DE102019118477A1

DE102019118477A1 - Bestimmen einer Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems mittels einer Lichtlaufzeitmessung

Info

Publication number: DE102019118477A1
Application number: DE102019118477.0A
Authority: DE
Inventors: Nikolai Sergeev
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Gemäß einem Verfahren zum Bestimmen einer Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems (2) wird ein Lichtpuls (3) in Richtung einer Fahrbahn (6) ausgesendet. Reflektierte Anteile werden als reflektierter Lichtpuls (5) mittels eines optischen Detektors (10) des Sensorsystems (2) detektiert. Mittels des Detektors (10) wird abhängig von dem reflektierten Lichtpuls (5) ein Sensorsignal (24) erzeugt. Mittels einer Recheneinheit (4) des Sensorsystems (2) wird abhängig von dem Sensorsignal (24) eine Lichtlaufzeit bestimmt und ein Abtastpunkt (13) der Fahrbahn (6) erzeugt. Mittels der Recheneinheit (4) wird ein Abstand des Abtastpunkts (13) von einer Projektion (23) einer Longitudinalachse des Sensorsystems (2) auf die Fahrbahn (6) mit einem vorgegebenen Maximalabstand verglichen und abhängig von der Lichtlaufzeit ein Nickwinkel des Sensorsystems (2) bestimmt, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems, das an einem Kraftfahrzeug montiert ist, welches sich auf einer Fahrbahn befindet, ein aktives optisches Sensorsystem zur Montage an einem Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Speichermedium.
Aktive optische Sensorsysteme, wie beispielsweise Lidarsysteme, können an Kraftfahrzeugen montiert werden, um vielfältige Funktionen elektronischer Fahrzeugführungssysteme oder Fahrerassistenzsysteme zu realisieren. Diese Funktionen beinhalten Abstandsmessungen, Abstandsregelalgorithmen, Spurhalteassistenten, Objektverfolgungsfunktionen usw. Abweichungen einer Einbauposition oder Orientierung des Sensorsystems von einer nominalen Orientierung beeinflussen die Genauigkeit der Messwerte beziehungsweise deren Interpretation und Auswertung und damit die Zuverlässigkeit und Robustheit der entsprechenden Funktionen. Daher ist es erforderlich, das aktive optische Sensorsystem zu kalibrieren, um entsprechende Orientierungs- oder Positionsabweichungen kompensieren zu können.
Im Dokument US 9,052,721 B1 wird ein Verfahren zur Korrektur der Ausrichtung eines an einem Fahrzeug montierten Laserscanners beschrieben. Das Verfahren beruht darauf, eine dreidimensionale Punktwolke des Laserscanners mit einer dreidimensionalen Referenzpunktwolke zu vergleichen, um eine fehlerhafte Ausrichtung des Laserscanners zu berechnen. Die Referenzpunktwolke ist dabei vorab durch Abfahren der Fahrbahn mit dem Fahrzeug oder einem weiteren Fahrzeug aufgezeichnet worden.
Dadurch kann die Fehlausrichtung des Laserscanners nur basierend auf Messpunkten kompensiert werden, wenn für den entsprechenden Fahrbahnabschnitt Referenzmesspunkte vorliegen. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Messpunkte beziehungsweise die Häufigkeit, mit der die Kalibrierung durchgeführt werden kann, beeinflusst jedoch maßgeblich die Genauigkeit der Kompensation der Orientierungs- oder Positionsabweichungen. Zudem ist des nachteilhaft, dass die Referenzpunktwolke vorab aufgezeichnet werden muss.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Bestimmen einer Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems anzugeben, das ohne eine vorab aufgezeichnete Referenzpunktwolke auskommt und mittels welchem insbesondere eine höhere Genauigkeit erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, ein aktives optisches Sensorsystem, ein Kraftfahrzeug, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium nach den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine Fahrbahn, auf der sich das Kraftfahrzeug befindet, abzutasten und einen geeigneten Abtastpunkt zu identifizieren, der einen vorgegebenen Maximalabstand von einer Projektion einer Longitudinalachse des Sensorsystems auf die Fahrbahn nicht überschreitet. Es wird dann ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Nickwinkellage und einer Lichtlaufzeit des Abtastpunkts ausgenutzt, um die Nickwinkellage anhand der gemessenen Lichtlaufzeit zu bestimmen.
Gemäß einem ersten unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems angegeben, wobei das aktive optische Sensorsystem an einem Kraftfahrzeug montiert ist, welches sich auf einer Fahrbahn befindet. Mittels einer Sendeeinheit des Sensorsystems wird ein Lichtpuls in Richtung der Fahrbahn ausgesendet. Von der Fahrbahn reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichtpulses werden als reflektierter Lichtpuls mittels eines optischen Detektors des Sensorsystems detektiert. Mittels des Detektors wird abhängig von dem reflektierten Lichtpuls ein Sensorsignal erzeugt. Mittels einer Recheneinheit des Sensorsystems wird abhängig von dem Sensorsignal eine Lichtlaufzeit bestimmt. Mittels der Recheneinheit wird abhängig von der Lichtlaufzeit ein Abtastpunkt der Fahrbahn erzeugt. Mittels der Recheneinheit wird ein Abstand des Abtastpunkts von einer Projektion einer Longitudinalachse des Sensorsystems auf die Fahrbahn mit einem vorgegebenen Maximalabstand verglichen. Mittels der Recheneinheit wird abhängig von der Lichtlaufzeit ein Nickwinkel des Sensorsystems bestimmt, wenn, insbesondere nur dann wenn, der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.
Hier und im Folgenden kann ein aktives optisches Sensorsystem dadurch als solches definiert sein, dass es die Sendeeinheit mit einer Lichtquelle aufweist, insbesondere zum Aussenden von Licht beziehungsweise von Lichtpulsen. Die Lichtquelle kann insbesondere als Laser ausgestaltet sein. Des Weiteren weist ein aktives optisches Sensorsystem eine Empfangseinheit mit mindestens einem optischen Detektor auf, insbesondere zum Erfassen von Licht oder Lichtpulsen, insbesondere reflektierter Anteile des ausgesendeten Lichts. Das aktive optische Sensorsystem ist insbesondere dazu eingerichtet, basierend auf dem detektierten Licht das Sensorsignal und/oder weitere Sensorsignale zu erzeugen und zu verarbeiten und/oder auszugeben.
Hier und im Folgenden kann der Begriff „Licht“ derart verstanden werden, dass damit elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich, im Infrarotbereich und/oder im ultravioletten Bereich umfasst sind. Dementsprechend kann auch der Begriff „optisch“ derart verstanden werden, dass er sich auf Licht nach diesem Verständnis bezieht.
Das Licht, welches insbesondere in Form des Lichtpulses von dem aktiven optischen Sensorsystem ausgesendet wird, kann insbesondere infrarotes Licht, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 905 nm, ungefähr 905 nm, 1200 nm oder ungefähr 1200 nm beinhalten. Die Wellenlängenangaben können dabei jeweils einen Wellenlängenbereich mit einer breiteren Verteilung bezeichnen, welche für die entsprechende Lichtquelle typisch ist.
Im vorliegenden Fall des aktiven optischen Sensorsystems kann es sich bei der Lichtquelle beispielsweise um eine Laserlichtquelle handeln. Die genannten Wellenlängen können, im Rahmen üblicher Toleranzen, beispielsweise Peakwellenlängen des Laserspektrums entsprechen.
Das Sensorsystem kann beispielsweise eine Ablenkvorrichtung, beispielsweise mit einem beweglichen oder drehbar gelagerten Spiegel, beinhalten, mittels der von der Sendeeinheit erzeugte Lichtpulse kontrolliert abgelenkt werden können. In alternativen Ausführungsformen kann die Ablenkvorrichtung ein um eine oder um zwei Achsen kipp- oder schwenkbares Spiegelelement zum Ablenken des Lichts in der Sendeebene aufweisen. Das Spiegelelement kann beispielsweise als mikroelektromechanisches System, MEMS, ausgestaltet sein.
Insbesondere entspricht die Longitudinalachse des Sensorsystems, welche beispielsweise eine X-Achse eines Sensorkoordinatensystems definiert, eine Aussenderichtung der Lichtstrahlen bei einem Aussendewinkel von Null Grad, also beispielsweise bei einer Neutralstellung der Ablenkvorrichtung. Die Ablenkvorrichtung kann von der Neutralstellung abweichende Stellungen einnehmen, um die Lichtpulse abzulenken, so dass die Lichtpulse innerhalb einer Sendeebene aus dem Sensorsystem austreten.
Eine Querachse des Sensorsystems, welche beispielsweise eine Y-Achse des Sensorkoordinatensystems definiert, liegt innerhalb der Sendeebene und steht beispielsweise senkrecht auf der Longitudinalachse, welche per Konstruktion ebenfalls innerhalb der Sendeebene liegt. Eine Normalachse des Sensorsystems steht senkrecht auf der Longitudinalachse und auf der Querachse des Sensorsystems. Die Normalachse des Sensorsystems definiert beispielsweise eine Z-Achse des Sensorkoordinatensystems.
Mit anderen Worten ist eine Blickrichtung oder Aussenderichtung des Sensorsystems bei Neutralstellung der Ablenkvorrichtung gleich der X-Achse des Sensorkoordinatensystems. Die Sendeebene ist durch die X-Y-Ebene des Sensorkoordinatensystems gegeben. Das Sensorsystem kann das Licht mit unterschiedlichen Aussendewinkeln innerhalb der Sendeebene aussenden.
Eine Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs, welche insbesondere eine X-Achse eines Fahrzeugkoordinatensystems definiert, ist beispielsweise gegeben durch eine Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs bei Neutralstellung eines Lenksystems des Kraftfahrzeugs oder bei einem Lenkwinkel, insbesondere einem Radwinkel oder einem Lenkradwinkel, des Kraftfahrzeugs von Null Grad.
Eine Querachse des Kraftfahrzeugs steht senkrecht auf der Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs und liegt in einer Ebene, die parallel zur Fahrbahn ist, beziehungsweise parallel zu einer Ebene, innerhalb der Auflagepunkte der Räder des Kraftfahrzeugs auf der Fahrbahn liegen. Die Querachse definiert insbesondere eine Y-Achse des Fahrzeugkoordinatensystems. Eine Normalachse des Kraftfahrzeugs, welche insbesondere eine Z-Achse des Fahrzeugkoordinatensystems definiert, steht senkrecht auf der Longitudinalachse und der Querachse des Kraftfahrzeugs.
Eine Gesamtwinkellage des Sensorsystems kann beispielsweise durch die Nickwinkellage, eine Gierwinkellage sowie eine Rollwinkellage des Sensorsystems definiert sein. Dabei sind der Nickwinkel, ein Gierwinkel und ein Rollwinkel des Sensorsystems als Rotationswinkel oder Eulerwinkel des Sensorkoordinatensystems bezüglich eines nominalen Sensorkoordinatensystems nach einer vorgegebenen Konvention definiert.
Die Konvention kann beispielsweise derart sein, dass sich das Sensorkoordinatensystem aus dem nominalen Sensorkoordinatensystem durch die folgenden drei Rotationen ergibt, wobei davon ausgegangen wird, dass das Sensorkoordinatensystem und das nominale Sensorkoordinatensystem zunächst identisch sind: das Sensorkoordinatensystem wird um den Gierwinkel um die Z-Achse des nominalen Sensorkoordinatensystems rotiert. Danach wird das resultierende Sensorkoordinatensystem um den Nickwinkel um die resultierende Y-Achse des resultierenden Sensorkoordinatensystems rotiert. Danach wird das resultierende Sensorkoordinatensystem um den Rollwinkel um die resultierende X-Achse des resultierenden Sensorkoordinatensystems rotiert. Andere Konventionen sind ebenso möglich.
Falls der Gier- und der Rollwinkel gleich Null sind entspricht der Nickwinkel insbesondere einem Rotationswinkel des Sensorkoordinatensystems um die Y-Achse des nominalen Sensorkoord i natensystems.
Die Nickwinkellage entspricht insbesondere einem Schätzwert oder Messwert für den Nickwinkel des Sensorsystems.
Das nominale Sensorkoordinatensystem kann beispielsweise durch das Fahrzeugkoordinatensystem gegeben oder definiert sein. Insbesondere kann das nominale Sensorkoordinatensystem durch die Longitudinalachse, die Querachse und die Normalachse des Kraftfahrzeugs gegeben oder definiert sein.
Dabei kann beispielsweise jede Koordinatenachse des nominalen Sensorkoordinatensystems parallel zu einer entsprechenden der Longitudinalachse, der Querachse und der Normalachse des Kraftfahrzeugs sein. Alternativ können die Koordinatenachsen des nominalen Sensorkoordinatensystems jeweils vordefinierte Winkel mit der Longitudinalachse, der Querachse und/oder der Normalachse des Kraftfahrzeugs einschließen.
Zur Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen der Nickwinkellage nach dem verbesserten Konzept wird beispielsweise angenommen, dass der Gierwinkel gleich Null oder vernachlässigbar klein ist oder dass das Sensorsystem vorab bezüglich des Gierwinkels kalibriert wurde. Falls vorab eine Kalibrierung bezüglich des Gierwinkels durchgeführt wurde, wurde vorab, beispielsweise mittels der Recheneinheit, die Gierwinkellage des Sensorsystems bestimmt. Zum Erzeugen des Abtastpunkts oder gegebenenfalls weiterer Abtastpunkte wurde dann die Gierwinkellage entsprechend berücksichtigt, indem die Ortsraumkoordinaten des oder der Abtastpunkte entsprechend normalisiert wurden, so dass sie scheinbar von einem Sensorsystem mit verschwindendem Gierwinkel erzeugt wurden. Dementsprechend kann hier und im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen werden, dass der Gierwinkel gleich Null ist.
In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren zum Bestimmen der Nickwinkellage nach dem verbesserten Konzept die Verfahrensschritte zum Kalibrieren des Sensorsystems bezüglich des Gierwinkels.
Entsprechendes kann auch für den Rollwinkel gelten. Der Rollwinkel beeinflusst jedoch die Bestimmung des Nickwinkels in der nach dem verbesserten Konzept beschriebenen Weise nicht oder nicht wesentlich. Es ist daher nicht erforderlich, dass der Rollwinkel vorab bestimmt wurde. Dementsprechend kann hier und im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen werden, dass der Rollwinkel gleich Null ist.
Unter den erläuterten Annahmen liegt die Longitudinalachse des Sensorsystems in der X-Z-Achse des nominalen Sensorkoordinatensystems. Der Nickwinkel kann also auch als Winkel verstanden werden, den die Longitudinalachse des Sensorsystems mit der X-Achse des nominalen Sensorkoordinatensystems, beispielsweise mit der Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs, einschließt.
Dass das Sensorsystem an dem Kraftfahrzeug montiert ist, kann beispielsweise derart verstanden werden, dass das Sensorsystem an dem Kraftfahrzeug befestigt ist und kann insbesondere auch bedeuten, dass das Sensorsystem teilweise oder vollständig innerhalb des Kraftfahrzeugs verbaut ist. Dabei ist jedenfalls sichergestellt, dass die Sendeeinheit den Lichtpuls in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs außerhalb des Kraftfahrzeugs aussenden kann und die Empfangseinheit die reflektierten Anteile empfangen kann.
Dass sich das Kraftfahrzeug auf der Fahrbahn befindet, kann insbesondere derart verstanden werden, dass es sich auf der Fahrbahn fortbewegt oder auf dieser steht.
Die Lichtlaufzeit ist insbesondere gegeben durch eine Summe aus einer Lichtlaufzeit des ausgesendeten Lichtpulses von einem vorgegebenen Startzeitpunkt bis zu der Reflektion von der Fahrbahn und einer Lichtlaufzeit des reflektierten Pulses von der Reflektion bis zu einem definierten Endpunkt.
Der Endpunkt kann beispielsweise anhand des Sensorsignals definiert werden. Beispielsweise kann der Endpunkt mittels der Recheneinheit abhängig von dem Sensorsignal bestimmt werden, indem eine Amplitude oder ein Absolutwert des Sensorsignals mit einem Schwellwert verglichen wird und beispielsweise der Endzeitpunkt dadurch definiert wird, dass die Amplitude erstmals oder für eine vorgegebene Zeitdauer größer oder gleich dem Schwellwert ist.
Das Erzeugen des Abtastpunkts beinhaltet insbesondere das Erzeugen von, insbesondere dreidimensionalen, Ortsraumkoordinaten des Abtastpunkts. Insbesondere können die Ortsraumkoordinaten aus einer Einfallsrichtung des reflektierten Laserpulses und der Lichtlaufzeit bestimmt werden. Die Einfallsrichtung erlaubt eine zweidimensionale Lokalisierung des Abtastpunkts beziehungsweise des Reflexionspunkts auf der Fahrbahn. Zusammen mit der Lichtlaufzeit, welche eine Bestimmung des Abstands des Abtastpunkts von dem Sensorsystem definiert, ist eine dreidimensionale Bestimmung des Abtastpunkts möglich.
Die Einfallsrichtung kann insbesondere aus einer Position und/oder Orientierung des Detektors innerhalb des Sensorsystems und einer momentanen Position der Ablenkvorrichtung, insbesondere einer Drehposition des Spiegels, bestimmt werden. Die Drehposition des Spiegels kann beispielsweise mittels eines Drehgebers erfasst werden, der mit einer Welle gekoppelt ist, die sich zusammen mit dem Spiegel um die Drehachse des Spiegels dreht.
Dabei kann die Ablenkvorrichtung beispielsweise nicht nur zum Ablenken des ausgesendeten Lichtpulses innerhalb der Sendeebene dienen, sondern auch zum Ablenken des reflektierten Lichtpulses derart, dass er auf den Detektor gelenkt wird.
In alternativen Ausführungsformen kann eine weitere Ablenkvorrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise analog zur Ablenkvorrichtung ausgestaltet ist, um den reflektierten Lichtpuls abzulenken und auf den Detektor zu leiten.
Die Bedingung, dass der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist, kann als notwendige, jedoch nicht hinreichende, Bedingung dafür verstanden werden, dass die Recheneinheit abhängig von der Lichtlaufzeit den Nickwinkel bestimmt. Insbesondere bestimmt die Recheneinheit den Nickwinkel abhängig von der Lichtlaufzeit nur dann, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist beziehungsweise bestimmt die Recheneinheit den Nickwinkel abhängig von der Lichtlaufzeit nicht, wenn der Abstand größer ist als der Maximalabstand.
Mit anderen Worten können neben der Bedingung, dass der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist, weitere Bedingungen, beispielsweise bezüglich des Abtastpunkts oder des Sensorsignals, gelten.
Stellt die Recheneinheit beispielsweise fest, dass der Abstand größer ist als der Maximalabstand, so wird der aktuelle Abtastpunkt beziehungsweise die aktuell bestimmte Lichtlaufzeit verworfen und nicht zur Bestimmung des Nickwinkels verwendet. In diesem Fall können die beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt werden insbesondere bis ein Abtastpunkt erzeugt wurde, dessen Abstand entsprechend kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist. Die zugehörige Lichtlaufzeit kann dann verwendet werden, um den Nickwinkel zu bestimmen.
Ist der Abstand des Abtastpunkts von der Projektion der Longitudinalachse des Sensorsystems auf die Fahrbahn gleich Null, so ist eine eindeutige Beziehung zwischen der Lichtlaufzeit und dem Nickwinkel gegeben, insbesondere unter der Annahme, dass der Gierwinkel gleich Null ist. Dies geht darauf zurück, dass der Nickwinkel eine Ausrichtung oder Orientierung einer aktiven Oberfläche des Detektors direkt beeinflusst und damit einen Zeitpunkt, zu dem der Lichtpuls oder ein Photon des Lichtpulses erstmals auf den Detektor beziehungsweise die aktive Oberfläche trifft.
Insbesondere ist die Lichtlaufzeit multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gleich einer optischen Weglänge des ausgesendeten und reflektierten Lichtpulses. Die optische Weglänge hängt dabei von der konkreten geometrischen Ausgestaltung des Sensorsystems, von dem Einbauort und der Einbauorientierung des Sensorsystems in dem Kraftfahrzeug und insbesondere von dem Nickwinkel ab.
Der genaue Zusammenhang zwischen der optischen Weglänge und dem Nickwinkel wird beispielsweise vorab in Form einer Formel oder Gleichung oder in Form einer Lookup-Tabelle bestimmt und von der Recheneinheit bei der Bestimmung des Nickwinkels zugrunde gelegt.
Dadurch, dass der Abstand gleich Null ist, beeinflusst ein möglicherweise vorhandener Rollwinkel zwischen dem Sensorkoordinatensystem und dem nominalen Sensorkoordinatensystem nicht die Bestimmung des Nickwinkels basierend auf der Lichtlaufzeit.
In Fällen, in denen der Maximalabstand nicht exakt gleich Null gewählt wird, ergeben sich entsprechend systematische Fehler, die durch geeignete Wahl des Wertes des Maximalabstands auf ein akzeptables Maß eingestellt werden können. Die Wahl des Maximalabstands beeinflusst zum einen die Genauigkeit der Nickwinkelbestimmung, zum anderen aber auch die Wahrscheinlichkeit, dass der Abtastpunkt innerhalb des Maximalabstands an der Projektion der Longitudinalachse des Sensorkoordinatensystems liegt.
Der nach dem beschriebenen Verfahren bestimmte Nickwinkel kann direkt als Nickwinkellage des Sensorsystems angesehen werden. Alternativ können die beschriebenen Schritte wiederholt für unterschiedliche Abtastpunkte auf der Fahrbahn durchgeführt werden, und die entsprechend bestimmten verschiedenen Werte für den Nickwinkel können beispielsweise gemittelt werden, um die Nickwinkellage zu bestimmen.
Dadurch, dass der Gierwinkel als Null angenommen werden kann, ist die Projektion der Longitudinalachse des Sensorsystems, welche durch die X-Achse des Sensorkoordinatensystems gegeben ist, gleich einer Projektion der X-Achse des nominalen Sensorkoordinatensystems auf die Fahrbahn.
Für die Bestimmung des Nickwinkels nach dem verbesserten Konzept sind mit Vorteil lediglich Abtastpunkte der Fahrbahn erforderlich, von denen naturgemäß während des normalen Betriebs des Kraftfahrzeugs stets eine hohe Anzahl verfügbar ist. Auch kann bei entsprechender Wahl des Maximalabstands eine hohe Zahl an Abtastpunkten erzeugt werden, die die Abstandsbedingung erfüllen. Dementsprechend kann die Bestimmung des Nickwinkels nach dem verbesserten Konzept mit erhöhter Genauigkeit ausgeführt werden.
Zudem ist kein Kalibriertarget erforderlich, um den Nickwinkel nach dem verbesserten Konzept zu bestimmen, ebenso wenig wie näherungsweise gerade Referenzobjekte in der Umgebung des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise Fahrbahnbegrenzungen oder Fahrbahnmarkierungslinien, erforderlich sind. Dadurch wird es zum einen ermöglicht, die Nickwinkelkalibrierung online, also während des Normalbetriebs des Kraftfahrzeugs, durchzuführen und zum anderen die Genauigkeit der Nickwinkelbestimmung zu erhöhen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bestimmung des Nickwinkels nicht wesentlich von dem Rollwinkel abhängt, vorausgesetzt der Maximalabstand ist entsprechend klein gewählt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Empfangseinheit beziehungsweise das Sensorsystem dazu eingerichtet, die reflektierten Anteile beziehungsweise weitere reflektierte Anteile ortsaufgelöst zu detektieren. Die Ortsauflösung der Empfangseinheit kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Empfangseinheit neben dem optischen Detektor wenigstens einen weiteren optischen Detektor aufweist. Die mittels eines einzigen der Detektoren erfassten Abtastpunkte werden auch als Lage bezeichnet. Lagen, die auf Reflektionen von der Fahrbahn zurückgehen, werden auch als Bodenlagen, Groundlayers oder Touchdown Lines bezeichnet.
Bei dem Abtastpunkt, anhand dessen mittels der Recheneinheit der Nickwinkel bestimmt wird, handelt es sich insbesondere um einen Abtastpunkt einer Bodenlage.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird mittels der Recheneinheit eine Pulsweite des Sensorsignals bestimmt. Der Nickwinkel wird nur dann mittels der Recheneinheit abhängig von der Lichtlaufzeit bestimmt, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist und die Pulsweite größer oder gleich einer vorgegebenen Minimalpulsweite ist.
Die Pulsweite kann insbesondere im Kontext von Lidarsystemen als aktives optisches Sensorsystem auch als Echopulsweite (englisch: „echo pulse width“, EPW) bezeichnet werden.
Dass die Pulsweite größer oder gleich der Minimalpulsweite ist, ist für die Bestimmung des Nickwinkels abhängig von der konkreten Lichtlaufzeit in den entsprechenden Ausführungsformen neben der notwendigen Bedingung, dass der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist, eine weitere notwendige Bedingung.
Die kombinierte Bedingung, dass der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist und die Pulsweite größer oder gleich der Minimalpulsweite ist, stellt eine ebenfalls notwendige Bedingung dar. Diese kombinierte Bedingung kann in verschiedenen Ausführungsformen auch hinreichend sein. Dementsprechend kann in solchen Ausführungsformen die Recheneinheit den Nickwinkel abhängig von der Lichtlaufzeit bestimmen, genau dann, wenn der Abstand kleiner gleich dem Maximalabstand ist und die Pulsweite größer gleich der Minimalpulsweite ist.
Die Pulsweite ist beispielsweise definiert durch einen Anteil des Sensorsignals, der oberhalb der vorgegebenen Minimalamplitude liegt. Mit anderen Worten entspricht die Pulsweite einer Weite oder Breite des Sensorsignals bei einer Amplitude, welche durch die Minimalamplitude gegeben ist.
Insbesondere ist die Minimalamplitude größer als Null, was zur Reduzierung des Einflusses von Signalrauschen vorteilhaft ist.
Das Sensorsignal kann insbesondere als Funktion der Zeit vorliegen. Entsprechend kann es sich bei der Pulsweite um eine Kennzahl in der Dimension der Zeit handeln. Beispielsweise kann die Pulsweite in der Größenordnung von 10 m/co liegen, wobei c₀ die Vakuumlichtgeschwindigkeit bezeichnet.
Die Minimalamplitude entspricht insbesondere einem Schwellwert für die Detektion des reflektierten Pulses. Das bedeutet, die Empfangseinheit oder das Sensorsystem interpretiert das Sensorsignal per Definition dann als reflektierten Lichtpuls, und insbesondere nicht als Rauschen, wenn die Amplitude größer oder gleich der Minimalamplitude ist.
Dadurch, dass die Minimalamplitude nicht exakt gleich Null ist, ergibt sich daraus ein Fehler in der Lichtlaufzeitberechnung, der als Gangfehler oder „walk error“ bezeichnet werden kann.
Die entsprechenden Ausführungsformen des Verfahrens nutzen die Erkenntnis aus, dass der Gangfehler umso kleiner ist, je größer die Pulsweite des Sensorsignals ist, da eine größere Pulsweite auch mit einer höheren Pulsgesamtenergie korreliert. Je höher die Pulsweite, desto höher ist also die Pulsgesamtenergie und desto steiler ist der Anstieg des Sensorsignals, sodass die Zeit zwischen theoretischem Pulsbeginn und dem Zeitpunkt, zu dem die Amplitude die Minimalamplitude überschreitet, entsprechend kleiner wird.
Durch die Wahl der Minimalpulsweite können also der Gangfehler minimiert und die entsprechende Genauigkeit der Lichtlaufzeitmessung sowie letztlich der Bestimmung des Nickwinkels erhöht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Gierwinkellage des Sensorsystems bestimmt oder bereitgestellt, beispielsweise mittels der Recheneinheit bestimmt oder mittels der Recheneinheit bereitgestellt. Das Bestimmen der Gierwinkellage kann beispielsweise ein Abschätzen, Messen oder Vernachlässigen des Gierwinkels beinhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Abtastpunkt mittels der Recheneinheit abhängig von der Gierwinkellage des Sensorsystems bestimmt.
Mit anderen Worten werden die Koordinaten des Abtastpunkts mittels der Recheneinheit derart erzeugt, dass sie bezüglich des Gierwinkels kalibrierte oder normalisierte Koordinaten sind.
Der Gierwinkel kann beispielsweise derart bestimmt werden, dass anhand zumindest zweier Abtastpunkte, die mittels des Detektors der Empfangseinheit erzeugt wurden, das Sensorkoordinatensystem bestimmt wird. Das nominale Sensorkoordinatensystem kann anhand zweier einander entsprechender Abtastpunkte unterschiedlicher Detektoren der Empfangseinheit bestimmt werden. Dabei gehören die beiden einander entsprechenden Abtastpunkte denselben Einfallsrichtungen oder Positionen der Ablenkvorrichtung. Der Gierwinkel kann durch Vergleich des Sensorkoordinatensystems mit dem nominalen Sensorkoordinatensystem bestimmt werden.
Beliebige andere Verfahren zur Bestimmung des Gierwinkels können eingesetzt werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass der Gierwinkel wie der Nickwinkel online bestimmt wird. Der Gierwinkel kann beispielsweise anhand eines vorgegebenen Kalibriertargets oder einer Kalibriervorlage in einer Testumgebung bestimmt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Sendeeinheit ein weiterer Lichtpuls in Richtung der Fahrbahn ausgesendet. Von der Fahrbahn reflektierte Anteile des weiteren ausgesendeten Lichtpulses werden als weiterer reflektierter Lichtpuls von einem weiteren optischen Detektor des Sensorsystems, insbesondere der Empfangseinheit, detektiert. Mittels des weiteren Detektors wird abhängig von dem weiteren reflektierten Lichtpuls ein weiteres Sensorsignal erzeugt. Mittels der Recheneinheit werden abhängig von dem weiteren Sensorsignal eine weitere Lichtlaufzeit bestimmt und ein weiterer Abtastpunkt der Fahrbahn erzeugt. Mittels der Recheneinheit wird ein weiterer Abstand des weiteren Abtastpunkts von der Projektion der Longitudinalachse des Sensorsystems auf die Fahrbahn mit dem Maximalabstand verglichen, und der Nickwinkel wird mittels der Recheneinheit abhängig von der weiteren Lichtlaufzeit bestimmt, wenn, insbesondere nur wenn, der weitere Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.
Bei der weiteren Lichtlaufzeit handelt es sich insbesondere um die Summe aus der Lichtlaufzeiten des weiteren ausgesendeten Lichtpulses und des weiteren reflektierten Lichtpulses.
Beispielsweise kann die Recheneinheit abhängig von der Lichtlaufzeit einen ersten Wert für den Nickwinkel bestimmen und abhängig von der weiteren Lichtlaufzeit einen zweiten Wert für den Nickwinkel. Der Nickwinkel, beziehungsweise die Nickwinkellage, kann dann mittels der Recheneinheit beispielsweise durch Mittelwertbildung über den ersten Wert, den zweiten Wert und gegebenenfalls weitere Werte für den Nickwinkel bestimmt werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Bestimmung des Nickwinkels erhöht.
Die obigen Ausführungen bezüglich des Lichtpulses, des reflektierten Lichtpulses, des Detektors, des Sensorsignals, der Lichtlaufzeit und des Abtastpunkts können analog auf den weiteren Lichtpuls, den weiteren reflektierten Lichtpuls, den weiteren optischen Detektor, das weitere Sensorsignal, die weitere Lichtlaufzeit und den weiteren Abtastpunkt entsprechend übertragen werden. Der weitere Abtastpunkt ist insbesondere ebenfalls ein Abtastpunkt einer weiteren Bodenlage.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mittels der Recheneinheit ein der Lichtlaufzeit zugeordneter Wert, insbesondere für den Nickwinkel, aus einer Lookup-Tabelle bestimmt, um den Nickwinkel zu bestimmen.
Die Lookup-Tabelle ist dabei insbesondere auf einem Speicherelement, beispielsweise der Recheneinheit oder des Sensorsystems, gespeichert.
Die Lookup-Tabelle kann insbesondere als Tabelle verstanden werden, die mehreren Referenzlichtlaufzeiten jeweils einen entsprechenden Wert für den Nickwinkel zuordnet. Die Zuordnung basiert dabei insbesondere auf der konkreten Ausgestaltung des Sensorsystems, insbesondere auf dem optischen Pfad oder der optischen Weglänge der involvierten Lichtpulse. Für ein konkretes Sensorsystem kann beispielsweise der Zusammenhang zwischen dem Nickwinkel und der Lichtlaufzeit vorab bestimmt und basierend darauf die Lookup-Tabelle erstellt und gespeichert werden.
Falls die Lichtlaufzeit gleich einer der Referenzlichtlaufzeiten ist, kann die Recheneinheit beispielsweise den der entsprechenden Referenzlichtlaufzeit zugeordneten Wert aus der Lookup-Tabelle entnehmen, um den Nickwinkel zu bestimmen.
Im allgemeinen Fall entspricht die Lichtlaufzeit jedoch nicht exakt einer der Referenzlichtlaufzeiten. In solchen Fällen kann beispielsweise eine der Lichtlaufzeit nächstliegende Referenzlichtlaufzeit gewählt und der entsprechend zugeordnete Wert gewählt werden, um den Nickwinkel zu bestimmen. Alternativ kann die im Vergleich zur Lichtlaufzeit nächst höhere oder nächst niedrigere Referenzlaufzeit gewählt werden, um den entsprechend zugeordneten Wert als den Nickwinkel zu bestimmen. Alternativ kann auch ein Mittelwert aus den Werten für benachbarte Referenzlichtlaufzeiten bestimmt werden, um den Nickwinkel für die Lichtlaufzeit zu bestimmen.
Die Bestimmung des Nickwinkels basierend auf der Lichtlaufzeit mittels der Lookup-Tabelle hat insbesondere den Vorteil, dass komplexe Rechenoperationen nicht von dem Sensorsystem beziehungsweise der Recheneinheit vorgenommen werden müssen. Eine entsprechend einfache und schnelle Berechnung des Nickwinkels geht damit einher. Insbesondere bei geometrisch komplex aufgebauten Sensorsystemen ist dies ein Vorteil. Dadurch ist es insbesondere nicht erforderlich, einen analytischen Ausdruck für den Zusammenhang zwischen der Lichtlaufzeit und dem Nickwinkel zu bestimmen, sondern es können simulierte oder genäherte Werte in die Lookup-Tabelle gespeist werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Nickwinkel mittels der Recheneinheit abhängig von einer Höhe des Detektors bezüglich der Fahrbahn bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Lookup-Tabelle mittels der Recheneinheit abhängig von der Höhe des Detektors bezüglich der Fahrbahn aus wenigstens zwei vorgegebenen Lookup-Tabellen ausgewählt.
In solchen Ausführungsformen sind die wenigstens zwei vorgegebenen Lookup-Tabellen auf dem Speicherelement gespeichert, wobei jede Lookup-Tabelle einer anderen Höhe des jeweiligen Detektors bezüglich der Fahrbahn entspricht. Die Höhe des Detektors bezüglich der Fahrbahn entspricht insbesondere einem Abstand des Detektors von der Fahrbahn entlang einer Normalrichtung der Fahrbahn.
Die Höhe des Detektors ergibt sich insbesondere aus einer Einbauhöhe des Sensorsystems in dem Kraftfahrzeug und einer relativen Position des jeweiligen Detektors innerhalb des Sensorsystems.
In solchen Ausführungsformen wird die Höhe des Detektors insbesondere vorab bestimmt.
Durch Berücksichtigung der Höhe wird die Genauigkeit der bestimmten Nickwinkellage verbessert.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein aktives optisches Sensorsystem zur Montage an einem Kraftfahrzeug angegeben, wobei das Sensorsystem eine Sendeeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtpuls in Richtung einer Fahrbahn, auf der sich das Kraftfahrzeug befindet, auszusenden. Das Sensorsystem weist außerdem einen optischen Detektor und eine Recheneinheit auf. Der Detektor ist dazu eingerichtet, von der Fahrbahn reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichtpulses als reflektierten Lichtpuls zu detektieren und abhängig von dem reflektierten Lichtpuls ein Sensorsignal zu erzeugen. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, abhängig von dem Sensorsignal eine Lichtlaufzeit zu bestimmen und einen Abtastpunkt der Fahrbahn zu erzeugen, insbesondere abhängig von der Lichtlaufzeit. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, einen Abstand des Abtastpunkts von einer Projektion einer Longitudinalachse des Sensorsystems auf die Fahrbahn zu bestimmen und mit einem vorgegebenen Maximalabstand zu vergleichen und abhängig von der Lichtlaufzeit einen Nickwinkel des Sensorsystems zu bestimmen, wenn, insbesondere nur wenn, der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Sensorsystems ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, eine Pulsweite des Sensorsignals zu bestimmen und den Nickwinkel abhängig von der Lichtlaufzeit nur bestimmen, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist und die Pulsweite größer oder gleich einer vorgegebenen Minimalpulsweite ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, den Abtastpunkt abhängig von einer Gierwinkellage des Sensorsystems zu bestimmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Sensorsystem ein Speicherelement auf, auf dem eine Lookup-Tabelle gespeichert ist, welche wenigstens einer Referenzlichtlaufzeit jeweils einen Wert für den Nickwinkel zuordnet. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, einen der bestimmten Lichtlaufzeit zugeordneten Wert für den Nickwinkel aus der Lookup-Tabelle zu bestimmen, um den Nickwinkel zu bestimmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, den Nickwinkel abhängig von einer Höhe des Detektors bezüglich der Fahrbahn zu bestimmen.
Weitere Ausführungsformen des aktiven optischen Sensorsystems ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept und umgekehrt. Beispielsweise kann ein aktives optisches Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept dazu eingerichtet oder programmiert sein, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen, oder das aktive optische Sensorsystem führt das Verfahren nach dem verbesserten Konzept durch.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Kraftfahrzeug angegeben, welches ein aktives optisches Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept aufweist.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben. Bei Ausführung des Computerprogramms durch ein aktives optisches Sensorsystem nach dem verbesserten Konzept, insbesondere durch die Recheneinheit des Sensorsystems, veranlassen die Befehle des Computerprogramms das Sensorsystem dazu, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein computerlesbares Speichermedium angegeben, auf welchem ein Computerprogramm nach dem verbesserten Konzept gespeichert ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als erfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von denen abweichen.
In den Figuren zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept,
2 eine Sendeeinheit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept,
3 eine Empfangseinheit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept,
4 eine schematische Darstellung einer Position eines Detektors einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept bezüglich einer Fahrbahn,
5 einen Detektor einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems nach dem verbesserten Konzept,
6 verschiedene Bodenlagen und Abtastpunkte einer Fahrbahn in einer Beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept,
7 verschiedene Bodenlagen und Abtastpunkte einer Fahrbahn in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept und
8 ein Sensorsignal gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens nach dem verbesserten Konzept.

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 gezeigt, welches ein aktives optisches Sensorsystem 2 nach dem verbesserten Konzept aufweist.
Das Sensorsystem 2 ist als Lidarsystem ausgebildet. Eine nominale Ausrichtung des Sensorsystems 2 ist beispielsweise gegeben durch eine Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs 1, eine Querachse des Kraftfahrzeugs 1 sowie eine Normalachse des Kraftfahrzeugs 1, welche senkrecht auf dessen Longitudinal- und Querachse steht.
In der Draufsicht der 1 ist eine Projektion 23 der Longitudinalachse des Sensorsystems 2 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs 1 auf eine Fahrbahn 6, auf der sich das Kraftfahrzeug 1 befindet, dargestellt.
Es wird insbesondere angenommen, dass die Longitudinalachse des Sensorsystems 2 in einer durch die Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs 1 und die Normalachse des Kraftfahrzeugs 1 aufgespannten Ebene liegt, so dass die Projektion 23 sowohl der Projektion der Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs 1 als auch der Projektion der Longitudinalachse des Sensorsystems 2 auf die Fahrbahn 6 entspricht. Diese Annahme stellte keine Beschränkung der Allgemeinheit dar, da davon ausgegangen werden kann, dass eine Gierwinkelkompensation bereits vorab durchgeführt wurde oder der Gierwinkel des Sensorsystems 2 bezüglich seiner nominalen Ausrichtung näherungsweise gleich Null ist.
Das Sensorsystem 2 weist eine Sendeeinheit 8 auf, beispielsweise mit einer Laserquelle, um Lichtpulse 3 mit verschiedenen Aussendewinkeln innerhalb einer Sendeebene des Sensorsystems 2 auszusenden.
Die Sendeebene ist insbesondere definiert durch die Ebene, welche durch die Longitudinalachse des Sensorsystems 2 und eine Querachse des Sensorsystems 2 aufgespannt wird. Die Querachse des Sensorsystems 2 kann dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit parallel zur Querachse des Kraftfahrzeugs 1 angesehen werden. Abweichungen der Querachse des Sensorsystems 2 von der Querachse des Kraftfahrzeugs 1 entsprechen einem Rollwinkel des Sensorsystems 2, der von Null verschieden ist. Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte zur Bestimmung eines Nickwinkels des Sensorsystems 2 sind jedoch unabhängig von dem Rollwinkel.
Die Sendeebene entspricht also der Ebene, die durch die Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs 1 und die Querachse des Kraftfahrzeugs 1 aufgespannt wird, rotiert um einen Winkel, nämlich den Nickwinkel, um die Querachse des Kraftfahrzeugs 1.
Mit anderen Worten schließt die Longitudinalachse des Sensorsystems 2 mit der Longitudinalachse des Kraftfahrzeugs 1 den Nickwinkel ein.
Das aktive optische Sensorsystem 2 weist außerdem eine Recheneinheit 4 auf sowie eine Empfangseinheit 9. Die Recheneinheit 4 ist mit der Empfangseinheit 9 und beispielsweise mit der Sendeeinheit 8 verbunden. Insbesondere kann die Recheneinheit 4 die Sendeeinheit 8 ansteuern, um die Lichtpulse 3 auszusenden. Die Empfangseinheit 9 kann reflektierte Anteile des Lichtpulses 3 in Form eines reflektierten Lichtpulses 5 detektieren und basierend darauf wenigstens ein Sensorsignal 24 (siehe 7) erzeugen und an die Recheneinheit 4 übermitteln.
In 2 ist schematisch die Sendeeinheit 8 des Sensorsystems 2 gezeigt. Außerdem ist der von der Sendeeinheit 8 ausgesandte Lichtpuls 3, insbesondere Laserpuls, gezeigt. Zudem ist in 2 schematisch ein Objekt 22 in einer Umgebung des Sensorsystems 2 dargestellt.
Die obere Abbildung in 2 entspricht beispielsweise einer Blickrichtung parallel zu der Querachse des Sensorsystems 2 auf die Sendeeinheit 8. Die untere Abbildung in 2 entspricht beispielsweise einer Blickrichtung parallel zu der Normalachse des Sensorsystems 2 auf die Sendeeinheit 8.
Wie in den Abbildungen der 2 erkennbar ist, kann eine jeweilige Strahlaufweitung des Laserpulses in unterschiedlichen Ebenen unterschiedlich ausfallen.
In 3 sind schematisch die Empfangseinheit 9, eine Linse 16 sowie ein Spiegel 20 des Sensorsystems 2 gezeigt. Die Empfangseinheit 9 beinhaltet wenigstens zwei, im Beispiel der 3 drei, optische Detektoren 10, 11, 12, die insbesondere nebeneinander linear entlang einer Achse parallel zur Normalachse des Sensorsystems 2 angeordnet sind und beispielsweise als Avalanche-Fotodioden ausgestaltet sind.
Die Empfangseinheit 9 weist außerdem eine Welle 21 auf, die drehbar gelagert und mit dem Spiegel 20 verbunden ist, sodass der Spiegel 20 um die entsprechende Drehachse drehbar ist.
Die Ansicht der 3 kann beispielsweise als Draufsicht, also gemäß einer Blickrichtung parallel zur Normalachse des Sensorsystems 2, auf die Empfangseinheit 9 verstanden werden. Die Detektoren 10, 11, 12 sind zu Zwecken der Verdeutlichung perspektivisch verzerrt dargestellt. In einer tatsächlichen Draufsicht würden die Detektoren 10, 11, 12 übereinander liegen und sich beispielsweise gegenseitig verdecken.
Die Sendeeinheit 8 ist in 3 nicht dargestellt, kann jedoch bezüglich des Spiegels 20 derart angeordnet sein, dass bei Rotation des Spiegels 20 um die Drehachse der Aussendewinkel der Lichtpulse 3 variiert werden kann. Die Drehachse und die Welle 21 sind also insbesondere senkrecht zu der Sendeebene ausgerichtet.
Ein Empfangspfad für den reflektierten Puls 5, welcher beispielsweise von dem Objekt 22 oder der Fahrbahn 6 reflektiert wurde, führt über den Spiegel 20 und die Linse 16 zu der Empfangseinheit 9. Der reflektierte Lichtpuls 5 wird dann von mindestens einem der Detektoren 10, 11, 12 erfasst.
Durch die Rotation des Spiegels 20 um die Drehachse kann jeder der Detektoren 10, 11, 12 aus unterschiedlichen Richtungen einfallende reflektierte Anteile des Lichtpulses 3 detektieren. Die Momentanposition des Spiegels 20 kann dabei beispielsweise über einen mit der Welle 21 gekoppelten Drehgeber (nicht dargestellt) bestimmt werden.
Indem die Momentanposition des Spiegels 20 beispielsweise zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, kann über die zeitliche Abfolge der detektierten Lichtstrahlen eine Menge von Abtastpunkten erzeugt werden. Dabei wird mittels jedes Detektors 10, 11, 12 eine Untermenge der Abtastpunkte erzeugt. Eine Untermenge von Abtastpunkten, die für unterschiedliche Winkelpositionen des Spiegels 20 mittels einem der Detektoren 10, 11, 12 erzeugt wird, wird auch als Lage von Abtastpunkten bezeichnet. Handelt es sich bei den Abtastpunkten um Abtastpunkte der Fahrbahn 6, wird die Lage auch als Bodenlage oder Ground Layer bezeichnet.
Beispielhaft sind in 6 verschiedene Bodenlagen 15, 16, 17, 18, 19, 20 sowie die Projektion 23 der Longitudinalachse des Sensorsystems 2 auf die Fahrbahn 6 dargestellt. Außerdem sind zwei Abtastpunkte 13, 14 unterschiedlicher Bodenlagen 15, 16 gekennzeichnet, deren Abstand von der Projektion 23 gleich Null oder näherungsweise gleich Null ist. 6 entspricht einem Sensorsystem 2, dessen Rollwinkel bezüglich seiner nominalen Ausrichtung gleich Null ist.
In 7 ist eine analoge Darstellung der Bodenlagen 15, 16, 17, 18, 19, 20 und der Punkte 13, 14 gezeigt, wobei ein endlicher Rollwinkel von etwa 5 Grad angenommen wurde. Wie aus dem Vergleich von 6 und 7 ersichtlich ist, sind die Punkte 13, 14 näherungsweise invariant unter dem Rollwinkel.
Gemäß einem Verfahren zum Bestimmen der Nickwinkellage des aktiven optischen Sensorsystems 2 wird also zunächst der Lichtpuls 3 in Richtung der Fahrbahn 6 ausgesendet, und der reflektierte Lichtpuls 5 wird beispielsweise mittels des Detektors 10 detektiert. Der Detektor 10 erzeugt abhängig von dem detektierten reflektierten Lichtpuls 5 ein Sensorsignal 24, das schematisch in 7 dargestellt ist.
Das Sensorsignal 24 ist in 7 als Amplitude, die beispielsweise proportional zu einer Signalenergie oder -intensität ist, als Funktion der Zeit dargestellt.
Anhand der Position des Detektors 10, der Drehposition des Spiegels 20 zum Zeitpunkt der Detektion des Lichtpulses 5 sowie einer Lichtlaufzeit des Lichtpulses 3 und des reflektierten Pulses 5, die mittels einer Recheneinheit 4 bestimmt wird, können dreidimensionale Ortsraumkoordinaten beispielsweise des Abtastpunkts 13 von der Recheneinheit 4 berechnet werden. Die Recheneinheit 4 vergleicht den Abstand des Abtastpunkts 13 von der Projektion 23 mit einem vorgegebenen Maximalabstand.
Ist der Abstand des Abtastpunkts 13 kleiner oder gleich dem vorgegebenen Maximalabstand, so wird der Abtastpunkt 13 beispielsweise zur Bestimmung des Nickwinkels herangezogen, wobei weitere Bedingungen gelten können.
Dazu liest die Recheneinheit 4 aus einer Lookup-Tabelle, welche beispielsweise in einem Speicherelement 7 (siehe 1) des Sensorsystems 2 gespeichert ist, einen Wert für den Nickwinkel ab, der einer Referenzlichtlaufzeit zugeordnet ist, die beispielsweise der bestimmten Lichtlaufzeit für den Abtastpunkt 13 am nächsten kommt. Die Lookup-Tabelle wurde beispielsweise vorab basierend auf der konkreten geometrischen Ausgestaltung des Sensorsystems 2 und insbesondere basierend auf der Einbauhöhe des Sensorsystems 2 und damit auf der Höhe des Detektors 10 von der Fahrbahn 6 (siehe 4) erzeugt und abgespeichert. Der so bestimmte Nickwinkel kann direkt als Maß für die Nickwinkellage des Sensorsystems 2 herangezogen werden.
Optional können die beschriebenen Schritte für unterschiedliche Abtastpunkte, beispielsweise den Abtastpunkt 14, wiederholt, und so unterschiedliche Werte für den Nickwinkel bestimmt werden. Der Abtastpunkt 14 wurde in dem dargestellten Beispiel von einem weiteren optischen Detektor 11 der Empfangseinheit 9 erzeugt. Die Nickwinkellage kann dann beispielsweise als Mittelwert der einzelnen Werte für den Nickwinkel bestimmt werden.
Ist der Abstand des Abtastpunkts 13 größer als der vorgegebene Maximalabstand, so wird der Abtastpunkt 13 nicht zur Nickwinkelbestimmung herangezogen, und die Schritte des Verfahrens werden zu einem späteren Zeitpunkt und/oder basierend auf einem anderen Detektor 11, 12 der Empfangseinheit 9 wiederholt.
In 4 ist die Anordnung des Detektors 10, des Spiegels 20 sowie der Linse 16 bezüglich der Fahrbahn 6 schematisch dargestellt. Durch die konkrete geometrische Anordnung des Detektors 10 innerhalb des Sensorsystems und die Position beziehungsweise Orientierung des Sensorsystems 2 an oder in dem Kraftfahrzeug 1 ist für Abtastpunkte 13, 14 mit verschwindendem Abstand zu der Projektion 23 eine eindeutige Beziehung zwischen der jeweiligen Lichtlaufzeit und dem Nickwinkel gegeben. Dieser Zusammenhang wurde vorab theoretisch, per Simulation oder analytisch bestimmt und zur Erzeugung der Lookup-Tabelle herangezogen.
In 5 sind der Detektor 10 gezeigt sowie zwei theoretische reflektierte Lichtpulse 5', 5''. Der Lichtpuls 5' trifft beispielsweise auf einen obersten Rand der aktiven Oberfläche Detektors 10 und entspricht daher einer minimalen Lichtlaufzeit zwischen der aktiven Oberfläche des Detektors 10 und der Fahrbahn 6. Ein entsprechendes Photon des Lichtpulses 5' trifft also nach der Reflektion des Lichtpulses 3 von der Fahrbahn 6 als erstes auf die aktive Oberfläche des Detektors 10. Die Lichtlaufzeit wird mittels der Recheneinheit insbesondere basierend auf solche Photonen bestimmt.
Das von dem Detektor 10 erzeugte Sensorsignal 24 spiegelt jedoch insbesondere die Position, auf welcher der reflektierte Lichtstrahl auf die aktive Oberfläche des Detektors 10 trifft, nicht notwendigerweise wider. Daher wird beispielsweise ein Lichtstrahl 5' von der Empfangseinheit 9 derart interpretiert, als ob er auf ein Zentrum der aktiven Oberfläche des Detektors 10 treffen würde. Ein entsprechender Lichtstrahl ist durch einen fiktiven Lichtstrahl 5" dargestellt.
Optional kann die Recheneinheit 4 eine Pulsweite p des Sensorsignals 24 bestimmen, wie in 7 dargestellt. In 7 ist eine horizontale Linie gezeichnet, die eine vorgegebene Minimalamplitude 25 kennzeichnet. Die Pulsweite p kann beispielsweise als Pulsweite des Sensorsignals 24 bei einer Amplitude gegeben durch die Minimalamplitude 25 definiert sein.
Die Recheneinheit 4 beziehungsweise die Empfangseinheit 9 identifiziert den reflektierten Puls 5 beispielsweise erst dann als Puls, der auf die aktive Oberfläche des Detektors 10 trifft, wenn die Amplitude des Sensorsignals 24 größer ist als die Minimalamplitude 25.
Optional kann die Recheneinheit 4 den Nickwinkel basierend auf der Lichtlaufzeit für den konkreten Abtastpunkt 13 nur dann bestimmen, wenn die Pulsweite p größer oder gleich einer vorgegebenen Minimalpulsweite ist.
Je größer die Pulsweite p und damit einhergehend die maximale Amplitude des Sensorsignals 24, desto kleiner ist eine Zeitspanne zwischen einem theoretischen Anfang des Sensorsignals 24 und einem Zeitpunkt, zu dem das Sensorsignal 24 die Minimalamplitude 25 überschreitet. Dieser Zeitabstand wird auch als Gangfehler oder „walk error“ w bezeichnet.
Je größer also die Minimalpulsweite gewählt wird, desto kleiner ist der entsprechende Gangfehler w und desto genauer kann der Nickwinkel bestimmt werden.
Durch das verbesserte Konzept wird eine Möglichkeit zur Bestimmung der Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems angegeben, die eine erhöhte Genauigkeit ermöglicht. Da die zum Bestimmen der Nickwinkellage herangezogenen Bodenlagen beziehungsweise Abtastpunkte der Fahrbahn während des Betriebs des Kraftfahrzeugs in der Regel stets vorhanden sind, kann die Anzahl der möglichen Messungen zum Bestimmen der Nickwinkellage stark erhöht werden, was eine signifikante Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Nickwinkellage zur Folge hat.
Insbesondere ist es nicht erforderlich, vorab eine Referenzpunkwolken aufzuzeichnen oder bestimmte Referenzobjekte in der Umgebung des Sensorsystems zur Kalibrierung heranzuziehen.
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

US 9052721 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Nickwinkellage eines aktiven optischen Sensorsystems (2), das an einem Kraftfahrzeug (1) montiert ist, welches sich auf einer Fahrbahn (6) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels einer Sendeeinheit (8) des Sensorsystems (2) ein Lichtpuls (3) in Richtung der Fahrbahn (6) ausgesendet wird; - von der Fahrbahn (6) reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichtpulses (3) als reflektierter Lichtpuls (5) mittels eines optischen Detektors (10) des Sensorsystems (2) detektiert werden; - mittels des Detektors (10) abhängig von dem reflektierten Lichtpuls (5) ein Sensorsignal (24) erzeugt wird; - mittels einer Recheneinheit (4) des Sensorsystems (2) abhängig von dem Sensorsignal (24) eine Lichtlaufzeit bestimmt wird und ein Abtastpunkt (13) der Fahrbahn (6) erzeugt wird; - mittels der Recheneinheit (4) ein Abstand des Abtastpunkts (13) von einer Projektion (23) einer Longitudinalachse des Sensorsystems (2) auf die Fahrbahn (6) mit einem vorgegebenen Maximalabstand verglichen wird; und - mittels der Recheneinheit (4) abhängig von der Lichtlaufzeit ein Nickwinkel des Sensorsystems (2) bestimmt wird, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels der Recheneinheit (4) eine Pulsweite des Sensorsignals (24) bestimmt wird; und - der Nickwinkel mittels der Recheneinheit (4) nur dann abhängig von der Lichtlaufzeit bestimmt wird, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist und die Pulsweite größer oder gleich einer vorgegebenen Minimalpulsweite ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastpunkt (13) mittels der Recheneinheit (4) abhängig von einer Gierwinkellage des Sensorsystems (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels der Sendeeinheit (8) ein weiterer Lichtpuls in Richtung der Fahrbahn (6) ausgesendet wird; - von der Fahrbahn (6) reflektierte Anteile des weiteren ausgesendeten Lichtpulses als weiterer reflektierter Lichtpuls von einem weiteren optischen Detektor (11) des Sensorsystems (2) detektiert werden; - mittels des weiteren Detektors (11) abhängig von dem weiteren reflektierten Lichtpuls ein weiteres Sensorsignal erzeugt wird; - mittels der Recheneinheit (4) abhängig von dem weiteren Sensorsignal eine weitere Lichtlaufzeit bestimmt wird und ein weiterer Abtastpunkt (14) der Fahrbahn (6) erzeugt wird; - mittels der Recheneinheit (4) ein weiterer Abstand des weiteren Abtastpunkts (14) von der Projektion (23) der Longitudinalachse auf die Fahrbahn (6) mit dem Maximalabstand verglichen wird; und - der Nickwinkel mittels der Recheneinheit (4) abhängig von der weiteren Lichtlaufzeit bestimmt wird, wenn der weitere Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Recheneinheit (4) ein der Lichtlaufzeit zugeordneter Wert aus einer Lookup-Tabelle bestimmt wird, um den Nickwinkel zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lookup-Tabelle mittels der Recheneinheit (4) abhängig von einer Höhe des Detektors (10) bezüglich der Fahrbahn (6) aus wenigstens zwei vorgegebenen Lookup-Tabellen ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickwinkel mittels der Recheneinheit (4) abhängig von einer Höhe des Detektors (10) bezüglich der Fahrbahn (6) bestimmt wird.
Aktives optisches Sensorsystem zur Montage an einem Kraftfahrzeug (1), das Sensorsystem (2) aufweisend - eine Sendeeinheit (8), dazu eingerichtet, einen Lichtpuls (3) in Richtung einer Fahrbahn (6), auf der sich das Kraftfahrzeug (1) befindet, auszusenden; - einen optischen Detektor (10) und eine Recheneinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass - der Detektor (10) dazu eingerichtet ist, von der Fahrbahn (6) reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichtpulses (3) als reflektierten Lichtpuls (5) zu detektieren und abhängig von dem reflektierten Lichtpuls (5) ein Sensorsignal (24) zu erzeugen; und - die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, - abhängig von dem Sensorsignal (24) eine Lichtlaufzeit zu bestimmen und einen Abtastpunkt (13) der Fahrbahn (6) zu erzeugen; - einen Abstand des Abtastpunkts (13) von einer Projektion (23) einer Longitudinalachse des Sensorsystems (2) auf die Fahrbahn (6) mit einem vorgegebenen Maximalabstand zu vergleichen; und - abhängig von der Lichtlaufzeit einen Nickwinkel des Sensorsystems (2) zu bestimmen, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist.
Aktives optisches Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, - eine Pulsweite des Sensorsignals (24) zu bestimmen; und - nur dann, wenn der Abstand kleiner oder gleich dem Maximalabstand ist und die Pulsweite größer oder gleich einer vorgegebenen Minimalpulsweite ist, den Nickwinkel abhängig von der Lichtlaufzeit zu bestimmen.
Aktives optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, den Abtastpunkt (13) abhängig von einer Gierwinkellage des Sensorsystems (2) zu bestimmen.
Aktives optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - das Sensorsystem (2) ein Speicherelement (7) aufweist, auf dem eine Lookup-Tabelle gespeichert ist, welche wenigstens einer Referenzlichtlaufzeit jeweils einen Wert für den Nickwinkel zuordnet; und - die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, einen der bestimmten Lichtlaufzeit zugeordneten Wert für den Nickwinkel aus der Lookup-Tabelle zu bestimmen, um den Nickwinkel zu bestimmen.
Aktives optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, den Nickwinkel abhängig von einer Höhe des Detektors (10) bezüglich der Fahrbahn (6) zu bestimmen.
Kraftfahrzeug mit einem aktiven optischen Sensorsystem (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12.
Computerprogramm mit Befehlen, welche bei Ausführung des Computerprogramms durch ein aktives optisches Sensorsystem (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 das Sensorsystem (2) dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.