本发明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视野的调节设备。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。此外，本发明涉及一种用于调节激光雷达测量设备的视野的方法。
背景技术
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。
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进行了区分，扫描系统通常基于微镜工作，在非扫描系统中，若干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)。
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。
当通过激光雷达检测物体时，一个挑战在于在制造过程中和在车辆中安装相应传感器的过程中出现的公差。这会导致传感器视野的次优利用或精度损失。此外，在车辆操作过程中，车辆的对准或位置可能会偏离正常状态，这同样会改变视野的对准。操作中的这种偏离可以是动态的(例如，在制动或转弯时)，也可以是静态的(例如，由货物导致)。为了实现传感器足够的可靠性，经常使用或读出过大的视野，使得即使对准偏离存在的情况下，也能采集相关区域中的所有物体。这导致高成本和/或较差的分辨率。
技术实现要素：
根据上面的内容，本发明的目的是提供一种可以更好地检测激光雷达测量设备的视野中的物体的方法。特别是，要实现在相关领域中尽可能高的分辨率。
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视野的调节设备，其具有：
俯仰角估计单元，用于确定车辆的俯仰角；
区域单元，用于基于俯仰角确定相对于车辆对准的期望的物体检测区域；
选择单元，用于基于期望的物体检测区域来确定对激光雷达测量设备的激光雷达发射单元的发射元件和/或激光雷达测量设备的激光雷达接收单元的传感器元件的行的选择，所述行平行于车辆水平平面延伸；和
控制接口，用于激活对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。
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：
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水平平面延伸的行；和
如上所述的调节设备。
本发明的其他方面涉及一种根据所述调节设备配置的方法和一种具有程序代码的计算机程序产品，当该程序代码在计算机上运行时用于实现该方法的步骤，以及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实现这里描述的方法。
本发明的优选实施例将在从属权利要求中描述。应当理解，在不脱离本发明的框架的情况下，上面提到的和下面将要描述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从属权利要求中针对调节设备或激光雷达测量设备描述的实施例来配置。
在行驶过程中，车辆的俯仰角可能会发生变化，例如，由于货物或驾驶操作(制动、加速等)。在焦平面阵列布置中不可移动地安装传感器的情况下，传感器固定在其相对于车辆的位置。为了能够在俯仰运动的情况下检测相关区域内的物体，为传感器选择的可视范围必须在其垂直扩展方面足够大。作为结果，在车辆俯仰运动的情况下，不相关区域本身被评估为仍然覆盖相关区域。同样可能的是，在生产过程中或在将传感器固定到车辆上时，会出现对准不准确的情况。这些同样必须通过为激光雷达发射单元和激光雷达接收单元选择的视野来补偿，该视野本身已过大。
本发明规定首先确定车辆的俯仰角。基于俯仰角，然后确定期望的物体检测区域。该物体检测区域对应于激光雷达发射单元或激光雷达接收单元的视野的一部分。期望的物体检测区域是视野中要通过激光雷达测量设备检测物体的部分。在这点上，物体检测区域构成了一个预计有物体的区域。从所确定的期望的物体检测区域开始，选择激光雷达测量设备的发射元件行和/或传感器元件行，然后激活它们来检测物体检测区域内的物体。因此，本发明不激活和评估激光雷达测量设备完整的可能视野，而是仅激活和评估其一部分。视野中不需要的部分不会被使用。
这使节省用于发射光脉冲(激光功率)以及用于信息处理的能量成为可能。此外，可以节省扫描不需要的行的过程的时间预算。可以以更高的精度评估分派给物体检测区域的发射元件行或传感器元件行。这使更好地检测深色物体(例如，道路上的障碍物)成为可能。在这方面，本发明提高了检测准确度。可以提高自主驾驶车辆的安全性。
在优选实施例中，调节设备包括用于接收环境传感器的环境传感器数据的环境传感器接口。俯仰角估计单元用于基于环境传感器数据来确定俯仰角。环境传感器数据优选地包括激光雷达测量设备的点云数据，该点云数据包括车辆环境中的物体的信息。例如，相机或雷达传感器的数据可以作为环境传感器数据被接收。优选处理激光雷达测量设备的数据。俯仰角可以从这些环境传感器数据中确定。这样做的优点是可以相对于车辆的环境精确地确定车辆的俯仰角。精确地确定俯仰角成为可能。使用激光雷达测量设备的数据时，无需访问外部数据。
在优选实施例中，俯仰角估计单元用于基于环境传感器数据检测水平位置。俯仰角估计单元还用于基于水平位置来确定俯仰角。水平面被检测到。为此，例如，可以检测车辆的道路在规定距离处相遇的平面。同样可以检测到哪个高度(传感器元件的哪个行)不再检测到道路。这就产生了精确的并符合实际情况的俯仰角估计值。
在另一个优选实施例中，俯仰角估计单元用于基于环境传感器数据检测车辆附近的道路进展。俯仰角估计单元还用于基于道路进展来确定俯仰角。道路在车辆附近的地方被检测到。例如，可以识别在附近哪个传感器平面中或用哪个传感器元件行检测到道路。这样准确地估计俯仰角成为可能，而不必访问外部数据。
在优选实施例中，调节设备包括位置传感器接口，用于接收车辆上位置传感器的位置传感器数据。俯仰角估计单元用于基于位置传感器数据来确定俯仰角。如果另外存在位置传感器，则可以基于其数据来确定俯仰角。这样得到容易实现和精确估计的俯仰角。可以节省计算能力。
在优选实施例中，区域单元用于基于预定义的角度参数来确定期望的物体检测区域。例如，物体检测区域可以描述平行于道路的平面周围的固定角度范围。变化的上偏离和下偏离同样可以在预定义的角度参数中定义。这样使得容易实现期望的物体检测区域的确定。
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附接到车辆。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。然而，保险杠上的位置容易受到车辆俯仰运动的影响。
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15°至25°的垂直视野，优选为20°。垂直视野的视野中心平行于车辆的水平平面(纵向平面)。激光雷达发射单元和激光雷达接收单元相对较大的垂直视野为选择物体检测区域创造了充分的基础。
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。特别地，激光雷达接收单元是具有相应传感器元件的微芯片。接收单元和发射单元也可以一起布置在一个微芯片上。传感器元件以矩阵形式布置在芯片上。传感器元件分布在激光雷达接收单元的芯片表面上。一个或几个传感器元件被分派给一个发射元件。激光雷达发射单元的光脉冲具体理解为激光脉冲。车辆的环境尤其包括从车辆中可见的车辆周围的区域。俯仰角是描述或量化俯仰或上下移动的车辆位置角度。俯仰角量化了围绕车辆横轴(俯仰轴)的旋转。横轴是横向于车辆正常移动方向的车身轴线。车辆的水平平面平行于车辆的纵轴和横轴。
附图说明
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：
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；
图2是根据本发明的调节设备的示意图；
图3是激光雷达测量设备的调节后视野的示意图；
图4是激光雷达发射单元的示意图；
图5是具有根据本发明的激光雷达测量设备的车辆的示意图；和
图6是根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
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，并且特别是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。
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。
激光雷达接收单元16和激光雷达发射单元18都优选为焦平面阵列配置。相应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的发射元件布置在各自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。
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几个发射元件。发射元件优选用于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。
发射芯片被分配了发射光学器件，接收芯片被分配了接收光学器件。光学器件对来自相应芯片上的空间区域的入射光进行成像。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。将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。在正常情况下，发射元件的激光总是成像在伴随的传感器元件上。有利的是，多个传感器元件布置在发射元件的空间角度内。
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。根据测量系统及其电子器件的结构设计，这种测量过程包括一个或几个测量周期。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。其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。
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。当测量被多次执行时，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12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。
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填充存储器元件。这可以基于存储器元件数据以直方图来图示。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。
图2示意性地示出了根据本发明的用于调节激光雷达测量设备的视野的调节设备20。调节设备20包括俯仰角估计单元22、区域单元24、选择单元26以及控制接口28。此外，调节设备20还可以包括环境传感器接口和/或位置传感器接口，通过该环境传感器接口可以接收环境传感器的环境传感器数据，通过该位置传感器接口可以接收位置传感器的位置传感器数据(未示出)。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。特别地，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。
例如，俯仰角估计单元22可以用于接收位置传感器的数据和/或接收环境传感器的数据，并基于此确定车辆的俯仰角。然后通过相应的评估来确定或计算俯仰角。优选地，评估激光雷达测量设备的点云数据，例如，以确定或跟踪水平位置，即水平面的进展，或道路的进展，即车辆前方区域中道路的对准。
区域单元24可以例如基于预定义的角度参数(也可以是二维的)来确定物体检测区域。特别地，角度参数在这里可以描述从道路平面或水平平面向上或向下的偏离。
评估单元26用于选择发射元件的行和/或传感器元件的行。有可能仅激活发射元件的一些部分，并且仅读出传感器元件的一些部分。同样有可能同时选择发射元件的行和传感器元件的行。
通过控制接口28激活相应的行选择。控制接口28用于相应地致动激光雷达测量设备或激光雷达测量设备的处理器。
图3示意性地示出了当车辆14俯仰时，例如由于制动过程，车辆14的视野30如何变化。车辆14在左侧显示为正常对准。在所示的截面图中，例如，激光雷达接收单元16或激光雷达发射单元18可以具有20°的垂直视野30(具有20°开度角的视野)。视野的视野中心平行于车辆14的纵轴L延伸(平行于车辆14的水平平面)。纵轴L与参考系的相应轴L’(水平线)一致地延伸。车辆14的垂直轴线H垂直地立在道路上，并且与参考系的相应垂直轴线H’一致地延伸。在车辆14的这种正常状态下，激光雷达测量设备10可以检测整个视野30内的物体，但是在物体检测区域32内采集物体就足够了。例如，物体检测区域可以包括相对于水平线±5°的区域。物体检测区域32也可以被称为有效视野。
图3的右侧示出了车辆14以俯仰角N进行俯仰运动的情况。纵轴L或垂直轴线H相对于参考系的相应轴线L’、H’倾斜。因为激光雷达测量设备10与车辆14固定连接，所以激光雷达测量设备10或激光雷达发射单元和激光雷达接收单元的视野也是倾斜的。根据本发明的调节设备使得可以选择物体检测区域32，使得只有相对于水平线±5°的相同区域总是被选择作为有效视野，并且在该区域内的物体可以被检测到。可以说，激光雷达测量设备10的视野30仅被部分使用。
针对制动操作示出的情况必须理解为示例性的。如果激光雷达测量设备10具有足够大的视野，则车辆14上的货物或车辆14中激光雷达测量设备10的对准中的公差误差也使得视野的调节或对观察区域的选择是必要的或有利的。
图4示意性地示出了根据本发明的激光雷达发射单元18。激光雷达发射设备18包括多个发射元件34，这些发射元件34排列成多行Z1-Z6。为了清楚起见，附图仅示出了发射元件34的若干行或选择的行。例如，激光雷达发射单元可以包括具有128*128个发射元件34的阵列。
发射元件34可以逐行激活。这意味着布置在同一行Z1–Z6中的所有发射元件34可以同时被激活。
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，如果在安装过程中出现公差，或者如果车辆进行俯仰运动，则激光雷达发射单元相对于参考系(街道、水平面等)的对准会出现变化。根据本发明，仅激活选择的行Z1-Z6，以便一方面节省能量，另一方面能够以更高的频率致动期望的物体检测区域的剩余行。
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。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布置，使得当车辆执行移动时两者的对准发生变化。类似于致动激光雷达发射单元18的发射元件34，激光雷达接收单元16的传感器元件也可以逐行读出。这使得节约更多能量或增加读出频率成为可能。
图5示意性地示出了具有根据本发明的激光雷达测量设备10的车辆14。除了激光雷达测量设备10之外，车辆还包括环境传感器36以及位置传感器38。例如，环境传感器36可以包括相机，并且被布置在激光雷达测量设备10的外部。例如，位置传感器38可以包括惯性测量单元，并且同样布置在车辆14中的激光雷达测量设备10的外部。
图6示意性地示出了根据本发明的方法，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视野。该车辆包括以下步骤：确定S10俯仰角，确定S12期望的物体检测区域，确定S14行的选择，以及激活S16行的选择。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。
基于附图和说明书对发明进行了全面的描述和解释。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。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。计算机程序可以存储/分布在非易失性数据载体上，例如光存储器或固态驱动器(SSD)上。计算机程序可以与硬件一起分布和/或作为硬件的一部分分布，例如通过互联网或通过硬连线或无线通信系统。权利要求中的附图标记不应理解为是限制。
附图标记
10 激光雷达测量设备
12 物体
14 车辆
16 激光雷达接收单元
18 激光雷达发射单元
20 调节设备
22 俯仰角估计单元
24 区域单元
26 选择单元
28 控制接口
30 视野
32 物体检测区域
34 发射元件
36 环境传感器
38 位置传感器
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