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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Sensors zur Erfassung eines Objekts und einen optoelektronischen Sensor, welcher mit einem solchen Verfahren betreibbar ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrerassistenzsystem mit einem solchen optoelektronischen Sensor und ein Fahrzeug mit einem solchen Fahrerassistenzsystem.
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In Fahrzeugen werden häufig optoelektronische Sensoren, beispielsweise sogenannte Lidar-Sensoren (Lidar - Light detection and ranging) oder Laserscanner, zur Erfassung von sich in einer Fahrzeugumgebung befindenden Objekten eingesetzt. Mit Hilfe der optoelektronischen Sensoren können Abstands- und Geschwindigkeitsdaten in Bezug auf bewegliche Objekte wie beispielsweise entgegenkommende oder vorausfahrende Fahrzeuge oder Abstandsdaten in Bezug auf unbewegliche Objekte wie beispielsweise fahrbahnbegrenzende Leitplanken ermittelt werden. Auch kann zum Beispiel der Fahrbahnverlauf ermittelt werden. Die Ermittlung eines Abstandes zwischen dem Fahrzeug und dem betreffenden Objekt erfolgt dabei in der Regel auf der Grundlage der Laufzeit eines von dem optoelektronischen Sensor ausgesendeten Lichtpulses, welcher an dem Objekt reflektiert wird, wobei der reflektierte Lichtpuls von dem optoelektronischen Sensor empfangen wird. D.h. die Ermittlung des Abstandes zwischen Fahrzeug und Objekt erfolgt nach dem sogenannten Time-of-Flight-Prinzip. Üblicherweise wird durch das Aussenden der Lichtpulse ein vorbestimmter horizontaler Winkelbereich in der Fahrzeugumgebung abgetastet, um sich in dem Winkelbereich befindende Objekte zu erfassen.
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Abstands- und Geschwindigkeitsdaten der mittels des optoelektronischen Sensors erfassten Objekte werden ausgewertet und können an ein im Fahrzeug vorgesehenes Fahrerassistenzsystem übermittelt werden. Bei Kollisionsgefahr mit einem anderen Verkehrsteilnehmer, zum Beispiel einem Fußgänger oder einem anderen Fahrzeug, kann das Fahrerassistenzsystem das Fahrverhalten derart steuern, dass eine Kollision möglichst vermieden oder zumindest eine Schadensbegrenzung herbeigeführt werden kann. Hierzu kann das Fahrerassistenzsystem zum Beispiel in die Lenkung, das Bremssystem und/oder das Antriebssystem eingreifen.
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Bei einem bekannten optoelektronischen Sensor in Form eines Lidar-Sensors wird zum Aussenden eines Lichtpulses eine Laserdiode eingesetzt. Der Lichtpuls wird an einem um eine vertikale Drehachse schwenkbaren Spiegel reflektiert. Der Spiegel ist als sogenanntes mikroelektromechanisches Systems (MEMS-System, auch Mikrosystem genannt) ausgebildet und wird auch als Mikrospiegel oder MEMS-Spiegel bezeichnet. Durch periodisches Schwenken/Auslenken des Mikrospiegels und Aussenden einer entsprechenden Anzahl von Lichtpulsen kann ein vorbestimmter horizontaler Winkelbereich in der Fahrzeugumgebung abgetastet werden. Zum Empfangen der an einem Objekt reflektierten Lichtpulse weist der optoelektronische Sensor eine Fotodiode auf. Um zu verhindern, dass sich an den Umkehrpunkten des Mikrospiegels an den Rändern des Winkelbereichs eine höhere Dichte an Messpunkten ergibt, wird während des Abtastvorgangs/Abtastdurchlaufs für den momentanen Auslenkwinkel des Mikrospiegels der am nächsten liegende Auslenkwinkel bestimmt, an welchem ein Lichtpuls ausgesendet werden soll. Die Auslenkwinkel, an welchen jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, sind vorab in Form eines Arrays hinterlegt. Dabei wird bei jedem Auslenkwinkel, an welchem ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, während eines Abtastvorgangs nur einmal ein Lichtpuls ausgesendet.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Sensors zur Erfassung eines Objekts bereitzustellen, welches sich durch geringe Komplexität, einfache Implementierbarkeit und hohe Echtzeitfähigkeit auszeichnet. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optoelektronischen Sensor bereitzustellen, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und einen optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Sensors zur Erfassung eines Objekts angegeben, welcher eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von Lichtpulsen und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von von einem Objekt reflektierten Lichtpulsen umfasst, bei welchem die Sendeeinrichtung die Lichtpulse in einem vorbestimmten Winkelbereich aussendet. An vorgegebenen Winkelpositionen des vorbestimmten Winkelbereichs, an welchen jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, wird ein Lichtpuls in Abhängigkeit davon ausgesendet, ob eine zeitabhängige Modulationsfunktion einen vorbestimmten Wert einnimmt. D.h. es wird bei Erreichen einer vorgegebenen Winkelposition, an welcher grundsätzlich das Aussenden eines Lichtpulses zum Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs erforderlich ist, nur dann ein Lichtpuls ausgesendet, wenn gleichzeitig mit Erreichen der vorgegebenen Winkelposition eine zeitabhängige Modulationsfunktion einen bestimmten, vordefinierten Wert hat. Wenn die aktuelle Winkelposition also einer für das Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs erforderlichen vorgegebenen Winkelposition entspricht, erfolgt eine Verknüpfung mit der zeitabhängigen Modulationsfunktion und nur dann, wenn das Verknüpfungsergebnis demjenigen entspricht, das erhalten wird, wenn die Modulationsfunktion den vorbestimmten Wert hat, wird ein Lichtpuls ausgesendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorteilhafterweise eine geringe Komplexität auf, lässt sich einfach implementieren und kann in Echtzeit ausgeführt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein vorbestimmter Winkelbereich in einer Fahrzeugumgebung auf einfache und effiziente Weise abgetastet werden, um in der Fahrzeugumgebung befindliche Objekte wie beispielsweise andere Verkehrsteilnehmer oder sonstige Hindernisse zu erfassen.
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Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Modulationsfunktion eine Rechteckfunktion, und ein Lichtpuls wird vorzugsweise dann bei den vorgegebenen Winkelpositionen ausgesendet, an welchen zur Abtastung des vorbestimmten Winkelbereichs jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, wenn die Rechteckfunktion einen Maximalwert einnimmt, welcher beispielsweise der Wert „1“ sein kann. Eine Rechteckfunktion zeichnet sich durch geringe Komplexität aus und lässt sich einfach implementieren.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung überstreicht die Sendeeinrichtung den vorbestimmten Winkelbereich zum Aussenden der Lichtpulse mehrere Male, insbesondere periodisch, wobei das Überstreichen des vorbestimmten Winkelbereichs vorzugsweise mit dem zeitlichen Verlauf der Modulationsfunktion synchronisiert ist. Auf diese Weise lässt sich eine Ausführung in Echtzeit insbesondere auch dann sicherstellen, wenn die Sendeeinrichtung den vorbestimmten Winkelbereich schneller überstreicht, als Lichtpulse an sämtlichen zum Abtasten des Winkelbereichs notwendigen, vorgegebenen Winkelpositionen ausgestrahlt werden können.
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Bei mehrmaligem Überstreichen des vorbestimmten Winkelbereichs können bei jedem Überstreichen an unterschiedlichen der zur Abtastung notwendigen vorgegebenen Winkelpositionen Lichtpulse ausgestrahlt werden. Um dies so erreichen, wird vorzugsweise bei einem erneuten Überstreichen des vorbestimmten Winkelbereichs die Modulationsfunktion dahingehend angepasst, dass die Modulationsfunktion zeitlich um ihre Pulsweite verschoben ist. D.h. im Vergleich zu einem vorhergehenden Überstreichen des vorbestimmten Winkelbereichs wird bei einem erneuten Überstreichen des vorbestimmten Winkelbereichs die Modulationsfunktion auf der Zeitachse um ihre Pulsweite nach links oder rechts verschoben. Ist die Modulationsfunktion durch eine Rechteckfunktion gegeben, so handelt es sich bei der Pulsweite um die Weite von einem ihrer Rechteckpulse.
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Vorzugsweise sollen in Randbereichen des vorbestimmten Winkelbereichs weniger Lichtstrahlen ausgesendet werden als in dessen mittigem Bereich. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass die Winkelgeschwindigkeit beim mehrmaligen, insbesondere periodischen, Überstreichen des vorbestimmten Winkelbereichs in den Randbereichen in der Regel niedriger ist als im mittigen Bereich, und es kann eine höhere Messdichte in den Randbereichen vermieden werden.
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Bevorzugt entspricht die Periodendauer der Modulationsfunktion, bei der es sich vorzugsweise um eine Rechteckfunktion handelt, wenigstens der Zeitdauer, bis die Sendeeinrichtung bereit ist, den nächsten Lichtpuls auszusenden. D.h. die Periodendauer der Modulationsfunktion entspricht wenigstens dem minimalen Zeitabstand zwischen den von der Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtpulsen. Der minimale Zeitabstand ist so definiert, dass die Sendeeinrichtung nicht geeignet ist, Lichtpulse in kürzeren Zeitabständen abzugeben. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Modulationsfunktion erneut ihren vorbestimmten Wert (bei einer Rechteckfunktion zum Beispiel ihren Maximalwert) erreicht, obgleich die Sendeeinrichtung noch nicht bereit ist, erneut einen Lichtpuls auszusenden.
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Die Pulsweite der vorzugsweise als Rechteckfunktion ausgebildeten Modulationsfunktion ist vorzugsweise derart gewählt, dass die zweifache Pulsweite der Rechteckfunktion größer bzw. zeitlich gesehen länger ist als die Pulsweite eines von der Sendeeinrichtung ausgestrahlten Lichtpulses. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nicht zwei Pulse der Rechteckfunktion gleichzeitig mit einem Lichtpuls der Sendeeinrichtung auftreten.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sendeeinrichtung des optoelektronischen Sensors eine Lichtquelle und ein schwenkbares Ablenkelement. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ablenkelement derart geschwenkt, dass die von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahlen den vorbestimmten Winkelbereich abtasten können. Der vorbestimmte Winkelbereich ist vorzugsweise ein vorbestimmter horizontaler Winkelbereich. Die Lichtquelle ist insbesondere als Laser, bevorzugt als Pulslaser, ausgebildet bzw. umfasst einen solchen. Als Laser kann eine Laserdiode eingesetzt werden. Das schwenkbare Ablenkelement ist insbesondere als schwenkbares Spiegelelement ausgebildet, vorzugsweise als mikroelektromechanischer Spiegel (MEMS-Spiegel, auch Mikrospiegel genannt), dessen Schwenkbewegung über einen Aktuator steuerbar ist. Das schwenkbare Ablenkelement ist insbesondere um dessen vertikale Drehachse schwenkbar. Der Aktuator kann Teil der Sendeeinrichtung sein. Das Ablenkelement bzw. das Spiegelelement führt eine vorzugsweise periodische Schwingung/Schwingbewegung aus, wobei der vorbestimmte Winkelbereich für dessen Abtastung mehrmals überstrichen wird. D.h. das Ablenkelements wird bevorzugt derart gesteuert, dass es eine periodische Schwingung, vorzugsweise eine sinusförmige Schwingung, ausführt. Die periodische Schwingung des Ablenkelements ist bevorzugt mit dem zeitlichen Verlauf der Modulationsfunktion synchronisiert.
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Ein erfindungsgemäßer optoelektronischer Sensor ist derart ausgestaltet, dass er mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist. Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor kann insbesondere als Lidar-Sensor oder als Laserscanner ausgebildet sein und einen Laser als Sendeeinrichtung für Laserpulse sowie eine Photodiode als Empfangseinrichtung für von einem Objekt reflektierte Laserpulse aufweisen. Vorzugsweise ist ein Ablenkelement, insbesondere ein Spiegelelement in Form eines MEMS-Spiegels vorgesehen, wie es oben beschrieben ist.
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Erfindungsgemäß sind ferner ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor und ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem angegeben. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder ein Kraftrad handeln. Ein Einsatz der vorliegenden Erfindung beim autonomen Fahren ist möglich.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Fahrerassistenzsystem, welches einen optoelektronischen Sensor aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors;
- 3 Zeitdiagramme über eine halbe Periodendauer der Schwingung einer Ablenkelements von: einer Position des Ablenkelements (3a)), einem Zähler für die Periodendauer einer Modulationsfunktion (3b)), der Modulationsfunktion (3c)), einem Zähler für die halbe Periodendauer der Schwingung des Ablenkelements (3d)) und der vorgegebenen, für eine Abtastung des vorbestimmten Winkelbereichs erforderlichen Winkelpositionen zusammen mit denjenigen Winkelpositionen, an denen tatsächlich ein Lichtpuls gesendet wird (3e));
- 4 Ausschnitte der in den 3c), 3d) und 3e) dargestellten Zeitdiagramme in Vergrößerung (als 4c), 4d) und 4e));
- 5 den in den 3a) bis 3e) dargestellten Zeitdiagrammen entsprechende Zeitdiagramme für zwei zeitlich aufeinander folgende Schwingungen (jeweils eine halbe Periodendauer) des Ablenkelements (als 5a) bis 5e));
- 6 den in den 3a) bis 3e) und 5a) bis 5e) dargestellten Zeitdiagrammen entsprechende Zeitdiagramme für ein vollständiges Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs (als 6a) bis 6e)); und
- 7 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines optoelektronischen Sensors gemäß der Erfindung.
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1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem Fahrerassistenzsystem 2, welches den Fahrer in bestimmten Fahrsituationen wie beispielsweise bei der Vermeidung von Kollisionen mit anderen Verkehrsteilnehmern beim Führen des Fahrzeugs 1 unterstützt. Hierzu kann das Fahrerassistenzsystem 2 beispielsweise die Lenkung, das Bremssystem und/oder den Antriebsmotor entsprechend steuern, sodass eine Kollision mit einem Objekt 3 vermieden oder zumindest eine Aufprallkraft verringert werden kann.
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Das Fahrerassistenzsystem 2 weist einen optoelektronischen Sensor 5 auf, der ausgestaltet ist, ein sich in der Umgebung 4 des Fahrzeugs 1 befindliches Objekt 3 zu erfassen und zwar insbesondere dessen Abstand zum Fahrzeug 1 und/oder dessen Geschwindigkeit. Bei der erfassten Geschwindigkeit handelt es sich insbesondere um die relative Geschwindigkeit des Objekts 3 zum Fahrzeug 1. Der optoelektronische Sensor 5 ist beispielsweise als Lidar-Sensor oder als Laserscanner ausgebildet.
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Der optoelektronische Sensor 5 umfasst eine Sendeeinrichtung 6, mittels welcher Lichtpulse als Sendesignale in einem vorbestimmten Winkelbereich 12 ausgesendet werden können (vergleiche den Pfeil 8 in 1). Wie in 1 dargestellt handelt es sich bei dem vorbestimmten Winkelbereich 12 vorzugsweise um einen horizontalen Winkelbereich. Der optoelektronische Sensor 5 umfasst ferner eine Empfangseinrichtung 7, mittels welcher an dem Objekt 3 reflektierte Lichtpulse empfangen werden können (vergleiche den Pfeil 9 in 1). Weiter umfasst der optoelektronische Sensor 5 eine Recheneinrichtung 10, mit welcher die Sendeeinrichtung 6 zum Aussenden von Lichtpulsen angesteuert werden kann und welche die von der Empfangseinrichtung 7 empfangenen Lichtpulse auswerten kann. Die Recheneinrichtung 10 kann beispielsweise einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor und/oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA) umfassen. Ferner weist die Recheneinrichtung 10 vorzugsweise eine Speichereinheit auf.
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Nach Auswertung der von der Empfangseinrichtung 7 empfangenen Lichtpulse gibt die Recheneinrichtung 10 vorzugsweise entsprechende Informationen über ein sich gegebenenfalls in der Umgebung 4 des Fahrzeugs 1 befindliches Objekt 3 an ein elektronisches Steuergerät 11 des Fahrerassistenzsystems 2 weiter. Das Fahrerassistenzsystem 2 kann dann in Abhängigkeit von der Entfernung zum und/oder der Geschwindigkeit des Objekts 3 Steuersignale zum Ansteuern der Lenkung, des Bremssystems und/oder des Antriebsmotors des Fahrzeugs 1 erzeugen.
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2 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform des optoelektronischen Sensors 5 der Erfindung. Die Sendeeinrichtung 6 des optoelektronischen Sensors 5 weist eine Lichtquelle 13 auf, die vorzugsweise als Laser, insbesondere als Pulslaser, ausgebildet ist. Ferner weist die Sendeeinrichtung 6 des optoelektronischen Sensors 5 bevorzugt ein Ablenkelement 14 auf, das insbesondere als Spiegelelement (besonders bevorzugt als MEMS-Spiegel bzw. Mikrospiegel) ausgeführt ist. Von der Lichtquelle 13 ausgesendete Lichtpulse treffen auf das Ablenkelement 14 und werden von diesem in eine bestimmte Richtung gelenkt, um den vorbestimmten Winkelbereich 12 (vergleiche 1) abzutasten. Das Ablenkelement 14 ist zum Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs 12 derart um eine vorzugsweise vertikale Drehachse schwenkbar, dass an vorgegebenen Winkelpositionen des vorbestimmten Winkelbereichs 12 jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden kann. Bei den vorgegebenen Winkelpositionen handelt es sich insbesondere um vorgegebene diskrete Winkelpositionen. Zum (Ver-)Schwenken des Ablenkelements 14 ist vorzugsweise ein Aktuator (nicht dargestellt) vorgesehen.
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Beispielsweise wird das Ablenkelement 14 - vorzugsweise periodisch - zwischen einem Auslenkwinkel von +40° und einem Auslenkwinkel von -40° hin- und hergeschwenkt. D.h. das Ablenkelement 14 wird derart angesteuert, dass es - vorzugsweise sinusförmig - zwischen ±40° schwingt. Auf diese Weise lässt sich ein vorbestimmter Winkelbereich 12 von 80° abtasten bzw. scannen.
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Die Lichtquelle 13 sendet zusammen mit dem Aussenden eines Lichtpulses ein Signal an die Empfangseinrichtung 7 und/oder die Recheneinrichtung 10, sodass die Laufzeit zwischen Aussenden eines Lichtpulses und Empfangen des an einem Objekt 3 reflektierten Lichtpulses von der Empfangseinrichtung 7 und/oder der Recheneinrichtung 10 bestimmt und auf der Grundlage der Laufzeit der Abstand zum Objekt 3 von der Recheneinrichtung 10 ermittelt werden kann. Außerdem wird die momentane Stellung bzw. die momentane Schwenkposition des Ablenkelements 14, die die Winkelposition des abgestrahlten Lichtstrahls bestimmt, an die Recheneinrichtung 10 übermittelt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der das Ablenkelement 14 ansteuernde Aktuator sein momentanes Ansteuersignal an die Recheneinrichtung 10 überträgt und diese daraus die momentane Stellung des Ablenkelements 14 ermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann die momentane Stellung des Ablenkelements 14 durch Messung ermittelt werden. Da das Ablenkelement 14 vorzugsweise periodisch, insbesondere sinusförmig, bewegt wird, lässt sich die momentane Stellung des Ablenkelements 14 als momentane Amplitude eines Sinussignals einer bestimmten Frequenz darstellen. Anders gesagt lässt sich aus der Frequenz und der Amplitude eines sinusförmigen Ansteuersignals, mit welchem das Ablenkelement 14 angesteuert wird, die momentane Stellung des Ablenkelements 14 bestimmen.
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Für eine ausreichende Auflösung, die eine Detektion von in der Umgebung 4 des Fahrzeugs 1 gegebenenfalls befindlichen Objekten 3 ermöglicht, sollte bei einem beispielhaften vorbestimmten Winkelbereich 12 von 80° alle 0,05° ein Lichtpuls von der Lichtquelle 13 der Sendeeinrichtung 6 ausgesendet werden. D.h. bei einem vorbestimmten Winkelbereich 12 von 80° ist alle 0,05° eine vorgegebene Winkelposition, an welcher jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, vorgesehen. Die vorgegebenen Winkelpositionen können beispielsweise in der Recheneinrichtung 10, insbesondere in deren Speichereinheit hinterlegt sein.
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Insgesamt ist es in dem im vorhergehenden Absatz genannten Beispiel also erforderlich, 1600 Lichtpulse (80°/0,05°) auszusenden. Wird als Lichtquelle 13 beispielsweise ein Pulslaser eingesetzt, so benötigt dieser in der Regel eine Zeitdauer von 10 µs um nach Abgeben eines Lichtpulses (in Form eines Laserpulses) erneut einen Laserpuls abgeben zu können. D.h., um sämtliche 1600 Lichtpulse an den vorgegebenen Winkelpositionen aussenden und dadurch den gesamten vorbestimmten Winkelbereich 12 abtasten zu können, wird mindestens ein Zeitraum von 16 ms (1600×10 µs) benötigt.
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Aufgrund der vorzugsweise sinusförmigen Bewegung des Ablenkelements 14 ist die Winkeländerung an den Umkehrpunkten des Ablenkelements 14 klein bzw. an den Umkehrpunkten des Ablenkelements 14 an den Rändern des vorbestimmten Winkelbereichs 12 ist die Winkelgeschwindigkeit (auch Bahngeschwindigkeit genannt) gering, sodass sich für die Abtastung des gesamten vorbestimmten Winkelbereichs 12 effektiv ein Zeitraum von etwa 30 ms ergibt. Beispielhaft beträgt die Periodendauer des vorzugsweise als MEMS-Spiegel ausgeführten Ablenkelements 14 etwa 300 µs. Daraus folgt, dass für eine Abtastung des gesamten vorbestimmten Winkelbereichs 12, d.h. für einen vollständigen Scan des Winkelbereichs 12, vorzugsweise mehrere Schwingungen des Ablenkelements 14 vorgesehen sind. Mit anderen Worten wird das Aussenden der Lichtpulse an den vorgegebenen diskreten Winkelpositionen, an denen zum Erreichen einer bestimmten Auflösung bei der Abtastung des gesamten vorgegebenen Winkelbereichs 12 jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, vorzugsweise auf unterschiedliche Schwingungen einer halben Periodendauer des Ablenkelements 14 verteilt.
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Die Verteilung der an den vorgegebenen Winkelpositionen auszusendenden Lichtpulse auf unterschiedliche Schwingungen halber Periodendauer des Ablenkelements 14 erfolgt erfindungsgemäß mithilfe einer zeitabhängigen Modulationsfunktion. Bei der Modulationsfunktion handelt es sich vorzugsweise um eine Rechteckfunktion, deren zweifache Pulsweite größer als die Pulsweite eines von der Lichtquelle 13 ausgestrahlten Lichtpulses ist und deren Periodendauer wenigstens der Zeitdauer entspricht, bis die Lichtquelle 13 bereit ist, erneut einen Lichtpulse auszusenden. D.h. in dem vorgenannten Beispiel beträgt die Periodendauer der als Modulationsfunktion eingesetzten Rechteckfunktion wenigstens 10 µs.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nur dann von der Lichtquelle 13 ein Lichtpuls ausgesendet, wenn sich das Ablenkelement 14 in einer einer vorgegebenen Winkelposition entsprechenden Stellung befindet, falls die Modulationsfunktion gleichzeitig einen vorbestimmten Wert einnimmt, welcher im Falle einer Rechteckfunktion deren Maximalwert, insbesondere der Wert „1“ ist. Die Modulationsfunktion und die periodische Schwingung des Ablenkelements bzw. dessen Ansteuerung sind vorzugsweise miteinander synchronisiert.
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3 und 4 zeigen für das oben genannte Beispiel, wann während einer Schwingung halber Periodendauer des Ablenkelements 14 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren tatsächlich ein Lichtpuls ausgesendet wird. 4 zeigt dabei einen vergrößerten Ausschnitt der unteren drei Zeitdiagramme von 3. 3a) zeigt die im beispielhaften Winkelbereich von ±40° liegende momentane Stellung das Ablenkelements 14. 3c) und 4c) zeigen die als Modulationsfunktion eingesetzte Rechteckfunktion, welche beispielhaft eine Periodendauer von 10 µs hat.
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3e) und 4e) zeigen punktiert die vorgegebenen Winkelpositionen, an welchen es zum Abtasten des gesamten vorbestimmten Winkelbereichs 12 erforderlich ist, einen Lichtpuls auszusenden. Vorzugsweise ist die Dichte der erforderlichen Lichtpulse an den Umkehrpunkten, d.h. bei + 40° und -40°, des Ablenkelements 14 bzw. an den Rändern des vorbestimmten Winkelbereichs 12 aufgrund der niedrigeren Steigung (flacherer Amplitudengang) des Verlaufs der Stellung des Ablenkelements 14 und dessen dort niedrigerer Winkelgeschwindigkeit geringer als im mittigem Bereich, dessen Mitte in 3a) beispielhaft durch den Nulldurchgang angegeben ist.
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Ein Lichtpuls wird nunr dann an einer erforderlichen vorgegebenen Winkelposition abgegeben, wenn zeitgleich mit dem Erreichen der dieser Winkelposition entsprechenden Stellung durch das Ablenkelement 14 die in den 3c) und 4c) gezeigte Modulationsfunktion einen Rechteckpuls aufweist, d.h. in dem in den 3c) und 4c) gezeigten Beispiel größer oder gleich 1 ist. Die tatsächlich abgegebenen Lichtpulse sind in den 3e) und 4e) als durchgezogene bzw. schwarze Linien dargestellt. Beispielhaft werden somit während der in 3 gezeigten Schwingung einer halben Periodendauer des Ablenkelements 14 fünf Lichtpulse an fünf der vorgegebenen diskreten Winkelpositionen, an denen für eine Abtastung des vorbestimmten Winkelbereichs 12 ein Lichtstrahl ausgesendet werden soll, ausgesendet.
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Um zu verhindern, dass bei der sich zeitlich anschließenden Schwingung einer halben Periodendauer des Ablenkelements 14 an denselben Winkelpositionen wie bei der vorhergehenden Schwingung Lichtpulse ausgesendet werden, wird für die sich zeitlich anschließende Schwingung halber Periodendauer die bevorzugt als Rechteckfunktion ausgebildete Modulationsfunktion zeitlich um die Pulsweite eines ihres Rechteckpulses nach rechts verschoben. Dies ist in 5 beispielhaft dargestellt. Selbstverständlich ist auch eine zeitliche Verschiebung nach links möglich, so lange wie die jeweiligen Verschiebungen um die Pulsweite von Schwingung zur Schwingung (von jeweils einer halben Periodendauer) des Ablenkelements 14 stets in die gleiche Richtung erfolgen.
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5 zeigt den Übergang von einer ersten Schwingung einer halben Periodendauer des Ablenkelements 14 zu einer zweiten Schwingung einer halben Periodendauer (der Rückschwingung) des Ablenkelements 14. Der Übergang von der ersten Schwingung zu der zweiten Schwingung ist insbesondere aus 5d) ersichtlich, welche einen Schwingungszähler zeigt, der bei Beginn einer Schwingung (hier: der zweiten Schwingung) einer halben Periodendauer des Ablenkelements 14 sein Maximalwert hat und bis zum Ende dieser Schwingung auf seinen Minimalwert (hier: Null) runter gezählt wird. Vergleiche hierzu auch 3d) für eine Schwingung halber Periodendauer des Ablenkelements 14.
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In 5c) ist zeitlich gesehen links von dem Maximalwert des Schwingungszählers der zeitlich letzte Rechteckpuls der Modulationsfunktion für die erste Schwingung des Ablenkelements 14 als durchgezogene Linie dargestellt. Zeitlich rechts von dem Maximalwert des Schwingungszählers ist der zeitlich gesehen erste Rechteckpuls der Modulationsfunktion für die zweite Schwingung des Ablenkelements 14 als punktierte Linie dargestellt, wobei zu Vergleichszwecken auch ein Rechteckpuls der Modulationsfunktion für die erste Schwingung als durchgezogene Linie eingezeichnet ist. Wie ersichtlich ist, ist der gezeigte erste Rechteckpuls der Modulationsfunktion für die zweite Schwingung des Ablenkelements 14 gegenüber einem Rechteckpuls der Modulationsfunktion für die erste Schwingung des Ablenkelements 14 um die Pulsweite des Rechteckpulses nach rechts verschoben. Entsprechendes gilt für die nicht gezeigten weiteren Rechteckpulse der Modulationsfunktion für die zweite Schwingung des Ablenkelements 14.
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Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei der zweiten Schwingung des Ablenkelements 14 die Rechteckpulse der Modulationsfunktion zeitlich mit anderen vorgegebenen Winkelpositionen, an welchen jeweils ein Lichtpuls ausgesendet werden soll, überlappen, sodass bei der zweiten Schwingung an anderen vorgegebenen Winkelpositionen Lichtstrahlen ausgesendet werden als bei der ersten Schwingung des Ablenkelements 14. Entsprechendes gilt für sich zeitlich anschließende Schwingungen halber Periodendauer des Ablenkelements 14. Auch bei diesen weiteren, sich zeitlich anschließenden Schwingungen sind die Rechteckpulse der Modulationsfunktion relativ zu der Modulationsfunktion der vorhergehenden Schwingung um die Pulsweite von deren Rechteckpulsen in derselben Richtung wie bei den vorhergehenden Schwingungen verschoben. So werden bei jeder erneuten Schwingung des Ablenkelements 14 Lichtpulse an vorgegebenen Winkelpositionen ausgesendet, an welchen bei vorhergehenden Schwingungen noch keine Lichtpulse ausgesendet worden sind.
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Dabei wird die Modulationsfunktion bzw. werden deren Rechteckpulse maximal solange um die Pulsweite verschoben, bis sämtliche möglichen Positionen der Rechteckpulse innerhalb einer Periodendauer der Modulationsfunktion eingenommen worden sind. Dies ist für das oben genannte Zahlenbeispiel nach etwa 30 ms der Fall, sodass für die angegebenen Zahlenwerte innerhalb von 30 ms jeweils ein Lichtpuls an allen für das vollständige Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs 12 erforderlichen Winkelpositionen abgegeben worden ist. 6 zeigt den 3 und 5 entsprechende Zeitdiagramme für ein vollständiges Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs an den hierfür erforderlichen Winkelpositionen in den beispielhaft genannten 30 ms und anschließend daran den Anfang des nächsten Abtastvorgangs.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des optoelektronischen Sensors 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Schritt S1 kennzeichnet den Start des Verfahrens. In Schritt S2 wird die momentane Stellung des Ablenkelements 14 ermittelt. In Schritt S3 wird der momentane Wert der Modulationsfunktion ermittelt. Die Schritte S2 und S3 können auch parallel oder in umgekehrter zeitlicher Reihenfolge, als es in 7 dargestellt ist, ausgeführt werden.
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In Schritt S4 wird festgestellt, ob der ermittelte momentane Wert der Modulationsfunktion gleich einem vorbestimmten Wert, insbesondere gleich deren Maximalwert, ist. Ferner wird in Schritt S4 festgestellt, ob die momentane Stellung des Ablenkelements 14 einer vorgegebenen Winkelposition entspricht, an welcher zum Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs 12 ein Lichtpuls ausgesendet werden soll.
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Wird in Schritt S4 festgestellt, dass der ermittelte momentane Wert der Modulationsfunktion gleich dem vorbestimmten Wert ist und dass die momentane Stellung des Ablenkelements 14 einer vorgegebenen Winkelposition entspricht, so wird in Schritt S5 ein Lichtpuls ausgesendet. Wird dagegen in Schritt S4 entweder festgestellt, dass der ermittelte momentane Wert der Modulationsfunktion nicht gleich dem vorbestimmten Wert ist, oder festgestellt, dass die momentane Stellung des Ablenkelements 14 keiner vorgegebenen Winkelposition entspricht, so kehrt das Verfahren zu Schritt S2 zurück.
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Im sich an Schritt S5 anschließenden Schritt S6 wird geprüft, ob der Schwingungszähler den Wert Null erreicht hat. D.h. es wird geprüft, ob das Ablenkelement 14 eine Schwingung halber Periodendauer durchgeführt hat. Ist dies der Fall, so wird die Modulationsfunktion in Schritt S7 um eine Pulsweite verschoben. Ist dies nicht der Fall, so kehrt das Verfahren zu Schritt S2 zurück. In Schritt S8 wird schließlich geprüft, ob an sämtlichen für die Abtastung des vorbestimmten Winkelbereichs 12 erforderlichen, vorgegebenen Winkelpositionen ein Lichtpuls ausgesendet worden ist. Ist dies der Fall, so beginnt das Verfahren zum Abtasten des vorbestimmten Winkelbereichs 12 erneut in S9, oder es wird in Schritt S9 beendet. Ist dies nicht der Fall, so kehrt das Verfahren zu Schritt S2 zurück und setzt den momentanen Abtastvorgang des vorbestimmten Winkelbereichs 12 fort.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Fahrerassistenzsystem
- 3
- Objekt
- 4
- Umgebung
- 5
- optoelektronischer Sensor
- 6
- Sendeeinrichtung
- 7
- Empfangseinrichtung
- 8
- Pfeil, Aussenderichtung Lichtstrahl
- 9
- Pfeil, Richtung reflektierter Lichtstrahl
- 10
- Recheneinrichtung
- 11
- elektronisches Steuergerät
- 12
- vorbestimmter Winkelbereich
- 13
- Lichtquelle
- 14
- Ablenkelement
