zur Kalibrierung 29 eines unkalibrierten Laserscanner 5, 7 wird eine paarweise Kalibriermessung 30 durch den Referenz- Laserscanner 3 und dem unkalibrierten Laserscanner 5, 7 durchgeführt zu einem Objekt 34 im Schnittbereich 17, 18 ihrer jeweiligen Azimut-Sichtfelder. Für die Kalibriermessung 30 wird bei der Kalibrierung der unkalibrierten Laserscanner 5, 7 im Frontbereich 11 des Kraftfahrzeugs 1 ein Objekt 34 verwendet und im Schnittbereich 17, 18 des jeweils zu justierenden Laserscanner 5, 7 aufgestellt.
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Die paarweise Kalibriermessung 30 umfasst daher eine gleichzeitige Referenzmessung 27 des Referenz- Laserscanner 3 und eine Messung 31 des unkalibrierten Laserscanner 5, 7. Durch Vergleich 32 der Messinformation 10 des Referenz- Laserscanner mit der unkalibrierten Messinformation 10' des zu kalibrierenden Laserscanners wird eine Abweichung 33 ermittelt, welche durch Kalibrierung 29 des bis dahin unkalibrierten Laserscanner ausgeglichen wird. Bei der Abweichung handelt es sich anders ausgedrückt um eine Kalibrierinformation, welche in der Auswertungseinheit 9 für Messungen der Sensoren 5,7 zur Korrektur der Sensormessungen verwendet werden.
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In der grafischen Darstellung der Kalibrierung eines unkalibrierten Laserscanners 5 in 4 erfasst sowohl der Referenz- Laserscanner 3 als auch der zu kalibrierenden Laserscanner 5 das Messobjekt im Schnittbereich ihrer Sichtfelder. Der Referenz- Laserscanner 3 ermittelt als Messinformation 10 einen Azimutwinkel β gegenüber der Referenzachse 24, welche mit dem Azimutwinkel α als unkalibrierte Messinformation 10' des unkalibrierten Laserscanner 5 verglichen wird. Zum Vergleichen des Azimutwinkel β mit dem Azimutwinkel α werden sowohl der Azimutwinkel β als auch der Azimutwinkel α in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert. Die Abweichung 33 ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Azimutwinkel β und dem Azimutwinkel α. Die Einbaulage, beziehungsweise die geometrischen Verhältnisse, zwischen den an der paarweisen Kalibriermessung 30 beteiligten Laserscanner wird durch entsprechende Algorithmen der Auswertungseinheit (Bezugszeichen 9 in 1) berücksichtigt und eine Abweichung 33 der unkalibrierten Messinformation 10' von der Messinformation 10 des Referenz- Laserscanner 3 ermittelt.
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Beide Laserscanner 5, 7 zur Erfassung eines seitlich des Kraftfahrzeugs liegenden Sichtfelds werden jeweils unter Heranziehung der Messinformation des kalibrierten Referenz- Laserscanner 3 kalibriert.
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Analog zur Kalibrierung der Laserscanner im Frontbereich 11 des Kraftfahrzeugs werden die Laserscanner 4, 6, 8 im Heckbereich 35 des Kraftfahrzeugs kalibriert.
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Gemäß der Darstellung in 1 wird im Sichtfeld des als Referenz- Laserscanner 4 für den Heckbereich 35 ein Kalibrierobjekt 26 derart aufgestellt, dass es auf der vorgesehenen Referenzachse 24 liegt. Durch Referenzmessung 27 des zu kalibrierenden Referenz- Laserscanner 4 im Heckbereich 35 wird eine unkalibrierte Messinformation 10' (5) aufgenommen und dessen Abweichung 28 von der bekannten Positionsinformation 25 ermittelt und durch Kalibrierung 29 ausgeglichen. Dabei wird die Messinformation 10' des Referenz- Laserscanner auf einen Azimutwinkel von 0 Grad gesetzt.
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Zur Kalibrierung 29 der seitlich des Kraftfahrzeugs 1 angeordneten Laserscanner 6, 8 im Heckbereich 18 werden Objekte 34 im jeweiligen Schnittbereich 22, 23 der Sichtfelder 19, 20, 21 erfasst und die bis dahin unkalibrierten Laserscanner 6, 8 unter Berücksichtigung der Messinformation 10 des Referenz- Laserscanner 4 kalibriert.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Kraftfahrzeug
- 2.
- Umfelderfassungssystem
- 3.
- Referenz- Laserscanner
- 4.
- Referenz- Laserscanner
- 5.
- Laserscanner
- 6.
- Laserscanner
- 7.
- Laserscanner
- 8.
- Laserscanner
- 9.
- Auswertungseinheit
- 10.
- Messinformation
- 10'.
- Unkalibrierte Messinformation
- 11.
- Frontbereich
- 12.
- Linke Seiten
- 13.
- Rechte Seiten
- 14.
- Sichtfeld
- 15.
- Sichtfeld
- 16.
- Sichtfeld
- 17.
- Schnittbereich
- 18.
- Schnittbereich
- 19.
- Sichtfeld
- 20.
- Sichtfeld
- 21.
- Sichtfeld
- 22.
- Schnittbereich
- 23.
- Schnittbereich
- 24.
- Referenzachse
- 25.
- Positionsinformation
- 26.
- Kalibrierobjekt
- 27.
- Referenzmessung
- 28.
- Abweichung
- 29.
- Kalibrierung
- 30.
- Kalibriermessung
- 31.
- Messung
- 32.
- Vergleich
- 33.
- Abweichung
- 34.
- Objekt
- 35.
- Heckbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012108862 A1 [0005]
