Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Distanzmes- sung.

Stand der Technik

LIDAR (Abkürzung für„light detection and ranging") Sensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen eine Sendematrix zum Aussenden von Messpulsen sowie eine Empfangsmatrix zum Empfangen von reflektierten Messpulsen, die an Ob- jekten innerhalb des Messbereichs des Sensors reflektiert wurden. Anhand des Time of Flight-Prinzips wird mithilfe der Lichtgeschwindigkeit auf die Distanz zu den Objek- ten, an denen die Messpulse reflektiert wurden, geschlossen. Derartige 3D-LIDAR- Sensoren sind allerdings sehr anfällig für eine Fehlausrichtung zwischen der Sende- matrix und der Empfangsmatrix. Liegt eine Fehlausrichtung vor, kommt es zu einer verminderten Reichweite des 3D-LIDAR-Sensors, oder im Falle einer starken Fehlaus- richtung sogar zu einem blinden Fleck der Distanzmessung.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Distanzmessung derart zu verbessern, dass die Reichweite, in anderen Worten die Länge des Messbereichs, in dem auf die Distanz zu Objekten geschlossen werden kann, maximiert wird.

Gelöst wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur optischen Distanz- messung, das das Aussenden von Messpulsen mittels einer Sendematrix, die Reflekti- on von ausgesandten Messpulsen an mindestens einem Objekt und das Empfangen von reflektierten Messpulsen mittels einer Empfangsmatrix umfasst. Die Sendematrix umfasst eine Vielzahl von Sendeelementen, während die Empfangsmatrix eine Viel- zahl von Empfangselementen umfasst. Ferner weisen die Empfangselemente jeweils eine Vielzahl von Empfangsunterelementen auf. Das Verfahren umfasst eine Überwa- chung von Empfangsraten von Empfangsunterelementen der Empfangsmatrix um ei- ne Fehlausrichtung zwischen der Sendematrix und der Empfangsmatrix festzustellen. Insbesondere werden die Empfangsraten von reflektierten und empfangenen Mess- pulsen von Empfangsunterelementen überwacht.

Bei dem von dem Objekt reflektierten Messpuls handelt es sich um einen Messpuls, der zuvor ausgesendet wurde, sodass sich durch die Reflektion an dem Objekt seine Ausbreitungsrichtung verändert hat. Man kann den reflektierten Messpuls somit als Echo des ausgesendeten Messpulses verstehen. Insbesondere wird mittels des Ver- fahrens die Laufzeit der Messpulse zu den Objekten, an denen diese reflektiert wur- den, ermittelt und aus dieser mithilfe der Lichtgeschwindigkeit die von dem jeweiligen Messpuls zurückgelegte Distanz zu dem Objekt bestimmt. Dabei müssen nicht sämtli- che ausgesandte Messpulse an Objekten reflektiert werden, sondern es sein kann, dass Messpulse an keinem Objekt reflektiert werden und somit nicht in Form eines reflektierten Messpulses von der Empfangsmatrix empfangen werden.

Eine optische Distanzmessung zeichnet sich dadurch aus, dass unter Ausnutzung von optischen Signalen, hier optischen Messpulsen, Distanzen bestimmt werden. Unter dem Begriff „Distanz" ist eine Entfernung zu verstehen. Unter der vom Messpuls zu- rückgelegten Distanz ist die Strecke zwischen dem Sendeelement, das den Messpuls ausgesandt hat, und dem Objekt, das diesen reflektiert hat, plus der Strecke zwischen dem Objekt und dem Empfangselement, das den entsprechenden reflektierten Mess- puls empfangen hat, zu verstehen. Insbesondere umfasst das Verfahren die Berück- sichtigung der genauen Position des Sendeelementes und des Empfangselementes, insbesondere in Relation zueinander. Da es sich bei dem mindestens einen Objekt ty- pischerweise um ein dreidimensionales Objekt handelt, sodass einige Bereiche des Objektes näher und andere Bereiche des Objektes weiter entfernt angeordnet sein können, ist mit dem Begriff„Distanz zu dem Objekt" die Entfernung zu zumindest ei- ner Stelle des Objektes gemeint, und zwar der Stelle, auf die der Messpuls aufgetrof- fen und an der diese reflektiert wurde. Mit Laufzeit ist die Zeit zu verstehen, die der Messpuls für die zuvor beschriebene Distanz gebraucht hat. Das Verfahren dient vor allem zur Distanzmessung zur Anwendung in der fahrerlosen Navigation von Fahrzeu- gen. Dafür werden die Distanzen zu sämtlichen Objekten, die in einem Messbereich liegen, bestimmt.

Bei einem Messpuls handelt es sich insbesondere um ein optisches, insbesondere elektromagnetisches, Signal. Der Messpuls ist vorteilhafterweise ein Lichtpuls, das heißt ein Puls mit einer Wellenlänge aus dem für das menschliche Auge sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum. Bevorzugterweise weist ein Messpuls eine Pulsdauer auf, sodass man den Messpuls als eine zeitlich begrenzte Portion elekt- romagnetischer Strahlung verstehen kann. Da es sich beim Messpuls um ein elektro- magnetisches Signal handelt und somit die Geschwindigkeit des Messpulses bekannt ist, kann aus der Laufzeit eines Messpulses mithilfe der Lichtgeschwindigkeit darauf geschlossen werden, welche Strecke der Messpuls in der Laufzeit hinter sich gebracht hat.

Unter dem Begriff„Sendematrix" ist insbesondere ein Array von Sendeelementen zu verstehen. Eine Matrix kann insbesondere als dreidimensional, insbesondere platten- förmiger, Körper verstanden werden, auf dessen einen Oberfläche die entsprechen- den Elemente, Sendeelemente oder Empfangselemente, angeordnet sind. Vorzugs- weise handelt es sich bei den Sendeelementen jeweils um einen Laser, sodass die Sendematrix als Laser-Array zu verstehen ist.

Bei der Empfangsmatrix handelt es sich insbesondere um eine fotosensitive Flächen- matrix. Dies bedeutet, dass eine Oberfläche der Empfangsmatrix fotosensitiv ausge- bildet ist und sich somit zum Empfangen von zuvor von der Sendematrix ausgesand- ten und an Objekten reflektierten Messpulsen eignet. Insbesondere handelt es sich bei der Empfangsmatrix um einen Zellendetektor aus Dioden, insbesondere Avalan- che-Photodioden, am meisten bevorzugt Einzelphoton-Avalanche-Dioden, oder Pin- Dioden.

Die Empfangsmatrix umfasst Empfangselemente und Empfangsunterelemente. Die Empfangsunterelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Untereinheit der Empfangselemente darstellen. Vorteilhafterweise können einem Empfangselemente mindestens 4, bevorzugterweise mindestens 6, am meisten bevorzugt mindestens 10, Empfangsunterelemente und/oder höchstens 30, ferner bevorzugt höchstens 25, am meisten bevorzugt höchstens 20, Empfangselemente als Untereinheit des Emp- fangselementes zugeordnet werden. Insbesondere handelt es sich bei den Emp- fangselementen um Pixel, während die Empfangsunterelemente durch Subpixel gebil- det werden. Dabei unterscheiden sich Pixel und Subpixel insbesondere durch deren Größenordnung. Ein Subpixel deckt vorzugsweise höchstens , ferner bevorzugt höchstens 1/6, am meisten bevorzugt höchstens 1/10 und/oder mindestens 1/30, ferner bevorzugt mindestens 1/25, am meisten bevorzugt mindestens 1/20, der Flä- che eines Pixels ab. Die Subpixel sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sie eine zusammenhängende Fläche, und zwar die Fläche des Pixels, bilden. Ferner können Subpixel logisch verodert sein.

Die Empfangselemente und/oder Empfangsunterelemente der Empfangsmatrix sind insbesondere in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die Zeilen untereinander und die Spalten untereinander einen konstanten Abstand zueinander aufweisen können oder deren Abstand variieren kann.

Insbesondere umfasst ein Empfangselement mindestens zwei, insbesondere mindes- tens vier, besonders bevorzugt 16, Empfangsunterelemente. Die Empfangsmatrix sel- ber umfasst insbesondere eine Vielzahl von Empfangselementen, die vor allem in 128 Zeilen und 256 Spalten angeordnet sind.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Definition der Empfangselemente und der Empfangsunterelemente innerhalb der Empfangsmatrix. Insbesondere umfasst die Definition die genaue örtliche Platzierung der Empfangselemente und Empfangsun- terelemente, in anderen Worten eine Festlegung deren Koordinaten innerhalb der fotosensitiven Oberfläche der Empfangsmatrix.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass von mindestens zwei Empfangsun- terelementen der Empfangsmatrix die Empfangsraten überwacht werden. Typischer- weise wird ein reflektierter Messpuls aufgrund seines Durchmessers auf mehr als ein Empfangsunterelement der Empfangsmatrix abgebildet. Die Empfangsrate ist vor- zugsweise als Anzahl der mithilfe des entsprechenden Empfangsunterelementes emp- fangenen Photonen des Messpulses zu verstehen. Der Einfachheit halber werden Empfangselemente, von denen Empfangsunterelemente überwacht werden, als überwachte Empfangselemente bezeichnet. Die Überwachung umfasst vorzugsweise das Bestimmen der Empfangsrate zu ver- schiedenen Zeitpunkten und die Beobachtung des zeitlichen Verhaltens der Raten. In anderen Worten wird die zeitliche Änderung der Empfangsrate überwacht. Alternativ oder zusätzlich kann die Empfangsrate an sich, d.h. in absoluter Weise, überwacht werden. Bspw. kann mindestens ein Schwellwert festgelegt werden, unter die die Empfangsrate eines überwachten Empfangsunterelementes nicht sinken sollte. Ferner kann die Überwachung einen Vergleich der Empfangsraten der überwachten Emp- fangsunterelemente desselben Empfangselementes umfassen. Dies dient vorteilha- ferweise dazu eine„Verschiebung" einer Abbildung eines Messpulses auf die über- wachten Empfangsunterelemente zu ermitteln.

Insbesondere umfasst das Verfahren das Feststellen einer Fehlausrichtung. Bei Unter- schreiten des Schwellwertes mindestens eines Empfangsunterelementes, vorzugswei- se mindestens 25 %, ferner bevorzugt mindestens 50 %, der überwachten Empfangs- unterelemente kann eine Fehlausrichtung festgestellt werden. Ferner kann ein Schwellwert hinsichtlich der relativen Änderung der Empfangsrate festgelegt werden. Vorteilhafterweise kann eine Fehlausrichtung festgestellt werden, wenn eine Emp- fangsrate mindestens eines überwachten Empfangsunterelementes auf einen Wert unter 75 %, vorzugsweise einen Wert unter 50 %, eines anfangs gemessenen Wertes sinkt.

Insbesondere werden Empfangsraten von Empfangsunterelementen von mindestens zwei Empfangselementen überwacht. Es werden somit vorteilhafterweise Empfangs- unterelemente von unterschiedlichen Empfangselementen überwacht. Die Überwa- chung von mehr als zwei Empfangselementen ist vorteilhaft, um sämtliche optisch mögliche Fehlausrichtungen, insbesondere geometrischen Verschiebungen und Krümmungen, zwischen Sendematrix und Empfangsmatrix zu erfassen.

Insbesondere umfasst das Verfahren eine Zuordnung, insbesondere 1:1 Zuordnung, von Sendeelementen der Sendematrix zu Empfangselementen der Empfangsmatrix. Ferner umfasst das Verfahren eine Abstimmung von Sendeelementen zu den zuge- ordneten Empfangselementen. In anderen Worten wird festgelegt und durch entspre- chende Anordnung der Sendematrix zur Empfangsmatrix umgesetzt, auf welche Emp- fangsunterelemente der Empfangselemente die Messpulse des jeweiligen Sendeele- mentes abgebildet werden. In einem weiteren Schritt umfasst das Verfahren die Defi- nition von zu überwachenden Empfangselementen und Empfangsunterelementen. Die zu überwachenden Empfangsunterelemente sind vorteilhafterweise genau die Empfangsunterelemente, auf die die Messpulse der Sendeelemente abgebildet wer- den.

Für eine maximale Reichweite der Distanzmessung ist es vorteilhaft, wenn keine Feh I- ausrichtung der Sendematrix auf die Empfangsmatrix vorliegt. Optimalerweise ist so- mit die Sendematrix exakt auf die Empfangsmatrix abgestimmt. In anderen Worten werden die jeweiligen Messpulse exakt auf insbesondere einen zentralen Bereich der Empfangselemente abgebildet. Durch eine Überwachung der Empfangsraten kann festgestellt werden, ob die Abstimmung zwischen Sendematrix und Empfangsmatrix noch optimal ist. Flat sich die Ausrichtung verschoben, werden sich die Empfangsraten entsprechend verändern. Somit kann eine Fehlausrichtung auf effektive Art und Wei- se erkannt werden. Eine Fehlausrichtung liegt dann vor, wenn ein Messpuls eines Sendeelementes nicht mehr in einem zentralen Bereich des entsprechenden Emp- fangselementes abgebildet wird beziehungsweise gar nicht mehr auf das Emp- fangselement abgebildet wird.

Bei dem Verfahren handelt es sich insbesondere um kein Flash-Verfahren, sondern um ein scannendes Verfahren, bei dem Sendeelemente der Sendematrix sequentiell, insbesondere nach Zeilen und/oder Spalten, angesteuert werden.

Das Verfahren dient zur Navigation eines Fahrzeuges, insbesondere einer fahrerlosen Navigation eines Fahrzeuges, wobei die Überwachung während einer Fahrt des Fahr- zeuges durchgeführt wird. Die Überwachung findet bevorzugterweise während, d.h. parallel zu, einer optischen Distanzmessung statt. Insbesondere umfasst das Verfah- ren die Bestimmung mindestens einer Distanz zu mindestens einem Objekt, wobei die Überwachung während der Bestimmung der mindestens einen Distanz erfolgt. Die Bestimmung der mindestens einen Distanz zu mindestens einem Objekt und die Überwachung erfolgen vor allem anhand derselben ausgesandten und empfangenen Messpulse. Es werden somit Messdaten, die zur Überwachung einer der Empfangsra- ten und somit einer potenziellen Feststellung einer Fehlausrichtung verwendet wer- den, gleichzeitig auch zur Distanzmessung zu Objekten eingesetzt. Eine Fehlausrich- tung kann daher sofort erkannt und korrigiert werden. Bevorzugterweise definieren die Sendematrix und die Empfangsmatrix einen Messbe- reich, in anderen Worten ein Sichtfeld, aus dem Reflektionen zu erwarten sind. Die Länge des Sichtfeldes beziehungsweise des Messbereichs wird insbesondere als Reichweite des Verfahrens beziehungsweise einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bezeichnet. Zur Feststellung einer Fehlausrichtung werden Messpulse in den Messbereich ausgesandt und deren Reflektionen empfangen nach Reflektion an Objekten, die sich im Messbereich befinden. Auf Basis der empfangenen Messpulse werden die Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente bestimmt und überwacht. Dabei umfasst das Verfahren insbesondere kein bewusstes Einbringen von Messobjekten in das Sichtfeld, anhand derer eine Fehlausrichtung festgestellt werden soll. Vielmehr findet die Überwachung auf Basis von zufällig im Sichtfeld befindlichen Objekten statt. Es wird demnach gezielt kein Messobjekt in das Sichtfeld eingebracht, das lediglich der Überwachung einer Fehlausrichtung dient, sondern die Überwachung kann während einer Fahrt eines Fahrzeuges, anhand von realen Objekten, das heißt nicht bewusst in das Sichtfeld eingebrachten Objekten, bestimmt werden. Dies er- möglicht eine Überwachung während einer Fahrt. Durch die Fehlausrichtungsfeststel- lung sind geringere Anforderungen an die Justage von Sendematrix und Empfangs- matrix gegeben, da eine mögliche Fehlausrichtung sofort erkannt und korrigiert wer- den kann. Ferner resultiert diese in einer Aufweichung der Justagetoleranzen. Die Komplexität des Optikträgers der Empfangsmatrix zur Vermeidung von hohen Tole- ranzen wird reduziert. Ferner kann eine maximale Reichweite über alle Umfeldbedin- gungen hinweg garantiert werden, während gleichzeitig das Signalrauschverhältnis optimiert wird.

Ferner verwendet das Verfahren vorzugsweise keine Rückreflektion eines Teils der ausgesandten Messpulse innerhalb der Empfangsmatrix um eine Fehlausrichtung festzustellen.

Bevorzugterweise umfasst das Verfahren das Deaktivieren von nicht überwachten Empfangsunterelementen, während überwachte Empfangsunterelemente aktiv sind.

Insbesondere werden die Empfangsraten von jeweils mindestens zwei Empfangsun- terelementen von mindestens drei, bevorzugterweise mindestens fünf, am meistens bevorzugt mindestens neun, Empfangselementen überwacht. Vorzugsweise werden nicht sämtliche Empfangsunterelemente eines Empfangselementes überwacht. Insbe- sondere werden maximal 50 % aller Empfangsunterelemente, vorzugsweise maximal 25 %, aller Empfangsunterelemente überwacht.

Insbesondere ist mindestens ein überwachtes Empfangselement in einer äußersten Zeile oder einer äußersten Spalte der Empfangsmatrix angeordnet. Insbesondere um- fassen die überwachten Empfangselemente die Empfangselemente, die die Ecken der Empfangsmatrix bilden.

Im Falle von drei überwachten Empfangselementen sind diese vorzugsweise in einem Dreieck angeordnet, während bei der Überwachung von vier Empfangselementen ei- ne viereckige Anordnung von Vorteil ist. Bei fünf Empfangselementen ist vor allem eine viereckige Anordnung mit einem Empfangselement in der Mitte am meistens bevorzugt (analog zu der Darstellung einer Fünf mithilfe von Punkten auf einem Wür- fel). Werden neun Empfangselemente zur Überwachung herangezogen, sind diese insbesondere in drei Reihen und drei Spalten angeordnet (analog zu der Darstellung einer Neun mithilfe von Punkten auf einem Würfel).

Vorteilhafterweise werden die Empfangsraten von mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, am meisten bevorzugt mindestens vier, Empfangsunterelementen pro Empfangselement überwacht. Die überwachten Empfangsunterelemente sind insbesondere in einem zentralen Bereich innerhalb des entsprechenden Emp- fangselementes angeordnet. Insbesondere bilden die zwei, drei oder vier Empfangs- unterelemente die inneren, zentral angeordneten Empfangsunterelemente des über- wachten Empfangselementes. Insbesondere umfasst das Verfahren keine messtechni- sche Bestimmung eines Bereichs eines Empfangselementes, bspw. von Empfangsun- terelementen eines Empfangselementes, der bei einer optimalen Ausrichtung be- leuchtet werden soll. Eine Fehlausrichtung wird direkt durch eine Überwachung von Empfangsraten festgestellt und nicht durch einen Vergleich der Position einer Abbil dung eines Messpulses mit einer optimalen Position.

Beim Feststellen einer Fehlausrichtung zwischen der Sendematrix und der Empfangs- matrix wird insbesondere keine Ausrichtung von Optiken, insbesondere einer Vorrich- tung zur Durchführung des Verfahrens, durchgeführt um die Fehlausrichtung zu korri- gieren. Insbesondere wird beim Feststellen einer Fehlausrichtung zwischen der Sen- dematrix und der Empfangsmatrix eine Neudefinition von Empfangselementen und/oder Empfangsunterelementen durchgeführt. Zuvor örtlich definierte Emp- fangselemente und/oder Empfangsunterelemente werden auf Basis der Fehlausrich- tung neu definiert. Insbesondere findet eine Veränderung der Koordinaten der Emp- fangselemente und/oder Empfangsunterelemente auf der fotosensitiven Fläche der Empfangsmatrix statt. Somit kann eine Fehlausrichtung korrigiert werden. Ferner kann das Verfahren eine Neudefinition der nun überwachten Empfangsunterelemente umfassen. Insbesondere werden die nun neu definierten Empfangsunterelemente überwacht, wobei die vorherigen Empfangsunterelemente, deren Empfangsraten sich zu stark verändert haben und/oder deren absolute Empfangsrate zu gering ist, nicht mehr überwacht werden. Ferner kann das Verfahren eine neue Veroderung, d.h. eine Veränderung der logischen Verknüpfung, zwischen den neu definierten Empfangsun- terelementen und dem jeweiligen Empfangselement umfassen. In anderen Worten werden die neu definierten Empfangsunterelemente in logischer Kombination mit den anderen überwachten Empfangsunterelementen und dem zugehörigen Emp- fangselementes gebracht, während nicht mehr überwachte Empfangselemente nicht mehr logisch verknüpft werden.

Ferner kann bei Feststellen einer Fehlausrichtung zwischen der Sendematrix und der Empfangsmatrix eine Neuzuordnung von Sendeelementen zu Empfangselementen und/oder Empfangsunterelementen stattfinden. In anderen Worten wird die Abstim- mung zwischen Sendeelementen und Empfangselementen beziehungsweise Emp- fangsunterelementen neu festgelegt, sodass die Fehlausrichtung ausgeglichen wird. Beispielsweise können, insbesondere wenn die Auflösung der Sendematrix der der Empfangsunterelemente entspricht, bei Fehlausrichtungen benachbarte Sendeele- mente verwendet werden statt der durch eine vorherige Definition bestimmten Sen- deelemente. Bei der vorherigen Definition handelt es sich vor allem um eine Basiska- libration, die im letzten Schritt der Fierstellung einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sozusagen„end of line", durchgeführt wurde.

Insgesamt erfolgt durch die Neudefinition von Empfangsunterelementen und/oder Empfangselementen und/oder die Neuzuordnung von Sendeelementen zu Emp- fangselementen und/oder Empfangsunterelementen eine direkte Korrektur der Fehl- ausrichtung, die stets dem Ergebnis der Überwachung angepasst ist. Die Überwa- chung ist ebenfalls dynamisch, da sie keine fest definierten Empfangselemente bzw. Empfangsunterelemente verwendet, sondern die zu überwachenden Empfangsele- mente bzw. Empfangsunterelemente an die Ergebnisse der Überwachung, insbeson- dere an zuvor festgestellte Fehlausrichtungen, angepasst werden.

Vorteilhafterweise ist einem Bodenbereich des Sichtfeldes mindestens ein Emp- fangselement, vorzugsweise mehrere Empfangselemente, zugeordnet. Die Sende- matrix und die Empfangsmatrix sind demnach vorzugsweise derart angeordnet, dass diese Empfangselemente Messpulse empfangen, die zuvor am Boden oder an in Bo- dennähe befindlichen Objekten reflektiert wurden. Insbesondere werden die Emp- fangsraten von Empfangsunterelementen von mindestens einem Empfangselement überwacht, die einem Bodenbereich zugeordnet werden können. Insbesondere kön- nen sämtliche dem Bodenbereich zugeordnete Empfangselemente überwacht wer- den. Die Überwachung von dem Bodenbereich zugeordneten Empfangselementen ist aus dem Grund besonders vorteilhaft, da unabhängig von einer Umgebung des Fahr- zeuges, zumindest sehr regelmäßig Reflektionen aus dem Bodenbereich zu erwarten sind. Somit kann eine regelmäßige Überwachung gewährleistet werden.

Besonders bevorzugt werden die Empfangsraten der überwachten Empfangsun- terelemente eines Empfangselementes mittels einer jeweils zugeordneten Auswer- teeinheit bestimmt. Es werden somit die überwachten Empfangsunterelemente, die demselben Empfangselement zugeordnet werden können, separat ausgewertet, in- dem jedem einzelnen der Empfangsunterelemente eine eigene Auswerteeinheit zu- geordnet ist. Die Auswerteeinheit ist vor allem dazu ausgebildet, die empfangenen Messpulse in digitale Daten umzuwandeln. Bei der Auswerteeinheit handelt es sich insbesondere um einen Time-to-Digital Converter. Die den überwachten Empfangsun- terelementen zugeordneten Auswerteeinheiten dienen vor allem ausschließlich dazu, die Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente zu bestimmen und überwachen.

Den Auswerteeinheiten können weitere Empfangsunterelemente des jeweiligen Emp- fangselementes zugeordnet sein, die allerdings nicht überwacht werden. Vor allem können einer Auswerteeinheit vier Empfangsunterelemente zugeordnet werden. Ins- besondere sind die weiteren zugeordneten Empfangsunterelemente während der Be- stimmung einer Empfangsrate allerdings deaktiviert, sodass nur ein aktives, d.h. überwachtes, Empfangsunterelement einer Auswerteeinheit zugeordnet ist. Es wer- den somit mithilfe einer Auswerteeinheit ganz gezielt ausschließlich Photonen„ge- zählt", die von einem einzigen überwachten Empfangsunterelement stammen.

In anderen Worten wird eine 1:1 Zuordnung zwischen Auswerteeinheit und über- wachtem Empfangsunterelement pro Zeit erreicht. Durch Multiplexing können die Auswerteeinheiten zu einem anderen Zeitpunkt je einem anderen überwachten Emp- fangsunterelement eines anderen Empfangselementes, bspw. eines Empfangselemen- tes einer anderen Spalte oder Zeile, zugeordnet sein.

Die Empfangselemente der Empfangsmatrix sind insbesondere in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die Empfangsraten von überwachten Empfangsunterelementen von innerhalb derselben Zeile oder Spalte angeordneten Empfangselementen gleich- zeitig ausgewertet werden. In anderen Worten werden überwachte Empfangselemen- te, die sich in derselben Zeile oder derselben Spalte befinden, gleichzeitig ausgewer- tet. Da es sich bei dem Verfahren um ein scannendes Verfahren handelt, wird zur Auswertung dieser in derselben Spalte oder Zeile befindlichen Empfangselemente die entsprechende Zeile oder Spalte der Sendematrix angesteuert, sodass diese die dort angeordneten Sendeelemente Messpulse aussenden. Empfangselemente weiterer Zeilen oder Spalten werden durch sequentielles Ansteuern der Sendematrix ausge- leuchtet und durch ein Anbinden der Spalten und/oder Zeilen der Empfangsmatrix über einen Multiplexer an die Ausweitereinheiten angebunden.

Die bestimmten Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente werden in einer Datenratentabelle hinterlegt. Aus den Daten, d.h. den hinterlegten Empfangsra- ten, dieser Datenratentabelle kann bestimmt werden, wie sich die Empfangsraten über die Zeit entwickeln. Insbesondere umfasst das Verfahren eine statistische Analy- se der Empfangsraten der Datenratentabelle, vorzugsweise eine Ermittlung eines zeit- lichen Verhaltens der Empfangsraten. Ferner können die Daten mit einem Schwell- wert für die Empfangsrate verglichen werden. Insbesondere können die Daten der Datenratentabelle zur Reichweiteneinschätzung verwendet werden.

Ferner umfasst das Verfahren das Erstellen einer Aktivierungstabelle. Aus dieser kann entnommen werden, wie die Empfangsunterelemente verodert sind. Das Verfahren umfasst insbesondere eine Aktualisierung von Daten der Aktivie- rungstabelle auf Basis der Überwachung der Empfangsunterelemente. Dadurch kann eine Neudefinition von Empfangselementen und/oder Empfangsunterelementen und/oder eine Neuzuordnung von Empfangselementen und/oder Empfangsunterele- menten zu Sendeelementen erreicht werden.

Nach einer Neudefinition von Empfangsunterelementen und/oder Empfangselemen- ten werden die Daten der Datenratentabelle upgedatet. Das bedeutet, dass nun die Empfangsraten der neu überwachten Empfangsunterelemente hinterlegt werden und nicht mehr die der nun nicht mehr überwachten Empfangsunterelemente.

Es handelt sich somit bei der Datenratentabelle und/oder der Aktivierungstabelle um eine dynamische Tabelle, die den Ergebnissen der Überwachung, insbesondere einer zuvor festgestellten Fehlausrichtung, angepasst wird.

Die Aktivierungstabelle kann ferner als„Look up" Tabelle für die Bestimmung der mindestens einen Distanz dienen, in anderen Worten der eigentlichen Distanzmes- sung. Das Verfahren umfasst vor allem eine Verwendung der Daten der Aktivie- rungstabelle zur Bestimmung mindestens einer Distanz zu mindestens einem Objekt. Die Bestimmung mindestens einer Distanz zu mindestens einem Objekt umfasst vor allem das Aussenden von Messpulsen, die Reflektion von ausgesandten Messpulsen an mindestens einem Objekt und das Empfangen von reflektierten Messpulsen mittels der Empfangsmatrix umfasst. Vor dem Aussenden wird der Aktivierungstabelle vor- zugsweise entnommen, von welchen Empfangselementen Messpulse empfangen werden sollen und entsprechend der Zuordnung zwischen Sendeelementen und Emp- fangselementen, welche Sendeelemente Messpulse aussenden sollen. Im Detail wird der Aktivierungstabelle entnommen, welche Empfangsunterlemente„verodert" sind. Die Bestimmung von mindestens einer Distanz zu einem Objekt, an dem Messpulse reflektiert wurden, erfolgt somit dynamisch, und zwar stets unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Überwachung, insbesondere einer zuvor festgestellten Fehlaus- richtung.

Insbesondere wird die Bestimmung der mindestens einen Distanz auf Basis genau der Empfangsunterelemente und der zugehörigen Sendeelemente durchgeführt, die ak- tuell überwacht werden. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrich- tung zur optischen Distanzmessung, die zur Überwachung von Empfangsraten von Empfangsunterelementen einer Empfangsmatrix der Vorrichtung zum Feststellen ei- ner Fehlausrichtung zwischen einer Sendematrix und der Empfangsmatrix ausgebildet ist. Die Vorrichtung dient zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens.

Die Sendematrix der Vorrichtung dient zum Aussenden von Messpulsen und umfasst eine Vielzahl von Sendeelementen, während die Empfangsmatrix zum Empfang von reflektierten Messpulsen dient und eine Vielzahl von Empfangselementen umfasst. Die Empfangselemente umfassen eine Vielzahl von Empfangsunterelementen. Bevor- zugterweise sind die Sendematrix und/oder die Empfangsmatrix ausgebildet wie oben beschrieben. Insbesondere ist die Vorrichtung als 3D-LIDAR-Sensor ausgebildet.

Vorzugsweise ist jedem der überwachten Empfangsunterelemente eines Emp- fangselementes eine eigene Auswerteeinheit zur Bestimmung der Empfangsrate des jeweiligen Empfangsunterelementes zugeordnet. Werden beispielsweise zwei Emp- fangsunterelemente eines Empfangselementes überwacht, ist jedem der beiden eine eigene Auswerteeinheit zugeordnet. Neben den überwachten Empfangsunterelemen- ten zugeordneten Auswerteeinheiten, die vor allem ausschließlich dazu dienen, die Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente zu bestimmen, kann die Vorrichtung noch weitere Auswerteeinheiten, insbesondere Time-to-Digital Conver- ter, umfassen, die ausschließlich dazu dienen, die Distanz zu Objekten im Messbereich zu ermitteln. Insbesondere kann jeder Zeile oder Spalte der Empfangsmatrix eine Auswerteeinheit zugeordnet sein, die aufgrund von Multiplexing sämtliche Emp- fangselemente der jeweiligen Zeile oder Spalte auswerten kann.

Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, das ein computerlesba- res Speichermedium umfasst, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein oben beschriebenes Verfahren, gegebenenfalls im Zusammenspiel mit einer oben beschriebenen Vorrichtung durchzuführen. Zudem bezieht sich die Erfindung auf ein computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein oben beschriebenes Verfahren, gegebenenfalls im Zusammenspiel mit einer oben beschriebenen Vorrichtung durchzuführen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen schematisch:

Figur 1 ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Figur 3 eine Draufsicht auf ein Empfangselement einer Empfangsmatrix nach

Figur 2; und

Figur 4 die Verschaltung der Empfangsunterelemente des Empfangselementes nach Figur 3.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens (100) zur Distanzmessung.

Das Verfahren (100) umfasst die Überwachung (101) von Empfangsraten von reflek- tierten und empfangenen Messpulsen von Empfangsunterelementen (13) einer Emp- fangsmatrix (11). In einem ersten Schritt umfasst die Überwachung (101) vorzugswei- se eine Definition (102) von Empfangselementen (12) und/oder Empfangsunterele- menten (13) der Empfangsmatrix (11). Ferner können Sendeelemente einer Sende- matrix zu Empfangselementen (12) der Empfangsmatrix (11) zugeordnet werden (103). Es folgt insbesondere eine Definition (104) von zu überwachenden Emp- fangselementen (12) und Empfangsunterelementen (13). Jedem der überwachten Empfangsunterelemente (13) eines Empfangselementes (12) kann eine eigene Aus- werteeinheit (17) zugeordnet werden (105). Nicht überwachte Empfangsunterele- mente (13) können deaktiviert werden (106), während überwachte Empfangsun- terelemente (13) aktiviert werden können. Nach dem Aussenden (107) von Messpul- sen und deren Reflektion (108) an mindestens einem Objekt in einem Messbereich werden die reflektierten Messpulse empfangen (109). Das Aussenden (107) von Messpulsen erfolgt insbesondere sequentiell, sodass Zeilen oder Spalten der Sende- matrix nacheinander aktiviert werden und somit einen Messpuls aussenden. Insbe- sondere werden Messpulse ausschließlich von Sendeelementen ausgesandt, die den überwachten Empfangselementen (12) zugeordnet sind. Da nicht überwachte Empfangsunterelemente (13) vorzugsweise deaktiviert sind, können die Messpulse, die an mindestens einem Objekt reflektiert wurden, aus- schließlich von den aktivierten überwachten Empfangsunterelementen (13) empfan- gen werden. Von den überwachten Empfangsunterelementen (13) wird jeweils eine Empfangsrate bestimmt (110). Diese Bestimmung (110) erfolgt insbesondere mittels der jeweils zugeordneten Auswerteeinheiten (17). Insbesondere werden die Emp- fangsraten von überwachten Empfangsunterelementen (13) von innerhalb derselben Zeile oder derselben Spalte der Empfangsmatrix (11) angeordneten Empfangselemen- ten (12) gleichzeitig ausgewertet.

Die bestimmten Empfangsraten werden in einer Datenratentabelle (23) eingetragen

(111). Insbesondere erfolgen die Schritte der Deaktivierung (106) von nicht überwach- ten Empfangsunterelementen (13) bis zum Einträgen (111) der Empfangsraten in der Datenratentabelle regelmäßig, sodass eine zeitliche Beobachtung der Entwicklung der Empfangsraten und somit eine Überwachung (101) möglich ist. Sobald eine Fehlaus- richtung zwischen der Sendematrix und der Empfangsmatrix (11) festgestellt wird

(112), kann als Reaktion eine Neudefinition (113) von Empfangselementen (12) und/oder Empfangsunterelementen (13), das heißt ein Umdefinieren der Koordinaten der Empfangselemente (12) und/oder Empfangsunterelemente (13), durchgeführt werden und somit die Fehlausrichtung korrigiert werden. Eine weitere Reaktion, al- ternativ oder zusätzlich, wäre eine Neuzuordnung (114) von Sendeelementen der Sendematrix zu Empfangselementen (12) und/oder Empfangsunterelementen (13) der Empfangsmatrix.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung (10) zur optischen Distanzmessung.

Die Vorrichtung (10) umfasst eine Empfangsmatrix (11). Die Empfangsmatrix (11) um- fasst Empfangselemente (12), die in Zeilen (14) und Spalten (15) angeordnet sind. Ins gesamt umfasst die Empfangsmatrix (11) 256 Spalten (15) und 128 Zeilen (14). In Figur 2 sind nicht sämtliche Empfangselemente (12) der Empfangsmatrix (11) gezeigt, son- dern nur ein Teil dieser. Die Zeilen (14) und Spalten (15) der Empfangsmatrix (11) in Figur 2 sind mit Zahlen beschriftet, angefangen mit 0 in der linken oberen Ecke bis 127 in der linken unteren Hälfte betreffend die Zeilen (14), sowie angefangen mit 0 in der linken oberen Ecke bis 255 in der rechten oberen Ecke hinsichtlich der Spalten (15). Jedes Empfangselement (12) ist somit eindeutig durch Angabe der Zeilennummer und der Spaltennummer definiert, wobei die erste Zahl die Zeile angibt und die zweite Zahl die Spalte, in der das Empfangselemente (12) angeordnet ist. Als Beispiel ist das Emp- fangselement (12) in der linken oberen Ecke der Empfangsmatrix (11) mit 0/0 eindeu- tig bezeichnet.

Jedes Empfangselement (12) umfasst eine Vielzahl von Empfangsunterelementen (13). Genauer umfasst jedes Empfangselement (12) 16 Empfangsunterelemente (13), die durch Angabe einer Zahl zwischen 0 und 15 eindeutig in Figur 2 bestimmt sind. Im vorliegenden Beispiel werden Empfangsunterelemente (13) von neun Empfangsele- menten (12) überwacht. Der Einfachheit halber werden Empfangselemente (12), von denen Empfangsunterelemente (13) überwacht werden, als überwachte Emp- fangselemente (12) bezeichnet.

Die neun überwachten Empfangselemente (12) werden durch die vier Empfangsele- mente in den Ecken der Empfangsmatrix (11) gebildet, nämlich durch die Emp- fangselemente 0/0, 0/255, 127/0, 127/255. Ferner wird das Empfangselement (12) in der Mitte der Empfangsmatrix (11) überwacht, nämlich das Empfangselement 63/127. Zudem werden die Empfangselemente (12) überwacht, die sich in der Mitte zwischen den überwachten Empfangselementen (12) in den Ecken befinden, nämlich die Emp- fangselemente 63/0, 0/127, 63/255, 127/127.

Das Verfahren sieht vor, die den überwachten Empfangselementen (12) zugeordneten Sendeelemente der Sendematrix sequentiell nach Spalten anzusteuern. Durch das sequentielle Ansteuern nach Spalten wird zunächst Spalte 0 beleuchtet, wobei dieser zeitliche Augenblick in Figur 2 zu sehen ist. Somit kann der Figur eindeutig entnom- men werden, wie ein Messpuls auf die Empfangsmatrix (11) abgebildet wird. Man kann deutlich die Abbildung (16) der drei Messpulse der entsprechenden Sendeele- mente zu den überwachten Empfangselementen (12) der Spalte 0 sehen. Die Abbil- dung (16) ist in anderen Worten ein Laserspot, so wie er auf der Empfangsmatrix (11) abgebildet wird. Die Abbildung (16) ist im Wesentlichen auf vier Empfangsunterele- mente (13), und zwar die zentralen vier Empfangsunterelemente (13) mit den Ziffern 5, 6, 9 und 10 abgebildet. Genau diese Empfangsunterelemente (13), auf die die Ab- bildung (16) trifft beziehungsweise treffen soll, werden überwacht. Dafür werden die restlichen nicht überwachten Empfangsunterelemente (13), nämlich 0, 1, 2, 3, 4, 7, 8, 11, 12, 13, 14, 15, deaktiviert. Aktivierte Empfangsunterelemente (13) sind in der Fi- gur 2 weiß dargestellt, während nicht aktivierte grau dargestellt sind.

Jedem überwachten Empfangsunterelement (13) eines Empfangselementes (12) ist eine eigene Auswerteeinheit (17) zur Überwachung der Empfangsrate zugeordnet, wie in den Figuren 3 und 4 noch detaillierter ausgeführt wird. Die Empfangsraten der Empfangsunterelemente (13) der überwachten Empfangselemente (12) der ersten Spalte 0 werden gleichzeitig ausgewertet.

Jeder Zeile (14) von Empfangselementen (12) ist eine eigene Auswerteeinheit (17), und zwar einem Time-to-Digital Converter (20), zur Distanzmessung zugeordnet, die mithilfe von Multiplexing und der sequentiellen Ansteuerung, alle Empfangselemente (12) der jeweiligen Zeile auswerten kann.

Ferner umfasst die Vorrichtung (10) eine Einheit (21) zur Bestimmung der Empfangs- raten. Die bestimmten Empfangsraten werden in einer Datenratentabelle (23) hinter- legt. Ferner werden die Daten einer Objekterkennungseinheit (25) zugeführt. Die Da- ten der Datenratentabelle (23), die die zeitliche Veränderung der überwachten Emp- fangsraten zeigen, werden einer Steuereinheit (22) für die Empfangselemente (12) und/oder Empfangsunterelemente (13) zugeführt. Mithilfe der Steuereinheit (22) können die Koordinaten der Empfangselemente (12) und/oder Empfangsunterele- mente (13) neu definiert werden. Ferner umfasst die Vorrichtung (10) eine Konfigura- tionseinheit (24), die die Koordinaten der Empfangselemente und/oder Empfangsun- terelemente ursprünglich festgelegt hat.

Auch in den anderen überwachten Spalten der Empfangsmatrix (11) der Figur 2 ist die Position der Abbildung (16) eines Messpulses als Kreis eingezeichnet gezeigt. Sobald die entsprechende Spalte der Sendematrix angesteuert wird, sollten die entsprechen- den Empfangselemente (12) genau an dieser Stelle ausgeleuchtet werden.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Empfangselement (12) der Empfangsmatrix (11) aus Figur 2.

Die Empfangsunterelemente (13) mit den Ziffern 0 bis 15 sind eindeutig zu sehen. Den unterschiedlichen Empfangsunterelementen (13) sind vier Auswerteeinheiten (17) zugeordnet. Und zwar sind vier Empfangsunterelemente (13) jeweils einer Auswer- teeinheit (17) zugeordnet. Im Detail ist den Empfangsunterelementen 0, 2, 8 und 10 eine erste Auswerteeinheit (17a) zugeordnet, während den Empfangsunterelementen 1, 3, 9 und 11 eine zweite Auswerteeinheit (17b) zugeordnet ist. Eine dritte Auswer- teeinheit (17c) ist den Empfangselementen 4, 6, 12 und 14 zugeordnet, während eine vierte Auswerteeinheit (17d) den Empfangselementen 5, 7, 13 und 15 zugeordnet ist. Da allerdings nur die Empfangsunterelemente (13) 5, 6, 9 und 10 aktiviert sind, ist den aktivierten und überwachten Empfangsunterelementen (13) jeweils eine eigene Aus- werteeinheit (17) zugeordnet, sodass die Detektionsraten von jeweils genau einem überwachten Empfangsunterelement (13) ausgewertet werden können.

Ferner ist in Figur 3 die Abbildung (16) eines Messpulses auf die Empfangsmatrix (11), genauer dem dargestellten Empfangselement (12), zu sehen. Sollte sich eine Fehlaus- richtung zwischen Sendematrix und Empfangsmatrix (11) ergeben, würde sich die Ab- bildung (16) des Messpulses auf die Empfangsmatrix (11), hier des Empfangselemen- tes (12) ergeben. Sollte sich die Abbildung (16) beispielsweise nach rechts verschie- ben, würde die Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente 5 und 9 abnehmen, während die Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente (13) 6 und 10 zunehmen würde. Es kann somit durch Überwachung der Empfangsra- ten eine Fehlausrichtung festgestellt werden.

In Figur 4 ist die Verschaltung der Empfangsunterelemente (13) des Empfangselemen- tes (12) der Figur 3 zu sehen. Die Empfangsunterelemente (13), die derselben Auswer- teeinheit (17) zugeordnet sind, sind jeweils über Leitungen (18) mit der jeweiligen Auswerteeinheit (17) verbunden. Über einen gemeinsamen Knotenpunkt (19) fließen die Daten an eine gemeinsame Auswerteeinheit (17) für die jeweilige Zeile (14), die der eigentlichen Distanzmessung dient (siehe Figur 2). Bezugszeichenliste

100 Verfahren

101 Überwachung von Empfangsraten von reflektierten und empfangenen Mess- pulsen von Empfangsunterelementen der Empfangsmatrix

102 Definition von Empfangselementen und/oder Empfangsunterelementen

103 Zuordnung von Sendeelementen der Sendematrix zu Empfangselementen der Empfangsmatrix

104 Definition von zu überwachenden Empfangselementen und Unteremp- fangselementen

105 Zuordnung einer Auswerteeinheit zu jeder der überwachten Empfangsun- terelemente eines Empfangselementes

106 Deaktivieren von nicht überwachten Empfangsunterelementen

107 Aussenden von Messpulsen

108 Reflektion von ausgesandten Messpulsen an mindestens einem Objekt

109 Empfangen von reflektierten Messpulsen

110 Bestimmung der Empfangsraten der überwachten Empfangsunterelemente

111 Einträgen der Empfangsraten in einer Datenratentabelle

112 Feststellen einer Fehlausrichtung zwischen der Sendematrix und der Emp- fangsmatrix

113 Neudefinition von Empfangselementen und/oder Empfangsunterelementen

114 Neuzuordnung von Sendeelementen zu Empfangselementen und/oder Emp- fangsunterelementen

10 Vorrichtung

11 Empfangsmatrix

12 Empfangselemente

13 Empfangsunterelemente

14 Zeilen

15 Spalten

16 Abbildung eines Messpulses auf die Empfangsmatrix

17 Auswerteeinheiten

17a erste Auswerteeinheit

17b zweite Auswerteeinheit c dritte Auswerteeinheit

d vierte Auswerteeinheit

Leitung

Knotenpunkt Time-to-Digital Converter

Einheit zur Bestimmung der Empfangsraten

Steuereinheit für Empfangselemente und/oder Empfangsunterelemente Datenratentabelle

Konfigurationseinheit

Objekterkennungseinheit