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Die vorliegende Erfindung betrifft einen LiDAR-Sensor mit einer modularen Systemarchitektur, die ein Optikmodul, ein Datenverarbeitungsmodul und ein Trägermodul aufweist, wobei das Optikmodul eine Sendeoptik zur Aussendung eines Lichtsignals und eine Empfangsoptik zum Empfang eines reflektierten Lichtsignals umfasst, wobei das Datenverarbeitungsmodul einen Detektor zur Erfassung des reflektierten Lichtsignals umfasst.
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Stand der Technik
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Derartige LiDAR-Sensoren sind in der Lage, die Entfernung zu einem beliebigen Punkt einer den LiDAR-Sensor umgebenden Szene zu messen, indem sie das gleiche Prinzip wie RADAR-Vorrichtungen anwenden. LiDAR-Sensoren wurden für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Ortung, Entfernungsmessung und Erstellung von Profilen einer Umgebung entwickelt. Ein LiDAR-Sensor stellt dabei ein Verfahren bereit, mit dem eine Umgebung des LiDAR-Sensors abgetastet werden kann, bei dem Lichtsignale zur Messung der Entfernung zu Objekten oder anderen Merkmalen der Umgebung verwendet werden. In Kombination mit anderen Daten erzeugen diese Lichtsignale hochauflösende 3D-Informationen über die Umgebung der LiDAR-Sensoren oder der darin enthaltenen Objekte. Der LiDAR-Sensor stellt somit einen Umfeldsensor dar, der das Potenzial hat, modernste Geräte zur Erfassung der Umgebung zu ergänzen oder zu ersetzen. Dies gilt insbesondere für Automotive-Anwendungen, vorzugsweise im Fernfeld des LiDAR-Sensors. Ein solcher LiDAR-Sensor ermöglicht zudem eine direkte und zuverlässige Abstandsmessung und eine zuverlässige Detektion von Objekten im Umfeld der LiDAR-Sensoren, was besonders vorteilhaft für sicherheitskritische Funktionen im autonomen Fahren ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein LiDAR-Sensor zur Verfügung gestellt, in dem die Sendeoptik in einem Sendemodul und die Empfangsoptik in einem vom Sendemodul unterschiedlichen und getrennten Empfangsmodul umfasst ist, und wobei der LiDAR-Sensor ein Reinigungsmodul zur Reinigung des LiDAR-Sensors von Verschmutzungen umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Dieser LiDAR-Sensor hat den Vorteil, dass eine Architektur für das Scannen und den Aufbau des LiDAR-Sensors vorgegeben ist, die in der Lage ist, die Umgebung des LiDAR-Sensors mit einer höheren Auflösung zu scannen und dabei der LiDAR-Sensor eine kompakte Form aufweist. Die Sendeoptik und die Empfangsoptik basieren in der vorgegebenen Architektur des LiDAR-Sensors auf unterschiedlichen Technologien zur Steuerung und zum Empfang des Lichtsignals. Hierdurch wird eine kompakte und flexible Bauform des LiDAR-Sensors angegeben. Die Komplexität des LiDAR-Sensors wird reduziert. Dieser ist einfach herzustellen. Die Anforderungen an Automotive-Anwendungen, wie beispielsweise begrenzter Bauraum, können so mit einem minimalen Aufwand durch den LiDAR-Sensor erfüllt werden. Die Herstellungskosten des LiDAR-Sensors können auf ein Minimum reduziert werden. Insgesamt gliedert sich der LiDAR-Sensor in drei unterschiedliche architektonische Bereiche, das Optikmodul, das Datenverarbeitungsmodul und das Trägermodul. Diese modularen Bereiche der Systemarchitektur werden im Folgenden beschrieben werden. Die integrierte Reinigungsfunktion des LiDAR-Sensors, bereitgestellt über das Reinigungsmodul, sorgt für eine zuverlässige Wartung der Leistung des LiDAR-Sensors auch in schmutzigen Umgebungen (wie Schlamm, Staub, oder ähnlichem).
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Dabei ist es möglich, dass das Sendemodul einen 1 D-MEMS-Spiegel, vorzugsweise mit einem diffraktiven optischen Element, umfasst, der dazu eingerichtet ist, das ausgesendete Lichtsignal in einem vertikalen Sichtfeld des LiDAR-Sensors zu steuern.
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Der erste architektonische Bereich des LiDAR-Sensors umfasst das Optikmodul. Dieses Optikmodul weist das Sendemodul auf. Das Sendemodul wiederum weist einen 1D-MEMS-Spiegel auf, der das ausgesendete Lichtsignal in der vertikalen Position steuert.
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Vorzugsweise kann dabei auch ein diffraktives optisches Element an dem 1D-MEMS-Spiegel vorgesehen sein. Dieses diffraktive optische Element teilt das einfallende Lichtsignal in N Strahlen auf. Dadurch können die Bildrate des LiDAR-Sensors und die Zuverlässigkeit des MEMS erhöht werden. Der 1 D-MEMS-Spiegel reflektiert weniger, um das gleiche vertikale Sichtfeld des LiDAR-Sensors zu beleuchten.
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In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Trägermodul einen Motor aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Rotation des 1D-MEMS-Spiegels zu steuern, die dazu eingerichtet ist, das ausgesendete Lichtsignal in einem horizontalen Sichtfeld des LiDAR-Sensors zu steuern.
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Durch die Rotation des 1D-MEMS-Spiegels wird das horizontale Sichtfeld des LiDAR-Sensors beleuchtet. Für die vertikale und horizontale Ablenkung des ausgehenden Lichtsignals werden verschiedene Technologien eingesetzt. Die Systemarchitektur des LiDAR-Sensors ist somit flexibel genug, um verschiedene Technologien zur Steuerung des ausgehenden Lichtsignals zu nutzen. Es ist möglich, das vertikale und horizontale Sichtfeld des LiDAR-Sensors schnell zu scannen. Nach Steuerung des ausgehenden Lichtsignals in der vertikalen und horizontalen Ebene verlässt das Lichtsignal den LiDAR-Sensor und wird in seine Umgebung abgegeben.
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Vorteilhaft ist auch, dass das reflektierte Lichtsignal im Empfangsmodul einen Bandpassfilter und nachfolgend eine optische Linsenanordnung durchläuft, die dazu eingerichtet ist, das reflektierte Lichtsignal auf eine vorbestimmte Position in dem Detektor, vorzugsweise ein 1D-Photodetektor, zu fokussieren.
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Das ausgehende Lichtsignal wird an den Objekten der Umgebung reflektiert und läuft als reflektiertes Lichtsignal zurück zum LiDAR-Sensor. Dort wird es in dem Empfangsmodul des Optikmoduls des ersten architektonischen Bereichs empfangen. Hier durchläuft es zunächst eine Schutzscheibe des LiDAR-Sensors und tritt in den optischen Empfangspfad der Empfangsoptik ein. In diesem optischen Empfangspfad wird das reflektierte Lichtsignal einen Bandpassfilter durchlaufen, um die gewünschte Empfangswellenlänge aus dem reflektierten Lichtsignal zu filtern. Nach dem Bandpassfilter durchläuft das reflektierte Lichtsignal eine Linsenanordnung, die verwendet wird, um das empfangene reflektierte Lichtsignal auf eine bestimmte Position in dem Detektor des LiDAR-Sensors zu fokussieren. Dieser Detektor kann vorteilhaft als 1D-Photodetektor in Linienform ausgebildet sein.
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Weiter ist sehr vorteilhaft vorgesehen, dass der Detektor dazu eingerichtet ist, eine Laufzeit des reflektierten Lichtsignals und eine Amplitude des reflektierten Lichtsignals zu messen. Nach dem Durchlaufen des optischen Empfangspfades im Empfangsmodul erzeugt der Detektor einen elektrischen Impuls, der in die Elektronik des LiDAR-Sensors eingespeist wird. Aus diesem elektrischen Impuls ist die Information über die Laufzeit des reflektierten Lichtsignals extrahierbar. Gleichzeitig kann der Detektor auch die Amplitude des reflektierten Lichtsignals erfassen. Dies liefert zwei verschiedene Informationen: die Laufzeit (Flugzeit) des reflektierten Lichtsignals und die Reflektivität des beleuchteten Objekts. Anhand dieser Informationen kann das genannte Objekt identifiziert und der Abstand zwischen dem Objekt und dem LiDAR-Sensor kann ermittelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Datenverarbeitungsmodul eine Li-Fi-Kommunikationsverbindung aufweist, die dazu eingerichtet ist, Daten zu senden und zu empfangen, und/oder wobei das Trägermodul eine Stromversorgungseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, den LiDAR-Sensor drahtlos mit Strom zu versorgen.
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Der zweite architektonische Bereich des LiDAR-Sensors umfasst das Datenverarbeitungsmodul. Dieses umfasst den Lichtsignaltreiber, sowie Handhabung und Verarbeitung der erhaltenen Daten. In diesem Bereich befindet sich die gesamte Elektronik des LiDAR-Sensors, die notwendig ist, um Informationen zu generieren und zu verarbeiten, die für den Betrieb des LiDAR-Sensors erforderlich sind. Diese Informationen können über eine Li-Fi-Kommunikationsverbindung übertragen und empfangen werden. Solche Informationen können beispielsweise verarbeitete Daten zur Datenpunktwolke der vom LiDAR-Sensor erzeugten Umgebung oder externe Daten umfassen, die an den LiDAR-Sensor übertragen werden sollen. Die notwendige Stromversorgung für alle Komponenten des LiDAR-Sensors kann ein Netzteil oder drahtlos sein. Die elektronische Unterstützung für die Li-Fi-Kommunikationsverbindung sowie der Motor sind im Trägermodul angeordnet. Dieses Trägermodul stellt den dritten architektonischen Bereich der Systemarchitektur des LiDAR-Sensors dar.
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Nicht zuletzt ist vorteilhaft, dass das Reinigungsmodul dazu eingerichtet ist, einen Transmissionswert des Lichtsignals durch eine Schutzscheibe des LiDAR-Sensors zu überwachen und bei Absinken des Transmissionswerts unter einen vorbestimmten Transmissionsgrenzwert eine Reinigung der Schutzscheibe zu initiieren.
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Das Reinigungsmodul bietet eine zusätzliche Funktionalität des LiDAR-Sensors. Das Reinigungsmodul weist ein Reinigungskonzept auf. Entsprechend diesem Reinigungskonzept wird ein Transmissionswert des Lichtsignals durch eine Schutzscheibe des LiDAR-Sensors erfasst und überwacht. Falls der erfasste Transmissionswert niedriger ist als ein vorbestimmter Transmissionsgrenzwert wird eine Reinigung der Schutzscheibe initiiert. Dies kann beispielsweise durch Versprühen von Wasser auf die Schutzscheibe und anschließenden Einsatz eines Scheibenwischers für die Schutzscheibe erfolgen. Hierdurch können auf der Schutzscheibe abgelagerte Verschmutzungen, wie Schlamm oder Staub, entfernt werden.
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Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Datenverarbeitungsmodul mindestens einen Temperatursensor umfasst, der dazu eingerichtet ist, Temperaturbedingungen des LiDAR-Sensors zu erfassen, zu überwachen und die Temperaturbedingungen in einem vorbestimmten Temperaturbereich zu steuern.
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Die Verwendung von Temperatursensoren kann zu einem besseren Management der Temperatur innerhalb des LiDAR-Sensors beitragen. Die Temperatursensoren können die Temperatur des LiDAR-Sensors beispielsweise unter Verwendung von Lamellen oder Ventilatoren steuern. Eine Kombination von aktiven und passiven Mechanismen zur Temperatursteuerung ist möglich.
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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 schematisch ein erfindungsgemäßes Optikmodul; und
- 2 eine erfindungsgemäße Systemarchitektur eines LiDAR-Sensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein Optikmodul 1 gezeigt. Das Optikmodul 1 weist einen 1D-MEMS-Spiegel 2 und eine Lichtquelle 3 auf, die dazu eingerichtet ist, ein ausgehendes Lichtsignal zu erzeugen. Diese sind in dem Sendemodul 4 umfasst. Das ausgehende Lichtsignal verlässt den LiDAR-Sensor 5, wird an Objekten der Umgebung reflektiert, und tritt über einen optischen Empfangspfad 6 des Empfangsmoduls 7 wieder in den LiDAR-Sensor 5 ein. Dort wird das reflektierte Lichtsignal letztlich in einem Detektor 8 detektiert. Der Detektor 8 kann als 1D-Photodetekor in Linienform ausgebildet sein.
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2 zeigt eine Systemarchitektur des LiDAR-Sensors 5 mit dem Optikmodul 1, einem Datenverarbeitungsmodul 9 und einem Trägermodul 10.
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Das Optikmodul 1 umfasst einen Prozessor 11, eine SD-Karte 12, einen Flash-Speicher 13, eine Axi-Schnittstelle 14, eine Temperatursteuerung 15, ein TopModul 16, eine Lichtquellensteuerung 17, eine MEMS-Spiegelregelung 18, einen TDC 19 und eine Motorposition 20. Das Datenverarbeitungsmodul 9 umfasst Lüfter 21, eine Li-Fi-Kommunikationsverbindung 22, einen Temperatursensor 23, einen Motorencoder 24, einen Lichtquellentreiber 25, die Lichtquelle 3, eine Sonde 26, einen RPig 27, einen MEMS-Spiegeltreiber 28, den 1D-MEMS-Spiegel 2, einen A/D-Wandler 29, und einen Empfänger 30. Das Trägermodul 10 umfasst einen Motor 31, einen Hall-Sensor 32 und eine Motorsteuerung 33. Ein externer Stromanschluss 34 versorgt den LiDAR-Sensor 5 über eine Stromversorgungseinheit 35 mit Strom. Der LiDAR-Sensor 5 umfasst optische Elemente 36. Der LiDAR-Sensor 5 kann mit einem elektrischen Signal 38 und einem optischen Signal 39 versorgt werden.
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Der LiDAR-Sensor 5 verwendet die so beschriebene Systemarchitektur. Diese Systemarchitektur kann in die drei Bereiche des Optikmoduls 1, des Datenverarbeitungsmoduls 9 und des Trägermoduls 10 unterteilt werden. Der erste Bereich des Optikmoduls 1 umfasst den 1D-MEMS-Spiegel 2, der das ausgehende Lichtsignal in dem vertikalen Sichtfeld steuert. Das horizontale Sichtfeld wird durch eine Rotation des 1D-MEMS-Spiegels 2 mittels des Motors 31 beleuchtet. Nachdem diese Steuerung des ausgehenden Lichtsignals in der vertikalen und horizontalen Ebene erfolgt ist, verlässt das Lichtsignal den LiDAR-Sensor 5. Es trifft in dessen Umgebung auf Objekte und wird zurück zum LiDAR-Sensor 5 reflektiert. Das reflektierte Lichtsignal tritt durch eine Schutzscheibe wieder in den LiDAR-Sensor 5 ein. Dort durchläuft es zunächst einen Bandpassfilter, der die gewünschte Wellenlänge des reflektierten Lichtsignals herausfiltert. Nach diesem Bandpassfilter durchläuft das reflektierte Lichtsignal eine Linsenanordnung und wird auf den Detektor 8 fokussiert.
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Dabei kann der 1D-MEMS-Spiegel 2 in einer alternativen Ausführungsform zusätzlich ein diffraktives optisches Element aufweisen. Dieses teilt das reflektierte Lichtsignal in N Strahlen. Hierdurch lässt sich die Bildrate des LiDAR-Sensors 5 und die Zuverlässigkeit des 1D-MEMS-Spiegels 2 erhöhen. Dies liegt daran, dass der 1D-MEMS-Spiegel 2 weniger Ablenken muss, um dasselbe vertikale Sichtfeld auszuleuchten.
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Nachdem das reflektierte Lichtsignal den optischen Empfangspfad 6 durchlaufen hat, wird es durch den Detektor 8 in elektrische Impulse verwandelt. In diesen elektrischen Impulsen kann auch die Amplitude des reflektierten Lichtsignals erfasst werden. Damit werden zwei Informationen aus dem reflektierten Lichtsignal gewonnen: zum einen die Laufzeit des reflektierten Lichtsignals und zum anderen die Reflektivität des Objekts, an dem das Lichtsignal reflektiert wurde. Mit Hilfe dieser Informationen kann das Objekt identifiziert und dessen Entfernung zum LiDAR-Sensor 5 erfasst werden.
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Der zweite Bereich in der Systemarchitektur ist das Datenverarbeitungsmodul 9. In diesem Bereich befindet sich die gesamte Elektronik, die notwendig ist, um die mit dem LiDAR-Sensor 5 gewonnenen Informationen zu verarbeiten. Es kann die Li-Fi-Kommunikationsverbindung 22 vorgesehen sein, um Informationen zu übertragen und zu empfangen, beispielsweise verarbeitete Daten für die Datenpunktwolke oder externe Daten für den LiDAR-Sensor 5. Dabei kann die Stromversorgungseinheit 35 drahtlos ausgeführt sein.
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Der dritte Bereich wird durch das Trägermodul 10 gebildet.
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Die so beschriebene Systemarchitektur kann eine zusätzliche Funktionalität haben. Es kann ein Reinigungsmodul vorgesehen sein. Das Reinigungsmodul ist dazu eingerichtet, einen Transmissionswert des Lichtsignals durch die Schutzscheibe des LiDAR-Sensors 5 zu überwachen und bei Absinken des Transmissionswerts unter einen vorbestimmten Transmissionsgrenzwert eine Reinigung der Schutzscheibe zu initiieren. Diese Reinigung kann beispielsweise mit Wasser und einem geeigneten Scheibenwischer erfolgen. Ebenfalls zusätzlich kann der Temperatursensor 23 die Temperatursteuerung 15 versorgen. Damit wird eine aktive Temperatursteuerung über die Lüfter 21 möglich. Eine passive Temperatursteuerung ist ebenso denkbar.
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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.
