WO2019158301A1 - LiDAR-SYSTEM, BETRIEBSVERFAHREN FÜR EIN LiDAR-SYSTEM UND ARBEITSVORRICHTUNG - Google Patents

LiDAR-SYSTEM, BETRIEBSVERFAHREN FÜR EIN LiDAR-SYSTEM UND ARBEITSVORRICHTUNG Download PDF

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WO2019158301A1
WO2019158301A1 PCT/EP2019/051214 EP2019051214W WO2019158301A1 WO 2019158301 A1 WO2019158301 A1 WO 2019158301A1 EP 2019051214 W EP2019051214 W EP 2019051214W WO 2019158301 A1 WO2019158301 A1 WO 2019158301A1
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stator
data transmission
receiver
transmitter
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PCT/EP2019/051214
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Inventor
Kai Worms
Michael Dreschmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/003—Transmission of data between radar, sonar or lidar systems and remote stations

Definitions

  • LiDAR-Svstem operating procedure for a LiDAR system and working device
  • the present invention relates to a LiDAR system, in particular of the scanning or scanning type, an operating method for such a LiDAR system and a working device and in particular a vehicle.
  • Sensor arrays used to detect the operating environment.
  • radar-based systems or ultrasound-based systems light-based detection systems are also used, e.g. so-called LiDAR systems (English: LiDAR: light detection and ranging).
  • macroscanners In scanning or scanning LiDAR systems, primary light is passed through a field of view to be detected after generation.
  • macroscanners which have a rotor and a stator.
  • the rotor accommodates at least part of the optics, the sensor system and / or the light sources and is controllably rotatable relative to the stator by means of a drive. All components of the rotor are preferably powered without contact or wireless - starting from the stator - with energy.
  • the LiDAR system according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that with simple means a reliable and the respective requirements corresponding data exchange between the rotor and stator can be achieved. This is inventively with the features of
  • Achieved claim 1 characterized in that a LiDAR system of the scanning or scanning type for the optical detection of a field of view and in particular for a working device and / or a vehicle is provided, in which a stator, a relative to the stator rotatable about a rotation axis rotor, a transmitter optics , A receiver optics and a communication unit for contactless or wireless data transmission between the stator and rotor are formed and at least part of the transmitter optics and / or a part of the receiver optics is or are received in the rotor.
  • a LiDAR system of the scanning or scanning type for the optical detection of a field of view and in particular for a working device and / or a vehicle is provided, in which a stator, a relative to the stator rotatable about a rotation axis rotor, a transmitter optics , A receiver optics and a communication unit for contactless or wireless data transmission between the stator and rotor are formed and at least part of the transmitter
  • Communication unit has a first communication channel to
  • a basic concept on which the present invention is based namely the use of different communication channels for the communication path from the stator to the rotor or from the rotor to the stator, can be realized in many ways, as long as it is only ensured that, for example, the the underlying physical communication process, the communication means used and / or the type of signal used for the way and for the return path differ.
  • the first communication channel and the second communication channel are selected from the group of communication channels, the optical communication channels, magnetic inductive communication channels, electrostatic-capacitive
  • a mixed channel of a communication channel is to be understood as a communication channel which does not impart purely optical, magnetic-inductive or electrostatic-capacitive data transmission or communication, but combines them with each other, whereby the three mentioned communication classes or types are combined with each other as desired can be.
  • Communication channel with a transmitter-side with respect to the data transmission or communication transmitter unit for transmitting data to be transmitted representative signals and formed with respect to the data transmission or communication receiver-side receiver unit for receiving signals.
  • Receiver unit adapted to receive optical signals.
  • respective optical communication channels for data transmission in the optical visual area be set up in the ultraviolet and / or infrared.
  • a respective optical communication channel with respect to the data transmission can have one or more radiation emitters, for example LEDs and / or lasers, and / or with respect to the data transmission one or more radiation receivers, for example photodiodes, avalanche photodiodes and / or photoresistors ,
  • transmitter-side magnetic-inductive transmitter unit for transmitting data to be transmitted representative of magnetic or magnetically modulated magnetic signals and with respect to the data transmission receiver-side magnetic-inductive receiver unit for receiving magnetic or magnetically modulated signals is formed.
  • a respective magneto-inductive communication channel can have one or more transmitter coils at the transmitter end in relation to the data transmission and / or one or more at the receiver side in relation to the data transmission
  • LiDAR systems with rotor and stator are equipped with a contactless and / or wireless power supply, in which, for example, the rotor receives an energizing connection to the stator.
  • a transmitter coil and / or a receiver coil of a magnetic-inductive communication channel partially or completely stator side at least as part of a primary coil and / or rotor side at least as part of a secondary coil of an underlying magnetic-inductive power supply arrangement between stator and rotor is formed or are.
  • transmitter-side electrostatic-capacitive transmitter unit for transmitting data to be transmitted representative electrostatic or electrostatically modulated signals and with respect to the data transmission
  • receiver-side electrostatic-capacitive receiver unit for receiving electrostatic or electrostatically modulated signals.
  • Communication channel with respect to the data transmission transmitter side have one or more transmitter electrodes and / or with respect to the data transmission receiver side one or more receiver electrodes.
  • a respective communication channel may be arranged parallel or obliquely to the axis of rotation. In this way, set up particularly simple geometric relationships.
  • a respective optical communication channel is radially offset either to the axis of rotation to avoid obstacles located in the region of the axis of rotation advantageously.
  • the data transmission or communication between rotor and stator of a LiDAR system established by these means can be used particularly advantageously for transmitting control data for controlling the rotation and / or the general operation of the rotor of representative data from the stator to the rotor and / or for receiver data, and in particular for received signals representative data from the rotor to the stator.
  • the LiDAR system according to the invention can thus in general for
  • the invention also provides an operating method for a LiDAR system of
  • scanning or scanning type for the optical detection of a field of view and in particular for a working device and / or a vehicle created.
  • the LiDAR system is provided with a stator, a rotor rotatable about an axis of rotation relative to the stator, a transmitter optics, a receiver optics and a communication unit for contactless or wireless
  • a core aspect of the operating method according to the invention is that the contactless or wireless data transmission between the stator and rotor via a first communication channel for contactless or wireless
  • Communication channel for contactless or wireless data transmission from the rotor to the stator takes place and that first and second communication channels with different nature from the group of communication channels are used, the optical communication channels, magnetic-inductive
  • a working device and, in particular, a vehicle are provided, which are designed with a LiDAR system designed according to the invention for the optical detection of a field of view.
  • FIG. 1 shows the manner of a schematic block diagram
  • FIGS 2 and 3 show schematically embodiments of the
  • LiDAR system with a radially displaced to a rotational axis or with a to
  • FIGS. 4A to 4F schematically show individual communication channels
  • FIGS 5 and 6 show schematically magnetic-inductive
  • FIGS 7 and 8 show schematically electrostatic capacitive
  • Figure 1 shows in the form of a schematic block diagram a
  • Embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention with an optical arrangement 10 Embodiment of the LiDAR system 1 according to the invention with an optical arrangement 10.
  • the LiDAR system 1 according to FIG. 1 has, in its optical arrangement 10, a transmitter optical system 60 with optical path 61, which differs from a
  • the LiDAR system 1 has a receiver optics 30 with an optical path 31, which receives secondary light 58 reflected by the object 52 in the field of view 50 as a primary optic via a lens 34 and via a secondary optics 35 to a detector arrangement 20 for detection with a sensor - or detector elements 22 transmits.
  • the secondary optics 35 may include a bandpass filter to reduce the influence of stray light.
  • Communication channels 81, 82 and are formed as part of a communication interface 75, and by means of a control and evaluation unit 40th
  • the control and evaluation unit 40 may also be the energy and / or
  • Data transmission between rotor 200 and stator 100 and in particular the Take control of a rotary drive is in particular configured via the control system 45 with connection via a bus 46 with a transmitting unit 47, a receiving unit 49 and a correlation unit 48 to carry out an evaluation of the radiation originating from the field of view 50.
  • FIG. 1 also shows that the control and evaluation unit 40 is designed in conjunction with the stator 100, whereas the optical arrangement 10 of the LiDAR system 1 is substantially formed in the rotor 200
  • the radiation generation and / or the detection from the secondary radiation can certainly be carried out in the stator 100, if corresponding optical fibers from the rotor 200 are inserted into the stator 100.
  • Correlation unit 48 linked together and on the
  • Communication interface 75 and the communication channels 71 and 72 which are realized by means of a communication unit 70, with the optical arrangement 10 of the LiDAR system 1 in the rotor 200 and in particular with the light source unit 65 and the detector unit 20 of the transmitter optics 60 and the receiver optics 30 are operatively connected ,
  • FIGS. 2 and 3 show schematically embodiments of the invention
  • Inventive LiDAR system 1 with shifted to an axis of rotation 5 or aligned with the axis of rotation 5 first and second general communication channels 71 and 72, which are formed with different nature.
  • the individual communication channels 71 and 72 can each - as shown in detail in connection with the further figures 4 to 8 - as optical communication channels 81, 82 of a respective optical
  • Communication unit 80 as a magnetic-inductive communication channels 91, 92 of a magnetic-inductive communication unit 90 or as
  • Communication direction 77 may be formed from the rotor 200 to the stator 100.
  • communication channels 71, 72 are used with mixed forms of data transmission or communication.
  • a respective communication channel 71, 72 has one or more transmitter units 73 on the transmitter side and one or more receiver units 74 on the receiver side.
  • the transmitter units 73 and receiver units 74 for establishing the communication directions 76 and 77 are also designed accordingly.
  • FIGS. 4A to 4F These figures thus show schematically individual
  • Communication unit 70 in the form of an optical communication unit 80 with first and second communication channels 71 and 72 in the form of a first optical communication channel 81 and a second optical
  • the respective transmitter units 73 are formed as optical transmitter units 83 and in particular as a radiation emitter 83-1 for emitting radiation 85.
  • the respective receiver units 74 are optical Receiver units 84 and in particular as a radiation receiver 84-1 for receiving and detecting the radiation 85 is formed.
  • FIGS 4C and 4D show in a LiDAR system 1 a
  • Communication unit 70 in the form of a magnetic-inductive
  • Communication unit 90 with first and second communication channels 71 and 72 in the form of a first magnetic-inductive communication channel 91 and a second magnetic-inductive communication channel 92 with a communication direction 76 from the stator 100 to the rotor 200 and with a communication direction 77 from the rotor 200 to the stator 100th
  • the respective transmitter units 73 are designed as magnetic-inductive transmitter units 93 and in particular as transmitter coils 93-1. The respective ones
  • Receiver units 74 are designed as magnetic-inductive receiver units 94 and in particular as receiver coils 94-1.
  • signals representative of data to be transmitted are modulated onto an alternating magnetic field and emitted by the transmitter coil 93-1 or the magnetic-induction transmitter unit 93 in general and by the receiver coil 94-1 or the magneto-inductive receiver units 94 generally received and in particular converted into an induction voltage.
  • FIGS. 4E and 4F show a LiDAR system 1 in FIG.
  • Communication unit 70 in the form of an electrostatic-capacitive
  • the respective transmitter units 73 are designed as electrostatic-capacitive transmitter units 98 and in particular as transmitter electrodes 98-1.
  • Receiver units 74 are designed as electrostatic-capacitive receiver units 99 and in particular as receiver electrodes 99-1.
  • signals representative of data to be transmitted are modulated onto an electrostatic field and in particular an electrostatic alternating field, and from the transmitter electrode 98-1 or an electrostatic-capacitive
  • transmitting unit 98 is generally transmitted and received by the receiving electrode 99-1 or the electrostatic-capacitive receiving unit 99 in general.
  • FIGS 5 and 6 show schematically in a LiDAR system 1 magnetically inductive communication channels 91 and 92 magneto-inductive
  • each of the magnetic-inductive communication channels 91 and 92 of the magnetic-inductive communication unit 90 is realized by an arrangement of magnetic-inductive transmission unit 93, for example a transmitter coil 93. 1, and magnetic-inductive receiver units 94, for example in the form of a receiver coil 94-1.
  • the magnetic inductive communication channels 91 and 92 are approximately perpendicular in orientation due to the differential radial offset of the transmitter coils 93-1 and receiver coils 94-1 with respect to each other and with respect to the axis of rotation 5 formed to the rotation axis 5.
  • Communication channels 91, 92 of the magnetic-inductive communication unit 90 on an identical axial offset with respect to the axis of rotation 5 on. Therefore, the magnetic-inductive communication channels 91 and 92 are aligned approximately parallel to the axis of rotation 5.
  • Power supply arrangement 300 between stator 100 and rotor 200 is formed.
  • such an embodiment is not mandatory, but in addition to primary coil 102 and secondary coil 202 of
  • Power supply arrangement 300 additional and separate transmitter Coil 90-1 and receiver coils 94-1 for the magnetic-inductive communication unit 90 may be provided.
  • FIGS. 7 and 8 show schematically a LiDAR system 1
  • Communication unit 95 respective first and second electrically-capacitive communication channels 96 and 97 of one or more electrostatic capacitive transmitter units 98, for example in the form of transmitter electrodes 98-1, as well as one or more electrostatic-capacitive
  • Receiver units 99 for example in the form of receiver electrodes 99-1 formed.
  • Communication channels 96 and 97 in the form of electrode rings or
  • Communication channels 96 and 97 in the form of electrode rings or
  • Rotation axis 5 arranged region of rotor 200 and stator 100th
  • individual communication channels 71, 72 are shown in isolated nature, ie as purely optical, purely magnetic-inductive or purely electrostatic-capacitive
  • LiDAR systems should be integrated into vehicles as invisibly as possible in the future. To make this possible, a LiDAR system must be made as compact as possible.
  • the amount of 3D data that has to be transported from the rotor 200 to the stator 100 in the manner of an uplink increases.
  • the data rate can reach up to 800 Mbps.
  • a further data link in the manner of a downlink is required.
  • this can be operated at a much lower data rate, for example, far below 100 Mbit / s
  • both couplers require a pair of waveguides for differential transmission of data and a waveguide pair for differential reception of data.
  • the waveguides are designed as rings or ring segments.
  • the diameter of the coil pair for energy transfer increases with increasing energy consumption.
  • Data transfer is usually located radially outside the coil. This also increases their diameter.
  • An arrangement with such a diameter has, inter alia, the following disadvantages: - There is a comparatively high electromagnetic radiation of the underlying transmitter ring and a comparatively high sensitivity of the underlying receiving ring against electromagnetic immissions before.
  • the remaining communication channel 71, 72 is then realized via a communication unit 70, which is of a different nature, for example based on optical or magnetic signals.
  • FIGS. 2 to 8 show different realization possibilities of the LiDAR system 1 according to the invention.
  • Communication channels 81, 82 may be one or more light sources or radiation emitters 83-1 as optical transmitter units 83 and / or a plurality of optical detectors in the form of radiation receivers 84-1 as
  • Radiation receiver 84 may be formed so that despite an axial optical obstacle, as shown in the interface area I according to Figure 2, namely by the shaft 7 is always a line of sight between at least one light source 83-1 and at least one optical detector 84-1.
  • Data transmission by means of a magnetic-inductive communication unit 90 This represents for the low data rate - for example, in a downlink from a rotor 200 to a stator 100 - a favorable alternative, for example, because no active analog circuit elements for signal processing are necessary.
  • one of the coils 102, 202 serves as a transmitter coil 93-1 and in each case a different one of the coils 102, 202 as a receiver coil 94-1.
  • the wire windings of the coils 102, 202 are enclosed by the coil cores or iron cores in such a way that the magnetic fields emerging from the coil pair 101, 102 are shielded.
  • a time-varying magnetic field can be generated via an electrical coil 102 as a primary coil on the stator 100, which in the electrical coil 202 as a secondary coil of the rotor 200 a
  • the primary coil 102 and the secondary coil 202 can be used for the
  • Energy transfer arrangement 300 between stator 100 and rotor 200 in the interface area I or interface area II are located, ie in each case at a location where an axial obstacle such as a shaft 7 is located, namely in the interface area I according to Figure 2, or at a point at the the axis 5 is free, namely in the interface area II according to FIG. 3
  • the coils 102, 202 of the inductive energy transmission 300 can also be used simultaneously for inductive data transmission and in this case completely or partially form those already described above
  • Interface areas I and II make sense.
  • Data transmission can also be useful for capacitive data transmission.
  • a differential capacitive data transmission is shown schematically in FIGS. 7 and 8, wherein a ring pair with corresponding electrodes as electrostatic-capacitive transmitting unit 98 and a ring pair with corresponding electrodes as electrostatic-capacitive receiver units 99 function.
  • the ring pairs can be arranged close to the axis as in FIG. 7 or off-axis as in FIG.
  • a differential capacitive data transmission by means of an electrostatic capacitive communication unit 95 also offers the possibility of the
  • Interface area I or located in the interface area II, as shown in connection with Figures 2 and 3.
  • Interfacial area I above between stator 100 and rotor 200 the following combinations of communication channels 71, 72 are conceivable, for example, with downlink the communication direction 76 from stator 100 to rotor 200 and uplink the communication direction 77 from rotor 200 to stator 100: optically as uplink in region II and inductively as downlink in region I with simultaneous use of the coils 102, 202 of the energy transfer 300, - visually as uplink in region 2 and inductively as downlink in region II,

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Abstract

LiDAR-System (1) vom scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, bei welchem ein Stator (100), ein gegenüber dem Stator (100) um eine Rotationsachse (5) rotierbarer Rotor (200), eine Senderoptik (60), eine Empfängeroptik (30) und eine Kommunikationseinheit (70) zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) ausgebildet sind, zumindest ein Teil der Senderoptik (60) und/oder ein Teil der Empfängeroptik (30) im Rotor (200) aufgenommen sind, die Kommunikationseinheit (70) einen ersten Kommunikationskanal (71) zur kontaktlosen Datenübertragung vom Stator (100) zum Rotor (200) und einen zweiten Kommunikationskanal (72) zur kontaktlosen Datenübertragung vom Rotor (200) zum Stator (100) aufweist und der erste und der zweite Kommunikationskanal (71, 72) mit unterschiedlicher Natur ausgebildet sind.

Description

Beschreibung
Titel
LiDAR-Svstem, Betriebsverfahren für ein LiDAR-Svstem und Arbeitsvorrichtung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System, insbesondere vom abtastenden oder scannenden Typ, ein Betriebsverfahren für ein derartiges LiDAR-System und eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder
Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben videobasierten Systemen, radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall kommen auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR : light detection and ranging).
Bei abtastenden oder scannenden LiDAR-Systemen wird Primärlicht nach der Erzeugung über ein zu erfassendes Sichtfeld geführt. Dabei kommen so genannte Makroscanner zum Einsatz, die einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Rotor beherbergt zumindest einen Teil der Optik, der Sensorik und/oder der Lichtquellen und ist gegenüber dem Stator mittels eines Antriebs steuerbar rotierbar. Sämtliche Komponenten des Rotors werden vorzugsweise kontaktlos oder drahtlos - ausgehend vom Stator - mit Energie versorgt.
Zum Beispiel ist für die Steuerung des Antriebs und des allgemeinen Betriebs und/oder für die Bildrekonstruktion ein Informationsaustausch zwischen Rotor und Stator erforderlich, wobei es für die beiden Richtungen durchaus
unterschiedliche Anforderungen gibt. Die Druckschrift WO 2015/047872 A1 beschreibt ein rotierbares LiDAR-System, bei welchem eine Energieübertragung vom Stator zum Rotor magnetisch-induktiv und ein Informationsaustausch zwischen Rotor und Stator elektrisch-kapazitiv über elektrisch leitfähige Ringe erfolgen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße LiDAR-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln ein zuverlässiger und den jeweiligen Anforderungen entsprechender Datenaustausch zwischen Rotor und Stator erzielbar ist. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein LiDAR-System vom abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug geschaffen wird, bei welchem ein Stator, ein gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse rotierbarer Rotor, eine Senderoptik, eine Empfängeroptik und eine Kommunikationseinheit zur kontaktlosen oder drahtlosen Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ausgebildet sind und zumindest ein Teil der Senderoptik und/oder ein Teil der Empfängeroptik im Rotor aufgenommen ist bzw. sind. Die
Kommunikationseinheit weist einen ersten Kommunikationskanal zur
kontaktlosen oder drahtlosen Datenübertragung vom Stator zum Rotor und einen zweiten Kommunikationskanal zur kontaktlosen oder drahtlosen
Datenübertragung vom Rotor zum Stator auf, wobei der erste und der zweite Kommunikationskanal mit unterschiedlicher Natur ausgebildet sind. Durch diese Maßnahmen wird gewährleistet, dass einerseits Betriebs- und Steuerdaten für den Betrieb des LiDAR-Systems und seiner Komponenten vom Stator an den Rotor übertragen werden können und dass andererseits eine Rückübertragung von im Rotor erfassten Messdaten mit entsprechenden Bandbreiten
sichergestellt ist.
Vorangehend und nachfolgend werden einerseits die Begriffe„kontaktlos“ und „drahtlos“ und andererseits die Begriffe„Kommunikation“ und
„Datenübertragung“ synonym verwendet. Des Weiteren werden in diesem Zusammenhang mit der„Natur“ eines Kommunikationskanals zum Beispiel der dem jeweiligen Kommunikationskanal zu Grunde liegende physikalische
Prozess, das dabei verwendete physikalische Kommunikationsmittel oder - medium und/oder der eingesetzte Signaltyp umschrieben. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein Grundkonzept, auf welchem die vorliegende Erfindung beruht, nämlich der Einsatz von ihrer Natur her unterschiedlicher Kommunikationskanäle für den Kommunikationsweg vom Stator zum Rotor bzw. vom Rotor zum Stator, kann in vielfältiger Weise realisiert werden, solange nur sichergestellt ist, dass sich zum Beispiel der dem jeweiligen Kommunikationskanal zu Grunde liegende physikalische Prozess, das dabei verwendete Kommunikationsmittel und/oder der eingesetzte Signaltyp für den Hinweg und für den Rückweg unterscheiden.
So ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems vorgesehen, dass der erste Kommunikationskanal und der zweite Kommunikationskanal ausgewählt sind oder werden aus der Gruppe von Kommunikationskanälen, die optische Kommunikationskanäle, magnetisch induktive Kommunikationskanäle, elektrostatisch-kapazitive
Kommunikationskanäle und deren Mischformen aufweist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll unter einer Mischform eines Kommunikationskanals ein Kommunikationskanal verstanden werden, der keine rein optische, magnetisch-induktive oder elektrostatisch-kapazitive Datenübertragung oder Kommunikation vermittelt, sondern diese miteinander kombiniert, wobei die drei genannten Kommunikationsklassen oder -arten beliebig gewichtet miteinander kombiniert werden können.
Zur Realisierung des jeweiligen Datenübertragungs- oder
Kommunikationsvorgangs zwischen Stator und Rotor einerseits und zwischen Rotor und Stator andererseits ist in vorteilhafter Weise ein jeweiliger
Kommunikationskanal mit einer in Bezug auf die Datenübertragung oder Kommunikation senderseitigen Sendereinheit zum Aussenden für zu übertragende Daten repräsentativer Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung oder Kommunikation empfängerseitigen Empfängereinheit zum Empfangen von Signalen ausgebildet.
Von besonderem Vorteil ist der Einsatz optischer Kommunikationskanäle, weil durch diese bei großer Signalbandbreite eine Datenübertragung oder
Kommunikation mit hoher Datenrate realisiert werden kann. Folglich ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal mit einer in Bezug auf die Datenübertragung senderseitigen optischen Sendereinheit zum
Aussenden für zu übertragende Daten repräsentativer optischer Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitigen optischen
Empfängereinheit zum Empfangen optischer Signale ausgebildet.
Zum Übertragen für zu übertragende Daten repräsentativer Signale können unterschiedliche Spektralbereiche verwendet werden. So können jeweilige optische Kommunikationskanäle zur Datenübertragung im optisch visuellen Bereich, im ultravioletten und/oder im Infrarotbereich eingerichtet sein.
Ferner kann ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal in Bezug auf die Datenübertragung senderseitig einen oder mehrere Strahlungsemitter, zum Beispiel LEDs und/oder Laser, und/oder in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitig einen oder mehrere Strahlungsempfänger, zum Beispiel Photodioden, Avalanchephotodioden und/oder Photowiderstände, aufweisen.
Zur Realisierung einer magnetisch-induktiven Datenübertragung oder
Kommunikation ist es von Vorteil, wenn ein jeweiliger magnetisch-induktiver Kommunikationskanal mit einer in Bezug auf die Datenübertragung
senderseitigen magnetisch-induktiven Sendereinheit zum Aussenden für zu übertragende Daten repräsentativer magnetischer oder magnetisch modulierter Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitigen magnetisch-induktiven Empfängereinheit zum Empfangen magnetischer oder magnetisch modulierter Signale ausgebildet ist.
So kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen LiDAR- Systems ein jeweiliger magnetisch-induktiver Kommunikationskanal in Bezug auf die Datenübertragung senderseitig eine oder mehrere Senderspulen und/oder in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitig eine oder mehrere
Empfängerspulen und/oder Hallsensoren aufweisen.
Häufig werden LiDAR-Systeme mit Rotor und Stator mit einer kontaktlosen und/oder drahtlosen Energieversorgung ausgestattet, bei welcher zum Beispiel der Rotor eine mit Energie versorgende Anbindung an den Stator erhält. In diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, wenn eine Senderspule und/oder eine Empfängerspule eines magnetisch-induktiven Kommunikationskanals teilweise oder vollständig statorseitig zumindest als Teil einer Primärspule und/oder rotorseitig zumindest als Teil einer Sekundärspule einer zu Grunde liegenden magnetisch-induktiven Energieversorgungsanordnung zwischen Stator und Rotor ausgebildet ist bzw. sind.
Zur Realisierung einer elektrostatisch-kapazitiven Datenübertragung oder Kommunikation kann gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems ein jeweiliger elektrostatisch-kapazitiver Kommunikationskanal mit einer in Bezug auf die Datenübertragung
senderseitigen elektrostatisch-kapazitiven Sendereinheit zum Aussenden für zu übertragende Daten repräsentativer elektrostatischer oder elektrostatisch modulierter Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung
empfängerseitigen elektrostatisch-kapazitiven Empfängereinheit zum Empfangen elektrostatischer oder elektrostatisch modulierter Signale ausgebildet sein.
In diesem Fall kann ein jeweiliger elektrostatisch-kapazitiver
Kommunikationskanal in Bezug auf die Datenübertragung senderseitig eine oder mehrere Senderelektroden und/oder in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitig eine oder mehrere Empfängerelektroden aufweisen.
Um den geometrischen Gegebenheiten einer Anordnung aus Rotor und Stator in geeigneter Weise Rechnung tragen zu können kann es von Vorteil sein, dass ein jeweiliger Kommunikationskanal zu der Rotationsachse parallel oder schräg verlaufend angeordnet ist. Auf diese Weise stellen sich besonders einfache geometrische Verhältnisse ein.
Dabei ist es denkbar, dass ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal entweder zu der Rotationsachse radial versetzt ist, um in vorteilhafter weise im Bereich der Rotationsachse befindliche Hindernisse zu umgehen.
Andererseits ergibt sich ein besonders hohes Maß an Kompaktheit der
Gesamtkonfiguration der Kommunikationseinheit, wenn ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal mit der Rotationsachse des zu Grunde liegenden LiDAR- Systems fluchtend angeordnet ist. Die mit diesen Mitteln etablierte Datenübertragung oder Kommunikation zwischen Rotor und Stator eines LiDAR-Systems kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden zum Übertragen für Steuerdaten zum Steuern des Rotierens und/oder des allgemeinen Betriebs des Rotors repräsentativer Daten vom Stator zum Rotor und/oder für Empfängerdaten und insbesondere für empfangene Signale repräsentativer Daten vom Rotor zum Stator.
Das erfindungsgemäße LiDAR-System kann also ganz allgemein zum
Übertragen für Steuerdaten zum Steuern des Rotierens und/oder des
allgemeinen Betriebs des Rotors repräsentativer Daten vom Stator zum Rotor und/oder zum Übertragen für Empfängerdaten und insbesondere für
empfangende Signale repräsentativer Daten vom Rotor zum Stator eingerichtet sein.
Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Sichtweise der vorliegenden
Erfindung wird auch ein Betriebsverfahren für ein LiDAR-System vom
abtastenden oder scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes und insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug geschaffen.
Dabei ist das LiDAR-System mit einem Stator, einem gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor, einer Senderoptik, einer Empfängeroptik und einer Kommunikationseinheit zur kontaktlosen oder drahtlosen
Datenübertragung zwischen Stator und Rotor ausgebildet vorausgesetzt. Ferner wird dabei angenommen, dass zumindest ein Teil der Senderoptik und/oder ein Teil der Empfängeroptik im Rotor aufgenommen ist bzw. sind.
Ein Kernaspekt des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens besteht darin, dass die kontaktlose oder drahtlose Datenübertragung zwischen Stator und Rotor über einen ersten Kommunikationskanal zur kontaktlosen oder drahtlosen
Datenübertragung vom Stator zum Rotor und über einen zweiten
Kommunikationskanal zur kontaktlosen oder drahtlosen Datenübertragung vom Rotor zum Stator erfolgt und dass erste und zweite Kommunikationskanäle mit unterschiedlicher Natur aus der Gruppe von Kommunikationskanälen verwendet werden, die optische Kommunikationskanäle, magnetisch-induktive
Kommunikationskanäle, elektrostatisch-kapazitive Kommunikationskanäle und deren Mischformen aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug geschaffen, welche mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgebildet sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
Figur 1 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms den
Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.
Figuren 2 und 3 zeigen schematisch Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen LiDAR-Systems mit einer zu einer Drehachse radial verschobenen bzw. mit einer zur
Drehachse fluchtenden Anordnung von
Kommunikationskanälen.
Figuren 4A bis 4F zeigen schematisch einzelne Kommunikationskanäle
zwischen einem Rotor und einem Stator eines LiDAR- Systems zur Verdeutlichung von deren unterschiedlicher Natur und Kommunikationsrichtung.
Figuren 5 und 6 zeigen schematisch magnetisch-induktive
Kommunikationskanäle zwischen einem Rotor und einem Stator eines LiDAR-Systems.
Figuren 7 und 8 zeigen schematisch elektrostatisch kapazitive
Kommunikationskanäle zwischen einem Rotor und einem Stator eines LiDAR-Systems.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 8
Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit einer optischen Anordnung 10.
Das LiDAR-System 1 gemäß Figur 1 weist in seiner optischen Anordnung 10 eine Senderoptik 60 mit optischem Pfad 61 auf, welche von einer
Lichtquelleneinheit 65 mit Lichtquellen 65-1 , z.B. hier in Form von Lasern, gespeist wird und Primärlicht 57 - ggf. nach Durchlaufen einer
Strahlformungsoptik 66 und über eine Ablenkoptik 62 - in ein Sichtfeld 50 zur Erfassung eines dort befindlichen Objekts 52 einer Szene 53 aussendet.
Des Weiteren weist das LiDAR-System 1 nach Figur 1 eine Empfängeroptik 30 mit optischem Pfad 31 auf, welche vom Objekt 52 im Sichtfeld 50 reflektiertes Sekundärlicht 58 über ein Objektiv 34 als Primäroptik empfängt und über eine Sekundäroptik 35 an eine Detektoranordnung 20 zur Detektion mit Sensor- oder Detektorelementen 22 überträgt. Die Sekundäroptik 35 kann ein Bandpassfilter aufweisen, um den Einfluss von Streulicht zu reduzieren.
Die Steuerung der in Figur 2 und den weiteren Figuren gezeigten Rotation 6 des Rotors 200 mittels der dort dargestellten Welle 7 um die Drehachse 5 und gegenüber dem Stator 100, der Lichtquelleneinheit 65 mit den Lichtquellen 65-1 sowie der Detektoranordnung 20 erfolgt über erste und zweite
Kommunikationskanäle 71 und 72, die als erste und zweite optische
Kommunikationskanäle 81 , 82 und als Teil einer Kommunikationsschnittstelle 75 ausgebildet sind, sowie mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit 40.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 40 kann auch die Energie- und/oder
Datenübertragung zwischen Rotor 200 und Stator 100 und insbesondere die Steuerung eines Rotationsantriebs übernehmen. Sie ist aber insbesondere über das Steuersystem 45 mit Verbindung über einen Bus 46 mit einer Sendeeinheit 47, einer Empfangseinheit 49 und einer Korrelationseinheit 48 dazu eingerichtet, eine Bewertung der aus dem Sichtfeld 50 stammenden Strahlung durchzuführen.
Aus der Figur 1 geht auch hervor, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 40 im Zusammenhang mit dem Stator 100 ausgebildet ist, wogegen die optische Anordnung 10 des LiDAR-Systems 1 im Wesentlichen im Rotor 200
aufgenommen ist. Eine derartige Konfiguration ist jedoch nicht obligatorisch; zum Beispiel können die Strahlungserzeugung und/oder der Nachweis aus der Sekundärstrahlung durchaus im Stator 100 durchgeführt werden, wenn entsprechende Lichtleiter vom Rotor 200 in den Stator 100 eingesetzt werden.
Die Steuerung des Betriebs des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 gemäß Figur 1 und die Ausführung eines entsprechenden Betriebsverfahrens erfolgen unter Verwendung des in Figur 1 dargestellten Steuersystems 45, bei welchem über einen Bus 46 die Sendeeinheit 47, die Empfangseinheit 49 und die
Korrelationseinheit 48 miteinander verknüpft und über die
Kommunikationsschnittstelle 75 und die Kommunikationskanäle 71 und 72, welche mittels einer Kommunikationseinheit 70 realisiert werden, mit der optischen Anordnung 10 des LiDAR-Systems 1 im Rotor 200 und insbesondere mit der Lichtquelleneinheit 65 und der Detektoreinheit 20 der Senderoptik 60 bzw. der Empfängeroptik 30 wirkverbunden sind.
Die Figuren 2 und 3 zeigen schematisch Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 mit zu einer Drehachse 5 verschobenen bzw. mit mit der Drehachse 5 fluchtenden ersten und zweiten allgemeinen Kommunikationskanälen 71 und 72, die mit unterschiedlicher Natur ausgebildet sind. Die einzelnen Kommunikationskanäle 71 und 72 können - wie dies im Zusammenhang mit den weiteren Figuren 4 bis 8 im Detail dargestellt ist - jeweils als optische Kommunikationskanäle 81 , 82 einer jeweiligen optischen
Kommunikationseinheit 80, als magnetisch-induktive Kommunikationskanäle 91 , 92 einer magnetisch-induktiven Kommunikationseinheit 90 oder als
elektrostatisch-kapazitive Kommunikationskanäle 96, 97 einer elektrostatisch kapazitiven Kommunikationseinheit 95 zwischen Stator 100 und Rotor 200 mit Kommunikationsrichtung 76 vom Stator 100 zum Rotor 200 bzw. mit
Kommunikationsrichtung 77 vom Rotor 200 zum Stator 100 ausgebildet sein. Wie oben bereits erwähnt wurde, sind auch Kommunikationskanäle 71 , 72 mit Mischformen der Datenübertragung oder Kommunikation einsetzbar.
Ein jeweiliger Kommunikationskanal 71 , 72 weist senderseitig ein oder mehrere Sendereinheiten 73 und empfängerseitig ein oder mehrere Empfängereinheiten 74 auf.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 befinden sich die beiden
Kommunikationskanäle 71 und 72 im Schnittstellenbereich I - hier auf der Oberseite - zwischen Stator 100 und Rotor 200; der Schnittstellenbereich II bleibt frei.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 befinden sich die beiden
Kommunikationskanäle 71 und 72 im Schnittstellenbereich II - hier auf der Unterseite - zwischen Stator 100 und Rotor 200; der Schnittstellenbereich I bleibt frei.
In Abhängigkeit von der Natur eines jeweiligen Kommunikationskanals 71 , 72 werden entsprechend auch die Sendereinheiten 73 und Empfängereinheiten 74 zur Etablierung der Kommunikationsrichtungen 76 und 77 ausgestaltet.
Dies ist im Zusammenhang mit den Figuren 4A bis 4F nachfolgend ganz allgemein dargelegt. Diese Figuren zeigen also schematisch einzelne
Kommunikationskanäle 71 , 72 zwischen einem Rotor 200 und einem Stator 100 eines LiDAR-Systems 1 zur Verdeutlichung von deren unterschiedlicher Natur und Kommunikationsrichtung 76, 77.
Dabei zeigen die Figuren 4A und 4B bei einem LiDAR-System 1 eine
Kommunikationseinheit 70 in Form einer optischen Kommunikationseinheit 80 mit ersten und zweiten Kommunikationskanälen 71 und 72 in Form eines ersten optischen Kommunikationskanals 81 bzw. eines zweiten optischen
Kommunikationskanals 82 mit einer Kommunikationsrichtung 76 vom Stator 100 zum Rotor 200 bzw. mit einer Kommunikationsrichtung 77 vom Rotor 200 zum Stator 100. Die jeweiligen Sendereinheiten 73 sind als optische Sendereinheiten 83 und insbesondere als Strahlungsemitter 83-1 zum Aussenden von Strahlung 85 ausgebildet. Die jeweiligen Empfängereinheiten 74 sind als optische Empfängereinheiten 84 und insbesondere als Strahlungsempfänger 84-1 zur Aufnahme und zum Nachweis der Strahlung 85 ausgebildet.
Die Figuren 4C und 4D zeigen bei einem LiDAR-System 1 eine
Kommunikationseinheit 70 in Form einer magnetisch-induktiven
Kommunikationseinheit 90 mit ersten und zweiten Kommunikationskanälen 71 und 72 in Form eines ersten magnetisch-induktiven Kommunikationskanals 91 bzw. eines zweiten magnetisch-induktiven Kommunikationskanals 92 mit einer Kommunikationsrichtung 76 vom Stator 100 zum Rotor 200 bzw. mit einer Kommunikationsrichtung 77 vom Rotor 200 zum Stator 100. Die jeweiligen Sendereinheiten 73 sind als magnetisch-induktive Sendereinheiten 93 und insbesondere als Senderspulen 93-1 ausgebildet. Die jeweiligen
Empfängereinheiten 74 sind als magnetisch-induktive Empfängereinheiten 94 und insbesondere als Empfängerspulen 94-1 ausgebildet.
Bei einer derartigen magnetisch-induktiven Kommunikationseinheit 90 werden für zu übertragene Daten repräsentative Signale einem magnetischen Wechselfeld aufmoduliert und von der Senderspule 93-1 oder der magnetisch-induktiven Sendeeinheit 93 im Allgemeinen ausgesandt und von der Empfängerspule 94-1 oder der magnetisch-induktiven Empfängereinheiten 94 im Allgemeinen empfangen und insbesondere in eine Induktionsspannung gewandelt.
Die Figuren 4 E und 4 F zeigen bei einem LiDAR-System 1 eine
Kommunikationseinheit 70 in Form einer elektrostatisch-kapazitiven
Kommunikationseinheit 95 mit ersten und zweiten Kommunikationskanälen 71 und 72 in Form eines ersten elektrostatisch-kapazitiven Kommunikationskanals 96 bzw. eines zweiten elektrostatisch-kapazitiven Kommunikationskanals 97 mit einer Kommunikationsrichtung 76 vom Stator 100 zum Rotor 200 bzw. mit einer Kommunikationsrichtung 77 vom Rotor 200 zum Stator 100. Die jeweiligen Sendereinheiten 73 sind als elektrostatisch-kapazitive Sendereinheiten 98 und insbesondere als Senderelektroden 98-1 ausgebildet. Die jeweiligen
Empfängereinheiten 74 sind als elektrostatisch-kapazitive Empfängereinheiten 99 und insbesondere als Empfängerelektroden 99-1 ausgebildet.
Bei einer derartigen elektrostatisch-kapazitiven Kommunikationseinheit 95 werden für zu übertragene Daten repräsentative Signale einem elektrostatischen Feld und insbesondere einem elektrostatischen Wechselfeld aufmoduliert und von der Senderelektrode 98-1 oder einer elektrostatisch-kapazitiven
Sendeeinheit 98 im Allgemeinen ausgesandt und von der Empfängerelektrode 99-1 oder der elektrostatisch-kapazitiven Empfängereinheit 99 im Allgemeinen empfangen.
Die Figuren 5 und 6 zeigen schematisch bei einem LiDAR-System 1 magnetisch induktive Kommunikationskanäle 91 und 92 magnetisch-induktiver
Kommunikationseinheiten 90 zwischen einem Rotor 200 und einem Stator 100 des LiDAR-Systems 1.
Wie bereits im Zusammenhang mit den Figuren 4 C und 4 D ganz allgemein dargelegt wurde, wird jeder der magnetisch-induktiven Kommunikationskanäle 91 und 92 der magnetisch-induktiven Kommunikationseinheit 90 realisiert durch eine Anordnung aus magnetisch-induktiver Sendeeinheit 93, zum Beispiel einer Senderspule 93-1 , und magnetisch-induktive Empfängereinheiten 94, zum Beispiel in Form einer Empfängerspule 94-1.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform sind die magnetisch-induktiven Kommunikationskanäle 91 und 92 auf Grund des unterschiedlich starken radialen Versatzes der Senderspulen 93-1 und der Empfängerspulen 94-1 in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Rotationsachse 5 in ihrer Ausrichtung in etwa senkrecht zur Rotationsachse 5 ausgebildet.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 weisen die Senderspulen 93-1 und die Empfängerspulen 94-1 der ersten und zweiten magnetisch-induktiven
Kommunikationskanäle 91 , 92 der magnetisch-induktiven Kommunikationseinheit 90 einen identischen axialen Versatz in Bezug auf die Rotationsachse 5 auf. Daher sind die magnetisch-induktiven Kommunikationskanäle 91 und 92 in etwa parallel zur Rotationsachse 5 ausgerichtet.
Bei denen Figuren 5 und 6 angedeuteten Ausführungsformen werden die Senderspulen 93-1 und die Empfängerspulen 94-1 von einer statorseitigen Primärspule 102 und einer rotorseitig in Sekundärspule 202 einer
Energieversorgungsanordnung 300 zwischen Stator 100 und Rotor 200 gebildet. Eine derartige Ausführung ist jedoch nicht obligatorisch, es können vielmehr zusätzlich zu Primärspule 102 und Sekundärspule 202 der
Energieversorgungsanordnung 300 zusätzliche und separate Sender Spulendraht 90-1 und Empfängerspulen 94-1 für die magnetisch-induktive Kommunikationseinheit 90 vorgesehen sein.
Die Figuren 7 und 8 zeigen schematisch bei einem LiDAR-System 1
elektrostatisch-kapazitive Kommunikationseinheiten 95 mit elektrostatisch kapazitiven Kommunikationskanäle 96 und 97 zwischen einem Rotor 200 und einem Stator 100 des LiDAR-Systems 1.
Wie ganz allgemein bereits im Zusammenhang mit den Figuren 4E und 4F dargelegt wurde, werden bei einer jeweiligen elektrostatisch-kapazitiven
Kommunikationseinheit 95 jeweilige erste und zweite elektrisch-kapazitive Kommunikationskanäle 96 bzw. 97 von einer oder mehreren elektrostatisch kapazitiven Sendereinheiten 98, zum Beispiel in Form von Senderelektroden 98- 1 , sowie von einer oder von mehreren elektrostatisch-kapazitiven
Empfängereinheiten 99, zum Beispiel in Form von Empfängerelektroden 99-1 , gebildet.
Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 befinden sich die elektrostatisch-kapazitiven Sendereinheiten 98 und elektrostatisch-kapazitiven Empfängereinheiten 99 der elektrostatisch kapazitiven Kommunikationseinheit 95 und der entsprechenden
Kommunikationskanäle 96 und 97 in Form von Elektrodenringen oder
Ringelektroden in einem achsnahen und konzentrisch zur Rotationsachse 5 angeordneten Bereich an Rotor 200 und Stator 100.
Bei der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1 befinden sich die elektrostatisch-kapazitiven Sendereinheiten 98 und elektrostatisch-kapazitiven Empfängereinheiten 99 der elektrostatisch kapazitiven Kommunikationseinheit 95 und der entsprechenden
Kommunikationskanäle 96 und 97 in Form von Elektrodenringen oder
Ringelektroden dagegen in einem achsfernen und konzentrisch zur
Rotationsachse 5 angeordneten Bereich an Rotor 200 und Stator 100.
Bei den Anordnungen gemäß den Figuren 4A bis 8 sind jeweils einzelne Kommunikationskanäle 71 , 72 in isolierter Natur dargestellt, also als rein optische, rein magnetisch-induktive bzw. rein elektrostatisch-kapazitive
Kommunikationskanäle. Dies dient nur der schematischen Erläuterung wogegen ein Kern der Erfindung eben gerade darin besteht mindestens zwei
Kommunikationskanäle 71 , 72 mit unterschiedlicher Natur vorzusehen.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
LiDAR-Systeme sollen zukünftig möglichst unsichtbar in Fahrzeuge integriert werden. Um dies zu ermöglichen, muss ein LiDAR-System so kompakt wie möglich ausgebildet sein.
Gleichzeitig steigen die Anforderungen hinsichtlich Auflösung und
Bildwiederholrate.
Zum einen resultiert dies in einem erhöhten Energieverbrauch der Komponenten auf dem Rotor 200, zum anderen erhöht sich die Menge an 3D-Daten, die vom Rotor 200 auf den Stator 100 nach Art eines Uplinks transportiert werden müssen. Die Datenrate kann beispielsweise bis zu 800 Mbit/s erreichen. Zur Steuerung der Komponenten auf dem Rotor 200 wird ein weiterer Datenlink nach Art eines Downlinks benötigt. Dieser kann jedoch mit einer wesentlich geringeren Datenrate, zum Beispiel von weit unter 100 Mbit/s betrieben werden, im
Vergleich zum Uplink vom Rotor 200 zum Stator 100.
Energie- und Datenübertragung kann über einen LiDAR-seitigen Koppler und einen fahrzeugseitigen Koppler realisiert werden. Neben einer Spule für die Energieübertragung benötigen beide Koppler ein Wellenleiterpaar zum differentiellen Senden von Daten und ein Wellenleiterpaar zum differentiellen Empfangen von Daten. Um eine Datenübertragung bei jedem Winkel der Verdrehung zwischen Rotor und Stator zu ermöglichen, sind die Wellenleiter als Ringe oder Ringsegmente ausgeführt.
Der Durchmesser des Spulenpaars zur Energieübertragung vergrößert sich mit steigendem Energieverbrauch. Die Wellenleiter zur kapazitiven
Datenübertragung befinden sich üblicherweise radial außerhalb der Spule. Dadurch erhöht sich deren Durchmesser ebenfalls.
Eine Anordnung mit einem derartigen Durchmesser hat unter anderem folgende Nachteile: - Es liegen eine vergleichsweise hohe elektromagnetische Abstrahlung des zu Grunde liegenden Senderings und eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit des zu Grunde liegenden Empfangsrings gegenüber elektromagnetischen Immissionen vor.
- Mit größerem Durchmesser der Wellenleiter steigen die mechanischen
Toleranzen, was die Herstellung des Moduls zur Datenübertragung erschwert.
- Die Luftzirkulation zwischen Rotor 200 und Stator 100 wird unterbrochen, deshalb verringert sich die Wärmeabfuhr der im Rotor entstehenden
Verlustleistung.
Wird lediglich ein Datenkanal über die Wellenleiteranordnung realisiert, verringert sich deren Durchmesser. Somit werden die oben genannten Nachteile abgeschwächt oder gar vermieden. Der verbleibende Kommunikationskanal 71 , 72 wird dann über eine Kommunikationseinheit 70 realisiert, der von einer anderen Natur ist, beispielsweise basierend auf optischen oder magnetischen Signalen.
Die Figuren 2 bis 8 zeigen unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.
Beim Einsatz einer optischen Kommunikationseinheit 80 mit optischen
Kommunikationskanälen 81 , 82 können ein oder mehrere Lichtquellen oder Strahlungsemitter 83-1 als optische Sendereinheiten 83 und/oder mehrere optische Detektoren in Form von Strahlungsempfängern 84-1 als
Strahlungsempfänger 84 ausgebildet sein, damit trotz eines axialen optischen Hindernisses, wie es im Schnittstellenbereich I gemäß Figur 2 dargestellt ist, nämlich durch die Welle 7 stets eine Sichtverbindung zwischen mindestens einer Lichtquelle 83-1 und mindestens einem optischen Detektor 84-1 besteht.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 besteht bei der Verwendung einer optischen Kommunikationseinheit 80 eine optische Datenverbindung nach Art eines optischen Kommunikationskanals 81 , 82 auf der Achse 5, bei der stets eine Sichtverbindung zwischen einer Lichtquelle 83-1 und dem optischen Detektor 84- 1 besteht. Die Figuren 5 und 6 zeigen mögliche Konfigurationen einer induktiven
Datenübertragung mittels einer magnetisch-induktiven Kommunikationseinheit 90. Diese stellt für die geringe Datenrate - zum Beispiel bei einem Downlink von einem Rotor 200 zu einem Stator 100 - eine günstige Alternative dar, weil zum Beispiel keine aktiven analogen Schaltungselemente zur Signalaufbereitung notwendig sind.
Bei einer bevorzugten Variante dient eine der Spulen 102, 202 als Senderspule 93-1 und jeweils eine andere der Spulen 102, 202 als Empfängerspule 94-1. Vorzugsweise werden die Drahtwicklungen der Spulen 102, 202 durch die Spulenkerne oder Eisenkerne derart umschlossen, dass die aus dem Spulenpaar 101 , 102 austretenden magnetischen Felder abgeschirmt werden.
In diesem Zusammenhang und in Verbindung mit den Darlegungen zu den Figuren 1 und 2 wird auch noch einmal auf eine mögliche Grundstruktur eines rotierenden LiDAR-Systems 1 mit Rotor 200, Stator 100 und
einem Schaft 7 zur Befestigung und zum Antrieb des Rotors 200 hingewiesen.
Zur Energieübertragung kann über eine elektrische Spule 102 als Primärspule am Stator 100 ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld erzeugt werden, das in der elektrischen Spule 202 als Sekundärspule des Rotors 200 einen
Strom induziert, der für den Betrieb der elektrischen Komponenten des Rotors 200 genutzt werden kann.
Wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 dargelegt wurde, können sich die Primärspule 102 und die Sekundärspule 202 für die
Energieübertragungsanordnung 300 zwischen Stator 100 und Rotor 200 im Schnittstellenbereich I oder im Schnittstellenbereich II befinden, also jeweils an einer Stelle, an der sich ein axiales Hindernis wie eine Welle 7 befindet, nämlich im Schnittstellenbereich I gemäß Figur 2, oder an einer Stelle, an der die Achse 5 frei ist, nämlich im Schnittstellenbereich II gemäß Figur 3.
Die Spulen 102, 202 der induktiven Energieübertragung 300 können auch gleichzeitig zur induktiven Datenübertragung genutzt werden und bilden in diesem Fall vollständig oder teilweise die oben bereits beschriebenen
magnetisch-induktiven Sender- und Empfängereinheiten 93 bzw. 94, also die Senderspule 93-1 und die Empfängerspule 94-1. Je nach Aufbau des LiDAR-Systems 1 ist eine Realisierung der
Datenübertragung durch die Kombination verschiedener
Datenübertragungsverfahren innerhalb von Regionen oder
Schnittstellenbereichen I und II sinnvoll.
In Kombination mit dem optischen oder dem induktiven Verfahren der
Datenübertragung kann auch eine kapazitive Datenübertragung sinnvoll sein.
Eine differentielle kapazitive Datenübertragung ist schematisch in den Figuren 7 und 8 dargestellt, wobei ein Ringpaar mit entsprechenden Elektroden als elektrostatisch-kapazitive Sendeeinheit 98 und ein Ringpaar mit entsprechenden Elektroden als elektrostatisch-kapazitive Empfängereinheiten 99 fungiert. Die Ringspaare können achsnah wie in Figur 7 oder achsfern wie in Figur 8 angeordnet sein.
Eine differentielle kapazitive Datenübertragung mittels einer elektrostatisch kapazitiven Kommunikationseinheit 95 bietet auch die Möglichkeit, die
Senderichtung 76, 77 während der Laufzeit zu wechseln,
wodurch eine halb-duplex Verbindung realisierbar wird. Eine Kombination von zwei Kommunikationskanälen 71 , 72 mit unterschiedlicher Natur realisiert jedoch einen Vollduplexbetrieb.
Nachfolgend werden unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten erörtert, je nachdem, ob sich die Energieversorgungsanordnung 300 im
Schnittstellenbereich I oder im Schnittstellenbereich II befindet, wie diese im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 dargestellt sind.
Befindet sich die Energieversorgungsanordnung 300 gemäß Figur 2 im
Schnittstellenbereich I oberhalb zwischen Stator 100 und Rotor 200, so sind unter anderem folgende Kombinationen von Kommunikationskanälen 71 , 72 denkbar, wobei mit Downlink die Kommunikationsrichtung 76 vom Stator 100 zum Rotor 200 und mit Uplink die Kommunikationsrichtung 77 vom Rotor 200 zum Stator 100 bezeichnet wird: optisch als Uplink in Region II und induktiv als Downlink in Region I mit gleichzeitiger Nutzung der Spulen 102, 202 der Energieübertragung 300, - optisch als Uplink in Region 2 und induktiv als Downlink in Region II,
- optisch als Downlink in Region I und kapazitiv als Uplink in Region I,
- optisch als Downlink in Region I und kapazitiv als Uplink in Region II,
- optisch als Downlink in Region II und kapazitiv als Uplink in Region I,
- optisch als Downlink in Region II und kapazitiv als Uplink in Region II,
- optisch in Region II und kapazitiv in Region I, Up- und Downlink beliebig,
- optisch in Region II und kapazitiv in Region II, Up- und Downlink beliebig,
- induktiv in Region I mit gleichzeitiger Nutzung der Spulen 102, 202 der Energieübertragung 300 als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region I,
- induktiv in Region I mit gleichzeitiger Nutzung der Spulen 102, 202 der Energieübertragung 300 als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region II,
- induktiv in Region II als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region I und
- induktiv in Region II als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region II.
Befindet sich die Energieversorgungsanordnung 300 gemäß Figur 2 im Schnittstellenbereich II unterhalb zwischen Stator 100 und Rotor 200, so sind unter anderem folgende Kombinationen von Kommunikationskanälen 71 , 72 denkbar:
- optisch als Uplink in Region II und induktiv als Downlink in Region II mit gleichzeitiger Nutzung der Spulen 102, 202 der Energieübertragung 300,
- optisch als Uplink in Region II und induktiv als Downlink in Region I,
- optisch als Downlink in Region I und kapazitiv als Uplink in Region I,
- optisch als Downlink in Region I und kapazitiv als Uplink in Region II,
- optisch als Downlink in Region II und kapazitiv als Uplink in Region I,
- optisch als Downlink in Region II und kapazitiv als Uplink in Region II,
- optisch in Region II und kapazitiv in Region I, Up- und Downlink beliebig,
- optisch in Region II und kapazitiv in Region II, Up- und Downlink beliebig,
- induktiv in Region II mit gleichzeitiger Nutzung der Spulen 102, 202 der Energieübertragung 300 als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region I,
- induktiv in Region II mit gleichzeitiger Nutzung der Spulen 102, 202 der Energieübertragung 300 als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region II,
- induktiv in Region I als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region I und
- induktiv in Region I als Downlink und kapazitiv als Uplink in Region II.

Claims

Ansprüche
1. LiDAR-System (1) vom scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, bei welchem
- ein Stator (100), ein gegenüber dem Stator (100) um eine
Rotationsachse (5) rotierbarer Rotor (200), eine Senderoptik (60), eine Empfängeroptik (30) und eine Kommunikationseinheit (70) zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) ausgebildet sind,
- zumindest ein Teil der Senderoptik (60) und/oder ein Teil der
Empfängeroptik (30) im Rotor (200) aufgenommen sind,
- die Kommunikationseinheit (70) einen ersten Kommunikationskanal (71) zur kontaktlosen Datenübertragung vom Stator (100) zum Rotor (200) und einen zweiten Kommunikationskanal (72) zur kontaktlosen
Datenübertragung vom Rotor (200) zum Stator (100) aufweist und
- der erste und der zweite Kommunikationskanal (71 , 72) mit
unterschiedlicher Natur ausgebildet sind.
2. LiDAR-System (1) nach Anspruch 1 , bei welchem der erste und der zweite Kommunikationskanal (71 , 72) ausgewählt sind aus der Gruppe von Kommunikationskanälen (71 , 72), die optische Kommunikationskanäle (81 , 82), magnetisch-induktive Kommunikationskanäle (91 , 92), elektrostatisch kapazitive Kommunikationskanäle (96, 97) und deren Mischformen aufweist.
3. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei
welchem ein jeweiliger Kommunikationskanal (71 , 72) mit einer in Bezug auf die Datenübertragung senderseitigen Sendereinheit (73) zum
Aussenden - für zu übertragende Daten repräsentativer - Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitigen
Empfängereinheit (74) zum Empfangen von Signalen ausgebildet ist.
4. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein jeweiliger optischer Kommunikationskanal (81 , 82)
- mit einer in Bezug auf die Datenübertragung senderseitigen optischen Sendereinheit (83) zum Aussenden - für zu übertragende Daten repräsentativer - optischer Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitigen optischen Empfängereinheit (84) zum Empfangen optischer Signale ausgebildet ist,
- zum Übertragen für zu übertragende Daten repräsentativer Signale im optisch visuellen Bereich, im ultravioletten und/oder im Infrarotbereich eingerichtet ist,
- in Bezug auf die Datenübertragung senderseitig einen oder mehrere Strahlungsemitter (83-1), LEDs und/oder Laser aufweist und/oder
- in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitig einen oder mehrere Strahlungsempfänger (83-2), Photodioden, Avalanchephotodioden und/oder Photowiderstände aufweist.
5. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei
welchem ein jeweiliger magnetisch-induktiver Kommunikationskanal (91 ,
92)
- mit einer in Bezug auf die Datenübertragung senderseitigen magnetisch induktiven Sendereinheit (93) zum Aussenden - für zu übertragende Daten repräsentativer - magnetischer oder magnetisch modulierter Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung
empfängerseitigen magnetisch-induktiven Empfängereinheit (94) zum Empfangen magnetischer oder magnetisch modulierter Signale ausgebildet ist,
- in Bezug auf die Datenübertragung senderseitig eine oder mehrere Senderspulen (93-1) aufweist und/oder
- in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitig eine oder mehrere Empfängerspulen (94-1) und/oder Hallsensoren aufweist.
6. LiDAR-System (1) nach Anspruch 5, bei welchem eine Senderspule (93-1) und/oder eine Empfängerspule (94-1) teilweise oder vollständig statorseitig zumindest als Teil einer Primärspule (102) und/oder rotorseitig zumindest als Teil einer Sekundärspule (202) einer magnetisch-induktiven
Energieversorgungsanordnung (300) zwischen Stator (100) und Rotor (200) ausgebildet ist bzw. sind.
7. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein jeweiliger elektrostatisch-kapazitiver Kommunikationskanal (96, 97)
- mit einer in Bezug auf die Datenübertragung senderseitigen
elektrostatisch-kapazitiven Sendereinheit (98) zum Aussenden - für zu übertragende Daten repräsentativer - elektrostatischer oder elektrostatisch modulierter Signale und mit einer in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitigen elektrostatisch-kapazitiven Empfängereinheit (99) zum Empfangen elektrostatischer oder elektrostatisch modulierter Signale ausgebildet ist,
- in Bezug auf die Datenübertragung senderseitig eine oder mehrere Senderelektroden (98-1) aufweist und/oder
- in Bezug auf die Datenübertragung empfängerseitig eine oder mehrere Empfängerelektroden (99-1) aufweist.
8. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei
welchem ein jeweiliger Kommunikationskanal (71 , 72)
- zu der Rotationsachse (5) parallel oder schräg verlaufend und/oder
- entweder zu der Rotationsachse (5) radial versetzt oder mit der
Rotationsachse (5) fluchtend
angeordnet ist.
9. LiDAR-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zum Übertragen
- von Steuerdaten zum Steuern des Rotierens und/oder des allgemeinen Betriebs des Rotors (200) repräsentativer Daten vom Stator (100) zum Rotor (200) und/oder
- von Empfängerdaten und insbesondere für empfangene Signale
repräsentativer Daten vom Rotor (200) zum Stator (100)
eingerichtet ist.
10. Betriebsverfahren für ein LiDAR-System (1) vom scannenden Typ zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50) für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- wobei das LiDAR-System (1) mit einem Stator (100), einem gegenüber dem Stator (100) um eine Rotationsachse (5) rotierbaren Rotor (200), einer Senderoptik (60), einer Empfängeroptik (30) und einer
Kommunikationseinheit (70) zur kontaktlosen Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Senderoptik (60) und/oder ein Teil der Empfängeroptik (30) im Rotor (200) aufgenommen ist und
- wobei beim Verfahren die kontaktlose Datenübertragung zwischen Stator (100) und Rotor (200) über einen ersten Kommunikationskanal (71) zur kontaktlosen Datenübertragung vom Stator (100) zum Rotor (200) und über einen zweiten Kommunikationskanal (72) zur kontaktlosen Datenübertragung vom Rotor (200) zum Stator (100) erfolgt und
- erste und zweite Kommunikationskanäle (71 , 72) mit unterschiedlicher Natur aus der Gruppe von Kommunikationskanälen verwendet werden, die optische Kommunikationskanäle, magnetisch-induktive
Kommunikationskanäle, elektrostatisch-kapazitive
Kommunikationskanäle und deren Mischformen aufweist.
11. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug,
mit einem LiDAR-System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50).
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