DE102018203584A1 - Operating Procedures for a LiDAR System, LiDAR System Control Unit, LiDAR System and Work Device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom Flashtyp, bei welchem aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts (57) in ein Sichtfeld (50) zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, aus dem Sichtfeld (50) stammendes Sekundärlicht (58) empfangen, detektiert und ausgewertet wird und eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts (57) ausgesandt werden, eine Anzahl Pulsen des Primärlichts (57) in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts (57) charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden. The present invention relates to operating methods for a flash type LiDAR system (1) in which pulses of primary light (57) successively emitted into a field of view (50) for illumination thereof receive secondary light (58) from the field of view (50), and a sampling frequency at which pulses or groups of pulses of the primary light (57) are emitted, a number of pulses of the primary light (57) in a group of pulses and / or one or more a respective pulse of the primary light (57) characterizing pulse parameters are varied over time.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System, insbesondere vom Flashtyp, eine Steuereinheit für ein LiDAR-System, ein LiDAR-System als solches sowie eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem LiDAR-System ausgebildet ist, insbesondere ein Fahrzeug.The present invention relates to a method of operating a LiDAR system, in particular of the flash type, a control unit for a LiDAR system, a LiDAR system as such, and a working device which is formed with a LiDAR system, in particular a vehicle.
Zur Umfelderkennung von Arbeitsvorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen werden vermehrt so genannte LiDAR-Systeme eingesetzt, welche ausgebildet sind, ein Sichtfeld mit Licht oder Infrarotstrahlung zu beaufschlagen und von dem Sichtfeld zurückgeworfene Strahlung zur Analyse des Sichtfeldes und zur Detektion von darin enthaltenen Objekten zu erfassen und auszuwerten.So-called LiDAR systems, which are designed to apply light or infrared radiation to a field of view and to detect and evaluate radiation reflected back from the field of view for analysis of the field of view and for detection of objects contained therein, are increasingly used for detecting the surroundings of working devices and in particular vehicles ,
Um bei gepulst betriebenen LiDAR-Systemen - also insbesondere bei LiDAR-Systemen vom Flashtyp - ein Übersprechen und Störungen durch andere Signalquellen zu reduzieren, wird zum Beispiel auf ein aufwendiges pulssequenzcodiertes Vorgehen für den Betrieb des jeweiligen LiDAR-Systems mit einem entsprechenden steuertechnischen Mehraufwand in der Senderoptik und der Empfängeroptik zurückgegriffen.To reduce crosstalk and interference from other signal sources in pulse-operated LiDAR systems-in particular, in the case of LiDAR systems of the flash type-an elaborate pulse-sequence-coded procedure is used, for example, for operating the respective LiDAR system with a corresponding additional tax expenditure in the Transmitter optics and the receiver optics are used.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit verhältnismäßig geringem Aufwand ein Übersprechen und Störungen durch andere Signalquellen reduziert und damit eine verbesserte Kanaldiskriminierung erreicht werden können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System geschaffen wird, bei welchem (i) aufeinanderfolgend Pulse erzeugten Primärlichts in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung ausgesandt werden, (ii) aus dem Sichtfeld stammendes Sekundärlicht empfangen, detektiert und ausgewertet wird und (iii) eine Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts ausgesandt werden, eine Anzahl von Pulsen des Primärlichts in einer Gruppe von Pulsen und/oder ein oder mehrere einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierende Pulsparameter zeitlich variiert werden. Durch das senderseitige Variieren der Abtastrate oder Abtastfrequenz, der Gestalt der Gruppen ausgesandter Pulse des Primärlichts und/oder der Gestalt der einzelnen Pulse des Primärlichts wird die Wahrscheinlichkeit dafür reduziert, dass die vom betrachteten LiDAR-System ausgesandte Pulse oder Pulsgruppen vergleichbar sind mit Pulsen oder Pulsgruppen einer Fremdquelle. Selbst beim Detektieren von Signalen einer Fremdquelle können diese dann mit höherer Wahrscheinlichkeit als Fremdsignale identifiziert und von der Berücksichtigung ausgeschlossen werden.The operating method according to the invention for a LiDAR system with the features of claim 1 has the advantage that reduced with relatively little effort crosstalk and interference from other signal sources and thus improved channel discrimination can be achieved. This is inventively achieved with the features of claim 1, characterized in that an operating method for a LiDAR system is provided, in which (i) successively pulses generated primary light are emitted in a field of view for its illumination, (ii) receive secondary light originating from the field of view and (iii) a sampling frequency at which pulses or groups of pulses of the primary light are emitted, a time period of a number of pulses of the primary light in a group of pulses and / or one or more pulse parameters characterizing a respective pulse of the primary light become. The transmitter-side variation of the sampling rate or sampling frequency, the shape of the groups of emitted pulses of the primary light and / or the shape of the individual pulses of the primary light reduces the probability that the pulses or pulse groups emitted by the LiDAR system under consideration are comparable to pulses or pulse groups a foreign source. Even when detecting signals from a foreign source, they can then be identified with greater probability as extraneous signals and excluded from consideration.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Erfindungsgemäß können einer vorteilhaften Ausführungsform des vorgestellten Betriebsverfahrens mit der Abtastfrequenz der zeitliche Abstand von Pulsen oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts und/oder der zeitliche Abstand von Pulsen des Primärlichts innerhalb einer Gruppe von Pulsen zeitlich variiert werden.According to an advantageous embodiment of the presented operating method with the sampling frequency, the time interval of pulses or groups of pulses of the primary light and / or the time interval of pulses of the primary light within a group of pulses can be varied over time.
Zusätzlich oder alternativ können gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Pulsparameter eine Pulsweite, eine Pulsform und/oder Pulszeitfunktion eines auszusendenden Pulses des Primärlichts zeitlich variiert werden.Additionally or alternatively, according to another embodiment of the method according to the invention as a pulse parameter, a pulse width, a pulse shape and / or a pulse time function of a pulse to be emitted of the primary light can be varied over time.
Beim zeitlichen Variieren der Abtastfrequenz, der Gestalt von Pulsgruppen, der Anzahl von Pulsen in einer Pulsgruppe und/oder eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierenden Pulsparameters bieten sich vielfältige Möglichkeiten an.When temporally varying the sampling frequency, the shape of pulse groups, the number of pulses in a pulse group, and / or a pulse parameter characterizing a respective pulse of the primary light, there are many possibilities.
Ganz allgemein können eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter in ihrem Wert zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton ansteigend, zumindest abschnittsweise monoton oder streng monoton abfallend, ansteigend und/oder abfallend nach einer linearen oder quadratischen Funktion oder einer Funktion höherer Ordnung, stochastisch, auf der Grundlage von Pseudozufallszahlen und/oder auf der Grundlage einer vorbestimmten Auslesetabelle zeitlich variiert werden.Quite generally, a sampling frequency and / or one or more pulse parameters may be at least partially monotonically or strictly monotonically increasing, at least partially monotone or strictly monotonically decreasing, increasing and / or decreasing according to a linear or quadratic function or a function of higher order, stochastically, be varied on the basis of pseudo-random numbers and / or on the basis of a predetermined read-out table.
Auch sind beliebige Kombinationen dieser Vorgehensweisen denkbar.Also, any combinations of these approaches are conceivable.
Nicht unter allen Betriebsumständen ist eine komplexe zeitliche Variation erforderlich. Wenn zum Beispiel keine Störsignale auftreten oder zu erwarten sind kann das Maß an zeitlicher Variation deutlich reduziert werden. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen die zeitliche Variation zumindest temporär entfällt.Not under all operating circumstances, a complex temporal variation is required. If, for example, no interfering signals occur or are to be expected, the amount of temporal variation can be significantly reduced. Embodiments are also conceivable in which the temporal variation is at least temporarily eliminated.
Zum Steuern eines derartigen Vorgehens ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass ein Auftreten von Störsignalen empfängerseitig detektiert wird und eine Abtastfrequenz und/oder ein oder mehrere Pulsparameter von Pulsen des Primärlichts in ihrem Wert in Abhängigkeit vom Auftreten empfängerseitiger Störsignale und/oder einer entsprechenden Bewertung zeitlich variiert werden.To control such a procedure, it is provided in a preferred embodiment of the operating method according to the invention that an occurrence of interfering signals is detected on the receiver side and a sampling frequency and / or one or more pulse parameters of pulses of the primary light in their value depending on the occurrence of receiver-side noise and / or be varied over a corresponding evaluation.
Um die Detektionsqualität und/oder Detektionswahrscheinlichkeit empfängerseitig zu steigern, ist es gemäß einer anderen bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass empfängerseitig beim Detektieren im Hinblick auf eine etwaige zeitliche Variation (i) einer Abtastfrequenz, mit welcher Pulse oder Gruppen von Pulsen des Primärlichts ausgesandt werden, (ii) einer Anzahl von Pulsen des Primärlichts in einer Gruppe von Pulsen und/oder (iii) eines einen jeweiligen Puls des Primärlichts charakterisierenden Pulsparameters zur Korrelation signalangepasst gefiltert wird. In order to increase the detection quality and / or detection probability on the receiver side, it is provided according to another preferred development of the operating method according to the invention that the receiver side when detecting with respect to a possible temporal variation (i) a sampling frequency, with which pulses or groups of pulses of the primary light emitted (ii) a number of pulses of the primary light in a group of pulses and / or (iii) a pulse parameter characterizing a respective pulse of the primary light are filtered in a signal-matched manner for correlation.
Dabei kann insbesondere auch dasjenige Steuersignal zum Einsatz kommen, mit welchem die Lichtquelle der Senderoptik oder deren Treibereinrichtung gesteuert wird.In this case, in particular, that control signal can also be used with which the light source of the transmitter optics or its driver device is controlled.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit für ein LiDAR-System vom Flashtyp geschaffen. Diese ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für ein Leader-System auszuführen.In accordance with another aspect of the present invention, a control unit for a flash type LiDAR system is also provided. This is adapted to carry out the operating method according to the invention for a Leader system.
Des Weiteren schlägt die vorliegende Erfindung auch ein LiDAR-System vom Flashtyp als solches vor. Dieses ist mit einer Senderoptik zum Erzeugen und Aussenden von Pulsen von Primärlicht in ein Sichtfeld zu dessen Beleuchtung, mit einer Empfängeroptik zum Empfangen, Detektieren und Auswerten von Sekundärlicht aus dem Sichtfeld und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Senderoptik und/oder der Empfängeroptik ausgebildet.Furthermore, the present invention also proposes a flash type LiDAR system as such. This is with a transmitter optics for generating and emitting pulses of primary light in a field of view to its illumination, with a receiver optics for receiving, detecting and evaluating secondary light from the field of view and with a control unit according to the invention for controlling the operation of the transmitter optics and / or the receiver optics educated.
Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System ausgebildet ist.Finally, the present invention also provides a working device which is formed with a LiDAR system according to the invention.
Bei der Arbeitsvorrichtung kann es sich um ein Fahrzeug handeln, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug. Denkbar ist jedoch auch die Ausgestaltungsform als Roboter oder dergleichen.The working device may be a vehicle, for example a motor vehicle. However, it is also conceivable embodiment as a robot or the like.
Figurenlistelist of figures
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems. -
2 und3 zeigen in schematischer Form Amplituden-Zeitdiagramme zur Charakterisierung erfindungsgemäß zeitlich variierter Verläufe von Pulsen ausgesandten Primärlichts bei einer senderseitigen Variation der Abtastrate bzw. der Pulszeitfunktion.
-
1 shows in the form of a schematic block diagram an embodiment of the LiDAR system according to the invention. -
2 and3 show in a schematic form amplitude-time diagrams for the characterization according to the invention temporally varied waveforms of pulses emitted primary light at a transmitter-side variation of the sampling rate or the pulse time function.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die
Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.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.
Das in
Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit
Bei der vorliegenden Erfindung liegt der Fokus auf einem Pulsbetrieb der Lichtquelleneinheit
Das aus dem Sichtfeld
Die Ausführungsform der Steuer- und Auswerteeinheit
Es können das Steuersystem
Es kann jedoch ein LiDAR-System 1 ausgebildet sein, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit
Erfindungsgemäß liegt der Fokus beim Betrieb des LiDAR-Systems auf dem Pulsprinzip, bei welchem das Sichtfeld
Erfindungsgemäß wird dabei zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit und zur Vermeidung falscher Detektionen senderseitig eine zeitliche Variation der Abtastrate oder Abtastfrequenz der Pulse des Primärlichts
Die
Auf den jeweiligen Abszissen
Bei der der
Dabei werden bei der Ausführungsform gemäß
Dies ist nicht obligatorisch, bei einer alternativen Ausgestaltungsform könnte der zeitliche Abstand zwischen den Einzelpulsen
Die vierte Pulsgruppe
Die Pulsgruppen
Die in der Spur
Denkbare Variationsmöglichkeiten der Einzelpulse werden durch die Spur
Hier besteht das gesamte Sendesignal der Spur
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:
Eine typische Problemstellung bei LiDAR-Systemen, insbesondere jedoch bei Flash-LiDAR-Ansätzen, ist die Übersprechproblematik. Baugleiche Systeme, aber auch bereits solche, die in Wellenlängenbereich (Bandpassfilterung) und Zeitverhalten (z.B. gepulstes TOF-Verfahren) hohe technologische Überlappungen aufweisen, können sich gegenseitig beeinflussen und somit auf Grund gegenseitiger Blendung (z.B. Detektorsättigung, Blooming) zu gestörten Messungen (z.B. verrauschte 3D-Punktewolken) führen. Zudem ist durch ungewollte oder böswillige Fremdlichteinwirkung die Bereitschaft eines LiDAR-Systems unmittelbar angreifbar (Jamming).A typical problem with LiDAR systems, but especially with Flash LiDAR approaches, is the crosstalk problem. Identical systems, but even those that have high technological overlaps in wavelength range (bandpass filtering) and time response (eg pulsed TOF method), can influence each other and thus due to mutual glare (eg detector saturation, blooming) to disturbed measurements (eg noisy 3D point clouds). In addition, the readiness of a LiDAR system can be directly attacked by unwanted or malicious external light exposure (jamming).
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine höhere Robustheit gegenüber der Übersprechproblematik baugleicher, gegenseitig beeinflussbarer oder von extern störbarer LiDAR-Systeme erreicht werden, indem eine variable Abtastrate und/oder variable Pulsmerkmale (z.B. der Pulsweite, Pulszeitfunktion) verwendet werden. Diese wären typischerweise durch eine unmittelbare Ansteuerung des Emitters bereits einfach möglich und erfordern im Vergleich zu codierten Beleuchtungsverfahren (Codeüberlagerung auf das LiDAR-Abtastverhalten) keine zusätzlichen Schaltungen und keine Elemente der Kryptografie.With the present invention, a higher robustness to the crosstalk problem of identically constructed, mutually influenceable or externally disturbable LiDAR systems is to be achieved by using a variable sampling rate and / or variable pulse characteristics (for example the pulse width, pulse time function). These would typically be easily accomplished by direct control of the emitter, and require no additional circuitry or elements of cryptography as compared to coded illumination techniques (code superposition on the LiDAR sampling behavior).
Ein Kernaspekt der Erfindung ist das Vorsehen einer intelligenten Steuerung oder Regelung der Abtastrate und/oder der Pulsform eines LiDAR-Systems 1, insbesondere hinsichtlich einer maximal zulässigen Variabilität.A key aspect of the invention is the provision of intelligent control or regulation of the sampling rate and / or the pulse shape of a LiDAR system 1, in particular with regard to maximum permissible variability.
Hierbei können sowohl eine der aktuellen Messsituation angepasste, höhere oder niedrigere Abtastrate eingestellt werden oder etwa durch einen Zufallsparameteralgorithmus bzw. eine vorgegebene Abtastfrequenz-/Pulsweitenrampe (Frequenz-/Pulsweiten-Sweep) ein von Ego-Sensor - also dem Sensor eines betrachteten LiDAR-System
Einige wesentliche Vorteile, die sich bei der Erfindung einstellen, sind:
- - eine Verringerung oder gar Minimierung der Wahrscheinlichkeit eines Übersprechens baugleicher oder ähnlicher LiDAR-Systeme,
- - eine Variabilität der Abtastrate (z.B. im Bereich etwa 10 Hz bis etwa 30 Hz) und ausgewählter Pulsformparameter, um unterschiedliche Auflösungen der Tiefeninformation oder Belichtungszeiten zu ermöglichen,
- - eine Möglichkeit, in der Tiefe interessante Objekte besonders häufig abzutasten, beispielsweise um deren Existenz oder Maße zu plausibilisieren,
- - Möglichkeiten, besonders gering reflektierende Objekte länger zu beleuchten, um ein höheres Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhalten, beispielsweise durch Mittelung vieler von diesem Objekt reflektierter Pulse im Detektor (dabei mittelt sich das Rauschen in der Regel tendenziell zu Null, wogegen sich das Nutzsignal durch die Mittelung aus dem Rauschen stärker erhebt),
- - ein optimierbares zeitliches Systemverhalten hinsichtlich einer aktuell vorliegenden Messsituation und
- - ein vergleichsweise geringer Realisierungsaufwand (keine Codegenerierung, keine Dechiffrierung, keine zusätzlichen Schaltungen, da direkt durch den Lasertreiberansteuerung realisierbar).
- a reduction or even minimization of the likelihood of crosstalk of identical or similar LiDAR systems,
- a variability of the sampling rate (eg in the range of about 10 Hz to about 30 Hz) and selected pulse shape parameters in order to allow different resolutions of the depth information or exposure times,
- a possibility to scan objects of interest very often, for example to make their existence or dimensions plausible,
- - Possibilities to illuminate particularly low-reflection objects longer in order to obtain a higher signal-to-noise ratio, for example by averaging many of this object reflected pulses in the detector (while the noise tends to average tends to zero, whereas the useful signal by averaging out of the noise),
- an optimizable temporal system behavior with regard to a currently present measurement situation and
- - A relatively low implementation effort (no code generation, no deciphering, no additional circuits, as directly by the laser driver control feasible).
Mit Hilfe einer Steuerung oder einer Regelung soll das nach aktuellem Stand der Technik zeitinvariante Abtast- und Beleuchtungserhalten eines LiDAR-Sensors
Damit ergibt sich erstmalig die Möglichkeit, im Falle einer zu häufigen Störung des Ego-Sensors beispielsweise die eigene Abtastrate gering und verstärkt zufällig zu gestalten und besonders kurze Pulse zu verwenden, während bei geringer Störhäufigkeit eine höhere und regelmäßigere Abtastrate und längere Pulse verwendet werden könnten. Die Einstellung des erwünschten Zeitverhaltens erfolgt unmittelbar über Ansteuerung des Lasertreibers und ggf. zusätzlich des Detektormoduls.This results for the first time in the case of a too frequent disturbance of the ego-sensor, for example, the own sampling rate to make small and amplified random and to use very short pulses, while at low frequency interference higher and more regular sampling rate and longer pulses could be used. The setting of the desired time behavior takes place directly via activation of the laser driver and possibly additionally of the detector module.
Zur besseren Unterscheidung von Signalen bei LiDAR-Systemen mit insbesondere identischer Phasenlage in den Sendesignalen ist es möglich, bei CW-basierten LiDAR-Systeme
Claims (10)
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