DE102018202252A1 - LiDAR system, operating procedure for a LiDAR system and working device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System (1) vom abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, bei welchem ein Stator (100), ein gegenüber dem Stator (100) um eine Rotationsachse (5) rotierbarer Rotor (200), eine Senderoptik (60), eine Empfängeroptik (30) und eine Kommunikationseinheit (70) zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) ausgebildet sind, zumindest ein Teil der Senderoptik (60) und/oder ein Teil der Empfängeroptik (30) im Rotor (200) aufgenommen sind und die Kommunikationseinheit (70) eine optische Kommunikationseinheit (80) ist oder aufweist. The present invention relates to a scanning or scanning type LiDAR system (1) for optically detecting a field of view (50) for a working device and / or a vehicle, in which a stator (100) surrounds a stator (100) Rotation axis (5) rotatable rotor (200), a transmitter optics (60), a receiver optics (30) and a communication unit (70) for contactless data transmission between the stator (100) and rotor (200) are formed, at least a part of the transmitter optics (60 ) and / or a part of the receiver optics (30) are accommodated in the rotor (200) and the communication unit (70) is or has an optical communication unit (80).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, insbesondere vom abtastenden oder scannenden Typ, ein Betriebsverfahren für ein derartiges LiDAR-System und eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.The present invention relates to a LiDAR system, in particular of the scanning or scanning type, an operating method for such a LiDAR system and a working device and in particular a vehicle.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).With the use of working devices, of vehicles and other machines and installations, operating assistance systems or sensor arrangements for detecting the operating environment are increasingly being used. In addition to radar-based systems or systems based on ultrasound, light-based detection systems are also used, e.g. so-called LiDAR systems (English: LiDAR: light detection and ranging).
Bei abtastenden oder scannenden LiDAR-Systemen wird Primärlicht nach der Erzeugung über ein zu erfassendes Sichtfeld geführt. Dabei kommen so genannte Makroscanner zum Einsatz, die einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Rotor beherbergt zumindest einen Teil der Optik, der Sensorik und/oder der Lichtquellen und ist gegenüber dem Stator mittels eines Antriebs steuerbar rotierbar. Sämtliche Komponenten des Rotors werden vorzugsweise kontaktlos oder drahtlos - ausgehend vom Stator - mit Energie versorgt.In scanning or scanning LiDAR systems, primary light is passed through a field of view to be detected after generation. In this case, so-called macroscanners are used, which have a rotor and a stator. The rotor accommodates at least part of the optics, the sensor system and / or the light sources and is controllably rotatable relative to the stator by means of a drive. All components of the rotor are preferably powered without contact or wireless - starting from the stator - with energy.
Zum Beispiel ist für die Steuerung des Antriebs und des allgemeinen Betriebs und/oder für die Bildrekonstruktion ein Informationsaustausch zwischen Rotor und Stator erforderlich, wobei es für die beiden Richtungen durchaus unterschiedliche Anforderungen gibt.For example, an information exchange between rotor and stator is required for the control of the drive and the general operation and / or for the image reconstruction, wherein there are quite different requirements for the two directions.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln ein zuverlässiger und den jeweiligen Anforderungen entsprechender Datenaustausch zwischen Rotor und Stator erzielbar ist. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein vom abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug geschaffen wird, bei welchem ein Stator, ein gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse rotierbarer Rotor, eine Senderoptik, eine Empfängeroptik und eine Kommunikationseinheit zur kontaktlosen oder drahtlosen Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ausgebildet sind, zumindest ein Teil der Senderoptik und/oder ein Teil der Empfängeroptik im Rotor aufgenommen sind und die Kommunikationseinheit eine optische Kommunikationseinheit ist oder aufweist. Durch diese Maßnahmen wird gewährleistet, dass einerseits Betriebs- und Steuerdaten für den Betrieb des LiDAR-Systems und seiner Komponenten vom Stator an den Rotor übertragen werden können und dass andererseits eine Rückübertragung von im Rotor erfassten Messdaten mit entsprechenden Bandbreiten sichergestellt ist.The LiDAR system according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that with simple means a reliable and the respective requirements corresponding data exchange between the rotor and stator can be achieved. This is achieved according to the invention with the features of claim 1, characterized in that a scanning or scanning type for the optical detection of a field of view and in particular for a working device and / or a vehicle is provided, in which a stator, a rotatable relative to the stator about a rotation axis Rotor, a transmitter optics, a receiver optics and a communication unit for contactless or wireless data transmission between the stator and rotor are formed, at least a part of the transmitter optics and / or a part of the receiver optics are incorporated in the rotor and the communication unit is or has an optical communication unit. These measures ensure that, on the one hand, operating and control data for the operation of the LiDAR system and its components can be transmitted from the stator to the rotor, and, on the other hand, a retransmission of measured data recorded in the rotor with corresponding bandwidths is ensured.
Vorangehend und nachfolgend werden einerseits die Begriffe „kontaktlos“ und „drahtlos“ und andererseits die Begriffe „Kommunikation“ und „Datenübertragung“ synonym verwendet.Previously and subsequently, on the one hand, the terms "contactless" and "wireless" and, on the other hand, the terms "communication" and "data transmission" are used interchangeably.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems weist die optische Kommunikationseinheit mindestens einen optischen Kommunikationskanal auf. Der mindestens eine optische Kommunikationskanal ist mit einer in Bezug auf die Kommunikation oder Datenübertragung senderseitigen optischen Sendereinheit zum Aussenden - für zu übertragene Daten repräsentativer - optischer Signale und mit einer in Bezug auf die Kommunikation oder Datenübertragung empfängerseitigen optischen Empfängereinheit zum Empfangen optischer Signale ausgebildet.According to a preferred embodiment of the LiDAR system according to the invention, the optical communication unit has at least one optical communication channel. The at least one optical communication channel is formed with an optical transmitter unit, which is representative of the communication or data transmission, for transmission of data representative of data to be transmitted and with an optical receiver unit for receiving optical signals with respect to the communication or data transmission.
Da ein zu Grunde liegendes LiDAR-System in der oben beschriebenen Form zwei essentielle Komponenten, nämlich einen Stator und einen Rotor aufweist, ist es von besonderem Vorteil, wenn die optische Kommunikationseinheit einen ersten optischen Kommunikationskanal zur Datenübertragung vom Stator zum Rotor und alternativ oder zusätzlich einen zweiten optischen Kommunikationskanal zur Datenübertragung vom Rotor zum Stator aufweist.Since an underlying LiDAR system in the form described above has two essential components, namely a stator and a rotor, it is of particular advantage if the optical communication unit has a first optical communication channel for data transmission from the stator to the rotor and, alternatively or additionally second optical communication channel for data transmission from the rotor to the stator.
Obwohl vom Prinzip her sämtliche Spektralbereiche für die optische Kommunikation oder Datenübertragung geeignet sind, ergeben sich hinsichtlich des apparativen Aufwands besondere Vorteile, wenn gemäß einer anderen alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung das erfindungsgemäße LiDAR-System zum Übertragen für zu übertragende Daten repräsentativer Signale im optisch visuellen Bereich und/oder im Infrarotbereich eingerichtet ist.Although, in principle, all spectral ranges are suitable for optical communication or data transmission, there are particular advantages with regard to the apparatus complexity if, according to another alternative or additional development of the present invention, the LiDAR system according to the invention is suitable for transmitting representative signals in the optical range visual area and / or in the infrared range.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal in Bezug auf die Kommunikation oder Datenübertragung senderseitig einen oder mehrere Strahlungsemitter und empfängerseitig einen oder mehrere Strahlungsempfänger aufweist.In particular, it can be provided that a respective optical communication channel with respect to the communication or data transmission Transmitter one or more radiation emitter and receiver side has one or more radiation receiver.
Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn ein jeweiliger Strahlungsemitter eine oder mehrere LEDs und/oder Laser aufweist und/oder ein jeweiliger Strahlungsempfänger eine oder mehrere Photodioden, insbesondere Avalanchephotodioden, und/oder Photowiderstände aufweist.In this case, it is particularly advantageous if a respective radiation emitter has one or more LEDs and / or lasers and / or a respective radiation receiver has one or more photodiodes, in particular avalanche photodiodes, and / or photoresistors.
In Abhängigkeit von der Konfiguration des LiDAR-Systems können unterschiedliche geometrische Anordnungen bei der Ausgestaltung der optischen Kommunikationskanäle zu Grunde gelegt werden.Depending on the configuration of the LiDAR system, different geometrical arrangements may be used in the design of the optical communication channels.
So ist es möglich, dass gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal zu der Rotationsachse parallel oder schräg verlaufend ausgerichtet ist. Auf diese Weise stellen sich besonders einfache geometrische Verhältnisse ein.Thus, it is possible that according to an embodiment of the present invention, a respective optical communication channel is aligned parallel or obliquely to the rotation axis. In this way, set up particularly simple geometric relationships.
Dabei ist es denkbar, dass ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal entweder zu der Rotationsachse radial versetzt ist, um in vorteilhafter Weise im Bereich der Rotationsachse befindliche Hindernisse zu umgehen.It is conceivable that a respective optical communication channel is offset either radially to the axis of rotation, in order to avoid obstacles located in the region of the axis of rotation in an advantageous manner.
Andererseits ergibt sich ein besonders hohes Maß an Kompaktheit der Gesamtkonfiguration der Kommunikationseinheit, wenn ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal mit der Rotationsachse des zu Grunde liegenden LiDAR-Systems fluchtend angeordnet ist.On the other hand, there is a particularly high degree of compactness of the overall configuration of the communication unit when a respective optical communication channel is aligned with the rotation axis of the underlying LiDAR system.
Das erfindungsgemäße LiDAR-System kann zum Übertragen für Steuerdaten zum Steuern des Rotierens und/oder des allgemeinen Betriebs des Rotors repräsentativer Daten vom Stator zum Rotor und/oder zum Übertragen für Empfängerdaten und insbesondere für empfangende Signale repräsentativer Daten vom Rotor zum Stator eingerichtet sein.The LiDAR system of the invention may be adapted to transmit control data for controlling the rotation and / or general operation of the rotor of representative data from the stator to the rotor and / or transmitting to receiver data, and in particular for representative signal receiving data from the rotor to the stator.
Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Sichtweise der vorliegenden Erfindung wird auch ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System vom abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug geschaffen.According to an alternative or additional aspect of the present invention, there is also provided an operating method for a scanning or scanning type LiDAR system for optically detecting a field of view, and more particularly for a working device and / or a vehicle.
Dabei ist das LiDAR-System mit einem Stator, einem gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor, einer Senderoptik, einer Empfängeroptik und einer Kommunikationseinheit zur kontaktlosen oder drahtlosen Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ausgebildet vorausgesetzt. Ferner wird dabei angenommen, dass zumindest ein Teil der Senderoptik und/oder ein Teil der Empfängeroptik im Rotor aufgenommen ist bzw. sind.In this case, the LiDAR system is provided with a stator, a rotor rotatable relative to the stator about a rotation axis, a transmitter optics, a receiver optics and a communication unit for contactless or wireless data transmission between the stator and the rotor. Furthermore, it is assumed that at least part of the transmitter optics and / or a part of the receiver optics is or are received in the rotor.
Ein Kernaspekt des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens besteht darin, dass die kontaktlose Datenübertragung zwischen Stator und Rotor optisch erfolgt, insbesondere im optisch visuellen, ultravioletten und/oder im infraroten Bereich.A core aspect of the operating method according to the invention is that the contactless data transmission between the stator and the rotor takes place optically, in particular in the optical, ultraviolet and / or infrared range.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug geschaffen, welche mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.According to a further aspect of the present invention, a working device and, in particular, a vehicle are provided, which are designed with a LiDAR system designed according to the invention for the optical detection of a field of view.
Figurenlistelist of figures
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
-
1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems. -
2 und3 zeigen schematisch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer zu einer Drehachse verschobenen bzw. mit einer Drehachse fluchtenden Anordnung eines einzelnen Kommunikationskanals. -
4 bis7 zeigen schematisch konkretere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einem oder zwei zu einer Drehachse parallelen und radial verschobenen oder fluchtenden Kommunikationskanälen.
-
1 shows in the manner of a schematic block diagram the structure of an embodiment of the LiDAR system according to the invention. -
2 and3 show schematically embodiments of the LiDAR system according to the invention with a displaced to an axis of rotation or aligned with a rotation axis arrangement of a single communication channel. -
4 to7 schematically show more concrete embodiments of the LiDAR system according to the invention with one or two parallel to an axis of rotation and radially displaced or aligned communication channels.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.
Das LiDAR-System 1 gemäß
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 nach
Die Steuerung der in
Die Steuer- und Auswerteeinheit
Aus der
Die Steuerung des Betriebs des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß
Erfindungsgemäß ist die Kommunikationseinheit
Die
Der Kommunikationskanal
Im Gegensatz dazu ist bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß
Die
Beim LiDAR-System 1 gemäß
Eine ähnliche Anordnung ist in
Bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems gemäß den
Im Gegensatz dazu zeigen die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß den
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:These and other features and characteristics of the present invention will be further elucidated with reference to the following statements:
LiDAR-Systeme sollen zukünftig möglichst unsichtbar in Fahrzeuge integriert werden. Um dies zu ermöglichen, muss ein LiDAR-System so kompakt wie möglich ausgebildet sein.LiDAR systems should be integrated into vehicles as invisibly as possible in the future. To make this possible, a LiDAR system must be made as compact as possible.
Gleichzeitig steigen die Anforderungen hinsichtlich Auflösung und Bildwiederholrate.At the same time, the requirements for resolution and refresh rate are increasing.
Zum einen resultiert dies in einem erhöhten Energieverbrauch der Komponenten auf dem Rotor
Energie- und Datenübertragung kann über einen LiDAR-seitigen Koppler und einen fahrzeugseitigen Koppler realisiert werden. Neben einer Spule für die Energieübertragung benötigen beide Koppler ein Wellenleiterpaar zum differentiellen Senden von Daten und ein Wellenleiterpaar zum differentiellen Empfangen von Daten. Um eine Datenübertragung bei jedem Winkel der Verdrehung zwischen Rotor und Stator zu ermöglichen, sind die Wellenleiter sind als Ringe oder Ringsegmente ausgeführt.Energy and data transmission can be realized via a LiDAR-side coupler and a vehicle-side coupler. In addition to a coil for power transmission, both couplers require a pair of waveguides for differential transmission of data and a waveguide pair for differential reception of data. To enable data transfer at any angle of rotation between the rotor and stator, the waveguides are designed as rings or ring segments.
Der Durchmesser des Spulenpaars zur Energieübertragung vergrößert sich mit steigendem Energieverbrauch. Die Wellenleiter zur kapazitiven Datenübertragung befinden sich üblicherweise radial außerhalb der Spule. Dadurch erhöht sich deren Durchmesser ebenfalls.The diameter of the coil pair for energy transfer increases with increasing energy consumption. The waveguides for capacitive data transmission are usually located radially outside the coil. This also increases their diameter.
Eine Anordnung mit einem derartigen Durchmesser hat unter anderem folgende Nachteile:
- - Es liegen eine vergleichsweise hohe elektromagnetische Abstrahlung des zu Grunde liegenden Senderings und eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit des zu Grunde liegenden Empfangsrings gegenüber elektromagnetischen Immissionen vor.
- - Mit größerem Durchmesser der Wellenleiter steigen die mechanischen Toleranzen, was die Herstellung des Moduls zur Datenübertragung erschwert.
- - Die
Luftzirkulation zwischen Rotor 200 und Stator 100 wird unterbrochen, deshalb verringert sich die Wärmeabfuhr der im Rotor entstehenden Verlustleistung.
- - There is a comparatively high electromagnetic radiation of the underlying transmitter ring and a comparatively high sensitivity of the underlying receiving ring against electromagnetic immissions before.
- - With larger diameter of the waveguide increase the mechanical tolerances, which complicates the production of the module for data transmission.
- - The air circulation between
rotor 200 andstator 100 is interrupted, therefore reduces the heat dissipation of the power loss generated in the rotor.
Eine optische Datenübertragung hat keine der oben genannten Nachteile.An optical data transmission has none of the above-mentioned disadvantages.
Die
Die Realisierungsmöglichkeit gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |