Title:
Lidar mit Schutzschaltung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft ein LiDAR-System (101); wobei das System (101) ausgebildet ist, ein erstes Strahlenbündel (203) einer ersten Laserklasse und eine zweite Strahlenbündels (103) einer zweiten Laserklasse auszusenden. Das erste Strahlenbündel (203) wird ausgesendet, wenn das System erkennt, dass sich mindestens ein Objekt (201) in einem ersten Bereich (105) befindet, der von dem zweiten Strahlenbündel (103) durchlaufen wird; wobei andernfalls das zweite Strahlenbündel (103) ausgesendet wird. embedded image





Inventors:
Heinle, Anna, Dr. (88250, Weingarten, DE)
Beuschel, Ralf, Dr. (88239, Wangen, DE)
Application Number:
DE102017203103A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/27/2017
Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, 88046 (DE)
International Classes:
G01S7/483; G01S17/88
Domestic Patent References:
DE102008055159A1N/A
Foreign References:
20120242974
20130293882
6130754
5831717
Claims:
LiDAR-System (101); wobei
das System (101) ausgebildet ist, ein erstes Strahlenbündel (203) einer ersten Laserklasse und eine zweite Strahlenbündels (103) einer zweiten Laserklasse auszusenden; dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Strahlenbündel (203) ausgesendet wird, wenn das System (101) erkennt, dass sich mindestens ein Objekt (201) in einem ersten Bereich (105) befindet, der von dem zweiten Strahlenbündel (103) durchlaufen wird; wobei andernfalls das zweite Strahlenbündel (103) ausgesendet wird.

LiDAR-System (101) nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendeleistung beim Aussenden des ersten Strahlenbündels (203) geringer ist als eine Sendeleistung beim Aussenden des zweiten Strahlenbündels (103).

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiedichte des ersten Strahlenbündels (203) in dem ersten Bereich (105) geringer ist als eine Energiedichte des zweiten Strahlenbündels (103) in dem ersten Bereich (105).

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Bereich (107) von dem zweiten Strahlenbündel (103) durchlaufen wird; wobei
eine Energiedichte des zweiten Strahlenbündels (103) in dem ersten Bereich (105) größer ist als eine Energiedichte des zweiten Strahlenbündels (103) in dem zweiten Bereich (107).

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Laserklasse und der zweiten Laserklasse um Klassen nach DIN EN 60825-1 handelt.

LiDAR-System (101) nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Klasse um eine niedrigere Klasse handelt als bei der zweiten Klasse.

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ersten Klasse um die Klasse 1 der DIN EN 60825-1 handelt.

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zweiten Klasse um die Klasse 3R der DIN EN 60825-1 handelt.

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (101) zur Verwendung in einem Fahrzeug ausgebildet ist; wobei das erste Strahlenbündel (203) ausgesendet wird, wenn eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs unter einem Schwellwert liegt.

LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das System (101) ausgebildet ist, ein drittes Strahlenbündel auszusenden und anhand mindestens einer Reflektion des dritten Strahlenbündels an dem Objekt (201) zu erkennen, ob sich das Objekt (201) in dem ersten Bereich (105) befindet.

Fahrzeug mit einem LiDAR-System (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Verfahren mit den Schritten
- Aussenden eines ersten Strahlenbündels (203) einer ersten Laserklasse, wenn sich mindestens ein Objekt (201) in einem Bereich (105) befindet; und
- Aussenden eines zweiten Strahlenbündels (103) einer zweiten Laserklasse andernfalls; wobei der Bereich (105) von dem zweiten Strahlenbündel (103) durchlaufen wird.

Description:

Die Erfindung betrifft ein LiDAR System nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.

Aus der Druckschrift DE 10 2008 055 159 A1 ist ein LiDAR-System bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einer Eigengeschwindigkeit eines Fahrzeugs, in dem das LiDAR-System verbaut ist, ein Detektionsfeld in vertikaler und in horizontaler Richtung durch eine Anpassung der Schwingungsamplitude eines mikromechanischen Spiegels vorgegeben wird. Es ergebe sich eine Leistungsfokussierung der Laserstrahlen, wenn das Detektionsfeld zur Erkennung weit entfernter Objekte verkleinert wird. Dies gehe einher mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Zudem lasse sich durch Verkleinerung des Detektionsfelds eine Verbesserung der Ortsauflösung erzielen. Die Druckschrift DE 10 2008 055 159 A1 schlägt vor, das Signal-RauschVerhältnis bei der Erkennung von weit entfernter Objekte zu verbessern, indem die Intensität der Laserstrahlung zur Detektion weit entfernter Objekte erhöht wird.

Eine Verkleinerung des Detektionsfelds hat wie auch die Erhöhung der Sendeleistung eines Lasers eine erhöhte Energiedichte des ausgesendeten Strahlenbündels zur Folge. Mit höherer Energiedichte wächst das Gefährdungspotenzial des Lasers. Dies ist insbesondere bei LiDAR-Systemen, die im Straßenverkehr eingesetzt werden, problematisch, da zu jeder Zeit die Augensicherheit der Verkehrsteilnehmer gewährleistet sein muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit eines LiDAR-Systems ohne Erhöhung von dessen Gefährdungspotenzial zu verbessern. Insbesondere soll die Erkennung von Objekten in Fernbereich unter Gewährleistung der Augensicherheit verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein LiDAR-System nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ein LiDAR-System dient der optischen Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung. Als Strahlquelle weist es einen Laser auf. Ein Detektor dient dazu, Reflektionen von Laserstrahlen an Objekten der Umgebung zu erkennen. Anhand der verstrichenen Zeit und einer Richtung, in der die reflektierten Strahlen ausgesendet wurden, lässt sich die räumliche Position der Objekte ermitteln.

Das erfindungsgemäße System ist ausgebildet, ein erstes Strahlenbündel einer ersten Laserklasse und ein zweites Strahlenbündel einer zweiten Laserklasse auszusenden. Dies impliziert, dass das System als Strahlenquelle einen Laser umfasst. Insbesondere kann es sich um einen gepulsten Laser handeln, der gepulste Strahlenbündel aussendet. In diesem Fall handelt es sich bei dem ersten Strahlenbündel und dem zweiten Strahlenbündel um gepulste Strahlenbündel.

Ein Strahlenbündel bezeichnet eine Gesamtheit von einer gemeinsamen Strahlenquelle ausgesendeter Strahlen. Die Strahlen können gleichgerichtet oder divergent sein. Insbesondere kann es sich um elektromagnetische Strahlen, vorzugsweise aus dem nahen Infrarot, d.h. aus dem Bereich des elektromagnetischen Spektrum, der sich in Richtung größerer Wellenlängen an das sichtbare Licht anschließt, handeln. Dieser Bereich erstreckt sich von 780 nm bis 3 µm. Bei einer gepulsten Aussendung von Strahlenbündel werden während eines oder mehreren Zeitintervallen, d.h. von Beginn bis zum Ende des jeweiligen Zeitintervalls kontinuierlich zu dem jeweiligen Strahlenbündel gehörigen Strahlen ausgesendet. Die Pulsdauer, d.h. die Länge dieser Zeitintervalle, liegt vorzugsweise im einstelligen Nanosekundenbereich.

Ein gepulster Laser ist durch Verwendung von elektrisch gepulsten Laserdioden realisierbar. Dies lassen sich mittels eines Silicium-Avalanche oder Galliumnitrid-Feldeffekttransistors und hohen Spannungen ansteuern. Um die erforderliche Impuls-Spitzenleistung zu erzielen, ist es gegebenenfalls erforderlich, mehrere Laserdioden zu verwenden, die vorzugsweise zeitgleich angesteuert werden. Alternativ können die Laserdioden sequentiell angesteuert werden, um die thermische Belastung der Bauteile zu verringern.

Ein alternativer Weg zur Erzeugung von kurzen Lichtimpulsen mit hoher Energie besteht in der Verwendung eines Lasers mit passivem Güteschalter (Passive Q-switched Microchip Laser). Dieser besteht aus einer speziellen Kristallstruktur, welche kontinuierlich eingespeistes Licht einer kurzen Wellenlänge, z.B. 808 nm, in Lichtimpulse einer größeren Wellenlänge, z.B. 1064 nm, umwandelt.

Laserklassen bilden ein Ordnungsschema zur Einteilung von Laserstrahlen hinsichtlich ihres Gefährdungspotenzials. Die erste Laserklasse und die zweite Laserklasse gehören zu einem gemeinsamen Ordnungsschema. Laserklassen eines Ordnungsschemas sind disjunkt. Zwischen jeweils zwei Klassen eines Ordnungsschemas gibt es also keine Überlappungen. Dies bedeutet, dass Laserstrahlen in Abhängigkeit eines oder mehrerer physischer Merkmale der Strahlen höchstens einer Klasse eines Ordnungsschemas zugehören. Insbesondere gehören das erste Strahlenbündel nicht zu der zweiten Laserklasse und das zweite Strahlenbündel nicht zu der ersten Laserklasse.

Das System ist ausgebildet, Objekte zu verorten, die sich in einem ersten Bereich befinden, der von dem zweiten Strahlenbündel durchlaufen wird. Bei dem ersten Bereich handelt es sich um einen Teil eines von dem zweiten Strahlenbündel durchlaufenden Raums. Insbesondere tritt das zweite Strahlenbündel in den ersten Bereich ein und aus dem ersten Bereich wieder aus.

Das erfindungsgemäße System ist also ausgebildet, mindestens ein Strahlenbündel auszusenden. Erfindungsgemäß handelt es sich hierbei um das erste Strahlenbündel, wenn das System erkennt, dass sich mindestens ein Objekt in dem ersten Bereich befindet. Andernfalls, d.h. wenn kein Objekt in dem ersten Bereich erkannt und das erste Strahlenbündel nicht ausgesendet wird, handelt es sich um das das zweite Strahlenbündel ausgesendet.

Der Erfindung liegt die Annahme zugrunde, dass von der zweiten Laserklasse ein höheres Gefährdungspotenzial ausgeht als von der ersten Laserklasse. Von einer potenziellen Gefährdung wird ausgegangen, wenn sich gefährdete Objekte in dem ersten Bereich befinden. In diesem Fall wird statt des zweiten Strahlenbündels das erste Strahlenbündel ausgesendet.

Tendenziell verbessert sich die Leistungsfähigkeit eines LiDAR-Systems mit der Sendeleistung. Bei steigender Sendeleistung nimmt allerdings auch das Gefährdungspotenzial zu. Durch die Erkennung von Objekten, die sich in dem gefährdeten ersten Bereich befinden, lässt sich die Sendeleistung gezielt zurücknehmen, um Gefährdungen zu vermeiden. Zugleich erlaubt es die Erfindung, hoch energetische Strahlen auszusenden, wenn keine gefährdeten Objekte in dem ersten Bereich vorhanden sind.

Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu verbessern, wird in einer bevorzugten Weiterbildung entsprechend das zweite Strahlenbündel mit einer hohen Sendeleistung erzeugt. Insbesondere ist eine Sendeleistung beim Aussenden des ersten Strahlenbündels geringer als eine Sendeleistung beim Aussenden des zweiten Strahlenbündels. Bei der Sendeleistung handelt es sich um eine Ausgangsleistung einer Strahlenquelle des Systems, die das erste Strahlenbündel und das zweite Strahlenbündel erzeugt.

Analog ist in einer ebenso bevorzugten Weiterbildung eine Energiedichte des ersten Strahlenbündels in dem ersten Bereich geringer als eine Energiedichte des zweiten Strahlenbündels in dem ersten Bereich. Insbesondere kann eine über den ersten Bereich übermittelte Energiedichte des ersten Strahlenbündels geringer sein als eine über den ersten Bereich übermittelte Energiedichte des zweiten Strahlenbündels. Auch kann die Energiedichte des Strahlenbündels in genau einem Referenzvolumen oder in jedem zu dem ersten Bereich gehörigen Referenzvolumen geringer sein als die Energiedichte des zweiten Strahlenbündels in demselben Referenzvolumen.

In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung wird neben dem ersten Bereich auch ein zweiter Bereich von dem zweiten Strahlenbündel durchlaufen. Eine Energiedichte des zweiten Strahlenbündels in dem ersten Bereich ist größer als eine Energiedichte des zweiten Strahlenbündels in dem zweiten Bereich. Dies impliziert, dass es sich bei dem zweiten Bereich um einen Bereich handelt, der weiter von der Strahlenquelle entfernt ist als der erste Bereich. In dem zweiten Bereich tritt das zweite Strahlenbündel ein, nachdem es den ersten Bereich passiert und verlassen hat.

Als Norm zur Klassifizierung von Laserstrahlen ist die DIN EN 60825-1 anerkannt. Entsprechend handelt es sich bei der ersten Laserklasse und der zweiten Laserklasse in einer bevorzugten Weiterbildung um Klassen dieser Norm.

Die erste Laserklasse und die zweite Laserklasse sind bevorzugt derart weitergebildet, dass es sich bei der ersten Klasse um eine niedrigere Klasse der Norm DIN EN 60825-1 handelt als bei der zweiten Klasse. Dies bedeutet, dass eine Ordnungszahl der ersten Klasse gemäß der Norm DIN EN 60825-1 geringer ist als eine Ordnungszahl der zweiten Klasse.

In einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei der ersten Klasse um die Klasse 1 der Norm DIN EN 60825-1.

Bei der zweiten Klasse handelt es sich in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung um die Klasse 3R der Norm DIN EN 60825-1.

Das LiDAR-System ist bevorzugt zur Verwendung in einem Fahrzeug, etwa einem Landfahrzeug bzw. einem Kraftfahrzeug, weitergebildet. Dabei ermöglicht das System die Erkennung und die Ortung von Objekten, die sich im näheren oder weiteren Umfeld des Fahrzeugs befinden. Bei geringeren Geschwindigkeiten des Fahrzeugs sind weit entfernte Objekte gewöhnlich nicht von Interesse. Entsprechend kann auf die Aussendung hoch energetischer Strahlen verzichtet werden, wenn das Fahrzeug sich langsam fortbewegt. Liegt eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs unter einem Schwellwert, wird weiterbildungsgemäß daher ausschließlich das erste Strahlenbündel ausgesendet. Bei dem Schwellwert handelt es sich um einen vordefinierten, vorzugsweise unveränderlichen Wert. Beispielsweise kann der Schwellwert 10km/h betragen.

Das zweite Strahlenbündel wird weiterbildungsgemäß ausgesendet, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs den Schwellwert erreicht oder diesen übersteigt, und wenn das System kein Objekt erkennt, dass sich in dem ersten Bereich befindet.

Durch die Verwendung des Schwellwerts wird eine weitere Verbesserung der Sicherheit des Systems erreicht. Insbesondere das Risiko, das von einer Fehlfunktion des Systems ausgeht, in deren Folge ein in dem ersten Bereich befindliches Objekt nicht erkannt wird, lässt sich verringern. Vorausgesetzt, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs liegt unter dem Schwellwert, würde bei einer solchen Fehlfunktion dennoch das erste Strahlenbündel ausgesendet, so dass das Objekt nicht gefährdet wird.

Zur Erkennung des Objekts wird in einer bevorzugten Weiterbildung das System selbst verwendet. Demnach ist das System ausgebildet, vor der Aussendung des ersten und/oder des zweiten Strahlenbündels ein drittes Strahlenbündel auszusenden. Anhand mindestens einer Reflektion des dritten Strahlenbündels an dem Objekt ist das System in der Lage, zu erkennen, ob sich das Objekt in dem ersten Bereich befindet.

Bevorzugt ist das System als Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Landfahrzeugs bzw. eines Kraftfahrzeugs, weitergebildet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Aussenden des ersten Strahlenbündels, wenn sich mindestens ein Objekt in dem ersten Bereich befindet; und
  • - Aussenden des zweiten Strahlenbündels andernfalls.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

  • 1 von einem LiDAR ausgesendete hoch energetische Strahlungen; und
  • 2 von dem LiDAR ausgesendete niedrig energetische Strahlungen.

Gemäß der Darstellung von 1 sendet ein LiDAR-System 101 ein hochenergetisches Strahlenbündel 103 aus. Der von dem hochenergetischen Strahlenbündel 103 durchlaufende Raum gliedert sich in einen ersten Bereich 105 und einen zweiten Bereich 107.

Der erste Bereich 105 unterscheidet sich von dem zweiten Bereich 107 durch die Intensität der Strahlungen des hochenergetischen Strahlenbündels 103. So ist die Intensität der Strahlung im ersten Bereich 105 höher als in dem zweiten Bereich 107.

Eine Grenze zwischen dem ersten Bereich 105 und dem zweiten Bereich 107 ist so gewählt, dass die Strahlung in dem zweiten Bereich 107 ungefährlich ist. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass von der Strahlung in dem ersten Bereich 105 ein Risiko ausgeht.

Befindet sich, wie in 2 dargestellt, ein Objekt 201 in dem ersten Bereich 105, wird nicht das hochenergetische Strahlenbündel 103 ausgesendet, sondern ein niederenergetisches Strahlenbündel 203. Die Strahlungsenergie des zweiten Strahlenbündels 203 ist so gering, dass von dem zweiten Strahlenbündel 203 keine Gefährdung für das Objekt 201 ausgeht.

Bezugszeichenliste

101
Lidar-System
103
hochenergetisches Strahlenbündel
105
erster Bereich
107
zweiter Bereich
201
Objekt
203
niederenergetisches Strahlenbündel

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

  • DE 102008055159 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • DIN EN 60825-1 [0019]
  • Norm DIN EN 60825-1 [0020, 0021, 0022]