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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Höheninformationen von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs und eine Radarvorrichtung, welche ausgeführt ist, dieses Verfahren auszuführen sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Radarvorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Fahrzeuge mit Fahrerassistenzsystemen verfügen häufig über Sensoren zum Erfassen der Umgebung eines Fahrzeugs, hauptsächlich des Bereichs vor dem Fahrzeug in Hauptfahrtrichtung. Solche Assistenzsysteme können zum Beispiel vor Hindernissen und damit drohenden Kollisionen warnen. Eine Schwierigkeit besteht im Trennen von Informationen, welche der erfassten Objekte sich bewegen und welche Teil der Umgebung sind – zusammengefasst, welche erfassten Objekte für Systeme wie beispielsweise einen Kollisionsschutz von Bedeutung sind.
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DE 10 2010 048 896 A1 betrifft eine Radarvorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs mit frequenzmodulierten Dauerstrichsignalen, welche iterativ aus verschachtelten Frequenztreppen gebildet werden.
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US 2012/0169532 A1 betrifft eine an einem Fahrzeug angebrachte Radarvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer synthetischen Apertur.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, die Genauigkeit der Umgebungserfassung eines Fahrzeugs zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren gegeben, welches zum Bestimmen von Höheninformationen von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs mittels einer Radarvorrichtung des Fahrzeugs dient, aufweisend die Schritte:
Senden von Radarwellen in die Umgebung des Fahrzeugs zu einem ersten Zeitpunkt und einem hierauf folgenden zweiten Zeitpunkt, Empfangen der an Objekten reflektierten Radarwellen mit einer Radareinheit zum ersten Zeitpunkt und zum zweiten Zeitpunkt, wobei das Senden und Empfangen von Radarwellen an einem ersten Ort und einem davon verschiedenen zweiten Ort erfolgt, und
Ermitteln der Höheninformationen von Objekten in Fahrtrichtung des Fahrzeugs basierend auf den empfangenen Radarwellen zum ersten Zeitpunkt und zum zweiten Zeitpunkt.
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Die Umgebung des Fahrzeugs ist beispielsweise der nähere Bereich eines Fahrzeugs in Hauptfahrtrichtung; also der Bereich, in den das Fahrzeug im bewegten Zustand im Begriff ist einzufahren. Als Umgebung des Fahrzeugs können insbesondere mehrere hundert Meter Entfernung in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug verstanden werden, z.B. 100 Meter bis 600 Meter, wobei dieser Bereich je nach Verlauf der Fahrtstrecke kürzer sein kann, z.B. weil aus Sicht des Fahrzeugs ein Fahrbahnbereich vor dem Fahrzeug nicht einsehbar ist, d.h. dass keine direkte optische Verbindung zu diesem Fahrbahnbereich besteht.
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Der Begriff Höheninformation bezieht sich sowohl auf die Höhe über Grund, sprich die Höhe eines Objekts über dem Boden bzw. der vertikale Abstand zwischen einem Objekt und einer Fahrbahnoberfläche, als auch die Höhenausdehnung des Objekts aus Sicht der Radarvorrichtung. Aus Sicht der Radarvorrichtung ist die Höhenausdehnung damit als Projektion des Objekts gegen eine gedachte vertikale Ebene unmittelbar hinter dem Objekt zu verstehen.
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Es kommt ein Radarsystem zur Anwendung, mit dem für sich genommen an einer einzigen Position sich befindend, Höheninformation von Objekten in beispielsweise der Fahrtrichtung nur unzureichend oder gar nicht bestimmt werden kann. Der Grund hierfür ist die mangelnde Eindeutigkeit in Berechnungsverfahren aufgrund von zu wenigen erfassten Informationen. Eine punktuelle Sende- und Empfangseinheit ohne Vermessungsmechanismen wie Laufzeitmessung ist zunächst nicht in der Lage, Informationen über die räumlichen Daten von Objekten, insbesondere betreffend die Entfernung zwischen dem Fahrzeug und einem Objekt, zu erfassen. Beispielsweise kann das Radarsystem ein Frontradar sein.
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Durch die Eigenbewegung des Fahrzeugs kann also an verschiedenen Positionen ein Abbild der Umgebung mittels des Radarechos erfasst werden. Die so erfasste Vielzahl von erfassten Radarechos kann zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, das heißt es kann die Antennengröße virtuell vergrößert werden.
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Systeme, bei denen bewegte Radargeräte zur Zusammensetzung von Daten verwendet werden, werden auch Radar mit synthetischer Apertur genannt. Dabei bildet ebenfalls die Vielzahl an aufgenommenen Abbildern der Umgebung durch Zusammensetzung eine größere Apertur oder Antenne virtuell nach. Die Bestimmung der Höheninformation erfolgt durch den Phasenvergleich aus mindestens zwei virtuellen Antennen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird in verschiedenen Schritten des Sendens und Empfangens eines Radarsignals bestimmt, in welcher Höhe ein Objekt über der Fahrbahn ist und welche Höhenausdehnung das Objekt hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren das Ermitteln eines Verbindungsvektors zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort auf.
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Für die Berechnung der Höheninformation können noch weitere Daten notwendig sein. Die Bestimmung der Höheninformation, die primär durch die Bestimmung der Elevationswinkel des Objekts in der Umgebung des Fahrzeugs erfolgt, kann genaue Information der Relativbewegung des Fahrzeugs gegenüber dem Boden erfordern. Dann ist es entscheidend, die Information der Positionsänderung der Antenne seit dem letzten Zeitschritt, in dem ein erstes Radarecho aufgenommen wurde, zu erfassen. Dies kann entweder in einer Ebene (zweidimensionale Information) oder räumlich (dreidimensionale Information) geschehen.
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Beispielsweise ist eine relative Änderung durch einen Verschiebungsvektor der Form [Δx, Δy, Δz] gegeben. Der Annahme gerecht werdend, dass keine Relativbewegung von Elementen stattfindet, die am Fahrzeug angebracht sind, wird die Eigenbewegung des Fahrzeugs synonym mit der Eigenbewegung der Antennen und der Eigenbewegung aller am Fahrzeug angebrachten Elemente verwendet. In anderen Worten kann in dieser Ausführungsform durch die Bewegung des Fahrzeugs und die Ermittlung von Lageinformationen von Objekten zu verschiedenen Zeitpunkten und somit von verschiedenen Positionen auf die Höheninformation von Objekten geschlossen werden, sofern der Verbindungsvektor zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort, das heißt die Ortsänderung in der Zeit seit dem letzten Zeitschritt zum aktuellen Zeitpunkt, bekannt ist. Der Verbindungsvektor steht für die relative Positionsänderung des Fahrzeugs. In anderen Worten ist der Verbindungsvektor diejenige Positionsänderung, die das Fahrzeug innerhalb eines vollständigen Zeitschritts erfährt.
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Der Verbindungsvektor ist also beispielsweise derjenige Ortsvektor, der die Änderung des Ortes des Fahrzeugs zwischen zwei Zeitschritten, das heißt vom ersten Ort am ersten Zeitpunkt zum zweiten Ort am zweiten Zeitpunkt, angibt. Der Zeitschritt wird durch die Abtastrate des Radarsystems bestimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die Radareinheit aus einer physikalischen Gruppenantenne.
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In diesem Sinne können unter dem Begriff „Gruppenantenne“ zwei Sichtweisen unterschieden werden. Eine virtuelle Gruppenantenne entsteht gemäß einem Aspekt der Erfindung durch Eigenbewegung des Fahrzeugs; also durch Erfassen von Radarechos an verschiedenen Positionen und dem Zusammenfügen der Informationen. Zusätzlich kann sich „Gruppenantenne“ auf eine, in einer Ausführungsart beschriebene, physikalische Gruppenantenne erstrecken. In diesem Fall hat die Radareinheit mehrere physikalische Antennenelemente.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mit der physikalischen Gruppenantenne Winkelinformationen der Objekte aus Phasenverschiebungen der empfangenen Radarechos erfasst. Mehrere Antennenelemente ermöglichen, das Echo in seiner Ausdehnung zu erfassen, da das sich räumlich erstreckende Element eine Reflektion an mindestens einer Fläche bildet. In dieser flächigen Reflektion ergeben sich zueinander phasenverschobene Radarechos, deren Informationen genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden auch Interferenzen der oben beschriebenen flächigen Reflektionen genutzt. Durch sich kreuzende Radarechos, die auch von einer einzigen Quelle stammen können, ergeben sich lokale Minima, Maxima oder Auslöschungen durch positive oder negative Interferenzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Winkelinformationen des Objekts im Monopulsverfahren ermittelt. Das Monopulsverfahren kann als gängiges Verfahren zur Winkelbestimmung mittels eines Radarsystems betrachtet werden. Dabei werden mehrere Empfangssignale verwendet. Das Monopulsverfahren mag vorteilhaft sein, um die Anforderungen an die Vorrichtungen gering zu halten. Jedoch kann bei diesem Verfahren die Anzahl der Messpunkte begrenzt sein, beispielsweise auf zwei Messpunkte pro Verfahrensschritt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Methode des so genannten Beamformings digital angewendet. Diese Methode mag aufwändiger sein, kann jedoch über mehrere Messpunkte angewendet werden. Beispielsweise werden acht oder 16 Messpunkte verwendet.
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Beispielsweise kann das Monopulsverfahren für die Elevationsmessung eines im Vorfeld eines Fahrzeugs befindlichen Objekts benutzt werden, wobei eine Methode des Beamformings beispielsweise zur Azimutbestimmung eines solchen Objekts verwendet werden kann. Damit sind beide Methoden kombinierbar, es kann aber auch nur eine Methode angewendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren vorgesehen, während der Fahrt des Fahrzeugs ausgeführt zu werden.
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Das Verfahren kann laufend bzw. in wiederkehrenden Zyklen durchgeführt werden, um im Rahmen einer Unterstützung eines Fahrzeugführers zu ermitteln, ob sich ein Objekt in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug auf der Fahrbahn oder in einem bestimmten Abstand darüber befindet. Befindet sich das Objekt unterhalb eines vorgebbaren Mindestabstands zur Fahrbahnoberfläche oder auf der Fahrbahnoberfläche, kann dies zunächst dem Fahrzeugführer signalisiert werden und wenn das Fahrzeug sich weiter auf ein solches Objekt zu bewegt, kann ein Ausweichmanöver oder ein Bremsvorgang eingeleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung gegeben, die ausgeführt ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Diese Vorrichtung weist eine Radarvorrichtung zum Erfassen der Objekte in Fahrtrichtung des Fahrzeugs und eine Recheneinheit auf. Die Recheneinheit ist ausgeführt, eine virtuelle Gruppenantenne zu erstellen, die Radaraufnahmen zusammenzufügen und Höheninformationen von Objekten zu berechnen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Radarvorrichtung wie oben beschrieben gegeben, weiterhin aufweisend: Eine Einheit zum Erfassen und Ermitteln des Verbindungsvektors zwischen dem ersten Ort und dem zweiten Ort.
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Weiterhin ist ein Fahrzeug gegeben, das eine Vorrichtung wie oben beschrieben aufweist.
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In anderen Worten kann eine Ausführungsform des Verfahrens wie folgt beschrieben werden:
Mit Hilfe eines Radars mit synthetischer Apertur an einem konventionellen Frontradar (d.h. beispielsweise ohne Elevationsmessfähigkeit in einem einzigen Radarscan) kann man die Höhe von weit entfernten Objekten bestimmen. Das Radarsystem nimmt während der Fahrt bei verschiedenen Positionen Messungen auf. Die Messdaten aus den verschiedenen Positionen bilden dann eine virtuelle Gruppenantenne. Der Begriff Gruppenantenne bezeichnet Antennen, die aus einer Anzahl von Einzelstrahlern konstruiert sind, deren abgestrahlte Felder bzw. empfangene Signale sich überlagern und durch Interferenz zu einem gemeinsamen Antennendiagramm formen. Das gesamte Antennendiagramm hängt vom Diagramm der einzelnen Antennenelemente und von einer Gewichtsfunktion, d.h. von den Phasenverschiebungen und der Amplitudenskalierung für jedes einzelne Antennenelement, ab. Auf dem neu erzeugten Antennenarray mag ein Verfahren des „Standard Digital Beamforming“ angewendet werden können. Unter dem Begriff Digital Beamforming wird eine Empfängerarchitektur verstanden, bei der an jedem Antennenelement je ein individueller Empfänger geschaltet ist. Mit diesem Aufbau können, durch den Einsatz verschiedener Gewichtsfunktionen, mit in unterschiedliche Richtungen zeigenden Hauptkeulen für jede Empfangszeit mehrere unabhängige Gruppenantennenkonfigurationen realisiert werden. Durch eine Auswertung des Ausgangs der verschiedenen Gruppenantennenkonfigurationen ist eine Bestimmung der Einfallswinkel der einfallenden Welle möglich. Schließlich kann man durch Kombination des Radars mit synthetischer Apertur und einem Verfahren des Digital Beamforming mit einem Radarsystem, das ohne Elevationsmessfähigkeit in einem einzelnen Radarscan auskommt, den Elevationswinkel bestimmen. Das Verfahren kann auf bekannten Radarsystemen der Automobilbranche und auf konventionellen Verfahren des Digital Beamforming basieren. Die vorliegende Erfindung benötigt so keine zusätzliche Gruppenantenne bzw. Antennenkanäle für die Elevationsmessung. Es kann im Übrigen auch ein Monopulsverfahren für die Elevationsmessung herangezogen werden. Durch die Elevationsmessung kann man Höhenprofile von Objekten berechnen, um eine verbesserte Objektklassifizierung zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt den Ablauf eines beispielhaften Verfahrens.
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2 zeigt ein Fahrzeug, aufweisend die Vorrichtung, die ausgeführt ist, ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens durchzuführen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, in dem an verschiedenen Fahrzeugpositionen ein Elevationswinkel bestimmt wird.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein Verfahren, das während der Fahrt eines Fahrzeugs 100 ausgeführt werden kann und in dem Höheninformationen von Objekten 200 in der Umgebung des Fahrzeugs 100 erfasst werden. Das Verfahren weist die Schritte auf:
- – Senden S10 von Radarwellen in die Umgebung des Fahrzeugs zu einem ersten und zu einem zweiten Zeitpunkt,
- – Empfangen S20 der an Objekten reflektierten Radarwellen mit einer Radareinheit 301 zu einem ersten und zu einem zweiten Zeitpunkt an verschiedenen Fahrzeugpositionen 1; 2; 3; 4, wobei die verschiedenen Fahrzeugpositionen 1; 2; 3; 4 durch Eigenbewegung des Fahrzeugs 100 entstehen,
- – Ermitteln S30 des Verbindungsvektors zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt des Fahrzeugs,
- – Ermitteln S40 der Höheninformationen von Objekten in Fahrtrichtung des Fahrzeugs.
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2 zeigt ein Fahrzeug 100, mit einer Vorrichtung zum Bestimmen von Höheninformationen von Objekten 200 in der Umgebung des Fahrzeugs 100, wobei die Vorrichtung eine Radareinheit 301, eine Recheneinheit 303 sowie eine Einheit zur Bestimmung der Eigenbewegung 302 aufweist.
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3 zeigt das mögliche Ausführungsbeispiel eines beanspruchten Verfahrens. Ein Fahrzeug 100 bewegt sich in der dargestellten Fahrtrichtung. An verschiedenen Messpunkten 1; 2; 3; 4 wird die Umgebung in Fahrtrichtung des Fahrzeugs 100 erfasst. Ein Objekt 200, in dem Beispiel eine Brücke, liegt in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug 100. Nun werden an den Messpunkten 1; 2; 3; 4 die Elevationswinkel 50 des Objekts 200 erfasst. Mit Kenntnis der Eigenbewegung des Fahrzeugs 100 kann aus den Elevationswinkeln schließlich auf die Höheninformationen des Objekts 200, hier der Brücke geschlossen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ort
- 2
- Ort
- 3
- Ort
- 4
- Ort
- 50
- Elevationswinkel
- 100
- Fahrzeug
- 200
- Objekt
- 301
- Radareinheit
- 302
- Einheit zum Ermitteln des Verbindungsvektors
- 303
- Recheneinheit
- S10
- Senden
- S20
- Empfangen
- S30
- Ermitteln
- S40
- Ermitteln
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010048896 A1 [0003]
- US 2012/0169532 A1 [0004]
