Titel

Situationsabhängige Anpassung der optischen Strahlungsleistung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung durch ein Steuergerät und eine entsprechende LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs.

Stand der Technik

Automatisiert betreibbare Fahrzeuge und Fahrfunktionen erlangen zunehmend an Bedeutung im öffentlichen Straßenverkehr. Zum technischen Umsetzen derartiger Fahrzeuge und Fahrfunktionen sind Sensoren, wie beispielsweise Kamerasensoren, Radarsensoren und LIDAR-Sensoren, notwendig.

LIDAR-Sensoren erzeugen hierbei elektromagnetische Strahlen, beispielsweise Laserstrahlen und nutzen diese Strahlen zum Abtasten eines Abtastbereichs. Basierend auf einer Time-of-Flight Analyse können Distanzen zwischen dem LIDAR-Sensor und Objekten im Abtastbereich ermittelt werden. Die erzeugten Strahlen können jedoch schädlich für menschliche Augen sein, sodass sichergestellt werden muss, dass die erzeugte Strahlungsleistung bzw. Strahlungsintensität unterhalb von zulässigen Grenzwerten bleiben.

Die optische Strahlungsleistung pro Bestrahlungsfläche ist von Seiten der Augensicherheit gemäß der DIN EN 60825-1 oder IEC 60825-1 Norm geregelt bzw. begrenzt. Die Reichweite eines LIDAR-Sensors hängt im Wesentlichen von der Strahlungsleistung ab und ist vorzugsweise möglichst groß. Diese Bestrebung widerspricht jedoch der Begrenzung der Strahlungsleistung zur Gewährleistung der Augensicherheit. Offenbarung der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung vorzuschlagen, welches eine maximale Abtastreichweite ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer LIDAR-Vorrichtung durch ein Steuergerät bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird ein Abtastbereich in einem Umfeld der LIDAR-Vorrichtung bezüglich einer Anwesenheit von Personen analysiert. Hierbei kann eine initiale Prüfung zum Detektieren oder Ausschließen von Personen im Abtastbereich durchgeführt werden.

Das Verfahren ist nicht auf eine definierte Anzahl von Personen beschränkt. Insbesondere kann eine oder mehrere Personen im Abtastbereich detektiert oder die Anwesenheit von Personen im Abtastbereich ausgeschlossen werden.

Zum Durchführen der Analyse wird der Abtastbereich durch Strahlen der LIDAR- Vorrichtung mit verringerter Strahlungsleistung abgetastet. Aus dem Abtastbereich reflektierte und/oder rückgestreute Strahlen werden anschließend empfangen und ausgewertet. Die Strahlen mit verringerter Strahlungsleistung können beispielsweise Laserstrahlen mit begrenzter Strahlungsleistung sein und beispielsweise der gemäß DIN EN 60825-1 oder IEC 60825-1 Norm genormten „Laserklasse 1“ entsprechen. Hierdurch kann die Überwachung des Abtastbereichs mit für die Augensicherheit unbedenklichen Strahlungsleistungen durchgeführt werden. Insbesondere kann eine Gefährdung von Menschen selbst dann ausgeschlossen werden, wenn diese unmittelbar in eine Apertur der LIDAR-Vorrichtung hineinschauen. Alternativ oder zusätzlich werden zum Durchführen der Analyse Messdaten von mindestens einem Sensor ausgewertet. Der mindestens eine Sensor kann beispielsweise ein Radarsensor, Ultraschallsensor oder ein Videosensor bzw. Kamerasensor sein und für die Detektion von Personen im Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung dienen.

Bei einer zusätzlichen Verwendung der Messdaten des mindestens einen Sensors durch das Steuergerät kann eine Plausibilisierung der durch die LIDAR- Vorrichtung ermittelten Analyseergebnisse erfolgen. Die Analyseergebnisse können ein Vorhandensein bzw. eine Präsenz von Personen oder eine Abwesenheit von Personen im Abtastbereich umfassen.

Die Analyseergebnisse können hierbei dazu eingesetzt werden bei einer festgestellten Abwesenheit von Personen im Abtastbereich den Abtastbereich durch Strahlen mit erhöhter Strahlungsleistung abzutasten. Wird hingegen mindestens eine Person im Abtastbereich detektiert, so kann die Abtastung weiterhin durch Strahlen mit verringerter Strahlungsleistung umgesetzt werden.

Durch das Verfahren kann geprüft werden, ob eine gegenüber der DIN EN 60825-1 oder IEC 60825-1 Norm erhöhte Strahlungsleistung der Strahlen eine Gefahr darstellt oder aufgrund der Abwesenheit von Personen im Abtastbereich uneingeschränkt nutzbar ist. Insbesondere kann durch das Verfahren situationsabhängig die zum Abtasten des Abtastbereichs eingesetzte Strahlungsleistung und die Abtastreichweite maximiert werden.

Die Abwesenheit von Personen im Abtastbereich kann auch dann festgestellt werden, wenn die Personen einen definierten Abstand zur LIDAR-Vorrichtung nicht unterschreiten und somit aufgrund der vertikalen und/oder horizontalen Divergenz der erzeugten Strahlen mit erhöhter Strahlungsleistung nicht gefährdet sind.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann hierbei ein in die LIDAR-Vorrichtung integriertes Steuergerät oder als ein externes Steuergerät ausgestaltet sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine LIDAR-Vorrichtung zum Abtasten des Abtastbereichs bereitgestellt. Die LIDAR-Vorrichtung weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen, mindestens einen Detektor zum Empfangen von aus dem Abtastbereich rückgestreuten und/oder reflektierten Strahlen und ein erfindungsgemäßes Steuergerät auf.

Das Steuergerät ist vorzugsweise mit einem vorrichtungsinternen oder vorrichtungsexternen Sensor datenleitend verbindbar. Hierdurch können Messdaten des mindestens einen Sensors durch das Steuergerät empfangen und ausgewertet werden. Die Ergebnisse der Auswertung können zum Ermitteln und/oder zum Bestätigen einer Abwesenheit von Personen im Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung verwendet werden.

Die LIDAR-Vorrichtung und das Steuergerät können vorzugsweise in einer mobilen Einheit, wie beispielsweise einem Fahrzeug, einer Drohne, einem Wasserfahrzeug, einem Flugzeug, einem Hubschrauber, einem Robotaxi, einem Shuttle, einem Bus und dergleichen, angeordnet sein. Die mobile Einheit kann hierbei gemäß der BASt Norm assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sein.

Durch das Verfahren kann eine situationsabhängige Anpassung der Strahlungsleistung der erzeugten Strahlen umgesetzt werden, welche eine größtmögliche Reichweite ermöglicht und gleichzeitig die Augensicherheit einhalten kann. Insbesondere kann die Reichweite durch Erhöhen der Strahlungsleistung maximiert werden, wenn eine Anwesenheit von Personen im Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung ausgeschlossen ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die verringerte Strahlungsleistung der Strahlen durch Vergrößern einer durch die Strahlen belichteten Belichtungsfläche oder durch Erhöhen einer Divergenz der erzeugten Strahlen eingestellt.

Hierdurch kann eine Strahlungsleistung pro Fläche der mindestens einen Strahlenquelle entsprechend der DIN EN 60825-1 oder IEC 60825-1 Norm durch Vergrößern der belichteten Fläche eingestellt werden, um Grenzwerte für die Augensicherheit einzuhalten. Es kann insbesondere die vertikale und/oder horizontale Divergenz der Strahlen erhöht oder die erzeugten Strahlen aufgefächert werden. Dieser Schritt kann beispielsweise durch eine in einen Strahlengang der Strahlen einsetzbare Linse oder durch ein Verschieben einer Linse entlang des Strahlengangs umgesetzt werden.

Nach einerweiteren Ausführungsform werden Messdaten von einem Geschwindigkeitssensor, einem Radarsensor, einem Videosensor, einem Ultraschallsensor und/oder von einem GNSS-Sensor durch das Steuergerät empfangen und zum Feststellen der Abwesenheit von Personen im Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung ausgewertet. Es können vorzugsweise derartige Messdaten für eine Auswertung herangezogen werden, welche den Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung betreffen bzw. als Information beinhalten.

Beispielsweise können Messdaten eines Videosensors bzw. Kamerasensors mit Hilfe einer Bildanalyse überprüft und Personen im Abtastbereich detektiert werden. Hierdurch kann ein weiteres Indiz hinsichtlich der Präsenz von Personen im Abtastbereich bereitgestellt werden.

Des Weiteren kann ein Heranziehen der Messwerte weiterer Sensoren zum Durchführen einer Plausibilisierung der Ergebnisse dienen, welche die LIDAR- Vorrichtung mittels der Strahlen mit verringerter Strahlungsleistung erlangt hat.

Durch Verwenden von Messdaten des Geschwindigkeitssensors oder des GNSS-Sensors kann eine Geschwindigkeit der LIDAR-Vorrichtung bestimmt werden. Die LIDAR-Vorrichtung kann beispielsweise in einer mobilen Einheit angeordnet sein. Anhand der Geschwindigkeit kann die Situation ausgeschlossen werden, dass eine Person unmittelbar in eine Apertur der LIDAR-Vorrichtung hineinschauen kann. Ist die LIDAR-Vorrichtung beispielsweise in Bewegung, können die Personen die erzeugten Strahlen der LIDAR-Vorrichtung lediglich aus einer Distanz sehen. Hierdurch kann eine Gefährdung der Personen trotz erhöhter Strahlungsleistung ausgeschlossen werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Messdaten von mindestens einem Sensor zum Plausibilisieren einer festgestellten Abwesenheit von Personen im Abtastbereich der LIDAR-Vorrichtung ausgewertet. Durch diese Maßnahme kann eine redundante Überprüfung des Abtastbereichs im Hinblick auf Personen bereitgestellt werden.

Nach einerweiteren Ausführungsform werden die Strahlen mit erhöhter Strahlungsleistung durch Fokussieren, Kollimieren, oder durch ein Betreiben einer Strahlenquelle mit einer höheren elektrischen Leistung erzeugt. Hierdurch kann die Strahlenquelle die Strahlen mit einer verringerten Strahlungsleistung erzeugen. Durch ein nachträgliches Fokussieren oder Kollimieren können die divergenten Strahlen zu Strahlen mit erhöhter Strahlungsleistung geformt werden. Alternativ ist eine variable elektronische Ansteuerung der Strahlenquelle möglich, durch welche die Strahlungsleistung erhöht oder verringert werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Strahlen mit verringerter Strahlungsleistung stufenlos zu Strahlen mit erhöhter Strahlungsleistung umgeschaltet. Hierdurch kann eine situationsabhängige Anpassung der Strahlungsleistung durch das Steuergerät vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Strahlungsleistung abhängig von einem Abstand der LIDAR-Vorrichtung zu Personen im Abtastbereich eingestellt werden. Bei einem geringen Abstand zwischen einer Person und der LIDAR-Vorrichtung kann die Strahlungsleistung verringert und mit zunehmendem Abstand erhöht werden.

Nach einerweiteren Ausführungsform wird bei einer festgestellten Anwesenheit von Personen im Abtastbereich der Abtastbereich durch Strahlen mit verringerter Strahlungsleistung abgetastet. Durch diese Maßnahme kann während der Präsenz von Personen im Abtastbereich eine Abtastung durch Strahlen mit einer begrenzten Strahlungsleistung gemäß der DIN EN 60825-1 oder IEC 60825-1 Norm durchgeführt werden.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung im Betrieb mit einer verringerten Strahlungsleistung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung im Betrieb mit einer erhöhten Strahlungsleistung und

Fig. 3 ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer LIDAR-Vorrichtung 1 im Betrieb mit einer verringerten Strahlungsleistung. Die LIDAR-Vorrichtung 1 weist eine Strahlenquelle 2 auf, welche zum Erzeugen von Strahlen dient.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Strahlenquelle 2 mit einer reduzierten elektrischen Leistung betrieben und erzeugt somit Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung. Die Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung entsprechen der DIN EN 60825-1 oder IEC 60825-1 Norm und können somit die Sicherheitsanforderungen an die Augensicherheit in allen Situationen einhalten.

Die Strahlenquelle 2 ist als ein Laser ausgestaltet und kann durch ein Steuergerät 6 elektrisch angesteuert und zum Erzeugen von Strahlen angeregt werden. Die Strahlenquelle 2 kann beispielsweise Strahlen mit einer Wellenlänge im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Wellenlängenbereich erzeugen.

Die von der Strahlenquelle 2 erzeugten Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung werden zum Abtasten eines Abtastbereichs A eingesetzt. Die verringerte Strahlungsleistung ist hierbei derart gewählt, dass eine sich im Abtastbereich A positionierte Person P, welche unmittelbar in die LIDAR- Vorrichtung 1 hineinschaut keine bleibenden Schäden an seinen Augen 8 davonträgt. Hierzu können die Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung beispielsweise der „Laserklasse 1“ entsprechen. Der Übersicht halber ist das Auge 8 der Person P dargestellt, welches direkt in die LIDAR-Vorrichtung 1 hineinschaut. Ein Abstand a entspricht hierbei der Entfernung zwischen der Strahlenquelle 2 und einer nicht dargestellten Austrittsöffnung bzw. Apertur der LIDAR-Vorrichtung 1. Somit ist die Person P ohne einen Abstand zur LIDAR- Vorrichtung 1 positioniert.

Des Weiteren weist die LIDAR-Vorrichtung 1 einen Detektor 10 auf. Der Detektor 10 kann beispielsweise ein CCD-Detektor sein und aus dem Abtastbereich A reflektierte und/oder rückgestreute Strahlen 12 empfangen können. Die empfangenen Strahlen 12 werden durch den Detektor 10 in digitale Messdaten gewandelt und an das Steuergerät 6 übermittelt.

Zum Überprüfen von Ergebnissen der LIDAR-Vorrichtung 1, welche mittels Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung ermittelt wurden, kann das Steuergerät 6 auf Messdaten von mindestens einem weiteren Sensor 14 zugreifen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Sensor 14 beispielhaft als ein Geschwindigkeitssensor ausgestaltet. Das Steuergerät 6 kann hierbei auch auf Messdaten von mehreren Sensoren zugreifen. Der mindestens eine Sensor 14 ist hier als ein vorrichtungsexterner Sensor ausgestaltet.

Durch die empfangenen Messdaten des Sensors 14 kann das Steuergerät 6 prüfen, ob sich die LIDAR-Vorrichtung 1 bewegt oder stillsteht. Beispielsweise kann bei einer sich bewegenden LIDAR-Vorrichtung 1 ein direktes Anordnen des Auges 8 vor die LIDAR-Vorrichtung 1 ausgeschlossen werden, sodass das Steuergerät 6 eine Erhöhung der erzeugten Strahlungsleistung einleiten kann.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der LIDAR-Vorrichtung 1 im Betrieb mit einer erhöhten Strahlungsleistung. Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Situation, ist die Person P in einem Abstand b zur LIDAR- Vorrichtung 1 positioniert. Beispielsweise kann sich die LIDAR-Vorrichtung 1 mit einer definierten Geschwindigkeit bewegen, sodass ein Abstand b zur LIDAR- Vorrichtung 1 durch Personen P nicht unterschritten werden kann.

Die Strahlenquelle 2 wird durch das Steuergerät 6 zum Erzeugen von Strahlen 5 mit einer erhöhten Strahlungsleistung angesteuert. Durch den Abstand b der Person P von der LIDAR-Vorrichtung 1 weisen die Strahlen 5 eine stärkere Divergenz auf, sodass nur ein Teil 16 der erzeugten Strahlen 5 und damit auch ein Teil der Strahlungsleistung in das Auge 8 der Person P gelangen kann.

Die Augensicherheit kann somit trotz erhöhter Strahlungsleistung eingehalten bzw. ausreichend berücksichtigt werden.

Die Figur 3 zeigt ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Betreiben der LIDAR-Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Es werden in einem Schritt 17 Messdaten über den Abtastbereich A durch die LIDAR-Vorrichtung 1 erlangt. Der Abtastbereich A wird hierbei durch Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung abgetastet, um eine Gefährdung von Personen P auszuschließen. Parallel hierzu können Messdaten eines Radarsensors 18, eines Videosensors bzw. Kamerasensors 19, eines Ultraschallsensors 20, des Geschwindigkeitssensors 14 und/oder eines GNSS- Sensors 21 durch das Steuergerät 6 herangezogen werden, um eine Gefährdung von Personen im Abtastbereich A durch die LIDAR-Vorrichtung 1 auszuschließen oder um die im Schritt 17 erlangten Ergebnisse zu plausibilisieren.

Wird mindestens eine Person P im Abtastbereich A erkannt oder eine möglich Gefährdung einer Person P im Abtastbereich A durch die LIDAR-Vorrichtung 1 ermittelt, erfolgt eine Abtastung durch Strahlen 4 mit verringerter Strahlungsleistung. Bei einer festgestellten Abwesenheit von Personen P im Abtastbereich A wird der Abtastbereich A durch Strahlen 5 mit erhöhter Strahlungsleistung abgetastet und damit die Reichweite der LIDAR-Vorrichtung 1 maximiert.