DE19502873A1

DE19502873A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Bewegungsgrößen von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE19502873A1
Application number: DE1995102873
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof Dr Marganitz; Ralph Dipl Ing Zimmer; Dirk Dipl Ing Swinka
Original assignee: Deuta Mestechnik Berlin GmbH
Current assignee: Deuta Mestechnik Berlin GmbH
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: DE19502873C2; WO1996024071A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Bewegungsgrößen von Fahrzeugen unter Anwendung des Dopplereffektes, mittels zur Fahrtrasse gesendeter Signalstrahlung, deren von dort zurückgestreute Strahlung wieder empfangen und ausgewertet wird.

Bei herkömmlichen Geschwindigkeits- und Weg-Meßeinrich tungen, insbesondere bei radangetriebenen Landfahrzeu gen, wird überwiegend die Drehzahl bzw. die Umdrehungs anzahl eines mitlaufenden Rades erfaßt und daraus die Meßgrößen Geschwindigkeit bzw. Weg ermittelt. Bei die ser Meßmethode treten jedoch unvermeidbare Störein flüsse, wie Radschlupf, unterschiedliche Rad- und/oder Luftreifendurchmesser, Reifenluftdruck und verschiedene Übersetzungsverhältnisse auf, die die Meßergebnisse verfälschen.

Aus EP 00 03 603 A2 ist es bekannt, die Geschwindig keitsmessung berührungslos mittels fahrzeugfester Radaranlage unter Anwendung des sogenannten Doppler-Ef fektes vorzunehmen. Hierbei werden von einem am Fahr zeug angebrachten Radarmodul kontinuierlich Mikro- oder Ultraschallwellen zur Fahrbahn hin ausgesendet. Die von dort zurückgestreute Schwingung wird wieder empfangen und mit dem Sendesignal zu einem unteren Seitenband ge mischt. Bewegt sich nun das Fahrzeug, so ist die Fre quenz des zurückgestreuten Signals aufgrund des Dopp ler-Effektes gegenüber der Frequenz des Sendesignals verschoben und es entsteht ein schmalbandiges, nieder frequentes sogenanntes Doppler-Signal mit einem stocha stischen Verlauf, dessen Spektrum eine mehr oder weni ger ausgeprägte Doppler-Frequenz f_d als Mittenfrequenz zeigt. Diese Doppler-Frequenz ist gemäß der Formel:

von der Wellenlänge λ der Sendeschwingung des Radarmo duls, der Fahrzeuggeschwindigkeit v und dem zwischen der Bewegungsrichtung und der Strahlungsrichtung einge schlossenen Winkel ϕ abhängig.

Üblicherweise führt ein Fahrzeug jedoch nicht nur eine lineare Bewegung mit der Geschwindigkeit v aus, sondern auch Nickbewegungen, durch die der Winkel ϕ eine Ände rung erfährt. Diese Änderung führt zu fehlerhaften Aus wertungen der Doppler-Frequenz und damit zu Fehlan zeigen der tatsächlichen Geschwindigkeit.

Aus der DE 38 35 510 A1 ist es bekannt, derartige Nick fehler durch eine sogenannte Janus-Antennenanordnung, die aus zwei Radar-Moduln besteht, weitgehend zu elimi nieren. Hierbei sind die beiden Radarmodule um einen rechten Winkel gegeneinander versetzt angeordnet, wobei ein Radarmodul Signale in Fahrtrichtung und das andere Radarmodul Signale gegen Fahrtrichtung abstrahlt. Dar aus werden zwei Doppler-Signale gewonnen, die die fehlerhaften Einflüsse der Kippbewegungen auf die Dopp ler-Frequenz durch entsprechende Auswertung kompensie ren können.

Diese Doppler-Signale können durch eine entsprechende Vorrichtung zu einem Weg- und Geschwindigkeitsmeßwert ausgebildet werden. Nachteilig ist jedoch, daß die Ka librierung derartiger Meßeinrichtungen von der Beschaf fenheit der Fahrtrasse abhängig ist. Dies hat zur Folge, daß bei einer fest eingestellten Kalibrierung eine Trassenänderung einen Meßfehler von bis zu 10% hervorrufen kann. Ursache für diesen sogenannten Kali brierungsfehler ist das anisotrope Reflexionsverhalten der verschiedenen Trassenoberflächen, das eine Beein flussung des Spektrums des Doppler-Signals zur Folge hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gat tungsmäßiges Meßverfahren sowie eine gattungsmäßige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens eingangs zu schaffen, bei dem der Meßwert von den anisotropen Reflexionseigenschaften der Fahrtrasse unabhängig ist und keinen Kalibrierungsfehler aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Fahrtrasse von zwei Radar-Moduln bestrahlt wird, die in ihren Nei gungswinkeln zur Bewegungsrichtung geringfügig ge geneinander versetzt sind, so daß die beiden normierten Doppler-Spektren einen gemeinsamen überlappungsbereich mit einer Kreuzungsfrequenz aufweisen und diese Kreu zungsfrequenz durch eine Auswerteeinrichtung bestimmt und in einen Geschwindigkeitsmeßwert umgesetzt wird.

Hierzu besteht die Vorrichtung der Mikrowellen-Module aus einem Sender zur Erzeugung von Strahlung, einer An tennenanordnung, mit der Strahlung gebündelt abstrahl bar ist, einer die zurückgestreute Strahlung empfangen den Einrichtung, die ein die Differenzfrequenz zwischen den Frequenzen der abgestrahlten und zurückgestreuten Strahlung enthaltenes Doppler-Signal bildet und einer dieses Doppler-Signal verarbeitenden Signalverarbei tungs-Einrichtung.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Un teransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist anhand ei nes Ausführungsbeispieles in den beiliegenden Zeichnun gen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines an einem Fahrzeug fest angebrachten Ra darmodul-Paares mit Strahlungsrichtung in Fahrtrichtung;

Fig. 2 die schematische Darstellung der normierten Spektren der Doppler-Signale mit gemeinsamer Überlappung und der so genannten Kreuzungsfrequenz;

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Janus-Anordnung, mit einem in Fahrt richtung und einem gegen die Fahrt richtung strahlenden Radarmodul-Paar;

Fig. 4 das Blockschaltbild der Signalaus wertung mittels digitaler Signalverar beitung;

Fig. 5 die schematische Darstellung eines spektralen Diskriminators auf der Basis von variablen Bandfiltern;

Fig. 6 die schematische Darstellung der Ausgangskennlinie des spektralen Dis kriminators;

Fig. 7 die schematische Darstellung eines spektralen Diskriminators auf der Basis eines modellgestützten Spektralschätz verfahrens;

Fig. 8 die schematische Darstellung der gesamten Meßeinrichtung.

Eine berührungslose Geschwindigkeits/Weg-Meßeinrichtung ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt und besteht im wesentlichen aus den beiden Mikrowellen-Moduln 1 und 2, mit denen Mikrowellensignale 3 und 4 mit um 90° ver setzter Polarisationsrichtung in Bewegungsrichtung 5 gesendet werden können. Das Mikrowellen-Modul 1 ist da bei um einen Winkel ϕ₁ von vorzugsweise 35° und das Mi krowellen-Modul 2 um einen Winkel ϕ₂ und von vorzugs weise 45° gegenüber der Horizontalen geneigt. Damit er gibt sich auf der Fahrtrasse ein Gebiet, das von beiden Mikrowellen-Moduln unter gleichen Winkeln bestrahlt wird.

Ein Teil der gesendeten Mikrowellenstrahlung 3 und 4 wird in Abhängigkeit von der Rauhigkeit der Fahrtrasse 8 zurückgestreut und als Rückstreusignale 6 und 7 von den Mikrowellen-Moduln 1 und 2 empfangen. Bewegt sich das Fahrzeug, so sind die Frequenzen der zurückge streuten Signale aufgrund des Doppler-Effektes gegen über den jeweiligen Frequenzen der Sendesignale ver schoben.

In den Mikrowellen-Moduln 1 und 2 entstehen als Misch produkte jeweils schmalbandige, niederfrequente Dopp ler-Signale mit einem stochastischen Verlauf, deren normierte Spektren, wie Fig. 2 zeigt, eine gemeinsame Überlappung und damit eine Kreuzungsfrequenz f_k zeigen. Hierbei ist wichtig, daß sich bei einer konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit die beiden Spektren zwar in ih rer Form und sogar in der Lage ihrer Mittenfrequenzen aufgrund der anisotropen Reflexionseigenschaften der Fahrtrasse 8 verändern können, daß sich dabei die Lage der Kreuzungsfrequenz f_k jedoch nicht ändert.

Üblicherweise führt ein Fahrzeug neben der linearen Be wegung mit der Geschwindigkeit v auch Nickbewegungen durch. Dies hat Änderungen der Abstrahlwinkel und damit eine fehlerhafte Beeinflussung der die Geschwindig keitsmessung bestimmenden Kreuzungsfrequenz f_k zur Folge.

Derartige Fehler können durch eine janusförmige Anten nenanordnung kompensiert werden, wie sie in der Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Bei dieser Janusanordnung sind zwei Radarmodulpaare um einen Winkel versetzt zu einander vorgesehen, wobei das erste Modulpaar 1 und 2 in Fahrtrichtung und das zweite Modulpaar 9 und 10 ge gen die Fahrtrichtung weisend fahrzeugfest eingebaut sind.

Die Erfindung soll nun im Detail an Hand der Fig. 4 bis 8 näher erläutert werden. Hierbei zeigt Fig. 4 im Blockschaltbild die Realisierung der Auswerteein richtung mittels digitaler Signalverarbeitung. Hierzu werden zunächst die analogen Signale x₁(t) und x₂(t) der Radarmodule 11 und 12 durch Abtast-Halte-Glieder 13 und 14 und Analog-Digital-Umsetzer 15 und 16 in die Ab tastfolgen x₁(k) und x₂(k) umgesetzt.

Wie im folgenden noch gezeigt wird, wird die Abtastfre quenz f_a durch einen Servo-Regelkreis der spektralen Kreuzungsfrequenz f_k und damit der Fahrzeuggeschwindig keit v nachgeführt. Im stationären Zustand beträgt da bei die Abtastfrequenz ein Vielfaches K der Kreuzungs frequenz, also:

f_a = K · f_k (2)

Üblicherweise ist K = 4.

Zur Ermittlung der Kreuzungsfrequenz werden die beiden Abtastfolgen x₁(k) und x₂(k) einem spektralen Diskrimi nator 17 zugeführt, dessen Ausgangsgröße y_d ein Maß für die Abweichung der Abtastfrequenz f_a von dem Vielfachen K · f_k der spektralen Kreuzungsfrequenz f_k ist. Dabei gilt:

Die Ausgangsgröße y_d wirkt als Eingangsgröße eines in tegralen Reglers 18 mit nachfolgendem numerisch ge steuerten Oszillator (NCO) 19. Hiervon wird die Abtast frequenz f_a solange nachgeführt, bis y_d = 0 ist und sich damit die schon erwähnte Abhängigkeit nach Glei chung (2) einstellt. In diesem Fall ist dann die Aus gangsgröße des Reglers y_R ein direktes Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit v.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines spektralen Diskriminators auf der Basis von zwei variablen Band filtern. Hierbei lassen sich die beiden Bandfilter 21 und 25 simultan mit der Abtastfrequenz variieren. Sie sind beide identisch dimensioniert und weisen eine Mit tenfrequenz von f_a/K auf.

Von den Ausgangssignalen der beiden Bandfilter werden durch Gleichrichtung 22 und 27 die Betragsfolgen |y₁(k)| und |y₂(k)| gebildet. Damit Empfindlichkeitsänderungen der Mikrowellen-Module die Nullstelle der Diskrimina torkennlinie nicht beeinflussen, werden von den beiden Folgen x₁(k) und x₂(k) durch Effektivwertbilder 23 und 24 die zugehörigen Effektivwerte U_1rms und U_2rms gebil det, mit denen dann durch die Multiplikatoren 26 und 28 das Betragssignal des jeweils anderen Kanals bewertet wird.

Das Ausgangssignal y_d des Diskriminators ergibt sich durch Differenzbildung 29 der bewerteten Betragssignale zu:

y_d = |y₁(k)| · U_2rms - |y₂(k)| · U_1rms (4)

Fig. 6 zeigt die Kennlinie des Diskriminatorsignals y_d als Funktion der Abtastfrequenz f_a, die bei der Fre quenz f_a = K · f_k einen Nulldurchgang aufweist. Bei dieser Abtastfrequenz f_a liegt die Filtercharakteristik der beiden Bandfilter genau im Kreuzungsbereich der beiden Doppler-Spektren, wie sie die Fig. 2 zeigt.

Fig. 7 zeigt einen spektralen Diskriminator auf der Basis eines parametrischen Spektralschätzverfahrens. Bei diesem Verfahren werden die beiden Doppler-Folgen x₁(k) und x₂(k) als autoregressive stochastische Pro zesse aufgefaßt, die durch zwei adaptive Filter nachge bildet werden. Diese bestehen aus den beiden Prediktor filtern 30 und 32, mit denen für die beiden Doppler- Folgen x₁(k) und x₂(k) Schätzwerte ₁(k) und ₂(k) ge bildet werden. Vorzugsweise werden hierfür transversale Filter 4. Ordnung eingesetzt, deren Koeffizienten zu den Koeffizienten-Vektoren:

A = (a₁, . . . , a₄)^t (5)

B = (b₁, . . . , b₄)^t (6)

zusammengefaßt werden.

Durch Differenzenbildung 31 und 33 wird die jeweilige Abweichung des Schätzwertes von dem aktuellen Abtast wert als sogenannter Prediktionsfehler:

e_i(k) = _i(k) - x_i(k); i = 1,2 (7)

ermittelt.

In bekannter Weise beeinflussen die Prediktionsfehler die Koeffizienten der beiden Prediktorfilter 30 und 32, so daß der quadratische Mittelwert der beiden Feh lerfolgen e₁(k) und e₂(k) minimal wird. In der Verar beitungsstufe 34 wird von den Koeffizienten-Vektoren A und B dann das Diskriminatorausgangssignal y_d abgelei tet.

Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild der gesamte Meßein richtung. Den vier Radar-Moduln 35, 36, 38 und 39 der janusförmigen Anordnung nach Fig. 3 sind Meßeinrichtungen 37 und 40 nachgeschaltet, die analog zu der in Fig. 4 durch Umrandung hervorgehobenen Verarbeitungseinrichtung 20 aufgebaut sind. Zur Kompen sation der störenden Einflüsse einer Kippbewegung wer den die geschwindigkeitsproportionalen Ausgangsgrößen y₁(k) und y₂(k) der beiden Meßeinrichtungen 37 und 40 durch eine Mittelwertbildung 41 zu der Größe:

y(k) = 1/2 · [y₁(k) + y₂(k)] (8)

zusammengefaßt, die dann nach Digital/Analog-Umsetzung 43 die geschwindigkeitsproportionale Ausgangsgröße und nach Umwandlung durch einen numerisch gesteuerten Os zillator 44 eine frequenzproportionale Ausgangsgröße darstellt. Von letzterer kann durch einen Zählvorgang eine Meßgröße für den zurückgelegten Weg abgeleitet werden.

Zur Ausfallerkennung eines Meßkanals werden die beiden Ausgangsgrößen y₁(k) und y₂(k) einer Überwachungsschal tung 42 zugeführt, die mit einer Meldung F signali siert, wenn der Betrag der Differenz zwischen diesen Größen einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat.

Bezugszeichenliste

1, 2 erstes Mikrowellen-Modulpaar
3, 4 Mikrowellensignal
5 Bewegungsrichtung
6, 7 Rückstreusignal
8 Fahrtrasse
9, 10 zweites Mikrowellen-Modulpaar
11, 12 Radarmodul
13, 14 Abtast-Halte-Glied
15, 16 Analog-Digital-Umsetzer
17 Diskriminator
18 integraler Regler
19 gesteuerter Oszillator
20 Verarbeitungseinrichtung
21, 25 Bandfilter
22, 27 Gleichrichter
23, 24 Effektivwertbilder
26, 28 Multiplikator
29 Differenzbildung
30, 32 Prediktorfilter
31, 33 Differenzbildung
34 Verarbeitungsstufe
35, 36, 38, 39 Radarmodul
37, 40 Meßeinrichtung
41 Mittelwertbildung
42 Überwachungsschaltung
43 Digital/Analogumsetzung,
44 Oszillator

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Bewe gungsgrößen von Fahrzeugen unter Anwendung des Dopplereffektes, mittels zur Fahrtrasse gesendeter Signalstrahlung, deren von dort zurückgestreute Strahlung wieder empfangen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrtrasse von zwei Radar-Moduln bestrahlt wird, die in ihren Neigungswinkeln zur Bewegungsrichtung geringfügig gegeneinander versetzt sind, so daß zwei Doppler- Spektren entstehen, die in normierter Form einen gemeinsamen überlappungsbereich mit einer Kreu zungsfrequenz aufweisen und diese Kreuzungsfrequenz durch eine Auswerteeinrichtung bestimmt und in einen Geschwindigkeitsmeßwert umgesetzt wird.

2. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Bewe gungsgrößen von Fahrzeugen unter Anwendung des Dopplereffektes, mittels zur Fahrtrasse gesendeter Signalstrahlung, deren von dort zurückgestreute Strahlung wieder empfangen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrtrasse von zwei Radarmoduln bestrahlt wird, die unter gleichen Neigungswinkeln zur Bewegungsrichtung mit gering fügig gegeneinander versetzten Signalfrequenzen betrieben werden, so daß zwei Doppler-Spektren entstehen, die in normierter Form einen gemeinsamen Überlappungsbereich mit einer Kreuzungsfrequenz aufweisen und diese Kreuzungsfrequenz durch eine Auswerteeinrichtung bestimmt und in einen Geschwin digkeitsmeßwert umgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Signalstrahlung von minde stens zwei fahrzeugfesten Modulpaaren in Janusanordnung mit jeweils zwei Moduln gebündelt in und gegen die Bewegungsrichtung in Richtung der Fahrtrasse abgestrahlt wird, und die Reflexionen empfangen und ausgewertet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Signalstrahlung bei zwei fahrzeugfesten Mikrowellen-Modulpaare mit geringfü gig gegeneinander versetzten Neigungswinkeln mit orthogonal versetzter Polarisationsrichtung in und gegen die Bewegungsrichtung erfolgt und die Refle xionen empfangen und ausgewertet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Signalstrahlung eine Mikro wellenstrahlung ist, die von den Mikrowellen-Moduln abgestrahlt und von einer diesen zugeordneten Antennenanordnung empfangen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Signalstrahlung eine Ultra schallwellenstrahlung ist, die von den Ultraschall- Moduln abgestrahlt und von einer diesen zugeordne ten Empfangseinrichtung empfangen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß von jedem Modulpaar (1, 2; 9, 10) analoge Signale durch Abtast-Halteglieder (13, 14) und Analog-Digital-Umsetzer (15, 16) in zwei Ab tastfolgen [x₁(k), x₂(k)] umgesetzt werden, die beiden Abtastfolgen [x₁(k), x₂(k)] einem spektralen Diskriminator (17) zur Ermittlung ihrer spektralen Kreuzungsfrequenz (f_k) zugeführt werden und die Abtastfrequenzen (f_a) durch einen Servoregelkreis der spektralen Kreuzungsfrequenz (f_k) und damit der zu ermittelnden Fahrzeuggeschwindigkeit (v) nachge führt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spektrale Distriminator (17) aus zwei Bandfiltern (21, 25) und zwei Effektivwertbildern (23, 24) be steht, die Bandfilterausgangssignale nach Betrags bildung (22, 27) durch zwei Multiplikatoren (26, 28) mit Effektivwert des jeweils anderen Dopplersi gnals bewertet und einem Differenzbilder (29) zuge führt werden, dessen Ausgangswert ein Maß für die Abweichung der Abtastfrequenz von einem Vielfachen der spektralen Kreuzungsfrequenz der beiden nor mierten Dopplerspektren ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spektrale Distriminator (17) aus zwei adaptiven Filtern (30, 31, 32, 33) besteht, deren Filterkoef fizienten in einer Berechnungseinheit (34) zu einem Ausgangswert verarbeitet werden, der ein Maß für die Abweichung der Abtastfrequenz von einem Vielfa chen der spektralen Kreuzungsfrequenz der beiden normierten Dopplerspektren ist.