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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einer Detektionsvorrichtung mittels elektromagnetischer Signale, bei dem bei wenigstens einer Messung
mit wenigstens einer Sendeeinrichtung wenigstens ein elektromagnetisches Sendesignal in den Überwachungsbereich gesendet wird,
wenigstens ein Empfangselement wenigstens einer Empfangseinrichtung zur Aufnahme von elektromagnetischen Signalen aktiviert wird,
aus dem Ergebnis wenigstens einer Aufnahme Informationen über den Überwachungsbereich ermittelt werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Objekten in einem Überwachungsbereich mittels elektromagnetischer Signale,
mit wenigstens einer Sendeeinrichtung, mit der elektromagnetische Sendesignale in den Überwachungsbereich gesendet werden können,
mit wenigstens einer Empfangseinrichtung, mit der elektromagnetische Empfangssignale empfangen werden können, welche von elektromagnetischen Sendesignalen herrühren, die in dem Überwachungsbereich reflektiert werden, und mit der elektromagnetische Empfangssignale in Auswertesignale umgewandelt werden können, die mit einer Auswerteeinrichtung verarbeitbar sind,
und mit wenigstens einer Auswerteeinrichtung, mit der auf Basis der empfangenen elektromagnetischen Empfangssignale Informationen über den Überwachungsbereich ermittelt werden können.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit wenigstens eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Objekten in einem Überwachungsbereich mittels elektromagnetischer Signale.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2018 126 631 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Entfernung eines Objekts mithilfe einer optischen Detektionsvorrichtung und eine optische Detektionsvorrichtung bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Lichtsignalpuls ausgesendet. Der an dem Objekt reflektierte Lichtsignalpuls wird als Echo-Lichtsignalpuls empfangen. Der Echo-Lichtsignalpuls wird beim Empfang in zeitlich nachfolgende diskrete Empfangszeitfenster aufgeteilt und in entsprechende elektrische Energie umgewandelt. Die Signallaufzeit wird als Maß für die Entfernung des Objekts zur Detektionsvorrichtung verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Detektionsvorrichtung der eingangs genannten Art zu gestalten, bei denen die Detektion von Objekten verbessert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren dadurch gelöst, dass wenigstens zwei Empfangselemente für eine jeweilige vorgegebene Bereitschaftsdauer zur Aufnahme von elektromagnetischen Empfangssignalen aktiviert werden, welche von dem wenigstens einen elektromagnetischen Sendesignal herrühren, das im Überwachungsbereich reflektiert wird, wobei die jeweiligen Bereitschaftsdauern für die wenigstens zwei Empfangselemente abhängig von jeweiligen Regionen des Überwachungsbereichs, denen die Empfangselemente jeweils zugeordnet sind, individuell vorgegeben werden.
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Erfindungsgemäß werden die Empfangselemente jeweils für individuelle Bereitschaftsdauern aktiviert. Die Empfangselemente sind jeweiligen Regionen des Überwachungsbereichs zugeordnet, sodass sie elektromagnetische Signale, die aus der entsprechenden Region kommen, empfangen können. Die Bereitschaftsdauern sind abhängig von den jeweiligen Regionen des Überwachungsbereichs, denen die Empfangselement jeweils zugeordnet sind. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Empfangseinrichtung individuell an die vorhandenen oder zu erwartenden Betriebsbedingung der Detektionsvorrichtung angepasst werden, sodass die Detektion von Objekten effizienter betrieben werden kann.
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Vorteilhafterweise können die Betriebsbedingungen von einem Einbauort der Detektionsvorrichtung, insbesondere in oder an einem Fahrzeug, und/oder der Ausrichtung der Detektionsvorrichtung sein. So können insbesondere Abstände zu Begrenzungen im Überwachungsbereich, insbesondere dem Boden, berücksichtigt werden. Außerdem können Fahrzeugteile, welche sich innerhalb des Überwachungsbereichs befinden und die die Detektionsreichweite begrenzen, berücksichtigt werden.
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Vorteilhafterweise kann es sich bei den Informationen über den Überwachungsbereich um Objektinformationen von Objekten in dem Überwachungsbereich, insbesondere Entfernungen, Richtungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten relativ zur Detektionsvorrichtung, handeln. Darüber hinaus können die Informationen über den Überwachungsbereich auch die Information enthalten, dass kein Objekt erfasst wird. Außerdem können die Informationen über den Überwachungsbereich auch enthalten, dass eine Detektionsreichweite insbesondere durch Sichtbeeinträchtigungen, wie Nebel, Niederschläge oder dergleichen, begrenzt ist.
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Vorteilhafterweise kann die Bereitschaftsdauer eines Empfangselementes die Dauer sein, während der ein Empfangselement bereit ist, elektromagnetische Empfangssignale aufzunehmen. Wenn ein elektromagnetisches Empfangssignal während der Bereitschaftsdauer auf das entsprechende Empfangselement trifft, kann das Empfangssignal aufgenommen werden. Wenn während der Bereitschaftsdauer kein elektromagnetisches Empfangssignal auf das Empfangselement trifft, wird nichts, außer gegebenenfalls Rauschen, realisiert.
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Vorteilhafterweise kann die Aufnahme von Empfangssignalen einen Empfang von elektromagnetischen Empfangssignalen und deren Umwandlung in Auswertesignale umfassen, die mit einer Auswerteeinrichtung verarbeitet werden können. Bei den Auswertesignalen kann es sich vorteilhafterweise um elektrische Auswertesignale handeln. Elektrische Auswertesignale können mit einer elektrischen Auswerteeinrichtung verarbeitet werden.
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Vorteilhafterweise kann die Detektionsvorrichtung nach einem Lichtlaufzeitverfahren, insbesondere einem Lichtimpulslaufzeitverfahren, arbeiten. Nach dem Lichtimpulslaufzeitverfahren arbeitende optische Detektionsvorrichtungen können als Time-of-Flight-(TOF), Light-Detection-and-Ranging-Systeme (LiDAR), Laser-Detection-and-Ranging-Systeme (LaDAR) oder dergleichen ausgestaltet und bezeichnet werden. Bei einem direkten Lichtlaufzeitverfahren wird eine Laufzeit vom Aussenden eines Sendesignals, insbesondere eines Lichtpulses, mit einer Sendeeinrichtung und dem Empfang des entsprechenden reflektierten Sendesignals, also eines Empfangssignals, mit einer Empfangseinrichtung gemessen und daraus eine Entfernung zwischen der Detektionsvorrichtung und dem erfassten Objekt ermittelt. Alternativ kann die Detektionsvorrichtung nach einem sogenannten indirekten Lichtlaufzeitverfahren arbeiten. Dabei kann eine laufzeitbedingte Phasenverschiebung des Sendesignals, respektive des reflektierten Sendesignals, gemessen und daraus die Laufzeit. Aus der Laufzeit kann die Entfernung ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise kann die Detektionsvorrichtung als sogenanntes Flash-System, insbesondere als Flash-LiDAR, ausgestaltet sein. Dabei können entsprechende Sendesignale gleichzeitig einen Teil des Überwachungsbereichs oder den gesamten Überwachungsbereich anstrahlen. Alternativ kann die Detektionsvorrichtung als scannendes System ausgestaltet sein. Dabei kann mit Sendesignalen ein Überwachungsbereich abgetastet, also abgescannt, werden. Dazu können die Ausbreitungsrichtung der Sendesignale über den Überwachungsbereich geschwenkt werden. Hierbei kann wenigstens Umlenkeinrichtung, insbesondere eine Scaneinrichtung, eine Umlenkspiegeleinrichtung oder dergleichen, zum Einsatz kommen.
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Vorteilhafterweise kann die Detektionsvorrichtung als laserbasiertes Entfernungsmesssystem ausgestaltet sein. Das laserbasierte Entfernungsmesssystem kann als Lichtquelle der wenigstens einen Sendeeinrichtung wenigstens einen Laser, insbesondere einen Diodenlaser, aufweisen. Mit dem wenigstens einen Laser können insbesondere gepulste Sendestrahlen als Sendesignale gesendet werden. Mit dem Laser können Sendesignale in für das menschliche Auge sichtbaren oder nicht sichtbaren Wellenlängenbereichen emittiert werden. Entsprechend kann wenigstens ein Empfänger wenigstens einer Empfangseinrichtung einen für die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes ausgelegten Sensor, insbesondere einen Zeilensensor oder Flächensensor, im Besonderen eine (Lawinen)fotodiode, eine Photodiodenzeile, einen CCD-Sensor, einen Active-Pixel-Sensor, insbesondere einen CMOS-Sensor oder dergleichen, aufweisen. Der wenigstens eine Empfänger kann eine Vielzahl von Empfangselementen, welche auch Pixel genannt werden, umfassen, welche wenigstens teilweise individuell insbesondere bezogen auf ihre Bereitschaftsdauer angesteuert werden können. Das laserbasierte Entfernungsmesssystem kann vorteilhafterweise ein Laserscanner sein. Mit einem Laserscanner kann ein Überwachungsbereich mit einem insbesondere gepulsten Laserstrahl abgetastet werden.
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Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, verwendet werden. Vorteilhafterweise kann die Erfindung bei einem Landfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen, einem Lastkraftwagen, einem Bus, einem Motorrad oder dergleichen, einem Luftfahrzeug, insbesondere Drohnen, und/oder einem Wasserfahrzeug verwendet werden. Die Erfindung kann auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die autonom oder wenigstens teilautonom betrieben werden können. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf Fahrzeuge. Sie kann auch im stationären Betrieb und/oder in der Robotik eingesetzt werden.
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Die Detektionsvorrichtung kann vorteilhafterweise mit wenigstens einer elektronischen Steuervorrichtung des Fahrzeugs, insbesondere einem Fahrerassistenzsystem und/oder einer Fahrwerksregelung und/oder einer Fahrer-Informationseinrichtung und/oder einem Parkassistenzsystem und/oder einer Gestenerkennung oder dergleichen, verbunden oder Teil einer solchen sein. Auf diese Weise kann das Fahrzeug autonom oder teilautonom betrieben werden.
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Mit der Detektionsvorrichtung können stehende oder bewegte Objekte, insbesondere Fahrzeuge, Personen, Tiere, Pflanzen, Hindernisse, Fahrbahnunebenheiten, insbesondere Schlaglöcher oder Steine, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräume, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, erfasst werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Bereitschaftsdauer für wenigstens ein Empfangselement als die doppelte Laufzeit vorgegeben werden, die ein Sendesignal vom Aussenden bis zum Erreichen einer vorgebbaren Entfernungsgrenze der entsprechenden Region des Überwachungsbereichs benötigt. Auf diese Weise kann durch Anpassung der Bereitschaftsdauer und damit der Dauer der Aufnahme die Detektionsreichweite der Detektionsvorrichtung, also die maximale Entfernung, in der Objekte noch erfasst werden können, angepasst werden. Je kürzer die Bereitschaftsdauer ist, umso kleiner ist die Detektionsreichweite der Detektionsvorrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionsreichweite des Detektionssystems durch die Sendeleistung der Sendeeinrichtung vorgegeben werden.
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So können Empfangselemente, die Regionen mit näheren Entfernungsgrenzen zugeordnet sind, früher ausgelesen werden, als Empfangselemente, die Regionen mit weiter entfernten Entfernungsgrenzen zugeordnet sind. Entsprechend kann früher mit der Auswertung der Empfangssignale begonnen werden. So kann insgesamt die Bildfrequenz, also die Frequenz, in denen Messung durchgeführt werden, erhöht werden. Des Weiteren können so Sättigungseffekte bei den Empfangselementen, welche durch zu hohe Signalstärken von Empfangssignalen hervorgerufen werden können, verringert werden. Es ist nicht erforderlich, weitere Messungen mit veränderter Detektionsreichweite durchzuführen, um etwaige Sättigung der Empfangselemente zu korrigieren. Des Weiteren können die Anforderungen an optische Bauteile, insbesondere optische Linsen oder dergleichen, welche vor einer Lichtquelle der Sendeeinrichtung angeordnet sein können, verringert werden. Die optischen Bauteile dienen zur Erreichung eine homogeneren Ausbreitung der elektromagnetischen Sendesignale im Überwachungsbereich.
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Vorteilhafterweise können Empfangselemente, welche Regionen mit näher liegenden Entfernungsgrenzen zugeordnet sind, für eine entsprechend kürzere Bereitschaftsdauern aktiviert werden, als Empfangselemente, welche Regionen mit ferneren Entfernungsgrenzen zugeordnet sind. Auf diese Weise können Messungen insgesamt effizienter durchgeführt werden.
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Vorteilhafterweise kann die Detektionsvorrichtung in Verbindung mit einem Fahrzeug verwendet werden. In diesem Fall kann die maximal interessierende Entfernungsgrenze abhängig von einer Betriebssituation, insbesondere einer Fahrsituation, des Fahrzeugs vorgegeben werden.
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Für eine Detektionsvorrichtung, welche besonders einen Nahbereich um ein Fahrzeug abdecken soll, können die maximal benötigten Detektionsreichweiten begrenzt sein.
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Vorteilhafterweise kann bei einer Fahrt des Fahrzeugs für einen Überwachungsbereich in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug eine Entfernungsgrenze in der Größenordnung von 100 m und mehr vorgegeben werden. Auf diese Weise können Objekte vor dem Fahrzeug, insbesondere vorausfahrende Fahrzeuge, frühzeitig erkannt werden.
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Vorteilhafterweise kann bei einer Einparksituation des Fahrzeugs eine Entfernungsgrenze von weniger als 10 m vorgegeben werden. Auf diese Weise können die Messungen schneller durchgeführt werden und entsprechend Objekte im Parkbereich schneller erfasst werden.
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Vorteilhafterweise kann alternativ oder zusätzlich die Entfernungsgrenze einer Region durch betriebsbedingte Hindernisse vorgegeben werden. So können bei einer Detektionsvorrichtung des Fahrzeugs für die Empfangselemente, welche dem Boden zugeordnet sind, die entsprechenden Entfernungsgrenzen auf den Abstand zwischen der Detektionsvorrichtung und dem Boden vorgegeben werden. Die Entfernungsgrenzen, welche Regionen des Überwachungsbereichs insbesondere parallel zum Fahrzeug oberhalb des Fahrzeugs zugeordnet sind, können so vorgegeben sein, dass die entsprechende Region des Überwachungsbereichs maximal bis zur Fahrzeughöhe reicht. Objekte, welche sich oberhalb der Fahrzeughöhe befinden, sind in der Regel nicht von Interesse, da sie in der Regel nicht mit dem Fahrzeug kollidieren können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann, falls bei einer Messung eine Aufnahmekapazität wenigstens eines Empfangselementes erreicht wird, die vorgegebene Bereitschaftsdauer für dieses wenigstens eine Empfangselement wenigstens für einen nachfolgenden Messung verringert werden. Auf diese Weise kann bei einer Übersteuerung eines Empfangselementes die Empfindlichkeit verringert werden. So können auch bei Reflexion an hochreflektierenden Objekten, insbesondere spiegelnden Flächen, mit dem Verfahren die entsprechenden Objektinformation ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise können Empfangselemente, welche Regionen zugeordnet sind, aus denen Empfangssignale mit höheren Intensitäten erwartet werden, für kürzere Bereitschaftsdauern aktiviert werden, als Empfangselemente die Regionen zugeordnet sind, aus denen Empfangssignale mit geringeren Intensitäten erwartet werden. Auf diese Weise kann eine Übersteuerung der Empfangselemente vermieden und eine Detektion verbessert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können für mehrere Empfangselemente, welche Regionen des Überwachungsbereichs mit vergleichbaren Entfernungsgrenzen zugeordnet sind, dieselben Bereitschaftsdauern vorgegeben werden. Auf diese Weise können die Empfangssignale, welche mit den entsprechenden Empfangselementen generiert werden, einfacher miteinander verglichen werden. Ferner kann die Ansteuerung der Empfangselemente vereinfacht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können Empfangsgrößen, welche Empfangssignale in wenigstens einem Empfangselement generieren, für die Länge der Bereitschaftsdauer des wenigstens einen Empfangselementes kumuliert werden und aus den Empfangsgrößen Informationen über den Überwachungsbereich ermittelt werden.
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Falls die Detektionsvorrichtung nach einem indirekten Laufzeitverfahren arbeitet, kann die Bereitschaftsdauer durch eine Integrationszeit charakterisiert werden. Während der Integrationszeit werden entsprechende Empfangsgrößen integriert. Falls Sie Detektionsvorrichtung nach einem direkten Laufzeitverfahren arbeitet, kann die Bereitschaftsdauer durch ein Messzeitfenster charakterisiert werden. Auf diese Weise kann die Integrationszeit oder das Messzeitfenster an eine zu erwartende Betriebssituation angepasst werden.
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Bei den Empfangsgrößen kann es sich insbesondere um elektrische Größen, insbesondere elektrische Ladungen, elektrische Ströme, elektrische Kapazitäten, elektrische Energien oder dergleichen, handeln, welche von elektromagnetischen Empfangssignalen in oder mit einem Empfangselement generiert werden. Die Empfangsgrößen charakterisieren das entsprechende elektromagnetische Empfangssignal, insbesondere dessen Signalstärke, Intensität, Dauer und/oder Phasenverschiebung oder dergleichen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können eine Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Sendesignals und dem Empfang eines entsprechenden Empfangssignals, das von dem Sendesignal herrührt, das an einem Objekt im Überwachungsbereich reflektiert wird, bestimmt und daraus eine Entfernung des Objekts relativ zur Detektionsvorrichtung ermittelt werden
und/oder
wenigstens eine Phasenverschiebung eines empfangenen Empfangssignals, das von einem an einem Objekt im Überwachungsbereich reflektierten Sendesignal herrührt, bestimmt werden und daraus eine Entfernung des Objekts relativ zur Detektionsvorrichtung ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise kann eine Laufzeit zwischen dem aussenden eines Sendesignals und dem Empfang des entsprechenden Empfangssignals bestimmt werden und daraus eine Entfernung ermittelt werden. Auf diese Weise kann eine direkte Laufzeitmessung durchgeführt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Entfernung über eine Phasenverschiebung eines empfangenen Empfangssignals ermittelt werden. Auf diese Weise kann eine indirekte Laufzeitmessung durchgeführt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können wenigstens zwei Messungen durchgeführt werden, zwischen denen die Bereitschaftsdauer für wenigstens ein Empfangselement verändert werden kann. Auf diese Weise kann abwechselnd eine schnelle Messung im Nahbereich und eine Messung im Fernbereich durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Messungen können zu einem Gesamtbild des Überwachungsbereichs zusammengesetzt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können wenigstens für die längste Bereitschaftsdauer der verwendeten Empfangselemente Sendesignale gesendet werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass es zu keiner Überschneidung von nacheinander folgenden Messungen kommt. Diejenigen Empfangselemente, welche mit einer kürzeren Bereitschaftsdauer aktiviert werden, können früher ausgelesen werden. Auf diese Weise kann insgesamt die Auslesegeschwindigkeit erhöht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein Sendesignal simultan in mehrere Regionen des Überwachungsbereichs gesendet werden. Auf diese Weise können die entsprechenden Regionen gleichzeitig bei einer Messung auf Objekte überwacht werden. Die Detektionsvorrichtung kann als Flash-LiDAR realisiert werden.
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Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei der Detektionsvorrichtung dadurch gelöst, dass die Detektionsvorrichtung Mittel aufweist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Vorteilhafterweise können die Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf softwaremäßigem und/oder hardwaremäßigem Wege realisiert sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine Empfangseinrichtung wenigstens Zeilensensor und/oder einen Flächensensor, insbesondere einen CCD-Sensor, einen aktiven Pixelsensor oder dergleichen, aufweisen. Ein Flächensensor weist eine Vielzahl von Empfangselementen auf, welche in zwei Dimensionen angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Ortsauflösung in zwei Raumdimensionen erreicht werden. Ein Zeilensensor weist eine Vielzahl von Empfangselementen auf, welche entlang einer Zeile, also in einer Dimension, angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Ortsauflösung in einer Raumdimension realisiert werden.
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CCD-Sensoren, aktive Pixelsensoren oder dergleichen weisen eine Vielzahl von Empfangselementen, sogenannten Pixeln, auf. Die Empfangselemente können separat angesteuert werden. Die Empfangselemente können so flexibel eingestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens eine Sendeeinrichtung eine Flash-Sendeeinrichtung sein. Auf diese Weise kann wenigstens ein Sendesignal simultan in mehrere Regionen des Überwachungsbereichs gesendet werden. Die entsprechenden Regionen können so gleichzeitig bei einer Messung überprüft werden.
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Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Sendeeinrichtung wenigstens eine Lichtquelle, insbesondere wenigstens einen Laser, aufweisen, mit der Sendesignale, insbesondere Laserpulse, gesendet werden können. Vorteilhafterweise kann die wenigstens eine Sendeeinrichtung wenigstens eine signalbeeinflussende Einrichtung, insbesondere wenigstens eine optische Linse, aufweisen, mit der die Sendesignale in den Überwachungsbereich gelenkt werden können. Vorteilhafterweise kann die signalbeeinflussende Einrichtung die Sendesignale aufweiten, sodass ein entsprechend größeres Sichtfeld simultan ausgeleuchtet werden kann.
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Außerdem wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei dem Fahrzeug dadurch gelöst, dass das Fahrzeug wenigstens eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung aufweist.
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Im Übrigen gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und deren jeweiligen vorteilhaften Ausgestaltungen aufgezeigten Merkmale und Vorteile untereinander entsprechend und umgekehrt. Die einzelnen Merkmale und Vorteile können selbstverständlich untereinander kombiniert werden, wobei sich weitere vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen schematisch
- 1 eine Vorderansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrerassistenzsystem und einem LiDAR-System zur Überwachung eines Überwachungsbereichs in Fahrtrichtung links neben dem Fahrzeug;
- 2 eine Funktionsdarstellung des Fahrzeugs aus der 1 mit dem Fahrerassistenzsystem und dem LiDAR-System;
- 3 eine Vorderansicht eines Empfängers des LiDAR-Systems aus den 1 und 2.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In der 1 ist ein Fahrzeug 10 in Form eines Personenkraftwagens in der Vorderansicht gezeigt. Die 2 zeigt eine Funktionsdarstellung des Fahrzeugs 10.
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Der besseren Orientierung wegen sind in den 1 bis 3 die entsprechenden Koordinatenachsen eines kartesischen x-y-z-Koordinatensystems eingezeichnet. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen erstreckt sich beispielhaft die x-Achse in Richtung einer Fahrzeuglängsachse des Fahrzeugs 10, die y-Achse erstreckt sich entlang einer Fahrzeugquerachse und die z-Achse erstreckt sich senkrecht zur x-y-Ebene entlang einer Fahrzeug-Vertikalachse nach räumlich oben. Wenn das Kraftfahrzeug 10 sich betriebsgemäß auf einer horizontalen Fahrbahn befindet, erstrecken sich die x-Achse und die y-Achse räumlich horizontal und die z-Achse räumlich vertikal.
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Das Fahrzeug 10 verfügt über eine optische Detektionsvorrichtung beispielsweise in Form eines LiDAR-Systems 12. Das LiDAR-System 12 ist beispielhaft seitlich in einem oberen Bereich des Fahrzeugs 10 angeordnet und in einen Überwachungsbereich 14 in Fahrtrichtung 16 links neben dem Fahrzeug 10 gerichtet. Mit dem LiDAR-System 12 kann der Überwachungsbereich 14 auf Objekte 18 hin überwacht werden. Das LiDAR-System 12 kann auch an anderer Stelle des Fahrzeugs 10 angeordnet und anders ausgerichtet sein. Das Fahrzeug 10 kann auch mehrere auch unterschiedliche Detektionsvorrichtungen aufweisen.
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Mit dem LiDAR-System 12 können stehende oder bewegte Objekte 18, beispielsweise Fahrzeuge, Personen, Tiere, Pflanzen, Hindernisse, Fahrbahnunebenheiten, insbesondere Schlaglöcher oder Steine, Fahrbahnbegrenzungen, Verkehrszeichen, Freiräume, insbesondere Parklücken, Niederschlag oder dergleichen, erfasst werden.
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Ferner verfügt das Fahrzeug 10 über ein Fahrerassistenzsystem 20. Mit dem Fahrerassistenzsystem 20 kann das Fahrzeug 10 autonom oder teilweise autonom betrieben werden. Das Fahrerassistenzsystem 20 ist funktional mit dem LiDAR-System 12 verbunden. So können Informationen über den Überwachungsbereich 14, beispielsweise Objektinformationen über Objekte 18 im Überwachungsbereich 14, welche mit dem LiDAR-System 12 erfasst werden, an das Fahrerassistenzsystem 20 übermittelt werden. Mit dem Fahrerassistenzsystem 20 können die Informationen über den Überwachungsbereich 14 zur Unterstützung von Betriebsfunktionen des Fahrzeugs 10, beispielsweise bezüglich Antrieb, Lenkung und Bremsen, herangezogen werden.
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Die Objektinformationen eines Objekts 18, welche mit dem LiDAR-System 12 ermittelt werden können, umfassen beispielhaft Entfernungen, Geschwindigkeiten und Richtungen von Objekten 18 relativ zu dem Fahrzeug 10, respektive zu dem LiDAR-System 12.
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Die Richtung eines Objekts 18 kann beispielsweise als Winkel in Bezug auf Referenzachsen angegeben werden. Beispielsweise kann der Azimut in Bezug auf die Fahrzeugquerachse des Fahrzeugs 10 und die Elevation in Bezug auf die Fahrzeug-Vertikalachse zur Charakterisierung der Richtung angegeben werden.
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Das LiDAR-System 12 umfasst beispielhaft eine Sendeeinrichtung 22, eine Empfangseinrichtung 24 und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 26.
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Mit der Sendeeinrichtung 22 können elektromagnetische Sendesignale 28 gesendet werden. Die Sendesignale 28 sind beispielhaft gepulste Laserstrahlen mit Wellenlängen beispielsweise im nahen Infrarot. Die Sendeeinrichtung 22 verfügt als Lichtquelle beispielhaft über eine Laserdiode, mit welcher die Sendesignale 28 erzeugt werden können. Die Sendeeinrichtung 22 kann auch mehr als eine Lichtquelle, beispielsweise mehrere Laserdioden, aufweisen.
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Beispielhaft handelt es sich bei dem LiDAR-System 12 um ein sogenanntes Flash-LiDAR-System, bei dem jedes Sendesignal 28 den gesamten Überwachungsbereich 14 ausleuchtet. Die Sendeeinrichtung 22 kann hierzu entsprechende optische Bauteile, beispielsweise optische Linsen, Diffusoren, Beugungselemente, diffraktive optische Elemente, strahlformende Elemente oder dergleichen aufweisen, mit denen die Sendesignale 28 so beeinflusst werden, dass sie den Überwachungsbereich 14 möglichst gleichmäßig ausleuchten können.
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Mit der Empfangseinrichtung 24 können die Sendesignale 28, welche im Überwachungsbereich 14 beispielsweise an einem Objekt 18 reflektiert werden, als elektromagnetische Empfangssignale 30 in entsprechende elektrische Auswertesignale umgewandelt werden. Die elektrischen Auswertesignale können an die elektronische Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 des LiDAR-Systems 12 übermittelt und mit dieser verarbeitet werden.
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Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 umfasst Mittel zur Steuerung des LiDAR-Systems 12 und zur Verarbeitung der elektrischen Auswertesignale. Alternativ können die Mittel zur Steuerung und die Mittel zur Auswertung auch separat ausgestaltet sein. Es können eine Steuereinrichtung und Auswerteeinrichtung getrennt voneinander realisiert sein. Die Mittel zur Steuerung und zur Auswertung sind auf softwaremäßigem und hardwaremäßigem Wege realisiert. Teile der Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 oder die gesamte Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 können auch mit einer elektronischen Steuereinrichtung des Fahrzeugs 10, beispielsweise auch mit dem Fahrerassistenzsystem 20, kombiniert sein.
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Aus den Empfangssignalen 30, respektive den elektrischen Auswertesignalen, können mit dem LiDAR-System 12 die Objektinformationen über das erfasste Objekt 18 gewonnen werden. So kann beispielhaft nach einem Lichtlaufzeitverfahren, bei dem die Laufzeit zwischen dem Senden eines Sendesignals 28 und dem Empfang des entsprechenden Empfangssignals 30 ermittelt wird, die Entfernung des Objekts 18 relativ zu dem LiDAR-System 12 als Positionsinformation ermittelt werden.
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Die Empfangseinrichtung 24 verfügt über ein optisch abbildendes System 32, beispielsweise in Form einer optischen Linse, einen Empfänger 34, beispielsweise in Form eines CCD-Chips, und elektronische Bauteile, die der besseren Übersichtlichkeit wegen in den Figuren nicht gezeigt sind. Das optisch abbildende System 32 befindet sich zwischen dem Empfänger 24 und dem Überwachungsbereich 14. Mit dem optisch abbildende System 32 können reflektierende Objekte 18 über die entsprechenden Empfangssignale 30 in zwei Dimensionen, nämlich in der x-y-Ebene, also vertikal und horizontal, ortsaufgelöst abgebildet werden.
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Der Empfänger 34 ist in der 3 in der Vorderansicht von dem optisch abbildendes System 32 aus betrachtet gezeigt. Der Empfänger 34 umfasst insgesamt beispielhaft 16 flächig angeordnete Empfangselemente 36, welche auch als „Pixel“ bezeichnet werden können. Die Empfangselemente 36 sind beispielhaft in 13 vertikalen Spalten 38 und 7 horizontalen Reihen 40 angeordnet. Die Spalten 38 verlaufen parallel zur z-Achse, beispielhaft räumlich vertikal. Die Reihen 40 verlaufen parallel zur x-Achse, beispielhaft räumlich horizontal.
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Jedes Empfangselement 36 kann individuell für eine jeweilige vorgegebene Bereitschaftsdauer Tber, nämlich Tber_1, Tber_2 und Tber_3, zur Aufnahme von elektromagnetischen Empfangssignalen 30 aktiviert werden. Die Aufnahme von Empfangssignalen 30 umfasst den Empfang der Empfangssignale 30 und deren Umwandlung in entsprechende elektrische Auswertesignale. Die Bereitschaftsdauer Tber eines Empfangselementes 36 ist die Dauer, in der das Empfangselement 36 bereit ist, elektromagnetische Empfangssignale 30 aufzunehmen. Wenn ein elektromagnetisches Empfangssignal 30 während der Bereitschaftsdauer Tber auf das entsprechende Empfangselement 36 trifft, kann das Empfangssignal 30 aufgenommen werden. Wenn während der Bereitschaftsdauer Tber kein elektromagnetisches Empfangssignal 30 auf das Empfangselement 36 trifft, wird nichts, außer gegebenenfalls Rauschen, realisiert.
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Beispielhaft kann das LiDAR-System 12 nach einem direkten Lichtlaufzeitverfahren betrieben werden. Dabei wird die Laufzeit vom Aussenden eines Sendesignals 28 mit der Sendeeinrichtung 22 und dem Empfang des entsprechenden reflektierten Empfangssignals 30 mit dem Empfänger 34 gemessen und daraus die Entfernung zwischen dem LiDAR-System 12 und dem erfassten Objekt 18 ermittelt. Alternativ kann das LiDAR-System 12 nach einem indirekten Lichtlaufzeitverfahren arbeiten. Dabei wird eine laufzeitbedingte Phasenverschiebung des reflektierten Sendesignals 28, also des Empfangssignals 30, gemessen und daraus die Laufzeit und aus dieser die Entfernung ermittelt.
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Die jeweiligen Bereitschaftsdauern Tber_1, Tber_2 und Tber_3 für die Empfangselemente 36 werden abhängig von jeweiligen Regionen, nämlich einer Bodenregion 14a, einer Nahfeld-Region 14b, einer Fernfeld-Region 14c und einer Höhenregion 14d, des Überwachungsbereichs 14, denen die Empfangselemente 36 jeweils zugeordnet sind, individuell vorgegeben. Dabei wird die jeweilige Bereitschaftsdauer Tber so vorgegeben, dass sie der jeweiligen Laufzeit eines Sendesignals 28, das in einer Detektionsreichweite 48a, 48b, 48c oder 48d der Empfangselemente 36 für die entsprechende Region 14a, 14b, 14c oder 14d des Überwachungsbereichs 14 reflektiert wird, und des entsprechenden reflektierten Empfangssignals 30 entspricht. Die Detektionsreichweiten 48a, 48b, 48c und 48d werden durch die jeweiligen maximal interessierenden Entfernungsgrenzen 44a, 44b, 44c und 44d der entsprechenden Regionen 14a, 14b, 14c und 14d definiert. Die Entfernungsgrenzen 44a, 44b, 44c und 44d entsprechend den jeweiligen Entfernungen zu dem LiDAR-System 12, für die das Erkennen von etwaigen Objekten 18 noch von Interesse ist. Beispielsweise ist die Erkennung eines Objekts 18 dann von Interesse, wenn eine Kollision mit dem Fahrzeug 10 droht. Die Bereitschaftsdauern Tber_1, Tber_2 und Tber_3 für die Empfangselemente 36 werden jeweils als die doppelte Laufzeit vorgegeben, die ein Sendesignal 28 vom Aussenden bis zum Erreichen der jeweiligen maximal interessierenden Entfernungsgrenze 44a, 44b, 44c und 44d der entsprechenden Region 14a, 14b, 14c beziehungsweise 14d des Überwachungsbereichs 14 benötigt.
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Die Empfangselemente 36 der in der 3 unteren beiden Reihen 40 bilden eine Bodengruppe 42a. Die Empfangselemente 36 der Bodengruppe 42a sind der Bodenregion 14a zugeordnet. Die Empfangssignale 30 von etwaigen Objekte 18 in der Bodenregion 14a werden auf die Empfangselemente 36 der Bodengruppe 42 abgebildet. Die Bodenregion 14a des Überwachungsbereichs 14 erstreckt sich unmittelbar neben dem Fahrzeug 10. Die Entfernungsgrenze 44a der Bodenregion 14a wird durch den Boden 46, respektive der Fahrbahn, definiert. Um die Bodenregion 14a bis zur Entfernungsgrenze 44a erfassen zu können, genügt eine reduzierte Boden-Detektionsreichweite 48a von beispielhaft etwa 2 m, welche dem Abstand zwischen dem LiDAR-System und dem Boden 46 auf der entfernten Seite der Bodenregion 14a entspricht. Die Empfangselemente 36 der Bodengruppe 42a werden bei Messungen beispielhaft mit der gleichen ersten Bereitschaftsdauer Tber_1 aktiviert.
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Die Empfangselemente 36 der in der 3 dritten Reihe 40 von unten bilden eine Nahfeld-Gruppe 42b. Die Empfangselemente 36 der Nahfeld-Gruppe 42b sind der Nahfeld-Region 14b zugeordnet. Die Empfangssignale 30 von etwaigen Objekten 18 in der Nahfeld-Region 14b werden auf die Empfangselemente 36 der Nahfeld-Gruppe 42b abgebildet. Die Nahfeld-Region 14b des Überwachungsbereichs 14 erstreckt sich neben der Bodenregion 14a auf der dem Fahrzeug 10 abgewandten Seite. Die Nahfeld-Entfernungsgrenze 44b der Nahfeld-Region 14b wird in einer größeren Entfernung als die der Bodenregion 14a durch den Boden 46 definiert. Um die Bodenregion 14a bis zur Nahfeld-Entfernungsgrenze 44b erfassen zu können, genügt eine Nahfeld-Detektionsreichweite 48b von beispielhaft etwa 10 m, welche dem Abstand zwischen dem LiDAR-System und dem Boden 46 auf der entfernten Seite der Nahfeld-Region 14b entspricht. Die Empfangselemente 36 der Nahfeld-Gruppe 42b werden bei Messungen beispielhaft mit der gleichen zweiten Bereitschaftsdauer Tber_2 aktiviert. Beispielhaft ist die zweite Bereitschaftsdauer Tber_2 länger als die erste Bereitschaftsdauer Tber_1.
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Die Empfangselemente 36 der in der 3 vierten, fünften und sechsten Reihe 40 von unten bilden eine Fernfeld-Gruppe 42c. Die Empfangselemente 36 der Fernfeld-Gruppe 42c sind der Fernfeld-Region 14c zugeordnet. Die Empfangssignale 30 von etwaigen Objekten 18 in der Fernfeld-Region 14c werden auf die Empfangselemente 36 der Fernfeld-Gruppe 42c abgebildet. Die Fernfeld-Region 14c des Überwachungsbereichs 14 erstreckt sich neben der Nahfeld-Region 14b auf der dem Fahrzeugs 10 abgewandten Seite. Durch die Fernfeld-Region 14c führt eine gedachte Horizontlinie 50 auf der Höhe des Daches des Fahrzeugs 10. Die Fernfeld-Entfernungsgrenze 44c der Fernfeld-Region 14c liegt in einer Entfernung von beispielsweise etwa 40 m. So können Objekte 18 bis zu einer Entfernung von etwa 40 m neben dem Fahrzeug 10 noch erfasst werden. Um die Fernfeld-Region 14c bis zur Fernfeld-Entfernungsgrenze 44c erfassen zu können, ist entsprechend eine Fernfeld-Detektionsreichweite 48c von 40 m erforderlich. Die Empfangselemente 36 der Fernfeld-Gruppe 42c werden bei Messungen beispielhaft mit der gleichen dritten Bereitschaftsdauer Tber_3 aktiviert. Beispielhaft ist die dritte Bereitschaftsdauer Tber_3 deutlich größer als die zweite Bereitschaftsdauer Tber_2.
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Die Empfangselemente 36 der in der 3 oberen Reihe 40 bildet eine Höhen-Gruppe 42d. Die Empfangselemente 36 der Höhen-Gruppe 42d sind der Höhenregion 14d zugeordnet. Die Empfangssignale 30 von etwaigen Objekten 18 in der Höhenregion 14d werden auf die Empfangselemente 36 der Höhen-Gruppe 42d abgebildet. Die Höhenregion 14d des Überwachungsbereichs 14 erstreckt sich oberhalb der Fernfeld-Region 14c. Die Höhen-Entfernungsgrenze 14d der Fernfeld-Region 14c liegt in einer Entfernung von beispielsweise etwa 10 m. Der Bereich oberhalb der Fahrzeughöhe ist von geringerem Interesse, da dortige Objekte 18 in der Regel nicht mit dem Fahrzeug 10 kollidieren können. Um die Höhenregion 14d bis zur Höhen-Entfernungsgrenze 44d erfassen zu können, ist entsprechend eine Fernfeld-Detektionsreichweite 48d von 10 m erforderlich, was der Nahfeld-Detektionsreichweite 48b entspricht. Die Empfangselemente 36 der Höhen-Gruppe 42d werden bei Messungen beispielhaft mit der gleichen zweiten Bereitschaftsdauer Tber_2 aktiviert, wie die Empfangselemente 36 der Nahfeld-Gruppe 42b.
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Bei dem Verfahren zum Detektieren von Objekten 18 in dem Überwachungsbereich 14 werden beispielhaft kontinuierlich Messungen mit dem LiDAR-System 12 durchgeführt. Bei jeder Messung werden Sendesignale 28 für die Länge der längsten Bereitschaftsdauer Tber_3 in den Überwachungsbereich 14 gesendet. Gleichzeitig mit dem Senden der Sendesignale 28 werden die Empfangselemente 36 für ihre jeweilige Bereitschaftsdauer Tber_1, Tber_2 und Tber_3 aktiviert. Die Sendesignale 28, welche auf ein Objekt 18 im Überwachungsbereich 14 treffen, werden entsprechend reflektiert. Die reflektierten Sendesignale 28 werden mittels dem optisch abbildenden System 32 der Empfangseinrichtung 24 auf die entsprechenden Empfangselemente 36 abgebildet.
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Abhängig von der jeweiligen Bereitschaftsdauer Tber_1, Tber_2 oder Tber_3 werden die Empfangsgrößen, welche die Empfangssignale 30 in den betreffenden Empfangselement 36 generieren, integriert. Jeweils nach Ende der jeweiligen Bereitschaftsdauer Tber_1, Tber_2 beziehungsweise Tber_3 werden die entsprechenden Empfangselemente 36 deaktiviert und ausgelesen. Dabei werden die integrierten Empfangsgrößen als jeweilige elektrische Auswertesignale ausgegeben.
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Aus den Auswertesignalen werden die Objektinformationen des Objekts 18, nämlich Entfernung, die Richtung und die Geschwindigkeit des erfassten Objekts 18 relativ zum LiDAR-System 12, ermittelt.
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Die Objektinformationen werden an das Fahrerassistenzsystem 20 übermittelt. Mit dem Fahrerassistenzsystem 20 werden entsprechende Betriebsfunktionen des Fahrzeugs 10 auf Basis der Objektinformationen beeinflusst, beispielsweise gesteuert oder geregelt. Das Fahrzeug 10 kann so autonom oder teilautonom betrieben werden.
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Falls bei der Messung eine vorgebbare kritische Aufnahmekapazität eines oder mehrerer Empfangselemente 36 erreicht wird, wird die vorgegebene Bereitschaftsdauer Tber für das betreffende Empfangselement 36 für die nächste Messung verringert. Die kritische Aufnahmekapazität kann beispielsweise dadurch erreicht werden, das Sendesignale 28 an hochreflektierenden Objekten 18, beispielsweise spiegelnden Flächen, reflektiert und mit entsprechender Stärke als Empfangssignale 30 auf das entsprechende Empfangselement 36 treffen. Dies führt zu einer Sättigung des entsprechenden Empfangselementes 36. Durch die Verringerung der entsprechenden Bereitschaftsdauer Tber wird der Sättigung entgegengewirkt.
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Bei einem alternativen Verfahren können jeweils paarweise jeweils zwei nacheinander folgende Messungen durchgeführt werden. Dabei kann bei einer der Messungen beispielsweise die längste Bereitschaftsdauer Tber_3 verkürzt werden. Auf diese Weise verringert sich die Fernfeld-Detektionsreichweite 48c. Die Messung mit der verkürzten Bereitschaftsdauer Tber_3 kann schneller durchgeführt werden. Die Ergebnisse der beiden Messungen mit unterschiedlich langen Bereitschaftsdauern Tber_3 können zu einem Gesamtbild des Überwachungsbereichs 14 zusammengeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018126631 A1 [0004]
