DE102019209694A1

DE102019209694A1 - Anpassungsvorrichtung und Lidar-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102019209694A1
Application number: DE102019209694.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel; Michael Köhler; Falko Diebel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG; Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-01-07
Also published as: CN114365003A; WO2021001181A1; US20220179092A1; EP3994480A1; JP2022538571A; KR20220024843A; JP7259094B2; IL289493A; CA3142395A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anpassungsvorrichtung (20) zum Anpassen eines Sichtfelds (30) einer Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14), mit: einer Nickwinkelschätzeinheit (22) zum Ermitteln eines Nickwinkels (N) des Fahrzeugs; einer Bereichseinheit (24) zum Ermitteln eines gewünschten Objekterkennungsbereichs (32) in Bezug zu einer Ausrichtung des Fahrzeugs basierend auf dem Nickwinkel; einer Auswahleinheit (26) zum Ermitteln einer Auswahl von parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen (Z1-Z6) von Sendeelementen (34) einer Lidar-Sendeeinheit (18) der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit (16) der Lidar-Messvorrichtung basierend auf dem gewünschten Objekterkennungsbereich; und einer Steuerschnittstelle (28) zum Aktivieren der Auswahl von Zeilen von Sendeelementen der Lidar-Sendeeinheit und/oder Sensorelementen der Lidar-Empfangseinheit der Lidar-Messvorrichtung, um Objekte (12) innerhalb des Objekterkennungsbereichs zu detektieren. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten (12) in einer Umgebung eines Fahrzeugs (14). Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anpassen eines Sichtfelds (30) einer Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anpassungsvorrichtung zum Anpassen eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung eines Fahrzeugs. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anpassen eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung.
Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder, fahrerlose Transportsysteme etc.) umfassen eine Vielzahl an Systemen, die einem Fahrer bzw. Bediener Informationen zur Verfügung stellen und/oder einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie gegebenenfalls andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden. Durch die fortschreitende Entwicklung im Bereich der autonom und teilautonom fahrenden Fahrzeuge werden der Einfluss und der Wirkungsbereich von Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) und autonom operierenden Transportsystemen immer größer. Durch die Entwicklung immer präziserer Sensoren ist es möglich, die Umgebung zu erfassen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs vollständig oder teilweise ohne Eingriff des Fahrers zu kontrollieren.
Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtpulsen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Durch eine Auswertung der empfangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der technischen Realisierung des entsprechenden Sensors wird zwischen scannenden Systemen, die zumeist basierend auf Mikrospiegeln funktionieren, und nichtscannenden Systemen, bei denen mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinanderliegend angeordnet sind (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung), unterschieden.
In diesem Zusammenhang wird in der WO 2017/081294 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung beschrieben. Es wird eine Verwendung einer Sendematrix zum Aussenden von Messpulsen und einer Empfangsmatrix zum Empfangen der Messpulse offenbart. Beim Senden der Messpulse werden Untermengen der Sendeelemente der Sendematrix aktiviert.
Eine Herausforderung bei der Detektion von Objekten mittels eines Lidars liegt darin, dass es bei der Herstellung sowie beim Einbau der entsprechenden Sensorik in ein Fahrzeug zu Toleranzen kommt. Diese können zu einer suboptimalen Ausnutzung des Sichtfelds des Sensors bzw. zu einem Genauigkeitsverlust führen. Zudem kann es beim Betrieb des Fahrzeugs zu Abweichungen der Ausrichtung bzw. Lage des Fahrzeugs von einem Normalzustand kommen, die ebenfalls eine veränderte Ausrichtung des Sichtfelds bedingen können. Solche Abweichungen beim Betrieb können dynamisch (beispielsweise beim Abbremsen oder bei einer Kurvenfahrt) oder auch statisch (beispielsweise aufgrund einer Beladung) sein. Um eine ausreichende Zuverlässigkeit des Sensors zu erreichen, wird daher oft ein an sich überdimensioniertes Sichtfeld verwendet bzw. ausgelesen, sodass auch bei Abweichungen in der Ausrichtung alle Objekte im relevanten Bereich erfasst werden. Dies führt zu hohen Kosten und/oder einer schlechteren Auflösung.
Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zur verbesserten Detektion von Objekten in einem Sichtfeld einer Lidar-Messvorrichtung zu schaffen. Insbesondere soll eine möglichst hohe Auflösung in einem relevanten Bereich erreicht werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Anpassungsvorrichtung zum Anpassen eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug, mit:

einer Nickwinkelschätzeinheit zum Ermitteln eines Nickwinkels des Fahrzeugs;
einer Bereichseinheit zum Ermitteln eines gewünschten Objekterkennungsbereichs in Bezug zu einer Ausrichtung des Fahrzeugs basierend auf dem Nickwinkel;
einer Auswahleinheit zum Ermitteln einer Auswahl von parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen von Sendeelementen einer Lidar-Sendeeinheit der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit der Lidar-Messvorrichtung basierend auf dem gewünschten Objekterkennungsbereich; und
einer Steuerschnittstelle zum Aktivieren der Auswahl von Zeilen von Sendeelementen der Lidar-Sendeeinheit und/oder Sensorelementen der Lidar-Empfangseinheit der Lidar-Messvorrichtung, um Objekte innerhalb des Objekterkennungsbereichs zu detektieren.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung eines Fahrzeugs, mit:

einer Lidar-Sendeeinheit mit einer Vielzahl an Sendeelementen zum Aussenden von Lichtpulsen und einer Lidar-Empfangseinheit mit einer Vielzahl von Sensorelementen zum Empfangen der Lichtpulse, wobei die Sendeelemente und die Sensorelemente in Zeilen angeordnet sind, die parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs verlaufen; und
einer Anpassungsvorrichtung wie zuvor definiert.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechend der Anpassungsvorrichtung ausgebildetes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens bewirkt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die Anpassungsvorrichtung, die Lidar-Messvorrichtung sowie das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend der für die Anpassungsvorrichtung bzw. die Lidar-Messvorrichtung in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
Der Nickwinkel eines Fahrzeugs kann sich während der Fahrt beispielsweise aufgrund der Beladung oder aufgrund eines Fahrmanövers (Bremsen, Beschleunigen etc.) ändern. Bei einem fest eingebauten Sensor in Focal Plane Array-Anordnung ist dieser in seiner Position bezüglich des Fahrzeugs fest. Um trotz der Nickbewegung Objekte im relevanten Bereich erkennen zu können, muss der Sichtbereich des Sensors in seiner vertikalen Ausdehnung ausreichend groß gewählt werden. Dies bewirkt, dass an sich irrelevante Bereiche ausgewertet werden, um im Falle einer Nickbewegung des Fahrzeugs immer noch den relevanten Bereich abzudecken. Ebenfalls ist es möglich, dass es bei der Herstellung oder bei der Anbringung des Sensors am Fahrzeug zu Ungenauigkeiten in der Ausrichtung kommt. Diese müssen ebenfalls durch ein an sich zu groß gewähltes vertikales Sichtfeld der Lidar-Sendeeinheit und der Lidar-Empfangseinheit kompensiert werden.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zunächst ein Nickwinkel des Fahrzeugs ermittelt wird. Dann wird basierend auf dem Nickwinkel ein gewünschter Objekterkennungsbereich ermittelt. Dieser Objekterkennungsbereich entspricht einem Teil des Sichtfelds der Lidar-Sendeeinheit bzw. der Lidar-Empfangseinheit. Der gewünschte Objekterkennungsbereich ist derjenige Teil des Sichtfelds, in dem Objekte mittels der Lidar-Messvorrichtung erkannt werden sollen. Insoweit stellt der Objekterkennungsbereich einen Bereich dar, innerhalb dessen Objekte erwartet werden. Ausgehend von dem ermittelten gewünschten Objekterkennungsbereich werden Zeilen von Sendeelementen und/oder Zeilen von Sensorelementen der Lidar-Messvorrichtung ausgewählt, die dann aktiviert werden, um Objekte innerhalb des Objekterkennungsbereichs zu detektieren. Demnach ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass nicht das komplette mögliche Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung aktiviert und ausgewertet wird, sondern lediglich ein Teil davon. Nicht benötigte Teile des Sichtfelds werden nicht verwendet.
Hierdurch kann Energie für das Aussenden der Lichtpulse (Laserleistung) und auch für die Informationsverarbeitung eingespart werden. Weiterhin kann ein Zeitbudget für einen Scanvorgang von nicht benötigten Zeilen eingespart werden. Es ist möglich, dass die dem Objekterkennungsbereich zugeordneten Zeilen von Sendeelementen bzw. Zeilen von Sensorelementen mit höherer Genauigkeit ausgewertet werden. Hierdurch kann eine Detektion dunkler Objekte (beispielsweise Hindernisse auf der Fahrbahn) verbessert werden. Insoweit ergibt sich durch die Erfindung eine verbesserte Detektionsgenauigkeit. Die Sicherheit autonom fahrender Fahrzeuge kann verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Anpassungsvorrichtung eine Umgebungssensorschnittstelle zum Empfangen von Umgebungssensordaten eines Umgebungssensors. Die Nickwinkelschätzeinheit ist zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf den Umgebungssensordaten ausgebildet. Die Umgebungssensordaten umfassen vorzugsweise Point-Cloud-Daten der Lidar-Messvorrichtung mit Informationen zu Objekten in einer Umgebung des Fahrzeugs. Als Umgebungssensordaten können beispielsweise Daten einer Kamera oder eines Radarsensors empfangen werden. Vorzugsweise werden Daten der Lidar-Messvorrichtung verarbeitet. Ausgehend von diesen Umgebungssensordaten kann der Nickwinkel ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine genaue Ermittlung des Nickwinkels des Fahrzeugs in Bezug zu der Umgebung des Fahrzeugs erfolgen kann. Eine präzise Ermittlung des Nickwinkels wird möglich. Bei der Verwendung der Daten der Lidar-Messvorrichtung ist es nicht notwendig, auf externe Daten zuzugreifen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Nickwinkelschätzeinheit zum Erkennen einer Horizontlage basierend auf den Umgebungssensordaten ausgebildet. Die Nickwinkelschätzeinheit ist weiterhin zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf der Horizontlage ausgebildet. Der Horizont wird erkannt. Beispielsweise kann hierzu detektiert werden, in welcher Ebene die Fahrbahn des Fahrzeugs in einer vorgegebenen Entfernung getroffen wird. Ebenfalls ist es möglich zu detektieren, ab welcher Höhe (ab welcher Zeile von Sensorelementen) keine Fahrbahn mehr detektiert wird. Es ergibt sich eine präzise und situationsadäquate Schätzung des Nickwinkels.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Nickwinkelschätzeinheit zum Erkennen eines Fahrbahnverlaufs in einem Nahbereich des Fahrzeugs basierend auf den Umgebungssensordaten ausgebildet. Weiterhin ist die Nickwinkelschätzeinheit zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf dem Fahrbahnverlauf ausgebildet. Die Fahrbahnerkennung erfolgt im Nahbereich des Fahrzeugs. Beispielsweise kann erkannt werden, in welcher Ebene des Sensors bzw. mit welcher Zeile von Sensorelementen die Fahrbahn in einem Nahbereich detektiert wird. Es ergibt sich eine zutreffende Schätzung des Nickwinkels, ohne auf externe Daten zugreifen zu müssen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Anpassungsvorrichtung eine Lagesensorschnittstelle zum Empfangen von Lagesensordaten eines Lagesensors an dem Fahrzeug. Die Nickwinkelschätzeinheit ist zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf den Lagesensordaten ausgebildet. Falls zusätzlich ein Lagesensor vorhanden ist, kann basierend auf dessen Daten eine Ermittlung des Nickwinkels erfolgen. Es ergibt sich eine einfach zu realisierende und präzise Schätzung des Nickwinkels. Rechenleistung kann eingespart werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Bereichseinheit zum Ermitteln des gewünschten Objekterkennungsbereichs basierend auf einem vordefinierten Winkelparameter ausgebildet. Beispielsweise kann der Objekterkennungsbereich einen festen Winkelbereich um eine Ebene parallel zur Fahrbahn beschreiben. Ebenfalls können nach oben und unten unterschiedliche Abweichungen im vordefinierten Winkelparameter definiert sein. Hierdurch ergibt sich eine einfach zu realisierende Ermittlung des gewünschten Objekterkennungsbereichs.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Lidar-Messvorrichtung ist die Lidar-Messvorrichtung zum Anbringen an ein Fahrzeug in einem Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs ausgebildet. Die Lidar-Messvorrichtung kann beispielsweise in eine Stoßstange des Fahrzeugs integriert sein. Hierdurch ergibt sich eine freie Sicht auf Objekte vor bzw. hinter dem Fahrzeug. Allerdings ist die Position an der Stoßstange anfällig gegenüber einer Nickbewegung des Fahrzeugs.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Lidar-Messvorrichtung weisen die Lidar-Sendeeinheit und die Lidar-Empfangseinheit ein vertikales Sichtfeld von 15° bis 25°, vorzugsweise 20°, auf. Eine Sichtfeldmitte des vertikalen Sichtfelds verläuft parallel zu der Horizontalebene (Längsebene) des Fahrzeugs. Durch ein vergleichsweise großes vertikales Sichtfeld der Lidar-Sendeeinheit und der Lidar-Empfangseinheit wird eine ausreichende Grundlage für eine Auswahl des Objekterkennungsbereichs geschaffen.
Unter einer Focal Plane Array-Anordnung versteht sich eine Konfiguration der Sensorelemente (bzw. der Sendeelemente) im Wesentlichen in einer Ebene. Eine Lidar-Empfangseinheit ist insbesondere ein Mikrochip mit den entsprechenden Sensorelementen. Eine Lidar-Sendeeinheit ist ebenfalls insbesondere ein Mikrochip mit den entsprechenden Sendeelementen. Die Empfangs- und Sendeeinheit können auch gemeinsam auf einem Mikrochip angeordnet sein. Die Sensorelemente sind auf einem Chip in Matrixform angeordnet. Die Sensorelemente sind über eine Fläche des Chips der Lidar-Empfangseinheit verteilt. Einem Sendeelement sind ein oder mehrere Sensorelemente zugeordnet. Unter einem Lichtpuls einer Lidar-Sendeeinheit wird insbesondere ein Puls von Laserlicht verstanden. Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahrzeugs. Der Nickwinkel (engl. pitch angle) ist der Lagewinkel des Fahrzeugs, der Nick- oder auch Stampfbewegung beschreibt bzw. quantifiziert. Der Nickwinkel quantifiziert eine Rotation um eine Querachse (Nickachse) des Fahrzeugs. Die Querachse ist die Körperachse, die quer zur normalen Bewegungsrichtung des Fahrzeuges steht. Die Horizontalebene des Fahrzeugs ist parallel zu einer Längs- und einer Querachse des Fahrzeugs.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Lidar-Messvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anpassungsvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines angepassten Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer Lidar-Sendeeinheit;
5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Lidar-Messvorrichtung; und
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lidar-Messvorrichtung 10 zum Detektieren eines Objekts 12 in einer Umgebung eines Fahrzeugs 14 dargestellt. Die Lidar-Messvorrichtung 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Fahrzeug 14 integriert. Das Objekt 12 in der Umgebung des Fahrzeugs 14 kann beispielsweise ein anderes Fahrzeug oder auch ein statisches Objekt (Verkehrsschild, Haus, Baum etc.) bzw. ein anderer Verkehrsteilnehmer (Fußgänger, Radfahrer etc.) sein. Die Lidar-Messvorrichtung 10 ist vorzugsweise im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 14 montiert und kann insbesondere die Umgebung des Fahrzeugs 14 vor dem Fahrzeug auswerten. Beispielsweise kann die Lidar-Messvorrichtung 10 in die vordere Stoßstange integriert sein.
Die erfindungsgemäße Lidar-Messvorrichtung 10 umfasst eine Lidar-Empfangseinheit 16 sowie eine Lidar-Sendeeinheit 18. Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung 10 eine Anpassungsvorrichtung 20 zum Anpassen eines Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung 10.
Vorzugsweise sind sowohl die Lidar-Empfangseinheit 16 als auch die Lidar-Sendeeinheit 18 in Focal Plane Array-Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der jeweiligen Vorrichtung sind im Wesentlichen in einer Ebene auf einem entsprechenden Chip angeordnet. Der Chip der Lidar-Empfangseinheit bzw. der Lidar-Sendeeinheit ist in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik (Sendeoptik oder Empfangsoptik) angeordnet. Insbesondere sind Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 bzw. Sendeelemente der Lidar-Sendeeinheit 18 im Brennpunkt der jeweiligen Empfangs- bzw. Sendeoptik angeordnet. Diese Optik kann beispielsweise durch ein optisches Linsensystem ausgebildet sein.
Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 sind vorzugsweise als SPAD (Single Photon Avalanche Diode) ausgebildet. Die Lidar-Sendeeinheit 18 umfasst mehrere Sendeelemente zum Aussenden von Laserlicht bzw. Laserpulsen. Die Sendeelemente sind vorzugsweise als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet. Die Sendeelemente der Lidar-Sendeeinheit 18 sind über eine Fläche eines Sendechips verteilt. Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 sind über eine Fläche des Empfangschips verteilt.
Dem Sendechip ist eine Sendeoptik zugewiesen, 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 der Lidar-Messvorrichtung 10, der auf Objekte 12 untersucht bzw. sensiert wird. Der Raumbereich der Lidar-Empfangseinheit 16 bzw. der Lidar-Sendeeinheit 18 ist im Wesentlichen identisch. Die Sendeoptik bildet ein Sendeelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs repräsentiert. Das Sendeelement sendet entsprechend Laserlicht in diesen Raumwinkel aus. Die Sendeelemente decken gemeinsam den gesamten Raumbereich ab. Die Empfangsoptik bildet ein Sensorelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Die Anzahl aller Sensorelemente deckt den gesamten Raumbereich ab. Sendeelemente und Sensorelemente, die denselben Raumwinkel betrachten, bilden aufeinander ab und sind entsprechend einander zugewiesen bzw. zugeordnet. Ein Laserlicht eines Sendeelements bildet im Normalfall immer auf das zugehörige Sensorelement ab. Günstigerweise sind mehrere Sensorelemente innerhalb des Raumwinkels eines Sendeelements angeordnet.
Zur Ermittlung bzw. Detektion von Objekten 12 innerhalb des Raumbereichs führt die Lidar-Messvorrichtung 10 einen Messvorgang durch. Ein solcher Messvorgang umfasst einen oder mehrere Messzyklen, je nach konstruktivem Aufbau des Messsystems und dessen Elektronik. Vorzugsweise wird hierbei in der Steuereinheit 20 ein TCSPC-Verfahren (Time Correlated Single Photon Counting Verfahren) verwendet.
Hierbei werden einzelne eintreffende Photonen detektiert, insbesondere durch eine SPAD, und der Zeitpunkt der Auslösung des Sensorelements (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 12 bestimmt werden kann.
Ein Sensorelement der Lidar-Empfangseinheit 16 kann einerseits von dem Laserlicht und andererseits von Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Ein Laserlicht trifft bei einem bestimmten Abstand des Objekts 12 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 Laufzeit des Laserlichts bezüglich der Entfernung des Objekts entspricht, auf. Demgegenüber verteilen sich die Auslösungen durch die Umgebungsstrahlung gleichmäßig über die Messdauer eines Messzyklus. 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 12 zu schließen.
Ein Sensorelement ist günstigerweise mit einem TDC (Time to Digital Converter) verbunden. Der TDC legt den Zeitpunkt des Auslösens des Sensorelements in dem Speicherelement ab. 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 detektieren. Dies lässt sich graphisch durch ein Histogramm darstellen, welches auf den Daten des Speicherelements basiert. Bei einem Histogramm ist die Dauer eines Messzyklus in sehr kurze Zeitabschnitte unterteilt (sogenannte Bins). Wird ein Sensorelement ausgelöst, so erhöht der TDC den Wert eines Bins um 1. Es wird der Bin aufgefüllt, welcher der Laufzeit des Laserpulses entspricht, also die Differenz zwischen Detektionszeitpunkt und Referenzzeitpunkt.
In der 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anpassungsvorrichtung 20 zum Anpassen eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung dargestellt. Die Anpassungsvorrichtung 20 umfasst eine Nickwinkelschätzeinheit 22, eine Bereichseinheit 24, eine Auswahleinheit 26 sowie eine Steuerschnittstelle 28. Die Anpassungsvorrichtung 20 kann zudem auch noch eine Umgebungssensorschnittstelle, über die Umgebungssensordaten eines Umgebungssensors empfangen werden können und/oder eine Lagesensorschnittstelle, über die Lagesensordaten eines Lagesensors empfangen werden können, umfassen (nicht dargestellt). Die verschiedenen Einheiten und Schnittstellen können einzeln oder kombiniert in Soft- und/oder in Hardware ausgeführt bzw. implementiert sein. Insbesondere können die Einheiten in Software implementiert sein, die auf einem Prozessor der Lidar-Messvorrichtung ausgeführt wird.
Die Nickwinkelschätzeinheit 22 kann beispielsweise zum Empfangen von Daten eines Lagesensors und/oder zum Empfangen von Daten eines Umgebungssensors und zum darauf basierenden Ermitteln des Nickwinkels des Fahrzeugs ausgebildet sein. Die Ermittlung bzw. Berechnung des Nickwinkels erfolgen dann mittels einer entsprechenden Auswertung. Vorzugsweise werden Point-Cloud-Daten der Lidar-Messvorrichtung ausgewertet, um beispielsweise eine Horizontlage, also einen Verlauf eines Horizonts, oder einen Fahrbahnverlauf, also eine Ausrichtung der Fahrbahn in einem Bereich vor dem Fahrzeug, zu ermitteln bzw. zu verfolgen.
Die Bereichseinheit 24 kann den Objekterkennungsbereich beispielsweise basierend auf einem vordefinierten Winkelparameter (der auch zweidimensional sein kann) ermitteln. Insbesondere kann der Winkelparameter dabei eine Abweichung von einer Ebene der Fahrbahn bzw. von einer Horizontebene nach oben und unten beschreiben.
Die Auswahleinheit 26 dient dazu, Zeilen von Sendeelementen und/oder Zeilen von Sensorelementen auszuwählen. Es ist sowohl möglich, dass nur Teile der Sendeelemente aktiviert werden, als auch dass nur Teile der Sensorelemente ausgelesen werden. Ebenfalls ist es möglich, dass sowohl Zeilen von Sendeelementen als auch Zeilen von Sensorelementen ausgewählt werden.
Über die Steuerschnittstelle 28 wird die entsprechende Auswahl von Zeilen aktiviert. Die Steuerschnittstelle 28 ist dazu ausgebildet, die Lidar-Messvorrichtung bzw. einen Prozessor der Lidar-Messvorrichtung entsprechend anzusteuern.
In der 3 ist schematisch dargestellt, wie sich das Sichtfeld 30 des Fahrzeugs 14 ändert, wenn das Fahrzeug 14 beispielsweise aufgrund eines Bremsvorgangs nickt. Auf der linken Seite ist das Fahrzeug 14 in einer normalen Ausrichtung dargestellt. In der dargestellten Schnittansicht kann die Lidar-Empfangseinheit 16 bzw. die Lidar-Sendeeinheit 18 beispielsweise ein vertikales Sichtfeld 30 von 20° aufweisen (Sichtfeld mit einem Öffnungswinkel von 20°). Die Sichtfeldmitte des vertikalen Sichtfelds verläuft parallel zu einer Längsachse L des Fahrzeugs 14 (parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs). Die Längsachse L verläuft deckungsgleich zu einer entsprechenden Achse L' des Bezugssystems (Horizontlinie). Die Hochachse H des Fahrzeugs 14 steht senkrecht auf der Fahrbahn und verläuft deckungsgleich zu einer entsprechenden Hochachse H' des Bezugssystems. In diesem Normalzustand des Fahrzeugs 14 kann die Lidar-Messvorrichtung 10 zwar Objekte innerhalb des gesamten Sichtfelds 30 detektieren, jedoch genügt eine Erfassung von Objekten innerhalb eines Objekterkennungsbereichs 32. Der Objekterkennungsbereich kann beispielsweise einen Bereich von ± 5° gegenüber der Horizontlinie umfassen. Der Objekterkennungsbereich 32 kann auch als aktives Sichtfeld bezeichnet werden.
Auf der rechten Seite der 3 ist die Situation dargestellt, wenn das Fahrzeug 14 eine Nickbewegung mit einem Nickwinkel N ausführt. Die Längsachse L bzw. die Hochachse H sind gegenüber den entsprechenden Achsen L', H' des Bezugssystems geneigt. Dadurch, dass die Lidar-Messvorrichtung 10 fest mit dem Fahrzeug 14 verbunden ist, ist das Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung bzw. der Lidar-Sendeeinheit und der Lidar-Empfangseinheit ebenfalls geneigt. Durch die erfindungsgemäße Anpassungsvorrichtung wird es möglich, den Objekterkennungsbereich 32 so auszuwählen, dass immer noch derselbe Bereich von ± 5° gegenüber der Horizontlinie als aktives Sichtfeld gewählt wird und Objekte innerhalb dieses Bereichs erkannt werden können. Das Sichtfeld 30 der Lidar-Messvorrichtung 10 wird sozusagen nur teilweise verwendet.
Die dargestellte Situation bei einem Bremsmanöver ist beispielhaft zu verstehen. Auch eine Beladung des Fahrzeugs 14 oder ein Toleranzfehler in der Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung 10 in das Fahrzeug führt dazu, dass eine Anpassung des Sichtfelds bzw. eine Auswahl eines Beobachtungsbereichs notwendig oder zielführend ist, wenn die Lidar-Messvorrichtung 10 ein ausreichend großes Sichtfeld aufweist.
In der 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lidar-Sendeeinheit 18 dargestellt. Die Lidar-Sendeeinheit 18 umfasst eine Vielzahl an Sendeelementen 34, die in einer Vielzahl von Zeilen Z₁-Z₆ angeordnet sind. In der Zeichnung sind aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich einige Zeilen bzw. eine Auswahl der Sendeelemente 34 dargestellt. Die Lidar-Sendeeinheit kann beispielsweise ein Array mit 128*128 Sendeelementen 34 umfassen.
Die Sendeelemente 34 sind zeilenweise aktivierbar. Dies bedeutet, dass alle Sendeelemente 34, die in derselben Zeile Z₁-Z₆ angeordnet sind, gleichzeitig aktiviert werden können.
Dadurch, dass die Lidar-Sendeeinheit 18 in Focal Plane Array-Anordnung ausgebildet ist und fest mit dem Fahrzeug verbunden ist bzw. in das Fahrzeug eingebaut ist, kann die Ausrichtung des Arrays der Lidar-Sendeeinheit 18 gegenüber dem Fahrzeug während des Betriebs nicht verändert werden. Wenn sich beim Einbau eine Toleranz ergibt oder wenn das Fahrzeug eine Nickbewegung ausführt, verändert sich demnach eine Ausrichtung der Lidar-Sendeeinheit gegenüber dem Bezugssystem (der Straße, dem Horizont etc.). Erfindungsgemäß wird nur eine Auswahl der Zeilen Z₁-Z₆ aktiviert, um hierdurch einerseits Energie zu sparen und andererseits die verbleibenden Zeilen des gewünschten Objekterkennungsbereichs in höherer Frequenz ansteuern zu können.
Es versteht sich, dass die Lidar-Empfangseinheit mit Sensorelementen entsprechend der Lidar-Sendeeinheit 18 ausgebildet ist. Üblicherweise sind die Lidar-Sendeeinheit 18 und die Lidar-Empfangseinheit 16 fest miteinander verbunden und vorzugsweise nebeneinander angeordnet, sodass sich die Ausrichtung beider ändert, wenn das Fahrzeug eine Bewegung ausführt. Analog zum Ansteuern der Sendeelemente 34 der Lidar-Sendeeinheit 18 können auch die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 zeilenweise ausgelesen werden. Hierdurch kann weiter Energie gespart werden bzw. die Auslesefrequenz erhöht werden.
In der 5 ist schematisch ein Fahrzeug 14 mit einer erfindungsgemäßen Lidar-Messvorrichtung 10 dargestellt. Neben der Lidar-Messvorrichtung 10 umfasst das Fahrzeug einen Umgebungssensor 36 sowie einen Lagesensor 38. Der Umgebungssensor 36 kann beispielsweise eine Kamera umfassen und außerhalb der Lidar-Messvorrichtung 10 angeordnet sein. Der Lagesensor 38 kann beispielsweise eine Inertialmesseinheit umfassen und ebenfalls außerhalb der Lidar-Messvorrichtung 10 im Fahrzeug 14 angeordnet sein.
In der 6 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anpassen eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug dargestellt. Das Fahrzeug umfasst Schritte des Ermittelns S10 eines Nickwinkels, des Ermittelns S12 eines gewünschten Objekterkennungsbereichs, des Ermittelns S14 einer Auswahl von Zeilen und des Aktivierens S16 der Auswahl von Zeilen. Das Verfahren kann beispielsweise in Software implementiert sein, die auf einem Prozessor einer Lidar-Messvorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
Bezugszeichenliste

10: Lidar-Messvorrichtung
12: Objekt
14: Fahrzeug
16: Lidar-Empfangseinheit
18: Lidar-Sendeeinheit
20: Anpassungsvorrichtung
22: Nickwinkelschätzeinheit
24: Bereichseinheit
26: Auswahleinheit
28: Steuerschnittstelle
30: Sichtfeld
32: Objekterkennungsbereich
34: Sendeelement
36: Umgebungssensor
38: Lagesensor

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

WO 2017/081294 A1 [0004]

Claims

Anpassungsvorrichtung (20) zum Anpassen eines Sichtfelds (30) einer Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14), mit: einer Nickwinkelschätzeinheit (22) zum Ermitteln eines Nickwinkels (N) des Fahrzeugs; einer Bereichseinheit (24) zum Ermitteln eines gewünschten Objekterkennungsbereichs (32) in Bezug zu einer Ausrichtung des Fahrzeugs basierend auf dem Nickwinkel; einer Auswahleinheit (26) zum Ermitteln einer Auswahl von parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen (Z₁-Z₆) von Sendeelementen (34) einer Lidar-Sendeeinheit (18) der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit (16) der Lidar-Messvorrichtung basierend auf dem gewünschten Objekterkennungsbereich; und einer Steuerschnittstelle (28) zum Aktivieren der Auswahl von Zeilen von Sendeelementen der Lidar-Sendeeinheit und/oder Sensorelementen der Lidar-Empfangseinheit der Lidar-Messvorrichtung, um Objekte (12) innerhalb des Objekterkennungsbereichs zu detektieren.
Anpassungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, mit einer Umgebungssensorschnittstelle zum Empfangen von Umgebungssensordaten eines Umgebungssensors (36), wobei die Nickwinkelschätzeinheit (22) zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf den Umgebungssensordaten ausgebildet ist; und die Umgebungssensordaten vorzugsweise Point-Cloud-Daten der Lidar-Messvorrichtung (10) mit Informationen zu Objekten (12) in einer Umgebung des Fahrzeugs (14) umfassen.
Anpassungsvorrichtung (20) nach Anspruch 2, wobei die Nickwinkelschätzeinheit (22) zum Erkennen einer Horizontlage basierend auf den Umgebungssensordaten ausgebildet ist; und zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf der Horizontlage ausgebildet ist.
Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Nickwinkelschätzeinheit (22) zum Erkennen eines Fahrbahnverlaufs in einem Nahbereich des Fahrzeugs (14) basierend auf den Umgebungssensordaten ausgebildet ist; und zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf dem Fahrbahnverlauf ausgebildet ist.
Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Lagesensorschnittstelle zum Empfangen von Lagesensordaten eines Lagesensors (38) an dem Fahrzeug (14), wobei die Nickwinkelschätzeinheit (22) zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf den Lagesensordaten ausgebildet ist.
Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bereichseinheit (24) zum Ermitteln des gewünschten Objekterkennungsbereichs (32) basierend auf einem vordefinierten Winkelparameter ausgebildet ist.
Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten (12) in einer Umgebung eines Fahrzeugs (14), mit: einer Lidar-Sendeeinheit (18) mit einer Vielzahl an Sendeelementen (34) zum Aussenden von Lichtpulsen und einer Lidar-Empfangseinheit (16) mit einer Vielzahl von Sensorelementen zum Empfangen der Lichtpulse, wobei die Sendeelemente und die Sensorelemente in Zeilen (Z₁-Z₆) angeordnet sind, die parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs verlaufen; und einer Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Lidar-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei die Lidar-Messvorrichtung zum Anbringen an ein Fahrzeug (14) in einem Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs ausgebildet ist.
Lidar-Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Lidar-Sendeeinheit (18) und die Lidar-Empfangseinheit (16) ein vertikales Sichtfeld (30) von 15° bis 25°, vorzugsweise 20°, aufweisen; und eine Sichtfeldmitte des vertikalen Sichtfelds parallel zu der Horizontalebene des Fahrzeugs (14) verläuft.
Verfahren zum Anpassen eines Sichtfelds (30) einer Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14), mit den Schritten: Ermitteln (S10) eines Nickwinkels des Fahrzeugs; Ermitteln (S12) eines gewünschten Objekterkennungsbereichs (32) in Bezug zu einer Ausrichtung des Fahrzeugs basierend auf dem Nickwinkel; Ermitteln (S14) einer Auswahl von parallel zu einer Horizontalebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen (Z₁-Z₆) von Sendeelementen (34) einer Lidar-Sendeeinheit (18) der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit (16) der Lidar-Messvorrichtung basierend auf dem gewünschten Objekterkennungsbereich; und Aktivieren (S16) der Auswahl von Zeilen von Sendeelementen der Lidar-Sendeeinheit und/oder Sensorelementen der Lidar-Empfangseinheit der Lidar-Messvorrichtung, um Objekte (12) innerhalb des Objekterkennungsbereichs zu detektieren.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 10, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.