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Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives optisches Sensorsystem aufweisend eine Emittereinheit, die dazu eingerichtet ist, während zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Scanzyklen jeweils eine Vielzahl von Lichtimpulsen zu emittieren eine Detektoreinheit, die dazu eingerichtet ist, reflektierte Anteile der Vielzahl emittierter Lichtimpulse zu erfassen und abhängig davon wenigstens ein Detektorsignal zu erzeugen, welches eine Energie eines entsprechenden reflektierten Anteils wiedergibt und wenigstens eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem wenigstens einen Detektorsignal für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen jeweils eine erste Punktwolke von Scanpunkten zu erzeugen, wobei jeder Scanpunkt einer Überschreitung eines vorgegebenen ersten Schwellwerts durch die durch das wenigstens eine Detektorsignal wiedergegebene Energie entspricht. Die Erfindung betrifft ferner ein elektronisches Fahrzeugführungssystem für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems, ein Verfahren zum wenigstens teilweise automatischen Führen eines Kraftfahrzeugs sowie ein Computerprogrammprodukt.
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Aktive optische Sensorsysteme, wie beispielsweise Lidarsysteme, insbesondere Laserscanner, können an Kraftfahrzeugen montiert werden, um vielfältige Funktionen von Fahrerassistenzsystemen oder sonstigen Fahrzeugführungssystemen zum autonomen oder teilweise autonomen Fahren zu realisieren. Diese Funktionen beinhalten beispielsweise Abstandsmessungen, Abstandsregelalgorithmen, Spurhalteassistenten, Objektverfolgungsfunktionen, Trajektorienplanung und so weiter.
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Die Energie der reflektierten Anteile der emittierten Lichtimpulse ist dabei umso größer, je stärker ein entsprechendes Objekt in der Umgebung des aktiven optischen Sensorsystems den emittierten Lichtimpuls reflektiert. Man spricht in diesem Zusammenhang von hochreflektiven beziehungsweise weniger reflektiven Objekten. Außerdem ist die detektierte Energie umso geringer, je weiter sich das reflektierende Objekt von dem aktiven optischen Sensorsystem entfernt befindet. Je kleiner die Energie der reflektierten Anteile ist, desto weniger stark macht sich ein entsprechender detektierter Anteil in dem wenigstens einen Detektorsignal bemerkbar, insbesondere durch einen entsprechenden Puls in dem Detektorsignal.
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Es ist bekannt, einen Schwellwert für die Energie detektierter Anteile zu setzen, so dass scheinbare Detektionen unterhalb des Schwellwerts als Rauschen behandelt beziehungsweise nicht weiter berücksichtigt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dadurch gegebenenfalls auch Reflexionen von nur sehr schwach reflektierenden oder weit entfernten Objekten nicht berücksichtigt werden, da diese in der beschriebenen Weise nicht von Effekten zu unterscheiden sind, die auf Rauschen zurückgehen, insbesondere auf elektrisches Rauschen.
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Im Dokument
DE 10 2016 124 197 A1 wird ein Verfahren zur Abstandsmessung mittels einer Laufzeitermittlung durch ein Lidarsystem beschrieben, bei dem die Sensorempfindlichkeit eines optischen Detektors zeitabhängig verändert wird. Die Detektorempfindlichkeit wird dabei insbesondere mit zunehmende Messdauer erhöht, so dass für weiter entfernte Objekte die abnehmende Intensität des Empfangssignals kompensiert werden kann.
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Dieser Ansatz kann die oben beschriebene Problematik jedoch nicht überwinden, da mit steigender Detektorempfindlichkeit auch der Einfluss von Rauschen zunimmt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Sensitivität eines aktiven optischen Sensorsystems zu erhöhen, ohne dabei den Einfluss von Rauschen, insbesondere elektrischem Rauschen, wesentlich zu erhöhen oder, mit anderen Worten, den Einfluss von Rauschen zu reduzieren, ohne dabei die Sensitivität des aktiven optischen Sensorsystems zu verringern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, mehrere Punktwolken für aufeinanderfolgende Scanzyklen für einen vorgegebenen Schwellwert für die Energie gemeinsam zu betrachten, also beispielsweise zu akkumulieren, um eine gefilterte gemeinsame Punktwolke zu erzeugen, welche lediglich konsistente Scanpunkte enthält, die in allen einzelnen Punktwolken vorhanden sind. Auf diese Weise können gewissermaßen echte von unechten Scanpunkten, welche auf Rauschen, insbesondere elektrisches Rauschen, zurückgehen, unterschieden werden und nur die echten Scanpunkte für die weitere Verwendung berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann insbesondere ein geringerer Schwellwert für die Energie gewählt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein aktives optisches Sensorsystem angegeben. Das aktive optische Sensorsystem enthält eine Emittereinheit, die dazu eingerichtet ist, insbesondere angesteuert durch eine Treibereinheit des aktiven optischen Sensorsystems, während zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Scanzyklen jeweils eine Vielzahl von Lichtimpulsen zu emittieren, insbesondere mit unterschiedlichen Emissionsrichtungen in eine Umgebung des aktiven optischen Sensorsystem zu emittieren. Das aktive optische Sensorsystem weist eine Detektoreinheit auf, die dazu eingerichtet ist, reflektierte Anteile, insbesondere von einem oder mehreren Objekten in der Umgebung des aktiven optischen Sensorsystems reflektierte Anteile, der Vielzahl emittierter Lichtimpulse zu erfassen und abhängig von den erfassten Anteilen der Vielzahl emittierter Lichtimpulse wenigstens ein Detektorsignal zu erzeugen, welches eine Energie eines entsprechenden reflektierten Anteils wiedergibt. Das aktive optische Sensorsystem weist wenigstens eine Verarbeitungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem wenigstens einen Detektorsignal für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen jeweils eine erste Punktwolke von Scanpunkten zu erzeugen. Jeder Scanpunkt der entsprechenden ersten Punktwolke entspricht dabei einer Überschreitung eines vorgegebenen ersten Schwellwerts durch die durch das wenigstens eine Detektorsignal wiedergegebene Energie. Die wenigstens eine Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, konsistente Scanpunkte der ersten Punktwolken der zwei oder mehr Scanzyklen, insbesondere aller ersten Punktwolken der zwei oder mehr Scanzyklen, zu identifizieren, insbesondere alle konsistenten Scanpunkte aller ersten Punktwolken zu identifizieren. Ein konsistenter Scanpunkt zeichnet sich dabei dadurch aus, dass er mit konsistenten räumlichen Koordinaten in jeder der ersten Punktwolken enthalten ist. Die wenigstens eine Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, basierend auf den identifizierten konsistenten Scanpunkten eine gefilterte erste Punktwolke zu erzeugen.
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Mit anderen Worten werden nur konsistente Scanpunkte für die gefilterte erste Punktwolke verwendet und insbesondere werden alle konsistenten Scanpunkte der ersten Punktwolken für die gefilterte erste Punktwolke verwendet. Insbesondere enthält jede erste Punktwolke eine Untermenge von konsistenten Scanpunkten, wobei sich die konsistenten Scanpunkte der verschiedenen ersten Punktwolken einander entsprechen. Dies bedeutet, dass die konsistenten Scanpunkte in allen ersten Punktwolken im Wesentlichen dieselben räumlichen Koordinaten aufweisen, sofern sich das aktive optische Sensorsystem während der zwei oder mehr Scanzyklen nicht bezüglich der Umgebung bewegt. Bewegt sich das aktive optische Sensorsystem dagegen, so befinden sich die konsistenten Scanpunkte in unterschiedlichen der ersten Punktwolken an unterschiedlichen Positionen, wobei die Unterschiede durch die Bewegung des aktiven optischen Sensorsystems festgelegt sind und dem entsprechend kompensiert beziehungsweise berücksichtigt werden können, um die konsistenten Scanpunkte zu identifizieren. Eine Bewegung der reflektierenden Objekte bezüglich der Umgebung wird dabei insbesondere vernachlässigt. Die gefilterte erste Punktwolke beschreibt daher in erster Linie statische Objekte in der Umgebung des aktiven optischen Sensorsystems.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich Rauschen, insbesondere elektrisches Rauschen, durch räumlich inkonsistente oder nur kurzzeitig während eines oder zwei Scanzyklen erscheinenden Merkmalen in dem wenigstens einen Detektorsignal widerspiegeln, wohingegen echte Scanpunkte, die auf Reflexionen von Objekten in der Umgebung zurückgehen, über die zwei oder mehr Scanzyklen wie beschrieben konsistent auftreten. Durch die Akkumulation der ersten Punktwolken und die entsprechende Filterung zum Erzeugen der gefilterten ersten Punktwolke wird also neben der Energie ein weiteres Unterscheidungskriterium geschaffen, um echte Scanpunkte von Einflüssen durch Rauschen unterscheiden zu können, nämlich die zeitliche und räumliche Konsistenz in dem erläuterten Sinne. Dadurch kann der Schwellwert für die Energie reduziert werden, ohne dass der Einfluss von Rauschen auf die gefilterte erste Punktwolke signifikant erhöht wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass dadurch auch Reflexionen von Objekten, die sehr weit von dem aktiven optischen Sensorsystem entfernt sind oder nur eine geringe Reflektivität aufweisen und dem entsprechend zu geringen Energien der erfassten reflektierten Anteile der Lichtimpulse führen, detektiert werden können, dass mit anderen Worten also die Sensitivität des aktiven optischen Sensorsystems erhöht wird.
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Ein aktives optisches Sensorsystem, insbesondere dessen Emittereinheit, weist definitionsgemäß wenigstens eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht beziehungsweise von Lichtimpulsen auf. Die Lichtquelle kann insbesondere als Laser ausgestaltet sein, beispielsweise als Infrarotlaser. Des Weiteren weist ein aktives optisches Sensorsystem, insbesondere dessen Detektoreinheit, definitionsgemäß wenigstens einen optischen Detektor auf, um reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichts zu erfassen. Beispielsweise stellen Lidarsysteme aktive optische Sensorsysteme dar.
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Eine bekannte Bauform von Lidarsystemen sind sogenannte Laserscanner, bei denen ein Laserstrahl mittels einer Umlenkeinheit abgelenkt wird, so dass verschiedene Ablenkwinkel des Laserstrahls realisiert werden können. Die Umlenkeinheit kann beispielsweise einen drehbar gelagerten Spiegel enthalten. Alternativ kann die Umlenkeinheit ein Spiegelelement mit einer kipp- und/oder schwenkbaren Oberfläche aufweisen. Das Spiegelelement kann beispielsweise als mikroelektromechanisches System, MEMS, ausgestaltet sein. In der Umgebung können die ausgesendeten Laserstrahlen teilweise reflektiert werden und die reflektierten Anteile können wiederum auf den Laserscanner treffen, insbesondere auf die Umlenkeinheit, die sie auf eine Detektoreinheit des Laserscanners lenken kann. Jeder optische Detektor der Detektoreinheit erzeugt insbesondere ein zugehöriges Detektorsignal basierend auf den von dem jeweiligen optischen Detektor erfassten Anteilen. Anhand der räumlichen Anordnung des jeweiligen Detektors kann zusammen mit der aktuellen Position der Umlenkeinheit, insbesondere ihrer Drehposition beziehungsweise ihrer Kipp- und/oder Schwenkposition, somit auf die Einfallsrichtung der detektierten reflektierten Anteile geschlossen werden. Die wenigstens eine Verarbeitungseinheit kann zudem beispielsweise eine Lichtlaufzeitmessung durchführen, um einen radialen Abstand des reflektierenden Objekts zu bestimmen. Zur Abstandsbestimmung kann alternativ oder zusätzlich auch ein Verfahren eingesetzt werden, gemäß dem ein Phasenunterschied zwischen emittiertem und detektiertem Licht ausgewertet wird.
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Unter reflektierten Anteilen können von Objekten in der Umgebung, inklusive einer Fahrbahnoberfläche, zurückgeworfene Anteile der Lichtimpulse verstanden werden. Es handelt sich dabei also nicht notwendigerweise um spiegelnd reflektiertes Licht. Vielmehr können die reflektierten Anteile auch retroreflektiertes und/oder gestreutes Licht beinhalten.
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Der Begriff „Licht“ kann derart verstanden werden, dass davon elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich, im infraroten Bereich und/oder im ultravioletten Bereich umfasst sind. Dementsprechend kann auch der Begriff „optisch“ derart verstanden werden, dass er sich auf Licht nach diesem Verständnis bezieht.
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Das erfindungsgemäße aktive optische Sensorsystem kann beispielsweise als Lidarsensorsystem, insbesondere als Laserscanner, ausgebildet sein.
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Die einzelnen ersten Punktwolken für die zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Scanzyklen enthalten nicht notwendigerweise alle möglichen Scanpunkte, die erfasst werden könnten, bilden also nicht notwendigerweise alle Überschreitungen des Schwellwerts ab. Vielmehr kann eine Einschränkung auf einen bestimmten Teil des Sichtfelds des aktiven optischen Sensorsystems, eine Beschränkung auf verschiedene Lagen und/oder eine Einschränkung auf einen vorgegebenen Bereich des radialen Abstands, also effektiv der Messzeit, vorgenommen werden.
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Trifft ein reflektierter Anteil der emittierten Lichtimpulse auf einen der optischen Detektoren, so erzeugt der optische Detektor an einem Detektorausgang eine entsprechende Spannung oder einen entsprechenden Strom, der als entsprechendes Detektorrohsignal abgegriffen werden kann. Das Detektorrohsignal kann dann beispielsweise verstärkt und/oder in anderer Weise vorverarbeitet werden, um eines der entsprechenden Detektorsignale zu erzeugen. Jeder optische Detektor der Detektoreinheit erzeugt also insbesondere genau ein Detektorrohsignal und basierend darauf wird genau eines der Detektorsignale erzeugt. Das Detektorsignal kann dabei, je nach Ausgestaltung der optischen Detektoren, beispielsweise die detektierte Leistung der einfallenden Photonen als Funktion der Zeit darstellen. Wird das Detektorsignal dem entsprechend über eine vordefinierte Integrationszeit integriert, so resultiert daraus die Energie. Überschreitet die Energie nun den vordefinierten ersten Schwellwert, so wird ein entsprechender Scanpunkt erzeugt. Alternativ kann auch das Sensorsignal als bereits integrierte zeitabhängige Leistung als Funktion der Zeit aufgefasst werden, so dass das Detektorsignal die Energie direkt wiedergibt und dem entsprechend mit dem Schwellwert verglichen werden kann.
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Jeder Detektor kann dabei pro Scanzyklus einen oder mehrere Scanpunkte oder gegebenenfalls auch keinen Scanpunkt liefern. Aufgrund der räumlichen Anordnung der optischen Detektoren in dem aktiven optischen Sensorsystem und beispielsweise aufgrund der aktuellen Position der Umlenkeinheit kann für jeden Scanpunkt eine Einfallsrichtung bestimmt werden. Zudem kann die Verarbeitungseinheit basierend auf der Lichtlaufzeit den radialen Abstand bestimmen, so dass für jeden Scanpunkt dreidimensionale Koordinaten zur Verfügung stehen. Eine Punktwolke speichert dem entsprechend für jeden Scanpunkt beispielsweise seine dreidimensionalen Koordinaten und gegebenenfalls weitere Informationen, die sich aus dem Detektorsignal oder Konfigurationsparametern bei der Erfassung ergeben können.
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Der erste Schwellwert definiert also eine Messempfindlichkeit des aktiven optischen Sensorsystems zur Erzeugung der ersten Punktwolken. Der erste Schwellwert beziehungsweise die Messempfindlichkeit definiert dabei, welche Signaturen des wenigstens einen Detektorsignals als Rauschen behandelt und entsprechend verworfen werden und welche als relevante Messungen behandelt werden. Je geringer der erste Schwellwert ist, desto höher ist der Anteil von falschen Scanpunkten in den ersten Punktwolken, also solchen, die auf Rauschen zurückgehen.
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Durch die Bestimmung der konsistenten Scanpunkte und die entsprechende Erzeugung der gefilterten ersten Punktwolke wird dieser Effekt jedoch wenigstens zum Teil kompensiert, so dass die Messempfindlichkeit erhöht werden kann, indem der erste Schwellwert verringert wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Schwellwert unabhängig von der Detektorempfindlichkeit der Detektoreinheit, insbesondere der einzelnen optischen Detektoren, wählbar ist. Die Detektorempfindlichkeit der optischen Detektoren, die beispielsweise im Falle von Fotodioden oder Lawinenfotodioden, APD (englisch: „avalanche photo diodes“), über deren Vorspannung eingestellt werden kann, kann während der zwei oder mehr Scanzyklen insbesondere konstant sein. Alternativ können auch dynamische Regelungen der Detektorempfindlichkeit vorgenommen werden. Die Wahl des ersten Schwellwerts ist davon wie erwähnt grundsätzlich unabhängig.
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Durch die Erfindung können insbesondere auch weit entfernte Objekte zuverlässiger detektiert werden, ohne dass die Detektorempfindlichkeit entsprechend erhöht werden muss, beispielsweise laufzeitabhängig. Dies verhindert zum einen eine Reduktion des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses. Im Gegensatz zur Detektorempfindlichkeit, die zu einem gegebenen Zeitpunkt für einen gegebenen optischen Detektor nur einen Wert annehmen kann, können hinsichtlich der Messempfindlichkeit des Systems unterschiedliche Schwellwerte für die Energie gleichzeitig vorgesehen werden, so dass für jeden Scanzyklus zwei oder mehr Punktwolken erzeugt werden können, die mit unterschiedlichen Messempfindlichkeiten oder Schwellwerten erzeugt wurden. Auf diese Weise kann insbesondere eine durch die Akkumulation der ersten Punktwolken resultierende Reduktion der zeitlichen Auflösung kompensiert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen die jeweilige erste Punktwolke gemäß einem vorgegebenen ersten Grenzabstand zu erzeugen, wobei die jeweilige erste Punktwolke nur Scanpunkte enthält, deren radialer Abstand von der Detektoreinheit größer oder gleich dem ersten Grenzabstand ist.
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Mit anderen Worten werden Überschreitungen des ersten Schwellwertes vor einer minimalen Messzeit, die dem Grenzabstand entspricht, nicht berücksichtigt, um die erste Punktwolke zu erzeugen.
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Da die Wahrscheinlichkeit für Reflexionen mit geringer Energie für weiter entfernte Objekte größer ist als für näherliegende Objekte, ist die erfindungsgemäße Filterung der ersten Punktwolken umso vorteilhafter, je größer der radiale Abstand des entsprechenden Objekts ist beziehungsweise je größer die Messdauer wird. Durch die Begrenzung auf radiale Abstände größer oder gleich dem ersten Grenzabstand kann daher der erforderliche Speicherbedarf zur Speicherung der ersten Punktwolken und/oder die Rechenzeit zur Verarbeitung der Messungen reduziert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, basierend auf dem wenigstens einen Detektorsignal für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen jeweils eine zweite Punktwolke von Scanpunkten zu erzeugen, wobei jeder Scanpunkt der jeweiligen zweiten Punktwolke einer Überschreitung eines vorgegebenen zweiten Schwellwerts durch die durch das wenigstens eine Detektorsignal wiedergegebene Energie entspricht und wobei der zweite Schwellwert größer ist als der erste Schwellwert.
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Auf diese Weise kann die verwertbare Information während der zwei oder mehr Scanzyklen erhöht werden. Die zweiten Punktwolken enthalten zwar gegebenenfalls weniger Scanpunkte als die entsprechenden ersten Punktwolken, weil der zweite Schwellwert für die Energie größer ist als der erste Schwellwert. Dafür ist jedoch der Einfluss von Rauschen auf die einzelnen zweiten Punktwolken geringer als für die entsprechenden ersten Punktwolken. Die zweiten Punktwolken müssen daher nicht wie für die ersten Punktwolken gefiltert werden, so dass für die zwei oder mehr Scanzyklen insgesamt eine gefilterte erste Punktwolke und entsprechend zwei oder mehr nicht gefilterte zweite Punktwolken zur Verfügung stehen. Die zweiten Punktwolken erlauben eine erhöhte zeitliche Auflösung der Messung, wohingegen die gefilterte erste Punktwolke in der beschriebenen Weise besonders schwach reflektierende Objekte abbilden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen die jeweilige zweite Punktwolke gemäß einem vorgegebenen zweiten Grenzabstand zu erzeugen, wobei die jeweilige zweite Punktwolke nur Scanpunkte enthält, deren radialer Abstand von der Detektoreinheit größer oder gleich dem zweiten Grenzabstand ist und wobei der zweite Grenzabstand größer oder gleich null und kleiner als der erste Grenzabstand ist.
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Da für näher liegende Objekte die Energie der entsprechenden reflektierten Anteile tendenziell größer ist, wird so die zeitliche Auflösung durch die zweiten Punktwolken für nahe Objekte entsprechend vorteilhaft ausgenutzt.
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Der erste Grenzabstand kann beispielsweise in dem Intervall [20 m, 80 m] liegen, beispielsweise in dem Intervall [30 m, 60 m].
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Es hat sich gezeigt, dass in diesem Bereich eine besonders effiziente Abwägung zwischen Speicherbedarf und Rechenzeit einerseits und erhöhter Sensitivität andererseits erreichbar ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die Emittereinheit den wenigstens einen optischen Detektor, der dazu eingerichtet ist, die reflektierten Anteile der Vielzahl emittierter Lichtimpulse zu erfassen und abhängig davon das wenigstens eine Detektorsignal zu erzeugen. Das aktive optische Sensorsystem, insbesondere die wenigstens eine Verarbeitungseinheit, weist die Treibereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Detektorempfindlichkeit des wenigstens einen Detektors zu steuern, so dass die Detektorempfindlichkeit zumindest während jedes Scanzyklus der zwei oder mehr Scanzyklen konstant ist.
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Auf diese Weise kann also insbesondere die Detektorempfindlichkeit derart eingestellt werden, dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für den zweiten Schwellwert für die Energie optimiert wird. Der erste Schwellwert für die Energie ist geringer, so dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis dementsprechend unterhalb des optimalen Werts liegt, was jedoch durch die Filterung wie beschrieben kompensiert wird.
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Der wenigstens eine optische Detektor ist insbesondere als wenigstens eine Lawinenfotodiode, APD, ausgebildet. Zum Steuern der Detektorempfindlichkeit kann die Treibereinheit daher insbesondere eine Vorspannung oder Bias-Spannung oder negative Sperrspannung des optischen Detektors steuern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Gesamtanzahl von Scanzyklen der zwei oder mehr Scanzyklen in dem Intervall [2, 20], insbesondere in dem Intervall [3, 15], beispielsweise in dem Intervall [4, 10].
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Die Gesamtanzahl der Scanzyklen entspricht insbesondere der Gesamtanzahl der einzelnen ersten Punktwolken, basierend auf denen die gefilterte erste Punktwolke erzeugt wird, sowie in entsprechenden Ausführungsformen der Gesamtanzahl der zweiten Punktwolken. Hinsichtlich der gefilterten ersten Punktwolken hat sich herausgestellt, dass in den genannten Bereichen, abhängig von der konkreten Ausgestaltung des aktiven optischen Sensorsystems und seiner Konfiguration, eine ausreichende Erhöhung der Sensitivität bei akzeptabler Reduktion der zeitlichen Auflösung erzielen lässt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet, Bewegungsdaten betreffend eine Bewegung des aktiven optischen Sensorsystems während der zwei oder mehr Scanzyklen zu erhalten und die konsistenten Scanpunkte abhängig von den Bewegungsdaten zu identifizieren.
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Die Bewegungsdaten können beispielsweise eine Geschwindigkeit und/oder eine Rotationsrate des aktiven optischen Sensorsystems betreffen. Beispielsweise können die Bewegungsdaten einen Betrag und eine Richtung der Translationsgeschwindigkeit oder zwei kartesische Koordinaten der Translationsgeschwindigkeit oder dergleichen des aktiven optischen Sensorsystems enthalten und/oder beispielsweise eine Gierrate des aktiven optischen Sensorsystems. Ist das aktive optische Sensorsystem beispielsweise an einem Kraftfahrzeug montiert, so können die Bewegungsdaten des aktiven optischen Sensorsystems durch die entsprechenden Bewegungsdaten des Kraftfahrzeugs gegeben sein, die beispielsweise mittels eines oder mehrerer Inertialsensoren des Kraftfahrzeugs bestimmt werden können.
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Um die konsistenten Scanpunkte abhängig von den Bewegungsdaten zu identifizieren, können insbesondere die einzelnen Scanpunkte der ersten Punktwolken entsprechend ihrer Bewegung und der Dauer eines Scanzyklus verschoben oder transformiert werden, so dass die unterschiedlichen Scanpunkte unterschiedlicher erster Punktwolken miteinander vergleichbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektronisches Fahrzeugführungssystem für ein Kraftfahrzeug angegeben. Das elektronische Fahrzeugführungssystem weist ein aktives optisches Sensorsystem gemäß der Erfindung auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das elektronische Fahrzeugführungssystem wenigstens eine Recheneinheit auf, die dazu eingerichtet ist, abhängig von der gefilterten ersten Punktwolke wenigstens ein Steuersignal zum zumindest teilweise automatischen Führen des Kraftfahrzeugs zu erzeugen und/oder eine Warnmeldung und/oder eine Informationsmeldung für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs zu erzeugen.
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Das wenigstens eine Steuersignal kann beispielsweise zur Ansteuerung eines oder mehrerer Aktuatoren des Kraftfahrzeugs verwendet werden, um eine Quer- oder Längssteuerung des Kraftfahrzeugs entsprechend automatisch oder teilweise automatisch zu beeinflussen.
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Ist die Verarbeitungseinheit des aktiven optischen Sensorsystems zur Erzeugung der zweiten Punktwolken eingerichtet, so können das wenigstens eine Steuersignal, die Warnmeldung und/oder die Informationsmeldung abhängig von der gefilterten ersten Punktwolke und wenigstens einer der zweiten Punktwolken, insbesondere allen zweiten Punktwolken, erzeugt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des elektronischen Fahrzeugführungssystems, gemäß welcher die wenigstens eine Verarbeitungseinheit des aktiven optischen Sensorsystems dazu eingerichtet ist, die Bewegungsdaten zu erhalten und die konsistenten Scanpunkte abhängig davon zu identifizieren, weist das elektronische Fahrzeugführungssystem wenigstens einen Inertialsensor für das Kraftfahrzeug auf, der dazu eingerichtet ist, die Bewegungsdaten abhängig von einer Bewegung des Kraftfahrzeugs während der zwei oder mehr Scanzyklen zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen aktiven optischen Sensorsystem oder mit einem erfindungsgemäßen elektronischen Fahrzeugführungssystem angegeben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems angegeben. Mittels des aktiven optischen Sensorsystems, insbesondere mittels einer Emittereinheit des aktiven optischen Sensorsystems, wird während zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Scanzyklen jeweils eine Vielzahl von Lichtimpulsen emittiert. Mittels des aktiven optischen Sensorsystems, insbesondere mittels einer Detektoreinheit des aktiven optischen Sensorsystems, werden reflektierte Anteile der Vielzahl emittierter Lichtimpulse erfasst und abhängig davon wird wenigstens ein Detektorsignal erzeugt, welches eine Energie eines entsprechenden reflektierten Anteils wiedergibt. Basierend auf dem wenigstens einen Detektorsignal für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen wird jeweils eine erste Punktwolke von Scanpunkten erzeugt, wobei jeder Scanpunkt einer Überschreitung eines vorgegebenen ersten Schwellwerts durch die durch das wenigstens eine Detektorsignal wiedergegebene Energie entspricht. Es werden, insbesondere mittels wenigstens einer Verarbeitungseinheit des aktiven optischen Sensorsystems, konsistente Scanpunkte der ersten Punktwolken identifiziert, die sich dadurch auszeichnen, dass sie mit jeweils konsistenten räumlichen Koordinaten in jeder der ersten Punktwolken enthalten sind. Eine gefilterte erste Punktwolke wird basierend auf den identifizierten konsistenten Scanpunkten erzeugt, insbesondere mittels der wenigstens einen Verarbeitungseinheit.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum wenigstens teilweise automatischen Führen eines Kraftfahrzeugs angegeben, wobei das Kraftfahrzeug ein aktives optisches Sensorsystem, insbesondere ein erfindungsgemäßes aktives optisches Sensorsystem, aufweist. Dazu wird ein Verfahren zum Betreiben des aktiven optischen Sensorsystems gemäß der Erfindung durchgeführt und das Kraftfahrzeug wird abhängig von der gefilterten ersten Punktwolke wenigstens teilweise automatisch geführt.
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Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des aktiven optischen Sensorsystems folgen unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen aktiven optischen Sensorsystems und des elektronischen Fahrzeugführungssystems gemäß der Erfindung und jeweils umgekehrt. Insbesondere ist ein aktives optisches Sensorsystem dazu eingerichtet, ein Verfahren zum Betreiben des aktiven optischen Sensorsystems durchzuführen oder führt ein solches Verfahren durch.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein erstes Computerprogramm mit ersten Befehlen angegeben. Bei Ausführung der ersten Befehle durch ein erfindungsgemäßes aktives optisches Sensorsystem veranlassen die ersten Befehle das aktive optische Sensorsystem dazu, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines aktiven optischen Sensorsystems durchzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein zweites Computerprogramm mit zweiten Befehlen angegeben. Bei Ausführung der zweiten Befehle durch ein erfindungsgemäßes elektronisches Fahrzeugführungssystem, insbesondere durch die wenigstens eine Recheneinheit und/oder die wenigstens eine Verarbeitungseinheit, veranlassen die zweiten Befehle das elektronische Fahrzeugführungssystem, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum wenigstens teilweise automatischen Führen eines Kraftfahrzeugs auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein computerlesbares Speichermedium angegeben, welches ein erstes und/oder ein zweites Computerprogramm gemäß der Erfindung speichert.
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Das erste und das zweite Computerprogramm sowie das computerlesbare Speichermedium können als jeweilige Computerprogrammprodukte mit den ersten und/oder zweiten Befehlen aufgefasst werden.
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Unter einem elektronischen Fahrzeugführungssystem kann ein elektronisches System verstanden werden, das dazu eingerichtet ist, ein Fahrzeug vollautomatisch oder vollautonom zu führen, insbesondere ohne dass ein Eingriff in eine Steuerung durch einen Fahrer erforderlich ist. Das Fahrzeug führt alle erforderlichen Funktionen, wie Lenk, Brems- und/oder Beschleunigungsmanöver, die Beobachtung und Erfassung des Straßenverkehrs sowie entsprechende Reaktionen automatisch durch. Insbesondere kann das elektronische Fahrzeugführungssystem einen vollautomatischen oder vollautonomen Fahrmodus des Kraftfahrzeugs nach Stufe 5 der Klassifizierung gemäß SAE J3016 implementieren. Unter einem elektronischen Fahrzeugführungssystem kann auch ein Fahrerassistenzsystem (englisch: „advanced driver assistance system“, ADAS) verstanden werden, welches den Fahrer beim teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahren unterstützt. Insbesondere kann das elektronische Fahrzeugführungssystem einen teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahrmodus nach den Stufen 1 bis 4 gemäß der SAE J3016-Klassifizierung implementieren. Hier und im Folgenden bezieht sich „SAE J3016“ auf die entsprechende Norm in der Version vom Juni 2018.
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Die wenigstens teilweise automatische Fahrzeugführung kann es daher beinhalten, das Fahrzeug gemäß eines vollautomatischen oder vollautonomen Fahrmodus der Stufe 5 nach SAE J3016 zu führen. Die wenigstens teilweise automatische Fahrzeugführung kann auch beinhalten, das Fahrzeug gemäß eines teilweise automatisierten oder teilautonomen Fahrmodus nach den Stufen 1 bis 4 nach SAE J3016 zu führen.
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Ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Rede davon, dass eine Komponente des erfindungsgemäßen aktiven optischen Sensorsystems, insbesondere die wenigstens eine Verarbeitungseinheit, oder des erfindungsgemäßen elektronischen Fahrzeugführungssystems, insbesondere die wenigstens eine Recheneinheit, dazu eingerichtet, ausgebildet, ausgelegt, oder dergleichen ist, eine bestimmte Funktion auszuführen oder zu realisieren, eine bestimmte Wirkung zu erzielen oder einem bestimmten Zweck zu dienen, so kann dies derart verstanden werden, dass die Komponente, über die prinzipielle oder theoretische Verwendbarkeit oder Eignung der Komponente für diese Funktion, Wirkung oder diesen Zweck hinaus, durch eine entsprechende Anpassung, Programmierung, physische Ausgestaltung und so weiter konkret und tatsächlich dazu in der Lage ist, die Funktion auszuführen oder zu realisieren, die Wirkung zu erzielen oder dem Zweck zu dienen.
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Unter einer Recheneinheit kann insbesondere ein Datenverarbeitungsgerät verstanden werden, die einen Verarbeitungsschaltkreis enthält. Auch die wenigstens eine Verarbeitungseinheit kann in diesem Sinne als wenigstens eine Recheneinheit aufgefasst werden. Die Recheneinheit kann also insbesondere Daten zur Durchführung von Rechenoperationen verarbeiten. Darunter fallen gegebenenfalls auch Operationen, um indizierte Zugriffe auf eine Datenstruktur, beispielsweise eine Umsetzungstabelle, LUT (englisch: „look-up table“), durchzuführen.
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Die Recheneinheit kann insbesondere einen oder mehrere Computer, einen oder mehrere Mikrocontroller und/oder einen oder mehrere integrierte Schaltkreise enthalten, beispielsweise eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASIC (englisch: „application-specific integrated circuit“), eines oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays, FPGA, und/oder eines oder mehrere Einchipsysteme, SoC (englisch: „system on a chip“). Die Recheneinheit kann auch einen oder mehrere Prozessoren, beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, eine oder mehrere zentrale Prozessoreinheiten, CPU (englisch: „central processing unit“), eine oder mehrere Grafikprozessoreinheiten, GPU (englisch: „graphics processing unit“) und/oder einen oder mehrere Signalprozessoren, insbesondere einen oder mehrere digitale Signalprozessoren, DSP, enthalten. Die Recheneinheit kann auch einen physischen oder einen virtuellen Verbund von Computern oder sonstigen der genannten Einheiten beinhalten.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Recheneinheit eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwareschnittstelle und/oder eine oder mehrere Speichereinheiten.
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Eine Speichereinheit kann als flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, DRAM (englisch: „dynamic random access memory“) oder statischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, SRAM (englisch: „static random access memory“), oder als nicht-flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als Festwertspeicher, ROM (englisch: „read-only memory“), als programmierbarer Festwertspeicher, PROM (englisch: „programmable read-only memory“), als löschbarer Festwertspeicher, EPROM (englisch: „erasable read-only memory“), als elektrisch löschbarer Festwertspeicher, EEPROM (englisch: „electrically erasable read-only memory“), als Flash-Speicher oder Flash-EEPROM, als ferroelektrischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, FRAM (englisch: „ferroelectric random access memory“), als magnetoresistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff, MRAM (englisch: „magnetoresistive random access memory“) oder als Phasenänderungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff, PCRAM (englisch: „phase-change random access memory“), ausgestaltet sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von der Erfindung umfasst sein. Es sind insbesondere auch Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
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In den Figuren zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer beispielhaften Ausführungsform eines elektronischen Fahrzeugführungssystems gemäß der Erfindung;
- 2 eine schematische Blockdarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Fahrzeugführungssystems sowie einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aktiven optischen Sensorsystems;
- 3 Schwellwerte für die Energie reflektierter Anteile von Licht als Funktion des radialen Abstands; und
- 4 Sichtfelder einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines aktiven optischen Sensorsystems gemäß der Erfindung.
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In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt, das ein elektronisches Fahrzeugführungssystem 2 gemäß der Erfindung aufweist. Das elektronische Fahrzeugführungssystem 2 enthält eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aktiven optischen Sensorsystems 4 sowie eine Recheneinheit 5.
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In 2 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm für das elektronische Fahrzeugführungssystem 2 dargestellt, wobei das aktive optische Sensorsystem 4 als Lidarsensorsystem ausgestaltet ist, das auf der Technologie eines Laserscanners basiert.
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Das aktive optische Sensorsystem 4 weist eine Emittereinheit 6 auf, die wenigstens eine Lichtquelle, insbesondere wenigstens eine Laserdiode, enthält. Die Emittereinheit 6 kann während jedes Scanzyklus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Scanzyklen jeweils Lichtimpulse 9, insbesondere infrarote Lichtimpulse, in die Umgebung des Sensorsystems 4 und dementsprechend in die Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 emittieren. In der Umgebung können die emittierten Lichtimpulse 9 beispielsweise zum Teil von einem oder mehreren Objekten 3 reflektiert werden und entsprechende reflektierte Anteile 9' können zurück in Richtung des Sensorsystems 4 propagieren, wo sie durch eine Detektoreinheit 7 des Sensorsystems erfasst werden können.
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Die Detektoreinheit 7 kann insbesondere mehrere Fotodioden, beispielsweise APDs, beinhalten, die als optische Detektoren der Detektoreinheit bezeichnet werden können. Jeder optische Detektor der Detektoreinheit 7 kann abhängig von den entsprechenden erfassten reflektierten Anteilen 9' ein Detektorsignal erzeugen, welches eine Energie des entsprechenden reflektierten Anteils 9' direkt oder indirekt wiedergibt. Wird das Detektorsignal insbesondere über ein vorgegebenes Integrationsintervall integriert, so resultiert daraus die während des Integrationszeitraums erfasste Energie.
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Das Sensorsystem 4 weist außerdem eine Verarbeitungseinheit 8 auf, die mit der Detektoreinheit 7 verbunden ist und die Detektorsignale erhalten kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die Recheneinheit 5 und die Verarbeitungseinheit 8 nicht notwendigerweise physisch oder funktional voneinander getrennt sind. Insbesondere kann die Recheneinheit 5 die Verarbeitungseinheit teilweise oder vollständig beinhalten oder umgekehrt. Alternativ kann die Recheneinheit 5 hinsichtlich der Verarbeitungseinheit 8 beschriebene Funktionen oder Verfahrensschritte ausführen oder umgekehrt. Typischerweise ist die Verarbeitungseinheit, welche auch eine Treibereinheit für die Emittereinheit 6 beinhaltet, in einem Gehäuse des Sensorsystems 4 verbaut und die Recheneinheit 5 außerhalb des Gehäuses, beispielsweise als Teil eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs 1. Dies ist aber, wie erwähnt, nicht notwendigerweise der Fall.
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Die Verarbeitungseinheit 8 kann nun für jeden der zwei oder mehr Scanzyklen basierend auf den Detektorsignalen eine entsprechende erste Punktwolke von Scanpunkten, die auch als Abtastpunkte bezeichnet werden können, erzeugen. Jeder Scanpunkt der entsprechenden ersten Punktwolke entspricht dabei einer Überschreitung eines vorgegebenen ersten Schwellwerts T1 durch die Energie, welche durch das entsprechende Detektorsignal wiedergegeben wird. In 3 ist schematisch der erste Schwellwert T1 als konstante Funktion des radialen Abstands, welcher einer Messzeit nach dem Emittieren der Lichtimpulse 9 entspricht, dargestellt. Optional können die ersten Punktwolken derart erzeugt werden, dass sie nur Scanpunkte mit radialen Abständen r enthalten, die größer oder gleich einem vorgegebenen Grenzabstand R sind, der beispielsweise zwischen 40 m und 50 m liegen kann.
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Optional kann auch das horizontale Sichtfeld zur Erzeugung der ersten Punktwolken auf ein gegenüber einem gesamten Sichtfeld 13 reduziertes Sichtfeld 12 eingeschränkt werden, wie schematisch in 4 dargestellt.
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Die Verarbeitungseinheit 8 kann basierend auf den ersten Punktwolken konsistente Scanpunkte identifizieren. Die konsistenten Scanpunkte zeichnen sich dabei dadurch aus, dass die in jeder der ersten Punktwolken enthalten sind und jeweils räumlich konsistente räumliche Koordinaten aufweisen, also im Stillstand des Kraftfahrzeugs 1 an denselben Koordinaten auftreten beziehungsweise entsprechend einer Bewegung des Kraftfahrzeugs 1 zueinander verschoben sind. Die Verarbeitungseinheit 8 erzeugt dann eine gefilterte erste Punktwolke, welche nur die identifizierten konsistenten Scanpunkte beziehungsweise die entsprechend der Bewegung verschobenen konsistenten Scanpunkte beinhaltet.
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Im Gegensatz zu den konsistenten Scanpunkten verändert sich die räumliche Position von Artefakten, die auf Rauschen zurückgehen, in den zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Scanzyklen in nicht konsistenter Weise und/oder die entsprechenden Artefakte tauchen nicht in allen Scanzyklen in der zugehörigen ersten Punktwolke auf. Solche Artefakte sind in der gefilterten ersten Punktwolke daher nicht enthalten, so dass die gefilterte erste Punktwolke mit hoher Zuverlässigkeit echte Objekte darstellt.
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Im Kontext des elektronischen Fahrzeugführungssystems 2 kann die Recheneinheit 5 nun die gefilterte erste Punktwolke verwenden, um das Kraftfahrzeug 1 automatisch oder teilweise automatisch zu führen beziehungsweise einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 bei der Führung des Kraftfahrzeugs 1 zu unterstützen.
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In manchen Ausführungsformen erzeugt die Verarbeitungseinheit 8 neben den ersten Punktwolken für jeden Scanzyklus auch eine zweite Punktwolke, wobei hier ein zweiter Schwellwert T2 für die Energie vorgesehen ist, der größer ist als der erste Schwellwert T1, wie schematisch in 3 dargestellt. Zudem können die zweiten Punktwolken beispielsweise auch für radiale Abstände r erzeugt werden, die kleiner sind als der Grenzabstand R.
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Dadurch, dass der zweite Schwellwert T2 größer ist als der erste Schwellwert T1, ist der Einfluss von Rauschen auf die zweiten Punktwolken geringer als auf die ersten Punktwolken. Die zweiten Punktwolken können daher von der Recheneinheit 5 zusätzlich zu der gefilterten ersten Punktwolke zur teilweise automatischen Führung des Kraftfahrzeugs 1 oder zur Unterstützung des Fahrers verwendet werden, um eine höhere zeitliche Auflösung zu erzielen.
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Wie insbesondere hinsichtlich der Figuren beschrieben erlaubt es die Erfindung, Objekte mit geringer Reflektivität und/oder in großem Abstand zu dem aktiven optischen Sensorsystem zuverlässig zu erfassen, ohne den Einfluss von Rauschen signifikant zu erhöhen.
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Dazu wird insbesondere ein Schwellwert für die Energie verwendet, der kleiner sein kann als ein hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses optimaler Schwellwert. Artefakte durch elektrisches Rauschen werden daher zunächst als potenzielle echte Objekte betrachtet. Sodann können die Messungen über mehrere Scanzyklen akkumuliert werden, um echte Objekte zu validieren, indem ausgenutzt wird, dass die Position der Artefakte in der Regel zeitabhängig flackert. Eine mögliche Eigenbewegung des Sensorsystems wird dabei gegebenenfalls berücksichtigt.
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In verschiedenen Ausführungsformen der Schwellenwert dynamischen abhängig von der radialen Entfernung sein. Bei einer großen Entfernung kann der Schwellenwert unter den optimalen Schwellwert gesetzt werden, um das elektrische Rauschen herauszufiltern. Es kann auch ein weiterer, beispielsweise entfernungsunabhängiger, Schwellwert vorgesehen werde, um Nah- und Mittelbereich mit geringem Rauschen und höherer zeitlicher Auflösung zu erfassen.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein sehr niedriger Schwellwert für die Energie gewählt werden kann, sodass sehr schwach reflektierende Objekte ohne den Nachteil stark erhöhten Rauschens erfasst werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124197 A1 [0005]
