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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor. Der LiDAR-Sensor ist ein rotierender LiDAR-Sensor und weist vorteilhafterweise eine Winkelüberwachung auf.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, rotierende LiDAR-Sensoren in automatisiert fahrenden Fahrzeugen, insbesondere in autonom fahrenden Fahrzeugen, einzusetzen. Solche Fahrzeuge benötigen Umgebungssensoren, um ihre Umgebung zuverlässig zu überwachen. Für diese Zwecke werden u.a. LiDAR-Sensoren eingesetzt.
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Eine Möglichkeit der Verwendung von LiDAR-Sensoren ist die Verwendung rotierender LiDAR-Sensoren, die beispielsweise einen rotierenden Spiegel aufweisen. Sendeeinheit und Empfangseinheit sind in diesem Fall stationär angeordnet, wobei ein rotierender Spiegel ein Ablenken des auszusendenden Lichts in die Umgebung ermöglicht, ebenso wie ein Umlenken des von der Umgebung erfassten Laserlichts auf die Empfangseinheit.
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Um eine Messung durchführen zu können, wird somit zusätzlich eine aktuelle Ausrichtung des rotierenden Spiegels benötigt. Hierzu ist üblicherweise ein entsprechender Encoder vorhanden. Eine Kalibrierung dieses Encoders erfolgt üblicherweise bei der Herstellung und/oder bei regelmäßen Inspektionen des LiDAR-Sensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße LiDAR-Sensor ermöglicht ein fortwährendes Überprüfen und korrigieren einer Kalibrierung einer Winkelerfassungsvorrichtung des rotierenden Spiegels. Dazu ist vorgesehen, dass der LiDAR-Sensor eine Möglichkeit bereitstellt, eine vordefinierte Winkelposition zuverlässig zu erfassen. Bei dieser vordefinierten Winkelposition handelt es sich um einen Totbereich, in dem ein Aussenden von Laserlicht und ein Empfangen von Laserlicht nicht möglich ist.
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Der LiDAR-Sensor weist eine Sendeeinheit zum Aussenden von Laserlicht und eine Empfangseinheit zum Empfangen von Laserlicht auf. Das empfangene Laserlicht ist insbesondere solches Laserlicht, das von der Sendeeinheit ausgesandt wurde und an der Umgebung des LiDAR-Sensors reflektiert wird. Besagtes reflektierte Licht trifft auf den LiDAR-Sensor ist somit von der Empfangseinheit erfassbar.
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Eine Spiegelvorrichtung ist vorgesehen, die um die Rotationsachse rotierend ausgebildet ist. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind bzgl. der rotierenden Spiegelvorrichtung ortsfest angeordnet, so dass die Spiegelvorrichtung von der Sendeeinheit ausgesandtes Laserlicht in verschiedene Richtungen in die Umgebung des LiDAR-Sensors ablenken kann. Ebenso lassen sich aus verschiedenen Richtungen reflektierte Laserlichtsignale über die rotierende Spiegelvorrichtung auf die Empfangseinheit lenken. Damit kann ein Erfassungsbereich des LiDAR-Sensors vergrößert werden, wobei zum Zuordnen des ausgesandten und empfangenen Laserlichts stets eine aktuelle Ausrichtung der Spiegelvorrichtung bzgl. der Rotationsachse benötigt wird.
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Ist die Spiegelvorrichtung parallel zu einem Sendepfad der Sendeeinheit und/oder zu einem Empfangspfad der Empfangseinheit ausgerichtet, so ist ein Totbereich vorhanden. In diesem Totbereich kann die Spiegelvorrichtung kein Licht von der Sendeeinheit reflektieren oder auf die Empfangseinheit lenken. Sendepfad und Empfangspfad sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet und liegen besonders vorteilhaft in derselben Ebene, in der auch die Rotationsachse der Spiegelvorrichtung liegt.
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Um den Totbereich zur Positionserfassung der Spiegelvorrichtung zu verwenden, ist ein optisch wirksames Zusatzelement vorhanden. Die Spiegelvorrichtung ist dabei zwischen Zusatzelement und Sendeeinheit und/oder Empfangseinheit angeordnet. Die Sendeeinheit und Empfangseinheit sind vorteilhafterweise an derselben Winkelposition bzgl. der Rotationsachse vorgesehen, wobei die Winkelposition des Zusatzelements vorteilhafterweise um 180° versetzt gegenüber der Winkelposition von Sendeeinheit und Empfangseinheit ist.
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Die Spiegelvorrichtung weist einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel auf, die parallel und zueinander beabstandet angeordnet sind. In einer vordefinierten Ausrichtung der rotierenden Spiegelvorrichtung ist somit ein optischer Pfad zwischen Zusatzelement und Sendeeinheit und/oder Empfangseinheit ausgebildet, wobei besagter optischer Pfad zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel hindurch verläuft. Die vordefinierte Ausrichtung ist somit insbesondere die Ausrichtung, die in dem Totbereich wie zuvor beschrieben vorhanden ist. In dem Totbereich sind der erste Spiegel und der zweite Spiegel parallel zu der Sendeachse und Empfangsachse ausgerichtet, so dass der optische Pfad zwischen den beiden Spiegeln hindurch zwischen Sendeeinheit und Zusatzelement und/oder zwischen Empfangseinheit und Zusatzelement ausgebildet ist. Mit anderen Worten tritt besagter optischer Pfad nur dann auf, wenn die Spiegelvorrichtung die vordefinierte Ausrichtung aufweist. Das Vorhandensein des optischen Pfads ist damit charakteristisch für eine vordefinierte Ausrichtung der Spiegelvorrichtung, so dass dies zur Positionsermittlung der Spiegelvorrichtung verwendet werden kann.
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Es ist schließlich eine Steuervorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, das Vorhandensein des optischen Pfads zu erkennen. Die Steuerungsvorrichtung ist weiter ausgebildet, aus dem Vorhandensein des optischen Pfads eine Ausrichtung der Spiegelvorrichtung zu ermitteln. Da sich der optische Pfad nur bei bestimmten Voraussetzungen ausbildet, wie zuvor beschrieben wurde, ist somit das Vorhandensein eines optischen Pfads charakteristisch für die vordefinierte Ausrichtung der Spiegelvorrichtung, auch Totbereich genannt. Ist eine solche Ausrichtung nicht vorhanden, bildet sich kein optischer Pfad aus. Damit kann die Steuerungsvorrichtung zuverlässig die Ausrichtung der Spiegelvorrichtung ermitteln.
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Das Zusatzelement ist, wie zuvor beschrieben, optisch wirksam. Darunter ist zu verstehen, dass das Zusatzelement Licht entweder aussenden oder erfassen kann oder zum Reflektieren von Licht ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Zusatzelement somit entweder um eine Lichtquelle oder um einen Lichtsensor oder um einen Spiegel.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Winkelerfassungsvorrichtung vorhanden, die zum Erfassen einer Winkelausrichtung der Spiegelvorrichtung ausgebildet ist. Die Steuerungsvorrichtung ist ausgebildet, anhand eines Vergleichs der von der Winkelerfassungsvorrichtung erfassten Winkelausrichtung und der anhand des optischen Pfads ermittelten Ausrichtung der Spiegelvorrichtung eine Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung zu überprüfen und/oder zu korrigieren. Bei der Winkelerfassungsvorrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Encoder, der beispielsweise optisch oder magnetisch arbeitet. Die Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung kann somit vorteilhafterweise nach jeder Rotation der Spiegelvorrichtung um 180° erfolgen. Alternativ kann besagte Kalibrierung zu vordefinierten Zeitintervallen initiiert werden, so dass beispielsweise nach einer gewissen Betriebszeit des Lasersensors die Kalibrierung korrigiert wird. Ebenso ermöglicht der LiDAR-Sensor ein fortwährendes Überwachen der Kalibrierung und ein Korrigieren der Kalibrierung, wenn die von der Winkelerfassungsvorrichtung erfasste Winkelausrichtung in der vordefinierten Ausrichtung der Spiegelvorrichtung um mehr als einen vordefinierten Schwellwert von der tatsächlichen Ausrichtung abweicht. Da die vordefinierte Ausrichtung der Spiegelvorrichtung, d.h., der Totbereich, aufgrund des optischen Pfads zuverlässig zu detektieren ist, kann somit die Kalibrierung zuverlässig korrigiert werden, so dass stets eine genaue Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung vorliegt. Damit sind hochwertige Messungen durch den LiDAR-Sensor ermöglicht.
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Das Zusatzelement ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Lichterfassungseinheit. Besonders vorteilhaft handelt es sich dabei um eine Photodiode. Mittels der Lichterfassungseinheit ist das Licht von der Sendeeinheit erfassbar, wenn der optische Pfad ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die Lichterfassungseinheit das Licht von der Sendeeinheit erfassen, wenn die Spiegelvorrichtung im Totbereich angeordnet ist und somit das Licht der Sendeeinheit zwischen den beiden Spiegeln hindurch zu der Lichterfassungseinheit gelangen kann. Nur bei dieser beschriebenen Ausrichtung der Spiegelvorrichtung ist der optische Pfad ausgebildet, so dass die Lichterfassungseinheit das Licht der Sendeeinheit erfassen kann. In allen anderen Ausrichtungen der Spiegelvorrichtung lenkt der erste Spiegel oder der zweite Spiegel das Licht von der Sendeeinheit ab, so dass die Lichterfassungseinheit dieses Licht nicht erfassen kann. Somit ermöglicht die Lichterfassungseinheit ein zuverlässiges Detektieren der vordefinierten Ausrichtung der Spiegelvorrichtung.
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Besonders vorteilhaft ist die Steuerungsvorrichtung außerdem ausgebildet, mittels der Lichterfassungseinheit eine von der Sendeeinheit ausgesandte Lichtmenge zu erfassen und eine Lichtleistung der Sendeeinheit zu reduzieren, wenn die Lichtmenge oberhalb eines vordefinierten Grenzwerts liegt. Damit ermöglicht die Lichterfassungseinheit eine Augensicherheit des LiDAR-Sensors zu gewährleisten. Ist die ausgesandte Lichtmenge zu groß, so wird diese reduziert, um jederzeit äußere Vorgaben an die Laserleistung zu erfüllen, beispielsweise, um Vorgabe bzgl. Augensicherheit zu erfüllen.
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Der Lichterfassungseinheit ist besonders vorteilhaft ein abschwächender optischer Filter vorgeschaltet. Der abschwächende optische Filter ist besonders bevorzugt ein ND-Filter. Auf diese Weise lässt sich die hohe Lichtintensität, die üblicherweise von der Sendeeinheit erwartet wird, abschwächen, um eine Sättigung der Lichterfassungseinheit zu vermeiden. Damit lässt sich das Licht der Sendeeinheit zuverlässig erfassen.
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Alternativ oder zusätzlich ist das Zusatzelement eine Lichtaussendeeinheit. Die Lichtaussendeeinheit ist ausgebildet, Licht in Richtung der Erfassungseinheit auszusenden. Ist der optische Pfad ausgebildet, so kann das Licht von der Lichtaussendeeinheit von der Erfassungseinheit erfasst werden. Wiederum ist somit die Möglichkeit geschaffen, die vordefinierte Ausrichtung der Spiegelvorrichtung zuverlässig zu erfassen. Im Unterschied zur Verwendung einer Lichterfassungseinheit als Zusatzelement wie zuvor beschrieben wird in diesem Fall die Erfassungseinheit des LiDAR-Sensors verwendet. Grundsätzlich bleibt aber das Prinzip bestehen, dass nur in der vordefinierten Ausrichtung der optische Pfad ausgebildet ist, so dass bei Detektion des Lichts von der Lichtaussendeeinheit durch die Erfassungseinheit die vordefinierte Ausrichtung vorliegt. Dadurch ist ermöglicht, eine Position der Spiegelvorrichtung zuverlässig zu erfassen. Bevorzugt kann auch eine Kombination vorgesehen sein, indem sowohl eine Lichtaussendeeinheit wie zuvor beschrieben, als auch eine Lichterfassungseinheit wie zuvor beschrieben, vorhanden sind. In diesem Fall lässt sich die Zuverlässigkeit der Erfassung der Ausrichtung der Spiegelvorrichtung erhöhen.
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Weiter alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Zusatzelement zumindest einen, insbesondere mehrere Umlenkspiegel aufweist. Über den einen oder die mehreren Umlenkspiegel ist Licht von der Sendeeinheit zu der Empfangseinheit umlenkbar, wenn der optische Pfad ausgebildet ist. In diesem Fall sind keine aktiven optischen Komponenten als Zusatzelemente notwendig, vielmehr sind lediglich Spiegel ortsfest anzubringen, so dass diese bei entsprechender Ausrichtung der Spiegelvorrichtung, d.h., wenn die Spiegelvorrichtung in der vordefinierten Ausrichtung vorliegt, das Licht von der Sendeeinheit zu der Empfangseinheit lenken. Auch dies ist nur dann möglich, wenn der optische Pfad ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung durchläuft das Licht somit den Zwischenraum zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel zwei Mal, zunächst von der Sendeeinheit zu einem der Umlenkspiegel und von dem einen oder von einem anderen Umlenkspiegel zurück zu der Empfangseinheit. Auch auf diese Weise lässt sich somit die Ausrichtung der Spiegelvorrichtung zuverlässig erfassen. Der eine oder die mehreren Spiegel lassen sich bevorzugt auch zusätzlich zu der zuvor beschriebenen Lichterfassungseinheit und/oder der zuvor beschriebenen Lichtaussendeeinheit verwenden.
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Zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel ist besonders vorteilhaft ein Absorber angeordnet. Der Absorber weist zumindest eine Blende zur Ausbildung des optischen Pfads auf. In einer Ausgestaltung wie zuvor beschrieben, in der, beispielsweise aufgrund der Verwendung mehrerer Umlenkspiegel, das Licht in den Zwischenraum zwischen erstem Spiegel und zweiten Spiegel mehrmals durchläuft, ist bevorzugt an mehreren Stellen eine Blende angeordnet. Durch die Verwendung der Blende kann die jeweils zur Überprüfung des optischen Pfads verwendete Lichtquelle, d.h., die Sendeeinheit und/oder die Lichtaussendeeinheit, als punktförmige Lichtquelle angesehen werden. Somit ist ein genauer Rückschluss über eine aktuelle Ausrichtung der Spiegelvorrichtung ermöglicht. Dadurch lässt sich eine Ausrichtung der Spiegelvorrichtung anhand des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des optischen Pfads exakt bestimmen.
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Besonders bevorzugt weist der Absorber eine erste Absorbereinheit und eine zweite Absorbereinheit auf. Die erste Absorbereinheit und die zweite Absorbereinheit sind jeweils mit der zuvor beschriebenen Blende versehen und voneinander beabstandet angeordnet. Somit muss sich der optische Pfad zwischen den beiden Blenden ausbilden. Ist hingegen ein Lager, das eine Rotation der Spiegelvorrichtung ermöglicht, so führt die Spiegelvorrichtung eine Präzessionsbewegung aus. Diese Präzessionsbewegung ist allerdings unerwünscht, da Ungenauigkeiten bei der Abstandsmessung des LiDAR-Sensors auftreten. Eine solche Präzessionsbewegung ist daran erkennbar, dass der optische Pfad nicht ausgebildet werden kann, da die Blenden der beiden Absorbereinheiten nicht auf einer Achse zwischen Sendeeinheit und Zusatzelement oder Empfangseinheit und Zusatzelement liegen können. Somit ist die Steuerungsvorrichtung bevorzugt ausgebildet, einen Lagerschaden des Rotationslagers der Spiegeleinheit daran zu erkennen, dass der optische Pfad über einen vordefinierten Zeitraum nicht vorhanden ist. Der vordefinierte Zeitraum entspricht zumindest dem Zeitraum, den die Spiegelvorrichtung zur Rotation um 180° benötigt. Um Fehldetektionen bei einzelnen Ausreissern zu vermeiden, kann auch eine längere Zeit als vordefinierter Zeitraum verwendet werden.
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Bevorzugt weist der LiDAR-Sensor ein Gehäuse auf. In dem Gehäuse sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sowie das Zusatzelement ortsfest angeordnet. Außerdem ist an dem Gehäuse die Spiegeleinheit drehbar gelagert. Das Gehäuse weist ein Fenster auf, durch das Laserlicht in die Umgebung aussendbar und von der Umgebung empfangbar ist. Somit ist insbesondere vorgesehen, dass die Spiegelvorrichtung Licht von der Sendeeinheit durch das Fenster aussendet und über das Fenster empfangenes Licht an die Empfangseinheit leitet. Somit hat insbesondere dasjenige Licht, das zwischen den beiden Spiegeln von dem Zusatzelement zu der Empfangseinheit und/oder von der Sendeeinheit zu dem Zusatzelement verläuft, keine Auswirkungen auf die Umgebung und insbesondere keine Auswirkungen auf den regulären Messmetrieb des LiDAR-Sensors.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine erste schematische Ansicht zur Verdeutlichung des Grundkonzepts eines LiDAR-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine zweite schematische Ansicht zur Verdeutlichung des Grundkonzepts des LiDAR-Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3a, 3b eine schematische Draufsicht und Seitenansicht einer ersten Alternative eines LiDAR-Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4a, 4b eine schematische Draufsicht und Seitenansicht einer zweiten Alternative eines LiDAR-Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5a, 5b eine schematische Draufsicht und Seitenansicht einer dritten Alternative eines LiDAR-Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6a, 6b eine schematische Draufsicht und Seitenansicht einer vierten Alternative eines LiDAR-Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 7a, 7b eine schematische Draufsicht und Seitenansicht einer fünften Alternative eines LiDAR-Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 und 2 zeigen jeweils schematisch das Grundprinzip des LiDAR-Sensors 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der LiDAR-Sensor 1 weist eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 3 auf, die in den 1 und 2 übereinanderliegen. Außerdem weist der LiDAR-Sensor 1 eine Spiegelvorrichtung 4 auf, die um eine Rotationsachse 100 rotierbar ausgebildet ist. Die Spiegelvorrichtung 4 umfasst einen ersten Spiegel 5 und einen zweiten Spiegel 6, die beabstandet zueinander angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet sind. Der erste Spiegel 5 und der zweite Spiegel 6 sind bevorzugt symmetrisch um die Rotationsachse 100 verteilt.
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Die Sendeeinheit 2, die Empfangseinheit 3 und die Spiegelvorrichtung 4 sind in einem Gehäuse 17 angeordnet, wobei das Gehäuse 17 ein Fenster 14 aufweist. Sendet die Sendeeinheit 2 Laserlicht aus, so wird dieses Laserlicht auf den ersten Spiegel 5 oder den zweiten Spiegel 6 geleitet, wobei das Laserlicht von dort durch das Fenster 14 an die Umgebung ausgegeben wird. Durch die Rotierbarkeit der Spiegelvorrichtung 4 lassen sich somit unterschiedliche Aussenderichtungen erreichen. Der gleiche Fall tritt umgekehrt dann ein, wenn Laserlicht durch das Fenster 14 über die Spiegelvorrichtung 4 zu der Empfangseinheit 3 gelangt.
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Damit der LiDAR-Sensor 1 die Umgebung abtasten kann, ist somit stets eine Information über eine aktuelle Ausrichtung der Spiegelvorrichtung 4 notwendig. Hierzu ist eine Winkelerfassungsvorrichtung 8 vorgesehen, die beispielsweise als optischer oder magnetischer Encoder ausgebildet sein kann. Die Winkelerfassungsvorrichtung 8 dient zum Erfassen einer aktuellen Winkellage der Spiegelvorrichtung 4, so dass unter Zuhilfenahme der Werte der Winkelerfassungsvorrichtung 8 eine Messung in bestimmte Raumrichtungen durchgeführt werden kann.
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Während der Rotation der Spiegelvorrichtung 4 tritt ein Totbereich auf, der stets dann vorhanden ist, wenn der erste Spiegel 5 und der zweite Spiegel 6 parallel zu einer Sendeachse oder Empfangsachse von Sendeeinheit 2 oder Empfangseinheit 3 orientiert sind. Dieser Zustand ist in 2 gezeigt. Hier kann die Spiegelvorrichtung 4 keinerlei Licht von der Sendeeinheit reflektieren und keinerlei Licht aus der Umgebung auf die Empfangseinheit 3 lenken.
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Um genaue Messungen mit dem LiDAR-Sensor 1 durchzuführen, ist somit ein genaues Signal der Winkelerfassungsvorrichtung 8 wünschenswert. Die Winkelerfassungsvorrichtung 8 ist zu kalibrieren, wobei die Güte der Messung im Wesentlichen von der Güte der Kalibrierung abhängt. In dem LiDAR-Sensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Totbereich wie in 2 dargestellt genutzt, um eine Kalibrierung zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Der Totbereich stellt eine vordefinierte Ausrichtung der Spiegelvorrichtung 4 dar, die einfach und aufwandsarm erfassbar ist. Da der erste Spiegel 5 und der zweite Spiegel 6 beabstandet zueinander orientiert sind, lässt sich eine optische Achse zwischen Sendeeinheit 2 oder Empfangseinheit 3 durch den Zwischenraum zwischen erstem Spiegel 5 und zweitem Spiegel 6 zu einer gegenüberliegenden Seite der Spiegelvorrichtung 4 ausbilden. Diese optische Achse ist nur dann vorhanden, wenn sich die Spiegelvorrichtung 4 in der vordefinierten Ausrichtung befindet. Somit kann die Erkennung der vordefinierten Ausrichtung zur Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung 8 genutzt werden.
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Die 3a und 3b zeigen eine erste Alternative des LiDAR-Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3a ist dabei eine Draufsicht analog zu den 1 und 2, während 3b eine Seitenansicht ist.
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Der LiDAR-Sensor 1 weist zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Komponenten ein Zusatzelement auf, wobei das Zusatzelement in dieser Alternative eine Lichterfassungseinheit 11 ist. Die Lichterfassungseinheit 11 dienst zum Erfassen des von der Sendeeinheit 2 ausgesandten Lichts. Dieses Licht ist nur dann erfassbar, wenn sich eine optische Achse 200 zwischen Sendeeinheit 2 und Lichterfassungseinheit 11 ausbildet. Dies ist nur dann der Fall, wenn der erste Spiegel 5 und der zweite Spiegel 6 parallel zu der optischen Achse 200 ausgerichtet sind, d.h., wenn sich die Spiegelvorrichtung 4 in der vordefinierten Position, mit anderen Worten dem Totbereich, befindet.
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Um eine Genauigkeit dieser Messung zu erhöhen, ist zwischen dem ersten Spiegel 5 und dem zweiten Spiegel 6 ein Absorber 16 angebracht, wobei der Absorber 16 eine Blende 15 aufweist. Der Absorber 16 dient zum Absorbieren des von der Sendeeinheit 2 ausgesandten Lichts. Somit kann Licht nur durch besagte Blende 15 durch den Absorber 16 hindurchtreten und zur Lichterfassungseinheit 11 gelangen.
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Kann die Lichterfassungseinheit 11 das Licht von der Sendeeinheit 2 erfassen, so ist der optische Pfad 200 ausgebildet. Kann eine Steuerungsvorrichtung 7, die mit der Lichterfassungseinheit 11 wirkverbunden ist, darauf rückschließen, dass die Spiegelvorrichtung 4 in der vordefinierten Ausrichtung vorliegt.
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Liest die Steuerungsvorrichtung 7 gleichzeitig zum Erfassen der vordefinierten Ausrichtung der Spiegelvorrichtung 4 anhand der Lichterfassungseinheit 11 eine aktuelle Winkelposition aus der Winkelerfassungsvorrichtung 8 aus, so kann ein Vergleich dieser beiden Werte erfolgen. Ist eine Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung 8 fehlerhaft, so ergeben sich unterschiedliche Werte. In diesem Fall kann die Kalibrierung korrigiert werden, so dass die Winkelerfassungsvorrichtung 8 wiederum hochwertige Informationen über die Winkellage der Spiegelvorrichtung 4 liefert.
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Die Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung 8 lässt sich somit einfach und aufwandsarm ermitteln. Da diese Ermittlung im ohnehin vorhandenen Totbereich der Spiegelvorrichtung 4 erfolgt, geht somit keine Messzeit des LiDAR-Sensors 1 verloren, in der der LiDAR-Sensor 1 die Umgebung abtasten kann.
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Zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass mittels der Lichterfassungseinheit 11 eine von der Sendeeinheit 2 ausgesandte Lichtleistung ermittelt wird. Die Steuerungsvorrichtung 7 ist somit ausgebildet zu ermitteln, ob die Lichtleistung, die von der Sendeeinheit 2 ausgesandt wird, innerhalb eines zulässigen Rahmens liegt. Insbesondere ist eine maximale Lichtleistung, die von der Sendeeinheit 2 ausgesandt werden darf, oftmals aufgrund von Augensicherheitsvorgaben limitiert. Diese Limitierung ist durch die Steuerungsvorrichtung 7 anhand der Lichterfassungseinheit 11 überprüfbar. Sollte die erfasste Lichtmenge oberhalb eines vordefinierten Schwellwerts liegen, so wird die Ausgangsleistung der Sendeeinheit 2 durch die Steuerungsvorrichtung 7 vorteilhaftweise verringert.
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Die 4a und 4b zeigen eine zweite Alternative des LiDAR-Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum ist 4a eine Draufsicht, während 4b eine Seitenansicht ist.
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Im Unterschied zu der ersten Alternative, wie in den 3a und 3b gezeigt, ist in der zweiten Alternative wie in den 4a und 4b gezeigt, als Zusatzelement eine Lichtaussendeeinheit 12 vorhanden. Die Lichtaussendeeinheit 12 dient dazu, entlang des optischen Pfads 200 Licht auf die Empfangseinheit 3 zu senden. Ansonsten sind der Aufbau und die Funktionsweise des LiDAR-Sensors 1 identisch wie zuvor beschrieben. Das bedeutet, dass wiederum der Absorber 16 vorhanden ist, indem eine Blende 15 ausgebildet ist.
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Nach demselben Wirkprinzip wie zuvor beschrieben, bildet sich der optische Pfad 200 nur dann aus, wenn die Spiegelvorrichtung 4 in der vordefinierten Ausrichtung vorliegt, d.h., wenn der Totbereich vorhanden ist. In diesem Fall kann die Lichtaussendeeinheit 12 Licht zwischen den beiden Spiegeln 5, 6 hindurch und durch die Blende 15 zur Empfangseinheit 3 senden. Detektiert die Empfangseinheit 3 das Licht von der Lichtaussendeeinheit 12, so ist der optische Pfad 200 ausgebildet und die Spiegelvorrichtung 4 liegt in der vordefinierten Position vor. Die Steuervorrichtung 7 ist wie zuvor beschrieben ausgebildet, die Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung 8 zu überwachen und/oder zu korrigieren.
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Das Lichtaussendeeinheit 12 ausgesandte Licht ist bevorzugt von dem Licht, das die Sendeeinheit 2 aussendet, unterschiedlich. Somit kann die Empfangseinheit 3 zwischen dem Licht von der Lichtaussendeeinheit 12 und solchem Licht unterscheiden, das von der Sendeeinheit 2 ausgesandt und von der Umgebung reflektiert wurde. Damit ist eine zuverlässige Zuordnung des empfangenen Lichts zu der ursprünglichen Quelle ermöglicht, wodurch zuverlässig auf das Vorliegen der vordefinierten Ausrichtung der Spiegelvorrichtung 4 geschlossen werden kann.
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Die 5a und 5b zeigen eine dritte Alternative des LiDAR-Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum ist 5a eine Draufsicht, während 5b eine Seitenansicht ist. Im Unterschied zu den beiden vorherigen Alternativen ist kein zusätzliches aktives optisches Element notwendig.
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Als Zusatzelement ist in der dritten Alternative eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 13a, 13b vorhanden, die Licht von der Sendeeinheit 2 zu der Empfangseinheit 3 lenken, wenn der optische Pfad 200 ausgebildet ist. Mit anderen Worten sendet die Sendeeinheit 2 Licht durch den Zwischenraum zwischen erstem Spiegel 5 und zweitem Spiegel 6 der Spiegelvorrichtung 4 auf einen ersten Umlenkspiegel 13A. Dieser lenkt das Licht zu einem zweiten Umlenkspiegel 13B, der wiederum das Licht durch den Zwischenraum zwischen erstem Spiegel 5 und zweitem Spiegel 6 der Spiegelvorrichtung 4 zu der Empfangseinheit 3 leitet. Somit durchläuft das Licht den Zwischenraum zwischen erstem Spiegel 5 und zweitem Spiegel 6 zwei Mal, weswegen der Absorber 16 bevorzugt zwei verschiedene Blenden 15A, 15B aufweist, die sich in ihrer räumlichen Anordnung unterscheiden.
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In dieser Alternative wird lediglich einer oder mehrere Umlenkspiegel 13A, 13B verwendet. Als Lichtquelle und Lichtempfänger werden die Sendeeinheit 2 und die Empfangseinheit 3 verwendet. Somit ist der Aufbau kostengünstig zu realisieren. Ansonsten ist das Messprinzip analog wie zuvor beschrieben, da der optische Pfad 200 nur dann ausgebildet ist, wenn sich die Spiegelvorrichtung 4 in der vordefinierten Ausrichtung befindet.
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Die 6a und 6b zeigen eine vierte Alternative des LiDAR-Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die 6a und 6b beides Seitenansichten sind. Bei der vierten Alternative handelt es sich um eine Erweiterung der ersten Alternative. Der Absorber 16 ist in diesem Fall durch eine erste Absorbereinheit 16A und eine zweite Absorbereinheit 16B ausgebildet, wobei beide Absorbereinheiten 16A, 16B dieselbe Blende 15 aufweisen. Die erste Absorbereinheit 16A und die zweite Absorbereinheit 16B sind beabstandet zueinander angeordnet. Der optische Pfad 200 bildet sich somit von der Sendeeinheit 2 durch beide Blenden 15 zu der Lichterfassungseinheit 11 aus.
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Ist in einem solchen Fall ein Lagerfehler vorhanden, beispielsweise, weil ein Rotationslager 9, über das die Spiegelvorrichtung 4 zur Rotation um die Rotationsachse 100 an dem Gehäuse 17 gelagert ist, verschlissen ist, so kann sich der optische Pfad 200 nicht mehr ausbilden. Dies hat den Grund dahingehend, dass aufgrund einer Präzessionsbewegung der Spiegelvorrichtung 4 eine fluchtende Ausrichtung der beiden Blenden 15 mit der Achse zwischen Sendeeinheit 2 und Lichterfassungseinheit 11 nicht mehr gegeben ist. In diesem Fall kann an der Lichterfassungseinheit 11 somit keinerlei Licht von der Sendeeinheit 2 empfangen werden. Die Steuerungsvorrichtung 7 ist somit ausgebildet, auf einen Lagerschaden des Rotationslagers 9 rückzuschließen, wenn über einen vordefinierten Zeitraum, der bevorzugt zumindest dem Zeitraum entspricht, den die Winkelvorrichtung 4 um eine Rotation um 180° benötigt, keinerlei Licht von der Sendeeinheit 2 an der Lichterfassungseinheit 11 erfassbar ist. Damit ist neben der Überprüfung der Winkellage der Spiegelvorrichtung 4 auch ein Überprüfen einer Lagergüte des Rotationslagers 9 ermöglicht.
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Die 7a und die 7b zeigen eine fünfte Alternative des LiDAR-Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 7a wiederum eine Draufsicht und 7b eine Seitenansicht ist. Diese Alternative ist wiederum eine Erweiterung der ersten Alternative, wobei als einziger Unterschied zu der ersten Alternative der Lichterfassungseinheit 11 ein abschwächender optischer Filter 18 vorgeschaltet ist. Der Filter 18 ist bevorzugt ein ND-Filter. Da die Sendeeinheit 2 üblicherweise eine große Lichtleistung aufweist, besteht grundsätzlich die Gefahr einer Übersättigung der Lichterfassungseinheit 11, insbesondere, wenn diese als Fotodiode ausgebildet ist. Eine solche Sättigung lässt sich mittels des Filters 18 vermeiden. Somit ist eine zuverlässige Messung durch die Lichterfassungseinheit 11 ermöglicht.
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Die Steuerungsvorrichtung 7 kann eine Kalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung 8 fortlaufend korrigieren, insbesondere nach jeder Rotation der Vorrichtung 4 um 180°. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 7 die Kalibrierung nur dann korrigieren, wenn eine Abweichung des von der Winkelerfassungsvorrichtung 8 während der vordefinierten Ausrichtung der Spiegelvorrichtung 4 gemessenen Werts zu stark von dem tatsächlichen Wert abweicht. Dazu wird bevorzugt eine Grenze definiert, wobei bei Überschreiten dieser Grenze eine Neukalibrierung durchgeführt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuerungsvorrichtung 7 auch ein Signal ausgeben, dass ein Werkstattbesuch des LiDAR-Sensors 1 notwendig ist. Dies ist insbesondere in dem zuvor beschriebenen Fall vorteilhaft, wenn ein Lagerschaden des Rotationslagers 9 detektiert wurde. Auch bei einer sich wiederholenden Notwendigkeit einer Neukalibrierung der Winkelerfassungsvorrichtung 8 kann die Anforderung eines Werkstattbesuchs vorteilhaft sein. Die Anforderung eines Werkstattbesuchs ist besonders vorteilhaft dann realisiert, wenn es sich bei dem LiDAR-Sensor 1 um einen Sensor eines Fahrzeugs handelt, so dass der Werkstattbesuch an einem zentralen Steuergerät des Fahrzeugs angefordert und einen Benutzer des Fahrzeugs über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mitgeteilt wird.
