DE102013021568A1 - Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Position eines Objekts - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Position eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, wobei Radarsignale (S1 bis Sn) mit unterschiedlichen Wellenformen ausgesendet werden. Erfindungsgemäß werden die ausgesendeten Radarsignale (S1 bis Sn) mittels einer Frequenzumtastung moduliert, wobei genau ein Abtastwert je Frequenzstufe (N) gewählt wird und eine Signalbandbreite und/oder Signaldauer der ausgesendeten Radarsignale (S1 bis Sn) in Abhängigkeit von Fahrzeuginformationen und/oder Umgebungsinformationen an eine jeweilige Fahrsituation des Fahrzeugs angepasst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Position eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, wobei Radarsignale mit unterschiedlichen Wellenformen ausgesendet werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind allgemein Verfahren zur Bestimmung einer Position von Objekten mittels Radarvorrichtungen bekannt. Hierbei werden zur Bestimmung der Position von in großer Entfernung zu der Radarvorrichtung befindlichen Objekten unterschiedliche Wellenformen der Radarstrahlung verwendet. Dabei wird in einem Sendezyklus eine Parameterkombination verwendet. Bei dem verbreiteten so genannten FMCW-Verfahren (FMCW: frequency modulated continious wave) werden bei zunehmender Bandbreite und Steilheit des Radarsignals eine erforderliche Signalbandbreite im Basisband und damit eine Abtastrate verwendeter Analog-Digital-Wandler sehr groß.
  • Aus der US 2013/0088380 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Entfernung und einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung bekannt, wobei zur Ermittlung der Entfernung und Relativgeschwindigkeit ein Multifrequenz-Verfahren angewendet wird, in welchem in jedem Impulsfolgeintervall eine Übertragungsfrequenz eines Radarsignals um eine Differenzfrequenz geändert wird.
  • Weiterhin ist aus der JP 2011 247 776 A ein Verfahren zur Bestimmung einer Entfernung eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung bekannt, wobei zur Ermittlung der Entfernung ein Multifrequenz-Verfahren angewendet wird. Hierbei wird abwechselnd ein Radarimpuls mit geringer Leistung zur Erfassung von Objekten in kleiner Entfernung und eine Radarimpuls mit hoher Leistung zur Erfassung von Objekten in großer Entfernung erzeugt und ausgesendet. Dabei wird für jeden Radarimpuls eine andere Übertragungsfrequenz eingestellt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Position eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung für ein Fahrzeug anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Position eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, wobei Radarsignale mit unterschiedlichen Wellenformen ausgesendet werden.
  • Erfindungsgemäß werden die ausgesendeten Radarsignale mittels einer Frequenzumtastung moduliert, wobei genau ein Abtastwert je Frequenzstufe gewählt wird und eine Signalbandbreite und/oder Signaldauer der ausgesendeten Radarsignale in Abhängigkeit von Fahrzeuginformationen und/oder Umgebungsinformationen an eine jeweilige Fahrsituation des Fahrzeugs angepasst wird.
  • Da somit innerhalb eines Sendezyklus mehrere Parameterkombinationen verwendet werden können, ist die Radarvorrichtung spezifisch an eine aktuelle Detektionsaufgabe anpassbar. Aufgrund der Verwendung der Frequenzumtastung können hohe Zwischenfrequenzen vermieden werden und es ist lediglich eine sehr geringe Abtastrate erforderlich, so dass die Objektdetektion auch in großer Entfernung sehr genau mit einer hohen Auflösung mittels einfacher Hardware durchführbar ist. Die Anpassung der Signalbandbreite und/oder Signaldauer der ausgesendeten Radarsignale an die jeweilige Fahrsituation des Fahrzeugs ermöglicht weiterhin eine situationsadaptive Wahl und Einstellung einer optimalen Wellenform für die aktuelle Detektionsaufgabe. Des Weiteren ermöglicht die flexible Einstellung der Wellenform eine Informationsübertragung mittels der Radarsignale. Das heißt, es ist zusätzlich eine Kommunikation über die Radarsignale möglich.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Ermittlung einer Entfernung eines Objekts von einer Radarvorrichtung nach dem Stand der Technik,
  • 2 schematisch eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels eines Frequenzumtastungsverfahrens nach dem Stand der Technik,
  • 3 schematisch eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4 schematisch eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 5 schematisch eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Ermittlung einer Entfernung eines Objekts von einer Radarvorrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei eine Frequenz f rampenförmiger Radarsignale S1 bis Sn in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt sind.
  • Aktuelle Radarvorrichtungen bestimmen eine Position und Geschwindigkeit eines Objekts durch Verwendung verschiedener Wellenformen. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass in einem Sendezyklus nur eine Parameterkombination verwendet wird. Somit ist die Radarvorrichtung nicht an eine aktuelle Detektionsaufgabe anpassbar.
  • Bei einer Anwendung eines dargestellten so genannten FMCW-Verfahrens (FMCW: frequency modulated continious wave) ergibt sich zusätzlich das Problem, dass bei zunehmender Bandbreite und Steilheit eines ausgesendeten Radarsignals S1 bis Sn eine notwendige Signalbandbreite im Basisband und damit eine Abtastrate von verwendeten Analog-Digital-Wandlern sehr groß werden muss, woraus sich hohe Materialkosten ergeben. Entsprechend ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen stets ein Kompromiss zwischen einer hohen Auflösung und einer hohen Reichweite der Radarvorrichtung erforderlich.
  • Zur Ermittlung einer Entfernung eines Objekts von der Radarvorrichtung werden im Rahmen des FMCW-Verfahrens die rampenförmigen Radarsignale S1 bis Sn in der dargestellten Weise in einer Demodulation DM demoduliert, wobei anhand einer zu der Entfernung des Objekts proportionalen Zwischenfrequenz fZF zwischen einem ausgesendeten Radarsignal TX und einem von dem Objekt reflektierten Radarsignal RX die Entfernung des Objekts zu der Radarvorrichtung ermittelt wird. Diese Auswertung wird insbesondere mittels einer schnellen Fourier-Transformation, auch Fast Fourier-Transformation genannt, durchgeführt.
  • Eine in einem solchen FMCW-Verfahren fest vorgegebene Wahl der Parameter verhindert eine Adaption der Radarvorrichtung an eine aktuell vorliegende Detektionsaufgabe.
  • 2 zeigt eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels eines Frequenzumtastungsverfahrens nach dem Stand der Technik.
  • Hierbei werden die Radarsignale S1 bis Sn in Sequenzen M von kurzen Frequenzstufen N ausgesendet, wobei zwischen den Frequenzstufen N ein Frequenzabstand fS ausgebildet ist und jede Frequenzstufe N eine Länge T1 aufweist. Die notwendige Länge T1 einer Frequenzstufe N ergibt sich dabei aus einer erwarteten Signallaufzeit und damit einer maximalen erwarteten Entfernung des Objekts. Der Frequenzabstand fS bestimmt zusammen mit der Anzahl an Frequenzstufen N eine Nutzbandbreite der Radarsignale S1 bis Sn, wobei die Anzahl an Frequenzstufen N pro Sequenz M einen Eindeutigkeitsbereich der Geschwindigkeitsmessung bestimmt.
  • Eine Sequenz M von mehreren Frequenzstufen N weist dabei eine Sequenzlänge T2 auf, wobei sich eine Gesamtlänge aus einem Produkt einer Anzahl der Sequenzen M und der Sequenzlänge T2 oder dem Produkt der Anzahl der Sequenzen M, der Anzahl der Frequenzstufen N und der Länge T1 der Frequenzstufen N ergibt. Das heißt, die Sequenzlänge T2 ergibt sich aus der Anzahl der einzelnen Frequenzstufe N und damit der gewünschten Auflösungsfähigkeit in Entfernung. Es können maximal N – 1 Objekte in der Entfernung getrennt werden. Eine Gesamtanzahl der Sequenzen M bestimmt die Gesamtlänge einer Aussendung der Radarsignale S1 bis Sn und damit die so genannte Dopplerauflösung oder Geschwindigkeitsauflösung. Hierbei können maximal M – 1 Objekte in ihrer Geschwindigkeit getrennt werden.
  • Je nach gewünschter Reichweite der Radarsignale S1 bis Sn beträgt die Länge T1 der Frequenzstufen N wenige μs.
  • Das vom Objekt reflektierte Radarsignal wird mit dem ausgesendeten Radarsignal S1 bis Sn herabgemischt und es wird eine Phase detektiert. In Frequenzrichtung ergibt sich eine Phasenänderung von Frequenzstufe N zu Frequenzstufe N und in zeitlicher Richtung ergibt sich zwischen Frequenzstufen N gleicher Frequenz f die Geschwindigkeit eines Objekts gemäß folgender Gleichungen.
  • Die Phasenänderung Δφ und die Entfernungsermittlung erfolgt für alle Frequenzstufen N innerhalb einer Sequenz M gemäß
    Figure DE102013021568A1_0002
    mit:
    • φn, φn+1
    = Empfangsphase des Objekts bei den Frequenzstufen n und n + 1,
    R
    = Entfernung des Objekts zur Radarvorrichtung,
    λn, λn+1
    = Wellenlänge der ausgesendeten Frequenz bei den Frequenzstufen n und n + 1,
    fn, fn+1
    = Frequenz der Frequenzstufen n und n + 1,
    c0
    = Lichtgeschwindigkeit,
    λΔ
    = Wellenlänge einer Differenzfrequenz aus fn und fn+1.
  • Für mehrere Frequenzstufen N resultieren die Phasenverschiebungen bzw. Phasenänderungen Δφ über alle Frequenzstufen N in einer Frequenz, welche beispielsweise mittels einer schnellen Fourier-Transformationen effizient bestimmt wird.
  • Die Auswertung der Phase und die Geschwindigkeitsermittlung erfolgt für alle Frequenzstufen N und Sequenzen M gemäß
    Figure DE102013021568A1_0003
    mit:
    • φm,n, φm,n
    = Empfangsphase des Objekts in Folge m bei der Frequenzstufe n,
    Rm, Rm+1
    = Entfernung des Objekts zur Radarvorrichtung bei den Folgen m und m + 1,
    λn
    = Wellenlänge der ausgesendeten Frequenz bei der Frequenzstufe n,
    ΔR
    = Änderung der Entfernung des Objekts zur Radarvorrichtung,
    v
    = Geschwindigkeit.
  • Für mehrere Frequenzstufen N resultieren die Phasenverschiebungen bzw. Phasenänderungen Δφ über alle Sequenzen M in einer Frequenz, welche beispielsweise mittels einer schnellen Fourier-Transformationen effizient bestimmt wird. In Kombination mit der schnellen Fourier-Transformation zur Entfernungsbestimmung kann die Verarbeitung durch eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation erfolgen.
  • In 3 ist eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
  • Zur Verbesserung der Entfernungsauflösung wird eine Vergrößerung der Bandbreite, d. h. eine Vergrößerung des Frequenzabstands fs1, fs2 durchgeführt. Dabei verringert sich gleichzeitig ein Eindeutigkeitsbereich der Messung. Im linken Teil der 3 ist die Aneinanderreihung zweier einzelner Sequenzen M dargestellt, im rechten Teil eine redundante Kombination zweier Sequenzen M dargestellt.
  • Das heißt, es wird eine Wellenform für die Radarsignale S1 bis Sn verwendet, welche mittels der Frequenzumtastung in unterschiedlich großen Frequenzschritten innerhalb eines Zyklus ausgeführt werden, so dass eine große Reichweite und ein großer Eindeutigkeitsbereich und somit gleichzeitig eine hohe Genauigkeit realisiert werden.
  • Ein Anwendungsbeispiel ist eine hochgenaue Lokalisierung von weit entfernten Objekten. Dabei kann durch eine Wellenform mit geringer Bandbreite und einem großen Eindeutigkeitsbereich zuerst die grobe Position des Objekts und anschließend mit einer Wellenform mit großer Bandbreite und geringen Eindeutigkeitsbereich die genauere Position des Objekts bestimmt werden. Durch Kombination der beiden Messungen in einem Messzyklus kann der Eindeutigkeitsbereich der Messung mit großer Bandbreite vergrößert und gleichzeitig die Messdauer minimal gehalten werden.
  • Ebenfalls kann durch Anwendung der kognitiven Signalverarbeitung die Senderausgangsleistung in Kombination mit der verwendeten Bandbreite immer optimal auf das zu erfassende Szenario angepasst werden, sodass der Eindeutigkeitsbereich der Wellenform bestmöglich ausgenutzt wird.
  • 4 zeigt eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Eindeutigkeitsbereich der Geschwindigkeitsmessung kann durch Verringerung der Sequenzlänge T2 verbessert werden. Dies beeinflusst jedoch die Entfernungsauflösung und die Entfernungsgenauigkeit. Dabei können gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel keine Objekte in der Entfernung getrennt werden Dies ist erst ab der Verwendung von mindestens drei Frequenzstufen N möglich.
  • In 5 ist eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsverarbeitung für ein Objekt mittels einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
  • Tritt ein Störsignal SS in einer Frequenzstufe N auf, wird durch Anpassung der Wellenform der Radarsignale S1 bis Sn eine Anpassung der Sequenz M erreicht, so dass der Störung ausgewichen wird. Das heißt, die Flexibilität der Wellenform wird dazu verwendet, Störsignalen SS im Spektrum auszuweichen, ohne die Detektionsfähigkeit der Radarvorrichtung zu beeinträchtigen.
  • Die Flexibilität der Wellenform lässt dabei folgende weitere Anpassungsmöglichkeiten zu. Durch Verringerung der Länge T1 kann eine verbesserte Geschwindigkeitsauflösung bei gleichzeitig guter Entfernungsauflösung erreicht werden. Da in realen Szenarien immer eine Vielzahl von Objekten vorhanden ist, kann durch reine Adaption der in zurückliegenden Messungen ausgesandten Wellenformen nicht immer die optimale Wellenform gewählt werden. Daher erfolgt zusätzlich eine Anpassung der Anzahl von Frequenzstufen N und/oder Sequenzen M an eine Umgebung des Fahrzeugs basierend auf aktuellen Detektionen durch die Radarvorrichtung und externe Informationen. Das heißt, es werden bzw. wird eine Signalbandbreite und/oder Signaldauer der ausgesendeten Radarsignale S1 bis Sn in Abhängigkeit von Fahrzeuginformationen und/oder Umgebungsinformationen an eine jeweilige Fahrsituation des Fahrzeugs angepasst. Dabei werden die Umgebungsinformationen mittels der Radarvorrichtung, zumindest einer Bilderfassungseinheit, aus einer digitalen Karte, einer fahrzeugeigenen Speichereinheit und/oder einer zentralen fahrzeugfremden Speichereinheit, beispielsweise einer so genannten Cloud, ermittelt. Das heißt, die ausgesendete Wellenform wird beispielsweise basierend auf in vorherigen Messzyklen detektierten Objekten und unter Einbezug von weiter zurück liegenden, ähnlichen Szenarien und gegebenenfalls lokalen oder externen Informationsquellen auf das aktuelle Szenario angepasst bzw. adaptiert. Beispielsweise kann die maximale Reichweite des Verfahrens angepasst werden, wenn ein Hindernis die Sichtweite der Radarvorrichtung beschränkt.
  • Auch ist eine Übertragung von Informationen an andere Sensoren und Erfassungseinheiten durch Definition von Sequenzen M mit Informationsgehalt, beispielsweise signalisiert durch eine Übertragung auf einer bekannten Kommunikationsfrequenz im Radarfrequenzbereich oder nach Einleitung durch eine bekannte Startfolge, möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • DM
      Demodulation
      f
      Frequenz
      fS, fS1, fS2
      Frequenzabstand
      fZF
      Zwischenfrequenz
      M
      Sequenz
      N
      Frequenzstufe
      RX
      reflektiertes Radarsignal
      S1 bis Sn
      Radarsignal
      SS
      Störsignal
      t
      Zeit
      T1
      Länge
      T2
      Sequenzlänge
      TX
      ausgesendetes Radarsignal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013/0088380 A1 [0003]
    • JP 2011247776 A [0004]

Claims (5)

  1. Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Position eines Objekts mittels einer Radarvorrichtung für ein Fahrzeug, wobei Radarsignale (S1 bis Sn) mit unterschiedlichen Wellenformen ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesendeten Radarsignale (S1 bis Sn) mittels einer Frequenzumtastung moduliert werden, wobei genau ein Abtastwert je Frequenzstufe (N) gewählt wird und eine Signalbandbreite und/oder Signaldauer der ausgesendeten Radarsignale (S1 bis Sn) in Abhängigkeit von Fahrzeuginformationen und/oder Umgebungsinformationen an eine jeweilige Fahrsituation des Fahrzeugs angepasst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzumtastung innerhalb eines Messzyklus in unterschiedlich großen Frequenzschritten durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsinformationen mittels der Radarvorrichtung, zumindest einer Bilderfassungseinheit, aus einer digitalen Karte, einer fahrzeugeigenen Speichereinheit und/oder einer zentralen fahrzeugfremden Speichereinheit ermittelt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Reichweite der Radarsignale (S1 bis Sn) in Abhängigkeit einer von einem Hindernis bestimmten Sichtweite der Radarvorrichtung variabel angepasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung von dem Objekt reflektierter Radarsignale mittels einer schnellen Fourier-Transformation durchgeführt wird.
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