DE4313352C2 - Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Feststellen von sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeugen nach dem Doppler-Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Erkennen von sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeugen nach dem Doppler-Prinzip, vorzugsweise im öffentlichen Personen-Nahverkehr, bei welchem Verfahren die sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeuge mit einem Mikrowellen-Dau­ erstrichgerät im GHz-Bereich angeleuchtet werden sowie eine Vorrich­ tung hierzu, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE 33 06 040 C2 ist ein Verfahren zur automatischen Fahrzeug­ klassifizierung mit einem Radarsensor bekanntgeworden, der ein mm-Wellen-Dauerstrichgerät aufweist, bei dem in einer Auswerteschaltung des Radargerätes die zurückkommenden Dopplerschwingungen ausgezählt und anschließend nach einem Entscheidungsalgorithmus die Fahrzeuge klassifiziert werden. Dabei wird zusätzlich der Pegel des zurückgestreuten Signals ausgewertet und die Klassifizierung der Fahrzeuge mittels der ausgezählten Dopplerschwingungen sowie der aus der Pegelauswertung gewonnenen Signale durchgeführt. Eine Auswerteschaltung besitzt jeweils einen den Fahrzeugklassen zugeordneten Ausgang in Form eines potentialfreien TTL-Pegels mit dem das Ergebnis der Klassifizierung angezeigt wird. Oder für den Fall einer Auswerteschaltung mit nur einem Ausgang und einer Triggerleitung zur Informationsübergabe wird ein Mehrbit-Wort angezeigt, welches aus einer Zahlencodierung besteht und die Informationsübergabe mit der Abfallflanke des Triggerpegels vorgenommen wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist insbesondere, daß der Pegel ausgewertet wird, so daß Fehler aufgrund der bei Radarmessungen typischen Signaleinbrüche erfolgen können, die durch den Wechsel des Reflexions­ punktes zustande kommen.

Durch die DE 38 11 113 C2 ist eine Detektor-Vorrichtung zur Erfassung bewegter Objekte bekanntgeworden, die einen Wellenstrahler aufweist, der durch einen auf vorbestimmter Frequenz schwingenden Oszillator angesteuert wird und elektromagnetische Wellen oder Druckwellen kontinuierlich in eine Überwachungszone ausstrahlt. Ein Wellenempfänger nimmt die aus der Überwachungszone reflektierten Wellen auf und liefert ein Empfangssignal an einen Umsetzer, der aus dem im Empfangssignal enthaltenen Doppler-Frequenz­ komponenten zwei Zwischensignale von gegeneinander verschiede­ ner Phasenlage erzeugt. In einer Quadranten-Erfassungsschaltung wird die Verlagerungsrichtung eines Zeigers aufgrund des positiven oder negativen Vorzeichens des Empfangssignals in einer Zeigerebene erfaßt, welche durch die jeweiligen Zeiger der zwei Zwischensignale definiert ist zur Erzeugung von Quadrantensignalen mit entgegengesetztem Vorzeichen, welche von der Verlagerungsrichtung in Quadranten abhängen. In einer Verarbeitungsein­ richtung werden die Quadranten verarbeitet und damit eine Anzeige­ einrichtung angesteuert, wenn ein aus den Quadrantensignalen gewonnenes Detektionssignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. An den Eingängen einer Winkelmoments-Erfassungsschaltung sind die Zwischen­ signale angelegt, die aus diesen Signalen Winkelsignale erzeugt, welche den jeweiligen Phasenwinkeln der Zwischensignale entsprechen. In einer Operationsschaltung wird aus den Winkelsignalen eine Folge von Winkel­ differenzwerten gebildet, welche der Phasendifferenz zwischen je zwei Zwischensignalen entsprechen, wobei die Winkeldifferenzwerte an eine Verarbeitungsschaltung gelegt sind, die diese Signale unter Berücksichtigung ihrer Vorzeichen zu dem Detektionssignal aussummiert. Mittels dieser Detektorvorrichtung können bewegte Objekte und deren Bewegungsrichtung erkannt werden. Allerdings ist diese Detektorvorrichtung elektronisch kompliziert und erfordert eine Vielzahl von aufeinander abgestimmte Komponenten, die die Vorrichtung teuer und anfällig macht. Ein weiterer Nachteil der Detektorvorrichtung liegt darin, daß zwei Antennen, Sende- und Empfangsantenne, sowie ein Phasenschieber benötigt werden. Ebenso ist nachteilig, daß zur Richtungserkennung die Signalamplitude eine bestimmten Schwellenwert überschreiten muß.

Durch die DE 25 57 906 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Frequenzen und Periodendauer von nicht kohärenten Wellenpaketen, vorzugsweise bei Dopplergeschwindigkeitsmeßeinrichtungen, mittels Ausmessen der Dauer von Einzel-Perioden und Bilden des Reziprokwertes bekanntgeworden. Mittels eines Periodendauerzählers wird die Dauer jeder einzelnen Periode ausge­ messen und der Meßwert mittels einer Vergleichslogik mit einem durch einen Mittelwertbildner gelieferten Mittelwert aus einer Anzahl von der Vergleichs­ logik durch Vergleich mit älteren Mittelwerten akzeptierter und in einen Speicher eingespeicherter Meßwerte verglichen. Bei einer unter einem bestimmten vorgegebenen Prozentsatz bleibenden Abweichung des neuen Meßwertes vom letzten Mittelwert wird der Meßwert akzeptiert und in den Speicher eingelesen, während bei Überschreitung des besagten vorgegebenen Prozentsatzes durch die Abweichung des neuen Meßwertes vom letzten Mittelwert die Einspeicherung des neuen Meßwertes durch ein von der Vergleichslogik abgegebenes Signal über eine Steuerlogik gesperrt wird, wobei beim Einlesen eines neuen Meßwertes in den Speicher der älteste im Speicher vorhandene Wert gelöscht wird. Nach Speicherung eines neuen Meßwertes wird aus den im Speicher vorhandenen Werten mit Hilfe des Mittelwert­ bildners ein neuer, als Kriterium für die nächste zu messende Periodendauer dienender Mittelwert gebildet und das Ausgangssignal, welches der gesuchten Dopplerfrequenz entspricht, eine Reziprokwertbildner gewonnen, der den Kehrwert des neuen Mittelwerts bildet. Nachteilig ist, daß, wenn die Signalamplitude unter einer bestimmten Grenze bleibt, keine Möglichkeit der Geschwindigkeitsbestimmung gegeben ist.

Allen genannten Verfahren besitzen den gemeinsamen Nachteil, daß zur Auswertung die Signalamplitude herangezogen wird, weshalb ein schlechter Signal-Rauschabstand die Auswertung erheblich verschlechtert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welches die genannten Nachteile vermeidet praktisch in jeder Verkehrssituation imstande ist, die Geschwindigkeit sowie die Bewegungsrichtung eines Objektes zu erfassen, selbst wenn das Objekt im Erfassungsbereich gerade zum stehen kommt oder gerade anläuft.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht verfahrensgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 5 gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zum automatischen Erkennen von Personen und Fahrzeugen besitzen den hervorstechenden Vorteil, daß damit augenblicklich die Geschwindigkeit und die Bewegungs­ richtung eines Objektes angezeigt werden können, selbst dann, wenn das Objekt im Erfassungsbereich gerade zum stehen kommt oder gerade anläuft. Dabei ist das Verfahren äußerst stabil und unterdrückt die bei Radar­ messungen des Standes der Technik typischen Signaleinbrüche, die aufgrund des Wechsels des Reflexionspunktes zustande kommen.

In vorteilhafter Weise wird nicht die absolute Amplitude des Signals heran­ gezogen und ausgewertet, wie beim Stand der Technik, so daß elektrische Schwankungen, die auf die Größe der Amplitude Einfluß nehmen, keine Auswirkungen auf die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens haben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere im öffentlichen Perso­ nen-Nahverkehr eingesetzt werden, um Fußgänger auf Überwegen, Zweiräder, PKWs, Busse, LKWs oder Bahnen auf Schiene und Straße zu erfassen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet, die Annäherung und Geschwindigkeit von Bahnen, wie Straßenbahnen, zu erfassen und mit den gewonnenen Signalen weitere Schaltsignale, z. B. für Signalanlagen, zur Verfügung zu stellen.

Der im Mikrowellensensor vorhandene Mikrocontroller kann zur Signali­ sierung der Daten an einen Zentralrechner ausgelegt sein oder es können mit den Ausgangssignalen des Mikrocontrollers direkt Signalanlagen vor Ort angesteuert werden. Die Anwendung vor Ort ist deshalb möglich, weil das Verfahren aufgrund seiner amplitudenunabhängigen Messungen besonders störunempfindlich ist.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Blockschaltbild des Mikrowellensensors und der Auswerteelektronik,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Mikrowellensensor, der neben einer Fahrbahn an einem Mast montiert ist und

Fig. 3 eine Seitenansicht von Fig. 2.

Ein Mikrowellensensor 1 strahlt ein Signal fS ab, welches von einem bewegten oder unbewegten Objekt 2 reflektiert wird, wobei das reflektierte Signal fE, entsprechend der Bewegung des Objektes 2, eine Frequenzverschiebung zum gesendeten Signal fS erfährt. Das gesendete Signal fS und das empfangene Signal fE werden innerhalb des Sensors 1 von zwei Empfänger-Mischdioden 3, 4 empfangen und jeweils aus dem gesendeten und dem empfangenen Signal ein demoduliertes Mischsignal fM3 und fM4 gebildet, die der Dopplerfrequenz entsprechen; der Sensor 1 und die Empfänger-Mischdioden 3, 4 werden von einer Spannungsversorgung 5 gespeist. Die Empfänger-Mischdioden 3, 4 sind räumlich hintereinander innerhalb des Sensors 1, vorzugsweise im Hohlleiter desselben, räumlich hintereinander um l/4 versetzt. Die Mischsignale fM3 und fM4 werden jeweils in einem Verstärker 6, 7 verstärkt und in je einem nach­ geschalteten Frequenzfilter, die vorzugsweise Bandpässe 8, 9 sind, werden unerwünschte Frequenzen herausgefiltert und das Ausgangssignal der Frequenzfilter 8, 9 jeweils auf einen Digitalisierer 10, 11 aufgegeben, der das Signal digitalisiert. Das digitalisierte Signal des Digitalisierers 10 wird einer Richtungserkennungseinheit 12, das digitalisierte Signal des Digitalisierers 11 einem Frequenzteiler 13 aufgegeben, gleichzeitig wird das Signal des Digitalisierers 11 auch der Richtungserkennungseinheit 12 zugeleitet. Die Ausgänge der Richtungserkennungseinheit 12 und des Frequenzteilers 13 führen in eine Auswerteeinheit 15, die Meß- bzw. Steuerausgänge 16, 16′ aufweist. Das Gehäuse des Mikrowellensensor 1 beherbergt sowohl die Mikrowellen- als auch die Auswerteelektronik.

Zur Entscheidungsfindung, ob sich das Objekt 2 im Erfassungsbereich des Sensors 1 befindet und sich in einer definierten Richtung bewegt, d. h. auf den Sensor 1 zu oder von diesem weg, werden die beiden gemischten Signale fM3 und fM4 daraufhin überprüft, welches der beiden Signale zuerst wechselt, nämlich von 0 auf 1 oder von 1 auf 0, um dadurch auf die Richtung zu schließen, was mit Hilfe der beiden Empfänger-Mischdioden 3, 4 eingeleitet wird, die um l/4 hintereinander räumlich versetzt sind.

Zur Unterscheidung, ob sich ein Objekt 2 auf den Mikrowellensensor 1 zu oder von diesem weg bewegt, wird die Phasenverschiebung mittels der beiden Empfänger-Mischdioden 3, 4 bestimmt und beispielsweise bei einer Phasen­ verschiebung zwischen 0 bis +90 Grad ein Entfernen, bei einer Phasenver­ schiebung zwischen 0 bis -90 Grad ein Annähern zugrundegelegt. Damit kann zum Beispiel ein Objekt auf der Gegenfahrbahn vorteilhaft ausgeblendet werden.

Eines der beiden Signale fM3 oder fM4 wird anschließend zur Bestimmung der Periodendauer t herangezogen. Dabei wird jede einzelne Periode zeitlich ausgemessen (statt die Dopplerperioden auszuzählen). Anschließend wird jede ausgemessene Dopplerperiode selektiert, und, wenn die Selektion positiv ausgefallen ist, gemittelt. Als Selektion der einzelnen Dopplerperioden wird anschließend eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt.

Bei dieser Mittelung handelt es sich um eine adaptive Mittelung bzw. Wichtung, wobei sich der Mittelwert mit jeder weiteren Messung aktualisiert. Um den aus der adaptiven Mittelung der einzeln ausgemessenen Dopplerperioden hervorgegangenen aktualisierten Wert wird ein Toleranz­ bereich festgelegt, der in Abhängigkeit vom aus der adaptiven Mittelung hervorgegangenen Wert dem Betrag nach verändert wird und nur diejenigen Dopplerperioden zur Mittelung zuläßt, die innerhalb des Toleranzbereiches liegen. Wenn die Dopplerperiode innerhalb des Toleranzbereiches liegt, wird sie somit zur Mittelung herangezogen, liegt sie außerhalb des Toleranz­ bereiches, so wird nach der Plausibilitätskontrolle entschieden, ob der neue Wert verworfen oder zur Mittelung verwendet wird.

Jede Dopplerperiode, die beide obigen Kriterien erfüllt, wird in einer Statistik als "Gutwert" geführt. Wenn die Anzahl der "Gutwerte" über einer vorgegebe­ nen Entscheidungsschwelle liegt, gilt das Objekt als erkannt. Als "Gutwerte" werden somit annähernd gleiche Dopplerperioden herangezogen (Hysterese).

Der Algorithmus ist somit imstande, das reflektierte Signal aus dem Grundrauschen herauszuholen bzw. herauszufiltern. Deshalb ist es nicht notwendig, die Amplitude der Mischsignale fM3 und fM4 zu überwachen bzw. zur Auswertung heranzuziehen. Das Verfahren ist herunter bis unter die geringen Geschwindigkeiten von Fußgängern genau, weil ja mit der sich ändernden Dopplerfrequenz auch der Toleranzbereich sich ändert.

Die Anbringung eines derartigen Mikrowellensensors zur Überwachung eines bestimmten Verkehrsgeschehens ist in weiten Bereichen unkritisch. Beispiels­ weise kann gemäß der Fig. 2 und 3 ein Sensor 17 an einem Mast 18 schräg oberhalb einer Fahrbahn oder direkt über der Fahrbahn auf einen auszu­ leuchtenden Bereich gerichtet sein. Das Verfahren und die Vorrichtung ist derart genau, daß die Plazierung des Sensors 17 relativ unempfindlich ist, solange sich ein Objekt innerhalb der Strahlungskeule des Sensors 17 befindet.

Ein weiterer Vorteil des Mikrowellensensors besteht darin, daß dieser in seinen Abmessungen (260 mml×135 mmb×95 mmh) relativ klein gehalten werden kann. Es kann vorteilhaft sein, für jede Fahrbahn einen separaten Mikrowellensensor vorzusehen.

Bezugszeichenliste

1 Mikrowellensender
2 Objekt
3, 4 Empfänger-Mischdioden
5 Spannungsversorgung
6, 7 Verstärker
8, 9 Frequenzfilter
10, 11 Digitalisierer
12 Richtungserkennungseinheit
13 Frequenzteiler
14 Leitung
15 Auswerteeinheit
16, 16′ Meß- bzw. Steuerausgänge
17 Sensor
18 Mast

Claims (5)

1. Verfahren zum automatischen Erkennen von sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeugen nach dem Doppler-Prinzip, vorzugsweise im öffentlichen Personen-Nahverkehr, bei welchem Verfahren die sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeuge mit einem Mikrowellen-Dauerstrichgerät im GHz-Bereich angeleuchtet werden, wobei das reflektierte Signal im Mikrowellensensor von zwei Empfänger-Mischdioden empfangen wird, die räumlich hintereinander um ein Viertel der Betriebswellenlänge (1/4-Lambda) versetzt sind und in einer Auswerteeinrichtung des Mikrowellensensors die verstärkten Misch­ signale ausgewertet werden,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) zur Entscheidungsfindung, ob im Erfassungsbereich des Mikrowellen­ sensors (1) sich ein Objekt (2) befindet, welches sich in einer definierten Richtung, nämlich auf den Sensor (1) zu oder von diesem weg, bewegt, werden die Abfolge der Dopplerperioden (fM3, fM4) und die Periodendauer (t) der einzelnen Dopplerschwingung herangezogen, indem die beiden Mischsignale (fM3, fM4) daraufhin überprüft werden, welches der beiden bezüglich ihrer Phasenlage zuerst wechselt,
• b) von einem der beiden Signale (fM3, fM4) zur Bestimmung der Perioden­ dauer (t) wird jede einzelne Periode zeitlich ausgemessen und anschließend selektiert,
• c) zur Selektion der einzelnen Dopplerperioden (fM3, fM4) wird eine Plausibili­ tätskontrolle durchgeführt,
• c) wenn der Meßwert als brauchbar für die Geschwindigkeits- und Richtungs­ bestimmung anerkannt wird (positive Selektion), wird die Dopplerperiode einer adaptiven Mittelung unterworfen, wobei der Mittelwert zur Geschwin­ digkeitsangabe und/oder zur Steuerung weiterer Anzeigeeinrichtungen verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um den aus der adaptiven Mittelung der einzeln ausgemessenen Doppler­ perioden hervorgegangenen aktualisierten Wert ein Toleranzbereich festgelegt wird, der in Abhängigkeit vom aus der adaptiven Mittelung hervorgegangenen Wert dem Betrag nach verändert wird und, wenn die Dopplerperioden innerhalb des Toleranzbereiches liegen, sie zur Mittelung zuläßt, wobei jede Dopplerperiode, die beide genannten Kriterien erfüllt, als "Gutwert" geführt wird und, wenn die Anzahl der "Gutwerte" über einer vorgegebenen Entscheidungsschwelle liegt, das Objekt als erkannt gilt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem aktualisierten Dopplerperiodenwert der Toleranzbereich, der für die nächste Dopplerperiode gültig ist, verschoben und dem Betrag nach verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die richtige Abfolge der Dopplersignale gewährleistet ist, die durch die zu überwachende Objektrichtung bestimmt wird, die Dopplerperioden aber außerhalb des Toleranzbereiches liegen, mittels der Plausibilitätskontrolle entschieden wird, ob der neue Wert verworfen oder trotzdem zur Mittelung herangezogen wird.

5. Vorrichtung zum automatischen Erkennen von sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeugen, vorzugsweise im öffentlichen Personen-Nahverkehr, mit einem mm-Wellen-Dauerstrichgerät im GHz-Bereich zum Anleuchten der sich bewegenden Personen und/oder Fahrzeuge, das zwei Empfänger-Mischdioden aufweist, die räumlich hintereinander um ein Viertel der Betriebswellenlänge (1/4-Lambda) versetzt sind und mit an die Empfänger-Mischdioden ange­ schlossenen Signalverstärkern und einer Auswerteschaltung, in der das reflektierte Mischsignal auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zweig nach den Empfänger-Mischdioden (3, 4) ein Frequenzfilter (8, 9), nämlich Bandpaß, angeordnet ist, der ein auswertbares Signal in je einen Digitalisierer (10, 11) einspeist, wobei im ersten Zweig auf den Digitalisierer (11) ein Frequenzteiler (13) und im zweiten eine Richtungs­ erkennungseinheit (12) folgt, auf die gleichzeitig das Signal des ersten Digitalisierers (11) gelegt ist und beide Signale in einer Auswerteeinheit (15) auswertbar sind, wobei zur Entscheidungsfindung, ob im Erfassungsbereich des Mikrowellensensors (1) sich ein Objekt (2) befindet, welches sich in einer definierten Richtung, nämlich auf den Sensor (1) zu oder von diesem weg, bewegt, die Abfolge der Dopplerperioden (fM3, fM4) und die Periodendauer (t) der einzelnen Dopplerschwingung herangezogen werden, indem die beiden Mischsignale (fM3, fM4) daraufhin überprüft werden, welches der beiden bezüglich ihrer Phasenlage zuerst wechselt, von einem der beiden Signale (fM3, fM4) zur Bestimmung der Periodendauer (t) jede einzelne Periode zeitlich ausgemessen und anschließend selektiert wird, zur Selektion der einzelnen Dopplerperioden (fM3, fM4) eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt wird, und, wenn die Selektion positiv ausfällt, die Dopplerperiode einer adaptiven Mittelung unterworfen wird, wobei an den Ausgängen (16, 16′) der Auswerteeinheit (15) sowohl die Richtung des bewegten Objektes, als auch die Geschwindigkeit desselben ansteht und anzeigbar ist.