Title:
Sensoreinrichtung zur Erfassung von Umgebungsinformationen und Verfahren zum Betreiben derselben
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend eine Sendeeinheit (2) zum Senden von Laserstrahlung in einem zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich (8), mit einer Empfangseinheit (3) zum Empfangen von durch Objekte (20, 31) im Umgebungserfassungswinkelbereich (8) zurückgeworfene Laserstrahlung, sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) zum Auswerten der zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren, um die Lage und den Abstand dieser Objekte (20, 31) relativ zur Empfängereinheit (3) zu ermitteln und zu signalisieren, wobei die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) bewegungsfest angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit (2) einen Laser (4), ein lichtbeugendes optisches Element (5) und ein lichtzerstreuendes optisches Element (6) aufweist, wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich (8) in mehrere Winkelteilbereiche (8a–8e) unterteilt ist, wobei jedem Winkelteilbereich (8a–8e) ein gebeugter Einzelstrahl (7a–7e) zugeordnet ist, und dass die Empfangseinheit (3) ein lichtsammelndes optisches Element (14, 17, 27, 41–43) aufweist, welches die von Objekten (20, 31) in dem Umgebungserfassungswinkelbereich (8) zurückgeworfene Laserstrahlung für jeden Einzelstrahl (7a–7e) in einen eigenen Bildpunkt (16a–16e) auf jeweils einem lichtdetektierenden elektronischen Empfangselement (12a–12e) in einer Empfangsebene (15) der Empfangseinheit (3) fokussiert und/oder ablenkt.





Inventors:
Müller-Wirts, Lennart (30559, Hannover, DE)
Application Number:
DE102016004334A
Publication Date:
10/19/2017
Filing Date:
04/13/2016
Assignee:
WABCO GmbH, 30453 (DE)
International Classes:
G01S17/88; G01S7/481; G02B3/00
Domestic Patent References:
DE102015101722A1N/A2015-08-06
DE69133108T2N/A2003-04-17
DE19850118A1N/A2000-05-11
Foreign References:
200501218922005-06-09
200502808022005-12-22
200901222982009-05-14
66645292003-12-16
80725812011-12-06
Claims:
1. Sensoreinrichtung (1) mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend
– eine Sendeeinheit (2) zum Senden von gepulster oder elektronisch modulierter Laserstrahlung in einem mittels des LIDAR-Sendeempfängers zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8''),
– und eine Empfangseinheit (3) zum Empfangen von zurückgestreuter Laserstrahlung, die durch die gesendete Laserstrahlung entstanden und von Objekten (20, 31) in einem Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') zurückgeworfen worden ist,
– sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) zum Auswerten der von diesen Objekten (20, 31) zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren,
um die Lage und den Abstand dieser Objekte (20, 31) relativ zu dem LIDAR-Sendeempfänger zu ermitteln und zu signalisieren,
und bei der sämtliche Komponenten der Sendeeinheit (2) sowie der Empfangseinheit (3) zum Senden und Empfangen von Laserstrahlung bewegungsfest angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sendeeinheit (2) in Abstrahlrichtung hintereinander folgendes umfasst:
– mindestens einen Laser (4), der mindestens einen gepulsten oder elektronisch modulierten Laserstrahl (7) aussenden kann,
– mindestens ein lichtbeugendes optisches Element (5), an dem der mindestens eine Laserstrahl (7) in verschiedene Richtungen gebeugt werden kann, sowie
– mindestens ein lichtzerstreuendes optisches Element (6, 6'), welches die gebeugte Laserstrahlung so zerstreuen kann,
dass der vorgegebene Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') vollständig zeitgleich oder in Winkelschritten zeitlich nacheinander erfassbar ist,
wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') in mehrere Winkelteilbereiche (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) unterteilt ist,
und bei der jedem Winkelteilbereich (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) ein gebeugter Einzelstrahl (7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c') zugeordnet ist, welcher diesen Winkelteilbereich (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) erfasst,
und dass die Empfangseinheit (3) in Empfangsrichtung hintereinander folgendes umfasst:
– mindestens ein lichtsammelndes und/oder lichtablenkendes optisches Element (14, 17, 27; 41, 42, 43), welches die von Objekten (20, 31) in dem Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') zurückgeworfenen Einzelstrahlen (13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46) so sammelt und/oder ablenkt,
dass jeder zurückgeworfene Einzelstrahl (13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46) in einen gesonderten Bildpunkt (16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c') auf einer Empfangsebene (15) der Empfangseinheit (3) fokussiert und/oder ablenkt ist,
– mindestens ein lichtdetektierendes elektronisches Empfangselement (12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c') je Bildpunkt (16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c'),
welches in der Empfangsebene (15) angeordnet ist und mittels dem die in dem Bildpunkt (16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c') erfasste Laserstrahlung in ein elektrisches Objektentfernungsmesssignal umformbar ist,
und mittels dem dieses Objektentfernungsmesssignal an die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung signalisierbar (10) ist,
wobei die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) elektronische Mittel aufweist, mittels denen aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen die Lage und den Abstand von in dem Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') detektierten Objekten (20, 31) relativ zur Empfängereinheit (3) ermittelbar sowie als Umgebungsinformation zur Verfügung stellbar sind.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (2) genau eine Laserdiode (4) sowie genau ein lichtbeugendes optisches Element (5) aufweist, wobei das optische Element (5) der einen Laserdiode (4) im Strahlengang nachgeordnet ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (2) mehrere Laser aufweist, die in einem Array angeordnet sind.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtbeugende optische Element der Sendeeinheit (2) ein optisches Transmissionsgitter (5) ist, welches als ein Mehrfachspalt wirksam ist.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit (2) eine konkav-konvexe Zerstreuungslinse (6) ist.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element (6') der Sendeeinheit (2) als ein Sende-Prismen-Array ausgebildet ist.

7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit (2) als eine Fresnel-Linse (27) ausgebildet ist.

8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element der Empfangseinheit (3) eine bikonkave Linse (14) ist.

9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element der Empfangseinheit (3) eine bikonvexe Sammellinse (17) ist.

10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element der Empfangseinheit (3) als ein Empfangs-Prismen-Array (26) ausgebildet ist.

11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente (12a12e; 12a'12c') der Empfangseinheit (3) einen zeilenförmigen Sensor (12) oder einen flächenförmigen Sensor (33) bilden, aus dem nach dem Lichtpulslaufzeitverfahren einer Photomisch-Kamera (PMD) oder Laufzeit-Kamera (TOF) ein Entfernungssignal zwischen dem Sensor (12, 33) und einem Objekt (20, 31) bildpunktweise direkt auslesbar ist.

12. Sensoreinrichtung mit einem flächenförmigen Sensor (33) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Empfangselemente (12a12e; 12a', 12b', 12c') der jeweiligen Sensorzeile (12) parallel oder geneigt zu einer Fahrbahn für das Fahrzeug (30) oder zu einer gedachten planen Bodenfläche des Fahrzeugs (30) ausgerichtet sind, derart, dass ein fahrbahnparalleler erster Umgebungserfassungswinkelbereich (8), und/oder ein schräg von der Fahrbahn (32) weg gerichteter zweiter Umgebungserfassungswinkelbereich (8') und/oder ein schräg zu der Fahrbahn (32) hin gerichteter dritter Umgebungserfassungswinkelbereich (8'') erfasst wird.

13. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem Fahrerunterstützungssystem (19) eines Nutzfahrzeugs (18) oder eines Personenkraftwagens (30) eingebaut oder mit dieser über wenigstens eine Steuerungsleitung (24) und wenigstens eine Datenleitung (25) verbunden ist.

14. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Erfassung und Überwachung eines Totwinkel-Bereiches (21) des Nutzfahrzeugs (18) oder eines Personenkraftwagens (30) ausgebildet ist, wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') 90° bis 270° beträgt, wobei je Winkelgrad ein Winkelteilbereich (8a8e) durch je einen Einzelstrahl (7a7e; 7a', 7b', 7c') der Laserstrahlung erfassbar ist.

15. Fahrzeug, wie Nutzfahrzeug (18) oder Personenkraftwagen (30), mit einer Sensoreinrichtung (1) zur Erfassung von Umgebungsinformationen, welche zumindest gemäß einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut ist.

16. Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung (1) mit den Merkmalen von zumindest einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Erzeugen eines gepulsten oder elektronisch modulierten Laserstrahls (7),
b) Beugen des Laserstrahls (7) an mindestens einem lichtbeugenden optischen Element (5) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Einzel-Laserstrahlen (7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c'),
c) Zerstreuen der Einzel-Laserstrahlen (7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c') mittels mindestens einem lichtzerstreuenden optischen Element (6, 6'; 11a, 11b, 11c) derart, dass ein vorgegebener Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') mit den Einzel-Laserstrahlen (7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c') zeitgleich vollständig oder in Winkelschritten zeitlich nacheinander erfasst wird,
d) Empfangen von Einzel-Laserstrahlen (13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46), welche von Objekten (20, 31) in dem Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') zurückreflektiert wurden mittels mindestens einem lichtsammelnden und/oder lichtablenkenden optischen Element (14, 17, 27, 41, 42, 43) derart, dass für jeden durch einen Einzelstrahl (7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c') erfassten Winkelteilbereich (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) die in diesen jeweiligen Winkelteilbereich (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) von Objekten (20, 31) zurückgeworfene Laserstrahlung in einen gesonderten Bildpunkt (16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c') auf einer Empfangsebene (15) der Empfangseinheit (3) fokussiert und/oder ablenkt ist,
e) Erfassen und Umwandeln der empfangenen und fokussierten und/oder abgelenkten Einzel-Laserstrahlen (13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46) mittels mindestens einem lichtdetektierenden elektronischen Empfangselement (12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c') je Bildpunkt (16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c'), welches in der Empfangsebene (15) angeordnet ist,
f) Umformen der in dem jeweiligen Empfangselement (12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c') erfassten Laserstrahlung in ein elektrisches Objektentfernungsmesssignal,
g) Weiterleiten dieses Objektentfernungsmesssignals an eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10),
h) Ermitteln von Lage und Abstand von in dem Umgebungserfassungswinkelbereich (8, 8', 8'') detektierten Objekten (20, 31) relativ zur Empfängereinheit (3) durch die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen der einzelnen Winkelteilbereiche (8a, 8b, 8c, 8d, 8e).

Description:

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend eine Sendeeinheit zum Senden von gepulster oder elektronisch modulierter Laserstrahlung in einem mittels des LIDAR-Sendeempfängers zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich, und eine Empfangseinheit zum Empfangen von zurückgestreuter Laserstrahlung, die durch die gesendete Laserstrahlung entstanden und von Objekten in einem Umgebungserfassungswinkelbereich zurückgeworfen worden ist, sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von diesen Objekten zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren, um die Lage und den Abstand dieser Objekte relativ zu dem LIDAR-Sendeempfänger zu ermitteln und zu signalisieren, und bei der sämtliche Komponenten der Sendeeinheit sowie der Empfangseinheit zum Senden und Empfangen von Laserstrahlung bewegungsfest angeordnet sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoreinrichtung.

Sensoreinrichtungen zur Erfassung von Umgebungsinformationen werden für verschiedene Funktionen ständig weiterentwickelt, beispielsweise zur Erfassung von Umgebungsinformationen im Nah- und Fernbereich von Fahrzeugen sowie Flugzeugen, zur Sammlung von Umweltdaten oder in der Sicherheitstechnik zum Überwachen von Arbeitsbereichen von Maschinen. In Fahrerunterstützungssystemen von Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen und Bussen werden sie als Hilfsmittel zur Fahrerinformation und zur Unfallvermeidung bei der Erkennung von Hindernissen oder gefährdeten Verkehrsteilnehmern im Front-, Heck- oder im Totwinkel-Bereich des Kraftfahrzeugs genutzt.

Derartige Sensoreinrichtungen können auf optischen Verfahren wie der LIDAR-Technik beruhen, bei der eine Sendeeinheit einen oder mehrere gepulste oder elektronisch modulierte Laserstrahlen im ultravioletten, visuellen oder infraroten Wellenlängenbereich aussendet, und eine Empfangseinheit das von einem Objekt durch Streuung, Reflexion oder Absorptions-Emission zurückgeworfene Licht zeitlich, räumlich und/oder wellenlängenselektiv detektiert. Das von einem Objekt zurückgeworfene Licht wird auf einen lichtempfindlichen Detektor, wie eine einzelne Empfangsdiode oder ein Dioden-Array gelenkt und in einer zugehörigen Elektronik in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal kann nach einem bekannten Lichtpulslaufzeitverfahren (englisch: Time-of-Flight, TOF), bei dem die Pulssignale zeitlich und/oder räumlich aufgelöst oder gemittelt betrachtet werden, der relative Abstand und die Richtung beziehungsweise Lage des detektierten Objekts zum Sender ermittelt werden. Bei einem anderen bekannten Verfahren kann eine Phasenverschiebung zwischen den Laserstrahlen und den reflektierten Strahlen zur Objektentfernungsmessung ausgewertet werden. Bildgebende LIDAR-Verfahren und/oder zusätzliche Kameras ermöglichen zudem eine Formerkennung, um beispielsweise Fußgänger oder Radfahrer im Umfeld eines Fahrzeugs leichter zu erkennen.

Bekannte optische Sensoreinrichtungen zur Erfassung von Umgebungsinformationen weisen eine drehbare Einheit auf, in der eine Sendeeinheit oder eine der Sendeeinheit zugehörige Komponente, beispielsweise eine einzelne Laserdiode oder eine Laserzeile, und eine Empfangseinheit oder eine der Empfangseinheit zugehörige Komponente, beispielsweise ein im 45°-Winkel zur Drehachse geneigter Spiegel, koaxial auf einer Rotationsachse angeordnet und durch einen Motor gemeinsam sowie synchron antreibbar sind. Ein derartiger Laserscanner ermöglicht eine Rundumabtastung mit einer hohen Winkelauflösung. Meistens wird jedoch als Sichtfeld (englisch: Field of View, FOV) der Sensoreinrichtung ein auf die jeweilige Anwendung bezogener bestimmter kleinerer Winkelbereich, beispielsweise ein Öffnungswinkel von 180°, festgelegt.

Eine drehbare Scanner-Einheit wird meistens bei relativ hohen Drehzahlen betrieben und unterliegt einem entsprechenden mechanischen Verschleiß, was zu einer begrenzten maximalen Gebrauchsdauer führt. Ein Motorantrieb benötigt einen relativ großen Bauraum in einem Sensorgehäuse, verbraucht elektrische Energie und ist zudem vergleichsweise teuer. Diese Nachteile können durch LIDAR-Sensoren vermieden werden, welche ohne bewegliche Komponenten auskommen.

Die US 6,664,529 B2 zeigt eine derartige Sensoreinrichtung mit einem LIDAR-Sendeempfänger ohne bewegliche Komponenten. Der LIDAR-Sendeempfänger umfasst einen Sender zur Emission eines Entfernungsmesssignals und einen Empfänger zum Empfangen dieses Entfernungsmesssignals, wenn es von einem Objekt reflektiert wird. Der Sender weist einen oder mehrere Laser auf, welche einen oder mehrere Strahlen, Fächer oder Felder von Laserstrahlung emittieren können. Der Empfänger weist eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung von einem oder mehreren LIDAR-Detektoren auf, welche die zurückkehrende Laserstrahlung detektieren. Der LIDAR-Sendeempfänger detektiert einen eindimensionalen Punkt oder ein zweidimensionales Feld von getrennten Abstandsdatensignalen zu Objekten, welche durch den LIDAR-Sendeempfänger erfasst worden sind. Gleichzeitig werden von einer digitalen Kamera passive Bilddatensignale von der Umgebung in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Brennebenen-Anordnung von Detektoren aufgenommen. Die Abstandsdatensignale und die Bilddatensignale werden einander elektronisch zugeordnet, um eine 3-dimensinale Darstellung der Umgebung zu erzeugen.

Die US 8,072,581 B1 zeigt und beschreibt ein Laser-Entfernungsmess-System mit einer sogenannten Blitzlicht (englisch: Flash)-LIDAR-Sensoreinheit ohne bewegliche Teile. Eine Entfernungsmessung mit diesem System beruht auf der Auswertung von Einzelbildern nach der erwähnten TOF-Methode, wobei jedes Einzelbild durch einen einzelnen Laserpuls erzeugt wird, welcher das gesamte Sichtfeld des Sensors beleuchtet. Die Sensoreinheit weist einen Sender zum Senden von Laserpulsen und einen Empfänger zum Empfangen von hierdurch entstandenen Eingangslichtsignalen auf, welche von Objekten reflektiert worden sind. Der Sender besteht aus einem Laser zum Abstrahlen eines Laserstrahls, welcher durch eine Aufweitungsoptik über das Sichtfeld des Sensors aufgeweitet wird. Der Empfänger weist einen Sensor und eine Empfangsoptik zur Detektion des im Sichtfeld zurückgeworfenen Lichts auf.

Aus der DE 10 2015 101 722 A1 ist ein LIDAR-Sensor mit einem Sichtfeld von 180° für ein Fahrzeug bekannt. Der Sensor weist eine Mehrzahl von Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser (englisch: Vertical Cavity Surface Emitting Laser [VCSEL])-Arrays auf, die ihrerseits jeweils aus einer Mehrzahl von VCSELs bestehen. Die VCSELs sind Dauerstrichlaser. Jeder dieser Dauerstrichlaser kann mit einer vorgebbaren Einschaltdauer angesteuert werden. An jedem der VCSEL-Arrays ist jeweils eine Linse angeordnet, die einen Laserstrahl von jedem VCSEL des jeweiligen Arrays empfängt und diese Laserstrahlen zu einem Strahlbündel fokussiert, so dass von jedem VCSEL-Array ein derart gebündelter Laserstrahl ausgeht und ein Fächer von derart gebündelten Laserstrahlen entsteht, der in einen Umgebungserfassungswinkelbereich abstrahlt. Die VCSEL-Arrays sind an einem halbkreisförmigen Gehäuse umfangsbezogen in einer Reihe montiert. Axial zu der Reihe benachbart ist eine zweite Reihe mit Empfängern angeordnet, wobei jedem Sender-Array jeweils ein Empfänger zugeordnet ist. Zur Entfernungsmessung von Objekten im Sichtfeld werden die ausgesendeten Laserstrahlen amplitudenmoduliert, um eine bestimmte Wellenform mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen. Die von Objekten reflektierten Wellen weisen eine Phasenverschiebung auf, die vom Empfänger detektiert wird. Aus der Phasenverschiebung kann der Abstand zu den Objekten bestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Sensoreinrichtung ohne bewegte Komponenten zur Erfassung von Umgebungsinformationen vorzustellen, die einen großen horizontalen Öffnungswinkel beziehungsweise Erfassungsbereich abdecken kann und außerdem kompakt aufgebaut sowie im Herstellungsaufwand günstig ist. Diese Sensoreinrichtung soll in einem oder durch ein Fahrerunterstützungssystem eines Fahrzeugs nutzbar sein. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung beschrieben werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Laserscanner zur Umgebungserfassung ohne bewegte Elemente gegenüber Laserscannern mit drehbaren Sende- und Empfangseinheiten hinsichtlich Kosten, Baugröße sowie maximaler Gebrauchsdauer und Robustheit von Vorteil sind. Eine solche Sensoreinrichtung kann mit Hilfe von Bildpunkte (Pixel) auflösenden Detektortechniken, wie sie beispielsweise in digitalen Kameras oder anderen Bilderfassungssystemen verwendet werden, in Kombination mit einem optischen Aufbau erreicht werden. Der optische Aufbau soll Idealerweise die Abstrahlung einer einzigen Laserstrahlquelle in einen gewünschten horizontalen Öffnungswinkel verteilen, so dass der Umgebungserfassungswinkelbereich im Gegensatz zu rotierenden abtastenden Scannern in Gänze vollständig ausgeleuchtet werden kann. Dabei soll eine winkelaufgelöste Entfernungsmessung von Objekten in dem ausgeleuchteten, Umgebungserfassungswinkelbereich möglich sein. Ein Aufbau mit diesen Eigenschaften kann sich die Lichtbeugung an einem Mehrfachspalt zunutze machen, um aus einer Laserquelle Einzelstrahlen zu erzeugen, welche in verschiedenen Richtungen abstrahlen. Die Einzelstrahlen können im weiteren Strahlengang des Aufbaus mittels Optiken gezielt in den Umgebungserfassungswinkelbereich abgelenkt werden. Die von Objekten zurückgeworfenen Einzelstrahlen können pixelweise mittels fotoempfindlicher Detektoren, wie einer Sensorzeile, ausgewertet werten.

Die Erfindung geht daher aus von einer Sensoreinrichtung mit einem LIDAR-Sendeempfänger zur Erfassung von Umgebungsinformationen, aufweisend eine Sendeeinheit zum Senden von gepulster oder elektronisch modulierter Laserstrahlung in einem mittels des LIDAR-Sendeempfängers zu erfassenden Umgebungserfassungswinkelbereich, und eine Empfangseinheit zum Empfangen von zurückgestreuter Laserstrahlung, die durch die gesendete Laserstrahlung entstanden und von Objekten in einem Umgebungserfassungswinkelbereich zurückgeworfen worden ist, sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von diesen Objekten zurückgeworfenen Laserstrahlung nach einem Laufzeit- oder Phasenverschiebungsverfahren, um die Lage und den Abstand dieser Objekte relativ zu dem LIDAR-Sendeempfänger zu ermitteln und zu signalisieren, und bei der sämtliche Komponenten der Sendeeinheit sowie der Empfangseinheit zum Senden und Empfangen von Laserstrahlung bewegungsfest angeordnet sind.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung bei dieser Sensoreinrichtung vor, dass die Sendeeinheit in Abstrahlrichtung hintereinander folgendes umfasst:

  • – mindestens einen Laser, der mindestens einen gepulsten oder elektronisch modulierten Laserstrahl aussenden kann,
  • – mindestens ein lichtbeugendes optisches Element, an dem der mindestens eine Laserstrahl in verschiedene Richtungen gebeugt werden kann, sowie
  • – mindestens ein lichtzerstreuendes optisches Element, welches die gebeugte Laserstrahlung so zerstreuen kann, dass der vorgegebene Umgebungserfassungswinkelbereich zeitgleich vollständig oder in Winkelschritten zeitlich nacheinander erfassbar ist,
    wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich in mehrere Winkelteilbereiche unterteilt ist, und bei der jedem Winkelteilbereich ein gebeugter Einzelstrahl zugeordnet ist, welcher diesen Winkelteilbereich erfasst,
    und dass die Empfangseinheit in Empfangsrichtung hintereinander folgendes umfasst:
  • – mindestens ein lichtsammelndes und/oder lichtablenkendes optisches Element, welches die von Objekten in dem Umgebungserfassungswinkelbereich zurückgeworfenen Einzelstrahlen so sammelt und/oder ablenkt,
    dass jeder zurückgeworfene Einzelstrahl in einen gesonderten Bildpunkt auf einer Empfangsebene der Empfangseinheit fokussiert und/oder ablenkt ist,
  • – mindestens ein lichtdetektierendes elektronisches Empfangselement je Bildpunkt, welches in der Empfangsebene angeordnet ist und mittels dem die in dem Bildpunkt erfasste Laserstrahlung in ein elektrisches Objektentfernungsmesssignal umformbar ist,
    und mittels dem dieses Objektentfernungsmesssignal an die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung signalisierbar ist,
  • – wobei die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung elektronische Mittel aufweist, mittels denen aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen die Lage und den Abstand von in dem Umgebungserfassungswinkelbereich detektierten Objekten relativ zur Empfängereinheit ermittelbar sowie als Umgebungsinformation zur Verfügung stellbar sind.

Diese Sensoreinrichtung weist demnach eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf, welche ohne bewegte Elemente ausgebildet sind, und die einen relativ großen Öffnungswinkel der Umgebung mit einer hohen Winkelauflösung erfassen kann. Die Sensoreinrichtung benötigt dafür relativ wenige einzelne Bauteile und ist dadurch besonderes kompakt, kostengünstig und langlebig ausgebildet.

Gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Sensoreinrichtung kann die Sendeeinheit genau eine Laserdiode sowie genau ein lichtbeugendes optisches Element aufweisen, wobei das lichtbeugende optische Element der einen Laserdiode im Strahlengang nachgeordnet ist. Demnach kann die Sendeeinheit aus nur einer Sendediode und einem optischen Beugungselement bestehen, um den Laserstrahl der Sendediode in viele Einzelstrahlen aufzuspalten.

Eine dazu alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Sendeeinheit mehrere Laser aufweist, die zu einem Laser-Array, also hinsichtlich ihrer Austrittsöffnungen in einer Fläche angeordnet sind. Ein solches Laser-Array kann vorteilhaft sein, wenn eine besonders hohe Strahldichte über den gesamten Umgebungserfassungswinkelbereich gefordert wird. Andererseits können mehrere besonders kostengünstige Laser mit vergleichsweise niedriger Leistung in einem Array verwendet werden, wenn ausreichend Bauraum in einem Sensorgehäuse zur Verfügung steht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine lichtbeugende optische Element der Sendeeinheit ein optisches Transmissionsgitter ist, welches als ein Mehrfachspalt wirksam ist. Fällt monochromatisches, kohärentes Licht auf einen Mehrfachspalt, so entstehen durch Beugung in m verschiedenen Richtungen scharfe Hauptmaxima gemäß der Formel sinαm = ±mλg, wobei α der Winkel zur Spaltnormalen, m die Ordnungszahl, λ die Wellenlänge und g die Gitterkonstante, also der Abstand zweier Spalte N sind. Die Schärfe der Hauptmaxima steigt mit der Anzahl der Spalte N. Demnach kann ein einziger Laserstrahl und ein diffraktives Element, insbesondere ein Beugungsgitter, verwendet werden, um die Abstrahlung des Lasers auf eine Vielzahl einzelner statischer Laserstrahlen aufzuteilen. Die so erzeugten Einzelstrahlen können über ein lichtzerstreuendes optisches Element jeweils in einen zugeordneten korridorartigen Winkelteilbereich gelenkt werden.

Das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit kann eine konkav-konvexe Zerstreuungslinse sein. Durch eine solche Zerstreuungslinse können die Einzelstrahlen in den Umgebungserfassungswinkelbereich der Sensoreinrichtung einfach verteilt werden.

Bei einer dazu alternativen Ausführungsform kann das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit eine Fresnel-Linse sein. Fresnel-Linsen, wie sie beispielsweise aus Fahrzeugscheinwerfern bekannt sind, weisen eine ringförmige Stufenstruktur auf. Dadurch verringern sich Dicke, Volumen und Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Linsen. Hierdurch lässt sich die Baugröße der Sensoreinrichtung weiter verringern. Die schlechtere Abbildungsqualität der Fresnel-Linsen ist für die Entfernungsmessung der Sensoreinrichtung nachrangig.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine lichtzerstreuende optische Element der Sendeeinheit als ein Sende-Prismen-Array ausgebildet ist, welches beispielsweise eine halbkreisförmige Anordnung von Einzelprismen bildet. Bei einem solchen Sende-Prismen-Array ist jedem gebeugten Einzelstrahl ein Sende-Prisma zugeordnet, welches diesen Strahl gezielt in eine Richtung ablenkt. Dadurch kann die Sendeeinheit der Sensoreinrichtung leicht an jeden gewünschten Öffnungswinkel zur Umgebungserfassung angepasst werden.

Die Empfangseinheit ist dazu ausgebildet, um jeden von Objekten in der Umgebung zurückgeworfenen Einzelstrahl mittels jeweils eines zugeordneten Empfangselements zu detektieren. Mittels eines lichtsammelnden und/oder lichtablenkenden optischen Elements können die Einzelstrahlen gezielt und winkelaufgelöst auf eine Empfangsebene, in der die Empfangselemente angeordnet sind, gelenkt werden. Dieses lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eine einfache bikonvexe Sammellinse sein. Alternativ dazu kann eine bikonkave Linse vorgesehen sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine lichtsammelnde und/oder lichtablenkende optische Element der Empfangseinheit als ein Empfangs-Prismen-Array ausgebildet ist. Demnach können der Sender und/oder der Empfänger jeweils mit Prismen-Arrays ausgebildet sein, um mittels Einzelstrahlen einen gewünschten Öffnungswinkel der Sensoreinrichtung zu erfassen. Da die Maße der Anordnung bei dem jeweiligen Prismen-Array nicht durch eine Linsenbrennweite bestimmt sind, kann die Bauform der Sensoreinrichtung variabler an bauliche Vorgaben angepasst sein.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Empfangselemente der Empfangseinheit einen zeilenförmigen oder flächenförmigen Sensor bilden, aus dem mit Hilfe einer nach dem Lichtpulslaufzeitverfahren arbeitenden Photomisch-Kamera (PDM) oder Laufzeit-Kamera (TOF) ein Entfernungssignal zwischen dem Sensor und einem Objekt bildpunktweise direkt auslesbar ist.

Jedem Winkelteilbereich ist ein eigenes Empfangselement der Empfangseinheit zugeordnet. Bei der Empfangseinheit kann es sich demnach um ein Time-of-Flight basiertes Sensorarray, beispielsweise einen Zeilensensor, wie sie aus PMD-Kameras bekannt sind, handeln. Anstelle eines Zeilensensors kann ein flächenförmiger Sensor beziehungsweise eine flächige Sensor-Matrix vorgesehen sein, in der die Anzahl von Matrix-Elementen mit der Anzahl der Einzelstrahlen übereinstimmt. Aus jedem von Objekten zurückgeworfenem Einzelstrahl kann ein Entfernungssignal zu diesen Objekten ermittelt werden. Dadurch wird eine winkelaufgelöste Darstellung der Umgebung ermöglicht.

Weiter kann bei einem flächenförmigen Sensor mit mehreren Sensorzeilen vorgesehen sein, dass die elektronischen Empfangselemente der jeweiligen Sensorzeile parallel oder geneigt zu einer Fahrbahn für das Fahrzeug oder zu einer gedachten planen Bodenfläche des Fahrzeugs ausgerichtet sind, derart, dass ein fahrbahnparalleler erster Umgebungserfassungswinkelbereich, und/oder ein schräg von der Fahrbahn weg gerichteter zweiter Umgebungserfassungswinkelbereich und/oder ein schräg zu der Fahrbahn hin gerichteter dritter Umgebungserfassungswinkelbereich erfasst wird.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung in einem Fahrerunterstützungssystem eines Nutzfahrzeugs oder Personenkraftwagens eingebaut oder mit dieser über wenigstens eine Steuerungsleitung und wenigstens eine Datenleitung verbunden ist.

Weiter kann eine solche Sensoreinrichtung zur Erfassung und Überwachung eines Totwinkel-Bereichs des Nutzfahrzeugs oder Personenkraftwagens ausgebildet sein, wobei der Umgebungserfassungswinkelbereich vorzugsweise 90° bis 270° beträgt, und wobei je Winkelgrad ein Winkelteilbereich durch je einen Einzelstrahl der Laserstrahlung erfassbar ist.

In einem fortschrittlichen Fahrerunterstützungssystem (ADAS: Advanced Driver Assistance System), wie beispielsweise einer zukünftigen Sensoreinrichtung zur frühzeitigen Erkennung gefährdeter Verkehrsteilnehmer (VRUD: Vulnerable Road User Detection) auf Basis eines LIDAR-Sendeempfängers zur Erfassung eines Winkelbereichs der Umgebung, kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Sensoreinrichtung vorteilhaft eingesetzt werden und dabei positionsgenaue sowie hochaufgelöste Informationen zur zuverlässigen Erkennung von Verkehrsteilnehmern im Totwinkel-Bereich des Fahrzeugs liefern. Aus solchen Informationen kann das Auslösen von Warnsignalen abgeleitet werden sowie gegebenenfalls geeignete Steuerungsmaßnahmen, wie Bremsvorgänge oder Ausweichmanöver, eingeleitet werden, um dadurch zur Erhöhung der Verkehrssicherheit beitragen.

Der abzutastende Winkelbereich in einem derartigen Fahrerunterstützungssystem liegt beispielsweise zwischen 90° und 270°, vorzugsweise beträgt er jedoch 180°. Demnach ist es besonders vorteilhaft, den zu erfassenden Winkelbereich in 180 Winkelteilbereiche zu unterteilen und in der Sendeeinheit mittels der Anordnung gemäß der Erfindung 180 Einzelstrahlen zu erzeugen, wobei jedem Winkelteilbereich ein Einzelstrahl zugeordnet ist. Dadurch wird eine gleichzeitige Abtastung der Umgebung in einem Sichtfeld mit einem Öffnungswinkel von 180° mit einer Auflösung von 1° ermöglicht.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Sensoreinrichtung. Dieses wird am Ende der Beschreibung dargestellt.

Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Nutzfahrzeug oder ein Personenkraftwagen, mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Umgebungsinformationen, welche gemäß zumindest einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische vertikale Draufsicht auf eine Sendeeinheit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Umgebungsinformationen mit einem ersten lichtzerstreuenden optischen Element,

2 eine schematische vertikale Draufsicht auf ein lichtzerstreuendes optisches Element einer Sensoreinrichtung gemäß 1 mit einer zweiten Ausführungsform des Lichtzerstreuungselements,

3 eine schematische vertikale Draufsicht auf eine Empfangseinheit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Umgebungsinformationen mit einem lichtsammelnden optischen Element in Form einer Bikonkav-Linse,

4 eine schematische vertikale Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines lichtsammelnden optischen Elements in Form einer Bikonvex-Linse sowie auf einen damit zusammenwirkenden Zeilensensor,

5 eine schematische vertikale Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines lichtsammelnden optischen Elements in Form eines Empfangs-Prismen-Arrays,

6 eine schematische vertikale Draufsicht auf eine Empfangseinheit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Umgebungsinformationen mit einem lichtsammelnden optischen Element in Form einer Fresnel-Linse,

7 eine schematische Darstellung eines Zeilensensors mit aneinander gereihten Empfangselementen,

8 eine schematische Darstellung eines flächenförmigen Sensors, bestehend aus drei nebeneinander angeordneten Zeilensensoren gemäß 7,

9 eine schematische vertikale Draufsicht auf einen Lastkraftwagen mit einem Umgebungserfassungswinkelbereich sowie einem nicht genutzten Winkelbereich, und

10 zwei Personenkraftfahrzeuge in einer schematischen Seitenansicht, von denen eines eine Sensoreinrichtung mit einem flächenförmigen Sensor gemäß 8 aufweist.

Einige Bauelemente der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen stimmen überein, so dass sie mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.

Die in den 1 bis 10 dargestellte Sensoreinrichtung 1 dient zur Erfassung von Umgebungsinformationen im Bereich eines Fahrzeugs. Wie die 9 und 10 zeigen, kann ein solches Fahrzeug ein Lastkraftwagen 18 oder eine Personenkraftwagen 30 sein. Eine solche Sensoreinrichtung 1 kann mit einem Fahrerunterstützungssystem 19 im Fahrzeug mechanisch und signaltechnisch verbunden sein, oder ein Bestandteil des Fahrerunterstützungssystems 19 sein. In dem in 9 gezeigten Beispiel befindet sich eine gemäß der Erfindung ausgebildete Sensoreinrichtung 1 an der rechten Vorderseite des Lastkraftwagens 18, von wo aus sie einen fahrerfernen Umgebungswinkelbereich 8 von 180° erfasst und diesen Umgebungswinkelbereich 8 auf das Vorhandensein von Objekten 20, wie beispielsweise den in 9 dargestellten Personenkraftwagen überwacht. Dieses Objekt 20 kann sich in einem Totwinkel-Bereich 21 des Lastkraftwagens 18 befinden, so dass dieses von dem Fahrer des Lastkraftwagens 18 in seinem Rückspiegel ohne weitere Maßnahmen nicht erkennbar wäre. Der übrige, fahrerseitige Winkelbereich 22 von 180° wird von der Sensoreinrichtung 1 nicht erfasst und damit auch nicht überwacht.

Wie 10 zeigt, kann ein mit einem Fahrerunterstützungssystem 19 ausgestatteter erster Personenkraftwagen 30 eine Sensoreinrichtung 1 zur Erfassung von Umgebungsinformationen aufweisen, wobei die Sensoreinrichtung 1 die Umgebung nicht nur in einer zur Fahrbahn 32 parallelen Ebene sondern auch in zwei weiteren Ebenen erfasst, welche geneigt zur Fahrbahn 32 verlaufen. Hierauf wird im Zusammenhang mit der Ausbildung der Sensoren und den 8 sowie 10 noch genauer eingegangen.

Die Sensoreinrichtung 1 verfügt über ein nicht dargestelltes Gehäuse mit optischen Fenstern, in dem eine Sendeeinheit 2 und eine Empfangseinheit 3 koaxial zueinander angeordnet sind.

Wie 1 zeigt, weist die Sendeeinheit 2 eine Laserdiode 4 als Sender auf, welche Laserpulse 7 aussendet, deren Wellenlänge beispielsweise im Infrarotbereich liegt. In Abstrahlrichtung der Laserdiode 4 ist eine Sendeoptik 9 in der Sendeeinheit 2 angeordnet, welche ein lichtbeugendes optisches Element 5 sowie ein lichtzerstreuendes optisches Element 6 umfasst. Das lichtbeugende optische Element 5 ist als ein Transmissionsgitter ausgebildet, welches das einfallende gebündelte Laserlicht 7 der Laserdiode 4 nach dem Wirkprinzip eines Mehrfachspalts beugt. Dadurch entstehen in m verschiedenen Richtungen scharfe Hauptmaxima gemäß der Formel sinαm = ±mλg, wobei α der Winkel zur Spaltnormalen, m die Ordnungszahl, λ die g Wellenlänge und g die Gitterkonstante, also der Abstand zweier Spalte N, sind. Beispielsweise kann für einen Umgebungserfassungswinkelbereich 8 von 180° eine der Gradzahl entsprechende gleiche Anzahl m von Hauptmaxima erzeugt werden. In 1 sind beispielhaft fünf Hauptmaxima 7a, 7b, 7c, 7d, 7e grafisch dargestellt. Jedes dieser Hauptmaxima 7a7e bildet demnach einen Einzelstrahl, der in Abstrahlrichtung auf das lichtzerstreuende optische Element 6 trifft. Das lichtzerstreuende optische Element 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Konkav-Konvex-Linse ausgebildet, welche die Einzelstrahlen 7a7e in den Umgebungserfassungswinkelbereich 8 verteilt, so dass der gesamte zu überwachende Winkelbereich von 180° von einer Sendeeinheit 2 erfasst wird. Hierbei ist jedem Einzelstrahl 7a7e ein bestimmter Winkelteilbereich 8a8e zugeordnet. Außerdem ist eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 eines Fahrerunterstützungssystems 19 eines Nutzfahrzeugs 18 vorhanden, welche mit der Laserdiode 4 über eine Steuerungsleitung 24 elektrisch verbunden ist und die Laserdiode 4 zum Aussenden von Laserpulsen ansteuert.

2 zeigt für die Sendeeinheit 2 gemäß 1 ein alternativ nutzbares lichtzerstreuendes optisches Element 6', welches als ein Sende-Prismen-Array ausgebildet ist. Das Sende-Prismen-Array besteht aus einer Mehrzahl einzelner Sende-Prismen 11a, 11b, 11c, die entlang eines Kreisbogenabschnitts angeordnet sind. In 2 sind beispielhaft drei Sende-Prismen 11a, 11b, 11c grafisch dargestellt. Jedem Sende-Prisma 11a, 11b, 11c ist ein Einzelstrahl 7a', 7b', 7c' zugeordnet. Die Einzelstrahlen 7a', 7b', 7c' werden über die Sende-Prismen 11a, 11b, 11c in den Umgebungserfassungswinkelbereich 8 verteilt.

Wie die 3 zeigt, weist die Empfangseinheit 3 einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Sensoreinrichtung 1 zur Erfassung von Umgebungsinformationen einen Zeilensensor 12 als Empfänger auf, welcher die aus den gesendeten Einzelstrahlen 7a7e entstandenen und von Objekten 20, 31 im Umgebungserfassungswinkelbereich 8 zurückgeworfenen Einzelstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e empfängt. Der Zeilensensor 12 steht mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 des Fahrerunterstützungssystems 19 über wenigstens eine Steuerungsleitung 24 und wenigstens eine Datenleitung 25 in Verbindung.

Wie die 3 und 7 schematisch veranschaulichen, besteht der Zeilensensor 12 aus einzelnen, lichtdetektierenden elektronischen Empfangselementen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, die in einer Empfangsebene 15 angeordnet sind. Jedem Einzelstrahl 13a, 13b, 13c, 13d, 13e ist ein eigenes Empfangselement 12a, 12b, 12c, 12d, 12e zugeordnet. Die von Objekten 20, 31 der Umgebung zurückgeworfenen Einzelstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e erzeugen auf den zugeordneten Empfangselementen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e jeweils einen Bildpunkt 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, welche detektiert werden. Auf diese Weise kann die Umgebung in einem vorgegebenen Winkelbereich abgetastet und in der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 ein zweidimensionales Datenfeld für die Daten einer Bildzeile erzeugt sowie befüllt werden.

In Empfangsrichtung des Zeilensensors 12 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 in der Empfangseinheit 3 eine Empfangsoptik 23 angeordnet, welche ein lichtsammelndes optisches Element 14 umfasst. Das lichtsammelnde optische Element 14 ist als eine Bikonkav-Linse ausgebildet, welche die in die Winkelteilbereiche 8a, 8b, 8c, 8d, 8e des Umgebungserfassungswinkelbereichs 8 von Objekten 20, 31 der Umgebung zurückgeworfenen Einzelstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e auf den Zeilensensor 12 lenkt.

4 zeigt ein dazu alternatives lichtsammelndes optisches Element 17 der Empfangseinheit 3, welches als eine Bikonvex-Linse ausgebildet ist. Diese Bikonvex-Linse 17 fokussiert die einzelnen, von Objekten 20, 31 im Umgebungserfassungswinkelbereich 8 zurückgeworfenen Einzelstrahlen 13a', 13b', 13c' auf separate Bildpunkte 16a', 16b', 16c' der jeweiligen Empfangselemente 12a', 12b', 12c' des Zeilensensors 12.

Das lichtsammelnde optische Element einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Empfangseinheit 3 kann gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel als Empfangs-Prismen-Array 26 ausgebildet sein. Dieses besteht aus mehreren einzelnen Empfangs-Prismen 41, 42, 43, welche über den Umgebungserfassungswinkelbereich 8 in vorbestimmten Abständen zueinander angeordnet sind. Der Abstand der Empfangs-Prismen 41, 42, 43 kann beispielsweise 1°,5° oder 10° betragen. Die von einem Objekt 20, 31 reflektierten Einzelstrahlen 44, 45, 46 gelangen durch die jeweils zugeordneten Empfangs-Prismen 41, 42, 43 gebeugt zu zugeordneten Empfangselemente 12a, 12b, 12c eines Zeilensensors 12.

Die in 6 dargestellte schematische vertikale Draufsicht auf eine Empfangseinheit 3 einer Sensoreinrichtung 1 zur Erfassung von Umgebungsinformationen ist weitgehend baugleich wie die Empfangseinheit 3 gemäß 3. Im Unterschied dazu ist jedoch das lichtsammelnde optische Element 27 als Fresnel-Linse ausgebildet. Eine solche Fresnel-Linse ist bei geringer Bautiefe dazu geeignet, einen vergleichsweise großen Umgebungswinkelbereich mit ausreichend guten optischen Abbildungseigenschaften zu erfassen.

Wie 8 zeigt, kann die Empfangseinheit 3 auch einen flächenförmigen Sensor 33 aufweisen, welcher aus mehreren Zeilen 33a, 33b, 33c aufgebaut ist, wobei diese einzelnen Zeilen 33a, 33b, 33c identisch ausgebildet sein können, beispielsweise so wie die Zeilensensoren 12 der oben beschrieben 3, 4 und 7.

Der Zeilensensor 12 und der flächenförmige Sensor 33 arbeiten nach dem Lichtpulslaufzeitverfahren (TOF) eines sogenannten Foto-Mischdetektors (PMD). Die Empfangselemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c' des Zeilensensors 12 beziehungsweise des flächenförmigen Sensors 33 wandeln die detektierten Bildpunkt-Lichtpulse der zurückgeworfenen Einzelstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46 direkt in elektrische Laufzeitsignale um. In der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10, welche die Laserdiode 4 synchron ansteuert und die Empfangselemente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c' dazu synchron ausliest, werden diese Laufzeitsignale pixelweise beziehungsweise bildpunktweise mit einem elektronischen Referenzsignal verglichen. Daraus wird für jeden Bildpunkt 16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c' ein Objektentfernungsmesssignal bestimmt. Aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen ergibt sich die erwünschte Umgebungsinformation, wobei sich die Winkelauflösung aus der Anzahl der Winkelteilbereiche 8a, 8b, 8c, 8d, 8e des Umgebungserfassungswinkelbereichs 8 und der entsprechenden Anzahl von Empfangselementen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c' ergibt.

In 10 sind zwei Personenkraftwagen 30, 31 schematisch dargestellt, welche auf einer ebenen Fahrbahn 32 fahren. Der erste Personenkraftwagen 30 ist mit einer gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildete Sensoreinrichtung 1 ausgestattet. Mit dieser kann auch der direkt vor dem ersten Personenkraftwagen 30 fahrende zweite Personenkraftwagen 31 erfasst werden, so dass dessen Abstandsinformationen und die daraus erzeugbaren Zusatzinformationen von einem Fahrerunterstützungssystem 19 genutzt werden können. Da die Empfangseinheit 3 der Sensoreinrichtung 1 des ersten Personenkraftwagens 30 mit einem flächenförmigen Sensor 33 gemäß 8 ausgestattet ist, kann diese die Umgebung bei entsprechend vergrößerter Anzahl von ausgesendeten Laserstrahlen nicht nur in einem parallel zur Fahrbahn 32 ausgerichteten ersten Umgebungswinkelbereich 8 erfassen, sondern auch in einem von der Fahrbahn 32 weg geneigten zweiten Umgebungserfassungswinkelbereich 8' und einen zur Fahrbahn 32 hin geneigten dritten Umgebungserfassungswinkelbereich 8''.

Erkennbar weist der geneigte zweite Umgebungserfassungswinkelbereich 8' nach vorne und schräg nach oben, also weg von der Fahrbahn 32, und der dritte geneigte Umgebungserfassungswinkelbereich 8'' weist nach vorne und schräg zur Fahrbahn 32 hin. Die drei Umgebungserfassungswinkelbereich 8, 8', 8'' sind dabei geometrisch als halbkreisförmige Ebenen im Raum ausgebildet, welches hinsichtlich des horizontal ausgerichteten ersten Umgebungserfassungswinkelbereichs 8 gut in der vertikalen Draufsicht gemäß 9 erkennbar ist. Die drei genannten Umgebungserfassungswinkelbereiche 8, 8', 8'' decken jeweils beispielsweise einen Winkelbereich von 270° ab, insbesondere den gesamten in Vorwärtsfahrtrichtung liegenden Bereich sowie den beifahrerseitigen Bereich des Fahrzeugs 30.

Die beiden geneigten Umgebungserfassungswinkelbereiche 8', 8'' verlaufen mit einem Winkel β von beispielsweise 10° bis 30° geneigt zueinander, wodurch zu dem fahrbahnparallelen ersten Umgebungserfassungswinkelbereich 8 eine Neigung von jeweils 5° bis 15° vorhanden ist. Die drei Umgebungserfassungswinkelbereiche 8, 8', 8'' berücksichtigen einerseits den Wunsch nach einer vergleichsweise weit und gerade nach vorne in Fahrtrichtung gerichteten Aufklärungsfähigkeit der Sensoreinrichtung 1 mit dem ersten Umgebungserfassungswinkelbereich 8, und andererseits den Wunsch, mit dem dritten Umgebungserfassungswinkelbereich 8'' auch kleinere Objekte vor dem Fahrzeug schnell und gut erkennen zu können. Solche kleineren Objekte können beispielsweise Wildtiere sein, etwa in der Größe eines kleinen Wildschweins, eines Hasen, eines Fuchses oder eines Hundes. Mit dem zweiten, schräg nach oben gerichteten zweiten Umgebungserfassungswinkelbereich 8' können beispielsweise in Fahrtrichtung dicht vor dem Personenkraftwagen 30 vorhandene Vögel erfasst werden, welche ein Gefahr für diesen sind. Nach deren Erkennung von solchen Objekten kann durch das Fahrerunterstützersystem 19 zum Beispiel eine Notbremsung des Fahrzeugs ausgelöst werden.

Zum Betreiben der vorgestellten Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung sind zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchzuführen:

  • a) Erzeugen eines gepulsten oder elektronisch modulierten Laserstrahls 7,
  • b) Beugen des Laserstrahls 7 an mindestens einem lichtbeugenden optischen Element 5 zur Erzeugung einer Mehrzahl von Einzel-Laserstrahlen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c',
  • c) Zerstreuen der Einzel-Laserstrahlen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c' mittels mindestens einem lichtzerstreuenden optischen Element 6, 6'; 11a, 11b, 11c derart, dass ein vorgegebener Umgebungserfassungswinkelbereich 8, 8', 8'' zeitgleich mit den Einzel-Laserstrahlen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c' vollständig oder in Winkelschritten zeitlich nacheinander erfasst wird,
  • d) Empfangen von Einzel-Laserstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46, welche von Objekten 20, 31 in dem Umgebungserfassungswinkelbereich 8, 8', 8'' zurückreflektiert wurden mittels mindestens einem lichtsammelnden und/oder lichtablenkenden optischen Element 14, 17, 27, 41, 42, 43 derart, dass für jeden durch einen Einzelstrahl 7a, 7b, 7c, 7d, 7e; 7a', 7b', 7c' erfassten Winkelteilbereich 8a, 8b, 8c, 8d, 8e die in diesen jeweiligen Winkelteilbereich 8a, 8b, 8c, 8d, 8e von Objekten 20, 31 zurückgeworfene Laserstrahlung in einen gesonderten Bildpunkt 16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c' auf einer Empfangsebene 15 der Empfangseinheit 3 fokussiert und/oder ablenkt ist,
  • e) Erfassen und Umwandeln der empfangenen und fokussierten und/oder abgelenkten Einzel-Laserstrahlen 13a, 13b, 13c, 13d, 13e; 13a', 13b', 13c'; 44, 45, 46 mittels mindestens einem lichtdetektierenden elektronischen Empfangselement 12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c' je Bildpunkt 16a, 16b, 16c, 16d, 16e; 16a', 16b', 16c', welches in der Empfangsebene 15 angeordnet ist,
  • f) Umformen der in dem jeweiligen Empfangselement 12a, 12b, 12c, 12d, 12e; 12a', 12b', 12c' erfassten Laserstrahlung in ein elektrisches Objektentfernungsmesssignal,
  • g) Weiterleiten dieses Objektentfernungsmesssignals eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10,
  • h) Ermitteln von Lage und Abstand von in dem Umgebungserfassungswinkelbereich 8, 8', 8'' detektierten Objekten 20, 31 relativ zur Empfängereinheit 3 durch die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 aus den erfassten Objektentfernungsmesssignalen der einzelnen Winkelteilbereiche 8a, 8b, 8c, 8d, 8e.

Bezugszeichenliste

1
Sensoreinrichtung
2
Sendeeinheit
3
Empfangseinheit
4
Laser, Laserdiode
5
Lichtbeugendes optisches Element von Sendeeinheit 2, Transmissionsgitter
6
Lichtzerstreuendes optisches Element, Konkav-Konvex-Linse
6'
Lichtzerstreuendes optisches Element, Sende-Prismen-Array
7
Laserstrahl, Laserpuls, Laserlicht
7a–7e
Einzelstrahl, Beugungs-Hauptmaximum
7a'–7c'
Einzelstrahl, Beugungs-Hauptmaximum
8
Erster Umgebungserfassungswinkelbereich, nicht geneigt
8'
Zweiter Umgebungserfassungswinkelbereich, geneigt
8''
Dritter Umgebungserfassungswinkelbereich, geneigt
8a–8e
Winkelteilbereich
9
Sendeoptik
10
Steuerungs- und Auswerteeinrichtung
11a
Erstes Sende-Prisma des Sende-Prismen-Arrays 6'
11b
Zweites Sende-Prisma des Sende-Prismen-Arrays 6'
11c
Drittes Sende-Prisma des Sende-Prismen-Arrays 6'
12
Zeilensensor
12a–12e
Empfangselement (erste Ausführungsform)
12a'–12c'
Empfangselement (zweite Ausführungsform)
13a–13e
Zurückgeworfener Einzel-Laserstrahl (erste Ausführungsform)
13a–13c'
Zurückgeworfener Einzel-Laserstrahl (zweite Ausführungsform)
14
Lichtsammelndes optisches Element, Bikonkav-Linse
15
Empfangsebene
16a–16e
Bildpunkte (erste Ausführungsform)
16a'–16c'
Bildpunkte (zweite Ausführungsform)
17
Lichtsammelndes optisches Element, Bikonvex-Linse
18
Lastkraftwagen, Nutzfahrzeug
19
Fahrerunterstützungssystem
20
Objekt, Personenkraftwagen
21
Totwinkel-Bereich
22
Ungenutzter Winkelbereich
23
Empfangsoptik
24
Steuerungsleitung
25
Datenleitung
26
Lichtsammelndes optisches Element von Empfangseinheit 3, Empfangs-Prismen-Array
27
Lichtsammelndes optisches Element von Empfangseinheit 3, Fresnel-Linse
30
Erster Personenkraftwagen
31
Zweiter Personenkraftwagen, Objekt
32
Fahrbahn
33
Flächenförmiger Sensor
33a
Erste Zeile des flächenförmigen Sensors 33
33b
Zweite Zeile des flächenförmigen Sensors 33
33c
Dritte Zeile des flächenförmigen Sensors 33
41
Erstes Empfangs-Prisma
42
Zweites Empfangs-Prisma
43
Drittes Empfangs-Prisma
44
Zurückgeworfener Einzelstrahl am ersten Empfangs-Prisma 41
45
Zurückgeworfener Einzelstrahl am zweiten Empfangs-Prisma 42
46
Zurückgeworfener Einzelstrahl am dritten Empfangs-Prisma 43

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 6664529 B2 [0006]
  • US 8072581 B1 [0007]
  • DE 102015101722 A1 [0008]