DE102016013939A1 - Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe (ht) eines Objekts (O) in einer Fahrzeugumgebung, wobei die Fahrzeugumgebung mittels zumindest eines an einem Fahrzeug (1) angeordneten Radarsensors (2) erfasst wird und wobei die Höhe (ht) des Objekts (O) mittels einer Auswertung eines Dopplerfrequenzverlaufs ermittelt wird.
Erfindungsgemäß wird bei der Ermittlung der Höhe (ht) des Objekts (O) eine Mehrwegausbreitung von Radarstrahlen des Radarsensors (2) berücksichtigt, wobei eine hochauflösende Spektralanalyse durchgeführt wird und wobei ein hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung eines Wegunterschieds (Δr) bei Mehrwegausbreitung anhand eines Leistungsdichtespektrums verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2015 009 382 A1 beschrieben, ein Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts in einer Fahrzeugumgebung bekannt, wobei die Fahrzeugumgebung mittels zumindest eines an einem Fahrzeug angeordneten Radarsensors erfasst wird. Die Höhe des Objekts wird mittels einer Auswertung einer Verschiebung einer Dopplerfrequenz zwischen einem vom Radarsensor ausgesendeten und einem vom Objekt reflektierten Radarsignal ermittelt. Die Höhe wird in der Auswertung aus einem unter Berücksichtigung einer Annäherungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs an das Objekt ermittelten zeitlichen Dopplerfrequenzverlauf anhand eines Vergleichs mit hinterlegten Muster-Dopplerfrequenzverläufen oder aus einem Verhältnis einer Radialgeschwindigkeitskomponente der Annäherungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs an das Objekt und einer Längsgeschwindigkeitskomponente der Annäherungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung eines Abstands des Fahrzeugs zum Objekt ermittelt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • In einem Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts in einer Fahrzeugumgebung wird die Fahrzeugumgebung mittels zumindest eines an einem Fahrzeug angeordneten Radarsensors erfasst und die Höhe des Objekts mittels einer Auswertung eines Dopplerfrequenzverlaufs ermittelt. Erfindungsgemäß wird bei der Ermittlung der Höhe des Objekts eine Mehrwegausbreitung von Radarstrahlen des Radarsensors berücksichtigt, wobei eine hochauflösende Spektralanalyse durchgeführt wird und wobei ein hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung eines Wegunterschieds bei Mehrwegausbreitung anhand eines Leistungsdichtespektrums verwendet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Höhe des Objekts in besonders zuverlässiger und einfacher Weise mittels des zumindest einen Radarsensors. Hierdurch wird eine Erhöhung einer Zuverlässigkeit von Fahrerassistenzsystemen zur autonomen oder teilautonomen Längs- und/oder Quersteuerung eines Fahrzeugs erreicht, da von einer Fahrbahn erhabene und nicht erhabene Objekte zuverlässig voneinander unterschieden werden können. Somit werden fehlerhafte Steuerungen des Fahrzeugs, beispielsweise zur Vermeidung von Kollisionen mit nicht erhabenen Objekten oder Objekten mit geringer Höhe, wie beispielsweise Bordsteinen, vermieden. Weiterhin wird eine Robustheit von radarbasierten Fahrerassistenzsystemen, insbesondere eine Erhöhung einer Robustheit einer Lokalisierung des Fahrzeugs anhand der Radardaten, erhöht, da das Verfahren nicht mehr nur zweidimensionale Ergebnisse, sondern dreidimensionale Ergebnisse, insbesondere Punktwolken, liefert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer ersten Fahrzeugumgebung,
  • 2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer zweiten Fahrzeugumgebung,
  • 3 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer dritten Fahrzeugumgebung,
  • 4 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer vierten Fahrzeugumgebung,
  • 5 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer fünften Fahrzeugumgebung,
  • 6 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer sechsten Fahrzeugumgebung,
  • 7 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer siebten Fahrzeugumgebung,
  • 8 schematisch eine Seitenansicht eines Fahrzeugs und einen Erfassungsbereich eines an dem Fahrzeug angeordneten Radarsensors,
  • 9 schematisch zur Bestimmung einer Höhe eines Objekts verwendbare geometrische Verhältnisse,
  • 10 schematisch eine Darstellung einer hochauflösenden Spektralanalyse,
  • 11 schematisch eine weitere Darstellung einer hochauflösenden Spektralanalyse,
  • 12 schematisch ein Leistungsdichtespektrum mittels schneller Fourier-Transformation,
  • 13 schematisch ein hochauflösendes Leistungsdichtespektrum, und
  • 14 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe eines Objekts.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In den 1 bis 7 sind unterschiedliche Fahrzeugumgebungen mit unterschiedlichen Objekten O dargestellt, wobei das Objekt O in 1 ein überfahrbarer Temposchweller ist, die Objekte O in 2 nicht überfahrbare Abgrenzungen sind, das Objekt O in 3 ein Bordstein ist, das Objekt O in 4 eine Absperrvorrichtung für einen Parkplatz ist, die Objekte O in 5 unterfahrbare Stützträger und Rohrleitungen in einem Parkhaus sind, das Objekt O in 6 eine unterfahrbare Brücke ist und das Objekt O in 7 eine Abdeckung für eine Regenrinne ist.
  • 8 zeigt eine Seitenansicht eines Fahrzeugs 1 und einen Erfassungsbereich E eines an dem Fahrzeug 1 angeordneten Radarsensors 2.
  • Das Fahrzeug 1 umfasst in einem möglichen Ausführungsbeispiel in nicht näher dargestellter Weise ein Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung eines Fahrers des Fahrzeugs 1 beim Einparken desselben. Ein solches Fahrerassistenzsystem ist beispielsweise als selbstlernendes System zum hoch-automatisierten Anfahren und Abfahren von häufig genutzten, nicht vermessbaren Parkplätzen, wie beispielsweise einer eigenen Garage, ausgebildet.
  • Für eine solche Unterstützung des Fahrers ist es erforderlich, dass in der Fahrzeugumgebung vorhandene Objekte O erkannt werden und in Abhängigkeit ihrer Höhe h als Hindernis oder nicht als Hindernis bewertet werden.
  • Vom Fahrzeug 1 über- oder unterfahrbare Objekte O, wie zum Beispiel ein Bordstein, ein Deckenelement, ein Gullydeckel oder Kanaldeckel, können ohne Schaden für das Fahrzeug 1, insbesondere für dessen Reifen, überfahren werden, sind aber ohne zusätzliche Information über die Höhe ht des Objekts O sehr schwierig zu identifizieren. Die Objekte O werden mittels des zumindest einen am Fahrzeug 1 angeordneten Radarsensors 2 erfasst und beispielsweise in Belegungsgittern, auch als Occupancy-Grids bezeichnet, dargestellt. Ohne zusätzliche Information über die Höhe ht des jeweiligen Objekts O ist dieses nur schwierig zu identifizieren und wird deshalb im Occupancy-Grid als Hindernis markiert. Während eines Betriebs des Fahrerassistenzsystems kann es aufgrund dieser als Hindernis gekennzeichneten, jedoch über- oder unterfahrbaren Objekte O zu falsch-positiven Bremsungen oder einer falschen Querführung des Fahrzeugs 1 kommen, um Kollisionen mit den Objekten O zu vermeiden oder den Objekten O auszuweichen.
  • Eine Höhenbewertung oder Bestimmung der Höhe ht solcher Objekte O nur anhand einer vom Radarsensor 2 gelieferten Amplitude ist nicht ausreichend und kann häufig zu falschen Entscheidungen führen. Auch problematisch ist eine Höhenbewertung von potenziellen Hindernissen mittels Kamerasensoren, da Objekte O verschiedene Merkmale, beispielsweise hinsichtlich ihrer Form und Farbe, aufweisen können.
  • Um während des autonomen oder teilautonomen Betriebs des Fahrzeugs 1 ein jeweiliges als Hindernis ausgebildetes stehendes Objekt O auf einem Fahrweg zu erkennen und als überfahrbar, unterfahrbar oder nicht befahrbar zu klassifizieren, wird anhand mittels des Radarsensors 2 erfasster Daten eine radarbasierte Bestimmung der Höhe ht des jeweiligen Objekts O in der Fahrzeugumgebung mittels einer Auswertung eines Dopplerfrequenzverlaufs durchgeführt. Bei der Ermittlung der Höhe ht des Objekts O wird eine Mehrwegausbreitung von Radarstrahlen des Radarsensors 2 berücksichtigt, wie in 8 gezeigt. Es wird eine hochauflösende Spektralanalyse durchgeführt und ein hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung eines Wegunterschieds Δr bei Mehrwegausbreitung anhand eines Leistungsdichtespektrums (PSD) verwendet.
  • Zur Bestimmung der Höhe ht des Objekts O wird der Wegunterschied Δr, d. h. eine Differenz, zwischen einem direkten Pfad AB zwischen dem Radarsensor 2 und dem Objekt O und einem indirekten Pfad ACB zwischen dem Radarsensor 2 und dem Objekt O in Kombination mit einer Einbauhöhe hs des Radarsensors 2 und einem horizontalen Objektabstand D des Radarsensors 2 zum Objekt O verwendet, wie in 9 gezeigt.
  • Das in 8 dargestellte Objekt O ist von einer Fahrbahnoberfläche erhaben und weist die Höhe ht in Richtung einer y-Achse y eines Koordinatensystems auf und ist in Richtung einer x-Achse x des Koordinatensystems vom Fahrzeug 1 und somit von dessen Radarsensor 2 beabstandet. Es reflektiert die Radarsignale des Radarsensors 2 und erzeugt Dopplerfrequenzen im empfangenen Radarsignal. Die vom Radarsensor 2 abgestrahlten Radarstrahlen bewegen sich entlang zweier separater Pfade AB, ACB, d. h. entlang des direkten Pfades AB und entlang des indirekten Pfades ACB, bevor sie ein Punktziel B am Objekt O erreichen. Die vom Objekt O, genauer gesagt von dessen Punktziel B, reflektierte Energie der Radarstrahlen bewegt sich auf dem selben jeweiligen Pfad AB, ACB zum Radarsensor 2 zurück.
  • Geometrische Verhältnisse zwischen dem Radarsensor 2 und dem Objekt O sind in 9 gezeigt. Dargestellt ist die bekannte Einbauhöhe hs des Radarsensors 2, die Höhe ht des Objekts O, hier dargestellt als Höhe ht des Punktziels B am Objekt O, welche an der x-Achse x gespiegelt ist zum gespiegelten Punktziel B', ein mittels des Radarsensors 2 ermittelbarer radialer Objektabstand R des Radarsensors 2 zum Objekt O entlang des direkten Pfades AB, der horizontaler Objektabstand D des Radarsensors 2 zum Objekt O und ein Winkel β des indirekten Pfades ACB zur x-Achse x, beispielsweise zu einer Fahrbahn.
  • Daraus ergibt sich folgende Formel:
    Figure DE102016013939A1_0002
  • Daraus folgt:
    Figure DE102016013939A1_0003
  • Zur Bestimmung des Wegunterschied Δr zwischen dem direkten Pfad AB zwischen dem Radarsensor 2 und dem Objekt O und dem indirekten Pfad ACB zwischen dem Radarsensor 2 und dem Objekt O wird die hochauflösende Spektralanalyse verwendet. Es wird ein moduliertes Dauerstrichradar verwendet, auch als FMCW-Radar (frequency modulated continuous wave) bezeichnet. Dabei korrespondiert ein Zielabstand, d. h. der radiale Objektabstand R des Radarsensors 2 zum Objekt O entlang des direkten Pfades AB, zu einem Hauptausschlag HA bei einer ersten Frequenz im Frequenzbereich. Diese erste Frequenz wird auch als beat frequency bezeichnet.
  • Bei der Mehrwegausbreitung erhält man zudem bei einer zweiten Frequenz nahe des Hauptausschlags HA einen Sekundärausschlag SA. Dieser Sekundärausschlag SA ist das Resultat der Ausbreitung und Reflexion der Radarwellen entlang des indirekten Pfades ACB, so dass dessen zweite Frequenz immer höher ist als die erste Frequenz des Hauptausschlags HA. Im in 10 dargestellten Abstandsbereich im Weg-r-Diagramm korrespondiert ein Abstand zwischen dem Hauptausschlag HA und dem Sekundärausschlag SA zum Wegunterschied Δr, wie in 10 gezeigt.
  • Eine Abstandsauflösung c des Wegunterschied Δr der Mehrwegausbreitung wird durch eine Radarbandbreite RB limitiert: Δr = c / 2RB (3)
  • Der Wegunterschied Δr der Mehrwegausbreitung ist klein bei kleinen Objekten O, d. h. bei Objekten O mit geringer Höhe ht. Bei derartigen niedrigen Objekten O kann der Wegunterschied Δr der Mehrwegausbreitung kleiner sein als die Abstandsauflösung c bzw. Radarbandbreite RB des Radarsensors 2: Δr < RB (4)
  • Ist dies der Fall, fallen der Hauptausschlag HA und der Sekundärausschlag SA zusammen und bilden einen gemeinsamen Einzelausschlag, wie in 11 gezeigt, so dass dann der Abstand zwischen Hauptausschlag HA und Sekundärausschlag SA nicht mehr ermittelt werden kann, wodurch auch die Höhe ht des Objekts O nicht mehr bestimmt werden kann. Das gleiche Problem tritt bei Objekten O in einer großen Entfernung zum Radarsensor 2 auf, da auch dann der Wegunterschied Δr der Mehrwegausbreitung kleiner sein kann als die Abstandsauflösung c bzw. Radarbandbreite RB des Radarsensors 2.
  • Daher werden zweckmäßigerweise hochauflösende Verfahren zur Bestimmung des Wegunterschieds Δr bei Mehrwegausbreitung anhand des Leistungsdichtespektrums verwendet, genauer gesagt hochauflösende Spektralanalyseverfahren, beispielsweise RELAX, MODE, MODE-RELAX, ESPRIT. Durch deren Verwendung können der Hauptausschlag HA und der Sekundärausschlag SA sehr genau bestimmt werden, so dass sie auch für kleine Objekte O und für weit vom Radarsensor 2 entfernte Objekte O voneinander separiert werden können. Dadurch kann der Wegunterschied Δr der Mehrwegausbreitung und somit die Höhe ht des Objekts O bestimmt werden. Die 12 und 13 zeigen, jeweils in einem Frequenz f – Ausschlag AS – Diagramm, einen Vergleich eines mittels schneller Fourier-Transformation erzeugten Leistungsdichtespektrums FFTPSD (12) und eines mittels eines hochauflösenden Verfahrens erzeugten Leistungsdichtespektrums HRPSD (13).
  • Zur Bestimmung der Höhe ht des Objekts O wird zweckmäßigerweise verfahren, wie in einem Ablaufschema in 14 gezeigt. In einem ersten Schritt S1 wird ein Zeitsignal erfasst. In einem zweiten Schritt S2 wird über dieses Zeitsignal ein Fenster gelegt, auch als windowing bezeichnet. In einem dritten Schritt S3 wird eine schnelle Fourier Transformation, insbesondere eine grobe schnelle Fourier Transformation, durchgeführt. Objekte O werden mittels eines so genannten adaptiven CFAR-Verfahrens detektiert. Die detektierten Objekte O werden in einem vierten Schritt S4 im Frequenzbereich mittels eines Bandpassfilters in Teilbänder eingeteilt. In einem fünften Schritt S5 werden diese Teilbänder mittels inverser schneller Fourier Transformation in den Zeitbereich transformiert, d. h. in ein Zeitsignal. In einem sechsten Schritt S6 wird ein hochauflösender Spektralanalysealgorithmus auf das Zeitsignal angewandt, beispielsweise RELAX, Mode oder ESPRIT. In einem siebten Schritt S7 werden im erhaltenen hochaufgelösten Leistungsdichtespektrum zwei Ausschläge HA, SA durch Verwendung lokaler Maxima detektiert. Der Abstand zwischen den beiden Ausschlägen HA, SA wird ermittelt und dem Mehrwegmodell zur Bestimmung der Höhe ht des Objekts O in einem achten Schritt S8 zugeführt. Das Resultat dieses Verfahrens ist die ermittelte Höhe ht des Objekts O. Wenn im siebten Schritt S7 die Detektion der beiden Ausschläge HA, SA fehlschlägt, folgt auf diesen siebten Schritt S7 zunächst ein Zwischenschritt ZS, in welchem ein so genanntes two curve Gaussian mixture fit Verfahren auf das hochaufgelöste Leistungsdichtespektrum angewandt wird. Dann werden die zwei Ausschläge HA, SA korrespondierend zum Mittelwert der fitted gaussian curves extrahiert. Der Abstand zwischen den beiden Ausschlägen HA, SA wird ermittelt und dem Mehrwegmodell zur Bestimmung der Höhe ht des Objekts O im achten Schritt S8 zugeführt, so dass auch hier das Resultat des Verfahrens die ermittelte Höhe ht des Objekts O ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    Radarsensor
    AB
    direkter Pfad
    ACB
    indirekter Pfad
    AS
    Ausschlag
    B
    Punktziel
    B'
    gespiegeltes Punktziel
    D
    horizontaler Objektabstand
    E
    Erfassungsbereich
    f
    Frequenz
    FFTPSD
    mittels schneller Fourier-Transformation erzeugtes Leistungsdichtespektrums
    HRPSD
    mittels eines hochauflösenden Verfahrens erzeugtes Leistungsdichtespektrums
    HA
    Hauptausschlag
    SA
    Sekundärausschlag
    hs
    Einbauhöhe
    ht
    Höhe des Objekts
    O
    Objekt
    R
    radialer Objektabstand
    r
    Weg
    x
    x-Achse
    y
    y-Achse
    β
    Winkel
    Δr
    Wegunterschied
    S1
    erster Schritt
    S2
    zweiter Schritt
    S3
    dritter Schritt
    S4
    vierter Schritt
    S5
    fünfter Schritt
    S6
    sechster Schritt
    S7
    siebter Schritt
    S8
    achter Schritt
    ZS
    Zwischenschritt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015009382 A1 [0002]

Claims (3)

  1. Verfahren zur radarbasierten Bestimmung einer Höhe (ht) eines Objekts (O) in einer Fahrzeugumgebung, wobei die Fahrzeugumgebung mittels zumindest eines an einem Fahrzeug (1) angeordneten Radarsensors (2) erfasst wird und wobei die Höhe (ht) des Objekts (O) mittels einer Auswertung eines Dopplerfrequenzverlaufs ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Höhe (ht) des Objekts (O) eine Mehrwegausbreitung von Radarstrahlen des Radarsensors (2) berücksichtigt wird, wobei eine hochauflösende Spektralanalyse durchgeführt wird und wobei ein hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung eines Wegunterschieds (Δr) bei Mehrwegausbreitung anhand eines Leistungsdichtespektrums verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Höhe (ht) des Objekts (O) der Wegunterschied (Δr) zwischen einem direkten Pfad (AB) zwischen dem Radarsensor (2) und dem Objekt (O) und einem indirekten Pfad (ACB) zwischen dem Radarsensor (2) und dem Objekt (O) in Kombination mit einer Einbauhöhe (hs) des Radarsensors (2) und einem horizontalen Objektabstand (D) des Radarsensors (2) zum Objekt (O) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der hochauflösenden Spektralanalyse der Wegunterschied (Δr) aus einem Abstand zwischen einer Frequenz eines mit dem direkten Pfad (AB) korrespondierenden Hauptausschlags (HA) und einer Frequenz eines mit dem indirekten Pfad (ACB) korrespondierenden Sekundärausschlags (SA) bestimmt wird.
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