DE102019214549B4

DE102019214549B4 - Schwenkvorrichtung und Sensorsystem mit Schwenkvorrichtung

Info

Publication number: DE102019214549B4
Application number: DE102019214549.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Baur; Stefan Hakspiel; Simon Frick; Thien Pham
Original assignee: ZF Active Safety GmbH; ZF Friedrichshafen AG; Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us; ZF Active Safety GmbH; ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: DE102019214549A1

Abstract

Schwenkvorrichtung (10, 20) für einen Sensor (32), die Schwenkvorrichtung (10, 20) umfassend:
ein schwenkbares Element (12, 22);
eine Halterung (13, 23) umfassend ein Drehlager (13a, 23a);
eine Schwenkachse (14, 24), die im Drehlager (13a, 23a) aufgenommen ist und zum Verschwenken des schwenkbaren Elements (12, 22) mit dem schwenkbaren Element (12, 22) verbunden ist; und
ein Vorspannelement (11),
wobei das schwenkbare Element (12, 22) mittels des Vorspannelements (11) in einer axialen Richtung der Schwenkachse (14, 24) gegenüber der Halterung (13, 23) und/oder dem Drehlager (13a, 23a) vorgespannt ist,
wobei das schwenkbare Element (12, 22) auf einer ersten Seite des Drehlagers (13a, 23a) angeordnet ist und das Vorspannelement (11) auf einer zweiten Seite des Drehlagers (13a, 23a) angeordnet ist, wobei sich das Vorspannelement (11) an der Halterung (13, 23) und an einem Kopfbereich (14a, 24a) der Schwenkachse (14, 24) abstützt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwenkvorrichtung für einen Sensor, insbesondere eine Schwenkvorrichtung zum Verschwenken eines Objekterkennungssensors. Die Erfindung betrifft ferner ein Sensorsystem mit einem Objekterkennungssensor und einer vorgeschlagenen Schwenkvorrichtung.
In Systemen mit schwenkbaren Komponenten (z.B. Sensoren) kann es erforderlich sein, eine genaue Positionierung der schwenkbaren Komponente zu ermöglichen, etwa um eine exakte Einstellung eines Erfassungsbereichs des Sensors zu erreichen. Beispielsweise kann in einem Kraftfahrzeug ein Sensor, z.B. ein bildgebender Sensor wie ein Radar- oder Lidar-Sensor, verschwenkt oder um eine Achse rotiert werden. Durch Schwenken des Sensors um die Drehachse kann entsprechend der Erfassungsbereich des Sensors eingestellt werden.
Gerade bei einem Betrieb des Kraftfahrzeugs kann es jedoch aufgrund von Vibrationen oder Erschütterungen des Fahrzeugs zu ruckartigen Positionsveränderungen einer solchen schwenkbaren Komponente kommen, beispielsweise aufgrund von toleranzbedingtem Bewegungsspielraum von Komponenten der Schwenkvorrichtung. Eine unbeabsichtigte Positionsänderung könnte beispielsweise zu einer zufälligen Änderung des Erfassungsbereichs führen und somit ein Messergebnis des Sensors verfälschen.
Es sind Systeme mit verschwenkbaren Komponenten bekannt, die in einer festen Position positioniert werden können. Beispielsweise zeigt die EP 2 952 388 A1 eine rotatorisch aufgehängte Kraftfahrzeugsensorvorrichtung, deren Ausrichtung verstellt werden kann. Ein Einstellmechanismus ist dazu eingerichtet, eine Winkeleinstellung des Sensors durch Drehen eines Drehbügels in Scharnieren relativ zu einem feststehenden Bügel durchzuführen. Dabei spannt eine Schraubenfeder den Sensor durch Andrücken des Sensors in Drehrichtung auf den feststehenden Bügel vor.
Weitere Schwenkvorrichtungen für Sensoren sind aus der DE 10 2017 126 769 A1 , der DE 10 2011 006 035 A1 , der DE 10 2016 121 671 B3 und der FR 2 992 046 A1 bekannt.
Bekannte Konzepte können jedoch das Beibehalten einer vorbestimmten oder eingestellten Positionierung von schwenkbaren Komponenten zum Teil nicht mit einer erforderlichen oder gewünschten Genauigkeit sicherstellen. Zum Beispiel kann sich die schwenkbare Komponente trotz einer bereitgestellten Druckfeder bei bekannten Konzepten in unerwünschter Weise bewegen. Daher kann teils keine genügend zuverlässige Positionierung der schwenkbaren Komponente in einer eingestellten Position gewährleistet werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Konzepte bereitzustellen, die eine genauere Positionierung eines schwenkbaren Elements gegenüber einer Halterung für das schwenkbare Element ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst gemäß den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung, die zusätzliche Vorteile bewirken können, sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in Verbindung mit den gezeigten Figuren beschrieben.
Dazu wird erfindungsgemäß eine Schwenkvorrichtung vorgeschlagen, die zum Schwenken eines schwenkbaren Elements (z.B. zum Schwenken eines Sensors) ausgebildet ist. Die Schwenkvorrichtung umfasst zumindest ein schwenkbares Element und eine Halterung, in der zumindest ein Drehlager ausgebildet ist. Ferner weist die Schwenkvorrichtung eine Schwenkachse, die im Drehlager aufgenommen ist und zum Verschwenken des schwenkbaren Elements mit dem schwenkbaren Element verbunden ist, sowie ein Vorspannelement auf. Das schwenkbare Element ist mittels des Vorspannelements in einer axialen Richtung der Schwenkachse gegenüber der Halterung und/oder dem Drehlager vorgespannt. Mit anderen Worten wirkt eine Vorspannkraft auf das schwenkbare Element, die zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse der Schwenkachse oder des schwenkbaren Elements gerichtet ist. Erfindungsgemäß ist das schwenkbare Element auf einer ersten Seite des Drehlagers angeordnet und das Vorspannelement auf einer zweiten Seite des Drehlagers angeordnet. Erfindungsgemäß stützt sich das Vorspannelement an der Halterung und an einem Kopfbereich der Schwenkachse ab.
Aufgrund der axialen Vorspannung, die auf das schwenkbare Element wirkt, kann vorteilhafterweise eine definierte Positionierung des schwenkbaren Elements zumindest bezüglich einer axialen Position gegenüber der Halterung und/oder dem Drehlager erreicht werden. Beispielsweise wird das schwenkbare Element aufgrund des Vorspannelements gegen einen an der Halterung angeordneten axialen Anschlag angedrückt (z.B. direkt gegen die Halterung). Dadurch kann ein axialer Bewegungsspielraum des schwenkbaren Elements gegenüber der Halterung und/oder dem Drehlager reduziert oder ganz vermieden werden. Das schwenkbare Element kann auf diese Weise vorteilhafterweise z.B. auch bei Erschütterungen oder Vibrationen in der erwünschten Position, z.B. am Anschlag, positioniert bleiben. Bei einem am schwenkbaren Element montierten Sensor kann somit etwa eine genauere axiale Einstellung des Sensorbereichs ermöglicht werden. Beispielsweise kann die axiale Position des schwenkbaren Elements gegenüber der Halterung stabilisiert werden.
Das Vorspannelement kann eine Vorspannkraft auf das schwenkbare Element und/oder die Schwenkachse derart ausüben, dass das schwenkbare Element axial in Richtung der Halterung gedrückt ist. Beispielsweise kann die Vorspannkraft bewirken, dass das schwenkbare Element und/oder die Schwenkachse bis zu einem Anschlag an der Halterung (z.B. einem Flansch am Drehlager) gedrückt wird. Beispielweise kann zwischen dem schwenkbaren Element und der Halterung ein Abstandshalter (z.B. verbunden mit der Schwenkachse) ausgebildet sein, der den Anschlag für das schwenkbare Element bildet. Aufgrund einer geringeren Kontaktfläche des Abstandshalters zu der Halterung oder dem Lagerflansch kann eine geringere Reibwirkung am Anschlag bei einem Verschwenken des schwenkbaren Elements gegenüber der Halterung ermöglicht werden.
Bei anderen Schwenkvorrichtungen ohne axiale Vorspannvorrichtung kann ein axiales Spiel des schwenkbaren Elements gegenüber dem Drehlager zu einer axialen Bewegung oder Positionsänderungen des schwenkbaren Elements gegenüber der Halterung z.B. bei Erschütterungen der Schwenkvorrichtungen führen. Durch die Vorspannung des schwenkbaren Elements gegen die Halterung (z.B. ein Andrücken des schwenkbaren Elements gegen den Anschlag) dagegen kann ein axiales Spiel des schwenkbaren Elements gegenüber der Halterung oder dem Drehlager reduziert oder vermieden werden, sodass eine genauere Positionierung des schwenkbaren Elements ermöglicht ist.
Das Vorspannelement kann das schwenkbare Element beispielsweise unmittelbar gegen die Halterung und/oder das Drehlager (zum Beispiel einen Lagerflansch an der Halterung) drücken. Zum Beispiel ist dafür zumindest ein Teil des Vorspannelements (z.B. ein Endbereich) am schwenkbaren Element angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Vorspannelement das schwenkbare Element mittelbar vorspannen, beispielsweise indem es eine axiale Kraft oder einen axialen Druck auf die mit dem schwenkbaren Element fest verbundene Schwenkachse ausübt, wobei die Vorspannung über die Schwenkachse auf das schwenkbare Element übertragen wird.
Der Einsatz eines Vorspannelements zur axialen Vorspannung des schwenkbaren Elements kann vorteilhafterweise eine definierte axiale Positionierung des schwenkbaren Elements an der Halterung und/oder dem Drehlager (z.B. einen genauer definierten und/oder zuverlässiger eingehaltenen axialen Abstand zwischen schwenkbare Element und Drehlager) ermöglichen, z.B. ohne dass eine Reduzierung Bauteiltoleranzen nötig ist. Dabei kann gleichzeitig ein Verschwenken der Schwenkachse im Drehlager weiterhin ermöglicht sein, da etwa die axiale Vorspannkraft gering genug gewählt ist, um ein Verklemmen des schwenkbaren Elements zu vermeiden. Beispielsweise kann eine axiale Vorspannkraft von mehr als 5 N (oder mehr als 10 N, mehr als 15 N oder mehr als 20 N) und/oder weniger als 50 N (oder weniger als 30 N oder weniger als 25 N), z.B. eine Vorspannkraft von 20 N eine genügende hohe axiale Vorspannung und zugleich ein zuverlässiges Verschwenken des schwenkbaren Elements ermöglichen.
Es ist beispielsweise möglich, dass das schwenkbare Element an einer ersten Seite des Drehlagers angeordnet ist und das Vorspannelement an einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Drehlagers angeordnet ist. Das Vorspannelement kann sich dabei an einem Teil der Halterung, an dem das Drehlager angeordnet ist, und an einem Kopfbereich der Schwenkachse (zum Beispiel mit einem größeren Radius als ein im Drehlager angeordneter Teil der Schwenkachse) abstützen. Mit anderen Worten kann das Drehlager zwischen Vorspannelement und schwenkbarem Element angeordnet sein. Zum Beispiel ist das Vorspannelement ein Druckelement, das die Schwenkachse vom Drehlager in Richtung der zweiten Seite drückt und somit das schwenkbare Element auf der ersten Seite axial gegen das Drehlager bzw. die Halterung um das Drehlager drückt.
Zum Beispiel kann das schwenkbare Element zwischen zwei Haltebügeln mit jeweiligen Drehlagern angeordnet sein. Die Schwenkachse kann etwa eines der beiden Drehlager axial überragen (beispielsweis an einer Außenseite eines ersten Haltebügels) und das Vorspannelement kann am überstehenden Außenbereich der Schwenkachse angeordnet sein (z.B. zwischen dem Haltebügel und einem Kopfbereich der Schwenkachse). Beispielsweise ist das Vorspannelement als Druckfeder ausgebildet, das die Schwenkachse axial vorspannt, sodass das schwenkbare Element innen am Haltebügel anschlägt.
Beispielsweise ist es auch möglich, das Vorspannelement axial zwischen dem Drehlager und dem schwenkbaren Element anzuordnen. Zum Beispiel kann das Vorspannelement als Zugelement ausgebildet sein, sodass es das schwenkbare Element zu einem Anschlag zwischen schwenkbarem Element und dem Drehlager in Richtung des Drehlagers zieht. Alternativ kann das zwischen schwenkbarem Element und Drehlager angeordnete Vorspannelement als Druckelement ausgebildet sein und das schwenkbare Element gegen einen dem schwenkbaren Element gegenüberliegenden Teil der Halterung (beispielsweise gegen einen zweiten Haltebügel) drücken.
Beispielsweise kann auf beiden axialen Seiten des Drehlagers je ein Vorspannelement angeordnet sein, wobei das erste Vorspannelement als Druckelement und das zweite Vorspannelement als Zugelement ausgebildet sein kann. Auf diese Weise kann sich die Vorspannkraft der beiden Vorspannelemente addieren und es ist möglich, eine Vorspannkraft eines einzelnen Vorspannelementes zu verringern. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Baugröße der einzelnen Vorspannelemente und/oder der gesamten Schwenkvorrichtung verringert werden.
Beispielsweise kann die Drehachse am schwenkbaren Element ausgebildet sein (z.B. einteilige Ausbildung des schwenkbaren Elements und der Drehachse) oder am schwenkbaren Element montiert sein. Zum Beispiel kann als Schwenkachse eine am schwenkbaren Element befestigte Schraube oder Bolzen bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann sich das Vorspannelement zwischen Drehlager und einem Schraubenkopf oder Bolzenkopf abstützen.
Es kann vorgesehen sein, dass das schwenkbare Element mittels eines Schwenkantriebs verschwenkt wird. Der Schwenkantrieb kann das schwenkbare Element oder die Schwenkachse z.B. in entgegengesetzten Drehrichtungen verdrehen. Das Vorspannelement kann ferner ausgebildet sein, auf die Schwenkachse eine Vorspannkraft in einer Verdrehrichtung der Schwenkachse auszuüben. Beispielsweise kann die Vorspannkraft in der Verdrehrichtung eine Rückstellkraft auf den Schwenkantrieb bewirken. Zum Beispiel kann das Vorspannelement als Drehfeder und Druckfeder ausgebildet ist (z.B. Dreh-Druck-Feder). Ein erstes Ende der Feder kann an der Halterung befestigt sein und ein zweites Ende der Feder kann an der Schwenkachse befestigt sein, sodass bei einem Verdrehen der Schwenkachse eine Federkraft des Vorspannelements dem Verdrehen entgegenwirkt. Es ist möglich, dass durch die Rückstellkraft ein Spiel zwischen Zahnrädern eines Getriebes des Antriebs vermieden werden kann und somit ein Schwenkwinkel mittels des Antriebs genauer eingestellt werden kann.
Beispielsweise umfasst die Schwenkvorrichtung zumindest ein weiteres schwenkbares Element, das an einem weiteren Drehlager gelagert ist (zum Beispiel ein zweites schwenkbares Element oder eine Mehrzahl an weiteren schwenkbaren Elementen). Ferner kann ein Koppelelement zum mechanischen Koppeln der beiden schwenkbaren Elemente bereitgestellt sein, wobei das Koppelelement ausgebildet ist, eine vom Vorspannelement auf das schwenkbare Element übertragene Vorspannkraft auf das weitere schwenkbare Element zu übertragen. Mit anderen Worten kann die auf das (z.B. erste) schwenkbare Element wirkende Vorspannkraft über das Koppelelement auch auf ein weiteres schwenkbares Element übertragen werden, sodass das weitere schwenkbare Element gegen die Halterung und/oder das weitere Drehlager gedrückt wird. Entsprechend kann erreicht werden, dass auch das weitere schwenkbare Element gegenüber dem weiteren Drehlager in axialer Richtung vorgespannt ist. Somit kann etwa ein axiales Vorspannen zweier schwenkbarer Elemente unter Verwendung eines einzigen Vorspannelements erreicht werden.
Das Koppelelement kann an einem der beiden schwenkbaren Elemente, also z.B. am ersten oder am weiteren schwenkbaren Element, ausgebildet oder befestigt sein. Beispielsweise ist das Koppelelement durch einen Abstandshalter oder einen Abtaster (z.B. stiftförmig) ausgebildet. Durch die mechanische Kopplung kann die Schwenkvorrichtung ausgebildet sein, bei einem Schwenken des ersten schwenkbaren Elementes über das Koppelelement eine Schwenkkraft auf das zweite schwenkbare Element zu übertragen. Auf diese Weise kann die Verwendung eines einzigen Schwenkantriebs zum Verschwenken zweier schwenkbarer Elemente genügen.
Ein Koppelelement, dass beispielsweise zwischen zwei verschwenkbaren Elementen bereits zur Kraftübertragung einer Schwenkkraft genutzt wird, kann vorteilhafterweise durch eine Weiterbildung der mechanischen Kopplung auch zur axialen Kraftübertragung genutzt werden. Beispielsweise kann dafür das Koppelelement an einem ersten schwenkbaren Element angeordnet sein und am weiteren schwenkbaren Element eine Nut ausgebildet sein, in der das Koppelelement geführt ist. Zur axialen Kraftübertragung kann das Koppelelement etwa an eine Seitenwand der Nut drücken. Alternativ oder zusätzlich kann am weiteren schwenkbaren Element eine Kontaktfläche für das Koppelelement ausgebildet sein, die eine axiale Kraftübertragung auf das weitere schwenkbare Element ermöglicht.
Zum Beispiel ist das schwenkbare Element zwischen zwei Drehlagern der Halterung gelagert, und die Schwenkvorrichtung umfasst zwei Vorspannelemente. Dabei kann jeweils ein Vorspannelement einem der zwei Drehlager zugeordnet sein. Beispielsweise können die zwei Vorspannelemente auf gegenüberliegenden Seiten der Schwenkvorrichtung angeordnet sein. Zum Beispiel kann eines der Vorspannelemente zwischen dem schwenkbaren Element und einem ersten Drehlager angeordnet sein und das zweite der Vorspannelemente an einer Außenseite des zweiten Drehlagers angeordnet sein. Zum Beispiel kann durch ein Bereitstellen zweier Vorspannelemente eine genügend hohe Vorspannkraft auch mit Vorspannelementen geringerer Baugröße erreicht werden, wodurch etwa eine insgesamt geringere Baugröße der Schwenkvorrichtung ermöglicht werden kann.
Gemäß einem Beispiel umfasst das Vorspannelement eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder und/oder eine Blattfeder. Zum Beispiel umfasst das Vorspannelement eine Druckfeder und/oder eine Zugfeder. Das Bereitstellen einer Spiralfeder oder Blattfeder kann eine kostengünstige Realisierung der axialen Vorspannung des schwenkbaren Elements ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Schwenkvorrichtung kann in Sensorsystem oder Entfernungsmesssystem wie beispielsweise Radar- oder LIDAR-Systemen verwendet werden. Alternativ kann die Schwenkvorrichtung auch in beliebigen anderen mechanischen oder elektromechanischen Systemen, bei denen beispielsweise eine genaue Positionierung der verschwenkbaren Elemente notwendig ist, eingesetzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Sensorsystem umfassend einen Objekterkennungssensor und eine Schwenkvorrichtung. Der Objekterkennungssensor ist am schwenkbaren Element angeordnet, sodass ein Erfassungsbereich des Objekterkennungssensors eingestellt werden kann. Beispielsweise ist das schwenkbare Element ein Gehäuse des Sensors mit seitlich ausgebildeten Schwenkachsen. Ein Objekterkennungssensor kann beispielsweise eine Kamera, einen Lidar-Sensor, einen Radar-Sensor und/oder einen Ultraschallsensor umfassen.
Aufgrund der bereitgestellten Schwenkvorrichtung kann insbesondere eine genaue axiale Position des schwenkbaren Objekterkennungssensors zum Beispiel auch bei am Sensorsystem auftretenden Vibrationen oder Erschütterungen gewährleistet werden. Das Sensormesssystem, zum Beispiel ein Entfernungsmesssystem, kann in einem Fahrzeug bereitgestellt sein und es kann eine verbesserte Einstellung eines Erfassungsbereichs des Sensorsystems z.B. auch während einer Fahrt des Fahrzeugs ermöglicht werden.
Zum Beispiel umfasst der Objekterkennungssensor zumindest eine Lidar-Erfassungseinheit. Die Lidar-Erfassungseinheit kann schwenkbar an zumindest einem Lagerbügel mit einem Drehlager gelagert sein. Insbesondere kann das Sensorsystem zwei Lidar-Erfassungseinheiten aufweisen, beispielsweise eine Fernfeld-Einheit und eine Nahfeld-Einheit.
Beispielsweise ist eine Fernfeld-Erfassungseinheit an einem ersten schwenkbaren Element des Sensorsystems angeordnet und eine Nahfeld-Erfassungseinheit an einem zweiten schwenkbaren Element des Sensorsystems angeordnet. Die schwenkbaren Elemente sind an jeweiligen Drehlagern, die zum Beispiel untereinander in einer Halterung des Sensorsystems angeordnet sind, schwenkbar gelagert.
Das Sensorsystem kann zumindest ein Vorspannelement aufweisen, welches ausgebildet ist, die schwenkbaren Elemente in axialer Richtung jeweils gegenüber dem ihnen zugeordneten Drehlager und/oder der Halterung vorzuspannen. Beispielsweise können die beiden schwenkbaren Elemente mittels eines Koppelelements gekoppelt sein, sodass die Vorspannkraft vom Vorspannelement etwa über das erste schwenkbare Element und das Koppelelement auf das zweite schwenkbare Element übertragen werden kann. Alternativ kann jedem der schwenkbaren Elemente ein eigenes Vorspannelement zugeordnet sein, z.B. um eine stärkere und/oder gleichmäßigere Vorspannung zu ermöglichen.
Wie erwähnt kann das Sensorsystem mit der Schwenkvorrichtung ein LiDAR-Messsystem umfassen. Das LIDAR-Messsystem ist in seinem grundsätzlichen Aufbau beispielsweise gemäß Ausführungen zum Stand der Technik ( WO 2017/081294 A1 ) ausgebildet. Das LIDAR Messsystem umfasst vorzugsweise eine LIDAR Sendeeinheit sowie eine LIDAR Empfangseinheit. Zum Beispiel können sowohl die Nahfeld-Erfassungseinheit als auch die Fernfeld-Erfassungseinheit jeweils eine Lidar Sendeeinheit und eine Lidar Empfangseinheit aufweisen.
Die LIDAR Empfangseinheit und / oder die LIDAR Sendeeinheit sind günstiger Weise in einer Focal Plane-Array Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der jeweiligen Einheit sind im Wesentlichen in einer Ebene, günstiger Weise auf einem Chip, angeordnet. Die jeweilige Einheit ist an dem LIDAR-Messsystem vorzugsweise in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik, Sendeoptik, oder Empfangsoptik, angeordnet. Insbesondere sind die Sensorelemente bzw. die Emitterelemente im Brennpunkt der Empfangsoptik angeordnet. Eine solche Optik kann beispielsweise durch ein optisches Linsensystem ausgebildet sein.
Die LIDAR Empfangseinheit weist mehrere Sensorelemente auf, welche vorzugsweise als SPAD, Single Photon Avalanche Diode, ausgebildet sind. Die LIDAR Sendeeinheit weist mehrere Emitterelemente zur Aussendung von Laserlicht, günstigerweise Laserpulsen, auf. Die Emitterelemente sind günstiger Weise als VCSEL, Vertical Cavity surface emitting laser, ausgebildet.
Die Sendeeinheit weist Emitterelemente auf, die über eine Fläche des Sendechips verteilt sind. Die Empfangseinheit weist Sensorelemente auf, die über eine Fläche des Empfangschips verteilt sind. Dem Sendechip ist eine Sendeoptik zugewiesen und dem Empfangschip ist eine Empfangsoptik zugewiesen. Die Optik bildet ein aus einem Raumbereich eintreffendes Licht auf den jeweiligen Chip ab. Der Raumbereich entspricht dem Sichtbereich des Messsystem, der auf Objekte untersucht oder sensiert wird.
Der Raumbereich der Sendeeinheit und der Empfangseinheit sind im Wesentlichen identisch. Die Sendeoptik bildet ein Emitterelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Das Emitterelement sendet dementsprechend Laserlicht in diesen Raumwinkel aus. Die Emitterelemente decken gemeinsam den gesamten Raumbereich ab.
Die Empfangsoptik bildet ein Sensorelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Die Anzahl aller Sensorelemente deckt den gesamten Raumbereich ab. Emitterelemente und Sensorelemente, die denselben Raumwinkel betrachten bilden auf einander ab und sind dementsprechend einander zugewiesen. Ein Laserlicht eines Emitterelements bildet im Normalfall immer auf das zugehörige Sensorelement ab. Gegebenenfalls sind mehrere Sensorelemente innerhalb des Raumwinkels eines Emitterelements angeordnet.
Zur Ermittlung von Objekten innerhalb des Raumbereichs führt das Messsystem einen Messvorgang durch. Ein solcher Messvorgang umfasst einen oder mehrere Messzyklen, je nach konstruktivem Aufbau des Messsystems und dessen Elektronik.
Vorzugsweise wird das Time Correlated Single Photon Counting Verfahren, TCSPC, verwendet. Hierbei werden einzelne eintreffende Photonen detektiert, insbesondere durch SPAD, und der Zeitpunkt der Auslösung des Sensorelements, auch Detektionszeitpunkt, in einem Speicherelement abgelegt. Der Detektionszeitpunkt steht im Verhältnis zu einem Referenzzeitpunkt, zu dem das Laserlicht ausgesendet wird. Aus der Differenz lässt sich die Laufzeit des Laserlichts ermitteln, woraus der Abstand des Objekts bestimmt werden kann.
Ein Sensorelement kann einerseits von dem Laserlicht und andererseits von der Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Ein Laserlicht trifft bei einem bestimmten Abstand des Objekts immer zur gleichen Zeit ein, wohingegen die Umgebungsstrahlung jederzeit dieselbe Wahrscheinlichkeit bereitstellt ein Sensorelement auszulösen. Bei der mehrfachen Durchführung einer Messung, insbesondere mehrerer Messzyklen, summieren sich die Auslösungen des Sensorelements bei dem Detektionszeitpunkt, der der der Laufzeit des Laserlichts bezüglich der Entfernung des Objekts entspricht, wohingegen sich die Auslösungen durch die Umgebungsstrahlung gleichmäßig über die Messdauer eines Messzyklus verteilen. Eine Messung entspricht dem Aussenden und anschließendem Detektieren des Laserlichts. Die in dem Speicherelement abgelegten Daten der einzelnen Messzyklen eines Messvorgangs ermöglichen eine Auswertung der mehrfach ermittelten Detektionszeitpunkte, um auf den Abstand des Objekts zu schließen.
Ein Sensorelement ist günstigerweise mit einem Time to Digital Converter, TDC, verbunden, der den Zeitpunkt des Auslösens der Sensoreinheit in dem Speicherelement ablegt. Ein solches Speicherelement kann beispielsweise als Kurzzeitspeicher oder als Langzeitspeicher ausgebildet sein. Der TDC füllt für einen Messvorgang ein Speicherelement mit den Zeitpunkten, zu denen die Sensorelemente ein eintreffendes Photon detektierten. Dies lässt sich grafisch durch ein Histogramm, welches auf den Daten des Speicherelements basiert. Bei einem Histogramm ist die Dauer eines Messzyklus in kurze Zeitabschnitte unterteilt, sogenannte Bins. Wird ein Sensorelement ausgelöst, so erhöht der TDC den Wert eines Bin um eins. Es wird der Bin aufgefüllt, welcher der Laufzeit des Laserpulses entspricht, also die Differenz zwischen Detektionszeitpunkt und Referenzzeitpunkt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen), der eine beschriebene Schwenkvorrichtung und/oder ein beschriebenes Sensorsystem, insbesondere ein LiDAR-Messsystem, aufweist.
Weiterbildungen des Sensorsystems betreffen Merkmale von Weiterbildungen wie sie bereits in Verbindung mit der Schwenkvorrichtung beschrieben sind. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet und die entsprechenden Merkmale gelten auch in Verbindung mit dem Sensorsystem als offenbart. Weitere Aspekte der Erfindung sind auch in Verbindung mit den folgenden Beispielen offenbart.
Einige Beispiele von Vorrichtungen werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Schwenkvorrichtung mit einem Vorspannelement;
2 eine schematische Darstellung einer Schwenkvorrichtung mit einer Druckfeder zwischen einer Halterung der Schwenkvorrichtung und einem Kopfbereich einer Schwenkachse;
3 ein Beispiel eines Lidar-Messsystems mit Druckfedern zum axialen Vorpannen verschwenkbarer Lidar-Sensoren; und
4 ein Beispiel eines Lidar-Messsystems mit einer Blattfeder zum axialen Vorpannen eines verschwenkbaren Lidar-Sensors.

Schwenkvorrichtungen für Sensoren können etwa in Fahrzeugen zum Verschwenken eines Sensors eines Entfernungsmesssystems und/oder Objekterkennungssystems (z.B. Lidar- oder Radar-System) verwendet werden, um einen Erfassungsbereich (z.B. Sichtbereich) des Sensors einstellen zu können.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und z.B. notwendigen Passungen zur Realisierung eines einstellbaren Sichtbereichs eines LiDAR-Systems ist die Lage/Position des Systems (z.B. eines schwenkbaren Transceiver-Moduls) jedoch teils nicht eindeutig definiert (z.B. besteht ein Bewegungsspielraum der schwenkbaren Elemente) und kann z.B. bei Vibration bzw. Beschleunigungsvorgängen zu gestörten Messergebnissen (z.B. Störungen in der Umwelterfassung) führen.
In den folgenden Figuren werden Konzepte zur verbesserten Lagerung von schwenkbaren Elementen gezeigt, die eine genauere Positionierung der schwenkbaren Elemente ermöglichen können.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schwenkvorrichtung 10 mit einem Vorspannelement 11. Die Schwenkvorrichtung 10 weist ein schwenkbares Element 12, eine Halterung 13 mit einem Drehlager 13a, sowie eine Schwenkachse 14 auf. Die Schwenkachse 14 ist im Drehlager 13a aufgenommen und mit dem schwenkbaren Element 12 drehfest verbunden, sodass das schwenkbare Element 12 um die Drehachse 14 rotiert werden kann.
Das Vorspannelement 11, z.B. eine Spiralfeder oder eine Blattfeder, ist ausgebildet, das schwenkbare Element 12 in axialer Richtung, z.B. in Richtung parallel zu einer Rotationsachse der Schwenkachse 14, zu drücken oder vorzuspannen. Die axiale Vorspannung, die durch die das Vorspannelement 11 bewirkt wird, kann eine Positionierung des schwenkbaren Elements 12 (oder eines weiteren an der Schwenkachse angeordneten Elementes) an einem Anschlag der Schwenkvorrichtung, beispielsweise an der Halterung 13 und/oder einem Lagerflansch des Drehlagers 13a bewirken. Die Vorspannung kann derart gewählt sein, dass auch bei Vibrationen oder Erschütterungen, die auf die Schwenkvorrichtung 10 wirken, das schwenkbare Element 12 am Anschlag positioniert bleibt, sodass die durch den Anschlag vordefinierte Position zumindest in axialer Richtung bezogen auf die Halterung 13 konstant bleiben kann.
Das Vorspannelement 11 kann beispielsweise eine Druckfeder sein, die am einen Ende an einem Kopfbereich 14a der Drehachse 14 angeordnet oder befestigt ist und am anderen Ende an der Halterung 13 und/oder dem Lager 13a abgestützt ist. Beispielsweise ist das Vorspannelement 11 an einer Seite des Lager 13a angeordnet, die dem verschwenkbaren Element 12 gegenüberliegt.
Alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres Vorspannelement 11a zwischen dem verschwenkbaren Element 12 und dem Lager 13 angeordnet sein. Das weitere Vorspannelement 11a kann beispielsweise eine axiale Vorspannung in einer selben axialen Richtung wie das Vorspannelement 11 bewirken. Beispielsweise ist das Vorspannelement 11 eine Druckfeder und das weitere Vorspannelement 11a eine Zugfeder.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Drehachse 14 auch an einer zweiten Seite des schwenkbaren Elements 12 ausgebildet ist (in 1 gestrichelt dargestellt). Die Drehachse 14 kann an der zweiten Seite in einem weiteren Drehlager aufgenommen sein (nicht dargestellt). Beispielsweise kann anstelle des Vorspannelements 11 nur das weitere Vorspannelement 11a bereitgestellt werden und als Druckfeder ausgebildet sein. In diesem Fall kann das weitere Vorspannelement 11a das schwenkbare Element 12 in axialer Richtung gegen das weitere Drehlager bzw. einen Teil des Gehäuses 13, der um das weitere Drehlager herum ausgebildet ist, gedrückt werden, um in die vorbestimmte Position am axialen Anschlag am Gehäuse 13 vorgespannt zu werden.
Am schwenkbaren Element 12 kann etwa ein Sensor angebracht werden, der mittels der Schwenkvorrichtung 10 um die Drehachse 14 geschwenkt werden kann. Durch das Bereitstellen des Vorspannelements 11 kann zumindest eine axiale Position des schwenkbaren Elements 12 und des Sensors gegenüber dem Gehäuse 13 genauer oder zuverlässiger eingestellt werden. Ferner kann das Vorspannelement 11 auch eine Vorspannkraft in einer Verdrehrichtung auf die Schwenkachse 14 und das schwenkbare Element 12 ausüben.
Durch eine Federvorspannung des Systems beispielsweise in jedem Freiheitsgrad (z.B. axial und in Verdrehrichtung), kann die Lage/Position des schwenkbaren Elements (z.B. eines Sensors eines LiDAR-Systems) unter definierten Rahmenbedingungen eindeutiger oder genauer bestimmt oder eingestellt werden. Die Federvorspannung kann z.B. durch kostengünstige Drahtfedern oder Blattfedern realisiert werden. Durch die integrierten Federn wird das schwenkbare Element (z.B. ein beweglicher Teil von Transceiver-Modulen eines Sensorsystems) etwa gegen einen definierten Lagerflansch (z.B. des Drehlagers 13a) gedrückt (z.B. in axialer Richtung), wodurch die Position eindeutiger bestimmt oder eingestellt werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schwenkvorrichtung 20 mit einer Druckfeder 21 zwischen einer Halterung 23 der Schwenkvorrichtung 20 und einem Kopfbereich 24a einer Schwenkachse 24. Ein schwenkbares Element 22 kann um die Schwenkachse 24 gedreht werden.
Die Druckfeder 21 ist zwischen dem Kopfbereich 24a (z.B. Schraubenkopf oder Bolzenkopf) und der Halterung 23 bzw. einem Drehlager 23a in der Halterung 23 angeordnet, sodass sie die Schwenkachse 24 von der Halterung gesehen in Richtung der Druckfeder (im dargestellten Beispiel nach rechts) drückt. Dadurch wird das mit der Schwenkachse 24 verbundene schwenkbare Element 22 axial vorgespannt (nach rechts gedrückt), bis es z.B. an der Halterung 23 anschlägt. Beispielsweise ist der Anschlag zwischen einem mit der Schwenkachse verbundenen Kontaktbereich 24b, der zwischen schwenkbarem Element 22 und Halterung 23 ausgebildet ist, und einem Lagerflansch des Drehlagers 23a ausgebildet. Der Kontaktbereich 24b kann an der Schwenkachse 24 und/oder dem schwenkbaren Element 22 fest verbunden sein. Alternativ kann der Kontaktbereich 24b ein (z.B. lose an der Schwenkachse 24 angeordneter) Abstandsring sein, der einen definierten Abstand zwischen schwenkbarem Element 22 und Halterung 23 bewirkt.
3 zeigt ein Beispiel eines Lidar-Messsystems 30 mit Druckfedern 31 zum axialen Vorpannen verschwenkbarer Lidar-Sensoren 32, 32a. Dabei ist beispielsweise der obere Lidar-Sensor 32 eine Fernfeld-Erfassungseinheit und der untere Lidar-Sensor 32a eine Nahfeld-Erfassungseinheit des Lidar-Messsystems 30. Die beiden Lidar-Sensoren 32, 32a sind mittels jeweiliger Schwenkachsen 34, 34a in Drehlagern gelagert, die in jeweiligen Lagerbügeln 35, 35a einer Halterung 33, 33a angeordnet sind. An jeweils einem ersten Lagerbügel 35 ragt die Schwenkachse 34 über den Lagerbügel 35 hinaus, sodass die Druckfedern 31 zwischen einem radial erweiterten Kopfbereich der Schwenkachse 34 und dem ersten Lagerbügel 35 angeordnet werden können. Über die Schwenkachsen 34, 34a wird eine Vorspannkraft in axialer Richtung auf die Lidar-Sensoren 32, 32a übertragen, die den jeweiligen Lidar-Sensor 32, 32a oder einen Kontaktbereich 36 zwischen Lidar-Sensor 32, 32a und erstem Lagerbügel 35 gegen den ersten Lagerbügel 35 (z.B. einen Lagerflansch 37 eines im Lagerbügel 35 angeordneten Drehlagers) drücken.
Ferner zeigt 3 ein mechanisches Koppelelement 38, das zumindest eine Schwenkkraft vom oberen Lidar-Sensor 32 auf den unteren Lidar-Sensor 32a übertragen kann. Beispielsweise ist nur an einer Erfassungseinheit des Lidar-Systems 30 ein Schwenkantrieb (z.B. Aktuator) ausgebildet und die zweite Erfassungseinheit wird durch die mechanische Kopplung geschwenkt.
Beispielsweise ist in einem Koppelbereich am unteren Lidar-Sensor 32a eine Nut 39 ausgebildet, in die das Koppelelement 38 eingreift. Dadurch kann eine axiale Kraftübertragung zwischen den beiden Lidar-Sensoren 32, 32a bewirkt werden, sodass beispielsweise auf die Druckfeder 31 am unteren Lidar-Sensor 32a verzichtet werden kann.
Weitere Details und Aspekte sind in Verbindung mit weiter oben oder weiter unten ausgeführten Beispielen beschrieben. Die in 3 gezeigten Beispiele können eines oder mehrere optionale, zusätzliche Merkmale aufweisen, die zu einem oder mehreren Aspekten korrespondieren, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder ein oder mehreren Beispielen weiter oben oder weiter unten beschrieben sind (zum Beispiel in Verbindung mit 1, 2 und 4).
4 zeigt ein Beispiel eines weiteren Lidar-Messsystems 30 mit einer Blattfeder 41 zum axialen Vorpannen des verschwenkbaren Lidar-Sensors 32. Die Blattfeder 41 ist am ersten Lagerbügel 35 angeordnet und kontaktiert die Schwenkachse 34 an einer axialen Außenseite der Schwenkachse 34. Ein mittlerer Bereich der Blattfeder 41 ist z. B. in axialer Richtung fest mit der Drehachse 34 verbunden, jedoch so ausgebildet, dass eine Rotation der Drehachse gegenüber der Blattfeder 41 möglich ist.
Beispielsweise kann die Blattfeder 41 eine Zugkraft auf die Schwenkachse 34 ausüben, sodass der Lidar-Sensor 32 in Richtung des ersten Lagerbügels 35 vorgespannt ist und beispielsweise am Lagerflansch 37 anschlägt. Alternativ kann die Blattfeder 41 eine Druckkraft auf die Schwenkachse 34 ausüben, sodass der Lidar-Sensor 32 mit der Schwenkachse 34 in Richtung eines zweiten Lagerbügels 35a auf einer dem ersten Lagerbügel 35 gegenüberliegenden Seite des Lidar-Sensors 32 gedrückt wird. Dadurch kann der Lidar-Sensor 32 an einem axialen Anschlag, der am zweiten Lagerbügel 35a ausgebildet ist, anschlagen.
Aspekte der Erfindung betreffen ein Lagerungskonzept zur spielfreien Positionierung von LiDAR-Transceivermodulen. Es wird ein LiDAR-System mit einstellbarem Sichtbereich vorgeschlagen, das z.B. in jedem Freiheitsgrad (z.B. sowohl bezüglich einer Verdrehposition als auch bezüglich einer Axialposition hinsichtlich eines Drehlagers) durch eine vorgespannte Feder in eine definierte Position versetzt wird.
Eine oder mehrere Federn (z.B. ein Vorspannelement) können einer Abweichung der schwenkbaren Transceivermodule von der definierten Position (z.B. Verlassen der definierten Position) etwa aufgrund von Beschleunigungsvorgängen/Vibration in einem Fahrzeug entgegen wirken (z.B. durch die Vorspannung der Transceivermodule in axialer Richtung und/oder Verdrehrichtung). Zugleich kann weiterhin eine Einstellung des Sichtbereichs (z.B. erwünschte Positionsänderung der Transceivermodule) im Rahmen der Freiheitsgrade ermöglicht werden (z.B. Verschwenken der Transceivermodule um die Drehachse).
Bezugszeichenliste

10, 20: Schwenkvorrichtung
11, 11a: Vorspannelement
12, 22: schwenkbares Element
13, 23: Halterung
13a, 23a: Drehlager
14,24: Schwenkachse
14a, 24a: Kopfbereich der Schwenkachse
24b: Kontaktbereich
30: Lidar-Messsystem
21, 31: Druckfeder
32, 32a: Lidar-Sensor
33, 33a: Halterung
34, 34a: Schwenkachse
35, 35a: erster und zweiter Lagerbügel
36: Kontaktbereich
37: Lagerflansch
38: Koppelelement
39: Nut
41: Blattfeder

Claims

Schwenkvorrichtung (10, 20) für einen Sensor (32), die Schwenkvorrichtung (10, 20) umfassend: ein schwenkbares Element (12, 22); eine Halterung (13, 23) umfassend ein Drehlager (13a, 23a); eine Schwenkachse (14, 24), die im Drehlager (13a, 23a) aufgenommen ist und zum Verschwenken des schwenkbaren Elements (12, 22) mit dem schwenkbaren Element (12, 22) verbunden ist; und ein Vorspannelement (11), wobei das schwenkbare Element (12, 22) mittels des Vorspannelements (11) in einer axialen Richtung der Schwenkachse (14, 24) gegenüber der Halterung (13, 23) und/oder dem Drehlager (13a, 23a) vorgespannt ist, wobei das schwenkbare Element (12, 22) auf einer ersten Seite des Drehlagers (13a, 23a) angeordnet ist und das Vorspannelement (11) auf einer zweiten Seite des Drehlagers (13a, 23a) angeordnet ist, wobei sich das Vorspannelement (11) an der Halterung (13, 23) und an einem Kopfbereich (14a, 24a) der Schwenkachse (14, 24) abstützt.
Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß Anspruch 1, wobei das Vorspannelement (11) eine Vorspannkraft auf das schwenkbare Element (12, 22) und/oder die Schwenkachse (14, 24) ausübt, so dass das schwenkbare Element (12, 22) axial in Richtung der Halterung (13, 23) gedrückt ist.
Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Vorspannelement (11) ferner ausgebildet ist, auf die Schwenkachse (14, 24) eine Vorspannkraft in einer Verdrehrichtung der Schwenkachse (14, 24) auszuüben.
Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein weiteres schwenkbares Element (12, 22), das an einem weiteren Drehlager (13a, 23a) gelagert ist; und ein Koppelelement (38) zum mechanischen Koppeln der beiden schwenkbaren Elemente (12, 22), wobei das Koppelelement (38) ausgebildet ist, eine vom Vorspannelement (11) auf das schwenkbare Element (12, 22) übertragene Vorspannkraft auf das weitere schwenkbare Element (12, 22) zu übertragen, sodass das weitere schwenkbare Element (12, 22) gegenüber dem weiteren Drehlager (13a, 23a) in axialer Richtung vorgespannt ist.
Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das schwenkbare Element (12, 22) zwischen zwei Drehlagern (13a, 23a) der Halterung (13, 23) gelagert ist, wobei die Schwenkvorrichtung (10, 20) zwei Vorspannelemente (11) umfasst, wobei je ein Vorspannelement (11) einem der zwei Drehlager (13a, 23a) zugeordnet ist.
Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorspannelement (11) eine Spiralfeder (31) und/oder eine Blattfeder (41) umfasst.
Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorspannelement (11) eine Druckfeder (31) und/oder eine Zugfeder umfasst.
Sensorsystem (30) umfassend: einen Objekterkennungssensor (32); und eine Schwenkvorrichtung (10, 20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Objekterkennungssensor (32) zum Verschwenken eines Erfassungsbereichs des Objekterkennungssensors (32) schwenkbar ausgebildet ist.
Sensorsystem gemäß Anspruch 8, wobei der Objekterkennungssensor (32) zumindest eine Lidar-Erfassungseinheit (32) umfasst.
Sensorsystem (30) gemäß Anspruch 8 oder 9, das Sensorsystem (30) umfassend: eine Fernfeld-Erfassungseinheit (32) an einem ersten schwenkbaren Element (12, 22); und eine Nahfeld-Erfassungseinheit (32a) an einem zweiten schwenkbaren Element (12, 22), wobei die schwenkbaren Elemente (12, 22) an jeweiligen Drehlagern (13a, 23a) schwenkbar gelagert sind, wobei zumindest ein Vorspannelement (11, 31, 41) des Sensorsystems (30) ausgebildet ist, die schwenkbaren Elemente (12, 22) in axialer Richtung jeweils gegenüber dem ihnen zugeordneten Drehlager (13a, 23a) vorzuspannen.