具有可接通的激光雷达设备同步运行的激光雷达系统的制作方法

1.本发明涉及一种尤其是用于车辆的激光雷达系统，该激光雷达系统具有至少一个具有第一采样区域的第一激光雷达设备和至少一个具有第二采样区域的第二激光雷达设备，其中，所述第一激光雷达设备和第二激光雷达设备设置为用于产生脉冲式射束并将所述脉冲式射束分别发射到一个采样区域中并接收从所述采样区域反射和/或反向散射的射束。此外，本发明涉及一种控制器。


背景技术：

2.当前的激光雷达(激光雷达)系统通常实施为例如具有mems镜的或者闪光式(flash-)系统的旋转式扫描器、微扫描器。在扫描式激光雷达系统中，使用高度经准直的激光射束在时间上对采样区域或者说所谓的视野(field of view)采样。现在，可看到在旋转式宏扫描器系统方向上的趋势，以便覆盖更大的水平采样区域。在水平方向上的分辨率借助于角度测量以精细的步骤被实现。垂直采样区域通过发送单元或者说接收单元的数量来确定。
3.为实施自动化驾驶功能，通常需要多个激光雷达设备或者说激光雷达传感器。例如已知具有六个至七个激光雷达设备的配置。这些激光雷达设备的检测区域尤其是在较大的水平采样区域的情况下寄生式地重叠，该水平采样区域重叠通常在时间上非相关。


技术实现要素：

4.本发明所基于的任务可以视为提出一种激光雷达系统和一种用于控制激光雷达系统的控制器，所述激光雷达系统和控制器使得能够实现多个激光雷达设备的采样区域的相长重叠。
5.该任务借助本发明来解决。本发明所提出的方法的有利构型能够通过在优选实施方式中所柱举的措施实现。
6.根据本发明的一个方面，提供一种尤其是用于车辆的激光雷达系统。该激光雷达系统具有至少一个具有第一采样区域的第一激光雷达设备和至少一个具有第二采样区域的第二激光雷达设备。所述第一激光雷达设备和第二激光雷达设备设置为用于产生脉冲式射束并将所述脉冲式射束分别发射到一个采样区域中并接收从所述采样区域反射和/或反向散射的射束，其中，该激光雷达设备的第一采样区域与第二采样区域至少局部地重叠。在此，所述第一激光雷达设备与第二激光雷达设备在高度方向上相对彼此错开地布置。该第一激光雷达设备可与状况有关地被激活和/或可与状况有关地同步于该第二激光雷达设备的采样频率运行。
7.根据本发明的另一方面，提供一种车辆，尤其是载重汽车、公共汽车、货车等。该车辆优选具有至少一个激光雷达系统。
8.在根据本发明的激光雷达系统中，第一激光雷达设备可以在需要时或者说与状况
有关地被接通或者匹配于第二激光雷达设备的运行地被控制，由此实现同步运行，该同步运行将所产生的和所发射的射束的射束功率放大。这种需求可能出现在需要更大的激光雷达系统作用距离或更低的信噪比时。
9.当第一激光雷达设备被接通时，激光雷达设备的第一采样区域与第二采样区域之间的重叠基本上构造在高度方向上。
10.同步于第二激光雷达设备的采样频率地运行的第一激光雷达设备具有旋转频率或者说旋转速度，而因此具有相同的采样频率或者相当于多倍的采样频率。
11.通过根据本发明的激光雷达系统，能够与状况有关地和尤其是在具有较高的车辆行驶速度或制动质量的应用情况下将作用距离增大。这种激光雷达系统尤其能够用于构型为货车或载重汽车的车辆的自动化驾驶功能中。在此，该激光雷达系统的各个激光雷达设备可以布置在车辆上的不同的结构高度上，以便实现采样区域在高度方向上的重叠。
12.根据一个实施例，如此对第一激光雷达设备进行与状况有关的激活和/或与状况有关的同步，使得第一激光雷达设备所产生的射束的脉冲能量与第二激光雷达设备所产生的射束的脉冲能量累加。在此可以如此将第一激光雷达设备的和第二激光雷达设备的脉冲式产生的射束同步发射，使得合成的脉冲能量放大。在此可以通过将脉冲能量相加或者说提高能量密度或者通过射束的相长干涉来进行脉冲能量的累加。
13.在此，各个激光雷达设备的采样区域在激光雷达系统之外重叠。在采样区域的重叠区域内进行合成脉冲功率的放大，借助该合成脉冲功率能够采样重叠区域。
14.尤其可以以垂直延伸的柱的形式产生和发射射束。在此，这些柱分别在激光雷达设备之外相合并且发生相加或者说放大。这导致经提高的脉冲峰值功率和脉冲能量，所述经提高的脉冲峰值功率和脉冲能量可选地并且可控地使得能够实现激光雷达系统在所选出的水平立体角度中的长作用距离运行。
15.根据另一实施方式，第一激光雷达设备的采样频率与旋转频率和转子初始角度有关，所述旋转频率和转子初始角度可与状况有关地匹配于第二激光雷达设备的旋转频率和转子初始角度。由此能够如此将第一激光雷达设备与第二激光雷达设备同步，使得通过在至少两个激光雷达设备的两个垂直采样区域在空间上和在时间上相关的重叠，在所述激光雷达设备的整个旋转持续时间内实现将(例如两个构造为垂直柱的射束的)光辐射能量相加。
16.根据另一实施方式，第一激光雷达设备可在第二激光雷达设备的至少一个旋转角度范围内接通。通过该措施，能够将采样范围的重叠和光辐射能量的相加限制在一个预限定的旋转范围内。
17.这种构型例如能够以车辆驾驶功能的形式实现。通过激活该驾驶功能对激光雷达设备所产生的射束进行电可控和选择性的脉冲相加。这种操控可以借助于操控第一激光雷达设备的和/或第二激光雷达设备的激光驱动器的控制器来进行。
18.第一激光雷达设备尤其能够在非重要相关的立体角度的情况下停止产生和/或发射射束。该可控性有利地在系统接口处可供使用，从而驾驶功能能够受到控制器或车辆的中央主导计算机(leitrechner)影响以增加作用距离。
19.根据另一实施方式，第一激光雷达设备可在第二激光雷达设备的信噪比低于界限值时被激活。由此能够通过由于背景光或干扰光所导致的激光雷达系统性能降低来触发对
于激活第一激光雷达设备的需求。通过接通第一激光雷达设备和所导致的发射射束光脉冲功率增加，能够提高激光雷达系统的性能。
20.根据另一实施例，第一激光雷达设备和第二设备布置在车辆的靠近地面的区域中或远离地面的区域中并沿着高度方向相对彼此错开。由此，激光雷达系统的功能有效性在车辆的近场内保持不变。激光雷达设备的较高的安装位置使得能够实现经改善的空地探测、在潮湿路面上的更少镜面反射和对道路上所经过的近处障碍物的优化的视线。相反地，较低的安装位置使得能够实现对在紧邻的车辆周围环境中的障碍物的识别，例如在较长的车辆静止时间后起动的情况下。
21.根据另一实施方式，基于交通情况，尤其是市内行驶、城乡公路行驶、泊车场景或高速公路行驶来进行对第一激光雷达设备的与状况有关的激活和/或将第一激光雷达设备与第二激光雷达设备同步。因此，激光雷达系统的可接通的作用距离增加使得能够实现在必要情况下，通过在激光雷达系统内将激光雷达设备同步来提前采样远场。
22.例如可以根据车速来针对各个驾驶状况进行与应用有关的环境检测。在同时忽略远场内不太重要的区域的情况下适应性识别对于当前驾驶状况重要相关的对象，使得能够实现对交通状况或者说驾驶状况的附加的分类。例如，在缓慢行驶或在泊车场景中，能够在激光雷达设备不同步的情况下对车辆附近的区域(例如较大、缓慢的对象)进行对象识别或空地识别，而在更高速度的情况下，同步和由此所导致的采样区域重叠实现在远场内的更大的作用距离。
23.整个视场或者说采样区域的延长可以通过控制器针对中心的或者说居中的或侧面的旋转角度范围来设定。因此能够通过精确控制第一激光雷达设备的同步来考虑如“货物掉落(lost cargo)”或“左转与对向交通流相遇”等应用场景。
24.根据本发明的另一方面提供这样一种控制器，该控制器设置为用于操控根据本发明的激光雷达系统的至少一个第一激光雷达设备和至少一个第二激光雷达设备。
25.通过该控制器还能够实现如此操控激光雷达设备，使得在交叉路口状况下实现在车辆左侧和右侧采样区域依次重叠。
26.根据另一实施例，第一激光雷达设备和/或第二激光雷达设备可通过外部时钟发生器连续地或以时间间隔被同步。通过外部时钟发生器——例如gps主时钟——连续地在时间上同步，使得能够实现经由外部触发接口来持续匹配激光雷达系统的至少一个激光雷达设备的采样频率。
27.替代或附加地，外部时钟发生器或构型为主系统的激光雷达设备能够给不时地或者说以预限定的时间间隔使其余的激光雷达设备匹配于其自身的采样频率。为此，激光雷达系统的激光雷达设备可以具有内部的同步保持器(synchronisationshalter)，例如石英时钟(quarz-getaktete)的fpga，这些同步保持器以规律的时间间隔被相互校准。
28.根据另一实施方式，除第二激光雷达设备之外，第一激光雷达设备也可在超过车速的界限值的情况下被激活。通过该措施能够实现在技术上尤其简单地控制第一激光雷达设备。
29.根据激光雷达系统的构型，还可以设置多个第一激光雷达设备和/或多个第二激光雷达设备。
附图说明
30.以下根据高度简化的示意图对本发明的优选实施例进行更详细的阐述。在此示出：
31.图1：根据一种实施方式的激光雷达系统的示意图；
32.图2：具有图1中的激光雷达系统的车辆的侧视图；
33.图3：用于表明信噪比的示意性曲线图，和，
34.图4：第二采样区域的和在旋转角度范围内的重叠区域的俯视图。
具体实施方式
35.在图1中示出根据一种实施方式的激光雷达系统1的示意图。该激光雷达系统1例如设置为用于安装在车辆2中或车辆2上，如在图2中所表明的那样。激光雷达系统1具有至少一个具有第一采样区域a1的第一激光雷达设备4和至少一个具有第二采样区域a2的第二激光雷达设备6。
36.第一激光雷达设备4和第二激光雷达设备6用于产生脉冲式射束tx并将它们分别发射到一个采样区域a1、a2中并接收从所述采样区域a1、a2反射和/或反向散射的射束rx。激光雷达设备4、6的采样区域a1、a2在图2中表明。所产生并发射的射束tx例如成形为沿着高度方向h延伸的柱。
37.高度方向h垂直于车辆2的行驶方向f。
38.激光雷达设备4、6的第一采样区域a1与第二采样区域a2至少局部地在重叠区域ax内重叠。
39.第一激光雷达设备4与第二激光雷达设备6在高度方向h上相对彼此错开地布置。第一激光雷达设备4可与状况有关地被激活和/或可与状况有关地同步于第二激光雷达设备6的采样频率运行。激光雷达设备4、6优选与控制器8耦合，该控制器能够对激光雷达设备4、6中的至少一个激光雷达设备进行控制、同步并在需要时激活或停用。
40.图2示出具有图1中的激光雷达系统1的车辆2的侧视图。该车辆2例如构型为牵引车或载重汽车。激光雷达设备4、6构型为水平的或垂直的双轴微扫描器，所述激光雷达设备沿着高度方向h或垂直车辆轴安装在车辆2的底盘上。所述激光雷达设备的旋转频率和所述激光雷达设备的初始角度优选能够在时间上同步。因此，发送路径由于垂直采样区域a1、a2在重叠区域ax中的重叠而相合并产生局部增加的光子密度。该相互关系表明在图3中。与在使用相同的探测器情况下的唯一激光雷达设备4、6相比，这种在重叠区域ax内的放大使得能够实现作用距离更长的采样。
41.各个激光雷达设备4、6的采样区域a1、a2在激光雷达系统1之外重叠。在采样区域a1、a2的重叠区域ax内对所产生的能够用以对重叠区域ax采样的脉冲功率进行放大。
42.为在重叠区域ax内提供经扩展的作用距离，可以使用两个中等作用距离的激光雷达设备4、6，所述激光雷达设备优选在技术上相同并且经由外部接口在时间上被同步。对于长作用距离的采样，各个激光雷达设备4、6的探测器优选冗余地工作。通过对被创建为所反射和/或反向散射的射线rx的合成结果的直方图的逻辑相加，能够改善信噪比。
43.图3示出用于表明由第一激光雷达设备4所产生的射束tx1与第二激光雷达设备6所产生的射束tx2在重叠区域ax内组合的射束tr的合成脉冲功率的示意性曲线图。该曲线
图示例性地示出在持续时间t内的脉冲功率。
44.在此，在该曲线图中示出时间偏移或者说所谓的抖动(jitter)δt，其较优的情况下为0，由此，第一激光雷达设备4所产生的射束tx1与第二激光雷达设备6所产生的射束tx2完全重叠。
45.通过同步能够最小化或消除抖动δt。在所示出的实施例中，控制器8能够起到外部时钟发生器的作用或具有外部时钟发生器。
46.在以脉冲形式发射的两个射束tx1、tx2的时间同步残留不准确性的情况下，可以通过在时间上对发送时间点进行校准来补偿偏移。通过延长射束tx1、tx2的脉冲持续时间能够可以进一步减少可能残留的抖动δt。
47.借助于对运行模式的智能切换，能够通过激光雷达系统来考虑眼睛安全性。对于自动化驾驶功能，仅在车辆2的速度较高的情况下才需要长作用距离。然而，在速度较高的情况下，预计无人在紧邻激光雷达系统1的周围环境中，从而第一激光雷达设备4能够同步于第二激光雷达设备6运行。
48.此外，通过对射束tr的总合成功率密度进匹配，所述功率密度在缓慢行驶中保持在允许界限值以下，而在快速的高速公路行驶中使得能够实现用于作用距离增加的功率提高。
49.图4示出第二采样区域a2的和在旋转角度范围r内的重叠区域ax的俯视图。在此，第二采样区域a2用于对中等距离的车辆周围环境进行采样。第一激光雷达设备4仅仅在旋转角度范围r内接通，并使得能够实现针对长距离采样的经限定的重叠区域。
50.第一激光雷达设备的接通可以选择性地进行或选择性地被同步。在此，控制器8能够如此操控激光雷达设备4、6，使得优化的同步仅存在于至少一个旋转角度范围r内，而因此导致功率密度的放大。
51.替代地，激光雷达设备4、6可以沿其整个采样角度同步运行，重叠区域ax从而与第一采样区域a1和第二采样区域a2相应。
52.为此，将激光雷达设备4、6在其整个旋转持续时间内激活并同步运行。
53.在正常运行模式(中等作用距离)中，可以要么运行第一激光雷达设备4要么运行第二激光雷达设备6。因此直接得出针对激光雷达系统1的热学管理的优点。将更倾向于应冷却的激光雷达设备置于次运行，该激光雷达设备由于其减少的脉冲数量而仅略微升温(主从运行)。在此，激光雷达设备4、6可以交替运行以便避免过热。
54.通过激光雷达系统1，在所述激光雷达设备4、6之一在运行中发生故障的情况下总是存在冗余。驾驶功能仅仅由于车速受限而降级(degradation)，但驾驶功能仍能够继续得到维持。