DE202022101595U1 - lidar assembly - Google Patents
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Abstract
Lidar-Baugruppe (2) für ein Kraftfahrzeug, die zumindest zwei Laser-Emitter (e1, e2), zwei Laser-Detektoren (d1, d2) und eine Abdeckscheibe (4) aufweist, mit der Lichtverteilungen (10, 12) der Laser-Emitter (e1, e2) transmittierbar sind, um mittels der beiden Laser-Detektoren (d1, d2) zwei Bildfelder (FOV1, FOV2) zu erfassen, wobei die Laser-Emitter (e1, e2) optische Achsen (5, 6) aufweisen, die derart windschief oder im Winkel zueinander liegen, dass die beiden Bildfelder (FOV1, FOV2) zu einem gemeinsamen Gesamtbild zusammensetzbar sind, wobei jede der beiden Lichtverteilungen (10, 12) in einer Ebene (9) zwei geometrische Winkel aufspannt, die jeweils
- einerseits durch eine Gerade (5' bzw. 6'), die die optische Achse (5 bzw. 6) charakterisiert und
- andererseits durch einen Randstrahl (20a, 22a bzw. 20b, 22b) begrenzt sind, wobei die Abdeckscheibe (4) derart gekrümmt ist, dass die jeweiligen Randstrahlen (20a, 22a bzw. 20b, 22b) der Lichtverteilungen (10, 12) der Laser-Emitter (e1, e2) mit Einfallswinkeln (θ, β) auf die Abdeckscheibe (4) auftreffen, deren Differenz vom Betrag kleiner ist als 10°, insbesondere kleiner ist als 5°, insbesondere kleiner ist als 3°.
Lidar assembly (2) for a motor vehicle, which has at least two laser emitters (e1, e2), two laser detectors (d1, d2) and a cover plate (4) with which the light distributions (10, 12) of the laser Emitters (e1, e2) can be transmitted in order to capture two image fields (FOV1, FOV2) using the two laser detectors (d1, d2), the laser emitters (e1, e2) having optical axes (5, 6), which are skewed or at an angle to one another in such a way that the two image fields (FOV1, FOV2) can be combined to form a common overall image, with each of the two light distributions (10, 12) spanning two geometric angles in a plane (9), which
- On the one hand by a straight line (5' or 6') which characterizes the optical axis (5 or 6) and
- on the other hand by a marginal ray (20a, 22a or 20b, 22b) are delimited, the cover plate (4) being curved in such a way that the respective marginal rays (20a, 22a or 20b, 22b) of the light distributions (10, 12) of the laser emitters (e1, e2) with angles of incidence (θ, β) impinge on the cover plate (4), the difference in amount of which is less than 10°, in particular less than 5°, in particular less than 3°.
Description
BeschreibungDescription
Die Erfindung betrifft eine Lidar-Baugruppe gemäß Anspruch 1.The invention relates to a lidar assembly according to claim 1.
Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2021 127 448.6 betrifft eine Lidar-Baugruppe für ein Kraftfahrzeug, die mehrere Laser-Emitter, mehrere Laser-Detektoren und eine ebene transparente Abdeckscheibe umfasst. Die Abdeckscheibe kann zwar gemäß Beschreibung auch gekrümmt sein. Jedoch findet sich keine Offenbarung zur Form der Krümmung.
Ein typisches Lidar-System umfasst einen Laser-Emitter und einen Laser-Detektor. Die Laufzeit von Lichtimpulsen vom Fahrzeug zu einem Objekt und zurück wird gemessen.A typical lidar system includes a laser emitter and a laser detector. The transit time of light pulses from the vehicle to an object and back is measured.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lidar-System mit mehreren Laser-Emittern zu schaffen, das eine gute Signalqualität erlaubt.The object of the invention is to create a lidar system with multiple laser emitters that allows good signal quality.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Vorrichtungsanspruch 1.This object is achieved with the features of device claim 1.
Eine erfindungsgemäße Lidar-Baugruppe für ein Kraftfahrzeug weist zumindest zwei Laser-Emitter, zwei Laser-Detektoren und eine Abdeckscheibe auf. Die Abdeckscheibe kann Lichtverteilungen der Laser-Emitter transmittieren, um mittels der beiden Laser-Detektoren zwei Bildfelder zu erfassen. Die Laser-Emitter weisen optische Achsen auf, die derart windschief oder im Winkel zueinander liegen, dass die beiden Bildfelder zu einem gemeinsamen Gesamtbild zusammensetzbar sind. Jede der beiden Lichtverteilungen spannt in einer Ebene zwei geometrische Winkel auf, die jeweils
- - einerseits durch eine Gerade, die die optische Achse charakterisiert und
- - andererseits durch einen Randstrahl
- - on the one hand by a straight line that characterizes the optical axis and
- - on the other hand by a marginal ray
Wenn die optische Achsen der Laser-Emitter windschief zueinander angeordnet sind, ist die Gerade eine Projektion der optischen Achse in der Ebene. Sind die beiden optischen Achsen hingegen in derselben Ebene angeordnet, ist Gerade die zugehörige optische Achse selbst.If the optical axes of the laser emitters are arranged skewed to one another, the straight line is a projection of the optical axis in the plane. If, on the other hand, the two optical axes are arranged in the same plane, the corresponding optical axis itself is a straight line.
Die jeweiligen Randstrahlen der Lichtverteilungen der Laser-Emitter können bevorzugt mit Einfallswinkeln auf die Abdeckscheibe auftreffen, deren Differenz vom Betrag kleiner ist als wenn die Abdeckscheibe in der Ebene über einen gesamten Auftreffbereich der Lichtverteilungen auf der Abdeckscheibe geradlinig wäre.The respective marginal rays of the light distributions of the laser emitters can preferably impinge on the cover pane with angles of incidence whose difference in absolute value is smaller than if the cover pane were straight in the plane over an entire area of incidence of the light distributions on the cover pane.
Durch die Verwendung mehrerer Lidar-Empfänger und Laser-Detektoren kann ein sehr umfassendes dreidimensionales Gesamtbild der Umgebung erstellt werden. Die sich überdeckenden Randbereiche der einzelnen Bildfelder produzieren teilweise redundante Daten, was eine hohe Zuverlässigkeit der Daten des zusammengesetzten Gesamtbildes mit sich bringt. Eine solche Redundanz ist insbesondere bei schlechten Witterungsverhältnissen von Vorteil, bei denen sich die Qualität der einzelnen Bildfelder verschlechtert, da Regen, Nebel, Schnee und Graupel den Laserstrahl ablenken bzw. streuen.By using several lidar receivers and laser detectors, a very comprehensive three-dimensional overall picture of the environment can be created. The overlapping edge areas of the individual image fields sometimes produce redundant data, which results in a high level of reliability of the data of the composite overall image. Such a redundancy is particularly advantageous in poor weather conditions, in which the quality of the individual image fields deteriorates since rain, fog, snow and sleet deflect or scatter the laser beam.
Bei nur einem einzigen Laser-Emitter ließe sich zwar eine nahezu optimale Transmission mittels einer einfachen ebenen Glasplatte erreichen, die beispielsweise als zylindrisch geformte Scheibe ausgeführt ist. Bei mehreren Laser-Emittern hätte eine eben geformte zylindrische Scheibe jedoch den Nachteil, dass die Transmission in den Randbereichen aufgrund der steilen Einfallswinkel reduziert wird. Als umso „steiler“ wird dabei und nachfolgend ein Einfallswinkel bezeichnet, je kleiner der Einfallswinkel zur Oberfläche der Abdeckscheibe ist bzw. je näher der Einfallswinkel an 90° zum Einfallslot am Auftreffpunkt des Laserstrahls liegt. Im Umkehrschluss wird ein Einfallswinkel nachfolgend als „umso flacher“ bezeichnet, je kleiner der Einfallswinkel zum Einfallslot ist. Jedenfalls erlaubt eine zylindrische Abdeckscheibe bei mehreren Laser-Emittern keine optimale Transmission über das Gesamtbild, das aus den Bildfeldern zusammengesetzt ist.With only a single laser emitter, it is true that almost optimal transmission could be achieved using a simple, flat glass plate, which is designed, for example, as a cylindrically shaped disk. With several laser emitters, however, a flat cylindrical disk would have the disadvantage that the transmission in the edge areas is reduced due to the steep angle of incidence. Here and in the following, an angle of incidence is referred to as “steeper”, the smaller the angle of incidence to the surface of the cover pane is or the closer the angle of incidence is to 90° to the perpendicular at the point of impact of the laser beam. Conversely, an angle of incidence is referred to below as "the flatter", the smaller the angle of incidence is to the normal. In any case, with several laser emitters, a cylindrical cover disk does not allow optimal transmission over the overall image, which is composed of the image fields.
Bei der erfindungsgemäßen Lidar-Baugruppe, die somit eine Multisensor-Baugruppe darstellt, kann die Krümmung der Abdeckscheibe derart gewählt sein, dass die Einfallswinkel auf die Abdeckscheibe von einem Laser-Emitter am linken sowie am rechten Rand ungefähr gleich groß sind. Dies lässt sich z.B. über eine Freiformgeometrie der Abdeckscheibe erreichen.In the lidar assembly according to the invention, which thus represents a multi-sensor assembly, the curvature of the cover plate can be selected such that the angles of incidence onto the cover plate from a laser emitter are approximately the same on the left and right edges. This can be achieved, for example, with a free-form geometry of the cover plate.
Oder anders ausgedrückt: Die optischen Achsen der Laser-Emitter überschneiden sich und die Abdeckscheibe ist derart vor den Laser-Emittern angeordnet, dass die Einfallswinkel der linken und rechten Randstrahlen des Bildfeldes der Laser-Emitter auf die Abdeckscheibe ungefähr gleich sind. Dadurch werden Störungen und Transmissionsverluste durch die Abdeckscheibe minimiert. Jeder der Laser-Emitter kann dabei mit einem Laser-Detektor zu einem Lidar-Modul zusammengefasst sein.Or to put it another way: the optical axes of the laser emitters intersect and the cover plate is arranged in front of the laser emitters in such a way that the angles of incidence of the left and right marginal rays of the image field of the laser emitters on the cover plate are approximately the same. This minimizes interference and transmission losses through the cover pane. Each of the laser emitters can be combined with a laser detector to form a lidar module.
Die Krümmung der Abdeckscheibe ermöglicht es ferner, die Abdeckscheibe und insofern die Lichtaustrittsfläche klein zu gestalten. Insofern wird wenig Bauraum benötigt und das äußere Erscheinungsbild der Lidar-Baugruppe ist unauffällig.The curvature of the cover pane also makes it possible to design the cover pane and, to that extent, the light exit surface to be small. In this respect, little installation space is required and the external appearance of the lidar assembly is inconspicuous.
Die Krümmung der Abdeckscheibe lässt sich besonders kostengünstig mit einer Abdeckscheibe aus einem Kunststoff wie Polycarbonat (PC) herstellen, die in einem Spritzgussverfahren mit Freiform-Geometrie hergestellt wird.The curvature of the cover plate can be produced particularly cost-effectively with a cover plate made from a plastic such as polycarbonate (PC), which is produced using an injection molding process with a free-form geometry.
Um ein möglichst weites Gesamtbild der Objekte auf der Fahrstrecke zu erfassen, kann vorgesehen sein, dass die Ebene in Einbaulage der Lidar-Baugruppe die horizontale Ebene ist.In order to capture the widest possible overall picture of the objects on the route, it can be provided that the plane in the installation position of the lidar assembly is the horizontal plane.
Ein solches weites Gesamtbild kann beispielsweise erfasst werden, wenn zwischen den beiden Laser-Emittern ein dritter Laser-Emitter und ein dritter Laser-Detektor angeordnet sind. Dabei kann die optische Achse des dritten Laser-Emitters in derselben Ebene angeordnet sein, wie die optischen Achsen der beiden anderen Laser-Emitter. Jedoch ist es auch möglich, dass eine oder mehrere optische Achsen windschief zu der/den übrigen optischen Achse(n) angeordnet ist/sind, um in einem Gesamtbild Objekte zu erfassen, die in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.Such a wide overall image can be captured, for example, if a third laser emitter and a third laser detector are arranged between the two laser emitters. In this case, the optical axis of the third laser emitter can be arranged in the same plane as the optical axes of the other two laser emitters. However, it is also possible for one or more optical axes to be arranged skewed relative to the remaining optical axis(s) in order to capture objects that are arranged at different heights in an overall image.
Bei drei Laser-Emittern wird eine besonders große Überlappung der Bildfelder erreicht, wenn in der Ebene die optischen Achsen des ersten und des zweiten Laser-Emitters bzw. die Projektionen dieser beiden optischen Achsen in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind.With three laser emitters, a particularly large overlap of the image fields is achieved if the optical axes of the first and the second laser emitter or the projections of these two optical axes are arranged at an acute angle to one another in the plane.
Insbesondere bei einem solchen spitzen Winkel kann der dazwischen liegende Laser-Emitter so angeordnet sein, dass in Einbaulage der Lidar-Baugruppe eine optische Achse des dritten Laser-Emitters parallel bzw. deckungsgleich zu einem Fahrtrichtungsvektor des für den Einbau bestimmten Fahrzeugs ist.Particularly with such an acute angle, the intermediate laser emitter can be arranged such that when the lidar assembly is installed, an optical axis of the third laser emitter is parallel or congruent with a travel direction vector of the vehicle intended for installation.
Für eine in Fahrrichtung besonders kurze Bauform der Lidar-Baugruppe können die drei Laser-Emitter so nahe zur Abdeckscheibe angeordnet sein, dass die Abdeckscheibe in der Ebene eine Wellenform aufweist und dass die optischen Achsen oder deren Projektionen von jedem der drei Laser-Emitter deckungsgleich zum zugehörigen Einfallslot sind. Um bei einer solchen Ausführungsform den Bauraum noch weiter zu verkürzen, können die Laser-Emitter derart aneinandergereiht sein, dass sie der Wellenform praktisch „folgen“. Dabei ist vorgesehen, dass in der Ebene der dritte Laser-Emitter in Richtung von dessen optischer Achse bzw. der Projektion derselben der Abdeckscheibe näher steht als die beiden übrigen Laser-Emitter in Richtung von deren optischen Achsen bzw. den Projektionen derselben.For a particularly short design of the lidar assembly in the direction of travel, the three laser emitters can be arranged so close to the cover plate that the cover plate has a wave shape in the plane and that the optical axes or their projections of each of the three laser emitters are congruent with the associated plumb line are. In order to further reduce the installation space in such an embodiment, the laser emitters can be lined up in such a way that they practically “follow” the waveform. It is provided that in the plane of the third laser emitter in the direction of its optical axis or the projection thereof is closer to the cover plate than the other two laser emitters in the direction of their optical axes or the projections of the same.
Sofern in Fahrtrichtung ausreichend Bauraum für den Einbau der Lidar-Baugruppe vorhanden ist, können die drei Laser-Emitter so weit von der Abdeckscheibe entfernt angeordnet sein, dass die Abdeckscheibe in der Ebene ein Schalenprofil aufweist und dass in der Ebene der dritte Laser-Emitter in Richtung von dessen optischer Achse bzw. der Projektion derselben weiter weg von der Abdeckscheibe steht als die beiden übrigen Laser-Emitter in Richtung von deren optischen Achsen bzw. den Projektionen derselben.If there is sufficient space in the direction of travel for installing the lidar assembly, the three laser emitters can be arranged far enough away from the cover pane that the cover pane has a cupped profile in the plane and that the third laser emitter is in the plane Direction of the optical axis or the projection of the same is further away from the cover plate than the other two laser emitters in the direction of their optical axes or the projections of the same.
Um die Bildfelder exakt zueinander auszurichten, kann vorgesehen sein, dass die Laser-Emitter und die Laser-Detektoren auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Überdies ist eine solche Anordnung kostengünstiger.In order to align the image fields exactly with one another, it can be provided that the laser emitters and the laser detectors are arranged on a common circuit board. In addition, such an arrangement is cheaper.
Es werden die folgenden Schritte ausgeführt:
- - Bestimmen von Auftreffpunkten von Laserstrahlen auf einer gekrümmten Abdeckscheibe, die von mehreren Laser-Emittern zu mehreren Bildfeldern führen und dabei von der Abdeckscheibe transmittiert werden;
- - Bestimmen der Einfallswinkel der Laserstrahlen an den Auftreffpunkten;
- - Berechnen der Transmissionen der einzelnen Laserstrahlen an den Auftreffpunkten anhand der Fresnel-Gleichungen abhängig von den Einfallswinkeln und einem Brechungsindex des Materials der Abdeckscheibe;
- - Bestimmen einer maximalen Summe aus den einzelnen Transmissionen an dem jeweiligen Auftreffpunkt;
- - Herstellen der gekrümmten Abdeckscheibe und/oder Positionieren der Laser-Emitter in Bezug auf die Abdeckscheibe.
- - Determining points of impact of laser beams on a curved cover plate, which lead from a plurality of laser emitters to a plurality of image fields and are thereby transmitted by the cover plate;
- - Determining the angles of incidence of the laser beams at the points of impact;
- - Calculation of the transmissions of the individual laser beams at the points of incidence using the Fresnel equations depending on the angle of incidence and a refractive index of the material of the cover plate;
- - Determination of a maximum sum of the individual transmissions at the respective impact point;
- - Making the curved cover plate and/or positioning the laser emitters in relation to the cover plate.
Um die Form der Abdeckscheibe auch unter Randbedingungen zu optimieren, kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der Transmissionen der einzelnen Laserstrahlen an den Auftreffpunkten die Laserstrahlen abhängig von einer Winkelabweichung zu einer Vorzugsrichtung, insbesondere einer Fahrtrichtung, gewichtet werden. Somit kann beispielsweise für eine optimale Transmission in Fahrrichtung nach vorne die Gewichtung der Laserstrahlen in diese Richtung erhöht werden.In order to optimize the shape of the cover pane under boundary conditions, it can be provided that when calculating the transmissions of the individual laser beams at the points of impact, the laser beams are weighted depending on an angular deviation from a preferred direction, in particular a direction of travel. Thus, for example, for an optimal transmission in driving forward direction, the weight of the laser beams in that direction can be increased.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.Further features, possible applications and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are explained with reference to the drawing.
Es zeigen:
-
1 schematisch eine Lidar-Baugruppe in einem Schnitt entlang einer horizontalen Ebene eines Kraftfahrzeugs, wobei die LIDAR-Baugruppe eine Abdeckscheibe und drei Laser-Emitter umfasst, -
2 die Lidar-Baugruppe aus1 , wobei der Übersichtlichkeit halber zwei der drei Laser-Emitter nicht dargestellt sind, -
3 einen Ausschnitt der Abdeckscheibe aus1 und2 , wobei von den drei Laser-Emittern erzeugte Laserstrahlen dargestellt sind, die an einem Auftreffpunkt auf die Abdeckscheibe auftreffen und von der Abdeckscheibe transmittiert werden, -
4 anhand eines Flussdiagramms schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Lidar-Baugruppe, -
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lidar-Baugruppe, wobei insbesondere der mittlere Laser-Emitter nahe der Abdeckscheibe angeordnet ist und -
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lidar-Baugruppe, wobei insbesondere der mittlere Laser-Emitter relativ weit von der Abdeckscheibe entfernt ist.
-
1 Schematically a lidar assembly in a section along a horizontal plane of a motor vehicle, the LIDAR assembly comprising a cover plate and three laser emitters, -
2 the lidar assembly1 , whereby two of the three laser emitters are not shown for the sake of clarity, -
3 a section of the cover plate1 and2 , where laser beams generated by the three laser emitters are shown, which impinge on the cover pane at an impact point and are transmitted by the cover pane, -
4 a method for manufacturing a lidar assembly using a flowchart, -
5 a second embodiment of a lidar assembly, wherein in particular the middle laser emitter is arranged close to the cover plate and -
6 a third exemplary embodiment of a lidar assembly, in which case the central laser emitter in particular is relatively far removed from the cover pane.
Die Lidar-Baugruppe 2 weist im Ausführungsbeispiel drei Laser-Emitter e1, e2, e3 auf, die innerhalb eines Gehäuses 3 angeordnet sind, das von einer transparenten Abdeckscheibe 4 abgedeckt ist, die in
Die Abdeckscheibe 4 ist gekrümmt, wobei im Grunde jede Krümmung einer Fläche eine 3D Krümmung ist. Die Abdeckscheibe 4 kann jedoch auch in allen drei Dimensionen gekrümmt sein. Um diese Krümmung kostengünstig zu ermöglichen, besteht die Abdeckscheibe aus Kunststoff, insbesondere Polycarbonat (PC), dem mit nur geringem Aufwand eine komplexe geometrische Form gegeben werden kann. Um eine höhere Robustheit gegen Umweltbedingungen zu erreichen, kann die Abdeckscheibe 4 auch aus Glas bestehen. Die Abdeckscheibe 4 ist für Wellenlängen von Laserstrahlen transparent, die von den Laser-Emittern e1, e2, e3 emittiert werden. Bei diesen Wellenlängen kann es sich insbesondere um die Wellenlängen im Nahe-Infrarotlichtbereich (NIR) handeln. Im sichtbaren Spektrum kann die Abdeckscheibe sowohl transparent oder auch intransparent ausgestaltet sein. Sofern die Lidar-Baugruppe 2 ein Scheinwerfermodul oder Rückleuchtenmodul ist, ist die Abdeckscheibe im sichtbaren Spektrum transparent. Wenn die Lidar-Baugruppe 2 hingegen keine Lampen oder Matrix-LED zur Ausleuchtung der Fahrstrecke aufweist, kann die Abdeckscheibe im sichtbaren Spektrum intransparent sein.The cover plate 4 is curved, with basically every curvature of a surface being a 3D curvature. However, the cover plate 4 can also be curved in all three dimensions. In order to make this curvature possible at low cost, the cover plate is made of plastic, in particular polycarbonate (PC), which can be given a complex geometric shape with little effort. In order to achieve greater robustness against environmental conditions, the cover plate 4 can also be made of glass. The cover plate 4 is transparent to wavelengths of laser beams emitted by the laser emitters e1, e2, e3. These wavelengths can in particular be the wavelengths in the near infrared light range (NIR). In the visible spectrum, the cover plate can be either transparent or non-transparent. If the lidar assembly 2 is a headlight module or taillight module, the cover panel is transparent in the visible spectrum. On the other hand, if the lidar assembly 2 does not have any lamps or matrix LEDs for illuminating the route, the cover pane can be opaque in the visible spectrum.
Die Laser-Emitter e1, e2, e3 weisen zeichnerisch nicht näher dargestellte Objektive auf, sodass jedem der Laser-Emitter e1, e2, e3 eine optische Achse 5 bzw. 6 bzw. 8 zugeordnet ist. Die optischen Achsen 5, 6, 8 der Laser-Emitter e1, e2, e3 liegen bei dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene 9, die zeichnerisch in der Blattebene liegt. Die Ebene 9 ist in Einbaulage der Lidar-Baugruppe 2 im Kraftfahrzeug eine horizontale Ebene 9, die im Wesentlichen parallel zur Fahrstrecke liegt. Bei einer alternativen Ausführungsform liegen die optischen Achsen 5, 6, 8 nicht genau in der gemeinsamen Ebene 9 sondern sind geringfügig windschief zueinander. In diesem Fall gilt das nachstehend gesagte für die Projektionen der optischen Achsen 5, 6, 8 auf die Ebene 9 in gleicher Weise wie für die optischen Achsen 5, 6, 8. Diese Projektionen bilden in der Ebene 9 Geraden 5', 6', 8'.The laser emitters e1, e2, e3 have lenses that are not shown in more detail in the drawing, so that each of the laser emitters e1, e2, e3 is assigned an optical axis 5, 6, or 8, respectively. In the exemplary embodiment shown in the drawing, the optical axes 5, 6, 8 of the laser emitters e1, e2, e3 lie in a common plane 9, which lies in the plane of the drawing in the drawing. In the installation position of the lidar assembly 2 in the motor vehicle, the plane 9 is a horizontal plane 9 which lies essentially parallel to the route. In an alternative embodiment, the optical axes 5, 6, 8 are not exactly in the common plane 9 but are slightly skewed to one another. In this case, what is said below applies to the projections of the optical axes 5, 6, 8 onto the plane 9 in the same way as for the optical axes 5, 6, 8. These projections form straight lines 5', 6' in the plane 9, 8th'.
Die Laser-Emitter e1, e2, e3 sind Teil von Lidar-Modulen, die auch noch jeweils einen Laser-Detektor d1, d2, d3 umfassen. Die Laser-Detektoren d1, d2, d3 weisen jeweils einen Sensor und ein Objektiv auf.The laser emitters e1, e2, e3 are part of lidar modules, which also each include a laser detector d1, d2, d3. The laser detectors d1, d2, d3 each have a sensor and a lens.
Mit dem Laser-Emitter e1 bzw. e2 bzw. e3 des jeweiligen Lidar-Moduls ist eine Lichtverteilung emittierbar, deren Wellenlänge im Infrarotlichtbereich, im Nahe-Infrarotlichtbereich (NIR) oder im ultravioletten Bereich liegt.With the laser emitter e1 or e2 or e3 of the respective lidar module, a light distribution can be emitted whose wavelength is in the infrared light range, in the near infrared light range (NIR) or in the ultraviolet range.
Das den Lidar-Modulen zugrunde liegende Lidar-System ist insbesondere ein Flash Lidar mit Matrix-Lichtquellen, die jeweils viele Laserlichtpunkte erzeugen, die alle gleichzeitig aktiviert werden und ein gesamtes zu erfassendes Bildfeld FOV1 bzw. FOV2 bzw. FOV3 ausleuchten, das fachsprachlich auch als „field of view“ bezeichnet wird.The lidar system on which the lidar modules are based is in particular a flash lidar with matrix light sources, each of which generates many laser light points, which are all activated simultaneously and illuminate an entire image field FOV1 or FOV2 or FOV3 to be recorded, which is also technically known as called "field of view".
Das Bildfeld FOV1 des ersten Laser-Emitters e1 ist in der Ebene 9 durch zwei Randstrahlen 20a, 22a einer Lichtverteilung 10 begrenzt. Diese beiden Randstrahlen 20a, 22a sind außerhalb der Abdeckscheibe 4 mittels gestrichelter Linien dargestellt.The image field FOV1 of the first laser emitter e1 is delimited in the plane 9 by two
Das Bildfeld FOV2 des zweiten Laser-Emitters e2 ist in der Ebene 9 durch zwei Randstrahlen 20b, 22b einer Lichtverteilung 12 begrenzt. Diese beiden Randstrahlen 20b, 22b sind außerhalb der Abdeckscheibe 4 mittels punktierter Linien dargestellt sind.The image field FOV2 of the second laser emitter e2 is delimited in the plane 9 by two
Das Bildfeld FOV3 des dritten Laser-Emitters e3 ist in der Ebene 9 durch zwei Randstrahlen einer Lichtverteilung 14 begrenzt. Diese beiden Randstrahlen sind außerhalb der Abdeckscheibe 4 mittels strichpunktierter Linien dargestellt sind.The image field FOV3 of the third laser emitter e3 is delimited in the plane 9 by two marginal rays of a
Wie bereits erwähnt, ist das Lidar-System ein „Flash Lidar“, bei dem die Lichtverteilungen 10, 12, 14 vom jeweiligen Laser-Emitter e1 bzw. e2 bzw. e3 mit einem Laserpuls als ganzes bzw. als aufgeweitete Lichtverteilung 10, 12, 14 erzeugt werden. Ein Teil der von einem Objekt gestreuten Lichtverteilung 10 bzw. 12 bzw. 14 wird auf einem Detektorfeld des jeweiligen Laser-Detektors d1 bzw. d2 bzw. d3 erfasst.As already mentioned, the lidar system is a "flash lidar" in which the
Die Abdeckscheibe 4 transmittiert insofern die drei Lichtverteilungen 10, 12, 14, die durch die transparente Abdeckscheibe hindurch und aus dem Gehäuse 3 herausgeführt werden und außerhalb des Gehäuses 3 von Oberflächen reflektiert bzw. gestreut werden, die in dem Bildfeld FOV1 bzw. FOV2 bzw. FOV3 liegen. Die drei Laser-Detektoren d1, d2, d3 erfassen somit die drei Bildfelder FOV1, FOV2, FOV3.The cover plate 4 transmits the three
Die optischen Achsen 5, 6, 8 liegen derart im Winkel zueinander und sind derart zueinander ausgerichtet, dass die drei Bildfelder FOV1, FOV2, FOV3 zu einem gemeinsamen Gesamtbild 16 zusammensetzbar sind.The optical axes 5, 6, 8 are at an angle to one another and are aligned to one another in such a way that the three image fields FOV1, FOV2, FOV3 can be combined to form a common
Ein Teil des von den Oberflächen reflektierten bzw. gestreuten Laserstrahls wird durch die Abdeckscheibe 4 hindurch und wieder in die LIDAR-Baugruppe 2 hinein geleitet. Mit dem Laser-Detektor d1 bzw. d2 bzw. d3 wird der zurückgestreute Laserstrahl detektiert. Anhand der Laufzeit der Laserstrahlen der Lichtverteilung wird der Abstand zur Oberfläche des Objekts bestimmt, von dem der rückgestreute Laserstrahl ausgeht. In dem Kraftfahrzeug wird somit die LIDAR-Baugruppe 2 und eine zugehörige elektronische Auswerteeinheit benutzt, um Personen und Objekte im Umfeld des Kraftfahrzeugs zu erkennen und ihren Abstand zu bestimmen. Es wird ein dreidimensionales Bild von der Umgebung berechnet. Mittels diese elektronischen Auswerteeinheit werden die drei Bildfelder FOV1, FOV2, FOV3 zu dem gemeinsamen Gesamtbild 16 zusammengesetzt.A portion of the laser beam reflected or scattered by the surfaces is directed through the cover plate 4 and back into the LIDAR assembly 2 . The backscattered laser beam is detected with the laser detector d1 or d2 or d3. The distance to the surface of the object from which the backscattered laser beam emanates is determined on the basis of the propagation time of the laser beams in the light distribution. The LIDAR assembly 2 and an associated electronic evaluation unit are thus used in the motor vehicle in order to recognize people and objects in the area surrounding the motor vehicle and to determine their distance. A three-dimensional image of the environment is calculated. The three image fields FOV1, FOV2, FOV3 are combined to form the common
Die optische Achse 5 des ersten äußeren Laser-Emitters e1 und ein Fahrtrichtungsvektor 18 schließen einen ersten Kippwinkel α1 ein, der sich in Fahrtrichtung nach vorne öffnet. Die beiden äußeren Laser-Emitter e1, e2 sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer Spiegelebene 20, die sich in Fahrzeughochrichtung erstreckt und die optische Achse 8 des dritten Laser-Emitters e2 beinhaltet. Mithin kreuzen sich die optischen Achsen 5, 6 der äußeren Laser-Emitter e1, e3. Insofern schließen auch die optische Achse 6 des zweiten äußeren Laser-Emitters e2 und der Fahrtrichtungsvektor 18 einen zweiten Kippwinkel α2 ein, der gleich dem ersten Kippwinkel α1 ist und der sich in Fahrtrichtung nach vorne öffnet.The optical axis 5 of the first outer laser emitter e1 and a direction of
Die optische Achse 8 des dritten Laser-Emitters e3 ist deckungsgleich mit dem Fahrtrichtungsvektor 18. Ein ebenfalls deckungsgleich zu dieser optischen Achse 8 liegender Laserstrahl 19 des dritten Laser-Emitters e3 trifft auf einem Auftreffpunkt 28 auf.The optical axis 8 of the third laser emitter e3 is congruent with the direction of
Jede der beiden Lichtverteilungen der äußeren Laser-Emitter e1, e2 weist in der horizontalen Ebene 9 die Randstrahlen 20a, 22a bzw. 20b, 22b auf. Die beiden auf einer Seite äußersten Randstrahlen 20a, 22b bzw. 20b, 22a der beiden äußern Lichtverteilungen 10, 12 kreuzen sich. Insofern trifft der rechte Randstrahl 22a des linken Laser-Emitters e1 an einem Auftreffpunkt 24a auf, der weiter außen liegt, als ein Auftreffpunkt 26a, an dem der rechte Randstrahl 20b des zweiten Laser-Emitters e2 auftrifft. Analoges gilt für die Auftreffpunkte 24b, 26b.Each of the two light distributions of the outer laser emitters e1, e2 has the
Die Abdeckscheibe 4 ist ausgehend vom besagten Auftreffpunkt 28 des dritten Laser-Emitters e3 zum Auftreffpunkt 26a des Randstrahls 20b hin nur moderat gekrümmt. Die Krümmung nimmt in Richtung nach außen zum Auftreffpunkt 24a des Randstrahls 22a zu, um einen steileren Auftreffwinkel (Idealfall 90° rechter Winkel) und somit eine bessere Transmission des Einfallswinkels für den Randstrahl 22a zu erreichen. Ein flacherer Auftreffwinkel (worst case streifender Einfall, parallel zur Scheibe) bedeutet nämlich eine schlechte Transmission.Starting from said point of
Wünschenswert ist an dieser Stelle also ein steiler Auftreffwinkel für die Strahlung des linken Laser-Emitters e1, also im Idealfall ein 90° Winkel für den Randstrahl 22a. Da die Abdeckscheibe 4 zwischen dem Punkt 26a und 24a nur von der Strahlung aus dem linken Laser-Emitter e1 getroffen wird, kann für diesen Abdeckscheibenbereich ein ideal-steiler Auftreffwinkel für die Strahlung des linken Laser-Emitters e1 erreicht werden. Ab Punkt 26a nach links hin unterliegt die Krümmung der Abdeckscheibe den weiteren Randbedingungen für eine optimale Gesamttransmission e1 + e3.A steep impingement angle for the radiation from the left laser emitter e1 is therefore desirable at this point, ie ideally a 90° angle for the
Bei alternativen Ausführungsformen kann es schon ausreichend sein, wenn die beiden Einfallswinkel θ, β nahezu gleichgroß sind. D.h., die Differenz Δ=θ-β bzw. Δ=β-θ ist vom Betrag kleiner als 10°, insbesondere kleiner ist als 5°, insbesondere kleiner ist als 3°.In alternative embodiments, it can be sufficient if the two angles of incidence θ, β are almost the same size. That is, the difference Δ=θ-β or Δ=β-θ is less than 10°, in particular less than 5°, in particular less than 3°.
Im Vergleich zu einer planen Abdeckscheibe bedeutet das für die gekrümmte Abdeckscheibe 4, dass die Differenz Δ=θ-β bzw. Δ=β-θ vom Betrag kleiner ist als wenn die Abdeckscheibe in der Ebene 9 über einen gesamten Auftreffbereich 32 der Lichtverteilungen 10, 12, 14 auf der Abdeckscheibe 4 geradlinig wäre. Die Einfallswinkel θ, β werden in üblicher Weise ausgehend von einem Einfallslot 38, 40 gemessen.In comparison to a planar cover plate, this means for the curved cover plate 4 that the difference Δ=θ-β or Δ=β-θ in magnitude is smaller than when the cover plate is in the plane 9 over an entire impingement area 32 of the
Bevorzugt ist die Krümmung der Abdeckscheibe 4 wie folgt:
- Für die seitlichen bzw. äußeren Laser-Emitter e1, e2 sind die Einfallswinkel θ, β der Randstrahlen 20a, 22a auf die Abdeckscheibe 4 zumindest ungefähr gleich groß. Diese Annäherung der beiden Einfallswinkel θ, β kann nur dann gewährleistet werden, sofern der Auftreffpunkt 24b weiter
außen als Auftreffpunkt 26b liegt. - Die Lage des Auftreffpunkts 26b hängt dabei im Wesentlichen ab
- - von einem Öffnungswinkel der Blickfelder FOV1, FOV2, FOV3 der Laser-Emitter e1, e2, e3,
- - von einem Abstand 34 (
1 ) der Abdeckscheibe 4 von den Laser-Emittern e1, e2, e3, - - von einem Abstand der Laser-Emitter e1, e2, e3 zueinander und
- - vom Kippwinkel α1.
- For the lateral or outer laser emitters e1, e2, the angles of incidence θ, β of the
20a, 22a on the cover plate 4 are at least approximately the same size. This approximation of the two angles of incidence θ, β can only be guaranteed if theedge rays impact point 24b is further outside than theimpact point 26b. - The position of the
impact point 26b depends essentially- - from an opening angle of the fields of view FOV1, FOV2, FOV3 of the laser emitters e1, e2, e3,
- - from a distance 34 (
1 ) of the cover plate 4 from the laser emitters e1, e2, e3, - - From a distance of the laser emitters e1, e2, e3 to each other and
- - from the tilting angle α1.
Für die Berechnung der Krümmung der Abdeckscheibe 4 ist eine Zahl von Auftreffpunkten 36 pro Abdeckscheibenfläche festgelegt, sodass jeder Auftreffpunkt 36 einen Abschnitt der Abdeckscheibe 4 repräsentiert. Für jeden der repräsentativen Auftreffpunkte 36 auf der Abdeckscheibe 4 werden die Laserstrahlen Le1, Le2, Le3 aller Laser-Emitter bestimmt, die an dem jeweiligen Auftreffpunkt 36 auf die Abdeckscheibe 4 treffen.For the calculation of the curvature of the cover pane 4, a number of points of
Für jeden dieser Laserstrahlen wird der zugehörige Einfallswinkel θb, θa, θc bestimmt, der ausgehend von einem Einfallslot 42 am Auftreffpunkt 36 bestimmt wird.For each of these laser beams, the associated angle of incidence θb, θa, θc is determined, which is determined on the basis of an incidence normal 42 at the point of
Die Transmission T1, T2, T3 der einzelnen Laserstrahlen Le1, Le2, Le3 ergibt sich aus den Fresnel-Gleichungen, in denen der jeweilige Einfallswinkel θb, θa, θc und der Brechungsindex des Materials der Abdeckscheibe einfließt.The transmission T1, T2, T3 of the individual laser beams Le1, Le2, Le3 results from the Fresnel equations, in which the respective angle of incidence θb, θa, θc and the refractive index of the material of the cover plate are included.
Die optimale Krümmung bzw. Neigung der Abdeckscheibe 4 an dem jeweiligen Auftreffpunkt 36 wird bestimmt, indem die maximale Summe bestimmt wird, die sich am Auftreffpunkt 36 erreichen lässt, wenn die mittels Fresnel bestimmten Transmissionen T1, T2, T3 addiert werden.The optimum curvature or inclination of the cover pane 4 at the respective point of
Die Berechnung der maximalen Summe wird für eine möglichst hohe Zahl von Auftreffpunkten 36 des gesamten im Blickfeld liegenden Bereichs der Abdeckscheibe 4 durchgeführt. Durch Interpolation kann für jeden Punkt der Abdeckscheibe 4 die optimale Krümmung bestimmt werden.The calculation of the maximum sum is carried out for as high a number of impact points 36 of the entire area of the cover plate 4 in the field of view. The optimal curvature can be determined for each point of the cover plate 4 by interpolation.
Aus den Fresnel-Gleichungen ergibt sich, dass sich die Transmission bei flachen Einfallswinkel überproportional stark ändert, wobei sich bei steilen Einfallswinkeln die Transmission relativ gesehen nur wenig ändert. Daher ist die Form optimal, die flache Einfallswinkel bestmöglich vermeidet und dabei die steilen Winkel leicht abflacht.The Fresnel equations show that the transmission changes disproportionately at flat angles of incidence, with the transmission changing relatively little at steep angles of incidence. Therefore, the shape is optimal, which avoids flat angles of incidence as best as possible while slightly flattening the steep angles.
Anhand von einem Flussdiagramm nach
Im Block 100 werden für das Verfahren die Auftreffpunkte von Laserstrahlen auf einer gekrümmten Abdeckscheibe bestimmt, die von mehreren Laser-Emittern zu mehreren Bildfeldern (FOV) führen und dabei von der Abdeckscheibe transmittiert werden.In
Im Block 102 werden die Einfallswinkel der Laserstrahlen an den Auftreffpunkten bestimmt.In
Im Block 103 werden die Transmissionen der einzelnen Laserstrahlen an den Auftreffpunkten anhand der Fresnel-Gleichungen abhängig von dem Einfallswinkel und einem Brechungsindex des Materials der Abdeckscheibe berechnet.In
Im Block 104 wird die maximale Summe aus den einzelnen Transmissionen an dem jeweiligen Auftreffpunkt berechnet. In
Im Block 106 wird die gekrümmte Abdeckscheibe hergestellt und/oder es wird der Laser-Emitter in Bezug auf die Abdeckscheibe positioniert.In
Die Abdeckscheibe kann auch unter Randbedingungen optimiert werden. So können bei der Berechnung der Transmissionen der einzelnen Laserstrahlen an den Auftreffpunkten die Laserstrahlen abhängig von einer Winkelabweichung zu einer Vorzugsrichtung, insbesondere einer Fahrtrichtung, gewichtet werden. Insbesondere kann die Gewichtung der Laserstrahlen in Fahrtrichtung erhöht werden.The cover plate can also be optimized under boundary conditions. Thus, when calculating the transmissions of the individual laser beams at the points of impact, the laser beams can be weighted as a function of an angular deviation from a preferred direction, in particular a direction of travel. In particular, the weighting of the laser beams can be increased in the direction of travel.
Insofern kann eine Gewichtungsmatrix für die Optimierung der Abdeckscheiben festgelegt sein.In this respect, a weighting matrix can be defined for the optimization of the cover plates.
Jedem Laserstrahl kann in Abhängigkeit seines Abstrahlwinkels γ relativ zur Fahrtrichtung eine Gewichtung zugewiesen werden. Um die Transmission für die Randstrahlen zu verbessern können diese Randstrahlen beispielsweise mit einer höheren Gewichtung berücksichtigt werden.A weighting can be assigned to each laser beam depending on its emission angle γ relative to the direction of travel. In order to improve the transmission for the edge rays, these edge rays can be taken into account with a higher weighting, for example.
Um eine hinsichtlich der Randstrahlen optimierte Transmission Topt zu erzielen, kann eine Relation des Abstrahlwinkels γ zur Gewichtung beispielsweise wie folgt aussehen, wobei die gewichtete Summe der Fresneltransmission maximiert wird:
Dabei ist y_a, y_b, y_c der jeweilige Abstrahlwinkel des Laserstrahls relativ zur Fahrtrichtung und f(x) beschreibt die Gewichtungsfunktion.Here y_a, y_b, y_c is the respective emission angle of the laser beam relative to the direction of travel and f(x) describes the weighting function.
Außerdem kann es kostengünstiger sein, die Lidar-Module, die jeweils aus einem Laser-Emitter und einem Laser-Detektor bestehen, auf einer gemeinsamen Platine anzuordnen. Dadurch gehen jedoch Freiheitsgrade in der Positionierung der Lidar-Module zueinander verloren. Somit können die Lidar-Module nicht mehr bezüglich einer optimalen Transmission relativ zueinander angeordnet werden. Dann werden die Eingangsparameter des Verfahrens so festgelegt, dass für eine gegebene Anordnung von Laser-Emittern zueinander die Krümmung bzw. Form der Abdeckscheibe bestimmt wird, die sich bei einem nahen Abstand 48 zwischen dem mittleren Laser-Emitter und der Abdeckscheibe ergibt. Der Abstand 48 von 2mm ist in
Die optischen Achsen 205, 206 der äußeren Laser-Emitter e1, e2 haben einen Blickfeldwinkel von 60°. Die optische Achse 208 des Laser-Emitters e3 in der Mitte hat einen Blickfeldwinkel von 30°. Die optischen Achsen 205, 206 der beiden äußeren Laser-Emitter e1, e2 sind jeweils im Kippwinkel α1 bzw. α2 zur optischen Achse 208 des mittigen Laser-Emitters e3 gekippt. Dabei sind die Kippwinkel α1 und α2 gleichgroß, wobei α1=α2=29,2°. Die optimale Form der Abdeckscheibe 204 ist dargestellt. Die drei Laser-Emitter e1, e2, e3 sind so nahe an der Abdeckscheibe 204 angeordnet, dass die Abdeckscheibe 204 in der Ebene 209 (entspricht der Blattebene) eine Wellenform aufweist. Die optischen Achsen 205, 206, 208 oder deren Projektionen in der Ebene 209 von jedem der drei Laser-Emitter e1, e2, e3 sind zumindest nahezu deckungsgleich zum zugehörigen Einfallslot. Der dritte Laser-Emitter e3 steht in Richtung von dessen optischer Achse 208 bzw. der Projektion derselben der Abdeckscheibe 204 näher als die beiden übrigen Laser-Emitter e1, e2 in Richtung von deren optischen Achsen 205, 206 bzw. den Projektionen derselben.The
Die drei Laser-Emitter e1, e2, e3 sind so weit von der Abdeckscheibe 304 entfernt angeordnet, dass die Abdeckscheibe 304 in der Ebene 309 ein Schalenprofil aufweist. In der Ebene 309 steht der dritte Laser-Emitter e3 in Richtung von dessen optischer Achse 308 bzw. von deren Projektion weiter weg von der Abdeckscheibe als die beiden übrigen Laser-Emitter e1, e2 in Richtung von deren optischen Achsen 305, 306 bzw. den Projektionen derselben.The three laser emitters e1, e2, e3 are arranged so far away from the
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017095817A1 (en) | 2015-11-30 | 2017-06-08 | Luminar Technologies, Inc. | Lidar system with distributed laser and multiple sensor heads and pulsed laser for lidar system |
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2022
- 2022-03-25 DE DE202022101595.3U patent/DE202022101595U1/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |