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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwenkvorrichtung zum Einsatz in einem Entfernungsmesssystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Lidar-Messsystem mit einer erfindungsgemäßen Schwenkvorrichtung.
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In Systemen mit schwenkbaren Komponenten kann es erforderlich sein, mehrere der Komponenten gleichzeitig zu verschwenken. Eine Schwenkbewegung definiert eine Rotationsbewegung entlang einer Schwenk- oder Rotationsachse der schwenkbaren Komponenten, wobei ein Schwenkbereich der Rotationsbewegung begrenzt ist. Entsprechend wird beim Schwenken eine jeweilige Schwenkrichtung eingestellt.
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Das gleichzeitige Schwenken der schwenkbaren Komponenten kann zum Beispiel durch jeweilige Antriebe zum Ausführen der Schwenkbewegung an den Komponenten realisiert werden. Dafür müssen jedoch unter Umständen viele Antriebe bereitgestellt werden, so dass sich hohe Kosten und ein großer benötigter Bauraum ergeben. Schwenkbare Komponenten können in LIDAR (light detection and ranging; dtsch. lichtgestützte Ortung und Entfernungsmessung)-Systemen eingebaut sein, in denen verfügbarer Bauraum begrenzt ist.
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Die chinesische Patentanmeldung
CN 1 03 568 931 A offenbart eine Schwenkvorrichtung, die zwei Fahrzeugscheinwerfer-Module mechanisch miteinander koppelt und in Abhängigkeit von einem Schwenken eines Fahrzeugscheinwerfer-Moduls eine Schwenkkraft auf das andere Fahrzeugscheinwerfer-Modul überträgt, die ein Schwenken des anderen Fahrzeugscheinwerfer-Moduls zumindest in Abhängigkeit von dem Schwenken des Fahrzeugscheinwerfer-Moduls bewirkt.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2013 207 147 A1 offenbart ein System zur Erfassung eines Fahrbahnprofils, wobei das System eine Lichtlaufzeitkamera zur Erfassung eines Fernbereichs und eine weitere Lichtlaufzeitkamera zur Erfassung eines Nahbereichs umfasst.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwenkvorrichtung für ein LIDAR-Messsystem bereitzustellen, die ein verbessertes Schwenken von schwenkbaren Elementen ermöglicht und/oder einen für die Schwenkvorrichtung benötigten Bauraum reduziert.
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Die Aufgabe wird gelöst gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung, die zusätzliche Vorteile bewirken können, sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in Verbindung mit den Figuren beschrieben.
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Dementsprechend wird eine Schwenkvorrichtung für ein Entfernungsmesssystem bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Schwenkvorrichtung umfasst zumindest ein erstes und ein zweites schwenkbares Element. Die Schwenkvorrichtung umfasst weiterhin ein Koppelelement zum mechanischen Koppeln des zweiten schwenkbaren Elements mit dem ersten schwenkbaren Element.
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Das Koppelelement kann an einem der beiden schwenkbaren Elemente, also entweder am ersten oder am zweiten schwenkbaren Element, ausgebildet oder befestigt sein. Beispielsweise ist das Koppelelement durch einen Abstandshalter oder einen Abtaster ausgebildet.
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Die Schwenkvorrichtung weist in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ein elastisches Rückstellelement auf, das eine Rückstellkraft auf das zweite schwenkbare Element ausübt. Ferner weist die Schwenkvorrichtung gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Konturfläche auf, die an dem anderen der beiden schwenkbaren Elemente, also z.B. entsprechend an dem zweiten oder dem ersten schwenkbaren Element, angeordnet ist. Aufgrund der vom elastischen Rückstellelement ausgeübten Rückstellkraft stehen das Koppelelement und die Konturfläche zumindest in einem Betriebszustand der Schwenkvorrichtung in Wirkverbindung miteinander. Mit anderen Worten, durch die Rückstellkraft wird das Koppelelement oder zumindest ein Teil des Koppelelementes an die Konturfläche gedrückt. Durch den mechanischen Kontakt zwischen dem Koppelelement, das an dem einen schwenkbaren Element angeordnet ist, und der Konturfläche, die an dem anderen schwenkbaren Element angeordnet ist, wird eine mechanische Kopplung der schwenkbaren Elementen und eine Kraftübertragung zwischen diesen erreicht.
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Durch die mechanische Kopplung ist die Schwenkvorrichtung ausgebildet, bei einem Schwenken des ersten schwenkbaren Elementes über das Koppelelement eine Schwenkkraft auf das zweite schwenkbare Element zu übertragen. Die Schwenkkraft bewirkt ein Schwenken des zweiten schwenkbaren Elementes in Abhängigkeit von dem Schwenken des ersten schwenkbaren Elementes. Zum Beispiel kann ein Schwenken des ersten Elementes in eine erste Richtung (und/oder zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung) ein entsprechendes Schwenken des zweiten Elementes in die erste (bzw. zweite) Richtung hervorrufen. Dagegen ist die mechanische Kopplung zwischen den schwenkbaren Elementen derart ausgestaltet, dass ein Schwenken des zweiten Elementes nicht zwingend ein korrespondierendes Mitschwenken des ersten Elementes hervorruft.
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Das erste schwenkbare Element kann etwa durch einen Antrieb oder ein Aktuatorsystem in die erste und die zweite Richtung um eine Schwenkachse oder Rotationsachse geschwenkt werden, beispielsweise durch eine jeweilige Änderung eines Elevationswinkels. Ein Grad oder ein Ausmaß der Schwenkbewegung des zweiten schwenkbaren Elements hängt aufgrund der mechanischen Kopplung von dem Ausmaß der Schwenkbewegung des ersten schwenkbaren Elements ab.
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Ferner kann das Ausmaß der Schwenkbewegung des zweiten schwenkbaren Elements auch von der Konturfläche und/oder von einem absoluten Schwenkwinkel abhängen. Bei einem Schwenken der Elemente gleitet das Koppelelement über die Konturfläche. Je nach erreichtem Schwenkwinkel befindet sich das Koppelelement an verschiedenen Positionen auf der Konturfläche, wodurch sich ein Unterschied zwischen den Schwenkwinkeln, z.B. Elevationswinkeln, ergeben kann. Beispielsweise kann eine Schwenkwinkeländerung des zweiten schwenkbaren Elementes kleiner oder größer sein, als eine Schwenkwinkeländerung des ersten schwenkbaren Elementes. Ein Unterschied zwischen den beiden Schwenkbewegungen kann von der Positionierung des Koppelelementes und/oder der Konturfläche gegenüber einer jeweiligen Schwenkachse des jeweiligen schwenkbaren Elementes abhängen. Mit anderen Worten, aufgrund der geometrischen Anordnung des Koppelelementes und/oder der Konturfläche sowie den Schwenkachsen kann sich bei einer ersten Schwenkbewegung des ersten schwenkbaren Elementes eine zweite, von der ersten unterschiedliche Schwenkbewegung des zweiten schwenkbaren Elementes ergeben, da Konturfläche und Koppelelement eine Übersetzung bewirken können. Zum Beispiel kann der Schwenkwinkel des ersten Elementes ungleich dem Schwenkwinkel des zweiten Elementes sein. Erfindungsgemäß kann dieser Effekt kompensiert werden, sodass sich die Schwenkwinkel der schwenkbaren Elemente gleichmäßig ändern, oder bewusst ausgenutzt werden, sodass sich die Schwenkwinkel der schwenkbaren Elemente ungleichmäßig ändern.
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Die Schwenkvorrichtung bietet somit den Vorteil, dass die Schwenkbewegung des zweiten Elementes sowohl von einer Schwenkbewegung des ersten Elementes als auch von der Geometrie der Konturfläche abhängig ist. Somit kann das Schwenken des zweiten Elementes besser beeinflusst werden. Da die Schwenkvorrichtung zum mechanischen Koppeln lediglich ein elastisches Element, ein Koppelelement und eine Konturfläche benötigt, kann sie mit geringen Anforderungen an Bauraum ausgeführt werden und auch in Systemen begrenzter Größe eingesetzt werden.
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Um die Schwenkbewegung des zweiten Elements gegenüber der des ersten Elementes besser beeinflussen zu können, weist die Konturfläche beispielsweise eine Neigung gegenüber einer Schwenkrichtung und/oder einer Schwenkachse des die Konturfläche umfassenden schwenkbaren Elementes auf. Die Schwenkrichtung ist orthogonal zur Schwenkachse ausgerichtet und kann die Richtung bezeichnen, in die eine Vorderseite des schwenkbaren Elementes zeigt. Durch die Neigung oder Steigung der Konturfläche gegenüber der Schwenkrichtung kann erreicht werden, dass eine Schwenkbewegung des zweiten Schwenkelementes der Schwenkbewegung des ersten Schwenkelementes unabhängig von einem Schwenkwinkel gleicht. Alternativ kann die Neigung derart ausgestaltet sein, dass ein Schwenkwinkel des zweiten Schwenkelementes größer oder kleiner ist als ein entsprechender Schwenkwinkel des ersten Schwenkelementes. Durch eine Geometrie der Konturfläche kann also ein Schwenkverhältnis zwischen den beiden schwenkbaren Elementen gegeben sein. Dadurch kann sich der Vorteil ergeben, je nach Ausformung der Konturfläche entweder ein synchrones Schwenken der Schwenkelemente oder ein unterschiedliches Schwenken der Schwenkelemente bereitstellen zu können. Ein Beispiel für eine synchrone Schwenkbewegung kann sein, dass die Schwenkrichtung des ersten schwenkbaren Elementes von z.B. 0° auf 10° geändert wird und die Schwenkrichtung des zweiten Schwenkelementes dadurch von z.B. 15° auf 25° geändert wird. Bei einer synchronen Schwenkbewegung kann ein Übersetzungsverhältnis, also das Verhältnis der jeweiligen Schwenkwinkeländerung, von zumindest näherungsweise 1 zu 1 erreicht sein.
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Eine Neigung der Konturfläche gegenüber der Schwenkachse kann es ermöglichen, eine Übertragung der Schwenkbewegung auf das zweite Element auch dann bereitzustellen, wenn beispielsweise die beiden Schwenkachsen der Elemente nicht parallel, sondern mit einem Winkelversatz angeordnet sind. Die Stärke der Neigung gegenüber der Schwenkachse kann beispielsweise von dem Winkelversatz abhängig sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Schwenkvorrichtung ist zumindest ein Teilbereich der Konturfläche parabelförmig ausgebildet. Beispielsweise kann die Konturfläche oder ein Teilbereich der Konturfläche im Allgemeinen nicht-linear oder einer Winkelfunktion nachfolgend geformt sein. Beispielsweise ist die Konturfläche wellenförmig ausgebildet. Dadurch kann sich vorteilhafter Weise ein verbessertes Schwenkverhältnis ergeben, beispielsweise ein synchrones Schwenken innerhalb eines größeren Winkelbereiches. Zum Beispiel kann bei unterschiedlicher Geometrie verschiedener Teilbereiche der Konturfläche ein schwenkwinkelabhängiges Übersetzungsverhältnis zwischen den schwenkbaren Elementen realisiert und kontrolliert eingestellt werden.
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Die Konturfläche kann eine Kunststoffoberfläche und/oder Metalloberfläche, z.B. eine Stahloberfläche, und/oder eine reibungsarme Oberfläche, aufweisen.
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Es ist z.B. möglich, eine Schwenkvorrichtung mit mehreren, etwa drei schwenkbaren Elementen, oder einer Mehrzahl von schwenkbaren Elementen bereitzustellen. Dabei kann ein Hauptelement durch einen Antrieb geschwenkt werden. Vom Hauptelement kann eine jeweilige Schwenkkraft an weitere Elemente übertragen werden. Beispielsweise eine Schwenkvorrichtung mit mehreren schwenkbaren Elementen ein einziges elastisches Rückstellelement aufweisen. Beispielsweise können zwischen verschiedenen Elementen jeweils verschiedene Übersetzungsverhältnisse oder Schwenkbewegungen bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise können also die Schwenkverhältnisse zwischen den mehreren Schwenkelementen individuell eingestellt werden.
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Das elastische Rückstellelement kann beispielsweise eine mechanische Feder umfassen. Eine mechanische Feder kann eine Sprungfeder, eine Blattfeder oder ein anderes elastisches Element umfassen, das eine mechanische Kraft in eine Drehrichtung des zweiten schwenkbaren Elementes ausübt. Die mechanische Feder kann Metall und/oder Kunststoff umfassen, wodurch sich der Vorteil einer Langlebigkeit und/oder eines geringen Gewichts der mechanischen Feder ergeben kann.
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Zum Beispiel umfasst die mechanische Feder eine Drehfeder und/oder eine Zugfeder. Eine Drehfeder kann z.B. an einer Dreh- oder Rotationsachse des schwenkbaren Elementes angeordnet sein. Die Drehfeder kann das zweite schwenkbare Element beispielsweise in eine Drehrichtung entgegen des ersten Elementes drücken, beispielsweise bis es an einen Anschlag der Schwenkvorrichtung, durch den ein maximaler Schwenkwinkel bestimmt ist, angelangt, wenn keine Gegenkraft gegen die Rückstellkraft wirkt. Der Vorteil kann sein, dass die Drehfeder platzsparend an einem Schwenklager oder einer Halterung des schwenkbaren Elementes angebracht werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Zugfeder derart am zweiten Element angeordnet sein, dass diese das schwenkbare Element bis an den Anschlag der Schwenkvorrichtung zieht. Die Zugfeder ist z.B. zwischen dem ersten und zweiten schwenkbaren Element angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Druckfeder am zweiten schwenkbaren Element angeordnet sein, z.B. an einer zum ersten schwenkbaren Element gegenüberliegenden Seite. Die Druckfeder kann beispielsweise an einem Gehäuse oder einem anderen mechanischen Element angeordnet sein, sodass sie das zweite schwenkbare Element in Richtung des ersten schwenkbaren Elementes drückt. Beispielsweise können zwei verschiedenartige elastische Rückstellelemente bereitgestellt sein, die eine Redundanz bewirken, sodass die Rückstellkraft auch bei einem Ausfall eines der elastischen Rückstellelemente ausgeübt wird.
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Beispielsweise ist das elastische Rückstellelement so ausgebildet, dass eine von ihm ausgehende Rückstellkraft so groß ist, dass auch bei auftretenden Erschütterungen entgegen der Richtung der Rückstellkraft eine mechanische Kopplung zwischen dem zweiten schwenkbaren Element und dem ersten schwenkbaren Element erhalten bleibt. Dadurch kann beispielsweise eine Funktionalität der Schwenkvorrichtung vorteilhafterweise auch in Fahrzeugen während eines Fahrbetriebs, in dem Erschütterungen auftreten können, gewährleistet sein. Es ist ferner möglich, dass durch die Rückstellkraft ein Spiel zwischen Zahnrädern eines Getriebes des Antriebs, der zum Schwenken des ersten schwenkbaren Elementes ausgebildet ist, vermieden werden kann und somit ein Schwenkwinkel mittels des Antriebs genauer eingestellt werden kann.
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Beispielsweise umfasst das Koppelelement einen Abstandshalter, der an seinem der Konturfläche zugewandten Ende zum reibungsarmen Gleiten über die Konturfläche glatt und/oder abgerundet ausgebildet ist. Der Abstandshalter kann beispielsweise ein Stift oder ein Bolzen sein, welcher an dem jeweiligen schwenkbaren Element angeordnet ist.
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Durch den Abstandshalter kann ein Minimalabstand zwischen den schwenkbaren Elementen eingehalten werden, wenn das elastische Rückstellelement das zweite schwenkbare Element entgegen dem ersten schwenkbaren Element drückt. Durch die glatte oder abgerundete Fläche des Abstandshalters kann ein verbessertes Gleiten über die Konturfläche ermöglicht werden, wodurch beispielsweise Ruckelbewegungen beim Schwenken des zweiten schwenkbaren Elements verringert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Koppelelement einen Wälzkörper aufweisen, der in Kontakt mit der Konturfläche ein besonders reibungsarmes Gleiten des Koppelelementes über die Konturfläche bewirkt. Beispielsweise kann am Ende des Koppelelementes eine gelagerte Kugel oder eine gelagerte Walze angeordnet sein, die über die Konturfläche rollen kann.
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In einer zweiten, zu der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform alternativen oder zusätzlichen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Koppelelement durch einen Riemen oder einen Zahnriemen ausgebildet, der umfangsseitig um die Schwenkachsen der schwenkbaren Elemente angeordnet sein kann. Der Riemen ist also an beiden schwenkbaren Elementen an deren jeweiliger Schwenkachse angeordnet. Durch den Riemen kann eine mechanische Kopplung der beiden Schwenkelemente bereitgestellt werden, somit kann etwa auf ein Rückstellelement und einen Abstandshalter verzichtet werden. Die Schwenkachsen der schwenkbaren Elemente weisen erfindungsgemäß jeweils ein Zahnrad auf, an welchem der Riemen angebracht ist, wobei durch ein Übersetzungsverhältnis zwischen den Zahnrädern ein Schwenkverhältnis vorgegeben ist. Beispielsweise kann auch bei einer Kopplung mittels Riemen ein Achsversatz zwischen den beiden Schwenkachsen ausführbar sein, da der Riemen zumindest in Grenzen verdrehbar sein kann.
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Die erfindungsgemäße Schwenkvorrichtung kann in Entfernungsmesssystem wie beispielsweise Radar- oder LIDAR-Systemen verwendet werden. Alternativ kann die Schwenkvorrichtung auch in beliebigen anderen mechanischen oder elektromechanischen Systemen, bei denen beispielsweise nur wenig Bauraum zwischen schwenkbaren Elementen zur Verfügung steht und/oder bei denen ein Schwenkverhältnis zwischen den schwenkbaren Elementen eingestellt werden soll, eingesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein LIDAR-Messsystem, welches ein erstes schwenkbares Gehäuseelement mit einer Nahfeld-Erfassungseinheit und ein zweites schwenkbares Gehäuseelement mit einer Fernfeld-Erfassungseinheit umfasst. Das LIDAR-Messsystem umfasst ferner eine erfindungsgemäße Schwenkvorrichtung. Beispielsweise umfasst das erste schwenkbare Element der Schwenkvorrichtung das erste oder zweite schwenkbare Gehäuseelement und das zweite schwenkbare Element der Schwenkvorrichtung entsprechend das andere schwenkbare Gehäuseelement. Zum Beispiel können die schwenkbaren Elemente der Schwenkvorrichtung durch die Gehäuseelemente des LIDAR-Messsystems ausgebildet sein.
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Beispielsweise ist die Schwenkvorrichtung ausgebildet, bei einer Schwenkbewegung der Fernfeld-Erfassungseinheit eine davon abhängige Schwenkbewegung der Nahfeld-Erfassungseinheit zu bewirken. Alternativ kann das LIDAR-Messsystem so ausgebildet sein, dass eine Schwenkbewegung der Nahfeld-Erfassungseinheit eine davonabhängige Schwenkbewegung der Fernfeld-Erfassungseinheit bewirkt. Die Schwenkbewegung der Nahfeld-Erfassungseinheit kann zum Beispiel durch eine entsprechende Ausformung der Konturfläche der Schwenkvorrichtung synchron zur Schwenkbewegung der Fernfeld-Erfassungseinheit sein. Mit anderen Worten kann die Nahfeld Erfassungseinheit mittels Schwenken der Fernfeld-Erfassungseinheit um einen ersten Winkel ebenfalls um den ersten Winkel geschwenkt werden. Beispielsweise hat nur eine Erfassungseinheit des LIDAR-Systems einen Schwenkantrieb, z.B. einen Aktuator, und die zweite Erfassungseinheit wird durch die mechanische Kopplung geschwenkt.
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Zum Beispiel ist eine Schwenkachse des ersten schwenkbaren Gehäuseelements mit der Nahfeld-Erfassungseinheit gegenüber einer Schwenkachse des zweiten schwenkbaren Gehäuseelements mit der Fernfeld-Erfassungseinheit um einen vorbestimmten Winkel versetzt angeordnet ist, sodass eine Haupterfassungsrichtung der Nahfeld-Erfassungseinheit von einer Haupterfassungsrichtung der Fernfeld-Erfassungseinheit um den vorbestimmten Winkel abweicht. Entsprechend kann die Schwenkachse des zweiten schwenkbaren Elementes der Schwenkvorrichtung um einen vorbestimmten Winkel versetzt zur Schwenkachse des ersten schwenkbaren Elementes angeordnet sein. Dadurch können in vorteilhafter Weise verschiedene Erfassungsbereiche durch die unterschiedlichen Erfassungseinheiten bereitgestellt werden. Z.B. können beide Schwenkachsen horizontal angeordnet sein, sodass bei einem Schwenken die Schwenkrichtung oder Haupterfassungsrichtung vertikal verstellt wird. Durch die Schwenkvorrichtung ist es trotz der nicht achsparallel angeordneten Gehäuseelemente möglich, durch eine entsprechende Ausformung der Konturfläche ein synchrones Schwenken der beiden Gehäuseelemente, z.B. eine winkelgleiche vertikale Einstellung der Schwenkrichtung und somit eines vertikalen Erfassungsbereiches beider Elemente, zu ermöglichen. Alternativ können Änderungswinkel beider schwenkbarer Elemente gleich sein, wohingegen absolute Schwenkwinkel unterschiedlich sein können.
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Das LIDAR-Messsystem ist in seinem grundsätzlichen Aufbau gemäß den Ausführungen zum Stand der Technik (
WO 2017/081294 A1 ) ausgebildet. Das LIDAR Messsystem umfasst vorzugsweise eine LIDAR Sendeeinheit sowie eine LIDAR Empfangseinheit. Zum Beispiel können sowohl die Nahfeld-Erfassungseinheit als auch die Fernfeld-Erfassungseinheit jeweils eine Lidar Sendeeinheit und eine Lidar Empfangseinheit aufweisen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 schlie-ßen.
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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. 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.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, der ein beschriebenes LIDAR-Messsystem umfasst.
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Weiterbildungen des LIDAR-Messsystems betreffen Merkmale von Weiterbildungen wie sie bereits in Verbindung mit der Schwenkvorrichtung beschrieben sind. Daher wird auf eine entsprechende Beschreibung verzichtet und die entsprechenden Merkmale gelten auch in Verbindung mit dem Lidar-Messsystem als offenbart.
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Einige Beispiele von Vorrichtungen werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Lidar-Messsystems umfassend eine Schwenkvorrichtung;
- 2 eine schematische Frontansicht des Lidar-Messsystems umfassend die Schwenkvorrichtung;
- 3 eine schematische Frontansicht des Lidar-Messsystems mit einer Schwenkvorrichtung in einer alternativen Ausführungsform;
- 4 ein Lidar-Messsystem mit einer Zugfeder; und
- 5 ein Lidar-Messsystem mit riemengekoppelter Schwenkvorrichtung.
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In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Lidar-Messsystems 20 umfassend eine beispielhafte Schwenkvorrichtung 10 gezeigt. Die Schwenkvorrichtung 10 weist ein erstes schwenkbares Element 11 auf, das oberhalb eines zweiten schwenkbaren Elementes 12 angeordnet ist. Beispielsweise ist am ersten schwenkbaren Element 11 eine Fernfeld-Erfassungseinheit 21 und am zweiten schwenkbaren Element 12 eine Nahfeld-Erfassungseinheit 22 des Lidar-Messsystems 20 angeordnet.
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Das erste schwenkbare Element 11 ist an einem ersten Lagerbügel 11a schwenkbar angeordnet, das zweite schwenkbare Element 12 ist an einem zweiten Lagerbügel 12a schwenkbar angeordnet. An dem zweiten Lagerbügel 12a, der eine Schwenkachse oder Drehachse des zweiten schwenkbaren Elements 12 trägt, ist ein elastisches Rückstellelement 13 bereitgestellt, welches als vorgespannte Drehfeder ausgebildet ist. Die Drehfeder drückt das zweite Element 12, genauer eine Vorderseite des zweiten schwenkbaren Elementes 12, nach oben in Richtung des ersten schwenkbaren Elementes 11 und verspannt die beiden drehbar gelagerten Elemente somit zueinander. Durch ein Koppelelement 14, das als Abstandshalter stiftförmig ausgebildet ist und auch als Abtaster bezeichnet werden kann, wird ein Mindestabstand zwischen den Schwenkelementen 11, 12 eingehalten. Das Koppelelement berührt eine Konturfläche 15 des ersten Elements 11 oder wird durch die Drehfeder auf die Konturfläche gedrückt. Die Konturfläche 15 ist am ersten schwenkbaren Element 11 an einer dem zweiten schwenkbaren Element 12 zugewandten Seite angeordnet.
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Die Konturfläche 15 oder eine Oberflächenrichtung 15a der Konturfläche 15 weist gegenüber einer Schwenkrichtung 16 des ersten schwenkbaren Elements 11 eine Neigung α auf. Die Schwenkrichtung 16 beschreibt z.B. eine Haupterfassungsrichtung der Fernfeld-Erfassungseinheit 21. Durch die Ausformung oder geometrische Gestaltung der Konturfläche ist die Schwenkbewegung des zweiten Elements 12 eingestellt, beispielsweise kann ein Offset kompensiert werden und eine annähernde Synchronbewegung zwischen den Elementen hergestellt werden. Durch die Geometrie, z.B. die Neigung α der Konturfläche 15, kann eine Relativbewegung des zweiten Elementes 12 zum ersten Element 11 eingestellt werden.
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Beispielsweise ist eine Schwenkachse 17 oder Rotationsachse des ersten Schwenkelementes 11 gegenüber einer Schwenkachse 18 des zweiten Schwenkelementes 12 nicht achsparallel, sondern mit einem Winkelversatz angeordnet. Durch das Bereitstellen der Konturfläche 15 und dem darüber gleitenden Koppelelement 14 ist eine Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Schwenkelement zur Übertragung der Schwenkkraft und/oder zum synchronen Schwenken des zweiten schwenkbaren Elements 12 dennoch möglich. Beispielsweise kann dazu die Konturfläche 15 gegenüber der Schwenkachse 17 geneigt ausgebildet sein. Ein Beispiel einer Neigung einer Konturfläche gegenüber der Schwenkachse ist in 2 schematisch gezeigt.
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In 2 ist eine schematische Frontansicht des Lidar-Messsystems 20 umfassend die Schwenkvorrichtung 10 gezeigt. In 2 ist zu sehen, dass die Konturfläche 15 gegenüber der Schwenkrichtung 16 eine Steigung aufweist.
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3 zeigt eine schematische Frontansicht des Lidar-Messsystems 20 mit einer Schwenkvorrichtung 10a in einer alternativen Ausführungsform. Dabei ist ein Koppelelement 14b am ersten Schwenkelement 11 befestigt und eine Konturfläche 15b am zweiten Schwenkelement 12 angeordnet. Die Konturfläche 15b ist mit einer Neigung der Konturoberfläche gegenüber der Schwenkachse 18 gezeigt, die beispielsweise einen Achsversatz zwischen der Schwenkachse 17 und der Schwenkachse 18 kompensieren kann, um trotz des Achsversatzes beispielsweise eine synchrone Schwenkbewegung der beiden Schwenkelemente zu ermöglichen.
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4 zeigt das Lidar-Messsystem 20 mit einer Schwenkvorrichtung 10, dessen Rückstellelement 13 durch eine Zugfeder 13a ausgebildet ist. Während in vorigen Beispielen das Rückstellelement des zweiten schwenkbaren Elements 12 an dem zweiten Lagerbügel 12a oder einem anderen Gehäuseteil befestigt sein kann, ist die Zugfeder 13a am ersten schwenkbaren Element 11 befestigt. Die Zugfeder 13a ist also zwischen dem ersten schwenkbaren Element 11 und dem zweiten schwenkbaren Element 12 angeordnet und jeweils am ersten schwenkbaren Element 11 und am zweiten schwenkbaren Element 12 befestigt, z.B. zwischen einer Vorderseite und der Schwenkachse des jeweiligen schwenkbaren Elementes. Dadurch kann sich eine verbesserte Rückstellwirkung oder eine längere Lebensdauer des Rückstellelementes ergeben, da beispielsweise starke Dehnungen und/oder Belastungen der Feder vermieden werden können. Die Zugfeder 13a kann beispielsweise eine Drehfeder am zweiten Lagerbügel 12a ersetzen.
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In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Schwenkvorrichtung 10 des Lidar-Messsystems 20 gezeigt. Der Ausführungsform entsprechend wird die mechanische Kopplung zum Übertragen der Schwenkkraft mittels eines Zahnriemens 14a hergestellt. Der Riemen oder Zahnriemen 14a ist um die erste Schwenkachse 17 und die zweite Schwenkachse 18 geführt, sodass die Schwenkbewegung des ersten Elementes auf das zweite Element übertragen wird. Beispielsweise weisen die Schwenkachsen jeweils Zahnräder 17a, 18a auf. Durch ein Verhältnis der Zähne des ersten Zahnrads 17a zum zweiten Zahnrad 18a ist ein Schwenkverhältnis festgelegt. Bei einem Übersetzungsverhältnis der Zahnräder von 1 zu 1 kann ein synchrones Schwenken bereitgestellt werden. Alternativ kann durch andere Übersetzungsverhältnisse ein nicht-synchrones Schwenken erreicht werden.
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Durch erfindungsgemäße Schwenkvorrichtungen und Konzepte zum Übertragen einer Schwenkbewegung ist es möglich, in platzsparender Weise eine verbesserte Übertragung von Schwenkbewegungen zu erreichen. Da das Koppelement die Konturfläche kontinuierlich abtastet, ermöglicht eine Geometrie der Konturfläche, dass eine Schwenkübertragung an das zweite Schwenkelement unabhängig von baulich bedingten geometrischen Vorgaben besser kontrolliert und eingestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schwenkvorrichtung
- 11
- erstes schwenkbares Element
- 11a
- erster Lagerbügel
- 12
- zweites schwenkbares Element
- 12a
- zweiter Lagerbügel
- 13
- elastisches Rückstellelement
- 13a
- Zugfeder
- 14
- Koppelelement
- 14a
- Zahnriemen
- 14b
- Koppelelement
- 15
- Konturfläche
- 15a
- Oberflächenrichtung
- 15b
- Konturfläche
- 16
- Schwenkrichtung
- 17
- erste Schwenkachse
- 17a
- erstes Zahnrad
- 18
- zweite Schwenkachse
- 18a
- zweites Zahnrad
- 20
- Entfernungsmesssystem
- 21
- Fernfeld-Erfassungseinheit
- 22
- Nahfeld-Erfassungseinheit
