DE102018112407A1 - Bestimmung von Neigungswinkeln eines optischen Umgebungssensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Neigungswinkels eines optischen Umgebungssensors (14), wobei der optische Umgebungssensor (14) ein Sichtfeld (26) aufweist, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, und wobei der optische Umgebungssensor (14) in seiner Erfassungsrichtung benachbart zu dem Umgebungssensor (14) einen optischen Totbereich (28) aufweist, an welchen Totbereich (28) sich das Sichtfeld (26) anschließt, wobei ein Grenzbereich zwischen dem Totbereich (28) und dem Sichtfeld (26) auf einer Erfassungsebene in einer Bogenform von dem linken Grenzwinkel zu dem rechten Grenzwinkel verläuft, wobei das Verfahren den Schritt des Erfassens einer Mehrzahl an Scanpunkten (22) in dem Sichtfeld (26) des optischen Umgebungssensors (14) aufweist, wobei die Mehrzahl an Scanpunkten (22) in dem Grenzbereich zwischen Totbereich (28) und Sichtfeld (26) erfasst wird und dass der Neigungswinkel bestimmt wird basierend auf den jeweiligen räumlichen Positionen der Scanpunkte (22). Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches Umgebungserfassungssystem (12) ausgerichtet für ein derartiges Verfahren und ein ein derartiges Umgebungserfassungssystem (12) enthaltendes Fahrzeug (10).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Neigungswinkels eines optischen Umgebungssensors, wobei der optische Umgebungssensor ein Sichtfeld aufweist, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, mit dem Schritt des Erfassens einer Mehrzahl an Scanpunkten in dem Sichtfeld des optischen Umgebungssensors.
• Auch betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Umgebungserfassungssystem mit einem optischen Umgebungssensor und einer Verarbeitungseinheit, wobei der optische Umgebungssensor ein Sichtfeld aufweist, dass sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, und die Verarbeitungseinheit ausgeführt ist, das obige Verfahren durchzuführen.
• Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen optischen Umgebungserfassungssystem.
• In Fahrassistenzsystemen werden optische Umgebungssensoren verwendet, um eine Umgebung eines Fahrzeugs zu erfassen. Dies ist beispielsweise Voraussetzung, um Fahrtwege zu identifizieren, sowie um Hindernisse im Bereich der Fahrtwege zu detektieren.
• Um eine verlässliche Messung durchführen zu können ist es meist erforderlich, dass die optischen Umgebungssensoren bei ihrer Montage an dem Fahrzeug exakt ausgerichtet werden. Optische Umgebungssensoren, die in einer Produktionslinie gefertigt werden, unterliegen jedoch gewissen Fertigungstoleranzen. Weitere Toleranzen entstehen durch den Einbau der Sensoren im Fahrzeug. Somit ist die genaue Ausrichtung, im Besonderen des Nickwinkels beispielsweise der Laserstrahlen zur Umwelt, innerhalb des Toleranzbereichs unbekannt. Zusätzlich können aufgrund von Bauteilstreuungen und/oder von Spielen bei der Montage fehlerhafte Ausrichtungen der Umgebungssensoren auftreten, die ebenfalls problematisch sein können. Auch kann das Fahrzeug selbst bei korrekter Montage der optischen Umgebungssensoren abhängig von einer aktuellen Fahrsituation temporär einen abweichenden Neigungswinkel bewirken. Derartige Neigungswinkel, beispielsweise durch eine fehlerhafte Montage der optischen Umgebungssensoren am Fahrzeug oder auch bedingt durch die Fahrsituation, führen im Betrieb dauerhaft oder temporär zu Einschränkungen bei der Erfassung der Umgebung.
• Um diese Einschränkungen ohne aufwendige Modifikationen des eingebauten optischen Umgebungssensors zu beseitigen kann es daher erforderlich sein, einen vorhandenen Neigungswinkel zu kompensieren. Als Neigungswinkel sind ein Nickwinkel, der üblicherweise als Winkel in Erfassungsrichtung des optischen Umgebungssensors bezogen auf eine ebene Bodenfläche verstanden wird, und ein Rollwinkel, der üblicherweise eine Rotation des optischen Umgebungssensors um seine Längsachse, typischerweise in Erfassungsrichtung, betrifft, bekannt. Die Neigungswinkel können positive oder negative Werte annehmen abhängig von einer Ausrichtung des Umgebungssensors, d.h. der optische Umgebungssensor kann entweder zu hoch oder zu tief sehen bzw. nach rechts oder nach links um seine Längsachse verdreht sein.
• Um Neigungswinkel zu kompensieren gibt es prinzipiell verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise können die Umgebungssensoren ausgerichtet werden, um Neigungswinkel zu kompensieren. Nach der Montage des Umgebungssensors kann dies jedoch nur mit einem großen Aufwand erfolgen. Prinzipiell ist eine Kompensation auch durch eine aktive, mechanische Kompensation möglich, was jedoch einen großen konstruktiven Aufwand erfordert und ferner bei nur temporären Effekten nicht möglich ist. Alternativ können Neigungswinkel bei einer Verarbeitung der Sensorinformationen rechnerisch kompensiert werden. In allen Fällen ist es für die Kompensation erforderlich, Neigungswinkel permanent oder auch temporär möglichst genau bestimmen zu können.
• Es ist ferner bekannt, durch die absolute Detektion von bekannten Größen, wie etwa durch Messen von vorausfahrenden Fahrzeugen, auf die unbekannte Einbaurichtung zu schließen. Dies lässt jedoch noch Verbesserungspotential, da die genauen Abmessungen und Formen des vorausfahrenden Fahrzeugs nicht bekannt sind. Auch kann die genaue Position des vorausfahrenden Fahrzeugs nur geschätzt werden. Schließlich ist eine derartige Schätzung der Ausrichtung des Nickwinkels durch ein oftmals schlicht nicht vorhandenes vorausfahrendes Fahrzeug nicht immer möglich.
• In diesem Zusammenhang sind beispielsweise ferner aus der US 9 052 721 B1 Verfahren und Systeme zur Ausrichtung von mit „Light Detection and Ranging“ (LIDAR) gewonnenen Daten bekannt. Eine Rechenvorrichtung eines Fahrzeugs kann konfiguriert sein, um eine dreidimensionale (3D) Punktwolke mit einer 3D-Referenzpunktwolke zu vergleichen, um Hindernisse auf einer Straße zu erkennen. Jedoch können die 3D-Punktwolke und die 3D-Referenzpunktwolke falsch ausgerichtet sein. Um die 3D-Punktwolke an der 3D Referenzpunktwolke auszurichten, kann die Rechenvorrichtung konfiguriert sein, um ein ebenes Merkmal in der 3D-Punktwolke der Straße zu bestimmen, genauso wie ein entsprechendes ebenes Merkmal in der 3D-Referenzpunktwolke. Ferner kann die Rechenvorrichtung konfiguriert sein, um basierend auf dem Vergleich des ebenen Merkmals mit dem entsprechenden ebenen Merkmal, eine Abbildung zu bestimmen. Die Rechenvorrichtung kann so konfiguriert werden, dass die Transformation angewendet wird, um die 3D-Punktwolke an der 3D-Referenzpunktwolke auszurichten.
• Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Neigungswinkels eines optischen Umgebungssensors, ein optisches Umgebungserfassungssystem mit einem optischen Umgebungssensor und einer Verarbeitungseinheit zur Durchführung dieses Verfahrens, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen optischen Umgebungserfassungssystem anzugeben, die eine einfache, universell einsetzbare und exakte Bestimmung eines Neigungswinkels ermöglichen.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei weitere beschriebene Merkmale in jeglicher Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können.
• Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Bestimmung eines Neigungswinkels eines optischen Umgebungssensors angegeben, wobei der optische Umgebungssensor ein Sichtfeld aufweist, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, und wobei der optische Umgebungssensor in seiner Erfassungsrichtung benachbart zu dem Umgebungssensor einen optischen Totbereich aufweist, an welchen Totbereich sich das Sichtfeld anschließt, wobei ein Grenzbereich von dem Totbereich zu dem Sichtfeld auf einer Erfassungsebene in einer Bogenform von dem linken Grenzwinkel zu dem rechten Grenzwinkel verläuft, wobei das Verfahren den Schritt des Erfassens einer Mehrzahl an Scanpunkten in dem Sichtfeld des optischen Umgebungssensors aufweist, wobei die Mehrzahl an Scanpunkten in dem Grenzbereich von dem Totbereich zu dem Sichtfeld erfasst wird und wobei der Neigungswinkel bestimmt wird basierend auf den jeweiligen räumlichen Positionen der Scanpunkte.
• Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es somit, es auszunutzen, dass optische Umfeldsensoren, wie insbesondere Laserscanner, mit Bezug auf ihren Erfassungsbereich ein Totbereich und ein sich an den Totbereich angrenzendes Sichtfeld aufweisen. Die Grenze zwischen Totbereich und Sichtfeld ist dabei auf einer Erfassungsebene bogenförmig ausgestaltet und die spezifisch auftretende Bogenform, beziehungsweise eine Verzerrung der Bogenform, ist dabei charakteristisch für einen von der Idealausrichtung abweichendem Neigungswinkel, wie insbesondere einen Nickwinkel und/oder einen Rollwinkel. Somit kann basierend auf einer derart durch auf der Erfassungsebene erfasste Scanpunkte ermittelte Bogenform ein Neigungswinkel, wie insbesondere ein Nickwinkel und/oder ein Rollwinkel, ermittelt werden.
• Im Detail weist der optische Umgebungssensor, dessen Neigungswinkel bestimmt werden soll, ein Sichtfeld auf, wobei das Sichtfeld dem Detektionsbereich des optischen Umgebungssensors entspricht. Das Sichtfeld erstreckt sich üblicherweise zwischen den genannten Grenzwinkeln, welche sich auf eine Sensorachse beziehen, also auf eine Achse, die einer exakt geraden Messung des Sensors entspricht, insbesondere in horizontaler Richtung. Dabei kann sich beispielsweise ein im Wesentlichen rechteckiges Sichtfeld ergeben, wenn die vertikalen Grenzwinkel über die gesamte horizontale Erstreckung des Sichtfelds konstant sind und umgekehrt. Allerdings ist es nicht erforderlich, dass die Grenzwinkel jeweils konstant sind. Beispielsweise können sich die vertikalen Grenzwinkel bauartbedingt für bestimmte optische Umgebungssensoren über die horizontale Erstreckung des Sichtfelds ändern.
• Bei einem optischen Umgebungssensor ist es weiterhin meist vorgesehen, dass dieser einen optischen Totbereich aufweist, an welchen Totbereich sich das Sichtfeld anschließt. Der optische Totbereich ist dabei ein derartiges Feld beziehungsweise ein derartiger Bereich, in dem der Sensor nicht aktiv ist beziehungsweise in dem kein Scanpunkt erfasst werden kann, also kein Abtasten stattfindet. Dieser Totbereich liegt derart vor, dass er in Detektionsrichtung unmittelbar an dem Sensor startet und somit den unmittelbar vor dem Sensor angeordneten Bereich umfasst. Ab einer bestimmten Distanz von dem Sensor startet das Sichtfeld des Sensors, so dass sich das Sichtfeld des Sensors an den Totbereich des Sensors, insbesondere in Detektionsrichtung beziehungsweise in Erfassungsrichtung des Sensors, anschließt.
• Dabei ist es basierend auf der Funktionsweise eines optischen Umfeldsensors, wie insbesondere dem rotierenden Laserstrahl eines Laserscanners, vorgesehen, dass ein Grenzbereich von dem Totbereich zu dem Sichtfeld auf einer Erfassungsebene des Sensors, also einer Ebene, auf welcher der Sensor Scanpunkte erfasst, in einer Bogenform von dem linken Grenzwinkel zu dem rechten Grenzwinkel verläuft. Dem Winkel des Sichtfelds folgend entsteht bei gleicher Distanz des Beginns des Sichtfelds von dem Sensor somit eine insbesondere c-förmige Bogenform. Dies ist bei einer Einbausituation des Sensors ohne Neigungswinkel, also bei einer Längsachse in horizontaler Erfassungsebene, etwa eine verzerrungsfreie halbkreisartige Form.
• Um einen Neigungswinkel zu erfassen weist das Verfahren den Schritt auf des Erfassens einer Mehrzahl an Scanpunkten in dem Sichtfeld des optischen Umgebungssensors.
• Die Scanpunkte können ermittelbar sein bei einem herkömmlichen Abtasten einer Erfassungsebene, die sich bezüglich der Längsachse des Sensors vor diesem befindet, also beispielsweise eine vor einem mit dem Umfeldsensor ausgestatteten Fahrzeug. Dabei erfasst der Sensor auf der Erfassungsebene unmittelbar den Totbereich beziehungsweise das sich an den Totbereich anschließende Sichtfeld.
• Erfindungsgemäß ist es bei dem hier beschriebenen Verfahren vorgesehen, dass die Mehrzahl an Scanpunkten in dem Sichtfeld in dem Grenzbereich von Totbereich zu Sichtfeld erfasst wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine Vielzahl an Scanpunkten auf der Erfassungsebene erfasst wird, so dass ein bogenförmiger Grenzbereich im Sichtbereich insbesondere unmittelbar benachbart zu dem Totbereich ermittelbar ist. Somit liegen die Scanpunkte auf der Erfassungsebene in dem Grenzbereich, was in anderen Worten bedeutet, dass die erfassten Scanpunkte von dem Totbereich kommend den Beginn des Sichtfelds definieren. Die Scanpunkte werden dabei auf einer Erfassungsebene erfasst, welche grundsätzlich frei wählbar ist und die sich in dem Sichtfeld und dabei insbesondere dem Grenzbereich des Totbereichs zu dem Sichtfeld befindet.
• Für eine Bestimmung eines Neigungswinkels ist es nun vorgesehen, dass dieser bestimmt wird basierend auf den jeweiligen räumlichen Positionen der Scanpunkte, welche in dem Grenzbereich liegen. In anderen Worten werden zur Bestimmung des Neigungswinkels Scanpunkte herangezogen, welche benachbart zu dem Totbereich liegen, wobei die Mehrzahl an Scanpunkten, welche für eine Bestimmung des Neigungswinkels verwendet werden, den Grenzbereich von Totbereich zu Sichtbereich darstellen und in Kurvenform angeordnet sind. Dabei ist es bevorzugt, dass die räumliche Position den insbesondere von dem Sensor ermittelten Abstand des Scanpunkts von dem Sensor, und den Winkel des Scanpunkts zu der Längsachse des Sensors umfasst, da insbesondere diese Parameter die Bogenform exakt beschreiben und ferner in einer späteren Auswertung effektiv verwendbar sind.
• Dadurch kann es ausgenutzt werden, dass diese Grenze geometrisch bedingt sich verändert in Abhängigkeit eines Neigungswinkels. Die Abhängigkeit ist dabei insbesondere in Abhängigkeit eines Nickwinkels und eines Rollwinkels gegeben, so dass insbesondere ein Nickwinkel und/oder ein Rollwinkel als Neigungswinkel bestimmt werden können.
• Insbesondere das vorstehend beschriebene Verwenden der Scanpunkte auf dem Grenzbereich zum Ermitteln des oder der Neigungswinkel kann signifikante Vorteile gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik aufweisen.
• Durch das vorbeschriebene Verfahren kann aus relativen Größen der Messung anhand von geometrischen Gesetzen auf den Neigungswinkel etwa als Einbauwinkel geschlossen werden. Dabei kann das Ergebnis, nämlich der Rollwinkel oder der Nickwinkel, durch einfachste Berechnungen ermittelt werden. Eine derartige Messung kann dabei sehr genau sein.
• Darüber hinaus kann ein Neigungswinkel ermittelt werden ohne das Einbeziehen beziehungsweise das Ermitteln der Einbauhöhe des Sensors. Dies war in Verfahren aus dem Stand der Technik meist notwendig und konnte zu Messungenauigkeiten führen.
• Da die Einbauhöhe bei dem hier beschriebenen Verfahren lediglich als Konstante einfließt, welche den Totbereich vergrößert oder verkleinert, den Grenzbereich beziehungsweise die Bogenform in ihrer grundsätzlichen Form jedoch unbeeinflusst lässt, kann das hier beschriebene Verfahren ohne den Einfluss der Einbauhöhe des Sensors, also der vertikalen Höhe über der Erfassungsebene, besonders einfach und genau sein.
• Darüber hinaus kann das Verfahren im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt ohne bestimmte Voraussetzungen an die Umgebung beziehungsweise die Erfassungsebene durchgeführt werden, was die Anwendbarkeit deutlich verbessern kann.
• Durch die insbesondere Verwendung von relativen Größen kann ferner eine besonders einfache und exakte Durchführung des Verfahrens ermöglicht werden, was die erhaltenen Neigungswinkel besonders genau gestaltet.
• Somit erlaubt das Verfahren auf besonders einfache und exakte Weise die Bestimmung wenigstens eines Neigungswinkels eines optischen Umgebungssensors.
• Das Ergebnis ist der genaue Neigungswinkel zwischen einer grundsätzlich frei wählbaren Erfassungsebene und dem optischen Umgebungssensor.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt des Bestimmens von wenigstens einem Neigungswinkel des optischen Umgebungssensors ein Bestimmen eines Nickwinkels und/oder eines Rollwinkels. Durch die Betrachtung der Bogenform des Grenzbereichs von Totbereich zu Sichtfeld können sowohl der Nickwinkel wie auch der Rollwinkel einfach bestimmt werden. Der Nickwinkel betrifft eine Neigung des optischen Umgebungssensors und des Fahrzeugs in Erfassungsrichtung des optischen Umgebungssensors bezogen auf eine ebene Bodenfläche, also beispielsweise dynamisch ein Absenken des Fahrzeugs und damit des Laserscanners beim Bremsen. Der Rollwinkel betrifft eine Rotation des optischen Umgebungssensors und des Fahrzeugs um seine Längsachse, typischerweise in Erfassungsrichtung. Eine solche Bewegung erfolgt dynamisch beispielsweise bei Kurvenfahrten. Statisch können die verschiedenen Neigungswinkel durch eine fehlerhafte Montage oder durch Spiele bei der Montage auftreten. Auch quasi-statische Neigungswinkel können auftreten, beispielsweise bei falschem Reifenluftdruck oder einer defekten Radaufhängung. Die Neigungswinkel können positive oder negative Werte annehmen abhängig von einer Ausrichtung des optischen Umgebungssensors zuzogen auf die Referenzausrichtung, d.h. der optische Umgebungssensor kann entweder zu hoch oder zu tief sehen bzw. nach rechts oder nach links um seine Längsachse verdreht sein verglichen mit der Referenzausrichtung .
• In einer bevorzugten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Mehrzahl an Scanpunkten wenigstens zwei Scanpunkte umfasst. Es hat sich herausgestallt, dass bereits durch das Verwenden zweier Scanpunkte der wenigstens eine Neigungswinkel bestimmbar ist. In diesem Fall sollten sich die Scanpunkte an den beiden Grenzwinkeln befinden. Grundsätzlich kann jedoch eine deutlich größere Anzahl von Scanpunkten geeignet sein, um so eine möglichst genaue Ermittlung des Neigungswinkels zu erhalten. Beispielsweise kann die Mehrzahl an Scanpunkten wenigstens 20 Scanpunkte, wie etwa wenigstens 50 Scanpunkte umfassen.
• Insbesondere, um bei einer Vielzahl von Scanpunkten eine besonders hohe Genauigkeit zu erhalten kann es vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Scanpunkten vor dem Ermitteln des Neigungswinkels auf eine Ausgleichskurve geglättet wird. Diese Ausgestaltung kann es insbesondere erlauben, beispielsweise Unebenheiten auf der Erfassungsebene auszugleichen, welche anderenfalls die ermittelten Neigungswinkel verfälschen würden. In dieser Ausgestaltung kann somit neben einer Verbesserung der Genauigkeit es ermöglicht werden, dass die Erfassungsebene, auf welcher die Scanpunkte erfasst werden, noch freier wählbar ist beziehungsweise dass die Anforderungen an die entsprechende Erfassungsebene besonders gering gewählt werden können. Dadurch wird die Anwendbarkeit weiter verbessert.
• Grundsätzlich ist das beschriebene Verfahren untere Verwendung jeder Art von Erfassungsebenen möglich, ohne deren exakte Eigenschaften zu kennen. Dies beschreibt die universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens, das nicht auf vordefinierte Situationen beschränkt ist, sondern im Wesentlichen in jeder Situation einsetzbar ist.
• Es kann jedoch bevorzugt sein, dass die Erfassungsebene eine horizontale Ebene, wie etwa einen vor dem Sensor befindlichen Straßenbelag, umfasst, beziehungsweise durch diese gebildet wird. Diese Ausgestaltung kann eine besonders universelle Verwendbarkeit ermöglichen, da eine horizontale Erfassungsebene, wie etwa der Straßenbelag, im Wesentlichen zu jeder Zeit vorhanden und nutzbar ist. Etwaige Ungenauigkeiten des Straßenbelags, welche gegebenenfalls die Messgenauigkeit herabsetzen könnten, können durch ein Glätten der Kurve wie vorstehend beschrieben reduziert beziehungsweise eliminiert werden.
• Alternativ kann es bevorzugt sein, dass die Erfassungsebene eine vertikale Ebene, wie etwa eine Wand oder eine Straßenbegrenzung, zum Beispiel eine Leitplanke, umfasst. Auch diese Ausgestaltung kann von Vorteil sein, wenn etwa der Straßenbelag für das hier beschriebene Verfahren nicht verwendbar ist, etwa auf einer unwegsamen Strecke. Die Genauigkeit der Messung kann dabei gleichermaßen hoch sein.
• Mit Bezug auf weitere Merkmale und/oder Vorteile des Verfahrens wird hiermit explizit auf die Beschreibung des Umgebungserfassungssystems und des Fahrzeugs verwiesen, und umgekehrt.
• Erfindungsgemäß ist außerdem ein optisches Umgebungserfassungssystem mit einem optischen Umgebungssensor und einer Verarbeitungseinheit angegeben, wobei der optische Umgebungssensor ein Sichtfeld aufweist, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, und wobei der optische Umgebungssensor in seiner Erfassungsrichtung benachbart zu dem Umgebungssensor einen Totbereich aufweist, an welchen Totbereich sich das Sichtfeld anschließt, wobei ein Grenzbereich von dem Totbereich zu dem Sichtfeld auf einer Erfassungsebene in einer Bogenform verläuft, und wobei die Verarbeitungseinheit ausgeführt ist, das Verfahren durchzuführen, wie dies vorstehend definiert ist.
• Ein derartiges optisches Umgebungserfassungssystem kann auf besonders genaue und universell einsatzbare Weise wenigstens einen Neigungswinkel eines optischen Umgebungssensors ermitteln. Insbesondere ist ein derartiges Umgebungserfassungssystem dazu geeignet, einen Nickwinkel beziehungsweise einen Rollwinkel eines optischen Umgebungssensors, der Teil des optischen Umgebungserfassungssystems ist, zu ermitteln. Bevorzugt kann ein derartiges optisches Umgebungserfassungssystem Bestandteil eines Fahrzeugs sein.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der optische Umgebungssensor als Lidar ausgeführt, insbesondere als Laserscanner. Der Lidar ist ein laserbasierter Sensor zur Erfassung von Umgebungsinformationen. Es werden Reflektionen von Laserstrahlung erfasst. Dabei wird zu einem entsprechenden horizontalen Abstrahlwinkel und einem vertikalen Abstrahlwinkel, d.h. zu jedem Scanpunkt, eine Entfernung der Reflektion bestimmt. Ein derartiger Umgebungssensor liefert sehr genaue Daten und ist für ein hier beschriebenes Verfahren beziehungsweise in einem Umgebungserfassungssystem besonders vorteilhaft geeignet.
• Mit Bezug auf weitere Merkmale und/oder Vorteile des Umgebungserfassungssystems wird hiermit explizit auf die Beschreibung des Verfahrens und des Fahrzeugs verwiesen, und umgekehrt.
• Weiter ist erfindungsgemäß ein Fahrzeug mit einem optischen Umgebungserfassungssystem vorgeschlagen, wobei das optische Umgebungserfassungssystem wie vorstehend definiert ausgestaltet ist.
• Auch bei einem derartigen Fahrzeug kann auf besonders genaue und universell einsatzbare Weise wenigstens ein Neigungswinkel eines optischen Umgebungssensors ermittelt werden, der Teil eines optischen Umgebungserfassungssystems ist, mit welchem das Fahrzeug ausgestattet ist.
• Mit Bezug auf weitere Merkmale und/oder Vorteile des Fahrzeugs wird hiermit explizit auf die Beschreibung des Verfahrens und des Umgebungserfassungssystems verwiesen, und umgekehrt.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen.
• Es zeigt
• 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Laserscansystem als optischem Umgebungserfassungssystem gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform in Seitenansicht;
• 2a) eine schematische Darstellung einer verzerrungsfreien Bogenstruktur;
• 2b) eine schematische Darstellung einer Bogenstruktur mit einer Verzerrung durch einen positiven Nickwinkel;
• 2c) eine schematische Darstellung einer Bogenstruktur mit einer Verzerrung durch einen positiven Rollwinkel; und
• 2d) eine schematische Darstellung einer Bogenstruktur mit einer Verzerrung durch einen positiven Nickwinkel und einen positiven Rollwinkel.
• Die 1 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einem optischen Umgebungserfassungssystem 12 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform.
• Das optische Umgebungserfassungssystem 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Laserscansystem ausgeführt und umfasst entsprechend einen optischen Umgebungssensor 14, der als Lidar, konkret als Laserscanner ausgeführt ist, und eine Verarbeitungseinheit 16, die über einen Datenbus 18 miteinander verbunden sind. Der optische Umgebungssensor 14 ist fest an dem Fahrzeug 10, hier in einem vorderen Bereich an einer Oberkante einer Windschutzscheibe montiert.
• Der Laserscanner 14 weist ein Sichtfeld auf, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt. Das Sichtfeld erstreckt sich zwischen den genannten Grenzwinkeln in horizontaler und vertikaler Richtung. Der Umgebungssensor 14 ist ausgeführt, eine Mehrzahl Scanpunkte 22 in dem Sichtfeld zu erfassen durch das Abtasten einer Erfassungsebene, wie etwa einem Fahrbahnbelag mittels eines sich bewegenden Laserstrahls 20.
• In der 2 ist ferner das Verfahren zum Ermitteln eines Neigungswinkels gezeigt. Im Detail sind verschiedene Bogenformen gezeigt, die von einem nicht gezeigten Umgebungssensor 14, der eine Längsachse 24 aufweist, erfasst werden. Dabei sind die Bogenformen gebildet durch eine Vielzahl von Scanpunkten 22. Die Scanpunkte 22 beziehungsweise die Bogenform entspricht dabei einem Grenzbereich von einem Sichtfeld 26 zu einem Totbereich 28. 2a zeigt dabei ein verzerrungsfreie Bogenstruktur, 2b) zeigt schematisch eine Bogenstruktur mit einer Verzerrung durch einen positiven Nickwinkel von etwa 1°, 2c) zeigt schematisch eine Bogenstruktur mit einer Verzerrung durch einen positiven Rollwinkel von etwa 1° und 2d) zeigt schematisch eine Bogenstruktur mit einer Verzerrung durch einen positiven Nickwinkel von etwa 0,5° und einen positiven Rollwinkel von etwa 0,5°. Dabei zeigt die 2 deutlich, dass die Bogenform sich verändert in Abhängigkeit des Rollwinkels und des Nickwinkels, da die Verzerrung in kohärenter Abhängigkeit zum Rollwinkel und Nickwinkel steht. Entsprechend kann basierend auf der Bogenform der Nickwinkel und der Rollwinkel in eindeutiger Weise ermittelt werden.
• Das Ergebnis der Verwendung eines Umfeldsensors 14 umfasst stets Scanpunkte 22, die mit einer bestimmten Distanz d und einem horizontalen Winkel α zu der Längsachse angegeben werden können durch Projektion beispielsweise auf eine Fahrbahn als Projektionsebene beziehungsweise als Erfassungsebene.
• Eine beispielhafte und in keiner Weise beschränkende Auswertung kann wie folgt erfolgen.
• Die Bogenform kann mathematisch wie folgt durch Formel (I) beschrieben werden: $$\text{d}=\frac{\text{h}}{\text{tan}\left(\frac{\mathrm{\nu }}{2}-\text{P}\mathrm{\ast }\text{cos}\left(\mathrm{\alpha }\right)-\text{R}\mathrm{\ast }\text{sin}\left(\mathrm{\alpha }\right)\right)}$$

  
• Die Parameter können wie folgt beschrieben werden:

d =

Distanz des Scanpunkts zum Sensor;

h =

Einbauhöhe des Sensors;

ν =

vertikaler Öffnungswinkel des Sensors

α =

horizontaler Winkel des Scanpunkts zur Längsachse des Sensors

P =

Nickwinkel

R =

Rollwinkel

• Die Formel (I) kann umgeformt werden, um den Nickwinkel und den Rollwinkel zu separieren nach Formel (II): $$\text{atan}\left(-\frac{\text{h}}{\text{r}}\right)+\frac{\mathrm{\nu }}{2}=\text{P}\mathrm{\ast }\text{cos}\left(\mathrm{\alpha }\right)+\text{R}\mathrm{\ast }\text{sin}\left(\mathrm{\alpha }\right)$$

  
• Dabei gilt ferner $$\text{y}=\text{P}*x_{1+}{R}_{*}{x}_2,$$

  

  unter der Voraussetzung, dass gilt x₁ = cos(a) und x₂ = sin (a), und dass gilt $$\text{y}=\text{atan}\left(\frac{-\text{h}}{\text{r}}\right)+\frac{\mathrm{\nu }}{2}$$

  
• Formel (III) kann dann weiter umgeformt werden zu Formel (IV), um eine Glättung der Scanpunkte 22 auf eine Ausgleichsgerade zu erhalten insbesondere nach dem als Methode der kleinsten Quadrate („Least Square Fitting“) bezeichneten Verfahren: $${\displaystyle \sum _{i=1}^n{\left(P\mathrm{\ast }{\chi }_{1i}+R\mathrm{\ast }{\chi }_{\text{2}i}-y_i\right)}^2}$$

  

  wobei n die Nummer der Scanpunkte 22 ist und i der Index des jeweiligen Scanpunkts 22.
• Auflösen der Formel (IV) ergibt Formel (V): $$\left({\text{P}}^2\mathrm{\ast }{\text{x}}_1{}^2\right)+\left({\text{R}}^2\mathrm{\ast }{\text{x}}_2{}^2\right)+\text{y}2+\left(2\mathrm{\ast }\text{P}\mathrm{\ast }\text{R}\mathrm{\ast }{\text{x}}_1\mathrm{\ast }{\text{x}}_2\right)-\left(2\mathrm{\ast }\text{P}\mathrm{\ast }{\text{x}}_1\mathrm{\ast }\text{y}\right)-\left(2\mathrm{\ast }\text{R}\mathrm{\ast }{\text{x}}_2\mathrm{\ast }\text{y}\right)=0$$

  
• Formel (V) wird abgeleitet und nach P und R aufgelöst unter Erhalt von Formel (VI) $$\text{P}\text{'}:\left(\text{P}\mathrm{\ast }{\text{x}}_1{}^2\right)+\left(\text{R}\mathrm{\ast }{\text{x}}_1\mathrm{\ast }{\text{x}}_2\right)-\left({\text{x}}_{\text{1}}\mathrm{\ast }\text{y}\right)=0$$

  

  $$\text{R}\text{'}:\left(\text{P}\mathrm{\ast }{\text{x}}_1*{\text{x}}_2\right)+\left(\text{R}\mathrm{\ast }{\text{x}}_2{}^2\right)-\left({\text{x}}_{\text{2}}\mathrm{\ast }\text{y}\right)=0$$

  
• Diese Formeln (VI) und (VII) können durch die Matrix als Formel (VIII) beschrieben werden $$\begin{array}{ccc}\left[\begin{array}{cc}{x}_1^2& x_1\mathrm{\ast }{x}_2\\ x_1\mathrm{\ast }{x}_2& x_2^2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}P\\ R\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}{x}_1\mathrm{\ast }y\\ x_2\mathrm{\ast }y\end{array}\right]\end{array}$$

  
• Anschließend können der Nickwinkel und der Rollwinkel iterativ durch das Lösen der Gleichung bestimmt werden, indem verschiedene Werte für den Nickwinkel und den Rollwinkel in die Gleichung eingesetzt werden. Je näher das Ergebnis der Gleichung an 0 heranreicht, desto genauer ist der Nickwinkel und der Rollwinkel bestimmt. Dass die Gleichung gleich 0 gesetzt wird bedeutet somit, dass Nickwinkel und Rollwinkel exakt bestimmt sind.
• Technisch bedingte Fixgrößen sind dabei etwa der Öffnungswinkel des Umgebungssensors 14 in der Vertikalen und die Einbauhöhe des Umgebungssensors 14. Ersteres ist bekannt und es wird davon ausgegangen, dass die Zieleinbauposition 0° relativ zur Erfassungsebene, wie einer Fahrbahn, ist, der Sensor mit seiner Längsachse also parallel zur Erfassungsebene beziehungsweise Fahrbahn angeordnet ist. Die Einbauhöhe ist für die Auswertung nicht relevant, da sie als Konstante den Totbereich 28 vergrößert oder verkleinert, jedoch nicht die Bogenform verändert.
• Durch Zurückrechnen der Bogenform wie vorstehend beschrieben entstehen als Lösung die Winkelwerte, Die Berechnung kann simpel in einem Verarbeitungsprogramm, wie etwa Excel, erfolgen aber auch in CPP oder jede andere Programmiersprache übersetzt werden. Für die Rückrechnung könnten auch die Steigung und der Sattelpunkt der Funktion berechnet werden, was jedoch für den Fachmann umsetzbar ist und hier nicht im Detail erklärt wird.
• Bezugszeichenliste

10

Fahrzeug

12

Umgebungserfassungssystem

14

Umgebungssensor

16

Verarbeitungseinheit

18

Datenbus

20

Laserstrahl

22

Scanpunkt

24

Längsachse

26

Sichtfeld

28

Totbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 9052721 B1 [0009]

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Neigungswinkels eines optischen Umgebungssensors (14), wobei der optische Umgebungssensor (14) ein Sichtfeld (26) aufweist, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, und wobei der optische Umgebungssensor (14) in seiner Erfassungsrichtung benachbart zu dem Umgebungssensor (14) einen optischen Totbereich (28) aufweist, an welchen Totbereich (28) sich das Sichtfeld (26) anschließt, wobei ein Grenzbereich von dem Totbereich (28) zu dem Sichtfeld (26) auf einer Erfassungsebene in einer Bogenform von dem linken Grenzwinkel zu dem rechten Grenzwinkel verläuft, wobei das Verfahren den Schritt des Erfassens einer Mehrzahl an Scanpunkten (22) in dem Sichtfeld (26) des optischen Umgebungssensors (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Scanpunkten (22) in dem Grenzbereich von Totbereich (28) zu Sichtfeld (26) erfasst wird und dass der Neigungswinkel bestimmt wird basierend auf den jeweiligen räumlichen Positionen der Scanpunkte (22).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens von wenigstens einem Neigungswinkel des optischen Umgebungssensors (14) ein Bestimmen eines Nickwinkels und/oder eines Rollwinkels umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Die Mehrzahl an Scanpunkten (22) wenigstens zwei Scanpunkte (22) umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Position eines Scanpunkts (22) den Abstand eines Scanpunkts (22) zu dem Umgebungssensor (14) und den Winkel des Scanpunkts (22) zu der Längsachse (24) des Umgebungssensors (14) umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Scanpunkten (22) vor dem Ermitteln des Neigungswinkels auf eine Ausgleichskurve geglättet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsebene eine horizontale Ebene umfasst, wie etwa einen vor dem Umgebungssensor (14) befindlichen Straßenbelag.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsebene eine vertikale Ebene umfasst.
8. Optisches Umgebungserfassungssystem mit einem optischen Umgebungssensor (14) und einer Verarbeitungseinheit (16), wobei der optische Umgebungssensor (14) ein Sichtfeld (26) aufweist, das sich in horizontaler Richtung zwischen einem linken Grenzwinkel und einem rechten Grenzwinkel und in vertikaler Richtung zwischen einem oberen Grenzwinkel und einem unteren Grenzwinkel erstreckt, und wobei der optische Umgebungssensor (14) in seiner Erfassungsrichtung benachbart zu dem Umgebungssensor (14) einen optischen Totbereich (28) aufweist, an welchen Totbereich (28) sich das Sichtfeld (26) anschließt, wobei ein Grenzbereich von dem Totbereich (28) zu dem Sichtfeld (26) auf einer Erfassungsebene in einer Bogenform verläuft, und wobei die Verarbeitungseinheit (16) ausgeführt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Optisches Umgebungserfassungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Umgebungssensor (14) als Lidar ausgeführt ist, insbesondere als Laserscanner.
10. Fahrzeug mit einem optischen Umgebungserfassungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9.

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