DE102022211790A1

DE102022211790A1 - Lidar-Sensor, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022211790A1
Application number: DE102022211790.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wittemer; Ralf Beuschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2024-05-08
Also published as: WO2024099918A1

Abstract

Es wird ein Lidar-Sensor, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug (2a), vorgeschlagen, umfassend zumindest eine Ausgabeeinheit (3a), um Strahlung auszusenden, wobei die Ausgabeeinheit (3a) dazu vorgesehen ist, in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) eines Messzyklus (7a; 7b) eine Sendefrequenz der Strahlung derart zu modulieren, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe (8a, 9a; 8b-10b) in den zumindest zwei Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen, und zumindest eine Empfangseinheit (11a; 11b), um in einem Umfeld reflektierte Strahlung zu empfangen, wobei die Empfangseinheit (11a; 11b) dazu vorgesehen ist, die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung zu mischen, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf (12a, 13a; 12b-17b) je Abschnitt (4a, 5a; 4b-6b) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lidar-Sensor, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Rechenvorrichtung zur Verarbeitung von Messdaten eines entsprechenden Lidar-Sensors, auf ein Lidar-System und auf ein automatisiert betreibbares Fahrzeug. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Lidar-Sensors, auf ein computerimplementiertes Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten eines entsprechenden Lidar-Sensors und auf ein Computerprogrammprodukt.
Aus dem Stand der Technik sind Lidar (Light Detection and Ranging)-Sensoren bekannt, die nach dem FMCW (Frequency-modulated Continuous Wave)-Verfahren arbeiten. Das in solchen FMCW-Lidar-Sensoren verwendete Modulationsverfahren zur Modulation der Sendefrequenz kann zu Mehrdeutigkeiten bei der Ermittlung von Abstand und Geschwindigkeit zumindest eines Objekts in Szenarien mit einem und mit mehreren Objekten führen.
Es wird ein Lidar-Sensor, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug, vorgeschlagen. Der Lidar-Sensor umfasst zumindest eine Ausgabeeinheit, um Strahlung auszusenden. Die Ausgabeeinheit ist dazu vorgesehen, in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten eines Messzyklus eine Sendefrequenz der Strahlung derart zu modulieren, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe in den zumindest zwei Abschnitten unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. Der Lidar-Sensor umfasst zumindest eine Empfangseinheit, um in einem Umfeld reflektierte Strahlung zu empfangen. Die Empfangseinheit ist dazu vorgesehen, die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung zu mischen, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf je Abschnitt zu erzeugen.
Der Lidar-Sensor ist vorzugsweise zu einem Einsatz in dem automatisiert betreibbaren Fahrzeug vorgesehen. Insbesondere ist der Lidar-Sensor dazu vorgesehen, ein Umfeld des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs, insbesondere Objekte im Umfeld, zu erfassen. Insbesondere können Messdaten des Lidar-Sensors genutzt werden, um einen zumindest teilautonomen Betrieb des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs zu ermöglichen. Unter einem „automatisiert betreibbaren Fahrzeug“ soll insbesondere ein Fahrzeug mit einer der Automatisierungsstufen 1 bis 5 der Norm SAE J3016 verstanden werden. Insbesondere weist das automatisiert betreibbare Fahrzeug eine technische Ausrüstung auf, die für diese Automatisierungsstufen gefordert ist. Die technische Ausrüstung umfasst insbesondere Umfelderkennungssensoren, wie beispielsweise den Lidar-Sensor, Radarsensoren, Kameras und/oder Akustiksensoren, Steuergeräte o. dgl. Bevorzugt ist das Fahrzeug als ein Landfahrzeug ausgebildet. Das Fahrzeug kann insbesondere als ein PKW, bevorzugt als ein Personentransportfahrzeug, als ein LKW, als ein Baustellenfahrzeug, als ein Agrarfahrzeug oder als ein anderes, einem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Fahrzeug ausgebildet sein. Das Fahrzeug kann alternativ auch als ein Luftfahrzeug, beispielsweise als eine Drohne, als ein Flugzeug, als ein Helikopter, als ein Senkrechtstart- und -landungsflugzeug o. dgl., oder als ein Wasserfahrzeug, insbesondere als ein Schiff, als ein Boot o. dgl., ausgebildet sein. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, speziell ausgestattet und/oder speziell ausgelegt verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt die Funktion in zumindest einem Betriebszustand ausführt.
Der Lidar-Sensor ist bevorzugt als ein FMCW-Lidar-Sensor ausgebildet. Insbesondere ist der Lidar-Sensor verschieden von einem Puls-Lidar-Sensor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Lidar-Sensor, insbesondere die Ausgabeeinheit, dazu vorgesehen, während des Messzyklus dauerhaft Strahlung, insbesondere mit modulierter Frequenz, auszusenden. Vorzugsweise ist der Lidar-Sensor, insbesondere die Empfangseinheit, dazu vorgesehen, während des Messzyklus dauerhaft im Umfeld des Lidar-Sensors, insbesondere des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs, reflektierte Strahlung zu empfangen.
Die Ausgabeeinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, Strahlung in einem infraroten Spektralbereich auszugeben. Strahlung im infraroten Spektralbereich weist insbesondere eine Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm auf. Vorzugsweise umfasst die Ausgabeeinheit zumindest eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Laserquelle. Die Ausgabeeinheit kann insbesondere zumindest einen optischen Verstärker aufweisen, um die Strahlung der Strahlungsquelle zu verstärken. Vorzugsweise umfasst der Lidar-Sensor zumindest eine Scanner-Einheit, die dazu vorgesehen ist, die Strahlung der Ausgabeeinheit zielgerichtet auszusenden, insbesondere über einen Bereich des Umfelds zu scannen. Die Scanner-Einheit kann insbesondere zumindest einen X-Scanner und zumindest einen Y-Scanner aufweisen, die insbesondere die Strahlung in zwei verschiedenen, zueinander senkrechten Ebenen lenken. Die Scanner können insbesondere als MEMS (Mikro-elektromechanisches System)-Spiegel, als Polygonspiegel, als Galvanometer o. dgl. ausgebildet sein. Alternativ ist vorstellbar, dass die Ausgabeeinheit mit einem elektro-optischen Scanverfahren in integrierten photonischen Komponenten arbeitet.
Der Messzyklus ist insbesondere ein Zeitraum, in dem der Lidar-Sensor Strahlung aussendet und empfängt, insbesondere das Umfeld erfasst. Insbesondere kann der Lidar-Sensor in einem Dauerbetrieb eine Vielzahl von Messzyklen nacheinander ausführen. Der Messzyklus kann insbesondere in zumindest zwei, insbesondere zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Abschnitte, unterteilt sein. Vorzugsweise kann der Messzyklus auch mehr als zwei Abschnitte umfassen. Die Ausgabeeinheit ist dazu vorgesehen, in den unterschiedlichen Abschnitten die Sendefrequenz der auszusendenden Strahlung unterschiedlich zu modulieren. Insbesondere weist die ausgesandte Strahlung in den unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Frequenzmodulationen auf.
Ein zeitlicher Sendefrequenzverlauf ist insbesondere ein Verlauf der Sendefrequenz über die Zeit. Die Steigung des zeitlichen Sendefrequenzverlaufs ist insbesondere eine Änderung der Sendefrequenz über die Zeit. Die Steigung des zeitlichen Sendefrequenzverlaufs ist insbesondere linear, wenn eine Änderung der Sendefrequenz über die Zeit konstant oder null ist. Ein zeitlicher Sendefrequenzverlauf mit einer Steigung von null entspricht insbesondere einer über die Zeit konstanten Sendefrequenz. Ein zeitlicher Sendefrequenzverlauf mit einer linearen Steigung verschieden von null kann insbesondere rampenartig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Ausgabeeinheit dazu vorgesehen sein, die Strahlung in den einzelnen Abschnitten in Form von Frequenzrampen auszusenden. Die Steigungen der Sendefrequenzverläufe in den zumindest zwei Abschnitten können sich insbesondere hinsichtlich eines Vorzeichens und/oder eines Betrags der Steigungen unterscheiden. Beispielsweise ist denkbar, dass die Ausgabeeinheit dazu vorgesehen ist, in drei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten des Messzyklus die Sendefrequenz der Strahlung derart zu modulieren, dass ein zeitlicher Sendefrequenzverlauf in einem ersten Abschnitt eine positive, insbesondere lineare, Steigung, ein zeitlicher Sendefrequenzverlauf in einem zweiten Abschnitt eine negative, insbesondere lineare, Steigung und ein zeitlicher Sendefrequenzverlauf in einem dritten Abschnitt eine, insbesondere lineare, Steigung von null aufweist.
Die ausgesandte Strahlung kann insbesondere an Objekten im Umfeld zurück zum Lidar-Sensor reflektiert werden. Vorzugsweise ist die Scanner-Einheit dazu vorgesehen, die reflektierte Strahlung zur Empfangseinheit zu lenken. Alternativ ist denkbar, dass der Lidar-Sensor eine weitere, nicht mit der Ausgabeeinheit zusammenwirkende Scanner-Einheit aufweist, die der Empfangseinheit zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die Ausgabeeinheit dazu vorgesehen, die auszusendende Strahlung über die Empfangseinheit der Scanner-Einheit zuzuführen, wobei die Empfangseinheit insbesondere dazu vorgesehen ist, einen Teil der Strahlung der Ausgabeeinheit zu verarbeiten. Vorzugsweise umfasst die Empfangseinheit zumindest einen Zirkulator, der dazu vorgesehen ist, den Teil der Strahlung der Ausgabeeinheit und die reflektierte Strahlung miteinander zu mischen. Insbesondere ist der Zirkulator dazu vorgesehen, einen Großteil der Strahlung der Ausgabeeinheit der Scanner-Einheit zuzuführen. Insbesondere ist der Zirkulator dazu vorgesehen, die gemischte Strahlung zumindest einem 1x2-Teiler der Empfangseinheit zuzuführen. Der 1x2-Teiler ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Strahlung zur Detektion auf zwei Detektoren der Empfangseinheit aufzuteilen, insbesondere um eine symmetrische Detektion zu ermöglichen. Alternativ ist vorstellbar, dass die Empfangseinheit einen einzelnen Detektor aufweist und dass der Zirkulator dazu vorgesehen ist, die Strahlung ohne einen 1x2-Teiler direkt dem Detektor zuzuführen.
Vorzugsweise entspricht ein zeitlicher Empfangsfrequenzverlauf der reflektierten Strahlung einem zeitlichen Sendefrequenzverlauf der ursprünglich ausgesandten Strahlung, der zeitlich, insbesondere um eine Laufzeit der Strahlung zum reflektierenden Objekt und zurück zum Lidar-Sensor, und spektral verschoben ist. Die spektrale Verschiebung ist insbesondere durch den Dopplereffekt bedingt, der aus einer Relativgeschwindigkeit eines reflektierenden Objekts resultiert. Insbesondere weist der zeitliche Empfangsfrequenzverlauf zumindest teilweise die gleiche Steigung auf wie der entsprechende zeitliche Sendefrequenzverlauf. Insbesondere erstreckt sich der zeitliche Empfangsfrequenzverlauf zumindest teilweise in den zeitlich auf den Abschnitt des entsprechenden zeitlichen Sendefrequenzverlaufs folgenden Abschnitt des Messzyklus. Durch das Mischen der ausgesandten Strahlung mit der reflektierten Strahlung ergibt sich insbesondere zumindest ein zeitlicher Schwebungsfrequenzverlauf je Abschnitt. Insbesondere unterscheiden sich die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe in unterschiedlichen Abschnitten in Abhängigkeit von unterschiedlichen zeitlichen Sendefrequenzverläufen in den unterschiedlichen Abschnitten.
Insbesondere ergibt sich eine Anzahl von zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufen je Abschnitt entsprechend einer Anzahl von zeitlichen Empfangsfrequenzverläufen je Abschnitt. Eine Anzahl von Empfangsfrequenzverläufen entspricht insbesondere einer Anzahl von Objekten, die die Strahlung zum Lidar zurückreflektieren. Ein Schwebungsfrequenzverlauf ist insbesondere eine Differenz zwischen einem Empfangsfrequenzverlauf und einem Sendefrequenzverlauf. Vorzugsweise kann in Abhängigkeit von den zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufen in den unterschiedlichen Abschnitten zumindest eine eindeutige Objekthypothese bestimmt werden. Die Objekthypothese umfasst insbesondere einen Abstand eines erfassten Objekts von dem Lidar-Sensor, insbesondere von dem automatisiert betreibbaren Fahrzeug, und eine Relativgeschwindigkeit des Objekts in Bezug auf den Lidar-Sensor, insbesondere das automatisiert betreibbare Fahrzeug.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Lidar-Sensors können vorteilhaft unterschiedliche Schwebungsfrequenzverläufe in unterschiedlichen Abschnitten erzeugt werden. Vorteilhaft können Messdaten bereitgestellt werden, die eine Bestimmung von eindeutigen Objekthypothesen ermöglicht. Vorteilhaft kann ein besonders präzise arbeitender Lidar-Sensor bereitgestellt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass jeder zeitliche Schwebungsfrequenzverlauf zumindest einen Teilabschnitt konstanter Schwebungsfrequenz umfasst. Der Teilabschnitt ist insbesondere ein Zeitraum, in dem der zeitliche Sendefrequenzverlauf der ausgesandten Strahlung und der zeitliche Empfangsfrequenzverlauf der reflektierten Strahlung, die gemischt mit der ausgesandten Strahlung zu dem zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf führt, die gleiche Steigung aufweisen. Insbesondere ist in dem Teilabschnitt eine Differenz zwischen einer Empfangsfrequenz und der Sendefrequenz zu jedem Zeitpunkt gleich. Insbesondere ist eine Steigung des zeitlichen Schwebungsfrequenzverlaufs in dem Teilabschnitt null. Vorzugsweise unterscheiden sich die konstanten Schwebungsfrequenzen in den unterschiedlichen Abschnitten voneinander. Vorzugsweise kann die eindeutige Objekthypothese in Abhängigkeit von den konstanten Schwebungsfrequenzen in den unterschiedlichen Abschnitten bestimmt werden. Vorteilhaft können Messdaten bereitgestellt werden, die eine besonders effiziente und zuverlässige Bestimmung von eindeutigen Objekthypothesen ermöglichen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Empfangseinheit zumindest eine IQ (In-Phase-&-Quadrature)-Demodulationsfunktion umfasst, um die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe eindeutig zu bestimmen. Vorzugsweise umfasst die Empfangseinheit zwei Detektionssysteme, wobei jedes Detektionssystem zumindest einen Detektor, bevorzugt zwei Detektoren und einen 1x2-Teiler, aufweist. Vorzugsweise umfasst die Empfangseinheit zumindest einen optischen Hybrid. Insbesondere ist der Zirkulator dazu vorgesehen, die gemischte Strahlung dem optischen Hybrid zuzuführen. Vorzugsweise ist der optische Hybrid dazu vorgesehen, einem ersten Detektionssystem, insbesondere einem 1x2-Teiler oder einem einzelnen Detektor des ersten Detektionssystems, die gemischte Strahlung zuzuführen. Vorzugsweise ist der optische Hybrid dazu vorgesehen, einem zweiten Detektionssystem, insbesondere einem 1x2-Teiler oder einem einzelnen Detektor des zweiten Detektionssystems, die gemischte Strahlung mit einem Phasenversatz von 90° zuzuführen. Vorzugsweise kann die Empfangseinheit mittels der IQ-Demodulationsfunktion ein Vorzeichen der Schwebungsfrequenz zu jedem Zeitpunkt während des Messzyklus bestimmen.
Insbesondere kann eine Empfangseinheit ohne IQ-Demodulationsfunktion technologiebedingt einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf, insbesondere eine Schwebungsfrequenz, in einem Bereich, in dem der zeitliche Schwebungsfrequenzverlauf eine Steigung von null aufweist, nicht eindeutig messen. Insbesondere liefert die Empfangseinheit in dem Bereich zwei unterschiedliche Ergebnisse für die konstante Schwebungsfrequenz, wobei die Ergebnisse insbesondere betragsmäßig gleich sind und sich hinsichtlich des Vorzeichens unterscheiden. Dies folgt insbesondere aus zwei unterschiedlichen möglichen konstanten Empfangsfrequenzen in dem Bereich, wobei eine erste konstante Empfangsfrequenz eine um einen bestimmten Betrag höhere Frequenz als eine entsprechende Sendefrequenz ist, und wobei eine zweite konstante Empfangsfrequenz eine um den gleichen Betrag niedrigere Frequenz als die entsprechende Sendefrequenz ist. Die Empfangseinheit mit IQ-Demodulationsfunktion kann insbesondere die konstante Schwebungsfrequenz eindeutig messen. Vorteilhaft können Messdaten mit eindeutigen Schwebungsfrequenzverläufen bereitgestellt werden.
Weiterhin wird eine Rechenvorrichtung, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug, zur Verarbeitung von Messdaten zumindest eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors vorgeschlagen. Die Rechenvorrichtung umfasst zumindest eine Schnittstelle zu einem Empfang der Messdaten, die zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf je Abschnitt umfassen. Die Rechenvorrichtung umfasst zumindest ein Rechenmodul, das dazu vorgesehen ist, die Messdaten auszuwerten, um zumindest eine validierte Objekthypothese, insbesondere einen eindeutigen Abstand und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit zumindest eines Objekts, zu bestimmen. Vorzugsweise kann der Lidar-Sensor die Rechenvorrichtung umfassen. Insbesondere kann die Rechenvorrichtung für weitere Berechnungsfunktionen des Lidar-Sensors vorgesehen sein und/oder in einem Gehäuse des Lidar-Sensors angeordnet sein. Alternativ ist denkbar, dass die Rechenvorrichtung getrennt von dem Lidar-Sensor ausgebildet ist. Beispielsweise kann ein Steuergerät, insbesondere ein zentrales Steuergerät, des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs die Rechenvorrichtung umfassen.
Die Schnittstelle der Rechenvorrichtung ist vorzugsweise zu einem Datenaustausch vorgesehen. Insbesondere ist der Datenaustausch als eine Signalübertragung eines, insbesondere elektrischen, Signals ausgebildet. Der Datenaustausch an der Schnittstelle erfolgt vorzugsweise kabelgebunden oder kabellos. Vorzugsweise ist die Schnittstelle dazu vorgesehen, dem Rechenmodul Daten, insbesondere die Messdaten, von dem über die Schnittstelle datenübertragungstechnisch mit dem Rechenmodul verbundenen Lidar-Sensor zuzuführen. Insbesondere ist die Empfangseinheit des Lidar-Sensors dazu vorgesehen, der Rechenvorrichtung die Messdaten bereitzustellen.
Das Rechenmodul umfasst vorzugsweise zumindest einen Mikroprozessor, zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array), zumindest eine integrierte Schaltung, insbesondere eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), o. dgl., um die Messdaten auszuwerten. Vorzugsweise kann das Rechenmodul, insbesondere zusätzlich zur Auswertung der Messdaten, dazu vorgesehen sein, Steuersignale, insbesondere für den Lidar-Sensor und/oder weitere Komponenten des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs, zu bestimmen. Insbesondere kann die Rechenvorrichtung, insbesondere das Rechenmodul, dazu vorgesehen sein, den Lidar-Sensor, insbesondere die Empfangseinheit, die Ausgabeeinheit und/oder die Scanner-Einheit, zu steuern. Insbesondere kann die Rechenvorrichtung, insbesondere das Rechenmodul, dazu vorgesehen sein, die Ausgabeeinheit derart anzusteuern, dass die Ausgabeeinheit in den zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten eines Messzyklus die Sendefrequenz der Strahlung derart moduliert, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe in den zumindest zwei Abschnitten unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. Insbesondere kann das Rechenmodul über die Schnittstelle und/oder zumindest eine weitere Schnittstelle Steuersignale an den Lidar-Sensor ausgeben. Vorzugsweise kann die Rechenvorrichtung dazu vorgesehen sein, die zumindest eine bestimmte validierte Objekthypothese zumindest einem Steuergerät des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs bereitzustellen. Insbesondere kann das Steuergerät in Abhängigkeit von der validierten Objekthypothese Steuerbefehle für einen zumindest teilautonomen Betrieb des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs bestimmen. Alternativ oder zusätzlich ist vorstellbar, dass die Rechenvorrichtung, insbesondere das Rechenmodul, dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit von der validierten Objekthypothese die Steuerbefehle zu bestimmen.
Eine validierte Objekthypothese umfasst insbesondere einen eindeutigen Abstand eines Objekts von dem Lidar-Sensor, insbesondere von dem automatisiert betreibbaren Fahrzeug, und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit des Objekts in Bezug auf den Lidar-Sensor, insbesondere das automatisiert betreibbare Fahrzeug. Insbesondere ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, eine Objekthypothese zu bestimmen und die Objekthypothese zu validieren, um eine validierte Objekthypothese zu erhalten. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, eine Anzahl von validierten Objekthypothesen entsprechend einer Anzahl von Objekten, die im Umfeld Strahlung zum Lidar-Sensor zurückreflektieren, zu bestimmen. Insbesondere ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe auszuwerten, um die zumindest eine validierte Objekthypothese zu bestimmen. Vorteilhaft kann eine Rechenvorrichtung bereitgestellt werden, die die eindeutige Bestimmung von Abständen und Relativgeschwindigkeiten von Objekten im Umfeld eines automatisiert betreibbaren Fahrzeugs ermöglicht. Vorteilhaft kann eine hohe Verkehrssicherheit ermöglicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Rechenmodul dazu vorgesehen ist, die Messdaten auszuwerten, um zumindest eine in zumindest einem Teilabschnitt konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt zu ermitteln. Insbesondere ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, aus den Messdaten ein Spektrum zu bestimmen und aus dem Spektrum die in dem Teilabschnitt zumindest eine konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt zu ermitteln. Die in dem Teilabschnitt konstante Schwebungsfrequenz in einem Abschnitt kann insbesondere eine maximale, insbesondere positive, oder eine minimale, insbesondere negative, Schwebungsfrequenz in dem Abschnitt sein. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, eine in dem Teilabschnitt konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt und zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf in dem Abschnitt zu ermitteln. Vorteilhaft können für die Bestimmung der Objekthypothese relevante Schwebungsfrequenzen ermittelt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Rechenmodul dazu vorgesehen ist, jeweils zumindest eine Objekthypothese in zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten in Abhängigkeit von der jeweiligen zumindest einen in dem Teilabschnitt konstanten Schwebungsfrequenz in den Abschnitten zu bestimmen. Insbesondere ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, zumindest eine Objekthypothese je Abschnitt, insbesondere zumindest eine Objekthypothese je Abschnitt und zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf in dem Abschnitt, zu bestimmen. Eine Objekthypothese in einem einzelnen Abschnitt umfasst insbesondere unendlich viele mögliche Kombinationen von Abstand und Relativgeschwindigkeit eines Objekts, wobei die Kombinationen insbesondere in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Insbesondere sind Abstand und Relativgeschwindigkeit abhängig voneinander. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, die Objekthypothesen mittels eines beliebigen, einem Fachmann bekannten FMCW-Verfahrens in Abhängigkeit von der jeweiligen zumindest einen in dem Teilabschnitt konstanten Schwebungsfrequenz in den Abschnitten zu bestimmen. Vorteilhaft können für mehrere Abschnitte Objekthypothesen bereitgestellt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Rechenmodul dazu vorgesehen ist, die bestimmten Objekthypothesen in den zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten miteinander zu vergleichen, um zumindest eine validierte Objekthypothese zu bestimmen. Insbesondere ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, die bestimmten Objekthypothesen in den zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf miteinander zu vergleichen, um eine validierte Objekthypothese je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu bestimmen. Insbesondere ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, eine Objekthypothese in einem Abschnitt mit einer Objekthypothese in zumindest einem weiteren Abschnitt zu kombinieren, insbesondere um die validierte Objekthypothese zu bestimmen. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von Messdaten eines Lidar-Sensors mit einer IQ-Demodulationsfunktion in zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten bestimmte Objekthypothesen je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu vergleichen, um eine validierte Objekthypothese je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu bestimmen. Insbesondere ergibt sich in Abhängigkeit von Messdaten eines Lidar-Sensors mit einer IQ-Demodulationsfunktion aus einer Kombination von Objekthypothesen in zumindest zwei Abschnitten eine eindeutige Kombination von Abstand und Relativgeschwindigkeit eines einzelnen reflektierenden Objekts. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von Messdaten eines Lidar-Sensors mit einer IQ-Demodulationsfunktion und in Abhängigkeit von zumindest zwei reflektierenden Objekten in zumindest drei unterschiedlichen Abschnitten bestimmte Objekthypothesen je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu vergleichen, um eine validierte Objekthypothese je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu bestimmen. Insbesondere ergeben sich in Abhängigkeit von Messdaten eines Lidar-Sensors mit einer IQ-Demodulationsfunktion aus einer Kombination von Objekthypothesen in zwei Abschnitten mehrdeutige Kombinationen von Abstand und Relativgeschwindigkeit mehrerer reflektierender Objekte und ergibt sich aus einer Kombination von Objekthypothesen in zumindest drei Abschnitten eine eindeutige Kombination von Abstand und Relativgeschwindigkeit mehrerer reflektierender Objekte.
Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von Messdaten eines Lidar-Sensors ohne eine IQ-Demodulationsfunktion in zumindest drei unterschiedlichen Abschnitten bestimmte Objekthypothesen je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu vergleichen, um eine validierte Objekthypothese je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf zu bestimmen. Insbesondere ergeben sich in Abhängigkeit von Messdaten eines Lidar-Sensors ohne eine IQ-Demodulationsfunktion aus einer Kombination von Objekthypothesen in zwei Abschnitten mehrdeutige Kombinationen von Abstand und Relativgeschwindigkeit mehrerer reflektierender Objekte oder eines einzelnen reflektierenden Objekts und ergibt sich aus einer Kombination von Objekthypothesen in zumindest drei Abschnitten eine eindeutige Kombination von Abstand und Relativgeschwindigkeit mehrerer reflektierender Objekte oder eines einzelnen reflektierenden Objekts. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, widerlegte Objekthypothesen zu verwerfen. Vorzugsweise ist das Rechenmodul dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von Objekthypothesen, die nicht validiert werden können, einen Vermerk, beispielsweise einen Hinweis auf eine potentielle Mehrdeutigkeit, in einer Ausgabe einer Punktewolke vorzusehen. Beispielsweise ist denkbar, dass eine Objekthypothese nicht validiert werden kann, wenn eine Anzahl von Schwebungsfrequenzverläufen in den Abschnitten nicht konsistent ist. Vorteilhaft können validierte Objekthypothesen bereitgestellt werden.
Weiterhin wird ein Lidar-System, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug, vorgeschlagen. Das Lidar-System umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Lidar-Sensor. Das Lidar-System umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Rechenvorrichtung. Vorteilhaft kann ein Lidar-System bereitgestellt werden, das eine eindeutige Umfelderfassung ermöglicht.
Zudem wird ein automatisiert betreibbares Fahrzeug vorgeschlagen. Das automatisiert betreibbare Fahrzeug umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Lidar-Sensor und/oder zumindest eine erfindungsgemäße Rechenvorrichtung. Insbesondere kann das automatisiert betreibbare Fahrzeug zumindest ein erfindungsgemäßes Lidar-System umfassen. Vorteilhaft kann ein besonders verkehrs- und insassensicheres automatisiert betreibbares Fahrzeug bereitgestellt werden.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors vorgeschlagen. Strahlung wird ausgesandt. In zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten eines Messzyklus wird eine Sendefrequenz der Strahlung derart moduliert, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe in den zumindest zwei Abschnitten unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. In einem Umfeld reflektierte Strahlung wird empfangen. Die reflektierte Strahlung wird mit der ausgesandten Strahlung gemischt, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf je Abschnitt zu erzeugen. Vorteilhaft kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das einen besonders präzisen Betrieb des Lidar-Sensors ermöglicht.
Ferner wird ein computerimplementiertes Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten zumindest eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors vorgeschlagen. Die empfangenen Messdaten, die zumindest den zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf je Abschnitt umfassen, werden ausgewertet, um zumindest eine validierte Objekthypothese, insbesondere einen eindeutigen Abstand und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit zumindest eines Objekts, zu bestimmen. Vorteilhaft kann ein computerimplementiertes Verfahren bereitgestellt werden, das eine hohe Verkehrssicherheit ermöglicht.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen. Das Computerprogrammprodukt umfasst Ausführungsbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine erfindungsgemäße Rechenvorrichtung diese veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Vorteilhaft kann ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt werden, das eine hohe Verkehrssicherheit ermöglicht.
Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen in den folgenden Figuren verdeutlicht. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes automatisiert betreibbares Fahrzeug in einer schematischen Darstellung,
2 ein erfindungsgemäßes Lidar-System des erfindungsgemäßen automatisiert betreibbaren Fahrzeugs aus 1 in einer schematischen Darstellung,
3 eine Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors des erfindungsgemäßen Lidar-Systems aus 2 in einer schematischen Darstellung,
4 zwei Zeit-Frequenz-Diagramme in einer schematischen Darstellung,
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des erfindungsgemäßen Lidar-Systems aus 2 in einer schematischen Darstellung,
6 eine Empfangseinheit eines alternativen erfindungsgemäßen Lidar-Sensors in einer schematischen Darstellung und
7 zwei weitere Zeit-Frequenz-Diagramme in einer schematischen Darstellung.

1 zeigt ein automatisiert betreibbares Fahrzeug 2a in einer schematischen Darstellung. Das automatisiert betreibbare Fahrzeug 2a ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielhaft als ein Landfahrzeug, insbesondere als ein PKW, ausgebildet. Das automatisiert betreibbare Fahrzeug 2a umfasst ein Lidar-System 28a.
2 zeigt das Lidar-System 28a des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs 2a aus 1 in einer schematischen Darstellung. Das Lidar-System 28a umfasst zumindest einen Lidar-Sensor 1a. Das Lidar-System 28a umfasst zumindest eine Rechenvorrichtung 24a. Der Lidar-Sensor 1a umfasst zumindest eine Ausgabeeinheit 3a, um Strahlung auszusenden. Der Lidar-Sensor 1a umfasst zumindest eine Empfangseinheit 11a, um in einem Umfeld, insbesondere an zumindest einem Objekt 27a, reflektierte Strahlung zu empfangen. Das Objekt 27a kann beispielsweise als ein weiteres Fahrzeug, als ein Fußgänger, als ein Radfahrer, als ein Hindernis, als ein Gebäude o. dgl. ausgebildet sein. Der Lidar-Sensor 1a ist dazu vorgesehen, das Umfeld des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs 2a, im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielhaft das Objekt 27a im Umfeld, zu erfassen. Messdaten des Lidar-Sensors 1a können genutzt werden, um einen zumindest teilautonomen Betrieb des automatisiert betreibbaren Fahrzeugs 2a zu ermöglichen. Der Lidar-Sensor 1a ist als ein FMCW-Lidar-Sensor ausgebildet.
Der Lidar-Sensor 1a umfasst zumindest eine Scanner-Einheit 29a. Die Scanner-Einheit 29a ist dazu vorgesehen, die Strahlung der Ausgabeeinheit 3a zielgerichtet auszusenden, insbesondere über einen Bereich des Umfelds zu scannen. Die ausgesandte Strahlung kann an dem Objekt 27a zurück zum Lidar-Sensor 1a reflektiert werden. Die Scanner-Einheit 29a ist dazu vorgesehen, die reflektierte Strahlung zur Empfangseinheit 11a zu lenken. Die Ausgabeeinheit 3a ist dazu vorgesehen, die auszusendende Strahlung über die Empfangseinheit 11a der Scanner-Einheit 29a zuzuführen, wobei die Empfangseinheit 11a dazu vorgesehen ist, einen Teil der Strahlung der Ausgabeeinheit 3a zu verarbeiten.
Die Rechenvorrichtung 24a ist zur Verarbeitung von Messdaten des Lidar-Sensors 1a vorgesehen. Die Rechenvorrichtung 24a umfasst zumindest eine Schnittstelle 25a zu einem Empfang der Messdaten. Die Rechenvorrichtung 24a umfasst zumindest ein Rechenmodul 26a, das dazu vorgesehen ist, die Messdaten auszuwerten, um zumindest eine validierte Objekthypothese, insbesondere einen eindeutigen Abstand und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit zumindest eines Objekts 27a, zu bestimmen. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, Steuersignale zumindest für den Lidar-Sensor 1a zu bestimmen. Das Rechenmodul 26a ist über die Schnittstelle 25a signalübertragungstechnisch mit der Ausgabeeinheit 3a, der Empfangseinheit 11a und der Scanner-Einheit 29a verbunden.
3 zeigt die Empfangseinheit 11a des Lidar-Sensors 1a des Lidar-Systems 28a aus 2 in einer schematischen Darstellung. Von der Ausgabeeinheit 3a der Empfangseinheit 11a zugeführte Strahlung ist mit einem Pfeil 30a gekennzeichnet. Von der Empfangseinheit 11a der Scanner-Einheit 29a zugeführte und von der Scanner-Einheit 29a der Empfangseinheit 11a zugeführte Strahlung ist mit einem Doppelpfeil 31a gekennzeichnet. Die Empfangseinheit 11a umfasst einen Zirkulator 32a, der dazu vorgesehen ist, den Teil der Strahlung der Ausgabeeinheit 3a und die von dem Objekt 27a reflektierte Strahlung miteinander zu mischen. Der Zirkulator 32a ist dazu vorgesehen, einen Großteil der Strahlung der Ausgabeeinheit 3a der Scanner-Einheit 29a zuzuführen.
Die Empfangseinheit 11a umfasst zumindest eine IQ-Demodulationsfunktion. Die Empfangseinheit 11a umfasst zwei Detektionssysteme 33a, 34a. Jedes Detektionssystem 33a, 34a umfasst zwei Detektoren 35a, 36a und einen 1x2-Teiler 37a, 38a. Die Empfangseinheit 11a umfasst zumindest einen optischen Hybrid 39a. Der optische Hybrid 39a ist dazu vorgesehen, einem ersten Detektionssystem 33a, insbesondere einem 1x2-Teiler 37a des ersten Detektionssystems 33a, die gemischte Strahlung zuzuführen. Der optische Hybrid 39a ist dazu vorgesehen, einem zweiten Detektionssystem 34a, insbesondere einem 1x2-Teiler 38a des zweiten Detektionssystems 34a, die gemischte Strahlung mit einem Phasenversatz von 90° zuzuführen. Die 1x2-Teiler 37a, 38a sind jeweils dazu vorgesehen, die von dem optischen Hybrid 39a empfangene Strahlung zur Detektion auf die zwei Detektoren 35a, 36a aufzuteilen.
4 zeigt zwei Zeit-Frequenz-Diagramme 40a, 41a in einer schematischen Darstellung. Die Zeit-Frequenz-Diagramme 40a, 41a umfassen jeweils eine Abszissenachse 42a, 43a und eine Ordinatenachse 44a, 45a. Auf den Abszissenachsen 42a, 43a ist jeweils eine Zeit angetragen. Auf einer Ordinatenachse 44a eines oberen Zeit-Frequenz-Diagramms 40a ist eine Frequenz angetragen. Auf einer Ordinatenachse 45a eines unteren Zeit-Frequenz-Diagramms 41a ist eine Schwebungsfrequenz angetragen.
Die Ausgabeeinheit 3a ist dazu vorgesehen, in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten 4a, 5a eines Messzyklus 7a eine Sendefrequenz der Strahlung derart zu modulieren, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe 8a, 9a in den zumindest zwei Abschnitten 4a, 5a unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. Die Sendefrequenzverläufe 8a, 9a sind im oberen Zeit-Frequenz-Diagramm 40a dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Messzyklus 7a beispielhaft in zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Abschnitte 4a, 5a unterteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein erster zeitlicher Sendefrequenzverlauf 8a in einem ersten Abschnitt 4a beispielhaft eine positive lineare Steigung auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein zweiter zeitlicher Sendefrequenzverlauf 9a in einem zweiten Abschnitt 5a beispielhaft eine Steigung von null auf.
Im oberen Zeit-Frequenz-Diagramm 40a ist ein zeitlicher Empfangsfrequenzverlauf 46a, 47a der reflektierten Strahlung je Abschnitt 4a, 5a eingezeichnet. Der zeitliche Empfangsfrequenzverlauf 46a, 47a je Abschnitt 4a, 5a entspricht dem jeweiligen zeitlichen Sendefrequenzverlauf 8a, 9a, der zeitlich, insbesondere um eine Laufzeit der Strahlung zum reflektierenden Objekt 27a und zurück zum Lidar-Sensor 1a, und spektral verschoben ist. Im oberen Zeit-Frequenz-Diagramm 40a ist ein weiterer zweiter zeitlicher Empfangsfrequenzverlauf 47a' der reflektierten Strahlung u.a. im zweiten Abschnitt 5a eingezeichnet. Dadurch wird eine Mehrdeutigkeit einer Messung von Empfangsfrequenzverläufen 46a, 47a durch Empfangseinheiten ohne IQ-Demodulationsfunktion illustriert.
Die Empfangseinheit 11a ist dazu vorgesehen, die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung zu mischen, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a je Abschnitt 4a, 5a zu erzeugen. Die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe 12a, 13a sind im unteren Zeit-Frequenz-Diagramm 41a dargestellt. Die von dem Lidar-Sensor 1a, insbesondere von der Empfangseinheit 11a, der Rechenvorrichtung 24a bereitgestellten Messdaten umfassen den zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a je Abschnitt 4a, 5a. Die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe 12a, 13a entsprechen einer Differenz zwischen den zeitlichen Empfangsfrequenzverläufen 46a, 47a und den zeitlichen Sendefrequenzverläufen 8a, 9a im jeweiligen Abschnitt 4a, 5a. Im unteren Zeit-Frequenz-Diagramm 41a ist ein weiterer zweiter zeitlicher Schwebungsfrequenzverlauf 13a` im zweiten Abschnitt 5a eingezeichnet. Dadurch wird eine Mehrdeutigkeit einer Messung von Schwebungsfrequenzverläufen 12a, 13a durch Empfangseinheiten ohne IQ-Demodulationsfunktion illustriert.
Jeder zeitliche Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a umfasst zumindest einen Teilabschnitt 18a, 19a konstanter Schwebungsfrequenz. Die Teilabschnitte 18a, 19a sind Zeiträume, in denen die jeweiligen zeitlichen Sendefrequenzverläufe 8a, 9a der ausgesandten Strahlung und die jeweiligen zeitlichen Empfangsfrequenzverläufe 46a, 47a der reflektierten Strahlung, die gemischt mit der ausgesandten Strahlung zu den jeweiligen zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufen 12a, 13a führt, die gleiche Steigung aufweisen. In den Teilabschnitten 18a, 19a ist eine Differenz zwischen der jeweiligen Empfangsfrequenz und der jeweiligen Sendefrequenz zu jedem Zeitpunkt gleich. Steigungen der zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe 12a, 13a sind in den jeweiligen Teilabschnitten 18a, 19a null. Die konstanten Schwebungsfrequenzen in den unterschiedlichen Abschnitten 4a, 5a unterscheiden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielhaft voneinander.
Die Empfangseinheit 11a umfasst die IQ-Demodulationsfunktion, um die konstanten Schwebungsfrequenzen in den Teilabschnitten 18a, 19a eindeutig zu bestimmen. Die Empfangseinheit 11a kann mittels der IQ-Demodulationsfunktion ein Vorzeichen der Schwebungsfrequenz zu jedem Zeitpunkt während des Messzyklus 7a bestimmen. Eine Empfangseinheit ohne IQ-Demodulationsfunktion kann technologiebedingt einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf 13a, 13a` in einem Bereich, in dem der zeitliche Schwebungsfrequenzverlauf 13a, 13a` eine Steigung von null aufweist, hier beispielhaft am Ende des zweiten Abschnitts 5a dargestellt, nicht eindeutig messen. Eine Empfangseinheit ohne IQ-Demodulationsfunktion liefert in dem Bereich zwei unterschiedliche Ergebnisse für die konstante Schwebungsfrequenz, wobei die Ergebnisse insbesondere betragsmäßig gleich sind und sich hinsichtlich des Vorzeichens unterscheiden. Dies folgt insbesondere aus zwei unterschiedlichen möglichen konstanten Empfangsfrequenzen, wobei eine erste konstante Empfangsfrequenz eine um einen bestimmten Betrag höhere Frequenz als eine entsprechende Sendefrequenz ist, und wobei eine zweite konstante Empfangsfrequenz eine um den gleichen Betrag niedrigere Frequenz als die entsprechende Sendefrequenz ist. Die Empfangseinheit 11a mit IQ-Demodulationsfunktion kann die konstante Schwebungsfrequenz eindeutig messen.
Die Rechenvorrichtung 24a, insbesondere das Rechenmodul 26a, ist dazu vorgesehen, die Ausgabeeinheit 3a derart anzusteuern, dass die Ausgabeeinheit 3a in den zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten 4a, 5a des Messzyklus 7a die Sendefrequenz der Strahlung derart moduliert, dass die zeitlichen Sendefrequenzverläufe 8a, 9a in den zwei Abschnitten 4a, 5a unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, eine Anzahl von validierten Objekthypothesen entsprechend einer Anzahl von Objekten 27a, die im Umfeld Strahlung zum Lidar-Sensor 1a zurückreflektieren, hier beispielhaft eine validierte Objekthypothese, zu bestimmen. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe 12a, 13a auszuwerten, um die validierte Objekthypothese zu bestimmen.
Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, die Messdaten auszuwerten, um zumindest eine in zumindest einem Teilabschnitt 18a, 19a konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt 4a, 5a zu ermitteln. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, aus den Messdaten ein Spektrum zu bestimmen und aus dem Spektrum die in dem Teilabschnitt 18a, 19a konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt 4a, 5a zu ermitteln. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, eine in dem Teilabschnitt 18a, 19a konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt 4a, 5a und zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a in dem Abschnitt 4a, 5a, hier beispielhaft eine konstante Schwebungsfrequenz im ersten Abschnitt 4a und eine konstante Schwebungsfrequenz im zweiten Abschnitt 5a, zu ermitteln.
Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, jeweils zumindest eine Objekthypothese in zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten 4a, 5a in Abhängigkeit von der jeweiligen zumindest einen in dem Teilabschnitt 18a, 19a konstanten Schwebungsfrequenz in den Abschnitten 4a, 5a zu bestimmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Rechenmodul 26a beispielhaft dazu vorgesehen, eine Objekthypothese im ersten Abschnitt 4a und eine Objekthypothese im zweiten Abschnitt 5a zu bestimmen.
Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, die bestimmten Objekthypothesen in den zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten 4a, 5a miteinander zu vergleichen, um zumindest eine validierte Objekthypothese zu bestimmen. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, die im ersten Abschnitt 4a bestimmte Objekthypothese mit der im zweiten Abschnitt 5a bestimmten Objekthypothese zu vergleichen. Beispielhaft kann das Rechenmodul 26a dazu vorgesehen sein, die Objekthypothese im ersten Abschnitt 4a mit der Objekthypothese im zweiten Abschnitt 5a zu kombinieren, insbesondere um die validierte Objekthypothese zu bestimmen. Das Rechenmodul 26a ist dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von den Messdaten des Lidar-Sensors 1a mit der IQ-Demodulationsfunktion in zumindest zwei, hier beispielhaft in genau zwei, unterschiedlichen Abschnitten 4a, 5a bestimmte Objekthypothesen je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a zu vergleichen, um eine validierte Objekthypothese je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a zu bestimmen. In Abhängigkeit von den Messdaten des Lidar-Sensors 1a mit der IQ-Demodulationsfunktion ergibst sich aus einer Kombination von Objekthypothesen in den zumindest zwei Abschnitten 4a, 5a eine eindeutige Kombination von Abstand und Relativgeschwindigkeit des einzelnen reflektierenden Objekts 27a.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Lidar-Systems 28a aus 2 in einer schematischen Darstellung. Das Verfahren zum Betrieb des Lidar-Systems 28a umfasst ein Verfahren zum Betrieb des Lidar-Sensors 1a und ein computerimplementiertes Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten des Lidar-Sensors 1a. Das Verfahren zum Betrieb des Lidar-Sensors 1a ist durch einen ersten Teil 48a des Verfahrens zum Betrieb des Lidar-Systems 28a gebildet. Das computerimplementierte Verfahren zur Verarbeitung der Messdaten des Lidar-Sensors 1a ist durch einen zweiten Teil 49a des Verfahrens zum Betrieb des Lidar-Systems 28a gebildet.
In einem ersten Verfahrensschritt 50a des Verfahrens zum Betrieb des Lidar-Sensors 1a wird Strahlung ausgesandt, wobei in den zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten 4a, 5a des Messzyklus die Sendefrequenz der Strahlung derart moduliert wird, dass die zeitlichen Sendefrequenzverläufe 8a, 9a in den zumindest zwei Abschnitten 4a, 5a unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. In einem zweiten Verfahrensschritt 51a des Verfahrens zum Betrieb des Lidar-Sensors 1a wird die im Umfeld reflektierte Strahlung empfangen, wobei die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung gemischt wird, um den zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a je Abschnitt 4a, 5a zu erzeugen. In einem dritten Verfahrensschritt 52a des Verfahrens zum Betrieb des Lidar-Sensors 1a werden die Messdaten des Lidar-Sensors 1a, die zumindest den zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf 12a, 13a je Abschnitt 4a, 5a umfassen, der Rechenvorrichtung 24a bereitgestellt.
In dem computerimplementierten Verfahren zur Verarbeitung der Messdaten des Lidar-Sensors 1a werden die empfangenen Messdaten ausgewertet, um zumindest eine validierte Objekthypothese, insbesondere einen eindeutigen Abstand und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit des zumindest einen Objekts 27a, zu bestimmen. In einem ersten Verfahrensschritt 53a des computerimplementierten Verfahrens werden die Messdaten ausgewertet, um die zumindest eine in dem zumindest einen Teilabschnitt 18a, 19a konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt 4a, 5a zu ermitteln. In einem zweiten Verfahrensschritt 54a des computerimplementierten Verfahrens wird jeweils zumindest eine Objekthypothese in den zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten 4a, 5a in Abhängigkeit von der jeweiligen zumindest einen in dem Teilabschnitt 18a, 19a konstanten Schwebungsfrequenz in den Abschnitten 4a, 5a bestimmt. In einem dritten Verfahrensschritt 55a des computerimplementierten Verfahrens werden die bestimmten Objekthypothesen in den zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten 4a, 5a miteinander verglichen, um die zumindest eine validierte Objekthypothese zu bestimmen. In einem vierten Verfahrensschritt 56a des computerimplementierten Verfahrens werden widerlegte Objekthypothesen verworfen. In einem fünften Verfahrensschritt 57a des computerimplementierten Verfahrens wird in Abhängigkeit von Objekthypothesen, die nicht validiert werden können, ein Vermerk in einer Ausgabe einer Punktewolke vorgesehen. In einem sechsten Verfahrensschritt 58a wird die zumindest eine validierte Objekthypothese ausgegeben.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Ausführungsbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch die Rechenvorrichtung 24a diese veranlassen, das computerimplementierte Verfahren auszuführen.
In den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hinsichtlich der Ausgestaltung gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere hinsichtlich Bauteilen mit gleichen Bezugszeichen, darf auf das Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 verwiesen werden. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 1 bis 5 der Buchstabe a und ist den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 6 und 7 der Buchstabe b nachgestellt.
6 zeigt eine Empfangseinheit 11b eines alternativen Lidar-Sensors 1b in einer schematischen Darstellung. Von einer Ausgabeeinheit des Lidar-Sensors 1b der Empfangseinheit 11b zugeführte Strahlung ist mit einem Pfeil 30b gekennzeichnet. Von der Empfangseinheit 11b einer Scanner-Einheit des Lidar-Sensors 1b zugeführte und von der Scanner-Einheit der Empfangseinheit 11b zugeführte Strahlung ist mit einem Doppelpfeil 31b gekennzeichnet. Die Empfangseinheit 11b umfasst einen Zirkulator 32b, der dazu vorgesehen ist, einen Teil der Strahlung der Ausgabeeinheit und von Objekten in einem Umfeld des Lidar-Sensors 1b reflektierte Strahlung miteinander zu mischen. Der Zirkulator 32b ist dazu vorgesehen, einen Großteil der Strahlung der Ausgabeeinheit der Scanner-Einheit zuzuführen.
Die Empfangseinheit 11b ist frei von einer IQ-Demodulationsfunktion ausgebildet. Der Zirkulator 32b ist dazu vorgesehen, die gemischte Strahlung einem 1x2-Teiler 37b der Empfangseinheit 11b zuzuführen. Der 1x2-Teiler 37b ist dazu vorgesehen, die Strahlung zur Detektion auf zwei Detektoren 35b der Empfangseinheit 11b aufzuteilen, insbesondere um eine symmetrische Detektion zu ermöglichen.
7 zeigt zwei weitere Zeit-Frequenz-Diagramme 40b, 41b in einer schematischen Darstellung. Die Zeit-Frequenz-Diagramme 40b, 41b umfassen jeweils eine Abszissenachse 42b, 43b und eine Ordinatenachse 44b, 45b. Auf den Abszissenachsen 42b, 43b ist jeweils eine Zeit angetragen. Auf einer Ordinatenachse 44b eines oberen Zeit-Frequenz-Diagramms 40b ist eine Frequenz angetragen. Auf einer Ordinatenachse 45b eines unteren Zeit-Frequenz-Diagramms 41b ist eine Schwebungsfrequenz angetragen.
Die Ausgabeeinheit ist dazu vorgesehen, in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten 4b, 5b, 6b eines Messzyklus 7b eine Sendefrequenz der Strahlung derart zu modulieren, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe 8b, 9b, 10b in den zumindest zwei Abschnitten 4b, 5b, 6b unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen. Die Sendefrequenzverläufe 8b, 9b, 10b sind im oberen Zeit-Frequenz-Diagramm 40b dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Messzyklus 7b beispielhaft in drei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Abschnitte 4b, 5b, 6b unterteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein erster zeitlicher Sendefrequenzverlauf 8b in einem ersten Abschnitt 4b beispielhaft eine positive lineare Steigung auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein zweiter zeitlicher Sendefrequenzverlauf 9b in einem zweiten Abschnitt 5b beispielhaft eine negative lineare Steigung auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein dritter zeitlicher Sendefrequenzverlauf 10b in einem dritten Abschnitt 6b beispielhaft eine Steigung von null auf.
Im oberen Zeit-Frequenz-Diagramm 40b sind zwei zeitliche Empfangsfrequenzverläufe 46b, 47b, 59b, 60b, 61b, 62b der reflektierten Strahlung je Abschnitt 4b, 5b, 6b eingezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beispielhaft zwei Objekte im Umfeld des Lidar-Sensors 1b angeordnet, die Strahlung zurück zum Lidar-Sensor 1b reflektieren. Ein zeitlicher Empfangsfrequenzverlauf 46b, 47b, 59b je Abschnitt 4b, 5b, 6b entspricht dem jeweiligen zeitlichen Sendefrequenzverlauf 8b, 9b, 10b, der zeitlich, insbesondere um eine Laufzeit der Strahlung zu einem reflektierenden Objekt und zurück zum Lidar-Sensor 1b, und spektral verschoben ist. Ein weiterer zeitlicher Empfangsfrequenzverlauf 60b, 61b, 62b je Abschnitt 4b, 5b, 6b entspricht dem jeweiligen zeitlichen Sendefrequenzverlauf 8b, 9b, 10b, der zeitlich, insbesondere um eine Laufzeit der Strahlung zu einem weiteren reflektierenden Objekt und zurück zum Lidar-Sensor 1b, und spektral verschoben ist. Zusätzliche zeitliche Empfangsfrequenzverläufe der reflektierten Strahlung zur Illustration einer Mehrdeutigkeit einer Messung von Empfangsfrequenzverläufen 46b, 47b, 59b, 60b, 61b, 62b durch die Empfangseinheit 11b ohne IQ-Demodulationsfunktion sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Empfangseinheit 11b ist dazu vorgesehen, die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung zu mischen, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf 12b, 13b, 14b, 15b, 16b, 17b je Abschnitt 4b, 5b, 6b, hier aufgrund der zwei Objekte beispielhaft zwei zeitliche Schwebungsfrequenzverläufe 12b-17b je Abschnitt 4b-6b, zu erzeugen. Die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe 12b-17b sind im unteren Zeit-Frequenz-Diagramm 41b dargestellt. Zusätzliche zeitliche Schwebungsfrequenzverläufe zur Illustration einer Mehrdeutigkeit einer Messung von Schwebungsfrequenzverläufen 12b-17b durch die Empfangseinheit 11b ohne IQ-Demodulationsfunktion sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Jeder zeitliche Schwebungsfrequenzverlauf 12b-17b umfasst zumindest einen Teilabschnitt 18b, 19b, 20b, 21b, 22b, 23b konstanter Schwebungsfrequenz.
Ein Rechenmodul einer Rechenvorrichtung ist dazu vorgesehen, Messdaten, die die zwei zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe 12b-17b je Abschnitt 4b-6b umfassen, auszuwerten, um zwei validierte Objekthypothesen, insbesondere eindeutigen Abstände und eindeutige Relativgeschwindigkeiten der zwei Objekte, zu bestimmen. Das Rechenmodul ist dazu vorgesehen, eine in dem Teilabschnitt 18b-23b konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt 4b-6b und zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf 12b-17b in dem Abschnitt 4b-6b, hier beispielhaft zwei konstante Schwebungsfrequenzen im ersten Abschnitt 4b, zwei konstante Schwebungsfrequenzen im zweiten Abschnitt 5b und zwei konstante Schwebungsfrequenzen im dritten Abschnitt 6b, zu ermitteln.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Rechenmodul beispielhaft dazu vorgesehen, zwei Objekthypothesen im ersten Abschnitt 4b, zwei Objekthypothesen im zweiten Abschnitt 5b und zwei Objekthypothesen im dritten Abschnitt 6b zu bestimmen.
Das Rechenmodul ist dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von den Messdaten des Lidar-Sensors 1b ohne die IQ-Demodulationsfunktion in zumindest drei, hier beispielhaft in genau drei, unterschiedlichen Abschnitten 4b-6b bestimmte Objekthypothesen je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf 12b-17b zu vergleichen, um eine validierte Objekthypothese je zeitlichem Schwebungsfrequenzverlauf 12b-17b zu bestimmen. Insbesondere ergibt sich in Abhängigkeit von den Messdaten des Lidar-Sensors 1b ohne die IQ-Demodulationsfunktion aus einer Kombination von Objekthypothesen in den zumindest drei Abschnitten 4b, 4b, 6b eine eindeutige Kombination von Abstand und Relativgeschwindigkeit mehrerer reflektierender Objekte, wie beispielhaft im vorliegenden Ausführungsbeispiel, oder eines einzelnen reflektierenden Objekts.
Bezugszeichen

1: Lidar-Sensor
2: Fahrzeug
3: Ausgabeeinheit
4: Abschnitt
5: Abschnitt
6: Abschnitt
7: Messzyklus
8: Sendefrequenzverlauf
9: Sendefrequenzverlauf
10: Sendefrequenzverlauf
11: Empfangseinheit
12: Schwebungsfrequenzverlauf
13: Schwebungsfrequenzverlauf
14: Schwebungsfrequenzverlauf
15: Schwebungsfrequenzverlauf
16: Schwebungsfrequenzverlauf
17: Schwebungsfrequenzverlauf
18: Teilabschnitt
19: Teilabschnitt
20: Teilabschnitt
21: Teilabschnitt
22: Teilabschnitt
23: Teilabschnitt
24: Rechenvorrichtung
25: Schnittstelle
26: Rechenmodul
27: Objekt
28: Lidar-System
29: Scanner-Einheit
30: Pfeil
31: Doppelpfeil
32: Zirkulator
33: Detektionssystem
34: Detektionssystem
35: Detektor
36: Detektor
37: 1x2-Teiler
38: 1x2-Teiler
39: optischer Hybrid
40: Zeit-Frequenz-Diagramm
41: Zeit-Frequenz-Diagramm
42: Abszissenachse
43: Abszissenachse
44: Ordinatenachse
45: Ordinatenachse
46: Empfangsfrequenzverlauf
47: Empfangsfrequenzverlauf
48: Teil
49: Teil
50: Verfahrensschritt
51: Verfahrensschritt
52: Verfahrensschritt
53: Verfahrensschritt
54: Verfahrensschritt
55: Verfahrensschritt
56: Verfahrensschritt
57: Verfahrensschritt
58: Verfahrensschritt
59: Empfangsfrequenzverlauf
60: Empfangsfrequenzverlauf
61: Empfangsfrequenzverlauf
62: Empfangsfrequenzverlauf

Claims

Lidar-Sensor, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug (2a), umfassend zumindest eine Ausgabeeinheit (3a), um Strahlung auszusenden, wobei die Ausgabeeinheit (3a) dazu vorgesehen ist, in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) eines Messzyklus (7a; 7b) eine Sendefrequenz der Strahlung derart zu modulieren, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe (8a, 9a; 8b-10b) in den zumindest zwei Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen, und zumindest eine Empfangseinheit (11a; 11b), um in einem Umfeld reflektierte Strahlung zu empfangen, wobei die Empfangseinheit (11a; 11b) dazu vorgesehen ist, die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung zu mischen, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf (12a, 13a; 12b-17b) je Abschnitt (4a, 5a; 4b-6b) zu erzeugen.
Lidar-Sensor nach Anspruch 1, wobei jeder zeitliche Schwebungsfrequenzverlauf (12a, 13a; 12b-17b) zumindest einen Teilabschnitt (18a, 19a; 18b-23b) konstanter Schwebungsfrequenz umfasst.
Lidar-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangseinheit (11a) zumindest eine IQ-Demodulationsfunktion umfasst, um die zeitlichen Schwebungsfrequenzverläufe (12a, 13a) eindeutig zu bestimmen.
Rechenvorrichtung, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug (2a), zur Verarbeitung von Messdaten zumindest eines Lidar-Sensors (1a; 1b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine Schnittstelle (25a) zu einem Empfang der Messdaten, die zumindest den zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf (12a, 13a; 12b-17b) je Abschnitt (4a, 5a; 4b-6b) umfassen, und zumindest ein Rechenmodul (26a), das dazu vorgesehen ist, die Messdaten auszuwerten, um zumindest eine validierte Objekthypothese, insbesondere einen eindeutigen Abstand und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit zumindest eines Objekts (27a), zu bestimmen.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Rechenmodul (26a) dazu vorgesehen ist, die Messdaten auszuwerten, um zumindest eine in zumindest einem Teilabschnitt (18a, 19a; 18b-23b) konstante Schwebungsfrequenz je Abschnitt (4a, 5a; 4b-6b) zu ermitteln.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Rechenmodul (26a) dazu vorgesehen ist, jeweils zumindest eine Objekthypothese in zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) in Abhängigkeit von der jeweiligen zumindest einen in dem Teilabschnitt (18a, 19a; 18b-23b) konstanten Schwebungsfrequenz in den Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) zu bestimmen.
Rechenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Rechenmodul (26a) dazu vorgesehen ist, die bestimmten Objekthypothesen in den zumindest zwei unterschiedlichen Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) miteinander zu vergleichen, um zumindest eine validierte Objekthypothese zu bestimmen.
Lidar-System, insbesondere für ein automatisiert betreibbares Fahrzeug (2a), umfassend zumindest einen Lidar-Sensor (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und zumindest eine Rechenvorrichtung (24a) nach einem der Ansprüche 4 bis 7.
Automatisiert betreibbares Fahrzeug, umfassend zumindest einen Lidar-Sensor (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder zumindest eine Rechenvorrichtung (24a) nach einem der Ansprüche 4 bis 7.
Verfahren zum Betrieb eines Lidar-Sensors (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Strahlung ausgesandt wird, wobei in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) eines Messzyklus (7a; 7b) eine Sendefrequenz der Strahlung derart moduliert wird, dass zeitliche Sendefrequenzverläufe (8a, 9a; 8b-10b) in den zumindest zwei Abschnitten (4a, 5a; 4b-6b) unterschiedliche, insbesondere lineare, Steigungen aufweisen, wobei in einem Umfeld reflektierte Strahlung empfangen wird, wobei die reflektierte Strahlung mit der ausgesandten Strahlung gemischt wird, um zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf (12a, 13a; 12b-17b) je Abschnitt (4a, 5a; 4b-6b) zu erzeugen.
Computerimplementiertes Verfahren zur Verarbeitung von Messdaten zumindest eines Lidar-Sensors (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die empfangenen Messdaten, die zumindest den zumindest einen zeitlichen Schwebungsfrequenzverlauf (12a, 13a; 12b-17b) je Abschnitt (4a, 5a; 4b-6b) umfassen, ausgewertet werden, um zumindest eine validierte Objekthypothese, insbesondere einen eindeutigen Abstand und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit zumindest eines Objekts (27a), zu bestimmen.
Computerprogrammprodukt, umfassend Ausführungsbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Rechenvorrichtung (24a) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 diese veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 11 auszuführen.