DE102019115729A1

DE102019115729A1 - Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug zur Bestimmung einer relativen Geschwindigkeit anhand einer Signalform eines Sendesignals

Info

Publication number: DE102019115729A1
Application number: DE102019115729.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Straschill
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2019-08-01
Also published as: DE102018114986A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem (1; 101) für ein Fahrzeug (2) zur Erfassung einer relativen Geschwindigkeit und eines relativen Abstandes eines Objektes (3) zu dem Fahrzeug (2), das Fahrerassistenzsystem (1; 101) aufweisend einen Sender (102), der eingerichtet ist, eine elektromagnetische Strahlung und mit dieser Strahlung ein Sendesignal mit einer Signalform auszusenden, welches sich zumindest aus einer ersten Schwingung und einem zusätzlichen Signal zusammensetzt, und eine Veränderung der Signalform des Sendesignals zu bewirken, und einen Empfänger (103) mit einer Auswertungseinheit (104), der die Strahlung empfängt und eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Signalform des Sendesignals die relative Geschwindigkeit und den relativen Abstand zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug zur Erfassung einer relativen Geschwindigkeit und eines relativen Abstandes eines Objektes zu dem Fahrzeug, wobei das Fahrerassistenzsystem einen Sender hat, der eine elektronmagnetische Strahlung aussendet.
Ein derartiges Fahrerassistenzsystem ist aus der US 2015/0362591 A1 bekannt. Der darin beschriebene Sender sendet eine elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Frequenzen zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten aus, wobei sich die Frequenz bei fortschreitender Zeit zunächst linear erhöht und ab einem bestimmten Zeitpunkt linear abnimmt. Eine relative Geschwindigkeit eines vor dem Fahrzeug fahrenden weiteren Fahrzeugs kann dadurch bestimmt werden, indem mit einem Empfänger eine erste Frequenz zu einem ersten Zeitpunkt gemessen wird, wobei der erste Zeitpunkt in einem Zeitintervall liegt, in dem die ausgesendete Frequenz des Senders sich erhöht, und eine zweite Messung zu einem zweiten Zeitpunkt vorgenommen wird, der innerhalb eines weiteren Zeitintervalls liegt, in dem sich die ausgesendete Frequenz erniedrigt. Da die ausgesendete Frequenz zu jedem Zeitpunkt bekannt ist, kann mit Hilfe der ersten und zweiten Messung ein Gleichungssystem mit zwei Gleichungen aufgestellt werden, wodurch eine unbekannte Frequenzverschiebung, die durch den Dopplereffekt verursacht wird, eliminiert und die unbekannte relative Geschwindigkeit berechnet werden kann.
In der US 6,362,777 B1 ist ein ähnliches Verfahren zur Bestimmung einer relativen Geschwindigkeit zwischen zwei Fahrzeugen beschrieben. Dadurch, dass zwei getrennte Messungen vorgenommen werden und eine Zeit zwischen diesen beiden Messungen vergeht, ist es möglich, dass dieses Verfahren zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit zwischen zwei Fahrzeugen ungenau ist. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die beiden Fahrzeuge sich mit einer sehr hohen relativen Geschwindigkeit aufeinander zubewegen. Eine ungenaue Bestimmung der relativen Geschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs ist insbesondere dann kritisch, wenn ein Sicherheitssystem des Fahrzeugs in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit gesteuert werden soll.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug mit einem Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, mit dem eine relative Geschwindigkeit und ein relativer Abstand eines Objektes zu dem Fahrzeug genauer ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Fahrerassistenzsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Fahrerassistenzsystems und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug zur Erfassung einer relativen Geschwindigkeit und eines relativen Abstandes eines Objektes zu dem Fahrzeug vorgeschlagen. Das Fahrerassistenzsystem weist einen Sender auf, der eingerichtet ist, eine elektromagnetische Strahlung und mit dieser Strahlung ein Sendesignal mit einer Signalform auszusenden. Das Sendesignal setzt sich zumindest aus einer ersten Schwingung und einem zusätzlichen Signal zusammen. Des Weiteren ist der Sender eingerichtet, eine Veränderung der Signalform des Sendesignals zu bewirken. Das Fahrerassistenzsystem hat weiterhin einen Empfänger mit einer Auswertungseinheit, der die Strahlung empfängt und eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Signalform des Sendesignals die relative Geschwindigkeit und den relativen Abstand zu bestimmen.
Die erste Schwingung ist eine harmonische Schwingung mit einer ersten Frequenz. Das zusätzliche Signal kann ebenfalls eine harmonische Schwingung mit einer zweiten Frequenz sein, kann aber in einer Weiterbildung sich aus weiteren zusätzlichen Signalen mit jeweiligen weiteren Frequenzen zusammensetzen. Bevorzugt sendet der Sender die erste Schwingung und das zusätzliche Signal kontinuierlich über eine Zeit aus, in der die relative Geschwindigkeit und der relative Abstand bestimmt werden sollen. Möglich ist auch, dass der Sender das Sendesignal während einer ersten Zeitspanne aussendet, eine Sendung des Sendesignals unterbricht und anschließend während einer zweiten Zeitspanne das Sendesignal wieder aussendet. In diesem Fall weist das Sendesignal in der ersten Zeitspanne eine andere Signalform als in der zweiten Zeitspanne auf.
Der Empfänger hat zumindest einen Detektor, der die Strahlung und damit ein von dem Sendesignal abhängiges Empfangssignal empfangen kann. Der Detektor kann eine Antenne sein, insbesondere für den Fall, dass die Strahlung eine Radarstrahlung ist. Weist die Strahlung Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts auf, ist der Detektor vorteilhaft als Photosensor ausgebildet.
Das Empfangssignal hat eine Signalform, die aufgrund des Doppler-Effektes bei einer von Null verschiedenen relativen Geschwindigkeit des Objektes zu dem Fahrzeug gegenüber der Signalform des Sendesignals gestaucht oder gestreckt ist.
Das Empfangssignal ist bevorzugt in Form eines zeitlichen Verlaufes einer Spannung, die von dem Empfänger beim Empfangen des Empfangssignals erzeugt wird, darstellbar, wobei der Verlauf der Spannung der Signalform des Empfangssignals entspricht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Sender zumindest einen ersten Oszillator, der die erste Schwingung erzeugt, und zumindest ein verstellbares Steuerelement auf. Die Veränderung der Signalform des Sendesignals ist bevorzugt von einer Verstellung des Steuerelementes abhängig. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass mit dem Steuerelement die Signalform des Sendesignals gezielt verändert werden kann.
Weiterhin hat der Sender zumindest eine veränderbare Stellgröße, beispielsweise eine Steuerspannung eines Verstärkers, zum Verändern der Signalform des Sendesignals. Mithilfe der Stellgröße ist insbesondere das Steuerelement, zum Beispiel der Verstärker, verstellbar.
Eine einfache Variante kann vorsehen, dass sich die Stellgröße rampenförmig über der Zeit verändert. Hierdurch ist eine besonders einfache Bestimmung des relativen Abstandes und der relativen Geschwindigkeit möglich.
Dadurch, dass sich das Sendesignal aus der ersten Schwingung und dem zusätzlichen Signal zusammensetzt, weicht die Signalform des Sendesignals von einer Sinusform einer einzigen Sinuswelle ab. Für die meisten Anwendungsfälle der Erfindung wird die Stellgröße über der Zeit verändert, jedoch kann das Sendesignal dadurch charakterisiert werden, dass die Signalform des Sendesignals von einer Sinusform abweicht, auch wenn die Stellgröße über ein erstes Zeitintervall konstant ist. Mit der Signalform des Sendesignals ist bevorzugt eine Form eines Graphen des Sendesignals über das erste Zeitintervall gemeint, das mit einem ersten Nulldurchgang des Sendesignals beginnt und mit einem zeitlich gesehen übernächsten Nulldurchgang des Sendesignals endet. Der Graph kann eine über einer Antenne des Senders anliegende Spannung beim Aussenden der Strahlung während des ersten Zeitintervalls darstellen.
Die Signalform des Sendesignals wird durch einen Oberwellengehalt des Sendesignals bestimmt. Dadurch, dass die Signalform des Sendesignals von der Sinusform abweicht, ist der Oberwellengehalt des Sendesignals ungleich Null.
Der Oberwellengehalt des Sendesignals ist insbesondere mittels zwei Varianten bestimmbar. Hierzu soll für beide Varianten angenommen werden, dass die Stellgröße über ein zweites Zeitintervall konstant ist. Das zweite Zeitintervall ist vorzugsweise größer als das erste Zeitintervall, sodass die erste Schwingung während des zweiten Zeitintervalls mehrere, beispielsweise zehn, Nulldurchgänge hat.
Bei der ersten Variante wird eine Fourier-Reihen-Zerlegung eines theoretisch aussendbaren Sendesignals des Senders durchgeführt. Das theoretisch aussendbare Sendesignal kann dadurch gewonnen werden, dass sämtliche Komponenten des Senders und Werte von Parametern zum Verstellen dieser Komponenten bekannt sind und als ideal funktionierend betrachtet werden und angenommen wird, dass die Werte der Parameter, insbesondere der Stellgröße, während des zweiten Zeitintervalls konstant sind.
Im Sinne der Erfindung hat auch das theoretisch aussendbare Sendesignal einen Oberwellengehalt. Dies bedeutet, dass als Ergebnis einer Fourier-Reihen-Zerlegung des theoretisch aussendbaren Sendesignals zwei von Null verschiedene Fourier-Koeffizienten berechnet werden. Zumindest einer der beiden Koeffizienten ist ein Maß für einen Anteil einer Oberschwingung einer Grundschwingung an dem theoretisch aussendbaren Sendesignal. Dabei muss die Grundschwingung nicht in dem theoretisch aussendbaren Sendesignal und auch nicht in dem Sendesignal enthalten sein. Ein gesamter Oberwellengehalt des theoretisch aussendbaren Ausgangsignals ist anhand aller Fourier-Koeffizienten bestimmbar, die mithilfe der Fourier-Reihen-Zerlegung gewonnen werden. Gemäß der ersten Variante entspricht der Oberwellengehalt des theoretisch aussendbaren Sendesignals annähernd dem Oberwellengehalt des Sendesignals.
Die zweite Variante zur Bestimmung des Oberwellengehaltes sieht eine diskrete Fourier-Transformation des Sendesignals vor. Dadurch, dass das Sendesignal den Oberwellengehalt hat, ist mithilfe der diskreten Fourier-Transformation erkennbar, dass sich das Sendesignal aus zumindest einer Oberschwingung in Bezug zu einer Grundschwingung zusammensetzt. Der gesamte Oberwellengehalt des Sendesignals ist gemäß der zweiten Variante anhand eines aus der diskreten Fourier-Transformation gewonnenen diskreten Frequenzspektrums bestimmbar. Des Weiteren kann dem Sendesignal ein Frequenzspektrum zugordnet werden.
Der Empfänger ist eingerichtet, in Abhängigkeit der Signalform des Sendesignals die relative Geschwindigkeit und den relativen Abstand zu bestimmen. Hierzu kann die Auswertungseinheit die Signalform oder eine Frequenzspektrum des Empfangssignals mit der Signalform beziehungsweise des Sendesignals vergleichen. Möglich ist auch, dass die Auswertungseinheit Werte von Parametern des Empfangssignals, die unmittelbar mit der Signalform beziehungsweise dem Frequenzspektrum zusammenhängen, mit Werten von korrespondierenden Parametern des Sendesignals vergleicht. Ein erster und ein zweiter Parameter kann beispielsweise jeweils eine Frequenz sein, die in dem jeweiligen Frequenzspektrum die höchste beziehungsweise zweithöchste Intensität hat. Vorteilhaft ist der Empfänger an einen Aufbau des Senders angepasst, um die Signalform des Sendesignals zu erkennen.
Weiterhin ist ein Verlauf eines Wertes der Stellgröße über ein drittes Zeitintervall bekannt und wird im Folgenden als Stellgrößenfunktion bezeichnet. Das dritte Zeitintervall ist im Vergleich zu einem Zeitraum, den die Strahlung benötigt, um von dem Sender über eine Reflektion an dem Objekt zu dem Empfänger zu gelangen, verhältnismäßig groß, d.h. mindestens über zehn Mal so groß. Aufgrund eines über den dritten Zeitraum veränderlichen Wertes der Stellgröße weist das Sendesignal eine Vielzahl an unterschiedlichen Signalformen zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten in dem dritten Zeitintervall auf.
Bevorzugt weist das Sendesignal während des dritten Zeitintervalls eine jeweilige Signalform der unterschiedlichen Signalformen höchstens nur einmal auf, sodass eine eindeutige Zuordnung einer jeweiligen Signalform zu einem Zeitpunkt, an dem das Sendesignal die jeweilige Signalform hat, vorgenommen werden kann. Hierzu verläuft die Stellgrößenfunktion bevorzugt streng monoton fallend oder steigend in dem dritten Zeitintervall. Des Weiteren lässt sich vorteilhafterweise keine einzelne der verschiedenen Signalformen durch eine Stauchung oder Streckung in eine andere der verschiedenen Signalformen umwandeln. Dadurch kann sichergestellt werden, dass jede der verschiedenen Signalformen auch dann sicher erkannt werden kann, wenn diese durch den Doppler-Effekt gestreckt oder gestaucht wird.
Die relative Geschwindigkeit und der relative Abstand können nun gemäß einer ersten Variante wie folgt bestimmt werden. Die Stellgrößenfunktion ist zu jedem Zeitpunkt bekannt und in einem Speicher des Fahrerassistenzsystems hinterlegt. Die Auswertungseinheit berechnet anhand der Stellgrößenfunktion einen zeitlichen Sollverlauf der Signalform des Sendesignals, der verschiedene Signalformen des Sendesignals zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des dritten Zeitintervalls wiedergibt, und/oder einen zeitlichen Sollverlauf des Frequenzspektrums des Sendesignals, das verschiedene Frequenzspektren des Sendesignals zu den unterschiedlichen Zeitpunkten während des dritten Zeitintervalls wiedergibt. Der jeweilige Sollverlauf kann mithilfe eines Modells und/oder einer Simulation der Komponenten des Senders bestimmt werden.
Die Auswertungseinheit führt einen Vergleich zwischen einer mit der Auswertungseinheit erfassten aktuellen Signalform des Empfangssignals oder einem aktuell erfassten Frequenzspektrum des Empfangssignals und den verschiedenen Signalformen beziehungsweise den verschiedenen Frequenzspektren durch. Bei dem Vergleich wird ein Toleranzbereich bevorzugt derart gewählt, dass jeweilige durch den Doppler-Effekt veränderte Signalformen des Sollverlaufs der Signalform beziehungsweise Frequenzspektren des Sollverlaufs des Frequenzspektrums in dem Toleranzbereich liegen.
Bei dem Vergleich bestimmt die Auswertungseinheit diejenige der verschiedenen Signalformen beziehungsweise dasjenige Frequenzspektrum der verschiedenen Frequenzspektren als Treffersignalform beziehungsweise Trefferfrequenzspektrum, die beziehungsweise das der aktuellen Signalform beziehungsweise dem aktuellen Frequenzspektrum am ähnlichsten ist. Anhand der Treffersignalform beziehungsweise des Trefferfrequenzspektrums und des Sollverlaufs der Signalform beziehungsweise des Frequenzspektrums kann die Auswertungseinheit einen ersten Zeitpunkt bestimmen, an dem das Sendesignal die Treffersignalform beziehungsweise das Trefferfrequenzspektrum aufwies.
Zusätzlich erfasst die Auswertungseinheit einen aktuellen Zeitpunkt, an dem der Empfänger das Empfangssignal mit der aktuellen Signalform empfängt. Die Auswertungseinheit bestimmt aus einer Differenz zwischen dem aktuellen und dem ersten Zeitpunkt eine aktuelle Laufzeit des Sendesignals und mit der Laufzeit den relativen Abstand. Anhand des aktuellen Frequenzspektrums und Trefferfrequenzspektrums kann die Auswertungseinheit zusätzlich eine erste Frequenzverschiebung der ersten Frequenz und anhand der Frequenzverschiebung die relative Geschwindigkeit berechnen. Der erste und der aktuelle Zeitpunkt bezeichnen jeweils ein kurzes Zeitintervall, das zumindest so lange andauert, dass die Signalform des Sendesignals erzeugt beziehungsweise die Signalform des Empfangssignals erfasst werden kann. Das dritte Zeitintervall umfasst zumindest den aktuellen und den ersten Zeitpunkt.
Mit dem vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystem ist es möglich, die relative Geschwindigkeit mithilfe einer einzigen Messung des Empfangssignals und einer anschließenden einzigen Erfassung der Signalform oder des Frequenzspektrums des Empfangssignals zu bestimmen. Dadurch kann die relative Geschwindigkeit schneller und genauer erfasst werden. Des Weiteren kann mithilfe der einzigen Messung zusätzlich der relative Abstand bestimmt werden. Dadurch, dass vorgesehen ist, die Signalform des Sendesignals zu verändern, kann dem Sendesignal eine zusätzliche Information neben einer Information über die erste Frequenz zu dem ersten Zeitpunkt hinzugefügt werden.
Darüber hinaus kann mit dem vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystem kontinuierlich der relative Abstand und die relative Geschwindigkeit ermittelt werden. Hierzu wird das Sendesignal im Dauerbetrieb mit der zeitlich sich verändernden Signalform ausgesendet. Limitierend in Bezug auf eine kontinuierliche Erfassung der relativen Geschwindigkeit und des relativen Abstandes wirken nur eine Abtastrate und/oder eine Rechenleistung des Empfängers und/oder der Auswertungseinheit.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Fahrerassistenzsystems ist, dass die erste Frequenz während mehrerer zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen der relativen Geschwindigkeit und des relativen Abstandes konstant sein kann. Dies bewirkt, dass ein großer Teil einer Energie der Strahlung über die erste Schwingung transportiert wird. Dadurch kann der Empfänger einfacher aufgebaut werden, da der große Teil der Energie der Strahlung in einem engen ersten Frequenzband empfangen werden kann. Hierzu kann der Empfänger einen ersten Bandpassfilter zur Filterung von Schwingungen mit Frequenzen, die innerhalb des ersten Frequenzbandes liegen, aufweisen.
Das erste Frequenzband wird durch die erste Frequenz und eine Frequenzverschiebung der ersten Frequenz aufgrund des Doppler-Effektes bestimmt. Würde sich die erste Frequenz während der Messungen ändern, so müssten mehrere Bandpassfilter zur Filterung der ersten Schwingung bereitgestellt werden oder eine Bandbreite des ersten Frequenzbandes erhöht werden, sofern das Empfangssignal mithilfe von Filtern analysiert wird. Eine erhöhte Bandbreite reduziert jedoch das Träger-Rausch-Verhältnis. Möglich ist auch, dass das Empfangssignal mithilfe einer diskreten Fouriertransformation analysiert wird, um das aktuelle Frequenzspektrum des Empfangssignals zu bestimmen.
Das Fahrerassistenzsystem kann vorteilhaft eingesetzt werden, um ein Sicherheitssystem des Fahrzeugs zu steuern. Das Sicherheitssystem kann beispielsweise ein Airbagsystem, Gurtstraffsystem oder ein Steuergerät für ein Bremssystem des Fahrzeugs sein. Der relative Abstand und die relative Geschwindigkeit bilden bevorzugt Eingangsgrößen des Sicherheitssystems.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Bandpassfilter, insbesondere U-förmige, Streifenleitungen aufweist. Der derartig aufgebaute erste Bandpassfilter hat gegenüber einem Filter mit Kondensatoren und Widerständen eine höhere Präzision. Dadurch können die relative Geschwindigkeit und der relative Abstand genauer bestimmt werden.
In einer einfachen Ausgestaltung kann der Sender einen Mischer und einen zweiten Oszillator aufweisen, der das zusätzliche Signal in Form einer zweiten Schwingung mit einer zweiten Frequenz erzeugt. Das Steuerelement ist in dieser Ausgestaltung als ein erster Verstärker ausgebildet, wobei der erste Verstärker das zusätzliche Signal in Abhängigkeit einer an dem ersten Verstärker angelegten Steuerspannung verstärkt und die Steuerspannung sich während des Betriebes des Senders verändert. Der Mischer erzeugt das Sendesignal durch Mischung der ersten Schwingung mit dem zusätzlichen Signal. Sowohl der erste als auch der zweite Oszillator können jeweils in Form eines digital gesteuerten Oszillators ausgebildet sein.
Durch ein Variieren der Steuerspannung sind ein erstes Verhältnis zwischen einer Intensität der ersten Schwingung und einer Intensität der zweiten Schwingung und damit die Signalform des Sendesignals veränderbar. Hierbei stellt die Steuerspannung die Stellgröße dar. Ein zeitlicher Verlauf eines Wertes des ersten Verhältnisses innerhalb des dritten Zeitintervalls wird im Folgenden Verhältnisfunktion genannt. Die Verhältnisfunktion steigt bevorzugt linear an und ist in der Auswertungseinheit abgespeichert.
Um die Signalform des Sendesignals zu erkennen, kann der Empfänger einen ersten Bandpassfilter mit einer ersten Mittenfrequenz, die gleich der ersten Frequenz ist, und einen zweiten Bandpassfilter mit einer zweiten Mittelfrequenz, die gleich der zweiten Frequenz ist, aufweisen. Vorteilhafterweise haben der erste und der zweite Filter jeweils eine Bandbreite, die größer als ein Betrag einer doppelten maximalen Frequenzänderung der ersten Frequenz beziehungsweise zweiten Frequenz aufgrund des Doppler-Effektes bei einer maximalen Geschwindigkeit des Fahrzeugs, beispielsweise 300 km/h, ist.
Bei dieser einfachen Ausgestaltung berechnet die Auswertungseinheit ein zweites Verhältnis zwischen einer ersten Intensität eines Signals an einem Ausgang des ersten Bandpassfilters und einer zweiten Intensität eines Signals an einem Ausgang des zweiten Bandpassfilters. Zusätzlich bestimmt die Auswertungseinheit denjenigen Wert der Verhältnisfunktion, der einem Wert des zweiten Verhältnisses am nächsten ist, als Trefferwert. Anhand des Trefferwertes bestimmt die Auswertungseinheit einen Sendezeitpunkt des Sendesignals, an dem das Steuerelement so gesteuert wurde, dass die Verhältnisfunktion den Trefferwert angenommen hat. Über den Sendezeitpunkt kann der relative Abstand bestimmt werden. Die relative Geschwindigkeit kann wie bei der ersten Variante berechnet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Differenz zwischen der ersten und zweiten Frequenz mehr als doppelt so groß wie eine maximale Frequenzverschiebung der ersten oder zweiten Frequenz aufgrund des Doppler-Effektes bei einer relativen Geschwindigkeit zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug bei 200 Kilometer pro Stunde ist. Dadurch können die erste und zweite Frequenz eindeutig mithilfe des ersten und zweiten Filters identifiziert werden.
In einer bevorzugten Variante sind die erste Schwingung und die zweite Schwingung jeweils Oberschwingungen einer Grundschwingung. Die Grundschwingung ist bei dieser Variante nicht in dem Sendesignal enthalten. Diese Variante hat den Vorteil, dass eine Differenz der ersten und zweiten Schwingung gegenüber einer Variante, bei welcher die zweite Schwingung die Oberschwingung der ersten Schwingung ist, geringer ist. Dadurch verringert sich eine Bandbreite des Sendesignals, wodurch der Empfänger einfacher konstruiert werden kann.
Beispielsweise kann die erste Schwingung eine Frequenz von 99 GHz und die zweite Schwingung eine Frequenz von 100 GHz aufweisen. In diesem Fall sind die erste Schwingung und die zweite Schwingung jeweils eine Oberschwingung einer Grundschwingung von 1 MHz. Gemäß einer ersten Variante können die erste und die zweite Schwingung dadurch generiert werden, dass zwei Schwingungen mit einer deutlich niedrigeren Frequenz erzeugt werden und dann von einem Zwischenfrequenzbereich auf 99 bzw. 100 GHz gemischt werden. Entsprechend einer anderen Variante können die erste Schwingung und die zweite Schwingung jeweils mit einem Schwingquarz erzeugt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Erfassung einer relativen Bewegung eines Objektes zu einem Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem vorgeschlagen. Das Fahrerassistenzsystem kann nach einer der oben beschriebenen Varianten ausgebildet sein. Das Verfahren hat die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt wird das Sendesignal mit einer ersten Signalform zu einem ersten Zeitpunkt erzeugt, wobei sich das Sendesignal zumindest aus der ersten Schwingung und dem zusätzlichen Signal zusammensetzt. In einem zweiten Schritt wird das Sendesignal verändert, wobei das Sendesignal eine zweite von der ersten Signalform verschiedene Signalform aufweist. In einem dritten Schritt wird das Empfangssignal zu einem zweiten Zeitpunkt empfangen. In einem vierten Schritt wird die zweite Signalform mithilfe des Empfangssignals erkannt. In einem fünften Schritt werden die relative Geschwindigkeit und der relative Abstand anhand einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt und einer Frequenzverschiebung des Sendesignals bestimmt.
Das Verfahren kann durch folgende zusätzliche Schritte ergänzt werden. Hierbei wird die erste Schwingung mit einer ersten Frequenz während eines ersten Zeitraums generiert. In einem zweiten Zeitraum wird die erste Schwingung mit einer dritten zu der ersten Frequenz unterschiedlichen Frequenz erzeugt. Eine Differenz zwischen der ersten und der dritten Frequenz ist bevorzugt größer als eine maximale Frequenzverschiebung der ersten oder zweiten Frequenz aufgrund des Doppler-Effektes bei einer relativen Geschwindigkeit zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug bei 200 Kilometer pro Stunde.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Figuren. Dabei bezeichnet ein mehrfach verwendetes Bezugszeichen eine gleichartige Komponente mit gleicher Funktionalität. Die Figuren zeigen schematisch in:

1 ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem mit einem Sender und einem Empfänger,
2 eine erste Ausgestaltung des Fahrerassistenzsystems,
3 ein Signalverlauf eines Sendesignals des Senders des Fahrerassistenzsystems aus 2 mit einer ersten Signalform in einem ersten Zeitabschnitt und einer zweiten Signalform in einem zweiten Zeitabschnitt,
4 eine zweite Ausgestaltung des Fahrerassistenzsystems,
5 eine dritte Ausgestaltung des Fahrerassistenzsystems,
6 einen weiteren Signalverlauf eines Sendesignals des Senders des Fahrerassistenzsystems aus 5 mit einer ersten Signalform in einem ersten Zeitabschnitt und einer zweiten Signalform in einem zweiten Zeitabschnitt.

1 zeigt ein Fahrerassistenzsystem 1 für ein Fahrzeug 2 zur Erfassung einer relativen Geschwindigkeit und eines relativen Abstandes eines Objektes 3 zu dem Fahrzeug 2. Das Fahrerassistenzsystem 1 weist einen Sender 4 auf, der derart eingerichtet ist, eine elektromagnetische Strahlung und mit dieser Strahlung ein Sendesignal mit einer Signalform auszusenden, welches sich zumindest aus einer ersten Schwingung und einem zusätzlichen Signal zusammensetzt, und eine Veränderung der Signalform des Sendesignals zu bewirken. Der Sender 4 sendet das Sendesignal bevorzugt kontinuierlich aus und ändert die Signalform während eines Aussendens des Sendesignals. Weiterhin hat das Fahrerassistenzsystem 1 einen Empfänger 5 mit einer Auswertungseinheit 6, der die Strahlung empfängt und derart eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Signalform des Sendesignals die relative Geschwindigkeit und den relativen Abstand zu bestimmen.
Die 2, 4 und 5 zeigen jeweils unterschiedliche Ausgestaltungen des Fahrerassistenzsystems 1. 2 zeigt ein erstes Fahrerassistenzsystem 101, das einen Sender 102 und einen Empfänger 103 mit einer Auswertungseinheit 104 aufweist. Der Sender 102 hat einen ersten Oszillator 105, der eine erste Schwingung mit einer ersten Frequenz erzeugt, und einen zweiten Oszillator 106, der eine zweite Schwingung mit einer zweiten von der ersten Frequenz verschiedenen Frequenz erzeugt. Weiterhin weist der Sender 102 einen ersten Verstärker 107, einen Mischer 108, einen zweiten Verstärker 109 und eine Antenne 110 auf.
Der erste Verstärker 107 verstärkt die von dem zweiten Oszillator 106 erzeugte zweite Schwingung und leitet ein dadurch erzeugtes erstes Signal an einen ersten Eingang des Mischers 108. Der Mischer 108 mischt das erste Signal mit der ersten Schwingung und erzeugt dadurch das Ausgangssignal, welches neben der ersten Schwingung zumindest ein zusätzliches Signal, insbesondere die zweite Schwingung, aufweist. Der zweite Verstärker 109 ist vorzugsweise ein Hochleistungsverstärker und verstärkt das Ausgangssignal und leitet es an die Antenne 110 weiter, die es aussendet. Der erste Verstärker 107 stellt ein verstellbares Steuerelement des Senders 102 dar, mit dem die Signalform des Sendesignals verändert werden kann. Der erste Verstärker 107 wird vorzugsweise mit Hilfe einer veränderbaren Steuerspannung gesteuert. Vorzugsweise steigt die Steuerspannung linear innerhalb des dritten Zeitintervalls an.
3 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf 400 des Sendesignals über der Zeit t während eines dritten Zeitintervalls 402. Der Signalverlauf entspricht in diesem Fall einer über der Antenne 110 abgegriffenen Spannung U während des dritten Zeitintervalls. In einem ersten Zeitabschnitt 401 des dritten Zeitintervalls 402 hat das Sendesignal eine erste Signalform 403 und in einem zweiten Zeitabschnitt 404 des dritten Zeitintervalls 402 eine zweite Signalform 405. Ein Wechsel der Signalform des Sendesignals von der ersten Signalform 403 zur zweiten Signalform 405 wird durch ein Verändern der Steuerspannung bewirkt.
Die erste und zweite Signalform 403, 405 können jeweils durch diejenige Form des Signalverlaufs 400 beschrieben, die der Signalverlauf 400 zwischen einem ersten Nulldurchgang und einem vom ersten Nulldurchgang zeitlich gesehenen übernächsten Nulldurchgang aufweist, wobei dem ersten Nulldurchgang und dem übernächsten Nulldurchgang die Steuerspannung vorzugsweise konstant ist. Dies vereinfacht ein Detektieren der ersten und zweiten Signalform 403, 405 mithilfe des Empfängers 103.
Das Sendesignal wird an dem Objekt 3 reflektiert und anschließend mit Hilfe einer Antenne 111 des Empfängers 103 in Form eines aktuellen Empfangssignals zu einem aktuellen Zeitpunkt empfangen. Ein Verstärker 112, bevorzugt ein Low-Noise-Verstärker, des Empfängers 103 verstärkt das aktuelle Empfangssignal und leitet es an einen Mischer 113 weiter. Der Mischer 113 mischt, bevorzugt mithilfe eines Lokaloszillators, das verstärkte aktuelle Empfangssignal vorzugsweise auf eine Zwischenfrequenz und leitet das auf die Zwischenfrequenz transformierte aktuelle Empfangssignal an einen digitalen Filter 114 des Empfängers 103. Das mit dem Filter 114 gefilterte aktuelle Empfangssignal hat eine Signalform, die auch in dem ungefilterten und unverstärkten aktuellen Empfangssignal enthalten ist. Das gefilterte aktuelle Empfangssignal die Auswertungseinheit 104 weitergeleitet.
Die Auswertungseinheit 104 vergleicht die Signalform des gefilterten aktuellen Empfangssignals mit allen möglichen Signalformen, die das Sendesignal annehmen kann. Hierzu ermittelt die Auswertungseinheit 104 vorteilhaft einen Sollverlauf der Signalform des Sendesignals für das dritte Zeitintervall, in dem das Sendesignal mit Hilfe des Senders 102 ausgesandt wird. Zur Berechnung des Sollverlaufes empfängt die Auswertungseinheit 104 vorzugsweise kontinuierlich Werte der Steuerspannung während des dritten Zeitintervalls über eine Kommunikationsverbindung 115 des Fahrerassistenzsystems 101. Die Berechnung des Sollverlaufes nimmt die Auswertungseinheit 104 bevorzugt mithilfe eines Modells 116 des Senders 102 vor.
Anhand des Sollverlaufs und eines Vergleiches der Signalform des gefilterten aktuellen Empfangssignals mit allen möglichen Signalformen, die der Sollverlauf der Signalform wiedergibt, ist es mit Hilfe der Auswertungseinheit 104 möglich, einen ersten Zeitpunkt zu bestimmen, an dem der Sender 102 das Sendesignal ausgesandt hat und an dem das Sendesignal die Signalform aufwies, die der Signalform des gefilterten aktuellen Empfangssignals entspricht.
Die Auswertungseinheit 104 ermittelt einen Zeitabstand zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem aktuellen Zeitpunkt. Mit Hilfe des Zeitabstandes kann der relative Abstand über eine Lichtgeschwindigkeit des Mediums, in dem sich das Sendesignal ausgebreitet hat, bestimmt werden. Des Weiteren ermittelt die Auswertungseinheit 104 vorteilhaft ein Frequenzspektrum des gefilterten aktuellen Empfangssignals und ein weiteres Frequenzspektrum, das das Sendesignal zu dem ersten Zeitpunkt aufwies. Durch einen Vergleich des Frequenzspektrums mit dem weiteren Frequenzspektrum kann eine Frequenzverschiebung zumindest einer Frequenz des weiteren Frequenzspektrums bestimmt werden. Mit Hilfe der Frequenzverschiebung kann die relative Geschwindigkeit ermittelt werden. Die Frequenz ist vorzugsweise die erste Frequenz der ersten Schwingung, die mit Hilfe des ersten Oszillators 105 erzeugt wird.
Das Steuerelement und insbesondere die Steuerspannung kann in einer besonderen Variante mithilfe einer stochastischen Funktion über dem dritten Zeitintervall verändert werden. Dies hat den Vorteil, dass sich die Signalform des Sendesignals über das dritte Zeitintervall so ändert, dass sie nicht ohne ein Speichern des ausgesandten Sendesignals oder eines Verlaufes der Werte der Parameter der stochastischen Funktion über dem dritten Zeitintervall reproduziert werden kann. Dadurch können Fehldetektionen des Sendesignals durch Täuschungssignale vermieden werden und eine Sicherheit des Fahrerassistenzsystems erhöht werden.
4 zeigt ein zweites Fahrerassistenzsystem 201. Das zweite Fahrerassistenzsystem 201 weist einen Sender 202 auf, der genauso aufgebaut ist wie der Sender 102 des Fahrerassistenzsystems 101. Gegenüber dem Empfänger 103 des Fahrerassistenzsystems 101 unterscheidet sich ein Empfänger 203 des Fahrerassistenzsystems 201 dahingehend, dass ein mit einer Antenne 211 des Empfängers 203 empfangenes aktuelles Empfangssignal in anderer Weise gefiltert wird. Hierzu weist der Empfänger 203 einen ersten Bandpassfilter 213 zum Filtern der ersten Frequenz des aktuellen Empfangssignals auf, der durch U-förmige Streifenleitungen 215 gebildet ist. Die Bandbreite des Bandpassfilters 213 ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie eine zu erwartende maximale Frequenzverschiebung der ersten Frequenz aufgrund des Doppler-Effektes.
Zusätzlich hat der Empfänger 203 einen weiteren Filter 214, der einen weiteren Anteil des aktuellen Empfangssignals filtert. Der erste Bandpassfilter 213 erzeugt bei einer Filterung des aktuellen Empfangssignals ein erstes Signal mit einer ersten Intensität, das an einen ersten Eingang einer Auswertungseinheit 204 des Empfängers 203 geleitet wird. Bei einer Filterung des aktuellen Empfangssignals generiert der zweite Filter 214 ein zweites Signal mit einer zweiten Intensität und leitet das zweite Signal an einen zweiten Eingang der Auswertungseinheit 204 weiter.
Die Auswertungseinheit 204 kann die Signalform des Sendesignals wie oben beschrieben mithilfe eines Vergleiches zwischen einem zweiten Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Intensität und Werten der oben beschriebenen Verhältnisfunktion erkennen. Nachdem die Auswertungseinheit 204 die Signalform erkannt hat, kann der oben beschriebene Sendezeitpunkt und damit der relative Abstand errechnet werden. Die relative Geschwindigkeit ermittelt die Auswertungseinheit 204 bevorzugt in gleicher Weise wie die Auswertungseinheit 104 des Fahrerassistenzsystems 1. Hierzu leitet der Verstärker 212 das verstärkte Empfangssignal an einen dritten Eingang der Auswertungseinheit 204. Die Auswertungseinheit 204 weist bevorzugt ebenfalls das Modell 116 des Senders 102 auf, um einen Sollverlauf des Frequenzspektrums des Sendesignals zu modellieren.
5 zeigt ein drittes Fahrerassistenzsystem 301, wie es in dem Fahrzeug 2 eingebaut sein kann. Das dritte Fahrerassistenzsystem 301 hat einen Empfänger 303, der genauso aufgebaut ist wie der Empfänger 103 des Fahrerassistenzsystems 101.
Ein Sender 302 des Fahrerassistenzsystems 301 unterscheidet sich von dem Empfänger 102 dahingehend, dass das Sendesignal mit Hilfe eines ersten Oszillators 305, eines ersten Hochleistungsverstärkers 306, eines zweiten Verstärkers 307, eines dritten Verstärkers 308 und einer Antenne 310 erzeugt wird. Der zweite Verstärker 307 bildet bei dieser Variante des Empfängers 302 ein verstellbares Steuerelement aus, wobei ein Ausgang des ersten Oszillators 305 an einen Eingang des zweiten Verstärkers 307 und ein Ausgang des zweiten Verstärkers an einen Eingang des dritten Verstärkers 308 des Senders gekoppelt ist. Der zweite Verstärker 307 kann durch ein Variieren einer Steuerspannung verstellt werden.
Der dritte Verstärker 308 wird zum Verändern der Signalform des Sendesignals mit Hilfe des zweiten Verstärkers mit einer Eingangsleistung zumindest zeitweise innerhalb des dritten Zeitintervalls oberhalb einer maximalen Eingangsleistung eines Arbeitsbereiches des dritten Verstärkers 308 betrieben. Hierbei erzeugt der zweite Verstärker 307 an seinem Ausgang die Eingangsleistung für den dritten Verstärker 308. Dadurch, dass der dritte Verstärker 308 zumindest zeitweise innerhalb des dritten Zeitintervalls oberhalb seiner maximalen Eingangsleistung betrieben wird, kann der dritte Verstärker 308 in Zeitpunkten sein Eingangssignal nicht über ein maximales Ausgangssignal weiter verstärken.
Dies bewirkt, dass ein an den Eingang des dritten Verstärkers 308 geleitetes Signal nicht mit einem konstanten Faktor während des gesamten dritten Zeitintervalls verstärkt wird.
6 zeigt einen weiteren beispielhaften Signalverlauf 600 des Sendesignals über der Zeit t während des dritten Zeitintervalls 402, wie er mit dem Sender 302 erzeugt werden kann. Der Signalverlauf 600 entspricht in diesem Fall einer über der Antenne 310 abgegriffenen Spannung U während des dritten Zeitintervalls. In einem ersten Zeitabschnitt 601 des dritten Zeitintervalls 402 hat das Sendesignal eine erste Signalform 603 und in einem zweiten Zeitabschnitt 604 des dritten Zeitintervalls 602 eine zweite Signalform 605. Ein Wechsel der Signalform des Sendesignals von der ersten Signalform 403 zur zweiten Signalform 405 wird durch ein Verändern der Steuerspannung des zweiten Verstärkers 307 bewirkt.
Die erste und zweite Signalform 603, 605 können jeweils durch diejenige Form des Signalverlaufs 600 beschrieben, die der Signalverlauf 400 zwischen einem ersten Nulldurchgang und einem vom ersten Nulldurchgang zeitlich gesehenen übernächsten Nulldurchgang aufweist, wobei dem ersten Nulldurchgang und dem übernächsten Nulldurchgang die Steuerspannung des zweiten Verstärkers 307 vorzugsweise konstant ist. Dies vereinfacht ein Detektieren der ersten und zweiten Signalform 603, 605 mithilfe des Empfängers 303.
In denjenigen Zeitabschnitten, in denen die Signalformen 601, 602 des Sendesignals waagerecht verlaufen, wird der dritte Verstärker 308 mit einer Eingangsleistung oberhalb der maximalen Eingangsleistung betrieben. Der Sender 302 stellt somit eine sehr einfache Möglichkeit dar, die Signalform des Sendesignals während des dritten Zeitintervalls zu verändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0362591 A1 [0002]
US 6362777 B1 [0003]

Claims

Fahrerassistenzsystem (1; 101) für ein Fahrzeug (2) zur Erfassung einer relativen Geschwindigkeit und eines relativen Abstandes eines Objektes (3) zu dem Fahrzeug (2), das Fahrerassistenzsystem (1; 101) aufweisend einen Sender (102), der eingerichtet ist, eine elektromagnetische Strahlung und mit dieser Strahlung ein Sendesignal mit einer . Signalform auszusenden, welches sich zumindest aus einer ersten Schwingung und einem zusätzlichen Signal zusammensetzt, und eine Veränderung der Signalform des Sendesignals zu bewirken, und einen Empfänger (103) mit einer Auswertungseinheit (104), der die Strahlung empfängt und eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Signalform des Sendesignals die relative Geschwindigkeit und den relativen Abstand zu bestimmen.
Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (102) zumindest einen ersten Oszillator (105), der die erste Schwingung mit einer ersten Frequenz erzeugt, und zumindest ein verstellbares Steuerelement (107) aufweist und die Veränderung der Signalform des Sendesignals von einer Verstellung des Steuerelementes (107) abhängig ist.
Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz während mehrerer zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen der relativen Geschwindigkeit und des relativen Abstandes konstant ist.
Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (103) einen ersten Bandpassfilter (213) mit Streifenleitungen (215) aufweist.
Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (102) einen zweiten Oszillator (106), der das zusätzliche Signal in Form einer zweiten Schwingung mit einer zweiten Frequenz erzeugt, und einen Mischer (108) aufweist und das Steuerelement (107) als ein erster Verstärker ausgebildet ist, der das zusätzliche Signal in Abhängigkeit einer an dem ersten Verstärker angelegten Steuerspannung verstärkt, und der Mischer (108) das Sendesignal durch Mischung der ersten Schwingung mit dem zusätzlichen Signal erzeugt und sich die Steuerspannung während des Betriebes des Senders (102) verändert.
Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwingung und die zweite Schwingung jeweils Oberschwingungen einer Grundschwingung sind.
Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Steuerelement ein zweiter Verstärker (307) ist, ein Ausgang des ersten Oszillators (105) an einen Eingang des zweiten Verstärkers (307) und ein Ausgang des zweiten Verstärkers (307) an einen Eingang eines dritten Verstärkers (308) des Senders (102) gekoppelt ist, und der dritte Verstärker (308) zum Verändern der Signalform des Sendesignals mithilfe des zweiten Verstärkers (307) bei einer Eingangsleistung oberhalb einer maximalen Eingangsleistung eines Arbeitsbereiches des dritten Verstärkers (308) betreibbar ist.
Verfahren zur Erfassung einer relativen Bewegung eines Objektes (3) zu einem Fahrzeug (2) mit einem Fahrerassistenzsystem (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit den folgenden Schritten: - Erzeugen des Sendesignals mit einer ersten Signalform zu einem ersten Zeitpunkt, wobei sich das Sendesignal zumindest aus der ersten Schwingung und dem zusätzlichen Signal zusammensetzt, - Verändern des Sendesignals, wobei das Sendesignal eine zweite von der ersten Signalform verschiedene Signalform aufweist, - Empfangen eines Empfangssignals zu einem zweiten Zeitpunkt, - Erkennen der zweiten Signalform mithilfe des Empfangssignals, - Bestimmen der relativen Geschwindigkeit und des relativen Abstandes anhand einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt und einer Frequenzverschiebung des Sendesignals.
Verfahren nach Anspruch 8 mit den folgenden zusätzlichen Schritten: - Erzeugen der ersten Schwingung mit einer ersten Frequenz während eines ersten Zeitraums, - Erzeugen der ersten Schwingung mit einer dritten zu der ersten Frequenz unterschiedlichen Frequenz während eines zweiten Zeitraums, wobei eine Differenz zwischen der ersten und der dritten Frequenz größer als eine maximale Frequenzverschiebung der ersten oder zweiten Frequenz aufgrund des Doppler-Effektes bei einer relativen Geschwindigkeit zwischen dem Objekt (3) und dem Fahrzeug (2) bei 200 Kilometer pro Stunde ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein verstellbares Steuerelement (107; 307) des Senders (102) zum Verändern der Signalform mit einer veränderbaren Stellgröße verstellt wird und die Stellgröße rampenförmig über der Zeit verändert wird.