DE102015116434A1 - Verfahren zur Schätzung der Eigengeschwindigkeit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung der Eigengeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs mit einem Radarsensor zur Überwachung der Umgebung des Kraftfahrzeugs, wobei ein Fehlerfaktor einer Geschwindigkeitsmessung auf Basis einer Beobachtung stehender Ziele, insbesondere einer Randbebauung, durchgeführt wird, wobei eine Randbebauungsschätzung vorgenommen wird mit einer Abstandsschätzung des Fahrzeugs von der Randbebauung, woraus ein Winkelmessfehler der Bestimmung des Sichtwinkels eines stehenden Ziels abgeschätzt wird, woraus ein Fehler der Geschwindigkeit abgeschätzt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung der Eigengeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zum Betreiben eines Radarsensors eines Kraftfahrzeugs.
  • Stand der Technik
  • In Kraftfahrzeugen sind immer häufiger Radarsensoren eingesetzt, um eine Umfeldüberwachung um das Kraftfahrzeug vornehmen zu können. Dadurch kann die aktuelle Verkehrssituation und das Verhalten anderer Verkehrsteilnehmer besser überwacht bzw. eingeschätzt werden, so dass im Bedarfsfall gegebenenfalls Maßnahmen zum Schutz des Fahrzeugs und der Insassen eingeleitet werden können.
  • Derzeit werden Radarsensoren beispielsweise im 77 GHz-Bereich verwendet, welche mit Hilfe von schnell aufeinanderfolgenden Rampen von ausgesendeten Radarsignalen, welche auch als sogenannte „fast chirps” bekannt sind, die Zielparameter von detektierten Objekten bestimmen. Diese Zielparameter sind im Wesentlichen die Relativgeschwindigkeit, der Abstand, der Azimutwinkel und der Elevationswinkel von detektierten Objekten. Die Liste der Zielparameter des detektierten Objekts wird als sogenannte Zielliste einem sich an die Detektion anschließenden Zielverfolgungsverfahren, auch Trackingverfahren genannt, übergeben. Aus diesen Zielverfolgungsverfahren können dann Informationen über das Ziel ermittelt werden, die für automotive Assistenzanwendungen, wie Kreuzungsassistent, Spurwechselassistent, Rear-Traffic Alert usw. verwendbar sind, um beispielswiese eine Objekt-Validierung und/oder eine Auswahl eines relevanten Objekts vorzunehmen.
  • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schätzung der Eigengeschwindigkeit zu schaffen, mittels welchem eine genauere Schätzung der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs möglich ist, als es das Kraftfahrzeug üblicherweise selbst vornimmt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung der Eigengeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs mit einem Radarsensor zur Überwachung der Umgebung des Kraftfahrzeugs, wobei ein Fehlerfaktor einer Geschwindigkeitsmessung auf Basis einer Beobachtung stehender Ziele, insbesondere einer Randbebauung, durchgeführt wird, wobei eine Randbebauungsschätzung vorgenommen wird mit einer Abstandsschätzung des Fahrzeugs von der Randbebauung, woraus ein Winkelmessfehler der Bestimmung des Sichtwinkels eines stehenden Ziels abgeschätzt wird, woraus ein Fehler der Geschwindigkeit abgeschätzt wird. Dadurch können Geschwindigkeiten deutlich besser abgeschätzt werden als es das Fahrzeug mit seiner Geschwindigkeitsmessvorrichtung, auch Tachometer genannt, vornimmt, woraus sich deutlich genauere Positionsmessungen zu stehenden Zielen, wie beispielsweise einer Randbebauung, vornehmen lassen.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rohziele der Randbebauung klassifiziert und/oder geclustert werden. Dadurch lassen sich gegebenenfalls bessere Ergebnisse erzielen, weil verschiedene Ziele der Randbebauung mit ihren Eigenschaften zusammengefasst werden können.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Abstandsschätzung den lateralen Abstand des Fahrzeugs von der rechten und/oder linken Randbebauung abschätzt, wobei insbesondere der Abstand der Mitte des Fahrzeugs von der rechten und/oder linken Randbebauung abgeschätzt wird oder der Abstand von der rechten und/oder linken Randbebauung zum Sensormittelpunkt abgeschätzt wird. So kann der Abstand zu beiden Fahrzeugseiten genutzt werden, um ein gutes Ergebnis zu erzielen.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn eine zeitliche Mittelung der Ergebnisse der Randbebauungsschätzung vorgenommen wird. Dadurch lassen sich gegebenenfalls noch einmal Verbesserungen des Ergebnisses erzielen, weil dadurch aufgrund der Mittelwertbildung herausfallende Extremwerte nicht so stark ins Gewicht fallen.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sichtwinkel α bestimmt wird zu: α = arcsin( y / R) mit y = dem lateralen Abstand zur Randbebauung und R = dem radialen Abstand zum Ziel.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn der geschätzte Sichtwinkel bestimmt wird zu:
    Figure DE102015116434A1_0002
    mit y = dem lateralen Abstand zur Randbebauung und R dem radialen Abstand zum Ziel.
  • Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn der Schätzwert der Eigengeschwindigkeit ermittelt wird zum Erwartungswert E:
    Figure DE102015116434A1_0003
    aus einer Mehrzahl von Geschwindigkeitsschätzwerten oder von Geschwindigkeitsmesswerten dividiert durch den Cosinus des geschätzten Sichtwinkels.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Korrekturfaktor bestimmt wird aus dem Verhältnis des Schätzwertes der Eigengeschwindigkeit zu der von dem Fahrzeug gemessenen Geschwindigkeit.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
  • 1 ein Diagramm zur Darstellung von Rampen als ausgesendete Radarsignale,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Radarsensors,
  • 3 eine Darstellung eines Kraftfahrzeugs in einer Verkehrssituation mit einem stationären Ziel,
  • 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Einflusses des Fehlers in der Eigengeschwindigkeitsschätzung auf die Genauigkeit der Winkelbestimmung,
  • 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Randbebauungsschätzung,
  • 6 ein Diagramm zur Darstellung des Messfehlers ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 7 ein Diagramm zur Darstellung des Messfehlers bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 8 ein Diagramm zur Darstellung eines Korrekturfaktors als Funktion der Geschwindigkeit.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die 1 zeigt in einem Diagramm eine Kennlinie 1 von schnellen Rampen 2 von ausgesendeten Radarsignalen, die als Sendeschema zur Bestimmung der Zielparameter eines Objekts ausgesendet werden. Dabei wird von T = 0 bis zum Zeitpunkt T1, also über die Zeitdauer der Länge T1, eine Anzahl von N Rampen ausgesendet, die im Wesentlichen alle gleich ausgebildet sind. Der insbesondere im 77 GHz-Bereich arbeitende Radarsensor verwendet das Konzept der schnell aufeinanderfolgenden Rampen. Bei diesem Verfahren werden innerhalb eines Zyklus der Dauer T1 N Frequenzrampen der Dauer T1/N hintereinander ausgesendet, siehe 1.
  • Die aktuelle Sendefrequenz der Frequenzrampen wird dabei innerhalb der Übertragungsbandbreite B linear verändert, entsprechend einer linearen Frequenzmodulation. Die Verarbeitung der gleichzeitig in der Zeit empfangenen Daten erfolgt anschließend in der Zeitspanne von T1 bis T2, sodass der gesamte Messzyklus einer Dauer von T2 entspricht.
  • Die 2 zeigt schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Radarsensors 10. Der Radarsensor 10 verfügt über zwei Sendeantennen Tx, 11 und vier Empfangsantennen Rx, 12. Die Empfangsantennen 12 sind dabei im Wesentlichen äquidistant im Abstand dR in x-Richtung angeordnet. Die Sendeantennen 11 besitzen sowohl einen Abstand dTx in x-Richtung als auch einen Abstand dTy in y-Richtung zueinander und arbeiten im Zeitmultiplex, also mit einem abwechselnden, zeitversetzten Senden des gleichen Sendesignals. Das reflektierte Signal wird in den Empfängern 12 zunächst mit dem Sendesignal in das Basisband herunter gemischt und abgetastet, und liegt zum Zeitpunkt T1 gespeichert in einer M×N-Matrix vor mit M = den Abtastwerten pro Rampe und mit N Rampen.
  • Anschließend erfolgt dann eine Transformation des derart gespeicherten 2D-Basisbandsignals in den 2D-Frequenzbereich. Das resultierende Signal im Frequenzbereich stellt eine Überlagerung von Reflektionen von relevanten Zielen und Reflektionen von unerwünschten Zielen dar, welche auch in der Radartechnik als Clutter, also als Störechos bedingt durch Reflexionen am Boden, Randbebauung und durch Regen, bezeichnet werden.
  • Nach der Detektion und Auswertung des reflektierten Sendesignals ergibt sich für ein relevantes Ziel ein Signal bestehend aus zwei Basisfrequenzen, nämlich der Frequenz f1 in der ersten Dimension und der Frequenz f2 in der zweiten Dimension. Die Frequenz f1 ist dabei im Wesentlichen ausschließlich abhängig von dem Abstand R des Zieles von dem Radarsensor und die Frequenz f2 ist im Wesentlichen ausschließlich abhängig von der Relativgeschwindigkeit v des Ziels zum Radarsensor.
  • Dazu wird mittels der Differenzphasen zwischen den vier Empfangsantennen an der Stelle des auszuwertenden Frequenz-Tupels die Laufzeitdifferenz des reflektierten Signals und somit der Azimutwinkel bestimmt. Die Phasendifferenz zwischen den Sendeantennen ermöglicht aufgrund der räumlich versetzten Anordnung, siehe 2, darüber hinaus die Messung des Elevationswinkels.
  • Die so ermittelten Rohzielparameter bilden gegebenenfalls zusammen mit Zusatzinformationen, wie beispielsweise Signalpegel und Zuverlässigkeit der generierten Werte, ein sogenanntes Rohziel, aus dem in einer weiteren Verarbeitungsstufe mittels Verfolgungs-Algorithmen Objekte gebildet werden können.
  • Insbesondere für radarbasierte Fahrerassistenzsysteme ist eine genaue Sichtwinkelbestimmung essentiell, um eine hinreichend genaue Positionsbestimmung von Objekten in großer Entfernung zu ermöglichen.
  • Ein Spurwechselassistent basiert beispielsweise auf dem Nachverfolgen, auch Tracking genannt, von Objekten, die in einer Entfernung von etwa 70 m valide erzeugt bzw. identifiziert werden müssen, um eine rechtzeitige Warnung des Fahrers zu erreichen. Da es sich hierbei um Objekte der ersten Nachbarspur handelt, ist somit eine genaue Winkelbestimmung in kleinen Winkelbereichen von etwa bis zu ±15° erforderlich.
  • Die Messung des Sichtwinkels wird darüber hinaus jedoch durch verschiedene systematische Störeinflüsse negativ beeinflusst. Einerseits führen Toleranzen im Anbau der Sensoren zu einer Verstellung und dadurch zu einem globalen Fehler in der Winkelmessung, welcher als Verstellwinkel oder globaler Offset bezeichnet wird.
  • Weiterhin entstehen durch den Stoßfänger und andere Bauteile aufgrund von Reflexionen, Beugung, Brechung und Mehrwegeausbreitungen der Signale systematische Messfehler, die sich abhängig vom Einfallswinkel unterscheiden. Diese werden im Folgenden als lokale Verzerrungen bezeichnet.
  • Winkelmessfehler sind, wie eingangs erwähnt, besonders kritisch bei Zielen in großer Entfernung, da Winkelfehler dort zu großen Positionsfehlern führen. Daher ist es wichtig, um eine zuverlässige Funktionsweise zu gewährleisten, insbesondere für die Anwendungen Spurwechselassistent und CTA, auch Cross Traffic Alert genannt, dass eine Korrektur der gemessenen Sichtwinkel vorgenommen wird.
  • Verschiedene Algorithmen in der Radarsignalverarbeitung profitieren dabei von einer sehr genauen Bestimmung, wie Schätzung, der Eigengeschwindigkeit vego des Kraftfahrzeugs.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung des Sensor-Verstellwinkels Δα während der Fahrt basiert beispielsweise auf der Auswertung stationärer Ziele, wie beispielsweise einer Leitplanke, die sich relativ zum Ego-Fahrzeug mit vego entgegen der Fahrtrichtung fortbewegen. Die gemessene radiale Relativgeschwindigkeit vr der Ziele ergibt sich somit zu gemäß 3 zu: vr = vegocos(α) = vegocos(α ~ + Δα), (1) wobei α den tatsächlichen Sichtwinkel, α ~ = α – Δα den gemessenen Sichtwinkel und Δα den zu bestimmenden Verstellwinkel bezeichnen.
  • Die Geschwindigkeitsmessung v ~ego, die vom Automobilhersteller im Kraftfahrzeug geliefert wird, besitzt jedoch im Regelfall einen kleinen systematischen Fehler ρ (1%–2%). Dieser ist unter anderem zurückzuführen auf Änderungen des Radumfangs aufgrund von Änderungen der Profildicke, also beim Abfahren eines Reifens oder aufgrund eines Reifenwechsels. Dieser systematische Fehler ρ führt jedoch abhängig vom tatsächlichen Sichtwinkel α zu erheblichen Fehlern in der Bestimmung des Verstellwinkels Δα. Bei einem vorgegebenem Fehler ε in der Berechnung der Korrektur Δα gilt unter Verwendung von Gleichung (1) für den Fehler ρ:
    Figure DE102015116434A1_0004
  • Die 4 zeigt die obere und die untere Grenze für ρ in Abhängigkeit des Winkels α für einen maximalen Messwinkelfehler |ε| < 0.5°, der für eine fehlerfreie Spurzuordnung im Abstand von 50 m–70 m erforderlich ist. Es wird in 4 ersichtlich, dass für eine präzise Verstellwinkel-Bestimmung in betragsmäßig kleinen Winkelbereichen eine äußerst genaue Eigengeschwindigkeitsschätzung vorliegen muss, das heißt, dass der Fehler der Eigengeschwindigkeitsschätzung vorzugsweise kleiner als 0,1% ist.
  • Das im Kraftfahrzeug üblicherweise verbaute System zur Geschwindigkeitsmessung erreicht dabei typischerweise nicht die notwendige Genauigkeit.
  • Entsprechend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur präzisen Schätzung der Eigengeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs bzw. ein Verfahren zur präzisen Schätzung des Fehlerfaktors ρ basierend auf weitentfernten stationären Zielen und einer gegebenen Randbebauungsschätzung. Daraus kann dann die Eigengeschwindigkeit präzise abgeschätzt werden.
  • Für die Eigengeschwindigkeit vego gilt bei Betrachtung von stationären Zielen äquivalent zu Gleichung (1):
    Figure DE102015116434A1_0005
  • Um eine möglichst genau Schätzung der Eigengeschwindigkeit v ^ego zu erreichen, wird zunächst eine Schätzung α ^ des Sichtwinkels vorgenommen. Es ist jedoch klar, dass die nicht korrigierten Messwinkel α ~ nicht verwendet werden können, da diese noch den systematischen Winkelfehler Δα beinhalten und so zu einem nicht tolerierbaren Fehler in der Eigengeschwindigkeitsschätzung führen würden.
  • Daher erfolgt die Schätzung des Sichtwinkels über eine üblicherweise vorhandene Randbebauungsdetektion. Die Randbebauungsdetektion erzeugt Schätzwerte für den lateralen Abstand y zwischen Fahrzeugmitte und Randbebauung auf der linken und rechten Fahrbahnseite anhand einer zeitlichen Mittelung ausreichend vieler Randbebauungsrohziele, die detektiert werden. Dabei können die Rohziele der Randbebauung auch vorhergehend einer Klassifizierung und/oder Clusterung unterzogen werden. Die verwendeten Rohziele können zwar auch einen winkelabhängigen, systematischen Messwinkel enthalten, da dieser jedoch nicht für alle Rohziele gleich ist, führt der Messfehler einer Einzelmessung nach entsprechender Mittelung über alle verwendeten Rohziele zu einem deutlich geringeren systematischen Fehler in der Randbebauungsschätzung.
  • Die 5 veranschaulicht das Vorgehen bei der Sichtwinkelschätzung. Die vorliegende Geometrie liefert direkt einen Zusammenhang zwischen dem lateralen Abstand y der Randbebauung, dem radialen Abstand R und dem tatsächlichen Sichtwinkel α zu: α = arcsin( y / R) (4)
  • Da sowohl die Schätzung y ^ des lateralen Abstandes als auch die Messung des radialen Abstands R ~ Rauschprozessen unterlegen sind, gilt für die Schätzung des Sichtwinkels:
    Figure DE102015116434A1_0006
  • Es ist dabei auch ersichtlich, dass mit zunehmendem radialem Abstand y, der Einfluss eines Fehlers in der Randbebauungsschätzung abnimmt. Daher basiert die Schätzung der Eigengeschwindigkeit vorteilhaft und optional auf stehenden Zielen in größerem oder in großen Abständen R. Der Abstand R ist dabei vorzugsweise größer oder gleich 1 m, insbesondere größer oder gleich 2 m, wie insbesondere größer oder gleich 5 m.
  • Der Schätzwert für die Eigengeschwindigkeit ergibt sich somit über eine Mittelung von insbesondere weitentfernten, stehenden Zielen unter Verwendung der Sichtwinkelschätzung nach Gleichung (5) gemäß:
    Figure DE102015116434A1_0007
  • Zur Schätzung werden vorzugsweise stehende Ziele guter Qualität mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis SNR und einer kooperativen Umgebung und insbesondere zu Zeitpunkten durchgeführt, an welchen eine robuste Randbebauungsdetektion erfolgt ist.
  • Mit Hilfe der Geschwindigkeitsschätzung wird dann der gewünschte Korrekturfaktor
    Figure DE102015116434A1_0008
    ermittelt. Dieser ergibt sich aus dem Verhältnis der geschätzten Eigengeschwindigkeit v ^ego und der gegebenen Geschwindigkeit vego,OEM der im Fahrzeug installierten Geschwindigkeitsmessung durch den Fahrzeughersteller. Der so bestimmte Korrekturfaktor wird dann zur Korrektur der Eigengeschwindigkeit in jedem Zyklus verwendet.
  • Die Leistungsfähigkeit des Schätzverfahrens zeigt beispielhaft die Auswertung einer einstündigen Autobahn-Testfahrt. Für eine genaue Bestimmung der Eigengeschwindigkeit zur Analyse der Eigengeschwindigkeitsschätzung wurde das Fahrzeug mit einem Differential-Global-Positioning-System (DGPS) ausgestattet.
  • Das Histogramm der gemessenen systematischen Verzerrung ρ ~OEM für die gegebene OEM-Geschwindigkeit ist in 6 für Geschwindigkeiten vego > 10 m/s dargestellt.
  • Der Mittelwert von E{ρ ~OEM} ≈ 0,988 bedeutet eine systematische Verzerrung der Eigengeschwindigkeitsschätzung von über 1%. Damit weicht die Genauigkeit der Schätzung deutlich von der erwünschten Genauigkeit < 0,1% ab.
  • Nach Korrektur der installierten fahrzeuginternen Geschwindigkeitsmessung, mittels des nach dem vorgestellten Verfahren geschätzten Korrekturfaktors ρ ^, ist der systematische Fehler weitestgehend korrigiert, wie 7 veranschaulicht. Der mittlere Fehler der Korrektur ist deutlich reduziert und erfüllt die System-Anforderung von kleiner 0,1%.
  • Des Weiteren existiert eine Geschwindigkeitsabhängigkeit des Korrekturfaktors wie es in 8 gezeigt ist.
  • Um eine noch genauere Schätzung der tatsächlichen Eigengeschwindigkeit zu erreichen, kann diese Geschwindigkeitsabhängigkeit weiterhin bei der Korrektur berücksichtigt werden.
  • Eine Möglichkeit dazu besteht in der Schätzung des Funktionsverlaufs beispielsweise als linearer Verlauf, was jedoch fahrzeugspezifisch variieren kann. Eine weitere und robustere Möglichkeit besteht in der Schätzung des Korrekturfaktors an vorher festgelegten Geschwindigkeitspunkten mit anschließender Interpolation der Zwischenpunkte. Dadurch wird eine stückweise lineare Näherung des tatsächlichen Funktionsverlaufs erzielt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kennlinie
    2
    Rampe
    10
    Radarsensor
    11
    Sendeantenne
    12
    Empfangsantenne
    20
    Fahrzeug

Claims (7)

  1. Verfahren zur Schätzung der Eigengeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs mit einem Radarsensor zur Überwachung der Umgebung des Kraftfahrzeugs, wobei ein Fehlerfaktor einer Geschwindigkeitsmessung auf Basis einer Beobachtung stehender Ziele, insbesondere einer Randbebauung, durchgeführt wird, wobei eine Randbebauungsschätzung vorgenommen wird mit einer Abstandsschätzung des Fahrzeugs von der Randbebauung, woraus ein Winkelmessfehler der Bestimmung des Sichtwinkels eines stehenden Ziels abgeschätzt wird, woraus ein Fehler der Geschwindigkeit abgeschätzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohziele der Randbebauung klassifiziert und/oder geclustert werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsschätzung den lateralen Abstand des Fahrzeugs von der rechten und/oder linken Randbebauung abschätzt, wobei insbesondere der Abstand der Mitte des Fahrzeugs von der rechten und/oder linken Randbebauung abgeschätzt wird oder der Abstand von der rechten und/oder linken Randbebauung zum Sensormittelpunkt abgeschätzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Mittelung der Rohzielwinkel durchgeführt wird, die mittels der Randbebauungsschätzung nach der Formel α = arcsin( y / R) berechnet werden
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sichtwinkel α bestimmt wird zu: α = arcsin( y / R) mit y = dem lateralen Abstand zur Randbebauung und R dem radialen Abstand zum Ziel.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwert der Eigengeschwindigkeit ermittelt wird zum Erwartungswert E:
    Figure DE102015116434A1_0009
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor bestimmt wird aus dem Verhältnis des Schätzwertes der Eigengeschwindigkeit zu der von dem Fahrzeug gemessenen Geschwindigkeit.
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