DE102015216681A1

DE102015216681A1 - Erkennen von stationären Objekten mittels Radar

Info

Publication number: DE102015216681A1
Application number: DE102015216681.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Löffler
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Bestimmen einen Lagewinkels eines Radarwellenreflexionspunkts an einem stationären Objekt aus einem fahrenden Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Bestimmen einen Lagewinkels eines Radarwellenreflexionspunkts an einem stationären Objekt aus einem fahrenden Fahrzeug.
Stand der Technik
In Fahrzeugen werden zunehmend Radarsysteme eingesetzt und die gewonnen Daten für Komfortfunktionen genutzt. Von besonderem Interesse sind stationäre Objekte, da beispielsweise Brücken unterfahrbar sind und kein Hindernis darstellen.
Aus der EP 1371997 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die mittels zweier Radarsensoren die Entfernung eines stationären Objekts auf der Straße bestimmen. Die Klassifizierung als stationäres Objekt erfolgt anhand einer Schwankung im Empfangspegel der reflektierten Welle.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit die Erkennung des Lagewinkels eines stationären Objekts zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren zum Bestimmen eines Lagewinkels eines Radarwellenreflexionspunkts folgende Schritte auf: ein Senden von Radarwellen von zwei sich bewegenden Radarsensoren mit unterschiedlicher, bekannter Sendeposition; ein Empfangen von Radarwellen nach Reflexion an dem Radarwellenreflexionspunkt eines Objekts; ein Bestimmen von mindestens den Abständen oder Relativgeschwindigkeiten des Radarwellenreflexionspunkts zu den unterschiedlichen Sendepositionen, und ein Berechnen des Lagewinkels aus den bestimmten Abständen oder Relativgeschwindigkeiten.
In vorteilhafter Weise kann so von den beiden Sensoren lediglich aus dem gemessenen Abstand oder Relativgeschwindigkeit der Lagewinkel des Objekts bestimmt werden. Insbesondere kann der Sensor durch die fehlende Fähigkeit zum direkten Winkelmessen klein gehalten sein.
Bevorzugt kann die bekannte Sendeposition der Radarsensoren den Abstand der Sensoren oder die relative Lage der Sensoren am Fahrzeug zueinander umfassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen: ein Senden einer dritte Radarwelle von einer dritten Sendeposition, wobei die drei bekannten Sendepositionen ein Dreieck bilden, ein Empfangen der dritten Radarwellen nach Reflexion an dem Radarwellenreflexionspunkt des Objekts, ein Bestimmen von mindestens den Abständen oder Relativgeschwindigkeiten des Radarwellenreflexionspunkts zu der dritten Sendeposition, und ein Berechnen von Lagewinkeln in Azimut und Elevation aus den bestimmten Abständen oder Relativgeschwindigkeiten.
In vorteilhafter Weise ermöglichen drei Sensoren eine Bestimmung der Lage des Radarwellenreflexionspunkts im dreidimensionalen Raum. Dadurch können insbesondere eine Höhe eines stationären Radarwellenreflexionspunkts und damit die Höhe eines Objekts bestimmt werden.
Bevorzugt kann jeweils ein Lagewinkel aus den Abständen und den Relativgeschwindigkeiten berechnet und ein stationärer Radarwellenreflexionspunkt erkannt werden, wenn der aus den Abständen und der aus den Relativgeschwindigkeiten berechnete Lagewinkel annähernd gleich ist. In vorteilhafter Weise kann so sichergestellt werden, dass sich der Radarwellenreflexionspunkt an einem stationären Objekt befindet. Annähernd gleich bedeutet, dass sich die Lagewinkel nur noch im Toleranzbereich der Radarsensoren oder im Rundungsfehlerbereich beim Berechnen von Abstand oder Relativgeschwindigkeit unterscheiden.
Weiter bevorzugt kann der Radarwellenreflexionspunkt anhand der bestimmten Abstände und Relativgeschwindigkeiten in ein Grid eingetragen werden. In vorteilhafter Weise kann so die räumliche Lage der Radarwellenreflexpunkte beurteilt werden und eine Objekterkennung erleichtet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Vielzahl von Radarwellenreflexionspunkten in das Grid verzeichnet werden. In vorteilhafter Weise können so Messungenauigkeiten mittels mehreren Messzyklen ausgeglichen werden.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Objektwahrscheinlichkeit aus der Vielzahl von Radarwellenreflexionspunkten berechnet werden. In vorteilhafter Weise kann aus der Vielzahl von Radarwellenreflexionspunkten durch das Betrachten von Häufungen eine Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines Objekts angegeben werden.
Bevorzugt kann eine Objektklassifizierung anhand der Objektwahrscheinlichkeiten im Grid derart erfolgen, dass mindestens Breite oder Höhe der stationären Objekte aus mindestens Azimut oder Elevation bestimmt wird. In vorteilhafter Weise kann so aus den gewonnen Informationen auf ein bestimmtes Objekt, wie beispielsweise eine Brücke oder einen Tunnel oder einen Baum geschlossen werden.
Erfindungsgemäß umfasst ein Radarsystem für ein Fahrzeug zwei sich bewegende Radarsensoren mit unterschiedlicher, bekannter Sendeposition, mittels derer ein Abstand und eine Relativgeschwindigkeit eines Radarwellenreflexionspunkts an einem Objekt bestimmbar ist; und eine Berechnungseinheit mittels derer mindestens ein Lagewinkel gemäß einem bevorzugten Verfahren berechenbar ist wobei die Berechnungseinheit einen elektronischen Speicher umfasst, auf dem das Verfahren hinterlegt ist.
Bevorzugt kann das Radarsystem ferner umfassen: einen dritten Radarsensor mit einer dritten bekannten Sendeposition, wobei die drei Sendepositionen ein Dreieck bilden; und mit der Berechnungseinheit die Lagewinkel Azimut und Elevation gemäß einem bevorzugten Verfahren berechenbar ist.
Figurenbeschreibung
1 zeigt einen Radarsensor mit Abstandsringen in der x-y-Ebene oder x-z-Ebene.
2 zeigt einen Radarsensor mit relativgeschwindigkeitsabhängigen Lagewinkeln der Radarwellenreflexionspunkte in der x-y-Ebene oder x-z-Ebene.
3 zeigt einen Radarsensor mit Abstandsringen und den relativgeschwindigkeitsabhängigen Lagewinkeln der Radarwellenreflexionspunkte an zwei Objekten.
4 zeigt zwei Radarsensoren mit ihren Abstandsringen und Radarreflexionspunkte an zwei Objekten.
5 zeigt einen Radarsensor mit Abstandsringen, die eine Kugel bilden, in einer dreidimensionalen Ansicht und einem Wahrscheinlichkeitskreis.
6 zeigt die Berechnung des Lagewinkels in Azimut und Elevation aus der Relativgeschwindigkeit der Radarwellenreflexionspunkte.
7 zeigt drei Radarsensoren mit ihren jeweiligen Abstandskugeln und drei Wahrscheinlichkeitskreisen.
8 zeigt ein Grid mit den darin eingetragenen Messergebnissen.
1 zeigt einen Radarsensor 1 mit ihn umgebenden Abstandsringen 2 als Draufsicht in der x-y-Ebene. Jeder Abstandsring 2 steht für einen identischen Abstand zum Radarsensor 1. Die vom Radarsensor 1 ausgesendete Welle wird beispielsweise an zwei Objekten in jeweils einem Radarwellenreflexionspunkt 3, 5 reflektiert. Aus der reflektierten Radarwelle ermittelt der Radarsensor 1 den Abstand zum Radarwellenreflexionspunkt 3, 5. Es ist auch möglich die Abstandsringe 2 in der Höhe zu betrachten, wobei die 1 dann eine Seitenansicht in der x-z-Ebene darstellt.
2 zeigt die um den Radarsensor 1 liegende Lagewinkel 8 beispielhaft sternförmig 7 als Draufsicht in der x-y-Ebene. Ebenso wäre eine Seitenansicht in der x-z-Ebene möglich. Durch den Dopplereffekt kann der Radarsensor 1 die Relativgeschwindigkeit des Radarwellenreflexionspunkts 3, 5 zum Radarsensor ermitteln. Unter der Annahme, dass das reflektierende Objekt stationär ist, enthält die Relativgeschwindigkeit den Lagewinkel des Radarwellenreflexionspunkt 3, 5 zum Radarsensor 1. Würde sich der Radarwellenreflexionspunkt 3, 5 direkt in x-Richtung auf der x-Achse vor dem Radarsensor 1 befinden, so wäre die Relativgeschwindigkeit gleich der Eigengeschwindigkeit des Radarsensors 1. Die Relativgeschwindigkeit ist bei stationären Objekten somit von der Eigengeschwindigkeit des Radarsensors 1 im Fahrzeug und dem Lagewinkel des Radarwellenreflexionspunkts 3, 5 am Objekt abhängig.
Mit steigenden Lagewinkel 8 verringert sich die Relativgeschwindigkeit des Radarwellenreflexionspunkts 3, 5. Die Messung des Lagewinkels 8 basiert jedoch auf der Annahme, dass sich das Objekt nicht bewegt.
3 zeigt eine Kombination von Abstands- und Relativgeschwindigkeitsmessung eines Radarsensors 1 von zwei Radarwellenreflexionspunkten 3, 5. an zwei Objekten. Die Ansicht in 3 kann sowohl eine Drauf-(x-y-Ebene) als auch eine Seitenansicht (x-z-Ebene) der Messung darstellen, je nachdem ob Azimut oder Elevation bestimmt werden sollen.
Trotz des Lagewinkels 8 aus der Relativgeschwindigkeit 7 und der Abstandsinformation aus den Abstandsringen 2 kann eine eindeutige Zuordnung bei zwei parallelen Radarwellenreflexionspunkten 5, 5', die den gleichen Abstand 2 zum Radarsensor und die gleiche Relativgeschwindigkeit 7 haben, nicht erfolgen.
4 zeigt eine Anordnung mit zwei versetzen Radarsensoren 1, 21 und den jeweiligen Abstandsringen 2, 12. Mit dieser Anordnung ist eine eindeutige Zuordnung von Radarwellenreflexionspunkten 3, 5, 5' in der x-y-Ebene oder x-z-Ebene möglich. Das Zuordnungsproblem in 3 kann nicht mehr auftreten, da sich die Abstandsringe 2, 12 der beiden Radarsensoren 1, 21 vor dem Fahrzeug nur einmal schneiden.
Da der Abstand der beiden Radarsensoren 1, 21 zueinander bekannt ist, lässt sich aus dem Kosinussatz der Lagewinkel 8 direkt berechnen.
Ebenso kann nun zusätzlich aus den gemessenen Relativgeschwindigkeiten 7, 17 der Lagewinkel 8 des Radarwellenreflexionspunkts 3, 5, 5' bestimmt werden. Der durch die Abstandsringe 2, 12 eindeutig identifizierte Radarwellenreflexionspunkt 3, 5, 5' muss bezüglich der beiden Radarsensoren 1, 21 einen Lagewinkel 8 passend zur Relativgeschwindigkeit haben, sonst würde es sich nicht um einen Radarwellenreflexionspunkt 3, 5, 5' eines stationären Objekts handeln.
Die in 4 gezeigte Messung funktioniert sowohl in der x-y-Ebene für den Azimutwinkel als Lagewinkel 8 oder in der x-z-Ebene für den Elevationswinkel als Lagewinkel 8 des Radarwellenreflexionspunkts 3, 5, 5'.
5 zeigt einen Radarsensor 1 in einer dreidimensionalen Ansicht. Der Radarsensor 1 strahlt kugelförmig ab, wobei nur der Bereich vor und über einem Fahrzeug dargestellt ist. Die Abstandsringe 2 bilden daher eine Viertelkugel. Unter Berücksichtigung von lediglich den erfassten Abständen, die ausschließlich eine Kugel, und den Relativgeschwindigkeiten, die ausschließlich eine Kegelöffnung bilden, ergibt sich als Schnittmenge ein Wahrscheinlichkeitsring 9 für die wahrscheinliche Lage des Radarwellenreflexionspunkts im Raum, vorausgesetzt der Radarwellenreflexionspunkt am Objekt ist stationär. Die Berechnung des Lagewinkels (φ, θ) aus der Relativgeschwindigkeit wird anhand 6 erläutert. Zur besseren Veranschaulichung ist das Koordinatensystem in der 6 im Vergleich zu den anderen Figuren um 90 Grad nach links gedreht. Die x-Achse und damit die Bewegungsrichtung des Radarsensors 1 führt aus dem Blatt heraus.

Bei stationären Objekten muss die gemessene Dopplergeschwindigkeit gleich das Produkt aus der zweifachen Relativgeschwindigkeit, dem Cosinus des Azimuts φ und dem Sinus der Elevation θ sein:

v_Doppler	Ermittelte/Tatsächliche Dopplergeschwindigkeit (radial)
v_rel	Ermittelte/Tatsächliche Geschwindigkeit der Radarsensoren in x-Richtung (Fahrtrichtung)
φ	Azimutwinkel
θ	Elevationswinkel
R₀	Ermittelter/Tatsächlicher Abstand zum Reflexionspunkt

v_Doppler = 2·v_rel·cos(φ)·sin(θ)

Liegt der Radarwellenreflexionspunkt 3 auf der x-Achse φ = 0°, θ = 90°, dann entspricht die ermittelte Dopplergeschwindigkeit v_Doppler genau dem Doppelten der Relativgeschwindigkeit des Sensors 1, da der Sensor 1 im Ursprung des Koordinatensystems liegt und direkt auf den Radarwellenreflexionspunkt 3 zufährt (zweimaliger Dopplereffekt, Signalhin- und -rückweg können unabhängig voneinander betrachtet werden). Sobald der Radarwellenreflexionspunkt 3 nicht mehr auf der x-Achse liegt, gibt es keine eindeutige Funktion des Produkts cos(φ)·sin(θ) mehr. Der sich dadurch ergebende Wahrscheinlichkeitskreis für die wahrscheinliche Lage des Radarwellenreflexionspunkt liegt parallel zur y-z-Ebene und besitzt den Koordinatenmittelpunkt (x_k; y_k z_k):
und den Radius (r_k):
Alle Punkte dieses Wahrscheinlichkeitskreises besitzen den Abstand R₀ zum Koordinatenursprung, da gilt:
Beispiel: Sei
dann folgt daraus, dass cos(φ)·sin(θ) = 1 / 4 ist. Daraus folgen unendlich viele mögliche Wertepaare von φ und θ. Diese erzeugen zusammen mit dem gemessen Abstand R₀ vom Radarwellenreflexionspunkt einen Wahrscheinlichkeitskreis, parallel zur y-z-Ebene wobei jeder Kreispunkt den Abstand R₀ zum Ursprung besitzt. Der Wahrscheinlichkeitskreis hat damit seinen Mittelpunkt in (x_k = 1 / 4·R₀ y_k = 0 z_k = 0) mit dem Radius r_k = R₀·
Mindestens drei Sensoren müssen für eine eindeutige Zuordnung eines Radarreflexionspunkt im dreidimensionalen Raum vorhanden sein. Die drei Sensoren müssen ein Dreieck im Raum bilden und dürfen daher nicht auf einer Linie im Raum liegen, da es sonst zu Mehrdeutigkeiten kommen kann. Durch die zweimalige Berechnung des Lagewinkels sowohl in Azimut φ als auch in Elevation θ aus den Abständen und Relativgeschwindigkeiten wird sichergestellt, dass die jeweiligen Wahrscheinlichkeitskreise 9 (z. B. in 5) auf der Kugeloberfläche liegen und sich die Radarwellenreflexionspunkte nicht bewegen.
7 zeigt ein Beispiel mit drei Radarsensoren 1, 11, 21. Die Abstandsringe der drei Radarsensoren spannen jeweils eine Kugel auf und werden daher zu Abstandskugeln. Auf der Oberfläche der Abstandskugeln befinden sich die drei Wahrscheinlichkeitskreise 9, 19, 29 der Radarwellenreflexionspunkte. Der Schnittpunkt aller drei Wahrscheinlichkeitskreise gibt die genaue Lage des Radarwellenreflexionspunkts im Raum wieder. Aus den vorgenannten Berechnungen lässt sich das Azimut und die Elevation der Radarwellenreflexpunkte an den Objekten bestimmen. Durch die Doppelte Berechnung der Lagewinkel aus den Abständen und der Relativgeschwindigkeit lässt sich sicherstellen, dass es sich bei den Radarwellenreflexionspunkten um stationäre Objekte handelt.
Messabweichungen können jedoch dazu führen, dass nicht immer ein Schnittpunkt 31 der drei Wahrscheinlichkeitskreise vorliegt. Die Messergebnisse der einzelnen Radarsensoren 1, 11, 21 werden daher in ein dreidimensionales Grid 33, wie in 8 gezeigt, eingetragen. Nach einigen Messzyklen werden stationäre Radarreflexionspunkte im Grid an der gleichen Position im Raum unter Berücksichtigung der Eigenbewegung der Radarsensoren 1, 11, 21 verbleiben, währende Radarreflexionspunkte mit einer Eigengeschwindigkeit also nicht stationäre Objekte verschwinden. Die Eintragungen im Grid 33 stellen daher eine Wahrscheinlichkeit dafür dar, dass an dieser Stelle tatsächlich ein stationäres Objekt vorhanden ist. Durch eine Vielzahl an Messzyklen kann somit die Genauigkeit erhöht werden. Der Schnittpunkt einer Vielzahl von Wahrscheinlichkeitskreisen bildet eine relative Bewegungsrichtung des stationären Objekts zu den Radarsensoren ab. Die Radarreflexionspunkte mit der höchsten Wahrscheinlichkeit zeigen eine Line 35 entlang derer sich der Radarreflexionspunkt bewegt, bzw. sich das Fahrzeug auf die Radarreflexionspunkte zubewegt. Durch die Einbeziehung der Eigenbewegung der Radarsensoren 1, 11, 21 bzw. des Fahrzeuges wird die erwähnte Linie bzw. Linien im Grid als Punkt bzw. Punkte im dreidimensionalen Raum abgebildet.
9 zeigt ein Radarsystem 41 für ein Fahrzeug mit drei Radarsensoren 1, 11, 21 und einer Steuereinheit 43. Die Radarsensoren 1, 11, 21 senden eine Radarwelle aus und empfangen die im Radarwellenreflexionspunkt am Objekt reflektierte Radarwelle. Die Steuereinheit 43 führt daraufhin ein bevorzugtes Verfahren zur Bestimmung des Lagewinkels durch.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1371997 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Lagewinkels (8, φ, θ) eines Radarwellenreflexionspunkts mit den Schritten: – ein Senden von Radarwellen von zwei sich bewegenden Radarsensoren (1, 11, 21) mit unterschiedlicher, bekannter Sendeposition; – ein Empfangen von Radarwellen nach Reflexion an dem Radarwellenreflexionspunkt (3, 5) eines Objekts; – ein Bestimmen von mindestens den Abständen (2, 12) oder Relativgeschwindigkeiten (7, 17) des Radarwellenreflexionspunkts (3, 5) zu den unterschiedlichen Sendepositionen; und – ein Berechnen des Lagewinkels (8, φ, θ) aus den bestimmten Abständen (2, 12) oder Relativgeschwindigkeiten (7, 17).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: – ein Senden einer dritten Radarwelle von einer dritten Sendeposition wobei die drei bekannten Sendepositionen ein Dreieck bilden; – ein Empfangen der dritten Radarwelle nach Reflexion an dem Radarwellenreflexionspunkt (3, 5) des Objekts; – ein Bestimmen von mindestens den Abständen (2, 12) oder Relativgeschwindigkeiten (7, 17) des Radarwellenreflexionspunkts (3, 5) zu der dritten Sendeposition; und – ein Berechnen von Lagewinkeln (8) in Azimut (φ) und Elevation (θ) aus den bestimmten Abständen (2, 12) oder Relativgeschwindigkeiten (7, 17).
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeweils ein Lagewinkel (8, φ, θ) aus den Abständen (2, 12) und den Relativgeschwindigkeiten (7, 17) berechnet wird und ein stationärer Radarwellenreflexionspunkt (3, 5) erkannt wird, wenn der aus den Abständen (2, 12) und der aus den Relativgeschwindigkeiten (7, 17) berechnete Lagewinkel (8, φ, θ) annähernd gleich ist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Radarwellenreflexionspunkt (3, 5) anhand der bestimmten Abstände (2, 12) und Relativgeschwindigkeiten (7, 17) in ein Grid (33) eingetragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei eine Vielzahl von Radarwellenreflexionspunkten (3, 5) in das Grid (33) verzeichnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei eine Objektwahrscheinlichkeit aus der Vielzahl von Radarwellenreflexionspunkten (3, 5) berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei eine Objektklassifizierung anhand der Objektwahrscheinlichkeiten im Grid (33) derart erfolgt, dass mindestens Breite oder Höhe der stationären Objekte aus mindestens Azimut (φ) oder Elevation (θ) bestimmt wird.
Radarsystem (41) für ein Fahrzeug, umfassend – zwei sich bewegende Radarsensoren (1, 11, 21), mit unterschiedlicher, bekannter Sendeposition, mittels derer ein Abstand (2, 12) und eine Relativgeschwindigkeit (7, 17) mindestens eines Radarwellenreflexionspunkts (3, 5) an einem Objekt bestimmbar ist; – eine Berechnungseinheit (43) mittels derer mindestens ein Lagewinkel (8, φ, θ), gemäß einem Verfahren eines der vorherigen Ansprüche berechenbar ist, wobei die Berechnungseinheit (43) einen elektronischen Speicher umfasst, auf dem das Verfahren hinterlegt ist.
Radarsystem (21) für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 8, ferner umfassend: – einen dritten Radarsensor (1, 11, 21), mit einer dritten Sendeposition, wobei die drei bekannten Sendepositionen ein Dreieck bilden.