CN112867940B - 雷达传感器以及使用雷达传感器的机器人 - Google Patents

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Abstract

一种雷达传感器(6，7)包括收发器单元(10)，所述收发器单元(10)用于在传出方向上沿波束通路发射雷达波束(13)并且在传入方向上沿所述波束通路接收雷达辐射。参考对象(15)被放置在所述波束通路中，以用于在传入方向上重定向传出雷达波束(13)的部分。至少一个维度中的参考对象(15)的大小小于雷达波束(13)的波长。

Description

雷达传感器以及使用雷达传感器的机器人
本发明涉及雷达传感器，以及涉及其中使用雷达传感器的机器人。
雷达传感器广泛地用于汽车技术中，以用于检测车辆附近的人和对象。例如，DE102013010993 A1描述了一种雷达系统，该雷达系统被安装到车辆主体的后面，并且在它检测到用户在接近时触发车辆后备箱（boot）的自动开启。
在机器人学中，一般实践是在机器人附近安装能够检测人的存在的传感器，以便在此人足够接近而在被机器人撞击时损伤时停止机器人的移动。
在DE 102013010993 Al的情况下，如果雷达传感器没有正确操作并且无法检测人的接近，则车辆后备箱保持为闭合并且必须用手开启。另一方面，在机器人系统中，如果人的接近未被检测，则机器人可移动到与人相同的位置，以及如果两者碰撞，则存在严重的损伤风险。因此，在机器人应用中，必需检测雷达传感器的可能失败，使得仅当明确确定雷达传感器在正确地操作并且能够检测人的接近时，才启用机器人的操作。
这样做的常规方式是通过检测来自参考对象的雷达回波，该参考对象被放置在雷达传感器的泄漏（leakage）区外部，放置在其中来自传感器的收发器的雷达波束被预计传播的区域中。
这个方式的缺点产生于如下事实：收发器与样本对象之间的距离必须小于其中必须检测到人的距离，因为参考对象的检测原本可能被雷达传感器与参考对象之间的人的存在阻碍，但是距离越小，参考对象的雷达回波就越强。因此，可产生一种状况，其中检测来自参考对象的强回波，但是没有检测来自人的较弱回波，在此情况下，不能确保人的安全性。此外，来自参考对象的回波的存在增加必须与人的回波加以区分的噪声，使得期望不同时接收两种回波。活动组件增加缺陷的概率，通过所述活动组件能够将雷达波束有选择地定向在参考对象上或者定向到其中将要检测人的区域中。
因此，本发明的一个目的是要提供一种雷达传感器，能够以较高可靠性来建立该雷达传感器的正确操作。
这个目的通过一种雷达传感器来实现，该雷达传感器包括收发器单元，所述收发器单元用于在传出（outgoing）方向上沿波束通路发射雷达波束并且在传入（incoming）方向上沿所述波束通路接收雷达辐射，参考对象被放置在所述波束通路中，以用于将所发射雷达波束的部分重定向到收发器，其中参考对象是被放置在雷达波束中的多个参考对象中的一个参考对象，以及至少一个维度中的参考对象的大小比雷达波束的波长要小。
参考对象中的至少一些参考对象应当位于收发器单元的泄漏范围之外。
通过使参考对象在至少一个方向上变小，尽管它们对雷达收发器的潜在贴近，它们的回波的强度却能够被减小。当参考对象的大小比雷达波长要小时，它的雷达截面与大小的四次幂成比例；因此，参考对象的回波的功率能够被调整成比人的回波的功率要小，使得如果收发器足够灵敏以检测参考对象的回波，则将更有理由检测到任何人。
所述第一纬度中的参考对象的大小可小于波长的一半，优选地小于波长的1/5，以及更加（still more）优选地小于雷达波束的波长的1/10。
由于因参考对象的小的大小，所以能够使其回波的功率如预期的那样小，并且不存在用来在针对人的存在而对环境进行监测的同时去除参考对象的需要。因此，至少一个参考对象能够相对于收发器固定地安装，使得它始终暴露于雷达波束。
在与所述第一维度正交的第二维度中，至少一个参考对象的大小能够比雷达波束的波长要大。这促进参考对象的安装，特别在延长参考对象的至少一端延伸到超出雷达波束的截面时也是如此。
通常，参考对象能够是金属线。
如果具有第一端和第二端中的每个参考对象是线性的，并且如果参考对象的第一端和第二端被安装在框架中，则促进雷达传感器的制造。
为了降低激光束的可能异质性对于来自参考对象的回波的影响，多个所述参考对象应当分布在雷达波束的截面，优选地采取一个或多个规则图案的形式。
优选地，通过这些所形成的参考对象或图案被布置在与波束相交的至少一个平面中。
如果参考对象被布置在第一规则图案和第二规则图案中，第一图案在与波束相交的第一平面中延伸，而第二图案在与第一平面平行的第二平面中延伸，则雷达收发器能够是连续或离散可调谐的，以便在至少第一频率和第二频率下是有选择地可操作的。如果两个图案之间的距离在所述第一频率下等于泰伯距离的一半，则第一图案将在第二图案的平面中生成泰伯图案，以及来自第二图案的雷达回波的强度取决于它的参考对象是位于泰伯图案的亮区还是暗区中。
特别地，当收发器工作在所述第一频率并且第二规则图案的参考对象位于由所述第一规则图案所生成的泰伯图案的暗区中时，它们将不会产生回波。按照那种方式，虽然雷达波束跨所述第二规则图案传播，但是能够避免来自第二规则图案的雷达回波的形成，使得能够以背景噪声的最小数来检测来自其他对象的雷达反射。
不能避免来自第一规则图案的雷达回波的反射，但是如果第一规则图案位于雷达收发器的泄漏区中，则这个雷达回波将未被检测。
雷达传感器可被安装在机器人臂上，以便检测机器人附近的人，并且基于这个检测来控制机器人的移动，以便避免机器人与人之间的碰撞。
根据下面对本发明的实施例的描述，本发明的另外的特征和优点将变得显而易见。
图1是其中由雷达传感器来监测机器人的环境的机器人系统的示意图；
图2是图1的雷达传感器中的一个雷达传感器的示意截面；
图3是按照第一实施例的由雷达传感器的收发器所接收的雷达回波的示例；以及
图4是图示作为相对频率的函数的金属球的相对雷达截面的图表；
图5是按照第二实施例的由雷达传感器的收发器所接收的雷达回波的示例。
图1是制造机器人1的示意图，该制造机器人1包括固定基座2、末端效应器3和多个延长连杆（link）4，所述多个延长连杆路4通过接合部5枢转地相互连接、连接到基座2和末端效应器3。由雷达传感器6、7针对人们的存在而对机器人1的环境进行监测。雷达传感器6是固定的，并且可被安装在机器人基座2附近的车间地面（workshop floor）上。雷达传感器7被安装在连杆4中。
控制器9被连接到雷达传感器6、7，并且被编程为在机器人1与人之间的距离下降到低于预定阈值时减缓或者可能停止机器人1。
在图2中示出固定雷达传感器6的示意截面。提供收发器10，以用于传送和接收雷达信号。在必要时，可提供透镜12，以用于将从天线11发出的雷达波整形(特别是准直)为波束13，并且用于将所反射雷达回波聚焦到收发器10上。
收发器10的接收通道固有地对由收发器10的传送通道所发射的雷达波是灵敏的。在收发器10处，所发射的雷达波的强度比从雷达传感器6附近的某个对象所反射出的任何雷达回波要大了若干数量级。因此，在收发器以单个频率发射雷达脉冲的情况下，收发器10仅在它没有传送脉冲的同时才对回波灵敏，所述脉冲可“泄漏”到接收通道中。备选地，收发器10能够属于FMCW(频率调制连续波)类型，即，它发射连续雷达波（连续雷达波的频率连续被斜变），使得所传送波与同时接收的回波之间的频率差表示收发器与起源于回波的对象之间的距离。在那种情况下，传出波与所接收回波之间的频率差必须超过某个阈值，以便使回波是可检测的。在任一种情况下，收发器10通过所谓的泄漏范围来包围，在所述泄漏范围中对象不能被检测到，因为通过传出波使它们的回波不可检测。
在这个泄漏范围之内，雷达波束13经过网格14，该网格14由细金属线15形成，所述细金属线15按照在与波束13的传播方向垂直的平面中延伸的规则图案相互平行地布置。波束13的宽度足以辐照多个所述线15。线15的长度应当优选地大于波束13的直径，使得线15的端能够被安装在没有阻挡波束13的框架16上。
线15的直径小于雷达波束13的波长；例如，在雷达波束具有与3 mm的波长λ1对应的100 Ghz的平均频率f1的情况下，线的直径小于3mm，优选地小于0.6 mm，以及更加优选地小于0.3 mm，使得线没有在网格14的下游侧投射阴影，并且没有反射雷达波束13，而是只将它散射。
由于网格14位于泄漏范围之内，所以没有检测从它散射回收发器10的雷达波。
在泄漏范围外部的波束13的通路中提供具有与网格14相同的结构的第二网格17。两个网格14、17在平行平面中延伸。两个网格14、17的线15相互对齐，即，当在波束13的传播方向上看时，一个网格的线15与另一网格的那些线重叠。两个网格14、17之间的距离d等于d1 2/2λ1，使得如果雷达波束的波长为λ1，则根据泰伯效应，第一网格14在网格17的平面中产生雷达波的强度分布，该强度分布具有其强度最小数与网格17的线一致的线状网格的形式。因此，当收发器10工作在波长λ1或者在围绕λ1的小间隔中斜变时，第二网格17对雷达波束13的传播没有影响。
但是，当由收发器10所发射的波长与对于将要暴露于大量雷达辐射的网格17的线15的λ1完全不同时，它具有影响。在那种情况下，网格17促成在收发器10处所接收的雷达回波，并且由于网格17处于泄漏范围外部，所以检测到此贡献（contribution）。
由于这个原因，在这里所考虑的实施例中，收发器10适合于在两个频率范围之间进行切换，以用于使雷达波的频率斜变，第一个频率范围以f1=c/λ1为中心，另一个频率范围以不同频率f2为中心。当这个实施例的雷达传感器6开始操作时，收发器10首先在围绕f2的频率范围中发射，以及由收发器10来检测来自网格17的雷达回波。如果这个回波的强度具有预计非零强度，则推断传感器6是起作用的，以及对围绕f1的范围切换收发器10的频率。这样，虽然雷达波束13仍然在来自于收发器的途中经过网格14和17，但是网格14、17在所接收的雷达回波中没有留下痕迹，以及能够以背景噪声的最小数来检测机器人1附近的对象和人的贡献。
如图2中所示，传感器2能够具有旋转镜18或类似移动元件，以用于重定向波束13并且因此扫描传感器6的周围。除了旋转镜18之外，传感器7的结构能够与传感器6的结构相同，如图1中所示，如果沿连杆4的圆周分布若干传感器7，则不需要旋转镜18。
图3给出由收发器10所检测的回波信号的示意示例。如果雷达波束13的频率线性斜变，则传出雷达信号与传入雷达信号之间的频率差直接表示收发器10与作为回波来源的对象之间的距离。采用围绕f2进行操作的传感器来得到图3的曲线A；在由阴影线区域C所表示的泄漏范围正上方的小频率差Δf1，存在来自网格17的回波；在更大差Δf2，存在来自对象(例如来自机器人1本身)的回波。当传感器6工作在围绕f1的频率范围中时，雷达波束13不受网格17影响，以及只有对象而不是网格17促成雷达回波，如由曲线B所示。
由于线15的小直径，来自网格17的雷达回波能够被限制到低值，这将不会遮蔽来自外部对象的回波，即使这个外部对象接近网格17，以及通过适当地选择这个直径，来自网格17的雷达回波的强度能够设置成任何预期值。如图4中的简图所示，当金属球的直径比雷达波长要大许多时，即，在10或以上的相对频率，雷达截面与球的投影面积之间的比率趋于一。另一方面，当直径小于波长时，这个比率与频率的四次幂成比例。类似关系对网格14和17的线15成立。因此，线15的直径能够被选择，使得虽然网格17跨波束13的整个截面延伸，但是起源于网格17的回波仅略高于收发器10的检测阈值。
当来自网格17的回波的强度设置成这么低（as low as this）时，雷达传感器6能够通过省去网格14来简化。在那种情况下，来自网格17的回波在传感器6进行操作的同时连续存在，但是这没有造成问题，因为这个回波太弱而不能遮盖应当被检测的接近泄漏范围的外部对象的回波。恰恰相反，正因为来自网格17的回波是弱的，所以传感器6的任何失灵可能使它下降到低于检测阈值，由此检测到失灵。在图5中以与图3类似的简图示出按照这个简化实施例的典型雷达回波信号的示例。
按照这个实施例，还能够简化收发器10，因为不再需要在不同频率范围之间进行切换。由于每当传感器6正操作时，并且不仅在它正工作在围绕f2的频率范围中时，来自网格17的回波都存在，所以它一出现，传感器6的失灵就被检测到。
参考数字
1 机器人
2 基座
3 末端效应器
4 连杆
5 接合部
6 雷达传感器
7 雷达传感器
8 地面
9 控制器
10 收发器单元
11 天线
12 透镜
13 波束
14 网格
15 线
16 框架
17 网格
18 镜。

Claims (16)

1.一种雷达传感器(6，7)，所述雷达传感器(6，7)包括收发器单元(10)，所述收发器单元(10)用于在传出方向上沿波束通路发射雷达波束(13)并且在传入方向上沿所述波束通路接收雷达辐射，参考对象(15)被放置在所述波束通路中，以用于在所述传入方向上重定向传出雷达波束(13)的部分，所述参考对象是被放置在所述雷达波束(13)中的多个参考对象中的一个参考对象；以及第一维度中的所述参考对象的大小比所述雷达波束(13)的波长要小，其特征在于：与所述第一维度正交的第二维度中的至少一个参考对象的所述大小大于所述雷达波束(13)的所述波长。
2.如权利要求1所述的雷达传感器，其中，所述多个参考对象中的至少一些参考对象位于所述收发器单元(10)的泄漏范围之外。
3.如权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，所述第一维度中的所述参考对象的大小小于所述波长的一半。
4.如权利要求3所述的雷达传感器，其中，所述第一维度中的所述参考对象的大小小于所述波长的1/5。
5.如权利要求3所述的雷达传感器，其中，所述第一维度中的所述参考对象的大小小于所述波长的1/10。
6.如权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，所述至少一个参考对象相对于所述收发器(10)固定地安装。
7.如权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，与所述第一维度正交的所述第二维度中的所述至少一个参考对象的所述大小大于所述雷达波束(13)的直径。
8.如权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，所述参考对象是金属线(15)。
9.如权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，每个参考对象是线性的并且具有第一端和第二端，并且其中所述参考对象的所述第一端和所述第二端被安装在框架(16)中。
10.如权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，多个所述参考对象分布在所述雷达波束(13)的截面。
11.如权利要求9所述的雷达传感器，其中，所述参考对象被布置在与所述雷达波束(13)相交的至少一个平面中。
12.如权利要求10所述的雷达传感器，其中，所述参考对象被布置在至少一个规则图案中。
13.如权利要求9所述的雷达传感器，其中，所述参考对象被布置在第一规则图案和第二规则图案中，所述第一规则图案(14)在与所述波束相交的第一平面中延伸，而所述第二规则图案(17)在与所述第一平面平行的第二平面中延伸，所述雷达收发器(10)在至少第一频率和第二频率(f1，f2)下是有选择地可操作的，以及所述两个图案之间的距离在所述第一频率(f1)下等于泰伯距离的一半。
14.如权利要求13所述的雷达传感器，其中，当所述收发器(10)工作在所述第一频率(f1)时，所述第二规则图案的所述参考对象位于由所述第一规则图案所生成的泰伯网格的暗区中。
15.如权利要求13所述的雷达传感器，其中，所述第一规则图案位于所述雷达收发器(10)的泄漏区中。
16.一种机器人（1），所述机器人（1）包括至少一个连杆(4)，所述至少一个连杆(4)可旋转地连接到基座(2)、连接到末端效应器(3)或者连接到另一个连杆(4)，其中所述至少一个连杆(4)被提供有如前述权利要求中的任一项所述的至少一个雷达传感器(7)。
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