调节设备和激光雷达测量设备的制作方法

1.本发明涉及一种调节设备，其用于调节车辆上焦平面阵列布置中的激光雷达测量设备的检测过程。本发明还涉及一种用于检测车辆环境中物体的焦平面阵列布置中的激光雷达测量设备以及一种用于调节激光雷达测量设备的检测过程的方法。


背景技术：

2.现代车辆(汽车、运输工具、卡车、摩托车、无人驾驶运输系统等)包括多个系统，这些系统向驾驶员或操作员提供信息和/或部分或完全自动地控制车辆的各种功能。传感器采集车辆的环境以及其他可能的道路使用者。基于所采集的数据，然后可以生成车辆环境的模型，并且可以对该车辆环境中的变化做出反应。自主和部分自主驾驶车辆领域的持续发展正在使得驾驶员辅助系统(高级驾驶员辅助系统，adas)和自主操作运输系统的影响力和作用范围不断扩大。越来越精确的传感器的发展使得在没有驾驶员任何干预的情况下采集环境并完全或部分控制车辆的各种功能成为可能。
3.激光雷达(光检测和测距)技术在这里构成了采集环境的一个重要传感器原理。激光雷达传感器基于发射光脉冲和检测反射光。到反射地点的距离可以通过运行时间测量来计算。可以通过评估接收到的反射来检测目标。关于相应传感器的技术实现，在扫描系统和非扫描系统之间需要进行区分，扫描系统通常基于微镜工作，在非扫描系统中，多个发射和接收元件彼此并排地静态布置(特别是所谓的焦平面阵列布置)。
4.在这方面，wo 2017/081294a1描述了一种用于光学距离测量的方法和设备。其中描述了用于发射测量脉冲的发射矩阵和用于接收测量脉冲的接收矩阵的使用。当发射测量脉冲时，发射矩阵的发射元件的子集被激活。
5.当通过激光雷达检测物体时，一个挑战在于要检测的物体种类繁多，以及它们相对于激光脉冲反射的不同特性。深色物体(例如轮胎)比浅色物体(例如桥墩或道路边界)更难检测。由于在车辆应用领域中有多种物体要被检测，所以必须以适当的方式设计合适的激光雷达测量设备。一方面，可以增加功率以确保检测具有足够的可靠性。另一方面，可以降低更新速率，以实现每单位时间更多的检测。


技术实现要素：

6.根据以上内容，本发明的目的是提供一种更好地检测在激光雷达测量设备的视野中的物体的方法。特别是，要实现对具有不同特性的物体的最可靠的检测。这里的能耗要尽可能低。此外，能够成本有效地实现激光雷达测量设备。
7.为了实现该目的，本发明在第一方面涉及一种用于调节车辆上焦平面阵列布置中的激光雷达测量设备的检测过程的调节设备，其具有：
8.输入接口，用于接收具有关于至少两个垂直采集区的信息的设置；
9.设置单元，用于基于接收到的设置，为至少两个采集区中的每一个采集区确定检测过程的控制参数；
10.选择单元，用于基于接收到的设置，为至少两个采集区中的每一个采集区确定平行于车辆纵向平面延伸的激光雷达测量设备的激光雷达发射单元的发射元件的部分行数和/或激光雷达测量设备的激光雷达接收单元的传感器元件的部分行数；和
11.控制单元，用于控制激光雷达测量设备，其中基于所确定的控制参数为每个采集区控制所确定的部分行数，以便检测至少两个采集区内的物体。
12.接口，用于激活激光雷达测量设备的激光雷达发射单元的发射元件和/或激光雷达接收单元的传感器元件的行的选择，以便检测物体检测区域内的物体。
13.另一方面，本发明涉及一种用于检测车辆环境中的物体的焦平面阵列布置中的激光雷达测量设备，其具有：
14.具有用于发射光脉冲的多个发射元件的激光雷达发射单元和具有用于接收光脉冲的多个传感器元件的激光雷达接收单元，其中发射元件和传感器元件被布置成平行于车辆的纵向平面延伸的行；和如上所述的调节设备。
15.本发明的其他方面涉及一种根据该调节设备配置的方法和一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有程序代码，当程序代码在计算机上运行时用于实现该方法的步骤，以及一种存储计算机程序的存储介质，当该计算机程序在计算机上运行时使得这里描述的方法得以实现。
16.本发明规定在至少两个垂直采集区之间进行区分。垂直采集区在这里被理解为视野的垂直部分或区域。激光雷达测量设备的视野被分为几个采集区。在根据本发明的调节设备中，现在为这些采集区中的每一个采集区确定控制参数。此外，为这些采集区中的每一个采集区确定平行于车辆水平平面延伸的发射元件和/或传感器元件的部分行数。然后通过控制单元分别控制各部分行数。换句话说，为视野的不同部分设置不同的参数。逐行可控的激光雷达发射单元或逐行可读的激光雷达接收单元以不同方式处理不同接收区的行的方式受到控制。
17.这样就能改进物体检测。在车辆中，上部行的发射或传感器元件至少部分地还采集天空以及道路上方的物体，例如桥梁、天花板等。下部行的发射和/或传感器元件采集道路。预计在这些不同的区域或采集区会出现不同的物体。此外，不同的距离尤其相关。例如，黑色轮胎可能躺在路面上，而不会预计它出现在天空中。根据本发明，通过对至少两个垂直采集区进行区分并单独建立控制参数，可以考虑这种类型的模型知识，并使其对物体检测有用。激光雷达测量设备以这样的方式操作，即调节激光雷达发射单元或激光雷达接收单元的特性，以改变对这些采集区中预期的物体的垂直采集区。由此可以提高物体检测期间的可靠性。附加地或替代地，可以使用具有相同可靠性的成本有效的传感器。优点同样出现在所需的功率和所需的安装空间方面。
18.在优选实施例中，输入接口用于接收水平线相对于车辆上激光雷达测量设备的对准和位置的高度。选择单元用于确定分派给水平线上方区域的第一部分行数和分派给水平线下方区域的第二部分行数。特别是，在水平线上区分两个采集区是有利的。道路以及道路区域内的物体主要将预期位于水平线以下。横跨道路的物体主要将预期在水平线以上。横跨道路的物体通常比较明亮。躺在路面上的物体也可能是深色的。不同的覆盖范围也是相关的。在检测过程中，可以相应地调节特性。可靠性得到提高。
19.在优选实施例中，输入接口用于接收测量过程的总时间预算。设置单元用于利用
每个采集区的总时间预算的一部分来确定控制参数。特别是，可以为激光雷达测量设备规定可用于执行单独测量过程的特定总时间预算。例如，这样的总时间预算来自期望或要求的测量频率(更新速率)，或者也来自硬件实现。规定的总时间预算以调节后的方式分配给不同的调节区。
20.在另一个优选实施例中，输入接口用于接收测量过程的总功率预算。设置单元用于利用每个采集区的总功率预算的一部分来确定控制参数。与上述规定的总时间预算类似，也可以规定总功率预算。该功率在不同的采集区之间划分，使得预计在该采集区中的物体可以尽可能可靠地被检测到。
21.在优选实施例中，调节设备用于在激光雷达测量设备的调试期间调节检测过程。根据本发明的调节设备用于调节激光雷达测量设备的检测过程。在这方面，输入接口以及设置单元和选择单元在激光雷达测量设备的调试期间执行它们的功能一次，而控制单元在测量过程期间，即在操作期间执行其相应的功能。
22.在另一个优选实施例中，输入接口用于接收具有关于四个垂直采集区的垂直扩展的信息的设置。第一采集区对应于天空的区域。第一采集区下方的第二采集区对应于远距离观察区域。第二采集区下方的第三采集区对应于中距离道路区域。第三采集区下方的第四采集区对应于近距离道路区域。总共使用四个采集区，几个区域中的检测过程的行为可以根据该区域中预期的相应物体来调节。这使得提高可靠性成为可能。
23.在另一个优选实施例中，激光雷达测量设备用于执行时间相关单光子计数(tcspc)测量过程。设置单元用于确定tcspc积分的数量。tcspc积分的数量优选地在设置单元中被确定为控制参数。如果在采集区使用更多数量的tcspc积分，则可以在该采集区内实现改进的物体检测。特别是，深色和/或更远的物体也可以被检测到。
24.在激光雷达测量设备的优选实施例中，激光雷达测量设备用于在车辆保险杠区域中紧固到车辆。例如，激光雷达测量设备可以集成到车辆的保险杠中。这样可以清楚地看到车辆前方或后方的物体。区分不同的采集区尤其有利，因为激光雷达测量设备可以获得清晰的视图。
25.在激光雷达测量设备的优选实施例中，激光雷达发射单元和激光雷达接收单元具有12度至20度的垂直视野，优选为16度。垂直视野的视野中心优选平行于车辆的纵向平面。更大的视野被分成不同的采集区。
26.应当理解，具体的参数和具体的分派，特别是多个tcspc积分以及不同采集区的行指示(将行分派给采集区)，也可以通过输入接口直接接收。可以说，设置单元和选择单元基本上用于将相应的信息转发给控制单元。例如，设置单元因此将相应采集区的tcspc积分的数量作为控制参数转发。选择单元从接收到的行分派开始将部分数量转发给采集区。
27.检测过程对应于激光雷达发射单元的发射过程和激光雷达接收单元在规定持续时间内的相应读出。垂直采集区对应于激光雷达测量设备的视野的一部分。焦平面阵列布置被理解为基本上在一个平面中的传感器元件(或发射元件)的配置。特别是，激光雷达接收单元是具有相应传感器元件的微芯片。特别是，激光雷达发射单元同样是具有相应发射元件的微芯片。接收和发射单元可以一起布置在微芯片上。例如，发射和传感器元件各自以矩阵形式布置在芯片上，并且分布在芯片的表面上。一个或几个传感器元件被分派给一个发射元件。特别是，激光雷达发射单元的光脉冲被理解为激光脉冲。特别是，车辆的环境包
括从车辆可见的车辆环境中的区域。车辆的纵向平面于车辆的纵轴和横轴平行对准。
28.从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。应当理解的是，在不脱离本发明的框架的情况下，上面提到的以及下面将要解释的特征不仅可以用在分别指出的组合中，而且可以用在其他组合中或者单独使用。特别是，调节设备、激光雷达测量设备以及方法和计算机程序产品可以根据在调节设备或激光雷达测量设备的从属权利要求中描述的实施例来配置。
附图说明
29.下面将结合附图，基于几个选定的示例性实施例更详细地描述和解释本发明。其中：
30.图1是根据本发明一个方面的激光雷达测量设备的示意图；
31.图2是根据本发明的调节单元的示意图；
32.图3是具有四个垂直采集区的调节设备的示意图；
33.图4是激光雷达发射单元的示意图；及
34.图5是根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
35.图1示意性地示出了根据本发明的激光雷达测量设备10，其用于检测车辆14环境中的物体12。在所示的示例性实施例中，激光雷达测量设备10集成到车辆14中。例如，车辆14的环境中的物体12可以是另一车辆或者也可以是静态物体(交通标志、房屋、树等)或另一个道路使用者(行人、骑自行车者等)。激光雷达测量设备10优选地安装在车辆14的保险杠区域中，并且尤其能够评估车辆前方的车辆14的环境。例如，激光雷达测量设备10可以集成到前保险杠中。
36.根据本发明的激光雷达测量设备10包括激光雷达接收单元16以及激光雷达发射单元18。激光雷达测量设备10还包括用于调节激光雷达测量设备10的视野的调节设备20。
37.激光雷达接收单元16和激光雷达发射单元18都优选配置成焦平面阵列配置。各设备的元件基本上布置在相应芯片上的平面中。激光雷达接收单元或激光雷达发射单元的芯片布置在相应光学系统(发射光学器件或接收光学器件)的焦点上。具体而言，激光雷达接收单元16的传感器元件或激光雷达发射单元18的发射元件布置在相应接收或发射光学器件的焦点中。例如，这些光学器件可以由光学透镜系统组成。
38.激光雷达接收单元16的传感器元件优选地配置成spad(单光子雪崩二极管)。激光雷达发射单元18包括用于发射激光或激光脉冲的多个发射元件。发射元件优选配置成vcsel(垂直腔面发射激光器)。激光雷达发射单元18的发射元件分布在发射芯片的表面上。激光雷达接收单元16的传感器元件分布在接收芯片的表面上。
39.发射光学器件被分配给该发射芯片，接收光学器件被分配给了该接收芯片。光学器件对来自空间区域的入射光成像到各自芯片上。该空间区域对应于激光雷达测量设备10的可视区域，该可视区域针对物体12被检查或感测。激光雷达接收单元16或激光雷达发射单元18的空间区域基本相同。发射光学器件将发射元件成像到代表空间区域的部分区域的空间角度上。发射元件相应地将激光发射到该空间角度。发射元件一起覆盖整个空间区域。
接收光学器件将传感器元件成像到代表空间区域的部分区域的空间角度上。所有传感器元件的数量覆盖整个空间区域。检查相同空间角度图像的发射元件和传感器元件成像到彼此上，并相应地彼此分配或分派给彼此。在正常情况下，发射元件的激光总是成像在对应的传感器元件上。有利的是，几个传感器元件布置在发射元件的空间角度内。
40.为了确定或检测空间区域内的物体12，激光雷达测量设备10执行测量过程。这种测量过程包括一个或几个测量周期，这种检测周期取决于测量系统及其电子器件的结构设计。这里，在控制单元20中优选使用tcspc(时间相关单光子计数)方法。在这里，特别是通过spad检测各个入射光子，并且传感器元件被触发的时间(检测时间)被存储在存储器元件中。检测时间与发射激光的参考时间相关。差值可用于确定激光的运行时间，由此可确定物体12的距离。
41.激光雷达接收单元16的传感器元件一方面可以由激光触发，另一方面可以由背景辐射触发。在物体12的特定距离处，激光总是同时到达，而背景辐射提供了在任何时间触发传感器元件的相同概率。当测量被执行多次时，特别是在几个测量周期中，传感器元件的触发在检测时间相加，该检测时间对应于激光相对于物体距离的运行时间。相比之下，由背景辐射引起的触发在测量周期的测量持续时间内均匀分布。一次测量对应于激光的发射和随后的检测。存储在存储器元件中的来自测量过程的各个测量周期的数据使得可以评估多次确定的检测时间，从而推断物体12的距离。
42.传感器元件有利地与tdc(时间数字转换器)连接。tdc将传感器元件被触发的时间存储在存储器元件中。例如，这种存储器元件可以配置成短期存储器或长期存储器。tdc用传感器元件检测测量过程的入射光子的时间来填充存储器元件。这可以通过基于存储器元件数据的直方图来图示。在直方图中，测量周期的持续时间被划分为非常短的时间段(所谓的区间(bin))。如果传感器元件被触发，tdc将区间的值增加1。对应于激光脉冲运行时间的区间被填满，这意味着检测时间和参考时间之间的差值。
43.图2示意性地示出了根据本发明的用于调节车辆中焦平面阵列布置中的激光雷达测量设备的检测过程的调节设备。调节设备20包括输入接口22、设置单元24、选择单元26以及控制单元28。各种单元和接口可以在软件和/或硬件中配置或实现，无论是单独的还是组合的。特别是，这些单元可以在激光雷达测量设备的处理器上运行的软件中实现。
44.通过输入接口22接收设置。该设置包括关于至少两个垂直采集区的信息。特别是，该设置可以已经包括各行发射元件和/或传感器元件到采集区的分派，以及每个采集区的功率和/或积分过程的数量的相应指示。然而，设置也可以包括其他信息，基于这些信息可以确定每个采集区的控制参数以及行的部分数量。例如，该设置可以是车辆当前环境的指示。根据本发明，激光雷达测量设备也可以基于当前交通状况来致动。高速公路上使用的设置不同于乡村道路或城市交通中使用的设置。车辆所处的交通状况(即设置)可以基于环境传感器、地图材料、用户输入或其他信息源来确定。特别是，可以接收总功率预算和/或总时间预算作为设置。然后，该总预算可以在设置单元24以及选择单元26中在各个采集区之间进行划分。
45.在设置单元24中为每个采集区确定检测过程的控制参数。特别是，控制参数可以包括tcspc积分过程的数量。例如，这些数量可以基于可能的tcspc积分过程的规定总数量(总时间预算)来确定。控制参数允许控制激光雷达测量设备，并规定测量过程的特性。特别
是，为每个采集区确定单独的控制参数。在这方面，每个采集区以不同的特性操作。
46.在选择单元26中确定发射元件和/或传感器元件的行的部分数量。为此，评估接收到的设置。确定布置成行的激光雷达芯片的哪些行被分派给或将被分派给相应的采集区。如果已经接收到规定的行作为设置，则该设置可以在选择单元26中直接转发。同样可能的是，基于包括绝对或相对尺度上的区尺寸指示的设置来确定行的部分数量。
47.激光雷达测量设备通过控制单元28来控制。特别是，基于相应的控制参数，为每个采集区单独控制所分派的行的部分数量。因此，激光雷达测量设备以这样一种方式操作，即以变化的参数检测采集区内的物体。特别是，有可能检测不同区中的物体，这些物体具有针对这些区定制的相应特性。
48.图3示意性地示出了车辆14的侧视图，其中在保险杠区域中布置了具有调节设备20、激光雷达接收单元16和激光雷达发射单元18的激光雷达测量设备10。在所示的示例性实施例中，激光雷达测量设备的垂直视野30总共被分成四个不同的采集区e1-e4。在这些采集区e1-e4中的每个采集区建立或使用单独的控制参数。例如，垂直视野可以具有16度的开度角。假设激光雷达发射单元总共包括80行发射元件，例如，行0至14可以分派给第一采集区e1，行15至64分派给第二采集区e2，行65至74分派给第三采集区e3，行75至79分派给第四采集区e4。如所示的示例性实施例中所示，第一采集区e1和第二采集区e2之间的边界在水平平面h上延伸，该水平平面h在所示的示例性实施例中对应于车辆14的纵向平面。第一采集区e1对应于水平线以上的天空区域。虽然在第一采集区中需要很大的范围，但不太可能出现深色物体。
49.例如，在所示出的示例性实施例中，可以在该区域中提供235个tcspc积分的预算。在第二采集区e2中采集远距离区域。在这一区域，同样可以检测到深色物体是非常重要的，例如，这样就可以采集躺在街道上的轮胎。由于这个原因，在这个区域使用了更多数量的tcspc积分，例如355个。在第三采集区e3采集中距离道路区域，即在中等距离处的道路区域。例如，中距离区域对应于高达29米的距离。例如，可以通过控制参数在该区域建立262个tcspc积分。在第四采集区e4中评估近距离道路区域，即紧邻车辆前方的区域，例如至10米的距离。因为这个区域就在附近，可能不再可能对潜在的障碍做出反应，所以较少数量的tcspc积分就足够了。例如，可以使用222个tcspc积分。因此，作为一个整体，tcspc积分各自被分派给相应采集区中预期物体的特性。
50.图4示意性示出了根据本发明的激光雷达发射单元18。激光雷达发射单元18包括多个发射元件32，发射元件32布置成多行z1-z6。为了清楚起见，附图仅示出了几条线或选择的发射元件32。例如，激光雷达发射单元18可以包括具有80*128个发射元件32的阵列。激光雷达接收单元的相应传感器元件被分派给每个发射元件32。这里，传感器元件也可以表示具有几个单独的spad小区的微小区。发射元件32可以逐行激活。这意味着可以同时激活布置在同一行z1
–
z6中的所有发射元件32。
51.因为激光雷达发射单元18配置成焦平面阵列布置，并且与车辆固定连接或内置在车辆中，所以激光雷达发射单元18的阵列相对于车辆的对准在操作期间不能改变。因此，在传感器调试期间，也可以已经规定了采集区对各行发射和/或传感器元件的分派。对运行时间的调节也是可以想象的。根据本发明，分派给特定采集区的行根据不同的控制参数操作。作为结果，可以以优化的方式采集在采集区内的物体。
52.应当理解，具有传感器元件的激光雷达接收单元对应于激光雷达发射单元18而配置。当车辆执行移动时，激光雷达发射单元18和激光雷达接收单元16通常彼此固定连接，并且优选地彼此并排地布置。类似于致动激光雷达发射单元18的发射元件32，激光雷达接收单元16的传感器元件也可以逐行读出。
53.图5示意性地示出了根据本发明的用于调节车辆上焦平面阵列布置中的激光雷达测量设备的检测过程的方法。该方法包括以下步骤：接收s10设置，确定s12控制参数，确定s14发射元件和/或传感器元件的平行运行的部分行数，以及致动s16激光雷达测量设备。例如，该方法可以在运行在激光雷达测量设备的处理器上的软件中实现。
54.基于附图和说明书对本发明进行了全面描述和解释。说明书和解释应被解释为示例，而不是限制。本发明不限于所公开的实施例。对于本领域技术人员，在本发明的应用以及对附图、公开内容和所附权利要求的准确分析中将想到其他实施方式或变型。
55.在权利要求中，词语“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤的存在。不定冠词“一”或“一个”(“a”或“an”)不排除复数的存在。单个元件或单个单元可以执行权利要求中提到的几个单元的功能。元件、单元、接口、设备和系统可以部分或完全以硬件和/或软件实现。在几个不同的从属权利要求中仅仅提到几个措施并不意味着不能同样有利地使用这些措施的组合。权利要求中的附图标记不应理解为是限制。
56.附图标记
57.10 激光雷达测量设备
58.12 物体
59.14 车辆
60.16 激光雷达接收单元
61.18 激光雷达发射单元
62.20 调节设备
63.22 输入接口
64.24 设置单元
65.26 选择单元
66.28 控制单元
67.30 视野
68.32 发射元件