DE102018202252A1 - LiDAR system, operating procedure for a LiDAR system and working device - Google Patents

LiDAR system, operating procedure for a LiDAR system and working device Download PDF

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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.

Figure DE102018202252A1_0000
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).
Figure DE102018202252A1_0000

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 WO 2015/047872 A1 beschreibt ein rotierbares LiDAR-System, bei welchem eine Energieübertragung vom Stator zum Rotor magnetisch-induktiv und ein Informationsaustausch zwischen Rotor und Stator elektrisch-kapazitiv über elektrisch leitfähige Ringe erfolgen.The publication WO 2015/047872 A1 describes a rotatable LiDAR system in which an energy transfer from the stator to the rotor is magneto-inductive and an exchange of information between the rotor and the stator takes place electrically-capacitively via electrically conductive rings.

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 und 3 zeigen schematisch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer zu einer Drehachse verschobenen bzw. mit einer Drehachse fluchtenden Anordnung eines einzelnen Kommunikationskanals.
  • 4 bis 7 zeigen schematisch konkretere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einem oder zwei zu einer Drehachse parallelen und radial verschobenen oder fluchtenden Kommunikationskanälen.
Embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • 1 shows in the manner of a schematic block diagram the structure of an embodiment of the LiDAR system according to the invention.
  • 2 and 3 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 to 7 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 1 bis 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.The following are with reference to the 1 to 7 Embodiments of the invention and the technical background described in detail. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals. Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.

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.

1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit einer optischen Anordnung 10. 1 shows in the form of a schematic block diagram an embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention with an optical arrangement 10 ,

Das LiDAR-System 1 gemäß 1 weist in seiner optischen Anordnung 10 eine Senderoptik 60 mit optischem Pfad 61 auf, welche von einer Lichtquelleneinheit 65 mit Lichtquellen 65-1, z.B. hier in Form von Lasern, gespeist wird und Primärlicht 57 - ggf. nach Durchlaufen einer Strahlformungsoptik 66 und über eine Ablenkoptik 62 - in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung eines dort befindlichen Objekts 52 einer Szene 53 aussendet. The LiDAR system 1 according to 1 indicates in its optical arrangement 10 a transmitter optics 60 with optical path 61 on which of a light source unit 65 with light sources 65 - 1 , eg here in the form of lasers, and primary light 57 - If necessary after passing through a beam shaping optics 66 and a deflection optics 62 - in a field of view 50 for detecting an object located there 52 a scene 53 sending out.

Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 nach 1 eine Empfängeroptik 30 mit optischem Pfad 31 auf, welche vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Sekundäroptik 35 an eine Detektoranordnung 20 zur Detektion mit Sensor- oder Detektorelementen 22 überträgt. Die Sekundäroptik 35 kann ein Bandpassfilter aufweisen, um den Einfluss von Streulicht zu reduzieren.Furthermore, the LiDAR system 1 detects 1 a receiver optics 30 with optical path 31 on which of the object 52 in the field of vision 50 reflected secondary light 58 via a lens 34 receives as primary optics and via secondary optics 35 to a detector arrangement 20 for detection with sensor or detector elements 22 transfers. The secondary optics 35 may have a bandpass filter to reduce the influence of stray light.

Die Steuerung der in 2 und den weiteren Figuren gezeigten Rotation 6 des Rotors 200 mittels der dort dargestellten Welle 7 um die Drehachse 5 und gegenüber dem Stator 100, der Lichtquelleneinheit 65 mit den Lichtquellen 65-1 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über erste und zweite Kommunikationskanäle 71 und 72, die als erste und zweite optische Kommunikationskanäle 81, 82 und als Teil einer Kommunikationsschnittstelle 75 ausgebildet sind, sowie mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.The control of in 2 and the other figures shown rotation 6 of the rotor 200 by means of the shaft shown there 7 around the axis of rotation 5 and opposite the stator 100 , the light source unit 65 with the light sources 65 - 1 as well as the detector arrangement 20 takes place via first and second communication channels 71 and 72 acting as first and second optical communication channels 81 . 82 and as part of a communication interface 75 are formed, and by means of a control and evaluation 40 ,

Die Steuer- und Auswerteeinheit 40 kann auch die Energie- und/oder Datenübertragung zwischen Rotor 200 und Stator 100 und insbesondere die Steuerung eines Rotationsantriebs übernehmen. Sie ist aber insbesondere über das Steuersystem 45 mit Verbindung über einen Bus 46 mit einer Sendeeinheit 47, einer Empfangseinheit 49 und einer Korrelationseinheit 48 dazu eingerichtet, eine Bewertung der aus dem Sichtfeld 50 stammenden Strahlung durchzuführen.The control and evaluation unit 40 can also be the energy and / or data transmission between rotor 200 and stator 100 and in particular take over the control of a rotary drive. But it is especially about the tax system 45 with connection via a bus 46 with a transmitting unit 47 , a receiving unit 49 and a correlation unit 48 set up a rating out of the field of view 50 perform radiation.

Aus der 1 geht auch hervor, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 40 im Zusammenhang mit dem Stator 100 ausgebildet ist, wogegen die optische Anordnung 10 des LiDAR-Systems 1 im Wesentlichen im Rotor 200 aufgenommen ist. Eine derartige Konfiguration ist jedoch nicht obligatorisch; zum Beispiel können die Strahlungserzeugung und/oder der Nachweis aus der Sekundärstrahlung durchaus im Stator 100 durchgeführt werden, wenn entsprechende Lichtleiter vom Rotor 200 in den Stator 100 eingesetzt werden.From the 1 also shows that the control and evaluation unit 40 in connection with the stator 100 is formed, whereas the optical arrangement 10 of the LiDAR system 1 essentially in the rotor 200 is included. However, such a configuration is not mandatory; For example, the generation of radiation and / or the detection from the secondary radiation may well be in the stator 100 be performed when appropriate light guide from the rotor 200 in the stator 100 be used.

Die Steuerung des Betriebs des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß 1 und die Ausführung eines entsprechenden Betriebsverfahrens erfolgen unter Verwendung des in 1 dargestellten Steuersystems 45, bei welchem über einen Bus 46 die Sendeeinheit 47, die Empfangseinheit 49 und die Korrelationseinheit 48 miteinander verknüpft und über die Kommunikationsschnittstelle 75 und die Kommunikationskanäle 71 und 72, welche die mittels einer Kommunikationseinheit 70 realisiert werden, mit der optischen Anordnung 10 des LiDAR-Systems 1 im Rotor 100 und insbesondere mit der Lichtquelleneinheit 65 und der Detektoreinheit 20 der Senderoptik 60 bzw. der Empfängeroptik 30 wirkverbunden sind.The control of the operation of the LiDAR system 1 according to the invention 1 and the execution of a corresponding operating method using the in 1 illustrated control system 45 in which via a bus 46 the transmitting unit 47 , the receiving unit 49 and the correlation unit 48 linked together and via the communication interface 75 and the communication channels 71 and 72 which the means of a communication unit 70 be realized with the optical arrangement 10 of the LiDAR system 1 in the rotor 100 and in particular with the light source unit 65 and the detector unit 20 the transmitter optics 60 or the receiver optics 30 are actively connected.

Erfindungsgemäß ist die Kommunikationseinheit 70 als optische Kommunikationseinheit 80 ausgebildet.According to the invention, the communication unit 70 as an optical communication unit 80 educated.

Die 2 und 3 zeigen schematisch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit einem zu einer Drehachse 5 verschobenen bzw. mit einer Drehachse 5 fluchtenden einzelnen Kommunikationskanal 71 der Kommunikationseinheit 70 in Form einer optischen Kommunikationseinheit 80, welcher entsprechend als optischer Kommunikationskanal 81 vom Stator 100 zum Rotor 200 mit Kommunikationsrichtung 76 ausgebildet ist. Der Kommunikationskanal 71 weist als optischer Kommunikationskanal 81 senderseitig am Stator 100 eine Mehrzahl Strahlungsemitter 83-1 als optische Sendeeinheiten 83 und empfängerseitig am Rotor 200 einen einzelnen Strahlungsempfänger 84-1 als optische Empfängereinheit 84 zum Empfang der von den Strahlungsemittern 83-1 ausgesandten Strahlung 85 auf.The 2 and 3 schematically show embodiments of the invention LiDAR system 1 with a to an axis of rotation 5 shifted or with a rotation axis 5 aligned individual communication channel 71 the communication unit 70 in the form of an optical communication unit 80 , which accordingly as optical communication channel 81 from the stator 100 to the rotor 200 with communication direction 76 is trained. The communication channel 71 points as optical communication channel 81 transmitter side on the stator 100 a plurality of radiation emitters 83 - 1 as optical transmission units 83 and receiver side on the rotor 200 a single radiation receiver 84 - 1 as an optical receiver unit 84 to receive the from the radiation emitters 83 - 1 emitted radiation 85 on.

Der Kommunikationskanal 71 ist als optischer Kommunikationskanal 81 bei der Ausführungsform gemäß 1 in Bezug auf die Rotationsachse 5 zwischen Stator 100 und Rotor 200 radial versetzt, jedoch parallel zu dieser angeordnet. Eine nicht parallele Anordnung und Ausrichtung des Kommunikationskanals 71 zur Rotationsachse 5 ist denkbar.The communication channel 71 is as optical communication channel 81 in the embodiment according to 1 in relation to the axis of rotation 5 between stator 100 and rotor 200 radially offset, but arranged parallel to this. A non-parallel arrangement and alignment of the communication channel 71 to the axis of rotation 5 is conceivable.

Im Gegensatz dazu ist bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß 3 der als optischer Kommunikationskanal 82 ausgebildete Kommunikationskanal 72 vom Rotor 200 zum Stator 100 mit Kommunikationsrichtung 77 mit der Rotationsachse 5 für die Rotation 6 zwischen Stator 100 und Rotor 200 fluchtend ausgebildet. Eine derartige Anordnung mit mit der Rotationsachse 5 fluchtendem Kommunikationskanal 71 ist möglich, weil die mit der Rotation 6 im Zusammenhang stehende Welle 7 auf der vom Stator 100 abgewandten Seite am Rotor 200 angebracht ist und nicht als Hindernis den optischen Pfad zwischen Strahlungsemitter 83-1 und Strahlungsempfänger 84-1 blockiert.In contrast, in the embodiment of the inventive LiDAR system 1 according to 3 as the optical communication channel 82 trained communication channel 72 from the rotor 200 to the stator 100 with communication direction 77 with the rotation axis 5 for the rotation 6 between stator 100 and rotor 200 aligned. Such an arrangement with the axis of rotation 5 aligned communication channel 71 is possible because with the rotation 6 related wave 7 on the from the stator 100 opposite side on the rotor 200 is attached and not as an obstacle the optical path between radiation emitter 83 - 1 and radiation receiver 84 - 1 blocked.

Die 4 bis 7 zeigen schematisch konkretere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit einem oder zwei zu einer Drehachse 5 parallelen und radial verschobenen oder fluchtenden Kommunikationskanälen 71 und 72 der Kommunikationseinheit 70 als erste und zweite optische Kommunikationskanäle 81, 82 der optischen Kommunikationseinheit 80.The 4 to 7 schematically show more concrete embodiments of the invention LiDAR system 1 with one or two to a rotation axis 5 parallel and radially shifted or aligned communication channels 71 and 72 the communication unit 70 as first and second optical communication channels 81 . 82 the optical communication unit 80 ,

Beim LiDAR-System 1 gemäß 4 ist ein einzelner Kommunikationskanal 72 als optischer Kommunikationskanal 82 vom Rotor 200 zum Stator 100 mit Kommunikationsrichtung 77 ausgebildet. Bei diesem optischen Kommunikationskanal 82 ist senderseitig am Rotor 200 eine Mehrzahl von Strahlungsemittern 83-1 als Mehrzahl optischer Sendeeinheiten 83 und empfängerseitig am Stator 101 einzelner Strahlungsempfänger 84-1 als optische Empfängereinheit 84 ausgebildet. Der Kommunikationskanal 72 ist hier parallel zur Rotationsachse 5 zwischen Stator 100 und Rotor 200 und zu diesem radial und parallel versetzt angeordnet.For the LiDAR system 1 according to 4 is a single communication channel 72 as optical communication channel 82 from the rotor 200 to the stator 100 with communication direction 77 educated. In this optical communication channel 82 is transmitter side on the rotor 200 a plurality of radiation emitters 83 - 1 as a plurality of optical transmission units 83 and on the receiver side on the stator 101 individual radiation receiver 84 - 1 as an optical receiver unit 84 educated. The communication channel 72 is here parallel to the axis of rotation 5 between stator 100 and rotor 200 and arranged offset radially and parallel thereto.

Eine ähnliche Anordnung ist in 5 dargestellt. Die dortige Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 weist jedoch einen ersten Kommunikationskanal 71 als ersten optischen Kommunikationskanal 81 der Kommunikationsrichtung 76 vom Stator 100 zum Rotor 200 sowie einen mit einer entgegengesetzten Kommunikationsrichtung 77 ausgebildeten zweiten Kommunikationskanal 72 in Form eines zweiten optischen Kommunikationskanals 82 vom Rotor 200 zum Stator 100 auf. Bei den beiden Kommunikationskanälen 71 und 72 sind jeweils 2 senderseitige Strahlungsemitter 83-1 als optische Sendereinheiten 83 ausgebildet, wogegen empfängerseitig jeweils nur ein einzelner Strahlungsempfänger 84-1 als optische Empfängereinheit 84 ausgebildet ist. Beide Kommunikationskanäle 71 und 72 sind parallel zur zu Grunde liegenden Rotationsachse 5 und zu dieser radial und parallel verschoben angeordnet.A similar arrangement is in 5 shown. The local embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention, however, has a first communication channel 71 as the first optical communication channel 81 the direction of communication 76 from the stator 100 to the rotor 200 and one with an opposite direction of communication 77 trained second communication channel 72 in the form of a second optical communication channel 82 from the rotor 200 to the stator 100 on. For the two communication channels 71 and 72 are each 2 transmitter-side radiation emitter 83 - 1 as optical transmitter units 83 trained, whereas at the receiver side each only a single radiation receiver 84 - 1 as an optical receiver unit 84 is trained. Both communication channels 71 and 72 are parallel to the underlying axis of rotation 5 and arranged radially and parallel to this displaced.

Bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems gemäß den 4 und 5 wirkt die zu Grunde liegende Welle 7 für die Rotation 6 um die Drehachse 5 als Hindernis, so dass die jeweiligen Kommunikationskanäle 71 und 72 zwar parallel zur Rotationsachse 5 ausgebildet sein können, aber eben zu dieser auch radial und parallel verschoben ausgebildet sein müssen.In the embodiments of the LiDAR system according to the invention according to the 4 and 5 the underlying wave acts 7 for the rotation 6 around the axis of rotation 5 as an obstacle, so that the respective communication channels 71 and 72 although parallel to the axis of rotation 5 may be formed, but just to this must also be formed radially and parallel shifted.

Im Gegensatz dazu zeigen die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß den 6 und 7 ein bzw. 2 Kommunikationskanäle 71 und 72 als optische Kommunikationskanäle 81 bzw. 82, die sowohl parallel zur zu Grunde liegenden Rotationsachse 5 als auch mit dieser fluchtend ausgebildet sind.In contrast, the embodiments of the inventive LiDAR system 1 according to the 6 and 7 one or two communication channels 71 and 72 as optical communication channels 81 or. 82 , which are both parallel to the underlying axis of rotation 5 as well as are aligned with this.

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 200, zum anderen erhöht sich die Menge an 3D-Daten, die vom Rotor 200 auf den Stator 100 nach Art eines Uplinks transportiert werden müssen. Die Datenrate kann bis zu 800 Mbit/s erreichen. Zur Steuerung der Komponenten auf dem Rotor 200 wird ein weiterer Datenlink nach Art eines Downlinks benötigt. Dieser kann jedoch mit einer wesentlich geringeren Datenrate, zum Beispiel von weit unter 100 Mbit/s betrieben werden, im Vergleich zum Uplink vom Rotor 200 zum Stator 100.On the one hand, this results in increased energy consumption of the components on the rotor 200 On the other hand, the amount of 3D data coming from the rotor increases 200 on the stator 100 must be transported in the manner of an uplink. The data rate can reach up to 800 Mbps. To control the components on the rotor 200 a further data link like a downlink is needed. However, this can be operated at a much lower data rate, for example, far below 100 Mbit / s compared to the uplink from the rotor 200 to the stator 100 ,

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.
An arrangement with such a diameter has, inter alia, the following disadvantages:
  • - 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 and stator 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 2 und 3 zeigen zwei Realisierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1. The 2 and 3 show two implementation possibilities of the inventive LiDAR system. 1

Die Realisierungsmöglichkeit gemäß 1 verwendet mehrere Lichtquellen oder Strahlungsemitter 83-1 als optische Sendereinheiten 83 und/oder mehrere optische Detektoren in Form von Strahlungsempfängern 84-1 als Strahlungsempfänger 84, damit trotz axialen optischen Hindernisses durch die Welle 7 stets eine Sichtverbindung zwischen mindestens einer Lichtquelle 83-1 und mindestens einem optischen Detektor 84-1 besteht.The realization option according to 1 uses multiple light sources or radiation emitters 83-1 as optical transmitter units 83 and / or a plurality of optical detectors in the form of radiation receivers 84-1 as a radiation receiver 84 , so that despite axial optical obstacle through the shaft 7 always a line of sight between at least one light source 83-1 and at least one optical detector 84-1 consists.

Bei der Ausführungsform gemäß 3 zeigt eine optische Datenverbindung nach Art eines optischen Kommunikationskanals 82 auf der Achse 5, bei der stets eine Sichtverbindung zwischen einer Lichtquelle 83-1 und dem optischen Detektor 84-1 besteht.In the embodiment according to 3 shows an optical data connection in the manner of an optical communication channel 82 on the axis 5 in which there is always a line of sight between a light source 83-1 and the optical detector 84-1 consists.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2015/047872 A1 [0005]WO 2015/047872 A1 [0005]

Claims (10)

LiDAR-System (1) vom 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.A 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), a rotor (200) rotatable relative to the stator (100) about a rotation axis (5), 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 received in the rotor (200) and - The communication unit (70) is or has an optical communication unit (80). LiDAR-System (1) nach Anspruch 1, bei welchem die optische Kommunikationseinheit (80) mindestens einen optischen Kommunikationskanal (81, 82) aufweist, welcher mit einer in Bezug auf die Datenübertragung senderseitigen optischen Sendereinheit (83) zum Aussenden - für zu übertragende Daten repräsentativer - optischer Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitigen optischen Empfängereinheit (84) zum Empfangen optischer Signale ausgebildet ist.LiDAR system (1) after Claim 1 in which the optical communication unit (80) has at least one optical communication channel (81, 82) having an optical transmitter unit (83) transmitting with respect to the data transmission for transmission of optical signals representative of data to be transmitted, and with a reference to FIG is formed on the data transmission receiver-side optical receiver unit (84) for receiving optical signals. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die optische Kommunikationseinheit (80) einen - ersten optischen Kommunikationskanal (81) zur Datenübertragung vom Stator (100) zum Rotor (200) und/oder - einen zweiten optischen Kommunikationskanal (82) zur Datenübertragung vom Rotor (200) zum Stator (100) aufweist.LiDAR system (1) according to one of the preceding claims, wherein the optical communication unit (80) has a - First optical communication channel (81) for data transmission from the stator (100) to the rotor (200) and / or - Having a second optical communication channel (82) for data transmission from the rotor (200) to the stator (100). LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zum Übertragen für zu übertragende Daten repräsentativer Signale im optisch visuellen Bereich, im ultravioletten und/oder im Infrarotbereich eingerichtet ist.LiDAR system (1) according to one of the preceding claims, which is set up for transmitting data to be transmitted representative signals in the optical visual range, in the ultraviolet and / or in the infrared range. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal (81, 82) in Bezug auf die Datenübertragung - senderseitig einen oder mehrere Strahlungsemitter (83-1) und - empfängerseitig einen oder mehrere Strahlungsempfänger (83-2) aufweist.A LiDAR system (1) according to any one of the preceding claims, wherein a respective optical communication channel (81, 82) is related to the data transmission - Sender side one or more radiation emitter (83-1) and - Receiving side one or more radiation receiver (83-2) has. LiDAR-System (1) nach Anspruch 5, bei welchem - ein jeweiliger Strahlungsemitter (83-1) eine oder mehrere LEDs und/oder Laser aufweist und/oder - ein jeweiliger Strahlungsempfänger (83-2) eine oder mehrere Photodioden, insbesondere Avalanchephotodioden, und/oder Photowiderstände aufweist.LiDAR system (1) after Claim 5 in which - a respective radiation emitter (83-1) has one or more LEDs and / or lasers and / or - a respective radiation receiver (83-2) has one or more photodiodes, in particular avalanche photodiodes, and / or photoresistors. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern auf Anspruch 2 rückbezogen, bei welchem ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal (81, 82) - zu der Rotationsachse (5) parallel oder schräg verlaufend und/oder - entweder zu der Rotationsachse (5) radial versetzt oder mit der Rotationsachse (5) fluchtend angeordnet ist.LiDAR system (1) according to one of the preceding claims, provided that Claim 2 at the back, in which a respective optical communication channel (81, 82) - to the rotation axis (5) parallel or inclined and / or - either to the rotation axis (5) radially offset or arranged in alignment with the axis of rotation (5). LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zum Übertragen - für Steuerdaten zum Steuern des Rotierens und/oder des allgemeinen Betriebs des Rotors (200) repräsentativer Daten vom Stator (100) zum Rotor (200) und/oder - für Empfängerdaten und insbesondere für empfangene Signale repräsentativer Daten vom Rotor (200) zum Stator (100) eingerichtet ist.LiDAR system (1) according to one of the preceding claims, which is for transmitting for control data for controlling the rotation and / or general operation of the rotor (200) of representative data from the stator (100) to the rotor (200) and / or - Is set up for receiver data and in particular for received signals representative data from the rotor (200) to the stator (100). Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, - wobei das LiDAR-System (1) mit einem Stator (100), einem gegenüber dem Stator (100) um eine Rotationsachse (5) rotierbaren Rotor (200), einer Senderoptik (60), einer Empfängeroptik (30) und einer Kommunikationseinheit (70) zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Senderoptik (60) und/oder ein Teil der Empfängeroptik (30) im Rotor (200) aufgenommen ist und - wobei beim Verfahren die kontaktlose Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) optisch erfolgt, insbesondere im optisch visuellen, ultravioletten und/oder im infraroten Bereich.Operating method for a scanning type LiDAR system (1) for optically detecting a field of view (50) for a working device and / or a vehicle, - wherein the LiDAR system (1) with a stator (100), with respect to the stator (100) about a 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 the rotor (200) is formed and at least a part of the transmitter optics (60) and / or a part of the receiver optics (30) is received in the rotor (200) and - In the method, the contactless data transmission between the stator (100) and the rotor (200) takes place optically, in particular in the optical visual, ultraviolet and / or infrared. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug, mit einem LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).Working device and in particular vehicle, with a LiDAR system (1) according to one of Claims 1 to 8th for the optical detection of a field of view (50).
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