DE102023109832B3

DE102023109832B3 - Verfahren zur Messung einer Radialgeschwindigkeit eines Objekts bezogen auf einen Messort

Info

Publication number: DE102023109832B3
Application number: DE102023109832.2A
Authority: DE
Inventors: Axel Hülsmann; Andreas Frederik Inhofer; Leonard Tholen
Original assignee: Ondosense GmbH
Current assignee: Ondosense GmbH
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2043-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Radialgeschwindigkeit eines Objekts bezogen auf einen Messort, bei dem während eines Zeitintervalls ein CW-Radarsignal vom Messort zum Objekt ausgesendet und nach Reflektion am Objekt am Messort empfangen wird. Das ausgesendete das empfangene Radarsignal werden nach dem IQ-Verfahren gemischt und das dabei erhaltene Basisbandsignal wird Fourier transformatiert, um aus der so erhaltenen frequenzdiskreten Amplitudenfolge einen Dopplerfrequenzwert zu ermitteln. Der Dopplerfrequenzwert wird mit einem Grenzwert verglichen wird, der gleich dem Kehrwert des Zeitintervalls oder kleiner als dieser ist. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird die Radialgeschwindigkeit aus dem Dopplerfrequenzwert oder aus der Differenz Phasenlagewerte am Anfang und am Ende des Zeitintervalls ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Radialgeschwindigkeit eines Objekts bezogen auf einen Messort, wobei ein Radarsignal erzeugt wird, das zumindest während eines ersten Zeitintervalls als CW-Signal mit zeitlich konstanter Radarfrequenz ausgestaltet ist, wobei das Radarsignal während des ersten Zeitintervalls am Messort ausgesendet und nach einer Reflektion am Objekt am Messort wieder empfangen wird, wobei das ausgesendete Radarsignal mit dem empfangenen Radarsignal nach dem IQ-Verfahren gemischt wird, um ein phasengleiches Basisbandsignal und ein Quadratur-Basisbandsignal zu erzeugen, wobei das phasengleiche Basisbandsignal und das Quadratur-Basisbandsignal jeweils digitalisiert werden, um für das phasengleiche Basisbandsignal I-Abtastwerte und für das Quadratur-Basisbandsignal Q-Abtastwerte zu erhalten, und wobei mit den I-Abtastwerten und/oder den Q-Abtastwerten eine diskrete Fourier Transformation durchgeführt und aus der dadurch erhaltenen frequenzdiskreten CW-Signal-Amplitudenfolge ein Dopplerfrequenzwert ermittelt wird.
Im Industriebereich müssen Position und Geschwindigkeit von autonom geführten Vehikeln (AGV) oder fahrerlosen Transportsystemen (FTS) sehr genau bestimmt werden, um die Navigation zu gewährleisten. Üblicherweise erfolgt dies durch Inkrementalgeber an den Rädern. Dies setzt aber voraus, dass die Räder jederzeit Kontakt zum Boden und keinen Schlupf haben und der Raddurchmesser auch über längere Zeiträume konstant bleibt. Im industriellen Einsatz ist dies nicht immer zu gewährleisten. Beispielsweise kann ein Rad abheben und durchdrehen. Durch Kurvenfahrten entsteht zusätzlicher Schlupf. Durch Abrieb und unterschiedlichen Reifendruck ändert sich der Reifendurchmesser. Unebene Untergründe erzeugen zusätzliche Messfehler.
Radarsysteme zur Erfassung der horizontalen und vertikalen Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zum Boden sind seit vielen Jahren bekannt und nutzen dabei den Doppler-Effekt. Aus dem Bereich Fahrzeuge und Flugzeuge ist die DE 38 40 449 A1 bekannt, die ein Verfahren der eingangs genannten Art beschreibt, bei dem ein Radarsignal erzeugt wird, das als CW-Signal mit zeitlich konstanter Radarfrequenz ausgestaltet ist.
Das Radarsignal wird an einem Messort von einer Antenne ausgesendet, die derart als flächenhafte Gruppenantenne ausgelegt ist, dass sie zwei Strahlkeulen mit einer Breite von maximal 10° bis 20° erzeugt, von denen die eine Strahlkeule eine in Fahrtrichtung des Fahrzeugs weisende Komponente und die andere Strahlkeule eine in Gegenfahrtrichtung weisende Komponente hat. Nach Reflexion am Boden, über den das Fahrzeug bewegt wird, wird das Radarsignal am Messort wieder empfangen.
Das empfangene hochfrequente Dopplersignalgemisch wird zunächst in einem 3dB-Leistungsteiler mit 0°-Phasenverschiebung aufgeteilt. Das eine Ausgangssignal des Leistungsteilers wird in einem ersten Mischer mit dem ausgesendeten Radarsignal und in einem zweiten Mischer mit einem zu dem ausgesendeten Radarsignal um 90° phasenverschoben Radarsignal gemischt. Die Ausgangssignale der beiden Mischer bilden zusammen ein Quadratursignal mit In-Phase-Anteil I und Quadratur-Anteil Q.
Das nach der Mischung vorliegende Quadratursignal wird Analog-Digital-Wandlern zugeführt. Die beiden digitalisierten Signale werden anschließend einem Fourier-Prozessor als Realteil und als Imaginärteil zugeführt und dort einer schnellen Fouriertransformation unterzogen. Das Ausgangssignal des Fourier-Prozessors enthält die Spektralanteile des Dopplersignals. Es weist Maxima auf, die ermittelt werden und aus denen Werte für die Horizontalgeschwindigkeit und die Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Bezug auf den Boden bestimmt werden.
Das vorbekannte Verfahren hat den Nachteil, dass die Anwendung des beschriebenen Radars mit einem Öffnungswinkel der Radarkeule von 10° bis 20° in AGV, für langsame Geschwindigkeiten und geringe Abstände von der Fahrzeugunterseite zum Boden nicht umsetzbar ist und seitliche Geschwindigkeiten nicht erfasst werden.
Aus dem Bereich der Landmaschinen ist die EP 0 162 646 B1 bekannt. Das darin beschriebene Radar mit Ultraschall-Sender und -Empfänger hat zur Bestimmung der Geschwindigkeit eine analoge Auswerteelektronik, die die Geschwindigkeit in Form einer Spannung ausgibt. Nachteil dieser Erfindung ist die geringe Genauigkeit, mit der die Geschwindigkeit gemessen werden kann, insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten. Außerdem haben Abstands- und Geschwindigkeits-Sensoren den Nachteil, dass die Schallgeschwindigkeit von der Gaszusammensetzung, der Temperatur und dem Druck abhängt, die sich ändern können und die Genauigkeit beeinflussen.
In US 3 859 660 A wird eine Radar-System mit zwei Antennen beschrieben, von denen die eine in Vorwärts- und die andere in Rückwärts-Fahrtrichtung eines Fahrzeugs strahlen. Die gepulst abgestrahlte Hochfrequenz wird in jeder Antenne durch eine Hohlraumresonanz mit Dioden erzeugt. Die Dioden werden auch als Mischer für die jeweiligen reflektierten Signale verwendet. Die Auswertung der Doppler-Signale in Folge der Geschwindigkeit erfolgt durch eine analoge Schaltung für beide Radarköpfe. Die Verfälschungen der Doppler-Frequenzsignale aufgrund von Vertikalbewegungen wird mit Hilfe der analogen Schaltung korrigiert. Dazu wird die Phasenverschiebung der Signale verursacht durch vertikale Vibrationen gemessen und durch die analoge Signalverarbeitung kompensiert. Nachteil dieses Radars ist die unpräzise Signalerzeugung, deren Drift durch den Vergleich eines kalibrierten 2 kHz Signals kompensiert wird. Eine Messung langsamer Geschwindigkeiten ist aufgrund der Ungenauigkeiten nicht möglich, da die Pulsbreiten limitieren.
Radare mit eng benachbarten Sende- und Empfangsantennen oder einer gemeinsamen Antenne für die Sende- und Empfangssignale, messen die Entfernung und/oder die Radialgeschwindigkeit. Die Radialgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt auf das Radar zu oder von ihm weg bewegt. Die Messung tangentialer Geschwindigkeiten zu Objekten ist nur mit Radaren möglich, die mehrere Strahlrichtungen der Sende- und Empfangsantennen aufweisen. Solch ein MIMO-Radar (MIMO = Multiple In, Multiple Out), mit dem eine Abstands-, Winkel- und Geschwindigkeitsabschätzung zu einem Objekt in zeitlicher Abfolge errechnet wird, ist in EP 3 021 132 A1 beschrieben. MIMO-Radare erfordern eine aufwendige Signalauswertung, erreichen aber nicht die für AGVs und FTSs notwendige Genauigkeit für geringe Geschwindigkeiten. Mit „geringen Geschwindigkeiten“ sind hier Geschwindigkeiten unter 1 m/s gemeint. MIMO-Radare werden hauptsächlich für den Automotive-Bereich zur Abstandsmessung als Einparkhilfen entwickelt. Für präzise Geschwindigkeitsmessungen unter 1m/s sind diese Radare zu ungeeignet. FMCW-Radare, welche die Geschwindigkeit aus Abstandsänderungen errechnen, sind durch den Mindestabstand, den sie nicht unterschreiten können, limitiert. Dies ist eine Folge der Messrate, die nicht größer sein kann als die inverse Chirpzeit T_c. Radarwellen breiten sich im freien Raum mit der Phasengeschwindigkeit c₀ von ungefähr 3×10⁸ m/s aus. Bei linearen FMCW-Radaren mit der Bandbreite B ist die gemessene Beat-Frequenz f_B proportional zur Laufzeit τ und damit zum Abstand R und der Dopplerfrequenzverschiebung f_D aufgrund der Objektgeschwindigkeit.
Aus der EP 2 841 961 B1 ist ein lineares FMCW-Radar-Verfahren bekannt, mit dem die Entfernung und die Radialgeschwindigkeit eines Objekts aus den Beat-Frequenzen aufeinanderfolgender, unterschiedlicher linearer Chirps errechnet werden kann.
Bewegt sich ein Objekt auf das FMCW-Radar zu, so erhöht sich die Beat-Frequenz f_B. Wenn die Beat-Frequenz f_B gleich der inversen Chirpzeit T wird (lim f_B → 1/T), ergibt sich ein somit theoretischer Grenzwert des Mindestabstands R_min = c₀/2B, der invers proportional zur Bandbreite B ist. Nachteil des vorbekannten FMCW-Radars ist, dass mit existierenden FMCW-Radar Elektronik-Schaltungen dieser Wert nicht erreicht werden kann. Zudem wird die nutzbare Bandbreite, die für präzise Abstandsmessungen nötig ist, durch die Regulierungsbehörden limitiert.
Die Radar-Anordnung zur Verwendung in einem FTS bedingt einen kleinen Abstand zwischen Radarsystem und Boden, da solche Radare vorzugsweise am Boden des FTS angebracht werden. FTS haben häufig einen Abstand von der Fahrzeugunterseite zum Boden von unter 20 cm. Daher ist der Einsatz von Radaren, die nach dem Prinzip der reinen Laufzeitmessung, wie beispielsweise FMCW- oder Puls-Radare, arbeiten, für ein FTS ungeeignet.
Die Geschwindigkeitsradare, die als CW-Radare nur die Doppler-Frequenzverschiebung nach dem Stand der Technik auswerten, haben den Nachteil, dass sie nicht genau genug bei geringen Geschwindigkeiten messen können. Dies liegt unter anderem auch daran, dass die Radarstrahlen nicht gut genug kollimiert sind, und daher ein zu großer Auftreffwinkelbereich auf dem Boden entsteht. Dadurch kann eine Berechnung der Radialgeschwindigkeit zum Radar von unter 1 m/s nur zu einer Geschwindigkeitsabschätzung mit relativ hoher Ungenauigkeit führen. Diese „relativ hohe Ungenauigkeit“ führt bei Geschwindigkeits-Radaren nach dem Stand der Technik zu einer Begrenzung der messbaren Minimalgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 m/s. Bei Geschwindigkeiten unter 1 m/s wird die Messung der Doppler-Frequenz schwierig, weil dann die Messrate der Doppler-Frequenzmessung entsprechend langsam wird, da die Messzeit einer Periode der Doppler-Frequenz invers zur Doppler-Frequenz ist.
Außerdem können Geschwindigkeitsradare, die nach dem Stand der Technik als CW-Radare ausgelegt sind, bisher nicht den Abstand zum Boden, und gleichzeitig die Neigung des Fahrzeugs und die Geschwindigkeit horizontal zum Boden messen, wenn der Abstand zum Boden kleiner als 200 mm beträgt. Abstandsmessungen mit CW-Radaren sind nicht eindeutig, wenn der Abstand zum Boden größer als eine halbe Wellenlänge der Radarstrahlung ist.
Außerdem können Geschwindigkeitsradare nach dem Stand der Technik nur in einer Richtung, nicht aber Seitwärtsbewegungen oder Drehungen gegenüber dem Boden messen.
DUNN, M. T. [et al.]: High Accuracy Inertial Navigation for Underground Mining Machinery, International Conference on Automation Science and Engineering, 2012, Seite 1179-1183, ISBN 978-1-4673-0429-0 beschreibt den Einsatz eines CW-Radarsensors zur Messung der Eigengeschwindigkeit eines Bergbaufahrzeugs mittels Dauerstrichradar. Nach Angabe der Druckschrift soll der CW-Radarsensor Bodengeschwindigkeitsmessungen bis hinunter zu 0,05 m/s mit einem typischen Fehler von weniger als 1 % messen können. Wodurch das ermöglicht wird, ist in der Druckschrift nicht offenbart.
Die WO 2013/142 916 A1 beschreibt einen Radarsensor, der einen Radarsignalgenerator aufweist, der zum Aussenden eines CW-Radarsignals mit einer Sendeantenne verbunden ist. Außerdem hat der Radarsensor eine erste und eine zweite Empfangsantenne, die in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge angeordnet sind. Das ausgesendete CW-Radarsignal wird an einem Objekt zu den Empfangsantennen reflektiert. Die Empfangssignale der Empfangsantennen werden jeweils mit dem ausgesendeten CW-Radarsignal gemischt. Die so erhaltenen Zwischenfrequenzsignale werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgetastet, um im Zeitbereich aus den Abtastwerten die Radialgeschwindigkeit zu ermitteln.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das sowohl bei geringen, als auch bei hohen Radialgeschwindigkeiten zwischen Messort und Objekt eine genaue Messung der Radialgeschwindigkeit ermöglicht. Außerdem soll das Verfahren bei geringen Radialgeschwindigkeiten eine kleine Messzeit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese sehen vor,

a) dass ein Radarsignal erzeugt wird, das zumindest während eines ersten Zeitintervalls als CW-Signal mit zeitlich konstanter Radarfrequenz ausgestaltet ist, dass das Radarsignal während des ersten Zeitintervalls am Messort ausgesendet und nach einer Reflektion am Objekt am Messort wieder empfangen wird, dass das ausgesendete Radarsignal mit dem empfangenen Radarsignal nach dem IQ-Verfahren gemischt wird, um ein phasengleiches Basisbandsignal und ein Quadratur-Basisbandsignal zu erzeugen, dass das phasengleiche Basisbandsignal und das Quadratur-Basisbandsignal jeweils digitalisiert werden, um für das phasengleiche Basisbandsignal I-Abtastwerte und für das Quadratur-Basisbandsignal Q-Abtastwerte zu erhalten, dass die I-Abtastwerte und die Q-Abtastwerte gespeichert werden,
b) dass mit den I-Abtastwerten und/oder den Q-Abtastwerten eine diskrete Fourier Transformation durchgeführt und aus der dadurch erhaltenen frequenzdiskreten CW-Signal-Amplitudenfolge ein Dopplerfrequenzwert ermittelt wird,
c) dass der Dopplerfrequenzwert mit einem Grenzwert verglichen wird, der gleich dem Kehrwert des Zeitintervalls oder kleiner ist als dieser, und dass
- i) im Fall, dass der Dopplerfrequenzwert größer ist als der Grenzwert oder diesem entspricht, aus dem Dopplerfrequenzwert ein auf den Messort bezogener Radialgeschwindigkeitswert für das Objekt bestimmt wird,
- ii) im Fall, dass der Dopplerfrequenzwert kleiner ist als der Grenzwert
  - - ein erster Phasenlagewert aus einem am Beginn des ersten Zeitintervalls abgetasteten ersten Q-Abtastwert und einem diesem zugeordneten ersten I-Abtastwert ermittelt wird und
  - - ein weiterer Phasenlagewert aus einem am Ende des ersten Zeitintervalls abgetasteten weiteren Q-Abtastwert und einem diesem zugeordneten weiteren I-Abtastwert ermittelt wird und
  - - der auf den Messort bezogene Radialgeschwindigkeitswert für das Objekt aus der Differenz dieser Phasenlagewerte bestimmt wird, und
d) dass die Schritte a) bis c) gegebenenfalls ein- oder mehrmals wiederholt werden.

Erfindungsgemäß wird zunächst für die Dopplerfrequenz, also für den Frequenzunterschied zwischen dem vom Messort ausgesendeten Radarsignal und dem am Messort empfangen, vom Objekt zurückreflektierten Radarsignal ein Dopplergeschwindigkeitswert ermittelt und mit dem Grenzwert verglichen. Dabei ist der Grenzwert derart gewählt, dass er einer Dopplerfrequenz entspricht, die während der Dauer des Zeitintervalls, während dem das CW-Signal zum Objekt gesendet wird, mindestens eine vollständige Schwingung Wellenläge durchläuft.
Wenn der Dopplerfrequenzwert f_D größer ist als dieser Grenzwert, wird der Radialgeschwindigkeitswert v_r aus dem Dopplerfrequenzwert f_D, der Sendefrequenz f_T des kontinuierlichen Radarsignals und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c₀ der elektromagnetischen Welle ermittelt: $v_{r} = \frac{f_{D} \cdot c_{0}}{2 f_{T}}$
Die Dauer des ersten Zeitintervalls, in dem die Dopplerfrequenz gemessen wird, wird nachfolgend mit T_D bezeichnet. Die Dauer T_D wird durch die gewünschte Messrate der Radialgeschwindigkeitsmessung bestimmt und ist typisch kleiner als 10 ms.
Bei kleinen radialen Geschwindigkeiten, bei denen der Radialgeschwindigkeitswert v_r < λ/T_D ist, wobei λ die Wellenlänge der Radarfrequenz und T_D die Dauer des ersten Zeitintervalls bezeichnet, wird zur besseren Genauigkeit und/oder zur Reduzierung der Messzeit T_D am Anfang und am Ende der konstanten Sendefrequenz-Periode die Phasenverschiebung Φ zwischen Sende- und Empfangssignal gemessen. Eine geringe Messzeit ist insbesondere bei Echtzeitanwendungen des Verfahrens vorteilhaft, vor allem bei autonom geführten Vehikeln oder fahrerlosen Transportsystemen. Bei kleinen radialen Geschwindigkeiten errechnet sich der Radialgeschwindigkeitswert v_r, wie folgt: $v_{r} = \frac{Ø_{n} - Ø_{1}}{T_{D}} \cdot \frac{λ}{4 π}$
In Gleichung 2 ist Φ₁ die Phase zwischen Sende- und Empfangssignal der ersten Messung am Anfang und Φ_n die Phase der Messung am Ende der Messung bzw. des ersten Zeitintervalls, λ ist die Wellenlänge des Radarsignals und T_D ist die Zeit zwischen den Messungen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Radarsignal zur Bildung einer Radarkeule mittels eines Offset-Ellipsiod-Spiegels fokussiert oder mittels eines Offset-Paraboloid-Spiegels kollimiert. Dabei wird das Radarsignal vorzugsweise in Form einer Radarkeule mit einem -3dB Öffnungswinkel zum Objekt ausgesendet wird, der kleiner als 15° ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird das Radarsignal während eines zweiten Zeitintervalls als FMCW-Signal ausgestaltet, welches einen Up-Chirp mit linear ansteigender Radarfrequenz und einen Down-Chirp mit linear abfallender Radarfrequenz aufweist, wobei das Radarsignal während des zweiten Zeitintervalls am Messort ausgesendet und nach einer Reflektion am Objekt am Messort wieder empfangen wird, wobei das während des zweiten Zeitintervalls ausgesendete Radarsignal mit dem empfangenen Radarsignal gemischt wird, um ein dem FMCW-Signal zugeordnetes Basisbandsignal zu erzeugen, wobei dieses Basisbandsignal digitalisiert wird und mit den so erhaltenen Abtastwerten eine diskrete Fourier Transformation durchgeführt wird, um eine frequenzdiskrete FMCW-Signal-Amplitudenfolge zu erzeugen, mittels welcher

a) der Frequenzunterschied (f_u) zwischen der Frequenz des ausgesendeten Up-Chirps und der Frequenz des empfangenen Up-Chirps und
b) der Frequenzunterschied (f_d) zwischen der Frequenz des ausgesendeten Down-Chirps und der Frequenz des empfangenen Down-Chirps

_u

_d

Das Radarsignal weist also eine Kombination aus einem CW-Signal und einem FMCW-Signal auf, derart, dass das Radarsignal während des ersten Zeitintervalls als CW-Signal und während des zweiten Zeitintervalls als FMCW-Signal ausgestaltet ist. Die Messung des Radialabstands R mit einem FMCW-Radar, das eine Bandbreite B hat, die während der Chirpzeit T_C linear durchlaufen wird, erfolgt nach Gleichung 3: $R = f_{R} \frac{T_{C} c_{0}}{2 B}$
In Gleichung 3 ist f_R die gemessene Basisband-Frequenz am Ausgang des oder der Mischer, für ein nicht bewegtes Objekt. Wenn sich das Objekt relativ zum Messort bewegt, ist der Basisband-Frequenz f_R die Dopplerfrequenz überlagert. Wenn die Steigung des Up-Chirps betragsmäßig mit der Steigung des Down-Chirps übereinstimmt,

- wird der Radialabstandswert aus dem arithmetischen Mittelwert $\frac{f_{u} + f_{d}}{2}$
der Frequenzunterschiede f_u, f_d und/oder
- der Radialgeschwindigkeitswert wird aus der einfachen Differenz $\frac{f_{u} - f_{d}}{2}$
der Frequenzunterschiede f_u, f_d ermittelt. Wenn die Steigung des Up-Chirps von der Steigung des Down-Chirps abweicht,
- wird der Radialabstandswert betragsmäßig aus dem gewichteten Mittelwert $\frac{w_{u} * f_{u} + w_{d} * f_{d}}{2}$
und/oder
- der Radialgeschwindigkeitswert wird aus der gewichteten Differenz $\frac{w_{u} * f_{u} - w_{d} * f_{d}}{2}$

_u

_d

_u

_d

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Objekt ein Boden, über dem sich ein Fahrzeug bewegt,

- wobei das erfindungsgemäße Verfahren mit einem ersten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug befindlichen ersten Messort in einer orthogonal zur Nickachse des Fahrzeugs angeordneten Fahrzeuglängsebene in einer ersten Hauptabstrahlrichtung, welche eine in Fahrtrichtung des Fahrzeugs weisende Komponente hat, zum Boden ausgesendet wird, um einen ersten Radialgeschwindigkeitswert für die auf das Fahrzeug bezogene Radialgeschwindigkeit zum Boden zu ermitteln,
- wobei das erfindungsgemäße Verfahren mit einem zweiten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug befindlichen, ortsfest relativ zum ersten Messort angeordneten zweiten Messort in der Fahrzeuglängsebene in einer zweiten Hauptabstrahlrichtung, welche eine entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs weisende Komponente hat, zum Boden ausgesendet wird, um einen zweiten Radialgeschwindigkeitswert für die auf das Fahrzeug bezogene Radialgeschwindigkeit zum Boden zu ermitteln, und wobei aus dem ersten und zweiten Radialgeschwindigkeitswert sowie der ersten und der zweiten Hauptabstrahlrichtung ein Wert für die Horizontalgeschwindigkeit und ein Wert für die Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Bezug auf den Boden ermittelt werden. Die Erfindung kann also auch in einem Radarsystem verwendet werden, das mehrere Radarköpfe aufweist, die an dem Fahrzeug angeordnet sind und auch als Frontend bezeichnet werden. Die Radarköpfe können jeweils die Sende- und Empfangsantenne, den Sender mit der Hochfrequenz-Signalerzeugung und dem Sendeverstärker, sowie den Empfänger mit Empfangsverstärker und Mischer umfassen. Das Radarsystem wird vorzugsweise derart an der Fahrzeugunterseite montiert, dass die kollimierten Radarstrahlen jeweils unter einem Winkel schräg auf den Boden auftreffen, wobei die Radarköpfe derart angeordnet sind, dass ihre Hauptabstrahlrichtungen in zueinander entgegengesetzte Richtung weisende Komponenten haben. Bei entsprechender Anordnung der Radarköpfe können mit Hilfe des Verfahrens sowohl die Horizontalgeschwindigkeit als auch die Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugs berührungslos gemessen werden.

Vorteilhaft ist, wenn das erste und zweite Radarsignal jeweils derart nach Anspruch 4 erzeugt werden, dass die Up-Chirps die gleiche Chirpzeit und betragsmäßig die gleiche Frequenzsteigung aufweisen und die Down-Chirps der Radarsignale die gleiche Chirpzeit und betragsmäßig die gleiche Frequenzsteigung aufweisen,

- dass für das zweite Zeitintervall aus dem ersten Radarsignal ein erster Radialabstandswert für den auf den ersten Messort bezogenen Radialabstand zum Boden ermittelt wird,
- dass für das zweite Zeitintervall aus dem zweiten Radarsignal ein zweiter Radialabstandswert für den auf den zweiten Messort bezogenen Radialabstand zum Boden ermittelt wird, und dass aus dem ersten und zweiten Radialabstandswert, der ersten und der zweiten Hauptabstrahlrichtung sowie dem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Messort ein Bodenabstandswert und/oder ein Nickwinkel des Fahrzeugs ermittelt wird.

In der Darstellung gemäß 1 ist die Zeichenebene orthogonal zur Nickachse des Fahrzeugs angeordnet. Der in 1 mit h₁ bezeichnete senkrechte Abstand des Messortes des ersten Radarsignals zum (Erd-)Boden E ergibt sich aus dem Winkel α zwischen der vom Fahrzeugboden B aufgespannten Ebene und der Hauptabstrahlrichtung, unter der das erste bzw. zweite Radarsignal jeweils von der ihm zugeordneten Messstelle zum Boden hin abgestrahlt wird, dem Nickwinkel β des Fahrzeugs und dem ersten Radialabstandswert R₁ wie folgt: $h 1 = R_{1} * sin (α - β)$
In entsprechender Weise ergibt sich der senkrechte Abstand h₂ des Messortes des zweiten Radarsignals zum Boden aus dem Winkel α, dem Nickwinkel β des Fahrzeugs und dem zweiten Radialabstandswert R₂ wie folgt: $h 2 = R_{2} * sin (α + β)$
Der Abstandsunterschied h₁ - h₂ kann aus dem Abstand A zwischen dem ersten und zweiten Messort sowie dem Nickwinkel β des Fahrzeugs berechnet werden: $A * sin (β) = h_{1} - h_{2}$
Werden die Gleichungen 4 und 5 in Gleichung 6 eingesetzt ergibt sich: $A * sin (β) = R_{1} * sin (α - β) - R_{2} * sin (α + β)$
Gleichung 7 ist numerisch lösbar und liefert den Nickwinkel β. Dieser eingesetzt in Gleichung 4 bzw. 5 liefert die Abstände h₁ und h₂. Der Abstand des Fahrzeugs zum Boden kann aus dem arithmetischen Mittelwert (h₁+h₂)/2 der Abstände h₁ und h₂ ermittelt werden.
Bei Bedarf kann das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zusätzlich mit einem dritten Radarsignal durchgeführt werden, das von einem am Fahrzeug befindlichen dritten Messort in einer dritten Hauptabstrahlrichtung zum Boden ausgesendet wird, um einen dritten Radialgeschwindigkeitswert für die auf das Fahrzeug bezogene Radialgeschwindigkeit zum Boden zu ermitteln, und wobei die erste, zweite und dritte Hauptabstrahlrichtung derart angeordnet werden, dass sie linear unabhängig voneinander sind. Hierdurch ist es möglich, Radialgeschwindigkeit vektoriell in einem Koordinatensystem mit drei quer zueinander angeordneten Achsen zu messen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Objekt ein Boden, über dem sich ein Fahrzeug bewegt,

- wobei das Verfahren nach Anspruch 4 mit einem dritten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug befindlichen dritten Messort in einer orthogonal zur Wankachse des Fahrzeugs angeordneten Fahrzeugquerebene in einer dritten Hauptabstrahlrichtung, welche eine in erste seitliche Richtung weisende Komponente hat, zum Boden ausgesendet wird, um einen dritten Radialabstandswert für den auf den dritten Messort bezogenen Radialabstand zum Boden ermittelt wird,
- wobei das Verfahren nach Anspruch 4 mit einem vierten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug befindlichen dritten Messort in einer orthogonal zur Wankachse des Fahrzeugs angeordneten Fahrzeugquerebene in einer dritten Hauptabstrahlrichtung, welche eine in eine zu der ersten seitlichen Richtung entgegengesetzte zweite seitliche Richtung weisende Komponente hat, zum Boden ausgesendet wird, um einen vierten Radialabstandswert für den auf den vierten Messort bezogenen Radialabstand zum Boden ermittelt wird,

₁

₂

Aus den gemessenen Radialgeschwindigkeiten der vorzugsweise vier Radarköpfe kann also die Horizontalgeschwindigkeit des Fahrzeugs nach vorn, hinten rechts und links zum Boden in alle Richtungen ermittelt, sowie die Drehung um die Vertikalachse, die Neigung zum Boden, die Vertikalgeschwindigkeit sowie Abstand zum Boden bestimmt werden.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

1 eine graphische Darstellung von Abständen und Winkeln zwischen einer am Boden eines Fahrzeugs vorgesehenen Radarkopf-Anordnung und dem Erdboden,
2 ein fahrerlosen Transportsystem (FTS) mit einem Geschwindigkeitsradar,
3 ein Prinzip-Schaltbild eines Radarkopfs,
4 ein Prinzip-Schaltbild eines Geschwindigkeitsradars,
5 den Frequenzverlauf der Sendefrequenz des Radarkopfs,
6 eine Radarkopf-Anordnung mit zwei Radarköpfen, die jeweils einen ellipsoidischen Spiegeln zur Radarstrahl-Fokussierung aufweisen, und
7 ein Flussdiagramm zur Berechnung eines Radialgeschwindigkeitswerts und eines Radialabstandswerts.

2 beschreibt ein Ausführungsbeispiel eines als fahrerloses Transportsystem ausgestalteten Fahrzeugs 1, das mit Rädern 2 über einen unebenen Boden 3 mit der Horizontalgeschwindigkeit v_h fährt. Das Fahrzeug 1 ist mit dem Geschwindigkeitsradar 4 ausgestattet, das Sendefrequenzen f_T im Bereich von 122 bis 123 GHz aussendet. Das Geschwindigkeitsradar 4 weist bis zu vier Radarköpfe auf, wovon in 2 die beiden Radarköpfe 5.1 und 5.2 gezeigt sind, die beispielsweise jeweils unter einem Winkel α = 45° zum Boden in verschiedene Richtungen messen. Wie in 2 zu sehen ist, hat die Hauptabstrahlrichtung eines an einem ersten Messort angeordneten ersten Radarkopfs 5.1 eine in (Vorwärts-)Fahrtrichtung 6 des Fahrzeugs 1 weisende Komponente und die Hauptabstrahlrichtung eines an einem zweiten Messort angeordneten zweiten Radarkopfs 5.2 hat eine entgegen der (Vorwärts-)Fahrtrichtung 6 weisende Komponente. Das Geschwindigkeitsradar 4 ist über eine Datenleitung mit dem Board-Rechner 7 des fahrerlosen Transportsystems verbunden. Das Geschwindigkeitsradar 4 ist an der Fahrzeugunterseite zum Boden 3 ausgerichtet angebracht und hat einen Abstand h zum Boden 3.
3 zeigt einen der Radarköpfe 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 des Geschwindigkeitsradars 4. Ein Signalgenerator 8 wird über die Datenschnittstelle 9 angesteuert und erzeugt die Sendefrequenz f_T, die über die Sendeantenne 10 abgestrahlt wird. Das gesendete Signal wird vom Boden 3 zur Empfangsantenne 11 reflektiert. Sende- und Empfangsantenne 10, 11 sind eng benachbart und liegen höchstens zwei Wellenlängen (λ = 2,45 mm) auseinander. Zum Mischen des Empfangssignals mit dem Sendesignal weist der Radarkopf zwei Mischer 12I, 12Q auf, die jeweils einen ersten Hochfrequenzeingang 13I, 13Q und einen zweiten Hochfrequenzeingang 14I, 14Q haben.
Die ersten Hochfrequenzeingänge 13I, 13Q sind jeweils mit dem Ausgang der Empfangsantenne 11 verbunden. Der zweite Hochfrequenzeingang 14I eines ersten Mischers 12I ist direkt mit einem Hochfrequenzausgang des Signalgenerators 8 verbunden. Der zweite Hochfrequenzeingang 14Q eines zweiten Mischers 12Q ist über einen 90° Phasenschieber 15 mit dem Hochfrequenzausgang des Signalgenerators 8 verbunden.
Mit den Mischern 12I, 12Q wird das Empfangssignal ins Basisband herunter gemischt und steht jeweils 90° phasenverschoben an den mit 16I und 16Q gekennzeichneten Ausgängen zur Digitalisierung durch die Analog/Digital Wandler 17I und 17Q an. Der Phasenschieber 15 und die beiden Mischer 12I und 12Q bilden einen I/Q-Mischer 18. Die Analog/Digital Wandler 17I und 17Q sampeln über eine Taktleitung clk die Spannungswerte I₁, I₂, I₃ ... I_n und Q₁, Q₂, Q₃ ...Q_n an den Ausgängen 16I und 16Q des I/Q-Mischers 18 und erzeugen so eine zeitdiskrete Datenfolge realer und imaginärer Signalwerte (in phase und quadratur phase) für die nachfolgende komplexe Signalverarbeitung. Mit Hilfe der numerischen diskreten Fourier Transformation wird aus den realen I₁, I₂, I₃ ...I_n Signalwerten und dem imaginären Signalwerten Q₁, Q₂, Q₃ ...Q_n ein Spektrum des Signals gebildet, aus dem die Dopplerfrequenz extrahiert und ein Radialgeschwindigkeitswert v_rh, v_rb nach Gleichung 1 berechnet wird. Bei kleinen Geschwindigkeiten (f_D < 1/T_D) kann die Dopplerfrequenz f_D nicht mehr gut genug ermittelt werden, weil dann die Zeit T_D nicht ausreicht, um eine vollständige Schwingung der Dopplerfrequenz f_D zu erfassen. In diesem Fall werden die Phasen der Spannungswerte I₁ und Q₁ am Anfang (t=t₀=0) und I_n und Q_n am Ende der Messzeit (t=T_D) zur Berechnung der Phase nach Gleichung 8 bestimmt. $Φ_{1} = arctan (Q_{1} {/I}_{1}), bzw . Φ_{n} = arctan (Q_{n} {/I}_{n})$
Die Radial-Geschwindigkeit wird dann nach Gleichung 2 berechnet. Der Radarkopf 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 kann durch Anlegen eines Modulauswahl-Signals an einen Aktivierungseingang 19 aktiviert oder in den Energiesparmodus versetzt werden.
4 zeigt ein Prinzip-Schaltbild des Geschwindigkeitsradars für vier Radarköpfe 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, die beispielsweise die Geschwindigkeit nach vorn, hinten, rechts und links messen. Die Radarköpfe 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 werden über einen SPI-Bus 20 von einem Mikroprozessor 21 und von Modulauswahl-Signalen angesteuert, die an Aktivierungseingängen 19.1, 19.2, 19.3 und 19.4 anliegen. Die jeweils an den Ausgängen der IQ-Mischer anliegenden Signale der vier Radarköpfe 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 werden über die Multiplexer 22I und 22Q den Analog-Digital-Wandlern 17I und 17Q zugeführt. Die Multiplexer 22I und 22Q werden vom Mikroprozessor 21 angesteuert. Der Mikroprozessor 21 errechnet die Horizontalgeschwindigkeiten nach vorn und zur Seite, sowie den Abstand zum Boden h und die Neigungswinkel des Fahrzeugs nach vorn und zur Seite und übergibt die errechneten Daten beispielsweise über eine UART-Schnittstelle an den Board-Rechner 7 des fahrerlosen Transportsystems.
5 beschreibt den Frequenzverlauf der Sendefrequenz f_T (durchgezogene Linie) und der Empfangsfrequenz f_R (gestrichelte Linie) eines Radarkopfs 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. In einem ersten Zeitintervall von t₀ bis T_D wird die Sendefrequenz f_r konstant gehalten f_TD=f_r. Während dieser Zeit erfolgt die Radialgeschwindigkeitsberechnung aus Gleichung 1 aus der Dopplerfrequenz f_D.
Es folgt ein erster Zeitabschnitt eines zweiten Zeitintervalls zwischen der Zeit T_D bis T_D+T_C. Im ersten Zeitabschnitt durchläuft das Sendesignal eine aufsteigende, lineare Frequenzrampe (Up-Chirp) von der unteren Frequenz f_Td bis zur oberen Frequenz f_Tu, wobei f_Tu-f_Td=B die Bandbreite des Radarkopfes ist. Während der Chirp-Zeit Tc der ansteigenden Frequenzrampe liegt das Empfangssignal verschoben um die Zeit τ_u an den ersten Hochfrequenzeingängen 13I und 13Q der Mischer 12I und 12Q an und die Frequenz des Empfangssignals wird ins Basisband gemischt. Aus den an den Ausgängen 16I und 16Q anliegenden Signalen wird die Mischfrequenz f_u bestimmt.
Im Anschluss folgt ein zweiter Zeitabschnitt des zweiten Zeitintervalls mit der Chirp-Zeit Tc. Im zweiten Zeitabschnitt durchläuft das Sendesignal eine abfallende Frequenzrampe. Analog zur ansteigenden Frequenzrampe wird aus der abfallenden Frequenzrampe die Mischfrequenz f_d bestimmt. Für lineare FMCW-Radare gilt B/Tc=f_u/τ_u=f_d/τ_d und es können die Zeiten τ_u und τ_d berechnet werden. Wegen τ=2R/c₀=(τ_u,τ_d)/2 kann der radiale Abstand R vom Radarkopf 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 zum Boden 3 errechnet werden. Damit kann die Höhe h=R*sinα des Geschwindigkeitsradars zum Boden 3 gemessen werden. Je nach Geschwindigkeitsrichtung und Abstand tritt der Fall ein, dass die Dopplerfrequenz f_D im Bereich von f_R liegt (f_D ≈ f_R). Dann geht entweder f_u oder f_d rechnerisch gegen 0. Das führt dazu, dass eine der beiden Frequenzen nicht ermittelt werden kann. Dafür wird aber entweder f_u oder f_d größer als 2f_D und kann gut ermittelt werden.
Bei unebenem Boden 3 ist der Winkel, mit denen die Radarköpfe zum Boden messen unterschiedlich und jeder Radarkopf misst einen anderen Abstand R. Daraus lässt sich daraus der Neigungswinkel des Fahrzeugs 1 zum Boden 3 bestimmen.
6 zeigt den inneren Aufbau eines Geschwindigkeitsradars 4 mit zwei Radarköpfen 5.1 und 5.2 zur Messung der Horizontalgeschwindigkeit v_h. Das Geschwindigkeitsradar 4 ist an der Unterseite des Fahrzeugs 1 angebracht. Der Radarkopf 5.1 misst die radiale Geschwindigkeit v_rf in Vorwärtsrichtung. Der Radarkopf 5.2 misst die radiale Geschwindigkeit v_rb in Rückwärtsrichtung. Die Radarköpfe 5.1 und 5.2 mit ihren jeweilig eng benachbarten Sende- und Empfangsantennen fokussieren die Radarstrahlen 23.1 und 23.2 über Offset-Ellipsoid-Spiegel 24.1 und 24.2. Es ist auch eine Anordnung mit Offset-Parabolspiegeln möglich. Die gestrichelt gezeichneten Ellipsoide 25.1 und 25.2 der Offset-Ellipsoid-Spiegel 24.1 und 24.2 sind dabei so berechnet, dass ein erster Brennpunkt 26.1 und 26.2 im Antennenschwerpunkt des ersten Radarkopfes 5.1 mit den eng benachbarten Sende- und Empfangsantennen liegt und der zweite Brennpunkt 27.1 und 27.2 am Boden 3.
7 zeigt ein Flussdiagramm der Programmodule zur Berechnung der Radialgeschwindigkeit und des Radialabstands von einem der Radarköpfe 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. Nach der Aktivierung des Frontend durch das Modulauswahl-Signal wird im Programmmodul „Start“ eine Initialisierung des Radarkopfes durchgeführt. Nachfolgend wird im Programmodul „CW“ der Signalgenerator für die Zeit T_D auf einer konstanten Sendefrequenz gehalten.
Es folgt in dem Programmmodul „Messung f_D“ die Messung der Dopplerfrequenz. Dazu werden während der Zeit T_D zeitäquidistant, beispielsweise in n=1024 Schritten, die Spannungswerte I₁, I₂, I₃, I_n und Q₁, Q₂, Q₃,..... Q_n an den Ausgängen 16I und 16Q der Mischer 12I und 12Q gesampelt. Diese Spannungswerte im Zeitbereich können auch noch durch eine geeignete Fensterfunktion gewichtet werden und mit Hilfe der diskreten, komplexen Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert und aus dem resultierenden Spektrum die Dopplerfrequenz bestimmt werden.
Im Programmmodul „Berechnung v_r“ wird aus der Dopplerfrequenz die Radialgeschwindigkeit nach Gleichung 1 berechnet.
Dann folgt eine Programmverzweigung. Wenn der Betrag der Radialgeschwindigkeit |v_r| größer als die Wellenlänge λ dividiert durch die Messzeit T_D ist, verzweigt das Programm in Richtung „ja“. Ist der Betrag der Radialgeschwindigkeit kleiner, verzweigt der Programmfluss in Richtung „nein“.
Im Beispiel bedeutet dies v_r<2,45 mm/10ms=0,245m/s. Wenn die ermittelte Dopplerfrequenz kleiner als die Wellenlänge dividiert durch die Messzeit T_D wird, kann die Dopplerfrequenz nicht mehr aus einer vollen Signal-Schwingung errechnet werden und die Dopplerfrequenzbestimmung wird ungenau.
Im Fall „nein“ erfolgt die Berechnung der Radialgeschwindigkeit daher nicht mehr aus der Ermittlung der Dopplerfrequenz f_D, sondern aus den gemessenen Ausgangsspannungen im Programmmodul „Bestimmung V_I0,V_Q0, Vi_n,V_qn“.
Im Programmmodul „Bestimmung langsam v_r“ wird mit Hilfe von Gleichung 8 die Radialgeschwindigkeit v_r nach Gleichung 2 für kleine Radialgeschwindigkeiten berechnet.
Nach der Bestimmung der Dopplerfrequenz f_D und der Berechnung der Radialgeschwindigkeit v_r folgt mit dem bekannten Verfahren zur Abstandsmessung nach dem bekannten FMCW-Radar-Prinzip die Berechnung des Radialabstands R. Im Programmmodul(Up chirp) wird mit einer aufsteigende Frequenzrampe über die Chirp-Zeit Tc generiert. Im Programmodul (Measure fu) folgt die Messung der Frequenz f_u, die am Ausgang der Mischer Mix_I und Mix_Q anliegt. Falls f_u nicht ermittelt werden kann, wird dies vermerkt.
Nachfolgend wird im Programmodul „Down-Chirp“ eine abfallenden Frequenzrampe generiert. Es folgt das Programmmodul „(Messung f_d“ und die Messung der Frequenz f_d. Falls f_d nicht ermittelt werden kann, wird dies vermerkt.
Aus f_u, f_d und f_d werden im Programmmodul „Berechnung R“ die Verschiebungen der empfangenen Frequenzrampen τ_u = f_u*Tc/B und τ_d = f_d*Tc/B berechnet, sofern f_u und f_d gemessen werden konnten. Der radiale Abstand R wird dann aus der Beziehung τ = (τ_u+τ_d)/2 = 2R/c₀ errechnet. Falls entweder f_u oder f_d als nicht ermittelt vermerkt sind, erfolgt die Berechnung des Abstands über die Abstandsfrequenz f_R = f_d-f_d bzw. f_R=f_u-f_D und Gleichung 3.
Beispiel 1:
Radarkopf 5.1 emittiert im ersten Zeitintervall ein Signal mit der Sendefrequenz f_T=122,5GHz und misst während der Zeit T_D=10ms in Vorwärtsrichtung eine Dopplerfrequenz f_D von 245Hz. Daraus errechnet sich nach Gl.1 eine Radialgeschwindigkeit von v_r =0,3m/s. Diese Radialgeschwindigkeit ist größer als λ/T_D=0,25m/s, weshalb die Dopplerfrequenz mit genügender Genauigkeit bestimmt werden kann.
Es folgt im ersten Abschnitt des zweiten Zeitintervalls ein Up-Chirp von 122 bis 123 GHz über der Zeit Tc=10ms. Die Bandbreite beträgt 1GHz. Die Frequenz f_u ist sehr klein und kann nicht ausgewertet werden.
Es folgt im zweiten Abschnitt des zweiten Zeitintervalls ein Down-Chirp von 123 nach 122GHz über der Zeit Tc=10ms. Es wird eine Frequenz f_d=445 Hz gemessen. Diese Frequenz f_d=f_D+f_R ist die Summe aus Dopplerfrequenz f_D und der Frequenz f_R=200Hz, die dem Abstand nach Gleichung 3 zugeordnet wird. Daraus errechnet sich ein Abstand R=300mm.
Beispiel 2:
Das Fahrzeug 1 verlangsamt seine Geschwindigkeit und Radarkopf 5.1 misst im ersten Zeitintervall in Vorwärtsrichtung eine Dopplerfrequenz f_D die kleiner als 1/T_D=100Hz ist bzw. nicht erfasst werden kann.
Soll die Geschwindigkeit innerhalb eines Zeitraums von 10 ms errechnet werden, ist die Ermittlung der Dopplerfrequenz mit Unsicherheiten verbunden oder unmöglich, da keine vollständige Schwingung zur Frequenzermittlung der Dopplerfrequenz ausgewertet werden kann. Als Beispiele sei angenommen, dass die gemessene Phasendifferenz Φ_n-Φ₁ für den Radarkopf 5.1, der unter einem Winkel von α=45° auf den Boden gerichtet ist, 3,1 radiant beträgt. Daraus ergibt sich nach Gl. 2 eine Radialgeschwindigkeit v_r von: $v_{r} = \frac{3,1}{10 m s} * \frac{2,45 m m}{4 π} = 6 cm/s,$
Mit jedem Radarkopf 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 wird der Radialabstand R₁, R₂, R₃, R₄ zum Boden gemessen. Daraus errechnet der Mikroprozessor 21 einen mittlere Abstand h des Geschwindigkeitsradars zum Boden nach Gleichung 6: $h = \frac{sin α}{4} \sum_{i = 1}^{i = 4} R_{i}$
Die Radarköpfe 5.1, 5.2 sind so angeordnet, dass sie jeweils nach vorn und hinten unter dem Winkel α die Radialgeschwindigkeiten v_r1 und v_r2 messen. Daraus errechnet der Mikroprozessor 21 die Horizontalgeschwindigkeit nach vorn v_h und die Vertikalgeschwindigkeit nach oben v_v nach Gleichung 7 und 8: $v_{h} = \frac{v_{r 1} - v_{r 2}}{2 cos (α)}$
$v_{v} = - \frac{v_{r 1} + v_{r 2}}{2 sin (α)}$
Beispiel 3: Neigungsberechnung
Fährt das autonom geführte Vehikel oder fahrerlose Transportsystem beispielsweise über eine Kante am Boden von einer ersten Ebene auf eine zweite Ebene, die in einer Höhe h über der ersten Ebene liegt, so ist die Neigung des Fahrzeugs im Moment da die Vorderachse auf der Schwelle liegt gegeben durch $β = arcsin (\frac{h}{D}),$
wobei D der Achsabstand ist.
Diese Neigung bestimmt sich aus den von den Radarköpfen 5.1 und 5.2 gemessenen Distanzen wie folgt: $β = arctan (\frac{r_{1} - r_{2}}{r_{1} + r_{2}} tan (α))$

Claims

Verfahren zur Messung einer Radialgeschwindigkeit eines Objekts bezogen auf einen Messort, umfassend folgende Schritte: a) wobei ein Radarsignal erzeugt wird, das zumindest während eines ersten Zeitintervalls (T_D) als CW-Signal mit zeitlich konstanter Radarfrequenz (f_T) ausgestaltet ist, wobei das Radarsignal während des ersten Zeitintervalls (T_D) am Messort ausgesendet und nach einer Reflektion am Objekt am Messort wieder empfangen wird, wobei das ausgesendete Radarsignal mit dem empfangenen Radarsignal nach dem IQ-Verfahren gemischt wird, um ein phasengleiches Basisbandsignal und ein Quadratur-Basisbandsignal zu erzeugen, wobei das phasengleiche Basisbandsignal und das Quadratur-Basisbandsignal jeweils digitalisiert werden, um für das phasengleiche Basisbandsignal I-Abtastwerte (I₁, I₂, I₃, ... I_n) und für das Quadratur-Basisbandsignal Q-Abtastwerte (Q₁, Q₂, Q₃, ... Q_n) zu erhalten, wobei die I-Abtastwerte (I₁, I₂, I₃, ... I_n) und die Q-Abtastwerte (Q₁, Q₂, Q₃, ... Q_n) gespeichert werden, b) wobei mit den I-Abtastwerten (I₁, I₂, I₃, ... I_n) und/oder den Q-Abtastwerten (Q₁, Q₂, Q₃, ... Q_n) eine diskrete Fourier Transformation durchgeführt und aus der dadurch erhaltenen frequenzdiskreten CW-Signal-Amplitudenfolge ein Dopplerfrequenzwert (f_D) ermittelt wird, c) wobei der Dopplerfrequenzwert (f_D) mit einem Grenzwert verglichen wird, der gleich dem Kehrwert des Zeitintervalls (T_D) oder kleiner ist als dieser, und wobei i) im Fall, dass der Dopplerfrequenzwert (f_D) größer ist als der Grenzwert oder diesem entspricht, aus dem Dopplerfrequenzwert (f_D) ein auf den Messort bezogener Radialgeschwindigkeitswert (v_rb, v_rf) für das Objekt bestimmt wird, ii) im Fall, dass der Dopplerfrequenzwert (f_D) kleiner ist als der Grenzwert - ein erster Phasenlagewert aus einem am Beginn des ersten Zeitintervalls (T_D) abgetasteten ersten Q-Abtastwert (Q₁) und einem diesem zugeordneten ersten I-Abtastwert (I₁) ermittelt wird und - ein weiterer Phasenlagewert aus einem am Ende des ersten Zeitintervalls (T_D) abgetasteten weiteren Q-Abtastwert (Q_n) und einem diesem zugeordneten weiteren I-Abtastwert (I_n) ermittelt wird und - der auf den Messort bezogene Radialgeschwindigkeitswert (v_rb, v_rf) für das Objekt aus der Differenz dieser Phasenlagewerte bestimmt wird, und d) wobei die Schritte a) bis c) gegebenenfalls ein- oder mehrmals wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radarsignal zur Bildung einer Radarkeule mittels eines Offset-Ellipsiod-Spiegels (24.1, 24.2) fokussiert oder mittels eines Offset-Paraboloid-Spiegels kollimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Radarsignal in Form einer Radarkeule mit einem -3dB Öffnungswinkel zum Objekt ausgesendet wird, der kleiner als 15° ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Radarsignal während eines zweiten Zeitintervalls als FMCW-Signal ausgestaltet ist, welches einen Up-Chirp mit linear ansteigender Radarfrequenz und einen Down-Chirp mit linear abfallender Radarfrequenz aufweist, dass das Radarsignal während des zweiten Zeitintervalls am Messort ausgesendet und nach einer Reflektion am Objekt am Messort wieder empfangen wird, dass das während des zweiten Zeitintervalls ausgesendete Radarsignal mit dem empfangenen Radarsignal gemischt wird, um ein dem FMCW-Signal zugeordnetes Basisbandsignal zu erzeugen, dass dieses Basisbandsignal digitalisiert wird und mit den so erhaltenen Abtastwerten (I₁, I₂, I₃, ... I_n) eine diskrete Fourier Transformation durchgeführt wird, um eine frequenzdiskrete FMCW-Signal-Amplitudenfolge zu erzeugen, mittels welcher a) der Frequenzunterschied (f_u) zwischen der Frequenz des ausgesendeten Up-Chirps und der Frequenz des empfangenen Up-Chirps und b) der Frequenzunterschied (f_d) zwischen der Frequenz des ausgesendeten Down-Chirps und der Frequenz des empfangenen Down-Chirps ermittelt wird, und dass aus dem Mittelwert der Frequenzunterschiede (f_u, f_d) ein Radialabstandswert für den auf den Messort bezogenen Radialabstand zum Objekt bestimmt wird und/oder dass aus der Differenz der Frequenzunterschiede (f_u, f_d) ein weiterer Radialgeschwindigkeitswert bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt ein Boden (3) ist, über dem sich ein Fahrzeug (1) bewegt, - dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem ersten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug (1) befindlichen ersten Messort in einer orthogonal zur Nickachse des Fahrzeugs (1) angeordneten Fahrzeuglängsebene in einer ersten Hauptabstrahlrichtung, welche eine in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (1) weisende Komponente hat, zum Boden (3) ausgesendet wird, um einen ersten Radialgeschwindigkeitswert (v_rf) für die auf das Fahrzeug (1) bezogene Radialgeschwindigkeit zum Boden (3) zu ermitteln, - dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem zweiten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug (1) befindlichen, ortsfest relativ zum ersten Messort angeordneten zweiten Messort in der Fahrzeuglängsebene in einer zweiten Hauptabstrahlrichtung, welche eine entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs (1) weisende Komponente hat, zum Boden ausgesendet wird, um einen zweiten Radialgeschwindigkeitswert (v_rb) für die auf das Fahrzeug (1) bezogene Radialgeschwindigkeit zum Boden zu ermitteln, und dass aus dem ersten und zweiten Radialgeschwindigkeitswert sowie der ersten und der zweiten Hauptabstrahlrichtung ein Wert für die Horizontalgeschwindigkeit und ein Wert für die Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugs (1) in Bezug auf den Boden ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Radarsignal jeweils derart nach Anspruch 4 erzeugt werden, dass die Up-Chirps die gleiche Chirpzeit und betragsmäßig die gleiche Frequenzsteigung aufweisen und die Down-Chirps der Radarsignale die gleiche Chirpzeit und betragsmäßig die gleiche Frequenzsteigung aufweisen, - dass für das zweite Zeitintervall aus dem ersten Radarsignal ein erster Radialabstandswert (R₁) für den auf den ersten Messort bezogenen ersten Radialabstand zum Boden (3) ermittelt wird, - dass für das zweite Zeitintervall aus dem zweiten Radarsignal ein zweiter Radialabstandswert (R₂) für den auf den zweiten Messort bezogenen zweiten Radialabstand zum Boden (3) ermittelt wird, und dass aus dem ersten und zweiten Radialabstandswert (R₁, R₂), der ersten und der zweiten Hauptabstrahlrichtung sowie dem Abstand (A) zwischen dem ersten und dem zweiten Messort ein Bodenabstandswert und/oder ein Nickwinkel (β) des Fahrzeugs (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem dritten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug (1) befindlichen dritten Messort in einer dritten Hauptabstrahlrichtung zum Boden (3) ausgesendet wird, um einen dritten Radialgeschwindigkeitswert für die auf das Fahrzeug (1) bezogene Radialgeschwindigkeit zum Boden (3) zu ermitteln, und dass die erste, zweite und dritte Hauptabstrahlrichtung derart angeordnet werden, dass sie linear unabhängig voneinander sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt ein Boden (3) ist, über dem sich ein Fahrzeug (1) bewegt, - dass das Verfahren nach Anspruch 4 mit einem dritten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug (1) befindlichen dritten Messort in einer orthogonal zur Wankachse des Fahrzeugs (1) angeordneten Fahrzeugquerebene in einer dritten Hauptabstrahlrichtung, welche eine in erste seitliche Richtung weisende Komponente hat, zum Boden (3) ausgesendet wird, um einen dritten Radialabstandswert für den auf den dritten Messort bezogenen Radialabstand zum Boden (3) ermittelt wird, - dass das Verfahren nach Anspruch 4 mit einem vierten Radarsignal durchgeführt wird, das von einem am Fahrzeug (1) befindlichen vierten Messort in einer orthogonal zur Wankachse des Fahrzeugs (1) angeordneten Fahrzeugquerebene in einer dritten Hauptabstrahlrichtung, welche eine in eine zu der ersten seitlichen Richtung entgegengesetzte zweite seitliche Richtung weisende Komponente hat, zum Boden (3) ausgesendet wird, um einen vierten Radialabstandswert für den auf den vierten Messort bezogenen Radialabstand zum Boden (3) ermittelt wird, und wobei aus dem dritten und vierte Radialabstandswert, der dritten und der vierten Hauptabstrahlrichtung sowie dem Abstand zwischen dem dritten und vierten Messort ein weiterer Bodenabstandswert und/oder ein Wankwinkel des Fahrzeugs (1) ermittelt wird.