DE102004044073A1 - Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung für ein Fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung für ein Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Ein Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Umgebungsbereich eines Fahrzeugs zur Verwendung in einem Fahrerassistenz-System zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung soll kostengünstig gestaltet werden. Hierzu ist vorgesehen, einen 24 GHz-Radar-Sensor einzusetzen. Gegebenenfalls kann durch eine Linse (4), die von einer Patch-Antenne (2, 3) abgegebene Radarstrahlung fokussiert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Phasenmonopuls-Technik mit zwei Empfangsantennen einzusetzen. Ferner können Antennen mit unterschiedlicher Bündelung bzw. Antennenfläche verwendet werden, wobei über die jeweilige Empfangsleistung eine Winkelinformation gewonnen werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung für ein Fahrzeug mit einer Radarsensorvorrichtung zur Erfassung eines Umgebungsbereichs des Fahrzeugs und zur Ausgabe eines Sensorsignals sowie einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Ausgabe mindestens eines Steuersignals auf der Grundlage des Sensorsignals. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung.
  • Das Fahrerassistenz-System zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung wird häufig mit ACC (Adaptive Cruise Control) bezeichnet und ist bei zahlreichen Fahrzeugherstellern bei höherpreisigen Fahrzeugen fest verankert. Wünschenswert ist es, ein derartiges Assistenzsystem auch für niederpreisige Fahrzeuge einzusetzen. Daher ist das System hinsichtlich seines Preises zu optimieren.
  • Herzstück und wesentliche Komponente auch hinsichtlich der Kosten der Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung ist der zumindest eine Sensor. Bekanntermaßen werden derzeit 77 GHz-Radarsensoren eingesetzt. Aus Kostengründen scheidet dieser Sensor jedoch für Fahrzeuge aus dem niederen Preissegment aus.
  • Grundsätzlich stehen auf dem Sensormarkt auch andere Sensoren beispielsweise auf der Basis von Laser oder von 24 GHz-Radar zur Verfügung. Gegenüber einem 77 GHz-Radar arbeitet ein 24 GHz-Radar mit einer etwa dreifach kleineren Frequenz, so dass bei gleicher Reichweite die Antennenfläche theoretisch neunmal so groß sein muss.
  • In diesem Zusammenhang ist aus den Druckschriften EP 0 843 182 B1 , EP 0 840 140 B1 , DE 197 12 098 A1 und DE 102 37 790 A1 jeweils ein Antennensystem bekannt, bei dem vor die Antenne ein Linsenelement angeordnet ist, um die Radarstrahlen zu bündeln. Darüber hinaus ist aus der DE 197 12 098 A1 weiterhin bekannt, für das Sensorsystem einen 24 GHz-Radar zu verwenden.
  • Ferner ist in den Druckschriften EP 0 778 953 , EP 0 690 315 und DE 195 11 982 A1 die Kombination von Linsenantennen mit Patch-Antennen beschrieben.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, preisgünstigere Vorrichtungen bzw. entsprechende Verfahren zur automatischen Geschwindigkeits- und Abstandsregelung zu schaffen.
    •
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, nämlich eine Vorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Radarsensorvorrichtung zur Erfassung eines Umgebungsbereichs des Fahrzeugs und zur Ausgabe eines Sensorsignals und einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Ausgabe mindestens eines Steuersignals auf der Grundlage des Sensorsignals, wobei die Radarsensorvorrichtung eine Antenneneinrichtung für einen Frequenzbereich unter 50 GHz und insbesondere unter 30 GHz aufweist.
  • Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Verfahren nach Anspruch 7 vorgesehen, nämlich ein Verfahren zur automatischen Geschwindigkeits- und Abstandsregelung in einem Fahrzeug durch Erfassen eines Umgebungsbereichs des Fahrzeugs mittels Radarstrahlen unter Ausgabe eines Sensorsignals und Erzeugen mindestens eines Steuersignals auf der Grundlage des Sensorsignals, wobei Radarstrahlen eines Frequenzbereichs unter 50 GHz und insbesondere unter 30 GHz genutzt werden.
  • In vorteilhafter Weise kann somit für die Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung ein Sensorsystem eingesetzt werden, das deutlich günstiger zu realisieren ist als das bislang bekannte 77 GHz-Radarsystem.
  • Vorzugsweise umfasst die Antenneneinrichtung eine Patch-Antenne. Diese lässt sich wegen ihrer Flexibilität und ihrer geringen Bauhöhe an zahlreichen Orten am Fahrzeug verbauen.
  • Die Antenneneinrichtung kann mit einem Optikelement ausgestattet sein, um die Radarstrahlen zu fokussieren. Auf diese Weise lässt sich die Antennenfläche deutlich reduzieren.
  • Bei einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Antenneneinrichtung zwei RX-Antennen, die jeweils eine unterschiedliche Antennenfläche besitzen. Hierdurch ergeben sich für die Antennen unterschiedliche Empfangsleistungen, womit eine Winkelmessung realisiert werden kann.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Antenneneinrichtung zwei Empfangsantennen auf, die jeweils eine unterschiedliche Bündelung besitzen. Auch hier ergeben sich zur eindeutigen Winkelbestimmung unterschiedliche Empfangsleistungen an den Antennen.
  • Des Weiteren kann die Radarsensorvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung für ein Phasenmonopuls-Messverfahren ausgelegt sein. Dieses Messverfahren ermöglicht eine Winkelbestimmung über eine Phasenbeziehung zwischen den Empfangssignalen zweier Antennen.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht eines Radarsensors mit Linse;
  • 2 eine Prinzipskizze zur Ortung eines Objekts; und
  • 3 ein Richtdiagramm zweier Antennen unterschiedlicher Bündelung.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar.
  • 1 zeigt eine konkrete Ausgestaltung des Radarsensors einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung. Die Elektronik eines 24 GHz-Radars ist in einem Gehäuse 1 untergebracht. Die Antenne des 24 GHz-Radars ist als Patch-Antenne realisiert. Diese setzt sich aus zahlreichen Antennen-Patches 2 zusammen, die auf einer Antennen-Platine 3 angeordnet sind. Oberhalb der Patch-Antenne 2, 3 befindet sich eine Linse 4. Durch dieses Vorschalten einer Zusatzoptik vor die Patches 2 kann bei gleichbleibender bzw. reduzierter Antennenfläche die Reichweite deutlich erhöht werden. Die Linse 4 dient hierbei gleichzeitig als Radom, d. h. zum Schutz der Antennen-Patches 2. Die Anforderungen an das Material der Zusatzoptik sind unter anderem Dämpfungsarmut und ausreichend hoher Brechungsindex bei 24 GHz. Die Linse 4 kann halbkugelförmig oder halbtonnenförmig ausgebildet sein.
  • Neben einer geringen Antennenfläche ist zugleich eine gute Winkelmessung für eine Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung nötig. Hierzu kann ein Phasenmonopuls-Konzept mit einem Amplituden/Leistungsvergleicher kombiniert werden. Für das Phasenmonopuls-Konzept werden mindestens 2 Empfangsantennen benötigt. Die Winkelbestimmung erfolgt durch Phasenvergleich der Signale der beiden Empfangsantennen. Aus der Phasendifferenz lässt sich der Winkel zum Objekt bestimmen, wie dies anhand von 2 näher erläutert ist.
  • Die beiden Empfangsantennen RxA und RxB haben unterschiedliche Entfernungen R1 und R2 zu dem Objekt. Des Weiteren ist in 2 eine Sendeantenne Tx angedeutet. Für die Entfernungen können folgende Gleichungen aufgestellt werden:
    Figure 00040001
  • Dabei bedeuten d der Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen RxA und RxB und ⊝ der Winkel zwischen der Normalen bezüglich der Verbindungslinie zwischen den beiden Empfangsantennen RxA und RxB und einer Geraden, die zwischen dem Mittelpunkt der beiden Empfangsantennen RxA und RxB und dem Objekt verläuft.
  • Ist die Entfernungsdifferenz kleiner als die halbe Wellenlänge, kann sie als Phasendifferenz ΔΦ geschrieben werden:
    Figure 00040002
    Dabei bedeutet λ die Wellenlänge des Radars.
  • Eine Umstellung ergibt die Gleichung zur Bestimmung des Winkels zum Objekt aus der Phasendifferenz der beiden Empfangsantennen:
    Figure 00040003
  • Bei einer Frequenz von fT = 24,125GHz müssen die Empfangsantennen einen Abstand von d ≤ 6mm haben, um eine eindeutige Winkelmessung im Bereich ±90° zu gewährleisten. Dieser nötige Abstand hat aber Auswirkungen auf die maximale Größe der einzelnen Empfangsantennen und damit die mögliche Antennenbündelung. Die Bündelung in jeweils Azimut- und Elevation ist direkt proportional zur Antennenfläche. Der Winkel-Messbereich bei 24 GHz Sensoren ist wünschenswerterweise zwischen -15° ... +15°, teilweise sogar noch geringer. Der eindeutige Winkelmessbereich sollte aber -90° ... +90° betragen.
  • Durch die Vergrößerung der Antennenfläche wird der Antennenstrahl gebündelt, damit erhöht sich in Hauptstrahlrichtung die Detektionsreichweite. Aufgrund der großen gewünschten Reichweite des Sensors von Rmax ≥ 150m und der Detektion von schwach reflektierenden Objekten bzw. Zielen wie z.B. Fußgänger bis hin zu stark reflektierenden Zielen wie z.B. LKWs ergibt sich eine typische Dynamik im Empfangssignal von mehr als 80dB bis 100dB. Diese hohe Zieldynamik bedingt hohe Anforderungen an das Antennendesign. Möchte man den Antennenabstand vergrößern, um höhere Bündelungen zu fordern, so wird die Winkelmessung mehrdeutig.
  • Aufgrund der hohen Zieldynamik und Empfangssignaldynamik kann es leicht passieren, dass ein im Winkel außerhalb der Hauptkeule (im mehrdeutigen Winkelbereich) befindliches, stark reflektierendes Ziel aufgrund der zu geringen Eindeutigkeit und zu geringen Unterdrückung dieses Winkelbereichs in der Antennencharakteristik fälschlich im Hauptdetektionsbereich als schwach reflektierendes Ziel detektiert wird. Ziel ist es daher, beim Antennendesign die Antennencharakteristik so zu formen, dass sie möglichst rechteckförmig ist, d.h. eine Detektion außerhalb des Hauptdetektionsbereich unwahrscheinlich ist. Diese Aufgabe ist im Allgemeinen sehr schwer zu lösen. Daher wird üblicherweise ein anderer Ansatz verfolgt, wonach neben der Unterdrückung der Ziele außerhalb des gewünschten Detektionsbereichs versucht wird, diese Detektion zu erkennen.
  • Bei Phasenmonopuls-Techniken werden normalerweise die Empfangsantennen gleichartig ausgelegt. Dies ist aber kein notwendiges Kriterium, die Antennencharakteristika dürfen sich auch unterscheiden, wichtig ist nur, dass für das Ziel eine Phasenmessung möglich ist. Wählt man bei den Empfangsantennen eine stark bündelnde und eine schwächer bündelnde Antenne aus, dann kann anhand der Empfangsleistung eine eindeutige Zuordnung der Winkel geschehen.
  • In 3 ist das Richtdiagramm zweier Antennen mit unterschiedlicher Bündelung dargestellt. Dabei ist der Antennengewinn G(⊝) über dem Winkel ⊝ zum Ziel aufgetragen. Eine schwach bündelnde RX-Antenne mit kleiner Antennenfläche besitzt einen Antennengewinn entsprechend der Kurve 5 in 3. Eine RX-Antenne mit starker Bündelung bzw. großer Antennenfläche besitzt einen Antennengewinn entsprechend der Kurve 6. Die Kurve 5 der schwach bündelnden RX-Antenne ist im mittleren Bereich um den Winkel ⊝ = 0 breiter als die Kurve 6 der stark bündelnden RX-Antenne. Das Maximum der Kurve 6 liegt jedoch über dem der Kurve 5. In einem Hauptdetektionsbereich 7 liegt die Kurve 6 oberhalb der Kurve 5, so dass in diesem Bereich die Empfangsleistung der stark bündelnden Antenne höher ist als die der schwach bündelnden Antenne.
  • Objekte bzw. Ziele, bei denen die Empfangsleistung der stark bündelnden RX-Antenne größer als die der schwach bündelnden Antenne sind, befinden sich im Hauptdetektionsbereich 7, alle anderen ausserhalb. Der Antennenabstand kann nun so gewählt werden, dass eine eindeutige Winkelmessung nur den Bereich des Hauptdetektionsbereichs umfassen muss. Eine größere Bündelung lässt sich relativ einfach durch Vergrößerung der Antennenfläche erzielen.
  • Die unterschiedliche Bündelung wird für das Fahrerassistenz-System zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung nur in Azimut-Richtung durchgeführt, d.h. die Höhe der planaren Antenne bleibt gleich, nur der Abstand d wird zwischen den Empfangsantennen verändert und somit ihre Bündelung in Azimut variiert.
  • Durch diese Maßnahme kann ein preisgünstiger Sensor mit kleinem Abmaßen und hoher Reichweite realisiert werden, welcher sich sehr gut für eine Anwendung für das Fahrerassistenz-System zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung bei niederpreisigen Fahrzeugen eignet.
    • 1
    Gehäuse
    2
    Antennen-Patches
    3
    Antennen-Platine
    4
    Linse
    5
    Charakteristik einer schwach bündelnden Antenne
    6
    Charakteristik einer stark bündelnden Antenne
    7
    Hauptdetektionsbereich
    RxA, RxB
    Empfangsantennen
    Tx
    Sendeantenne

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung für ein Fahrzeug mit – einer Radarsensorvorrichtung zur Erfassung eines Umgebungsbereichs des Fahrzeugs und zur Ausgabe eines Sensorsignals und – einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Ausgabe mindestens eines Steuersignals auf der Grundlage des Sensorsignals, dadurch gekennzeichnet, dass – die Radarsensorvorrichtung eine Antenneneinrichtung für einen Frequenzbereich unter 50 GHz und insbesondere unter 30 GHz aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antenneneinrichtung eine Patch-Antenne (2) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Antenneneinrichtung mit einem Optikelement (4) ausgestattet ist, um Radarstrahlen zu fokussieren.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenneneinrichtung zwei RX-Antennen (RxA, RxB) umfasst, die jeweils eine unterschiedliche Antennenfläche besitzen.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenneneinrichtung zwei Empfangsantennen aufweist, die jeweils eine unterschiedliche Bündelung besitzen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radarsensorvorrichtung für ein Phasenmonopuls-Messverfahren ausgelegt ist.
  7. Verfahren zur automatischen Geschwindigkeits- und Abstandsregelung in einem Fahrzeug durch – Erfassen eines Umgebungsbereichs des Fahrzeugs mittels Radarstrahlen unter Ausgabe eines Sensorsignals und – Erzeugen mindestens eines Steuersignals auf der Grundlage des Sensorsignals, dadurch gekennzeichnet, dass – Radarstrahlen eines Frequenzbereichs unter 50 GHz und insbesondere unter 30 GHz genutzt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erfassen mit einer Patch-Antenne (2) erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Radarstrahlen mit Hilfe eines Optikelements (4) fokussiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erfassen mit zwei RX-Antennen (RxA, RxB) erfolgt, die jeweils eine unterschiedliche Antennenfläche besitzen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Erfassen mit zwei Empfangsantennen erfolgt, die jeweils eine unterschiedliche Bündelung besitzen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Erfassen unter Anwendung eines Phasenmonopuls-Messverfahrens erfolgt.
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