DE102018205369A1

DE102018205369A1 - Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten eines LIDAR Messsystems

Info

Publication number: DE102018205369A1
Application number: DE102018205369.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel; Wolfgang Birnbacher
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG; Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten eines LIDAR Messsystems (10), wobei das Messsystem (10) die Messdaten bereitstellt, wobei die Messdaten durch eine Verarbeitungseinheit (28) mit zwei Verarbeitungspfaden (76, 78) verarbeitet werden, wobei die Messdaten in dem ersten Verarbeitungspfad (76) komprimiert werden und als komprimierte Daten bereitgestellt werden, wobei die Messdaten in dem zweiten Verarbeitungspfad (78) auf einen kurze Messpuls (51a) überprüft werden, wobei sodann Messdaten in einem Bereich um den kurzen Messpuls (51a) als Datenbereich bereitgestellt wird, wobei die komprimierten Daten und der Datenbereich als Ausgangsdaten bereitgestellt werden.
Zudem wird ein weiteres Verfahren, sowie ein LIDAR Messsystem (10) und eine Verarbeitungseinheit (28) erläutert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten eines LIDAR Messsystem sowie eine Verarbeitungseinheit zur Ausführung des Verfahrens.
Aus der WO 2017 081 294 ist ein LIDAR Messsystem bekannt. Dieses LIDAR-Messsystem weist unter anderem eine Sendeeinheit, eine Sendeoptik, eine Empfangsoptik sowie eine Empfangseinheit auf. Dabei wird von einem oder mehreren Emitterelementen der Sendeeinheit ein Laserlicht emittiert, welches über die Senderoptik in verschiedene Raumrichtungen gestreut wird. Das Laserlicht wird dann an einem Objekt reflektiert und über die Empfangsoptik zur Empfangseinheit geleitet. Das eintreffende reflektierte Laserlicht wird von Sensorelementen detektiert.
Ein solches Messsystem stellt eine große Datenmenge bereit, die zur Auswertung der Messdaten übertragen wird. Für die Übertragung großer Datenmengen werden einerseits die passende Architektur sowie viel Strom benötigt.
Es ist Aufgabe ein Verfahren und eine kostengünstige Verarbeitungseinheit bereitzustellen, die einen geringen Stromverbrauch aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1. Die nachfolgenden abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens dar.
Das Verfahren ist insbesondere für ein LIDAR Messsystem gemäß den nachfolgenden Ausführungen geeignet. Das LIDAR Messsystem ist in seinem grundsätzlichen Aufbau gemäß den Ausführungen zum Stand der Technik ausgebildet. Das LIDAR Messsystem umfasst vorzugsweise eine LIDAR Sendeeinheit sowie eine LIDAR Empfangseinheit. Des Weiteren sind das LIDAR Messsystem und dessen Komponenten vorzugsweise zur statischen, also unbeweglichen Anordnung an einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Dies bedeutet, dass das LIDAR Messsystem und dessen Komponenten über keine aktiven Bewegungs- oder Verstellmechanismen, beispielsweise Elektromotoren, für den Messvorgang verfügen.
Die LIDAR Empfangseinheit und / oder die LIDAR Sendeeinheit sind günstiger Weise in einer Focal Plane-Array Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der jeweiligen Einheit sind im Wesentlichen in einer Ebene, günstiger Weise auf einem Chip, angeordnet. Die jeweilige Einheit ist an dem LIDAR Messsystem vorzugsweise in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik, Sendeoptik, oder Empfangsoptik, angeordnet. Insbesondere sind die Sensorelemente bzw. die Emitterelemente im Brennpunkt der Empfangsoptik angeordnet. Eine solche Optik kann beispielsweise durch ein optisches Linsensystem ausgebildet sein.
Die LIDAR Empfangseinheit weist mehrere Sensorelemente auf, welche vorzugsweise als SPAD, Single Photon Avalanche Diode, ausgebildet sind. Die LIDAR Sendeeinheit weist mehrere Emitterelemente zur Aussendung von Laserlicht, günstigerweise Laserpulsen, auf. Die Emitterelemente sind günstiger Weise als VCSEL, Vertical Cavity surface emitting laser, ausgebildet.
Die Sendeeinheit weist Emitterelemente auf, die über eine Fläche des Sendechips verteilt sind. Die Empfangseinheit weist Sensorelemente auf, die über eine Fläche des Empfangschips verteilt sind. Dem Sendechip ist eine Sendeoptik zugewiesen und dem Empfangschip ist eine Empfangsoptik zugewiesen. Die Optik bildet ein aus einem Raumbereich eintreffendes Licht auf den jeweiligen Chip ab. Der Raumbereich entspricht dem Sichtbereich des Messsystem, der auf Objekte untersucht oder sensiert wird.
Der Raumbereich der Sendeeinheit und der Empfangseinheit sind im Wesentlichen identisch. Die Sendeoptik bildet ein Emitterelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Das Emitterelement sendet dementsprechend Laserlicht in diesen Raumwinkel aus. Die Emitterelemente decken gemeinsam den gesamten Raumbereich ab.
Die Empfangsoptik bildet ein Sensorelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Die Anzahl aller Sensorelemente deckt den gesamten Raumbereich ab. Emitterelemente und Sensorelemente, die denselben Raumwinkel betrachten bilden auf einander ab und sind dementsprechend einander zugewiesen. Ein Laserlicht eines Emitterelements bildet im Normalfall immer auf das zugehörige Sensorelement ab. Gegebenenfalls sind mehrere Sensorelemente innerhalb des Raumwinkels eines Emitterelements angeordnet.
Zur Ermittlung von Objekten innerhalb des Raumbereichs führt das Messsystem einen Messvorgang durch. Ein solcher Messvorgang umfasst einen oder mehrere Messzyklen, je nach konstruktivem Aufbau des Messsystems und dessen Elektronik.
Vorzugsweise wird das Time Correlated Single Photon Counting Verfahren, TCSPC, verwendet. Hierbei werden einzelne eintreffende Photonen detektiert, insbesondere durch SPAD, und der Zeitpunkt der Auslösung des Sensorelements, auch Detektionszeitpunkt, in einem Speicherelement abgelegt. Der Detektionszeitpunkt steht im Verhältnis zu einem Referenzzeitpunkt, zu dem das Laserlicht ausgesendet wird. Aus der Differenz lässt sich die Laufzeit des Laserlichts ermitteln, woraus der Abstand des Objekts bestimmt werden kann.
Ein Sensorelement kann einerseits von dem Laserlicht und andererseits von der Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Ein Laserlicht trifft bei einem bestimmten Abstand des Objekts immer zur gleichen Zeit ein, wohingegen die Umgebungsstrahlung jederzeit dieselbe Wahrscheinlichkeit bereitstellt ein Sensorelement auszulösen. Bei der mehrfachen Durchführung einer Messung, insbesondere mehrerer Messzyklen, summieren sich die Auslösungen des Sensorelements bei dem Detektionszeitpunkt, der der der Laufzeit des Laserlichts bezüglich der Entfernung des Objekts entspricht, wohingegen sich die Auslösungen durch die Umgebungsstrahlung gleichmäßig über die Messdauer eines Messzyklus verteilen. Eine Messung entspricht dem Aussenden und anschließendem Detektieren des Laserlichts. Die in dem Speicherelement abgelegten Daten der einzelnen Messzyklen eines Messvorgangs ermöglichen eine Auswertung der mehrfach ermittelten Detektionszeitpunkte, um auf den Abstand des Objekts zu schließen.
Die Durchführung der Mehrzahl an Messzyklen kann einerseits durch die zeitliche Aneinanderreihung von einer Vielzahl an Messzyklen bereitgestellt werden. Beispielsweise ist empfangseinheitsseitig ein Sensorelement für ein Emitterelement ausgebildet. Insbesondere wird der Messvorgang in etwa 200 mal durchgeführt, um 200 Messzyklen bereitzustellen. Alternativ kann bei der Verwendung einer Mehrzahl an Sensorelementen, die Anzahl der Messzyklen verringert werden. Bei 200 Sensorelementen ist dementsprechend ein Messzyklus ausreichend, da von 200 Sensorelementen Daten bereitgestellt werden. Bei den beiden beispielhaften Varianten werden jeweils 200 Messungen durchgeführt, entweder gleichzeitig oder nacheinander.
Vorzugsweise wird ein Gleichgewicht zwischen der Anzahl an Sensorelementen und der Anzahl der Messzyklen eingehalten, um einerseits die Abmessungen der Einheiten möglichst klein zu halten und andererseits die Messdauer möglichst kurz zu halten. Bei einer Reichweite des Messsystems von etwa 300 Metern ist die Durchführung von 200 aufeinanderfolgenden Messzyklen ausreichend kurz, sodass eine Bewegung des Objekts vernachlässigt werden kann.
Ein Sensorelement ist günstigerweise mit einem Time to Digital Converter, TDC, verbunden, der den Zeitpunkt des Auslösens der Sensoreinheit in dem Speicherelement ablegt. Ein solches Speicherelement kann beispielsweise als Kurzzeitspeicher oder als Langzeitspeicher ausgebildet sein. Der TDC füllt für einen Messvorgang ein Speicherelement mit den Zeitpunkten, zu denen die Sensorelemente ein eintreffendes Photon detektierten. Dies lässt sich grafisch durch ein Histogramm, welches auf den Daten des Speicherelements basiert. Das Histogramm steht im Weiteren stellvertretend für die Messdaten, die durch die TDC in dem Speicherelement abgelegt werden. Bei einem Histogramm ist die Dauer eines Messzyklus in kurze Zeitabschnitte unterteilt, sogenannte Bins. Wird ein Sensorelement ausgelöst, so erhöht der TDC den Wert eines Bin um eins. Es wird der Bin aufgefüllt, welcher der Laufzeit des Laserpulses entspricht, also die Differenz zwischen Detektionszeitpunkt und Referenzzeitpunkt.
Ein Sensorelement weist bei einem eintreffenden Photon eine bestimmte Auslösewahrscheinlichkeit auf. Da der Laserpuls eine Vielzahl an Photonen innerhalb einer bestimmten zeitlichen Breite aufweist, kann das Sensorelement zwischen dem Beginn und dem Ende des Laserpulses ausgelöst werden. Üblicherweise werden bei einem reflektierten Laserpuls über den Messvorgang mehrere benachbarte Bins gefüllt, sodass in dem Histogramm gewissermaßen die Breite des Pulses abgebildet wird. Ein Laserpuls, der an einem Retroreflektor wird weist im Vergleich mit einer Reflektion an einer lackierten Fläche eine wesentlich höhere Intensität auf. Aufgrund der hohen Intensität und der hohen Photonendichte lösen die Sensorelemente bei jeder Messung zu Beginn des eintreffenden Laserpulses aus, sodass eine Sättigung eintritt. Da die SPAD sich wieder aufladen müssen, bevor erneut ein Objekt detektiert werden kann, ist der Puls in dem Histogramm verkürzt, also auf weniger Bins verteilt. Geht man von derselben Anzahl an Auslösungen aus, so sind die wenigen Bins wesentlich höher befüllt. Der detektierte Laserpuls eines Retroreflektors ist in dem Histogramm somit schmaler und dafür höher als detektierter Laserpuls, der an einem Nicht-Retroreflektor reflektiert wurde. Solche Retroreflektoren treten im Straßenverkehr regelmäßig auf, beispielsweise an Straßenschildern.
Ein Laserpuls von niedriger oder mittlerer Intensität bildet auf das Histogramm als normaler Messpuls ab. Ein Laserpuls von hoher Intensität, beispielsweise an einem Retroreflektor reflektiert, bildet auf das Histogramm als kurzer Messpuls ab.
Insbesondere werden die in dem Speicherelement abgelegten Daten in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird. Diese Auswerteeinheit ist außerhalb der Empfangseinheit angeordnet, sodass die Daten von dem Speicherelement der Empfangseinheit zu der Auswerteeinheit übertragen werden. Da die Histogramme eine hohe Auflösung aufweisen und zudem eine Vielzahl von Histogrammen, für jeden Raumwinkel zumindest ein Histogramm, aufgenommen werden, ist die zu übertragene Datenmenge sehr hoch. Dafür wird einerseits die entsprechende Architektur benötigt, welche viel Strom verbraucht und zudem einen hohen Wärmeeintrag bereitstellt.
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 werden stellt das Messsystem die Messdaten bereit. Die Messdaten sind insbesondere die Histogramme, die in den zuvor erläuterten Speicherelementen abgespeichert werden.
Die Messdaten werden durch eine Verarbeitungseinheit mit zwei Verarbeitungspfaden verarbeitet. Jeder Verarbeitungspfad verarbeitet dieselben Messdaten der Speichereinheit. Die Verarbeitungseinheit ist günstigerweise Teil der Empfangseinheit.
Die Messdaten werden in dem ersten Verarbeitungspfad komprimiert und als komprimierte Daten bereitgestellt. Die Kompression wird insbesondere durch die Verringerung der Abtastrate bereitgestellt. Insbesondere werden mehrere benachbarte Bins des Histogramms zu einem gemeinsamen Bin zusammengefasst.
Die Kompression führt bei den Laserpulsen hoher Intensität, also den kurzen Messpulsen zu einem Informationsverlust. Bei den Detektionen von normalen Laserpulsen, also den normalen Messpulsen, führt dies zu keinem oder nur geringem Informationsverlust. Ersteres ist gerade dann der Fall, wenn die Abtastrate größer oder gleich der Bandbreite eines normalen Messpulses ist. Eine weitere Erhöhung der Kompression, insbesondere Verringerung der Abtastrate stellt eine Verringerung der zu übertragenden Datenmenge bereit, verschlechtert jedoch die Positionsbestimmung der detektierten Objekte.
Ein Laserpuls ist Bandbreitenbegrenzt, beispielhaft weist ein normaler Messpuls eine Bandbreite von 1 GHz auf. Die gespeicherten Messdaten eines Histogramms weisen demgegenüber eine Abtastrate von 4 GHz auf. Die Abtastrate kann ohne Informationsverlust für den normalen Messpuls auf 1 GHz gesenkt werden, wobei die Genauigkeit des ermittelten Abstands unverändert bleibt. Die Änderung der Abtastrate verringert somit die Anzahl der zu übertragenden Daten, wodurch eine günstigere Architektur gewählt werden kann und zudem der Stromverbrauch und der Wärmeeintrag in das Messsystem verringert wird. Ein kurzer Messpuls weist demgegenüber beispielhaft eine Bandbreite von 1 GHz auf. Mit der Kompression geht ein Informationsverlust einher, sodass sich die Genauigkeit der ermittelten Position des Objekts verschlechtert.
Der Messpuls der Laserpulse, die an einem Retroreflektor reflektiert wurden, ist aufgrund der hohen Photonenintensität in dem Histogramm verkürzt. Aus dem Histogramm mit der vollen Auflösung kann die Position des Objekts beispielsweise bis auf 4 cm genau bestimmt werden. Aus den komprimierten Messdaten, also nach der Verringerung der Abtastrate von 4 GHz auf 1 GHz, beträgt die Genauigkeit zur Ermittlung der kurzen Messpulse jedoch nur noch 24 cm.
Die Messdaten werden in dem zweiten Verarbeitungspfad auf kurze Messpulse überprüft. Anschließend werden die Messdaten in einem Bereich um einen kurzen Messpuls als Datenbereich bereitgestellt.
Die Überprüfung auf kurze Messpulse wird durch ein Detektionselement durchgeführt. Die Elektronik des Detektionselements erkennt kurze Messpulse und schneidet einen Teil der Messdaten um diesen kurzen Puls aus und stellt diesen Teil des Histogramms als Datenbereich bereit. Der Datenbereich entspricht somit einem Teil eines Histogramms bzw. dessen Daten über die Detektionszeitpunkte. Insbesondere weist der erste Datenpfad ein Ausschnittelement auf. Dieses Ausschnittelement stellt den Datenbereich aus den Messdaten bereit. Gegebenenfalls können das Detektionselement und das Ausschnittelement durch eine gemeinsames Element bereitgestellt sein, beispielsweise eine ASIC.
Der Datenbereich wird günstigerweise unkomprimiert, also in voller Auflösung der Messdaten, bereitgestellt. Zudem stellt der Datenbereich die notwendigen Informationen bereit, sodass die Auswerteeinheit den kurzen Puls auswerten kann. Dies kann beispielsweise der Beginn und das Ende des Datenbereichs sein, oder eine Zeitinformation für einen oder mehrere Bins. Dadurch kann die Position des Objekts mit derselben Genauigkeit bestimmt werden, wie aus dem gesamten Histogramm mit voller Auflösung.
In einer anderen vorteilhaften Variante wird der Datenbereich komprimiert. Die Komprimierung ist jedoch schwächer als bei dem ersten Verarbeitungspfad. Dadurch kann ein Kompromiss zwischen der zu übertragenden Datenmenge und dem Stromverbrauch hergestellt werden. Der zweite Datenpfad weist bei dieser Ausführungsvariante dementsprechend ein Kompressionselement auf.
Die komprimierten Daten und der Datenbereich werden als Ausgangsdaten bereitgestellt. Diese Ausgangsdaten werden an die Verarbeitungseinheit übertragen. Insbesondere kann dadurch die Übertragungsarchitektur einfacher und günstiger ausgeführt werden, der Stromverbrauch ist geringer und das Messsystem generiert weniger Wärme.
Es wird vorgeschlagen, dass der Datenbereich die unkomprimierten Messdaten aufweist oder der Datenbereich schwächer komprimiert ist als die komprimierten Daten des ersten Verarbeitungspfades.
Dabei umfasst der Datenbereich lediglich den relevanten Teilbereich des kurzen Messpulses der Messdaten.
Es wird ein weiteres Verfahren gemäß dem Patentanspruch 3 vorgeschlagen, welches die vorgenannte Aufgabe löst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten erläutert.
Die vorigen Ausführungen gelten auch für das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 3. Der Unterschied zwischen den beiden Verfahren besteht in den Verfahrensschritten des zweiten Verarbeitungspfads.
In dem zweiten Verarbeitungspfad werden die Messdaten auf kurze Pulse überprüft, wie bei dem Verfahren nach Anspruch 1. Die Messdaten des kurzen Pulses werden sodann ausgewertet und als Pulsdaten bereitgestellt.
Diese Auswertung kann beispielsweise durch das Verarbeitungselement durgeführt werden, welche beispielsweise durch den erwähnten ASIC bereitgestellt ist. Insbesondere wertet das Verarbeitungselement die Breite, die Höhe und den Zeitpunkt des kurzen Pulses aus. Diese Daten können dann als Pulsdaten bereitgestellt werden. Dadurch kann das übertragen der hochauflösenden Datenbereiche eingespart werden.
Es wird vorgeschlagen, dass die Pulsdaten den Zeitpunkt und / oder die Breite eines detektierten Lichtpulses oder eines kurzen Messpulses umfassen.
Aus dem Zeitpunkt, der Breite und gegebenenfalls der Höhe des detektierten Lichtpulses kann bei Kenntnis der Form der Laserpulse auf die eigentliche Form des Laserpulses geschlossen werden, sodass die Position des Objekts genau bestimmt werden kann.
Es wird zudem eine Verarbeitungseinheit gemäß dem Patentanspruch 5 vorgeschlagen, welcher die gestellte Aufgabe löst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsvarianten der Verarbeitungseinheit dar.
Insbesondere ist die gesamte Verarbeitungseinheit durch einen ASIC ausgebildet, sodass die Elemente entsprechende Funktionen sind, die der ASIC bereitstellt. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit auch Teil eines ASIC sein, der noch weitere Funktionen umfasst. Ein Element ist somit nicht zwingend eine eigene Schaltung oder ein eigener Baustein der Elektronik des Messsystems. In einer weiteren Form kann die Verarbeitungseinheit auch durch eine Mehrzahl an ASIC ausgebildet sein, die entsprechend miteinander verschaltet sind. Jedes Element kann beispielsweise durch einen eigenen ASIC ausgebildet sein.
Die Verarbeitungseinheit weist einen ersten Datenpfad und einen zweiten Datenpfad auf. Die Datenpfade bilden entsprechend Elemente und deren Elektronik für die Durchführung der Verarbeitungspfade der zuvor erläuterten Verfahren ab. Günstigerweise sind der erste Datenpfad und der zweite Datenpfad mit dem Speicherelement verbunden.
Es wird vorgeschlagen, dass der erste Datenpfad ein Kompressionselement zur Kompression der Messdaten aufweist.
Insbesondere wird das Kompressionselement durch einen ASIC ausgebildet oder ist Teil eines ASIC des Verarbeitungselements.
Günstigerweise weist der zweite Datenpfad ein Detektionselement zur Überprüfung der Messdaten auf.
Insbesondere wird das Detektionselement durch einen ASIC ausgebildet oder ist Teil eines ASIC des Verarbeitungselements.
Mit Vorteil weist der zweite Datenpfad ein Verarbeitungselement auf, zur Bereitstellung eines Teils der Messdaten oder zur Verarbeitung eines Teils der Messdaten.
Insbesondere wird das Verarbeitungselement durch einen ASIC ausgebildet oder ist Teil eines ASIC des Verarbeitungselements.
Gemäß einer bevorzugten Variante weist der zweite Datenpfad ein Kompressionselement zur Kompression der Messdaten auf.
Insbesondere wird das Kompressionselement durch einen ASIC ausgebildet oder ist Teil eines ASIC des Verarbeitungselements.
Es wird zudem ein LIDAR Messsystem gemäß dem Patentanspruch 10 vorgeschlagen, welches eine Verarbeitungseinheit nach zumindest einer der vorigen Ausführungen oder nach einem der Patentansprüche 5 - 9 aufweist.
Das Messsystem ist vorzugsweise nach einer der vorigen Ausführungen ausgebildet.
Das Verfahren, die Verarbeitungseinheit und das Messsystem werden im Weiteren Beispielhaft anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines LIDAR Messsystems;
2 schematische Darstellung einer Verarbeitungseinheit;
3a Darstellung eines Histogramms;
3b Darstellung eines Laserpulses;
4 Ablaufschema des Verfahrens.

In der 1 ist ein LIDAR Messsystem 10 mit einer LIDAR Empfangseinheit 12 und einer LIDAR-Sendeeinheit 14 dargestellt. Dabei umfasst das LIDAR Messsystem 10 zudem eine Empfangsoptik 16 sowie eine Senderoptik 18. Dieses LIDAR Messsystem 10 ist zur statischen Montage an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, um eine Umgebung zu überwachen und dabei den Abstand und die Bewegung eines Objekts 20 zu dem Kraftfahrzeug zu ermitteln. Ein solches Messsystem kann beispielsweise für autonomes Fahren verwendet werden.
Die LIDAR Sendeeinheit 14 weist Emitterelemente 22 auf, wobei diese Emitterelemente 22 Laserlicht in Form von Lichtpulsen emittieren. Diese Emitterelemente 22 sind beispielsweise durch einen Vertical Cavity surface emitting laser, in Kurzform VCSEL, ausgebildet sein. Ein von einem Emitterelement 22 ausgesendeter Puls 24 durchläuft die Senderoptik 18, wird an einem Objekt 20 reflektiert und über eine Empfangsoptik 16 auf eines von mehreren Sensorelementen 26 geleitet wird. Ein solches Sensorelement 26 kann beispielsweise durch eine Single Photon Avalanche Diode, auch SPAD genannt, ausgebildet sein.
In der 1 ist zur einfachen Darstellung nur ein Strahl 25 dargestellt, der den Weg des Pulses 24 verdeutlichen soll. Mit Hilfe der Optiken 16 und 18 und der Vielzahl an Emitterelementen 22 und Sensorelementen 26 kann durch das Messsystem 10 einen Raum auf Objekte abgetastet werden. Durch die Optiken 16 und 18 ist jedem Emitterelement 22 und jedem Sensorelement 26 ein bestimmter Raumwinkel zur Betrachtung zugeordnet. Ein von einem Sensorelement 26 detektierter Lichtpuls 24 wird von einem Ausleseelement ausgelesen, durch eine Verarbeitungseinheit 28 verarbeitetet und an eine Auswerteeinheit 30 weitergegeben.
Die Verarbeitungseinheit 28, siehe auch 2 ist Teil der Empfangseinheit 12. Die Messdaten, die von dem Ausleseelement 38, insbesondere einem Time to Digital Converter, TDC, in ein Speicherelement 36 abgelegt werden, werden durch die Verarbeitungseinheit 28 verarbeitet. Anschließend werden die verarbeiteten Messdaten an die Auswerteeinheit 30 übertragen. Jedes Sensorelement 26 ist mit einem Ausleseelement 38 verbunden.
Zur Bestimmung des Abstands des Objekts 20 von dem Kraftfahrzeug wird das Time of Flight Prinzip, auch TOF genannt, angewendet. Der ausgesendete Puls wird mit der verstrichenen Zeit bis zum Eintreffen an der Empfangseinheit 12 verknüpft, woraus die Laufstrecke des Lichtpulses 24 ermittelt werden kann. Eine entsprechende Koordination der ablaufenden Prozesse ist durch die Steuereinheit 32 realisiert.
Das Ausleseelement in dieser Ausführungsvariante ist durch einen Time to Digital Converter, TDC, ausgebildet, der ein Speicherelement, welches ein Histogramm abbildet, befüllt. Diese Ausführungen sind jedoch sehr grundlegend und sollen nur das allgemeine Prinzip verdeutlichen. Diese Ausführungsvariante ist auf keinen Fall beschränkend für den elektronischen Aufbau des Messsystems. Um den Rahmen dieser Schrift nicht zu sprengen, können auch nicht alle Wechselwirkungen zwischen den jeweiligen Elektronikkomponenten sowie deren konkreter Aufbau dargestellt und erläutert werden. Das LIDAR-Messsystem ist mit weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs über eine Verbindung 34 verbunden, über die die entsprechenden Daten übermittelt werden können.
Das Ausleseelement 38 ermittelt den Zeitpunkt zu dem ein Sensorelement 26 ausgelöst wird und speichert diesen Zeitpunkt in einem Speicherelement 36 ab. Insbesondere bilden die in dem Speicherelement 36 abgelegten Daten ein Histogramm 40, welches in der 3a dargestellt ist. Das Ausleseelement 38 ermittelt den Zeitpunkt der Auslösung 50 eines Sensorelements, den Detektionszeitpunkt, in Bezug auf einen Referenzzeitpunkt 42, zu dem das Laserlicht ausgesendet wird. Die auf der x-Achse 44 aufgetragene Zeit entspricht der Laufzeit des Laserpulses. Gegenüber der y-Achse 46 ist die Anzahl der Auslösungen 50 aufgetragen.
Der Abstand des Objekts 20 steht mit der Laufzeit des Laserpulses in Zusammenhang, sodass die Laufzeit eines ausgesendeten und reflektierten Laserpulses vorgegeben ist. Neben der Auslösung 50 der Sensorelemente 26 durch das Laserlicht können die Sensorelement 26 auch durch Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Das reflektierte Laserlicht trifft bei gleichbleibendem Abstand des Objekts 20 immer bei derselben Laufzeit ein, sodass sich bei einer Mehrzahl an Messungen die Anzahl der Detektionen in einem Bereich häufen. Die Umgebungsstrahlung fügt demgegenüber dem Histogramm einen Rauschgrund hinzu. In der 3a sind jedoch beispielhaft lediglich die Auslösungen durch Laserpulse dargestellt.
Das Histogramm ist in gleichmäßige Zeitabschnitte 48, Bins 48, aufgeteilt, wobei der TDC 38 den Wert des Bins 48 um den Wert 1 erhöht, in den der Detektionszeitpunkt fällt. Nach einer einzelnen Messung kann noch nicht unterschieden werden, ob eine Auslösung 50 durch das Laserlicht bedingt ist oder durch die Umgebungsstrahlung. Aus diesem Grund werden in einem Messvorgang mehrere Messungen ausgeführt, wobei die Auslösungen 50, die durch das Laserlicht bedingt sind, sich von dem Rauschgrund abheben. Die Messungen können durch eine Mehrzahl an Sensorelementen innerhalb weniger Messzyklen oder durch wenige Sensorelemente mit einer vergleichsweise hohen Anzahl an Messzyklen durchgeführt werden, je nach konkretem konstruktivem Aufbau des Messsystems.
In letzterem Fall werden die Messzyklen werden unmittelbar anschließend nacheinander durchgeführt, sodass insgesamt nur wenig Zeit verstreicht. Eine Messzyklus dauert beispielsweise 200 µs, wobei ein Bin 48 eine Breite von 4 ps aufweist. Bei einer Durchführung von 200 Messzyklen kann die Bewegung des Objekts 20 vernachlässigt werden. Bei der Verwendung einer größeren Anzahl an Sensorelementen 28 für einen Raumwinkel kann die Anzahl der Messzyklen entsprechend verringert werden.
Bei der Reflektion des Laserlichts hängt die Intensität des reflektierten Laserlichts insbesondere von der Oberfläche ab, an der das Laserlicht reflektiert wird. Ein Retroreflektor stellt einen Laserpuls mit hoher Intensität bereit, wobei die Reflektion an einem Lack eine vergleichsweise niedrige Intensität aufweist.
Die Intensität solcher Pulse ist in der 3b dargestellt. Gegenüber der x-Achse 58 ist die Zeit aufgetragen, gegenüber der y-Achse 60 die Intensität. Der Puls 52 weist eine hohe Intensität auf, der Puls 54 eine geringe Intensität. Die Intensität des Pulses 52 ist um ein vielfaches höher als die Intensität des Pulses 54.
Der Puls 54 erzeugt in dem Histogramm die gestrichelt dargestellten Auslösungen 50b. Diese bilden Auslösungen bilden über mehrere Bins 48 die Pulsform des Laserpulses nach oder sind zumindest über mehrere Bins entsprechend der zeitlichen Breite oder Dauer des Laserpulses verteilt. Aufgrund der niedrigen Intensität des Pulses 54 kann das Sensorelement aufgrund der Auslösewahrscheinlichkeit des Sensorelements zu jedem Zeitpunkt über die gesamte Pulsbreite ausgelöst werden oder gegebenenfalls gar nicht detektiert werden.
Der Puls 52 mit hoher Intensität erzeugt ein Histogramm gemäß den Auslösungen 50a mit durchgezogener Linie. Die Intensität des Pulses 52 ist derart hoch, dass die Sensorelemente sofort mit dem Eintreffen des Pulses 52 auslösen. Die Auslösungen sind beispielhaft auf einen Bin 48 konzentriert, wobei die Anzahl der Auslösungen 50a und 50b für dieses Ausführungsbeispiel im Wesentlichen identisch sind. Aufgrund der hohen Intensität lösen die Sensorelemente 28 bei jedem Messzyklus nahezu sofort mit dem Eintreffen des Laserpulses aus, sodass lediglich die ansteigende Flanke des Laserpulses 52 detektiert wird.
Ein Laserpuls von niedriger oder mittlerer Intensität bildet auf das Histogramm 40 als normalen Messpuls 51b ab, definiert durch die Auslösungen 50b. Ein Laserpuls von hoher Intensität bildet auf das Histogramm 40 als kurzer Messpuls 51a ab, definiert durch die Auslösungen 50a. Aus dem kurzen Messpuls 51a kann der Abstand des Objekts ebenso genau detektiert werden, wie bei einem normalen Messpuls 51b.
Die Messdaten, die in dem Speicherelement 36 gespeichert sind, also die Histogramme 40, werden zur Auswertung an die Auswerteeinheit 30 übertragen. Das Histogramm stellt eine hohe Auflösung bereit, weshalb die zu übertragende Datenmenge sehr groß ist. Die direkte Übertragung der Messdaten des Speicherelements an die Auswerteeinheit 30 benötigt eine Architektur, welche die großen Datenmengen ausreichend schnell übertragen kann. Des Weiteren wird für die Übertragung großer Datenmengen viel Strom benötigt, wodurch entsprechend viel Wärme erzeugt wird.
Die Messdaten werden daher vor der Übertragung an die Auswerteeinheit 30 durch eine Verarbeitungseinheit 28 bearbeitet, um die zu übertragende Datenmenge zu verringern. Diese Verarbeitungseinheit 28 ist Teil der Empfangseinheit 12 und kann beispielsweise durch eine integrierte Schaltung, auch als ASIC bekannt, bereitgestellt sein.
Die Verarbeitungseinheit 28 ist in der 2 schematisch dargestellt. Die Verarbeitungseinheit weist einen ersten Datenpfad 62 und einen zweiten Datenpfad 64 auf, wobei beide Datenpfade 62, 64 dieselben Messdaten aus dem Speicherelement 36 verarbeiten. Jeder Datenpfad übergibt das Ergebnis an ein Übertragungselement 66, welches die Ergebnisse der beiden Datenpfade 62, 64 zusammenfügt und sodann an die Verarbeitungseinheit 30 überträgt. Die Messdaten werden im Anschluss an die Bearbeitung an dem Speicherelement 36 freigegeben oder gelöscht, sodass der Speicherplatz für weitere Messvorgänge zur Verfügung steht.
Der erste Datenpfad 62 weist ein Kompressionselement 68 auf, welches die Messdaten komprimiert. Beispielsweise wird eine Abtastrate von 4 GHz, welche durch das Messsystem vorgegeben ist, auf 1 GHz verringert. Bei der Kompression bleibt die vollständige Information normaler Messpulse 51b erhalten. Bei kurzen Messpulsen geht jedoch Information verloren, sodass die Positionsbestimmung eines Objekts mit hoher Reflektivität schlechter wird. Das Kompressionselement 68 stellt dem Übertragungselement 66 die komprimierten Daten bereit.
Der zweite Datenpfad 64 weist ein Detektionselement 70 und ein Verarbeitungselement 72 auf. Das Detektionselement 70 liest die Messdaten ein und untersucht dieses auf kurze Messpulse. Sofern das Detektionselement 70 einen kurzen Messpuls 51a detektiert, werden die Messdaten durch das Verarbeitungselement 72 bearbeitet.
In einer ersten Variante schneidet das Verarbeitungselement 72 aus den Messdaten einen Bereich um die Position des kurzen Messpulses 51a in voller Auflösung aus dem Histogramm 40 aus. Dieser Teil des Histogramms 40 wird dem Übertragungselement 66 als Datenbereich bereitgestellt. Vorzugsweise ist der Datenbereich unkomprimiert. Optional kann zwischen dem Verarbeitungselement 72 und dem Übertragungselement 66 als Teil des zweiten Datenpfades 64 ein Kompressionselement angeordnet sein, welches den Datenbereich komprimiert. Die Komprimierung ist im Vergleich mit dem ersten Datenpfad 62 schwächer. Der Datenbereich weist also mehr Informationen auf als die komprimierten Daten.
Die Datenmenge, welche über das Übertragungselement 66 an die Verarbeitungseinheit 30 übertragen wird, kann hierdurch um das 4- bis 6-fache der originalen Messdaten verringert werden. Zudem kann die Verarbeitungseinheit 30 die Messdaten mit höchster Genauigkeit auswerten. Insbesondere gehen bei Verwendung unkomprimierter Datenbereiche keine Informationen verloren. Die Genauigkeit der Objektdetektion insgesamt ist somit unverändert.
In der zweiten Variante des zweiten Datenpfades 64 stellt das Verarbeitungselement 72 keine Ausschnittfunktion der Messdaten bereit, sondern wertet den kurzen Puls direkt aus. Insbesondere ermittelt das Verarbeitungselement den Zeitpunkt des kurzen Pulses, dessen Breite und gegebenenfalls dessen Höhe. In einer weiteren Variante kann die Verarbeitungseinheit 72 aus dem kurzen Messpuls 51a den tatsächlichen Laserpuls 52 rekonstruieren bzw. dessen Kenngrößen ermitteln. Insbesondere werden Kenngrößen des Messpulses 51a oder des rekonstruierten Laserpulses 52 dem Übertragungselement 66 als Pulsdaten bereitgestellt.
Die einzelnen Schritte des Verfahrens, welches von der Verarbeitungseinheit 28 durchgeführt werden, sind in der 4 dargestellt. In einem ersten Schritt 74 werden durch das Messsystem, insbesondere die Empfangseinheit 12 Messdaten in einem Speicherelement 36 bereitgestellt. Diese Messdaten werden in einem ersten Verarbeitungspfad 76 und in einem zweiten Verarbeitungspfad 78 verarbeitet.
Der erste Verarbeitungspfad 76 umfasst den Schritt 80. In dem Schritt 80 werden die Messdaten des Speicherelements 36 ausgelesen und komprimiert. Die Kompression ist insbesondere derart gewählt, dass die Informationen eines normalen Messpulses unverändert erhalten bleiben. Die Informationen der normalen Messpulse sind somit in den Messdaten und in den komprimierten Daten unverändert enthalten. Gegebenenfalls kann auch ein Informationsverlust in Kauf genommen werden, um die zu übertragende Datenmenge weiter zu reduzieren. Diese verarbeiteten Messdaten werden als komprimierte Daten bereitgestellt.
In dem zweiten Verarbeitungspfad 78 werden die Messdaten zunächst in einem Schritt 82 aus dem Speicherelement 36 ausgelesen und auf kurze Messpulse überprüft. Sofern kein kurzer Messpuls 51a entdeckt wird, werden die Messdaten verworfen und es werden keine Daten zur Übertragung für den Schritt 86 bereitgestellt.
Dementsprechend werden die komprimierten Daten gemäß Schritt 68 an das Verarbeitungselement übertragen.
Wird in dem Schritt 82 ein kurzer Messpuls 51a entdeckt, so wird der Schritt 84 ausgeführt. In einer ersten Variante wird bei dem Schritt 84 ein Datenbereich um den kurzen Messpuls herum ausgeschnitten und als Datenbereich zur Übertragung bereitgestellt. Gegebenenfalls werden bei dem Auftreten mehrerer kurzer Messpulse mehrere Datenbereiche bereitgestellt, oder die relevanten Teilbereiche des Histogramms werden in einem Datenbereich bereitgestellt. Der Datenbereich ist vorzugsweise unkomprimiert, um keine Informationen zu verlieren. Gegebenenfalls kann der Datenbereich in einem optionalen Schritt komprimiert werden, wobei die Kompression geringer ist als in dem Schritt 80.
Gemäß dem Schritt 86 werden die komprimierten Daten und der Datenbereich an die Verarbeitungseinheit 30 zur Auswertung der Daten übermittelt. Hierdurch wird die zu übertragende Datenmenge verringert, wobei dennoch die Objekte mit unveränderter Genauigkeit bestimmt werden können.
In der alternativen Variante des Schritts 84 werden die kurzen Messpulse direkt ausgewertet und entsprechende Kenngrößen des Messpulses als Pulsdaten bereitgestellt. Bei mehreren kurzen Pulsen in einem Histogramm werden vorzugsweise die Kenngrößen allen kurzen Messpulses bereitgestellt. Diese Kenngrößen werden sodann gemäß Schritt 86 an die Verarbeitungseinheit 30 übertragen. Hierdurch lässt sich die Datenmenge noch weiter reduzieren. Die Kenngröße kann beispielsweise den kurzen Messpuls beschreiben oder eine Rekonstruktion des Laserpulses mit hoher Intensität.
Bezugszeichenliste

10: LIDAR Messsystem
12: LIDAR Empfangseinheit
14: LIDAR Sendeeinheit
16: Empfangsoptik
18: Senderoptik
20: Objekt
22: Emitterelement, VCSEL
24: Laserlicht, Puls
25: Strahl
26: Sensorelement
28: Verarbeitungseinheit
30: Auswerteeinheit
32: Steuereinheit
34: Verbindung
36: Speicherelement
38: Ausleseelement
40: Histogramm
42: Referenzzeitpunkt
44: x-Achse / Zeit
46: y-Achse / Anzahl Auslösungen
48: Bin
50,a,b: Auslösung
51a: kurzer Messpuls
51b: normaler Messpuls
52: Puls
54: Puls
58: x-Achse / Zeit
60: y-Achse / Intensität
62: erster Datenpfad
64: zweiter Datenpfad
66: Übertragungselement
68: Kompressionselement
70: Detektionselement
72: Verarbeitungselement
74: Schritt
76: erster Verarbeitungspfad
78: zweiter Verarbeitungspfad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017081294 [0002]

Claims

Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten eines LIDAR Messsystems (10), wobei - das Messsystem (10) die Messdaten bereitstellt, wobei - die Messdaten durch eine Verarbeitungseinheit (28) mit zwei Verarbeitungspfaden (76, 78) verarbeitet werden, wobei - die Messdaten in dem ersten Verarbeitungspfad (76) komprimiert werden und als komprimierte Daten bereitgestellt werden, wobei - die Messdaten in dem zweiten Verarbeitungspfad (78) auf einen kurze Messpuls (51a) überprüft werden, wobei sodann Messdaten in einem Bereich um den kurzen Messpuls (51a) als Datenbereich bereitgestellt wird, - wobei die komprimierten Daten und der Datenbereich als Ausgangsdaten bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbereich die unkomprimierten Messdaten aufweist oder der Datenbereich schwächer komprimiert ist als die komprimierten Daten des ersten Verarbeitungspfades (76).
Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten eines LIDAR Messsystems (10), wobei - das Messsystem (10) die Messdaten bereitstellt, wobei - die Messdaten durch eine Verarbeitungseinheit (28) mit zumindest zwei Verarbeitungspfaden (76, 78) verarbeitet werden, wobei - die Messdaten in dem ersten Verarbeitungspfad (76) komprimiert werden und als komprimierte Daten bereitgestellt werden, wobei - die Messdaten in dem zweiten Verarbeitungspfad (78) auf einen kurzen Messpuls (51a) überprüft werden, wobei die Messdaten in einem Bereich um den kurzen Messpuls (51a) ausgewertet und als Pulsdaten bereitgestellt werden, - wobei die komprimierten Daten und die Pulsdaten als Ausgangsdaten bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdaten den Zeitpunkt und / oder die Breite eines detektierte Lichtpulses oder kurzen Messpulses umfassen.
Verarbeitungseinheit (28) zur Verarbeitung von Messdaten nach einem der vorhergehenden Verfahren, umfassend einen ersten Datenpfad (62) und einen zweiten Datenpfad (64).
Verarbeitungseinheit (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Datenpfad (62) ein Kompressionselement (68) zur Kompression der Messdaten aufweist.
Verarbeitungseinheit (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Datenpfad (64) ein Detektionselement (70) zur Überprüfung der Messdaten aufweist.
Verarbeitungseinheit (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Datenpfad (64) ein Verarbeitungselement (72) aufweist, zur Bereitstellung eines Teils der Messdaten oder zur Verarbeitung eines Teils der Messdaten.
Verarbeitungseinheit (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Datenpfad (64) ein Kompressionselement zur Kompression der Messdaten aufweist.
LIDAR Messsystem (10) mit einer Verarbeitungseinheit (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.