DE102020104601A1 - Operability monitoring for light detection and distance measuring systems - Google Patents
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Abstract
Ein LIDAR-System (100) umfasst ein Gehäuse, das ein Fenster (151) umfasst, und mindestens einen optischen Marker (770), der auf dem Fenster (151) angeordnet ist. Das LIDAR-System umfasst ferner mindestens eine Lichtquelle, die ausgestaltet ist, um Sondenlicht (111) entlang eines Sendestrahls (121) zu emittieren, und mindestens einen Detektor (102), der ausgestaltet ist, um weiteres Licht (112) entlang eines Empfangsstrahls (122) zu detektieren. Das LIDAR-System umfasst auch ein Scanmodul (159), das ausgestaltet ist, um den Sendestrahl (121) und den Empfangsstrahl (122) abzulenken, und eine Recheneinheit (90), die ausgestaltet ist, um eine Größe (791) eines Detektorsignals (780) zu bestimmen, das von dem mindestens einen Detektor (102) bereitgestellt wird, und um einen Betriebszustand von mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems (100) basierend auf der Größe (791) des Detektorsignals (780) und vordefinierten Referenzdaten zu bestimmen, die mit mindestens einer Eigenschaft des mindestens einen optischen Markers (770) verbunden sind.A LIDAR system (100) comprises a housing which includes a window (151) and at least one optical marker (770) which is arranged on the window (151). The LIDAR system further comprises at least one light source which is designed to emit probe light (111) along a transmission beam (121), and at least one detector (102) which is designed to emit further light (112) along a reception beam ( 122) to be detected. The LIDAR system also comprises a scan module (159) which is designed to deflect the transmit beam (121) and the receive beam (122), and a computing unit (90) which is designed to measure a magnitude (791) of a detector signal ( 780) provided by the at least one detector (102) and to determine an operating state of at least one component of the LIDAR system (100) based on the size (791) of the detector signal (780) and predefined reference data, which are associated with at least one property of the at least one optical marker (770).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Verschiedene Beispiele beziehen sich auf ein Lichtdetektions- und Entfernungsmess-(LIDAR) System und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines LIDAR-Systems. Insbesondere beziehen sich verschiedene Beispiele auf die Bestimmung eines Betriebszustands von mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems.Various examples relate to a light detection and range finding (LIDAR) system and a corresponding method for operating a LIDAR system. In particular, various examples relate to the determination of an operating state of at least one component of the LIDAR system.
HINTERGRUNDBACKGROUND
LIDAR (manchmal auch als Laser Ranging oder LADAR bezeichnet) ermöglicht es, eine 3D-Punktwolke einer Szene bereitzustellen. Die Position von Objekten in der Szene kann genau detektiert werden. Um die Entfernung zwischen dem LIDAR-System und dem Objekt (z-Position oder Tiefenposition) zu bestimmen, kann die Entfernungsmessung eingesetzt werden. Dazu wird gepulstes oder Dauerstrich-Laserlicht entlang eines Sendestrahls ausgesendet und nach Reflexion an einem Objekt in der Szene entlang eines Empfangsstrahls detektiert.LIDAR (sometimes referred to as Laser Ranging or LADAR) makes it possible to provide a 3D point cloud of a scene. The position of objects in the scene can be precisely detected. The distance measurement can be used to determine the distance between the LIDAR system and the object (z-position or depth position). For this purpose, pulsed or continuous wave laser light is emitted along a transmission beam and, after reflection on an object in the scene, is detected along a reception beam.
Im Allgemeinen sind LIDAR-Systeme komplex. Typischerweise umfasst ein LIDAR-System mehrere Komponenten, wie z. B.: optische Komponenten wie einen Laser, der Sondenlicht emittiert, einen Detektor, Linsen usw., um den Sendestrahl (TX) und den Empfangsstrahl (RX) zu definieren; elektrische Komponenten wie Treiber für den Laser und den Detektor und für die Nachbearbeitung von Detektorsignalen oder die Implementierung einer geschlossenen Regelkreissteuerung von beweglichen Teilen einer mechanischen Komponente des LIDAR-Systems; die mechanische Komponente (im Allgemeinen optional) zur Ablenkung des TX und/oder des RX, z. B. unter Verwendung von beweglichen Spiegeln oder beweglichen Rahmen, um den Laser und/oder den Detektor zu bewegen.In general, lidar systems are complex. Typically, a LIDAR system comprises several components, such as e.g. E.g .: optical components such as a laser emitting probe light, a detector, lenses, etc. to define the transmit beam (TX) and the receive beam (RX); electrical components such as drivers for the laser and the detector and for post-processing of detector signals or the implementation of closed-loop control of moving parts of a mechanical component of the LIDAR system; the mechanical component (generally optional) for deflecting the TX and / or the RX, e.g. Using movable mirrors or frames to move the laser and / or detector.
In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, die Betriebsfähigkeit solcher Komponenten des LIDAR-Systems zu überwachen. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, einen fehlerhaften Betriebszustand von mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems zu detektieren. Solche Anforderungen zur Überwachung der Betriebsfähigkeit können durch funktionale Sicherheitsanforderungen gestellt werden. Typischerweise kann die 3D-Punktwolke, die von einem LIDAR-System ausgegeben wird, auf Anwendungsebene verwendet werden, z. B. für Aufgaben wie Überwachung, autonomes Fahren usw. Dann könnte eine Fehlfunktion des LIDAR-Systems die von solchen Anwendungen bereitgestellte Funktionalität beeinträchtigen. Sicherheitsbedenken können die Folge sein. Ferner interagieren LIDAR-Systeme mit der Umgebung, indem sie Laserlicht emittieren. Um Schäden zu vermeiden, müssen die Augensicherheitsvorschriften jederzeit erfüllt werden. Eine Fehlfunktion des LIDAR-Systems könnte sonst die Augensicherheit beeinträchtigen.In many applications it is necessary to monitor the operability of such components of the LIDAR system. For example, it may be desirable to detect a faulty operating condition of at least one component of the LIDAR system. Such requirements for monitoring the operability can be made by functional safety requirements. Typically, the 3D point cloud output by a LIDAR system can be used at the application level, e.g. B. for tasks such as monitoring, autonomous driving, etc. Then a malfunction of the LIDAR system could impair the functionality provided by such applications. Safety concerns can result. LIDAR systems also interact with the environment by emitting laser light. To avoid damage, eye safety regulations must be followed at all times. Otherwise, a malfunction of the LIDAR system could impair eye safety.
Aufgrund der Komplexität typischer LIDAR-Systeme gibt es in der Regel viele Ursachen für Betriebsfehler. Dies macht die Betriebsfähigkeitsüberwachung zu einer Herausforderung.Due to the complexity of typical LIDAR systems, there are usually many causes for operational errors. This makes serviceability monitoring a challenge.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Dementsprechend gibt es einen Bedarf an fortschrittlichen Techniken zur Überwachung des Betriebszustands einer oder mehrerer Komponenten eines LIDAR-Systems. Insbesondere gibt es einen Bedarf an Techniken, die eine zuverlässige und ausfallsichere Betriebsfähigkeitsüberwachung der verschiedenen Komponenten des LIDAR-Systems ermöglichen. Fehlfunktionen sollen detektiert werden.Accordingly, there is a need for advanced techniques for monitoring the health of one or more components of a lidar system. In particular, there is a need for techniques that enable reliable and fail-safe operability monitoring of the various components of the LIDAR system. Malfunctions should be detected.
Dieses Bedürfnis wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.This need is met by the features of the independent claims. The features of the dependent claims define embodiments.
Ein LIDAR-System umfasst ein Gehäuse. Das Gehäuse umfasst ein Fenster. Das LIDAR-System umfasst außerdem mindestens einen optischen Marker. Der mindestens eine optische Marker ist an dem Fenster angeordnet. Das LIDAR-System umfasst auch mindestens eine Lichtquelle. Die mindestens eine Lichtquelle ist ausgestaltet, um Sondenlicht entlang eines TX-Strahls zu emittieren. Ferner umfasst das LIDAR-System mindestens einen Detektor. Der mindestens eine Detektor ist ausgestaltet, um weiteres Licht entlang eines RX-Strahls zu detektieren. Das LIDAR-System umfasst auch ein Scanmodul, das ausgestaltet ist, um den TX-Strahl und/oder den RX-Strahl abzulenken. Das LIDAR-System umfasst ferner eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist ausgestaltet, um ein vom Detektor bereitgestelltes Detektorsignal zu analysieren, z.B. durch Bestimmung seiner Größe. Die Recheneinheit ist ferner ausgestaltet, um einen Betriebszustand von mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems zu bestimmen, basierend auf der Analyse des Detektorsignals sowie basierend auf vordefinierten Referenzdaten, die mit mindestens einer Eigenschaft des mindestens einen optischen Markers verbunden sind.A lidar system includes a housing. The housing includes a window. The LIDAR system also includes at least one optical marker. The at least one optical marker is arranged on the window. The LIDAR system also includes at least one light source. The at least one light source is configured to emit probe light along a TX beam. Furthermore, the LIDAR system comprises at least one detector. The at least one detector is configured to detect further light along an RX beam. The LIDAR system also includes a scanning module that is configured to deflect the TX beam and / or the RX beam. The LIDAR system also includes a computing unit. The computing unit is designed to analyze a detector signal provided by the detector, for example by determining its size. The computing unit is also designed to determine an operating state of at least one component of the LIDAR system, based on the analysis of the detector signal and based on predefined reference data associated with at least one property of the at least one optical marker.
Eine solche Analyse des Detektorsignals auf der Basis vordefinierter Referenzdaten, die mit mindestens einer Eigenschaft des mindestens einen optischen Markers verbunden sind (z. B. räumliche Abmessungen, Reflektivität, Anordnung in einem räumlichen Muster, Form usw.), kann einen Referenzmessmodus definieren, in dem das LIDAR-System betrieben werden kann. Der Referenzmessmodus kann sich von einem Messmodus unterscheiden. Im Messmodus wäre es möglich, dass das LIDAR-System ausgestaltet ist, um eine Entfernungsmessung eines Objekts in der Umgebung durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich kann der Messmodus einen so genannten Umgebungsmessmodus umfassen, in dem keine Entfernungsmessung eines Objekts in der Umgebung durchgeführt wird, sondern ein 2D-Bild der Umgebung auf Basis des Umgebungslichts erfasst wird; die Lichtquelle emittiert dabei kein Sondenlicht. Dann ist es möglich, mit dem mindestens einen Detektor - z. B. durch Ablenkung des TX-Strahls und des RX-Strahls und/oder durch Verwendung mehrerer in einem Array angeordneter Detektoren - das 2-D der Umgebung mit einer lateralen Auflösung zu erfassen.Such an analysis of the detector signal on the basis of predefined reference data that are associated with at least one property of the at least one optical marker (e.g. spatial dimensions, reflectivity, arrangement in a spatial pattern, shape, etc.) can define a reference measurement mode, in which the LIDAR system can be operated. The reference measurement mode can differ from a measurement mode. in the Measurement mode, it would be possible for the LIDAR system to be designed to carry out a distance measurement of an object in the vicinity. As an alternative or in addition, the measurement mode can include what is known as an environment measurement mode, in which no distance measurement of an object in the environment is carried out, but a 2D image of the environment is recorded based on the ambient light; the light source does not emit any probe light. Then it is possible with the at least one detector - z. B. by deflecting the TX beam and the RX beam and / or by using several detectors arranged in an array - to capture the 2-D of the environment with a lateral resolution.
Generell können optische Marker verwendet werden, die im Vergleich zum umgebenden Fenster eine erhöhte oder verringerte Reflektivität aufweisen. Eine Oberflächeneigenschaft der optischen Marker kann sich von einer Oberflächeneigenschaft des umgebenden Fensters unterscheiden.In general, optical markers can be used which have an increased or reduced reflectivity compared to the surrounding window. A surface property of the optical markers can differ from a surface property of the surrounding window.
Generell wäre es möglich, dass sich wiederholende Referenzmesszeitlücken verwendet werden, um den Referenzmessmodus zu realisieren. Während der sich wiederholenden Referenzmesszeitlücken kann die Lichtquelle deaktiviert werden, so dass kein Sondenlicht entlang des TX-Strahls emittiert wird. Dann wäre es möglich, dass das weitere Licht, das von dem mindestens einen Detektor während der sich wiederholenden Referenzmesszeitlücken detektiert wird, dem Umgebungslicht entspricht, das sich entlang des RX-Strahls ausbreitet.In general, it would be possible for repetitive reference measurement time gaps to be used in order to implement the reference measurement mode. During the repetitive reference measurement time gaps, the light source can be deactivated so that no probe light is emitted along the TX beam. It would then be possible for the further light that is detected by the at least one detector during the repetitive reference measurement time gaps to correspond to the ambient light that propagates along the RX beam.
In einigen Szenarien kann es hilfreich sein, eine weitere/sekundäre Lichtquelle zu verwenden, die versetzt zu der mindestens einen Lichtquelle angeordnet ist, die zum Emittieren des Sondenlichts ausgestaltet ist. Die weitere Lichtquelle kann ausgestaltet sein, um das Umgebungslicht auf das Fenster zu emittieren. Insbesondere wäre es möglich, dass die weitere Lichtquelle das Umgebungslicht über einen weiteren TX-Strahl auf das Fenster emittiert, der gegenüber dem TX-Strahl, entlang dem das Sondenlicht emittiert wird, versetzt ist und wobei der weitere TX-Strahl nicht durch das Scanmodul abgelenkt wird.In some scenarios it can be helpful to use a further / secondary light source which is arranged offset to the at least one light source which is designed to emit the probe light. The further light source can be designed to emit the ambient light onto the window. In particular, it would be possible for the further light source to emit the ambient light via a further TX beam onto the window, which is offset from the TX beam along which the probe light is emitted and wherein the further TX beam is not deflected by the scan module will.
Generell wäre es möglich, dass die Recheneinheit ausgestaltet ist, um auf Basis des bestimmten Betriebszustands eine oder mehrere Maßnahmen auszulösen. Entspricht der Betriebszustand beispielsweise einem Fehlermodus des LIDAR-Systems, dann können die Maßnahmen umfassen, den Betrieb des LIDAR-Systems in einen sicheren Modus zu überführen, in dem die mindestens eine Lichtquelle dauerhaft deaktiviert wird oder andere Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden, z. B. für Personen und die Umgebung des LIDAR-Systems, getroffen werden. Dies hilft, die funktionalen Sicherheitsanforderungen einschließlich der Augensicherheitsbeschränkungen zu erfüllen.In general, it would be possible for the computing unit to be designed to trigger one or more measures on the basis of the specific operating state. If the operating state corresponds, for example, to a failure mode of the LIDAR system, the measures can include transferring the operation of the LIDAR system to a safe mode in which the at least one light source is permanently deactivated or other measures to avoid damage, e.g. B. for people and the environment of the LIDAR system. This helps to meet the functional safety requirements including the eye safety restrictions.
Alternativ oder zusätzlich, wenn der Betriebszustand einem Betriebszustand einer oder mehrerer Komponenten des LIDAR-Systems entspricht, die einem zeitlichen Drift unterliegen, kann die von der Recheneinheit ausgelöste Maßnahme helfen, den zeitlichen Drift zu kompensieren. Beispiele wären z. B. eine Empfindlichkeits-Basislinie eines oder mehrerer Detektorelemente des mindestens einen Detektors oder verschiedener Detektoren mehrerer Detektoren des LIDAR-Systems oder die Kompensation für den Drift in der Eigenfrequenz eines Masse-Feder-Systems, das durch einen Spiegel und eine elastische Halterung des Spiegels des Scanmoduls gebildet wird.Alternatively or additionally, if the operating state corresponds to an operating state of one or more components of the LIDAR system that are subject to a drift over time, the measure triggered by the computing unit can help to compensate for the drift over time. Examples would be B. a sensitivity baseline of one or more detector elements of the at least one detector or different detectors of several detectors of the LIDAR system or the compensation for the drift in the natural frequency of a mass-spring system that is created by a mirror and an elastic mount of the mirror Scanning module is formed.
Ein Verfahren umfasst die Steuerung eines Scanmoduls eines LIDAR-Systems, um einen Sendestrahl und einen Empfangsstrahl des LIDAR-Systems abzulenken. Das Verfahren umfasst die Reduzierung der Emission von Sondenlicht durch mindestens eine Lichtquelle des LIDAR-Systems entlang des Sendestrahls, z. B. während sich wiederholender Messzeitlücken. Das Verfahren umfasst auch das Analysieren eines Detektorsignals, das von mindestens einem Detektor des LIDAR-Systems bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst auch, basierend auf dem Analysieren des Detektorsignals und weiter basierend auf vordefinierten Referenzdaten, die mit mindestens einer Eigenschaft von mindestens einem optischen Marker verbunden sind, der auf einem Fenster eines Gehäuses des LIDAR-Systems angeordnet ist, das Bestimmen eines Betriebszustands von mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems.One method comprises controlling a scan module of a LIDAR system to deflect a transmit beam and a receive beam of the LIDAR system. The method comprises reducing the emission of probe light by at least one light source of the LIDAR system along the transmission beam, e.g. B. during repetitive measurement time gaps. The method also includes analyzing a detector signal provided by at least one detector of the LIDAR system. The method also includes, based on the analysis of the detector signal and further based on predefined reference data associated with at least one property of at least one optical marker that is arranged on a window of a housing of the LIDAR system, determining an operating state of at least a component of the LIDAR system.
Ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt oder ein computerlesbares Speichermedium ist ausgestaltet, um ein Verfahren durchzuführen. Das Verfahren umfasst die Steuerung eines Scanmoduls eines LIDAR-Systems, um einen Sendestrahl und einen Empfangsstrahl des LIDAR-Systems abzulenken. Das Verfahren umfasst die Reduzierung der Emission von Sondenlicht durch mindestens eine Lichtquelle des LIDAR-Systems entlang des Sendestrahls, z. B. während sich wiederholender Messzeitlücken. Das Verfahren umfasst auch das Analysieren eines Detektorsignals, das von mindestens einem Detektor des LIDAR-Systems bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst auch, basierend auf dem Analysieren des Detektorsignals und weiter basierend auf vordefinierten Referenzdaten, die mit mindestens einer Eigenschaft von mindestens einem optischen Marker verbunden sind, der auf einem Fenster eines Gehäuses des LIDAR-Systems angeordnet ist, das Bestimmen eines Betriebszustands von mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems.A computer program or a computer program product or a computer-readable storage medium is designed to carry out a method. The method comprises the control of a scan module of a LIDAR system in order to deflect a transmit beam and a receive beam of the LIDAR system. The method comprises reducing the emission of probe light by at least one light source of the LIDAR system along the transmission beam, e.g. B. during repetitive measurement time gaps. The method also includes analyzing a detector signal provided by at least one detector of the LIDAR system. The method also includes, based on the analysis of the detector signal and further based on predefined reference data associated with at least one property of at least one optical marker that is arranged on a window of a housing of the LIDAR system, determining an operating state of at least a component of the LIDAR system.
Es versteht sich, dass die oben genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert verwendet werden können, ohne dass dadurch der Umfang der Erfindung verlassen wird.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combinations, but also in other combinations or in isolation, without thereby departing from the scope of the invention.
Es versteht sich, dass die oben genannten und die im Folgenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert verwendet werden können, ohne dass dadurch der Umfang der Erfindung verlassen wird.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combinations, but also in other combinations or in isolation, without thereby departing from the scope of the invention.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt schematisch ein LIDAR-System gemäß verschiedener Beispiele.1 shows schematically a LIDAR system according to various examples. -
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften strukturellen Implementierung eines Scanmoduls des LIDAR-Systems von1 gemäß verschiedenen Beispielen.2 FIG. 13 is a schematic representation of an exemplary structural implementation of a scan module of the LIDAR system of FIG1 according to various examples. -
3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften strukturellen Implementierung eines Scanmoduls des LIDAR-Systems von1 gemäß verschiedenen Beispielen.3 FIG. 13 is a schematic representation of an exemplary structural implementation of a scan module of the LIDAR system of FIG1 according to various examples. -
4 zeigt schematisch ein Scanmuster, das eine Trajektorie eines zeitlich veränderlichen Ablenkwinkels anzeigt, der einem TX-Strahl und/oder einem RX-Strahl des LIDAR-Systems durch das Scanmodul gemäß verschiedenen Beispielen bereitgestellt wird.4th shows schematically a scan pattern that displays a trajectory of a time-varying deflection angle that is provided to a TX beam and / or an RX beam of the LIDAR system by the scan module according to various examples. -
5 zeigt schematisch ein Scanmuster, das eine Trajektorie eines zeitlich veränderlichen Ablenkwinkels anzeigt, der einem TX-Strahl und/oder einem RX-Strahl des LIDAR-Systems durch das Scanmodul gemäß verschiedenen Beispielen bereitgestellt wird.5 shows schematically a scan pattern that displays a trajectory of a time-varying deflection angle that is provided to a TX beam and / or an RX beam of the LIDAR system by the scan module according to various examples. -
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.6th Figure 3 is a flow diagram of a method according to various examples. -
7 zeigt schematisch eine beispielhafte Implementierung eines optischen Markers.7th shows schematically an exemplary implementation of an optical marker. -
8 zeigt schematisch die Größe eines Detektorsignals, das mit dem optischen Marker gemäß verschiedenen Beispielen verbunden ist.8th shows schematically the size of a detector signal associated with the optical marker according to various examples. -
9 zeigt schematisch ein räumliches Muster von optischen Markierungen gemäß verschiedenen Beispielen.9 shows schematically a spatial pattern of optical markings according to various examples. -
10 zeigt schematisch ein räumliches Muster mehrerer optischer Marker gemäß verschiedenen Beispielen.10 shows schematically a spatial pattern of several optical markers according to various examples. -
11 zeigt schematisch eine Zeitabhängigkeit eines Detektorsignals, das mit den räumlichen Mustern der optischen Markierungen gemäß9 und10 verbunden ist.11 FIG. 11 schematically shows a time dependency of a detector signal which corresponds to the spatial patterns of the optical markings according to FIG9 and10 connected is. -
12 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele.12th Figure 3 is a flow diagram of a method according to various examples.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
oder andere elektrische Vorrichtungen. Alle Verweise auf die Schaltungen und anderen elektrischen Vorrichtungen und die von ihnen bereitgestellte Funktionalität sind nicht so zu verstehen, dass sie nur das umfassen, was hier dargestellt und beschrieben ist. Obwohl den verschiedenen Schaltungen oder anderen elektrischen Vorrichtungen bestimmte Bezeichnungen zugewiesen werden können, sollen solche Bezeichnungen den Umfang des Betriebs der Schaltungen und der anderen elektrischen Vorrichtungen nicht einschränken. Solche Schaltungen und andere elektrische Vorrichtungen können miteinander kombiniert und/oder auf jede beliebige Art und Weise getrennt werden, je nachdem, welche Art der elektrischen Implementierung erwünscht ist. Es wird anerkannt, dass jede hier offengelegte Schaltung oder jede andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Mikrocontrollern, eine Grafikprozessoreinheit (GPU), integrierte Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software enthalten kann, die miteinander zusammenwirken, um die hier offengelegte(n) Operation(en) durchzuführen. Darüber hinaus können ein oder mehrere der elektrischen Vorrichtungen ausgestaltet sein, um einen Programmcode auszuführen, der in einem nicht-transitorischen computerlesbaren Medium verkörpert ist, das programmiert ist, um eine beliebige Anzahl der Funktionen, wie offenbart, auszuführen.or other electrical devices. All references to the circuits and other electrical devices and the functionality they provide are not to be understood as encompassing only what is shown and described herein. While particular names may be assigned to the various circuits or other electrical devices, such names are not intended to limit the scope of operation of the circuits and other electrical devices. Such circuits and other electrical devices can be combined with one another and / or separated in any suitable manner, depending on what type of electrical implementation is desired. It is recognized that any circuit or other electrical device disclosed herein can include any number of microcontrollers, a graphics processing unit (GPU), integrated circuits, storage devices (e.g., FLASH, random access memory (RAM), read only memory (ROM), electrically programmable read only memory (EPROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM) or other suitable variants thereof) and software that interact with one another to carry out the operation (s) disclosed herein. In addition, one or more of the electrical devices can be configured to execute program code embodied in a non-transitory computer readable medium that is programmed to perform any number of the functions as disclosed.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen ist. Der Umfang der Erfindung ist nicht beabsichtigt, durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen oder durch die Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen, eingeschränkt zu werden.In the following, embodiments of the invention are described in detail with reference to the accompanying drawings. It goes without saying that the following description of embodiments is not to be understood in a restrictive sense. The scope of the invention is not intended to be limited by the embodiments described below or by the drawings, which are used for illustration only.
Im Folgenden werden LIDAR-Techniken beschrieben. Mit LIDAR wird es möglich, die Tiefenposition eines Objekts in der Umgebung zu bestimmen. Zur Bestimmung der Tiefenposition kann z. B. eine Umlaufzeit von Photonen des Sondenlichts verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch Dauerstrich-Lasersondenlicht verwendet werden; hier kann eine Phasenverschiebung detektiert werden, anhand derer die Tiefenposition bestimmt wird. Bei der Verwendung von gepulstem Laserlicht wird ein Laserpuls abgefeuert und das entsprechende Primärlicht wandert auf das Objekt zu. Anschließend wird das vom Objekt zurückkehrende Sekundärlicht detektiert. Um eine laterale Auflösung zu erhalten, gibt es verschiedene Optionen. Bei einer Option kann das von verschiedenen Bereichen der Umgebung zurückkehrende Sekundärlicht auf verschiedene Detektorelemente eines Detektors fokussiert werden (manchmal auch als FLASH-LIDAR bezeichnet). Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, das Primärlaserlicht und/oder das Sekundärlaserlicht zu scannen. Es könnte eindimensionales oder zweidimensionales Scannen eingesetzt werden. Für das Scannen kann ein Scanmodul verwendet werden. Das Scanmodul könnte den Laser und/oder den Detektor bewegen, z. B. unter Verwendung eines rotierenden Kugellagers. Auch wäre es möglich, eine oder mehrere Linsen zu bewegen, die dem Primär- und/oder Sekundärlaserlicht zugeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass das Scanmodul einen oder zwei Spiegel umfasst, die sich bewegen, um dadurch das Laserlicht abzulenken. Beispielsweise könnte das Scanmodul einen Polygonspiegel oder einen Mikrospiegel umfassen. Ein einzelner Spiegel kann z. B. in mehrere Richtungen abgelenkt werden, um dadurch ein laterales Scanmuster zu erhalten. Es wäre möglich, zwei sequentiell angeordnete Spiegel einzusetzen, wobei jeder der beiden sequentiell angeordneten Spiegel gemäß einem einzigen Bewegungsfreiheitsgrad angesteuert wird. Eine weitere Möglichkeit der Strahlsteuerung umfasst optisch-phasige Arrays; hier bilden mehrere TX-Antennen ein Phasen-Array.LIDAR techniques are described below. With LIDAR it is possible to determine the depth position of an object in the environment. To determine the depth position, for. B. a round trip time of photons of the probe light can be used. Alternatively or additionally, continuous wave laser probe light can also be used will; a phase shift can be detected here, on the basis of which the depth position is determined. When using pulsed laser light, a laser pulse is fired and the corresponding primary light travels towards the object. The secondary light returning from the object is then detected. There are various options for obtaining lateral resolution. In one option, the secondary light returning from different areas of the environment can be focused on different detector elements of a detector (sometimes referred to as FLASH LIDAR). Alternatively or additionally, it would be possible to scan the primary laser light and / or the secondary laser light. One-dimensional or two-dimensional scanning could be used. A scan module can be used for scanning. The scanning module could move the laser and / or the detector, e.g. B. using a rotating ball bearing. It would also be possible to move one or more lenses that are assigned to the primary and / or secondary laser light. As an alternative or in addition, it would also be possible for the scanning module to comprise one or two mirrors that move in order to thereby deflect the laser light. For example, the scanning module could comprise a polygon mirror or a micromirror. A single mirror can e.g. B. be deflected in several directions to thereby obtain a lateral scan pattern. It would be possible to use two sequentially arranged mirrors, each of the two sequentially arranged mirrors being controlled according to a single degree of freedom of movement. Another way of controlling the beam includes optically phased arrays; here several TX antennas form a phase array.
Nach verschiedenen Beispielen wird eine Betriebsfähigkeitsüberwachung von einer oder mehreren Komponenten des LIDAR-Systems eingesetzt. Dabei ist es möglich, einen Betriebszustand der einen oder mehreren Komponenten zu bestimmen. Der Betriebszustand kann eine funktionale Betriebsfähigkeit der einen oder mehreren Komponenten umfassen. Eine solche funktionale Betriebsfähigkeit kann angeben, ob die jeweilige Komponente innerhalb vorbestimmter Betriebsspezifikationen arbeitet. Die Betriebsspezifikationen können ein beabsichtigtes Verhalten der jeweiligen Komponente spezifizieren, das als „kein Fehler“ klassifiziert werden kann. Beim Betrieb außerhalb der vordefinierten Betriebsspezifikationen kann der Zustand der jeweiligen Komponente als „Fehler“ klassifiziert werden.According to various examples, operational capability monitoring is used for one or more components of the LIDAR system. It is possible to determine an operating state of the one or more components. The operating state can include a functional operability of the one or more components. Such functional operability can indicate whether the respective component is operating within predetermined operating specifications. The operating specifications can specify an intended behavior of the respective component, which can be classified as "not a fault". When operating outside of the predefined operating specifications, the status of the respective component can be classified as an "error".
Generell wäre es möglich, bei der Bestimmung des Betriebszustandes einen zusätzlichen Detaillierungsgrad bereitzustellen, d. h. über zwei Betriebszustände hinaus, die „Fehler“ und „kein Fehler“ entsprechen. Ein solcher zusätzlicher Detaillierungsgrad könnte z. B. der Bestimmung eines Abnutzungsgrades oder eines zeitlichen Drifts des Betriebszustandes der jeweiligen Komponente entsprechen.In general, it would be possible to provide an additional level of detail when determining the operating status, i. H. beyond two operating states corresponding to "error" and "no error". Such an additional level of detail could e.g. B. correspond to the determination of a degree of wear or a temporal drift of the operating state of the respective component.
Der Betriebszustand kann sich z. B. auf den Einfluss von Umgebungsbedingungen - z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc. - auf den Betrieb der jeweiligen Komponente beziehen.The operating state can change z. B. on the influence of environmental conditions - z. B. Temperature, humidity, etc. - relate to the operation of the respective component.
Generell können verschiedene Komponenten des LIDAR-Systems der Betriebsüberwachung unterworfen werden, wie in dieser Offenbarung beschrieben. Um einige Beispiele zu nennen: Es wäre möglich, die mindestens eine Komponente, für die der Betriebszustand bestimmt wird, aus der Gruppe auszuwählen, umfassend: ein Scanmodul, das ein oder mehrere bewegliche Teile umfasst; einen Laser; einen Detektor; ein optisches Modul, das z.B. den Laser, den Detektor, eine oder mehrere Linsen, feste Spiegel usw. umfasst; ein Elektronikmodul, das Treiber für z.B., einen oder mehrere Aktuatoren der beweglichen Teile des optischen Moduls, Treiber für den Laser und/oder den Detektor, Nachbearbeitungslogik zum Analysieren der Detektorsignale, Analog-Digital-Wandler oder Zeit-Digital-Schaltungen zum Umwandeln analoger Signale in die digitale Domäne, Digital-Analog-Wandler, z. B. als Teil der Treiber, usw. Dies sind nur einige Beispiele und abhängig von der jeweiligen Implementierung des LIDAR-Systems sind weitere Beispiele für die Komponenten denkbar.In general, various components of the lidar system can be subject to operational monitoring as described in this disclosure. To name a few examples: It would be possible to select the at least one component for which the operating state is determined from the group comprising: a scanning module which comprises one or more moving parts; a laser; a detector; an optical module comprising, for example, the laser, the detector, one or more lenses, fixed mirrors, etc .; an electronics module, the driver for, for example, one or more actuators of the moving parts of the optical module, drivers for the laser and / or the detector, post-processing logic for analyzing the detector signals, analog-digital converters or time-digital circuits for converting analog signals into the digital domain, digital-to-analog converters, e.g. B. as part of the driver, etc. These are only a few examples and depending on the implementation of the LIDAR system, further examples for the components are conceivable.
Gemäß verschiedenen Beispielen kann das LIDAR-System ein Gehäuse umfassen, wobei das Gehäuse ein Fenster umfasst. Der TX-Strahl und der RX-Strahl können durch das Fenster hindurchgehen. Das Fenster kann ein Außenfenster in Richtung der Umgebung des LIDAR-Systems sein, in der sich die Objekte für die Entfernungsmessung befinden. Für die Umgebung können Augensicherheitsvorschriften gelten.According to various examples, the LIDAR system can comprise a housing, wherein the housing comprises a window. The TX beam and the RX beam can pass through the window. The window can be an outer window in the direction of the surroundings of the LIDAR system in which the objects for the distance measurement are located. Eye safety regulations may apply to the surrounding area.
Gemäß verschiedenen Beispielen umfasst das LIDAR-System mindestens einen optischen Marker, der auf dem Fenster angeordnet ist. Es kann Vorwissen über eine oder mehrere Eigenschaften des optischen Markers geben. Beispielhafte Eigenschaften des mindestens einen optischen Markers, die vordefiniert werden können, umfassen: Position, laterale Abmessungen und Reflektivität. Dann ist es möglich, basierend auf einer Referenzmessung ein tatsächliches Verhalten des LIDAR-Systems in Bezug auf den mindestens einen optischen Marker zu bestimmen und das tatsächliche Verhalten mit einem beabsichtigten Verhalten des LIDAR-Systems in Bezug auf den optischen Marker zu vergleichen, basierend auf dem Vorwissen über die eine oder mehrere Eigenschaften des mindestens einen optischen Markers und unter der Annahme einer fehlerfreien Betriebsfähigkeit des LIDAR-Systems. Wenn es eine signifikante Abweichung zwischen dem tatsächlichen Verhalten des LIDAR-Systems in Bezug auf den mindestens einen optischen Marker und dem beabsichtigten Verhalten des LIDAR-Systems in Bezug auf den mindestens einen optischen Marker gibt, könnte es möglich sein, dass eine oder mehrere Komponenten des LIDAR-Systems eine Fehlfunktion aufweisen. Dies ermöglicht die Betriebsfähigkeitsüberwachung.According to various examples, the LIDAR system comprises at least one optical marker which is arranged on the window. There may be prior knowledge of one or more properties of the optical marker. Exemplary properties of the at least one optical marker that can be predefined include: position, lateral dimensions and reflectivity. It is then possible to make an actual one based on a reference measurement To determine the behavior of the lidar system in relation to the at least one optical marker and to compare the actual behavior with an intended behavior of the lidar system in relation to the optical marker, based on the prior knowledge of the one or more properties of the at least one optical marker Markers and under the assumption that the LIDAR system is working properly. If there is a significant discrepancy between the actual behavior of the lidar system in relation to the at least one optical marker and the intended behavior of the lidar system in relation to the at least one optical marker, it could be possible that one or more components of the LIDAR system malfunction. This enables operability monitoring.
Solche Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass durch die Anordnung des mindestens einen optischen Markers am Fenster zur Umgebung des LIDAR-Systems es möglich ist, die Betriebsfähigkeit aller oder zumindest einer großen Anzahl von Komponenten des LIDAR-Systems zu überwachen. Mit anderen Worten: Eine End-to-End Betriebsfähigkeitsüberwachung wird möglich. Dies liegt daran, dass das tatsächliche Verhalten des LIDAR-Systems in Bezug auf den mindestens einen optischen Marker vom Betriebszustand der verschiedenen Komponenten des LIDAR-Systems abhängt, die alle in funktionaler Abhängigkeit nacheinander angeordnet sind: das Elektronikmodul sollte den Laser des optischen Moduls angemessen aktuieren, um Sondenlicht zu emittieren, und sollte darüber hinaus alle beweglichen Teile des Scanmoduls ordnungsgemäß aktuieren; der Laser sollte betriebsfähig sein und alle Linsen usw., die den TX-Strahl des optischen Moduls definieren, sollten fehlerfrei sein; der Detektor sollte in der Lage sein, Sekundärlicht zu detektieren, das an der mindestens einen optischen Markierung reflektiert wird, und alle Elektroniken, die zum Auslesen des Sensors und zur Umwandlung entsprechender Signale in die digitale Domäne verwendet werden, sollten fehlerfrei sein.Such techniques are based on the knowledge that the arrangement of the at least one optical marker at the window to the surroundings of the LIDAR system makes it possible to monitor the operability of all or at least a large number of components of the LIDAR system. In other words: End-to-end operability monitoring becomes possible. This is because the actual behavior of the LIDAR system in relation to the at least one optical marker depends on the operating status of the various components of the LIDAR system, which are all arranged in functional dependence one after the other: the electronic module should actuate the laser of the optical module appropriately to emit probe light and should also properly actuate all moving parts of the scan engine; the laser should be operational and any lenses, etc. defining the TX beam of the optical module should be error free; the detector should be able to detect secondary light that is reflected at the at least one optical marking, and all electronics that are used to read out the sensor and convert corresponding signals into the digital domain should be error-free.
Dementsprechend ist es möglich, dass eine Steuereinheit des Elektronikmoduls des LIDAR-Systems ausgestaltet ist, um eine Größe des vom Detektor bereitgestellten Detektorsignals zu bestimmen und den Betriebszustand mindestens einer Komponente des LIDAR-Systems, basierend auf dem mindestens einen Detektorsignal, sowie basierend auf vordefinierten Referenzdaten, die mit mindestens einer Eigenschaft des mindestens einen optischen Markers verbunden sind, zu bestimmen. Dies entspricht einem Vergleichen des tatsächlichen Verhaltens des LIDAR-Systems - bestimmt auf Basis einer Referenzmessung - in Bezug auf den mindestens einen optischen Marker mit dem beabsichtigten Verhalten des LIDAR-Systems in Bezug auf den mindestens einen optischen Marker, wobei das beabsichtigte Verhalten durch die vordefinierten Referenzdaten erfasst wird und das tatsächliche Verhalten des LIDAR-Systems durch die Größe des Detektorsignals angezeigt wird.Accordingly, it is possible that a control unit of the electronics module of the LIDAR system is designed to determine a size of the detector signal provided by the detector and the operating state of at least one component of the LIDAR system, based on the at least one detector signal and based on predefined reference data that are associated with at least one property of the at least one optical marker. This corresponds to a comparison of the actual behavior of the LIDAR system - determined on the basis of a reference measurement - in relation to the at least one optical marker with the intended behavior of the LIDAR system in relation to the at least one optical marker, the intended behavior being defined by the predefined ones Reference data is recorded and the actual behavior of the LIDAR system is indicated by the size of the detector signal.
Um die Referenzmessung zu implementieren, kann es möglich sein, die Entfernungsmessung zu unterbrechen.In order to implement the reference measurement, it may be possible to interrupt the distance measurement.
Das LIDAR-System
Das LIDAR-System
Das Laserlicht kann eine Wellenlänge von z. B. 800 bis 1600 nm aufweisen. Generell kann gepulstes oder Dauerstrich („Continuous Wave“, CW) Laserlicht verwendet werden (obwohl
Die primären Laserimpulse
Im Szenario von
Generell gibt es verschiedene Optionen für die Implementierung des Scanmoduls
Im Beispiel von
Nach verschiedenen Beispielen kann ein resonantes Scannen durch Variation des Ablenkwinkels
Die Primärlaserpulse
Die Sekundärpulse
Der Detektor
In
In
Der Spiegel
In
Generell kann das zweidimensionale Scannen - d.h. die Variation des Ablenkwinkels
In
Das Scanmuster
Die Scanmuster
Die Scanmuster
Das Scanmuster
Während in
Generell wäre es möglich, dass der eine oder die mehreren optischen Marker
Durch eine solche Anordnung des einen oder der mehreren optischen Marker
Ein zweiter Effekt ist, dass durch die Platzierung des einen oder der mehreren optischen Marker
In Box
Beispielsweise wird die Größe des Detektorsignals, das von einem oder mehreren Detektoren
Eine solche Analyse des Detektorsignals
In Box
Generell können in Box
Ein besonderer Betriebszustand, der in Box
Die Empfindlichkeits-Basislinie kann insbesondere für Szenarien hilfreich sein, in denen Einzelphotonen detektiert werden sollen. Die Einzelphotonendetektion kann für Langstrecken-Entfernungsmessungen hilfreich sein. Die Empfindlichkeits-Basislinie kann verwendet werden, um eine Dunkelzählung des jeweiligen Detektors auszugleichen (d. h. einen Signalpegel, der nicht mit tatsächlich auf die Sensoroberfläche auftreffenden Photonen verbunden ist).The sensitivity baseline can be particularly helpful for scenarios in which single photons are to be detected. Single photon detection can be useful for long range distance measurements. The sensitivity baseline can be used to compensate for a dark count from the particular detector (i.e., a signal level unrelated to photons actually striking the sensor surface).
Ein solches Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeits-Basislinie kann insbesondere in einem Szenario hilfreich sein, in dem das LIDAR-System
Ein weiterer Betriebszustand, der in Box
Eine solche Grundwahrheit kann verwendet werden, um z. B. einen anderen Sensor zu kalibrieren, der zur Bestimmung der Ablenkung ausgestellt ist, und/oder um die Steuerung des Aktuators
Zum Beispiel kann ein Sensorsignal eines Positionssensors, der die Bewegung des einen oder der mehreren Spiegel
Dann können etwaige Offsets kompensiert werden. Insbesondere wäre es möglich - z.B. als Teil der optionalen Box
In der optionalen Box
Im Beispiel von
Generell könnte der mindestens eine optische Marker eine hochabsorbierende Oberfläche oder eine Oberfläche mit hoher Reflektivität umfassen. Beispielsweise könnten hochabsorbierende Beschichtungen verwendet werden, z. B. unter Verwendung von Nanopartikeln wie vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren-Arrays usw. Hochreflektierende Oberflächen wie Metallbeschichtungen könnten verwendet werden, um eine hohe Reflektivität zu implementieren. In jedem Fall variiert die Reflektivität von der Reflektivität des umgebenden Fensters
Generell wäre es möglich, diese Variation der Größe
Durch die generelle Berücksichtigung einer zeitlichen Abhängigkeit der Größe
Die beobachtete Verweilzeit
Die zeitliche Abhängigkeit der Größe
In den gezeigten Szenarien wird ein 1-D- und 2-D-Schachbrettmuster 775 implementiert. Beispielsweise wäre es möglich, dass die mehreren optischen Marker
Zum Beispiel kann sich die Reflektivität von absorbierend zu stark reflektierend ändern. Dann kann ein Detektorsignal
Hier liegen, wie in
An einem bestimmten Punkt können sich wiederholende Referenzmesszeitlücken selektiv aktiviert werden in Box
Beim Aktivieren der sich wiederholenden Referenzmesszeitlücke in Box
Dann wird in Box
Generell wäre es möglich, anstelle oder zusätzlich zu dem von der Sekundärlichtquelle
Die Sekundärlichtquelle
Durch die Verwendung von Umgebungslicht - z. B. das von der sekundären Lichtquelle
In Box
Die Boxen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2018/090085 A1 [0037]WO 2018/090085 A1 [0037]
- US 2018/0180722 A1 [0037]US 2018/0180722 A1 [0037]
- US 8767190 [0037]US 8767190 [0037]
- US 10063849 B2 [0037]US 10063849 B2 [0037]
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