Title:
Steuer- und Auswerteeinheit, LiDAR-System, Arbeitsvorrichtung und Verfahren zum Steuern
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuer- und Auswerteeinheit (40) für ein sendeseitig schnell abtastendes LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, welche mit einer Sendeeinheit (70) zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtsignalen als Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) ausgebildet ist und welche eingerichtet ist und Mittel aufweist zum Erzeugen und Aussenden von Signalen zu Lichtsignalen als Primärlicht (57) mit einer Mehrzahl von Lichteinzelpulsen mit bestimmter modulierter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf.




Inventors:
Fersch, Thomas (72764, Reutlingen, DE)
Application Number:
DE102016213983A
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
07/29/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Claims:
1. Steuer- und Auswerteeinheit (40) für ein sendeseitig schnell abtastendes LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, welche:
– eine Sendeeinheit (70) zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtsignalen als Primärlicht (57) in das Sichtfeld (50) aufweist und
– eingerichtet ist zum Erzeugen und Aussenden von Signalen zu Lichtsignalen als Primärlicht (57) mit einer Mehrzahl von Lichteinzelpulsen mit bestimmter modulierter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf.

2. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 1, bei welcher die Sendeeinheit (70) eingerichtet ist zur Verarbeitung von dem zu erzeugenden und auszusendenden Primärlicht (57) zu Grunde liegenden Signalen.

3. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
– welche zur Erzeugung der bestimmten modulierten Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf eine Signalverzögerungskette (91) mit einer Mehrzahl von Verzögerungsgliedern (92) aufweist,
– insbesondere nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung und/oder mit paralleler Signalausleitung (94) nach jedem Verzögerungsglied (92).

4. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
– mit einer Empfangseinheit (80) zum Steuern des Empfangens und des Auswertens aus dem Sichtfeld (50) empfangenen Sekundärlichts (58)
– bei welcher die Empfangseinheit (80) eingerichtet ist und Mittel aufweist zur Verarbeitung von – zu empfangenem Sekundärlicht (58) korrespondierenden – empfangenen Signalen.

5. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Korrelationseinheit (90) – insbesondere als Teil der Empfangseinheit (70) – welche eingerichtet ist zur Verarbeitung der – zu empfangenem Sekundärlicht (58) korrespondierenden – empfangenen Signale auf der Grundlage einer signalangepassten Korrelationskennlinie nach Art eines Korrelationsfilters oder signalangepassten Filters.

6. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 5,
– bei welcher die Korrelationseinheit (90) zum Aufbau der signalangepassten Korrelationskennlinie eine Signalverzögerungskette (91) mit einer Mehrzahl Verzögerungsglieder (92) aufweist,
– insbesondere nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung und/oder mit paralleler Signalausleitung (94) nach jedem Verzögerungsglied (92) in ein gemeinsames Summationsglied (95).

7. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach Anspruch 5 oder 6, welche so eingerichtet ist, dass die signalangepasste Korrelationskennlinie für das Empfangen und die bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf für das Aussenden einander entsprechen.

8. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 3 und 6, bei welcher die Verzögerungsglieder (92) und/oder das Summationsglied (95) der Korrelationseinheit (90) identisch sind mit den jeweiligen Verzögerungsgliedern (92) bzw. mit dem Summationsglied (95) der Sendeeinheit (70).

9. Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche eingerichtet ist:
– die bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf für das Aussenden und/oder die signalangepasste Korrelationskennlinie für das Empfangen zu variieren, insbesondere in zeitabhängiger Form,
– eine Fremdsenderfilterung, -bewertung und/oder -unterdrückung durchzuführen,
– eine Totzeitverringerung zu bewirken und/oder
– ein kodiertes Senden und/oder Empfangen auf einer Mehrzahl von Sendempfangskanälen zu bewirken.

10. LiDAR-System (1) zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes (50), insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung und/oder ein Fahrzeug, welches:
– ausgebildet ist zum sendeseitigen schnellen Abtasten des Sichtfeldes (50) oder eines Teils davon und
– eine Steuer- und Auswerteeinheit (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist,
wobei zum sendeseitigen schnellen Abtasten des Sichtfeldes (50) oder eines Teils davon insbesondere eine Ablenkoptik (62) mit einem oder mit mehreren ein- oder zweidimensional ablenkenden Ablenkelementen, vorzugsweise in Form von Spiegeln (63) oder Mikrospiegeln ausgebildet ist.

11. Arbeitsvorrichtung, insbesondere Fahrzeug oder Roboter, mit einem LiDAR-System (1) nach Anspruch 10.

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuer- und Auswerteeinheit, ein LiDAR-System, eine Arbeitsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit für ein sendeseitig schnell abtastendes LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, ein Fahrzeug oder dergleichen sowie ein Verfahren zum Steuern eines sendeseitig schnell abtastenden LiDAR-Systems zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes.

Beim Einsatz von Arbeitsvorrichtungen, von Fahrzeugen und anderen Maschinen und Anlagen werden vermehrt Betriebsassistenzsysteme oder Sensoranordnungen zur Erfassung der Betriebsumgebung eingesetzt. Neben radarbasierten Systemen oder Systemen auf der Grundlage von Ultraschall, kommen vermehrt auch lichtbasierte Erfassungssysteme zum Einsatz, z.B. so genannte LiDAR-Systeme (englisch: LiDAR: light detection and ranging).

Nachteilig ist bei herkömmlichen sendeseitig schnell abtastenden LiDAR-Systemen, dass einerseits hohe Sendeleistungen eingeprägt werden müssen, um eine ausreichende Detektionswahrscheinlichkeit zu gewährleisten, und andererseits eine Diskriminierung von Fremdsignalen nur schwer möglich ist.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit für ein sendeseitig schnell abtastendes LiDAR-System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei gesteigerter Augensicherheit eine Unterscheidung von Fremdsignalen mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit für ein sendeseitig schnell abtastendes LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen, geschaffen wird, (i) welche eine Sendeeinheit zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtsignalen als Primärlicht in das Sichtfeld aufweist und (ii) welche – insbesondere über die Sendeeinheit – eingerichtet ist und Mittel aufweist zum Erzeugen und Aussenden von Signalen zu Lichtsignalen als Primärlicht mit einer Mehrzahl von Lichteinzelpulsen mit bestimmter modulierter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf. Durch das Erzeugen und Aussenden entsprechender Signale als Primärlicht mit einer Mehrzahl von Lichteinzelpulsen mit bestimmter modulierter Signatur und Amplitude und zeitlichem Verlauf, kann einerseits vor dem Hintergrund der modulierten Signatur empfangsseitig über das verbesserte Erkennen eigener Signale eine Separation von Fremdsignalen sichergestellt werden. Andererseits lässt sich die insgesamt abgestrahlte Leistung auf die entsprechende Mehrzahl von Lichteinzelpulsen, die miteinander kombiniert werden, verteilen, so dass sich eine gesteigerte Augensicherheit ergibt.

Problematisch bei herkömmlichen Systemen ist die Verwendung unkodierter Sendepulse. Diese werden z.B. in einem festen zeitlichen Abstand τ ausgesendet. Wird der Wert τ zu klein gewählt, kann die von einem entfernten und/oder hellen Objekt verursachte Reflexion, z.B. im Zusammenhang mit einem ersten Sendesignal, empfangen werden, nachdem ein nachfolgend ausgesandtes zweites Sendesignal ausgesandt wurde.

Herkömmliche Empfangseinrichtungen haben dabei keine Möglichkeit, die Reflexion zum ersten ausgesandten Sendesignal diesem auch zuzuordnen und die korrekte Flugzeit und damit den Abstand zu bestimmen. Stattdessen wird das zum ersten ausgesandten Sendesignal gehörige Reflexionssignal z.B. dem danach ausgesandten zweiten Sendesignal zugeordnet und somit mit einer falschen Flugzeit und einem falschen Abstand in Verbindung gebracht.

Erfindungsgemäß erlauben kodierte Pulse die korrekte Zuordnung. Auf diese Weise kann nicht nur eine korrekte Zuordnung eines empfangenen Reflexionssignals zu einem ersten ausgesandten Sendesignal erfolgen, sondern auch eine korrekte Zuordnung von Reflexionen zu weiteren Sendesignalen durchgeführt werden, jeweils mit entsprechenden korrekten Abstanden, zu den die Reflexionssignale generierenden und aussendenden Objekten im Sichtfeld.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter einem sendeseitig schnell abtastenden LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ein LiDAR-System verstanden werden, bei welchem die Signal- oder Pulswiederholfrequenz bzw. Signal- oder Pulswiederholzeit τ zwischen aufeinanderfolgenden Einzelpulsen eines aus mehreren Einzelpulsen zusammengesetzten Sendesignals entsprechend gewählt ist. Dabei ist zu beachten, dass ein zu kleiner Wert für τ und damit ein zu schnelles Abtasten zu herkömmlicherweise zu einer Mehrdeutigkeitsproblematik führt. Diese wird erfindungsgemäß vermeiden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit ist es vorgesehen, dass die Sendeeinheit eingerichtet ist und Mittel aufweist zur Verarbeitung von dem zu erzeugenden und auszusendenden Primärlicht zu Grunde liegenden Signalen.

Bei den zu Grunde liegenden Signalen kann es sich zum Beispiel um Triggersignale handeln, die mit entsprechender Amplitudenstruktur und zeitlicher Struktur z.B. von einer übergeordneten Steuereinheit bereitgestellt und zugeführt werden.

Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann die Sendeeinheit derartige Signale auch selbst erzeugen, zum Beispiel auf der Grundlage zugeführter Steuerinformationen, ggf. aus einer übergeordneten Steuereinheit.

Dabei ergibt sich eine besonders zuverlässige Funktionsweise, wenn die auszusendenden Lichteinzelpulse für ein jeweiliges zu Grunde liegendes LiDAR-System individualisiert erzeugt und ausgesandt werden können.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit weist diese – insbesondere in der Sendeeinheit – zur Erzeugung der bestimmten modulierten Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf eine Signalverzögerungskette mit einer Mehrzahl Verzögerungsglieder auf.

Dies kann z.B. nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung erfolgen, mit paralleler Signalausleitung nach jedem Verzögerungsglied und/oder in ein gemeinsames Summationsglied.

Empfangsseitig ist die erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit vorteilhafterweise ausgebildet mit einer Empfangseinheit zum Steuern des Empfangens und des Auswertens aus dem Sichtfeld empfangenen Sekundärlichts, wobei die Empfangseinheit eingerichtet ist und Mittel aufweist zur Verarbeitung von – zu empfangenem Sekundärlicht korrespondierenden – empfangenen Signalen.

Zur Realisierung des Empfangs mit einem besonders hohen Maß an Detektionswahrscheinlichkeit ist eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet mit einer Korrelationseinheit – insbesondere als Teil der Empfangseinheit – welche eingerichtet ist und Mittel aufweist zur Verarbeitung der – zu empfangenem Sekundärlicht korrespondierenden – empfangenen Signale auf der Grundlage einer signalangepassten Korrelationskennlinie nach Art eines Korrelationsfilters oder signalangepassten Filters.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit ist die Korrelationseinheit zum Aufbau der signalangepassten Korrelationskennlinie mit einer Signalverzögerungskette mit einer Mehrzahl von Verzögerungsgliedern ausgebildet.

Dies kann nach Art einer Kaskade in Reihenschaltung und/oder mit paralleler Signalausleitung nach jedem Verzögerungsglied in ein gemeinsames Summationsglied erfolgen.

Bei einer anderen Weiterbildung ist die Steuer- und Auswerteeinheit so eingerichtet ist und weist Mittel auf, dass die signalangepasste Korrelationskennlinie für das Empfangen und die bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf für das Aussenden einander entsprechen. Durch die Abstimmung der Korrelationskennlinie mit der Signatur können gerätefremde Signale von geräteeigenen Signalen besonders zuverlässig unterschieden werden.

Eine Vereinfachung des Gesamtkonzepts einer Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System lässt sich durch das mehrfache Nutzen derselben Komponenten in verschiedenen Einheiten erreichen.

So ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen, dass die Verzögerungsglieder und/oder das Summationsglied der Korrelationseinheit identisch sind mit den jeweiligen Verzögerungsgliedern bzw. mit dem Summationsglied der Sendeeinheit.

Dies bedeutet, dass Kernelemente, die zu einer schnellen, zuverlässigen und wenig Bauraum und Ressourcen beanspruchenden Verarbeitung eingesetzt werden, mehrfach Anwendung finden in verschiedenen funktionalen Einheiten.

Um die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit und damit eines zu Grunde liegenden LiDAR-Systems weiter zu steigern, kann diese eingerichtet sein und Mittel aufweisen,

  • (1) die bestimmte modulierte Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf für das Aussenden und/oder die signalangepasste Korrelationskennlinie für das Empfangen zu variieren, insbesondere in zeitabhängiger Form,
  • (2) eine Fremdsenderfilterung, -bewertung und/oder -unterdrückung durchzuführen,
  • (3) eine Totzeitverringerung zu bewirken und/oder
  • (4) ein codiertes Senden und/oder Empfangen auf einer Mehrzahl von Sendempfangskanälen zu bewirken.

Diese Maßnahmen lassen sich miteinander beliebig kombinieren, so dass auch bei einem System mit einer Mehrzahl interagierender Untersysteme in Echtzeit auf eine bestehende Signalübertragungsumgebung reagiert werden kann, so dass sich ein störungsfreier Betrieb für jedes Einzelsystem einstellt.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes. Dabei weist das LiDAR-System gemäß der vorliegenden Erfindung eine erfindungsgemäße Steuer- und Auswerteeinheit auf und kann insbesondere bei einer Arbeitsvorrichtung, einem Fahrzeug oder dergleichen verwendet werden.

Ferner ist das erfindungsgemäße LiDAR-System ausgebildet und weist Mittel auf zum sendeseitigen schnellen Abtasten des Sichtfeldes oder eines Teils davon. Dazu kann insbesondere eine Ablenkoptik mit einem oder mit mehreren ein- oder zweidimensional ablenkenden Ablenkelementen ausgebildet sein.

Die Ablenkelemente können in Form von Spiegeln und insbesondere als Mikrospiegel ausgebildet sein.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug oder dergleichen geschaffen, welche mit einem erfindungsgemäßen LiDAR-System zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes ausgerüstet sind.

Sämtliche Aspekte der vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit einer apparativen Konfiguration im Sinne einer Steuer- und Auswerteeinheit für ein LiDAR-System angesprochen wurden, sind auch als Module oder Einheiten eines Steuerverfahrens darstellbar.

So wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines LiDAR-Systems zur optischen Erfassung eines Sichtfeldes als Gegenstand der vorliegenden Erfindung geschaffen, insbesondere für eine Arbeitsvorrichtung, ein Fahrzeug oder dergleichen und/oder insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Sendeeinheit zum Steuern des Erzeugens und Aussendens von Lichtsignalen als Primärlicht in das Sichtfeld, wobei das Verfahren – insbesondere über die Sendeeinheit – eingerichtet ist und Mittel aufweist zum Erzeugen und Aussenden von Signalen zu Lichtsignalen als Primärlicht mit einer Mehrzahl von Lichteinzelpulsen mit bestimmter modulierter Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf.

Kurzbeschreibung der Figuren

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 ist ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit.

2 zeigt nach Art eines schematischen Blockdiagramms eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.

3 bis 6 zeigen in Form von Graphen unterschiedliche Aspekte ausgesandter und empfangener LiDAR-Signale anhand eines Einzelpulses.

7 bis 10 zeigen entsprechende Eigenschaften ausgesandter und empfangener LiDAR-Signale anhand der Struktur mit Mehrfachpulsen.

11 bis 14 zeigen in Form von Graphen verschieden kodierende Strukturen für Lichtsignale des Primärlichts.

15 und 16 zeigen in schematisch und perspektivischer Draufsicht typische Anwendungssituationen.

17 bis 20 erläutern in Form von Graphen verschiedene Aspekte der Senderdiskriminierung und der Totzeitverminderung bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 20 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

1 zeigt nach Art eines Blockdiagramms in schematischer Weise ein erfindungsgemäßes LiDAR-System 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40.

Das in 1 dargestellte LiDAR-System 1 besteht neben der Steuer- und Auswerteeinheit 40 aus der dem Betrieb des LiDAR-Systems 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 mit einer Lichtquelle 65, zum Beispiel in Form eines oder mehrerer Laser, einer Senderoptik 60, einer Empfängeroptik 30 und einer Detektoranordnung 20. Die Steuerung des Betriebs des LiDAR-Systems 1 sowie die Auswertung der durch das LiDAR-System 1 empfangenen Signale erfolgt durch die übergeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 40.

Im Betrieb wird durch Steuerung und Veranlassung mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 40 über eine Steuerleitung 42 die Lichtquelle 65 zur Erzeugung und Ausgabe primären Lichts 57 veranlasst, welches auch als Primärlicht bezeichnet wird. Das Primärlicht 57 wird mittels einer Strahlformungsoptik 66 entsprechend dem Anwendungsfall modelliert und dann mittels einer sendeseitig schnell abtastenden Ablenkoptik 62, zum Beispiel in Form eines oder mehrerer ein- oder zweidimensional abtastender Mikrospiegel 63, in ein Sichtfeld 50 mit einem darin enthaltenen Objekt 52 ausgesandt.

Das aus dem Sichtfeld 50 und vom Objekt 52 reflektierte Licht wird auch als sekundäres oder Sekundärlicht 58 bezeichnet und in der Empfängeroptik 30 mittels eines Objektivs 34 aufgenommen, gegebenenfalls von einer vorgesehenen Sekundäroptik 35 weiterbehandelt und dann an eine Detektoranordnung 20 mit einem oder mit mehreren Sensorelementen 22 übertragen. Die Sensorelemente 22 der Detektoranordnung 20 erzeugen ihrerseits das Sekundärlicht 58 repräsentierende Signale, die mittels einer Steuer- und Messleitung 41 an die Steuer- und Auswerteeinheit 40 übertragen werden.

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Auswerteeinheit 40 gemäß 1 besteht aus einem übergeordneten Steuersystem 100, welches mittels eines Busses 101 mit einer Sendeeinheit 70, einer Empfangseinheit 80 und einer Korrelationseinheit 90 verbunden ist.

Es können das Steuersystem 100 und die Einheiten 70, 80 und 90 tatsächlich als separate Komponenten innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 40 ausgebildet sein.

Bevorzugt wird jedoch ein LiDAR-System 1, bei welchem ein oder mehrere der Komponenten der Steuer- und Auswerteeinheit 40 miteinander kombiniert und integriert ausgebildet sind, so dass die Darstellung gemäß 1 nur der Darstellung der vorhandenen Komponenten dem Grundsatz nach dient, die konkrete Architektur dadurch jedoch nicht unbedingt widergespiegelt wird und von der Darstellung aus 1 abweichen kann.

Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist der Spiegel 63 über eine Verschwenkbewegung, die mit dem Doppelpfeil 64 angedeutet ist, eindimensional oder zweidimensional verschwenkbar, um das Primärlicht 57 auf das Sichtfeld 50 mit das darin enthaltenen Objekt 52 zu richten.

2 zeigt ebenfalls nach Art eines Blockdiagramms schematisch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1. Bei dieser Ausführungsform sind die Senderoptik 60 und die Empfängeroptik 30 der dem LiDAR-System 1 zu Grunde liegenden optischen Anordnung 10 räumlich stärker separiert.

Angedeutet ist die mit dem Doppelpfeil 64 Verschwenkbewegung für den Spiegel 63, wobei verschiedene Spiegelstellungen 63-1, 63-2 und 63-3 angedeutet sind, welche mit entsprechenden Primärstrahlen in den Richtungen 57-1, 57-2 bzw. 57-3 korrespondieren.

Im Sichtfeld 50 befinden sich hier zwei Objekte 52 an unterschiedlichen räumlichen Positionen. Durch die Verschwenkbewegung 64 wird das Sichtfeld 50 sendeseitig abgetastet, so dass das Primärlicht 57 eines ersten Strahls aus der ersten Richtung 57-1 das erste Objekt 52 auf der linken Seite und das Primärlicht 57 zu einem Strahl zur dritten Richtung 57-3 das auf der rechten Seite des Sichtfeldes 50 liegende zweite Objekt 52 trifft. Der Strahl des Primärlichts 57 zur zweiten Richtung 57-2 läuft dagegen im Sichtfeld 50 ins Leere und trifft keines der Objekte 52.

Das Primärlicht 57 wird von den Objekten 52 reflektiert und als Sekundärlicht 58 von der Empfängeroptik 30 aufgenommen, detektiert und dann im Zusammenhang mit der Auswerte- und Steuereinheit 40 weiterverarbeitet.

Die 3 bis 6 zeigen in Form von Graphen anhand eines einzelnen Lichtpulses für das Primärlicht 57 und das entsprechende Sekundärlicht 58 Eigenschaften eines entsprechenden LiDAR-Signals. Dies wird unten weiter im Detail erläutert.

7 bis 10 zeigen ebenfalls in Form von Graphen Eigenschaften von zur Anwendung kommenden LiDAR-Signalen anhand von Lichtpulsen mit einer Mehrzahl miteinander kombinierter einzelner Lichtpulse. Die diesbezüglichen Aspekte werden unten im Detail erläutert.

Die 11 bis 14 zeigen verschiedene Kodierstrukturen, die auf Grund der Verwendung der erfindungsgemäßen bestimmten Signatur in Amplitude und zeitlichem Verlauf bei einer Verwendung mehrfacher kombinierter Einzelpulse zum Tragen kommen können.

Bei den Mehrfachpulsen gemäß den 11 bis 14 handelt es sich um äquidistant zeitlich beabstandete Mehrfachpulse mit einer Amplitudensignatur gemäß (a) 1:0:1:0:1, (b) 1:0:1:0:1:1:1, (c) 1:1:1:1:1:0:0:1:1:0:1:0:1 bzw. (d) 1:0,75:1:0,5:1:0,25.

An den Abszissen der 3 bis 14 ist jeweils die Zeit t, an den Ordinaten die Leistung P des Signals aufgetragen, wobei für die rein qualitative Darstellung für die Größen beliebige oder relative Einheiten verwendet wurden.

Die 15 und 16 zeigen in perspektivischer Draufsicht Anwendungsfälle mit einem Hauptobjekt 52 und mehreren weiteren Objekten 52‘ im Sichtfeld 50, wobei unterschiedliche Kodierungsmöglichkeiten zur Fremdsenderdiskriminierung zum Einsatz kommen. Es kommt nur der Kanal 131 mit dem relevanten Primär- und Sekundärlicht 57, 58 zum Tragen. Die Fremdsignale zum Primärlicht 57‘ der selbst Signale aussendenden weiteren Objekte 52‘ können erfindungsgemäß durch Kodierung im LiDAR-System 1 unterdrückt werden.

Die Fremdsenderdiskriminierung sowie die damit im Zusammenhang stehenden Verbesserungen hinsichtlich des Eindeutigkeitsintervalls und der Totzeit werden im Zusammenhang mit den 17 bis 20 im Detail erläutert.

Diese Figuren zeigen Graphen, bei welchen auf den Abszissen die Zeit und auf den Ordinaten die Signalleistung aufgetragen ist.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:

Zur Detektion der Anwesenheit und zum Messen der Distanz von Objekten 52 in einem gegebenen Sichtfeld 50, z.B. eines KfZs, LKWs, von Personen, Bordsteinkanten, Brückenpfeilern oder dergleichen, mit Automotive-Scanning-LiDAR-Sensoren wird bisher ein einzelner, energiereicher und zeitlich kurzer Laserstrahl in einen ausgewählten Raumwinkel gesendet, wie dies in den 1 und 2 mit einer Einzelpulsform gemäß 3 schematisch dargestellt ist.

Ein Objekt 50 als Ziel reflektiert Anteile des Strahls des Primärlichts 57. Das LiDAR-System 1 wandelt mittels eines Sensorelements 22 einer Detektoranordnung 20 das reflektierte Licht als Sekundärlicht 58 in ein zur Lichtintensität proportionales elektrisches Signal um.

Bei Primärlicht 57 beispielsweise mit einem Einzelpuls gemäß Spur 111 aus 3 kann dabei ein elektrisches Signal für das empfangene Sekundärlicht 58 entstehen, wie es z.B. in Spur 112 in 4 gezeigt ist. Das Signal ist mit Rauschen überlagert welches sich aus optischer Störlichtleistung – z.B. von der Sonne oder anderen Lichtquellen – und elektrischem Rauschen zusammensetzt.

Das Empfangssignal kann analog oder digital mit dem zeitgespiegelten Sendesignal – für einen Einzelpuls nach 3 mit einem zeitgespiegelten Verlauf gemäß der Spur 113 aus 5 – gefaltet werden, um das Rauschen zu unterdrücken und das Nutzsignal herauszustellen. Dieses Vorgehen wird als signalangepasste Filterung oder Matched-Filtering bezeichnet.

Bei einem Einzelpuls gemäß Spur 111 aus 3 ergibt sich durch diese Verarbeitung ein verarbeitetes Signal gemäß Spur 114 aus 6. Dieses Signal weist ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) aus als das Signal vor der Verarbeitung und es erlaubt eine einfachere Detektion der zeitlichen Position des Signalmaximums.

Insbesondere bei LiDAR-Systemen 1 mit das Sichtfeld 50 schnell abtastender Ablenkoptik 62 in der Senderoptik 60 bestehen Probleme dahingehend, dass das bisherige Vorgehen mit Einzelpulsen keine Filterung von empfangenen Signalen erlaubt, die von fremden und nicht vom eigenen LiDAR-System 1 ausgesandt wurden, sofern alle beteiligten Systeme Einzelpulse aussenden. Ein solches Szenario ist auf vielbefahrenen Straßen oder im Stadtverkehr denkbar, wenn LiDAR-Systeme 1 in einem Kfz verwendet werden. Die Systeme 1 könnten sich untereinander stören. Kodierte eigene Messpulse erlauben erfindungsgemäß die Filterung fremder Signale.

Des Weiteren ist eine Verbesserung des SNR gewünscht und wird erfindungsgemäß erreicht.

Auch sind bekannte LiDAR-Systeme durch optische Maßnahmen manipulierbar.

Das bekannte Vorgehen ist im Betrieb mit einer vergleichsweise langen Totzeit verbunden. Das System muss bisher mit dem Aussenden eines Signals eine ausreichend lange Zeitdauer abwarten, und zwar bis alle möglichen Reflexionen aus der vorhergehenden Messung empfangen wurden oder ausreichend gedämpft sind.

Folgende Kernaspekte sind im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen schnell abtastenden LiDAR-System 1 und seiner Steuer- und Auswerteeinheit 40 zu erwähnen:

  • – Mehrfachpulse erlauben die Filterung von Fremdsendern.
  • – Mehrfachpulse verbessern durch Verringern oder Verkleinern den Eindeutigkeitsbereich eines LiDAR-Systems 1. So kann öfter nacheinander oder mit geringeren zeitlichen Abständen abgetastet werden, ohne auf alle eventuell ausstehenden Signalreflexionen warten zu müssen.
  • – Je länger und/oder komplexer die Sendepulsfolge ist, desto stärker kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
  • – Die Verwendung unterschiedlicher Kodierungen über mehrere Messpulse hinweg erlaubt die Separation eigener Signalfolgen in der Detektoranordnung 20.
  • – Kodierte Pulse oder Pulsfolgen erschweren die optische Manipulation des erfindungsgemäßen LiDAR-Systems 1.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen schnellabtastenden oder schnell scannenden LiDAR-System wird eine Sendepulsfolge erfindungsgemäß geformt aus aneinandergereihten Einzelpulsen jeweils in einer Form, wie sie beispielhaft in Spur 111 in 3 gezeigt ist.

Abgebildet ist in 7 eine Spur 115 entsprechend einer Sequenz aus Einzelpulsen gemäß Spur 111 aus 3 mit Amplituden im Verhältnis 1:½:1:½:1 und einer Pulslänge von gleichen Zeiteinheiten, z.B. 5 ns.

Die konkrete Pulslänge und die konkrete Sequenz werden an die jeweilige Anwendung angepasst. Kernaspekt ist die gewichtete zeitliche Aneinanderreihung von Einzelpulsen zum Erzeugen des Primärlichts 57.

Das Sekundärlicht 58 wird aufgenommen und detektiert durch elektrische Wandlung. Das entsprechende elektrische Signal wird empfangen und liegt verrauscht an Detektoranordnung 20 vor, wie dies in 8 mit Spur 116 für das Signal gemäß Spur 115 aus 7 dargestellt ist.

Die Matched- oder signalangepasste Filterfunktion entspricht der zeitgespiegelten Sendefolge gemäß der durchgezogenen Spur 117 in 9.

Eine Vereinfachung der signalverarbeitenden Hardware ist möglich durch eine entsprechende Vereinfachung der Filterfunktion, z.B. durch eine Wert- und/oder Zeitdiskretisierung. Es entsteht die Stufenfolge gemäß der Spur 118 aus 9.

10 zeigt das Ergebnis der Signalverarbeitung mit dem signalangepassten Filter in Spur 119.

Die Verwendung von langen Pulsfolgen verringert bei gleicher Sendeenergie die Signalspitzenleistung. Dies stellt geringere Anforderungen an die Sendehardware. Je länger die Pulsfolge ist und je schärfer deren Autokorrelationsfunktion, desto besser können Fremdsender ausgeblendet werden.

Wird zwischen zwei Messungen die Pulsfolge verändert, können eigene, früher ausgesandte Pulse gefiltert und so der Eindeutigkeitsbereich der Messungen präzisiert werden.

Ein Kernaspekt der Erfindung ist die Verwendung von Mehrfachpulsen und deren Verarbeitung im Empfänger mit einem signalangepassten Filter in einem schnell abtastenden LiDAR-System.

Mögliche Pulsfolgen sind in den 11 bis 14 mit den Spuren 120 bis 123 gezeigt, wobei mit den zeitlichen Abständen der Einzelpulse oder ihrer Maxima und den Amplitudenverhältnissen eine Kodierung erreicht wird.

Die Amplitudenverhältnisse der Pulsfolgen für
für Spur 120 in 11: 1:0:1:0:1,
für Spur 121 in 12: 1:0::1:0:1:1:1,
für Spur 122 in 13: 1:1:1:1:1:0:0:1:1:0:1:0:1 und
für Spur 123 in 14: 1:0,75:1:0,5:1:0,25.

2 zeigt beispielshaft einen möglichen Anwendungsfall des Systems, das in einem Kraftfahrzeug verbaut ist.

Ein Straßenabschnitt als Sichtfeld 50 mit zwei Kraftfahrzeugen als Objekten 52 ist schematisch dargestellt.

Die Zielszene vor dem Fahrzeug soll abgetastet werden. Dazu emittiert ein Laser 65 pulsförmige Signale als Primärlicht 57 mit einer bestimmten Pulsfrequenz f bzw. einer Wiederholrate von Δt. Über einen sich schnell bewegenden Mikrospiegel 63 wird das Signal in eine bestimmte Richtung in das Sichtfeld 50 umgelenkt.

Es können beispielsweise in einer Achse und in zwei Achsen auslenkende Spiegel 63 vorliegen, diese werden als eindimensional (1-D) bzw. als zweidimensional (2-D) bezeichnet. So kann der Laserstrahl als Primärlicht 57 zeilenweise horizontal (1-D) und/oder auch zusätzlich dazu vertikal (2-D) abgelenkt werden. Getroffene Objekte 52 reflektieren den Pulsstrahl diffus. Die Detektoranordnung 20 mit einem Sensorelement 22 empfängt Teile des reflektierten Sendesignals als Sekundärlicht 58 und errechnet aus der Flugzeit des Pulses die Distanz 71 zum Objekt 52. Es sind jedoch auch andere Ablenkoptiken denkbar.

Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, dass die Sendepulse bei einem sendeseitig schnell abtastenden LiDAR-System 1 in der beschriebenen Weise kodiert werden. Einige Kodierungsmethoden dazu wurden bereist aufgeführt, insbesondere im Zusammenhang mit den 11 bis 14.

Es sind zwei weitere Varianten und Anwendungsfälle denkbar:

Variante 1: Fremdsenderunterdrückung

In diesem Szenario verwendet jedes Fahrzeug ein ihm fest zugewiesenes Pulsschema für alle ausgesendeten Laserpulse. Die Zuweisung der Schemata kann wie weiter unten beschrieben erfolgen.

In Szenarien hoher Verkehrsdichte und hoher Prävalenz ähnlicher LiDAR-Systeme 1 in anderen Kraftfahrzeugen ist bei der Verwendung eines Einzelimpulses 101 gemäß 3 nach dem Stand der Technik die Möglichkeit der Störung des eigenen Detektors 20 durch nicht eigene Signale gegeben.

15 zeigt ein mögliches Szenario.

16 zeigt eine Anwendung mit Robotern.

Die Verwendung in einem begrenzten, relevanten Gebiet jedem Fahrzeug eindeutig zugewiesener Codes kann die Störswahrscheinlichkeit verringern.

Die 17 und 18 zeigen, wie die eigene Codefolge gemäß Spur 125, 128 im Vergleich zu einer Störcodefolge 124, 127 oder 126, 129 und einem Einzelstörpuls herausgestellt werden kann, während die fremden Signale 124, 127 oder 126, 129 unterdrückt werden.

Variante 2: Totzeitverringerung

Diese Variante berücksichtigt keine anderen Systeme in der Zielszenerie, sondern konzentriert sich nur auf das eigene System. Wie eingangs beschrieben, müssen Systeme nach dem Stand der Technik nach einem Scanvorgang, z.B. in Richtung 57-1 in 2 eine gewisse Zeitdauer abwarten, bevor ein erneuter Scanvorgang, z.B. in Richtung 57-2, durchgeführt werden kann.

Wird dieses Kriterium verletzt, kann ein in Richtung 57-1 ausgesendeter Puls fälschlicherweise als ein aus Richtung 57-2 empfangener Puls interpretiert werden, wenn der Puls in Richtung 57-1 zu lange unterwegs war.

19 zeigt dazu einen Ausschnitt aus einem Scanvorgang im Zeitbereich nach dem Stand der Technik, und zwar mit einer Signalaussendung 130, einem Signalempfang 133, einem möglichen störenden Empfang 132, einem Sicherheitsbereich 134.

Eine Modulation nach dem erfindungsgemäßen Vorgehen kann die bisher erforderliche Totzeit verringern. 20 zeigt, als Erweiterung zu der in 19 dargestellten Methode, ein kodiertes Scan- oder Abtastverfahren.

In diesem Beispiel werden acht kodierte Pulse 141 bis 148 verwendet, die alle voneinander verschieden sind. Im Zusammenspiel mit einem geeigneten Korrelationsempfänger kann jeder Empfangspuls entweder dem Zeitpunkt seines Aussendens zugeordnet werden oder unterdrückt und ignoriert werden, falls er wie in 20 nach dem nächsten Sendepuls empfangen wird. Weniger als acht verschiedene Codes sind auch ausreichend. Zwei bis drei verschiedene Kodierungen sind realistischer.

Zuweisung von LiDAR-Codes

Für Variante 1 ist es wichtig, dass alle Kfz-LiDAR-Systeme 1, die sich gegenüberstehen oder sich frontal annähern, unterschiedliche Codes verwenden. Dazu sind mehrere Methoden denkbar:

Methode 1: Verwendung einer großen Anzahl statischer Codes

Stehen sehr viele unterschiedliche Codes zur Verfügung, kann jedem Kfz ein Code fest zugeordnet werden. Realistischerweise ist es aber unwahrscheinlich, dass für gängige Systemparameter mehr als ca. ein Dutzend Codes gefunden werden kann, die alle Kriterien erfüllen. Sollte allerdings bei bestimmten Konstellationen die Erzeugung hunderter verschiedener Codes möglich sein, könnte eine zufällige Zuweisung der Codes an die Geräte ausreichen.

Methode 2: Abstimmung der Codes über Internet (car2x)

Angenommen, jedes Kfz kenne seine Position und sei mit dem Internet verbunden. Ein zentraler Server oder eine Cloud kann aus den Positions- und Richtungsdaten der Kfz eine optimale Codeverteilung errechnen und den einzelnen Fahrzeugen zuweisen.

Methode 3: Direkte Abstimmung der Codes zwischen den Kfz (car2car, Fahrzeug-Ad-hoc-Netz)

Fahrzeuge können sich direkt untereinander über ein Fahrzeug-Ad-hoc-Netz (car2car, WLAN, Bluetooth, usw.) ihre Positionen mitteilen und dadurch ihre Kodierungen abstimmen.

Methode 4: Zufälliger Wechsel der Kodierung

Das eigene Kfz kann zufällig zwischen zwei Scanvorgängen seine Kodierung ändern um das Risiko einer Störung zu verringern. Dadurch kann auch die Scangeschwindigkeit durch die mögliche Verringerung der Totzeit erhöht werden. Damit wird auch der Übergang zu Variante 2 fließend.