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DE102008055159A1 - Adaptive Winkel- und Leistungsanpassung bei 3D-Mikrospiegel-Lidar - Google Patents

Adaptive Winkel- und Leistungsanpassung bei 3D-Mikrospiegel-Lidar Download PDF

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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung der Vorrichtung in einem Detektionsfeld mittels Laserabtastung mit einem durch einen schwingenden mikromechanischen Spiegel gelenkten Laserstrahl. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Detektionsfeld in vertikaler und in horizontaler Richtung durch eine Anpassung der Schwingungsamplitude des mikromechanischen Spiegels vorgebbar ist. Fahrerassistenzsysteme werden sowohl für Aufgaben im Nahfeld als auch im Fernfeld des Fahrzeugs eingesetzt. Beispielhaft ist eine Einparkfunktion eine Aufgabe im Nahfeld, eine Abstands-Kontrolle oder eine Erkennung von Hindernissen auf der Fahrbahn aber eine Aufgabe im Fernfeld. Wird erfindungsgemäß die Amplitude der Schwingung des Mikrospiegels in horizontaler und/oder vertikaler Richtung verkleinert, wird hiermit die Ortsauflösung für den verkleinerten Detektionsbereich verbessert. Weiterhin verbessert die auf den verkleinerten Detektionsbereich auftreffende höhere Intensität der Laserstrahlung das Signal-Rauschverhältnis des detektierten Signals.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung der Vorrichtung in einem Detektionsfeld mittels Laserabtastung mit einem durch einen schwingenden mikromechanischen Spiegel gelenkten Laserstrahl.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung in einem Detektionsfeld mittels Laserabtastung mit einem durch einen schwingenden mikromechanischen Spiegel gelenkten Laserstrahl, wobei die Vorrichtung aus der mit einem Empfänger bestimmten Intensität der aus der Umgebung rückgestreuten oder reflektierten Laserstrahlung eine Kontur der Umgebung bestimmt und wobei die Vorrichtung aus der Laufzeit von Laserpulsen die Entfernung von Objekten in der Umgebung bestimmt.
  • Stand der Technik
  • Zur Erstellung eines Abbilds der Umgebung des Fahrzeugs für ein Fahrerassistenzsystem kann, neben anderen Systemen, ein auf LIDAR (Light Detection and Ranging) basierendes System verwendet werden. Bei einem LIDAR wird die Umgebung zeilenweise mit einem Lichtpunkt aus einer gepulsten Laserlichtquelle beleuchtet. Aus der Amplitude oder Intensität des reflektierten und rückgestreuten Lichts wird eine Kontur der Umgebung bestimmt. Weiterhin wird aus der Laufzeit der Lichtpulse die Entfernung zu Objekten bestimmt, so dass insgesamt ein dreidimensionales Abbild der Umgebung erstellt werden kann, das in einer Bildverarbeitungs-Software bewertet werden kann. Die zeilenweise Abtastung muss so schnell erfolgen, dass eine für einen Fahrbetrieb geeignete Reaktionszeit verwirklichbar ist. Ein hierfür geeignetes System sind mikromechanische Spiegel wie sie auch in digitalen Projektionseinrichtungen verwendet werden.
  • Mikromechanische Spiegel werden nach dem Stand der Technik in einem CMOS-kompatiblen Prozess aus einem Silizium-Wafer herausstrukturiert. Die entstehende Spiegelfläche kann elektrostatisch oder elektromagnetisch abgelenkt werden.
  • Ein geeigneter mikromechanischer Spiegel wird in DE 198 57 946 C1 beschrieben. Die DE 198 57 946 C1 beschreibt einen Mikroschwingspiegel mit einer freitragenden Spiegelfläche, die über mindestens eine, durch mindestens einen an der Spiegelfläche angebrachten Torsionsbalken gebildete Torsionsachse mit einem an die Spiegelfläche zumindest bereichsweise umgebenden Tragkörper verbunden ist, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sich mindestens zwischen einem Torsionsbalken und dem Tragkörper ein Biegebalken befindet, der eine Biegeschwingung ausführt, die eine Torsionsschwingung der Spiegelfläche um die Torsionsachse induziert. Die Amplitude der Schwingung der Spiegelfläche ist besonders groß, wenn die Vorrichtung in Resonanz schwingt. Nach dem Stand der Technik werden solche Einrichtungen daher in Resonanz betrieben. Es ist bekannt, solche Einrichtungen durch Laserabgleich auf gleiche Resonanzfrequenzen zu bringen um Toleranzen aus dem Herstellprozess auszugleichen.
  • Nachteilig bei den Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass der maximale Ablenkwinkel der Laserstrahlung in vertikaler und horizontaler Richtung jeweils fest vorgegeben ist. Hierdurch muss für Detektionsaufgaben im Nahfeld und im Fernfeld derselbe Winkelbereich verwendet werden. Wird beispielhaft im Fernfeld ein kleineres Detektionsfeld benötigt, sinkt bei konstanter Winkelauflösung die in Bildpunkten bewertete Auflösung der Vorrichtung in dem kleinen Detektionsfeld.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, bei denen das Detektionsfeld eines LIDAR-Systems an unterschiedliche Messaufgaben angepasst werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Detektionsfeld in vertikaler und in horizontaler Richtung durch eine Anpassung der Schwingungsamplitude des mikromechanischen Spiegels vorgebbar ist. Fahrerassistenzsysteme werden sowohl für Aufgaben im Nahfeld als auch im Fernfeld des Fahrzeugs eingesetzt. Beispielhaft ist eine Einparkfunktion eine Aufgabe im Nahfeld, eine Abstands-Kontrolle oder eine Erkennung von Hindernissen auf der Fahrbahn aber eine Aufgabe im Fernfeld. Zur Erstellung des Abbilds der Umgebung des Fahrzeugs für das Fahrerassistenzsystem kann, neben anderen Systemen, ein auf LIDAR (Light Detection and Ranging) basierendes System verwendet werden. Bei dem LIDAR wird die Umgebung zeilenweise mit einem Lichtpunkt aus einer gepulsten Laserlichtquelle beleuchtet. Der Laserstrahl wird dabei von einem Mikrospiegel abgelenkt, der beispielhaft in horizontaler Richtung mit 24 kHz und in vertikaler Richtung mit 60 Hz schwingt, so dass 60 Bilder der Umgebung pro Sekunde erzeugt werden. Der Spiegel schwingt nach dem Stand der Technik in beiden Richtungen mit jeweils konstanter Amplitude, so dass feste Winkelbereiche überstrichen werden.
  • Ist ein solches System auf den Nahbereich abgestimmt, kann für den Fernbereich nur ein verkleinerter Bildausschnitt verwendet werden. Dieser hat dann eine in vielen Fällen ungenügende Ortsauflösung, da das System mit einer konstanten Winkelauflösung arbeitet. Wird erfindungsgemäß die Amplitude der Schwingung des Mikrospiegels in horizontaler und/oder vertikaler Richtung verkleinert, wird hiermit die Ortsauflösung für den verkleinerten Detektionsbereich verbessert.
  • Zur Detektion der Objekte wird der reflektierte oder rückgestreute Anteil der Laserstrahlung verwendet. Bei zunehmender Entfernung der Objekte oder bei Objekten mit geringem Reflexionsfaktor wird das Signal-Rausch-Verhältnis zunehmend schlechter. Wird erfindungsgemäß die Schwingungsamplitude des mikromechanischen Spiegels verringert, wird die Laserstrahlung in einen kleineren Winkelbereich gesendet, so dass das Objekt mit einer größeren Strahlungsintensität beleuchtet wird. Dementsprechend sind die von ihm empfangene Intensität und das Signal-Rausch-Verhältnis größer.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Detektionsfeld durch Wahl der Frequenz des Ansteuersignals des mikromechanischen Spiegels vorgebbar ist. Mikromechanische Spiegel zeigen eine Abhängigkeit der Auslenkung des Spiegels von der Frequenz des Ansteuersignals. Daher ist die Auslenkung bei konstanter Amplitude des Ansteuersignals über dessen Frequenz einstellbar.
  • Eine besonders einfach zu verwirklichende Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der mikromechanischen Spiegel mit einem Ansteuersignal bei dessen Resonanzfrequenz und bei einer von dieser abweichenden Frequenz beaufschlagbar ist. Mikromechanische Spiegel werden allgemein bei ihrer Resonanzfrequenz betrieben um bei geringem Energieaufwand eine möglichst große Schwingungsamplitude und damit einen großen Ablenkwinkel zu erhalten. Wählt man eine von der Resonanzfrequenz abweichende Ansteuerfrequenz, kann der Ablenkwinkel verringert werden. Beispielhaft kann bei einen in der Videoprojektion verwendeten mikromechanischen Spiegel, dessen resonante Achse mit 24 kHz in Resonanz betrieben wird und der eine Ablenkung von ±12° erzeugt, bei einer Änderung der Ansteuerfrequenz um einige 10 Hz die Ablenkung um einige Grad zurückgehen.
  • Eine erweiterte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der mikromechanischen Spiegel mit unterschiedlicher Amplitude des Ansteuersignals beaufschlagbar ist. Bei dem beispielhaften mikromechanische Spiegel wird die statische Achse mit einem Ansteuersignal mit 60 Hz beaufschlagt und erzeugt eine Ablenkung von ±7°. Wird das Ansteuersignal des mikromechanischen Spiegels sowohl in seiner Frequenz als auch in seiner Amplitude an die Messaufgabe angepasst, kann die Auslenkung um die resonante Achse in einem Bereich von 3% bis 100% und die Auslenkung um die statische Achse in einem Bereich von 0,5% bis 100% eingestellt werden. Die Vorrichtung kann an eine Messaufgabe durch die jeweils geeignete Einstellung des horizontalen und des vertikalen Ablenkwinkels besonders vorteilhaft angepasst werden.
  • Eine Verbesserung der Detektion von Objekten kann erreicht werden, indem die Strahlungsleistung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder Amplitude des Ansteuersignals des mikromechanischen Spiegels wählbar ist. Hierbei kann es erforderlich sein, bei einer Verkleinerung des Ablenkwinkels die Strahlungsleistung zur Detektion im Nahfeld zu verringern. Andererseits kann ei ne Detektion im Fernfeld verbessert werden, indem der Ablenkwinkel des mikromechanischen Spiegels verkleinert wird und zusätzlich die Strahlungsleistung der Laserstrahlung erhöht wird.
  • Ein auf LIDAR (Light Detektion and Ranging) basierendes System zur Erkennung der Umgebung eines Fahrzeugs und zur Fahrerassistenz kann hinsichtlich seiner Eignung zur Erkennung sowohl von Objekten im Nahbereich als auch im Fernbereich verbessert werden, indem das Detektionsfeld durch eine Anpassung der Schwingungsamplitude des mikromechanischen Spiegels in vertikaler und in horizontaler Richtung vorgegeben wird. Fahrerassistenzsysteme bewerten beispielhaft einen Bereich doppelter Fahrbahnbreite vor dem Fahrzeug. Hierzu ist im Nahbereich ein größerer Winkelbereich des LIDAR erforderlich als im Fernbereich. Durch die Einstellbarkeit des Winkelbereichs kann das System an die jeweilige Messaufgabe schnell, auch vorübergehend während des Fahrbetriebs, angepasst werden.
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird gelöst, indem das Detektionsfeld durch Vorgabe der Frequenz und/oder der Amplitude eines Ansteuersignals des mikromechanischen Spiegels an eine Messaufgabe angepasst wird. Hierdurch kann die Objekterkennung auf die Messaufgabe im Nahfeld und im Fernfeld angepasst werden, so dass das System beispielhaft sowohl für eine Einparkfunktion als auch für ein Abstands-Lidar geeignet ist. Eine Erhöhung der Winkelauflösung wird erreicht, indem die Schwingungsamplitude des mikromechanischen Spiegels verringert wird. Hierdurch können kleine Objekte oder solche im Fernbereich mit verbesserter Qualität analysiert werden. Das Verfahren ist besonders einfach und kostengünstig umsetzbar, da es weitgehend die vorhandenen Vorrichtungen nutzt und lediglich eine Anpassung der Programmsteuerung erforderlich ist.
  • Eine erfindungsgemäße Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Detektionsfeld nach den Fahrzeugzustandsdaten Eigengeschwindigkeit, Lenkwinkel, Bremszustand oder eines Zustands eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) oder nach Positionsdaten mit Karteninformation oder gemäß einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Informationen angepasst wird. Mit einer Anpassung des Detektionswinkels gemäß der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs kann bei hoher Geschwindigkeit eine Verbesserung der Detektion in gerader Fahrtrichtung weit voraus liegender Objekte erzielt werden. Wird der Lenkwinkel berücksichtigt, kann bei großen Lenkausschlägen der Detektionswinkel vergrößert werden, so dass Objekte erfasst werden können, die im voraussichtlichen Fahrweg des Kraftfahrzeugs liegen, aber bei einem kleinen Detektionswinkel nicht erfasst würden. Werden Positionsdaten, beispielhaft aus einem Global Positioning System (GPS), sowie Karteninformationen einbezogen, kann bei einer vorausliegenden geraden Fahrtstrecke der Detektionswinkel eingeschränkt werden um weit voraus liegende Objekte zu erkennen, während bei vorausliegenden Kurven der Detektionswinkel vergrößert werden kann, um das Abtastfeld auch auf den Rand einer gebogenen Fahrtstrecke zu erweitern.
  • Wird das Detektionsfeld zur Erkennung weit entfernter Objekte verkleinert, ergibt sich eine Leistungsfokussierung der Laserstrahlung und damit eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Weiterhin bewirkt die Verkleinerung des Detektionsfelds eine Verbesserung der Ortsauflösung.
  • Eine weitere Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Erkennung weit entfernter Objekte kann erreicht werden, indem die Intensität der Laserstrahlung zur Detektion weit entfernter Objekte erhöht wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der Ablenkung eines Laserstrahls mit einem mikromechanischen Spiegel bei Betrieb mit Resonanzfrequenz
  • 2 eine schematische Darstellung der Ablenkung eines Laserstrahls mit einem mikromechanischen Spiegel bei Betrieb mit einer von der Resonanzfrequenz abweichenden Frequenz
  • 3 eine schematische Darstellung der Anpassung des Winkelbereichs eines LIDAR für ein Fahrerassistenzsystem.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems 1 zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung eines Kraftfahrzeugs. Mittels eines Lasers 2 wird ein Laserstrahl 3 erzeugt, der über eine Fokussierungslinse 4 geformt und einem mikromechanischen Spiegel 10 zugeführt wird. Der mikromechanische Spiegel 10 ist um eine senkrecht zur Zeichnungsebene angeordnete Drehachse 12 drehbar, so dass sein Umfang eine periodische Spiegelbewegung 13 ausführen kann. Der mikromechanische Spiegel 10 kann elektrostatisch oder elektromagnetisch angetrieben sein und führt bei Ansteuerung mit seiner Resonanzfrequenz bei einem vorgegebenen Ansteuersignal eine schwingende Spiegelbewegung 13 aus, so dass ein Abtaststrahl 5, der von dem an dem mikromechanischen Spiegel 10 reflektierten Laserstrahl 3 gebildet wird, einen ersten Abtastbereich 13 überstreicht.
  • 2 zeigt das LIDAR-System 1 aus 1 bei Ansteuerung mit einer von der Resonanzfrequenz abweichenden Frequenz oder bei einem Ansteuersignal verringerter Amplitude. Der von dem Laser 2 abgegebene Laserstrahl 3 wird von der Fokussierungslinse 4 geformt und dem mikromechanischen Spiegel 10 zugeführt. Der reflektierte Laserstrahl 3 bildet den Abtaststrahl 5. Die Ansteuerung des mikromechanischen Spiegels 10 mit einer von seiner Resonanzfrequenz abweichenden Frequenz bewirkt eine verringerte Spiegelbewegung 11 um die Drehachse 12. Hierdurch überstreicht der Abtaststrahl 5 einen zweiten Abtastbereich 14, der kleiner als der in 1 dargestellte erste Abtastbereich 13 ist. Eine Verringerung der Spiegelbewegung 11 lässt sich auch über ein gegenüber der Darstellung in 1 in der Amplitude verkleinertes Ansteuersignal des mikromechanischen Spiegels 10 erreichen. Das LIDAR-System 1 löst– unabhängig von der Größe des Abtastbereichs 13, 14 eine vorgegebene Anzahl von Bildpunkten auf. Bei einer Verkleinerung des Abtastbereichs 13, 14 steigt daher die Ortsauflösung und kleine oder weit entfernte Objekte können mit höherer Auflösung dargestellt werden. Eine Verkleinerung des Abtastbereichs 13, 14 bewirkt weiterhin, dass der Abtaststrahl 5 eine geringere Fläche überstreicht und diese mit höherer Intensität beleuchtet. Dies kann zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Auswertung benutzt werden. Im Fahrbetrieb kann die Anpassung der Abtastbereiche 13, 14 fortwährend erfolgen, wobei die Detektion fern liegender Objekte zusätzlich durch eine Erhöhung der Strahlungsleis tung des Lasers 2 verbessert werden kann. Im Nahbereich kann eine Verringerung der Strahlungsleistung des Lasers 2 vorteilhaft sein.
  • 3 zeigt schematisch das im Frontbereich eines Personenkraftwagens 20 angebrachte LIDAR-System 1. Das LIDAR-System 1 dient der Detektierung von Objekten in einem Abtastfeld 23 vor dem Personenkraftwagen 20. Das Abtastfeld 23 kann typischerweise auf die doppelte Breite der Fahrbahn ausgelegt sein. Eine Detektion im Nahbereich erfordert, dass der Abtaststrahl 5 einen ersten Winkelbereich 21 überstreicht. Sollen Objekte weiter voraus detektiert werden, ist es vorteilhaft, den Abtaststrahl 5 auf einen zweiten Abtastbereich 22 einzuschränken um eine Verbesserung von Lichtintensität und Ortsauflösung im gesamten Abtastfeld 23 zu erreichen.
  • 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 19857946 C1 [0005, 0005]

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung der Vorrichtung in einem Detektionsfeld mittels Laserabtastung mit einem durch einen schwingenden mikromechanischen Spiegel (10) gelenkten Laserstrahl (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfeld in vertikaler und in horizontaler Richtung durch eine Anpassung der Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz des mikromechanischen Spiegels (10) vorgebbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanischen Spiegel (10) mit einem Ansteuersignal bei dessen Resonanzfrequenz und bei einer von dieser abweichenden Frequenz beaufschlagbar ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanischen Spiegel (10) mit unterschiedlicher Amplitude des Ansteuersignals beaufschlagbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsleistung des Laserstrahls (3) in Abhängigkeit von der Frequenz und/oder Amplitude des Ansteuersignals des mikromechanischen Spiegels (10) wählbar ist.
  5. Verfahren zur Aufnahme der Geometrie der Umgebung in einem Detektionsfeld mittels Laserabtastung mit einem durch einen schwingenden mikromechanischen Spiegel (10) gelenkten Laserstrahl (3), wobei die Vorrichtung aus der mit einem Empfänger bestimmten Intensität der aus der Umgebung rückgestreuten oder reflektierten Laserstrahlung eine Kontur der Umgebung bestimmt und wobei die Vorrichtung aus der Laufzeit von Laserpulsen die Entfernung von Objekten in der Umgebung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfeld durch eine Anpassung der Schwingungsampli tude des mikromechanischen Spiegels (10) in vertikaler und in horizontaler Richtung vorgegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfeld durch Vorgabe der Frequenz und/oder der Amplitude eines Ansteuersignals des mikromechanischen Spiegels (10) an eine Messaufgabe angepasst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfeld nach den Fahrzeugzustandsdaten Eigengeschwindigkeit, Lenkwinkel, Bremszustand oder eines Zustands eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) oder nach Positionsdaten mit Karteninformation oder gemäß einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten Informationen angepasst wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfeld zur Erkennung weit entfernter Objekte verkleinert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Laserstrahlung zur Detektion weit entfernter Objekte erhöht wird.
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