DE102014223461A1

DE102014223461A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Dejustagewinkeln eines Radarsystems

Info

Publication number: DE102014223461A1
Application number: DE102014223461.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brosche
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von Dejustagewinkeln (Δφ, Δα) eines Radarsystems eines Fahrzeugs (1), aufweisend die Schritte: – Durchführen von zyklischen Messungen in einem definierten Erfassungsbereich, wobei: – pro Messzyklus (n) ein Erfassen von Standzielen (10) und ein Validieren einer definierten Anzahl an Standzielen (10) im Erfassungsbereich durchgeführt wird; wobei – beim Erfassen der Standziele (10) ein Ermitteln eines Azimutwinkels (φ) und eines Elevationswinkels (α) des Radarsystems zu jedem Standziel (10) und ein Ermitteln einer Radialkomponente einer Relativgeschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs (1) mit dem Radarsystem zu jedem Standziel (10) durchgeführt wird; wobei – eine Maximum-a-posteriori-Schätzung der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) unter Verwendung von vor der Schätzung bekannten Daten durchgeführt wird; wobei – ein Elevations-Dejustagewinkel (Δα) und ein Azimut-Dejustagewinkel (Δφ) gleichzeitig geschätzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Dejustagewinkeln eines Radarsystems. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ermitteln von Dejustagewinkeln eines Radarsystems.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden heutzutage häufig Radarsensoren eingesetzt, die das Verkehrsumfeld erfassen. In der Regel werden mit den Radarsensoren zyklische Messungen durchgeführt und Parameter zu Zielen im Detektionsbereich des Radarsensors geschätzt, z. B. eine radiale Zielentfernung r, eine Radialkomponente der Relativgeschwindigkeit v_r zu Zielen sowie Azimutwinkel φ und Elevationswinkel α. Die genannten Winkel werden im Allgemeinen auf die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs, vorzugsweise senkrecht zur Ausrichtung der Hinterachse des Fahrzeugs bezogen.
Bekannt ist, anhand von Relativgeschwindigkeiten einen einzelnen Dejustagewinkel eines Radarsystems zu ermitteln.
DE 199 37 723 C2 und DE 10 2008 054 579 A1 offenbaren Verfahren zum Ermitteln einer vertikalen Dejustage von Radarsensoren.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage eines Radarsystems bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Ermitteln von Dejustagewinkeln eines Radarsystems eines Fahrzeugs, aufweisend die Schritte:

– Durchführen von zyklischen Messungen in einem definierten Erfassungsbereich, wobei:
– pro Messzyklus ein Erfassen von Standzielen und ein Validieren einer definierten Anzahl an Standzielen im Erfassungsbereich durchgeführt wird; wobei
– beim Erfassen der Standziele ein Ermitteln eines Azimutwinkels und eines Elevationswinkels des Radarsystems zu jedem Standziel und ein Ermitteln einer Radialkomponente einer Relativgeschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs mit dem Radarsystem zu jedem Standziel durchgeführt wird; wobei
– eine Maximum-a-posteriori-Schätzung der Dejustagewinkel unter Verwendung von vor der Schätzung bekannten Daten durchgeführt wird; wobei
– ein Elevations-Dejustagewinkel und ein Azimut-Dejustagewinkel gleichzeitig geschätzt werden.

Auf diese Weise werden unbewegliche Standziele, die möglichst gut in einem Erfassungsbereich des Radarsystems verteilt sind, zu einer gleichzeitigen Schätzung der Dejustagewinkel in Azimut und Elevation verwendet. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine zweidimensionale Ermittlung (2D-Ermittlung) der beiden Dejustagewinkel durchgeführt, die die Tatsache ausnutzt, dass die gemessenen Radialkomponenten der Relativgeschwindigkeit von beiden Dejustagewinkeln abhängt.
Räumlich ausgedehnte Objekte können auch mehrere vom Radarsystem getrennt gemessene Reflexionszentren aufweisen, die zur begrifflichen Vereinfachung nachfolgend jedoch wie unterschiedliche Standziele behandelt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Ermitteln von Dejustagewinkeln eines Radarsystems eines Fahrzeugs aufweisend:

– eine Validierungseinrichtung zum Validieren einer definierten Anzahl von Standzielen in einem definierten Erfassungsbereich;
– eine Schätzeinrichtung zum gleichzeitigen Schätzen eines Elevations-Dejustagewinkels und eines Azimut-Dejustagewinkels; und
– eine Vorwisseneinrichtung, die an die Schätzeinrichtung zum Zweck des Schätzens der Dejustagewinkel vor der Schätzung bekannte Daten übermittelt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die vor der Schätzung bekannten Daten wenigstens eines aus Folgendem ist: Mittelwert der zu schätzenden Dejustagewinkel, Mittelwert von Zwischenparametern aus denen Dejustagewinkel berechnet werden können, Standardabweichung der zu schätzenden Dejustagewinkel, Standardabweichung von Zwischenparametern aus denen Dejustagewinkel berechnet werden können, bekannte technische Parameter des Radarsystems. Auf diese Weise wird bekanntes Vorwissen verwendet, um den Schätzprozess zu optimieren und schnellstmöglich ein Ergebnis für die beiden Dejustagewinkel zu erhalten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Schätzung der Dejustagewinkel ohne Verwendung der vor der Schätzung bekannten Daten durchgeführt wird. Dies resultiert vorteilhaft in einem vereinfachten rechnerischen Aufwand zur Schätzung der Dejustagewinkel.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass jeder der Dejustagewinkel jeweils separat ermittelt wird, wobei mittels einer Iteration jeweils beide Dejustagewinkel nacheinander geschätzt werden, wobei Iterationen für die Dejustagewinkel so lange durchgeführt werden, bis beide Dejustagewinkel genau genug geschätzt sind, wobei für einen der Dejustagewinkel ein definierter Startwert angenommen wird. In diesem Fall kann vorteilhaft eine voneinander entkoppelte Ermittlung der beiden Dejustagewinkel durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung keine Vorwisseneinrichtung aufweist. Dadurch kann das Ermitteln der Dejustagewinkel noch schneller und einfacher durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner eine Weiterverarbeitungseinrichtung zum Weiterverarbeiten der Dejustagewinkel aufweist. Dadurch können weitere mathematische Prozesse auf die ermittelten Dejustagewinkel angewendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle in der Beschreibung und in den Figuren offenbarten Merkmale den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen. Die Figuren dienen vor allem einer Erläuterung der erfindungswesentlichen Prinzipien.
In den Figuren zeigt:
1 ein Koordinatensystem, das für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann;
2 eine prinzipielle Darstellung einer Dejustage eines Radarsensors;
3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt ein Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen x, y und z, das für das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden kann. Die Figur zeigt ein unbewegliches Ziel („Standziel”) 10 zu einem definierten Zeitpunkt t_n in Bezug auf eine Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs (in Richtung des Geschwindigkeitsvektors v) entlang einer x-Achse des Koordinatensystems. Das Standziel 10 ist im Koordinatensystem unter einem Azimutwinkel φ und einem Elevationswinkel α lokalisierbar. Ein Geschwindigkeitsvektor v des Fahrzeugs repräsentiert eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
Erkennbar sind die Dejustagewinkel Δφ in Azimut und Δα in Elevation, die Fehlausrichtungen eines am Fahrzeug montierten und in Fahrtrichtung auszurichtenden Radarsensors (nicht dargestellt) repräsentieren. Aufgrund der Dejustagewinkel Δα, Δφ, die üblicherweise einen systematischen Fehler des Radarsystems darstellen, kann eine Ermittlung des Verkehrsumfelds des Fahrzeugs nachteilig nur ungenau durchgeführt werden, weil sich diese Dejustage des Radarsystems in allen Winkelmessungen des Radarsystems widerspiegelt. Die Dejustagewinkel können zum Beispiel aus einer Kollision des Fahrzeugs mit einem festen Hindernis resultieren, wobei als Folge der Kollision das Radarsystem des Fahrzeugs nicht mehr vorschriftsmäßig ausgerichtet ist.
2 zeigt ein beispielhaftes Szenario mit unbeweglichen Standzielen 10 (z. B. Leitplanken, Bäume, stehende Fahrzeuge, Verkehrsschilder, usw.) bei einer Fehlausrichtung des Radarsensors des Fahrzeugs 1 in Azimut. Ein erster Sensierstrahl 20 des Radarsystems ist dabei korrekt ausgerichtet, ein zweiter Sensierstrahl 21 des Radarsystems ist hingegen mit einem Fehlwinkel in Form eines Azimut-Dejustagewinkels Δφ behaftet. Zugleich kann auch eine Fehlausrichtung des Radarsensors in Elevation vorliegen (nicht dargestellt).
Während des Fahrens des Fahrzeugs 1 werden die Standziele 10 innerhalb eines vordefinierten Erfassungs- bzw. Detektionsbereichs (beispielsweise von ca. +60° bis ca. –60° sowohl in Elevation als auch in Azimut) ermittelt und mit einem cos des jeweiligen Winkels bewertet. Befindet sich das Standziel 10 direkt gegenüber in Bewegungsrichtung des Radarsensors, bedeutet dies die größtmögliche Radialkomponente der Relativgeschwindigkeit v_r zwischen dem Radarsystem und dem Standziel 10 (weil cos 0° = 1). Falls das Standziel 10 in einer Richtung quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 mehr oder weniger weit vom Radarsensor entfernt ist, hat es eine entsprechend geringere Relativgeschwindigkeit v_r zum Fahrzeug 1. Die Standziele 10 sollten deshalb innerhalb des definierten Erfassungsbereichs vorzugsweise möglichst gleichmäßig verteilt sein. Auf diese Weise können die Standziele 10 innerhalb des gesamten Erfassungsbereichs bestmöglich zu einer effizienten Schätzung der Dejustagewinkel beitragen.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, eine Schätzung der Dejustagewinkel Δα, Δφ ohne eine möglicherweise fehlerbehaftete Eigengeschwindigkeit v (z. B. aufgrund einer fehlerbehafteten Erfassung einer Raddrehzahlsensorik) des Fahrzeugs 1 durchzuführen. Die Eigengeschwindigkeit v des Fahrzeugs 1 kann zusätzlich anhand von Messdaten des Radarsystems mitgeschätzt werden. Die Eigengeschwindigkeit v ist dabei lediglich zu einer Klassifikation der gemessenen Standziele 10 als stehende Ziele und gegebenenfalls für eine Skalierung von vor der Schätzung bekannten Parametern („a-priori-Parameter”), nicht jedoch im weiteren Verlauf der erfindungsgemäßen Schätzung vorgesehen. Die Skalierung der vor der Messung bekannten Parameter kann auch anhand der geschätzten Eigengeschwindigkeit v_k erfolgen.
Messfehler der Eigengeschwindigkeit v des Fahrzeugs 1 wirken sich auf diese Weise vorteilhaft nur gering aus. Die Schätzung der Dejustagewinkel Δα, Δφ ist auch bei größeren Werten der Dejustagewinkel Δα, Δφ genau, da keine Näherungen verwendet werden. Es besteht keine direkte Abhängigkeit vom gegebenenfalls durch die Dejustage beeinträchtigten Antennendiagramm sowie von der Trajektorie des Fahrzeugs 1. Vorteilhaft ist die Schätzung der Dejustagewinkel Δα, Δφ grundsätzlich auch in Kurvenfahrten oder bei einer Steigung bzw. einem Gefälle der Fahrbahn möglich, falls geeignete Standziele 10 messbar sind.
Die ermittelten Dejustagewinkel Δα, Δφ können vorteilhaft zu einer Online-Kalibrierung des Radarsystems verwendet werden, wobei auf diese Weise ein Kalibrierungsaufwand für das Radarsystem am Bandende oder in einem Werkstattservice des Fahrzeugs 10 vermieden bzw. wenigstens minimiert werden kann. Dadurch lassen sich die Gesamtkosten für den Sensor des Radarsystems beträchtlich reduzieren.
3 zeigt in einem prinzipiellen Diagramm eine Vorrichtung 200 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. entsprechende Funktionsblöcke der Vorrichtung 200. Die einzelnen Blöcke können dabei z. B. in Hardware (z. B. als Mikrocontroller, programmierbare integrierte Schaltkreise der Digitaltechnik (FPGA), usw.) implementiert sein.
Ein zeitlicher Ablauf des Verfahrens ist durch einen Zeitstrahl t angedeutet. In einer Erfassungseinrichtung 100 werden insgesamt K Messungen in einzelnen Messzyklen n bis n + K – 1 durchgeführt. Bei der Messung k = 1, 2, ..., K werden je M_k Reflexionszentren der Standziele 10 erfasst und der jeweils zugehörige m-te Parametersatz, insbesondere: φ_m,k, α_m,k und v_r,m,k mit m = 1, 2, ..., M_k und gegebenenfalls weitere Parameter bestimmt. Anhand dieser Messwertparameter des n-ten Zyklus wird dann eine gleichzeitige Schätzung der beiden Dejustagewinkel Δα, Δφ oder nur eines der Dejustagewinkel Δα, Δφ durchgeführt. Die insgesamt K Messungen müssen zeitlich nicht unbedingt aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Es können z. B. auch Zeitintervalle auftreten, in denen keine verwertbaren Standziele 10 vorhanden sind oder aus Aufwandsgründen nicht ausgewertet werden sollen. Die zeitlichen Abstände zwischen den insgesamt K Messungen können, müssen jedoch nicht, äquidistant sein. Liegen nach einer einzelnen Messung ausreichend verwertbare Standziele 10 vor, dann kann auch K = 1 gelten.
Es werden also in einem vordefinierten Erfassungsbereich des Radarsensors unbewegliche Standziele 10 erfasst. Mittels einer Validierungseinrichtung 101 wird validiert, ob im Erfassungsbereich genügend verwertbare Erfassungen der Standziele 10 vorhanden waren und ob diese, hinsichtlich einer geforderten Schätzqualität der Dejustagewinkel, ausreichend gut im Erfassungsbereich verteilt sind. Sollen beide Dejustagewinkel Δα, Δφ geschätzt werden, müssen in den genutzten Messwerten sowohl unterschiedliche Azimut- als auch Elevationswinkel enthalten sein. Der zeitlich maximale bzw. minimale Abstand zwischen der ersten und K-ten Messung kann zudem limitiert werden, indem dieser in der Validierungseinrichtung 101 überprüft und ein geeignetes zeitliches Intervall mit für die Schätzung der Dejustagewinkel Δα, Δφ verwertbaren Messungen bestimmt wird. Ist das Validierungsergebnis der Validierungseinrichtung 101 negativ, können zum Beispiel weitere Messungen durchgeführt werden, bis eine positive Validierung erfolgt.
Falls genügend Standziele 10 vorhanden sind, liegt ein gültiger Messzyklus vor und es kann mit der erfindungsgemäßen Schätzung begonnen werden. Falls im Erfassungsbereich nicht genügend Standziele 10 vorhanden waren, werden mittels der Erfassungseinrichtung 100 weitere Standziele 10 erfasst.
Die von der Erfassungsrichtung 100 erfassten Werte (z. B. in Form von elektrischen Signalen eines A/D-Wandlers) werden einer Schätzeinrichtung 102 zugeführt. Der Schätzeinrichtung 102 werden ferner vor der Schätzung bekannte statistische Parameter („a priori Parameter”) der zu schätzenden Größen und von ausgewählten zu schätzenden Zwischengrößen zugeführt. Mittels der Schätzeinrichtung 102 wird nunmehr eine gleichzeitige Maximum-a-posteriori-Schätzung (MAP-Schätzung) der Dejustagewinkel Δα, Δφ vorgenommen und auf diese Weise eine 2D-Schätzung der Dejustagewinkel realisiert.
Eine Vorwisseneinrichtung 103, 104 ist dazu vorgesehen, die a-priori Parameter mittels eines weiteren Schätzvorgangs zu schätzen und der Schätzeinrichtung 102 zuzuführen. Dabei kann mittels eines Funktionsblocks 103 die eigentliche Schätzung der a-priori-Parameter durchgeführt werden, wohingegen mittels eines Funktionsblocks 104 eine Mittelwertbildung über eine definierte Anzahl von Zyklen der Schätzungen von Funktionsblock 103 durchgeführt wird.
Im Ergebnis wird mittels der Schätzeinrichtung 102 der Elevations-Dejustagewinkel Δα und der Azimut-Dejustagewinkel Δφ ermittelt und ausgegeben, wobei diese beiden Werte in einer nachgeschalteten Verarbeitungseinrichtung 105 für statistische Zwecke weiterverarbeitet werden können, beispielsweise zur Bildung eines Mittel-, Median-, oder Modalwerts, usw. Die ermittelten Werte des Elevations-Dejustagewinkels Δα und des Azimut-Dejustagewinkels Δφ können vorteilhaft zu einer Korrektur des Radarsystems verwendet werden.
Mittels einer Signalisierungseinrichtung 106, die beispielsweise als eine Anzeige oder ein Aktuator des Fahrzeugs 1 ausgebildet sein kann, können die ermittelten Werte der Dejustagewinkel weiterverwendet werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, einen Fahrer des Fahrzeugs 1 auf einen fälligen Werkstattbesuch hinzuweisen, weil das Radarsystem unzulässig große Dejustagewinkel aufweist. Auf diese Weise kann frühzeitig eine Neujustierung bzw. -kalibrierung des Radarsystems initiiert werden.
Die genannten a-priori-Parameter können vor der Schätzung bekannte statistische Parameter der zu schätzenden Dejustagewinkel sein, beispielsweise ein Mittelwert oder eine Standardabweichung der Dejustagewinkel. Ferner können die a priori Parameter auch bekannte Eigenschaften des gesamten Messsystems umfassen, beispielsweise ein Rauschen, und/oder eine Sende- bzw. Empfangsleistung des verwendeten Radarsystems, ein Rückstrahlquerschnitt eines Standziels 10, usw. Im Ergebnis können die a priori Parameter eine Art „System-Vorwissen” repräsentieren, das bereits vor der eigentlichen Schätzung der Dejustagewinkel bekannt ist und der Schätzeinrichtung 102 fest vorgegeben werden kann (nicht dargestellt). Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass in das Radarsystem das System-Vorwissen vor dem Beginn der eigentlichen erfindungsgemäßen Schätzung bereits fest einprogrammiert wird. Für die Verwendung des a-priori-Vorwissens sind also prinzipiell zwei Möglichkeiten vorgesehen. Einerseits kann es fest vorgegeben werden, aufgrund der Tatsache, dass es zuvor schon durch eine Messung einmal ermittelt worden ist. Alternativ ist es auch möglich, die a-priori-Parameter in einem zusätzlichen Zyklus mittels der Vorwisseneinrichtung 103, 104 mitzuschätzen.
Sind die a priori Parameter nicht bekannt oder sollen diese aus anderen Gründen (zum Beispiel wegen des damit verbundenen Ermittlungsaufwands) nicht verwendet werden, kann die Schätzung der Dejustagewinkel Δα, Δφ auch ohne die a-priori-Parameter durchgeführt werden kann, wie prinzipiell in 4 dargestellt ist.
4 zeigt denselben Ablauf des Verfahrens bzw. dieselbe Vorrichtung 200 von 3 mit dem Unterschied, dass nunmehr die Vorwisseneinrichtung 103, 104 fehlt. Im Ergebnis wird dadurch mittels der Schätzeinrichtung 102 statt der MAP-Schätzung eine vereinfachte MAP-Schätzung in Form einer sogenannten „Maximum-Likelihood-Schätzung” durchgeführt. Im Ergebnis ist dadurch vorteilhaft eine vereinfachte mathematische Ermittlung der Dejustagewinkel Δα, Δφ unterstützt.
Mittels der Verfahren bzw. Vorrichtungen von 3 und 4 kann vorteilhaft ein Echtzeit-Verfahren zur Ermittlung der Dejustagewinkel Δα, Δφ des Radarsystems bereitgestellt werden.
Zwischen der gemessenen radialen Relativgeschwindigkeit v_r zwischen dem Fahrzeug 1 und dem Standziel 10 und der tatsächlichen Eigengeschwindigkeit v des Fahrzeugs 1 besteht folgender mathematischer Zusammenhang: v_r = v·cos(φ + Δφ)·cos(α + Δα)
Der Azimut-Dejustagewinkel Δφ ergibt sich, wenn bei Einsetzen des gesuchten Schätzwertes für den Azimut-Dejustagewinkel Δφ die Kostenfunktion Λ(Δφ) (engl. cost function) gemäß folgender Gleichung (1) minimal wird:
mit:
und den Mittelwerten:
Für Δφ = Δφ ^ gilt: A_k = A ^_k und B_k = B ^_k
Verwendete Parameter für die Schätzung innerhalb eines Messzyklus n sind:

K: Anzahl von Messungen innerhalb des Messzyklus
k = 1 bis K: Nummer der Messung
M_k: Anzahl von gemessenen Standzielen 10 der k-ten Messung, die für die Dejustagewinkelschätzung verwendet werden
m = 0 bis M_k-1: Nummer des Standziels 10 für die k-te Messung
v_r,m,k: gemessene radiale Relativgeschwindigkeit für das m-te Standziel 10 der k-ten Messung
φ_m,k: gemessener Azimutwinkel (m-tes Standziel 10 der k-ten Messung)
α_m,k: gemessener Elevationswinkel (m-tes Standziel 10 der k-ten Messung)
Δφ: Azimut-Dejustagewinkel
Δφ ^: Schätzwert für Azimut-Dejustagewinkel
Δα: Elevations-Dejustagewinkel
Δα ^: Schätzwert für Elevations-Dejustagewinkel
v ^_k: Schätzwert für Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs 1 anhand der Messwerte der k-ten Messung
Λ(Δφ): Kostenfunktion über den Azimut-Dejustagewinkel Δφ
A ^_k; B ^_k: Schätzwerte für die Zwischengrößen A_k; B_k
den: Nenner (engl. denominator)
σ_m: Standardabweichung der Radialkomponente der Relativgeschwindigkeit des m-ten Ziels

Für die Berechnung der Kostenfunktion Λ werden folgende Zwischen- bzw. Mittelwerte verwendet: A_k; B_k; L₀; L_1...3,k; G_1...2,k; S_1...13,k
Die Mittelwerte S_1,k bis S_13,k können mit geringem technischem Aufwand, zum Beispiel mittels eines Tiefpassfilters oder eines CIC-Filters (engl. Cascaded-Integrator-Comb-Filter) erster Ordnung geschätzt werden. Diese Mittelwerte können zudem, hinsichtlich einer geeigneten numerischen Umsetzung, anstelle mit 1/M_k auch mit anderen Faktoren S_k skaliert werden. Die Ermittlung des Azimut-Dejustagewinkels Δφ kann mit einem geeigneten, aus der Fachliteratur bekannten Verfahren erfolgen, zum Beispiel mittels Newton, Gradient descent, Steepest descent, Nelder-Mead Simplex Methode.
Der Elevations-Dejustagewinkel Δα und die Fahrzeug-Eigengeschwindigkeiten werden wie folgt geschätzt:
Alternativ kann der Elevations-Dejustagewinkel Δα auch mittels folgender Beziehung gemittelt werden:
Die vor der Schätzung der Dejustagewinkel bekannten Mittelwerte υ₀, ξ₀ und Δφ₀ sowie die Standardabweichungen σ_υ, σ_ξ und der Parameter β werden anhand des System-Vorwissens initialisiert und im aktuellen Zyklus n zum Beispiel über eine Mittelwertbildung oder Tiefpassfilterung aus vorhergehenden Messzyklen n-N ... n – 1 bzw. mit aus der Fachliteratur bekannten Verfahren mittels der Vorwisseneinrichtung 103, 104 geschätzt, z. B. mit Hilfe des folgenden mathematischen Gleichungssystems (3):
A priori bekannte, d. h. vor der Schätzung der Dejustagewinkel im n-ten Zyklus bekannte Parameter sind beispielsweise:

σ_m: Standardabweichung der radialen Relativgeschwindigkeit des m-ten Standziels 10
A_0,k; B_0,k: Erwartungswerte für die Parameter A_k; B_k
σ_A,k; σ_B,k: Standardabweichung für die Parameter A_k; B_k
υ₀; ξ₀: auf v_k normierte Parameter A_k; B_k
σ_υ; σ_ξ: auf v_k normierte Standardabweichungen σ_A,k; σ_B,k

Wenn a priori Parameter aus vorherigen Zyklen geschätzt werden sollen:

υ 〈n〉 / 0; ξ 〈n〉 / 0; Δϕ ^^〈n〉; σ_υ ^〈n〉; σ_ξ ^〈n〉: entsprechende Parameter des n-ten Zyklus

Im aktuellen Zyklus werden für nachfolgende Zyklen die Parameter υ₀; ξ₀ anhand der Parameter A_0,k; B_0,k und der MAP-Schätzungen der Eigengeschwindigkeiten v_k des Fahrzeugs 1 wie folgt berechnet:
σ_υ und σ_ξ sind die entsprechenden Standardabweichungen. Alternativ kann auch Δα₀ als a-priori-Parameter verwendet werden, mit der Standardabweichung σ_α: Δα₀ = arg(ξ₀ + jυ₀)
In Hauptstrahlrichtung α_m,k = 0 des Radarsensors vereinfachen sich die obigen Mittelwerte. Nicht aufgeführte Mittelwerte sind Null, d. h. dass in diesem Fall nur noch folgende fünf Mittelwerte zu berechnen sind:
bzw. für φ_m,k = 0:
Falls nur der Elevations-Dejustagewinkel Δα ermittelt werden muss, d. h. dass der Azimut-Dejustagewinkel Δφ bekannt oder Null ist (oder umgekehrt), entfällt die Minimierung der Kostenfunktion A gemäß Gleichung (1). Der Azimut-Dejustagewinkel Δα kann dann direkt aus der Gleichung (2) berechnet werden, mit den Zwischenparametern A_k, B_k und den weiteren Parametern entsprechend Gleichung (1):
Auf diese Weise kann der Elevations-Dejustagewinkel Δα in einer geschlossenen Form ermittelt werden, wobei die Minimierung der Kostenfunktion nicht erforderlich ist.
Für den Fall, dass kein Vorwissen verwendet wird, d. h., dass σ_υ und σ_ξ gegen Unendlich gehen und β = 0 ist, bzw. die a-priori-Parameter unbekannt sind, ergibt sich ein Ablauf nach 4, der mit folgendem Gleichungssystem (5) beschrieben werden kann:
mit:
Erkennbar ist, dass hier die Kostenfunktion Λ(Δφ) gegenüber der Kostenfunktion aus Gleichung (1) vereinfacht ist.
Die Standardabweichungen σ_m können beispielsweise anhand einer Signalstärke der von den Standzielen 10 reflektierten Signale ermittelt werden. Sind die Standardabweichungen σ_m der radialen Relativgeschwindigkeiten des m-ten Standziels 10 nicht bekannt, dann gilt z. B.: σ_m = 1. In Hauptstrahlrichtung (α_m,k = 0 oder φ_m,k = 0) sind wiederum nur fünf Mittelwerte zu berechnen, d. h. ungleich Null.
Grundsätzlich können bei allen beschriebenen Ansätzen der Elevations-Dejustagewinkel Δα und der Azimut-Dejustagewinkel Δφ aufgrund der vorhandenen Symmetrie gegeneinander ausgetauscht werden, d. h. es kann auch über den Elevations-Dejustagewinkel Δα gesucht bzw. Λ(Δα) minimiert werden. Die Winkel α und φ müssen dann ebenfalls vertauscht werden. Der Azimut-Dejustagewinkel Δφ lässt sich dann mit Gleichung (2) aus A_k und B_k berechnen.
Die gewünschte Abdeckung der Winkelbereiche mit Messwerten unterschiedlicher Winkel kann in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens für Elevations- und Azimut-Dejustagewinkel jeweils unabhängig voneinander erfolgen. Dadurch ist für jeden Winkel jeweils eine eigene Rechnung erforderlich, die jeweils vereinfacht ist. Voraussetzung hierfür ist, dass beide Dejustagewinkel Δα, Δφ nicht bekannt sein dürfen. Die oben erläuterte Minimierung der Kostenfunktion wird in diesem Fall durch einen Iterationsprozess ersetzt.
Auf iterative Weise kann dadurch einer der genannten Dejustagewinkel Δα, Δφ aus dem jeweils anderen errechnet werden. Dadurch ist es einfacher, mögliche Messdaten mit den gewünschten Eigenschaften bereitzustellen. Die Adaptionsgeschwindigkeit kann für beide Dejustagewinkel unterschiedlich gewählt werden. Zusätzlich zur hier vorgeschlagenen Iteration ist keine weitere Minimierung erforderlich. Die Iteration liefert im Allgemeinen das Ergebnis in wenigen, z. B. ein bis drei Iterationszyklen für die Aktualisierung der Dejustagewinkel. Verschiedene, auch hier nicht genannte, Ansätze zur Dejustagewinkelbestimmung können mit dem vorgeschlagenen Verfahren iterativ kombiniert werden. Im Ergebnis ist es auf diese Weise also einfacher, genügend Standziele 10 zu finden, die den definierten Erfassungsbereich abdecken.
Vorteilhaft kann in diesem Fall eine Datenerfassung in Azimut und in Elevation getrennt werden. Dabei kann es zum Beispiel vorkommen, dass in Elevation längere Zeit benötigt wird, um genügend verwertbare Standziele 10 zu bekommen, und umgekehrt. Die Erfassungshorizonte für Elevation und Azimut können dabei auch unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass mehr Standziele 10 vorhanden sind, die unterschiedliche Azimutwinkel besitzen oder diese besser als in Elevation verteilt sind.
Mit Bezugnahme auf die Vorrichtung 200 von 3 bedeutet dies, dass mittels der Schätzeinrichtung 102 eine iterative Ermittlung der beiden Dejustagewinkel Δα, Δφ getrennt voneinander durchgeführt wird. Dies wird solange durchgeführt, bis ein Abbruchkriterium erreicht worden ist, beispielsweise bis die beiden Dejustagewinkel Δα, Δφ mit ausreichender Genauigkeit ermittelt worden sind.
Bei der ersten Iteration ist es dabei erforderlich, einen Startwert für einen der Dejustagewinkel Δα, Δφ vorzugeben, wobei sich aufgrund dieses Startwerts die beiden Dejustagewinkel im Laufe der weiteren Iterationen an das richtige Ergebnis mehr oder weniger rasch annähern. Die Annäherung wird dabei umso rascher erfolgen, je besser der Startwert gewählt wurde.
Vorteilhaft können auf diese Weise für die Schätzung der beiden Dejustagewinkel jeweils andere Messwerte herangezogen werden. Dadurch können auch Zeiten, in denen die Messungen für die Dejustagewinkel durchgeführt werden, für den Azimut-Dejustagewinkel Δφ und den Elevations- Dejustagewinkel Δα unterschiedlich sein. Im Ergebnis kann dadurch die Vorrichtung 200 zwei voneinander getrennte Erfassungseinrichtungen 100 aufweisen, wobei eine erste Erfassungseinrichtung 100 für die Ermittlung von Messwerten von Standzielen 10 für den Azimut-Dejustagewinkel Δφ und eine zweite Erfassungseinrichtung 100 für die Ermittlung von Messwerten von Standzielen 10 für den Elevations-Dejustagewinkel Δα vorgesehen ist (nicht dargestellt). Für den Fall, dass der Startwert eines der Dejustagewinkel Δα, Δφ sehr nahe am tatsächlichen Wert liegt, kann auf diese Weise ein Rechenaufwand für die Ermittlung beider Dejustagewinkel Δα, Δφ vorteilhaft sehr gering gehalten werden.
Anstelle der für die 2D-Schätzung vorgeschlagenen Parameterbestimmung (siehe oben) mittels Minimierung einer Kostenfunktion über einen der beiden gesuchten Dejustagewinkel und einer nachfolgenden Berechnung des jeweils anderen Dejustagewinkels wird in dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine quasi gleichzeitige iterative Schätzung der beiden Dejustagewinkel vorgeschlagen.
Dabei werden maximal N_I Iterationsschritte mit Hilfe des folgenden Gleichungssystems (6) durchgeführt:
Die i + 1-te Iteration wird anhand der Gleichung (2) und die Größen A_k und B_k werden anhand Gleichung (1) in Abhängigkeit vom Azimut-Dejustagewinkel Δφ der i-ten Iteration und dem Elevations-Dejustagewinkel Δα der i + 1-ten Iteration (bzw. umgekehrt) berechnet.
Die erläuterte Vereinfachung für eine Maximum-Likelihood-Schätzung ohne Kenntnis der a-priori-Parameter und die Schätzung der Fahrzeug-Eigengeschwindigkeit v sind hier ebenfalls in gleicher Weise möglich. Es wird dabei jeweils pro Iterations-Teilschritt nur einer der Dejustagewinkel geschätzt, wobei davon ausgegangen wird, dass der jeweils andere Dejustagewinkel bekannt ist. Dadurch werden zwar Fehler gemacht, aber mittels eines iterativen Herangehens wird jeweils der eine Dejustagewinkel aus dem anderen ausgerechnet, wodurch im Ergebnis beide Dejustagewinkel von Iterationsschritt zu Iterationsschritt genauer ermittelt werden. Die Iterationen werden beendet, wenn die beiden Dejustagewinkel genau genug geschätzt sind.
Die Initialisierung der Dejustagewinkel zu Beginn der Iteration erfolgt mit dem letzten bekannten Wert oder z. B. 0°. Die Iteration kann in Abhängigkeit von einer Abbruchbedingung vor Erreichen der maximalen Anzahl von Iterationen N_I beendet werden. Eine mögliche Abbruchbedingung ist, dass die Änderung der geschätzten Dejustagewinkel unter einem jeweils definierten Schwellwert liegt, was sich mit der folgenden mathematischen Beziehung darstellen lässt: |Δα ^^〈i+1〉 – Δα ^^〈i〉|< ε_α ∧|Δα ^^〈i+1〉 – Δα ^^〈i〉| < ε_φ
Eine weitere, mit der vorherigen kombinierbare Bedingung verwendet die Fehlermaße: |q 〈i+1〉 / α – q 〈i〉 / α|< ε_α ∧|q 〈i+1〉 / φ – q 〈i〉 / φ| < ε_φ mit zum Beispiel:
mit:

q_α: Wert der Kostenfunktion des Elevationswinkels α
q_φ: Wert der Kostenfunktion des Azimutwinkels φ
i: Nummer der Iteration

In Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass von einem Iterationsschritt zum nächsten Iterationsschritt zur Minimierung der beiden beschriebenen Kostenfunktionen die Änderung so gering wird, dass die Iteration abgebrochen werden kann, weil ein Abbruchkriterium erreicht worden ist.
Die für die Berechnung der Parameter C_k und D_k zugrunde liegenden Gleichungen sind mit denen zur Berechnung der Parameter A_k und B_k identisch, mit dem Unterschied, dass die Winkel φ und α bzw. Δφ und Δα jeweils miteinander vertauscht sind. Nachfolgend sind die entsprechenden Gleichungen mit den vertauschten Parametern zur Veranschaulichung noch einmal aufgeführt:
mit den Mittelwerten mit vertauschten Winkeln:
Die dem entsprechenden Dejustagewinkel jeweils zugeordneten a-priori-Parameter müssen für den MAP-Ansatz ebenfalls geschätzt werden.
Eine der beiden Berechnungen im Gleichungssystem (6) kann auch mit einem alternativen Verfahren ersetzt werden, das den jeweiligen Dejustagewinkel unter Kenntnis des jeweils anderen Dejustagewinkels und weiterer Messwerte schätzt, z. B.: Δα = f(Δφ, ...).
Weiterhin kann zunächst eine Einteilung des Detektionsbereichs in verschiedene 2D- oder 1D-Winkelbereiche durchgeführt und in einem zweiten Schritt für jeden Winkelbereich eine separate Schätzung der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) entsprechend der bereits beschriebenen Verfahren vorgenommen werden. Dadurch können zusätzlich winkelabhängige Dejustagefehler des Systems abgebildet werden.
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit denen Dejustagewinkel eines Radarsystems eines fahrenden Fahrzeugs verbessert ermittelbar sind. Mit vor der Schätzung bekanntem Vorwissen, welches aus den Standzielen bzw. aus dem vollständigen Messsystem abgeleitet wird, kann vorteilhat eine gleichzeitige Schätzung der beiden Dejustagewinkel durchgeführt werden.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt.
Der Fachmann kann somit auch vorgehend nicht offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19937723 C2 [0004]
DE 102008054579 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Dejustagewinkeln (Δφ, Δα) eines Radarsystems eines Fahrzeugs (1), aufweisend die Schritte: – Durchführen von zyklischen Messungen in einem definierten Erfassungsbereich, wobei: – pro Messzyklus (n) ein Erfassen von Standzielen (10) und ein Validieren einer definierten Anzahl an Standzielen (10) im Erfassungsbereich durchgeführt wird; wobei – beim Erfassen der Standziele (10) ein Ermitteln eines Azimutwinkels (φ) und eines Elevationswinkels (α) des Radarsystems zu jedem Standziel (10) und ein Ermitteln einer Radialkomponente einer Relativgeschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs (1) mit dem Radarsystem zu jedem Standziel (10) durchgeführt wird; wobei – eine Maximum-a-posteriori-Schätzung der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) unter Verwendung von vor der Schätzung bekannten Daten durchgeführt wird; wobei – ein Elevations-Dejustagewinkel (Δα) und ein Azimut-Dejustagewinkel (Δφ) gleichzeitig geschätzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vor der Schätzung bekannten Daten wenigstens eines aus Folgendem ist: Mittelwert der zu schätzenden Dejustagewinkel (Δα, Δφ); Mittelwert von Zwischenparametern (A, B, υ, ξ), aus denen die Dejustagewinkel berechnet werden können; Standardabweichung der zu schätzenden Dejustagewinkel (Δα, Δφ); Standardabweichung der Zwischenparameter (A, B, υ, ξ), aus denen die Dejustagewinkel (Δα, Δφ) berechnet werden können; bekannte technische Parameter des Radarsystems.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Azimut-Dejustagewinkel (Δφ) und der Elevations-Dejustagewinkel (Δα) und die Eigengeschwindigkeit (v) mittels folgender Gleichungen geschätzt werden:
mit:
und den Mittelwerten:
mit den Parametern: K Anzahl von Messungen innerhalb des Messzyklus k Nummer der Messung M_k Anzahl von gemessenen Standzielen der k-ten Messung, die für die Dejustagewinkelschätzung verwendet werden m Nummer des Standziels für die k-te Messung φ_m,k gemessener Azimutwinkel α_m,k gemessener Elevationswinkel Δφ Azimut-Dejustagewinkel Δφ ^ Schätzwert für Azimut-Dejustagewinkel Δα Elevations-Dejustagewinkel Δα ^ Schätzwert für Elevations-Dejustagewinkel v ^_k Schätzwert für Fahrzeug-Eigengeschwindigkeit anhand der Messwerte der k-ten Messung v ^ Schätzwert für Fahrzeug-Eigengeschwindigkeit über K Messungen Λ(Δφ) Kostenfunktion über den Azimut-Dejustagewinkel Δφ A ^_k; B ^_k Schätzwerte für die Zwischengrößen A_k; B_k den Nenner σ_m Standardabweichung der radialen Relativgeschwindigkeit des m-ten Ziels A_k; B_k; L₀; L_1...3,k; G_1...2,k; S_1...13,k Zwischengrößen für die Berechnung der Kostenfunktion
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Falle, dass einer der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) bekannt oder Null ist, der jeweils andere Dejustagewinkel (Δα, Δφ) gemäß einer der folgenden Gleichungen geschätzt wird:
mit den Zwischenparametern und Mittelwerten aus Anspruch 3, oder
mit:
und mit den Mittelwerten mit vertauschten Winkeln:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schätzung der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) ohne Verwendung der vor der Schätzung bekannten Daten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die weiteren Zwischenparameter (G_1,k; G_2,k; L_1,k; L_2,k; L_3,k) nach Anspruch 3 ermittelt werden, wobei die Dejustagewinkel (Δα, Δφ) gemäß folgender Gleichung geschätzt werden:
v_r,m,k gemessene radiale Relativgeschwindigkeit für das m-te Standziel der k-ten Messung
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) innerhalb eines Iterationsschritts jeweils separat ermittelt wird, wobei mittels einer Iteration jeweils beide Dejustagewinkel (Δα, Δφ) nacheinander geschätzt werden, wobei Iterationen für die Dejustagewinkel (Δα, Δφ) so lange durchgeführt werden, bis beide Dejustagewinkel (Δα, Δφ) genau genug geschätzt sind, wobei für einen der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) ein definierter Startwert angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Iterieren der beiden Dejustagewinkel (Δα, Δφ) gemäß folgender Gleichungen solange durchgeführt wird, bis ein definiertes Abbruchkriterium erreicht worden ist:
Vorrichtung (200) zum Ermitteln von Dejustagewinkeln (Δα, Δφ) eines Radarsystems eines Fahrzeugs (1) aufweisend: – eine Validierungseinrichtung (101) zum Validieren einer definierten Anzahl von Standzielen (10) in einem definierten Erfassungsbereich; – eine Schätzeinrichtung (102) zum gleichzeitigen Schätzen eines Elevations-Dejustagewinkels (Δα) und eines Azimut-Dejustagwinkels (Δφ); und – eine Vorwisseneinrichtung (103, 104), die an die Schätzeinrichtung (102) zum Zweck des Schätzens der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) vor der Schätzung bekannte Daten übermittelt.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung (200) keine Vorwisseneinrichtung (103, 104) aufweist.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 9 oder 10, ferner aufweisend eine Weiterverarbeitungseinrichtung (105) zum Weiterverarbeiten der Dejustagewinkel (Δα, Δφ).
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei mittels der Vorrichtung (200) ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführbar ist.
Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei vor der Schätzung der Dejustagewinkel (Δα, Δφ) mittels der Vorwisseneinrichtung (103, 104) eine Schätzung von Daten durchführbar ist.