WO2024061834A1 - Verfahren zum betreiben eines lidar-sensorsystems - Google Patents

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WO2024061834A1
WO2024061834A1 PCT/EP2023/075663 EP2023075663W WO2024061834A1 WO 2024061834 A1 WO2024061834 A1 WO 2024061834A1 EP 2023075663 W EP2023075663 W EP 2023075663W WO 2024061834 A1 WO2024061834 A1 WO 2024061834A1
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WO
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mirror
radiation
receiving unit
operating mode
mode
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/075663
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jens WERNETH
Mario Lietz
Julian Hauss
Mirko Hattass
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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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

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a LiDAR sensor system with a transmitting unit and a receiving unit and at least two mirrors. Furthermore, the invention relates to the use of the method in a LiDAR sensor system of a vehicle or a consumer electronic device.
  • LiDAR sensors play an important role in the implementation of driving functions in automated driving.
  • LiDAR sensors emit temporally structured light, which is reflected on objects and registered again by the sensor. The distance of objects can be determined by measuring the time of flight of light. Due to the requirements resulting from the safety standard ISO 262626, there is a need to continuously monitor the functionality of the LiDAR sensor in order to avoid both immediate damage to the system and incorrect measured values that can cause an incorrect reaction from higher-level systems . Regardless of the use of sensors in the automotive sector, IEC 60825 (eye safety of laser systems) must also be observed. To ensure compliance, various monitoring mechanisms must be provided that detect or prevent malfunctions at an early stage.
  • WO 2019/197894 A1 relates to a LiDAR system and a method for internal light calibration.
  • At least one processor of the LiDAR system controls at least one light source.
  • a first set of input signals is obtained from a set of detectors associated with the light projected from the first light source and reflected from an object external to the LiDAR system. Based on the first number of input signals, a distance to the object is calculated.
  • a second number of input signals are received from the group of detectors, which are related to the light which is internally projected to the LiDAR system with the at least one light source. Based on the second number of input signals, it is determined to what extent there is a reduction in performance of the at least one detector from the group of detectors. Based on this identified decrease in performance, remedial action is taken.
  • DE 10 2017 223 340 A1 relates to an object detection device.
  • This includes a light sensor and a light receiver, further a rotating scanner that has a mirror and reflects light from the light transmitter from the mirror by rotating the mirror to scan the reflected light over a predetermined area and to light from a target is reflected, to reflect from the mirror and to guide the reflected light to the light receiver.
  • an object detector is provided which detects whether there is a target based on a light reception signal.
  • the light guide receives light transmitted from the light transmitter and reflected by the mirror, and reflects the light from the mirror to guide the reflected light to the light receiver.
  • the LiDAR sensor includes a beam source that emits light in the visible range or in the infrared range, a receiver for receiving the light from the beam source reflected on surfaces in the area surrounding the vehicle, and an electronic evaluation device for evaluating Transit times of the emitted and received light.
  • the light source is designed to emit light at at least two different wavelengths.
  • the evaluation device has a spectral evaluation channel for evaluating intensities of the received light at different wavelengths.
  • a method for operating a LiDAR sensor system comprising a transmitting unit and a receiving unit as well as at least one mirror and at least the following method steps are carried out: a) emitting transmitted radiation by means of the transmitting unit, b) in a first operating mode (measuring operation) aligning the at least one mirror in such a way that the direction of the reflected radiation is influenced in such a way that it is reflected to the receiving unit, and c) in a second operating mode (self-test mode) aligning the at least one mirror in such a way that the transmitted radiation is reflected Transmitting unit is fed to the receiving unit along a direct radiation path.
  • a first operating mode measuring mode
  • a second operating mode self-test mode
  • the solution proposed according to the invention advantageously enables a self-test operation of a LiDAR sensor system to be achieved, which is extremely simple and enables monitoring of the functionality of laser diodes of the radiation source, so that degradation, failure or other malfunction can be detected at an early stage.
  • the solution proposed according to the invention allows this to be achieved directly by the components already installed in the LiDAR sensor system without installing new elements or using scattered light.
  • different external angular ranges are measured by the LiDAR sensor system by rotating the at least one mirror, in particular a polygon mirror.
  • the radiation emitted by the transmitting unit runs essentially in the form of a vertical line.
  • the receiving unit is essentially designed to receive radiation in the form of vertical lines.
  • the receiving unit used is designed in such a way that it either comprises a detector or a corresponding detector is assigned to the receiving unit, the detector being advantageously designed as a line detector
  • the invention relates to the use of the method in a LiDAR sensor system of a vehicle or a consumer electronic device.
  • the solution proposed according to the invention enables very simple monitoring of the functionalities, for example the laser diodes of the transmitting unit, so that degradation, an impending failure or another malfunction that may be announced at an early stage can be detected in good time.
  • this diagnosis can be carried out in the LiDAR sensor system without having to use separate test elements or devices or even scattered light.
  • the solution proposed according to the invention can provide a direct light path that runs from the transmitting unit (the laser or the group of laser diodes) to a detector, ie the receiving unit, so that the receiving unit can be used for the actual measurement of the objects to be detected and at the same time in the frame
  • the self-test operation can be used to monitor the LiDAR sensor system for impending damage.
  • the solution proposed according to the invention makes it possible to avoid self-monitoring of laser sources, for example through internal reflections within the LiDAR housing, as can be seen, for example, from WO 19/197894 A1 or DE 10 2017 223 340 A1.
  • a polygon mirror in the “self-test mode” operating mode, can be rotated in such a way that it either releases or interrupts the direct light path from the laser source to the detector. If the light path is released by the laser diodes or the transmitting unit comprising several grouped laser diodes, time signals can be checked as part of the self-test operation. For example, if the transmitter unit is composed of different laser diodes or groups of laser diodes, different groupings of laser diodes can be pulsed so that a check can be carried out as to whether an expected functionality is present, to what extent it is present, and whether there is already any previous damage, that lead to an expectation of failure.
  • the method proposed according to the invention is such that it works without further reflective elements within the LiDAR sensor housing, since a direct light path is used.
  • the functioning is dependent, for example, on an aging-related decrease in the reflectivity of a pane of the housing and, in particular, only certain materials are suitable for their selection, which require correspondingly higher costs.
  • Show it: 1 shows a LiDAR sensor system with a self-monitoring function according to the prior art
  • FIG. 2 shows a LiDAR sensor system which comprises a movable polygon mirror for carrying out a first variant of the method proposed according to the invention
  • Figure 3 shows the LiDAR sensor system according to a first variant, Figure 2 in a “self-test mode” operating mode,
  • Figure 4 shows an embodiment variant of a LiDAR sensor system, with a measurement operation taking place and
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of a LiDAR sensor system in which the method proposed according to the invention for carrying out the “self-test operation” operating mode is implemented.
  • Figure 6 shows a LiDAR sensor system which comprises a movable polygon mirror for carrying out a second variant of the method proposed according to the invention
  • FIG. 7 shows the LiDAR sensor system according to a second first variant, FIG. 2 in a “self-test mode” operating mode
  • the housing 12 includes a transparent cover 14, which can be designed, for example, as a glass pane or glass ceiling.
  • the inside is designated by reference numeral 16, while an outside of the transparent cover 14 is designated by position 18.
  • This scattered light 24 reaches at least some of the receiving unit 28, which is also arranged within the housing 12.
  • FIG. 1 which represents the prior art a self-test of the LiDAR sensor system 10 shown there based on the evaluation of the scattered light 24 within the receiving unit 28.
  • FIG. 2 shows a LiDAR sensor system 10, in whose housing 12 a transmitting unit 26 having a plurality of laser diodes or several groups of laser diodes is arranged. Furthermore, there is a receiving unit 28 within the housing 12 of the LiDAR sensor system 10, which serves as a detector or includes one.
  • the housing 12 is closed by the transparent cover 14, the inside of which is designated by reference number 16 and the outside of which has the reference number 18.
  • the polygon mirror 30 comprises at least two facets or at least two mirror surfaces. 2 shows that in this embodiment variant the polygon mirror 30 has a substantially square cross section, comprising a first mirror surface 36, a second mirror surface 38, a third mirror surface 40 and a fourth mirror surface 42.
  • the mirror surfaces 36, 38, 40, 42 are each oriented at 90° with respect to one another.
  • time signals can be tested.
  • the “self-test mode” operating mode 52 for example, in the event that the transmitting unit 26 is composed of different laser diodes or groups of laser diodes, it can be tested and checked by pulsing different groups of laser diodes to see whether the expected functionality is present or whether there may be previous damage have set the laser diodes, which could result in an imminent failure of the LiDAR sensor system 10.
  • the solution proposed according to the invention makes it possible to very easily monitor the functionality of laser diodes of the transmitting unit 26 in the “self-test mode” operating mode 52 of the LiDAR sensor system 10, so that degradation, failure or other potentially occurring malfunction can be detected at an early stage.
  • FIG. 3 shows that the provision of the direct light path 44 from the transmitting unit 26 via the first deflection mirror 46 and the second deflection mirror 48 and from there to the receiving unit 28 serving as a detector enables a double use of components present in the housing 12.
  • the operating mode “measuring mode” 50 shown in FIG “52 will be passed over.
  • FIG. 4 shows that, in contrast to the LiDAR sensor system 10, which was described with reference to FIGS. 2 and 3, a first deflection mirror 46 is missing in the embodiment variant according to FIG.
  • the transmitting unit 26 is shifted in comparison to the embodiment variant of the LiDAR sensor system 10 according to FIGS. 2 and 3, so that the transmitted radiation 20 strikes directly on the second mirror surface 38 of the polygon mirror 30, which can be rotated about its axis of rotation 32, and from there as shown in the illustration Figure 4 leaves the housing, not shown, as transmitted radiation 20.
  • radiation 22 reflected from a detected object strikes the third mirror surface 40 in this embodiment variant, is deflected there in the direction of the second deflection mirror 48 and strikes the receiving unit 28 serving as a detector as reflected radiation 22 .
  • the polygon mirror 30 can also be rotated about its axis of rotation 32, for example in the direction of rotation 34.
  • the polygon mirror 30 is essentially designed in a square cross section, so that on its outside the first mirror surface 36, the second mirror surface 38, the third mirror surface 40 and the fourth mirror surface 42 are formed, each of which is oriented offset from one another by 90° .
  • the transmitted radiation 20 can leave the housing of the LiDAR sensor system 10 and radiation 22 reflected from objects can enter the LiDAR sensor system 10 again.
  • the two embodiment variants of the LiDAR sensor system 10 shown in FIGS. 2 and 3 or 4 and 5 have in common that they include the rotatable polygon mirror 30, which is either the one in the figures
  • "measuring mode" operating mode 50 is made possible by one of the mirror surfaces 36, 38, 40, 42 interrupting a direct light path 44 between the transmitting unit 26 and the receiving unit 28 or, as in the figures
  • the direct light path 44 between the transmitting unit 26 and the receiving unit 28 serving as a detector is released, so that the “self-test mode” operating mode 52 can be implemented.
  • the operating mode “measuring mode” 50 or the operating mode “self-test mode” 52 can be carried out on the LiDAR sensor system 10 without having to provide separate test components in the LiDAR sensor system 10.
  • FIGS. 6 and 7 A particularly advantageous variant of the invention is shown in FIGS. 6 and 7.
  • the elements of these figures correspond to those of Figures 2 and 3 with the difference that the deflection mirrors 46 and 48 can be dispensed with here because of the changed position of the receiving unit 28 and transmitting unit 26 compared to Figures 2 and 3.
  • This is particularly advantageous because in this way a very compact design of the lidar is possible.
  • the outgoing radiation is measured directly by the receiving unit 28 (self-testing operation, FIG. 7) or the mirror 30 is adjusted in measuring mode (FIG. 6) so that the receiving unit 28 detects the radiation reflected by the objects to be detected .

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems (10) mit einer Sendeeinheit (26) und einer Empfangseinheit (28) und mindestens einem Spiegel (30) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aussenden gesendeter Strahlung (20) mittels der Sendeeinheit (26), b) in einem ersten Betriebsmodus (Messbetrieb 50) Ausrichten des mindestens einen Spiegels (30) derart, dass die Richtung der reflektierten Strahlung (22) derart beeinflusst wird, dass sie zu der Empfangseinheit (28) reflektiert wird, und c) in einem zweiten Betriebsmodus (Selbsttestbetrieb 52) Ausrichten des mindestens einen Spiegels (30) derart, dass die gesendete Strahlung (20) der Sendeeinheit (26) entlang eines direkten Strahlungspfades (44) der Empfangseinheit (28) zugeleitet wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR- Sensorsystems mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit und mindestens zwei Spiegeln. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens in einem LiDAR-Sensorsystem eines Fahrzeugs oder eines Consumer Electronic-Geräts.
Stand der Technik
LiDAR-Sensoren spielen eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit der Realisierung von Fahrfunktionen im automatisierten Fahren. LiDAR-Sensoren senden zeitlich strukturiertes Licht aus, welches an Objekten reflektiert und wieder vom Sensor registriert wird. Anhand der Messungen der Lichtlaufzeit kann die Entfernung von Objekten bestimmt werden. Aufgrund der sich aus der Sicherheitsnorm ISO 262626 ergebenden Anforderungen besteht die Notwendigkeit, die Funktionalität des LiDAR-Sensors laufend zu überwachen, um sowohl unmittelbaren Schaden durch das System oder aber auch durch fehlerhafte Messwerte, die eine falsche Reaktion von übergeordneten Systemen hervorrufen können, zu vermeiden. Unabhängig vom Einsatz von Sensoren im Automobilbereich ist zusätzlich die IEC 60825 (Augensicherheit von Lasersystemen) zu beachten. Zu deren Einhaltung sind verschiedene Überwachungsmechanismen vorzusehen, die eine Fehlfunktion frühzeitig erkennen beziehungsweise verhindern. Aktuell wird die Selbstüberwachung von Laserlichtquellen beispielsweise durch interne Reflexionen im LiDAR-Gehäuse ermöglicht, entweder zu explizit vorgesehenen Elementen oder aber auch mittels „Undefinierten Streulichts“. WO 2019/197894 A1 bezieht sich auf ein LiDAR-System und ein Verfahren zur internen Lichtkalibration. Mindestens ein Prozessor des LiDAR-Systems steuert zumindest eine Lichtquelle. Es wird eine erste Gruppe von Eingangssignalen von einer Gruppe von Detektoren erhalten, die mit dem Licht Zusammenhängen, welches von der ersten Lichtquelle projiziert wird und von einem Objekt außerhalb des LiDAR-Systems reflektiert wird. Basierend auf der ersten Anzahl von Input-Signalen wird eine Entfernung zu dem Objekt berechnet. Von der Gruppe von Detektoren wird eine zweite Anzahl von Eingangssignalen empfangen, die mit dem Licht Zusammenhängen, welches intern an das LiDAR- System mit der mindestens einen Lichtquelle projiziert wird. Basierend auf der zweiten Anzahl von Eingangssignalen wird bestimmt, inwieweit sich eine Leistungsabnahme des zumindest einen Detektors aus der Gruppe von Detektoren einstellt. Ausgehend von dieser festgestellten Leistungsabnahme wird Abhilfe eingeleitet.
DE 10 2017 223 340 A1 bezieht sich auf eine Objekterfassungsvorrichtung. Diese umfasst einen Lichtsensor sowie einen Lichtempfänger, ferner einen sich drehenden Scanner, der einen Spiegel aufweist und Licht von dem Lichtsender von dem Spiegel durch Drehen des Spiegels reflektiert, um das reflektierte Licht über einen vorbestimmten Bereich zu scannen und um Licht, das von einem Ziel reflektiert wird, von dem Spiegel zu reflektieren und das reflektierte Licht zu dem Lichtempfänger zu führen. Des Weiteren ist ein Objektdetektor vorgesehen, der basierend auf einem Lichtempfangssignal erfasst, ob es ein Ziel gibt. Ferner ist ein Lichtführer vorhanden, der Licht von dem Lichtsender zu dem Lichtempfänger führt, sowie ein Versagensdetektor, der basierend auf einem Lichtemissionszustand des Lichtsenders und einem Lichtempfangszustand des Lichtempfängers erfasst, ob es ein Versagen gibt. Der Lichtführer empfängt Licht, welches von dem Lichtsender gesendet und von dem Spiegel reflektiert wird, und reflektiert das Licht von dem Spiegel, um das reflektierte Licht zu dem Lichtempfänger zu führen.
DE 10 2015 222 061 A1 bezieht sich auf einen LiDAR-Sensor für Kraftfahrzeuge. Der LiDAR-Sensor umfasst eine Strahlquelle, die Licht im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich emittiert, einen Empfänger zum Empfang des an Oberflächen in der Umgebung des Fahrzeugs zurückgeworfenen Lichts der Strahlquelle und eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Auswertung von Laufzeiten des emittierten und wieder empfangenen Lichts. Die Lichtquelle ist dazu eingerichtet, Licht bei mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen zu emittieren. Die Auswerteeinrichtung weist einen Spektral-Auswertungskanal zur Auswertung von Intensitäten des empfangenen Lichts bei verschiedenen Wellenlängen auf.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems vorgeschlagen, wobei das LiDAR-Sensorsystem eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit sowie mindestens einen Spiegel umfasst und zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Aussenden gesendeter Strahlung mittels der Sendeeinheit, b) in einem ersten Betriebsmodus (Messbetrieb) Ausrichten des mindestens einen Spiegels derart, dass die Richtung der reflektierten Strahlung derart beeinflusst wird, dass sie zu der Empfangseinheit reflektiert wird, und c) in einem zweiten Betriebsmodus (Selbsttestbetrieb) Ausrichten des mindestens einen Spiegels derart, dass die gesendete Strahlung der Sendeeinheit entlang eines direkten Strahlungspfades der Empfangseinheit zugeleitet wird.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden bei dem Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen: a) Aussenden gesendeter Strahlung mittels der Sendeeinheit, b) in einem ersten Betriebsmodus (Messbetrieb) Ausrichten des mindestens einen Spiegels derart, dass eine Richtung reflektierter Strahlung beeinflusst wird und mindestens ein weiterer Spiegel die reflektierte Strahlung aufnimmt und zu der Empfangseinheit reflektiert, und c) in einem zweiten Betriebsmodus (Selbsttestbetrieb) Ausrichten des mindestens einen Spiegels derart, dass die gesendete Strahlung der Sendeeinheit entlang eines direkten Strahlungspfades über den mindestens einen weiteren Spiegel der Empfangseinheit zugeleitet wird. In dieser Variante der Erfindung ist gegenüber der ersten Variante zumindest ein weiterer Spiegel erforderlich.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich in vorteilhafter Weise ein Selbsttestbetrieb eines LiDAR-Sensorsystems erreichen, der äußerst einfach ist und eine Überwachung der Funktionalität von Laserdioden der Strahlungsquelle ermöglicht, so dass eine Degradation, ein Ausfall oder eine andere Fehlfunktion frühzeitig erkannt werden können. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann dies unmittelbar durch die im LiDAR-Sensorsystem bereits verbauten Komponenten ohne Verbau neuer Elemente oder den Einsatz von Streulicht erreicht werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden durch Verdrehung des mindestens einen Spiegels, insbesondere eines Polygonspiegels, unterschiedliche externe Winkelbereiche durch das LiDAR- Sensorsystem vermessen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt je nach Verdrehung des Polygonspiegels ein Übergang von einem Betriebsmodus „Messbetrieb“ in einen Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ und umgekehrt. Dadurch besteht die Möglichkeit, jederzeit vom Modus „Messbetrieb“ in den Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ umzuschalten, womit eine Unabhängigkeit von festen Intervallen erreicht wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird im Betriebsmodus „Messbetrieb“ Licht/Strahlung im Wesentlichen über Reflexion als reflektierte Strahlung von Objekten an die Empfangseinheit geleitet.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird im Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ Licht/Strahlung, insbesondere auf dem direkten Lichtpfad beziehungsweise Strahlungspfad, als gesendete Strahlung an die Empfangseinheit geleitet. In diesem Fall kann eine Überprüfung erwarteter Funktionalitäten erfolgen, ohne dass weitere separate Bauteile innerhalb des LiDAR-Sensorsystems zu verbauen sind. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren stellt sich entsprechend der Drehlage des Polygonspiegels in Bezug auf die Sendeeinheit ein Akzeptanzbereich ein, derart, dass keine gesendete Strahlung direkt von der Sendeeinheit zur Empfangseinheit gelangt
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens verläuft die durch die Sendeeinheit ausgesendete Strahlung im Wesentlichen in Form einer vertikalen Linie. Des Weiteren ist beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Empfangseinheit im Wesentlichen für den Empfang von Strahlung in Form von vertikalen Linien ausgelegt
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist die eingesetzte Empfangseinheit so beschaffen, dass diese entweder einen Detektor umfasst oder der Empfangseinheit ein entsprechender Detektor zugeordnet ist, wobei der Detektor in vorteilhafter Weise als Zeilendetektor ausgeführt ist
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens in einem LiDAR-Sensorsystem eines Fahrzeugs oder eines Consumer-Electronic- Geräts.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine sehr einfache Überwachung der Funktionalitäten, beispielsweise der Laserdioden der Sendeeinheit, erfolgen, so dass eine Degradation, ein bevorstehender Ausfall oder eine sich möglicherweise frühzeitig ankündigende andere Fehlfunktion rechtzeitig erkannt werden kann. Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ kann diese Diagnose im LiDAR-Sensorsystem erfolgen, ohne dass separate Testelemente oder Vorrichtungen oder auch Streulicht eingesetzt werden müssen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ein direkter Lichtpfad bereitgestellt werden, der von der Sendeeinheit (dem Laser beziehungsweise der Gruppe von Laserdioden) zu einem Detektor, d. h. der Empfangseinheit verläuft, so dass die Empfangseinheit sowohl für die eigentliche Vermessung der zu erfassenden Objekte verwendet werden kann als auch gleichzeitig im Rahmen des Selbsttestbetriebs für eine Überwachung des LiDAR-Sensorsystems auf sich ankündigende Schäden verwendet werden kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Selbstüberwachung von Laserquellen, beispielsweise durch interne Reflexionen innerhalb des LiDAR-Gehäuses, wie dies beispielsweise aus WO 19/197894 A1 oder DE 10 2017 223 340 A1 hervorgeht, vermieden werden.
In vorteilhafter Weise kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren im Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ eine Drehverstellung eines Polygonspiegels derart erfolgen, dass dieser den direkten Lichtpfad von der Laserquelle zum Detektor entweder freigibt oder unterbricht. Im Fall der Freigabe des Lichtpfads durch die Laserdioden oder die mehrere gruppierte Laserdioden umfassende Sendeeinheit kann eine Überprüfung von Zeitsignalen im Rahmen des Selbsttestbetriebs erfolgen. Ist beispielsweise die Sendeeinheit aus verschiedenen Laserdioden oder Gruppen von Laserdioden zusammengesetzt, so können unterschiedliche Gruppierungen von Laserdioden gepulst werden, so dass eine Überprüfung derart erfolgen kann, ob eine erwartete Funktionalität gegeben ist, in welchem Umfang sie gegeben ist, und ob bereits Vorschädigungen vorliegen, die einen Ausfall erwarten lassen.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren so beschaffen, dass dieses ohne weitere reflektierende Elemente innerhalb des LiDAR-Sensorgehäuses funktioniert, da ein direkter Lichtpfad Verwendung findet. Bei den bekannten Anordnungen ist es im Gegensatz dazu so, dass die Funktionsweise beispielsweise abhängig von einer alterungsbedingten Abnahme der Reflektivität einer Scheibe des Gehäuses ist und insbesondere für deren Auswahl nur bestimmte Materialien in Frage kommen, die entsprechend höhere Kosten erforderlich machen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 ein LiDAR-Sensorsystem mit einer Selbstüberwachungsfunktion gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein LiDAR-Sensorsystem, welches zur Durchführung einer ersten Variante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens einen bewegbaren Polygonspiegel umfasst,
Figur 3 das LiDAR-Sensorystem gemäß einer ersten Variante Figur 2 in einem Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“,
Figur 4 eine Ausführungsvariante eines LiDAR-Sensorsystems, wobei ein Messbetrieb erfolgt und
Figur 5 eine Ausführungsvariante eines LiDAR-Sensorsystems, bei dem das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Durchführung des Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ implementiert ist.
Figur 6 ein LiDAR-Sensorsystem, welches zur Durchführung einer zweiten Variante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens einen bewegbaren Polygonspiegel umfasst,
Figur 7 das LiDAR-Sensorystem gemäß einer zweiten ersten Variante Figur 2 in einem Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“,
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht ein LiDAR-Sensorsystem 10 hervor, dessen Komponenten im Wesentlichen innerhalb eines Gehäuses 12 angeordnet sind. Das Gehäuse 12 umfasst eine transparente Abdeckung 14, die beispielsweise als Glasscheibe oder Glasdecke ausgebildet sein kann. Deren Innenseite ist mit Bezugszeichen 16 bezeichnet, während eine Außenseite der transparenten Abdeckung 14 mit Position 18 bezeichnet ist. Innerhalb des Gehäuses 12 des in Figur 1 dargestellten LiDAR-Sensorsystems 10 befindet sich eine Sendeeinheit 26, die gesendete Strahlung 20 ausstrahlt, die zum Teil an der Innenseite 16 der transparenten Abdeckung 14 als Streulicht 24 reflektiert ist. Dieses Streulicht 24 gelangt zumindest zum Teil an eine ebenfalls innerhalb des Gehäuses 12 angeordnete Empfangseinheit 28. Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante, die den Stand der Technik wiedergibt, erfolgt ein Selbsttest des dort dargestellten LiDAR-Sensorsystems 10 anhand der Auswertung des Streulichts 24 innerhalb der Empfangseinheit 28.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Der Darstellung gemäß Figur 2 ist ein LiDAR-Sensorsystem 10 zu entnehmen, in dessen Gehäuse 12 eine mehrere Laserdioden oder mehrere Gruppen von Laserdioden aufweisende Sendeeinheit 26 angeordnet ist. Des Weiteren befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 des LiDAR-Sensorsystems 10 eine Empfangseinheit 28, die als Detektor dient oder einen solchen umfasst. Das Gehäuse 12 ist von der transparenten Abdeckung 14 verschlossen, deren Innenseite mit Bezugszeichen 16 bezeichnet ist und deren Außenseite das Bezugszeichen 18 hat. Innerhalb des Gehäuses 12 befindet sich neben einem ersten, im Wesentlichen stationär angeordneten Umlenkspiegel 46 ein diesem gegenüberliegender zweiter Umlenkspiegel 48. Zwischen diesen beiden Umlenkspiegeln 46, 48 ist ein um eine Drehachse 32, beispielsweise im Drehsinn 34 drehbarer, weiterer Spiegel, insbesondere ein Polygonspiegel 30, angeordnet. Der Polygonspiegel 30 umfasst im vorstehenden Zusammenhang mindestens zwei Facetten oder mindestens zwei Spiegelflächen. Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante der Polygonspiegel 30 einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist, eine erste Spiegelfläche 36, eine zweite Spiegelfläche 38, eine dritte Spiegelfläche 40 sowie eine vierte Spiegelfläche 42 umfassend. Die Spiegelflächen 36, 38, 40, 42 sind jeweils in Bezug zueinander um 90° orientiert.
Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht des Weiteren hervor, dass im dort dargestellten Betriebsmodus „Messbetrieb“ 50 gesendete Strahlung 20 von der Sendeeinheit 26 durch den ersten Umlenkspiegel 46 um 90° abgelenkt wird und parallel zur transparenten Abdeckung 14 auf eine zweite Spiegelfläche 38 des Polygonspiegels 30 trifft. Von dort gelangt die gesendete Strahlung 20 nach außen. Von einem erfassten Objekt reflektierte Strahlung 22, also reflektiertes Licht, tritt über die transparente Abdeckung 14 wieder in das Gehäuse 12 des LiDAR-Sensorsystems 10 ein, wird an der dritten Spiegelfläche 40 umgelenkt und trifft auf die Oberseite des zweiten, innerhalb des Gehäuses 12 angeordneten Umlenkspiegels 48 und von dort auf die Empfangseinheit 28, die als Detektor dient Im in Figur 2 dargestellten Betriebsmodus „Messbetrieb“ 50 ist ein Lichtpfad zwischen dem ersten stationär innerhalb des Gehäuses 12 angeordneten Umlenkspiegel 46 und dem diesem gegenüberliegenden zweiten, im Wesentlichen stationär angeordneten Umlenkspiegel 48 durch die hier dargestellte Drehlage des um seine Drehachse 32 verdrehbaren Polygonspiegels 30 unterbrochen, so dass das emittierte Licht, d. h. die gesendete Strahlung 20, lediglich aus dem Gehäuse 12 des LiDAR-Sensorsystems 10 austritt
Der Darstellung gemäß Figur 3 ist zu entnehmen, dass im Vergleich zum in Figur 2 dargestellten Betriebsmodus „Messbetrieb“ 50, im in Figur 3 dargestellten Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 der Polygonspiegel 30, der zwischen den beiden Umlenkspiegeln 46, 48 angeordnet ist, in eine Drehlage geschwenkt ist, in der ein direkter Lichtpfad 44 zwischen dem ersten Umlenkspiegel 46 und dem zweiten Umlenkspiegel 48 innerhalb des Gehäuses 12 freigegeben ist
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass im Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 des LiDAR-Sensorsystems 10 von der Sendeeinheit 26 gesendete Strahlung 20 ebenfalls am ersten Umlenkspiegel 46 um 90° umgelenkt wird und aufgrund der Drehlageposition des Polygonspiegels 30 direkt parallel zur transparenten Abdeckung 14 auf die Oberseite des zweiten Umlenkspiegels 48 innerhalb des Gehäuses 12 trifft Von dort trifft die gesendete Strahlung 20, nun umgelenkt, auf die als Detektor dienende Empfangseinheit 28 und kann dort ausgewertet werden.
In dem in Figur 3 dargestellten Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 kann die Prüfung von Zeitsignalen erfolgen. Im Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 kann beispielsweise für den Fall, dass die Sendeeinheit 26 aus verschiedenen Laserdioden oder Gruppen von Laserdioden zusammengesetzt ist, durch Pulsen unterschiedlicher Gruppierungen von Laserdioden getestet und überprüft werden, ob die erwartete Funktionalität gegeben ist, oder ob sich möglicherweise Vorschädigungen in den Laserdioden eingestellt haben, die einen baldigen Ausfall des LiDAR-Sensorsystems 10 nach sich ziehen könnten. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Möglichkeit, im LiDAR-Sensorsystem 10 einen Selbsttestbetrieb zu implementieren, kann auf das Vorhalten entsprechender Testelemente oder die Verwendung von Streulicht gemäß dem Stand der Technik zum Testen der Funktionalität verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann im Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 des LiDAR-Sensorsystems 10 eine sehr einfache Überwachung der Funktionalität von Laserdioden der Sendeeinheit 26 ermöglicht werden, so dass eine Degradation, ein Ausfall oder eine andere sich möglicherweise einstellende Fehlfunktion frühzeitig erkannt werden kann.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass die Bereitstellung des direkten Lichtpfads 44 von der Sendeeinheit 26 über den ersten Umlenkspiegel 46 und den zweiten Umlenkspiegel 48 und von dort zur als Detektor dienenden Empfangseinheit 28 eine doppelte Nutzung von im Gehäuse 12 vorhandenen Komponenten ermöglicht. Für die eigentliche Vermessung von Objekten kann der in Figur 2 dargestellte Betriebsmodus „Messbetrieb“ 50 gewählt werden und bei entsprechender Verdrehung des Polygonspiegels 30 um seine Drehachse 32, beispielsweise im Drehsinn 34, hier im Uhrzeigersinn, kann in den in Figur 3 dargestellten Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 übergegangen werden.
Anhand der Figuren 4 und 5 ist eine mögliche Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen LiDAR-Sensorsystems 10 beschrieben.
Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht hervor, dass im Gegensatz zu dem LiDAR-Sensorsystem 10, welches anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wurde, in der Ausführungsvariante gemäß Figur 4 ein erster Umlenkspiegel 46 fehlt. Die Sendeeinheit 26 ist im Vergleich zur Ausführungsvariante des LiDAR- Sensorsystems 10 gemäß den Figuren 2 und 3 verschoben, so dass die gesendete Strahlung 20 unmittelbar auf die zweite Spiegelfläche 38 des um seine Drehachse 32 verdrehbaren Polygonspiegels 30 auftrifft und von dort das in der Darstellung gemäß Figur 4 nicht dargestellte Gehäuse als gesendete Strahlung 20 verlässt. Von einem erfassten Objekt reflektierte Strahlung 22 trifft, wie in Figur 4 dargestellt, in dieser Ausführungsvariante auf die dritte Spiegelfläche 40 auf, wird an dieser in Richtung auf den zweiten Umlenkspiegel 48 umgelenkt und trifft als reflektierte Strahlung 22 auf die als Detektor dienende Empfangseinheit 28 auf. Wie aus der Darstellung gemäß Figur 4 hervorgeht, ist auch in dieser Ausführungsvariante der Polygonspiegel 30 um seine Drehachse 32, beispielsweise im Drehsinn 34, drehbar. Auch hier ist der Polygonspiegel 30 im Wesentlichen in einem quadratischen Querschnitt gestaltet, so dass sich an dessen Außenseite die erste Spiegelfläche 36, die zweite Spiegelfläche 38, die dritte Spiegelfläche 40 und die vierte Spiegelfläche 42 bilden, die jeweils zueinander um 90° versetzt orientiert sind.
Durch die Wahl des Akzeptanzbereichs 54 in Bezug auf die Sendeeinheit 26 kann bei Schrägstellung des Polygonspiegels 30 kein Licht auf direktem Weg von der Sendeeinheit 26 zur als Detektor dienenden Empfangseinheit 28 gelangen. Dennoch kann, wie aus Figur 4 hervorgeht, die gesendete Strahlung 20 das Gehäuse des LiDAR-Sensorsystems 10 verlassen und von Objekten reflektierte Strahlung 22 wieder in das LiDAR-Sensorsystem 10 eintreten.
Der Darstellung gemäß Figur 5 lässt sich entnehmen, dass in dieser Ausführungsvariante analog zu der Ausführungsvariante des LiDAR- Sensorsystems 10 gemäß Figur 3 der Polygonspiegel 30 um seine Drehachse 32 im Drehsinn 34, hier im Uhrzeigersinn, so verdreht ist, dass hier die zweite Spiegelfläche 38 parallel zur gesendeten Strahlung 20 orientiert ist. Dadurch ergibt sich ein direkter Lichtpfad 44 ausgehend von der Sendeeinheit 26 zum zweiten Umlenkspiegel 48, von wo die gesendete Strahlung 20 auf die als Detektor dienende Empfangseinheit 28 auftrifft. Mithin kann bei entsprechender Verdrehung des Polygonspiegels 30 um seine Drehachse 32, entweder im Drehsinn 34, wie in Figur 5 dargestellt, oder in auch in die entgegengesetzte Drehrichtung, der direkte Lichtpfad 44 zwischen der Sendeeinheit 26 einerseits und der als Detektor dienenden Empfangseinheit 28 andererseits freigegeben werden.
Analog zur Darstellung gemäß Figur 3 ist durch die Position des Polygonspiegels 30 um seine Drehachse 32 in der Ausführungsvariante gemäß Figur 5 auch hier der Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 möglich, in dessen Rahmen beispielsweise eine Überprüfung von Zeitsignalen vorgenommen werden kann oder die Lichtquelle, d. h. die Sendeeinheit 26, die beispielsweise verschiedene Laserdioden oder Gruppen von Laserdioden umfasst, mit unterschiedlichen Pulsen gepulst werden kann, so dass erwartete Funktionalitäten abgeprüft werden und Degradationen sowie Fehlfunktionen frühzeitig erkannt werden können.
Den beiden anhand der Figuren 2 und 3 beziehungsweise 4 und 5 dargestellten Ausführungsvarianten des LiDAR-Sensorsystems 10 ist gemeinsam, dass diese den verdrehbaren Polygonspiegel 30 umfassen, der entweder den in den Figuren
2 und 4 dargestellten Betriebsmodus „Messbetrieb“ 50 ermöglicht, indem eine der Spiegelflächen 36, 38, 40, 42 einen direkten Lichtpfad 44 zwischen der Sendeeinheit 26 und der Empfangseinheit 28 unterbricht oder, wie in den Figuren
3 und 4 dargestellt, den direkten Lichtpfad 44 zwischen der Sendeeinheit 26 und der als Detektor dienenden Empfangseinheit 28 freigibt, so dass der Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 realisiert werden kann. In vorteilhafter Weise kann am LiDAR-Sensorsystem 10 der Betriebsmodus „Messbetrieb“ 50 oder der Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ 52 durchgeführt werden, ohne dass im LiDAR-Sensorsystem 10 gesonderte Testkomponenten vorzuhalten wären.
In den Figuren 6 und 7 ist eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung dargestellt. Die Elemente dieser Figuren entsprechen denen der Figuren 2 und 3 mit dem Unterschied, dass hier wegen der gegenüber den Figuren 2 und 3 geänderten Position der Empfangseinheit 28 und Sendeeinheit 26 auf die Umlenkspiegel 46 und 48 verzichtet werden kann. Das ist insbesondere deshalb sehr vorteilhaft, da auf diese Weise eine sehr kompakte Bauweise des Lidars möglich ist. Je nach Stellung des Spiegels 30 wird die ausgehende Strahlung durch die Empfangseinheit 28 direkt gemessen (Selbstestbetrieb, Figur 7) oder es wird im Messbetrieb (Figur 6) der Spiegel 30 so eingestellt, dass die Empfangseinheit 28 die von den zu erfassenden Objekten reflektierte Strahlung erfasst.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines LiDAR-Sensorsystems (10) mit einer Sendeeinheit (26) und einer Empfangseinheit (28) und mindestens einem Spiegel (30) mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aussenden gesendeter Strahlung (20) mittels der Sendeeinheit (26), b) in einem ersten Betriebsmodus (Mess betrieb 50) Ausrichten des mindestens einen Spiegels (30) derart, dass die Richtung der reflektierten Strahlung (22) derart beeinflusst wird, dass sie zu der Empfangseinheit (28) reflektiert wird, und c) in einem zweiten Betriebsmodus (Selbsttestbetrieb 52) Ausrichten des mindestens einen Spiegels (30) derart, dass die gesendete Strahlung (20) der Sendeeinheit (26) entlang eines direkten Strahlungspfades (44) der Empfangseinheit (28) zugeleitet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt c) ein Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ (52) des LiDAR-Sensorsystems (10) erfolgt, indem eine Überprüfung von Zeitsignalwellenlängen, Laserdioden oder Gruppen von Laserdioden auf der Sendeeinheit (26) auf erwartete Funktionalitäten durchgeführt wird.
3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehung des mindestens einen Spiegels (30), insbesondere des mindestens einen Polygonspiegels (30), unterschiedliche externe Winkelbereiche durch das LiDAR- Sensorsystem (10) vermessen werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Verdrehung des Polygonspiegels (30) ein Übergang von einem Betriebsmodus „Messbetrieb“ (50) in den Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ (52) und umgekehrt erfolgt.
5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebsmodus „Messbetrieb“ (50) Licht im Wesentlichen über Reflexion als reflektierte Strahlung (22) von Objekten an die Empfangseinheit (28) geleitet wird. Verfahren gemäß den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebsmodus „Selbsttestbetrieb“ (52) Licht im Wesentlichen auf einem direkten Lichtpfad (44) als gesendete Strahlung (20) an die Empfangseinheit (28) geleitet wird. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich entsprechend der Drehlage des mindestens einen Polygonspiegels (30) in Bezug auf die Sendeeinheit (26) ein Akzeptanzbereich (54) einstellt, derart, dass keine gesendete Strahlung (20) direkt von der Sendeeinheit (26) zur Empfangseinheit (28) gelangt. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Sendeeinheit (26) ausgesandte Strahlung (20) im Wesentlichen in Form mindestens einer vertikalen Linie verläuft. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (28) im Wesentlichen für den Empfang von Strahlung in Form von mindestens einer vertikalen Linie ausgelegt ist. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (28) einen Detektor umfasst, oder dieser ein Detektor zugeordnet ist, wobei der jeweilige Detektor als Zeilendetektor ausgeführt ist. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
• in einem ersten Betriebsmodus (Mess betrieb 50) das Ausrichten des mindestens einen Spiegels (30) derart geschieht, dass eine Richtung reflektierter Strahlung (22) beeinflusst wird und mindestens ein weiterer Spiegel (48) die reflektierte Strahlung (22) aufnimmt und zu der Empfangseinheit (28) reflektiert, und
• in einem zweiten Betriebsmodus (Selbsttestbetrieb 52) das Ausrichten des mindestens einen Spiegels (30) derart geschieht, dass die gesendete Strahlung (20) der Sendeeinheit (26) entlang eines direkten Strahlungspfades (44) über den mindestens einen weiteren Spiegel (48) der Empfangseinheit (28) zugeleitet wird. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem LiDAR-Sensorsystem (10) eines Fahrzeugs oder eines Consumer-Electronic-Geräts.
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