DE102019211739A1

DE102019211739A1 - Lidar-Messsystem mit zwei Lidar-Messvorrichtungen

Info

Publication number: DE102019211739A1
Application number: DE102019211739.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG; Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2021-02-11
Also published as: WO2021023423A1; KR20220025894A; JP7323738B2; JP2022542041A; CN114174867A; EP4010737A1; US20220171030A1; CA3142265A1; IL290317A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidar-Messsystem (12) zum Detektieren eines Objekts (14) in einer Umgebung (16) eines Fahrzeugs (10), mit: einer ersten Lidar-Messvorrichtung (22), die zum Abtasten eines ersten Sichtfelds (18) mit einer ersten vertikalen Auflösung ausgebildet ist; und einer zweiten Lidar-Messvorrichtung (24), die zum Abtasten eines zweiten Sichtfelds (20) mit einer zweiten vertikalen Auflösung ausgebildet ist, wobei das zweite Sichtfeld in einer Vertikalrichtung innerhalb des ersten Sichtfelds liegt und einen Bereich einer Fahrbahn (15) vor dem Fahrzeug umfasst; und die zweite vertikale Auflösung höher als die erste vertikale Auflösung ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug (10) mit einem Lidar-Messystem (12) und ein Verfahren zum Detektieren eines Objekts (14) in einer Umgebung (16) eines Fahrzeugs (10),

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidar-Messsystem zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit einem Lidar-Messsystem sowie ein Verfahren zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs.
Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden.
Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtsignalen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Zudem ist die Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit möglich. Hierbei können sowohl unmodulierte Pulse auch frequenzmodulierte Signale (Chirps) verwendet werden. Durch eine Auswertung der empfangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der technischen Realisierung des Lidarsensors wird zwischen scannenden und nichtscannenden Systemen unterschieden. Ein scannendes System basiert dabei zumeist auf Mikrospiegeln und einer Abtastung der Umgebung mit einem Lichtspot, wobei man von einem koaxialen System spricht, wenn der gesendete und empfangene Lichtpuls über denselben Mikrospiegel abgelenkt werden. Bei nichtscannenden Systemen sind mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinanderliegend angeordnet (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung).
In diesem Zusammenhang werden in der WO 2018/127789 A1 Lidarsysteme und Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Objekten offenbart. In einer Implementierung kann das Lidarsystem einen oder mehrere Oberflächenwinkel eines Objekts basierend auf einer oder mehrerer zeitlicher Verzerrungen in reflektierten Signalen detektieren. In weiteren Ausführungsformen kann das Lidarsystem Objekte basierend auf Reflexionsfingerabdrücken, Oberflächenwinkelfingerabdrücken oder anderen gemessenen Eigenschaften identifizieren. Andere gemessene Eigenschaften können dabei die Oberflächenzusammensetzung eines Objekts, die Umgebungsbeleuchtung, Detektionsunterschiede zwischen mehreren Abtastzeitpunkten und Konfidenzwerte mehrerer Detektionscharakteristika umfassen.
Eine Herausforderung im Bereich der Lidar-Systeme liegt in der Detektion von kleineren, dunklen und/oder weit entfernten Objekten, wobei besonders auf der Fahrbahn liegende Objekte relevant sind. Beispielsweise müssen Reifen, tote Tiere oder verlorene Ladungsteile möglichst bereits bei Entfernungen von über 100 m erfasst werden. Oft hat ein scannender Lidar-Sensor mit einer Auflösung beziehungsweise einem Spotabstand von jeweils 0,1° in Horizontal- und Vertikalrichtung bereits Schwierigkeiten beim Detektieren eines auf der Straße liegenden Reifens in einem Abstand von 50 m, obwohl die Auflösung grundsätzlich ausreichend wäre. Dies ist einerseits dadurch bedingt, dass schwarze Objekte eine sehr geringe Reflektivität aufweisen und andererseits auf der Straße liegende Objekte in Vertikalrichtung zumeist nur eine relativ geringe Ausdehnung aufweisen. Wenn ein Reifen in eine Lücke im Detektionsgrid, also in eine Lücke zwischen zwei Zeilen von Lichtspots, fällt, kann eine zuverlässige Detektion nicht gewährleistet werden.
Der Ansatz des Verwendens einer höheren Auflösung stellt hohe Anforderungen an das Scansystem und bedingt oft eine unzureichende Aktualisierungsrate, da die erfassten Daten nicht in ausreichender Geschwindigkeit weiterverarbeitet werden können. Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung größerer Spots. Dies hat jedoch den Nachteil, dass gerade in hellen Umgebungen (Sonnenlicht, Tageslicht) das Signal-zu-Rausch-Verhältnis gering wird und eine zuverlässige Objekterkennung erschwert wird.
Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zum verbesserten Detektieren von Hindernissen bereitzustellen. Insbesondere soll es ermöglicht werden, auf der Straße liegende Objekte im Bereich vor einem Fahrzeug mit höherer Zuverlässigkeit zu erfassen. Auch entfernte, dunkle und/oder flache Objekte sollen möglichst zuverlässig erfasst werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Lidar-Messsystem zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs, mit:

einer ersten Lidar-Messvorrichtung, die zum Abtasten eines ersten Sichtfelds mit einer ersten vertikalen Auflösung ausgebildet ist; und
einer zweiten Lidar-Messvorrichtung, die zum Abtasten eines zweiten Sichtfelds mit einer zweiten vertikalen Auflösung ausgebildet ist, wobei
das zweite Sichtfeld in einer Vertikalrichtung innerhalb des ersten Sichtfelds liegt und einen Bereich einer Fahrbahn vor dem Fahrzeug umfasst; und
die zweite vertikale Auflösung höher als die erste vertikale Auflösung ist.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einem Lidar-Messsystem wie zuvor beschrieben
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechend dem Lidar-Messsystem ausgebildetes Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Zudem betrifft ein Aspekt der Erfindung 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 das Fahrzeug, das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend den für das Lidar-Messsystem in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß wird ein Lidar-Messsystem mit zwei Lidar-Messvorrichtungen vorgeschlagen. Beide Lidar-Messvorrichtungen tasten jeweils ein Sichtfeld ab, wobei das zweite Sichtfeld zumindest in einer Vertikalrichtung innerhalb des ersten Sichtfelds liegt und einen Bereich einer Fahrbahn vor dem Fahrzeug umfasst. Das zweite Lidar-Messsystem bietet eine höhere Auflösung in Vertikalrichtung als das erste Lidar-Messsystem. Insoweit wird vorgeschlagen, einen Teil des Sichtfelds in Vertikalrichtung mittels zweier Lidar-Messvorrichtungen abzutasten. Insbesondere der Teil des Sichtfelds beziehungsweise der Teil der Umgebung des Fahrzeugs, der die Fahrbahn vor dem Fahrzeug umfasst, wird doppelt abgetastet. Hierbei hat die zusätzliche Abtastung durch die zweite Lidar-Messvorrichtung eine höhere Auflösung als die Abtastung durch die erste Lidar-Messvorrichtung. Die Straße vor dem Fahrzeug wird hochauflösender abgetastet als der Rest der Umgebung.
Hierdurch wird es möglich, dass auf der Straße liegende flache Objekte mit höherer Zuverlässigkeit detektiert werden. Die Reichweite zum Detektieren derartiger Objekte kann vergrößert werden, sodass die Sicherheit des Fahrzeugs beim Fahren basierend auf einer Auswertung der detektierten Objekte verbessert werden kann. Kollisionen mit auf der Straße liegenden Objekten können vermieden werden. Die Gefahr, die von auf der Straße liegenden Objekten ausgeht, wird vermindert.
Vorzugsweise ist die erste Lidar-Messvorrichtung dabei als scannende Lidar-Messvorrichtung mit einer 2D-Scannereinheit ausgebildet. Insbesondere kann ein Mikrospiegel, der mittels eines entsprechenden mikroelektromechanischen Systems (MEMS) oder mittels eines Galvanometers betrieben wird, für die 2D-Scannereinheit verwendet werden. Ein Mikrospiegel tastet das Sichtfeld zeilenweise ab. Hierdurch kann eine hohe Auflösung bei hohen Aktualisierungsraten realisiert werden. Eine zuverlässige Objekterkennung von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs wird erreicht.
Vorzugsweise umfasst die zweite Lidar-Messvorrichtung eine Empfangseinheit in Focal Plane Array-Anordnung. Es wird ein Sensor verwendet, bei dem der Empfang über mehrere in einem Raster angeordnete Empfangselemente funktioniert. Hierbei kann insbesondere eine zeilenweise aktivierbare beziehungsweise zeilenweise auslesbare Empfangseinheit verwendet werden. Eine derartige Focal Plane Array-Anordnung erlaubt eine Umsetzung hoher Aktualisierungsraten und hohe Auflösungen. Es kann eine zuverlässige Detektion von auf der Straße liegenden Objekten erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Lidar-Messsystem eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines Eingangssignals mit Informationen zu einer Lage der Fahrbahn in Bezug zu dem Lidar-Messsystem. Die zweite Lidar-Messvorrichtung ist zum Anpassen des zweiten Sichtfelds basierend auf dem Eingangssignal ausgebildet. In anderen Worten wird das Sichtfeld der zweiten Lidar-Messvorrichtung basierend auf einem Verlauf der Fahrbahn vor dem Fahrzeug angepasst. Unter einer Anpassung versteht sich dabei insbesondere eine Anpassung der Größe und Ausrichtung des Sichtfelds in Vertikalrichtung. Beispielsweise kann eine unebene Straße ein in Vertikalrichtung vergrößertes Sichtfeld erforderlich machen oder können eine Steigung bzw. ein Gefälle der Straße sowie eine übermäßige Fahrzeugbeladung eine angepasste Ausrichtung notwendig machen. Die Anpassung kann dabei insbesondere dynamisch beziehungsweise ständig erfolgen. Durch die Verwendung eines Eingangssignals kann insoweit eine Optimierung des zweiten Sichtfelds erfolgen. Die erforderliche Prozessorleistung wird minimiert und die Zuverlässigkeit kann verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Lidar-Messvorrichtung zum Auswählen von aktiven Zellen der Empfangseinheit basierend auf dem Eingangssignal ausgebildet. Insbesondere ist es möglich, eine Empfangseinheit in Focal Plane Array-Anordnung durch Auswählen von aktiven Zeilen an aktuelle Anforderungen anzupassen. Je nachdem, welcher Teil des Sichtfelds relevant ist, werden die entsprechenden Zeilen der Empfangseinheit aktiviert. Es werden nur Daten ausgewertet, die einem relevanten Bereich entsprechen. Hierdurch kann die Aktualisierungsfrequenz erhöht werden und eine zuverlässige Detektion von Objekten auf der Fahrbahn erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines Umgebungssensorsignals eines Umgebungssensors als Eingangssignal ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines Lagesensorsignals eines Lagesensors als Eingangssignal ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Kartendaten einer Kartendatenbank als Eingangssignal ausgebildet. Weiterhin zusätzlich oder alternativ ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines Ausgangssignals der ersten Lidar-Messvorrichtung als Eingangssignal ausgebildet. Als Eingangssignal können unterschiedliche Parameter verwendet werden, die eine Aussage über einen Verlauf der Fahrbahn in Bezug zu dem Lidar-Messsystem ermöglichen. Es versteht sich, dass auch mehrere verschiedene Eingangssignale verwendet werden können, um das zweite Sichtfeld anzupassen. Je nach aktueller Situation wird ein für diese Situation angepasstes bzw. optimiertes zweites Sichtfeld verwendet. Eine zuverlässige Erkennung auf der Straße liegender Objekte wird realisiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Lidar-Messeinheit zum Anpassen einer vertikalen Ausdehnung des zweiten vertikalen Sichtfelds basierend auf dem Eingangssignal ausgebildet. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, eine vertikale Ausdehnung ausgehend von dem Eingangssignal zu verändern beziehungsweise anzupassen. Beispielsweise kann eine unebene Straße ein größeres vertikales Sichtfeld erforderlich machen. Eine Optimierung hinsichtlich der auszuwertenden Daten bzw. der aktuellen Situation wird erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Lidar-Messvorrichtung zum Ermitteln einer Horizontlinie basierend auf dem Eingangssignal und zum Anpassen des zweiten Sichtfelds basierend auf der Horizontlinie ausgebildet. Es ist möglich, dass eine Horizontlinie detektiert wird, beispielsweise basierend auf einem Signal einer Kamera, und dass dann ausgehend von dieser Horizontlinie das zweite Sichtfeld so ausgerichtet wird, dass ein Bereich unterhalb der Horizontlinie abgebildet wird, in dem die Fahrbahn verläuft. Es versteht sich, dass die Horizontlinie anhand der ersten oder zweiten Lidar-Messeinheit ermittelt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erste Sichtfeld einen vertikalen Winkel zwischen 20° und 30°, vorzugsweise 25°. Die erste vertikale Auflösung beträgt zwischen 0,2° und 0,8°, vorzugsweise höchstens 0,4°. Zusätzlich oder alternativ umfasst das zweite Sichtfeld einen vertikalen Winkel zwischen 1° und 15°, vorzugsweise 5° bis 8°. Die zweite vertikale Auflösung liegt zwischen 0,05° und 0,15°, vorzugsweise 0,1°. Das erste Sichtfeld umfasst insoweit einen vertikalen Winkel, der einem Mehrfachen des vertikalen Winkels des zweiten Sichtfelds entspricht. Ein derart großer Winkel ist notwendig, um eine zuverlässige Detektion von möglicherweise relevanten Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs sicherzustellen. Das zweite Sichtfeld umfasst einen wesentlich kleineren vertikalen Winkel, der ausreicht, um die Fahrbahnoberfläche zu beobachten. Allerdings kann innerhalb dieses wesentlich kleineren vertikalen Winkels eine höhere Auflösung verwendet werden. Insoweit wird eine Verwendung einer angepassten Auflösung in unterschiedlichen Bereichen vor dem Fahrzeug vorgeschlagen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine erste Abtastrate der ersten Lidar-Messvorrichtung kleiner als eine zweite Abtastrate der zweiten Lidar-Messvorrichtung. Dabei liegt die erste Abtastrate zwischen 10 Hz und 15 Hz, vorzugsweise bei 12,5 Hz. Die zweite Abtastrate liegt zwischen 20 Hz und 70 Hz, vorzugsweise zwischen 25 Hz und 50 Hz. Insbesondere kann die zweite Lidar-Messvorrichtung zusätzlich zur höheren Auflösung auch eine höhere Abtastrate verwenden. Hierdurch kann eine bessere Verfolgung von auf der Straße liegenden Objekten gewährleistet werden. Die Zuverlässigkeit bei der Objektdetektion wird verbessert und die Sicherheit eines basierend auf dem Lidar-Messsystem autonom oder teilautonom operierenden Fahrzeugs wird erhöht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das zweite Sichtfeld mindestens zwischen 20 und 100 Zeilen, vorzugsweise 50 bis 80 Zeilen. Insbesondere wird ein zeilenweise arbeitendes System verwendet. Wenn mindestens 40 bis 50 Zeilen vorgesehen sind, kann eine ausreichende Sicherheit bei der Detektion von auf der Straße liegenden Objekten erreicht werden.
Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahrzeugs. Ein Objekt kann ein statisches Objekt, wie beispielsweise ein Haus, ein Baum oder ein Verkehrszeichen sein. Ein Objekt kann ebenfalls ein dynamisches Objekt, wie beispielsweise ein anderes Fahrzeug oder ein Fußgänger, sein. Ein Sichtbereich beziehungsweise ein Sichtfeld einer Lidar-Messvorrichtung entspricht einem von der Lidar-Messvorrichtung einsehbaren Bereich. Insbesondere ist ein Sichtfeld durch eine Angabe eines Winkels in Vertikalrichtung und eines Winkels in Horizontalrichtung festgelegt. Ein vertikales Sichtfeld bzw. ein vertikaler Sichtbereich kann durch eine Angabe eines Winkels in Vertikalrichtung in Bezug auf das Fahrzeug bzw. auf die Lidar-Messvorrichtung festgelegt werden. Eine Auflösung einer Lidar-Messvorrichtung entspricht einer Angabe an Punkten beziehungsweise Zeilen und Spalten pro Winkelbereich. Jeder Punkt wird pro Abtastvorgang einmal ausgelesen. Ein Bereich einer Fahrbahn entspricht insbesondere dem Teil eines Sichtfelds, in dem die Fahrbahn verläuft, insbesondere dem Teil des Sichtfelds, in dem die Fahrbahn in einem Bereich zwischen 50 und 150 m vor dem Fahrzeug verläuft. Unter einer Lage einer Fahrbahn versteht sich insbesondere eine Angabe einer Ausrichtung der Fahrbahn in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem. Beispielsweise kann ein Winkel einer Fahrbahnebene gegenüber einer Horizontalebene des Fahrzeugs einer Lage der Fahrbahn entsprechen. Es versteht sich, dass auch umfangreichere Angaben eine Lage der Fahrbahn beschreiben können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem Lidar-Messsystem;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lidar-Messsystems;
3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer weiteren Ausführungsform eines Lidar-Messsystems;
4 eine schematische Darstellung einer scannenden Lidar-Messvorrichtung mit einer 2D-Scannereinheit;
5 eine schematische Darstellung einer Empfangseinheit einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung; und
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 mit einem Lidar-Messsystem 12 zum Detektieren eines Objekts 14 in einer Umgebung 16 des Fahrzeugs 10 dargestellt. Die Darstellung entspricht einer seitlichen Schnittansicht. Das Lidar-Messsystem 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Fahrzeug 10 integriert. Beispielsweise kann das Lidar-Messsystem 12 im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 10 montiert sein und dazu ausgebildet sein, Objekte vor dem Fahrzeug 10 innerhalb eines Sichtfelds zu detektieren. In der Darstellung ist die Ausdehnung des Sichtfelds in Vertikalrichtung durch gestrichelte Linien angedeutet. Das Objekt 14 in der Umgebung 16 des Fahrzeugs 10 kann beispielsweise ein auf der Fahrbahn 15 liegender Autoreifen oder ein anderes Hindernis sein.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Lidar-Messsystem 12 zwei Lidar-Messvorrichtungen umfasst, die das Sichtfeld abtasten. Dabei wird ein erstes Sichtfeld 18 durch die erste Lidar-Messvorrichtung abgetastet und ein zweites Sichtfeld 20 durch die zweite Lidar-Messvorrichtung abgetastet. Das zweite Sichtfeld 20 liegt in Vertikalrichtung innerhalb des ersten Sichtfelds 18. Das zweite Sichtfeld 20 umfasst den Bereich der Fahrbahn 15 vor dem Fahrzeug 10. Insoweit wird mittels der zweiten Lidar-Messvorrichtung eine Detektion von Objekten 14, die auf der Fahrbahn 15 liegen, ermöglicht. Die Auflösung der zweiten Lidar-Messvorrichtung innerhalb des zweiten Sichtfelds ist höher als die Auflösung der ersten Lidar-Messvorrichtung innerhalb des (größeren) ersten Sichtfelds. Insbesondere ist eine vertikale Auflösung, also eine Auflösung in Vertikalrichtung, dabei relevant. Unter einer Auflösung in Vertikalrichtung wird insbesondere eine Anzahl von Zeilen pro Winkel verstanden.
In der 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Lidar-Messsystem 12 dargestellt. Das Lidar-Messsystem 12 umfasst eine erste Lidar-Messvorrichtung 22 sowie eine zweite Lidar-Messvorrichtung 24.
Die erste Lidar-Messvorrichtung 22 kann insbesondere als scannende Lidar-Messvorrichtung mit einer 2D-Scannereinheit ausgebildet sein. Durch eine derartige Lidar-Messvorrichtung kann ein vergleichsweise großer Bereich in einer hohen Auflösung abgebildet werden. Allerdings können flache Objekte von dem ausgesendeten Lichtsignal beziehungsweise Lasersignal verfehlt werden, wenn sich die Position des Objekts zwischen zwei Abtastzeitpunkten ändert. Das Objekt kann also systematisch in Lücken zwischen einzelnen Zeilen fallen. Abgesehen hiervon kann es aufgrund des Zeitfaktors bei einem sequentiellen Scannen mehrerer Zeilen und Spalten ebenfalls dazu kommen, dass kleinere Objekte nicht getroffen werden. Beispielsweise kann für ein kleines Objekt wie einen Reifen der entsprechende Bereich des Sichtfelds nur alle 5 bis 10 ms in einem 40 ms-Scan-Frame getroffen werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Lichtsignal nicht zum richtigen Zeitpunkt auf das Objekt gerichtet ist, ist vergleichsweise hoch.
Die zweite Lidar-Messvorrichtung 24 dient dazu, den Bereich des Sichtfelds, der die Fahrbahn umfasst, mit höherer Auflösung abzutasten und so eine Objekterfassung darin befindlicher Objekte zu verbessern. Hierzu weist die zweite Lidar-Messvorrichtung ein kleineres zweites vertikales Sichtfeld auf, in dem jedoch eine höhere Auflösung realisiert wird. Die zweite Lidar-Messvorrichtung kann dabei vorteilhafterweise eine Empfangseinheit in Focal Plane Array-Anordnung umfassen. Hierbei ist es möglich, dass eine zeilenweise Auslesung stattfindet, wobei jeweils eine vollständige Zeile zu einem Zeitpunkt erfasst wird. Hierdurch kann eine höhere Abtastfrequenz realisiert werden.
Ein möglicher Öffnungswinkel des zweiten Sichtfelds in Vertikalrichtung kann beispielsweise basierend auf einer geometrischen Betrachtung einer Einbauhöhe des Lidar-Messsystems 12 über der Fahrbahn 15 (beispielsweise 0,5 m) sowie einer Betrachtung der abzudeckenden Distanz (beispielsweise 10 m) erfolgen. Ausgehend von diesen Werten ergibt sich beispielsweise ein Winkel in Vertikalrichtung des zweiten Sichtfelds von 2,8°. Eine benötigte Winkelauflösung für die zweite Lidar-Messvorrichtung kann ausgehend von einer Höhe des Objekts in Vertikalrichtung und einem Abstand des Objekts bestimmt werden. Beispielsweise ergibt sich für eine Objekthöhe von 20 cm und einen Abstand von 100 m eine benötigte Winkelauflösung von 0,11°. Ausgehend von einer solchen Betrachtung und vergleichbaren Berechnungen kann eine entsprechende Auflösung bestimmt werden.
In der 3 ist schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 10 dargestellt. Das Lidar-Messsystem 12 des Fahrzeugs 10 ist dabei auf der rechten Seite in einer vergrößerten Ansicht zur besseren Übersichtlichkeit dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Lidar-Messsystem 12 neben der ersten Lidar-Messvorrichtung 22 und der zweiten Lidar-Messvorrichtung 24 eine Eingangsschnittstelle 26, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal mit Informationen zu einem Verlauf beziehungsweise einer Lage der Fahrbahn in Bezug zu dem Lidar-Messsystem 12 zu empfangen. Ausgehend von diesem Eingangssignal kann eine Anpassung des zweiten Sichtfelds erfolgen. Insbesondere können die Ausrichtung des zweiten Sichtfelds im Vergleich zum ersten Sichtfeld sowie eine Größe des zweiten Sichtfelds in Vertikalrichtung angepasst werden.
Als Eingangssignal für die Anpassung kann beispielsweise ein Sensorsignal eines Lagesensors 28 innerhalb des Fahrzeugs 10 verwendet werden. Zudem ist es möglich, dass ein Umgebungssensorsignal eines Umgebungssensors 30 des Fahrzeugs verwendet wird. Beispielsweise kann ein Signal eines Radar-, Lidar-, Ultraschall- oder Kamerasensors am Fahrzeug 10 verwendet werden.
Ebenfalls ist es möglich und vorteilhaft, dass als Eingangssignal ein Signal des Lidar-Messsystems bzw. der ersten oder zweiten Lidar-Messvorrichtung selbst verwendet wird. Basierend auf einem derartigen Signal eines Umgebungssensors kann ein Verlauf beziehungsweise eine Lage der Fahrbahn detektiert werden. Insbesondere kann über Algorithmen der Bildauswertung eine Lage einer Horizontlinie ermittelt werden. Darauf basierend ist es dann möglich, das zweite Sichtfeld entsprechend anzupassen. Weiterhin ist es möglich, als Eingangssignal Kartendaten einer Kartendatenbank 32 zu verwenden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kartendatenbank 32 dabei eine entfernte Datenbank, die beispielsweise als Internet-Datenbank eines entsprechenden Dienstanbieters ausgebildet sein kann. Zum Kommunizieren mit dieser Kartendatenbank 32 umfasst das Fahrzeug 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mobilkommunikationseinheit 33. Es versteht sich, dass es aber auch möglich ist, dass die Kartendatenbank innerhalb des Fahrzeugs, beispielsweise in einem Fahrzeugnavigationssystem, angeordnet ist. Zum Kommunizieren mit den verschiedenen Einheiten kann das Lidar-Messsystem beispielsweise an ein Bussystem des Fahrzeugs 10 angebunden sein.
In der 4 ist schematisch ein Beispiel für eine erste Lidar-Messvorrichtung 22 dargestellt. Die erste Lidar-Messvorrichtung 22 umfasst einen Sender 34 zum Aussenden eines Lichtsignals und einen Empfänger 36 zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt. Der Sender 34 ist insbesondere als Laserquelle ausgebildet. Einerseits ist es möglich, dass ein gepulstes Signal verwendet wird. Andererseits kann auch ein frequenzmoduliertes Signal (Chirp-Signal) verwendet werden. Der Empfänger 36 entspricht insbesondere einem Fotodetektor, der dazu ausgebildet ist, das Lichtsignal nach der Reflexion am Objekt zu empfangen und hierdurch eine Detektion des Objekts zu ermöglichen.
Weiterhin umfasst die erste Lidar-Messvorrichtung 22 eine 2D-Scannereinheit 38, um das Sichtfeld der ersten Lidar-Messvorrichtung 22 abzutasten. Die 2D-Scannereinheit 38 kann insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass ein Galvanometer verwendet wird. Ein Mikrospiegel wird angesteuert, um das Lichtsignal an unterschiedliche Positionen auszusenden und entsprechend Detektionen der unterschiedlichen Positionen zu empfangen. Insbesondere wird dabei ein erstes Sichtfeld der ersten Lidar-Messvorrichtung 22 zeilenweise abgetastet. Es gibt insoweit eine schnelle Horizontalachse und eine langsamere Vertikalachse, die jeweils von zugehörigen Aktoren ansteuerbar sind. Die 2D-Scannereinheit 38 bietet insbesondere eine entsprechende Steuerschnittstelle, um die vertikale und horizontale Bewegung des Spiegels ansteuern zu können. Insbesondere kann für die Achsen festgelegt werden, welcher Winkel zwischen zwei Zeilen bzw. Spalten verwendet werden soll. Beispielsweise kann eine erste Auflösung 0,1 ° x 0,1 ° in Horizontal- und Vertikalrichtung betragen. Der Zeilenabstand entspricht insoweit einer Winkelangabe.
Weiterhin umfasst die erste Lidar-Messvorrichtung 22 eine Kombinationseinheit 40. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kombinationseinheit 40 als Zirkulator ausgebildet. Ebenfalls ist es möglich, dass die Kombinationseinheit 40 einem Beamsplitter entspricht. Die Verwendung eines Beamsplitters hat den Nachteil, dass ein Signalanteil verloren geht. Allerdings ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit und hinsichtlich des Fertigungsaufwands.
Dadurch, dass für das gesendete Lichtsignal und für das empfangene Lichtsignal zwischen 2D-Scannereinheit 38 und Kombinationseinheit 40 derselbe Pfad verwendet wird, wird die dargestellte erste Lidar-Messvorrichtung 22 auch als Koaxiallidar-Messvorrichtung bzw. als Lidar-Messvorrichtung in Koaxialbauweise bezeichnet.
In der 5 ist eine Empfangseinheit 42 einer zweiten Lidar-Messvorrichtung schematisch illustriert. Die Empfangseinheit 42 ist in Focal Plane Array-Konfiguration ausgebildet und umfasst mehrere einzelne Empfangselemente 44, die im Wesentlichen in einer Ebene auf einem entsprechenden Chip in mehreren Zeilen Z1, Z2, Z3 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die erste Lidar-Messvorrichtung 22 eine entsprechend ausgebildete Sendeeinheit umfasst, die ebenfalls in Focal Plane Array-Konfiguration ausgebildet sein kann. Eine zeilenweise Auslesung ist möglich. Zudem ist es möglich, eine Anpassung des zweiten Sichtfelds dadurch vorzunehmen, dass die Zeilen nur teilweise aktiviert bzw. ausgelesen werden.
In der 6 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs dargestellt. Das Verfahren umfasst Schritte des Abtastens S10 eines ersten Sichtfelds und des Abtastens S12 eines zweiten Sichtfelds.32 Das Verfahren kann beispielsweise in Software implementiert sein, die auf einem Mikroprozessor eines Fahrzeugsteuergeräts oder eines Lidar-Messsystems ausgeführt wird. Insbesondere kann das Verfahren als Steuerungssoftware eines Lidar-Messsystems verwendet werden.
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. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Lidar-Messsystem
14: Objekt
15: Fahrbahn
16: Umgebung
18: erstes Sichtfeld
20: zweites Sichtfeld
22: erste Lidar-Messvorrichtung
24: zweite Lidar-Messvorrichtung
26: Eingangsschnittstelle
28: Lagesensor
30: Umgebungssensor
32: Kartendatenbank
33: Mobilkommunikationseinheit
34: Sender
36: Empfänger
38: 2D-Scannereinheit
40: Kombinationseinheit
42: Empfangseinheit
44: Empfangselement

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 2018/127789 A1 [0004]

Claims

Lidar-Messsystem (12) zum Detektieren eines Objekts (14) in einer Umgebung (16) eines Fahrzeugs (10), mit: einer ersten Lidar-Messvorrichtung (22), die zum Abtasten eines ersten Sichtfelds (18) mit einer ersten vertikalen Auflösung ausgebildet ist; und einer zweiten Lidar-Messvorrichtung (24), die zum Abtasten eines zweiten Sichtfelds (20) mit einer zweiten vertikalen Auflösung ausgebildet ist, wobei das zweite Sichtfeld in einer Vertikalrichtung innerhalb des ersten Sichtfelds liegt und einen Bereich einer Fahrbahn (15) vor dem Fahrzeug umfasst; und die zweite vertikale Auflösung höher als die erste vertikale Auflösung ist.
Lidar-Messsystem (12) nach Anspruch 1, wobei die erste Lidar-Messvorrichtung (22) als scannende Lidar-Messvorrichtung mit eine 2D-Scannereinheit (38) ausgebildet ist.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Lidar-Messvorrichtung (24) eine Empfangseinheit (42) in Focal Plane Array-Anordnung umfasst.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Eingangsschnittstelle (26) zum Empfangen eines Eingangssignals mit Informationen zu einer Lage der Fahrbahn (15) in Bezug zu dem Lidar-Messsystem, wobei die zweite Lidar-Messvorrichtung (24) zum Anpassen des zweiten Sichtfelds (20) basierend auf dem Eingangssignal ausgebildet ist.
Lidar-Messsystem (12) nach Ansprüchen 3 und 4, wobei die zweite Lidar-Messvorrichtung (24) zum Auswählen von aktiven Zeilen (Z1, Z2, Z3) der Empfangseinheit (42) basierend auf dem Eingangssignal ausgebildet ist.
Lidar Messsystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Eingangsschnittstelle (26) zum Empfangen eines Umgebungssensorsignals eines Umgebungssensors (30) als Eingangssignal ausgebildet ist; zum Empfangen eines Lagesensorsignals eines Lagesensors (28) als Eingangssignal ausgebildet ist; zum Empfangen von Kartendaten einer Kartendatenbank (32) als Eingangssignal ausgebildet ist; und/oder zum Empfangen eines Ausgangssignals der ersten Lidar-Messvorrichtung (22) als Eingangssignal ausgebildet ist.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die zweite Lidar-Messeinheit (24) zum Anpassen einer vertikalen Ausdehnung des zweiten Sichtfelds (20) basierend auf dem Eingangssignal ausgebildet ist.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die zweite Lidar-Messvorrichtung (24) zum Ermitteln einer Horizontlinie basierend auf dem Eingangssignal und zum Anpassen des zweiten Sichtfelds (20) basierend auf der Horizontlinie ausgebildet ist.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Sichtfeld (18) einen vertikalen Winkel zwischen 20° und 30° umfasst, vorzugsweise 25°, und die erste vertikale Auflösung zwischen 0,2° und 0,8° beträgt, vorzugsweise höchstens 0,4°; und/oder das zweite Sichtfeld (20) einen vertikalen Winkel zwischen 1° und 15°umfasst, vorzugsweise 5° bis 8°, und die zweite vertikale Auflösung zwischen 0,05° und 0,15° liegt, vorzugsweise 0,1°.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine erste Abtastrate der ersten Lidar-Messvorrichtung (22) kleiner ist als eine zweite Abtastrate der zweiten Lidar-Messvorrichtung (24), die erste Abtastrate zwischen 10 Hz und 15 Hz liegt, vorzugsweise bei 12,5 Hz, und die zweite Abtastrate zwischen 20 Hz und 70 Hz liegt, vorzugsweise zwischen 25 Hz und 50 Hz.
Lidar-Messsystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Sichtfeld mindestens zwischen 20 und 100 Zeilen umfasst, vorzugsweise 50 bis 80 Zeilen.
Fahrzeug (10) mit einem Lidar-Messystem (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Detektieren eines Objekts (14) in einer Umgebung (16) eines Fahrzeugs (10), mit den Schritten: Abtasten (S10) eines ersten Sichtfelds (18) mit einer ersten Lidar-Messvorrichtung (22) mit einer ersten vertikalen Auflösung; und Abtasten (S12) eines zweiten Sichtfelds (20) einer zweiten Lidar-Messvorrichtung (24) mit einer zweiten vertikalen Auflösung, wobei das zweite Sichtfeld in einer Vertikalrichtung innerhalb des ersten Sichtfelds liegt und einen Bereich einer Fahrbahn (15) vor dem Fahrzeug umfasst; und die zweite vertikale Auflösung höher als die erste vertikale Auflösung ist.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 13, wenn der Programmcode in einem Computer ausgeführt wird.