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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anpassungsvorrichtung zum Anpassen einer vertikalen Region-of-Interest innerhalb eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung an einem Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren sowie ein System zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs.
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Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden.
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Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung ist dabei die Lidartechnik (light detection and ranging). Ein Lidarsensor basiert auf der Aussendung von Lichtsignalen und der Detektion des reflektierten Lichts. Mittels einer Laufzeitmessung kann ein Abstand zum Ort der Reflexion berechnet werden. Zudem ist die Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit möglich. Hierbei können sowohl unmodulierte Pulse als auch frequenzmodulierte Signale (Chirps) verwendet werden (Frequency-Modulated-Continuous-Wave-Lidar, FMCW-Lidar). Durch eine Auswertung der empfangenen Reflexionen kann eine Detektion eines Ziels erfolgen. Hinsichtlich der technischen Realisierung des Lidarsensors wird zwischen scannenden und nichtscannenden Systemen unterschieden. Ein scannendes System basiert dabei zumeist auf Mikrospiegeln und einer Abtastung der Umgebung mit einem Lichtspot, wobei man von einem koaxialen System spricht, wenn der gesendete und empfangene Lichtpuls über denselben Mikrospiegel abgelenkt werden. Bei nichtscannenden Systemen sind mehrere Sende- und Empfangselemente statisch nebeneinanderliegend angeordnet (insb. sog. Focal Plane Array-Anordnung).
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In diesem Zusammenhang werden in der
WO 2018/127789 A1 Lidarsysteme und Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Objekten offenbart.
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Eine relevante Funktion eines Lidarsensors im Fahrzeugumfeld liegt in der Detektion von Hindernissen auf der Fahrbahn, beispielsweise verlorenen Ladungsstücken, Reifen oder verletzten Personen. Besonders verletzte Personen und Reifen können dabei einen vergleichsweise kleinen vom Lidarsensor aus sichtbaren Raum einnehmen. Bei einer Anwendung auf einer Autobahn oder Schnellstraße sollen derartige Hindernisse in einem Bereich von 100 bis 300 m detektiert werden. Um dies zuverlässig zu erreichen, ist eine hohe Ortsauflösung notwendig. Beispielsweise kann eine Auflösung in Horizontalrichtung von 0,05° und in Vertikalrichtung von 0,025° notwendig sein, um sicherzustellen, dass ein Objekt von mehreren Abtastpunkten getroffen wird.
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Dabei ist es nicht sinnvoll bzw. aus Datenverarbeitungsgründen auch gar nicht möglich, ein gesamtes Sichtfeld, das beispielsweise eine Ausdehnung von 40° bis 120° in Horizontalrichtung und von 15° bis 30° in Vertikalrichtung aufweisen kann, mit einer so hohen Auflösung abzutasten. Einerseits würde die anfallende Datenmenge sehr hohe Anforderungen an die Datenübertragung und Datenverarbeitung stellen und damit nur sehr aufwändig realisierbar sein. Andererseits wäre eine so hohe Auflösung im überwiegenden Teil des Sichtfelds auch nicht notwendig, insbesondere in Bereichen mit einem Abstand von weniger als 48 m bis 100 m oder im Bereich des Himmels oberhalb einer Horizontlinie. Um eine zuverlässige Detektion von Objekten zu erreichen, gibt es deshalb Ansätze, innerhalb des Sichtfelds in einem besonders relevanten Bereich (Region-of-Interest) eine höhere Auflösung als im verbleibenden Sichtfeld zu wählen. Dieser relevante Bereich muss dabei jedoch groß genug gewählt werden, um sicherzustellen, dass relevante Objekte mit hoher Zuverlässigkeit erfasst werden. Daher ist auch bei derartigen Ansätzen die erreichbare Auflösung limitiert.
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Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen kosteneffizient implementierbaren Ansatz zum zuverlässigen Detektieren von Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs bereitzustellen. Insbesondere soll es ermöglicht werden, auf der Straße liegende Objekte im Bereich vor einem Fahrzeug mit hoher Zuverlässigkeit zu erfassen.
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Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Anpassungsvorrichtung zum Anpassen einer vertikalen Region-of-Interest innerhalb eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung in einem Fahrzeug, mit:
- einer Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Bewegungsdaten eines Inertialsensors mit Informationen zu einer Lage des Fahrzeugs;
- einer Auswerteeinheit zum Ermitteln eines Nickwinkels der Lidar-Messvorrichtung basierend auf den Bewegungsdaten; und
- einer Steuereinheit zum Ansteuern der Lidar-Messvorrichtung, um die vertikale Region-of-Interest basierend auf dem ermittelten Nickwinkel anzupassen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs, mit:
- einer Lidar-Messvorrichtung an dem Fahrzeug, mit einem Sender zum Aussenden eines Lichtsignals, einem Empfänger zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt und einer 2D-Scannereinheit zum Abtasten eines Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung;
- einem Inertialsensor zum Erfassen von Bewegungsdaten mit Informationen zu einer Bewegung des Fahrzeugs; und
- einer Anpassungsvorrichtung zum Anpassen einer vertikalen Region-of-Interest innerhalb des Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung wie zuvor beschrieben.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein der Anpassungsvorrichtung entsprechend ausgebildetes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens bewirkt.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können das System, das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend der für die Anpassungsvorrichtung in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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Es ist vorgesehen, dass eine vertikale Region-of-Interest basierend auf Bewegungsdaten eines Inertialsensors in Vertikalrichtung angepasst wird. Über eine Eingangsschnittstelle werden Bewegungsdaten eines Inertialsensors empfangen. Diese Bewegungsdaten beschreiben eine Lage des Fahrzeugs, also eine Ausrichtung des Fahrzeugs bezüglich der Fahrbahn bzw. bezüglich der Erdbeschleunigung. Ausgehend hiervon wird ein Nickwinkel der Lidar-Messvorrichtung ermittelt. Die Lidar-Messvorrichtung ist fest mit dem Fahrzeug verbunden. Ein Nickwinkel entspricht insoweit einer Abweichung in der Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung von einer Normalposition. Insbesondere wird eine Abweichung von der Horizontlinie beschrieben, wenn davon ausgegangen wird, dass eine normale Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung in Richtung der Horizontlinie erfolgt. Ausgehend von dem ermittelten Nickwinkel wird eine Ansteuerung der Lidar-Messvorrichtung vorgenommen, um die vertikale Region-of-Interest anzupassen. Unter einer Anpassung versteht sich dabei insbesondere eine Verschiebung oder auch eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung.
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Bei bisherigen Ansätzen wurde eine statische Region-of-Interest oder auch eine in der Auflösung dynamisch anpassbare Region-of-Interest verwendet. Demgegenüber bietet der vorliegende Ansatz den Vorteil, dass eine weiter verbesserte Datenauswertung innerhalb eines relevanten Bereichs erreicht werden kann. Dadurch, dass lediglich derjenige Bereich ausgewertet wird, der aktuell relevant ist, kann dieser mit hoher Zuverlässigkeit ausgewertet werden. Die Anpassung der vertikalen Region-of-Interest basierend auf der Lage des Fahrzeugs bewirkt, dass nur ein vergleichsweise kleiner Bereich hochauflösend erfasst werden muss, um alle relevanten Informationen zu erhalten. Dieser kleinere Bereich kann dann mit hoher Auflösung bzw. mit hoher Reichweite erfasst werden, ohne die Anforderungen an die benötigte Datenverarbeitungsleistung und Kommunikationsbandbreite zu erhöhen. Es ergibt sich eine erhöhte Zuverlässigkeit bei der Detektion von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs. Ein Vorteil der Verwendung eines Beschleunigungssensors ist, dass die Aktualisierungsrate oft zehnfach höher ist als die Scanrate einer Lidar-Messvorrichtung. So hat ein Inertialsensor bzw. ein Beschleunigungssensor oft eine Aktualisierungsfrequenz von 200 Hz bis 2 kHz, wohingegen eine Lidar-Messvorrichtung eine Bildfrequenz von 10 Hz bis 25 Hz aufweist. Durch diese wesentlich höhere Abtastfrequenz kann eine wesentlich schnellere Detektion eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs erreicht werden. Zudem kann eine zuverlässigere und genauere Prädiktion des Nickwinkels des Fahrzeugs bzw. der Lidar-Messvorrichtung erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit zum Ansteuern der Lidar-Messvorrichtung ausgebildet, um die vertikale Region-of-Interest in Vertikalrichtung um den ermittelten Nickwinkel zu verschieben. Insbesondere ist es möglich, dass die Region-of-Interest in Vertikalrichtung entsprechend dem aktuellen Nickwinkel verschoben wird. Unter einer Verschiebung versteht sich dabei insbesondere eine Änderung der Ausrichtung in Bezug auf die Hochachse des Fahrzeugs, an dem die Lidar-Messvorrichtung angebracht ist. Die Änderung erfolgt dabei basierend auf dem Nickwinkel. Durch die Verschiebung ergibt sich die Möglichkeit, den relevanten Bereich mit hoher Auflösung abzutasten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit zum Ansteuern einer 2D-Scannereinheit zum zweidimensionalen zeilenweisen Abtasten des Sichtfelds der Lidar-Messvorrichtung ausgebildet. Vorzugsweise ist die Steuereinheit zum Verschieben eines der vertikalen Region-of-Interest entsprechenden vertikalen Bereichs mit verringertem Zeilenabstand innerhalb des Sichtfelds in Vertikalrichtung um den Nickwinkel ausgebildet. Insbesondere ist es möglich, die Anpassungsvorrichtung dazu zu verwenden, eine 2D-Scannereinheit entsprechend anzusteuern. Eine solche bietet den Vorteil, dass im Betrieb ein Zeilenabstand verändert werden kann, sodass eine Auflösung in Vertikalrichtung angepasst werden kann. Die vertikale Region-of-Interest ist dabei ein Bereich, in dem der Zeilenabstand gegenüber dem verbleibenden Sichtfeld verringert ist, um eine höhere Auflösung zu erreichen. Objekte können mit höherer Zuverlässigkeit detektiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit zum Verschieben mehrerer aneinander angrenzender vertikaler Bereiche mit unterschiedlichen Zeilenabständen innerhalb des Sichtfelds in Vertikalrichtung um den Nickwinkel ausgebildet. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Region-of-Interest in mehrere Teilbereiche mit unterschiedlichen Auflösungen aufgeteilt ist. Diese Teilbereiche können gemeinsam um den Nickwinkel verschoben werden. Es ergibt sich eine hohe Auflösung innerhalb eines besonders relevanten Bereichs, wobei die Auflösung in Vertikalrichtung sowohl nach oben als auch nach unten abnimmt. Die verfügbaren Kapazitäten hinsichtlich Prozessorleistung und Datenkommunikation werden optimal ausgenutzt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf einem statischen Anteil, der einem während einer Fahrt nicht veränderlichen Anteil entspricht, und einem dynamischen Anteil, der einem während einer Fahrt veränderlichen Anteil entspricht, ausgebildet. Ein statischer Anteil kann dabei insbesondere ein Anteil sein, der aus einer Beladung des Fahrzeugs oder einer Montage der Lidar-Messvorrichtung resultiert. Ein solcher Anteil ändert sich während der Fahrt nicht mit hoher Frequenz. Demgegenüber kann ein dynamischer Anteil einem aktuellen Fahrzustand beziehungsweise einem Fahrmanöver und insbesondere einer positiven oder negativen Beschleunigung geschuldet sein. Beispielsweise wird durch einen Bremsvorgang ein Nickwinkel des Fahrzeugs verändert, wodurch auch eine Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung verändert wird. Durch eine separate Betrachtung von statischem und dynamischem Anteil kann die Auswerteeinheit eine hohe Präzision bei der Ermittlung des relevanten Bereichs bzw. der Region-of-Interest sicherstellen. Objekte können mit hoher Zuverlässigkeit detektiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Bewegungsdaten mit Beschleunigungsdaten eines Längsbeschleunigungssensors zum Messen einer Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung einer Längsachse des Fahrzeugs ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Bewegungsdaten mit Beschleunigungsdaten eines 3-Achs-Beschleunigungssensors zum Messen eines dreidimensionalen Beschleunigungsvektors des Fahrzeugs ausgebildet. Relevant ist insbesondere eine Längsbeschleunigung, die beispielsweise beim Beschleunigen oder Bremsen auftreten kann. Diese kann ein- oder dreidimensional erfasst werden. Wenn ein dreidimensionaler Vektor vorliegt, kann die Auswerteeinheit insbesondere basierend auf trigonometrischen Betrachtungen den Nickwinkel der Lidar-Messvorrichtung bestimmen. Es versteht sich, dass vorbekannte Parameter hinsichtlich der Anbringung bzw. Montage der Lidar-Messvorrichtung am Fahrzeug hierbei berücksichtigt werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf einem vordefinierten Ausrichtungsparameter, der eine Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung in Bezug zu dem Fahrzeug beschreibt, ausgebildet. Insbesondere ist es möglich, dass zusätzlich zu den Bewegungsdaten auch ein Ausrichtungsparameter berücksichtigt wird. Ein solcher kann beispielsweise durch eine Montageposition der Lidar-Messvorrichtung vorgegeben sein. Je nach einer Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung am Fahrzeug wird der Nickwinkel in entsprechender Weise in der Auswerteeinheit ermittelt, um eine präzise Anpassung der vertikalen Region-of-Interest zu ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen der Bewegungsdaten von einem Inertialsensor eines Fahrerassistenzsystems des Fahrzeugs, insbesondere eines Antiblockiersystems, ausgebildet. Durch die Verwendung von Daten eines ohnehin am Fahrzeug vorhandenen Sensors können Kosten eingespart werden. Ohnehin verfügen verschiedene Fahrerassistenzsysteme über Beschleunigungssensoren. Deren Signal wird für die Anpassungsvorrichtung zum Anpassen der vertikalen Region-of-Interest verwendet. Es kann auf die Verwendung eines eigenen, separaten Sensors verzichtet werden, wodurch sich ein Kosteneinsparpotential ergibt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen einer Distanzangabe mit Informationen zu Abständen zwischen einem Zielpunkt auf einer Fahrbahn im Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung und der Lidar-Messvorrichtung ausgebildet. Die Auswerteeinheit ist zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf der Distanzangabe ausgebildet. Die Eingangsschnittstelle ist vorzugsweise zum Empfangen der Distanzangabe von der Lidar-Messvorrichtung ausgebildet. Insbesondere wird also ein Signal der Lidar-Messvorrichtung beim Ermitteln des Nickwinkels berücksichtigt. Der relevante Bereich, innerhalb dessen Objekte detektiert werden sollen, umfasst insbesondere die Fahrbahnoberfläche. Dieser relevante Bereich kann verbessert erfasst werden, wenn zusätzlich zu den Daten des Inertialsensors auch Daten mit einer Distanzangabe berücksichtigt werden. Hierdurch können Steigungen oder auch Gefälle der Fahrbahn vor dem Fahrzeug berücksichtigt werden. Die Neigung der Fahrbahn hat aufgrund der Gravitation Auswirkungen auf die Messungen des Inertialsensors und der Bewegungsdaten. Dadurch, dass zusätzlich eine Distanzangabe bei der Ermittlung des Nickwinkels miteinbezogen wird, kann insbesondere diese Auswirkung kompensiert werden. Insbesondere kann der Nickwinkel ausgehend von der Fahrbahnneigung entsprechend angepasst werden. Zudem kann eine Kalibrierung der Messung des Inertialsensors vorgenommen werden. Es ergeben sich eine höhere Präzision beim Ermitteln des Nickwinkels der Lidar-Messvorrichtung und eine höhere Zuverlässigkeit bei der Objektdetektion.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf einer vorbekannten Höhe der Lidar-Messvorrichtung an dem Fahrzeug über der Fahrbahn ausgebildet. Insbesondere ist für eine trigonometrische Betrachtung basierend auf einer Distanzangabe eine Höhe der Lidar-Messvorrichtung an dem Fahrzeug über der Fahrbahn hilfreich. Durch die zusätzliche Berücksichtigung dieser Information kann die Genauigkeit bei der Ermittlung des Nickwinkels weiter verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit zum Ermitteln des Nickwinkels basierend auf einer Anwendung eines stochastischen Filters, insbesondere eines Wiener Filters oder eines Kalmanfilters, mit einem vordefinierten Systemmodell über mehrere Zeitschritte ausgebildet. Durch die Anwendung eines stochastischen Filters kann Fehlern vorgebeugt werden und einzelnen ungenauen beziehungsweise verrauschten Messungen begegnet werden. Die Genauigkeit wird verbessert und die Zuverlässigkeit wird gesteigert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Eingangsschnittstelle zum Empfangen von Kurvendaten mit Informationen zu einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs ausgebildet. Die Auswerteeinheit ist zum Ermitteln eines relevanten Azimut-Winkelbereichs basierend auf den Kurvendaten ausgebildet. Die Steuereinheit ist zum Ansteuern der Lidar-Messvorrichtung ausgebildet, um eine horizontale Region-of-Interest basierend auf dem ermittelten Azimut-Winkelbereich anzupassen. Insoweit wird zusätzlich zur vertikalen Anpassung auch eine Anpassung in Horizontalrichtung vorgenommen. Hierzu werden Kurvendaten verwendet, die insbesondere Daten eines Inertialsensors oder auch Lenkwinkeldaten, mit Informationen zu einem aktuellen Lenkwinkel des Fahrzeugs, umfassen können. Basierend auf diesen Daten kann analog zur Anpassung in Vertikalrichtung auch eine Anpassung der Region-of-Interest in Horizontalrichtung vorgenommen werden. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug um eine Kurve fährt, wird die Region-of-Interest in Richtung der geplanten Trajektorie verschoben. Es ergibt sich eine weiter verbesserte Auswahl und Anpassbarkeit des relevanten Bereichs. Es wird vermieden, dass Daten in weniger relevanten Bereichen gesammelt werden und Kapazitäten binden. Hierdurch kann die verfügbare Prozessorleistung und Kommunikationsbandbreite zum größten Teil für den relevanten Bereich verwendet werden. Objekte können mit höherer Zuverlässigkeit detektiert werden.
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Ein Sichtfeld bzw. ein Sichtbereich einer Lidar-Messvorrichtung entspricht einem von der Lidar-Messvorrichtung einsehbaren Bereich. Insbesondere ist das Sichtfeld durch eine Angabe eines Winkels in Vertikalrichtung (Elevationswinkel) und eines Winkels in Horizontalrichtung (Azimutwinkel) festgelegt. Eine vertikale Auflösung entspricht einer Auflösung in Vertikalrichtung innerhalb dieses Sichtfelds. Eine vertikale Auflösung kann insbesondere in Form eines Abtastwinkelinkrements angegeben sein. Ein Abtastwinkelinkrement entspricht insbesondere einem Zeilenabstand im Falle einer zeilenweisen Abtastung des Sichtfelds. Grundsätzlich ist unter einer Auflösung vorzugsweise eine Winkelangabe zwischen zwei benachbarten Zeilen bzw. Spalten bei der Abtastung des Sichtfelds durch die 2D-Scannereinheit in Horizontal- (horizontale Auflösung) bzw. Vertikalrichtung (vertikale Auflösung) zu verstehen. Ein horizontaler bzw. vertikaler Bereich bzw. eine horizontale/vertikale Region-of-Interest entspricht einem Aus- oder Abschnitt des Sichtfelds in der entsprechenden Richtung. Eine vertikale Region-of-Interest entspricht beispielsweise einem Sichtfeldausschnitt innerhalb eines bestimmten Elevationswinkelbereichs. Die Region-of-Interest entspricht insbesondere einem als besonders relevant erachteten Bereich des Sichtfelds.Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von dem Fahrzeug aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahrzeugs.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem System zum Detektieren eines Objekts;
- 2 eine schematische Darstellung einer Anpassungsvorrichtung zum Anpassen einer vertikalen Region-of-Interest;
- 3 eine schematische Darstellung eines Sichtfelds bei zeilenweiser Abtastung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Anpassung einer vertikalen Region-of-Interest innerhalb des Sichtfelds;
- 5 eine schematische Darstellung einer Lidar-Messvorrichtung;
- 6 eine schematische Darstellung eines Ansatzes zum Anpassen einer vertikalen Region-of-Interest; und
- 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist schematisch ein Fahrzeug 10 mit einem System 12 zum Detektieren eines Objekts 14 in einer Umgebung des Fahrzeugs 10 dargestellt. Die Darstellung entspricht dabei einer seitlichen Schnittansicht auf die Situation. Das Objekt 14 kann beispielsweise ein Autoreifen, ein auf der Straße liegendes Fahrzeugteil oder eine Person sein. Das System 12 umfasst eine Lidar-Messvorrichtung 16, einen Inertialsensor 18 sowie eine Anpassungsvorrichtung 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das System 12 innerhalb des Fahrzeugs angeordnet bzw. in das Fahrzeug integriert. Die Lidar-Messvorrichtung 16 ist beispielsweise im Bereich einer Stoßstange des Fahrzeugs 10 montiert. Die Anpassungsvorrichtung 20 und der Inertialsensor 18 sind beispielsweise in ein Steuergerät oder auch in die Lidar-Messvorrichtung 16 integriert. Es versteht sich, dass es auch möglich ist, dass die Lidar-Messvorrichtung 16, die Anpassungsvorrichtung 20 und/oder der Inertialsensor 18 separat ausgeführt sind und beispielsweise in ein Mobilgerät integriert sind.
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In der Darstellung der 1 ist gestrichelt das Sichtfeld 22 der Lidar-Messvorrichtung 16 angedeutet. Das Sichtfeld 22 kann beispielsweise einen Öffnungswinkel in Horizontalrichtung von 46° und in Vertikalrichtung von 38° umfassen. Innerhalb des Sichtfelds gibt es eine Region-of-Interest 24, die einem Bereich entspricht, der besonders relevant für die Erkennung von Hindernissen und für die Entscheidungen eines teilautonomen oder autonomen Fahrzeugs ist. Diese Region-of-Interest 24 stellt einen Teil des Sichtfelds 22 dar. Relevant ist beispielsweise insbesondere der Bereich der Fahrbahn 26. Das Objekt 14 auf der Fahrbahn 26 soll mit möglichst hoher Zuverlässigkeit detektiert werden. Im dargestellten Beispiel umfasst die Region-of-Interest 24 in Horizontalrichtung das gesamte Sichtfeld 22.
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Um Objekte zuverlässig zu detektieren, soll innerhalb der Region-of-Interest 24 eine hohe Auflösung sichergestellt werden. Außerhalb der Region-of-Interest kann die Lidar-Messvorrichtung 16 mit reduzierter Auflösung arbeiten oder auch überhaupt keine Datenauswertung vornehmen. Es ist vorgesehen, dass die vertikale Position oder auch Ausdehnung der Region-of-Interest 24 innerhalb des Sichtfelds 22 mittels der Anpassungsvorrichtung 20 basierend auf den Daten des Inertialsensors 18 angepasst wird (Anpassung der vertikalen Region-of-Interest). Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn die Region-of-Interest 24 genau symmetrisch um eine Nickwinkelebene des Fahrzeugs, die orthogonal zu der Hochachse des Fahrzeugs und parallel zur Fahrbahn 26 verläuft, angeordnet ist.
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Es wird vorgeschlagen, ausgehend von der Berücksichtigung der Daten des Inertialsensors eine Nickbewegung des Fahrzeugs 10 bzw. der damit verbundenen Lidar-Messvorrichtung 16 durch eine Anpassung der Region-of-Interest 24 zu kompensieren. Der relevante Bereich soll innerhalb der Region-of-Interest 24 gehalten werden.
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Vorteilhaft ist es dabei insbesondere, wenn der Inertialsensor (insbesondere eine Inertialsensoreinheit mit Mehrachs-Beschleunigungssensor und Mehrachs-Drehratensensor) direkt eine Nickbewegung der Lidar-Messvorrichtung misst. Wenn beispielsweise im Falle eines Lastkraftwagens mit einer flexiblen Fahrerkabine die Lidar-Messvorrichtung 16 an der Fahrerkabine angebracht ist, ist es vorteilhaft, wenn der Inertialsensor ebenfalls an der Fahrerkabine angebracht ist. Wenn die Lidar-Messvorrichtung 16 starr mit dem Fahrzeug verbunden ist, kann der Inertialsensor auch an einer anderen Stelle im bzw. am Fahrzeug angeordnet sein.
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In der 2 ist schematisch die Anpassungsvorrichtung 20 dargestellt. Die Anpassungsvorrichtung 20 umfasst eine Eingangsschnittstelle 28, eine Auswerteeinheit 30 sowie eine Steuereinheit 32. Die Anpassungsvorrichtung 20 kann beispielsweise in eine Lidar-Messvorrichtung oder auch in ein Fahrzeugsteuergerät bzw. ein Fahrerassistenzsystem integriert sein. Die Einheiten und Schnittstellen der Anpassungsvorrichtung 20 können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software implementiert sein.
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Über die Eingangsschnittstelle 28 werden Bewegungsdaten des Inertialsensors mit Informationen zu einer Lage des Fahrzeugs empfangen. Unter einer Lage des Fahrzeugs versteht sich insbesondere eine Ausrichtung des Fahrzeugs in Bezug zur Erdbeschleunigung. Eine Lage entspricht einer Ausrichtung im dreidimensionalen Raum. Die Bewegungsdaten können dabei insbesondere Daten eines Drei-Achs-Beschleunigungssensors oder auch Daten eines Längsbeschleunigungssensors, der eine Beschleunigung des Fahrzeugs in Richtung einer Längsachse des Fahrzeugs misst, umfassen. Die Eingangsschnittstelle 28 ist direkt an einen entsprechenden Sensor angebunden. Beispielsweise können die Bewegungsdaten aber auch von einem Inertialsensor, der ohnehin im Fahrzeug integriert ist, empfangen werden. Insbesondere können die Daten eines Fahrerassistenzsystems, beispielsweise eines Antiblockiersystems, des Fahrzeugs verwendet werden. Die Eingangsschnittstelle 28 kann zum Datenempfang beispielsweise an ein Bussystem des Fahrzeugs angebunden sein.
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In der Auswerteeinheit 30 wird basierend auf den empfangenen Bewegungsdaten ein Nickwinkel der Lidar-Messvorrichtung ermittelt. Hierzu wird in der Auswerteeinheit 30, beispielsweise basierend auf einer vorbekannten Höhe der Lidar-Messvorrichtung an dem Fahrzeug über der Fahrbahn sowie basierend auf einer vordefinierten Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung in Bezug zu dem Fahrzeug auf Grundlage einer trigonometrischen Überlegung, ein Nickwinkel berechnet.
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In der Auswerteeinheit 30 kann der Nickwinkel ausgehend von einem statischen Anteil sowie einem dynamischen Anteil ermittelt werden. Der statische Anteil entspricht einem Anteil, der sich während einer Fahrt nicht ändert. Beispielsweise kann ein beladenes Auto von vornherein eine Anpassung der vertikalen Region-of-Interest erfordern, um eine aufgrund der Ladung veränderte Ausrichtung der Lidar-Messvorrichtung zu kompensieren. Im Gegensatz dazu entspricht der dynamische Anteil einem Anteil, der sich während der Fahrt verändert. Insbesondere kann der dynamische Anteil aus Brems- und Beschleunigungsmanövern resultieren. Beim Bremsen wird das Fahrzeug in die vorderen Stoßdämpfer gedrückt, sodass es eine Nickbewegung ausführt. Eine Lidar-Messvorrichtung am Fahrzeug führt ebenfalls diese Nickbewegung aus, wodurch sich ihre Ausrichtung gegenüber der Fahrbahn verändert. Um den Nickwinkel zu ermitteln bzw. zu schätzen, ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit 30 zum Anwenden eines stochastischen Filters ausgebildet ist. Insbesondere kann hierdurch eine Glättung und eine Kompensation von Ausreißern erreicht werden. Vorteilhafterweise wird ein Wiener Filter oder ein Kalmanfilter verwendet. Ein solcher Filter wird über mehrere Zeitschritte angewendet, wobei ein vorbekanntes bzw. vordefiniertes Systemmodell angewendet wird, das einen Zustand von einem Zeitpunkt zum nächsten überführt. Insbesondere kann eine Schätzung des Nickwinkel mittels eines derartigen Filters erfolgen.
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Die Steuereinheit 32 dient zum Ansteuern der Lidar-Messvorrichtung. Hierzu kann die Steuereinheit 32 an ein Fahrzeugbussystem angebunden sein und über dieses mit der Lidar-Messvorrichtung kommunizieren. Ebenfalls ist es möglich, dass die Steuereinheit 32 direkt mit der Lidar-Messvorrichtung verbunden ist. Die Steuereinheit 32 dient dazu, die entsprechende Anpassung der Region-of-Interest vorzunehmen bzw. zu veranlassen.
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In der 3 ist schematisch das Sichtfeld 22 der Lidar-Messvorrichtung aus der Perspektive der Lidar-Messvorrichtung dargestellt. Das Sichtfeld 22 bezeichnet dabei den Bereich, der durch die Lidar-Messvorrichtung abgetastet werden kann, beispielsweise mittels mehrerer Abtastlinien 34. Innerhalb des Sichtfelds 22 befindet sich ein Objekt 14. Zudem verläuft die Fahrbahn 26 innerhalb des Sichtfelds 22 bis zur Horizontlinie 36. In der Darstellung der 3 sind die verschiedenen Abtastlinien 24 im Wesentlichen parallel zur Horizontlinie 36 bzw. parallel zu einer Querachse des Fahrzeugs ausgerichtet und weisen einen konstanten Abstand voneinander auf. Es versteht sich, dass auch eine spaltenweise Abtastung denkbar wäre.
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Die Darstellung der 4 entspricht der Darstellung in der 3, wobei zur Übersichtlichkeit die Fahrbahn, die Horizontlinie sowie das Objekt nicht gezeigt sind. Vorgesehen ist, dass innerhalb des Sichtfelds 22 eine Region-of-Interest 24 in Vertikalrichtung angepasst wird. Insbesondere ist in der Darstellung eine Anpassung durch eine Verschiebung angedeutet. Ebenfalls wird unter einer Anpassung auch eine Veränderung der Auflösung verstanden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel in der 4 sind die Abtastlinien 34 innerhalb der Region-of-Interest 24 mit einem geringeren Abstand voneinander angeordnet. Die Auflösung innerhalb der Region-of-Interest ist demnach höher als im verbleibenden Sichtfeld. Durch eine entsprechende Ansteuerung ist es möglich, den Abstand der Abtastlinien 34 voneinander zu variieren. Mittels der Anpassungsvorrichtung kann eine Ansteuerung erfolgen, um den Abstand zwischen den Abtastlinien 34 innerhalb eines bestimmten Bereichs zu verringern. Durch eine entsprechende Änderung des Abstands der Abstandslinien 34 kann die Region-of-Interest 24 innerhalb des Sichtfelds 22 in Vertikalrichtung (nach oben und unten) verschoben werden.
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Es versteht sich, dass auch in entsprechender Weise mehrere verschiedene Zonen unterschiedlicher Auflösung vorgesehen sein können. Beispielsweise kann eine maximale Auflösung innerhalb einer ersten Region-of-Interest mit 0,025° vertikaler Auflösung in einem Zentralbereich vorgesehen sein. In einer zweiten Region-of-Interest direkt daneben kann ein Bereich mit einer reduzierten vertikalen Auflösung von 0,05° vorgesehen sein. In einer dritten Region-of-Interest direkt im Anschluss zur zweiten Region-of-Interest kann eine weiter reduzierte Auflösung von 0,1° vorgesehen sein.
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Die Anpassung der Region-of-Interest umfasst dann vorzugsweise die Anpassung aller drei Teilbereiche.
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In der 5 ist schematisch ein beispielhafter Aufbau einer Lidar-Messvorrichtung 16 dargestellt. Die Lidar-Messvorrichtung 16 umfasst einen Sender 38 zum Aussenden eines Lichtsignals und einen Empfänger 40 zum Empfangen des Lichtsignals nach einer Reflexion an dem Objekt. Der Sender 38 ist insbesondere als Laserquelle ausgebildet, die ein gepulstes oder ein frequenzmoduliertes Signal (Chirp-Signal) aussendet. Der Empfänger 40 ist insbesondere als Fotodetektor ausgebildet.
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Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung 16 eine 2D-Scannereinheit 42, um das Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung 16 abzutasten. Die 2D-Scannereinheit 42 kann insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, dass ein Galvanometer verwendet wird. Ein Mikrospiegel wird angesteuert, um das Lichtsignal in unterschiedliche Positionen auszusenden und entsprechend Detektionen der unterschiedlichen Positionen zu empfangen. Insbesondere wird dabei das Sichtfeld der Lidar-Messvorrichtung 16 zeilenweise abgetastet. Es gibt vorzugsweise eine schnelle Horizontalachse und eine langsame Vertikalachse, die jeweils von zugehörigen Aktoren ansteuerbar sind. Die 2D-Scannereinheit 42 bietet insbesondere eine entsprechende Steuerschnittstelle, um die vertikale und horizontale Bewegung des Spiegels ansteuern zu können. Insbesondere kann für die Achsen festgelegt werden, welcher Winkel zwischen zwei Zeilen bzw. Spalten verwendet werden soll. Wenn beispielsweise innerhalb einer Region-of-Interest eine höhere Auflösung bzw. ein geringerer Zeilenabstand verwendet werden soll, kann dies durch eine Modifikation in der Ansteuerung der Vertikalachse erreicht werden. Insbesondere kann der Winkel bei der Auslenkung zwischen zwei Zeitschritten bzw. zwischen zwei Zeilen reduziert werden.
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Weiterhin umfasst die Lidar-Messvorrichtung 16 eine Kombinationseinheit 44. Im dargestellten Ausführungsbeispiel in der 5 ist die Kombinationseinheit 44 als Zirkulator ausgebildet. Dadurch, dass für das gesendete Lichtsignal und für das empfangene Lichtsignal zwischen 2D-Scannereinheit 42 und Kombinationseinheit 44 derselbe Pfad verwendet wird, wird die dargestellte Lidar-Messvorrichtung 16 auch als Koaxial-Lidar-Messvorrichtung bzw. als Lidar-Messvorrichtung in Koaxialbauweise bezeichnet.
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In der 6 ist schematisch eine Ausführungsform des Ansatzes zum Anpassen der vertikalen Region-of-Interest dargestellt. Insbesondere ist das Zusammenwirken der verschiedenen beteiligten Einheiten in einer bevorzugten Ausführungsform des Ansatzes zum Anpassen der vertikalen Region-of-Interest dargestellt. Es versteht sich, dass die verschiedenen Einheiten in der 6 optional sind und es auch möglich ist lediglich auf Informationen einiger ausgewählte Einheiten zurückzugreifen.
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Die Lidar-Messvorrichtung 16 weist insbesondere die Komponenten der in der 5 dargestellten Lidar-Messvorrichtung auf. Die gemessenen Distanzinformationen werden in einer Verarbeitungseinheit 46 weiterverarbeitet. Insbesondere werden die gesammelten Distanzinformationen mit entsprechenden Richtungsinformationen der Steuereinheit 32 verbunden. Die in der Verarbeitungseinheit 46 erzeugte Punktewolke kann dann als Eingabe für entsprechende Objekterkennungsfunktionalitäten dienen.
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In der Steuereinheit 32 wird im dargestellten Beispiel also ein Kontrollsignal für die Lidar-Messvorrichtung 16 erzeugt. Insbesondere wird ein Signal erzeugt, durch das das Lichtsignal in eine entsprechende Elevations- und Azimutrichtung abgelenkt wird. Die Steuereinheit 32 kann beispielsweise ein Signal generieren, basierend auf dem in der Lidar-Messvorrichtung dann jeweils ein Scanvorgang eines neuen Frames eingeleitet wird.
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Ausgehend von der Punktewolke der Verarbeitungseinheit 46 kann in einer entsprechenden Nickwinkel-Schätzeinheit 48 weiterhin eine Ermittlung des Nickwinkels der Lidar-Messvorrichtung 16 gegenüber der Fahrbahn ausgehend von einer Detektion der Fahrbahn in einem Abstand von beispielsweise 5 bis 20 m erfolgen. Hierzu kann die Nickwinkel-Schätzeinheit 48 ein Modell der Fahrbahn verwenden bzw. Ermitteln, um mehrere Detektionen in mehreren unterschiedlichen Abständen zu einer wahrscheinlichen Fahrbahnoberfläche zusammenzusetzen. Der Nickwinkel kann basierend auf einer einzelnen Distanzmessung und einer Anbringungshöhe der Lidar-Messvorrichtung über der Fahrbahn geschätzt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass der Nickwinkel basierend auf Winkel- und Abstandsunterschieden zwischen mehreren Messungen der Fahrbahnoberfläche vor dem Fahrzeug abgeschätzt wird, beispielsweise in Entfernungen von 5 m, 7 m und 10 m.
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Der Inertialsensor 18 ist insbesondere zum Messen einer Beschleunigung in Fahrtrichtung sowie zum Messen einer Drehbewegung, die einer Nickbewegung entspricht, ausgebildet. Insbesondere kann ein Sechs-Achs-MEMS-Inertialsensor verwendet werden, der eine dreidimensionale Beschleunigung sowie eine dreidimensionale Drehbewegung ermitteln kann (Inertialmesseinheit, IMU).
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In der Auswerteeinheit 30 wird ein Nickwinkel der Lidar-Messvorrichtung 16 bestimmt. Insbesondere kann eine voraussichtliche Neigung der Lidar-Messvorrichtung 16 im nächsten Frame der Lidar-Messvorrichtung 16 prädiziert werden. Als Basis dienen einerseits die Bewegungsdaten des Inertialsensors 18 und andererseits die Ausgangsdaten der Nickwinkel-Schätzeinheit 48. Insbesondere kann in der Auswerteeinheit 30 hierzu ein konfigurierbarer Prädiktionsfilter, beispielsweise ein Wiener Filter oder ein adaptiver Filter wie ein Kalmanfilter, verwendet werden. Über einen solchen Prädiktionsfilter kann ein wahrscheinlicher zukünftiger Nickwinkel basierend auf einer Messung von Beschleunigungen über mehrere Zeitschritte sowie einem Systemmodell, das auch ein Modell der Fahrzeugdynamik umfasst, ermittelt bzw. prädiziert werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweiter Prädiktionsfilter verwendet werden, der eine Prädiktion basierend von dem Ausgang der Nickwinkel-Schätzeinheit 48 vornimmt. Ein Vorteil der zusätzlichen Verwendung der Nickwinkel-Schätzeinheit 48 liegt insbesondere darin, dass eine zuverlässige Schätzung auch erfolgen kann, wenn die Fahrbahn ansteigt oder abfällt.
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Zusammenfassend kann eine vertikale Anpassung der Region-of-Interest einerseits mit einem statischen Anteil und andererseits mit einem dynamischen Anteil erfolgen. Daten eines Inertialsensors können dabei sowohl für statische als auch für dynamische Anpassungen verwendet werden. Punktewolkedaten der Lidar-Messvorrichtung können insbesondere für eine Kompensation von statischen Änderungen und für eine Kalibration eines Inertialsensors verwendet werden.
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In der 7 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anpassen einer vertikalen Region-of-Interest innerhalb eines Sichtfelds einer Lidar-Messvorrichtung in einem Fahrzeug dargestellt. Das Verfahren umfasst Schritte des Empfangens S10 von Bewegungsdaten, des Ermittelns S12 eines Nickwinkels und des Ansteuerns S14 der Lidar-Messvorrichtung. Das Verfahren kann insbesondere in Software implementiert sein, die auf einer Lidar-Messvorrichtung oder in einem FahrzeugSteuergerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- System
- 14
- Objekt
- 16
- Lidar-Messvorrichtung
- 18
- Inertialsensor
- 20
- Anpassungsvorrichtung
- 22
- Sichtfeld
- 24
- Region-of-Interest
- 26
- Fahrbahn
- 28
- Eingangsschnittstelle
- 30
- Auswerteeinheit
- 32
- Steuereinheit
- 34
- Abtastlinie
- 36
- Horizontlinie
- 38
- Sender
- 40
- Empfänger
- 42
- 2D-Scannereinheit
- 44
- Kombinationseinheit
- 46
- Verarbeitungseinheit
- 48
- Nickwinkel-Schätzeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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