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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer räumlichen Lage eines Objektes in einem Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs relativ zu dem Kraftfahrzeug anhand eines an dem Objekt reflektierten Empfangssignals, welches in mehreren Lichtstrahlen von Empfangselementen einer Lidar-Sensorvorrichtung empfangen wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Lidar-Sensorvorrichtung, ein Fahrerassistenzsystem sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Lidar-Sensorvorrichtungen, kurz Lidar-Sensoren, welche beispielsweise an einem Kraftfahrzeug angeordnet werden können, um einen Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs zu überwachen. Insbesondere kann der Umgebungsbereich hinsichtlich des Vorhandenseins von Objekten, beispielsweise von Wänden, anderen Kraftfahrzeugen, etc., überwacht werden. Dazu können die Lidar-Sensoren ein Sendesignal in Form von einem Lichtpuls aussenden und den an einem Objekt in dem Umgebungsbereich reflektierten Lichtpuls als Empfangssignal wieder empfangen. Anhand einer Laufzeit des Lichtpulses zwischen Aussenden und Empfangen kann ein Abstand des Objektes zu dem Kraftfahrzeug bestimmt werden. Dabei können die Lidar-Sensoren auch winkelauflösend ausgebildet sein und zusätzlich zu dem Abstand des Objektes eine Orientierung des Objektes zu der Lidar-Sensorvorrichtung erfassen. Der Abstand und die Orientierung des Objektes relativ zum Kraftfahrzeug können als Lageinformation über das Objekt einem Fahrerassistenzsystem des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden, welches beispielsweise anhand der Lageinformation eine Maßnahme zur Vermeidung einer Kollision des Kraftfahrzeugs mit dem Objekt einleiten kann. Eine solche kollisionsvermeidende Maßnahme kann beispielsweise die Ausgabe eines Warnsignals und/oder das automatische Abbremsen des Kraftfahrzeugs sein.
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Probleme ergeben sich dann, wenn die Lidar-Sensorvorrichtung beispielsweise eine kostengünstige („cost effective“) Lidar-Sensorvorrichtung ist, welche eine geringe Winkelauflösung aufweist. Durch die geringe Winkelauflösung kann es vorkommen, dass die erfasste Lage des Objektes von der tatsächlichen Lage des Objektes in dem Umgebungsbereich abweicht. Daraus kann sich beispielsweise der Nachteil ergeben, dass die kollisionsvermeidende Maßnahme zu früh oder nicht rechtzeitig eingeleitet wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Winkelauflösung von Lidar-Sensorvorrichtungen verbessert werden kann, sodass räumliche Lagen von Objekten in einem Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs besonders genau erfasst werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, durch eine Lidar-Sensorvorrichtung, durch ein Fahrerassistenzsystem sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Erkennung einer räumlichen Lage eines Objektes in einem Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs relativ zu dem Kraftfahrzeug anhand eines an dem Objekt reflektierten Empfangssignals, welches insbesondere in mehreren Lichtstrahlen von Empfangselementen einer Lidar-Sensorvorrichtung empfangen wird, werden durch die Empfangselemente in den jeweiligen Lichtstrahlen zu Reflexionspunkten auf einer Oberfläche des Objektes korrespondierende Detektionspunkte identifiziert. Unter der Annahme, dass sich die Detektionspunkte auf einer Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen befinden, kann eine Initialoberflächenlinie in Abhängigkeit von den Detektionspunkten bestimmt werden. Insbesondere werden für die Lichtstrahlen Winkel zwischen der Initialoberflächenlinie und der Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen bestimmt, die Detektionspunkte innerhalb der jeweiligen Lichtstrahlen um von den jeweiligen Winkeln abhängige Korrekturwinkel relativ zur Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen verschoben und in Abhängigkeit von den verschobenen Detektionspunkten eine Finaloberflächenlinie bestimmt. Schließlich kann die räumliche Lage des Objektes zu dem Kraftfahrzeug anhand der Finaloberflächenlinie bestimmt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Erkennung einer räumlichen Lage eines Objektes in einem Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs relativ zu dem Kraftfahrzeug anhand eines an dem Objekt reflektierten Empfangssignals, welches in mehreren Lichtstrahlen von Empfangselementen einer Lidar-Sensorvorrichtung empfangen wird, werden durch die Empfangselemente in den jeweiligen Lichtstrahlen zu Reflexionspunkten auf einer Oberfläche des Objektes korrespondierende Detektionspunkte identifiziert. Unter der Annahme, dass sich die Detektionspunkte auf einer Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen befinden, wird eine Initialoberflächenlinie in Abhängigkeit von den Detektionspunkten bestimmt. Darüber hinaus werden für die Lichtstrahlen Winkel zwischen der Initialoberflächenlinie und der Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen bestimmt, die Detektionspunkte innerhalb der jeweiligen Lichtstrahlen um von den jeweiligen Winkeln abhängige Korrekturwinkel relativ zur Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen verschoben und in Abhängigkeit von den verschobenen Detektionspunkten eine Finaloberflächenlinie bestimmt. Schließlich wird die räumliche Lage des Objektes zu dem Kraftfahrzeug anhand der Finaloberflächenlinie bestimmt.
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Die Lidar-Sensorvorrichtung (Lidar-„Light detection and ranging“) kann insbesondere die räumliche Lage der dem Kraftfahrzeug zugewandten Oberfläche des Objektes zu der Lidar-Sensorvorrichtung erfassen. Dazu kann die Lidar-Sensorvorrichtung einen radialen Abstand der Oberfläche relativ zur Lidar-Sensorvorrichtung sowie einen Neigungswinkel der Oberfläche, beispielsweise einen horizontalen Neigungswinkel, bezüglich einer Blickrichtung der Lidar-Sensorvorrichtung erfassen. Die Lidar-Sensorvorrichtung kann Sendesignale in Form von Lichtpulsen aussenden und die in dem Umgebungsbereich an der Oberfläche eines Objektes reflektierten Lichtpulse als Empfangssignale wieder empfangen. Die Lidar-Sensorvorrichtung ist vorliegend insbesondere als eine Flash-Lidar-Sensorvorrichtung ausgebildet, bei welchen während eines Messzyklus zumindest ein den Umgebungsbereich ausleuchtendes Sendesignal ausgesendet wird. Als das Sendesignal wird also Licht in mehrere Senderichtungen ausgesendet, wobei das Empfangssignal während des Messzyklus aus mehreren Empfangsrichtungen bzw. Reflexionsrichtungen wieder empfangen werden kann. Dazu sind das Sendesignal und das Empfangssignal insbesondere kegelförmige Lichtstrahlen, welche jeweils einen horizontalen Gesamtöffnungswinkel, beispielsweise 60°, und einen vertikalen Gesamtöffnungswinkel, beispielsweise 10°, aufweisen . Durch den im Vergleich zum horizontalen Gesamtöffnungswinkel geringeren vertikalen Gesamtöffnungswinkel, welcher einen Erfassungsbereich der Lidar-Sensorvorrichtung entlang einer Fahrzeughochachse repräsentiert, können Bodenechos zumindest reduziert werden. Solche Bodenechos sind Detektionspunkte, welche mit Reflexionspunkten auf einer Fahrbahn des Kraftfahrzeugs korrespondieren.
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Das Empfangssignal wird in mehreren Lichtstrahlen, beispielsweise in sechzehn Lichtstrahlen, empfangen. Jeder Lichtstrahl ist dabei ein Teilbereich des Empfangssignals. Zum Empfangen der Lichtstrahlen des Empfangssignals weist die Lidar-Sensorvorrichtung, welche als eine Solid-State-Lidar-Sensorvorrichtung ausgebildet sein kann, eine Empfangseinrichtung mit mehreren Empfangselementen, beispielsweise mit sechzehn Empfangselementen, auf. Die Empfangselemente können beispielsweise Photodetektoren in Form von lichtsensitiven Halbleiterbauelementen, beispielsweise Photodioden, aufweisen. Die Empfangselemente können beispielsweise in einer Matrix, also spaltenweise und/oder zeilenweise, angeordnet sein. Jedem Empfangselement kann eine Reflexionsrichtung bzw. ein Reflexionswinkel zugeordnet sein. Die Winkelmessung erfolgt hier also empfängerseitig durch das Bereitstellen mehrerer Empfangselemente. Insbesondere empfängt ein Empfangselement nur Lichtstrahlen, deren Strahlachse entlang der zugehörigen Reflexionsrichtung orientiert ist. Somit ist jedem Empfangselement ein Strahlachsenwinkel des zugehörigen Lichtstrahls zugeordnet, welcher mit einem Reflexionswinkel korrespondiert. Anhand des den Lichtstrahl empfangenden Empfangselementes sowie anhand des zugehörigen Strahlachsenwinkels können also die Richtung, aus welcher der Lichtstrahl auf die Empfangseinrichtung fällt, und damit der Reflexionswinkel bestimmt werden.
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Ein Lichtstrahl beschreibt einen Verlauf der Intensität des aus der Richtung der Strahlachse des Lichtstrahls reflektierten Lichtes über die Zeit. Dieser Verlauf kann nach Intensitätsspitzen bzw. Intensitätspeaks durchsucht werden, welche die Detektionspunkte, sogenannte Echos, repräsentieren. Diese Detektionspunkte korrespondieren zu Reflexionspunkten an der Oberfläche des Objektes. Anhand eines zu dem Detektionspunkt gehörigen Zeitpunkts bzw. Zeitstempels innerhalb des Verlaufes kann ein Abstand des mit dem Detektionspunkt korrespondierenden Reflexionspunktes zu der Lidar-Sensorvorrichtung bestimmt werden. Da jedes Empfangselement mit einem bestimmten Reflexionswinkel korrespondiert, kann anhand des Empfangselementes für den Detektionspunkt des empfangenen Lichtstrahls zusätzlich zu dem Abstand der Reflexionswinkel bestimmt werden. Es kann also für jeden Detektionspunkt die räumliche Lage des zu dem Detektionspunkt korrespondierenden Reflexionspunktes bestimmt werden. Somit kann der Umgebungsbereich Reflexionspunkte-basiert abgebildet werden.
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Die Lichtstrahlen weisen dabei jeweils einen Öffnungswinkel auf, durch welchen eine Winkelauflösung der Lidar-Sensorvorrichtung eingestellt bzw. festgelegt wird. Beispielsweise kann jedes Empfangselement einen Öffnungswinkel von 4°in horizontaler und 4°in vertikaler Richtung aufweisen. Der Öffnun gswinkel wird insbesondere durch die Größe und Anzahl der Empfangselemente bestimmt. Wird nun in einem Lichtstrahl von dem den Lichtstrahl empfangenden Empfangselement ein Detektionspunkt identifiziert, so wird zunächst davon ausgegangen, dass sich der Detektionspunkt auf der Strahlachse des zugehörigen Lichtstrahls befindet. Es wird also davon ausgegangen, dass der Reflexionswinkel exakt dem Strahlachsenwinkel entspricht. Unter dieser Annahme wird basierend auf den empfangenden Detektionspunkten mehrerer Lichtstrahlen die Initialoberflächenlinie bestimmt. Insbesondere werden mittels der Empfangselemente anhand der Detektionspunkte der jeweiligen Lichtstrahlen Abstandswerte der mit den Detektionspunkten korrespondierenden Reflexionspunkte bestimmt und die Initialoberflächenlinie in Abhängigkeit von den Abstandswerten und Strahlachsenwinkeln der jeweiligen Lichtstrahlen bestimmt. Aus den Abstandswerten der einzelnen Reflexionspunkte sowie aus den zugehörigen Strahlachsenwinkeln können der Abstand und der Neigungswinkel der Initialoberflächenlinie bestimmt werden. Die Initialoberflächenlinie repräsentiert also eine erste Schätzung einer räumlichen Lage der mit den Detektionspunkten korrespondierenden Reflexionspunkte auf der Oberfläche des Objektes und damit eine erste Schätzung der räumlichen Lage der Oberfläche des Objektes zu der Lidar-Sensorvorrichtung.
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Aus der Annahme, dass sich die Detektionspunkte auf der Strahlachse der zugehörigen Lichtstrahlen befinden, kann sich ein Messfehler bei der Reflexionswinkelmessung ergeben. Der Messfehler ist eine Differenz zwischen dem realen Reflexionspunkt und dem anhand des Detektionspunktes bestimmten Reflexionspunkt. Der Messfehler kann umso größer sein, je größer der Öffnungswinkel des Lichtstrahls ist und je mehr dadurch der Reflexionswinkel von dem Strahlachsenwinkel abweichen kann. Daher kann der Messfehler bis zu einem halben Öffnungswinkel des Lichtstrahls betragen. Dieser Fehler vergrößert sich insbesondere, je stärker die Oberfläche des Objektes bezüglich der Lidar-Sensorvorrichtung verkippt bzw. geneigt ist. Dies resultiert insbesondere daraus, dass die reflektierten Lichtstrahlen der Radargleichung unterliegen, die eine von den Empfangselementen registrierte Leistung bzw. Intensität in Abhängigkeit von einer Sendeleistung, dem Abstand und Eigenschaften des reflektierenden Objektes beschreibt. Die Radargleichung besagt, dass die Leistung bzw. Intensität des erfassten Lichtstrahls mit der vierten Potenz des Abstands des Objektes fällt. Diese Radargleichung ist der Haupteinflussfaktor des Messfehlers bei stark geneigten Oberflächen.
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Um den Messfehler zu kompensieren, werden für die Lichtstrahlen die Winkel zwischen der Initialoberflächenlinie und den Strahlachsen der Lichtstrahlen bestimmt. Insbesondere wird für jeden Lichtstrahl, in welchem ein Detektionspunkt identifiziert wurde, ein Winkel zwischen der Strahlachse des Lichtstrahls und der Initialoberflächenlinie bestimmt. Dann wird insbesondere in jedem Lichtstrahl der Detektionspunkt um den von dem Winkel abhängigen Korrekturwinkel innerhalb des Lichtstrahls verschoben. Es wird also insbesondere für jeden Detektionspunkt eine Intrastrahlpositionierung in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der Initialoberflächenlinie und der Strahlachse des zugehörigen Lichtstrahls durchgeführt. Basierend auf den verschobenen Detektionspunkten wird die Finaloberflächenlinie bestimmt, durch welche eine räumliche Lage der Reflexionspunkte auf der Oberfläche relativ zur Lidar-Sensorvorrichtung beschrieben wird. Insbesondere wird die Finaloberflächenlinie in Abhängigkeit von den Abstandswerten und den Korrekturwinkeln der jeweiligen Lichtstrahlen bestimmt. Unter der Annahme, dass die Finaloberflächenlinie auf der Oberfläche des Objektes verläuft, also eine tatsächlichen Lage der Reflexionspunkte auf der Objektoberfläche beschreibt, wird die räumliche Lage des Objektes zu dem Kraftfahrzeug bestimmt.
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Aus dem Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass auch kostengünstige Lidar-Sensorvorrichtungen mit einer geringen Winkelauflösung zur Überwachung des Umgebungsbereiches des Kraftfahrzeugs verwendet werden können, da der aus der Winkelauflösung resultierende Messfehler im Betrieb der Lidar-Sensorvorrichtung besonders einfach kompensiert werden kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Initialoberflächenlinie basierend auf den Detektionspunkten und die Finaloberflächenlinie basierend auf den verschobenen Detektionspunkten mittels Ausgleichsrechnung bestimmt werden. Es wird also als die Initialoberflächenlinie eine Kurve bestimmt bzw. geschätzt, welche die Abstandswerte und die zugehörigen Strahlachsenwinkel bestmöglich abbildet bzw. repräsentiert. Die Initialoberflächenlinie wird also mittels Linienanpassung bzw. „Curve Fitting“ als eine Initialausgleichslinie bestimmt. Als die Finaloberflächenlinie wird eine Kurve bestimmt, welche die Abstandswerte und die zugehörigen Korrekturwinkel bestmöglich abbildet. Die Finaloberflächenlinie wird also als eine Finalausgleichslinie bestimmt. Mittels Ausgleichsrechnung können die Initialoberflächenlinie und die Finaloberflächenlinie besonders schnell und einfach bestimmt werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn für die Bestimmung der Finaloberflächenlinie eine Korrekturliste vorbestimmt wird, in welcher vorbestimmten Winkeln vorbestimmte Korrekturwinkel zugeordnet werden, wobei in Abhängigkeit von dem erfassten Winkel zwischen der Strahlachse eines jeweiligen Lichtstrahls und der Initialoberflächenlinie einer der vorbestimmten Korrekturwinkel aus der Korrekturliste als der Korrekturwinkel für den jeweiligen Lichtstrahl ausgewählt und vorgegeben wird. Die Korrekturliste kann beispielweise in einer Speichereinrichtung der Lidar-Sensorvorrichtung hinterlegt werden und im Betrieb der Lidar-Sensorvorrichtung, beispielsweise von einer Auswerteeinrichtung der Lidar-Sensorvorrichtung, zum Kompensieren des Messfehlers ausgelesen werden. Die Korrekturliste kann beispielsweise eine Kennlinie und/oder eine Umsetzungstabelle bzw. „Look-up“-Tabelle (LUT) sein. Die Korrekturliste beschreibt einen Zusammenhang zwischen Werten des Winkels zwischen Strahlachse und Initialoberflächenlinie und Werten des Korrekturwinkels zum Verschieben der Detektionspunkte. Unter Zuhilfenahme der Korrekturliste kann der Messfehler während des Betriebs der Lidar-Sensorvorrichtung, in welcher die Lidar-Sensorvorrichtung den Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs überwacht, besonders schnell und ohne großen Rechenaufwand kompensiert werden.
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Insbesondere wird die Korrekturliste in Abhängigkeit von einer Winkelauflösung der Lidar-Sensorvorrichtung bestimmt, indem die Korrekturwinkel in Abhängigkeit von einem, die Winkelauflösung der Lidar-Sensorvorrichtung festlegenden Öffnungswinkel der jeweiligen Lichtstrahlen vorbestimmt werden. Die Öffnungswinkel der jeweiligen Lichtstrahlen und damit das Auflösungsvermögen der Lidar-Sensorvorrichtung in Winkelrichtung können beispielsweise in Abhängigkeit von einer Anzahl an Empfangselementen und dem Gesamtöffnungswinkel des Empfangssignals bestimmt werden. Die horizontale Auflösung ist insbesondere abhängig von dem horizontalen Gesamtöffnungswinkel des Empfangssignals sowie einer Anzahl der Empfangselemente in einer Zeile der Matrix. Die vertikale Auflösung ist insbesondere abhängig von dem vertikalen Gesamtöffnungswinkel des Empfangssignals sowie einer Anzahl der Empfangselemente in einer Spalte der Matrix. Dabei kann die Korrekturliste für eine Lidar-Sensorvorrichtung aufweisend eine bestimmten Winkelauflösung bestimmt werden, beispielsweise gemessen werden, und dann an Lidar-Sensorvorrichtungen mit anderen Winkelauflösungen angepasst werden. So kann für jede Lidar-Sensorvorrichtung der von der Auflösung verursachte Messfehler besonders exakt kompensiert werden, sodass räumliche Lagen der Objekte in dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs mit hoher Genauigkeit erkannt werden können.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Korrekturliste anhand einer Testlinie bestimmt wird, wobei bei einem ersten vorbestimmten Testwinkel zwischen der Testlinie und der Strahlachse eines ersten Lichtstrahls eine erste Position des Detektionspunktes in dem ersten Lichtstrahl bestimmt wird, bei einem zweiten vorbestimmten Testwinkel zwischen der Testlinie und der Strahlachse eines zweiten Lichtstrahls eine zweite Position des Detektionspunktes in dem zweiten Lichtstrahl bestimmt wird, und die Korrekturliste in Abhängigkeit von dem ersten Testwinkel, dem zweiten Testwinkel, der ersten Position und der zweiten Position bestimmt wird.
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Bei dieser Ausführungsform wird die Finaloberflächenlinie in Form von der Testlinie vorgegeben, indem für die Testlinie vorbestimmte und damit bekannte Testwinkel relativ zu der Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen vorgegeben werden. Durch Vorgegeben der Testwinkel der Testlinie kann also die Lage der Finaloberflächenlinie als bekannt vorausgesetzt werden. Anhand der bekannten Testwinkel können dann die tatsächlichen Positionen innerhalb der Lichtstrahlen bzw. tatsächliche Winkel der Detektionspunkte zu der Strahlachse der Lichtstrahlen bestimmt werden. Diese tatsächlichen Winkel können dann als die zu den Testwinkel gehörigen Korrekturwinkel bestimmt werden.
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Insbesondere wird in einer ersten Testmessung zum Erfassen der ersten Position ein Testobjekt aufweisend die Testlinie in einer ersten Testlage zu der Lidar-Sensorvorrichtung positioniert, sodass die Testlinie den ersten Testwinkel zur Strahlachse des ersten Lichtstrahls aufweist, und in einer zweiten Testmessung zum Erfassen der zweiten Position wird das Testobjekt in einer zweiten Testlage zu der Lidar-Sensorvorrichtung positioniert, sodass die Testlinie den zweiten Testwinkel zur Strahlachse des zweiten Lichtstrahls aufweist. Die Testlagen des Testobjektes werden also durch Vorgeben des jeweiligen Testwinkels und insbesondere eines jeweiligen Testabstands eines Reflexionspunktes auf der Testlinie vorgegeben. Zur Durchführung der ersten Testmessung wird das Testobjekt also derart zu der Lidar-Sensorvorrichtung positioniert werden, dass die Testlinie, welche innerhalb der Oberfläche des Testobjektes verläuft, den ersten Testwinkel zur Strahlachse des in der ersten Testmessung empfangenen ersten Lichtstrahls aufweist. Dann wird der zu einem Reflexionspunkt auf der Oberfläche des Testobjektes korrespondierende Detektionspunkt identifiziert und die erste Position bzw. ein erster Winkel des Detektionspunktes zu der Strahlachse in dem ersten Lichtstrahl bestimmt. Zur Durchführung der zweiten Testmessung kann das Testobjekt derart zu der Lidar-Sensorvorrichtung positioniert werden, dass die Testlinie den zweiten Testwinkel zur Strahlachse des in der zweiten Testmessung empfangenen zweiten Lichtstrahls aufweist. Dann wird die zweite Position bzw. ein zweiter Winkel des zu einem Reflexionspunkt auf der Oberfläche des Testobjektes korrespondierenden Detektionspunktes zu der Strahlachse des zweiten Lichtstrahls bestimmt.
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Vorzugsweise wird der erste Testwinkel mit einem Wert zwischen 80°und 100°, insbesondere 90°, vorgegeben und der zweite Testwin kel mit einem Wert von höchstens 10°vorgegeben. Insbesondere wird für einen anhand der ersten Position bestimmten ersten Korrekturwinkel ein Wert von 0°bestimmt und für einen anhand der zweiten Position bestimmten zweiten Korrekturwinkel ein Wert des halben Öffnungswinkels der Lichtstrahlen bestimmt. Die Testwinkel der Testlinie des Testobjektes zu der Strahlachse des jeweiligen Lichtstrahls entsprechen insbesondere Extremwinkeln. Durch Vorgeben des ersten Testwinkels ist die Testlinie insbesondere senkrecht zu der Strahlachse des ersten Lichtstrahls orientiert. Durch Vorgeben des zweiten Testwinkels ist die Testlinie insbesondere nahezu parallel zu der Strahlachse des zweiten Lichtstrahls orientiert. Aus diesen beiden Extremfällen können die Wertebereiche der Winkelbeträge und der Korrekturwinkelbeträge bestimmt werden. So kann im Betrieb der Lidar-Sensorvorrichtung ein Objekt, welches eine beliebige räumliche Lage zu dem Kraftfahrzeug aufweist, mit hoher Genauigkeit erkannt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden der erste Testwinkel und der zweite Testwinkel als Grenzen des Wertebereiches von Beträgen der vorbestimmten Winkel der Korrekturliste bestimmt. Der anhand der ersten Position bestimmte erste Korrekturwinkel sowie der anhand der zweiten Position bestimmte zweite Korrekturwinkel werden als Grenzen des Wertebereiches von Beträgen der Korrekturwinkel der Korrekturliste bestimmt. Wenn beispielsweise erfasst wird, dass die Initialoberflächenlinie senkrecht zu der Strahlachse eines Lichtstrahles steht, der Winkel also in etwa dem ersten Testwinkel entspricht, so ist insbesondere keine Korrektur nötig. Der Korrekturwinkel ist also der erste Korrekturwinkel von 0°. Die Detektionspunkte müssen nicht verschoben werden und die Finaloberflächenlinie entspricht der Initialoberflächenlinie. Wenn beispielsweise erfasst wird, dass die Initialoberflächenlinie in etwa parallel zu der Strahlachse eines Lichtstrahles steht, der Winkel also dem zweiten Testwinkel entspricht, so ist eine Korrektur mit dem maximalen Wert, also dem zweiten Korrekturwinkel, nötig. Die Detektionspunkte werden also maximal, insbesondere an einen Rand des Lichtstrahls, verschoben. Ein Vorzeichen der Korrekturwinkel und damit ein Vorzeichen der Verschiebung des Detektionspunktes relativ zur Strahlachse sind abhängig von einem Vorzeichen des Winkels zwischen der Initialoberflächenlinie und der Strahlachse. Die Korrekturwinkelwerte zwischen dem ersten und dem zweiten Korrekturwinkel können interpoliert oder gemessen werden.
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Vorzugsweise werden für die Korrekturliste drei Winkelbereiche vorgegeben, wobei einem ersten Winkelbereich zwischen dem ersten Testwinkel und einem ersten Zwischenwinkel der erste Korrekturwinkel zugeordnet wird, einem an den ersten Winkelbereich angrenzenden zweiten Winkelbereich zwischen dem ersten Zwischenwinkel und einem zweiten Zwischenwinkel ein linearer Korrekturwinkelbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Korrekturwinkel zugeordnet wird und einem an den zweiten Winkelbereich angrenzenden dritten Winkelbereich zwischen dem zweiten Zwischenwinkel und dem zweiten Testwinkel der zweite Korrekturwinkel zugeordnet wird.
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Für erfasste Winkelbeträge aus dem ersten Winkelbereich wird also der konstante erste Korrekturwinkel vorgegeben. Der erste Zwischenwinkel kann beispielsweise 60° betragen. Beispielsweise wird für erfasste Winkel zwischen 60°und 90°keine Verschiebung der Detektionspunkte durchgeführt, da der erste Korrekturwinkel insbesondere 0°beträgt. Für erfasste Winkelbeträge aus dem dritten Winkelbereich wird der konstante zweite Korrekturwinkel vorgegeben. Der zweite Zwischenwinkel kann beispielsweise 30°betragen. Für Winkel zwischen 0° und 30°werden die Detektionspunkte insbesondere um den halben Öffnungswinkel relativ zur Strahlachse und damit an den Rand des Lichtstrahls verschoben. Für erfasste Winkelbeträge mit Werten zwischen dem ersten und dem dritten Winkelbereich werden die Korrekturwerte linear an den erfassten Winkel angepasst. Durch das Vorgeben von nur drei Winkelbereichen kann die Finaloberflächenlinie besonders schnell und einfach bestimmt werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Lidar-Sensorvorrichtung zum Erfassen einer räumlichen Lage eines Objektes in einem Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs relativ zu dem Kraftfahrzeug. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Lidar-Sensorvorrichtung insbesondere eine Empfangseinrichtung zum Erfassen eines von dem Objekt reflektierten Empfangssignals und eine Auswerteeinrichtung. Insbesondere weist die Empfangseinrichtung Empfangselemente auf, welche dazu ausgelegt sind, Lichtstrahlen des Empfangssignals zu empfangen und in den Lichtstrahlen zu Reflexionspunkten auf einer Oberfläche des Objektes korrespondierende Detektionspunkte zu identifizieren. Die Auswerteeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, unter der Annahme, dass sich die Detektionspunkte auf einer Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen befinden, eine Initialoberflächenlinie in Abhängigkeit von den Detektionspunkten zu bestimmen, Winkel zwischen der Initialoberflächenlinie und der Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen zu bestimmen, die Detektionspunkte innerhalb der jeweiligen Lichtstrahlen um von den jeweiligen Winkeln abhängige Korrekturwinkel relativ zur Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen zu verschieben, in Abhängigkeit von den verschobenen Detektionspunkten eine Finaloberflächenlinie zu bestimmen und die Lage des Objektes zu dem Kraftfahrzeug anhand der Finaloberflächenlinie zu bestimmen.
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Besonders bevorzugt umfasst die Lidar-Sensorvorrichtung eine Empfangseinrichtung zum Erfassen eines von dem Objekt reflektierten Empfangssignals und eine Auswerteeinrichtung. Die Empfangseinrichtung umfasst Empfangselemente, welche dazu ausgelegt sind, Lichtstrahlen des Empfangssignals zu empfangen und in den Lichtstrahlen zu Reflexionspunkten auf einer Oberfläche des Objektes korrespondierende Detektionspunkte zu identifizieren. Darüber hinaus ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, unter der Annahme, dass sich die Detektionspunkte auf einer Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen befinden, eine Initialoberflächenlinie in Abhängigkeit von den Detektionspunkten zu bestimmen, Winkel zwischen der Initialoberflächenlinie und der Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen zu bestimmen, die Detektionspunkte innerhalb der jeweiligen Lichtstrahlen um von dem jeweiligen Winkeln abhängige Korrekturwinkel relativ zur Strahlachse der jeweiligen Lichtstrahlen zu verschieben, in Abhängigkeit von den verschobenen Detektionspunkten eine Finaloberflächenlinie zu bestimmen und die räumliche Lage des Objektes zu dem Kraftfahrzeug anhand der Finaloberflächenlinie zu bestimmen.
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Die Lidar-Sensorvorrichtung kann außerdem eine Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals in Form von einem Lichtpuls aufweisen, welcher an Objekten in dem Umgebungsbereich reflektiert wird und welcher von der Empfangseinrichtung als Empfangssignal wieder empfangen werden kann. Die Lidar-Sensorvorrichtung ist insbesondere als eine kostengünstige Lidar-Sensorvorrichtung ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, einen durch eine geringe Winkelauflösung verursachten Messfehler zu kompensieren.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen Lidar-Sensorvorrichtung. Das Fahrerassistenzsystem ist insbesondere dazu ausgelegt, eine vorbestimmte Assistenzfunktion basierend auf der von der zumindest einen Lidar-Sensorvorrichtung erfassten Lage des Objektes relativ zum Kraftfahrzeug auszuführen. Beispielseise kann das Fahrerassistenzsystem eine Maßnahme zum Vermeiden einer Kollision zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt auslösen, wenn durch das Fahrerassistenzsystem anhand der Lage des Objektes erkannt wurde, dass sich das Objekt in einem kritischen Teilbereich des Umgebungsbereiches befindet und eine Kollision mit dem Objekt bevorsteht. Eine solche kollisionsvermeidende Maßnahme kann beispielsweise die Ausgabe eines Warnsignals und/oder ein automatisches Abbremsen des Kraftfahrzeugs sein.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad ausgebildet sein.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Lidar-Sensorvorrichtung, für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung eines Empfangssignals mit mehreren Lichtstrahlen;
- 3 eine schematische Darstellung eines Intensitätsverlaufs eines Lichtstrahls;
- 4 eine schematische Darstellung einer Testlinie aufweisend einen ersten Winkel zu einer Strahlachse eines Lichtstrahls;
- 5 eine schematische Darstellung einer Testlinie aufweisend einen zweiten Winkel zu einer Strahlachse eines Lichtstrahls; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Zusammenhangs von Winkeln zwischen Strahlachsen und einer Testlinie und Korrekturwinkeln.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 ist im vorliegenden Fall als ein Personenkraftwagen ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 weist ein Fahrerassistenzsystem 2 mit zumindest einer Lidar-Sensorvorrichtung 3 auf, welche zum Überwachen eines Umgebungsbereiches 4 des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet ist. Die Lidar-Sensorvorrichtung 3 ist insbesondere als ein Flash-Lidar-Sensor ausgestaltet, welcher den Umgebungsbereich 4 mittels eines Sendesignals in Form von einem Lichtpuls ausleuchtet und den in dem Umgebungsbereich 4 reflektierten Lichtpuls als Empfangssignal wieder empfängt. Dazu weist die Lidar-Sensorvorrichtung 3 eine Sendeeinrichtung 5 zum Aussenden des Sendesignals, eine Empfangseinrichtung 6 zum Empfangen des an einem Objekt 7 in dem Umgebungsbereich 4 reflektieren Empfangssignals sowie eine Auswerteeinrichtung 8 auf. Die Lidar-Sensorvorrichtung 3 ist dazu ausgelegt, einen Abstand des Objektes 7 zu dem Kraftfahrzeug 1 sowie eine Orientierung einer Oberfläche 9 des Objektes 7 zu dem Kraftfahrzeug 1 bestimmen. Der Abstand sowie die Orientierung können als Informationen über eine räumliche Lage des Objektes 7 zu dem Kraftfahrzeug 1 einer Steuereinrichtung 10 des Fahrerassistenzsystems 2 bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 10 kann basierend auf der Lageinformation beispielsweise eine Maßnahme zur Vermeidung einer Kollision des Kraftfahrzeugs 1 mit dem Objekt 7 einleiten.
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Beispielsweise kann die Sendeeinrichtung 5 der Lidar-Sensorvorrichtung 3 während eines Messzyklus mehrere Lichtpulse aussenden. Die Empfangseinrichtung 6 kann den reflektierten Lichtpuls als Empfangssignal E (siehe 2) in mehreren Lichtstrahlen 11 bzw. Reflexionen wieder empfangen. Dazu weist die Empfangseinrichtung 6 mehrere Empfangselemente auf, wobei jedes Empfangselement insbesondere nur Lichtstrahlen 11 aus einer bestimmten Reflexionsrichtung empfängt. Anders ausgedrückt empfängt jedes Empfangselement nur Lichtstrahlen 11, welche aus der ihm zugeordneten Reflexionsrichtung bzw. einem ihm zugeordneten Reflexionswinkel auf die Empfangseinrichtung 6 treffen. In den von den Empfangselementen empfangenen Lichtstrahlen 11 werden zunächst Detektionspunkte D identifiziert, welche zu Reflexionspunkten R auf der Oberfläche 9 des Objektes 7 korrespondieren. Dazu wird für jeden Lichtstrahl 11 ein Intensitätsverlauf 12 von Intensitäten I des Lichtstrahls 11 über die Zeit t, wie er in 3 gezeigt ist, nach Intensitätsspitzen P1, P2 durchsucht, welche die Detektionspunkte D1, D2, sogenannte Echos, repräsentieren. Anhand eines Zeitstempels t1 einer ersten Intensitätsspitze P1 kann über Laufzeitmessung eine erste Distanz d1 eines zu dem Detektionspunkt D1 korrespondierenden Reflexionspunktes R auf der Oberfläche 9 des Objektes 7 bestimmt werden. Anhand eines zweiten Zeitstempels t2 der zweiten Intensitätsspitze P2 kann eine zweite Distanz d2 eines zu dem Detektionspunkt D2 korrespondierenden Reflexionspunktes R auf der Oberfläche 9 des Objektes 7 bestimmt werden.
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Da es innerhalb eines einzelnen Lichtstrahls 11 nur möglich ist, die radialen Abstände d1, d2 der Reflexionspunkte R auf der Oberfläche 9 des Objektes 7 zu der Lidar-Sensorvorrichtung 3 zu bestimmen, wird anhand des den Detektionspunkt D erfassenden Empfangselementes der Reflexionswinkel bestimmt. Eine Winkelauflösung der Lidar-Sensorvorrichtung 3 ist abhängig von einem jeweiligen Öffnungswinkel oder Lichtstrahlen 11. Dabei wird zunächst der in einem Lichtstrahl 11 erfasste Detektionspunkt D auf eine sich in der Mitte des Lichtstrahls 11 befindliche Strahlachse S in dem anhand der Laufzeit bestimmten Abstand d gesetzt. Es wird also davon ausgegangen, dass der Reflexionswinkel einem Strahlachsenwinkel des Lichtstrahls 11 entspricht. Die tatsächliche Reflexion tritt jedoch irgendwo innerhalb eines durch den Öffnungswinkel α begrenzten Bereichs zwischen Rändern 13 des Lichtstrahls 11 in dem gemessenen radialen Abstand d auf. Dies bedeutet, dass ein Messfehler in Winkelrichtung, also eine Differenz zwischen der realen Reflexion und der Interpretation, bis zum Wert des halben Öffnungswinkel α/2 des Lichtstrahls 11 betragen kann.
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Anhand der Detektionspunkte D wird unter der Annahme, dass sich die Detektionspunkte D in der Mitte des jeweiligen Lichtstrahls 11, also auf der Strahlachse S, befinden, eine Initialoberflächenlinie 14 bestimmt. Die Initialoberflächenlinie 14, welche beispielsweise mittels Ausgleichsrechnung bestimmt werden kann, beschreibt einen ersten näherungsweisen Zusammenhang zwischen den radialen Abständen der Reflexionspunkte R und den Reflexionswinkeln der Reflexionspunkte R. Durch die Initialoberflächenlinie 14 wird also eine Lage der Oberfläche 9 des Objektes 7 zu der Lidar-Sensorvorrichtung 3 vorerst geschätzt.
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Um den Fehler, welcher aus der Festlegung des Reflexionswinkels als Strahlachsenwinkel resultiert, zu kompensieren, wird eine sogenannte Intrastrahlpositionierung durchgeführt. Dazu wird für jeden Lichtstrahl 11 ein Winkel β zwischen der Strahlachse S und der Initialoberflächenlinie 14 bestimmt wird. Dann wird der Detektionspunkt D innerhalb des Lichtstrahls 11 um einen von dem Winkel β abhängigen Korrekturwinkel γ verschoben. Basierend auf den verschobenen Detektionspunkten D' wird eine Finaloberflächenlinie 15, beispielsweise mittels Ausgleichsrechnung, bestimmt, welche die tatsächliche Lage der Reflexionspunkte R auf der Oberfläche 9 des Objektes 7 repräsentiert. Anhand dieser Finaloberflächenlinie 15 kann die Lage des Objektes 7 zu dem Kraftfahrzeug 1 bestimmt werden.
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Anhand von 4, 5 und 6 wird ein Zusammenhang zwischen dem Winkel β und dem Korrekturwinkel γ erläutert. In 4 ist ein erster Lichtstrahl 11' gezeigt, dessen Strahlachse S einen vorbestimmten ersten Testwinkel β1 zu einer vorbestimmten Testlinie 16 aufweist. Der erste Testwinkel β1 beträgt insbesondere 90°, sodass die Testlinie 16 senkrecht zu der Strahlachse S des ersten Lichtstrahls 11' orientiert ist. In 5 ist ein zweiter Lichtstrahl 11" gezeigt, dessen Strahlachse S einen vorbestimmten zweiten Testwinkel β2 zu der vorbestimmten Testlinie 16 aufweist. Der zweite Testwinkel β2 ist insbesondere kleiner als 10°, sodass die Test linie 16 nahezu parallel zu der Strahlachse S des zweiten Lichtstrahls 11" orientiert ist. Beim Bestimmen der tatsächlichen Position der Detektionspunkte D in den Lichtstrahlen 11', 11" wird davon ausgegangen, dass derjenige Reflexionspunkt R, welcher sich am nächsten an dem Empfangselement befindet, die höchste Intensität aufweist. Welcher Reflexionspunkt R sich dabei am nächsten an dem Empfangselement befindet, ist abhängig von dem Winkel β zwischen der Testlinie 16 und der Strahlachse S.
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In 4 haben alle Reflexionspunkte R auf der Testlinie 16 in etwa denselben radialen Abstand zu dem Empfangselement. Daher wird erwartet, dass sich der Detektionspunkt D in der Mittel des Lichtstrahls 11' auf der Strahlachse S befindet. In diesem Fall hat die Radargleichung, welche besagt, dass eine Leistung bzw. Intensität des Empfangssignals mit der vierten Potenz der Objektdistanz sinkt, nahezu keinen Einfluss. Die Messung ist hauptsächlich durch eine Nichtlinearität des Empfangselementes, beispielsweise einer Fotodiode, beeinflusst, welche für Reflexionen in der Mitte des Lichtstrahls 11' die höchste Sensitivität aufweist.
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In 5 verläuft ein relativ großer Abschnitt der Testlinie 16 innerhalb des zweiten Lichtstrahls 16". Aufgrund dieser schrägen Lage der Testlinie 16 befindet sich derjenige Reflexionspunkt R, welcher den Intensitätspeak verursacht und für den der Abstandswert d bestimmt wird, am linken Rand 13 des zweiten Lichtstrahls 11'. Würde nun der Detektionspunkt D auf die Strahlachse S gelegt, würde dem realen, tatsächlichen Reflexionspunkt auf der Strahlachse S ein falscher Reflexionswinkel zugeordnet.
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Für Objektoberflächenlinien von Objekten mit Winkeln β zwischen den zwei Extremwinkeln β1, β2 verschiebt sich somit der tatsächliche Reflexionspunkt von der Mitte des Lichtstrahls 11 zu dem jeweiligen Rand 13. Um dies abzubilden, werden die Detektionspunkte D um die Korrekturwinkel γ verschoben. Dadurch werden die verschobenen Detektionspunkte D' bestimmt, welche die realen Reflexionspunkte R abbilden sollen. Eine Richtung der Verschiebung eines Detektionspunktes D ist dabei abhängig von einem Vorzeichen des Winkels β. Zusammenhänge 17, 18 zwischen dem Winkel β und dem Korrekturwinkel γ sind in 6 gezeigt. Die Zusammenhänge 17, 18 können beispielsweise basierend auf Messungen bestimmt werden, bei welchen die Korrekturwinkel γ in Abhängigkeit von den Testwinkeln β1, β2 bestimmt werden. Die Zusammenhänge 17, 18 sind hier nur für positive Winkel β dargestellt. Der Zusammenhang zwischen negativen Winkeln β und dem Korrekturwinkel ist analog.
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Der Zusammenhang 17 zeigt dabei einen glatten Verlauf, bei welchem jedem Winkel β ein Korrekturwinkel γ zugeordnet ist. Wenn der Winkel β zwischen der Initialoberflächenlinie 14 und der Strahlachse S beispielsweise dem ersten Testwinkel β1, hier 90°, entspricht, so wird ein erster Korrekturw inkel γ1, insbesondere 0°, vorgegeben. Der Detektionspunkt D wird also nicht innerhalb des Lichtstrahls 11 verschoben. Wenn der Winkel β zwischen der Initialoberflächenlinie 14 und der Strahlachse S beispielsweise dem zweiten Testwinkel β2, hier nahezu 0°, entspricht, so wird ein zweiter Korrekturwinkel γ2, insbesondere -α/2, vorgegeben. Der Detektionspunkt D wird also innerhalb des Lichtstrahls 11 in negativer Richtung auf den Strahlrand 13 geschoben. Für Winkel β zwischen den Testwinkel β1, β2 wird der entsprechende Korrekturwinkel γ aus dem Zusammenhang 17 bestimmt.
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Bei Zusammenhang 18 sind die Winkel β in drei Winkelbereiche 19, 20, 21 unterteilt. Für sämtliche Winkel β des ersten Winkelbereiches 19, beispielsweise von 60°bis 90°, wird der erste Korrekturwinkel γ1, beispielsweise 0°, vorgegeben. Für sämtliche Win kel β des dritten Winkelbereiches 21, beispielsweise von 0°b is 30°, wird der zweite Korrekturwinkel γ, beispielsweise -α/2, vorgegeben. Für sämtliche Winkel β des zweiten Winkelbereiches 2, beispielsweise von 30°bis 60°, wird der Korrekt urwinkel γ linear mit dem Winkel β erhöht.
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Die Zusammenhänge 17, 18 können beispielsweise als Korrekturlisten in einer Speichereinrichtung des Lidar-Sensorvorrichtung 3 hinterlegt sein und von der Auswerteeinrichtung 8 zum Verschieben der Detektionspunkte D ausgelesen werden. Somit kann ein Messfehler der Lidar-Sensorvorrichtung 3 besonders schnell und einfach kompensiert werden.
