WO2014180553A1 - Time-of-flight-system mit räumlich voneinander getrennten time-of-flight-empfangseinrichtungen und verfahren zur abstandsmessung von einem objekt - Google Patents

Time-of-flight-system mit räumlich voneinander getrennten time-of-flight-empfangseinrichtungen und verfahren zur abstandsmessung von einem objekt Download PDF

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WO2014180553A1
WO2014180553A1 PCT/EP2014/001188 EP2014001188W WO2014180553A1 WO 2014180553 A1 WO2014180553 A1 WO 2014180553A1 EP 2014001188 W EP2014001188 W EP 2014001188W WO 2014180553 A1 WO2014180553 A1 WO 2014180553A1
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WO
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time
flight
distance
receiving devices
transmitting device
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PCT/EP2014/001188
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Yosef Dalbah
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Audi Ag
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a time-of-flight system with spatially separated time-of-flight receiving devices and a method for measuring the distance of an object.
  • Devices and methods for distance determination often work according to the time-of-flight principle (transit time principle), whereby a signal emitted by a transmitting device (emitted) is reflected at an object and the reflected signal is detected by the receiving device immediately adjacent to the transmitting device. Based on the speed and the duration of the signal, the distance of the object from the receiving device can be determined.
  • time-of-flight principle transmission time principle
  • Time-of-flight cameras contain three essential components: an active illumination device, an imaging sensor device and a receiver optics.
  • the active illumination device emits modulated light, for example in the near infrared range.
  • Light that strikes an object or surface is reflected back to the camera and projected onto the image sensor using the receiving optics.
  • By correlating emitted and received signals it is possible to calculate for each pixel the distance of the illuminated object / scene from the sensor.
  • Time-of-flight cameras provide two different pieces of information for each pixel, the intensity (amplitude, gray value) and the distance (distance value, depth value) from the camera.
  • the acquired information then yields, for example, (an) amplitude image (s) and / or distance image (s), or such images can be generated from the information obtained.
  • a time-of-flight sensor is a matrix consisting of distance sensors made using traditional CMOS technology. Therefore, imaging and 3-D measurement capabilities with electronics such as analog-to-digital Converters, etc. are combined. All the "intelligence" of the time-of-flight sensor, including the distance calculation for each pixel, is integrated into the chip. Therefore, time-of-flight pixels are sometimes called "smart pixels.”
  • the resulting 3D information can then be further used and / or further processed in various ways.
  • a PMD sensor has a single or usually multi-cell array of PMD detector elements and a receiving optics.
  • the construction and operation of the various time-of-flight devices is known to those skilled in the art and / or can be found in the literature (for example, DE 197 04 496 A1, EP 1 777 747 A1, US Pat. No. 6,587,186 B2).
  • EP 2 306 426 A1 relates to a device for detecting vehicles on a traffic surface, having at least one time-of-flight camera interacting with an associated light transmitter for generating distance images of the traffic area and a time-of-flight Camera connected evaluation device for the detection of vehicles in the distance images.
  • a preferred embodiment of the device has at least two time-of-flight cameras cooperating with associated light transmitters for generating different distance images of the traffic surface, which are connected to a common evaluation device, wherein the light transmitters differ only in time. of-flight camera emitting detectable light.
  • a camera system with at least two 3D time-of-flight cameras, in particular PMD cameras, and an active illumination is known, wherein the two 3D time-of-flight cameras, preferably for Achieving a stereo effect, staggered to each other.
  • a method is known from this publication, in the distance and amplitude images of the first and second 3D time-of-flight cameras are detected and evaluated.
  • WO 2007/054359 A2 describes a device for monitoring a spatial area, in particular for securing a danger zone of an automated system, with a lighting device which at least temporarily emits light signals into the spatial area.
  • a first image pickup unit is for picking up a first image of the space area, the image pickup unit having an image sensor with a plurality of pixels.
  • An evaluation unit is designed to determine by means of transit time measurement a distance value for at least one spatial area point located in the spatial area and imaged on at least one pixel.
  • a test device is configured to compare at least a first and a second image in order to detect a faulty distance value.
  • a time-of-flight system for measuring the distance of an object which has a transmitting device for emitting modulated (eg intensity-modulated) electromagnetic radiation and at least two time-of-flight receiving devices each having a receiving optical system.
  • the time-of-flight receiving devices are designed for simultaneously receiving the modulated electromagnetic radiation emitted by the transmitting device and reflected by the object and arranged at different positions relative to the object.
  • the time-of-flight system has a control device, which is set up to operate the transmitting device, so that modulated electromagnetic radiation is emitted by the transmitting device, and the modulation signal for the electromagnetic radiation with each of the at least two times -of-flight receivers to synchronize.
  • the control device is configured to calculate the distance of the object from at least one of the time-of-flight receiving devices by at least one post-corrected geometric correction of the depth value of at least one of the time-of-flight receiving devices, which by means of Transmitting device emitted and reflected by the object modulated electromagnetic radiation is obtained.
  • the time-of-flight system is characterized in that the control device is further adapted to measure the distance (c) of the object from at least one of the time-of-flight receiving devices on the basis of the distance d
  • the transmitting device (active illumination) is located in the immediate vicinity of the receiving optics.
  • the electromagnetic radiation In order to enable a correct determination of the phase difference between emitted and received modulated electromagnetic radiation (often light signal), the electromagnetic radiation must be modulated synchronously with the time-of-flight sensor (sensor chip).
  • time-of-flight system which may be, for example, a PMD system
  • at least two time-of-flight receiving devices are arranged at different locations, and the exact distance data is determined by at least one post-geometric correction of the depth value obtained by at least one of the time-of-flight receiving devices.
  • time-of-flight receiving devices of the time-of-flight system Due to the freely selectable positioning of the time-of-flight receiving devices of the time-of-flight system, there is no need to accommodate the transmitting device and the time-of-flight receiving devices in a common space.
  • the positioning of the time-of-flight receiving devices can be selected such that the detection of the object to be detected or of the objects to be detected is as optimal as possible.
  • 3D data acquisition from different angles is made possible by a plurality of time-of-flight receiving devices (time-of-flight cameras), and the 3D distance data can be obtained synchronized in time by a plurality of time-of-flight receiving devices , This allows easy merging of the 3D Point data of multiple time-of-flight receiving devices.
  • the time-of-flight system according to the invention is designed to determine the distance of an object in an environment of a vehicle.
  • the present invention also includes a method for measuring the distance of an object by means of a time-of-flight system with a transmitting device for emitting modulated electromagnetic radiation, and at least two time-of-flight receiving devices, each with a receiving optics, wherein the at least two time-of-flight receiving devices are arranged at different positions relative to the object, and wherein the time-of-flight receiving devices are designed to simultaneously receive the modulated electromagnetic radiation emitted by the transmitting device and reflected by the object, and one Control device, which is set up to operate the transmitting device, so that the transmitting device emits a modulated electromagnetic radiation, and to synchronize the modulation signal for the electromagnetic radiation with each of the at least two time-of-flight receiving devices.
  • the distance of the object from at least one of the time-of-flight receiving devices is calculated by at least one post-corrected geometric correction of the depth value of at least one of the time-of-flight receiving devices by means of the control device emitted and reflected by the object modulated electromagnetic radiation is obtained.
  • the inventive method is characterized in that by the control device, the distance (c) of the object from at least one of
  • Time-of-flight receiving devices based on the distance d with
  • At least one first and second spatial model are determined from the distance images of the at least two time-of-flight receiving devices.
  • a third spatial model is determined from the stereoscopically evaluated amplitude images of the at least two time-of-flight receiving devices.
  • a common spatial model is determined on the basis of all determined spatial models.
  • the figure shows schematically the time-of-flight system according to the invention as well as a distance measurement of an object that can be carried out with it.
  • the time-of-flight system according to the invention has a transmitting device 1 for emitting modulated electromagnetic radiation (transmission signals, light signals). Furthermore, the time-of-flight system according to the invention has at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 ', each with a receiving optics 3, 3', the time-of-flight receiving devices 2, 2 for simultaneously receiving the emitted from the transmitting device 1 and reflected by the object 4 modulated electromagnetic radiation formed are. The at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 'are arranged at different positions relative to the object 4.
  • the time-of-flight system has a control device 5, which is connected to the transmitting device 1 and the time-of-flight receiving devices 2, 2 ', and which is adapted to operate the transmitting device 1, so that from the transmitting device 1 a modulated electromagnetic radiation is emitted. Furthermore, the control device 5 is set up to synchronize the modulation signal for the electromagnetic radiation with each of the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 '.
  • a plurality of time-of-flight receiving devices 2, 2 'and a transmitting device 1 can be used without faulty measurements occurring due to the superposition of light signals.
  • control device 5 is set up to adjust the distance of the object 4 from at least one of the time-of-flight receiving devices 2, 2 'by at least one trailing geometric correction of the depth value of at least one of the time-of-flight receiving devices 2, 2 ', which is obtained by means of the modulated electromagnetic radiation emitted by the transmitting device 1 and reflected by the object 4.
  • time-of-flight sensors time-of-flight sensors
  • Each time-of-flight sensor receives electromagnetic radiation from only one and the same source. From the known position of the radiation source and the intrinsic calibration of the receiving optics 3, 3 ', the true distance for each time-of-flight sensor can be determined from the measured.
  • time-of-flight cameras may experience distortion in the image. These are typical, for example, for optics with an opening angle of more than 45 °.
  • the optical imaging properties of a camera can be described with mathematical models. The process of determining the parameters of this model is called intrinsic calibration. In the case of an extrinsic calibration, however, the position and orientation of a camera relative to a determines their coordinate system, such as the mounting position of a camera in a vehicle.
  • An intrinsic calibration of a camera is not absolutely necessary, for example, for conventional visual hodometry (based on mono- or stereo camera systems), but in many cases it can serve to improve the accuracy and / or reduce the necessary computational effort.
  • the simplest model is represented by the perspective image. However, no distortions are considered in this model, although in practice they may even occur in simple optics. Therefore, the Bouguet model is typically used.
  • the Bouguet model can be used in practice in many cases because it is an extended perspective model that can also be used to model distortions to a certain extent. For distortions that occur with wide-angle lenses or omnidirectional cameras (up to 180 °), but the Bouguet model is not suitable. For such applications, Scaramuzza has developed a model that models such images very well.
  • Each pixel of a time-of-flight distance image can be assigned a solid angle based on the known optical imaging properties of the receiving optics (receiving lens). Since the position of the transmitting device 1 (radiation source, light source) is known relative to the receiving optics 3, 3 ', the object distance can be determined geometrically from the total distance covered by the electromagnetic radiation (of the light). This will be explained in more detail with reference to the figure.
  • the distance b and b 'from the receiving optics 3, 3' and the angles ⁇ , a 'between the direction vector of a pixel of the time-of-flight sensors 2, 2' (determined on the basis of the optical imaging properties of the lens) and the direction vector to the transmitting device 1 (light source) are known.
  • the distance of an object to a time-of-flight receiving device is explained only on the basis of the placeholders a, b, c and the angle ⁇ .
  • the same procedure results, only with correspondingly changed values a, b ', c', ⁇ '; a, b ", c", a ", etc.
  • the distance d which is defined, is calculated. is as a + c
  • the object distance can be geometrically determined from the total distance traveled by the radiation.
  • a time-of-flight system according to the invention in which the transmitting device 1 is arranged in the immediate vicinity of one of the time-of-flight receiving devices 2, 2 ', that is, for example, the design of a time-of-flight system according to the State of the art, a correction of the depth values only for the time-of-flight receiving device 3, 3 'is required, which has a greater distance from the transmitting device 1.
  • the transmitting device 1 and the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 ' are arranged spatially separated from one another.
  • the transmitting device 1 and the receiving devices 3, 3 'do not form a common, comparatively large unit, but a plurality of small units, so that they can be housed / mounted much easier in / on a device, such as at appropriate locations in / on a motor vehicle.
  • the transmitting device 1 in a motor vehicle in an upper region of the windscreen or in a central region of the front end and the time-of-flight receiving devices 2, 2 'with their receiving optics 3, 3' in the front headlights or the outside mirrors arranged be.
  • safety aspects must be taken into account in the transmitting device 1; for example, a transmitting device 1 with a comparatively high transmitting power, which may in principle be hazardous to health, should be mounted with respect to the height and / or the opening angle such that none of the transmitting device 1, for example emitted radiation hits the eyes of humans.
  • a transmitting device 1 may be mounted at a low point of a device, such as in the range of about 1 cm to about 1 m above the ground.
  • the distance between the transmitting device 1 and the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 'can have any suitable size and can be from about 20 cm to several meters (for example 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm, 80 cm, 90 cm, 1, 0 m, 1, 1 m,
  • the transmitting device 1 and the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 ' are spatially separated from each other and the control device 5 is adapted to the distance of the object 4 from the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 'by each a subsequent geometric correction of the depth values of each of the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2' to be calculated by the means of the transmitting device 1 and from the object 4 reflected modulated electromagnetic radiation can be obtained.
  • the aperture angle of the transmitter may be of any suitable size, for example between about 10 ° and 80 ° (for example 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, 35 °, 40 °, 45 °, 50 °, 60 °, 65 °, 70 °, 75 ° or 80 °).
  • a transmitting device 1 is intended to illuminate only a narrow solid angle, an opening angle in the range of approximately 10 ° to 30 ° is sufficient, and if a transmitting device 1 should illuminate a larger solid angle, an opening angle in the range of approximately 35 ° to 80 ° can be selected ,
  • a transmitting device 1 with a comparatively small opening angle can be used, for example, for illuminating a long range of a device, and a transmitting device 1 with a larger opening angle can be used, for example, for illuminating a near zone of a device.
  • a preferred example of a device is a motor vehicle.
  • the opening angle of the time-of-flight receiving means 2, 2 ' is not particularly limited and may have any suitable value, for example, an angle in the range of 40 ° to 80 °. If more than one time-of-flight system according to the invention is present in a device, the opening or detection angle of the time-of-flight receiving devices 2, 2 'should be selected so that as far as possible no radiation is received through it is sent by a non-to the time-of-flight system belonging transmitter.
  • the control device 5 may be developed such that it controls the transmitting devices and the time-of-flight receiving devices of several time-of-flight systems such that a clear assignment of the radiation emitted by the transmitting devices is ensured by the individual time-of-flight receiving devices.
  • the transmitting devices of the various time-of-flight systems can be operated alternately.
  • the transmitting device of each time-of-flight system emits electromagnetic radiation from the time-of-flight receiving devices of the other time-of-flight systems / time-of-flight systems can not be received.
  • the transmitting device 1 is designed to emit modulated (for example intensity-modulated) electromagnetic radiation (transmission signals) with a wavelength in the range from 00 nm to 1 mm.
  • the specified wavelength range encompasses the range of infrared radiation (about 780 nm to 1 mm), visible light (about 380 nm to 780 nm) and ultraviolet radiation (about 100 nm to 380 nm).
  • the transmitter can emit transmit signals at any suitable wavelength.
  • the inventive time-of-flight system and the inventive method is not limited to the generation and use of optical transmission signals and thus light waves.
  • the transmitting device 1 and the time-of-flight receiving devices 2, 2 ' can also be those which emit or detect microwaves or radar beams.
  • the transmitting devices 1 in the form of a laser, a diode and diode arrays , Fluorescent lamp, microwave transmitter and / or radar transmitter.
  • the control device 5 can be connected, for example, to a communication bus of a device, such as a CAN bus of a motor vehicle.
  • the time-of-flight system according to the invention can be designed in a preferred manner for determining the distance of an object 4 in an environment of a motor vehicle.
  • the transmitting device 1 and the at least two receiving devices 2, 2 ' can in principle be arranged at any desired, suitable positions of a motor vehicle.
  • the positioning of the components of the time-of-flight system according to the invention can be selected such that the illumination with the electromagnetic radiation and the detection of the object (s) is as optimal as possible.
  • better / more accurate measurement results can be obtained than is the case with solutions according to the prior art.
  • the inventive method for measuring the distance of an object makes use of a time-of-flight system (for example a PMD system) with a transmitting device 1 for emitting modulated electromagnetic radiation and at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 'with each one receiving optics 3, 3 ', wherein the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2' are arranged at different positions relative to the object 4.
  • the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 ' are designed to simultaneously receive the modulated electromagnetic radiation emitted by the transmitting device 1 and reflected by the object 4.
  • the time-of-flight system has a control device 5, which is connected to the transmitting device 1 and the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 '.
  • the transmitting device 1 transmits controlled modulated electromagnetic radiation by the control device 5.
  • the control device 5 is set up to synchronize the modulation signal for the electromagnetic radiation with each of the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 '.
  • the transmitting device 1 and the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2 ' are spatially separated from each other and by means of the control device 5 the distance of the object 4 from the at least two time -of-flight receiving means 2, 2 'are each calculated by means of a subsequent geometric correction of the depth values of each of the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2' which are emitted by the transmitting device 1 and reflected by the object 4 modulated electromagnetic radiation can be obtained.
  • distance and / or amplitude images of the at least two time-of-flight reception devices 2, 2 ' can be detected and can be obtained from the distance images of the at least two time-of-flight reception devices 2, 2 'at least a first and second spatial model are determined, from the stereoscopically evaluated amplitude images of the at least two time-of-flight receiving devices 2, 2', a third spatial model can be determined, and / or based on all determined spatial models, a common spatial model can be determined ,
  • time-of-flight receiving devices 2, 2 ' are advantageous, for example, when complex objects with undercuts and shadowing are to be detected.
  • geometric correction of the obtained depth values does not require that the time-of-flight receiving devices 2, 2 'be arranged on a common axis, but can be mounted on any suitable position of a device, such as a motor vehicle without detriment to the accuracy of the distance determination.
  • the time-of-flight system according to the invention and the method according to the invention are based on a runtime method.
  • a transmitting device 1 transmits its signals at a known signal speed into an environment. If the emitted signals are reflected at an object 4 within the environment acted upon by the signals, such as, for example, on a motor vehicle in front or on a stationary obstacle. The reflected signals are received by the time-of-flight receivers 2, 2 '.
  • the transit time of the transmitted and reflected signals is proportional to the distance between the object 4 and each of the time-of-flight receivers 2, 2 '.
  • the modulation signal for the electromagnetic radiation and the time-of-flight receiving devices 2, 2 'or the time-of-flight sensors contained therein are or are synchronized, erroneous measurements are avoided. And by the geometric correction of the depth values provided according to the invention, an error-free distance determination is achieved.
  • the evaluated signals can be interpreted, visualized, used and / or further processed in any way known to a person skilled in the art.
  • all suitable devices known to a person skilled in the art for example hardware and software can be used. These may be part of the time-of-flight system according to the invention or separate therefrom.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Time-of-Flight-System zur Abstandsmessung von einem Objekt, mit einer Sendeeinrichtung (1) zum Aussenden von modulierter elektromagnetischer Strahlung, wenigstens zwei Time-of- Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') mit je einer Empfangsoptik (3, 3'), wobei die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung (1) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind, und wobei die zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') an unterschiedlichen Positionen relativ zum Objekt (2) angeordnet sind, sowie einer Steuereinrichtung (5) welche dazu eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung (1) zu betreiben, so dass von der Sendeeinrichtung (1) eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird, und das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zu synchronisieren, wobei die Steuereinrichtung (5) weiter dazu eingerichtet ist, den Abstand des Objekts (4) von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zu berechnen, der mittels der von der Sendeeinrichtung (1) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren.

Description

Time-of-Flight-System mit räumlich voneinander getrennten Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen und Verfahren zur Abstandsmessung von einem
Objekt
BESCHREIBUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Time-of-Flight-System mit räumlich voneinander getrennten Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen und ein Verfahren zur Abstandsmessung von einem Objekt.
Vorrichtungen und Verfahren zur Abstandsbestimmung arbeiten häufig nach dem Time-of-Flight-Prinzip (Laufzeitprinzip), wobei ein von einer Sendeeinrichtung ausgesandtes (emittiertes) Signal an einem Objekt reflektiert und das reflektierte Signal von der zur Sendeeinrichtung unmittelbar benachbar- ten Empfangseinrichtung detektiert wird. Anhand der Geschwindigkeit und der Laufzeit des Signals kann die Entfernung des Objekts von der Empfangseinrichtung ermittelt werden.
Time-of-Flight-Kameras enthalten drei wesentliche Komponenten: eine aktive Beleuchtungseinrichtung, eine bilderzeugende Sensoreinrichtung sowie eine Empfangsoptik. Die aktive Beleuchtungseinrichtung strahlt moduliertes Licht, beispielsweise im nahen Infrarot-Bereich aus. Licht, das auf ein Objekt oder eine Oberfläche trifft, wird zu der Kamera zurück reflektiert und mit Hilfe der Empfangsoptik auf den Bildsensor projiziert. Durch eine Korrelation von emit- tierten und empfangenen Signalen ist es möglich, für jedes Pixel die Entfernung des/der beleuchteten Objekts/Szene von dem Sensor zu berechnen. Time-of-Flight-Kameras liefern für jedes Pixel zwei verschiedene Informationen, die Intensität (Amplitude, Grau-Wert) und den Abstand (Distanzwert, Tiefenwert) von der Kamera. Die erfassten Informationen ergeben dann bei- spielsweise (ein) Amplitudenbild(er) und/oder Distanzbild(er) oder es können derartige Bilder aus den erhaltenen Informationen erzeugt werden.
Ein Time-of-Flight-Sensor ist eine Matrix, bestehend aus Distanz-Sensoren, der in herkömmlicher CMOS-Technologie gefertigt ist. Daher können Bildgebung und 3-d-Messmöglichkeiten mit Elektronik wie Analog-Digital- Wandler usw. kombiniert werden. Alle "Intelligenz" des Time-of-Flight- Sensors, einschließlich der Distanz-Berechnung für jeden Pixel, ist in dem Chip integriert. Time-of-Flight-Pixel werden daher manchmal auch„intelligente Pixel" genannt.
Die erhaltene 3D-lnformation kann dann auf verschiedene Weise weiterverwendet und/oder weiterverarbeitet werden.
Eine der bekanntesten Vorrichtung zur Abstandsbestimmung nach dem Ti- me-of-Flight-Prinzip ist ein PMD-System bzw. PMD-Kamerasystem. In einem solchen PMD-Kamerasystem ist ein Photomischdetektor (auch PMD-Sensor genannt; PMD = Photonic Mixing Device) als Sensor enthalten. Ein PMD- Sensor weist ein ein- bzw. in der Regel mehrzelliges Array von PMD- Detektorelementen und eine Empfangsoptik auf. Der Aufbau und die Funktionsweise der verschiedenen Time-of-Flight- Vorrichtungen ist Fachleuten bekannt und/oder können der Literatur (beispielsweise DE 197 04 496 A1 , EP 1 777 747 A1 , US 6 587 186 B2) entnommen werden. Die EP 2 306 426 A1 hat eine Vorrichtung zur Detektion von Fahrzeugen auf einer Verkehrsfläche zum Gegenstand, mit zumindest einer mit einem zugehörigen Lichtsender zusammenwirkenden Time-of-Flight-Kamera zum Erzeugen von Entfemungsbildern der Verkehrsfläche und einer an die Time-of- Flight-Kamera angeschlossenen Auswerteeinrichtung zur Detektion von Fahrzeugen in den Entfernungsbildern. Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung weist zumindest zwei mit zugehörigen Lichtsendern zusammenwirkende Time-of-Flight-Kameras zum Erzeugen von unterschiedlichen Entfernungsbildern der Verkehrsfläche aus, welche an eine gemeinsame Auswerteeinrichtung angeschlossen sind, wobei die Lichtsender unterschied- liches, nur von der jeweils zugehörigen Time-of-Flight-Kamera detektierbares Licht abstrahlen.
Aus der DE 10 2009 046 108 A1 ist ein Kamerasystem mit mindestens zwei 3D-Time-of-Flight-Kameras, insbesondere PMD-Kameras, und einer aktiven Beleuchtung bekannt, wobei die beiden 3D-Time-of-Flight-Kameras, vorzugsweise zur Erzielung eines Stereoeffekts, versetzt zueinander angeordnet sind. Weiter ist aus dieser Offenlegungsschrift ein Verfahren bekannt, bei dem Distanz- und Amplitudenbilder der ersten und zweiten 3D-Time-of- Flight-Kameras erfasst und ausgewertet werden.
Und die WO 2007/054359 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs, insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage, mit einer Beleuchtungseinrichtung, die zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich aussendet. Eine erste Bildaufnahmeeinheit dient zum Aufnehmen eines ersten Abbildes des Raumbereichs, wobei die Bildaufnahmeeinheit einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten besitzt. Eine Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, mittels Laufzeitmessung einen Abstandswert für mindestens einen im Raumbereich befindlichen und auf mindestens einen Bildpunkt abgebildeten Raumbereichspunkt zu bestimmen. Eine Prüfeinrichtung ist dazu ausgebildet, mindestens ein erstes und ein zweites Abbild zu vergleichen, um einen fehlerhaften Abstandswert zu erkennen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Abstandsbestimmung von Objekten vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Time-of-Flight-System gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Erfindungsgemäß wird ein Time-of-Flight-System zur Abstandsmessung von einem Objekt vorgeschlagen, das eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von modulierter (z.B. intensitätsmodulierter) elektromagnetischer Strahlung und wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen mit je einer Empfangsoptik aufweist. Die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen sind zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von dem Objekt reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet und an unterschiedlichen Positionen relativ zum Objekt angeordnet. Weiter weist das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System eine Steuereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung zu betreiben, so dass von der Sendeeinrichtung eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird, und das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen zu synchronisieren. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Abstand des Objekts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen zu berechnen, der mit- tels der von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von dem Objekt reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird.
Das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung weiter dazu eingerichtet ist, den Abstand (c) des Objekts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen auf Grundlage der Distanz d mit
a + c
=——
2
(wobei a = Distanz zwischen Sendeeinrichtung und Objekt und c = Distanz zwischen Objekt und Empfangsoptik)
mittels des Kosinussatzes für Dreiecke zu berechnen, derart dass
b2 - 4d2
c
21) o s a - 4d
(wobei b = Distanz zwischen Empfangsoptik und Sendeeinrichtung, und α = Winkel zwischen Richtungsvektor eines Pixels der Time-of-Flight- Empfangseinrichtung und dem Richtungsvektor zur Sendeeinrichtung).
Bei herkömmlichen Time-of-Flight-Systemen befindet sich die Sendeeinrichtung (aktive Beleuchtung) in unmittelbarer Nähe zur Empfangsoptik. Um eine korrekte Bestimmung der Phasendifferenz zwischen ausgesandter und empfangener modulierter elektromagnetischer Strahlung (oftmals Lichtsignal) zu ermöglichen, muss die elektromagnetische Strahlung synchron zum Time-of- Flight-Sensor (Sensorchip) moduliert werden.
Dies hat den Nachteil, dass bei Verwendung von zwei Kameras, die denselben Bereich messen, aufgrund einer Überlagerung der elektromagnetischen Strahlung (z.B. Lichtsignal) Fehlmessungen auftreten.
Dieser Nachteil kann dadurch überwunden werden, dass zwei oder mehrere Time-of-Flight-Sensoren eine gemeinsame modulierte elektromagnetische Strahlung als Signal verwenden, wobei das odulationssignal der elektro- magnetischen Strahlung mit allen Time-of-Flight-Sensoren synchronisiert wird. Durch die räumlich nahe Anordnung von Sendeeinrichtung und Time-of- Flight-Empfangseinrichtungen ergeben sich jedoch Einschränkungen in Bezug auf die Positionierung der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen, so dass ein zu detektierendes Objekt oftmals nicht optimal erfasst werden kann, insbesondere was seine dreidimensionale Position im Raum betrifft. Auch benötigt ein Time-of-Flight-System nach dem Stand der Technik, bei dem die Sendeeinrichtung und die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, einen vergleichsweise großen Bauraum, der beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oftmals nicht zur Verfü- gung steht.
Bei einer Abweichung von dem gerade erwähnten Konstruktionsprinzip, beispielsweise bei räumlich getrennter Anordnung der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen, ergeben sich aber große Ungenauigkeiten in Bezug auf die Distanzmessung.
Diese Nachteile des Stands der Technik werden durch das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System überwunden. Bei dem erfindungsgemäßen Time- of-Flight-System, bei dem es sich beispielsweise um ein PMD-System han- dein kann, sind wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (beispielsweise wenigstens zwei PMD-Empfangseinrichtungen) an unterschiedlichen Orten angeordnet, und es werden die genauen Distanzdaten durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen erhaltenen Tiefenwerts ermit- telt.
Durch die frei wählbare Positionierung der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen des Time-of-Flight-Systems besteht keine Notwendigkeit, die Sendeeinrichtung und die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen in einen gemeinsamen Bauraum unterzubringen. Die Positionierung der Ti- me-of-Flight-Empfangseinrichtungen kann so gewählt werden, dass die Erfassung des zu detektierenden Objekts bzw. der zu detektierenden Objekte möglichst optimal ist. Durch die vorliegende Erfindung wird eine 3D-Datenerfassung aus verschiedenen Winkeln durch mehrere Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (Time- of-Flight-Kameras) ermöglicht und die 3D-Distanzdaten können von mehreren Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen zeitlich synchronisiert gewonnen werden. Dies ermöglicht eine problemlose Zusammenführung der 3D- Punktdaten mehrerer Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen. Die entstehenden Punktwolken enthalten somit Messpunkte aus unterschiedlichen Winkeln. Dies führt zu einer Verbesserung der nachfolgenden Datenverarbeitung. Time-of-Flight-Kamerasysteme mit mehreren Empfangsoptiken werden durch Nutzung einer gemeinsamen Sendeeinrichtung (Beleuchtung) ohne Leistungsverlust günstiger. Zudem sinkt der spezifische Energieverbrauch des Time-of-Flight-Systems je verwendeter Time-of-Flight- Empfangseinrichtung und es ist keine Absenkung der Bildfrequenz bei Verwendung von mehreren Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (Time-of- Flight-Kameras) erforderlich.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind bei dem Time-of-Flight-System die Sendeeinrichtung und die wenigstens zwei Time- of-Flight-Empfangseinrichtungen räumlich getrennt voneinander angeordnet und ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Abstand des Objekts von den wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen durch je eine nachgesetzte geometrische Korrektur der Tiefenwerte einer jeden der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen zu berechnen, die durch die mittels der Sendeeinrichtung ausgesandte und von dem Objekt reflektierte modulierte elektromagnetische Strahlung erhalten werden.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sendeeinrichtung zum Aussenden von modulierter (z.B. intensitätsmodulierter) elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 1 mm ausgebildet.
Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System zur Abstandsbestimmung eines Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Abstandsmessung eines Objekts mittels eines Time-of-Flight-Systems mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von modulierter elektromagnetischer Strahlung, und wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen mit je einer Emp- fangsoptik, wobei die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen an unterschiedlichen Positionen relativ zum Objekt angeordnet sind, und wobei die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von dem Objekt reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind, und einer Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung zu betreiben, so dass von der Sendeeinrichtung eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird, und das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen zu synchronisieren.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der Steuereinrichtung der Abstand des Objekts von wenigstens einer der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen berechnet, der mittels der von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von dem Objekt reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung der Abstand (c) des Objekts von wenigstens einer der
Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen auf Grundlage der Distanz d mit
+ c
(wobei a = Distanz zwischen Sendeeinrichtung und Objekt und c = Distanz zwischen Objekt und Empfangsoptik) mittels des Kosinussatzes für Dreiecke berechnet wird, derart dass
b2 - 4d2
c =
2fica s - 4d
(wobei b = Distanz zwischen Empfangsoptik und Sendeeinrichtung und α = Winkel zwischen Richtungsvektor eines Pixels der Time-of-Flight- Empfangseinrichtung und dem Richtungsvektor zur Sendeeinrichtung).
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens sind die Sendeeinrichtung und die wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen räumlich getrennt voneinander angeordnet und wird mittels der Steuereinrichtung der Abstand des Objekts von den wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen durch eine nachgesetzte geometrische Korrektur der Tiefenwerte einer jeden der wenigstens zwei Time- of-Flight-Empfangseinrichtungen berechnet, die mittels der von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von dem Objekt reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten werden. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden Distanz- und/oder Amplitudenbilder der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen erfasst. Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden aus den Distanzbildern der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen wenigstens ein erstes und zweites Raummodell ermittelt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird aus den stereoskopisch ausgewerteten Amplitudenbildern der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen ein drittes Raummodell ermittelt.
Und gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird auf Grundlage aller ermittelten Raummodelle ein gemeinsames Raummodell ermittelt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand einer beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System sowie eine damit durchführbare Abstandsmessung von einem Objekt.
Die Darstellungen in der Figur sind rein schematisch und nicht maßstabsge- recht. Innerhalb der Figur sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, weist das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System eine Sendeeinrichtung 1 zum Aussenden von modulierter elektromagnetischer Strahlung (Sendesignale, Lichtsignale) auf. Wei- ter weist das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System wenigstens zwei Ti- me-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' mit je einer Empfangsoptik 3, 3' auf, wobei die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung 1 ausgesandten und von dem Objekt 4 reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind. Die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' sind an unterschiedlichen Positionen relativ zum Objekt 4 angeordnet.
Weiter weist das Time-of-Flight-System eine Steuereinrichtung 5 auf, welche mit der Sendeeinrichtung 1 und den Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung 1 zu betreiben, so dass von der Sendeeinrichtung 1 eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird. Weiter ist die Steuereinrichtung 5 dazu eingerichtet, das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' zu synchronisieren.
Auf diese Weise können mehrere Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' und eine Sendeeinrichtung 1 verwendet werden, ohne dass durch Überla- gerung von Lichtsignalen Fehlmessungen auftreten.
Weiter ist die Steuereinrichtung 5 dazu eingerichtet, den Abstand des Objekts 4 von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' zu berechnen, der mittels der von der Sendeeinrichtung 1 ausgesandten und von dem Objekt 4 reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird. Erfindungsgemäß werden die Messungen aller Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (Time-of-Flight-Sensoren) synchron durchgeführt. Jeder Time-of-Flight-Sensor (Empfangschip) erhält elektromagnetische Strahlung aus nur ein und derselben Quelle. Aus der bekannten Position der Strahlungsquelle und der intrinsischen Kalibrierung der Empfangsoptiken 3, 3' kann die wahre Distanz für jeden Time-of-Flight-Sensor aus der gemessenen bestimmt werden.
Je nach Art der Optik können bei Time-of-Flight-Kameras Verzerrungen in der Abbildung auftreten. Typisch sind diese zum Beispiel für Optiken mit ei- nem Öffnungswinkel von mehr als 45°. Die optischen Abbildungseigenschaften einer Kamera können mit mathematischen Modellen beschrieben werden. Der Prozess, bei dem die Parameter dieses Modells bestimmt werden, nennt man intrinsische Kalibrierung. Bei einer extrinsischen Kalibrierung wird hingegen die Position und Orientierung einer Kamera gegenüber einem an- deren Koordinatensystem ermittelt, wie zum Beispiel die Einbaulage einer Kamera in einem Fahrzeug.
Eine intrinsische Kalibrierung einer Kamera ist beispielsweise für konventio- nelle visuelle Hodometrie (auf Basis von Mono- oder Stereo- Kamerasystemen) nicht zwingend erforderlich, sie kann in vielen Fällen jedoch zur Verbesserung der Genauigkeit und/oder zur Verringerung des nötigen Rechenaufwandes dienen.
Das einfachste Modell wird durch die perspektivische Abbildung repräsentiert. Allerdings werden in diesem Modell keine Verzerrungen berücksichtigt, obwohl diese in der Praxis selbst bei einfachen Optiken vorkommen können. Daher wird in der Regel das Modell nach Bouguet verwendet. Das Bouguet- Modell ist in der Praxis in vielen Fällen verwendbar, da es ein erweitertes perspektivisches Modell darstellt, mit dem sich auch Verzerrungen bis zu einem gewissen Grad gut modellieren lassen. Für Verzerrungen, die bei Weitwinkelobjektiven oder omnidirektionalen Kameras (bis über 180°) auftreten, ist aber auch das Bouguet-Modell nicht geeignet. Für derartige Anwendungsfälle wurde von Scaramuzza ein Modell entwickelt, welches solche Abbildungen sehr gut modelliert.
Jedem Pixel eines Time-of-Flight-Distanzbildes kann anhand der bekannten optischen Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik (Empfangslinse) ein Raumwinkel zugeordnet werden. Da die Position der Sendeeinrichtung 1 (Strahlungsquelle, Lichtquelle) relativ zur Empfangsoptik 3, 3' bekannt ist, kann die Objektdistanz geometrisch aus der gesamten zurückgelegten Strecke der elektromagnetischen Strahlung (des Lichts) bestimmt werden. Dies soll anhand der Figur näher erläutert werden. Die Distanz b und b' von der Empfangsoptik 3, 3' und die Winkel α, a' zwischen dem Richtungsvektor eines Pixels der Time-of-Flight-Sensoren 2, 2' (wird anhand der optischen Abbildungseigenschaften der Linse bestimmt) und dem Richtungsvektor zur Sendeeinrichtung 1 (Lichtquelle) sind bekannt. Im nachfolgenden Berechnungsbeispiel wird die Distanz eines Objekts zu einer Time-of-Flight-Empfangseinrichtung lediglich anhand der Platzhalter a, b, c und dem Winkel α dargelegt. Für jede weitere Time-of-Flight- Empfangseinrichtung ergibt die gleiche Vorgehensweise, lediglich mit entsprechend geänderten Werten a, b', c', α'; a, b", c", a"; etc. Berechnet wird aufgrund des Laufzeitprinzips die Distanz d, die definiert . ist als a + c
d =———
2 (1)
Nach a aufgelöst ergibt sich a = 2d - c (2) Gesucht ist die Entfernung c, also die wahre Distanz.
Bestimmt werden kann c beispielsweise anhand des Kosinussatzes für Dreiecke a- = b2 + c2 - 2 · b - c■ co s a (3)
Wird nun (2) in (3) eingesetzt und nach c aufgelöst, kann c bestimmt werden. b2 - 4d2
c =
2&co s £r - 4d (4)
Auf diese Weise kann die Objektdistanz geometrisch aus der gesamten zurückgelegten Strecke der Strahlung bestimmt werden. Bei einem erfindungsgemäßen Time-of-Flight-System, bei dem die Sendeeinrichtung 1 in unmittelbarer Nähe zu einer der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' angeordnet ist, also beispielsweise die Bauform eines Time-of-Flight-Systems gemäß dem Stand der Technik aufweist, ist eine Korrektur der Tiefenwerte nur für die Time-of-Flight- Empfangseinrichtung 3, 3' erforderlich, die einen größeren Abstand zu der Sendeeinrichtung 1 aufweist.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Time-of-Flight-Systems ist vorgesehen, dass die Sendeeinrichtung 1 und die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung bilden die Sendeeinrichtung 1 und die Empfangseinrichtungen 3, 3' keine gemeinsame, vergleichsweise große Baueinheit, sondern mehrere kleine Baueinheiten, so dass diese wesentlich einfacher in/an einer Vorrichtung, wie beispielsweise an geeigneten Stellen in/an einem Kraftfahrzeug untergebracht/angebracht werden können. Beispielsweise kann die Sendeeinrichtung 1 bei einem Kraftfahrzeug in einem oberen Bereich der Frontscheibe oder in einem mittleren Bereich der Frontpartie und können die Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' mit ihren Empfangsoptiken 3, 3' im Bereich der Frontscheinwerfer oder der Außenspiegel angeordnet sein. Bei der Sendeeinrichtung 1 müssen gegebenenfalls Sicherheitsaspekte berücksichtigt wer- den, beispielsweise sollte eine Sendeeinrichtung 1 mit einer vergleichsweise hohen Sendeleistung, die grundsätzlich gesundheitsgefährdend sein kann, in Bezug auf die Höhe und/oder den Öffnungswinkel so angebracht sein, dass z.B. keine von der Sendeeinrichtung 1 ausgesandte Strahlung auf die Augen von Menschen trifft. Beispielsweise kann eine derartige Sendeinrichtung 1 an einer tiefen Stelle einer Vorrichtung, etwa im Bereich von etwa 1 cm bis etwa 1 m über dem Boden angebracht sein.
Durch den Ausdruck„räumlich getrennt" soll ein Abstand ausgerückt werden, der größer ist, als dies bei den Time-of-Flight-Systemen nach dem Stand der Technik mit möglichst naher Anordnung von Sendeeinrichtung und Time-of- Flight-Empfangseinrichtungen der Fall ist. Der Abstand zwischen der Sendeeinrichtung 1 und den wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' kann jede beliebige geeignete Größe aufweisen und kann von etwa 20 cm bis zu mehreren Metern betragen (beispielsweise 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm, 80 cm, 90 cm, 1 ,0 m, 1 ,1 m,
1.2 m, 1 ,3 m, 1 ,4 m, 1 ,5 m, 1 ,6 m, 1 ,7 m, 1 ,8 m, 1 ,9 m, 2,0 m, 2,1 m, 2,2 m,
2.3 m, 2,4 m, 2,5 m, etc.). Auch kann der Abstand zwischen der Sendeeinrichtung 1 und jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' unterschiedlich groß sein.
Bei dieser ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Time-of-Flight-Systems sind die Sendeeinrichtung 1 und die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' räumlich voneinander getrennt und ist die Steuereinrichtung 5 dazu eingerichtet, den Abstand des Objekts 4 von den wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' durch je eine nachgesetzte geometrische Korrektur der Tiefenwerte einer jeden der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' zu berechnen, die durch die mittels der Sendeeinrichtung 1 ausgesandte und von dem Objekt 4 reflektierte modulierte elektromagnetische Strahlung erhalten werden. Dies bedeutet, dass bei einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Time-of-Flight-Systems mit beispielsweise zwei, drei oder mehr räumlich voneinander getrennten Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' mittels der Steuereinrichtung für jede der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' eine geometrische Korrektur der Tiefenwerte durchgeführt wird.
Der Öffnungswinkel der Sendeeinrichtung kann jede geeignete Größe aufweisen, beispielsweise zwischen etwa 10° und 80° (beispielsweise 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 60°, 65°, 70°, 75° oder 80°). Wenn eine Sendeeinrichtung 1 nur einen schmalen Raumwinkel ausleuchten soll, ist ein Öffnungswinkel im Bereich von etwa 10° bis 30° ausreichend, und wenn eine Sendeeinrichtung 1 einen größeren Raumwinkel ausleuchten soll, kann ein Öffnungswinkel im Bereich von etwa 35° bis 80° gewählt werden. Eine Sen- deeinrichtung 1 mit einem vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel kann beispielsweise für die Ausleuchtung eines Fernbereichs einer Vorrichtung eingesetzt werden, und eine Sendeeinrichtung 1 mit einem größeren Öffnungswinkel kann beispielsweise für die Ausleuchtung eines Nahbereichs einer Vorrichtung eingesetzt werden. Ein bevorzugtes Beispiel für eine Vorrichtung ist ein Kraftfahrzeug.
Auch der Öffnungs- bzw. Erfassungswinkel der Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' ist nicht besonders beschränkt und können jeden geeigneten Wert, beispielsweise einen Winkel im Bereich von 40° bis 80°, aufweisen. Sind bei einer Vorrichtung mehr als ein erfindungsgemäßes Time-of-Flight-System vorhanden, sollte der Öffnungs- bzw. Erfassungswinkel der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' so gewählt werden, dass durch diesen möglichst keine Strahlung empfangen wird, die von einer nicht zu dem Time-of-Flight-System gehörenden Sendeeinrichtung ausgesandt wird. Alternativ hierzu kann in einem solchen Fall auch die Steuereinrichtung 5 so weitergebildet sein, dass sie die Sendeeinrichtungen und die Time-of- Flight-Empfangseinrichtungen von mehreren Time-of-Flight-Systemen derart steuert, dass eine eindeutige Zuordnung der von den Sendeeinrichtungen ausgesendeten Strahlung durch die einzelnen Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen sichergestellt ist. Beispielsweise können hierbei die Sendeeinrichtungen der verschiedenen Time-of-Flight-Systeme alternierend betrieben werden. Auch ist es denkbar, dass bei einem solchen Fall die Sendeeinrichtung eines jeden Time-of-Flight-Systems eine elektromagnetische Strahlung aussendet, die von den Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen des/der anderen Time-of-Flight-Systems/Time-of-Flight-Systeme nicht empfangen werden kann.
Da durch die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' des erfindungsge- mäßen Time-of-Flight-Systems eine 3D-Datenerfassung für ein Objekt 4 aus verschiedenen Winkeln erreicht werden soll, müssen sich die Erfassungsbereiche der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' wenigstens teilweise überschneiden. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Sendeeinrichtung 1 zum Aussenden von modulierter (z.B. intensitätsmodulierter) elektromagnetischer Strahlung (Sendesignale) mit einer Wellenlänge im Bereich von 00 nm bis 1 mm ausgebildet ist. Der angegebene Wellenlängenbereich umschließt den Bereich von Infrarot-Strahlung (etwa 780 nm bis 1 mm), sichtbarem Licht (etwa 380 nm bis 780 nm) und Ultraviolett-Strahlung (etwa 100 nm bis 380 nm). Innerhalb des angegebenen Wellenlängenbereichs kann die Sendeeinrichtung Sendesignale mit einer jeden geeigneten Wellenlänge aussenden.
Das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System und das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Erzeugung und Verwendung von optischen Sendesignalen und somit Lichtwellen beschränkt. Vielmehr können die Sendeeinrichtung 1 und die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' auch solche sein, die Mikrowellen oder Radarstrahlen aussenden bzw. detektie- ren. Dementsprechend kann beispielsweise die Sendeeinrichtungen 1 in Form eines Lasers, einer Diode und Dioden-Arrays, Leuchtstofflampe, Mikrowellensender und/oder Radarsender vorliegen.
Die Steuereinrichtung 5 kann beispielsweise mit einem Kommunikationsbus einer Vorrichtung, wie etwa einem CAN-Bus eines Kraftfahrzeugs verbunden sein.
Das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System kann in bevorzugter Weise zur Abstandsbestimmung eines Objekts 4 in einem Umfeld eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Bei dem erfindungsgemäßen Time-of-Flight-System können die Sendeeinrichtung 1 und die wenigstens zwei Empfangseinrichtung 2, 2' grundsätzlich an beliebigen verschiedenen, geeigneten Positionen eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Es besteht keine Notwendigkeit, die Sendeeinrichtung 1 und die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' mit ihren Empfangsoptiken 3, 3' in einem gemeinsamen Bauraum unterzubrin- gen. Dadurch kann die Positionierung der Komponenten des erfindungsgemäßen Time-of-Flight-Systems so gewählt werden, dass die Ausleuchtung mit der elektromagnetischen Strahlung und die Erfassung des/der Objekts/Objekte möglichst optimal ist. Hierdurch können bei einem vergleichs- weise geringen Energiebedarf und mit hoher Bildfrequenz bessere/genauere Messergebnisse erhalten werden, als dies mit Lösungen nach dem Stand der Technik der Fall ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abstandsmessung eines Objekts macht Gebrauch von einem Time-of-Flight-System (beispielsweise einem PMD-System) mit einer Sendeeinrichtungen 1 zum Aussenden von modulierter elektromagnetischer Strahlung und wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' mit je einer Empfangsoptik 3, 3', wobei die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' an unterschiedli- chen Positionen relativ zum Objekt 4 angeordnet sind. Die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' sind zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung 1 ausgesandten und von dem Objekt 4 reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet. Das Time-of-Flight-System weist eine Steuereinrichtung 5 auf, die mit der Sende- einrichtung 1 und den wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' verbunden ist.
Die Sendeeinrichtung 1 sendet durch die Steuereinrichtung 5 gesteuert modulierte elektromagnetische Strahlung aus. Gleichzeitig ist die Steuereinrich- tung 5 dazu eingerichtet, das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' zu synchronisieren.
Mittels der Steuereinrichtung 5 wird der Abstand des Objekts 4 von wenigs- tens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' berechnet, der mittels der von der Sendeeinrichtung 1 ausgesandten und von dem Objekt 4 reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird.
Die geometrische Korrektur der Tiefenwerte ist oben bereits beschrieben worden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens sind die Sendeeinrichtung 1 und die wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' räumlich getrennt voneinander angeordnet und wird mittels der Steuereinrichtung 5 der Abstand des Objekts 4 von den we- nigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' durch je eine nachgesetzte geometrische Korrektur der Tiefenwerte einer jeden der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' berechnet, die mittels der von der Sendeeinrichtung 1 ausgesandten und von dem Objekt 4 reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten werden.
Gemäß weiterer vorteilhafter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Distanz- und/oder Amplitudenbilder der wenigstens zwei Ti- me-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' erfasst werden, kann aus den Distanzbildern der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' wenigstens ein erstes und zweites Raummodell ermittelt werden, kann aus den stereoskopisch ausgewerteten Amplitudenbildern der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' ein drittes Raummodell ermittelt werden, und/oder kann auf Grundlage aller ermittelten Raummodelle ein gemeinsames Raummodell ermittelt werden.
Die Verwendung von mehr als zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn komplexe Objekte mit Hinterschneidungen und Abschattungen erfasst werden sollen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene geometrische Korrektur der erhaltenden Tiefenwerte müssen die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' erfindungsgemäß selbstverständlich nicht auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein, sondern können an jeder beliebigen geeigneten Position einer Vorrichtung, wie etwa einem Kraftfahrzeug, angebracht/eingebaut sein, ohne dass hierdurch eine Verschlechterung der Genauigkeit der Entfernungsbestimmung zu befürchten wäre.
Das erfindungsgemäße Time-of-Flight-System und das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem Laufzeitverfahren. Hierbei sendet eine Sende- einrichtung 1 ihre Signale mit einer bekannten Signalgeschwindigkeit in ein Umfeld aus. Werden die ausgesandten Signale an einem Objekt 4 innerhalb des von den Signalen beaufschlagten Umfelds, wie zum Beispiel an einem vorausfahrenden Kraftfahrzeug oder an einem stehenden Hindernis reflek- tiert, werden die reflektierten Signale von den Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen 2, 2' empfangen.
Die Laufzeit der ausgesendeten und reflektierten Signale ist zu dem Abstand zwischen dem Objekt 4 und jeder der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' proportional. Indem das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung und die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen 2, 2' bzw. die darin enthaltenen Time-of-Flight-Sensoren synchronisiert sind bzw. werden, werden Fehlmessungen vermieden. Und durch die erfindungsgemäß vorgese- hene geometrische Korrektur der Tiefenwerte wird eine fehlerfreie Abstandsbestimmung erreicht.
Die ausgewerteten Signale können auf jede einem Fachmann bekannte Weise interpretiert, visualisiert, verwendet und/oder weiterverarbeitet wer- den. Hierzu können alle geeigneten und einem Fachmann bekannten Vorrichtungen (z.B. Hard- und Software) verwendet werden. Diese können Bestandteil des erfindungsgemäßen Time-of-Flight-Systems oder hiervon getrennt sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Time-of-Flight-System zur Abstandsmessung von einem Objekt, mit einer Sendeeinrichtung (1) zum Aussenden von modulierter elektro- magnetischer Strahlung,
wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') mit je einer Empfangsoptik (3, 3'), wobei die Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung (1 ) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagneti- sehen Strahlung ausgebildet sind, und wobei die zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (2, 2') an unterschiedlichen Positionen relativ zum Objekt (2) angeordnet sind,
einer Steuereinrichtung (5) welche dazu eingerichtet ist,
die Sendeeinrichtung (1) zu betreiben, so dass von der Sendeeinrich- tung (1) eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird, und das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zu synchronisieren, und
den Abstand (c, c') des Objekts (4) von wenigstens einer der Time-of- Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of- Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zu berechnen, der mittels der von der Sendeeinrichtung (1) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (5) weiter dazu eingerichtet ist, den Abstand (c) des Objekts (4) von wenigstens einer der Time-of-Flight-
Empfangseinrichtungen (2, 2') auf Grundlage der Distanz d mit
a + c wobei a = Distanz zwischen Sendeeinrichtung (1) und Objekt (4) und c = Distanz zwischen Objekt (4) und Empfangsoptik (3, 3')
mittels des Kosinussatzes für Dreiecke zu berechnen, derart dass
b1 - 4rö2
Figure imgf000020_0001
wobei b = Distanz zwischen Empfangsoptik (3, 3') und Sendeeinrichtung (1), und α = Winkel zwischen Richtungsvektor eines Pixels der Time-of-Flight- Empfangseinrichtung (2, 2') und dem Richtungsvektor zur Sendeeinrichtung
(1)-
2. Time-of-Flight-System gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sendeeinrichtung (1) und die wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (2, 2') räumlich getrennt voneinander angeordnet sind und die Steuereinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, den Abstand des Objekts (4) von den wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') durch eine nachgesetzte geometrische Korrektur der Tiefenwerte einer jeden der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zu berechnen, die mittels der von der Sendeeinrichtung (1) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten werden.
3. Time-of-Flight-System gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sendeeinrichtung (1) zum Aussenden von modulierter elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 1 mm ausgebildet ist.
4. Time-of-Flight-System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
es zur Abstandsbestimmung eines Objekts (4) in einem Umfeld eines Fahrzeugs ausgebildet ist.
5. Verfahren zur Abstandsmessung eines Objekts (4) mittels eines Time- of-Flight-Systems mit einer Sendeeinrichtung (1) zum Aussenden von modulierter elektromagnetischer Strahlung, und wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (2, 2') mit je einer Empfangsoptik (3, 3'), wobei die wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') an unterschiedlichen Positionen relativ zum Objekt (4) angeordnet sind und zum gleichzeitigen Empfangen der von der Sendeeinrichtung (1) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind, und einer Steuereinrichtung (5), welche dazu eingerichtet ist, die Sendeeinrichtung (1) zu betreiben, so dass von der Sendeeinrichtung (1) eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird, und das Modulationssignal für die elektromagnetische Strahlung mit jeder der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') zu synchronisieren, und mittels der Steuereinrichtung (5) der Abstand des Objekts (4) von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') durch wenigstens eine nachgesetzte geometrische Korrektur des Tiefenwerts von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') berechnet wird, der mittels der von der Sendeeinrichtung (1 ) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Steuereinrichtung (5) der Abstand (c, c') des Objekts (4) von wenigstens einer der Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') auf Grundlage der Distanz d mit
a + c wobei a = Distanz zwischen Sendeeinrichtung (1) und Objekt (4) und c = Distanz zwischen Objekt (4) und Empfangsoptik (3, 3')
mittels des Kosinussatzes für Dreiecke berechnet wird, derart dass
b2 - 4d2
Figure imgf000022_0001
wobei b = Distanz zwischen Empfangsoptik (3, 3') und Sendeeinrichtung (1 ), und α = Winkel zwischen Richtungsvektor eines Pixels der Time-of-Flight- Empfangseinrichtung (2, 2') und dem Richtungsvektor zur Sendeeinrichtung (1).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sendeeinrichtung (1) und die wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (2, 2') räumlich getrennt voneinander angeordnet sind und mittels der Steuereinrichtung (5) der Abstand des Objekts (4) von den wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') durch ei- ne nachgesetzte geometrische Korrektur der Tiefenwerte einer jeden der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') berechnet wird, die mittels der von der Sendeeinrichtung (1) ausgesandten und von dem Objekt (4) reflektierten modulierten elektromagnetischen Strahlung erhalten werden.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
Distanz- und/oder Amplitudenbilder der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (2, 2') erfasst werden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass aus den Distanzbildern der wenigstens zwei Time-of-Flight- Empfangseinrichtungen (2, 2') wenigstens ein erstes und zweites Raummodell ermittelt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
aus den stereoskopisch ausgewerteten Amplitudenbildern der wenigstens zwei Time-of-Flight-Empfangseinrichtungen (2, 2') ein drittes Raummodell ermittelt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf Grundlage aller ermittelten Raummodelle ein gemeinsames Raummodell ermittelt wird.
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