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Die Erfindung betrifft ein LiDAR-System und ein Verfahren zum Betrieb eines LiDAR-Systems.
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US 10,254,762 B2 offenbart verschiedene Methoden wie bei einem LiDAR-System der Effekt von mechanischen Schwingungen reduziert werden kann. Hierbei handelt es sich um elektronische und softwaretechnische Lösungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein LiDAR-System bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines LiDAR-Systems zu schaffen, das eine hohe Bildqualität bietet.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 16 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst ein LiDAR-System:
- - ein Gehäuse, insbesondere eines Kraftfahrzeugscheinwerfers und
- - ein LiDAR-Modul, das innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
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Das LiDAR-Modul weist
- - einen Laseremitter zum Emittieren einer Lichtverteilung und
- - einen Empfänger, mit dem von Objekten zurückgestreutes bzw. reflektiertes Licht der Lichtverteilung zur Erstellung von Bildern mit einer Wiederholfrequenz erfassbar ist,
auf.
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Bei den Objekten kann es sich insbesondere um Objekte außerhalb des Gehäuses handeln.
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Das LiDAR-Modul ist mittels einer an die Wiederholfrequenz angepassten Halteeinrichtung am Gehäuse abgestützt. Diese Abstützung kann insbesondere eine Befestigung sein.
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Durch diese Anpassung insbesondere des Schwingverhaltens des LiDAR-Moduls an die Wiederholfrequenz und die Aufnahmezeit des Bildes wird das Problem gelöst, das entsteht, weil für das Erfassen des Bildes eine bestimmte Aufnahmezeit benötigt wird, die bei großen Schwingungsamplituden und kurzen Periodendauern die Bildqualität verringern würde. Für eine optimale Bildqualität ist das LiDAR-Modul während der Belichtungszeit nämlich möglichst still zu halten. Da LiDAR-Module im Vergleich zu konventionellen Kameras ein relativ hohes Gewicht haben, ist die Schwingungsneigung von LiDAR-Modulen besonders ausgeprägt. Im Fall der Verwendung eines LiDAR-Systems für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer kann das Schwingungsproblem dann noch ausgeprägter sein, wenn der Kraftfahrzeugscheinwerfer nicht aus einem relativ starren Metall sondern zur Gewichts- und Kostenreduktion aus Kunststoff hergestellt wird. Insofern ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Verwendung leichter und kostengünstiger Kunststoffe.
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Um die Schwingungsamplituden zu reduzieren, kann die Halteeinrichtung einen Dämpfer aufweisen, mit dem das LiDAR-Modul am Gehäuse abgestützt ist.
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Überdies kann das LiDAR-System eine Eigenfrequenz aufweisen, die kleiner als die Wiederholfrequenz ist.
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Um dafür zu sorgen, dass vom LiDAR-Modul Nickbewegungen des Kraftfahrzeugs kompensiert werden, kann vorgesehen sein, dass die Halteeinrichtung einen Halterahmen umfasst, an dem das LiDAR-Modul mittels eines Gelenks schwenkbar gelagert ist.
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Um für eine gleichmäßige Gewichtsverteilung beiderseits dieses Gelenks zu sorgen, sodass das LiDAR-Modul nicht zu stark in Schwenkrichtung um die Schwenkachse beschleunigt wird, kann vorgesehen sein, dass das LiDAR-Modul fest mit einem Kühlkörper verbunden ist, wobei der Laseremitter und der Empfänger in Richtung der Lichtverteilung des Laseremitters zumindest bereichsweise auf einer Seite des Gelenks angeordnet sind und der Kühlkörper in Richtung der Lichtverteilung auf der anderen Seite des Gelenks angeordnet ist.
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Um das LiDAR-Modul fest mit dem Gehäuse zu verbinden, kann vorgesehen sein, dass der Halterahmen einerseits an einem Gehäuseboden des Gehäuses fixiert ist und andererseits mit der Verstrebung verbunden ist, die an einer Gehäuserückwand des Gehäuses befestigt ist.
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Um auf zusätzliche Bauelemente zur Herstellung der hohen Eigenfrequenz verzichten zu können, kann vorgesehen sein, dass der Halterahmen und die Verstrebung jeweils Feder und Dämpfer desselben Feder-Masse-Dämpfer-Systems bilden, dessen Masse das LiDAR-Modul umfasst.
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Sofern jedoch die erforderliche Elastizität nicht oder nicht alleinig mittels der Materialwahl und der Dimensionierung der Verstrebung und des Halterahmens erreicht werden kann, kann vorgesehen sein, dass der Halterahmen mittels einer Feder elastisch an der Verstrebung abgestützt ist.
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Normalerweise verschlechtern Schwingungen in der Horizontalen auch die Bildqualität. Jedoch kann es sein, dass die Auflösung in der Horizontalen schlechter ist als in der Vertikalen. Da in diesem Fall Schwingungen in der Horizontalen relativ gesehen wenig Einfluss auf die Bildqualität haben, kann vorgesehen sein, dass das LiDAR-System eine Einbaulage für den Einbau in ein Kraftfahrzeug aufweist, wobei die Eigenfrequenz senkrecht zu einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs kleiner ist als die Wiederholfrequenz.
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Eine besonders kompakte Feder-Dämpfer-Einheit kann eine Feder und den koaxial dazu angeordneten Dämpfer umfassen.
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Eine eindeutige Positionierung des LiDAR-Moduls im Gehäuse kann erreicht werden, indem das LiDAR-Modul innerhalb des Gehäuses mittels einer Dreipunktauflage festgelegt ist, wobei ein Auflagepunkt der Dreipunktauflage von der Feder-Dämpfer-Einheit gebildet wird.
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Die Feder-Dämpfer-Einheit kann ferner ein insbesondere topfförmiges Gehäuseteil, einen Schaft und ein Dämpfungselement umfassen, wobei die Feder als Druckfeder ausgeführt ist, die bezüglich einer Längsachse der Feder-Dämpfer-Einheit axial einerseits an einem äußeren Absatz des Schafts und axial andererseits an einem inneren Absatz des Gehäuseteils abgestützt ist, wobei das Dämpfungselement
- - einen gummielastischen Kunst- und/oder Schaumstoff aufweist,
- - hohlzylindrisch ist und die Druckfeder zumindest teilweise umschließt und
- - derart axial zwischen dem Absatz des Schafts und dem Gehäuseteil angeordnet ist, dass das Dämpfungselement
- - beim Stauchen der Druckfeder ebenfalls gestaucht wird oder
- - mit dessen Mantelfläche an einer Innenfläche des Gehäuseteils reibt.
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Um die Vorspannung der Feder zu definieren, kann vorgesehen sein, dass die Feder-Dämpfer-Einheit eine Einstellvorrichtung aufweist, die ein Außengewinde und ein Innengewinde aufweist, die derart angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den beiden Absätzen veränderbar ist.
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Um Verschleiß der Feder zu verhindern oder zu vermindern, kann vorgesehen sein, dass zumindest eines von zwei Federenden der Feder an dem zugehörigen Absatz der beiden Absätze in Radialabstand zum Dämpfungselement und/oder zum Schaft gehalten wird. Dazu kann beispielsweise eine Wulst vorgesehen sein.
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Um das LiDAR-Modul horizontal und vertikal im Gehäuse abzustützen und dabei die Feder-Dämpfer-Einheit platzsparend unterzubringen, kann vorgesehen sein, dass der Halterahmen mittels der Feder-Dämpfer-Einheit an einer Gehäuserückwand oder einem Gehäuseboden des Gehäuses abgestützt ist, wobei die Feder-Dämpfer-Einheit insbesondere an einem in Einbaulage des LiDAR-Systems oberen Ende des Halterahmens angeordnet ist.
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Die vorstehend zum LiDAR-System genannten Vorteile werden auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, bei dem vorgesehen ist, dass mittels eines Laseremitters eine Lichtverteilung emittiert wird und mittels eines Empfängers Bilder mit einer Wiederholfrequenz erfasst werden, wobei der Laseremitter und der Empfänger gemeinsam mittels einer Halteeinrichtung am Gehäuse abgestützt werden, die an die Wiederholfrequenz angepasst ist.
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Die Halteeinrichtung kann in vorteilhafter Weise Schwingungen dämpfen.
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Das LiDAR-System kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einer Eigenfrequenz schwingen, die kleiner ist als die Wiederholfrequenz.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 schematisch ein Fahrzeug, in dessen Front ein LiDAR-System eingebaut ist,
- 2 schematisch ein Gehäuse eines LiDAR-Systems nach 1,
- 3 ein vereinfachtes Modellsystem zur Darstellung des Prinzips des Schwingungsverhaltens eines LiDAR-Moduls anhand eines gedämpften harmonischen Oszillators,
- 4 schematisch und in einem Längsschnitt ein Federlager, das an einem oberen Ende eines Halterahmens angeordnet ist,
- 5 eine Feder-Dämpfer-Einheit perspektivisch und in einem Längsschnitt,
- 6 die Feder-Dämpfer-Einheit in einer perspektivischen Ansicht, wobei ein topfförmiges Gehäuseteil transparent dargestellt ist und
- 7 in einer Darstellung analog zu 2 eine weitere Ausführungsform des Gehäuses und des LiDAR-Systems.
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1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 4, in dessen Front ein LiDAR-System 2 eingebaut ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein solches LiDAR-System 2 auch im Heck des Fahrzeuges 4 oder seitlich des Fahrzeuges 4 angeordnet sein. Das LiDAR-System 2 ist der Einfachheit halber bezüglich einer Fahrzeuglängsachse 6 mittig dargestellt und kann alternativ insbesondere an einer der vorderen und/oder der hinteren Fahrzeugkanten in einem Fahrzeugscheinwerfer 8 oder Rücklicht 10 angeordnet sein.
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Das LiDAR-System 2 weist ein vorzugsweise lichtundurchlässiges Gehäuse 12 mit einem Innenraum 14 auf, der von einer Abdeckscheibe 16 verschlossen ist, die für Laserstrahlen des LiDAR-Systems 2 transparent ist.
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Im Innenraum 14 des Gehäuses 12 ist ein LiDAR-Modul 18 angeordnet. Im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung kann in dem Innenraum 14 zusätzlich noch eine Lichtquelle zur Ausleuchtung der Fahrbahn und/oder eine Fahrtrichtungsanzeige und/oder ein Bremslicht und/oder ein Standlicht angeordnet sein.
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Das LiDAR-System 2 umfasst einen Laseremitter 20 und einen Empfänger 22, die mit kurzem Abstand zueinander angeordnet und als Baueinheit fest miteinander verbunden sind.
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Mit dem Laseremitter 20 kann eine Lichtverteilung 30 emittiert werden. Mit dem Empfänger 22 sind Streuungen 32 der Lichtverteilung 30 erfassbar, sodass sich verändernde Bilder mit einer Wiederholfrequenz erstellt werden können.
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Das LiDAR-System 2 ist insbesondere ein scannendes System, bei dem vom Laseremitter 20 ein kollimierter gepulster Laserstrahl über ein zu erfassendes Bildfeld 24 bewegt wird. Um den von einer nicht näher dargestellten Laserdiode des Laseremitters 20 hergestellten Laserstrahl zeilenweise als Lichtpunkt oder spaltenweise als Lichtlinie über das Bildfeld 24 zu führen, sind nicht näher dargestellte Prismen oder mikromechanische Spiegel (MEMS) vorgesehen.
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Es ist jedoch auch möglich, das LiDAR-System 2 als ein nicht scannendes System auszuführen, das fachsprachlich auch als „Flash LiDAR“ bezeichnet wird. Dabei wird die Lichtverteilung 30 vom Laseremitter 20 mit einem Laserpuls als ganzes bzw. als aufgeweitete Lichtverteilung 30 erzeugt. Ein Teil der von dem Objekt gestreuten bzw. reflektierten Lichtverteilung wird auf einem Detektorfeld 28 des Empfängers 22 erfasst. Als Objekt ist in 1 nur beispielsweise ein Fußgänger 26 dargestellt.
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Jedenfalls ist mit dem Empfänger 22 ein Teil der Streuungen 32 der Lichtverteilung 30 zur Erstellung von Bildern mit der Wiederholfrequenz erfassbar. Die Belichtungszeit für ein Bild ist dabei abhängig von der Art des verwendeten LiDAR-Systems. So liegt bei einem scannenden LiDAR-System die Wiederholfrequenz der Bilder im Bereich von beispielsweise 25Hz.
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Die Wellenlänge des Laserstrahls liegt im Infrarotlichtbereich, im Nahe-Infrarotlichtbereich (NIR) oder im ultravioletten Bereich. Eine vom Laseremitter 20 emittierte Lichtverteilung 30 weist die Form eines ersten bzw. ausgangsseitigen Strahlenkegels auf, der sich ausgehend vom LiDAR-Modul 2 in Richtung außerhalb des LiDAR-Moduls 18 öffnet. Sofern sich dann entsprechend der Zeichnung ein oder mehrere Objekte, hier der Fußgänger 26, außerhalb des LiDAR-Moduls 2 im Strahlengang des Laserstrahls befinden, werden die Laserstrahlen anschließend von Oberflächen dieser Objekte gestreut bzw. teilweise reflektiert. Dieses gestreute Licht bildet die Streuung 32 der Lichtverteilung 30, die mit dem Empfänger 22 empfangbar ist und die wenigstens zum Teil von außerhalb des LiDAR-Moduls 2 in dasselbe einkoppelbar ist. Der in das LiDAR-Modul 2 eingekoppelte Teil der Streuung 32 weist die Form eines zweiten Strahlenkegels auf.
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Die beiden Strahlenkegel werden fachsprachlich auch als Field-of-View bezeichnet und mit „FOV“ abgekürzt und bilden somit das Bildfeld. Eine Zeit, die der Laserstrahl vom Laseremitter 20 zum Empfänger 22 braucht, wird fachsprachlich auch als „time of flight“ (TOF) oder Laufzeit bezeichnet.
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Die Streuung 32 wird von dem Detektorfeld 28 des Empfängers 22 in elektrische Signale umgewandelt, sodass anhand der Laufzeit des Laserstrahls ein Abstand zur Oberfläche der Objekte bestimmt werden kann. In dem Kraftfahrzeug 4 wird somit das LiDAR-Modul 2 benutzt, um Objekte inklusive Personen im Umfeld des Kraftfahrzeugs 4 zu erkennen und ihren Abstand zu bestimmen. Mittels einer Auswerteeinheit lässt sich somit ein dreidimensionales Bild von der Umgebung berechnen.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugscheinwerfers. Das Gehäuse 12 des Kraftfahrzeugscheinwerfers umfasst einen in Einbaulage unteren Gehäuseboden 34, eine Gehäuserückwand 36 und die Abdeckscheibe 16, die das Gehäuse 12 in Fahrtrichtung bzw. in Richtung der Fahrzeuglängsachse vorne abschließt und transparent für Laserstrahlen des Laseremitters 20 ist.
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Innerhalb des Gehäuses 12 ist das LiDAR-Modul 20 mittels eines Gelenks 38 schwenkbar an einem Halterahmen 40 einer Halteeinrichtung 41 befestigt, die zusätzlich eine Verstrebung 43 aufweist. Der Halterahmen 40 ist einerseits an dem Gehäuseboden 34 fixiert und andererseits mit der Verstrebung 43 verbunden, die an der Gehäuserückwand 36 befestigt ist.
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Das LiDAR-Modul 18 ist fest mit einem Kühlkörper 42 verbunden. Der Laseremitter 20 und der Empfänger 22 sind in Richtung eines Strahlengangs eines Laserstrahls des Laseremitters 20 vor dem Gelenk 38 und somit auf einer ersten Seite 44 angeordnet. Der Kühlkörper 42 ist in Richtung des Strahlengangs hinter dem Gelenk 38 und somit auf der anderen Seite 46 angeordnet. Der Kühlkörper 42 weist Kühlrippen auf, die sich in die in Fahrtrichtung nach hinten weisende Richtung erstrecken und somit zwischen dem Halterahmen 40 und der Gehäuserückwand 36 angeordnet sind.
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Das Gelenk 38 weist eine Schwenkachse auf, die sich in Einbaulage horizontal und quer zur Fahrzeuglängsrichtung erstreckt. Dabei verläuft die Schwenkachse durch den Massenschwerpunkt einer Baueinheit 39, die aus dem Kühlkörper 42 und dem LiDAR-Modul 18 besteht. Mithin schwenkt die Baueinheit 39 beim Überfahren von Bodenwellen, beim Beschleunigen und beim Abbremsen kaum gegenüber dem Halterahmen 40.
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Dennoch übertragen sich Schwingungen und Vibrationen des Kraftfahrzeugs vom Gehäuse 12 auf das LiDAR-modul 18. Das mechanische Schwingungsverhalten des LiDAR-Moduls 18 ergibt sich aus der Gewichtsverteilung des LiDAR-Moduls 18 und der Halteeinrichtung 41 relativ zum Masseschwerpunkt der Baueinheit 39, sowie der Flexibilität der Halteeinrichtung 41 und deren Befestigung an dem Gehäuse 12. Das LiDAR-Modul 18 ist insofern mittels der Halteeinrichtung 41 am Gehäuse 12 abgestützt ist. Dabei ist die Halteeinrichtung an die Wiederholfrequenz angepasst, mit der die Bilder vom Empfänger 22 des LiDAR-Moduls 18 erfasst werden.
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In einem in 3 dargestellten vereinfachten Modellsystem lässt sich das Prinzip des Schwingungsverhaltens eines solchen LiDAR-Moduls 18 anhand eines gedämpften harmonischen Oszillators darstellen. Ein eindimensionaler harmonischer Oszillator besteht dabei im einfachsten Falle aus einer mittels einer Feder k und einem Dämpfer d angebundene schwingende Masse M.
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Die Resonanzfrequenz der Schwingung ergibt sich dabei aus der Federkonstante k und der Masse M, das Abklingen der Schwingung wird durch die Dämpfung des Dämpfers d erreicht. Der Dämpfer d muss dabei die Bewegungsenergie aus dem System abbauen, üblicherweise durch Umwandlung in Wärme mittels Reibung. Den optimalen Dämpfungsfall bezeichnet man als aperiodischen Grenzfall, in dem eine Auslenkung der Masse M aus der Gleichgewichtslage nicht zu einer Schwingung führt, sondern gerade mit der kürzest möglichen Zeit ohne Überschwinger in die Gleichgewichtslage zurückgeführt wird.
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Mit Bezug auf 2 und 3 wirken die Halteeinrichtung 41 sowie das Gehäuse 12 wie Federn und Dämpfer d zugleich. Da die Halteeinrichtung 41 vorzugsweise aus relativ starren Kunststoffteilen besteht, ist die Federkonstante k der Halteeinrichtung 41 sehr hoch. Die Schwingungen werden mittels elastischer Verformung und innerer Reibung der beteiligten Kunststoffteile abgebaut. Diese Kunststoffteile wirken somit auch als Dämpfer d.
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Das LiDAR-Modul 18 im Gehäuse 12 ist daher ein nicht mehr eindimensionales System, sondern ein in allen Raumrichtungen über mehrere Federn und Dämpfer d angebundenes System.
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Die Schwingung in Fahrtrichtung kann dabei für die Aufnahme des Bildes vernachlässigt werden. Beispielsweise mittels Finite-Elemente-Simulation kann das Schwingungsverhalten des LiDAR-Systems 2 bewertet werden. Anschließend werden insbesondere die Geometrie, die Form und die Materialstärke der Halteeinrichtung 41 und des Gehäusebodens 34 entsprechend angepasst. Dabei sind die Halteeinrichtung 41 und der Gehäuseboden 34 so geformt, dass sich für das Gesamtsystem eine Resonanzfrequenz der Schwingungen senkrecht zur Fahrtrichtung ergibt, die deutlich kleiner ist als die Wiederholfrequenz des LiDAR-Moduls 18. Insofern ergibt sich für die jeweilige Schwingung eine Periodendauer, die deutlich größer ist als die Belichtungszeit pro Bild, das vom Empfänger 22 des LiDAR-Moduls 18 erfasst wird.
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Wie eingangs bereits erläutert, kann bei einem scannenden LiDAR-System die Wiederholfrequenz beispielsweise bei 25Hz liegen. In diesem Fall ist die Resonanzfrequenz des LiDAR-Moduls 18 vorzugsweise kleiner als 25Hz.
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Eine alleinige Anpassung der Geometrie, der Form und der Materialstärke kann jedoch unzureichend oder unwirtschaftlich sein, um die Resonanzfrequenz oberhalb der Wiederholfrequenz zu erreichen, da Design-, Kosten- und Materialvorgaben dem entgegenstehen. Um dennoch die Schwingungseigenschaften in gewünschter Art zu beeinflussen, kann ein flexibles Federlager 48 vorgesehen sein, das schematisch in 4 dargestellt ist.
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Das Federlager 48 ist an einem oberen Ende des Halterahmens 40 angeordnet, der mittels des Federlagers 48 in Richtung senkrecht zur Fahrtrichtung starr an der Verstrebung 43 abgestützt ist. Hingegen kann der Halterahmen 40, an dem das zeichnerisch nicht dargestellte, relativ schwere LiDAR-Modul gelenkig befestigt ist, in Fahrrichtung gegenüber der Verstrebung soweit schwingen, wie es einerseits die Befestigung des Halterahmens 40 am Gehäuseboden 34 und andererseits das Federlager zulassen. Dazu weist das Federlager 48 eine sich in Fahrrichtung erstreckende Druckfeder 50 auf, deren eines Ende 52 elastisch am Halteelement 40 und deren anderes Ende 54 elastisch an der Verstrebung 43 abgestützt ist. Zur Abstützung der Druckfeder 50 am Halteelement 40 liegt das eine Ende 52 der Druckfeder 50 an einem Topfboden 56 eines Topfes 58 an, dessen Topfwandung 60 fest mit dem Halteelement 40 verbunden ist. Im Topf 58 ist die Druckfeder 50 staubgeschützt aufgenommen, wozu eine Topfkante 59 des Topfs 58 ein stirnseitiges Ende der Verstrebung 43 überlappt. An dem stirnseitigen Ende der Verstrebung 43 ist das andere Ende 52 der Druckfeder 50 abgestützt. Dieses stirnseitige Ende der Verstrebung 43 ist fest mit einem Schaft 62 verbunden, der sich koaxial zur Druckfeder 50 innerhalb derselben erstreckt. Der Schaft 62 erstreckt sich durch eine zentrische Öffnung im Topfboden 56, sodass ein Schaftende 64 des Schafts 62 aus dem Topf 58 herausragt. Das Schaftende 64 weist eine Abstützung 66 auf, die als Scheibe oder als Absatz ausgeführt ist. Die Abstützung 66 liegt an der Unterseite des Topfbodens 56 an.
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Die Druckfeder 50 kann vorgespannt sein. Dazu kann eine Federvorspannung beispielsweise eingestellt werden, indem die Abstützung 66 eine zentrische Ausnehmung mit einem Innengewinde aufweist, das auf ein Außengewinde des Schafts 62 aufgeschraubt ist. Alternativ könnte der Schaft 62 an dessen vom Schaftende 64 entfernten Ende in ein Gewindeloch der Verstrebung eingeschraubt und dort fixiert, insbesondere verklebt sein.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann das LiDAR-Modul 2 innerhalb des Gehäuses 12 mittels einer Dreipunktauflage festgelegt sein, wobei ein Auflagepunkt der Dreipunktauflage von der Feder-Dämpfer-Einheit 148 gebildet wird. Dabei ist das LiDAR-Modul 2 mittels der Dreipunktauflage in der Halteeinrichtung 41 aufgenommen, wobei der fixe Auflagepunkt beispielsweise mittels eines Öldruckstoßdämpfers befestigt ist, um die Dämpfungseigenschaften bei durch die Halteeinrichtung 21 gegebenen Dämpfungen zusätzlich zu beeinflussen. Bei der Dreipunktauflage sind außer dem fixen Auflagepunkt zwei weitere Auflagepunkte so gewählt, dass sich dieselben nicht in einer Linie mit dem fixen Auflagepunkt befinden und zueinander einen relativ großen Abstand aufweisen.
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Anstelle eines Öldruckstoßdämpfers kann auch eine in 5 und 6 dargestellte Feder-Dämpfer-Einheit 148 Anwendung finden, die ohne das viskose Medium Öl als Dämpfer auskommt. Da die Feder-Dämpfer-Einheit 148 eine Weiterentwicklung des Federlagers 48 nach 4 darstellt, werden im Folgenden für ähnliche und/oder gleiche Bauteile um die Zahl 100 höhere Bezugsziffern verwendet. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden vorrangig die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel nach 4 erläutert.
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So überlappt bei der Feder-Dämpfer-Einheit 148 die Topfkante 159 den Topf 158 nicht. Stattdessen liegt die Topfkante 159 an einem Dämpfungselement 68 an, das
- - koaxial zur Druckfeder 150 angeordnet ist,
- - einen gummielastischen Kunst- und/oder Schaumstoff aufweist,
- - hohlzylindrisch ist und die Druckfeder 150 teilweise umschließt und
- - derart axial zwischen dem Topfboden 156 des Schafts 162 und dem Topf 158 angeordnet ist, dass das Dämpfungselement 68 beim Stauchen der Druckfeder 150 ebenfalls gestaucht wird.
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Die Druckfeder 150 ist mit deren einem Federende 152 bezüglich einer Längsachse 70 der Feder-Dämpfer-Einheit 148 axial an einem scheibenförmig radial auskragenden Absatz 72 des Schafts 162 abgestützt. Auf der von der Druckfeder 150 weg weisenden Seite des scheibenförmigen Absatzes 72 ist ein Aufnahmezapfen 73 vorgesehen.
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Ausgehend vom Topfboden 156 erstreckt sich in der von der Topfwandung 160 weg weisenden Richtung eine zweite Topfwandung 74, deren Mantelfläche sich übergangsfrei bzw. absatzlos einer Mantelfläche der ersten Topfwandung 160 anschließt. Im Bereich einer Topfkante dieser zweiten Topfwandung 74 erstreckt sich ein ringförmiger Absatz 76 radial nach außen, sodass der Topf 158 in einem Lagerauge des Halterahmens (4) aufgenommen werden kann und mittels des ringförmigen Absatzes 76 am Halterahmen abgestützt ist.
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Innerhalb der zweiten Topfwandung 74 ist eine Mutter 166 angeordnet, die auf das Schaftende 164 aufgeschraubt ist. Die Mutter 166 ist somit Teil einer Einstellvorrichtung 76, die ein Außengewinde des Schafts 162 und ein Innengewinde der Mutter 166 aufweist, die derart ineinander eingreifen, dass der Abstand zwischen einem vom Topfboden 156 gebildeten Absatz und dem scheibenförmigen Absatz 72 veränderbar ist.
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Mittels der Einstellvorrichtung 76 wird die Vorspannung der Druckfeder 150 bei der Montage des Kraftfahrzeugscheinwerfers eingestellt. Dies hat einen Kostenvorteil, da das gleiche Feder-Dämpfer-Element 148 bei unterschiedlichen Kraftfahrzeugscheinwerfern und/oder Gehäusen Anwendung finden kann. So kann vor dem Aufsetzen der Abschlussscheibe ein Schwingungstest durchgeführt werden und die Vorspannung entsprechend über die Mutter justiert werden und somit das Schwingungsverhalten für jeden Kraftfahrzeugscheinwerfer individuell eingestellt werden.
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Es muss jedoch nicht unbedingt eine Mutter 166 vorgesehen sein. Stattdessen kann der Schaft 162 auch hohl sein oder das Schaftende 164 weist ein Sackloch auf. Um in diesem Fall den Topf 158 am Schaft 162 zu befestigen ist dann eine Schneidschraube vorgesehen, die in das Sackloch bzw. den hohlen Schaft 162 eingeschraubt/-geschnitten wird.
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Bei einer weiteren von 5 und 6 ausgehenden Ausführungsform kann auch zwischen dem Topf 158 und der Mutter 164 eine Feder eingefügt sein, die als Schraubendruckfeder oder als Blattfeder oder als Tellerfeder oder als Gummiring ausgeführt ist. Somit kommt es am Ende des Federwegs der Druckfeder 150 bei deren Entlastung nicht zu einem harten anschlagen des Topfbodens 156 an der Mutter 166. Stattdessen wird ein Schwingen über das Anschlagen hinaus ermöglicht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform, die von 5 und 6 ausgeht, überlappt die Topfkante 159 das Dämpfungselement 68, sodass das Dämpfungselement 68 innerhalb des Topfes 158 geführt wird, da eine Mantelfläche des Dämpfungselements 68 an der Innenseite der Topfwandung 160 anliegt. Da das Dämpfungselement 68 somit auch zentriert wird, wird es auf Abstand zur Druckfeder 150 gehalten. So wird verhindert, dass das Dämpfungselement 68 beim Stauchen der Druckfeder 150 von derselben geschädigt wird.
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Die Druckfeder 150 wird vom Schaft 162 geführt. Auf Seiten der Druckfeder 150 kann bei Bedarf am scheibenförmigen Absatz 72 für eine zusätzliche Stabilität eine Wulst 75 angeformt sein, die in 5 dargestellt ist. Diese Wulst 75 ist radial zwischen der Druckfeder 150 und dem Dämpfungselement 68 angeordnet. Um ein Scheuern und einen Abrieb der Druckfeder 150 am Dämpfungselement 68 noch weitergehend zu minimieren, kann zusätzlich auch noch eine Wulst 77 am Topfboden 156 angeformt sein. Insofern wird zumindest eines von zwei Federenden 152 der Druckfeder 150 an dem zugehörigen Absatz 72 auf Radialabstand zum Dämpfungselement 68 und/oder zum Schaft 162 gehalten. Besonders bevorzugt werden beide Federenden 152 an den beiden Absätzen auf Radialabstand zum Dämpfungselement 68 und/oder zum Schaft 162 gehalten.
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Der Aufnahmezapfen 73 des Schafts 162 kann einteilig mit der Verstrebung 43 nach 2 bzw. 4 ausgeführt sein. Alternativ kann der Aufnahmezapfen 73 auch in der Verstrebung 43 aufgenommen sein. Jedoch kann die Feder-Dämpfer-Einheit 148 auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, so wie es in 7 beispielsweise dargestellt ist.
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Das Ausführungsbeispiel nach 7 weist viele Gemeinsamkeiten mit dem Ausführungsbeispiel nach 2 auf, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend vorrangig auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Zusätzlich zu der Verstrebung 43 ist eine weitere Verstrebung 78 vorgesehen. In diese weitere Verstrebung 78 ist die Feder-Dämpfer-Einheit 148 als Teil der Halteeinrichtung 141 eingebaut. Ein Ende der Feder-Dämpfer-Einheit 148 ist am Kühlkörper 42 und/oder am LiDAR-Modul 18 abgestützt, wohingegen das andere Ende der Feder-Dämpfer-Einheit 148 an der Gehäuserückwand 36 abgestützt ist. Die Feder-Dämpfer-Einheit 148 ist in vorteilhafter Weise am Kühlelement 42 und somit nicht direkt am LiDAR-Modul 18, sondern in direkter Nähe der Gehäuserückwand 36 angeordnet. Dabei ist der Schaft 162 an dem Kühlkörper 42 befestigt. Demzufolge ist der Topf 158 an das Gehäuse 12 und insbesondere dessen Gehäuserückwand 36 angeformt.
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Diese Ausgestaltung nach 7 kann insbesondere dann Anwendung finden, wenn nur eine Nickbewegung des LiDAR-Moduls 18 kompensiert werden soll. Dabei ist das LiDAR-Modul 18 bevorzugt mit einer Dreipunktauflage gehalten. Zur Abstützung in der vertikalen Raumrichtung, die die Nickbewegung beeinflusst, ist die Feder-Dämpfer-Einheit 148 vorgesehen.
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Bei der Ausführungsform nach 7 kann das LiDAR-Modul 18 um die Schwenkachse des Gelenks 38 drehen und wird über die Feder-Dämpfer-Einheit 148 am Gehäuse 12 abgestützt. Für optimales Schwingungs-/Dämpfungsverhalten ist die Feder-Dämpfer-Einheit 148 möglichst weit von der besagten Schwenkachse entfernt am Kühlkörper 42 bzw. dem mit demselben gekoppelten LiDAR-Modul 18 befestigt, um eine größtmögliche Hebelwirkung zu entfalten.
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Eine zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsform geht von der Ausführungsform nach 7 aus, wobei die Feder-Dämpfer-Einheit 148 nicht an der Gehäuserückwand 36 sondern am Gehäuseboden 34 abgestützt ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform findet ein LiDAR-Modul Anwendung, dessen Wiederholfrequenz so niedrig ist, dass die vorstehend erläuterten Ausführungsformen nicht oder nur teilweise ausreichen, um die Resonanzfrequenz des LiDAR-Systems 2 genügend weit zu verringern. In diesem Fall wird eine möglichst niedrige Resonanzfrequenz des LiDAR-Systems 2 mit einer Dämpfung kombiniert, die nahe des aperiodischen Grenzfalls liegt.
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Je nach Schwingungsanforderung kann das Federelement 48 oder die Feder-Dämpfer-Einheit 148 auch zur Kompensation von horizontalen Schwingungen genutzt werden. Dabei kann das Federelement 48 oder die Feder-Dämpfer-Einheit 148 analog zu 7 angeordnet sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Feder-Dämpfer-Einheit 148 gleichzeitig das Gelenk 38 sein. In diesem Fall ist das LiDAR-Modul 18 an dem Topf 158 befestigt und dabei gegenüber dem Schaft 162 drehbar gelagert und in Richtung des Schaftes 162 schwingend aufgehängt. Die Schwenkachse des Gelenks 38 liegt dabei koaxial zum Schaft 162. Diese Ausführungsform kann mit der Ausführungsform nach 7 kombiniert werden. Insofern sind dann zwei Feder-Dämpfer-Einheiten 148 vorgesehen, von denen die Längsachse 70 der ersten Feder-Dämpfer-Einheit 148 konzentrisch zur Schwenkachse des Gelenks 38 ist, wohingegen die Längsachse 70 der zweiten Feder-Dämpfer-Einheit 148 senkrecht zu einer Ebene ist, in der die Schwenkachse des Gelenks 38 liegt. Anstelle einer solchen senkrechten Anordnung kann die Längsachse 70 der zweiten Feder-Dämpfer-Einheit 148 auch windschief zur Schwenkachse des Gelenks 38 angeordnet sein.
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Die Druckfeder 50 bzw. 150 ist bei den Ausführungsbeispielen als Schraubendruckfeder ausgeführt. Alternativ könnte auch ein Tellerfederpaket Anwendung finden oder es wird auf eine Metallfeder verzichtet und ein derart steifes gummielastisches Material des Dämpfungselements 68 gewählt, das zugleich als Feder wirkt. Durch Wahl der Art der Feder lässt sich somit außer einer linearen Kennlinie auch eine progressive oder degressive Kennlinie der Federsteifigkeit erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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