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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-Betrieb-Kalibrierung eines Lidars eines Fahrzeugs nach der im Obergriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Fahrzeug mit einem Lidar und einer Recheneinheit.
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Mit Hilfe eines Laserscanners zu denen auch sogenannte Lidare zählen lassen sich Abstandsinformationen zwischen Laserscanner und Umgebungsobjekten bestimmen. Hierzu wirft das Lidar einen Laserstrahl in die Umgebung, welcher von den Umgebungsobjekten reflektiert wird. Die Reflektionen des Laserstrahls werden vom Lidar detektiert, woraufhin aus einer Laufzeitdifferenz zwischen Aussenden des Laserstrahls und empfangen des reflektierten Laserlichts Abstandsinformationen berechnet werden. Lidare werden auch in Fahrzeuge integriert, um Abstandsinformationen als Eingangsgröße für Fahrerassistenzsysteme wie einen Abstandsregeltempomat oder zur wenigstens teilautomatisierten Steuerung des Fahrzeugs bereitzustellen. Hierzu wird ein Lidar fest, das heißt bewegungsstarr an ein Fahrzeug montiert und so ausgerichtet, dass es einen Sollbereich, insbesondere einen vor einem Fahrzeug liegenden Umgebungsbereich, abtasten kann. Dabei wird das Lidar werksseitig vor Auslieferung des Fahrzeugs kalibriert, um durch eine eindeutige Lagebeziehungen zwischen Lidar und Fahrzeug die Abstandsinformationen zwischen Lidar und Umgebungsobjekten auf das Fahrzeug zu übertragen. Somit ist auch eine Abstandsbestimmung zwischen Fahrzeug und Umgebungsobjekten möglich.
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Während des Betriebs des Fahrzeugs kann es jedoch vorkommen, dass sich eine Ausrichtung des Lidars gegenüber der Umgebung verändert. Dies wird auch als Dekalibrierung bezeichnet. So kann es dazu kommen, dass ein Lidar in seiner Halterung verrutscht, beispielsweise weil sich Befestigungsmittel lösen oder durch hohe Aufprallkräfte bei einem Unfall. Auch ändert sich eine Orientierung des Lidars gegenüber der Umgebung, wenn das Fahrzeug, welches das Lidar umfasst, Nickbewegungen vollführt. Diese Nickbewegungen resultieren beispielsweise aus starken Beschleunigungs- oder Bremsmanövern und/oder durch Betätigen eines aktiven Fahrwerks, wie ein Luftfahrwerk. Die vom Fahrzeug durchgeführten Nickbewegungen sind mit einem Lidar nur schwer zu erfassen, da eine Fahrbahn auch eine Neigung wie eine Steigung oder ein Gefälle aufweisen kann. In diesem Falle ist es nicht klar, ob eine Relativabstandszu- oder abnahme zwischen Lidar und Fahrbahn durch eine Nickbewegung des Fahrzeugs oder eine Steigung beziehungsweise ein Gefälle entsteht. Kommt es zu einer Dekalibrierung des Lidars, so stimmen die mit dem Lidar gemessenen Abstände zu Umgebungsobjekten nicht mehr mit tatsächlich vorliegenden Abständen überein.
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Bekannte Verfahren zur Kalibrierung eines Lidars während eines Betriebs eines Fahrzeugs sehen vor, dass zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils ein Abstand zwischen zwei vom Lidar abgestrahlten, quer über eine Fahrbahn verlaufenden Abtastlinien (bzw. Abtastebenen) bestimmt wird und bei einer Abstandsänderungen zwischen den Abtastlinien auf eine Verschiebung beziehungsweise Dekalibrierung des Lidars geschlossen wird. Anhand des gemessenen Abstands lässt sich ermitteln, wie stark sich das Lidar verschoben hat, was für eine Nachkalibrierung des Lidars verwendet werden kann. Da diese Abstandsänderungen jedoch auch von anderen Ursachen als einer tatsächlichen Verschiebung des Lidars zum Fahrzeug hervorgerufen werden kann, beispielsweise einer vom Fahrzeug vollführte Nickbewegung und/oder wenn das Fahrzeug eine geneigte Fahrbahn befährt, besteht die Gefahr, dass ein Lidar fälschlicherweise nachkalibriert wird, obwohl dies eigentlich nicht notwendig ist.
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Aus der
DE 10 2008 064 115 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Fluchtpunktes bekannt. Die Druckschrift beschreibt ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung zur In-Betrieb-Kalibrierung einer von einem Fahrzeug umfassten Kamera, welche zur Umgebungsüberwachung eingesetzt wird. Analog zu Laserscannen beziehungsweise Lidaren lassen sich unter Einsatz einer Mono- beziehungsweise Stereokamera Abstandsinformationen gewinnen. Auch hier ist eine Information über Lagebeziehungen zwischen Kamera und Fahrzeug relevant, um aus einem berechneten Abstand zwischen Kamera und Umgebungsobjekt auch einen Abstand zwischen Umgebungsobjekt und Fahrzeug angeben zu können. Die Idee des in der Druckschrift offenbarten Verfahrens ist es durch Kamerabildauswertung einen Fluchtpunkt in zumindest zwei Kamerabildern zu bestimmen und durch eine Verschiebung eines aktuell bestimmten Fluchtpunkts mit einem Referenzfluchtpunkt eine Dejustage beziehungsweise Dekalibrierung einer Kamera festzustellen. Durch messen eines Abstands wie weit sich ein aktueller Fluchtpunkt zum Referenzfluchtpunkt verschoben hat, lässt sich dann ein Maß bestimmen, wie stark sich die Kamera dekalibriert hat. Anhand dieser Information lässt sich eine Kamera nachkalibrieren. Hierzu werden wenigstens zwei Kamerabilder erzeugt und ausgewertet, wobei jeweils in einem Kamerabild horizontale und/oder vertikale Linien an fixen Positionen erzeugt werden, und für die durch die Linien überlagerten Pixel des Kamerabilds Helligkeitswerte ermittelt werden. Dabei weist in einem ersten Kamerabild ein bestimmtes Pixel einer Linie einen bestimmten Helligkeitswert auf. Im zweiten Kamerabild liegt dieser Helligkeitswert auf der selben Linie bei einem anderen Pixel vor. In Abhängigkeit einer Distanz zwischen den beiden Pixeln mit dem selben Helligkeitswert lässt sich dann ein Fluchtpunkt errechnen. Die Druckschrift geht dabei jedoch ausschließlich auf eine Fluchtpunktbestimmung bei Verwendung eines Kamerasystems ein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur In-Betrieb-Kalibrierung eines Lidars eines Fahrzeugs anzugeben, mit dessen Hilfe ein Lidar während des Betriebs eines Fahrzeugs zuverlässig kalibriert werden kann, auch beim Befahren einer Steigung oder eines Gefälles sowie unter Berücksichtigung vom Fahrzeug vollführten Nickbewegungen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur In-Betrieb-Kalibrierung eines Lidars eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einem Lidar und einer Recheneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Bei einem Verfahren zur In-Betrieb-Kalibrierung eines Lidars eines Fahrzeugs werden erfindungsgemäß zumindest die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
- - mindestens zweimaliges Abtasten einer Fahrzeugumgebung mittels des Lidars zum Erzeugen wenigstens zweier Punktewolken;
- - Nachverfolgen einer Relativposition zumindest einiger der von der Punktewolken umfassten Abstandspunkte zum Lidar;
- - Bestimmen einer Bewegungsrichtung der Abtastpunkte durch Auswerten einer Relativpositionsverschiebung der Abtastpunkte zwischen den wenigstens zwei Punktewolken;
- - Bestimmen eines Schnittpunkts der Bewegungsrichtungen einer festgelegten Auswahl an Abtastpunkten zur Bestimmung eines Momentanfluchtpunkts;
- - Vergleich einer Position des Momentanfluchtpunkts mit einer bekannten Position eines Referenzfluchtpunkts; und
- - bei Feststellen einer Lageabweichung zwischen Momentanfluchtpunkt und Referenzfluchtpunkt: Verschieben eines Referenzkoordinatensystems oder eines Momentankoordinatensystems, um den Momentanfluchtpunkt mit dem Referenzfluchtpunkt zur Deckung zu bringen.
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Mit Hilfe des Verfahrens ist es möglich ein Lidar während des Betriebs zu kalibrieren, auch wenn ein das Lidar umfassendes Fahrzeug ein Gefälle beziehungsweise eine Steigung befährt. Das Verfahren lässt sich während der Nutzungsdauer eines Lidars kontinuierlich anwenden, um auch kontinuierlich eine Dekalibrierung des Lidars festzustellen. Hierzu wird eine Relativposition der von den Punktewolken umfassten Abstandspunkte über die vom Lidar ausgegebenen Punktewolken nachverfolgt. Dabei können auch einzelne Punktewolken ausgelassen werden, beispielsweise weil nicht genug Abtastpunkte in der entsprechenden ausgesparten Punktewolke vorliegen, die ein Nachverfolgen ermöglichen. Dies kann beispielsweise bei bestimmten Fahrsituationen wie dem Befahren einer Kurve oder einem Mangel an statischen Umgebungsobjekten in der Fahrzeugumgebung der Fall sein. Um den Momentanfluchtpunkt und den Referenzfluchtpunkt zur Deckung zu bringen, können entweder die vom Lidar erzeugten Punktewolken so verschoben werden, dass der Momentanfluchtpunkt mit dem Referenzfluchtpunkt zur Deckung kommt, oder es kann auch ein Referenzkoordinatensystem so verschoben werden, dass der Referenzfluchtpunkt mit dem Momentanfluchtpunkt zur Deckung kommt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Abtastpunkte der Punktewolken einem statischen oder dynamischen Umgebungsobjekt zugeordnet werden und zur Bestimmung des Schnittpunkts der Bewegungsrichtungen nur die Abtastpunkte verwendet werden, welche einem statischen Umgebungsobjekt zugeordnet wurden. Während des Betriebs eines Fahrzeugs befinden sich typischerweise nicht nur statische Umgebungsobjekte wie parkende Autos, Ampelmasten, Häuser, Bäume, Leitpfosten oder dergleichen in einem Fahrzeugumfeld, sondern auch dynamische Umgebungsobjekte wie Fußgänger, Radfahrer, fahrende Fahrzeuge oder dergleichen. Fährt beispielsweise ein weiterer Verkehrsteilnehmer in eine gleiche Richtung mit einer gleichen Geschwindigkeit wie das Fahrzeug, welches das Lidar aufweist, so ändert sich eine Relativposition zwischen dem weiteren Verkehrsteilnehmer und dem Fahrzeug nicht. In diesem Falle liegt auch keine Relativpositionsverschiebung der dem weiteren Verkehrsteilnehmer entsprechenden Abtastpunkte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punktewolken vor. Für das dynamische Umgebungsobjekt lassen sich somit keine Bewegungsrichtungen bestimmen, und entsprechend kann hieraus auch kein Fluchtpunkt bestimmt werden. Auch kann es vorkommen, dass sich ein dynamisches Umgebungsobjekt so zum Fahrzeug bewegt, dass sich durch Nachverfolgen der Abtastpunkte des jeweiligen dynamischen Objekts kein Fluchtpunkt bestimmen lässt, beispielsweise weil die Bewegungsrichtungen der Abtastpunkte des dynamischen Objekts parallel zueinander verlaufen. Indem zur Bestimmung des Momentanfluchtpunkts ausschließlich die Abtastpunkte welche durch eine Lichtreflektion von statischen Umgebungsobjekten hervorgerufen wurden verwendet werden, lässt sich besonders zuverlässig ein tatsächlicher Momentanfluchtpunkt bestimmen. Zur Differenzierung zwischen statischen und dynamischen Umgebungsobjekten lassen sich bekannte Verfahren nutzen. Dabei ist es auch möglich eine Sensorfusion durchzuführen, um beispielsweise Informationen welche durch eine Kamerabildauswertung gewonnen wurden bei der Klassifizierung der statischen und dynamischen Umgebungsobjekte zu berücksichtigen.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Position des Momentanfluchtpunkts ein Einfluss eines aktiven Fahrwerks auf zumindest einen Nickwinkel des Fahrzeugs berücksichtigt. So kann es vorkommen, dass ein Fahrzeug aufgrund von Stellbewegungen eines aktiven Fahrwerks Nickbewegungen vollführt, wobei eine feste Beziehung vorliegt, wie weit sich der Momentanfluchtpunkt in Abhängigkeit eines Stellhubs des aktiven Fahrwerks vertikal bewegt. Diese Beziehung kann verwendet werden, um die vertikale Verschiebung des Momentanfluchtpunkts zum Referenzfluchtpunkt auszugleichen. Hierdurch wird verhindert, dass eine Dekalibrierung des Lidars aufgrund einer Stellbewegung eines aktiven Fahrwerks fälschlicherweise festgestellt wird.
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Bevorzugt werden zur Bestimmung der Position des Momentanfluchtpunkts nur dann Punktewolken berücksichtigt, wenn ein Betrag einer in eine Fahrzeuglängsachse gerichteten positiven oder negativen Fahrzeugbeschleunigung unterhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt, insbesondere unterhalb eines Grenzwerts in einer Größenordnung von +/- 2m/s2 Beschleunigt ein Fahrzeug vergleichsweise stark oder bremst vergleichsweise stark ab, so kann das Fahrzeug auch Nickbewegungen vollführen. Indem lediglich dann Punktewolken zur Bestimmung des Momentanfluchtpunkts ausgewertet werden, wenn die in Richtung der in Fahrzeuglängsachse vorliegender Fahrzeugbeschleunigung gleich oder kleiner des festgelegten Grenzwerts liegt, kann hierdurch sichergestellt werden, dass keine Nickbewegungen vom Fahrzeug vollführt werden, beziehungsweise diese Nickbewegungen innerhalb eines tolerierbaren Bereichs liegen. Insbesondere bei einer Fahrzeugbeschleunigung von +/- 2m/s2 oder weniger, können hierdurch hervorgerufene Nickbewegung zur Bestimmung der Position des Momentanfluchtpunkts besonders einfach kompensiert werden. Auch können bei dieser Beschleunigung erst gar keine Nickbewegungen vorliegen, da die Beschleunigungskräfte aufgrund einer Steifigkeit des Fahrwerks des Fahrzeugs nicht zu einer Nickbewegung führen.
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Bei einem Fahrzeug mit einem Lidar und einer Recheneinheit ist erfindungsgemäß die Recheneinheit dazu eingerichtet ein im vorigen beschriebenes Verfahren auszuführen. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug wie einen PKW, LKW, Transporter, Bus oder dergleichen handeln. Das Fahrzeug kann auch in Abhängigkeit von zumindest vom Lidar ausgegeben Abstandsinformationen wenigstens teilautomatisiert gesteuert werden. Das Lidar kann an einer beliebigen Stelle am Fahrzeug angeordnet sein, beispielsweise kann das Lidar in einen Kühlergrill des Fahrzeugs integriert sein und einen in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug liegenden Frontbereich erfassen. Zudem kann das Lidar auf beliebige Art und Weise am Fahrzeug befestigt sein. Dank einer Werkskalibrierung ist eine genaue Einbauposition und damit Ausrichtung des Lidars zum Fahrzeug bekannt, woraufhin Abstandsinformationen zwischen Umgebungsobjekten und Lidar für eine Berechnung von Abstandsinformationen zwischen den Umgebungsobjekten und dem Fahrzeug verwendet werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Fahrzeugs ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipdarstellung der Bestimmung einer Verschiebung eines Momentanfluchtpunkts gegenüber einem Referenzfluchtpunkt.
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Die Figur zeigt eine Ansicht einer Fahrzeugumgebung 1 aus Sicht eines an einem Fahrzeug angebrachten Lidars. Das Lidar sendet einen Laserstrahl zum Abtasten der Fahrzeugumgebung 1 aus, welcher von Umgebungsobjekten, hier in Form eines Baums, einer Fahrbahn und zwei Leitpfosten reflektiert wird, wobei die Reflektionen vom Lidar erfasst werden. Durch Auswerten einer Laufzeit zwischen Aussenden von Laserlicht und Empfangen der Reflektionen erzeugt das Lidar eine abstrahierte Karte der Fahrzeugumgebung 1 in Form von Punktewolken 2.1 und 2.2. Dabei sind die Punktewolken 2.1 und 2.2 zeitlich kurz hintereinander aufgezeichnet worden. Die Punktewolken 2.1 und 2.2 setzen sich aus einer Vielzahl einzelner Abtastpunkte 3 zusammen, wobei in der Figur aus Vereinfachungsgründen nur eine Auswahl dargestellt sind. Aufgrund einer Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs bewegen sich alle Abtastpunkte 3 auf das Fahrzeug zu, wodurch sich die Abtastpunkte 3 der Punktewolke 2.1 entlang einer jeweiligen Bewegungsrichtung 4 an eine entsprechende Position der Abtastpunkte 3 der Punktewolke 2.2 bewegen. Durch Fortführen der Bewegungsrichtungen 4 der Abtastpunkte 3 lässt sich ein Schnittpunkt bestimmen in dem ein Momentanfluchtpunkt 5 liegt. Bei einem kalibrierten Lidar fällt die Position des Momentanfluchtpunkts 5 mit der Position eines Referenzfluchtpunkts 6 zusammen.
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Kommt es zu einer Dekalibrierung des Lidars weist der Momentanfluchtpunkt 5 eine Verschiebung zum Referenzfluchtpunkt 6 auf. Dabei verschiebt sich der Momentanfluchtpunkt 5 gemäß einem kartesischen Koordinatensystem aus einer horizontalen X-Richtung und einer orthogonal auf dieser stehenden vertikalen Y-Richtung gemäß einer horizontalen Verschiebung ΔX und einer vertikalen Verschiebung ΔY zum Referenzfluchtpunkt 6. Durch Verschieben der Abtastpunkte 3 der Punktewolken 2.1 und 2.2 beziehungsweise der kontinuierlich vom Lidar ausgegebenen Punktewolken gemäß der Verschiebung ΔX und ΔY lässt sich die Dekalibrierung des Lidars ausgleichen, woraufhin eine korrekte Abstandsbestimmung zwischen Umgebungsobjekten und Fahrzeug wieder ermöglicht wird. Auch kann ein Koordinatensystem des Referenzfluchtpunkts 6 verschoben werden, um diesen mit dem Momentanfluchtpunkt 5 zur Deckung zu bringen.
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Führt das Fahrzeug Nickbewegungen aus, beispielsweise aufgrund von starken Beschleunigungs- oder Bremsmanövern oder aufgrund einer Stellbewegung eines aktiven Fahrwerks, so kommt es ebenfalls zu einer vertikalen Verschiebung zwischen Momentanfluchtpunkt 5 und Referenzfluchtpunkt 6, beziehungsweise die vertikale Lageabweichung ΔY vergrößert sich. Unter Berücksichtigung fester Beziehungen zwischen aus einer von einem aktiven Fahrwerk hervorgerufenen Nickbewegungen und daraus resultierenden vertikalen Verschiebungen lassen sich die aufgrund des Stellvorgangs des aktiven Fahrwerks hervorgerufenen Nickbewegungen bei der In-Betrieb-Kalibrierung des Lidars kompensieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064115 A1 [0005]
