DE102020104338A1

DE102020104338A1 - Verfahren zum Betreiben eines LiDAR Systems

Info

Publication number: DE102020104338A1
Application number: DE102020104338.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Boehlau; Hans-Arne Driescher; Hans-Lothar Volk
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-04-15
Also published as: US20210109203A1; CN112666541A; CN112666541B

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines LiDAR Systems (1) für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld (FOV) des Systems (1), wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:- Erfassen (101) wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle (2) des Systems (1) abweicht,- Schätzen (102) der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion,- Festlegen (110) einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle (2) spezifisch ist,- Bereitstellen (121) einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion (ROI) im Sichtfeld (FOV),- Anpassen (120,130) eines Betriebs des Systems (1) anhand der Vorgabe für die Interessensregion (ROI) und der geschätzten Belastungstemperatur und der Betriebsgrenze.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR Systems für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld des Systems. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein System sowie ein Computerprogramm.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass das LiDAR-Systeme zur Umgebungserfassung bei Fahrzeugen eingesetzt werden, um die Fahrzeugumgebung mit hoher Reichweite und hoher Ortsdifferenzierung erfassen zu können. Konkret können hierzu Laser eingesetzt werden, deren emittierte Laserstrahlen durch Spiegel oder andere Ablenkeinheiten umgelenkt werden, um die Erfassung für verschiedene horizontale und/oder vertikale Positionen durchzuführen. Auf diese Weise entsteht ein zwei- oder dreidimensionales Sichtfeld der Umgebung, in welchem die Erfassung von Objekten durch das System möglich ist.
Die Laserleistung kann üblicherweise entweder konstant oder bereits fest anhand einer Spiegelfrequenz und Winkel vorgegeben sein. Der Laser wird dann mit weitestgehend konstanter Leistung betrieben, wobei die Leistung unabhängig von der Umgebung des Fahrzeuges sein kann. Um Fehlfunktionen zu vermeiden, wird entsprechend eine sehr große Reserve zur maximal möglichen Leistung genutzt, oder eine aufwendige Kühlung des Systems verwendet. Damit ist der Nachteil einer begrenzten Leistungsfähigkeit oder eines höheren technischen Aufwands gegeben.
Aus der US 2018 0120424 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Betrieb eines LiDAR Systems zu ermöglichen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie durch ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System sowie dem erfindungsgemäßen Computerprogramm, und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, insbesondere Sensorsystems und/oder LiDAR Systems, bevorzugt für ein Fahrzeug, besonders bevorzugt für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld des Systems.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden, vorzugsweise nacheinander in der angegebenen oder in beliebiger Reihenfolge, wobei einzelne oder sämtliche der Schritte auch wiederholt durchgeführt werden können:

- Erfassen wenigstens einer Erfassungstemperatur (z. B. bei dem System und insbesondere wenigstens einer Lichtquelle des Systems), welche von einer Belastungstemperatur des Systems, vorzugsweise in wenigstens einer Lichtquelle des Systems, abweicht, insbesondere jedoch für die Belastungstemperatur spezifisch ist (z. B. als eine Temperatur in der Nähe oder Umgebung zur Lichtquelle), wobei das Erfassen bspw. durch einen Temperatursensor angrenzend zur Lichtquelle erfolgt,
- Schätzen der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion, wie ein Modell oder dergleichen (im einfachen Falle der Multiplikation mit einem vordefinierten Faktor und/oder der Anwendung einer z. B. empirisch vorbestimmten Übertragungsfunktion),
- Festlegen einer Betriebsgrenze, insbesondere eines zulässigen thermischen Budgets, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle und/oder des Systems spezifisch ist, z. B. als eine vordefinierte Betriebsgrenze oder (z. B. proportional) abhängig von der geschätzten Betriebstemperatur,
- Bereitstellen einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion (engl. Region of Interest) im Sichtfeld, z. B. als eine vordefinierte Vorgabe oder durch eine Auswertung einer Sensorik,
- Anpassen eines Betriebs des Systems anhand der Vorgabe für die Interessensregion und/oder der geschätzten Belastungstemperatur und/oder der Betriebsgrenze, z. B. durch ein Erhöhen der Leistung der Lichtquelle in der Interessensregion und Limitieren der Leistung für das gesamte Sichtfeld proportional zur Belastungstemperatur und/oder Betriebsgrenze.

Somit kann der Vorteil erzielt werden, dass durch das Schätzen die Überschreitung der maximalen thermischen Belastbarkeit, insbesondere kritischen Temperatur, im Vorfeld vermieden werden kann. Bei dem Festlegen der Betriebsgrenze kann hierzu eine rechtzeitige und korrekte Planung des thermischen Budgets anhand der geschätzten Belastungstemperatur erfolgen, und das geplante thermische Budget beim Anpassen des Betriebs berücksichtigt werden. Somit ist es möglich, dass eine Anpassung der Leistung der Lichtquelle, insbesondere Laserleistung, innerhalb des thermischen Budgets zur Optimierung der Reichweite in ausgewählten Gebieten des Sichtfelds (also den Interessensregionen) erfolgt. Da die Reichweite bei der Umgebungserfassung abhängig sein kann von der Leistung der Lichtquelle, kann durch eine optimierte Ausschöpfung des thermischen Budgets auch die Reichweite optimiert werden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Betriebsgrenze bei dem Anpassen des Betriebs stets maximal oder nahezu maximal ausgeschöpft wird, indem ein Maximum der Leistung für den Betrieb bis zum Erreichen der Betriebsgrenze verwendet wird.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen Schritte können auch wiederholt durchgeführt werden, sodass es zu mehreren Durchläufen dieser Schritte kommt. Bei jedem der Durchläufe kann damit erneut die Betriebsgrenze festgelegt werden, um stets die maximal verfügbare Leistung abrufen zu können.
Es kann optional möglich sein, dass die Auswertefunktion ein Modell umfasst, um das Schätzen modellgestützt durchzuführen, wobei vorzugsweise die Belastungstemperatur für das lichterzeugende Element der Lichtquelle (und insbesondere für eine Sperrschichttemperatur und/oder wenigstens eine andere Maximalbauteiltemperatur der Lichtquelle) spezifisch ist und/oder die Betriebsgrenze für eine maximale (optisch-elektrische) Belastungstemperatur der Lichtquelle spezifisch festgelegt wird. Entsprechend kann die maximale Belastungstemperatur bzw. die Maximalbauteiltemperatur auch als maximale opto-Bauteiltemperatur für die Lichtquelle verstanden werden. Die maximale (opto- )Bauteiltemperatur und/oder eine maximal erlaubte Belastungstemperatur gibt dabei die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle vor. Die maximale Belastungstemperatur und/oder die maximale (opto) Bauteiltemperatur darf nicht überschritten werden, um eine korrekte Funktion der Lichtquelle zu gewährleisten. Aufgrund der Abweichung zwischen der Erfassungstemperatur und der Belastungstemperatur bzw. (opto-)Bauteiltemperatur besteht das Risiko, dass nur bei Berücksichtigung der Erfassungstemperatur die maximale Belastungstemperatur bzw. Bauteiltemperatur überschritten werden kann. Daher wird das Schätzen durchgeführt, um die Belastungstemperatur zumindest annähernd zu bestimmen, und damit das Risiko des Überschreitens zu reduzieren oder die Möglichkeit des Überschreitens vollständig auszuschließen. Anhand der geschätzten Belastungstemperatur wird dann z. B. die Betriebsgrenze festgelegt, also z. B. das thermische Budget für den Betrieb des Systems bestimmt und/oder geplant werden. Dabei kann die Betriebsgrenze z. B. basierend auf einer vordefinierten Betriebsgrenze bei einer Erhöhung der Belastungstemperatur erhöht und bei einer Verringerung der Belastungstemperatur verringert werden. Je nach Art der Lichtquelle können auch andere Parameter als die Sperrschichttemperatur kritisch sein. Die Sperrschichttemperatur bezieht sich bspw. auf Halbleiterdioden, z. B. für Faserlaser könnte auch die Fasertemperatur als Belastungstemperatur verstanden werden.
Es ist denkbar, dass bei dem Erfassen der Erfassungstemperatur auch noch weitere für die Belastungstemperatur spezifische Parameter erfasst werden, wie z. B. Ströme und/oder Spannungen im System oder der Lichtquelle, Temperaturen wenigstens eines anderen Bauteils des Systems, insbesondere benachbart zur Lichtquelle, eine optische Leistung der Lichtquelle, eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Außentemperatur des Fahrzeuges, ein Betriebszustand der Klimaanlage oder dergleichen. Damit kann die Genauigkeit der Schätzung bzw. des Modells verbessert werden.
Optional ist es denkbar, dass das Anpassen des Betriebs des Systems die nachfolgenden Schritte umfasst:

- Bestimmen einer Leistungsverteilung im Sichtfeld anhand der Vorgabe für die Interessensregion und der geschätzten Belastungstemperatur, sodass vorzugsweise die Belastungstemperatur beim weiteren Betrieb des Systems unterhalb der Betriebsgrenze, insbesondere unterhalb einer für den Betrieb kritischen Temperatur und/oder innerhalb eines thermischen Budgets (z. B. unter Berücksichtigung einer Einhaltung von Bauteilgrenzwerten, Lebensdaueranforderungen, und dergleichen), verbleibt,
- Einstellen einer Leistung der Lichtquelle anhand der zuvor bestimmten Leistungsverteilung.

Auf diese Weise kann durch das Bestimmen der Leistungsverteilung die zukünftig durch das System und insbesondere durch die Lichtquelle erzeugte Wärme vorausschauend innerhalb dieses Budgets bzw. unterhalb der Betriebsgrenze gehalten werden. Das Schätzen der Belastungstemperatur und/oder das Festlegen der Betriebsgrenze und/oder das Bestimmen der Leistungsverteilung kann dabei im Vorfeld zum tatsächlichen Betrieb der Lichtquelle (also Aktivierung der Lichtquelle, Einstellen der Leistung) und damit innerhalb einer Planungsphase erfolgen. Ein besonderer Vorteil kann sich somit auch dadurch ergeben, dass das Überschreiten der maximalen thermischen Belastbarkeit wie einer maximalen Belastungstemperatur vermieden werden kann, indem die Betriebsgrenze bzw. das thermische Budget und damit eine Leistungsreserve in der Planungsphase im Vorfeld einbezogen wird. Die Bestimmung des thermischen Budgets kann z. B. auch anhand der Lebensdauervorgaben für die Lichtquelle erfolgen. Dabei kann die Lebensdauer des Bauteils (d. h. der Lichtquelle) auch von der Temperatur abhängig sein. Das thermische Budget kann z. B. einen Bereich betreffen, im welchem die Temperatur der Lichtquelle im Betrieb liegen darf.
Die wenigstens eine Lichtquelle kann jeweils ein einziges oder mehrere lichterzeugende Elemente aufweisen. Diese können z. B. im Lichtstrahl gekoppelte Quellen sein oder auch ganze Arrays aus anderen Lichtquellen (z. B. VCSEL oder Laserdiodenarrays aus Kantenemittern). Ebenfalls kann die Lichtquelle jeweils als Leuchtdiode (LED) oder als Laser oder Laserdiode oder als eine andere Halbleiterlichtquelle ausgebildet sein.
Die Lichtquelle kann ferner allgemein als „Strahlungsquelle“ verstanden werden, da das hierdurch emittierte „Licht“ alle möglichen Spektralbereiche umfassen kann. Der Ausdruck „Licht“ ist im Rahmen dieser Erfindung also nicht auf sichtbares Licht beschränkt, und kann bspw. auch Infrarotlicht oder andere spektrale Bereiche umfassen.
Das Bestimmen der Leistungsverteilung im Sichtfeld kann dadurch anhand der Vorgabe für die wenigstens eine Interessensregion erfolgen, dass die Leistung für geplante Aktivierungen der Lichtquelle eingeteilt wird. Die Einteilung kann hierbei anhand der Interessensregionen erfolgen, sodass interessantere Regionen mehr Leistung zugeteilt bekommen als weniger interessante Regionen. Hierzu kann die Vorgabe z. B. eine prozentuale Einteilung der zur Verfügung stehenden Leistungsmenge bzw. Energie angeben. Die geplanten Aktivierungen können dabei zeitlich vordefiniert sein, und/oder für unterschiedliche Regionen des Sichtfelds erfolgen. Hierzu kann für jede der geplanten Aktivierungen eine unterschiedliche Ablenkung des Licht, insbesondere Laserstrahls, der Lichtquelle genutzt werden. Die Ablenkung erfolgt bspw. durch eine Ablenkeinheit wie einen Spiegel (wie MEMS-Spiegel, Mikroscanner oder dergleichen) oder Optical Phased Arrays oder Waveguides.
Das Bestimmen der Leistungsverteilung im Sichtfeld kann ferner dadurch anhand der geschätzten Belastungstemperatur erfolgen, dass zuvor das Festlegen der Betriebsgrenze, insbesondere eines thermischen Budgets, anhand der geschätzten Belastungstemperatur durchgeführt worden ist, und die auf diese Weise festgelegte Betriebsgrenze bzw. das Budget sodann bei dem Bestimmen der Leistungsverteilung berücksichtigt wird. Insbesondere wird anhand dieser Betriebsgrenze bzw. des Budgets eine maximale Energie oder Wärme bestimmt, welche für die geplanten Aktivierungen der Lichtquelle verbraucht bzw. erzeugt werden darf. Damit ist gleichzeitig eine obere Grenze festgelegt, in welchem Ausmaße die Leistung verteilt werden kann. Anhand der Vorgabe kann diese maximale Leistung bzw. die maximal hierdurch umgesetzte Energie bzw. die maximale Wärme dann z. B. prozentual oder entsprechend einem anderen Verteilungsschlüssel auf die geplanten Aktivierungen verteilt werden. Entsprechend dieser Verteilung kann dann die Lichtquelle angesteuert werden, also die Leistung eingestellt werden. Damit wird die Wirkung erzielt, dass die Belastungstemperatur beim weiteren Betrieb des Systems unterhalb der maximalen thermischen Belastbarkeit verbleibt, konkret im Rahmen eines festgelegten thermischen Budgets. Das Festlegen kann z. B. dadurch erfolgen, dass anhand der geschätzten Belastungstemperatur die Betriebsgrenze festgelegt wird, z. B. als maximale Temperatur proportional zur geschätzten Belastungstemperatur. Auch können weitere Einflussfaktoren hierzu berücksichtigt werden (z. B. die Betriebsdauer). Alternativ kann das Festlegen der Betriebsgrenze auch als ein Festlegen einer vordefinierten (z. B. empirisch ermittelten) Betriebsgrenze ausgeführt sein.
Ein weiterer Vorteil im Rahmen der Erfindung ist erzielbar, wenn das Anpassen des Betriebs des Systems den nachfolgenden Schritt umfasst:

- Einstellen der Leistung der Lichtquelle in der Form eines Lasers und/oder einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere eines Lasers oder einer Leuchtdiode.

Der Laser kann dabei die Umgebungserfassung mit sehr hoher Reichweite durchführen. Das Sichtfeld kann z. B. dadurch zwei- oder dreidimensional ausgestaltet werden, dass das durch den Laser emittierte Laserlicht horizontal und/oder vertikal durch mechanisch bewegte Komponenten abgelenkt wird. Hierzu kommen als die Komponenten z. B eine Ablenkeinheit wie ein Spiegelscanner oder dergleichen zum Einsatz. Bei dem LiDAR (Abkürzung für englisch light detection and ranging) System kann die Umgebungserfassung z. B. dadurch erfolgen, dass Abstände zu einem Ziel anhand der Übertragungsdauer des emittierten Lichts und - nur beispielhaft - eines oder mehrerer durch die Lichtquelle emittierte Laserimpulse gemessen werden. Das LiDAR System kann auch als ein Flash-LiDAR ausgebildet sein, und auf mechanisch bewegte Komponenten verzichtet werden. Auch können CW Laser als Lichtquelle eingesetzt werden, welche moduliertes Laserlicht emittieren.
Konkret kann es vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße System in ein Fahrzeug integriert ist, vorzugsweise in ein Kraftfahrzeug und/oder Personenkraftfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug. Das Fahrzeug kann z. B. als ein autonomes (selbstfahrendes) Fahrzeug ausgeführt sein. Die Umgebungserfassung kann hierbei die Erfassung in der Umgebung des Fahrzeuges betreffen, vorzugsweise zumindest in der vorderen Umgebung, also in Fahrtrichtung.
Insbesondere bei autonomen Fahrzeugen ist bei höheren Geschwindigkeiten eine möglichst hohe Detektionsweite der Sensorik erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen LiDAR-System kann die erzielbare Reichweite von der Leistung der Lichtquelle, insbesondere Laser(quelle) oder LED, begrenzt werden. Die Nutzung der von der Lichtquelle maximal abrufbaren Leistung kann häufig an der zulässigen Belastungstemperatur des Systems scheitern, da vorgegebene Baugrößen, Verbauorte im System bereits enthaltene mechanische und elektronische Komponenten und ähnliche Randbedingungen die aus dem LiDAR System mögliche Abführung von Wärme begrenzen. Damit kann herkömmlicherweise oft die maximale Reichweite des Systems nicht erreicht werden. Ein Erfindungsgedanke kann es hierbei sein, dass die Anforderungen (z. B. die konkrete Umgebung) eine ungleichmäßige Verteilung der Sensorreichweite über das Sichtfeld (engl. Field of View oder FOV) erlauben. Beispielsweise kann eine sehr hohe Reichweite im Mittelbereich erforderlich sein, aber nur eine deutlich geringere Reichweite im Randbereich des Sichtfelds. Dieser Freiheitsgrad kann dann bei der Ansteuerung der Lichtquelle genutzt werden, um die Reichweite zu optimieren und Überschreitungen der zulässigen Temperatur zu vermeiden.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Anpassen des Betriebs des Systems den nachfolgenden Schritt umfasst:

- Einstellen der Leistung der Lichtquelle zur Festlegung eines nachfolgenden Detektionsmusters, mit welchem vorzugsweise die Leistung der Lichtquelle bei verschiedenen Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds vorgegeben wird.

Das Detektionsmuster bestimmt somit die Leistung für jeweilige Aktivierungen der Lichtquelle für die unterschiedlichen Positionen bzw. Regionen. Die unterschiedlichen Positionen bzw. Regionen können dabei konkret mit Richtungen korrespondieren, in welche der von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahl gerichtet wird. Dies kann z. B. durch eine Ablenkung mittels einer Ablenkeinheit wie eines Spiegels erfolgen. Zur Umsetzung des Detektionsmusters kann dann die Aktivierung der Lichtquelle entsprechend der Leistungsverteilung und synchronisiert mit dieser Ablenkung erfolgen.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Einstellen anhand einer statischen Vorgabe erfolgt, welche vorzugsweise für vorgegebene Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds eine Mindestleistung der Lichtquelle vorgibt.
Eine Mindestleistung kann z. B. für Positionen des Sichtfelds vorgegeben sein, in welchem die Bodenebene des Fahrzeuges erwartet wird. Dies hat den Vorteil, dass bestimmte Umgebungsbereiche und/oder Objekte stets als Interessensregion erfasst werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Einstellen anhand einer dynamischen Vorgabe erfolgt, welche vorzugsweise eine Leistungsvorgabe für Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds in Abhängigkeit von der vorangegangenen Umgebungserfassung und/oder einer Detektion weiterer Sensorik festlegt. Die dynamische Vorgabe kann z. B. anhand einer (auch durch andere Sensoren) detektierte Umweltinformation die Interessensregionen beeinflussen. Beispielsweise wird bei einer Detektion von Objekten wie vorausfahrende Fahrzeuge oder Fußgänger die Position dieser Objekte dynamisch als Interessensregion festgelegt.
Nach einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass das Anpassen des Betriebs des Systems den nachfolgenden Schritt umfasst:

- Einstellen der Leistung der Lichtquelle anhand einer erforderlichen Reichweite bei der Umgebungserfassung, welche vorzugsweise abhängig ist von der Vorgabe für die Interessensregion.

So kann es möglich sein, dass abhängig von der Position bekannt ist, dass weniger Energie benötigt wird (z. B. direkt nach unten gerichtete Strahlen brauchen weniger Energie, da weniger Reichweite erforderlich ist). Eine Reduzierung der Leistung der Lichtquelle für diese Positionen hat den Vorteil, dass die thermische Reserve erhöht wird, um im thermischen Budget zu bleiben.
In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass das Anpassen des Betriebs des Systems den nachfolgenden Schritt umfasst:

- Bestimmen einer Leistungsverteilung der Lichtquelle im Sichtfeld anhand der Vorgabe für die Interessensregion, sodass vorzugsweise für die wenigstens eine Interessensregion die Leistung erhöht und außerhalb der wenigstens einen Interessensregion reduziert wird.

Daneben kann es möglich sein, dass unterschiedliche Interessensregionen mit unterschiedlicher Priorität vorgesehen sind, um anhand der Priorität eine weitere Abstufung der Leistung vorzunehmen.
Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Festlegen der Betriebsgrenze anhand der geschätzten Belastungstemperatur zur Planung eines thermischen Budgets erfolgt, mit welchem das System gemäß dem Anpassen des Betriebs betrieben wird. In anderen Worten kann das thermische Budget beim Schritt „Festlegen der Betriebsgrenze“ bestimmt werden, insbesondere anhand der geschätzten Belastungstemperatur. Das thermische Budget kann dabei als Angabe verstanden werden, in welchem Ausmaße noch eine Reserve für die Leistung oder Wärmeentwicklung der Lichtquelle oder des Systems besteht, bis die maximale thermische Belastbarkeit erreicht wird. In anderen Worten wird durch das thermische Budget der Bereich definiert, in welchem die Leistung der Lichtquelle eingestellt werden kann, ohne dass es zu einer Fehlfunktion kommt. Das thermische Budget kann dabei auch bei jedem Durchlauf der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens neu festgelegt werden, also sozusagen wiederholt aktualisiert werden. Somit ist gewährleistet, dass die Belastungstemperatur stets unterhalb der maximalen Belastungstemperatur bleibt, aber dennoch eine möglichst große Reserve für die Leistungsverteilung genutzt werden kann.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Anpassen des Betriebs und/oder Festlegen der Betriebsgrenze anhand der geschätzten Belastungstemperatur durchgeführt wird, um eine Leistungsreserve für den Betrieb des Systems zu ermitteln.
Damit wird gewährleistet, dass die maximale Belastungstemperatur während der Aktivierungen der Lichtquelle im Betrieb nicht überschritten wird. Die Belastungstemperatur kann konkret dafür geschätzt werden, dass vorausschauend die Leistungsverteilung bestimmt werden kann, um während des nachfolgenden Betriebs und der damit verbundenen Umsetzung dieser Leistungsverteilung bei der Aktivierung der Lichtquelle die maximale Belastungstemperatur nicht zu überschreiten und somit innerhalb des thermischen Budgets zu bleiben.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System, insbesondere LiDAR System, für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld des Systems, aufweisend:

- eine Erfassungskomponente zum Erfassen wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle des Systems abweicht,
- eine Schätzkomponente zum Schätzen der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion,
- eine Festlegungskomponente zum Festlegen einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle spezifisch ist,
- eine Bereitstellungskomponente zum Bereitstellen einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion im Sichtfeld,
- eine Anpassungskomponente zum Anpassen eines Betriebs des Systems anhand der Vorgabe für die Interessensregion und/oder der geschätzten Belastungstemperatur und/oder der Betriebsgrenze.

Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind. Zudem kann das System geeignet sein, gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden. Die beschriebenen Komponenten können dabei jeweils Teil einer Steuer- und/oder Auswertevorrichtung oder eines Computerprogramms sein. Auch ist es möglich, dass einzelne der Komponenten, wie z. B. die Erfassungskomponente, als separat davon ausgebildete Vorrichtungen ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei dem erfindungsgemäßen System die Erfassungskomponente, insbesondere in der Form eines Temperatursensors, in einer Umgebung außerhalb der Lichtquelle angeordnet ist. Damit ist eine technische einfache Temperaturerfassung möglich. Allerdings weicht hierdurch die Erfassungstemperatur auch von der Belastungstemperatur zumindest geringfügig ab.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Computerprogramm, vorzugsweise Computerprogrammprodukt, umfassende Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung diese veranlassen, die nachfolgenden Schritte auszuführen:

- Erfassen wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle des Systems abweicht, z. B. durch einen Signalaustausch mit einem Temperatursensor,
- Schätzen der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion,
- Festlegen einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle spezifisch ist,
- Bereitstellen einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion im Sichtfeld,
- Anpassen eines Betriebs des Systems anhand der Vorgabe für die Interessensregion und/oder der geschätzten Belastungstemperatur und/oder der Betriebsgrenze.

Damit bringt das erfindungsgemäße Computerprogramm die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind. Zudem können die Befehle dazu ausgeführt sein, bei der Ausführung des Computerprogramms durch die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung diese zu veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung kann hierzu einen Prozessor zur Ausführung der Befehle und einen Speicher zur Speicherung des Computerprogramms umfassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines LiDAR Systems 1 für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld FOV des Systems 1 schematisch visualisiert.
Gemäß einem ersten Schritt erfolgt dabei ein Erfassen 101 wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle 2 des Systems 1 abweicht. Weiter erfolgt gemäß einem zweiten Schritt ein Schätzen 102 der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion. Die Schritte 101 und 102 können dabei auch in einem Schritt 122 zusammengefasst sein, in welchem die modellgeschützte Schätzung anhand eines thermischen Modells erfolgt. Das Modell kann dazu ausgebildet sein, die Abweichung zu reduzieren, welche z. B. durch einen Wärmewiderstand bedingt ist. Gemäß einem dritten Schritt erfolgt ein Festlegen 110 einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle 2 spezifisch ist. Gemäß einem vierten Schritt erfolgt ein Bereitstellen 121 einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion ROI im Sichtfeld FOV. Anschließend erfolgt gemäß einem fünften Schritt ein Anpassen 120,130 eines Betriebs des Systems 1 anhand der Vorgabe für die Interessensregion ROI und der geschätzten Belastungstemperatur und der Betriebsgrenze.
In 1 sind zudem weitere mögliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. So kann das Anpassen 120,130 des Betriebs des Systems 1 auch die weiteren Schritte 120 und 130 umfassen. Dabei erfolgt ein Bestimmen 120 einer Leistungsverteilung im Sichtfeld FOV anhand der Vorgabe für die Interessensregion ROI und der geschätzten Belastungstemperatur, sodass die Belastungstemperatur beim weiteren Betrieb des Systems 1 unterhalb der Betriebsgrenze verbleibt. Anschließend erfolgt ein Einstellen 130 einer Leistung der Lichtquelle 2 anhand der zuvor bestimmten Leistungsverteilung.
Das Bereitstellen 121 einer Vorgabe kann durch das Bereitstellen einer statischen Vorgabe gemäß Schritt 123 und einer dynamischen Vorgabe gemäß Schritt 124 ergänzt werden. Auf diese Weise kann das Einstellen 130 anhand der statischen Vorgabe erfolgen, welche für vorgegebene Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds FOV eine Mindestleistung der Lichtquelle 2 vorgibt. Auch kann auf diese Weise das Einstellen 130 anhand der dynamischen Vorgabe erfolgen, welche eine Leistungsvorgabe für Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds FOV in Abhängigkeit von der vorangegangenen Umgebungserfassung und/oder einer Detektion weiterer Sensorik festlegt.
Gemäß dem weiteren optionalen Schritt 140 kann die Messung anhand der zuvor bestimmten und eingestellten Leistungsverteilung ausgelöst werden. Dazu kann das Detektionsmuster dadurch verwendet werden, dass die Aktivierung der Lichtquelle durch eine Synchronisation mit einer gemessenen Spiegelposition bei Schritt 141 erfolgt. Die Spiegelposition betrifft dabei die Position eines Spiegels zur Ablenkung des durch die Lichtquelle emittierten Lichts. Es können auch andere Ablenkeinheiten als Spiegel zum Einsatz kommen.
Es ist weiter in 2 erkennbar, dass in einem Zentralbereich 201 eine größere Reichweite für die Umgebungserfassung benötigt wird, und somit eine höhere Leistung der Lichtquelle eingesetzt werden muss. Dagegen kann bei der Leistungsverteilung im Randbereich 202 die Leistung reduziert werden, da lediglich eine geringere Reichweite erforderlich ist.
In 2 ist weiter ein System 1 für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld FOV des Systems 1 dargestellt. Dabei ist eine Erfassungskomponente 301 vorgesehen, die zum Erfassen 101 wenigstens einer Erfassungstemperatur dient. Weiter kann eine Schätzkomponente 302 zum Schätzen 102 der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion genutzt werden. Ferner ist eine Festlegungskomponente 303 zum Festlegen 110 einer Betriebsgrenze und eine Bereitstellungskomponente 304 zum Bereitstellen 121 einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion ROI im Sichtfeld FOV vorgesehen. Eine Anpassungskomponente 305 kann anschließend zum Anpassen 120,130 eines Betriebs des Systems 1 anhand der Vorgabe für die Interessensregion ROI und der geschätzten Belastungstemperatur und der Betriebsgrenze genutzt werden. Die Komponenten 301-305 können Teil einer Steuer- und/oder Auswertevorrichtung 300 sein.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: System, LiDAR-System
2: Lichtquelle, Laser
101: Erfassen
102: Schätzen
110: Festlegen, Festlegen des zulässigen thermischen Budget
120: Bestimmen, Optimale Verteilung der Leistung im FOV
121: Bereitstellen, Vorgabe der Interessensregion
122: Thermisches Modell und Messungen
123: Statische Vorgaben
124: Dynamische Vorgaben aus eigenen Messungen und von anderen Sensoren
130: Einstellen, Einstellen des Lasertreibers auf die gewünschte Leistung für nächsten Schuss
140: Auslösen der Messung
141: Messung der Ist-Spiegelposition
201: Zentralbereich
202: Randbereich
300: Steuer- und/oder Auswertevorrichtung
301: Erfassungskomponente
302: Schätzkomponente
303: Festlegungskomponente
304: Bereitstellungskomponente
305: Anpassungskomponente
FOV: Sichtfeld, Field of View
ROI: Interessensregion, Region of Interest

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20180120424 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines LiDAR Systems (1) für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld (FOV) des Systems (1), wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: - Erfassen (101) wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle (2) des Systems (1) abweicht, - Schätzen (102) der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion, - Festlegen (110) einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle (2) spezifisch ist, - Bereitstellen (121) einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion (ROI) im Sichtfeld (FOV), - Anpassen (120,130) eines Betriebs des Systems (1) anhand der Vorgabe für die Interessensregion (ROI) und der geschätzten Belastungstemperatur und der Betriebsgrenze.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertefunktion ein Modell umfasst, um das Schätzen (102) modellgestützt durchzuführen, wobei vorzugsweise die Belastungstemperatur für eine Sperrschichttemperatur und/oder wenigstens eine andere Maximalbauteiltemperatur der wenigstens einen Lichtquelle (2) spezifisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (120,130) des Betriebs des Systems (1) die nachfolgenden Schritte umfasst: - Bestimmen (120) einer Leistungsverteilung im Sichtfeld (FOV) anhand der Vorgabe für die Interessensregion (ROI) und der geschätzten Belastungstemperatur, sodass die Belastungstemperatur beim weiteren Betrieb des Systems (1) unterhalb der Betriebsgrenze, insbesondere unterhalb einer für den Betrieb kritischen Temperatur und/oder innerhalb eines festgelegten thermischen Budgets, verbleibt, - Einstellen (130) einer Leistung der wenigstens einen Lichtquelle (2) anhand der zuvor bestimmten Leistungsverteilung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (120,130) des Betriebs des Systems (1) den nachfolgenden Schritt umfasst: - Einstellen (130) der Leistung der Lichtquelle (2) in der Form eines Lasers und/oder einer Halbleiterlichtquelle.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (120,130) des Betriebs des Systems (1) den nachfolgenden Schritt umfasst: - Einstellen (130) der Leistung der Lichtquelle (2) zur Festlegung eines nachfolgenden Detektionsmusters, mit welchem die Leistung der Lichtquelle (2) bei verschiedenen Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds (FOV) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen (130) anhand einer statischen Vorgabe erfolgt, welche für vorgegebene Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds (FOV) eine Mindestleistung der Lichtquelle (2) vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen (130) anhand einer dynamischen Vorgabe erfolgt, welche eine Leistungsvorgabe für Positionen und/oder Regionen des Sichtfelds (FOV) in Abhängigkeit von der vorangegangenen Umgebungserfassung und/oder einer Detektion weiterer Sensorik festlegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (120,130) des Betriebs des Systems (1) den nachfolgenden Schritt umfasst: - Einstellen (130) der Leistung der Lichtquelle (2) anhand einer erforderlichen Reichweite bei der Umgebungserfassung, welche vorzugsweise abhängig ist von der Vorgabe für die Interessensregion (ROI).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (120,130) des Betriebs des Systems (1) den nachfolgenden Schritt umfasst: - Bestimmen (120) einer Leistungsverteilung der Lichtquelle (2) im Sichtfeld (FOV) anhand der Vorgabe für die Interessensregion (ROI), sodass für die wenigstens eine Interessensregion (ROI) die Leistung erhöht und außerhalb der wenigstens einen Interessensregion (ROI) reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen (110) der Betriebsgrenze anhand der geschätzten Belastungstemperatur zur Planung eines thermischen Budgets erfolgt, mit welchem das System (1) gemäß dem Anpassen (120,130) des Betriebs betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen (120,130) des Betriebs und/oder Festlegen (110) der Betriebsgrenze anhand der geschätzten Belastungstemperatur durchgeführt wird, um eine Leistungsreserve für den Betrieb des Systems (1) zu ermitteln.
System (1) für eine Umgebungserfassung in einem Sichtfeld (FOV) des Systems (1), aufweisend: - eine Erfassungskomponente (301) zum Erfassen (101) wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle (2) des Systems (1) abweicht, - eine Schätzkomponente (302) zum Schätzen (102) der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion, - eine Festlegungskomponente (303) zum Festlegen (110) einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle (2) spezifisch ist, - eine Bereitstellungskomponente (304) zum Bereitstellen (121) einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion (ROI) im Sichtfeld (FOV), - eine Anpassungskomponente (305) zum Anpassen (120,130) eines Betriebs des Systems (1) anhand der Vorgabe für die Interessensregion (ROI) und der geschätzten Belastungstemperatur und der Betriebsgrenze.
System (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungskomponente (301), insbesondere ein Temperatursensor, in einer Umgebung außerhalb der Lichtquelle (2) angeordnet ist.
System (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 betreibbar ist.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch eine Steuer- und/oder Auswertevorrichtung (300) diese veranlassen, die nachfolgenden Schritte auszuführen: - Erfassen (101) wenigstens einer Erfassungstemperatur, welche von einer Belastungstemperatur in wenigstens einer Lichtquelle (2) des Systems (1) abweicht, - Schätzen (102) der Belastungstemperatur anhand der Erfassungstemperatur durch eine Auswertefunktion, - Festlegen (110) einer Betriebsgrenze, welche für die maximale thermische Belastbarkeit der Lichtquelle (2) spezifisch ist, - Bereitstellen (121) einer Vorgabe für wenigstens eine Interessensregion (ROI) im Sichtfeld (FOV), - Anpassen (120,130) eines Betriebs des Systems (1) anhand der Vorgabe für die Interessensregion (ROI) und der geschätzten Belastungstemperatur und der Betriebsgrenze.