EP3994497A1 - Anpassungsvorrichtung und lidar-messvorrichtung - Google Patents

Anpassungsvorrichtung und lidar-messvorrichtung

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Publication number
EP3994497A1
EP3994497A1 EP20734352.6A EP20734352A EP3994497A1 EP 3994497 A1 EP3994497 A1 EP 3994497A1 EP 20734352 A EP20734352 A EP 20734352A EP 3994497 A1 EP3994497 A1 EP 3994497A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lidar
measuring device
detection
vehicle
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20734352.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Beuschel
Falko Diebel
Michael KÖHLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microvision Inc
Original Assignee
Ibeo Automotive Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ibeo Automotive Systems GmbH filed Critical Ibeo Automotive Systems GmbH
Publication of EP3994497A1 publication Critical patent/EP3994497A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates

Definitions

  • the present invention relates to an adaptation device for adapting a detection process of a lidar measuring device in a focal plane array arrangement on a vehicle.
  • the present invention further relates to a lidar measuring device in a focal plane array arrangement for detecting objects in the surroundings of a vehicle and a method for adapting a detection process of a lidar measuring device.
  • Modern vehicles include a variety of systems that provide information to a driver or operator and / or control individual functions of the vehicle partially or fully automatically.
  • the surroundings of the vehicle and, if necessary, other road users are recorded by sensors. Based on the recorded data, a model of the vehicle environment can be generated and changes in this vehicle environment can be reacted to.
  • ADAS advanced driver assistance systems
  • autonomously operating transport systems are increasing.
  • the development of ever more precise sensors makes it possible to record the environment and to control individual functions of the vehicle completely or partially without intervention by the driver.
  • Lidar technology (light detection and ranging) is an important sensor principle for detecting the surroundings.
  • a lidar sensor is based on the emission of light pulses and the detection of the reflected light.
  • a distance to the point of reflection can be calculated using a transit time measurement.
  • a target can be detected by evaluating the reflections received.
  • scanning systems which mostly work based on micromirrors, and non-scanning systems, in which several transmitting and receiving elements are arranged statically next to one another (especially so-called focal plane array arrangement) .
  • WO 2017/081294 A1 describes a method and a device for optical distance measurement.
  • a use of a transmission matrix for transmitting measuring pulses and a receiving matrix for receiving the measuring pulses is disclosed. When the measurement pulses are sent, subsets of the send elements of the send matrix are activated.
  • a challenge in the detection of objects by means of a lidar lies in the large variety of objects to be detected and their different properties with regard to the reflection of laser pulses. Dark objects such as tires are more difficult to detect than lighter objects such as bridge pillars or lane boundaries. Since there are a large number of different objects in the area of vehicle applications, all of which are to be detected, suitable lidar measuring devices must be designed accordingly. In order to ensure detections with sufficient reliability, the performance can be increased on the one hand. On the other hand, an update rate can optionally be reduced in order to enable more detections per time step.
  • the present invention has the object of providing an approach for the improved detection of objects in a field of view of a lidar measuring device.
  • the most reliable possible detection of objects with different properties should be achieved.
  • the energy consumption should be kept as low as possible.
  • a cost-effective realization of the lidar measuring device should be made possible.
  • the invention relates in a first aspect to an adaptation device for adapting a detection process of a lidar measuring device in a focal plane array arrangement on a vehicle, with:
  • an input interface for receiving a setting with information on at least two vertical detection zones
  • a setting unit for determining a control parameter of a detection process for each of the at least two detection zones based on the received setting
  • a selection unit for determining a subset of lines running parallel to a longitudinal plane of the vehicle of transmission elements of a lidar transmission unit of the lidar measuring device and / or sensor elements of a lidar reception unit of the Lidar measurement device for each of the at least two detection zones based on the received setting;
  • control unit for controlling the lidar measuring device, the determined subset of lines being controlled based on the determined control parameters for each detection zone in order to detect objects within the at least two detection zones.
  • the present invention relates to a lidar measuring device in a focal plane array arrangement for detecting objects in the surroundings of a vehicle with:
  • a lidar transmission unit with a plurality of transmission elements for emitting light pulses and a lidar reception unit with a plurality of sensor elements for receiving the light pulses, the transmission elements and the sensor elements being arranged in lines which run parallel to a longitudinal plane of the vehicle; and an adapter as previously defined.
  • a vertical detection zone is understood to mean a vertical section or area of the field of view.
  • a field of view of the lidar measuring device is divided into several detection zones.
  • a control parameter is now determined for each of these detection zones.
  • a subset of lines of transmitter elements and / or sensor elements running parallel to a horizontal plane of the vehicle is determined for each of these detection zones.
  • the respective subset of lines is controlled separately via a control unit.
  • different parameters are set for different parts of the field of view.
  • the line-by-line controllable lidar transmission unit or the line-by-line readable dar receiving unit is controlled in such a way that lines of different receiving zones are treated in different ways.
  • the upper rows of transmitting or sensor elements also at least partially capture the sky and objects above the road, such as bridges, ceilings, etc.
  • the lower rows of transmitting and / or sensor elements capture the road.
  • Different objects are to be expected in these different areas or detection zones.
  • different distances are particularly relevant. For example, a black tire can be on the road, whereas one is not to be expected in the sky. Due to the differentiation according to the invention and the individual definition of control parameters for at least two vertical detection zones, such model knowledge can be taken into account and made usable for object recognition.
  • the lidar measuring device is operated in such a way that the properties of the lidar transmitting unit or the lidar receiving unit for different vertical detection zones are adapted to the objects expected in these detection zones. In this way, the reliability in the detection of objects can be improved. In addition or as an alternative, it becomes possible to use a cost-effective sensor with constant reliability. There are also advantages in terms of the required performance and the required installation space.
  • the input interface is designed to receive a height of a horizon line in relation to an alignment and position of the lidar measuring device on the vehicle.
  • the selection unit is designed to determine a first subset of lines which are assigned to an area above the horizon line and a second subset of lines which are assigned to an area below the horizon line. In particular, it is expedient to distinguish between two detection zones on a horizon line.
  • the road and objects in the area of the road are primarily to be expected below the horizon line. Above the horizon line, objects that span the road are primarily to be expected. Objects that span the carriageway are usually comparatively light. Objects that lie on the carriageway can also be dark. In addition, different ranges are relevant.
  • the input interface is designed to receive a total time budget for a measurement process.
  • the setting unit is designed to determine a control parameter with a share of the total time budget for each detection zone.
  • a specific total time budget that is available for carrying out an individual measuring process can be specified for a lidar measuring device.
  • Such a total time budget arises, for example, on the basis of the desired or required measurement frequency (update rate) or also on the basis of the hardware implementation.
  • a given total time budget is distributed in an adapted manner to the various detection zones.
  • the input interface is designed to receive an overall power budget of a measurement process.
  • the setting unit is designed to determine a control parameter with a share of the total power budget for each detection zone.
  • a total performance budget can also be specified in a manner comparable to the specification of an overall time budget described above. This power is divided between the different detection zones so that the objects to be expected in this detection zone can be detected as reliably as possible.
  • the adaptation device is designed for adapting the detection process while the lidar measuring device is being put into operation.
  • the adaptation device according to the invention is used to adapt the detection process of the lidar measuring device.
  • the input interface as well as the setting unit and selection unit perform their function once when the lidar measuring device is put into operation, whereas the control unit performs its function during a measuring process, that is, during operation.
  • the input interface is designed to receive a setting with information on a vertical extent of four vertical detection zones.
  • a first detection zone corresponds to an area of the sky.
  • a second detection zone below the first detection zone corresponds to a distance viewing area.
  • a third detection zone below the two The th detection zone corresponds to a central lane area.
  • a fourth detection zone below the third detection zone corresponds to a nearby lane area.
  • the lidar measuring device is designed to carry out a time correlated single photon counting TCSPC measuring method.
  • the setting unit is designed to determine a number of TCSPC integrations. A number of TCSPC integrations is preferably determined as a control parameter in the setting unit. If a higher number of TCSPC integrations is used in a detection zone, an improved object recognition can be achieved within this detection zone. In particular, dark and / or objects that are further away can also be recognized.
  • the lidar measuring device is designed to be attached to a vehicle in an area of a bumper rail of the vehicle.
  • the lidar measuring device can be integrated into a bumper of the vehicle, for example. This results in a clear view of objects in front of or behind the vehicle.
  • the differentiation between different detection zones is particularly advantageous, since a free field of view results for the lidar measuring device.
  • the lidar transmitting unit and lidar receiving unit have a vertical field of view of 12 degrees to 20 degrees, preferably 16 degrees.
  • a center of the field of view of the vertical field of view preferably runs parallel to a longitudinal plane of the vehicle.
  • a larger field of vision is divided into different detection zones.
  • a specific parameter and a specific assignment in particular a number of TCSPC integrations as well as an indication of the lines for different detection zones (an assignment of lines to detection zones), can also be received directly via the input interface.
  • the setting unit and the selection unit then, so to speak, essentially forward the resulting speaking information to the control unit.
  • the setting unit for example forwards the number of TCSPC integrations for the respective detection zone as a control parameter.
  • the selection unit forwards the subsets on the basis of the received assignment of lines to detection zones.
  • a detection process corresponds to a transmission process of the lidar transmission unit and a corresponding readout over a predetermined period of time by the lidar reception unit.
  • a vertical detection zone corresponds to a part of the field of view of the lidar measuring device.
  • a focal plane array arrangement is understood to mean a configuration of the sensor elements (or the transmission elements) essentially in one plane.
  • a lidar receiving unit is in particular a microchip with corresponding sensor elements.
  • a lidar transmission unit is also in particular a microchip with corresponding transmission elements.
  • the receiving and transmitting units can be arranged together on a microchip.
  • the transmission and sensor elements are, for example, each arranged on a chip in matrix form and distributed over an area of the chip. One or more sensor elements are assigned to a transmission element.
  • a light pulse from a lidar transmission unit is understood to mean, in particular, a pulse of laser light.
  • the surroundings of a vehicle include in particular an area in the surroundings of the vehicle that is visible from the vehicle.
  • the longitudinal plane of a vehicle is aligned parallel to a longitudinal and a transverse axis of the vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a lidar measuring device according to one aspect of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an adaptation unit according to the invention
  • 3 shows a schematic representation of an adaptation device with four vertical detection zones
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a method according to the invention.
  • a lidar measuring device 10 for detecting an object 12 in the vicinity of a vehicle 14 is shown schematically.
  • the lidar measuring device 10 is integrated into the vehicle 14 in the exemplary embodiment shown.
  • the object 12 in the vicinity of the vehicle 14 can be, for example, another vehicle or a static object (traffic sign, house, tree, etc.) or another road user (pedestrians, cyclists, etc.).
  • the lidar measuring device 10 is preferably mounted in the area of a bumper of the vehicle 14 and can in particular evaluate the surroundings of the vehicle 14 in front of the vehicle.
  • the lidar measuring device 10 can be integrated into the front bumper.
  • the lidar measuring device 10 comprises a lidar receiving unit 16 and a lidar transmitting unit 18. Furthermore, the lidar measuring device 10 comprises an adaptation device 20 for adapting a field of view of the lidar measuring device 10.
  • Both the lidar receiving unit 16 and the lidar transmitting unit 18 are preferably designed in a focal plane array configuration.
  • the elements of the respective device are arranged essentially in one plane on a corresponding chip.
  • the chip of the lidar receiving unit or the lidar transmitting unit is arranged in a focal point of a corresponding optical system (transmitting optical system or receiving optical system).
  • sensor elements of the lidar receiving unit 16 or transmitting elements of the lidar transmitting unit 18 are arranged at the focal point of the respective receiving or transmitting optics. These optics can be formed, for example, by an optical lens system.
  • the sensor elements of the lidar receiving unit 16 are preferably designed as SPAD (Single Photon Avalanche Diode).
  • the lidar transmission unit 18 comprises several transmission elements for emitting laser light or laser pulses.
  • the transmission elements are preferably designed as VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  • the transmission elements of the lidar transmission unit 18 are divided ver over an area of a transmission chip.
  • the sensor elements of the lidar receiving unit 16 are distributed over an area of the receiving chip.
  • the transmission chip is assigned a transmission optics
  • the reception chip is assigned a receiving optics.
  • the optics depict light arriving from a spatial area onto the respective chip.
  • the spatial area corresponds to the visual area of the lidar measuring device 10, which is examined or sensed for objects 12.
  • the spatial area of the lidar receiving unit 16 or the lidar transmitting unit 18 is essentially identical.
  • the transmission optics images a transmission element onto a solid angle that represents a partial area of the spatial area.
  • the transmission element sends out laser light accordingly in this solid angle.
  • the transmission elements jointly cover the entire room area.
  • the receiving optics images a sensor element onto a solid angle that represents a sub-area of the spatial area. The number of all sensor elements covers the entire room area.
  • a laser light from a transmission element is normally always mapped onto the associated sensor element.
  • several sensor elements are arranged within the solid angle of a Sendeele element.
  • the lidar measuring device 10 carries out a measuring process.
  • a measuring process comprises one or more measuring cycles, depending on the design of the measuring system and its electronics.
  • a TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) method is preferably used in the control unit.
  • individual incoming photons are detected, in particular by a SPAD, and the time at which the sensor element was triggered (detection time) is stored in a memory element.
  • the time of detection is related to a reference time at which the laser light is emitted. The difference can be determine the transit time of the laser light, from which the distance of the object 12 can be determined.
  • a sensor element of the lidar receiving unit 16 can be triggered on the one hand by the laser light and on the other hand by ambient radiation.
  • a laser light always arrives at a certain distance from the object 12 at the same time, whereas the ambient radiation always provides the same probability of triggering a sensor element.
  • the triggering of the sensor element add up at the detection time which corresponds to the transit time of the laser light with respect to the distance of the object.
  • the triggers from the ambient radiation are evenly distributed over the measurement duration of a measurement cycle.
  • a measurement corresponds to the emission and subsequent detection of the laser light.
  • the data of the individual measuring cycles of a measuring process stored in the memory element enable an evaluation of the multiple detection times in order to infer the distance from the object 12.
  • a sensor element is favorably connected to a TDC (Time to Digital Converter).
  • the TDC stores the time at which the sensor element was triggered in the storage element.
  • a storage element can be designed, for example, as a short-term memory or as a long-term memory.
  • the TDC fills a storage element with the times at which the sensor elements detect the arrival of the photon. This can be represented graphically by means of a histogram based on the data of the memory element. In a histogram, the duration of a measurement cycle is divided into very short time segments (so-called bins). If a sensor element is triggered, the TDC increases the value of a bin by 1. The bin is filled which corresponds to the transit time of the laser pulse, i.e. the difference between the time of detection and the reference time.
  • an adaptation device for adapting a detection process of a lidar measuring device in a focal plane array arrangement on a vehicle.
  • the adaptation device 20 comprises an input interface 22, a setting unit 24, a selection unit 26 and a control unit 28.
  • the various units and interfaces can be implemented or implemented individually or in combination in software and / or hardware be. In particular, the units can be implemented in software that is executed on a processor of the lidar measuring device.
  • a setting is received via the input interface 22.
  • the setting includes information on at least two vertical detection zones.
  • the setting can in particular already include an assignment between lines of transmission elements and / or sensor elements to detection zones and an indication of a performance and / or a number of integration processes for each detection zone.
  • the setting includes other information on the basis of which a control parameter and a subset of lines can then be determined for each of the detection zones.
  • the setting can be an indication of the current surroundings of the vehicle.
  • the activation of the lidar measuring device according to the invention can also take place based on a current traffic situation.
  • a different setting is used on a motorway than on a country road or in city traffic. The traffic situation in which the vehicle is located (i.e.
  • the setting can be determined based on environmental sensors, map material, user input or other information sources.
  • a total power budget and / or a total time budget can be received as a setting. This total budget can then be divided in the setting unit 24 and in the selection unit 26 among the various detection zones.
  • a control parameter of a detection process is determined for each detection zone.
  • the control parameter can in particular include a number of TCSPC integration processes. Such a number can be determined, for example, based on a predetermined total number of possible TCSPC integration processes (total time budget).
  • the control parameters allow the lidar measuring device to be controlled and specify the properties of the measuring process.
  • a separate control parameter is determined for each of the detection zones. In this respect, each detection zone is operated with different properties.
  • a subset of rows of transmission elements and / or sensor elements is determined in the selection unit 26.
  • the received setting is evaluated for this purpose. It is determined which rows of the cell-shaped arranged lidar chip are assigned or assigned to the respective detection zones. If a specification of the lines has already been received as a setting, this can be passed on directly in the selection unit 26. It is also possible that the subset of lines is determined, for example, based on a setting that includes an indication of the zone sizes on an absolute or relative scale.
  • the lidar measuring device is activated via the control unit 28.
  • the assigned subset of lines is controlled separately for each detection zone based on the corresponding control parameters.
  • the lidar measuring device is operated in such a way that objects within the detection zones are detected with different parameters.
  • a vehicle 14 is shown schematically in a side view, in which a lidar measuring device 10 is arranged with an adapter 20, a lidar receiving unit 16 and a lidar transmitting unit 18 in the area of the bumper.
  • the vertical field of view 30 of the lidar measuring device is divided into a total of four different detection zones E 1 -E 4 . In each of these detection zones E 1 -E 4 , separate control parameters are set or used.
  • the vertical field of view can, for example, have an opening angle of 16 degrees.
  • the lidar transmission unit comprises a total of 80 lines of transmission elements
  • lines 65 to 74 of the third detection zone E3 and lines 75 to 79 are assigned to the fourth detection zone E4.
  • the boundary between the first acquisition zone Ei and the second acquisition zone E2 runs on a horizontal plane H, which corresponds to a longitudinal plane of the vehicle 14 in the illustrated exemplary embodiment.
  • the first detection zone Ei then corresponds to an area of the sky above the horizon line. Long range is required in this first detection zone, but dark objects are unlikely to occur.
  • a budget of 235 TCSPC integrations can be provided in this area, for example.
  • a distance vision area is recorded in this area. In this area it is very relevant to be able to recognize dark objects, for example, to be able to detect tires lying on the road. A higher number of TCSPC integrations are therefore used in this area, for example 355.
  • a middle lane area that is to say a lane area at a medium distance, is recorded. For example, the middle area corresponds to a distance of up to 29 meters.
  • a number of 262 TCSPC integrations can be specified using the control parameters.
  • a near lane area that is to say an area directly in front of the vehicle, for example up to a distance of 10 meters, is evaluated. Because this area is close and it may not be possible to react to possible obstacles anyway, a smaller number of TCSPC integrations is sufficient. For example, 222 TCSPC integrations can be used. Overall, the TCSPC integrations are each assigned to the expected object properties in the corresponding detection zone.
  • a lidar transmission unit 18 according to the invention is shown schematically in FIG. 4.
  • the lidar transmission unit 18 comprises a plurality of transmission elements 32 which are arranged in a plurality of rows Zi-Ze. For reasons of clarity, only a few lines or a selection of the transmitting elements 32 are shown in the drawing.
  • the lidar transmission unit 18 can comprise an array with 80 * 128 transmission elements 32, for example.
  • a corresponding sensor element of the lidar receiving unit is assigned to each transmitting element 32.
  • a sensor element can also describe a macro cell with several individual SPAD cells.
  • the transmission elements 32 can be activated line by line. This means that all transmission elements 32 which are arranged in the same row Zi-Ze can be activated simultaneously.
  • the lidar transmission unit 18 is designed in a focal plane array arrangement and is permanently connected to the vehicle or is installed in the vehicle, the alignment of the array of the lidar transmission unit 18 with respect to the vehicle cannot be changed during operation will.
  • the assignment of the detection zones to the various lines of transmission and / or sensor elements can therefore also be specified when the sensor is started up. An adjustment during runtime is also conceivable.
  • lines that are assigned to a specific detection zone are operated with different control parameters. ben. In this way, objects within the detection zones can be detected in an optimized manner.
  • the lidar receiving unit is designed with sensor elements corresponding to the lidar transmitting unit 18.
  • the lidar transmitting unit 18 and the lidar receiving unit 16 are firmly connected to one another and are preferably arranged next to one another when the vehicle is moving.
  • the sensor elements of the lidar reception unit 16 can also be read line by line.
  • FIG. 5 schematically shows a method according to the invention for adapting a detection process of a lidar measuring device in a focal plane array arrangement on a vehicle.
  • the method comprises the steps of receiving S10 a setting, determining S12 a control parameter, determining S14 a subset of parallel lines of transmitting elements and / or sensor elements and activating S16 the lidar measuring device.
  • the method can be implemented, for example, in software that is executed on a processor of a lidar measuring device.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anpassungsvorrichtung (20) zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14), mit: einer Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen einer Einstellung mit Informationen zu mindestens zwei vertikalen Erfassungszonen; einer Einstellungseinheit (24) zum Ermitteln eines Steuerungsparameters eines Detektionsvorgangs für jede der mindestens zwei Erfassungszonen (E1-E4) basierend auf der empfangenen Einstellung; einer Auswahleinheit (26) zum Ermitteln einer Teilmenge von parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen von Sendeelementen (32) einer Lidar-Sendeeinheit (18) der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit (16) der Lidar- Messvorrichtung für jede der mindestens zwei Erfassungszonen basierend auf der empfangenen Einstellung; und einer Steuereinheit (28) zum Ansteuern der Lidar- Messvorrichtung, wobei für jede Erfassungszone die ermittelte Teilmenge an Zeilen basierend auf dem ermittelten Steuerparameter angesteuert wird, um Objekte (12) innerhalb der mindestens zwei Erfassungszonen zu detektieren. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Lidar-Messvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14).

Description

Anpassungsvorrichtung und Lidar-Messvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anpassungsvorrichtung zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Lidar- Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung eines Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Anpassen eines Detekti onsvorgangs einer Lidar-Messvorrichtung.
Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder, fahrerlose Trans portsysteme etc.) umfassen eine Vielzahl an Systemen, die einem Fahrer bzw. Bedie ner Informationen zur Verfügung stellen und/oder einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahr zeugs sowie gegebenenfalls andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden. Durch die fortschrei tende Entwicklung im Bereich der autonom und teilautonom fahrenden Fahrzeuge werden der Einfluss und der Wirkungsbereich von Fahrerassistenzsystemen (Advan ced Driver Assistance Systems, ADAS) und autonom operierenden Transportsystemen immer größer. Durch die Entwicklung immer präziserer Sensoren ist es möglich, die Umgebung zu erfassen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs vollständig oder teil weise ohne Eingriff des Fahrers zu kontrollieren.
Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtpul sen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Durch eine Auswertung der emp fangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der tech nischen Realisierung des entsprechenden Sensors wird zwischen scannenden Syste men, die zumeist basierend auf Mikrospiegeln funktionieren, und nichtscannenden Systemen, bei denen mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinan derliegend angeordnet sind (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung), unterschieden. In diesem Zusammenhang wird in der WO 2017/081294 Al ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung beschrieben. Es wird eine Verwendung einer Sendematrix zum Aussenden von Messpulsen und einer Empfangsmatrix zum Empfangen der Messpulse offenbart. Beim Senden der Messpulse werden Untermen gen der Sendeelemente der Sendematrix aktiviert.
Eine Herausforderung bei der Detektion von Objekten mittels eines Lidars liegt in der großen Vielfalt der zu detektierenden Objekte und deren unterschiedlichen Eigen schaften hinsichtlich der Reflexion von Laserpulsen. Dunkle Objekte, wie beispielswei se Reifen, sind schwerer zu detektieren als hellere Objekte, wie beispielsweise Brü ckenpfeiler oder Fahrbahnbegrenzungen. Da es im Bereich der Fahrzeuganwendun gen eine Vielzahl an verschiedenen Objekten gibt, die alle detektiert werden sollen, müssen geeignete Lidar-Messvorrichtungen in entsprechender Weise ausgelegt sein. Um Detektionen mit ausreichender Zuverlässigkeit sicherzustellen, kann einerseits die Leistung erhöht werden. Andererseits kann gegebenenfalls eine Aktualisierungsrate verringert werden, um mehr Detektionen pro Zeitschritt zu ermöglichen.
Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zur verbesserten Detektion von Objekten in einem Sichtfeld einer Lidar- Messvorrichtung bereitzustellen. Insbesondere soll eine möglichst zuverlässige Detek tion von Objekten mit unterschiedlichen Eigenschaften erreicht werden. Der Energie verbrauch soll dabei möglichst geringgehalten werden. Zudem soll eine kostengünsti ge Realisierung der Lidar-Messvorrichtung ermöglicht werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Anpas sungsvorrichtung zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Lidar- Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug, mit:
einer Eingangsschnittstelle zum Empfangen einer Einstellung mit Informationen zu mindestens zwei vertikalen Erfassungszonen;
einer Einstellungseinheit zum Ermitteln eines Steuerungsparameters eines Detekti onsvorgangs für jede der mindestens zwei Erfassungszonen basierend auf der emp fangenen Einstellung;
einer Auswahleinheit zum Ermitteln einer Teilmenge von parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen von Sendeelementen einer Lidar-Sendeeinheit der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit der Lidar-Messvorrichtung für jede der mindestens zwei Erfassungszonen basierend auf der empfangenen Einstellung; und
einer Steuereinheit zum Ansteuern der Lidar-Messvorrichtung, wobei für jede Erfas sungszone die ermittelte Teilmenge an Zeilen basierend auf dem ermittelten Steuer parameter angesteuert wird, um Objekte innerhalb der mindestens zwei Erfassungs zonen zu detektieren.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Lidar- Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten in einer Umgebung eines Fahrzeugs mit:
einer Lidar-Sendeeinheit mit einer Vielzahl an Sendeelementen zum Aussenden von Lichtpulsen und einer Lidar-Empfangseinheit mit einer Vielzahl von Sensorelementen zum Empfangen der Lichtpulse, wobei die Sendeelemente und die Sensorelemente in Zeilen angeordnet sind, die parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs verlaufen; und einer Anpassungsvorrichtung wie zuvor definiert.
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechend der Anpassungsvorrich tung ausgebildetes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt mit Programm code zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf ei nem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computer programm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens bewirkt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zwischen mindestens zwei vertikalen Erfas sungszonen unterschieden wird. Unter einer vertikalen Erfassungszone versteht sich dabei ein vertikaler Abschnitt bzw. Bereich des Sichtfelds. Ein Sichtfeld der Lidar- Messvorrichtung wird in mehrere Erfassungszonen unterteilt. In der erfindungsgemä ßen Anpassungsvorrichtung wird nun für jede dieser Erfassungszonen ein Steuerpa rameter ermittelt. Zudem wird für jede dieser Erfassungszonen eine Teilmenge von parallel zu einer horizontalen Ebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen von Sende elementen und/oder Sensorelementen ermittelt. Dann wird über eine Steuereinheit die jeweilige Teilmenge an Zeilen separat angesteuert. In anderen Worten werden also für unterschiedliche Anteile des Sichtfelds unterschiedliche Parameter festgelegt. Die zeilenweise ansteuerbare Lidar-Sendeeinheit bzw. die zeilenweise auslesbare Li- dar-Empfangseinheit wird derart angesteuert, dass Zeilen verschiedener Empfangszo nen in unterschiedlicher Weise behandelt werden.
Im Ergebnis ergibt sich eine verbesserte Detektion von Objekten. An einem Fahrzeug erfassen die oberen Zeilen von Sende- bzw. Sensorelementen zumindest teilweise auch den Himmel sowie Objekte oberhalb der Fahrbahn, wie Brücken, Decken etc. Die unteren Zeilen von Sende- und/oder Sensorelementen erfassen die Fahrbahn. In die sen verschiedenen Bereichen bzw. Erfassungszonen sind unterschiedliche Objekte zu erwarten. Zudem sind unterschiedliche Distanzen besonders relevant. Beispielsweise kann auf der Fahrbahn ein schwarzer Reifen liegen, wohingegen ein solcher im Him mel nicht zu erwarten ist. Durch die erfindungsgemäße Unterscheidung und individu elle Festlegung von Steuerungsparametern für mindestens zwei vertikale Erfassungs zonen kann derartiges Modellwissen berücksichtigt und für die Objekterkennung nutzbar gemacht werden. Die Lidar-Messvorrichtung wird so betrieben, dass die Ei genschaften der Lidar-Sendeeinheit bzw. der Lidar-Empfangseinheit für unterschiedli che vertikale Erfassungszonen den in diesen Erfassungszonen erwarteten Objekten angepasst werden. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit bei der Detektion von Objekten verbessert werden. Zudem bzw. alternativ wird es möglich, einen kostengünstigen Sensor bei gleichbleibender Zuverlässigkeit zu verwenden. Ebenfalls ergeben sich Vor teile hinsichtlich der benötigten Leistung sowie hinsichtlich des benötigten Bauraums.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen einer Höhe einer Horizontlinie in Relation zu einer Ausrichtung und Position der Lidar- Messvorrichtung an dem Fahrzeug ausgebildet. Die Auswahleinheit ist zum Ermitteln einer ersten Teilmenge von Zeilen, die einem Bereich oberhalb der Horizontlinie zu geordnet sind, und einer zweiten Teilmenge an Zeilen, die einem Bereich unterhalb der Horizontlinie zugeordnet sind, ausgebildet. Insbesondere ist es zielführend, zwei Erfassungszonen an einer Horizontlinie zu unterscheiden. Unterhalb der Horizontlinie werden in erster Linie die Fahrbahn sowie Objekte im Bereich der Fahrbahn zu erwar ten sein. Oberhalb der Horizontlinie werden in erster Linie Objekte, die die Fahrbahn überspannen, zu erwarten sein. Objekte, die die Fahrbahn überspannen, sind norma lerweise vergleichsweise hell. Objekte, die auf der Fahrbahn liegen, können auch dun kel sein. Zudem sind unterschiedliche Reichweitenbereiche relevant. Eine Anpassung der Eigenschaften bei der Detektion kann entsprechend erfolgen. Es ergibt sich eine verbesserte Zuverlässigkeit. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines Gesamtzeitbudgets eines Messvorgangs ausgebildet. Die Einstellungseinheit ist zum Ermitteln eines Steuerungsparameters mit einem Anteil am Gesamtzeitbudget für jede Erfassungszone ausgebildet. Insbesondere kann für eine Lidar-Messvorrichtung ein bestimmtes Gesamtzeitbudget, das zum Ausführen eines einzelnen Messvorgangs zur Verfügung steht, vorgegeben sein. Ein derartiges Gesamtzeitbudget ergibt sich beispielsweise ausgehend von der gewünschten oder benötigten Messfrequenz (Ak tualisierungsrate) oder auch ausgehend von der Hardwareimplementierung. Ein vor gegebenes Gesamtzeitbudget wird in angepasster Weise auf die verschiedenen Erfas sungszonen verteilt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Emp fangen eines Gesamtleistungsbudgets eines Messvorgangs ausgebildet. Die Einstel lungseinheit ist zum Ermitteln eines Steuerungsparameters mit einem Anteil an dem Gesamtleistungsbudget für jede Erfassungszone ausgebildet. Vergleichbar zu der zu vor beschriebenen Vorgabe eines Gesamtzeitbudgets kann auch ein Gesamtleistungs budget vorgegeben sein. Diese Leistung wird auf die unterschiedlichen Erfassungszo nen so aufgeteilt, dass die in dieser Erfassungszone zu erwartenden Objekte möglichst zuverlässig detektiert werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Anpassungsvorrichtung zum Anpassen des Detektionsvorgangs während einer Inbetriebnahme der Lidar-Messvorrichtung aus gebildet. Die erfindungsgemäße Anpassungsvorrichtung wird dazu verwendet, den Detektionsvorgang der Lidar-Messvorrichtung anzupassen. Die Eingangsschnittstelle sowie die Einstellungseinheit und Auswahleinheit führen insoweit ihre Funktion ein malig bei der Inbetriebnahme der Lidar-Messvorrichtung aus, wohingegen die Steuer einheit ihre Funktion jeweils während eines Messvorgangs, also im laufenden Betrieb, ausführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Emp fangen einer Einstellung mit Informationen zu einer vertikalen Ausdehnung von vier vertikalen Erfassungszonen ausgebildet. Eine erste Erfassungszone entspricht einem Bereich des Himmels. Eine zweite Erfassungszone unterhalb der ersten Erfassungszo ne entspricht einem Fernsichtbereich. Eine dritte Erfassungszone unterhalb der zwei- ten Erfassungszone entspricht einem mittleren Fahrbahnbereich. Eine vierte Erfas sungszone unterhalb der dritten Erfassungszone entspricht einem nahen Fahrbahnbe reich. Durch eine Verwendung von insgesamt vier Erfassungszonen wird erreicht, dass in mehreren Bereichen das Verhalten des Detektionsvorgangs auf die jeweils in die sem Bereich zu erwartenden Objekte angepasst wird. Hierdurch kann die Zuverlässig keit verbessert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Lidar-Messvorrichtung zum Aus fuhren eines Time Correlated Single Photon Counting-TCSPC-Messverfahrens ausge bildet. Die Einstellungseinheit ist zum Ermitteln einer Anzahl an TCSPC-lntegrationen ausgebildet. Vorzugsweise wird in der Einstellungseinheit als Steuerungsparameter eine Anzahl an TCSPC-lntegrationen ermittelt. Wenn eine höhere Anzahl an TCSPC- lntegrationen in einer Erfassungszone verwendet wird, kann innerhalb dieser Erfas sungszone eine verbesserte Objekterkennung erreicht werden. Insbesondere können auch dunkle und/oder weiter entfernte Objekte erkannt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Lidar-Messvorrichtung ist die Lidar- Messvorrichtung zum Anbringen an einem Fahrzeug in einem Bereich einer Stoßstan ge des Fahrzeugs ausgebildet. Die Lidar-Messvorrichtung kann beispielsweise in eine Stoßstange des Fahrzeugs integriert sein. Hierdurch ergibt sich eine freie Sicht auf Ob jekte vor bzw. hinter dem Fahrzeug. Die Unterscheidung verschiedener Erfassungszo nen ist besonders vorteilhaft, da sich für die Lidar-Messvorrichtung ein freies Sichtfeld ergibt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Lidar-Messvorrichtung weisen die Lidar- Sendeeinheit und Lidar-Empfangseinheit ein vertikales Sichtfeld von 12 Grad bis 20 Grad, vorzugsweise 16 Grad auf. Eine Sichtfeldmitte des vertikalen Sichtfelds verläuft vorzugsweise parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs. Ein größeres Sicht feld wird in unterschiedliche Erfassungszonen aufgeteilt.
Es versteht sich, dass über die Eingangsschnittstelle auch direkt ein konkreter Parame ter und eine konkrete Zuordnung, insbesondere eine Anzahl an TCSPC-lntegrationen sowie eine Angabe der Zeilen für verschiedene Erfassungszonen (eine Zuordnung von Zeilen zu Erfassungszonen), empfangen werden kann. Die Einstellungseinheit und die Auswahleinheit führen dann sozusagen im Wesentlichen eine Weiterleitung der ent- sprechenden Informationen an die Steuereinheit aus. Die Einstellungseinheit gibt also beispielsweise die Anzahl an TCSPC-lntegrationen für die jeweilige Erfassungszone als Steuerungsparameter weiter. Die Auswahleinheit gibt die Teilmengen ausgehend von der empfangenen Zuordnung von Zeilen zu Erfassungszonen weiter.
Ein Detektionsvorgang entspricht einem Sendevorgang der Lidar-Sendeeinheit und einer entsprechenden Auslesung über eine vorgegebene Zeitdauer der Lidar- Empfangseinheit. Eine vertikale Erfassungszone entspricht einem Teil des Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung. Unter einer Focal Plane Array-Anordnung versteht sich eine Konfiguration der Sensorelemente (bzw. der Sendeelemente) im Wesentlichen in einer Ebene. Eine Lidar-Empfangseinheit ist insbesondere ein Mikrochip mit entspre chenden Sensorelementen. Eine Lidar-Sendeeinheit ist ebenfalls insbesondere ein Mikrochip mit entsprechenden Sendeelementen. Die Empfangs- und Sendeeinheit können gemeinsam auf einem Mikrochip angeordnet sein. Die Sende- und Sensorel emente sind beispielsweise jeweils auf einem Chip in Matrixform angeordnet und über eine Fläche des Chips verteilt. Einem Sendeelement sind ein oder mehrere Sen sorelemente zugeordnet. Unter einem Lichtpuls einer Lidar-Sendeeinheit wird insbe sondere ein Puls von Laserlicht verstanden. Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahr zeugs. Die Längsebene eines Fahrzeugs ist parallel zu einer Längs- und einer Querach se des Fahrzeugs ausgerichtet.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die An passungsvorrichtung, die Lidar-Messvorrichtung sowie das Verfahren und das Compu terprogrammprodukt entsprechend der für die Anpassungsvorrichtung bzw. die Lidar- Messvorrichtung in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen aus geführt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lidar-Messvorrichtung gemäß einem As pekt der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anpassungseinheit; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anpassungsvorrichtung mit vier vertikalen Erfassungszonen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Lidar-Sendeeinheit; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lidar-Messvorrichtung 10 zum Detektieren eines Objekts 12 in einer Umgebung eines Fahrzeugs 14 dargestellt. Die Lidar-Messvorrichtung 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Fahrzeug 14 integriert. Das Objekt 12 in der Umgebung des Fahrzeugs 14 kann beispielsweise ein anderes Fahrzeug oder auch ein statisches Objekt (Verkehrsschild, Haus, Baum etc.) bzw. ein anderer Verkehrsteilnehmer (Fußgänger, Radfahrer etc.) sein. Die Lidar- Messvorrichtung 10 ist vorzugsweise im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 14 montiert und kann insbesondere die Umgebung des Fahrzeugs 14 vor dem Fahrzeug auswerten. Beispielsweise kann die Lidar-Messvorrichtung 10 in die vordere Stoß stange integriert sein.
Die erfindungsgemäße Lidar-Messvorrichtung 10 umfasst eine Lidar-Empfangseinheit 16 sowie eine Lidar-Sendeeinheit 18. Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung 10 eine Anpassungsvorrichtung 20 zum Anpassen eines Sichtfelds der Lidar- Messvorrichtung 10.
Vorzugsweise sind sowohl die Lidar-Empfangseinheit 16 als auch die Lidar- Sendeeinheit 18 in Focal Plane Array-Konfiguration ausgebildet. Die Elemente der je weiligen Vorrichtung sind im Wesentlichen in einer Ebene auf einem entsprechenden Chip angeordnet. Der Chip der Lidar-Empfangseinheit bzw. der Lidar-Sendeeinheit ist in einem Brennpunkt einer entsprechenden Optik (Sendeoptik oder Empfangsoptik) angeordnet. Insbesondere sind Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 bzw. Sendeelemente der Lidar-Sendeeinheit 18 im Brennpunkt der jeweiligen Empfangs- bzw. Sendeoptik angeordnet. Diese Optik kann beispielsweise durch ein optisches Lin sensystem ausgebildet sein. Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 sind vorzugsweise als SPAD (Single Photon Avalanche Diode) ausgebildet. Die Lidar-Sendeeinheit 18 umfasst mehrere Sendeelemente zum Aussenden von Laserlicht bzw. Laserpulsen. Die Sendeelemente sind vorzugsweise als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet. Die Sendeelemente der Lidar-Sendeeinheit 18 sind über eine Fläche eines Sendechips ver teilt. Die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 sind über eine Fläche des Empfangschips verteilt.
Dem Sendechip ist eine Sendeoptik zugewiesen, dem Empfangschip ist eine Emp fangsoptik zugewiesen. Die Optik bildet ein aus einem Raumbereich eintreffendes Licht auf den jeweiligen Chip ab. Der Raumbereich entspricht dem Sichtbereich der Lidar-Messvorrichtung 10, der auf Objekte 12 untersucht bzw. sensiert wird. Der Raumbereich der Lidar-Empfangseinheit 16 bzw. der Lidar-Sendeeinheit 18 ist im We sentlichen identisch. Die Sendeoptik bildet ein Sendeelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs repräsentiert. Das Sendeelement sendet entsprechend Laserlicht in diesen Raumwinkel aus. Die Sendeelemente decken ge meinsam den gesamten Raumbereich ab. Die Empfangsoptik bildet ein Sensorelement auf einen Raumwinkel ab, der einen Teilbereich des Raumbereichs darstellt. Die An zahl aller Sensorelemente deckt den gesamten Raumbereich ab. Sendeelemente und Sensorelemente, die denselben Raumwinkel betrachten, bilden aufeinander ab und sind entsprechend einander zugewiesen bzw. zugeordnet. Ein Laserlicht eines Sende elements bildet im Normalfall immer auf das zugehörige Sensorelement ab. Günsti gerweise sind mehrere Sensorelemente innerhalb des Raumwinkels eines Sendeele ments angeordnet.
Zur Ermittlung bzw. Detektion von Objekten 12 innerhalb des Raumbereichs führt die Lidar-Messvorrichtung 10 einen Messvorgang durch. Ein solcher Messvorgang umfasst einen oder mehrere Messzyklen, je nach konstruktivem Aufbau des Messsystems und dessen Elektronik. Vorzugsweise wird hierbei in der Steuereinheit ein TCSPC- Verfahren (Time Correlated Single Photon Counting Verfahren) verwendet. Hierbei werden einzelne eintreffende Photonen detektiert, insbesondere durch eine SPAD, und der Zeitpunkt der Auslösung des Sensorelements (Detektionszeitpunkt) in einem Speicherelement abgelegt. Der Detektionszeitpunkt steht im Verhältnis zu einem Re ferenzzeitpunkt, zu dem das Laserlicht ausgesendet wird. Aus der Differenz lässt sich die Laufzeit des Laserlichts ermitteln, woraus der Abstand des Objekts 12 bestimmt werden kann.
Ein Sensorelement der Lidar-Empfangseinheit 16 kann einerseits von dem Laserlicht und andererseits von Umgebungsstrahlung ausgelöst werden. Ein Laserlicht trifft bei einem bestimmten Abstand des Objekts 12 immer zur gleichen Zeit ein, wohingegen die Umgebungsstrahlung jederzeit dieselbe Wahrscheinlichkeit bereitstellt, ein Senso relement auszulösen. Bei der mehrfachen Durchführung einer Messung, insbesondere mehrerer Messzyklen, summieren sich die Auslösungen des Sensorelements bei dem Detektionszeitpunkt, der der Laufzeit des Laserlichts bezüglich der Entfernung des Objekts entspricht, auf. Demgegenüber verteilen sich die Auslösungen durch die Um gebungsstrahlung gleichmäßig über die Messdauer eines Messzyklus. Eine Messung entspricht dem Aussenden und anschließendem Detektieren des Laserlichts. Die in dem Speicherelement abgelegten Daten der einzelnen Messzyklen eines Messvor gangs ermöglichen eine Auswertung der mehrfach ermittelten Detektionszeitpunkte, um auf den Abstand des Objekts 12 zu schließen.
Ein Sensorelement ist günstigerweise mit einem TDC (Time to Digital Converter) ver bunden. Der TDC legt den Zeitpunkt des Auslösens des Sensorelements in dem Spei cherelement ab. Ein solches Speicherelement kann beispielsweise als Kurzzeitspeicher oder als Langzeitspeicher ausgebildet sein. Der TDC füllt für einen Messvorgang ein Speicherelement mit den Zeitpunkten, zu denen die Sensorelemente ein eintreffen des Photon detektieren. Dies lässt sich graphisch durch ein Histogramm darstellen, welches auf den Daten des Speicherelements basiert. Bei einem Histogramm ist die Dauer eines Messzyklus in sehr kurze Zeitabschnitte unterteilt (sogenannte Bins). Wird ein Sensorelement ausgelöst, so erhöht der TDC den Wert eines Bins um 1. Es wird der Bin aufgefüllt, welcher der Laufzeit des Laserpulses entspricht, also die Diffe renz zwischen Detektionszeitpunkt und Referenzzeitpunkt.
In der Fig. 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anpassungsvorrichtung zum An passen eines Detektionsvorgangs einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array- Anordnung an einem Fahrzeug dargestellt. Die Anpassungsvorrichtung 20 umfasst eine Eingangsschnittstelle 22, eine Einstellungseinheit 24, eine Auswahleinheit 26 so wie eine Steuereinheit 28. Die verschiedenen Einheiten und Schnittstellen können einzeln oder kombiniert in Soft- und/oder in Hardware ausgeführt bzw. implementiert sein. Insbesondere können die Einheiten in Software implementiert sein, die auf ei nem Prozessor der Lidar-Messvorrichtung ausgeführt wird.
Über die Eingangsschnittstelle 22 wird eine Einstellung empfangen. Die Einstellung umfasst Informationen zu mindestens zwei vertikalen Erfassungszonen. Die Einstel lung kann insbesondere bereits eine Zuordnung zwischen Zeilen von Sendeelementen und/oder Sensorelementen zu Erfassungszonen sowie jeweils eine Angabe einer Leis tung und/oder einer Anzahl an Integrationsvorgängen für jede Erfassungszone umfas sen. Es ist aber auch möglich, dass die Einstellung andere Informationen umfasst, auf deren Basis dann ein Steuerungsparameter sowie eine Teilmenge an Zeilen für jede der Erfassungszonen ermittelt werden kann. Beispielsweise kann die Einstellung eine Angabe einer aktuellen Umgebung des Fahrzeugs sein. So kann die erfindungsgemäße Ansteuerung der Lidar-Messvorrichtung auch basierend auf einer aktuellen Verkehrs situation erfolgen. Auf einer Autobahn wird eine andere Einstellung verwendet als auf einer Landstraße oder im Stadtverkehr. In welcher Verkehrssituation sich das Fahr zeug befindet (also die Einstellung), kann basierend auf Umgebungssensorik, Karten material, einer Nutzereingabe oder anderen Informationsquellen festgestellt werden. Insbesondere kann ein Gesamtleistungsbudget und/oder ein Gesamtzeitbudget als Einstellung empfangen werden. Dieses Gesamtbudget kann dann in der Einstellungs einheit 24 sowie in der Auswahleinheit 26 auf die verschiedenen Erfassungszonen aufgeteilt werden.
In der Einstellungseinheit 24 wird ein Steuerungsparameter eines Detektionsvorgangs für jede Erfassungszone ermittelt. Der Steuerungsparameter kann insbesondere eine Anzahl an TCSPC-lntegrationsvorgängen umfassen. Eine solche Anzahl kann beispiels weise basierend auf einer vorgegebenen Gesamtzahl an möglichen TCSPC- lntegrationsvorgängen (Gesamtzeitbudget) ermittelt werden. Der Steuerungsparame ter erlaubt eine Ansteuerung der Lidar-Messvorrichtung und gibt Eigenschaften des Messvorgangs vor. Insbesondere wird für jede der Erfassungszonen ein separater Steuerungsparameter ermittelt. Insoweit wird jede Erfassungszone mit anderen Ei genschaften betrieben.
In der Auswahleinheit 26 wird eine Teilmenge von Zeilen von Sendeelementen und/oder Sensorelementen ermittelt. Hierzu wird die empfangene Einstellung ausge wertet. Es wird festgelegt, welche Zeilen des zellenförmig angeordneten Lidar-Chips den jeweiligen Erfassungszonen zugeordnet bzw. zuzuordnen sind. Wenn als Einstel lung bereits eine Vorgabe der Zeilen empfangen wurde, kann diese in der Aus wahleinheit 26 direkt weitergegeben werden. Ebenfalls ist es möglich, dass die Teil menge von Zeilen beispielsweise basierend auf einer Einstellung, die eine Angabe der Zonengrößen auf einer Absolut- oder Relativskala umfasst, ermittelt wird.
Über die Steuereinheit 28 wird die Lidar-Messvorrichtung angesteuert. Insbesondere wird für jede Erfassungszone die separate Ansteuerung der zugeordneten Teilmenge an Zeilen basierend auf dem entsprechenden Steuerungsparameter vorgenommen. Hierdurch wird die Lidar-Messvorrichtung so betrieben, dass Objekte innerhalb der Erfassungszonen mit unterschiedlichen Parametern detektiert werden. Insbesondere ergibt sich die Möglichkeit, Objekte in unterschiedlichen Zonen mit jeweils auf diese Zonen abgestimmten Eigenschaften zu detektieren.
In der Fig. 3 ist schematisch ein Fahrzeug 14 in einer Seitenansicht dargestellt, bei dem eine Lidar-Messvorrichtung 10 mit einer Anpassungsvorrichtung 20, einer Lidar- Empfangseinheit 16 und einer Lidar-Sendeeinheit 18 im Bereich der Stoßstange ange ordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das vertikale Sichtfeld 30 der Lidar-Messvorrichtung in insgesamt vier verschiedene Erfassungszonen E1-E4 unter teilt. In jeder dieser Erfassungszonen E1-E4 werden separate Steuerungsparameter festgelegt bzw. verwendet. Das vertikale Sichtfeld kann beispielsweise einen Öff nungswinkel von 16 Grad aufweisen. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Lidar- Sendeeinheit insgesamt 80 Zeilen an Sendeelementen umfasst, können beispielsweise die Zeilen 0 bis 14 der ersten Erfassungszone Ei, die Zeilen 15 bis 64 der zweiten Er fassungszone E2, die Zeilen 65 bis 74 der dritten Erfassungszone E3 und die Zeilen 75 bis 79 der vierten Erfassungszone E4 zugeordnet sein. Wie im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel gezeigt, verläuft die Grenze zwischen der ersten Erfassungszone Ei und der zweiten Erfassungszone E2 an einer Horizontebene H, die im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel einer Längsebene des Fahrzeugs 14 entspricht. Die erste Erfassungszone Ei entspricht dann einem Bereich des Himmels oberhalb der Horizontlinie. In dieser ersten Erfassungszone wird eine große Reichweite benötigt, das Auftreten dunkler Objekte ist jedoch unwahrscheinlich.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann in diesem Bereich beispielsweise ein Budget von 235 TCSPC-lntegrationen vorgesehen sein. In der zweiten Erfassungszone E2 wird ein Fernsichtbereich erfasst. In diesem Bereich ist es sehr relevant, auch dunk le Objekte erkennen zu können, um beispielsweise auf der Straße liegende Reifen er fassen zu können. Daher werden in diesem Bereich eine höhere Anzahl an TCSPC- Integrationen verwendet, beispielsweise 355. In der dritten Erfassungszone E3 wird ein mittlerer Fahrbahnbereich, also ein Fahrbahnbereich in mittlerer Distanz erfasst. Beispielsweise entspricht der mittlere Bereich einer Distanz bis zu 29 Metern. In die sem Bereich kann über den Steuerungsparameter beispielsweise eine Anzahl von 262 TCSPC-lntegrationen festgelegt werden. In der vierten Erfassungszone E4 wird ein na her Fahrbahnbereich, also ein Bereich unmittelbar vor dem Fahrzeug, beispielsweise bis zu einer Distanz von 10 Metern, ausgewertet. Dadurch, dass dieser Bereich nah ist und auf mögliche Hindernisse möglicherweise ohnehin nicht mehr reagiert werden kann, genügt eine geringere Anzahl von TCSPC-lntegrationen. Beispielsweise können 222 TCSPC-lntegrationen verwendet werden. Insgesamt werden also die TCSPC- lntegrationen jeweils den erwarteten Objekteigenschaften in der entsprechenden Er fassungszone zugeordnet.
In der Fig. 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Lidar-Sendeeinheit 18 dargestellt. Die Lidar-Sendeeinheit 18 umfasst eine Vielzahl an Sendeelementen 32, die in einer Vielzahl von Zeilen Zi-Ze angeordnet sind. In der Zeichnung sind aus Übersichtlich keitsgründen lediglich einige Zeilen bzw. eine Auswahl der Sendeelemente 32 darge stellt. Die Lidar-Sendeeinheit 18 kann beispielsweise ein Array mit 80*128 Sendeele menten 32 umfassen. Jedem Sendeelement 32 ist ein entsprechendes Sensorelement der Lidar-Empfangseinheit zugeordnet. Ein Sensorelement kann dabei auch eine Mak rozelle mit mehreren einzelnen SPAD-Zellen beschreiben. Die Sendeelemente 32 sind zeilenweise aktivierbar. Dies bedeutet, dass alle Sendeelemente 32, die in derselben Zeile Zi-Ze angeordnet sind, gleichzeitig aktiviert werden können.
Dadurch, dass die Lidar-Sendeeinheit 18 in Focal Plane Array-Anordnung ausgebildet ist und fest mit dem Fahrzeug verbunden ist bzw. in das Fahrzeug eingebaut ist, kann die Ausrichtung des Arrays der Lidar-Sendeeinheit 18 gegenüber dem Fahrzeug wäh rend des Betriebs nicht verändert werden. Die Zuordnung der Erfassungszonen zu den verschiedenen Zeilen an Sende- und/oder Sensorelementen kann daher auch bereits bei einer Inbetriebnahme des Sensors vorgegeben werden. Ebenfalls ist eine Anpas sung zur Laufzeit denkbar. Erfindungsgemäß werden Zeilen, die einer bestimmten Er fassungszone zugeordnet sind, mit unterschiedlichen Steuerungsparametern betrie- ben. Hierdurch können Objekte innerhalb der Erfassungszonen in optimierter Weise erfasst werden.
Es versteht sich, dass die Lidar-Empfangseinheit mit Sensorelementen entsprechend der Lidar-Sendeeinheit 18 ausgebildet ist. Üblicherweise sind die Lidar- Sendeeinheit 18 und die Lidar-Empfangseinheit 16 fest miteinander verbunden und vorzugsweise nebeneinander angeordnet, wenn das Fahrzeug eine Bewegung aus führt. Analog zum Ansteuern der Sendeelemente 32 der Lidar-Sendeeinheit 18 kön nen auch die Sensorelemente der Lidar-Empfangseinheit 16 zeilenweise ausgelesen werden.
In der Fig. 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Lidar-Messvorrichtung in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug dargestellt. Das Verfahren umfasst Schritte des Empfangens S10 einer Einstellung, des Ermittelns S12 eines Steuerungsparameters, des Ermittelns S14 einer Teilmenge von parallel verlaufenden Zeilen von Sendeelementen und/oder Sensorel ementen und des Ansteuerns S16 der Lidar-Messvorrichtung. Das Verfahren kann bei spielsweise in Software implementiert sein, die auf einem Prozessor einer Lidar- Messvorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend be schrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht ein schränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsfor men beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter„umfassen" und„mit" nicht das Vor handensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel„ein" oder „eine" schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprü chen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren ver schiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
Bezugszeichen
10 Lidar-Messvorrichtung
12 Objekt
14 Fahrzeug
16 Lidar-Empfangseinheit
18 Lidar-Sendeeinheit
20 Anpassungsvorrichtung
22 Eingangsschnittstelle
24 Einstellungseinheit
26 Auswahleinheit
28 Steuereinheit
30 Sichtfeld
32 Sendeelement

Claims

Patentansprüche
1. Anpassungsvorrichtung (20) zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Li- dar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14), mit:
einer Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen einer Einstellung mit Informa tionen zu mindestens zwei vertikalen Erfassungszonen;
einer Einstellungseinheit (24) zum Ermitteln eines Steuerungsparameters eines Detektionsvorgangs für jede der mindestens zwei Erfassungszonen (E1-E4) ba sierend auf der empfangenen Einstellung;
einer Auswahleinheit (26) zum Ermitteln einer Teilmenge von parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen von Sendeelementen (32) einer Lidar-Sendeeinheit (18) der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-Empfangseinheit (16) der Lidar-Messvorrichtung für jede der min destens zwei Erfassungszonen basierend auf der empfangenen Einstellung; und einer Steuereinheit (28) zum Ansteuern der Lidar-Messvorrichtung, wobei für jede Erfassungszone die ermittelte Teilmenge an Zeilen basierend auf dem er mittelten Steuerparameter angesteuert wird, um Objekte (12) innerhalb der mindestens zwei Erfassungszonen zu detektieren.
2. Anpassungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei
die Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen einer Höhe einer Horizontli nie (H) in Relation zu einer Ausrichtung und Position der Lidar-Messvorrichtung (10) an dem Fahrzeug (14) ausgebildet ist; und
die Auswahleinheit (26) zum Ermitteln einer ersten Teilmenge von Zeilen, die einem Bereich oberhalb der Horizontlinie zugeordnet sind, und einer zweiten Teilmenge an Zeilen, die einem Bereich unterhalb der Horizontlinie zugeordnet sind, ausgebildet ist.
3. Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen eines Gesamtzeitbudgets eines Messvorgangs ausgebildet ist; und
die Einstellungseinheit (24) zum Ermitteln eines Steuerungsparameters mit ei nem Anteil an dem Gesamtzeitbudget für jede Erfassungszone (E1-E4) ausgebil det ist.
4. Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen eines Gesamtleistungsbudgets eines Messvorgangs ausgebildet ist; und
die Einstellungseinheit (24) zum Ermitteln eines Steuerungsparameters mit ei nem Anteil an dem Gesamtleistungsbudget für jede Erfassungszone (E1-E4) aus gebildet ist.
5. Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anpassungsvorrichtung zum Anpassen des Detektionsvorgangs während ei ner Inbetriebnahme der Lidar-Messvorrichtung (10) ausgebildet ist.
6. Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen einer Einstellung mit Informatio nen zu einer vertikalen Ausdehnung von vier vertikalen Erfassungszonen (E1-E4) ausgebildet ist;
eine erste Erfassungszone einem Bereich des Himmels entspricht, eine zweite Erfassungszone unterhalb der ersten Erfassungszone einem Fernsichtbereich entspricht, eine dritte Erfassungszone unterhalb der zweiten Erfassungszone einem mittleren Fahrbahnbereich entspricht, und eine vierte Erfassungszone unterhalb der dritten Erfassungszone einem nahen Fahrbahnbereich ent spricht.
7. Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lidar-Messvorrichtung (10) zum Ausführen eines Time Correlated Single Photon Counting-, TCSPC, Messverfahrens ausgebildet ist; und
die Einstellungseinheit (24) zum Ermitteln einer Anzahl an TCSPC Integrationen ausgebildet ist.
8. Lidar-Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung zum Detektieren von Objekten (12) in einer Umgebung eines Fahrzeugs (14), mit:
einer Lidar-Sendeeinheit (18) mit einer Vielzahl an Sendeelementen (32) zum Aussenden von Lichtpulsen und einer Lidar-Empfangseinheit (16) mit einer Vielzahl von Sensorelementen zum Empfangen der Lichtpulse, wobei die Sen- deelemente und die Sensorelemente in Zeilen angeordnet sind, die parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs verlaufen; und
einer Anpassungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
9. Lidar-Messvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Lidar-Messvorrichtung zum Anbringen an ein Fahrzeug (14) in einem Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs ausgebildet ist.
10. Lidar-Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei
die Lidar-Sendeeinheit (18) und die Lidar-Empfangseinheit (16) ein vertikales Sichtfeld (30) von 12° bis 20°, vorzugsweise 16°, aufweisen; und
eine Sichtfeldmitte des vertikalen Sichtfelds vorzugsweise parallel zu der Längsebene des Fahrzeugs (14) verläuft.
11. Verfahren zum Anpassen eines Detektionsvorgangs einer Lidar-
Messvorrichtung (10) in Focal Plane Array-Anordnung an einem Fahrzeug (14), mit den Schritten:
Empfangen (S10) einer Einstellung mit Informationen zu mindestens zwei verti kalen Erfassungszonen (E1-E4);
Ermitteln (S12) eines Steuerungsparameters eines Detektionsvorgangs für jede der mindestens zwei Erfassungszonen basierend auf der empfangenen Einstel lung;
Ermitteln (S14) einer Teilmenge von parallel zu einer Längsebene des Fahrzeugs verlaufenden Zeilen von Sendeelementen (32) einer Lidar-Sendeeinheit (18) der Lidar-Messvorrichtung und/oder Sensorelementen einer Lidar-
Empfangseinheit (16) der Lidar-Messvorrichtung für jede der mindestens zwei Erfassungszonen basierend auf der empfangenen Einstellung; und
Ansteuern (S16) der Lidar-Messvorrichtung, wobei für jede Erfassungszone die ermittelte Teilmenge an Zeilen basierend auf dem ermittelten Steuerparameter angesteuert wird, um Objekte (12) innerhalb der mindestens zwei Erfassungs zonen zu detektieren.
12. Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 11, wenn der Programmcode auf einem Compu ter ausgeführt wird.
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