JP2021536575A - レーダセンサにおける角度測定誤差を検出する方法 - Google Patents

Abstract

自動車（２８）用の角度分解型レーダーセンサ（１０）における角度測定誤差（Δφ）を検出する方法であって、複数の静止ターゲット（２０）に対してそれぞれ径方向速度（Ｖ_ｒ）および少なくとも１つの測位角度（φ，α）を測定し、当該測定された測位角度に基づいて、径方向速度（Ｖ_ｒ）の予想される値を計算して測定値と比較し、１つ以上の静止ターゲット（２０）に対して径方向速度（Ｖ_ｒ）および測位角度（φ，α）を測定する方法において、前記ターゲットの各々について、当該予想される径方向速度からの当該測定された径方向速度のずれを示す単一の指標値（ｑ_ｐ）を計算し、得られた個々の指標値に対して、歪み角度誤差の角度依存性を補償するために角度に応じたスケーリングを施し、当該スケーリングが施された個々の指標値から角度測定誤差の指標（Ｉ）を計算する、方法。

Description

本発明は、自動車用の角度分解型レーダセンサにおける角度測定誤差を検出する方法に関し、この方法では、静止している複数のレーダターゲットに対してそれぞれ径方向速度および少なくとも１つの測位角度が測定され、当該測定された測位角度に基づいて径方向速度の予想される値が計算され、測定値と比較される。

物理的な物体の距離、相対的な径方向速度および角度を測定するために、自動車においてレーダセンサが使用される。その目的は、必要に応じて他の適切なセンサ技術（例えば、超音波、ビデオ、またはライダー）と連携して快適性および安全性機能を支援することである。レーダ測定では、特に物理的な物体が延在している場合もしくはレーダセンサの分解能が良好な場合には、当該物体は複数の異なる位置で１つ以上のターゲット反射を起こすことができる。

今日のレーダセンサは、通常、高速チャープ変調、すなわち、１０μ秒から数十μ秒のランプ持続時間の高速な広帯域ランプという急峻度の高いＦＭＣＷ変調ランプによるＦＭＣＷ（周波数変調連続波）レーダセンサであり、、これにより、ランプ内のドップラー成分をほぼ無視することができる。したがって、個々のランプを解析することによって実質的に距離情報が得られる。１つの測定サイクルには、通常、多数の（例えば２５６個の）ランプが含まれており、ランプごとに例えば５１２個のサンプル値が含まれる。ランプ間の対応するサンプリング点における位相位置の時間的変化を解析すると、ターゲットもしくはターゲット反射のドップラー周波数（速度）に関する独立した付加的な情報が得られ、これは、通常、２次元フーリエ変換によって実行される。

角度推定のためには、複数の送受信チャネルを有するＭＩＭＯアンテナシステム（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）がますます使用されている。送信チャネルは、通常、時分割多重方式（ＴＤＭ）によって分離される。しかしながら、周波数・符号分割多重方式（ＦＤＭ、ＣＤＭ）またはＯＦＤＭベースのレーダシステムなどの他の方式も可能である。

角度解析は、通常、異なる受信チャネルの間、もしくはＭＩＭＯの場合には異なる送受信チャネルの組合わせの間の伝搬時間もしくは位相差の解析に基づいて行われる。送受信チャネルの組合わせの効果は、１つの送信チャネルのみを有する等価な仮想アレイとして、もしくは仮想的な受信チャネルとしてみなすこともできる。

ドイツ特許出願公開第１０２０１４２２３４６１号明細書により、冒頭で述べたような方法が知られており、この方法により、レーダセンサのミスアラインメントを認識し、これに対応するミスアラインメント角を推定してこれを補償することができる。ミスアライメント角とは、方位角および仰角における誤差角であり、推定される全ての角度についても同様である。角度に依存する角度誤差は考慮されない。

しかしながら、角度推定または角度測定の際には、いわゆる「歪み誤差」が生ずることもあり、これは、例えばレーダセンサもしくはレドーム上の被覆物（氷結、雪など）や、例えば（例えば、駐車時の衝突や再塗装などの後にバンパを交換した後の）不適切なバンパの後方にレーダセンサが間接的に設置されている場合に、予期しない干渉源でのレーダ波の屈折によって生ずることもある。このような歪み角測定誤差では、真の角度と測定された測位角度との間のずれは角度に依存する。

本発明の課題は、歪み角測定誤差の存在を検出することができる方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は、１つ以上の静止ターゲットに対して径方向速度および測位角度を測定し、これらのターゲットの各々に対して、予想される径方向速度からの当該測定された径方向速度のずれを示す単一の指標値を計算し、得られた個々の指標値に対して、歪み角度誤差の角度依存性をほぼ補償するために角度に応じたスケーリングを施し、当該スケーリングが施された個々の指標値から角度測定誤差の指標を計算することによって解決される。

個々の指標値の感度は、車両のピッチング、ローリングおよびヨーイングを無視すると、レーダの主放射方向（光軸）では０となり、角度ずれが大きくなるにつれて高くなる。

歪み角度誤差に対する個々の指標値の感度の角度依存性を計算し、角度に応じたスケーリングによって少なくともほぼ補償することができるので、対象となるレーダターゲットの全体について送受信または総和をとることによって、対象となるレーダターゲットの多かれ少なかれランダムな角度分布にほぼ依存せずに歪み角度誤差の存在および歪み角度誤差の尺度を示す全体的な指標が得られる。特に、このようにして、ミスアライメント誤差が存在せず、したがって、全てのターゲットについて平均化された角度ずれにゼロに近い値が予想される場合にも、歪み角度誤差を検出することができる。

このようにして得られた指標に基づいて、得られた角度測定結果の精度および信頼性を推定し、これらの測定結果に基づいた補助機能において適切に考慮することができる。

本発明の有利な構成および改良形態が従属請求項に記載されている。

一実施形態では、２次元の角度空間、例えば方位角および仰角において角度に応じてパラメータのスケーリングが行われる。

オプションとして、例えばドイツ特許出願公開第１０２０１４２８３４６１号明細書に記載されている方法にしたがって、例えば存在しているミスアライメント誤差に関して測定結果を解析することもできる。ミスアライメント誤差が既知である場合には、予想される径方向速度の計算時に考慮に入れることができ、これにより、歪み誤差の検出精度が向上する。

送信されたレーダ信号の周波数が連続する測定間隔でランプ状に変調されるＦＭＣＷレーダでは、同じ測定間隔内で複数の異なるレーダターゲットに対して得られた測定値に基づいて個々の指標値を決定することが適切である。ただし、例えばＩＩＲフィルタ、ＦＩＲフィルタ、カルマンフィルタ、分位点などを用いて、個々の、および／または全体の指標値に時間フィルタリングを施すことも可能であり、現在の指標値を、以前の測定間隔からの対応する値とリンクさせることにより、時間波形をより良好に検出することができ、精度をさらに高めることができる。

既知のトラッキング手順を使用して、対象となるレーダターゲットの相対的な動きを複数の測定期間にわたって追跡し、車両自身の動きと比較することも可能である。このようにして、一方では方位角の歪み角度誤差に起因し、他方では仰角の歪み角度誤差に起因する、測定された径方向速度と予想される径方向速度との間のずれの部分を互いに分離することがしばしば可能であり、これにより、歪み角度誤差の定量的な検出および補償が可能になる。これは、例えば、ドップラー周波数の時間波形に基づく合成開口レーダ（ＳＡＲ）解析を実行し、ＳＡＲの結果におけるターゲット位置と、レーダ測定値（ターゲット距離、方位角および仰角）を使用して検出されたターゲット位置とを比較することによって可能となる。

以下に、図面に基づいて例示的な実施形態をより詳細に説明する。

レーダセンサにおける歪み角度誤差を示す概略図である。 ミスアライメント誤差を示す概略図である。 測位角度に対するレーダターゲットの径方向速度の依存性を示す概略図である。 測位角度に対するレーダターゲットの径方向速度の依存性を示す別の概略図である。 球面座標系におけるレーダターゲットの角度関係を示す図である。 円錐座標系におけるレーダターゲットの角度関係を示す図である。 本発明による方法の本質的なステップを示すフロー図である。 スケーリングおよび制限関数を示す図である。

図１は、ＭＩＭＯアンテナアレイ１４を収容し、レドーム１６によって送受信側に境界をもつハウジング１２を有するレーダセンサ１０の水平方向断面を概略的に示す。アンテナアレイ１４には制御・解析装置１８が接続されており、この制御・解析装置１８は、レーダセンサの機能を制御するとともに、受信したレーダエコーに基づいて、測位範囲内に位置するレーダターゲット２０の距離ｒ、相対速度Ｖ_ｒ（径方向速度）、方位角φおよび仰角α（まとめて測位角と呼ぶ）を算出するために使用される。４つのレーダターゲット２０，…，２０で反射されアンテナアレイ１４に戻って受信されるレーダビーム２２が概略的に図示されている。

一例として、レドーム１６上には例えば氷層のような被覆物２４があり、その表面でレーダビーム２２が屈折して、角度（この場合は方位角）の測定時に歪み角測定誤差Δφが生じると想定する。レーダビーム２２は、被覆物２４によって異なる強さで複数の異なる方向に屈折するので、歪み角測定誤差Δφの大きさおよび符号は、レーダセンサ１０に対するそれぞれのレーダターゲット２０，…，２０の位置に依存していることがわかる。

レーダセンサ１０は、自動車の前部に組み込まれており、特に、前方を走行する車両および前方にある他の障害物を測位するために使用される。この場合、レーダセンサの光軸は、通常、自動車の進行方向または走行方向を示す軸ｘと一致するように調整されている。

比較のために、図２は、歪み角度誤差が生じないが、レーダセンサ１０が正確に調整されておらず、その光軸２６が方位角においてｘ軸からずれている状況を示す。その結果、複数の異なるレーダターゲット２０，…，２０について測定された方位角φは、ミスアライメント誤差δφを有する。しかしながら、歪み角測定誤差Δφとは異なり、ミスアライメント誤差δφは、全てのターゲット２０，…，２０に対して同じ符号および同じ大きさを有する。

このような角度測定誤差、特に、図１に示す歪み角測定誤差を確実に検出することができる方法を以下に説明する。

図３には、静止している１つのレーダターゲット２０（例えば道路脇に立てられた交通標識）を通過して移動する自動車２８が示されている。自動車の固有速度Ｖはベクトルとして示されている。ベクトルＶ_ｒｅｌ＝−Ｖは、自動車２８に対するレーダターゲット２０の相対速度を示す。以下では、簡略化のために、自動車に組み込まれたレーダセンサのアンテナの移動方向は、車両の後車軸（リアアクスル）の移動方向と一致するものと仮定する。しかしながら、一般に、車両内のレーダ１０の組込み位置に応じて、アンテナ１４の実際の固有速度の方向は、ピッチング運動、ローリング運動、および車両の垂直軸を中心とした旋回運動（ヨーイング運動）に基づいて、座標系のｘ軸からずれる場合がある。このことは、組込み位置におけるアンテナの実際の速度Ｖと、これに応じて補正された角度測定値とを使用することで適切に考慮される必要がある（（φ，α）または（α，β）は、アンテナアレイの実際の移動方向とそれぞれのターゲットとの間の角度である）。あるいは、その解析は、無視できるほど小さいピッチング運動、ローリング運動およびヨーイング運動を伴う走行状況に限定される。

レーダターゲット２０は、自動車２８の前部に組み込まれたレーダセンサ１０（図３には図示せず）によって測位される。図３に示す状況では、このターゲットについて比較的小さい測位角度（方位角）φが測定される。ベクトルＶ_ｒは、レーダセンサとレーダターゲットとの間の視線に沿った径方向成分と、これと直交する横方向成分とに分解できる。径方向成分の大きさは、径方向速度Ｖ_ｒ＝ｃｏｓ（φ）・Ｖであり、ここで、Ｖは、地面に対する自動車もしくはアンテナの固有速度の大きさであると同時に、相対速度Ｖ_ｒｅｌの大きさである。

図４は、その後、方位角φが増大し、それに応じて固有速度Ｖと比較すると径方向速度Ｖ_ｒが小さくなった状況を示す。

レーダターゲット２０が静止ターゲットであることが分かっており、さらに例えば車両の車輪速度センサによる直接測定やヨーレートなどに基づいて、車両あるいは特にそれぞれの組込み位置におけるアンテナアレイの固有速度Ｖが分かっている場合には、上記のＶ_ｒ＝ｃｏｓ（φ）・Ｖとの式にしたがってＶ_ｒを計算することができる。ドップラー効果によりレーダセンサ１０を用いてＶ_ｒを直接に測定することもできる。その測定値と計算値とを比較することにより、方位角φの測定が正しかったかどうかをチェックすることができる。

図３および図４では、２つの空間次元のみが考慮されてるる。３つの空間次元を全て考慮した場合、径方向速度Ｖ_ｒは、次式にしたがって、レーダターゲット２０の仰角αにも依存する。

図５は、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸を有する３次元デカルト座標系におけるレーダターゲット２０を示す。球面座標系では、レーダターゲット２０の位置は、動径ｒ、方位角φおよび仰角αによって与えられる。自動車もしくはアンテナアレイのベクトル固有速度Ｖは、簡略化のために、図５および図６にｘ軸に平行に示されている。さらに、方位角に発生しうる角度測定誤差φ_ｅおよび仰角に発生しうる角度測定誤差α_ｅも示されている。

球面座標からデカルト座標への変換には次の関係が成立する。

図５の球面座標の代わりに、図６に示すように円錐座標（ｒ，β，α）を選択的に使用することもできる。仰角αは、円錐座標では球面座標と同じ意味を有する。仰角αは、レーダターゲット２０の位置ベクトルとｘｙ平面との間の角度を示す。しかしながら、方位角φは、円錐座標においては、レーダターゲットの位置ベクトルとｘｚ平面との間の角度を示す角度βによって置き換えられる。したがって、デカルト座標に変換するための次式が成立する。

発生しうる角度測定誤差β_ｅの例も図示されている。

角度測定誤差φ_ｅ，α_ｅ，β_ｅは、原則として、ミスアラインメント誤差および／または歪み誤差であり得る。ミスアライメント誤差を検出する方法は知られている。歪み誤差を検出するために、例えば、図７にフローチャートで示す方法を実施することができる。

ある測定サイクルで測位すべき静止ターゲットの集合を、Ｒ_ｍで示すものとする（ｍは、測定サイクルを特定するインデックスである）。静止ターゲットと移動ターゲットとを区別するための判定基準は既知であり、その判定基準には、特にターゲットの測定された相対速度と車両の固有速度とを比較することが含まれている。ステップＳ１では、歪み測定誤差をチェックするために利用したい部分集合Ｐ_ｍが集合Ｒ_ｍから選択される。選択されたターゲットの数Ｎ_ｍは、統計的変動をある程度補正するのに十分な大きさであることが望ましい。さらに、選択されたターゲットは、できるだけ大きい立体角にわたってできるだけ一様に分布していることが望ましい。

次に、ステップＳ２において、例えば車輪速度センサの信号に基づいて、自車両２８の運動状態が推定される。図５または図６に示す座標系では、このようにして、車両、ひいてはその車両に組み込まれたレーダセンサにおけるアンテナの固有の動きを示すベクトルＶの推定値が得られる。ステップＳ２の推定結果は、次の測定サイクルのステップＳ１において静止ターゲットを識別するための基礎を形成することもできる。

好ましくは、さらなるステップＳ３において、ステップＳ１で選択したターゲットの有効性が再び検証される。特に、車両、および、特にステップＳ２で検出されたアンテナ固有の動きを考慮に入れる。この場合の判断基準は、例えば、地面に対する車両もしくはレーダセンサの最低の固有速度、自車両の加速度およびヨーレート、Ｐ_ｍの要素（ターゲット）数、および角度測定データの分散である。

さらなるオプションのステップＳ４では、車両の固有の動きを示すデータが、現在の測定サイクルおよび必要に応じて以前の測定サイクルで得られたレーダデータに基づいて検証され、必要に応じて更新される。

ここで考慮される例では、歪み角度誤差のチェックとは無関係に、必要に応じて、ステップＳ１で選択されたターゲットの測定データに基づいて、ミスアラインメント誤差のチェックも行われることを想定することが望ましい。

次に、ステップＳ５において、検出されたセンサのミスアライメントに関して、測位角度（例えば、φおよびα）の測定データが補正され、これにより、より正確な角度測定データに基づいて、その後の歪み誤差の再チェックを行うことができる。

ステップＳ６において、集合Ｐ_ｍ内の個々のターゲットについて（ターゲットは、インデックスｐにより識別される）、ドップラー効果に基づいて実際に測定された径方向速度からの、計算された径方向速度Ｖ_ｒのずれの尺度を表す指標値ｑ_ｐが計算される。最初は式（１）である。ただし、ターゲットが接近している場合にはＶ_ｒに負の値をとらせることによって、レーダターゲットの接近と距離とを区別することが有用である。次に球面座標では次式が成立する。

ここで、_αおよび_φは、誤っている可能性のある測定値であり、α_ｅおよびφ_ｅは角度測定誤差である。

円錐座標についても同様に次式が成立する。

_α_ｐおよび_φ_ｐが、インデックスｐを有するターゲットについて測定された測位角度であり、Ｖ_ｒ_ｐが、このターゲットについて測定された径方向速度であるとすれば、適切な指標値ｑ_ｐは、例えば、次式で与えられる。

あるいは、それは円錐座標では次式で与えられる。

ただし、指標値について、例えば、以下のような複数の異なる定義が可能である。

あるいは、次式も可能である。

歪み角測定誤差は、図１に基づいて説明したように角度に依存するので、ステップＳ６で得られた指標値も原則として角度に依存し、すなわち、原則として、Ｐ_ｍ内のそれぞれのターゲットに対して異なる指標値が得られる。したがって、一般に、指標値の総和または平均値は、ターゲットの角度分布にも依存する。指標値は、異なる符号をとる場合もあり、ターゲットの角度分布に応じて、指標値の平均値は、特定の状況下ではゼロに近くなり、歪み測定誤差が実際に存在するにもかかわらず、正しい測定を示すかのようにみえる場合がある。

歪み誤差の存在について有意の指標を得るために、ステップＳ７において、角度に応じて指標値のスケーリングが実行される。このために（球面座標の場合には）任意のスケーリング関数Ｆ（α，φ）が定義され、または、円錐座標の場合にはＦ（α，β）が定義されるが、この関数は歪み角度誤差の角度依存性を少なくとも近似的に反映するものである。スケーリング関数は、例えば、次に示される勾配Ｇ（α，φ）＝−ｓｉｎ（α＋φ）の関数とすることができる。

円錐座標の場合には、スケーリング関数Ｆ（α，β）が構成されるが、この関数は、例えば、次に示される勾配Ｇ（α，β）の関数Ｆ（α，β）＝ｆ［Ｇ（α，β）］とすることができる。

次に、例えば次式にしたがって、個々のターゲットに関する指標値ｑ_ｐから、ほぼ角度に依存しない実効値Ｑ_ｍが構成される。

ここで、加算記号は、Ｐ_ｍ内の全てのターゲットに関する総和を意味する。オプションのステップＳ９では、連続した測定サイクルにおいてそれぞれステップＳ８で得られた実効値に対して、統計的変動に対してより高い安定性を達成するために時間フィルタリングが実行される。当該フィルタリングの結果として、フィルタリングされた実効値Ｑ_ｆｉｌｔが得られる。このフィルタリングされた値は、ステップＳ１０において、スケーリングファクタＦ_ｓｃａｌでスケーリングされ、上限値および下限値Ｑ_ｍｉｎ，Ｑ_ｍａｘで制限されるので、最後には、図８に示される関数にしたがって、０と１との間で線形に変化する指標値Ｉが得られる。この指標値Ｉは、次に、ステップＳ１０において、運転者支援システムの他のモジュールに出力され、これらのモジュールにおいて角度測定結果の精度および信頼性を評価することを可能にする。

指標値Ｉを構成するために利用される情報は、アンテナアレイ１４の受信チャネルで受信される位相情報とは無関係であり、角度誤差を特徴づける基準を形成し、従来の角度推定とは無関係である。特に、角度推定値の品質が非常に高く、その品質に基づいて誤差が推測されない場合には、レーダセンサの角度誤差または角度のブラインドスポットを検出することもできる。

仰角αに誤差がないと仮定すると、式（２）または式（３）は（φもしくはβにしたがって解くことによって）、符号のアンビギュイティを無視すれば、方位角における角度測定誤差φ_ｅ（球面座標の場合）およびβ_ｅ（円錐座標の場合）を与える補正値を導出するために使用できる。逆に、方位角に誤差がないと仮定すると、仰角の補正値を導出することができる。

Claims (6)

1. 自動車（２８）用の角度分解型レーダーセンサ（１０）における角度測定誤差（Δφ）を検出する方法であって、
   複数の静止ターゲット（２０）に対してそれぞれ径方向速度（Ｖ_ｒ）および少なくとも１つの測位角度（φ，α，β）を測定し、当該測定された測位角度に基づいて径方向速度（Ｖ_ｒ）の予想される値を計算して測定値と比較し、１つ以上の静止ターゲット（２０）に対して径方向速度（Ｖ_ｒ）および測位角度（φ，α，β）を測定する方法において、
   前記ターゲットの各々に対して、当該予想される径方向速度からの当該測定された径方向速度のずれを示す単一の指標値（ｑ_ｐ）を計算し、
   得られた個々の指標値に対して、歪み角度誤差の角度依存性を補償するために角度に応じたスケーリングを施し、
   当該スケーリングが施された個々の指標値から角度測定誤差の指標（Ｉ）を計算する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、連続した測定間隔でレーダ信号の周波数をランプ状に変調するＦＭＣＷレーダについて、上記方法において前記個々の指標値の計算は、同じ測定間隔内で得られた測定結果に基づいて実行される、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記個々の指標値を、前記角度に応じたスケーリングの後に合成して実効値（Ｑ_ｍ）を得、連続した測定間隔で得られる当該実効値に対して時間フィルタリングを施し、前記フィルタリングの結果に基づいて前記指標（Ｉ）を計算する、方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法であって、２次元の角度空間において前記角度に応じたスケーリングが実行される、方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法であって、当該測定された径方向速度および測位角度に基づいて前記レーダセンサ（１０）のミスアライメント誤差の検出および補正を実行し、当該ミスアライメント誤差が補正された角度測定値に基づいて前記個々の指標値の計算を実行する、方法。
6. 送受信ユニットと、制御・解析装置（１８）とを備えた自動車用のレーダセンサであって、前記解析装置（１８）は、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とするレーダセンサ。

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