DE102013012789A1 - Scanning optoelectronic detection device and motor vehicle with such a detection device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine abtastende optoelektronische Detektionseinrichtung, insbesondere Laserscanner, für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer solchen Detektionseinrichtung. Derartige Detektionseinrichtungen umfassen eine Sende- und Empfangseinheit 2, 2', welche einen optischen Sender 3, 3' zum Aussenden elektromagnetischer Strahlen 4 und einen optischen Empfänger 5, 5' zum Empfangen von reflektierten Strahlen 6 und zum Bereitstellen eines elektrischen Empfangssignals 9 abhängig von den reflektierten Strahlen 6 aufweist. Der Laserscanner 1 umfasst ferner eine Spiegeleinheit mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Spiegelträgern 11, welcher mindestens einen dem Sender 3, 3' zugeordneten Sendespiegel 18 zur Umlenkung der ausgesendeten Strahlen 4 und mindestens einen dem optischen Empfänger 5, 5' zugeordneten Empfangsspiegel 19 zur Umlenkung der reflektierten Strahlen 6 trägt. Um eine Detektionseinrichtung zu schaffen, welche bei kompakter Bauweise an einem Kraftfahrzeug 29 mit möglich geringem Vorstand aus dessen Karosseriekontur zugleich ein möglichst großes horizontales Sichtfeld gewährleistet, umfasst die Detektionseinrichtung erfindungsgemäß zwei Sende- und Empfangseinheiten 2, 2', welche derselben Spiegeleinheit 10 zugeordnet sind.The invention relates to a scanning optoelectronic detection device, in particular laser scanner, for a motor vehicle. The invention further relates to a motor vehicle with at least one such detection device. Such detection devices comprise a transmitting and receiving unit 2, 2 ', which has an optical transmitter 3, 3' for emitting electromagnetic radiation 4 and an optical receiver 5, 5 'for receiving reflected beams 6 and for providing an electrical received signal 9 depending on the has reflected beams 6. The laser scanner 1 further comprises a mirror unit with a mirror carrier 11 rotatable about a rotation axis, which has at least one transmitter mirror 18 for deflecting the emitted beams 4 and at least one receiver mirror 19 associated with the optical receiver 5, 5 'for deflecting the transmitters 3, 3' reflected rays 6 carries. In order to provide a detection device which at the same time ensures the largest possible horizontal field of view in a compact design on a motor vehicle 29 with possible low board from the body contour, the detection device according to the invention comprises two transmitting and receiving units 2, 2 ', which are associated with the same mirror unit 10.
Description
Die Erfindung betrifft eine abtastende optoelektronische Detektionseinrichtung, insbesondere einen Laserscanner, für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem gemäß Anspruch 17 ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer solchen Detektionseinrichtung.The invention relates to a scanning optoelectronic detection device, in particular a laser scanner, for a motor vehicle, according to the preamble of
Im Automobilbereich werden zunehmend unterschiedlichste Fahrassistenzsysteme eingesetzt, das heißt elektronische Zusatzeinrichtungen zur Unterstützung des Fahrers in bestimmten Fahrsituationen. Laser-basierte Systeme, auch unter der Bezeichnung „Lidar” („light detection and ranging”) bekannt, dienen der optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung und ermöglichen die Erkennung von Objekten in einer relativ großen Reichweite bis 200 Meter vom Fahrzeug mit einer sehr hohen Messgenauigkeit. Die Detektionseinrichtung, beispielsweise ein Laserscanner, wird beispielsweise im vorderen Bereich des Fahrzeugs platziert, wie etwa hinter der Windschutzscheibe, oder am Kühlergrill, um unter anderem die Zeit bis zum Aufprall (TTC = „time to collision”) zu ermitteln. Solche Systeme können aber auch im seitlichen Bereich des Fahrzeugs platziert werden, um insbesondere den Totwinkel des Kraftfahrzeugs zu überwachen.In the automotive sector, a wide variety of driver assistance systems are increasingly being used, that is, electronic ancillary equipment to assist the driver in certain driving situations. Laser-based systems, also known as "Lidar" ("light detection and ranging") are used for optical distance and speed measurement and allow the detection of objects in a relatively long range up to 200 meters from the vehicle with a very high accuracy , The detection device, for example a laser scanner, is placed, for example, in the front region of the vehicle, such as behind the windshield, or on the radiator grille, in order, inter alia, to determine the time to collision (TTC). However, such systems can also be placed in the lateral area of the vehicle, in particular to monitor the blind spot of the motor vehicle.
Ein Laserscanner arbeitet nach dem Lichtlaufzeitprinzip, wobei elektromagnetische Strahlen (Laserpulse) ausgesendet werden und das von einem Zielobjekt in der Umgebung des Fahrzeugs reflektierte Licht detektiert wird. Bekannte Laserscanner weisen eine Sende- und Empfangseinheit auf, welche einen optischen Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlen und einen optischen Empfänger zum Empfangen von reflektierten Strahlen und zum Bereitstellen eines von den empfangenen Strahlen abhängigen elektrischen Empfangssignals aufweist. Dabei werden die ausgesendeten elektromagnetischen Strahlen (kurze Laserimpulse) über einen schwenkbaren Spiegel so abgelenkt, dass eine Abtastung des gesamten Sichtfelds innerhalb eines bestimmten Abtastwinkelbereichs stattfindet. Pro Abtastwinkel wird dabei ein Laserimpuls ausgesendet. Im selben Winkelschritt werden die reflektierten Strahlen mittels des optischen Empfängers empfangen und ein entsprechendes elektrisches Empfangssignal bereitgestellt. Werden Echos, beziehungsweise Pulse, im Empfangssignal erkannt, so sind diese grundsätzlich auf Reflektionen der ausgesendeten Strahlen an Zielobjekten in der Umgebung zurückzuführen. Die Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Echos ist proportional zur Distanz zum Objekt. Aus der Laufzeitmessung wird die Entfernung für den Winkelschritt ermittelt.A laser scanner operates according to the light transit time principle, in which case electromagnetic radiation (laser pulses) is emitted and the light reflected by a target object in the surroundings of the vehicle is detected. Known laser scanners have a transmitting and receiving unit which has an optical transmitter for emitting electromagnetic radiation and an optical receiver for receiving reflected beams and for providing an electrical reception signal dependent on the received beams. In this case, the emitted electromagnetic radiation (short laser pulses) are deflected via a pivotable mirror so that a scan of the entire field of view takes place within a certain scanning angle range. Per scanning angle while a laser pulse is emitted. In the same angular step, the reflected beams are received by means of the optical receiver and a corresponding electrical reception signal is provided. If echoes or pulses are detected in the received signal, these are fundamentally due to reflections of the emitted beams to target objects in the environment. The time between sending and receiving the echo is proportional to the distance to the object. From the transit time measurement, the distance for the angular step is determined.
Der bekannte Laserscanner hat den Nachteil, dass der eingebaute Sensor sehr weit über die Fahrzeugkontur hinausragen muss oder aber nur ein eingeschränktes horizontales Sichtfeld erreicht wird. Reicht der Laserscanner aber deutlich aus der Karosserie heraus, kann dies das Design des Kraftfahrzeugs in einem Maß beeinflussen, welches zur Ablehnung der Detektionstechnologie führen kann. Zudem neigen Laserscanner bei Störungen im Nahbereich zu optischem Übersprechen (optischer Kurzschluss), bei dem der gesendete Strahlungsfluss teilweise sofort auf den Empfänger gelenkt wird. Dadurch wird entweder ein virtuelles Objekt gebildet, welches es in der Realität nicht gibt, oder die Detektionseinrichtung ist durch diese Blendung im Nahbereich nicht mehr messfähig.The known laser scanner has the disadvantage that the built-in sensor must protrude very far beyond the vehicle contour or only a limited horizontal field of view is achieved. However, if the laser scanner clearly extends out of the bodywork, this can influence the design of the motor vehicle to an extent which can lead to the rejection of the detection technology. In addition, laser scanners are prone to optical crosstalk (optical short circuit) in the case of disturbances in the near range, in which the transmitted radiation flux is sometimes directed to the receiver immediately. As a result, either a virtual object is formed which does not exist in reality, or the detection device can no longer be measured by this glare in the near range.
Im Automobilbereich wurde versucht, eine Überwachung eines großen Sichtfelds durch so genannte Multibeam-Lidar zu erreichen. Derartige nichtscannende Systeme mit mehreren Laserquellen und Photodioden werden meist zur Abstandsregelung (ACC) eingesetzt, wobei durch die größere Anzahl an Strahlen eine verbesserte laterale Auflösung erreicht werden soll. Bei einem Multibeam-Lidar mit mehreren Sendern und einem Empfänger ergibt sich jedoch eine nicht zufrieden stellende Reichweite durch zu hohen Gleichlichtanteil im Empfänger. Bei einer Konstellation mit einem Sender und mehreren Empfängern ist ebenfalls nur eine nicht ausreichende Reichweite aufgrund geringer Laserleistung pro Winkelsegment erreichbar. Nur durch mehrere Sender und mehrere Empfänger lässt sich gegebenenfalls eine Sichtfeldüberwachung über die gewünschten 180° erreichen, wobei jedoch ein hoher Kostenaufwand und enormer Bauraumbedarf in Kauf zu nehmen ist. Für die meisten Anwendungen im Automobilbereich hat sich ein Multibeam-Lidar als ungeeignet herausgestellt, da die Winkelauflösung nicht hinreichend ist und zudem der hohe Bauraumbedarf nicht hingenommen werden kann.In the automotive sector, an attempt was made to achieve monitoring of a large field of view by so-called multibeam lidar. Such non-scanning systems with multiple laser sources and photodiodes are mostly used for distance control (ACC), whereby an improved lateral resolution is to be achieved by the larger number of beams. In a multibeam lidar with multiple transmitters and a receiver, however, results in an unsatisfactory range by too high proportion of direct light in the receiver. In a constellation with a transmitter and multiple receivers also only an insufficient range due to low laser power per angular segment is reached. Only by multiple transmitters and multiple receivers can be achieved if necessary, a visual field monitoring on the desired 180 °, but a high cost and enormous space requirements is to be accepted. For most applications in the automotive sector, a multi-beam lidar has proved to be unsuitable, since the angular resolution is not sufficient and also the high space requirement can not be accepted.
Darüber hinaus sind scannende Systeme bekannt, bei denen der Sender und Empfänger mitdrehen.In addition, scanning systems are known in which the transmitter and receiver rotate with it.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektionseinrichtung zu schaffen, welche bei kompakter Bauweise an einem Kraftfahrzeug mit möglichst geringem Vorstand aus dessen Fahrzeugkontur zugleich ein möglichst großes horizontales Sichtfeld bereitstellt. The present invention has for its object to provide a detection device which also provides the largest possible horizontal field of view in a compact design on a motor vehicle with the least possible board from the vehicle contour.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Detektionseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.This object is achieved by a detection device with the features of
Die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung umfasst zwei Sende- und Empfangseinheiten, welche derselben Spiegeleinheit zugeordnet sind, wobei die Sende- und Empfangseinheiten derart angeordnet sind, dass ihre jeweiligen, optischen Achsen senkrecht zur Rotationsachse des Spiegelträgers liegen. Die Sende- und Empfangseinheiten sind dabei als Transceiver-Einheiten ausgebildet, welche jeweils einen Sender zur Aussendung von elektromagnetischen Strahlen und einen optischen Empfänger für reflektierte Strahlen umfassen. Die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung besteht demnach aus zwei Transceiver-Einheiten und einer gemeinsamen Spiegeleinheit, welche mit wenigstens einem Sendespiegel sowohl die gesendeten Strahlen des Senders einer ersten Sende- und Empfangseinheit, als auch die gesendeten Strahlen des Senders einer zweiten Sende- und Empfangseinheit auf die zu vermessende Szene umlenkt. Entsprechend lenkt der mindestens eine Empfangsspiegel der beiden Sende- und Empfangseinheiten zugeordneten Spiegeleinheit abhängig von der Stellung des Empfangsspiegels reflektierte Strahlen auf den Empfänger der ersten Sende- und Empfangseinheit oder auf den Empfänger der zweiten Sende- und Empfangseinheit um. Eine Breite des drehbaren Spiegelträgers, das heißt die Dimension des drehbaren Spiegelträgers radial zu seiner Rotationsachse, wird derart bemessen, dass ungewünschtes Belichten des Erfassungsbereichs des Empfängers der zweiten Sende- und Empfangseinheit durch den Sender der ersten Sende- und Empfangseinheit und umgekehrt, ausgeschlossen ist. Der Spiegelträger bringt abhängig von seiner Drehwinkelstellung stets wenigstens einen der Empfänger in alternierender Folge in eine belichtete Stellung.The detection device according to the invention comprises two transmitting and receiving units, which are assigned to the same mirror unit, wherein the transmitting and receiving units are arranged such that their respective optical axes are perpendicular to the axis of rotation of the mirror carrier. The transmitting and receiving units are designed as transceiver units, each comprising a transmitter for emitting electromagnetic radiation and an optical receiver for reflected beams. The detection device according to the invention therefore consists of two transceiver units and a common mirror unit, which with at least one transmission mirror both the transmitted beams of the transmitter of a first transmitting and receiving unit, and the transmitted beams of the transmitter of a second transmitting and receiving unit to be measured Scene deflects. Accordingly, the at least one receiving mirror of the two transmitting and receiving units associated mirror unit deflects depending on the position of the receiving mirror reflected beams to the receiver of the first transmitting and receiving unit or to the receiver of the second transmitting and receiving unit. A width of the rotatable mirror carrier, that is, the dimension of the rotatable mirror carrier radially to its axis of rotation, is dimensioned such that unwanted exposure of the detection range of the receiver of the second transmitting and receiving unit by the transmitter of the first transmitting and receiving unit and vice versa, is excluded. Depending on its angular position, the mirror carrier always brings at least one of the receivers in an alternating sequence into an exposed position.
Die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung erreicht Sichtfelder von 180° und mehr. Bei einer optimalen Winkelauflösung von beispielsweise einem Grad wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht, wodurch bei einer Verwendung der Detektionseinrichtung an Kraftfahrzeugen die Umgebung des Kraftfahrzeuges vollständig erfasst werden kann. Dabei sind Reichweiten unter beispielsweise 10% Reflektivität von mindestens 10 bis 15 m, auf fremde Fahrzeuge etwa 40 m, ohne weiteres erreichbar.The detection device according to the invention achieves fields of view of 180 ° and more. With an optimal angular resolution of, for example, one degree, a high accuracy of measurement is achieved, whereby when using the detection device on motor vehicles, the environment of the motor vehicle can be completely detected. Ranges below 10% reflectivity of at least 10 to 15 m, on foreign vehicles about 40 m, are readily achievable.
Die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung erreicht ein optimales Verhältnis von Kosten-, Design- und Leistungsgesichtspunkten bei einem Einsatz zur Nahbereichsüberwachung bei Kraftfahrzeugen. Die Detektionseinrichtung mit einer gemeinsamen Spiegeleinheit für zwei Sende- und Empfangseinheiten bietet eine hohe Leistungsfähigkeit auf geringem Bauraum mit einem sehr weiten horizontalen Sichtfeld von 180° oder mehr, wobei die Detektionseinrichtung fast vollständig in die Karosserie eines Kraftfahrzeuges eingelassen werden kann.The detection device according to the invention achieves an optimal ratio of cost, design and performance considerations when used for close range monitoring in motor vehicles. The detection device with a common mirror unit for two transmitting and receiving units offers high performance in a small space with a very wide horizontal field of view of 180 ° or more, the detection device can be almost completely embedded in the body of a motor vehicle.
Vorteilhaft sind die Sende- und Empfangseinheiten innerhalb eines Gehäuses der Detektionseinrichtung angeordnet, welches ein Fenster zum Durchlass elektromagnetischer Strahlen aufweist. Lediglich ein nach außen gewölbtes, insbesondere kreisrundes, Fenster aus einem für die Laserstrahlen durchlässigen Material steht aus der Karosseriekontur um ein Maß hervor, welches nur einen Bruchteil der gesamten Baugröße der Detektionseinrichtung bildet. Die Spiegeleinheit ist dabei derart angeordnet, dass der Spiegelträger während seines Umlaufs das Fenster zeitweise durchragt. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung über den Spiegelträger einen sehr weiten Erfassungsbereich der Detektionseinrichtung bestreichen.Advantageously, the transmitting and receiving units are arranged within a housing of the detection device, which has a window for the passage of electromagnetic radiation. Only an outwardly arched, in particular circular, window made of a material permeable to the laser beams protrudes from the body contour by a dimension which forms only a fraction of the total size of the detection device. The mirror unit is arranged such that the mirror support extends through the window temporarily during its circulation. In this way, the detection device according to the invention can spread over the mirror carrier a very wide detection range of the detection device.
Eine optimale Abstimmung der Sender und zugehörigen Empfänger ist gewährleistet bei einer derartigen Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten dass die optischen Achsen der Sender und die optischen Achsen der Empfänger derselben Sende- und Empfangseinheit parallel liegen. Die optischen Achsen der zwei Sende- und Empfangseinheiten charakterisieren die Hauptwirkungsrichtungen der Sender, beziehungsweise der Empfänger.An optimal tuning of the transmitter and associated receiver is ensured in such an arrangement of the transmitting and receiving units that the optical axes of the transmitter and the optical axes of the receiver of the same transmitting and receiving unit are parallel. The optical axes of the two transmitting and receiving units characterize the main operating directions of the transmitter, or the receiver.
Vorteilhaft sind die Sende- und Empfangseinheiten derart angeordnet, dass die optischen Achsen der Sender und die optischen Achsen der Empfänger derselben Sende- und Empfangseinheit jeweils in Lotebenen der Rotationsachse des Spiegelträgers liegen. Unter einer Lotebene wird dabei eine Ebene verstanden, zu der die Rotationsachse des Spiegelträgers senkrecht steht. Die optischen Achsen der Sender und die optischen Achsen der Empfänger erstrecken sich somit ohne Elevation (Höhenwinkel) gegenüber der Rotationsachse. Vorteilhaft liegt dabei die Rotationsachse des Spiegelträgers parallel zu den Ebenen der Sende- bzw. Empfangsspiegel liegt. Dadurch liegen die Spiegel orthogonal zu den optischen Achsen, so dass ein einzeiliger Laserscanner mit weitem Sichtfeld gegeben ist. Der Laserscanner kann das Sichtfeld sehr schnell fortlaufend scannen.Advantageously, the transmitting and receiving units are arranged such that the optical axes of the transmitter and the optical axes of the receiver of the same transmitting and receiving unit are each in Lotebenen the axis of rotation of the mirror carrier. A solder plane is understood to mean a plane to which the axis of rotation of the mirror carrier is perpendicular. The optical axes of the transmitters and the optical axes of the receivers thus extend without elevation (elevation angle) with respect to the axis of rotation. Advantageously, the axis of rotation of the mirror carrier is parallel to the planes of the transmitting or receiving mirror. As a result, the mirrors are orthogonal to the optical axes, so that a single-line laser scanner with a wide field of view is given. The laser scanner can scan the field of view very quickly on a continuous basis.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die optischen Achsen senkrecht zur Rotationsachse des Spiegelträgers.In a preferred embodiment, the optical axes are perpendicular to the axis of rotation of the mirror carrier.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung als mehrzeiliger Laserscanner ist der Spiegelträger gekippt angeordnet, das heißt derartig angeordnet, dass die Rotationsachse des Spiegelträgers die Ebenen der Sende- bzw. Empfangsspiegel schneidet. Dadurch sind die optischen Achsen der Sende- und Empfangseinheiten parallel zueinander und dabei in einem Elevationswinkel zum Lot der Spiegelfläche des Sende- bzw. Empfangsspiegels angeordnet. Bei einer derartig gekippten Anordnung des Empfangsspiegels und des Sendespiegels ist ein mehrzeiliger Laserscanner mit halber Scanfrequenz gegeben. Ein mehrzeiliger Laserscanner kann auch eine aufgereihte Anordnung mehrerer Detektoren im Erfassungsbereich für die reflektierten Strahlen aufweisen. Dabei kann in einer weiteren Ausführungsform jedem der aufgereihten Detektoren eine gesonderte Empfangsoptik zugeordnet sein. In an alternative embodiment of the invention as a multi-line laser scanner, the mirror carrier is arranged tilted, that is arranged such that the axis of rotation of the mirror carrier intersects the planes of the transmitting or receiving mirror. As a result, the optical axes of the transmitting and receiving units are arranged parallel to one another and thereby at an elevation angle to the perpendicular of the mirror surface of the transmitting or receiving mirror. In such a tilted arrangement of the receiving mirror and the transmitting mirror, a multi-line laser scanner is given at half scan frequency. A multi-line laser scanner can also have a series arrangement of several detectors in the detection area for the reflected beams. In this case, in a further embodiment, each of the arrayed detectors can be assigned a separate receiving optics.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die optischen Achsen der zwei Sende- und Empfangseinheiten winklig zueinander. Dabei teilt die Lage der gemeinsamen Spiegeleinheit das gemeinsame Sichtfeld beider Sende- und Empfangseinheiten in zwei Abschnitte. Vorteilhaft wird die Spiegeleinheit zentral zwischen den Sende- und Empfangseinheiten positioniert, so dass das gemeinsame Sichtfeld zwei etwa gleich große Teilsektoren bzw. Teilsichtfelder umfasst. Jedes der Teilsektoren ist dabei einer der Sende- und Empfangseinheiten zugeordnet, das heißt, dass die Überwachung des jeweiligen Teilsektors durch eine der Sende- und Empfangseinheiten erfolgt. Vorteilhaft ist dabei jeder Sende- und Empfangseinheit ein Teilsektor des Sichtfelds jeweils auf einer Seite einer die Teilsektoren trennenden Nulllinie zugeordnet.In a particularly preferred embodiment of the invention, the optical axes of the two transmitting and receiving units are at an angle to each other. In this case, the position of the common mirror unit divides the common field of view of both transmitting and receiving units into two sections. Advantageously, the mirror unit is positioned centrally between the transmitting and receiving units, so that the common field of view comprises two approximately equal subsectors or partial fields of view. Each of the subsectors is assigned to one of the transmitting and receiving units, that is to say that the monitoring of the respective subsector is effected by one of the transmitting and receiving units. Each transmitting and receiving unit is advantageously associated with a subsector of the field of view in each case on one side of a zero line separating the subsectors.
Durch die winklige Lage der optischen Achsen der beiden Sende- und Empfangseinheiten ist gewährleistet, dass jeder Empfänger, beziehungsweise dessen jeweilige Empfangslinse, über einen großen Winkelbereich des Teilsektors vollständig ausgeleuchtet ist. Mit zunehmender Nähe zur Fahrzeugkontur, das heißt im äußeren Bereich des jeweiligen Sichtfelds einer Sende- und Empfangseinheit, schattet die Spiegeleinheit zwar den (in der Spiegelstellung aktiven) Empfänger teilweise ab, wobei jedoch der belichtete Bereich eine für automobile Anwendungen ausreichende Reichweite bereitstellt.The angular position of the optical axes of the two transmitting and receiving units ensures that each receiver, or its respective receiving lens, is completely illuminated over a large angular range of the subsector. With increasing proximity to the vehicle contour, that is to say in the outer area of the respective field of view of a transmitting and receiving unit, the mirror unit partially shadows the receiver (active in the mirror position), but the exposed area provides a range which is sufficient for automotive applications.
Vorteilhaft liegen die optischen Achsen der zwei Sende- und Empfangseinheiten in einem Winkel von 90° bis 180° zu der optischen Achse der jeweils anderen Sende- und Empfangseinheit. Durch Zusammenfügen zweier Sende- und Empfangseinheiten, insbesondere durch Zusammenfügen zweier Sender in einer Detektionseinrichtung, kann das Sichtfeld der Detektionseinrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Detektionseinrichtung mit einem einzelnen Sender annähernd verdoppelt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Sichtfelder zweier optischer Sender zusammengefügt werden können zu einem großen gemeinsamen Sichtfeld, von 180° oder mehr, ohne dass die Reichweite der Detektionseinrichtung in den Randbereichen zu stark einbricht, wenn die zwei Sende- und Empfangseinheiten mit optischen Achsen in einem Winkel von 100° bis 180° zu der optischen Achse der jeweils anderen Sende- und Empfangseinheit angeordnet sind.Advantageously, the optical axes of the two transmitting and receiving units are at an angle of 90 ° to 180 ° to the optical axis of the other transmitting and receiving unit. By combining two transmitting and receiving units, in particular by combining two transmitters in a detection device, the field of view of the detection device can be approximately doubled compared to a conventional detection device with a single transmitter. It has been found that the fields of view of two optical transmitters can be combined to a large common field of view, of 180 ° or more, without the range of the detection device in the edge regions breaking too much if the two transmitting and receiving units with optical axes in an angle of 100 ° to 180 ° to the optical axis of the respective other transmitting and receiving unit are arranged.
Die optischen Achsen der Sender und/oder der Empfänger liegen vorteilhaft in einem derartigen Winkel zur Nulllinie, dass der Spiegelträger in seiner Winkelstellung, welche einer Umlenkung in Richtung der Nulllinie entspricht, den Durchmesser einer Sendelinse des optischen Senders vollständig abdeckt. Die Dimension der Sendelinse, insbesondere ihre Breite, auf welcher der Sendestrahl abgegeben wird, und die Breite des Spiegelträgers, das heißt dessen radiale Dimension, werden zur Bestimmung des optimalen Winkels der optischen Achse zur Nulllinie herangezogen. Dabei werden bei der Konfiguration der Detektionseinrichtung die Breite der Sendelinse und die Breite des Spiegelträgers aufeinander abgestimmt und entsprechend ausgewählt. Dabei hat sich ein Winkelbereich zwischen den optischen Achsen der beiden Sende- und Empfangseinheiten zu der jeweiligen optischen Achse der anderen Sende- und Empfangseinheit von 120°–150° als vorteilhaft erwiesen.The optical axes of the transmitter and / or the receiver are advantageously at an angle to the zero line, that the mirror carrier in its angular position, which corresponds to a deflection in the direction of the zero line, completely covers the diameter of a transmission lens of the optical transmitter. The dimension of the transmission lens, in particular its width on which the transmission beam is emitted, and the width of the mirror carrier, that is to say its radial dimension, are used to determine the optimum angle of the optical axis to the zero line. In this case, in the configuration of the detection device, the width of the transmission lens and the width of the mirror carrier are matched and selected accordingly. In this case, an angular range between the optical axes of the two transmitting and receiving units to the respective optical axis of the other transmitting and receiving unit of 120 ° -150 ° has proved to be advantageous.
Der Spiegelträger der Spiegeleinheit weist in einer bevorzugten Ausführungsform beidseitig jeweils Sendespiegel und Empfangsspiegel auf, wodurch die Abtastfrequenz der Detektionseinrichtung verdoppelt ist. Anders ausgedrückt kann die Spiegeldrehfrequenz halbiert werden, um die gewünschte Abtastfrequenz des Umfelds zu erreichen.In a preferred embodiment, the mirror carrier of the mirror unit has transmitting mirrors and receiving mirrors on both sides, whereby the sampling frequency of the detection device is doubled. In other words, the mirror rotation frequency can be halved to achieve the desired sampling frequency of the environment.
Ist zwischen dem Sendespiegel und dem Empfangsspiegel eine radiale Trennscheibe angeordnet, wird ein optischer Kurzschluss zwischen Sender und Empfänger derselben Sende- und Empfangseinrichtung vermieden.If a radial separating disk is arranged between the transmitting mirror and the receiving mirror, an optical short circuit between transmitter and receiver of the same transmitting and receiving device is avoided.
Vorteilhaft sind die Sender beider Sende- und Empfangseinheiten alternativ auslösend geschaltet sind. Dadurch werden optische Kurzschlüsse vermieden, wenn beide Sender der Detektionseinrichtung praktisch gleichzeitig feuern, das heißt die Spiegeleinheit zeitweise die Strahlen beider Sende- und Empfangseinheiten umlenkt. Die Trigger der jeweiligen Sender sind dabei gegeneinander verriegelt, so dass die Sender jeweils um die Dauer eines zeitlichen Messfensters versetzt gefeuert werden. Unter einem Trigger wird dabei ein Signal verstanden, welches das Auslösen des Senders steuert, das heißt, die Laserimpulse auslöst.Advantageously, the transmitters of both transmitting and receiving units are alternatively triggered. As a result, optical short circuits are avoided if both transmitters of the detection device fire virtually simultaneously, that is, the mirror unit temporarily deflects the beams of both transmitting and receiving units. The triggers of the respective transmitters are locked against each other, so that the transmitters are each fired offset by the duration of a time measurement window. A trigger is understood to be a signal which controls the triggering of the transmitter, that is, triggers the laser pulses.
In einer bevorzugten Ausführungsform weichen die Winkel der optischen Achsen der Sender und/oder der Empfänger zur Nulllinie um einen gegenüber dem Erfassungsbereich vernachlässigbar kleinen Differenzwert voneinander ab. Dadurch ist die Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten bei zentraler Lage der Spiegeleinheit asymmetrisch bezüglich der Nulllinie. Dadurch wird vermieden, dass die Empfänger beider Sende- und Empfangseinheiten gleichzeitig messen und somit die Zuordnung der jeweiligen Messergebnisse zu einer gemessenen Drehwinkelstellung des Spiegelträgers vereinfacht. In a preferred embodiment, the angles of the optical axes of the transmitters and / or the receivers to the zero line deviate from one another by a difference value that is negligibly small compared to the detection range. As a result, the arrangement of the transmitting and receiving units in the central position of the mirror unit is asymmetrical with respect to the zero line. This avoids that the receivers of both transmitting and receiving units measure simultaneously and thus simplifies the assignment of the respective measurement results to a measured angular position of the mirror carrier.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die Sender und die Empfänger einer Sender- und Empfangseinheit bezüglich ihrer jeweiligen optischen Achsen in unterschiedlichen Höhen bezüglich der Rotationsachse, wobei der Spiegelträger einen den Sendespiegel bildenden Abschnitt und einen den Empfangsspiegel bildenden Abschnitt aufweist. In dieser Ausführungsform ist eine besonders kompakte Transceiver-Baugruppe gegeben. Vorteilhaft liegen dabei die optischen Achsen der optischen Sender und die optischen Achsen der optischen Empfänger einer Sende- und Empfangseinheit in Richtung der Rotationsachse in Überdeckung zueinander. In einer alternativen Ausführungsform liegen die optischen Achsen der optischen Sender näher an einer durch das transparente Fenster im Gehäuse bestimmten Grundseite des erfassbaren Sichtfelds. Auf diese Weise kann bei einem Sichtfeld von 180° bei jedem Schuss (Laserimpuls) das gesamte Licht aus dem gewölbten Fenster austreten.In an advantageous embodiment of the invention, the transmitters and the receivers of a transmitter and receiver unit are at different heights with respect to the axis of rotation with respect to their respective optical axes, the mirror carrier having a section forming the transmission mirror and a section forming the reception mirror. In this embodiment, a particularly compact transceiver assembly is given. Advantageously, the optical axes of the optical transmitter and the optical axes of the optical receiver of a transmitting and receiving unit in the direction of the axis of rotation overlap one another. In an alternative embodiment, the optical axes of the optical transmitters are closer to a base side of the detectable field of view defined by the transparent window in the housing. In this way, with a field of view of 180 ° with each shot (laser pulse) all the light escaping from the arched window.
Eine kostengünstige Bauweise ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gegeben, wenn die optischen Sender beider Sende- und Empfangseinheiten an eine gemeinsame Strahlungsquelle angeschlossen sind. Für einen Laserscanner wird dabei ein gemeinsamer Laser für beide Sender verwendet, wobei das Licht des Lasers in zwei Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Die Enden der Lichtwellenleiter sind mit der Sendeoptik der jeweiligen Sende- und Empfangseinheit verbunden, beziehungsweise bilden den Sender aus. Hierbei werden die Enden der Lichtwellenleiter, beispielsweise eine Glasfaser, mit der gewünschten optischen Achse in der Detektionseinrichtung befestigt. Als gemeinsame Strahlungsquelle für die optischen Sender beider Sende- und Empfangseinheiten wird vorteilhaft ein Laser in einer Auswertungseinheit angeordnet und zur Versorgung beider optischer Sender verwendet.An inexpensive construction is given in an advantageous embodiment of the invention, when the optical transmitter of both transmitting and receiving units are connected to a common radiation source. For a laser scanner, a common laser is used for both transmitters, whereby the light of the laser is coupled into two optical waveguides. The ends of the optical waveguides are connected to the transmitting optics of the respective transmitting and receiving unit, or form the transmitter. In this case, the ends of the optical waveguides, for example a glass fiber, are fastened with the desired optical axis in the detection device. As a common radiation source for the optical transmitters of both transmitting and receiving units, a laser is advantageously arranged in an evaluation unit and used to supply both optical transmitters.
Die Auswertungseinheit ist dabei der maßgebliche Teil der Systemelektronik und wertet einerseits die Empfangssignale der optischen Empfänger aus und steuert andererseits den Laserpuls. Die Auswertungseinheit kann dabei in einer der beiden Sende- und Empfangseinheiten der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung angeordnet sein. Vorteilhaft wird jedoch eine externe Auswertungseinrichtung verwendet, wodurch die Baugröße der Detektionseinrichtung signifikant reduziert ist. In der Karosserie eines Kraftfahrzeuges muss daher nur ein kleiner Sensor untergebracht werden, während die Auswertungseinheit, das heißt der ganz überwiegende Teil der Systemelektronik, an einem beliebigen Ort innerhalb des Fahrzeugs untergebracht werden kann.The evaluation unit is the relevant part of the system electronics and on the one hand evaluates the received signals of the optical receiver and on the other hand controls the laser pulse. The evaluation unit can be arranged in one of the two transmitting and receiving units of the detection device according to the invention. However, an external evaluation device is advantageously used, as a result of which the size of the detection device is significantly reduced. In the body of a motor vehicle, therefore, only a small sensor must be accommodated, while the evaluation unit, that is the vast majority of the system electronics, can be accommodated at any location within the vehicle.
Vorteilhaft werden bei einer Verwendung der Detektionseinrichtung für Kraftfahrzeuge mehrere Detektionseinrichtungen angeordnet, insbesondere paarweise. Durch die Anordnung zweier Detektionseinrichtungen auf einander abgekehrt liegenden Seiten des Kraftfahrzeugs ist eine quasi totwinkelfreie Überwachung der gesamten Umgebung des Kraftfahrzeugs gewährleistet. Bei einem seitlichen Anbau der Detektionseinrichtungen am Kraftfahrzeug ist durch das große gemeinsame Sichtfeld beider Detektionseinrichtungen auch eine hohe Reichweite nach vorn und hinten gegeben. Die Seitenraumüberwachung ist für eine Vielzahl von Fahrassistenzsystemen wie Parkhilfen, Fahrspurwechselunterstützung, usw. erforderlich.When using the detection device for motor vehicles, a plurality of detection devices are advantageously arranged, in particular in pairs. The arrangement of two detection devices on opposite sides of the motor vehicle quasi a dead-angle-free monitoring of the entire environment of the motor vehicle is ensured. In a lateral cultivation of the detection devices on the motor vehicle is given by the large common field of view of both detection devices and a high range forward and backward. Side space monitoring is required for a variety of driver assistance systems such as parking aids, lane change assistance, and so forth.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind Detektionseinrichtungen jeweils im Frontbereich, sowie im Heckbereich eines Kraftfahrzeugs angebracht, wodurch optimale Rundumerfassung zur Verbesserung von Fahrassistenzsystemen, wie Parkhilfen, gegeben ist, sowie auch eine verbesserte Unterstützung für adaptive Fahrkontrollsysteme gegeben ist, beispielsweise während Staufahrten.According to a further advantageous embodiment, detection devices are respectively mounted in the front area, as well as in the rear of a motor vehicle, whereby optimal all-round detection for improving driver assistance systems, such as parking aids is given, as well as an improved support for adaptive driving control systems is given, for example, during traffic jams.
Die baulich kleinen Detektionseinrichtungen, welche im Wesentlichen die Sende- und Empfangseinheit sowie die Spiegeleinheit aufnehmen, werden über die Lichtwellenleiter mit der gemeinsamen Auswertungseinheit verbunden. Ein weiterer Vorteil einer gemeinsamen Auswertungseinheit für zwei Detektionseinrichtungen besteht darin, dass die erforderliche Elektronik zur Auswertung und Steuerung beider Detektionseinrichtungen lediglich einmal vorgehalten werden muss.The structurally small detection devices, which essentially accommodate the transmitting and receiving unit and the mirror unit, are connected to the common evaluation unit via the optical waveguides. Another advantage of a common evaluation unit for two detection devices is that the required electronics for the evaluation and control of both detection devices only need to be held once.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. Show it:
Der Laserscanner
Eine Spiegeleinheit
In jedem Messfenster werden ein Laserimpuls ausgesendet und außerdem reflektierte Strahlen
Das elektrische Empfangssignal
Der Spiegelträger
Die optischen Achsen
Die Sende- und Empfangseinheiten
Die optischen Achsen
Die Sender
In entsprechenden Abschnitten des Spiegelträgers
Im Ausführungsbeispiel gemäß
Die Sende- und Empfangseinheiten
Die optischen Sender
In
Zur Vermeidung optischer Kurzschlüsse sind die optischen Sender
Die winkelige Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten ist nachstehend anhand
In einem Beispiel mit einem Duchmesser der Sendelinse von 8 mm und einer Breite des Sendespiegels von 25 mm ergibt sich somit ein Winkel β von 18,663°.In an example with a diameter of the transmission lens of 8 mm and a width of the transmission mirror of 25 mm, this results in an angle β of 18.663 °.
Der Winkel λ der optischen Achse
Der freie Radius R für die Linsen ergibt sich bei diesem Winkel unter Berücksichtigung der Breite DF des Fensters
Mit einer beispielhaften Breite des transparenten Fensters
Die externe Anordnung der Auswertungseinheit
Die Laserscanner
Den paarweise angeordneten Laserscannern ist eine gemeinsame Auswertungseinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1', 1''1, 1 ', 1' '
- Laserscannerlaser scanner
- 2, 2'2, 2 '
- Sende- und EmpfangseinheitTransmitting and receiving unit
- 3, 3'3, 3 '
- optischer Senderoptical transmitter
- 44
- ausgesendete Strahlenemitted rays
- 5, 5'5, 5 '
- optischer Empfängeroptical receiver
- 66
- reflektierte Strahlenreflected rays
- 7, 7'7, 7 '
- Detektordetector
- 8, 8'8, 8 '
- Empfangslinsereceiving lens
- 99
- Empfangssignalreceive signal
- 1010
- Spiegeleinheitmirror unit
- 1111
- Spiegelträgermirror support
- 1212
- Rotationsachseaxis of rotation
- 1313
- Auswertungseinheitevaluation unit
- 1414
- Sichtfeldfield of view
- 1515
- Sichtfeldfield of view
- 1616
- Sichtfeldfield of view
- 1717
- Sichtfeldfield of view
- 1818
- Sendespiegeltransmitting mirror
- 1919
- Empfangsspiegelreceiving mirror
- 2020
- optische Achse (Empfänger)optical axis (receiver)
- 20' 20 '
- optische Achse (Sender)optical axis (transmitter)
- 2121
- optische Achse (Empfänger)optical axis (receiver)
- 21'21 '
- optische Achse (Sender)optical axis (transmitter)
- 2222
- Trennscheibecutting wheel
- 2323
- Auswertungseinheitevaluation unit
- 2424
- Gehäusecasing
- 2525
- Fensterwindow
- 2626
- Laserlaser
- 2727
- Lichtwellenleiteroptical fiber
- 2828
- freies Endefree end
- 2929
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 3030
- Frontbereichfront area
- 3131
- Heckbereichrear area
- 3232
- Seitepage
- 3333
- AußenspiegelMirrors
- 3434
- Teilsektorsubsector
- 3535
- Teilsektorsubsector
- 3636
- Grundseitebase side
- 3737
- Nullliniezero line
- 3838
- Sendelinsetransmission lens
- 3939
- Lotebenevertical plane
- αα
- Winkelangle
- λ, λ'λ, λ '
- Winkelangle
- ββ
- Winkelangle
- DL D L
- Durchmesser LinseDiameter lens
- DL D L
- Durchmesser FensterDiameter window
- DD
- Breite SpiegelWide mirror
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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