DE102019219512A1

DE102019219512A1 - Verfahren, Computerprogramm und Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems sowie zugehöriges Lidar-System

Info

Publication number: DE102019219512A1
Application number: DE102019219512.1A
Authority: DE
Inventors: Eugen Thiessen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Lidar-System, in dem ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird, sowie ein Lidar-System, das zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fortbewegungsmittel, in dem ein erfindungsgemäßes Lidar-System, ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird. In einem ersten Schritt wird Licht detektiert (10), das von zumindest einer der Lichtquellen erzeugt und von einem Objekt reflektiert wurde. Basierend auf dem detektierten Licht wird ein Bereich von Interesse bestimmt (11), in dem sich das Objekt befindet. Zumindest eine Teilmenge derjenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen, wird dann mit einer höheren Frequenz angesteuert (12) als die Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm mit Instruktionen und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Lidar-System, in dem ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird, sowie ein Lidar-System, das zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fortbewegungsmittel, in dem ein erfindungsgemäßes Lidar-System, ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird.
Ursprünglich wurden Lidar-Systeme unter Verwendung schnell rotierender Spiegel realisiert. Um eine Aufnahme der Umgebung zu machen, wird ein stark kollimierter Strahl eines Infrarot-Lasers an einem sich drehenden Spiegel reflektiert. Dabei rotiert der Spiegel permanent und mit konstanter Geschwindigkeit. Durch eine Auswertung der Flugzeit des reflektierten Strahls kann der Abstand zu einem reflektierenden Objekt berechnet werden. Die Auflösung derartiger Lidar-Systeme senkrecht zur Rotationsebene ist nur sehr beschränkt. Bei einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit wird zudem die gesamte Umgebung mit konstanter Auflösung abgescannt. Weitere Schwierigkeiten bestehen darin, dass derartige Systeme voluminös sind und es ihnen aufgrund des rotierenden Spiegels an Robustheit mangelt.
Ein weiterer Ansatz zur Realisierung eines Lidar-Systems basiert auf der Verwendung eines MEMS-Spiegels (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems; mikroelektromechanische Systeme). Zwar kommt die MEMS-Technologie ohne rotierende Bauteile aus, dennoch beinhalten auch solche Systeme ein bewegtes Teil, den Spiegel. Zudem sind sie nur beschränkt in der richtungsabhängigen Auflösung anpassbar.
Eine Möglichkeit, robustere und kleinere Lidar-Systeme zu realisieren, besteht in der Verwendung eines Arrays von Lichtquellen, die sequenziell eingeschaltet werden. Mit Hilfe einer geeigneten Optik werden die Lichtstrahlen der verschiedenen Lichtquellen in zugeordnete Raumbereiche gelenkt. Von Objekten reflektiertes Licht wird mit einem Detektor oder auch einem Array von Detektoren erfasst. Der Abstand zu einem Objekt kann dabei wieder anhand einer Auswertung der Flugzeit des reflektierten Lichts ermittelt werden.
In diesem Zusammenhang beschreibt DE 10 2015 101 722 A1 einen Lidar-Sensor für dein Kraftfahrzeug. Der Lidar-Sensor umfasst eine Mehrzahl von beabstandet angeordneten VCSEL-Arrays (VCSEL: Vertical-cavity surface-emitting laser; oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität), die jeweils eine einzige Linse umfassen, wobei die Linse für jedes VCSEL-Array den Strahl des jeweiligen Lasers in dem Array, der leuchtet, in eine gewünschte Richtung lenkt, sodass das Ein- und Ausschalten der Laser in jedem Array eine Abtastwirkung erzeugt. Die Anzahl und die Größe der VCSEL-Arrays werden so ausgewählt, dass das gewünschte Sichtfeld für den Sensor bereitgestellt wird, wobei die VCSEL-Arrays auf einer gekrümmten Plattform positioniert werden können, um dieses Sichtfeld bereitzustellen. Der Sensor umfasst außerdem einen oder mehrere Detektoren zum Erkennen von Reflexionen der Laserstrahlen, die von den Lasern emittiert werden. Steuerelektroniken sind vorgesehen, um die Laserstrahlen abzutasten und eine dreidimensionale Punktwolke von zurückgesendeten Bildpunkten zu erzeugen.
WO 2019/010320 A1 beschreibt einen Solid-State-Lidar-Scanner, der als Lichtquelle eine Anordnung von einzelnen Lichtemittern beinhaltet. Zudem beinhaltet ein Sensormodul eine Anordnung von Photosensoren, wobei jeder Lichtemitter einem entsprechenden Photosensor zugeordnet ist. Eine Schaltung ist mit den Lichtemittern gekoppelt und konfiguriert, um jeweils nur eine Teilmenge von Lichtemittern zu aktivieren. Eine Ausleseschaltung ist mit den Photosensoren gekoppelt und konfiguriert, um das Auslesen einzelner Photosensoren mit dem Einschalten entsprechender Lichtemitter zu synchronisieren.
Die beschriebenen Systeme kommen vollständig ohne bewegliche Teile aus. Allerdings benötigt das Array von Lichtquellen in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl Lichtquellen immer noch einen nicht unerheblichen Platz.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Lösungen für das Betreiben und die Realisierung eines Lidar-Systems mit einem Array von Lichtquellen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Computerprogramm mit Instruktionen gemäß Anspruch 5, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch Lidar-Systeme mit den Merkmalen der Ansprüche 7 und 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten, die Schritte:

- Detektieren von Licht, das von zumindest einer der Lichtquellen erzeugt und von einem Objekt reflektiert wurde;
- Bestimmen eines Bereichs von Interesse, in dem sich das Objekt befindet; und
- Ansteuern zumindest einer Teilmenge derjenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen, mit einer höheren Frequenz als die Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogramm Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der folgenden Schritte zum Betreiben eines Lidars mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten, veranlassen:

Der Begriff Computer ist dabei breit zu verstehen. Insbesondere umfasst er auch integrierte Systeme, Mikroprozessoren und andere prozessorbasierte Datenverarbeitu ngsvorri chtungen.
Das Computerprogramm kann beispielsweise für einen elektronischen Abruf bereitgestellt werden oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten, auf:

- eine Detektionseinheit zum Detektieren von Licht, das von zumindest einer der Lichtquellen erzeugt und von einem Objekt reflektiert wurde;
- eine Auswerteeinheit zum Bestimmen eines Bereichs von Interesse, in dem sich das Objekt befindet; und
- eine Ansteuereinheit zum Ansteuern zumindest einer Teilmenge derjenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen, mit einer höheren Frequenz als die Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht aus von einem Lidar-System mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen. Insbesondere kann es sich dabei um Halbleiterlichtquellen handeln, z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden. Die Lichtquellen werden durch eine Optik so abgebildet, dass jede Lichtquelle einen eigenen Raumbereich beleuchtet. Die Lichtquellen werden so ausgewählt oder angesteuert, dass ein Sensor die Flugzeit des reflektierten Lichts von jeder Lichtquelle erfassen kann. Die erfindungsgemäße Lösung macht sich nun den Umstand zunutze, dass die einzelnen Lichtquellen nicht zwingend sequenziell angesteuert werden müssen. Wird ein Objekt detektiert, können die Lichtquellen bzw. Raumbereiche des Objekts bzw. um das Objekt mit einer höheren Frequenz angesteuert werden. Damit kann das Objekt erheblich präziser getrackt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der Bereich von Interesse diejenigen Raumbereiche, für deren zugeordnete Lichtquellen reflektiertes Licht detektiert wurde, sowie zumindest einen Teil der unmittelbar daran angrenzenden Raumbereiche. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sowohl der Bereich, in dem das Objekt detektiert wurde, als auch die daran angrenzenden Bereiche, in die sich das Objekt möglicherweise hineinbewegt, mit einer höheren Abtastrate abgetastet werden als die sonstigen Bereiche. Dadurch können Veränderungen der Position des Objekts besonders schnell erfasst werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Teilmenge der Lichtquellen des Arrays von Lichtquellen von dem Ansteuern mit einer höheren Frequenz ausschließbar. Dies ermöglicht es, die höhere Abtastrate auf solche Bereiche zu beschränken, in denen beispielsweise für den Betrieb eines Fortbewegungsmittels relevante Objekte zu erwarten sind. Handelt es sich bei dem detektierten Objekt z.B. um einen anderen Verkehrsteilnehmer, ist eine Abtastung mit einer höheren Frequenz sinnvoll. Handelt es sich hingegen um die Fahrbahn oder eine Leitplanke, ist eine Abtastung mit einer höheren Frequenz nicht erforderlich. Da derartige Objekte regelmäßig in den gleichen Raumbereichen detektiert werden, können die entsprechenden Lichtquellen vom Ansteuern mit erhöhter Frequenz ausgenommen werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Teilmenge der Lichtquellen, die mit einer höheren Frequenz angesteuert werden, diejenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit einem Randbereich des bestimmten Bereichs von Interesse überlappen. Auf diese Weise lassen sich Bewegungen eines detektierten Objekts noch schneller erfassen. Insbesondere bei ausgedehnten Objekten ist es nicht erforderlich, den gesamten Bereich von Interesse mit einer erhöhten Abtastrate zu abzutasten. Änderungen der Position des Objekts können stattdessen auch durch eine bevorzugte Abtastung des Randbereichs detektiert werden.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Lidar-System verwendet, das ein Array von Lichtquellen aufweist, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten. Bei einem solchen Lidar-System wird ein Array aus Halbleiterlichtquellen, z.B. Laserdioden oder Leuchtdioden, durch eine Optik so abgebildet, dass jede Quelle einen eigenen Raumbereich beleuchtet. Die Lichtquellen werden so ausgewählt oder angesteuert, dass ein Sensor die Flugzeit des reflektierten Lichts von jeder Lichtquelle erfassen kann. Im Lidar-System gibt es daher keine beweglichen Elemente. Der abgetastete Bereich wird durch die Optik und das Array von Lichtquellen definiert. Bei der Optik kann es sich insbesondere um eine kleine Linse handeln, die sehr gut in ein Fahrzeugdesign integriert werden kann. Alternativ kann auch ein Satz aus mehreren Linsen oder Reflektoren genutzt werden. Wird nun ein Objekt detektiert, können die Raumbereiche des Objekts bzw. um das Objekt mit einer höheren Frequenz abgetastet werden. Es werden also nicht mehr alle Lichtquellen sequenziell angesteuert. Damit kann das Objekt erheblich präziser getrackt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Lidar-System mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten, das Array von Lichtquellen durch einen Leuchtdioden-Chip mit integrierter Ansteuerung gebildet.
Für die Verwendung in adaptiven Frontscheinwerfern wurde ein Array aus 1024 einzeln ansteuerbaren Leuchtdioden mit einer Größe von jeweils 125×125 µm² entwickelt [1]. Dabei handelt es sich um blaue Leuchtdioden mit einer Phosphorbeschichtung, die dazu dient, das blaue Licht teilweise in gelbes Licht umzuwandeln und somit weißes Licht zu erzeugen. Das Array ist eine Kombination eines Chips mit integrierter Treiberelektronik als Basis und eines darauf angeordneten Multipixel-Leuchtdioden-Chips, der für die Lichterzeugung verantwortlich ist.
Ein solcher Leuchtdioden-Chip mit integrierter Ansteuerung kann auch mit Infrarot-Leuchtdioden realisiert werden und damit für Lidar-Systeme nutzbar gemacht werden. Platziert man man diesen Chip im Fokus einer Linse, beleuchtet jedes Pixel des Chips einen definierten Raumbereich vor der Linse. Durch die Verwendung eines solchen Leuchtdioden-Chips können die Kosten erheblich reduziert werden, da auf kostspielige Laser verzichtet werden kann. Zudem kann das System aufgrund der geringen Größe der einzelnen Lichtquellen kompakter ausgestaltet werden. Ein Lidar-System mit einem Leuchtdioden-Chip mit integrierter Ansteuerung eignet sich sehr gut für die Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems. Es kann selbstverständlich aber auch unabhängig davon genutzt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung variiert ein relativer Abstand zwischen benachbarten Lichtquellen über das Array von Lichtquellen. Bei der Nutzung eines Arrays von Lichtquellen sind die Abstände zwischen den Lichtquellen und somit die Ortsauflösung des Lidar-Systems nicht notwendigerweise konstant. Die Abstände können über das Array variieren, sodass eine ortsabhängige Auflösung erzielt wird. Insbesondere kann für Raumbereiche, in denen üblicherweise für einen Fahrbetrieb relevante Objekte zu erwarten sind, eine höhere Auflösung vorgesehen sein, als für Raumbereiche, in denen dies nicht der Fall ist. Auf diese Weise kann die Zeitdauer, die für das Ansteuern aller Lichtquellen des Arrays von Lichtquellen erforderlich ist, reduziert werden, d.h. die Aufnahmerate der Lidar-Aufnahmen erhöht sich.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Verfahren, eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder ein erfindungsgemäßes Lidar-System in einem (teil-)autonom oder manuell gesteuerten Fortbewegungsmittel eingesetzt. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug handeln, aber auch um ein Schiff, ein bemanntes oder unbemanntes Fluggerät, z.B. eine Drohne oder einen Volocopter, etc. Dabei kann ein erfindungsgemäßes Lidar-System auch mit einem weiteren, weniger genauen Lidar-System kombiniert werden, um die Genauigkeit in bestimmten Raumbereichen zu erhöhen. Zudem können mehrere Lidar-Systeme mit unterschiedlichen Linsenbrennweiten oder Lichtquellengrößen, und somit mit unterschiedlichen Bildweiten und Auflösungen, kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Lidar-System dazu genutzt werden, um Bereiche von besonderem Interesse zu detektieren. Diese Bereiche können danach mit einem anderen Lidar-System präziser abgetastet werden. Alternativ kann eine Vorhersage getroffen werden, wann ein Objekt in den Sichtbereich eines anderen Lidar-Systems kommen wird. Z.B. tastet ein Lidar-System grob eine breitere Umgebung ab, gegebenenfalls inklusive Winkelbereichen, in die das Fahrzeug aufgrund der Lenkwinkelbeschränkung oder der Geschwindigkeit nicht gelangen kann. Das andere erhält dann eine Information, wann und wo das Objekt in einer möglichen Fahrzeugtrajektorie auftaucht und tastet diesen Bereich daraufhin präziser ab.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.

1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems;
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems;
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Betreiben eines Lidar-Systems;
4 stellt schematisch ein Fortbewegungsmittel dar, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist;
5 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Lidar-Systems;
6 zeigt schematisch einen ersten Bereich von Interesse, in dem sich ein Objekt befindet; und
7 zeigt schematisch einen zweiten Bereich von Interesse, in dem sich ein Objekt befindet.

Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
1 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten. In einem ersten Schritt wird Licht detektiert 10, das von zumindest einer der Lichtquellen erzeugt und von einem Objekt reflektiert wurde. Basierend auf dem detektierten Licht wird ein Bereich von Interesse bestimmt 11, in dem sich das Objekt befindet. Der Bereich von Interesse kann dabei insbesondere diejenigen Raumbereiche umfassen, für deren zugeordnete Lichtquellen reflektiertes Licht detektiert wurde, sowie zumindest einen Teil der unmittelbar daran angrenzenden Raumbereiche. Zumindest eine Teilmenge derjenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen, wird dann mit einer höheren Frequenz angesteuert 12 als die Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen. Vorzugsweise umfasst die Teilmenge der Lichtquellen, die mit einer höheren Frequenz angesteuert werden 12, diejenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit einem Randbereich des bestimmten Bereichs von Interesse überlappen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Teilmenge der Lichtquellen des Arrays von Lichtquellen von dem Ansteuern 12 mit einer höheren Frequenz ausschließbar ist.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 20 zum Betreiben eines Lidar-Systems 50 mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten. Die Vorrichtung 20 hat einen Eingang 21, über den eine Detektionseinheit 22 Signale zumindest eines Detektors 57 empfängt. Basierend auf diesen Signalen kann die Detektionseinheit 22 Licht detektieren, das von zumindest einer der Lichtquellen erzeugt und von einem Objekt reflektiert wurde. Eine Auswerteeinheit 23 bestimmt auf Grundlage des detektierten Lichts einen Bereich von Interesse, in dem sich das Objekt befindet. Der Bereich von Interesse kann dabei insbesondere diejenigen Raumbereiche umfassen, für deren zugeordnete Lichtquellen reflektiertes Licht detektiert wurde, sowie zumindest einen Teil der unmittelbar daran angrenzenden Raumbereiche. Eine Ansteuereinheit 24 steuert dann zumindest eine Teilmenge derjenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen, mit einer höheren Frequenz an als die Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse überlappen. Die entsprechenden Steuersignale können dazu über einen Ausgang 26 der Vorrichtung 20 an das Lidar-System 50 ausgegeben werden. Vorzugsweise umfasst die Teilmenge der Lichtquellen, die von der Ansteuereinheit 24 mit einer höheren Frequenz angesteuert werden, diejenigen Lichtquellen, deren zugeordnete Raumbereiche mit einem Randbereich des bestimmten Bereichs von Interesse überlappen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass eine Teilmenge der Lichtquellen des Arrays von Lichtquellen von dem Ansteuern mit einer höheren Frequenz ausschließbar ist.
In 2 ist die Vorrichtung 20 als eigenständige Vorrichtung 20 ausgebildet. Sie kann aber auch in das Lidar-System 50 integriert sein.
Die Detektionseinheit 22, die Auswerteeinheit 23 und die Ansteuereinheit 24 können von einer Kontrolleinheit 25 gesteuert werden. Über eine Benutzerschnittstelle 28 können gegebenenfalls Einstellungen der Detektionseinheit 22, der Auswerteeinheit 23, der Ansteuereinheit 24 oder der Kontrolleinheit 25 geändert werden. Die in der Vorrichtung 20 anfallenden Daten können bei Bedarf in einem Speicher 27 der Vorrichtung 20 abgelegt werden, beispielsweise für eine spätere Auswertung oder für eine Nutzung durch die Komponenten der Vorrichtung 20. Die Detektionseinheit 22, die Auswerteeinheit 23, die Ansteuereinheit 24 sowie die Kontrolleinheit 25 können als dedizierte Hardware realisiert sein, beispielsweise als integrierte Schaltungen. Natürlich können sie aber auch teilweise oder vollständig kombiniert oder als Software implementiert werden, die auf einem geeigneten Prozessor läuft, beispielsweise auf einer GPU. Der Eingang 21 und der Ausgang 26 können als getrennte Schnittstellen oder als eine kombinierte bidirektionale Schnittstelle implementiert sein.
3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung 30 zum Betreiben eines Lidar-Systems mit einem Array von Lichtquellen, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich beleuchten. Die Vorrichtung 30 weist einen Prozessor 32 und einen Speicher 31 auf. Beispielsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 30 um einen Computer, eine Workstation oder ein Steuergerät. Im Speicher 31 sind Instruktionen abgelegt, die die Vorrichtung 30 bei Ausführung durch den Prozessor 32 veranlassen, die Schritte gemäß einem der beschriebenen Verfahren auszuführen. Die im Speicher 31 abgelegten Instruktionen verkörpern somit ein durch den Prozessor 32 ausführbares Programm, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert. Die Vorrichtung hat einen Eingang 33 zum Empfangen von Informationen. Vom Prozessor 32 generierte Daten werden über einen Ausgang 34 bereitgestellt. Darüber hinaus können sie im Speicher 31 abgelegt werden. Der Eingang 33 und der Ausgang 34 können zu einer bidirektionalen Schnittstelle zusammengefasst sein.
Der Prozessor 32 kann eine oder mehrere Prozessoreinheiten umfassen, beispielsweise Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren oder Kombinationen daraus.
Die Speicher 27, 31 der beschriebenen Ausführungsformen können volatile und/oder nichtvolatile Speicherbereiche aufweisen und unterschiedlichste Speichergeräte und Speichermedien umfassen, beispielsweise Festplatten, optische Speichermedien oder Halbleiterspeicher.
4 stellt schematisch ein Fortbewegungsmittel 40 dar, in dem eine erfindungsgemäße Lösung realisiert ist. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Fortbewegungsmittel 40 um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist eine Reihe von Assistenzsystemen 41 auf, von denen eines exemplarisch dargestellt ist. Zudem ist ein erfindungsgemäßes Lidar-System 50 verbaut, dessen Daten von den Assistenzsystemen 41 genutzt werden. Zum Betreiben des Lidar-Systems 50 dient eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20, die allerdings auch in das Lidar-System 50 integriert sein kann. Weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind beispielhaft ein Navigationssystem 42 und eine Datenübertragungseinheit 43. Mittels der Datenübertragungseinheit 43 kann beispielsweise eine Verbindung zu einem Backend 70 aufgebaut werden, z.B. zum Übermitteln von Informationen zu durch das Lidar-System 50 erfassten Objekten. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 44 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 45.
5 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Lidar-Systems 50. Das Lidar-System 50 umfasst ein Array 51 von Lichtquellen 52. Bei den Lichtquellen 52 kann es sich beispielsweise um Halbleiterlichtquellen handeln. Vorzugsweise wird das Array 51 durch einen Leuchtdioden-Chip mit integrierter Ansteuerung gebildet. Das Array 51 von Lichtquellen 52 ist im Fokus eines optischen Elements 58 angeordnet, in diesem Fall im Fokus einer Linse. Alternativ kann auch ein Satz aus mehreren Linsen oder Reflektoren genutzt werden. Von den Lichtquellen 52 generierte Lichtstrahlen 53 werden vom optischen Element 58 kollimiert und beleuchten jeweils einen zugeordneten Raumbereich. Wird eine Lichtquelle 52 mit einem kurzen Puls angesteuert, kommt bei Vorhandensein eines Objekts im entsprechenden Raumbereich ein reflektiertes Signal zurück, was in 4 durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Dieses Signal kann mit einem Detektor 57 gemessen werden und die Flugzeit ausgewertet werden. Aus der Flugzeit berechnet sich der Abstand zum Objekt, das sich im beleuchteten Raumbereich befindet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lidar-System 50 in Kombination mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zum Betreiben des Lidar-Systems 50 genutzt wird. In diesem Fall kann für den Fall, dass ein Objekt detektiert wurde, von einem rein sequenziellen Ansteuern der Lichtquellen 52 abgewichen werden. Stattdessen wird zumindest eine Teilmenge derjenigen Lichtquellen 52, durch die das Objekt erfasst wurde, sowie gegebenenfalls benachbarter Lichtquellen 52, mit einer erhöhten Frequenz angesteuert. Damit kann das Objekt erheblich präziser getrackt werden.
6 zeigt schematisch einen ersten Bereich von Interesse 55, in dem sich ein Objekt 60 befindet. Zu sehen ist eine Szene vor einem Kraftfahrzeug, in dem ein erfindungsgemäßes Lidar-System verbaut ist. Der Einfachheit halber geht 6 von einem Array von 20×10 Lichtquellen aus. Die zugeordneten Raumbereiche 54 sind in 6 in Form eines Gitternetzes angedeutet. Bei dem Objekt 60 handelt es sich in diesem Fall um einen Fußgänger am Fahrbahnrand. Der Fußgänger wird durch eine Teilmenge der Lichtquellen erfasst. Die entsprechenden zugeordneten Raumbereiche 54 sind jeweils durch einen schwarzen Kreis markiert. Diese Raumbereiche 54 bilden zusammen den Bereich von Interesse 55, angedeutet durch eine durchgezogene Linie, der mit einer erhöhten Frequenz abgetastet wird. Wie man in 6 sehen kann, wird auch die Fahrbahn durch eine Reihe von Raumbereichen 54 abgedeckt und kann daher ebenfalls als Objekt betrachtet werden. Erfindungsgemäß kann aber vorgesehen sein, dass die entsprechenden Lichtquellen von dem Ansteuern mit einer höheren Frequenz ausgenommen werden.
7 zeigt schematisch einen zweiten Bereich von Interesse 55, in dem sich ein Objekt 60 befindet. Zu sehen ist wiederum die Szene aus 6. Allerdings umfasst der Bereich von Interesse 55 in diesem Fall nicht nur diejenigen Raumbereiche 54, in denen der Fußgänger erfasst wurde, sondern auch daran angrenzende Raumbereiche 56, die in 7 durch eine Schraffur hervorgehoben sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass sowohl der Bereich, in dem das Objekt 60 detektiert wurde, als auch die daran angrenzenden Bereiche, in die sich das Objekt 60 möglicherweise hineinbewegt, mit einer höheren Abtastrate abgetastet werden als die sonstigen Bereiche. Dadurch können Veränderungen der Position des Objekts 60 besonders schnell erfasst werden. Bei der Festlegung, welche bzw. wie viele angrenzende Raumbereiche 56 dem Bereich von Interesse 55 zugeordnet werden, kann sowohl die Position des Objekts 60 relativ zum Lidar-System als auch die relative Geschwindigkeit berücksichtigt werden. In 7 ist dies dadurch angedeutet, dass rechts vom Fußgänger jeweils zwei angrenzende Raumbereiche 56 betrachtet werden, links hingegen nur ein angrenzender Raumbereich 56. Aufgrund der Position des Fußgängers am rechten Fahrbahnrand und einer Bewegung des Kraftfahrzeugs entlang der Fahrbahn kann davon ausgegangen werden, dass der Fußgänger in der nächsten Lidar-Aufnahme weiter rechts erfasst werden wird.
Für das Ansteuern der Lichtquellen, die dem Bereich von Interesse 55 zugeordnet sind, mit einer erhöhten Frequenz, steht dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verfügung. Beispielsweise kann der Bereich von Interesse 55 zweimal unmittelbar aufeinanderfolgend abgetastet werden, bevor der übrige Erfassungsbereich abgetastet wird.
Ebenso ist es möglich, dass im Bereich von Interesse 55 jede Lichtquelle bzw. jede Lichtquelle der ausgewählten Teilmenge angesteuert wird, während für den übrigen Erfassungsbereich nur jede zweite Lichtquelle angesteuert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass zwar der gesamte Erfassungsbereich grundsätzlich sequenziell abgetastet wird, nach jedem Ansteuern einer Lichtquelle außerhalb des Bereichs von Interesse 55 aber zunächst eine Lichtquelle innerhalb des Bereichs von Interesse 55 angesteuert wird. Selbstverständlich beschränken sich die möglichen Realisierungen nicht auf die genannten Beispiele.
Referenzen
[1] D. Scholz et al.: „Pixelated Light: Merging microelectronics and photonics", 49th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC) (2019)
Bezugszeichenliste

10: Detektieren von durch ein Objekt reflektiertem Licht
11: Bestimmen eines Bereichs von Interesse
12: Ansteuern von Lichtquellen für den Bereich von Interesse mit erhöhter Frequenz
20: Vorrichtung
21: Eingang
22: Detektionseinheit
23: Auswerteeinheit
24: Ansteuereinheit
25: Kontrolleinheit
26: Ausgang
27: Speicher
28: Benutzerschnittstelle
30: Vorrichtung
31: Speicher
32: Prozessor
33: Eingang
34: Ausgang
40: Fortbewegungsmittel
41: Assistenzsystem
42: Navigationssystem
43: Datenübertragungseinheit
44: Speicher
45: Netzwerk
50: Lidar-System
51: Array von Lichtquellen
52: Lichtquelle
53: Lichtstrahl
54: Zugeordneter Raumbereich
55: Bereich von Interesse
56: Angrenzender Raumbereich
57: Detektor
58: Optisches Element
60: Objekt
70: Backend

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015101722 A1 [0005]
WO 2019/010320 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Scholz et al.: „Pixelated Light: Merging microelectronics and photonics“, 49th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC) (2019) [0040]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lidar-Systems (50) mit einem Array (51) von Lichtquellen (52), die jeweils einen Lichtstrahl (53) erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich (54) beleuchten, mit den Schritten: - Detektieren (10) von Licht, das von zumindest einer der Lichtquellen (52) erzeugt und von einem Objekt (60) reflektiert wurde; - Bestimmen (11) eines Bereichs von Interesse (55), in dem sich das Objekt (60) befindet; und - Ansteuern (12) zumindest einer Teilmenge derjenigen Lichtquellen (52), deren zugeordnete Raumbereiche (54) mit dem bestimmten Bereich von Interesse (55) überlappen, mit einer höheren Frequenz als die Lichtquellen (52), deren zugeordnete Raumbereiche (54) nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse (55) überlappen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Bereich von Interesse (55) diejenigen Raumbereiche (54) umfasst, für deren zugeordnete Lichtquellen (52) reflektiertes Licht detektiert wurde (10), sowie zumindest einen Teil der unmittelbar daran angrenzenden Raumbereiche (56).
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Teilmenge der Lichtquellen (52) des Arrays (51) von Lichtquellen (52) von dem Ansteuern (12) mit einer höheren Frequenz ausschließbar ist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Teilmenge der Lichtquellen (52), die mit einer höheren Frequenz angesteuert werden (12), diejenigen Lichtquellen (52) umfasst, deren zugeordnete Raumbereiche (54) mit einem Randbereich des bestimmten Bereichs von Interesse (55) überlappen.
Computerprogramm mit Instruktionen, die bei Ausführung durch einen Computer den Computer zur Ausführung der Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Betreiben eines Lidars (50) mit einem Array (51) von Lichtquellen (52), die jeweils einen Lichtstrahl (53) erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich (54) beleuchten, veranlassen.
Vorrichtung (20) zum Betreiben eines Lidar-Systems (50) mit einem Array (51) von Lichtquellen (52), die jeweils einen Lichtstrahl (53) erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich (54) beleuchten, mit: - einer Detektionseinheit (22) zum Detektieren (10) von Licht, das von zumindest einer der Lichtquellen (52) erzeugt und von einem Objekt (60) reflektiert wurde; - einer Auswerteeinheit (23) zum Bestimmen (11) eines Bereichs von Interesse (55), in dem sich das Objekt (60) befindet; und - einer Ansteuereinheit (24) zum Ansteuern (12) zumindest einer Teilmenge derjenigen Lichtquellen (52), deren zugeordnete Raumbereiche (54) mit dem bestimmten Bereich von Interesse (55) überlappen, mit einer höheren Frequenz als die Lichtquellen (52), deren zugeordnete Raumbereiche (54) nicht mit dem bestimmten Bereich von Interesse (55) überlappen.
Lidar-System (50) mit einem Array (51) von Lichtquellen (52), die jeweils einen Lichtstrahl (53) erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich (54) beleuchten, wobei das Lidar (50) eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 aufweist oder eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Betreiben des Lidar-Systems (50) auszuführen.
Lidar-System (50) mit einem Array (51) von Lichtquellen (52), die jeweils einen Lichtstrahl (53) erzeugen und einen zugeordneten Raumbereich (54) beleuchten, wobei das Array (51) von Lichtquellen (52) durch einen Leuchtdioden-Chip mit integrierter Ansteuerung gebildet wird.
Lidar-System (50) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ein relativer Abstand zwischen benachbarten Lichtquellen (52) über das Array (51) von Lichtquellen (52) variiert.
Fortbewegungsmittel (40), dadurch gekennzeichnet, dass es ein Lidar-System (50) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 oder eine Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 6 zum Betreiben eines Lidar-Systems (50) aufweist oder eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Betreiben eines Lidar-Systems (50) auszuführen.