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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Umgebungssensor, der einen Lichtdetektor aufweist, wobei der Lichtdetektor dafür eingerichtet ist, von einer oder mehreren Lichtquellen in eine Umwelt abgegebenes Licht nach dessen Reflexion in der Umwelt als ein Nutzsignal, das Teil eines Empfangssignals ist, zu empfangen und aus dem Nutzsignal Informationen über die von der oder den Lichtquellen abgetastete Umwelt zu erhalten, sowie ein Fahrzeug, das einen solchen optischen Umgebungssensor aufweist, der mit einer Energieversorgung des Fahrzeugs verbunden ist, um den optischen Umgebungssensor zu betreiben.
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Stand der Technik
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Um ein sicheres, vorzugsweise hochautomatisiertes, Fahren zu gewährleisten, muss ein Reibwert der zu befahrenden Straße so genau wie möglich bekannt sein. Der Reibwert wird insbesondere durch auf der Straße vorkommende „Zwischenmedien“ (= Medien zwischen Asphalt und Reifen) wie beispielsweise Wasser, Schnee, Eis, Laub oder Öl beeinflusst. Die Erfassung dieser Medien kann durch verschiedene Sensoren (z. B. Kamera, Schall, Ultraschall oder optisch im Infrarot-Bereich) erfolgen.
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Optische Sensoren im Nahinfraroten (ca. 800 nm - 3000 nm) werten die diffuse und / oder gerichtete Reflexion von aktiv ausgesendetem Licht mehrerer Wellenlängen(-bereiche) aus. Diese Wellenlängen(-bereiche) unterscheiden sich dadurch, dass in ihnen unterschiedlich stark ausgeprägte Absorptionslinien von Wasser in allen Aggregatszuständen und Formen (flüssig, eisbedeckt, schneebedeckt oder Mischzustände) liegen. Dadurch können trockene Straßen von nicht-trockenen unterschieden, einzelne Zwischenmedien als „Straßenzustand“ kategorisiert und sogar Schichtdicken des Zwischenmediums bestimmt werden. Hierzu werden insbesondere Intensitäten und Intensitätsverhältnisse ausgewertet, entweder über Vergleiche, Schwellwerte oder maschinelle Lernverfahren. Die daraus folgende Bestimmung des Straßenzustandes wird nachfolgend „Algorithmus“ genannt.
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Dieses generelle Messprinzip kann als Stand der Technik angenommen werden, da es schon seit mehr als 20 Jahren patentiert ist. Der Stand der Technik für solche Sensoren basiert beispielsweise auf den Patenten
DE 2712199 ,
DE 4133359 und
DE 19506550 .
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Zur Detektierung des Straßenzustands bestehen mehrere Sensorkonzepte, die sich insbesondere in der Anzahl der Lichtquellen und verwendeten Detektoren unterscheiden. Die für den Automobilbereich aus, vor allem, Kostengründen bevorzugte Ausführungsform weist eine oder mehrere Lichtquellen (z.B. Laser oder LEDs), die jeweils dafür eingerichtet sind, Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines Wellenlängenbereichs auszusenden, sowie eine für alle ausgesendeten Wellenlängen sensitiven Lichtdetektor, auch Photodetektor genannt, (z.B. eine Photodiode mit Verstärkerschaltung) auf. Um die Signale der einzelnen Lichtquellen unterscheiden und zuordnen zu können, werden diese moduliert, also z.B. hintereinander gepulst.
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Ein großes Problem bei der Anwendung von Infrarotspektroskopiesensorik im Automobilbereich ist der Einfluss von Hintergrundlicht (z.B. Sonnenlicht, Scheinwerfer, Straßenbeleuchtung, etc.) auf das gemessene Signal. Meist wird die Lichtquelle bzw. die Lichtquellen des Sensors moduliert, um zum einen rechnerische Subtraktion des Hintergrundsignals bzw. anderen Offsets zu erlauben und zum anderen (je nach Detektoraufbau) die Unterscheidung von verschiedenen Lichtquellen zu gewährleisten. Bei z.B. intensiver Sonneneinstrahlung ist dies alleine aber oft nicht ausreichend, da das Detektorsignal alleine durch das Hintergrundlicht in Sättigung getrieben wird.
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Im optischen Umgebungssensor erfasst, allgemein gesprochen, eine Detektoreinheit nach dem Stand der Technik üblicherweise diffus zurückgestreutes Licht mehrerer durch Lichtquellen ausgesendeter Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche. Ausgewertet werden letztendlich Signale, Ströme der Detektoreinheit, die den Lichtdetektor aufweist, wobei diese bereits aufbereitet sein können (z.B. Normierung auf einen optischen Standard sowie die ausgesendete Leistung der Lichtquelle, Relativwerte zweier Wellenlängen, Temperaturkompensation, Offsetkorrektur). Bei zu großem Einfluss von Hintergrundlicht (z.B. durch Sonnenstrahlung) ist die Auswertung nach dem Stand der Technik nicht mehr möglich.
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Ein Straßenzustandssensor nach dem Stand der Technik zum Beispiel, der ein spezieller optischer Umgebungssensor ist, sendet aktiv Licht aus und misst die Intensität des von der Straße zurückgestreuten Anteils. Hierbei wird das auf den Sensor fallende Licht mithilfe einer Photodiode als Lichtdetektor in elektrischen Strom umgewandelt, welcher beispielsweise mit einem Transimpendanzverstärker verstärkt wird. Bei Vorhandensein von Hintergrundlicht (z.B. Sonnenlicht) ist das Messen dieses Signals mit großen Schwierigkeiten verbunden, da z.B. der Anteil des Sonnenlichts im Vergleich zum Nutzsignal um ein Vielfaches (mehrere Größenordnungen) höher sein kann, sodass die Verstärkerschaltung des Sensors entweder bis zur Sättigung übersteuert wird, sodass das Nutzsignal nicht gemessen werden kann oder mit verringertem Verstärkungsfaktor arbeiten muss, um eine Sättigung zu vermeiden, was wiederrum die Auflösung in Bezug auf das Nutzsignal verschlechtert.
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Für die Lösung dieses Problems bestehen verschiedene Ansätze, wie z.B. die Abschirmung von Sonnenlicht durch eine Blende und Anbringung des Sensors möglichst im Schatten des Fahrzeugs und/oder der Einsatz von niedrigen Verstärkungsfaktoren, um das Signal rechnerisch zu korrigieren, und/oder die Verwendung von Lichtquellen mit sehr hoher Ausgangsleistung und/oder optische Bandpassfilter.
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Zum Beispiel offenbart die
DE 11 2017 006 909 T5 einen dreidimensionalen Bildaufnehmer. Ein Nachteil der Projektion kodierter Muster besteht laut dieser Druckschrift darin, dass Hintergrundlicht Messungen kontaminiert und die Genauigkeit herabsetzt. Es wird erwähnt, dass das Problem des Hintergrundlichts insbesondere durch ein Sinusphasenverschiebungsverfahren vermieden werden kann, da Hintergrundlicht, wenn es konstant ist, bei der Berechnung der Phase neutralisiert wird.
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Aus der
DE 10 2011 005 746 A1 ist eine Messvorrichtung zur mehrdimensionalen Vermessung eines Zielobjekts bekannt. In der Schrift wird offenbart, dass eine Kombination von mehreren SPADs (Single Photon Avalanche Photodioden, Einzelphoton-Lawinenphotodiode) zu Pixeln räumlich derart ausgestaltet werden kann, dass auch unter starker Hintergrundbeleuchtung ein Signal-Rausch-Verhältnis optimiert werden kann. Dies kann insbesondere über eine über die Detektionsfläche ortsabhängige Anpassung der Größe der Pixel bzw. der Anzahl von SPADs, die zu einem Pixel kombiniert werden, erreicht werden. Auch kann eine effektive Detektionsfläche bei allen Entfernungen optimal an eine Größe eines tatsächlich abgebildeten Lasermessflecks angepasst, das heißt minimiert werden.
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Die
DE 10 2008 018 718 A1 offenbart einen optischen Abstandsmesser und ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung. Zwei überlappende Erfassungszeiträume werden erfasst und in einem ersten Erfassungszeitraum, einem Strahlungspulszeitraum, werden Reflexionen des Strahlungspulses sowie Hintergrundstrahlung erfasst und in einem zweiten Zeitraum, einem Dunkelzeitraum, wird nur Hintergrundstrahlung erfasst. Ein durch eine Auswerteeinrichtung ermitteltes Signal kann ein Differenzsignal der beiden Erfassungszeiträume sein.
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Aus der
DE 698 32 540 T2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Mustererkennung bekannt, insbesondere um das Vorhandensein und/oder den Ort eines Referenzobjekts in einer Szene zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst einen räumlichen Lichtmodulator (SLM). Es wird vorgeschlagen, eine Form des SLM zu schaffen, die so beschaffen ist, dass sie nur Licht über einem vorgegebenen Schwellenpegel durchlässt. Dies könnte z.B. beim Entfernen von Hintergrundlicht mit niedrigem Pegel in einem Bild nützlich sein.
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Die
EP 3 438 699 A1 zeigt und beschreibt einen Distanzmesser mit SPAD-Anordnung zur Berücksichtigung von Mehrfachzielen. Es wird erwähnt, dass aufgrund von Parallelschaltung von vielen Mikrozellen zu Zellengruppen (Domänen) auch bei solarem Hintergrundlicht nach wie vor ausreichend freie Zellen für die Signalphotonen vorhanden sein können.
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Die
EP 2 600 168 A1 offenbart einen optoelektronischen Entfernungsmesser mit einer Sendeeinheit, einer Empfangseinheit und einer elektronischen Auswerteeinheit. Ein ausgesendetes optisches Signal ist in seiner Intensitätsamplitude moduliert. Es werden kurze Pulse mit hoher Spitzenleistung gefolgt von Pausen ohne Signalaussendung emittiert. Somit soll der zurückgeworfene Anteil der Pulse eine genügend hohe Intensität aufweisen, um diese aus den Hintergrundstörungen und dem Rauschen, insbesondere auch bei Vorhandensein von Hintergrundlicht (Sonnenlicht, künstlicher Beleuchtung, etc.), auswerten zu können.
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Die
DE 20 2008 018 045 U1 zeigt und beschreibt einen Impulslaserstrahldetektor mit verbesserter Sonnen- und Temperaturkompensation. Als Aufgabe ist erwähnt, den Bau von Laserentfernungsmessern und anderen LIDAR-Vorrichtungen mit verbesserter Reichweite und besserer Unempfindlichkeit gegen Sonnenlicht und Hintergrundlicht durch Verwendung eines vorgestellten Schaltkreises zu ermöglichen. Eine Mikrocontrollereinheit (MCU) ist vorgesehen, die eine Datenbank mit Werten für verschiedene Sonneneinstrahlungsintensitäten aufweist. Außerdem besitzt die Erfindung vorgespeicherte verschiedene digitale Verstärkungssteuerungsausgangswerte. Vorgesehen ist, verschiedene Nutzungsmodi, die auf der Sonneneinstrahlungsintensität basieren, zu detektieren und dann den Empfänger entsprechend zu kompensieren.
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Die
DE 10 2008 031 681 A1 zeigt und beschreibt ein LiDAR-Verfahren zur Messung von Geschwindigkeiten und eine LiDAR-Vorrichtung mit zeitgesteuerter Detektion. Falls eine CCD-Kamera als Detektor verwendet wird, wird dieses Bild nur für einen Bruchteil einer typischen Belichtungszeit belichtet. Auch nur während dieser kurzen Zeit strahlt Hintergrundlicht ein. Auf diese Weise wird nur ein vergleichsweise geringer Teil der Hintergrundstrahlung detektiert.
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Die
DE 10 2017 127 963 A1 schließlich lehrt eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Licht. Vorgesehen ist, dass eine Kathode einer Avalanche-Fotodiode über einen elektrischen Widerstand an ein Bezugspotential angeschlossen ist. Der Fotostrom der Avalanche-Fotodiode verursacht am Widerstand einen Spannungsabfall. Diese Spannungsänderung kann mittels eines Kondensators auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gegeben werden. Diese Ausgestaltung soll den Vorteil haben, dass der Operationsverstärker lediglich wechselspannungsgekoppelt an die Avalanche-Fotodiode angeschlossen ist. Dadurch kann ein Fotostrom der Avalanche-Fotodiode, der zum Beispiel durch Hintergrundlicht verursacht sein kann und einen entsprechenden Gleichanteil der am Widerstand abfallenden Spannung hervorrufen kann, gefiltert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein optischer Umgebungssensor zur Verfügung gestellt, welcher weiter dafür eingerichtet ist, ein Hintergrundlicht aus der Umwelt, das von dem Lichtdetektor als Störsignal in dem Empfangssignal empfangbar ist, elektronisch zu kompensieren.
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Vorteile der Erfindung
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Der optische Umgebungssensor hat den Vorteil, den Stand der Technik zu verbessern, indem er eine elektronische Lösung bereitstellt, um das Hintergrundlicht zu kompensieren, sodass auf mechanische und andere Lösungen verzichtet werden kann.
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Im Folgenden wird eine Rechteck-Modulation der Lichtquellen und ein nicht wellenlängen-sensitiver Lichtdetektor angenommen, die Erfindung ist allerdings auch mit anderen Modulationsarten und Detektorkonzepten umsetzbar. Weiter ist mit dem Vorhandensein „einer Lichtquelle“ grundsätzlich der Fall sowohl genau einer Lichtquelle als auch der Fall mit zwei oder mehr Lichtquellen erfasst, je nach Ausführungsform des optischen Umgebungssensors. Das Hintergrundlicht wird durch eine weitere Lichtquelle verursacht, die nicht die Lichtquelle des optischen Umgebungssensors ist. Dies kann beispielsweise die Sonne, eine Straßenlaterne, aber auch ein am Fahrzeug angebrachtes Fahrlicht sein. Das Hintergrundlicht ist mit anderen Worten Licht, was durch eine Lichtquelle erzeugt wird, die nicht das Licht zur Abtastung der Umwelt mittels des optischen Umgebungssensors abgibt, das über den Lichtdetektor auszuwerten ist, um die Informationen zu erhalten.
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Der Umgebungssensor weist zur Kompensation des Störsignals vorzugsweise eine Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung auf, die dafür eingerichtet ist, das Empfangssignal aufzubereiten. Die Erfindung liefert auf diese Weise die Möglichkeit, auch bei Einfluss von Hintergrundlicht auf den optischen Umgebungssensor eine gute Auflösung und hohe Genauigkeit in der Messung des Signals des in der Umwelt zurückgestreuten (und vorher durch die Lichtquelle ausgesendeten) Lichts zu erreichen.
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Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung ist in manchen Ausführungsformen in einem Signalflusspfad nach dem Lichtdetektor und vor einem Verstärker des optischen Umgebungssensors angeordnet, um das vom Lichtdetektor eintreffende Empfangssignal aufzubereiten. So kann bei starker Sonnenlichteinstrahlung und Sättigung des Verstärkers in dem optischen Umgebungssensor eine Messung überhaupt erst ermöglicht werden. Hierzu wird in einigen Ausführungsformen der durch Hintergrundlicht als Störsignal in dem Lichtdetektor, der vorzugsweise eine Photodiode ist, erzeugte elektrische Störstrom vom Nutzstrom, der durch das Nutzsignal erzeugt wird, abgezogen, bevor das so aufbereitete Stromsignal in dem Verstärker verstärkt wird. Dies kann rein elektronisch erfolgen, sodass keine zusätzlichen mechanischen Bauteile, wie z.B. Sonnenlichtblenden oder Wellenlängenfilter, notwendig sind. Eine Kombination mit derartigen Maßnahmen ist in manchen Ausführungsformen dennoch vorgesehen. Der Hintergrundanteil, also der Störstrom, des Lichtdetektorstroms, insbesondere des Photodiodenstroms, vor der Verstärkung kann elektronisch kompensiert werden, um einen hohen Verstärkungsfaktor auch bei einfallendem Hintergrundlicht zu ermöglichen. Dies ermöglicht im Fall entweder überhaupt erst die Messung des Signals oder die Auflösung der Messung und damit die Verbesserung der Genauigkeit der Straßenzustandsinformation. Das Nutzsignal im Empfangssignal wird vorzugsweise durch Ein- und Ausschalten der Lichtquelle erzeugt. Der Verstärker kann dafür eingerichtet sein, auf das eingehende Signal invertierend zu wirken.
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Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung ist vorzugsweise regelbar eingerichtet, um ein Signal des Lichtdetektors, vorzugsweise das Nutzsignal, in einen messbaren Bereich zu verschieben. Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung ist vorzugsweise dafür eingerichtet, die von dem Lichtdetektor erzeugten Signalströme, also Nutzstrom und Störstrom, durch Modulation des Nutzsignals zu unterscheiden. Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung wird vorzugsweise so eingestellt, dass das zu verstärkende Stromsignal, insbesondere den Nutzstrom, in den messbaren Bereich verschoben wird. Hierbei können zwei Grenzen wichtig sein: Zum einen darf bei vorhandenem Hintergrundlicht nicht zu wenig des Störstroms abgezogen werden, da sonst die Sättigungsgrenze des Verstärkers erreicht wird, und das Signal in den nicht-messbaren Bereich rutscht. Zum anderen darf nicht zu viel vom Lichtdetektor erzeugter Strom kompensiert werden, da sonst der Nutzstrom mit abgezogen wird und die Messung verfälscht wird. Es wird deshalb vorzugsweise angenommen, dass die zeitliche Änderung des durch Hintergrundlicht verursachten Stroms, des Störstroms, im Vergleich zur Modulationsfrequenz des Nutzsignals vernachlässigbar klein ist. Wird diese Annahme verletzt, ist es u.U. nicht möglich in einem betroffenen Zeitbereich das Nutzsignal korrekt zu messen. Die Regelung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung wird dadurch erschwert, dass der tatsächliche Wert des Stroms, der von dem Lichtdetektor, kommt, im Falle einer Sättigung des Verstärkers nicht ohne Weiteres ermittelt werden kann. Allerdings kann der optische Umgebungssensor dafür eingerichtet sein, ein iteratives Annäherungsverfahren (vorzugsweise ähnlich zu SAR) durchzuführen und das gemessene Signal mit dem Sättigungsschwellwert zu vergleichen, um die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung entsprechend zu regeln. Weiter kann der optische Umgebungssensor dafür eingerichtet sein, die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung anschließend feinzujustieren. Vorzugsweise ist der optische Umgebungssensor dafür eingerichtet, eine Regelung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung dann durchzuführen, wenn die Lichtquelle(n) des optischen Umgebungssensors ausgeschaltet sind. Nach erfolgter Regelung der Kompensation des Lichtdetektorstroms in einen definierten und akzeptablen Messbereich findet durch den optischen Umgebungssensor vorzugsweise eine Messung bei eingeschalteter Lichtquelle statt, die nach dem Stand der Technik weiterverarbeitet wird. Die Kompensation wird durch den optischen Umgebungssensor anschließend entweder beibehalten, nachgeregelt oder neu eingeregelt.
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Bevorzugt ist, dass die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung dafür eingerichtet ist, abgeschaltet zu werden, sofern kein Hintergrundlicht erkannt wird. Falls keine Einflüsse durch Hintergrundlicht vorhanden sind, führt die Regelung zu dem Ergebnis, dass die Kompensation vorzugsweise abgeschaltet wird oder aber zumindest keine Auswirkung auf die Messung hat. So kann Rechenleistung gespart werden. Außerdem würde ein Hintergrundlichtsabzug ohne vorhandenes Hintergrundlicht die Messung mit Sicherheit verfälschen.
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Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung weist vorzugsweise eine Stromsenke auf, um einen vom Lichtdetektor kommenden Stromanteil, der durch das Störsignal verursacht ist, abzuführen, damit dieser nicht den Verstärker erreicht, und einen vom Lichtdetektor kommenden Strom, der durch das Nutzsignal verursacht ist, dem Verstärker zuzuleiten. So kann der Störstrom, also der Anteil des vom Lichtdetektor erzeugten Stromsignals, der durch das Hintergrundlicht verursacht ist, wirksam vom Nutzstrom, also dem Anteil des vom Lichtdetektor erzeugten Stromsignals, der durch das durch Reflexion in der Umwelt erzeugte Nutzsignal verursacht ist, getrennt werden.
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Der optische Umgebungssensor weist in manchen Ausführungsformen eine Steuereinheit auf, die dafür eingerichtet ist, die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung zu regeln. Die Steuereinheit ist vorzugsweise ein Mikrocontroller. Besonders bevorzugt ist, dass der Microcontroller Bestandteil einer vorhandenen Recheneinheit des optischen Umgebungssensors ist oder mit dieser verbunden ist. Vorzugsweise wird eine Ausgangsspannung des Verstärkers über einen Analog-Digital-Wandler in der Steuereinheit verarbeitet, um abhängig davon die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung zu regeln und insbesondere die Stromsenke zu regeln. Die Regelung kann in Ausführungsformen auch durch ein über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem optischen Umgebungssensor verbundenes Steuergerät erfolgen. So muss der optische Umgebungssensor selbst keine Steuereinheit aufweisen. Bevorzugt ist, dass der optische Umgebungssensor dafür eingerichtet ist, Informationen über eine erfolgreiche Regelung der Hintergrund-Kompensationseinrichtung zusammen mit den Messdaten an andere Systeme zu übertragen, da eine erfolglose Regelung die Messdaten verfälscht. So können andere Systeme vorgewarnt werden, dass die Messdaten gegebenenfalls nicht vertrauenswürdig sind. Die Steuereinheit des optischen Umgebungssensors ist in manchen Ausführungsformen dazu eingerichtet, eine Information über eine Güte der Regelung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung bereitzustellen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Information über eine Güte der Regelung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung an andere Systeme zu übertragen.
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Der optische Umgebungssensor ist vorzugsweise ein Straßenzustandssensor, wobei eine oder mehrere Infrarotlichtquellen als die Lichtquellen bereitgestellt sind. Straßenzustandssensoren können insbesondere Lichtreflexionen vom Straßenbelag, verursacht durch Licht von anderen Quellen wie die Sonne, zum Beispiel bei nasser Fahrbahn, ausgesetzt sein, die die Messung des Straßenzustands beeinträchtigen können, sodass eine elektronische Kompensierung wie hier vorgeschlagen hilfreich sein kann.
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Der optische Umgebungssensor ist alternativ ein Spektrometer, wobei eine oder mehrere Breitbandquellen als Lichtquelle bereitgestellt sind.
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Der optische Umgebungssensor ist alternativ ein LiDAR-Sensor, wobei eine oder mehrere Laserlichtquellen als Lichtquelle bereitgestellt sind. Vorzugsweise weist der LiDAR-Sensor als Lichtdetektor einen APD-Detektor auf, der eine Lawinenphotodiode umfasst. Bei LiDAR-Sensoren ist oft ein störender Einfluss von Sonnenlicht zu reduzieren, sodass eine elektronische Kompensierung wie hier vorgeschlagen ebenfalls hilfreich sein kann.
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Die hier diskutierte Lichtquelle ist die Lichtquelle, mit der die Umwelt abgetastet werden soll, die also das Nutzsignal verursacht. Es kann genau eine solche Lichtquelle bereitgestellt sein. In manchen Ausführungsformen sind jedoch zwei oder mehr Lichtquellen bereitgestellt. Die Lichtquelle(n) kann/können in dem optischen Umgebungssensor selbst bereitgestellt sein, aber es können auch externe Lichtquellen sein, die dann vorzugsweise in einem LiDAR-System eingebaut sind, dessen Lichtquelle(n) der optische Umgebungssensor dann mitnutzen kann. In diesem Fall kann die Lichtquelle mit Vorteil eine doppelte Funktion übernehmen.
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Bevorzugt ist, dass der optische Umgebungssensor eine einstellbare Verstärkung aufweist. So kann die Verstärkung insbesondere abhängig von einer Stärke des Störsignals angepasst werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der optische Umgebungssensor dafür eingerichtet ist, bereits vor abgeschlossener Hintergrundkompensationslichtregelung mit niedriger Verstärkung Messwerte zu liefern, die durch abgeschlossene Regelung und anschließend erhöhte Verstärkung noch genauer werden.
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Weiter wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, bei dem der optische Umgebungssensor weiter dafür eingerichtet ist, ein Hintergrundlicht aus der Umwelt, das von dem Lichtdetektor als Störsignal in dem Empfangssignal empfangbar ist, elektronisch zu kompensieren.
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Das Fahrzeug bietet mittels des optischen Umgebungssensors den Vorteil, den Stand der Technik zu verbessern, indem es eine elektronische Lösung bereitstellt, um das Hintergrundlicht zu kompensieren, sodass auf mechanische und andere Lösungen verzichtet werden kann.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, insbesondere ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen oder ein Zweirad.
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Der optische Umgebungssensor kann in dem Fahrzeug insbesondere mit einem Steuergerät zur Fahrdynamikregelung, Sicherheitssystemen wie einem Airbag oder auch mit Warnlampen elektrisch verbunden sein. So können die durch den Umgebungssensor gewonnenen Informationen in dem Fahrzeug sinnvoll genutzt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Fahrzeug, das einen optischen Umgebungssensor nach einer Ausführungsform aufweist,
- 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des optischen Umgebungssensors in der Ausführungsform aus 1,
- 3 eine vereinfachte Schaltungsdarstellung der Ausführungsform aus 1 und
- 4 eine schematische Darstellung eines Stromverlaufs über die Zeit in der Ausführungsform aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein Fahrzeug 1 gezeigt, das einen optischen Umgebungssensor 2 in einer Ausführungsform nach der Erfindung aufweist. Der optische Umgebungssensor 2 ist mit einer Energieversorgung 3, hier einer Batterie, des Fahrzeugs 1 wirkverbunden, um den optischen Umgebungssensor 2 zu betreiben. Das Fahrzeug 1 ist ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, hier speziell ein autonom fahrender Personenkraftwagen. Der optische Umgebungssensor 2 ist in dieser Ausführungsform ein Straßenzustandssensor. In nicht gezeigten Ausführungsformen ist der optische Umgebungssensor 2 allerdings ein LiDAR-Sensor.
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Der optische Umgebungssensor 2, weist eine Lichtquelle (nicht gezeigt) und einen Lichtdetektor 4 (siehe 3) auf, wobei der Lichtdetektor 4 dafür eingerichtet ist, von der Lichtquelle in eine Umwelt abgegebenes Licht nach dessen Reflexion in der Umwelt als ein Nutzsignal, das Teil eines Empfangssignals ist, zu empfangen und aus dem Nutzsignal Informationen über die von der Lichtquelle abgetastete Umwelt zu erhalten. In nicht gezeigten Ausführungsformen ist die Lichtquelle nicht Teil des optischen Umgebungssensors, sondern die Lichtquelle ist an einem anderen Ort im Fahrzeug 1 angeordnet, getrennt vom optischen Umgebungssensor 2, insbesondere in einem zusätzlichen LiDAR-System. In nicht gezeigten Ausführungsformen sind zwei oder mehr Lichtquellen bereitgestellt. Wie im Folgenden erläutert wird, ist der optische Umgebungssensor weiter dafür eingerichtet, ein Hintergrundlicht aus der Umwelt, das von dem Lichtdetektor 4 als Störsignal in dem Empfangssignal empfangbar ist, elektronisch zu kompensieren. Im vorliegenden Fall ist der Lichtdetektor 4 eine Infrarot-Photodiode. Die Lichtquelle des optischen Umgebungssensors 2 ist dementsprechend eine Infrarotlichtquelle. Wäre der optische Umgebungssensor 2 ein LiDAR-Sensor, dann wäre die Lichtquelle hingegen eine Laserlichtquelle, möglicherweise aber eine Infrarotlaserquelle.
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Die 2 veranschaulicht schematisch die Funktionsweise des optischen Umgebungssensors 2. In einem Schritt S21 fällt Licht in den optischen Umgebungssensor 2 ein und trifft auf den Lichtdetektor 4, hier die Infrarot-Photodiode. Das Licht, das das Empfangssignal ist, umfasst Störlicht, beispielsweise Sonnenlicht, und Nutzlicht, hier das Infrarotlicht der Lichtquelle, das in der Umwelt reflektiert worden ist, also ein Störsignal und ein Nutzsignal. In einem Schritt S22 wird aus dem Empfangssignal ein Photodiodenstrom iPD erzeugt, bestehend aus einem (modulierten) Strom ia entsprechend des Nutzsignals, überlagert mit einem Strom ib entsprechend der Störeinflüsse durch Hintergrundlicht, also dem Störsignal. Dieser Photodiodenstrom iPD wird aufbearbeitet und dann teilweise an einen Verstärker 5 (siehe auch 3) geleitet und in einem Schritt S23 dort verstärkt. Der optische Umgebungssensor 2 weist also zur Kompensation des Störsignals eine Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 auf, die dafür eingerichtet ist, das Empfangssignal aufzubereiten. Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 ist in einem Signalflusspfad nach dem Lichtdetektor 4 und vor einem Verstärker 5 des optischen Umgebungssensors 2 angeordnet, um das vom Lichtdetektor 4 eintreffende Empfangssignal, das dem Störsignal und dem Nutzsignal entsprechende Stromanteile umfasst, aufzubereiten. In einem Schritt S24 wird auf dem verstärkten Strom ia eine Signalverarbeitung durchgeführt. Das verarbeitete Signal ia wird dann einerseits in einem Schritt S25 ausgegeben und andererseits in einem Schritt S26 genutzt, um einen Offset einer Stromsenke, die der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 zugeordnet ist (siehe auch 3), anzupassen. Das Ergebnis dieser Anpassung wird dann auf den zu einem nächsten Zeitpunkt empfangenen Photodiodenstrom iPD in Schritt S22 angewandt und so weiter. So weist die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 mit anderen Worten eine Stromsenke auf, um einen vom Lichtdetektor 4 kommenden Strom ib, der durch das Störsignal verursacht ist, abzuführen, damit dieser nicht den Verstärker 5 erreicht, und einen vom Lichtdetektor 4 kommenden Strom ia, der durch das Nutzsignal verursacht ist, dem Verstärker 5 zuzuleiten.
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Die in 3 dargestellte Schaltung zeigt eine beispielhafte Implementierung der beschriebenen Erfindung. Der Photodiodenstrom iPD wird an einem Teilungspunkt 7 in den zu verstärkenden Strom ia und den abgezogenen Strom ib, der über die Stromsenke noch vor dem Verstärker 5 abgeführt wird, geteilt. Der optische Umgebungssensor 2 weist eine Steuereinheit 8 auf, die dafür eingerichtet ist, die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 zu regeln. Die Regelung der Stromsenke durch die Steuereinheit 8, hier ein Mikrocontroller (MCU) oder DSP, erfolgt so, dass der Anteil des Störstroms ib in ia soweit wie möglich reduziert wird, der Strom ia des Nutzsignals aber nicht über ib abgeführt wird, sondern im Verstärker 5 verstärkt wird. Eine etwaige Signalaufbereitung durch z.B. Filter ist nicht mit abgebildet.
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Kommend von einem ersten Analog-Digital-Wandler 9, der dem Verstärker 5 und der Steuereinheit 8 zwischengeschaltet ist, wird, wie aus 3 folgt, die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 in der Steuereinheit 8 verarbeitet. Der schematisch dargestellte Mikrocontroller ist hier beispielhaft Bestandteil der vorhandenen Recheneinheit des Straßenzustandssensors. Der Steuereinheit 8 ist ein zweiter Analog-Digital-Wandler 10 nachgeschaltet. Die Taktung bzw. Modulation der Lichtquelle(n) des optischen Umgebungssensors 2 ist auf die Regelung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 abgestimmt. Eine Regelung der Kompensation findet dann statt, wenn die Lichtquelle(n) des optischen Umgebungssensors 2 ausgeschaltet sind. Nach erfolgter Regelung der Kompensation des Photodiodenstroms iPD in einen definierten und akzeptablen Messbereich M (siehe 4) findet eine Messung bei eingeschalteter Lichtquelle des optischen Umgebungssensors 2 statt, die nach dem Stand der Technik weiterverarbeitet wird. Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 ist also regelbar eingerichtet, um ein Signal des Lichtdetektors 4 in einen messbaren Bereich zu verschieben, der dem Messbereich M in 4 entspricht. Die Kompensation wird anschließend entweder beibehalten, nachgeregelt oder neu eingeregelt. Falls keine Einflüsse durch Hintergrundlicht vorhanden sind, führt die Regelung zu dem Ergebnis, dass die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 abgeschaltet wird bzw. keine Auswirkung auf die Messung hat. Die Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 ist also dafür eingerichtet, abgeschaltet zu werden, sofern kein Hintergrundlicht erkannt wird. Weitere Details der Schaltung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6, wie beispielsweise die genaue Verdrahtung der oben genannten Bauteile untereinander sowie mit weiteren Bestandteilen, wie Operationsverstärkern 11a, 11b, Widerständen 12, 13, einem NPN-Transistor 14, einem Kondensator 15 und einem Shunt-Widerstand 16, ergeben sich für den Fachmann direkt aus 3, sodass ein Nachbau unmittelbar möglich ist, und werden hier nicht weiter erläutert.
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Bei beispielhaften Potentialen von 5 V und 0 V für die Operationsverstärker 11a, 11b wird die Offsetspannung z.B. auf 4,5 V eingestellt. In der dargestellten Konfiguration des Verstärkers 5 liegt bei Dunkelheit somit eine Spannung von 4,5 V am Ausgang an (idealisierte Bauteile). Bei stärkerem Lichteinfall auf den Lichtdetektor 4 nimmt diese Spannung proportional zum Photodiodenstrom iPD ab, bis bei knapp über 0 V die Sättigung des Verstärkers 5 erreicht wird. Der Verstärker 5 arbeitet folglich invertierend. Der Operationsverstärker 11a, der dem Verstärker 5 vorgeschaltet ist, ist mittels des ersten Widerstands 12 und des Kondensators 13, die zu diesem Operationsverstärker 11a parallel geschaltet sind, als Transimpedanzverstärker eingerichtet. Der abgezogene Strom ib wird über die Stromsenke noch vor dem Operationsverstärker 11a abgeführt, der dem Verstärker 5 vorgeschaltet ist, in diesem Ausführungsbeispiel am genannten Teilungspunkt 7.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromverlaufs / über die Zeit t in der diskutierten Ausführungsform. Der Photodiodenstrom iPD ist zusammengesetzt aus Strom ia, der dem Nutzsignal entspricht, und Strom ib, der dem Störsignal entspricht. Das Nutzsignal wird durch Ein- und Ausschalten der Lichtquelle(n) des optischen Umgebungssensors 2 erzeugt. Die Regelung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 ist dafür vorgesehen, den Photodiodenstrom iPD in den Messbereich M zu verschieben. Es wird dafür angenommen, dass die zeitliche Änderung des durch Hintergrundlicht verursachten Stroms ib im Vergleich zur Modulationsfrequenz des Nutzsignals ia vernachlässigbar klein ist. Wird diese Annahme verletzt, ist es u.U. nicht möglich in einem betroffenen Zeitbereich das Nutzsignal ia korrekt zu messen, siehe der plötzliche Sprung des Störeinflusses in 4.
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Im Vergleich zu den bereits angesprochenen alternativen Maßnahmen ist die vorgeschlagene Lösung in einer elektronischen Schaltung einfach im Aufbau und dadurch kostengünstig, da die Schaltung der Hintergrundlicht-Kompensationseinrichtung 6 auf der gleichen Leiterplatte wie die Schaltung des Verstärkers 5 platziert werden kann und mit wenigen Bauteilen auskommt. Zudem wird eine flexible Wahl des Bauraums und der Platzierung des Straßenzustandssensors am Fahrzeug 1 ermöglicht. Gleichzeitig erlaubt die Erfindung die Verwendung von Lichtquellen mit geringer Ausgangsleistung, wobei ansonsten eine höhere Ausgangsleistung nötig wäre, um das Verhältnis von Nutzsignal und Hintergrundlichtsignal bzw. Störsignal zu verbessern, was Vorteile in den Bereichen Augensicherheit, Stromverbrauch, Kosten der Lichtquelle(n) und Lebensdauer mit sich bringen kann. Die Erfindung ist im Weiteren kombinierbar mit anderen Formen der Vermeidung von Hintergrundlichteinflüssen, zum Beispiel mechanischen Abschirmlösungen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2712199 [0004]
- DE 4133359 [0004]
- DE 19506550 [0004]
- DE 112017006909 T5 [0010]
- DE 102011005746 A1 [0011]
- DE 102008018718 A1 [0012]
- DE 69832540 T2 [0013]
- EP 3438699 A1 [0014]
- EP 2600168 A1 [0015]
- DE 202008018045 U1 [0016]
- DE 102008031681 A1 [0017]
- DE 102017127963 A1 [0018]
