DE102007061814B4

DE102007061814B4 - Radarsystem mit nur einem Sensor zur Umfelderfassung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102007061814B4
Application number: DE102007061814.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wintermantel Markus; Dr. Rasshofer Ralph Helmar
Original assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Current assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: DE102007061814A1

Abstract

Radarsystem wie in Patentanspruch 1 der internationalen Patentanmeldung PCT/DE2007/001784 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt zur Breitraumüberwachung vorgesehen ist, in dem die Strahlkeulenbreite annähernd 180° beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Radarsystem zum Einsatz für Fahrerassistenzsysteme im Kraftfahrzeug. Das Radarsystem besitzt erfindungsgemäß eine Azimutstrahlcharakteristik, deren zeitlicher Verlauf in jedem Zyklus mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweist.
Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, welche mit Hilfe von Sensorsystemen die Umgebung erfassen und aus der so erkannten Verkehrssituation automatische Reaktionen des Fahrzeugs ableiten und/oder den Fahrer instruieren, insbesondere warnen. Dabei unterscheidet man zwischen Komfort- und Sicherheitsfunktionen.
Als Komfortfunktion ist z. B. das FSRA (Full Speed Range Adaptive Cruise Control) zu nennen. Das Fahrzeug regelt die Eigengeschwindigkeit auf die vom Fahrer vorgegebene Wunschgeschwindigkeit ein, sofern die Verkehrssituation dies zulässt, andernfalls wird die Eigengeschwindigkeit automatisch an die Verkehrssituation angepasst; abweichend von konventionellen ACC-Systemen (Adaptive Cruise Control) funktioniert diese autonome Regelung auch im niedrigen Geschwindigkeitsbereich bis zum Stillstand herunter. Um diese Erweiterung in den niedrigen Geschwindigkeitsbereich realisieren zu können, sind Systeme mit breiten lateralen Erfassungsbereichen nötig, da bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie im Stillstand auch in geringen Abständen mit versetzt positionierten oder einscherenden Fahrzeugen und Fahrrädern sowie mit auf die Fahrbahn laufenden Fußgängern zu rechnen ist. Deshalb werden für FSRA heute vorwiegend Mehrsensorsysteme verwendet - z. B. die Kombination von einem Fern- und zwei Nahbereichssensoren, welche in einem weiteren Steuergerät fusioniert werden. Die für solch komplexe Systeme resultierenden Kosten sind so hoch, dass momentan nur hochklassige Fahrzeuge damit ausgerüstet werden können.
Neben einer Erhöhung des Komforts werden zukünftig Sicherheitsfunktionen eine immer größere Rolle spielen, wobei die Reduzierung des Bremsweges in Notsituationen die wichtigste Rolle spielen dürfte. Das Spektrum der entsprechenden Fahrerassistenzfunktionen reicht von einem automatischen Vorfüllen der Bremse zur Reduktion der Bremslatenz (Prefill), über einen verbesserten Bremsassistenten (BAS+) bis hin zur autonomen Notbremsung. Mit zunehmendem autonomen Eingriff und zur Erhöhung der Nutzsituationen sind auch für diese Sicherheitsfunktionen Systeme mit breitem lateralen Erfassungsbereich und redundanter Erfassung nötig.
Aus der DE 103 60 890 A1 ist ein Radarsensor bekannt, der situationsabhängig adaptierbar ist und dabei entweder als Fernbereichssensor oder als Nahbereichssensor betrieben wird. Die Adaption wird von bestimmten Ereignissen, Situationen oder in Abhängigkeit einer durch den Fahrer gewählten Funktion (z. B. Fahrerassistenzfunktion) gesteuert, wodurch eine adaptive Anpassung des Ortungsfeldes des Radarsensors und seines Auflösungsvermögens bezüglich zu detektierender Ziele in ihren jeweiligen lateralen Positionen erfolgt. Dadurch wird ein universell verwendbarer und adaptiv arbeitender Radarsensor zur Verfügung gestellt, der die Sensierung des Fahrzeugumfeldes sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich ermöglicht.
Die DE 10 2004 049 626 A1 und die US 5,572,228 A beschreiben ebenfalls Radarantennenanordnungen für Kraftfahrzeuge.
Die Stammanmeldung PCT/DE2007/001784 offenbart ein Radarsystem, das eine Umgebungsüberwachung in unterschiedlichen Entfernungsbereichen mit nur einem Sensor zur Verfügung stellt und wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
Das Radarsystem umfasst Sendemitteln zur gerichteten Abstrahlung von Sendeleistung. Weiterhin sind Empfangsmitteln zum gerichteten Empfang von an Objekten reflektierter Sendeleistung sowie Signalverarbeitungsmitteln zur Prozessierung der empfangenen Leistung vorgesehen. Die Erfassung von Umgebungsobjekten ist in vorgegebene Zyklen unterteilt. Die Strahlcharakteristik des Sensorsystems in einer ersten vorgegebenen Raumrichtung, welche durch die Strahlcharakteristik der Sendemittel und die Strahlcharakteristik der Empfangsmittel bestimmt wird, ist bzgl. der Strahlrichtung und/oder dem Bündelungsmaß, d. h. der Keulenbreite, zeitlich veränderbar.
Eine Veränderung der Strahlcharakteristik des hier beanspruchten Radarsystems erfolgt entlang einer ersten vorgegebenen Raumrichtung. Bei einer Verwendung des Radarsystems in einem Kraftfahrzeug wird die Strahlcharakteristik insbesondere in Azimutrichtung variiert. Deshalb wird im Folgenden die Erfindung anhand einer variablen Azimutstrahlcharakteristik erläutert. Diese Darstellung dient allein der besseren Verständlichkeit und stellt keine Einschränkung des Schutzbereichs, der eine Strahlcharakteristik in einer beliebigen vorgegebenen Raumrichtung vorsieht, auf die Azimutstrahlcharakteristik dar. Z. B. bei einer Drehung des Radarsystems oder der entsprechenden Komponenten des Radarsystems um 90 Grad würde die Elevationsstrahlcharakteristik in gleicher Weise veränderbar sein.
In jedem Zyklus weist der zeitliche Verlauf der Azimutstrahlcharakteristik mindestens zwei getrennte Abschnitte auf, in welchen mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften unterschiedlich ist: von der veränderlichen Strahlrichtung durchlaufener Winkelbereich, die mittlere Änderungsgeschwindigkeit der Strahlrichtung und das mittlere Bündelungsmaß des Strahls. Es kommt zwischen mindestens zwei benachbarten Abschnitten, welche durch einen Übergangsbereich getrennt sein können, zu einer signifikanten bzw. sprunghaften Änderung in mindestens einer der nachfolgenden Eigenschaften: Strahlrichtung, die Änderungsgeschwindigkeit der Strahlrichtung, das Bündelungsmaß. Kennzeichnend ist, dass diese Änderung wesentlich schneller und/oder stärker erfolgt als die Änderung der jeweiligen Eigenschaft innerhalb der einzelnen Abschnitte.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Radarsystems unterscheiden sich wenigstens zwei Abschnitte, die in einem Zyklus durchlaufen werden, nicht nur in der Azimutstrahlcharakteristik, sondern auch in wenigstens einer der nachfolgenden Größen Reichweite oder Entfernungsauflösung oder Relativgeschwindigkeitsauflösung.
Das Radarsystem weist eine Antenne mit sich ändernder Azimutstrahlrichtung, also eine in Azimutrichtung scannende oder umschaltbare Antenne auf. Eine umschaltbare Antenne weist mehrere Sende- und Empfangskanäle auf, die selektiv angesteuert werden können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Radarsystems ist die Antenne mechanisch scannend und die Scanbewegung verläuft zumindest abschnittsweise kontinuierlich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Radarsystems, bei welcher in jedem Zyklus der zeitliche Verlauf der Azimutstrahlcharakteristik Abschnitte zweier verschiedenartiger Typen aufweist, wobei in dem wenigstens einen Abschnitt eines ersten Typs das Umfeld feiner, aber in einem geringeren Winkelbereich als in dem wenigstens einen Abschnitt eines zweiten Typs erfasst wird. Eine feinere Erfassung wird z. B. durch ein höheres Bündelungsmaß erreicht. Bei einem kontinuierlichen Scan kann eine feinere Erfassung zudem durch eine höhere Signalabtastrate erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des beanspruchten Radarsystems, ist in dem Abschnitt des ersten Typs der durchlaufene Winkelbereich der Strahlrichtung und die Änderungsgeschwindigkeit der Strahlrichtung kleiner und das mittlere Bündelungsmaß höher als in dem wenigstens einen Abschnitt des zweiten Typs. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Radarsystems, weist ein Abschnitt des ersten Typs eine höhere Reichweite und / oder eine geringere Entfernungsauflösung auf als ein Abschnitt des zweiten Typs. Vorzugsweise dient ein Abschnitt des ersten Typs vorrangig der Erfassung des Fernbereichs und ein Abschnitt des zweiten Typs vorrangig der Erfassung des Nahbereichs.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht zwei Abschnitte des zweiten Typs vor, wobei einer dieser Abschnitte einen linken Winkelbereich und der andere Abschnitt einen rechten Winkelbereich im Erfassungsbereich des Sensors abdeckt, die links bzw. rechts von einer mittleren Blickrichtung des Sensorsystems liegen und vorzugsweise symmetrisch zur mittleren Blickrichtung angeordnet sind. Vorzugsweise sind die zwei Abschnitte des zweiten Typs so realisiert sind, dass Leistung auch für Winkel, welche stark vom Mittenwinkel abweichen, möglichst gut in die Umgebung abgegeben bzw. von dort empfangen werden kann. Vorzugsweise decken die Abschnitte des zweiten Typs insgesamt einen zusammenhängenden, zur Mitte symmetrischen Winkelbereich ab. In einer besonderen Ausgestaltung des Radarsystems gibt es genau einen Abschnitt des ersten Typs, welcher einen zur Mitte symmetrischen Winkelbereich abdeckt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Radarsystems sieht vor, dass in den Signalverarbeitungsmitteln für den wenigstens einen Abschnitt des ersten Typs und den wenigstens einen Abschnitt des zweiten Typs aus den Messdaten eines Zyklus jeweils eine separate Liste an Detektionen, d.h. an detektierten Umgebungsobjekten, bestimmt wird. Diese Listen werden fusioniert. Die Fusion findet entweder vor, während oder nach der Historienbildung (Tracking) statt.
Eine besondere Ausgestaltung des Radarsystems sieht vor, dass sich der wenigstens eine Abschnitt des ersten Typs und den wenigstens eine Abschnitt des zweiten Typs überlappen. In den Signalverarbeitungsmitteln die daraus resultierende Redundanz in dem wenigstens einen Überlappungsbereich zur Erhöhung der Detektionssicherheit ausgenutzt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung eines Radarsystems wiederholt sich der zeitliche Verlauf der Azimutstrahlcharakteristik in jedem Zyklus im Wesentlichen unverändert. Das Radarsystem ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass jeder Zyklus im Wesentlichen die gleiche Zeitdauer einnimmt.
Zusätzlich kann eine Steuerung der Strahlcharakteristik des Radarsystems in einer zweiten vorgegebenen Raumrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise steht erste und zweite vorgegebene Raumrichtung senkrecht zueinander. Insbesondere wird zusätzlich zur Strahlcharakteristik in Azimutrichtung die Strahlcharakteristik in Elevationsrichtung gesteuert. Der Strahl wird in der zweiten Raumrichtung, z. B. der Elevationsrichtung, durch mechanische oder elektronische Mittel zusätzlich den Gegebenheiten angepasst. Vorzugsweise wird die Strahlform in Abhängigkeit von dem Azimutwinkel (bzw. der ersten vorgegebenen Raumrichtung) und/oder der zugehörigen Strahleigenschaft in Azimutrichtung (bzw. der ersten vorgegebenen Raumrichtung) und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert.
Vorzugsweise ist als Sende- und Empfangsmittel des Radarsystems eine Antenne vorgesehen, die die folgenden Komponenten umfasst

- einen Wellenleiter, in welchen für das Senden Leistung eingespeist wird, welche sich entlang von diesem in Form einer elektromagnetischen Welle ausbreitet,
- eine Trommel mit einer strukturierten metallischen Oberfläche in unmittelbarer Nähe des Wellenleiters, welche für das Senden in die elektromagnetischen Felder um den Wellenleiter so eingreift, dass Leistung in der Weise ausgekoppelt wird, dass sich für die Gesamtantenne eine in Azimut gerichtete Abstrahlung ergibt, wobei die Trommel
- • sich einmal pro Zyklus dreht und
- • ihre Oberflächenstruktur über ihren Umfang unterschiedliche Abschnitte zur Realisierung unterschiedlicher Azimutstrahlcharakteristiken über einen Zyklus aufweist,
- Mittel zur Bündelung der Strahlen in einer zweiten Raumrichtung, vorzugsweise in Elevationsrichtung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Oberflächenstruktur der Trommel mehrere Abschnitte auf. Ein erster Abschnitt die Oberflächenstruktur ist über einen großen Teil der Breite oder die volle Breite der Trommel ausgedehnt. Dieser Abschnitt wird vorrangig für die Erfassung eines Fernbereichs genutzt. Um das Design kompakt zu halten wird die Oberflächenstruktur vorzugsweise die volle Breite der Trommel einnehmen. Die Oberflächenstruktur in diesem ersten Abschnitt ändert sich weniger schnell und weniger stark als in einem zweiten Abschnitt. In dem zweiten Abschnitt ist die Oberflächenstruktur weniger stark über die Breite der Trommel ausdehnt als im ersten Abschnitt und dient vorrangig der Erfassung des Nahbereichs. Im Nahbereich ist eine weniger starke Strahlbündelung erforderlich.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Abschnitte für eine Erfassung des Nahbereichs vorgesehen, deren Oberflächenstruktur sich weniger stark über die Breite der Trommel ausdehnt. Einer dieser Abschnitte deckt einen linken Winkelbereich und der andere Abschnitt deckt einen rechten Winkelbereich ab. Die Begriffe linker und rechter Winkelbereich beziehen sich auf eine mittlere Blickrichtung des Sensors. In einem Fahrzeug wird z. B. die mittlere Blickrichtung so gewählt, dass sie im Wesentlichen mit der Fahrzeuglängsachse übereinstimmt und das Radarsystem einen Bereich vor bzw. hinter dem Fahrzeug überwacht. Der linke und der rechte Winkelbereich sind vorzugsweise symmetrisch zur mittleren Blickrichtung des Sensors angeordnet.
Für die Erfassung eines linken Winkelbereichs ist beispielsweise eine Struktur vorgesehen, die rechts gegenüber der Walzenmitte verschoben ist, für die Erfassung eines rechten Winkelbereich entsprechend eine Struktur links von der Walzenmitte. Mit dieser Anordnung kann Leistung auch für Winkel, welche stark vom Mittenwinkel abweichen, möglichst gut in die Umgebung abgegeben bzw. von dort empfangen werden kann.
Vorzugsweise wird als Sende- und Empfangsmittel eine Antenne nach dem Phased-Array-Prinzip eingesetzt, wobei die Azimutcharakteristik bzgl. Strahlrichtung und Bündelungsmaß über die Phasen- und Amplitudenbelegung des Arrays geändert wird. Ein solches Antennendesign ist z. B. in DE 19848722 beschrieben. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Sende- und Empfangsmittel eine Antenneanordnung bestehend aus mehreren Einzelstrahlern eingesetzt. Die Einzelstrahler werden auf der Empfangsseite komplett oder teilweise sowie sequentiell oder parallel im Digitalbereich ausgewertet werden, und so die Strahlrichtungen bzw. Bündelungsmaße verändert werden Vorzugsweise beinhaltet die Antenne Material, dessen Dielektrizitätskonstante von der elektrischen und/oder magnetischen Feldstärke abhängt, wobei die Änderung der Azimutstrahlcharakteristik durch Änderung der elektrischen und /oder magnetischen Feldstärke bzw. ihrer lokalen Verteilung realisiert wird.
Vorzugsweise wird das hier beanspruchte Radarsystem in einem Fahrerassistenzsystem eingesetzt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Radarsystem in einem Fahrerassistenzsystem für FSRA (Full Speed Range ACC) eingesetzt. Vorzugsweise umfasst die Erfindung ein Fahrerassistenzsystem, welches neben einem hier beanspruchten Radarsystem auch ein Kamerasystem umfasst, wobei das Radarsystem im Wesentlichen den vollen Erfassungsbereich des Kamerasystems beinhaltet.
Das Radarsystem wird im Folgenden anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

1a) Querschnitt einer beispielhaften Gesamt-Antennenanordnung
1b) Teilansicht der Antennenanordnung von der Seite: Wellenleiter und Trommel mit Oberflächenstruktur
2) Trommel mit Oberflächenstrukturierung
3) Zeitlicher Verlauf der Azimutstrahlrichtung während eines Zyklus
4) Erfassungsbereiche des Radarsystems: Fernbereich A1 und Nahbereich A2

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Gesamt-Antennenanordnung des hier beanspruchten Radarsystems dargestellt. 1b) zeigt die Komponenten Wellenleiter 1 (in vereinfachter Darstellung) und Trommel 2 von der Seite. An einem Ende des Wellenleiters 1 wird Leistung im Hochfrequenzbereich eingespeist, welche sich entlang von diesem in Form einer elektromagnetischen Welle ausbreitet. In unmittelbarer Nähe des Wellenleiters befindet sich eine Trommel 2, welche eine strukturierte metallische Oberfläche aufweist. Die Oberflächenstrukturierung der Trommel greift in die elektromagnetischen Felder um den Wellenleiter ein und koppelt Leistung aus der Anordnung aus, die so in Form einer Strahlungskeule in den Raum abgestrahlt wird. Die Richtung Θ des Intensitätsmaximums der Strahlungskeule ergibt sich beispielsweise bei einer periodischen Anordnung von Strukturierungen auf der Trommel durch den Zusammenhang $sin Θ= λ_{0} / λ_{g} - λ_{0} / p,$
wobei λ₀ die Freiraumwellenlänge, λ_g die Wellenlänge auf dem Wellenleiter und p der Abstand der Oberflächenstrukturierungen auf der Trommel bedeuten.
In 1a) ist ein Wellenleiter 1 mit einem Trichter zur Strahlausrichtung und eine rotierende Trommel 2 zur Strahlauskopplung dargestellt. Die aus dem Wellenleiter 1 ausgekoppelte und gerichtete Strahlungskeule trifft auf einen als Polarisator arbeitenden Subreflektor 3, der aus einem dielektrischen Material mit aufgebrachtem metallischem Gitter 4 oder metallischen Streifen aufgebaut ist. Die Leistung wird daran komplett reflektiert und auf einen als Twistreflektor bezeichneten Hauptreflektor 5 geworfen, der vorteilhaft als Reflect-Array ausgeführt ist. Dieser formt bzw. bündelt durch ein ortsabhängiges Reflexionsverhalten die Strahlungskeule zusätzlich in Ebenen parallel zu der durch die z-Achse laufenden Ebene, welche gegenüber der y-Achse um den Winkel Θ geneigt ist, und bewirkt gleichzeitig eine Polarisationsdrehung der Strahlungskeule um 90°, so dass die Leistung den Polarisator anschließend ungehindert passieren kann.
Die Antennenanordnung wird nicht nur für das Senden von Leistung, sondern auch für den Empfang von an Objekten reflektierter Sendeleistung benutzt - auf Grund des Reziprozitätstheorems arbeitet die Anordnung im Empfangsfall auf analoge Weise wie im Sendefall.
Bezogen auf den Einbau des Sensors im Fahrzeug stellt die y-Richtung die Fahrtrichtung dar, die z-Richtung die Vertikale. Auf den Gesamtsensor bezogen ergibt sich somit die Strahlbündelung und -richtung in Azimut aus der Struktur der Trommel, welche die Auskopplung von Leistung aus dem Wellenleiter bewirkt, die Strahlbündelung und -richtung in Elevation aus der Ausgestaltung des Reflect-Arrays, welches die dort auftreffende Leistung entsprechend reflektiert.
Um die Azimutstrahlcharakteristik zeitlich zu ändern, ist eine zeitliche Variation der Oberflächenstrukturierung der Trommel nötig. Dies wird dadurch realisiert, dass sich die Trommel um ihre Längsachse mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit dreht und ihre Oberflächenstrukturierung sich über den Umfangwinkel ändert. In 2 ist ein beispielhaftes Design der Oberflächenstrukturierung der Trommel angegeben.
Eine kontinuierliche Änderung der Strahlrichtung ergibt sich durch kontinuierliche Änderung des Abstands p der Oberflächenstrukturierungen auf der Trommel über den Umfangwinkel; wie schnell sich die Strahlrichtung ändert, hängt vom Gradienten des Abstands p ab. Das Bündelungsmaß kann über die Ausdehnung der Oberflächenstruktur variiert werden. Je größer die Ausdehnung, desto stärker die Bündelung des Strahls.
In 3 ist der zeitliche Verlauf der Azimutstrahlrichtung für eine Antennenanordnung nach 1 mit einer Trommel gemäß 2 dargestellt. Der Zeitraum T_Z, der in diesem Ausführungsbeispiel 0-66ms beträgt, beschreibt genau eine Umdrehung der Trommel und stellt so für das Radarsystem einen Zyklus dar. Da die Trommel mit konstanter Drehzahl rotiert, wiederholt sich der dargestellte Verlauf periodisch. Jeweils nach der Zeitspanne T_Z ergibt sich so in der Signalverarbeitung ein neuer Datensatz zur Umgebungserfassung.
Der Bereich der Trommel 7a, in welchem die Oberflächenstrukturierung über ihre volle Breite ausgedehnt ist, stellt den sogenannten Fernbereichsscan dar. Ein im Vergleich zum Nahbereichsscan stark gebündelter Strahl überstreicht einen relativ geringen Winkelbereich. In diesem Ausführungsbeispiel bewegt sich ein etwa 2,4° breiter Strahl mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit der Strahlrichtung von -12° bis +12° bezogen auf eine mittlere Blickrichtung des Radarsystems. Die zwei Bereiche der Trommel 7b, 7c, in welchen die Oberflächenstrukturierung nicht über ihre volle Breite ausgedehnt ist, stellen den sogenannten Nahbereichsscan dar. Im Nahbereichsscan bewegt sich in diesem Ausführungsbeispiel ein etwa 7° breiter Strahl mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit der Strahlrichtung von -32° bis +32°, wobei es im Bereich des Mittenwinkels 0°, der die mittlere Blickrichtung des Radarsystems angibt, eine Unstetigkeit gibt, da der Nahbereichsscan in zwei Abschnitte unterteilt ist. Im Abschnitt für den linken Winkelbereich ist die Oberflächenstrukturierung rechts gegenüber der Walzenmitte verschoben ist, im Abschnitt für den rechten Winkelbereich links; Grund dafür ist, dass Leistung auch für Winkel, welche stark vom Mittenwinkel abweichen, möglichst gut in die Umgebung abgegeben bzw. von dort empfangen werden kann, ohne von den Seitenwänden des Sensors oder absorbierenden bzw. reflektierenden Bereichen der Sensorabdeckung abgeschattet zu werden. Dass sich die Abschnitte für den linken und rechten Winkelbereich überlappen, liegt daran, dass in der Signalverarbeitung aus über einen bestimmten Winkelbereich kontinuierlich anfallenden Daten ein Dopplerspektrum zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelt wird und in diesem Winkelbereich keine Unstetigkeit der Oberflächenstruktur auftreten darf, was zu Phasenfehlern führen würde.
Zwischen den einzelnen Abschnitten (z. B. zwischen Fern- und Nahbereichsscan) gibt es jeweils einen Übergangsbereich, in welchem der Wellenleiter über zwei unterschiedlichen Abschnitten der Oberflächenstrukturierung liegt, so dass dort die Strahlbündelung und -richtung keine sinnvolle Signalauswertung zulässt.
Wie oben schon angedeutet, muss zur direkten Bestimmung der Relativgeschwindigkeit durch Auswertung des Dopplereffekts das Empfangssignal über einen gewissen Zeitraum beobachtet und ausgewertet werden; bei einem Radar im 77GHz-Bereich ist z. B. für eine Geschwindigkeitsauflösung von 2,76km/h eine Beobachtungszeit von 2,56ms notwendig. Je länger die Beobachtungszeit ist, desto höher ist die Geschwindigkeitsauflösung. Während der Beobachtungszeit verändert sich die Azimutstrahlrichtung allerdings kontinuierlich; um ein Objekt über die volle Beobachtungszeit erfassen zu können, muss die Änderung der Azimutstrahlrichtung in dieser Zeit kleiner als die Keulenbreite sein. Im Fernbereichsscan ist die Beobachtungszeit 2,56ms, die Änderung der Azimutstrahlrichtung dabei 1,5° und die Keulenbreite 2,4°; im Nahbereichsscan ist die Beobachtungszeit 1,28ms, die Änderung der Azimutstrahlrichtung dabei 5,25° und die Keulenbreite 7°. Die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit wird im Fern- und im Nahbereichsscan in jeweils 17 Beobachtungszeiträumen durchgeführt, welche einen Abstand von 1° im Fernbereichsscan und 3,5° im Nahbereichsscan haben (damit überlappen sich die Beobachtungszeiträume leicht). Den Beobachtungsbereichen lassen sich Winkelbereiche zuordnen, so dass sie als in der Signalverarbeitungskette gebildete Strahlungskeulen betrachtet werden können und deshalb im Folgenden als Beam bezeichnet werden sollen. Die Keulenbreite der Beams ist gegenüber der physikalischen Momentankeulenbreite bei obiger Auslegung nur leicht erhöht. Die Erhöhung beträgt ca. 5%, was über eine entsprechende Faltung berechnet werden kann.
Die jeweils 17 Beams mit einem Abstand von 1° bzw. 3,5° decken nicht den vollen Scanbereich von ±12° bzw. ±32° ab, sondern werden so gelegt, dass ihr Bereich von ±8° bzw. ±28° symmetrisch zum Fahrtrichtungsvektor zu liegen kommt, wodurch eine Azimutfehljustage des Sensors ausgeglichen werden kann.
Um für größere Entfernungen Objekte zuverlässig den Fahrspuren zuordnen zu können, um zu entscheiden, ob sie für die Regelung des eigenen Fahrzeugs relevant sind, ist eine genaue Bestimmung ihres Azimutwinkels relativ zum eigenen Fahrzeug nötig. Dazu werden ein feines Raster der Beams und eine geringe Keulenbreite benötigt. Dahingehend ist der Fernbereichsscan ausgelegt. Daneben weist der Fernbereichsscan eine hohe Geschwindigkeitsauflösung auf, um nebeneinander fahrende Objekte mit gleicher Geschwindigkeit sicher trennen zu können. Im Fernbereichsscan werden Objekte bis 200m Entfernung erfasst. Um die Zykluszeit nicht zu groß werden zu lassen, ist der azimutale Erfassungsbereich des Fernbereichsscan auf ±12° beschränkt.
Im Nahbereich werden in einigen Situationen größere azimutale Erfassungsbereiche benötigt, insbesondere bei der Realisierung von FSRA. Bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie im Stillstand ist auch in geringen Abständen mit versetzt positionierten oder einscherenden Fahrzeugen und Fahrrädern sowie mit sich auf die Fahrbahn bewegenden Fußgängern zu rechnen. Allerdings sind im Nahbereich keine feine Rasterung der Beams und keine geringe Keulenbreite nötig, um eine genügend gute Bestimmung der Lateralposition, d.h. die Bestimmung des Azimutwinkels unter welchem das Objekt erfasst wird, realisieren zu können. Diese weniger strengen Anforderungen ergeben sich durch den geringen Abstand der Objekte im Nahbereich. Auch eine Objekttrennung ist weniger kritisch als im Fernbereich. All diese Gesichtspunkte werden bei der Auslegung des Nahbereichsscans berücksichtigt. Er hat einen azimutalen Erfassungsbereich von ±32° und detektiert Objekte bis zu einer Entfernung von 60m. Durch die weniger feine Rasterung der Beams und eine geringere Geschwindigkeitsauflösung ist die für den Nahbereichsscan benötigte Zeit klein genug, um eine akzeptable Zykluszeit realisieren zu können.
Die Entfernungsauflösung kann im Nahbereichsscan gegebenenfalls höher als im Fernbereichsscan ausgelegt werden, um unmittelbar vor dem Fahrzeug (in Entfernungen von wenigen Zentimetern bis zu wenigen Metern) bessere Detektionseigenschaften zu erlangen. Die Entfernungsauflösung kann beispielsweise durch eine Änderung des Frequenzhubs verändert werden.
Die während jeweils einem Zyklus empfangenen Messdaten werden für den Fern- und für den Nahbereichsscan getrennt ausgewertet; dadurch entsteht für Fern- und Nahbereichsscan jeden Zyklus eine getrennte Momentaufnahme, die so genannte Zielliste - als Ziele werden detektierte Objekte bezeichnet. Die zwei Ziellisten aus Fern- und Nahbereichsscan werden in eine Trackingeinheit, die z. B. als Kalman Trackingeinheit ausgestaltet ist, gespeist. Dort werden die Fusion und die Historienbildung (Verfolgung von Zielen über mehrere Zyklen) durchgeführt. Ausgang der Trackingeinheit ist die so genannte Objektliste, welche die Situation mit den Messwerten von aufeinander folgenden Zyklen beschreibt und somit auch einen zeitlichen Verlauf der Objektbewegung wiedergeben kann. Aus dieser Objektliste wird anschließend dasjenige Objekt bestimmt, welches für die jeweilige Fahrerassistenzfunktion die größte Relevanz besitzt, um daraus die Fahrzeugreaktion abzuleiten.
Grundsätzlich ist es natürlich auch denkbar, die Fusion der Ziellisten aus Nah- und Fernbereichsscan noch früher, also schon vor der Bildung der Zielliste, durchzuführen oder später, z. B. nach Bestimmung von Objektlisten in separaten Trackingeinheiten für Fern- und Nahbereichsscan.
Durch die Fusion wird implizit die Messredundanz im Überlappungsbereich von Fern- und Nahbereichsscan ausgenutzt - dort wird ja jedes reale Objekt pro Zyklus zweimal detektiert. Die Messredundanz führt zur einer wesentlich höheren Detektionssicherheit, die z. B. für eine autonome Notbremsung notwendig ist.
Das beispielhaft erläuterte Radarsystem dient zur Implementierung von Fahrerassistenzsystemen. Wie in 4 dargestellt, ist der laterale Erfassungsbereich so groß, dass auch im Nahbereich A1 nicht mittig vor dem Fahrzeug 3 positionierte Objekte, z. B. hier ein versetzt fahrendes Motorrad 9, detektiert werden können. Das Motorrad 8 würde nicht bei einer alleinigen Messung des Fernbereichs A2 detektiert werden. Damit lassen sich FSRA und andere anspruchsvollere Fahrerassistenzsysteme ohne zusätzliche Nahbereichssensoren implementieren, was zu einer signifikanten Kostenreduzierung im Vergleich zu den heute eingesetzten Mehrsensorsystemen führt.
Eine weitere Verbesserung von Fahrerassistenzsystemen lässt sich durch Fusion von Fernbereichsstrahlsensorik (Radar oder Lidar) mit einem Kamerasystem realisieren, da - im Gegensatz zur Fernbereichsstrahlsensorik - die Kamera sehr gut die lateralen Größen bestimmen kann (Lateralposition, Lateralausdehnung und Lateralbewegung). Daneben ergibt sich im Überlappungsbereich der beiden Systeme eine unabhängige und damit redundante Messung, was zu einer erhöhten Detektionssicherheit führt und nach heutigem Erkenntnisstand erst eine autonome Notbremsung erlauben wird. Das oben beschriebene Radarsystem hat im Vergleich zu den heute verfügbaren Fernbereichssensorsystemen mit engem lateralen Erfassungsbereich den Vorteil, dass es fast den vollen Erfassungsbereich von gängigen Kamerasystemen beinhaltet und damit für maximale Redundanz sorgt; nur kleine Bereiche des Kameraerfassungsbereichs links und rechts unmittelbar vor dem Fahrzeug werden nicht durch das Radarsystem detektiert, da dieses typischerweise an der Fahrzeugfront installiert wird, während die Kamera hinter der Windschutzscheibe sitzt.
Für eine automatische Anfahrt eines Fahrzeugs z. B. im Stop and Go Verkehr ist u. a. die rechtzeitige Erkennung von querenden Fußgängern oder anderen Verkehrsteilnehmern bzw. Objekten, die sich von der Seite nähern, notwendig. Diese Funktion erfordert ein Sensorsystem mit einem sehr breiten Erfassungsbereich direkt vor dem Kraftfahrzeug.
Es ist die Aufgabe der hier angegebenen Erfindung ein Sensorsystem anzugeben, das Objekte in einem Fernbereich detektiert und einen sehr breiten Erfassungsbereich im Ultranahbereich aufweist.
Die Aufgabe ist durch ein Radarsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Radarsystem umfasst die Merkmale des Patentanspruch 1 der internationalen Patentanmeldung PCT/DE2007/001784 . Zudem ist ein Abschnitt zur Breitraumüberwachung vorgesehen ist, in dem die Strahlkeulenbreite annähernd 180° beträgt.
In einer besonderen Ausgestaltung des Radarsystems umfasst eine Antenne, zur Erzeugung eines Sendestrahls, einen Wellenleiter und eine Trommel. In den Wellenleiter wird für das Senden Leistung eingespeist, welche sich entlang des Wellenleiters in Form einer elektromagnetischen Welle ausbreitet. Zudem ist eine Trommel mit einer strukturierten metallischen Oberfläche in unmittelbarer Nähe des Wellenleiters angeordnet. Die metallische Oberfläche greift für das Senden in die elektromagnetischen Felder um den Wellenleiter ein. Es wird Leistung derart aus dem Wellenleiter ausgekoppelt, dass sich für die Gesamtantenne eine in Azimut gerichtete Abstrahlung ergibt. Die Trommel dreht sich einmal pro Zyklus und ihre Oberflächenstruktur über ihren Umfang weist unterschiedliche Abschnitte zur Realisierung unterschiedlicher Strahlcharakteristiken über einen Zyklus auf. In dem für eine Breitraumüberwachung vorgesehenen Abschnitt der Trommel ist die Oberflächenstruktur derart verteilt, so dass eine Bündelung der Radarstrahlkeule verhindert wird. Dies kann z. B. durch eine zufällige oder aperiodische Struktur erreicht werden. Dadurch ergibt sich eine sehr breite ungerichtete Abstrahlung in einen Winkelbereich von annähernd 180°. Aufgrund des fehlenden Antennengewinns bei der Breitwinkelüberwachung ist die Strahlung nur für die Überwachung eines Ultranahbereichs geeignet. Eine Aussage über die Position des Objekts zum Kraftfahrzeug kann nicht getroffen werden, lediglich der Abstand eines Objekts und die Relativgeschwindigkeit sind messbar.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Radarsystem einen Abschnitt für die Überwachung eines Fernbereichs, ein Abschnitt für die Erfassung eines Fernbereichs, ein Abschnitt für die Überwachung eines Nahbereichs und ein Abschnitt für eine Breitraumüberwachung vorgesehen ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in einem Messzyklus ca. 75% der Messzeit für eine Überwachung des Fernbereichs, 20% für eine Überwachung des Nahbereichs und 5% für eine Breitwinkelüberwachung im Ultranahbereich vorgesehen. Entsprechend ist die Anordnung der unterschiedlichen Abschnitte auf der rotierenden Trommel. Um feststellen zu können, ob ein Objekt neu in den Erfassungsbereich des Radarsystems eingetreten ist, wird ein Vergleich der aktuellen Messung mit vorherigen Messungen durchgeführt. Dies können z. B. Differenzmessungen sein, wobei die Messungen, die zu verschiedenen Zeiten aufgenommen wurden, substrahiert werden. Tritt eine neue Reflexion in einem passenden (geringen) Abstand hinzu, ist z. B. von einem querenden Fußgänger auszugehen.
Für die Klassifizierung eines neu hinzugekommenen Objekts kann zusätzlich die Relativgeschwindigkeit zur Unterscheidung von stehenden und bewegten Zielen benutzt werden. Reflektionen an der eigenen Karosserie z. B. werden unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit als stehendes Ziel detektiert. Bewegte Ziele sind z. B. andere Verkehrsteilnehmer. Falls das Fahrzeug steht und ein neues bewegtes Ziel in einem geringen Abstand detektiert wird, ist dies mit hoher Wahrscheinlichkeit ein querender Fußgänger. In diesem Fall wird z. B. ein automatisches Anfahren so lange verzögert, bis das Objekt den Erfassungsbereich verlassen hat oder der Fahrer aktiv die Anfahrt einleitet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Datenfusion mit einem oder mehreren anderen Sensorsystemen (z. B. Kamerasystem, Ultraschallsensorsystem) zur Umfelderfassung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, um Objekte vor dem Fahrzeug zu klassifizieren und ihre Position zu bestimmen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Verfolgung (Tracking) von Objekten auch in unterschiedlichen Entfernungsabschnitten vorgesehen. Ein Objekt wird z. B. bereits im Fernbereich und/oder Nahbereich in mehreren Messzyklen detektiert. Aus diesen Daten wird der zukünftige Bewegungsverlauf durch eine Trajektorie abgeschätzt. Wird das Objekt nur noch im Breitwinkelbereich erfasst, ist so eine Schätzung der Bewegungstrajektorie auch in diesem Bereich möglich, die durch die Abstandsdaten gestützt wird. Damit kann vorhergesagt werden, wann das Objekt den Überwachungsbereich wieder verlässt.

Claims

Radarsystem wie in Patentanspruch 1 der internationalen Patentanmeldung PCT/DE2007/001784 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt zur Breitraumüberwachung vorgesehen ist, in dem die Strahlkeulenbreite annähernd 180° beträgt.
Radarsystem nach Anspruch 1, das eine Antenne mit folgenden Hauptelementen umfasst, ein Wellenleiter, in welchen für das Senden Leistung eingespeist wird, welche sich entlang von diesem in Form einer elektromagnetischen Welle ausbreitet, und - eine Trommel mit einer strukturierten metallischen Oberfläche in unmittelbarer Nähe des Wellenleiters, welche für das Senden in die elektromagnetischen Felder um den Wellenleiter so eingreift, dass Leistung in der Weise ausgekoppelt wird, dass sich für die Gesamtantenne eine in Azimut gerichtete Abstrahlung ergibt, wobei die Trommel • sich einmal pro Zyklus dreht und • ihre Oberflächenstruktur über ihren Umfang unterschiedliche Abschnitte zur Realisierung unterschiedlicher Strahlcharakteristiken über einen Zyklus aufweist, wobei im dem für eine Breitraumüberwachung vorgesehene Bereich der Trommel die Oberflächenstruktur derart angeordnet ist, so dass eine ungebündelte Abstrahlung in einen Winkelbereich von annähernd 180° erfolgt.
Radarsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Abschnitt für die Überwachung des Fernbereichs, ein Abschnitt für die Erfassung eines Fernbereichs, ein Abschnitt für die Überwachung eines Nahbereichs und ein Abschnitt für eine Breitraumüberwachung vorgesehen ist.
Radarsystem nach Anspruch 2 und 3, wobei In einem Messzyklus ca. 70-80% der Messzeit für eine Überwachung des Fernbereichs, 10-30% für eine Überwachung des Nahbereichs und 1-10% für eine Breitwinkelüberwachung vorgesehen ist.
Radarsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Erkennung, ob ein Objekt neu in den Erfassungsbereich des Radarsystems eingetreten ist, ein Vergleich der aktuellen Messung mit vorherigen Messungen durchgeführt wird.