WO2005045784A1 - Verfahren und vorrichtung zur abstands- und/oder geschwindigkeitsmessung - Google Patents

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WO2005045784A1
WO2005045784A1 PCT/DE2004/001950 DE2004001950W WO2005045784A1 WO 2005045784 A1 WO2005045784 A1 WO 2005045784A1 DE 2004001950 W DE2004001950 W DE 2004001950W WO 2005045784 A1 WO2005045784 A1 WO 2005045784A1
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PCT/DE2004/001950
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Michael Beuschel
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Conti Temic Microelectronic GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for distance and / or speed measurement, in particular for use in a vehicle in connection with a collision detection, collision warning or collision detection system.
  • distance sensors for short
  • methods for distance and / or speed measurement are generally known, for example, for use in vehicles for the early detection of an impact as so-called pre-crash sensors.
  • a speed is usually additionally determined on the basis of the determination of a distance or a distance by means of differentiation of the determined distance signals. If, therefore, a distance measurement is mentioned below, this includes a speed measurement, unless stated otherwise.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device which is provided and suitable for carrying out the method, with which distance and speed measured values are filtered and missing measured values can be bridged without additional effort.
  • a method for distance and / or speed measurement in particular for use in a vehicle in connection with a collision detection, collision warning or collision avoidance system, a signal emitted by a transmitter, in particular an electromagnetic wave, after reflection on a stationary or movable one Object received by a receiver and for determining the distance and / or speed of the object, an evaluation of the emitted and reflected signal is carried out in such a way that an observer, in particular a Luenberger observer, is adapted, the observer being supplied with a determined distance as an input signal on the basis of which an observed distance and an observed speed are determined as output signals.
  • a comparison between the observed distance and the determined distance is advantageously carried out continuously, that is continuously or at predetermined or predeterminable, in particular equidistant times, in order to adapt the states of the observer.
  • the value and thus the approximation and quality of the observed states are continuously adapted or continuously improved.
  • the feedback of the observed distance also particularly advantageously results in a stronger weighting of later (distance) measurement values, ie those measurement values which, when approaching the object, represent a shorter distance or a shorter distance and thus more precise measurement values.
  • This higher weighting of closer and possibly subsequent measured values is particularly advantageous because the later measured values are distinguished by a good signal-to-noise ratio compared to earlier measured values.
  • the measured value for the determined distance is assigned an identifier, on the basis of which the measured value remains unconsidered by the observer or the observer is deactivated.
  • the observer advantageously uses the previously determined or previous measured values. The observer takes over
  • the observed distance value can be used in place of the failed, faulty or unreliable measurement value for the distance. This provides usable information about the distance of the object at all times.
  • the observer is preferably executed discretely in time and supplemented by a filter structure.
  • the filter structure enables the observed states, that is to say the observed distance and / or the observed speed, to be filtered in order to enable even better usability of the or each observed state.
  • a filter structure is advantageously used such that when the observer and filter structure are viewed as a whole, a desired filter function results for at least one observed state.
  • the observed distance and the observed speed are advantageously used as observer states.
  • the observer states can be scaled appropriately if necessary. In the case of the observed and filtered speed, this can be determined on the basis of differentiated distance measured values with additional filtering (eg 2nd order Butterworth low pass).
  • An observed speed is further advantageously adjusted using the filter structure.
  • the adjusted observed speed is also called the filtered observed speed.
  • a variable time constant or corner frequency is expediently assigned to the observer and filter structure. This improves the adaptation in terms of the quality of the measured values.
  • a small time constant is preferably used at the start of a measurement for the observer and filter structure and the time constant is increased in the case of a longer measurement. In this way, a rough but rapid adaptation can be achieved with a short time constant at the start of a measurement. In the case of a longer measurement period, a switch is then made to a longer time constant for greater accuracy and, at the same time, better noise suppression.
  • the advantage of the invention and its refinements is that only a comparatively small memory requirement and also a comparatively short computing time are required. Furthermore, changes in speed, in particular changes in the speed of the object, can also be taken into account during the measurement. Finally, the method is characterized by a favorable robustness of the calculated results in the case of disturbed and / or failed measurement values.
  • the stated object is achieved according to the invention with a distance and / or speed sensor which is suitable and provided for carrying out the method according to the invention.
  • the device has known means, for. B. a circuit suitable for executing the method or software suitable for executing the method, which is stored in a memory for execution by a processing device, e.g. B. a processor or an ASIC is stored.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle moving in the direction of an object with a device for detecting the obstacle
  • FIG. 2 shows a signal flow plan for processing a measured value recorded when the object is detected.
  • the collision detection system KS comprises at least one transmitter 3 and one receiver 4.
  • the transmitter 3 and the receiver 4 together with evaluation electronics (not shown in more detail), form a distance and / or speed sensor 5, hereinafter referred to collectively as distance sensor 5.
  • the transmitter 3 transmits a signal 6, in particular an electromagnetic wave, continuously or pulsating, that is to say in predetermined, preferably equidistant, time periods.
  • a signal 6 strikes an object 2, it is reflected by the object 2.
  • a resulting reflected signal 7 arrives at the receiver 4, so that in a manner known per se based on the transmitted signal 6 and the reflected and received signal 7, a distance X M , z. B. for the distance of the vehicle 1 to the object 2 is determined.
  • the distance sensor 5 serves to record and determine the distance X M.
  • the speed of the object 2 itself is determined from the temporal change in the distance X M and at the same time taking into account the instantaneous speed of the own vehicle 1. Furthermore, a possible risk of collision and the duration until a possible collision can be determined from the distance X M to the object 2 and the speed of the object 2 as well as its own speed.
  • FIG. 2 shows the associated signal flow plan for processing the distance X M determined using the distance sensor 5 (the index “M” stands for “measurement”).
  • the determined distance X M is fed to the evaluation electronics AE as a measurement or actual value and as an input signal 10 and processed into output signals 11 of the evaluation electronics AE.
  • An observed distance X B for the detected distance X and an observed filtered speed V F are determined as output signal 11.
  • the detected distance X M represents an input signal 10 for the signal flow plan or for a circuit realized in accordance with the signal flow plan or for software implementation of the evaluation electronics 5.
  • the observed distance X B and the observed filtered speed V F represent output signals 11 of the signal flow plan or the corresponding one Circuit / software of the evaluation electronics 5.
  • a first section ( tracking), to which the determined distance X M is fed as input signal 10, realizes the functionality of an observer 13, in particular a time-discrete Luenberger observer.
  • the theoretical basis of the observer 13 in the form of an adaptive Regulation and / or control are generally known. They can be found in the textbooks on control engineering / theory or system engineering / theory. The textbook by Günter Ludyk: Theoretical Control Technology 2, Springer Verlag 1995, is only mentioned as an example.
  • the observer 13 delivers observed states as output signals 11 - the observed distance X B and an observed speed V B.
  • the observed speed V B is fed to a filter structure 15 connected downstream of the observer 13.
  • the output signal 11 of the filter structure 15 is the observed filtered speed V F.
  • the tracking or adaptation by means of the observer 13 takes place in that the expected or observed distance X B is linked to the determined distance X M via a summation point 16.
  • a difference unit can also be used instead of the summation point 16.
  • the parameters "C”, "D”, “G”, “H” and “F” are the parameters of the observer 13 and the filter structure 15, e.g. B. reinforcing or delay elements.
  • the sampling time is labeled "T”. It is therefore a special case of a discrete-time observer 13.
  • the transfer function of the downstream filter structure 15 is:
  • the transfer function specified above is composed of a differentiation (first fraction) and filtering.
  • a suitable choice of the coefficients that is to say the parameters “C”, “D”, “G”, “H” and “F”, a predeterminable or predefined second-order filter behavior, eg. B. a discrete-time Butterworth filter can be achieved.
  • the signal flow diagram shown in FIG. 2 can be optimized for minimal computing time by suitably scaling the states of observer 13 and filter structure 15 and the amplification factors being combined accordingly.
  • a filtering of the distance that is to say the distance determined, is carried out downstream X M , dispensed with, because disturbing noise in the distance signal is lower than at speed.
  • a subsequent filtering of the observed distance X B is nevertheless possible with a further filter structure, not shown, corresponding to the filter structure 15 for filtering the observed speed V B, but with an additional feedback of the filter state, so that the following transfer function with the additional parameter:
  • the solution according to the invention is based on an observer structure according to Luenberger.
  • the observed distance and speed serve as observer states, which can be scaled appropriately if necessary.
  • the observed distance is continuously compared with the measurement.
  • the difference, the observer error is used to adjust the observer 13.
  • the observer states correspond to the filtered distance and speed values.
  • the observer structure 13 results in an unfavorable transfer function with regard to the filter behavior. Therefore, downstream filter structures 15 of the first order are introduced for the observer states, so that any desired second-order filter function of the observer 13 can be implemented together with the downstream filter structure 15 and possibly with additional differentiation in the course of the speed by adapting the additionally obtained coefficients.
  • the observer approach also allows rough measurements with a short measuring time, as can occur with objects 2 that are difficult to detect optically.
  • a measurement qualification must also be provided, which only outputs results if it is based on a minimum number of reliable measurements. This will result in the output of uncertain results, e.g. B. during the initial adaptation of the observer 13 prevented.
  • the pre-assignment of the downstream filter structure 15 for the speed can be dispensed with.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung angegeben, die sich dadurch auszeichnen, dass die Auswertung eine Ermittlung eines Abstands (XM) mittels eines Beobachters (13) umfasst, wobei dem Beobachter (13) als Eingangssignal (10) der ermittelte Abstand (XM) zugeführt wird und der Beobachter (13) als Ausgangssignale (11) einen beobachteten Abstand (XB) sowie eine beobachtete Geschwindigkeit (VB) liefert.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindig- keitsmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug im Zusammenhang mit einem Kollisi- onserkennungs- , Kollisionswarnungs- oder Kollisionsver ei- dungsSystem.
Vorrichtungen zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung (kurz Abstandssensoren genannt) sowie Verfahren zur Abstandsund/oder Geschwindigkeitsmessung sind beispielsweise für den Einsatz in Fahrzeugen zur Früherkennung eines Aufpralls als so genannte Precrash-Sensoren allgemein bekannt. Dabei wird üblicherweise anhand der Bestimmung einer Entfernung oder eines Abstands mittels Differentiation der ermittelten Abstandssignale zusätzlich eine Geschwindigkeit bestimmt. Wenn im Folgenden daher von einer Abstandsmessung die Rede ist, schließt dies, wenn nicht anders ausgeführt, eine Geschwin- digkeitsmessung mit ein.
Nachteilig bei bekannten Verfahren oder Vorrichtungen ist je- doch, dass aufgrund der hochempfindlichen Messelektronik solcher Sensoren der berechnete Entfernungsverlauf störungsbehaftet ist. Wenn aus einem solchen Signal durch Differentiation die Geschwindigkeit berechnet wird, werden dabei zudem die enthaltenen Störungen (= so genanntes Signalrauschen) verstärkt. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die Differentiation wie ein Hochpassfilter wirkt. Um das Signalrauschen zu vermindern, wird üblicherweise die Zeitdifferenz für die Differentiation vergrößert. Nachteilig dabei ist, dass nur kurz sichtbare Objekte oder Hindernisse nicht oder nur sehr ungenau erfasst werden. Darüber hinaus wird stets nur die mittlere Geschwindigkeit berechnet. Alternativ wird zusammen mit der Differentiation eine Tiefpassfilterung verwen- det. Fällt jedoch ein Messwert aus, führt dies in der Regel zu einer Störung des AusgangsSignals .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene und geeignete Vorrichtung anzugeben, mit dem Abstands- und Geschwindigkeitsmesswerte gefiltert werden und fehlende Messwerte ohne zusätzlichen Aufwand überbrückt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu wird bei einem Verfahren zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug im Zusammenhang mit einem Kollisionserkennungs-, Kollisionswarnungs- oder Kollisionsvermeidungssystem, ein von einem Sender abgegebenes Signal, insbesondere eine elektromagnetische Welle, nach Reflexion an einem ortsfesten oder beweglichen Objekt von einem Empfänger aufgenommen und zur Ermittlung von Abstand und/oder Geschwindigkeit des Objekts eine Auswertung von aus- gesandtem und reflektiertem Signal derart ausgeführt, dass ein Beobachter, insbesondere ein Luenberger-Beobachter, adaptiert wird, wobei dem Beobachter als Eingangssignal ein ermittelter Abstand zugeführt wird, anhand dessen als Ausgangssignale ein beobachteter Abstand sowie eine beobachtete Geschwindigkeit ermittelt werden.
Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Vorteilhaft erfolgt fortlaufend, also kontinuierlich oder zu vorgegebenen oder vorgebbaren, insbesondere äquidistanten Zeitpunkten ein Vergleich zwischen beobachtetem Abstand und ermitteltem Abstand, um die Zustände des Beobachters zu adaptieren.
Des Weiteren wird eine Differenz zwischen ermitteltem Abstand und beobachtetem Abstand zur Nachführung (Adaption) des Beob- achters verwendet. Auf diese Weise wird der Wert und somit die Annäherung und Qualität der beobachteten Zustände, also des beobachteten Abstands und der beobachteten Geschwindigkeit, kontinuierlich angepasst bzw. fortlaufend verbessert. Die Rückführung des beobachteten Abstands bewirkt zudem besonders vorteilhaft eine stärkere Gewichtung zeitlich späterer (Abstands-)Messwerte, d. h. solcher Messwerte, die bei Annäherung an das Objekt einen kürzeren Abstand oder eine kürzere Strecke und somit genauere Messwerte repräsentieren. Diese höhere Gewichtung näherer und ggf. zeitlich nachfolgender Messwerte ist besonders vorteilhaft, weil sich die zeitlich späteren Messwerte im Vergleich zu früheren Messwerten durch ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auszeichnen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist für den Fall, dass ein ermittelter Abstand ausfällt oder als unzuverlässig erkannt wird, vorgesehen, dass dem Messwert für den ermittelten Abstand ein Kennzeichen zugeordnet wird, aufgrund dessen der Messwert durch den Beobachter unberücksichtigt bleibt oder der Beobachter deaktiviert wird. Eine solche
Kennzeichnung fehlerbehafteter Messwerte vermeidet eine ungünstige oder fehlerhafte Beeinflussung des Beobachters. Zur Adaption der Beobachter-Zustände werden vorzugsweise nur plausible Messwerte verwendet. D. h. , ggf. werden die Mess- werte vorab auf Plausibilität geprüft.
Vorteilhaft werden mittels des Beobachters im Falle eines ausgefallenen oder als unzuverlässig erkannten Messwertes für den ermittelten Abstand die bisher ermittelten oder vorange- gangenen Messwerten verwendet. Der Beobachter übernimmt die
Funktion eines Prädiktors . Alternativ oder zusätzlich kann an die Stelle des ausgefallenen, fehlerbehafteten oder unzuverlässigen Messwertes für den Abstand der beobachtete Abstandswert verwendet werden. Damit liegt in jedem Zeitpunkt eine verwertbare Information zum Abstand des Objekts vor. Bevorzugt wird der Beobachter zeitdiskret ausgeführt und um eine Filterstruktur ergänzt. Die Filterstruktur ermöglicht eine Filterung der beobachteten Zustände, also des beobachteten Abstands und/oder der beobachteten Geschwindigkeit, um eine noch bessere Verwendbarkeit des oder jedes beobachteten Zustands zu ermöglichen.
Vorteilhaft wird eine Filterstruktur derart verwendet, dass bei einer Gesamtbetrachtung von Beobachter und Filterstruktur sich für wenigstens einen beobachteten Zustand eine gewünschte Filterfunktion ergibt. Als Beobachterzustände dienen vorteilhaft der beobachtete Abstand und die beobachtete Geschwindigkeit. Die Beobachterzustände können ggf. geeignet skaliert werden. Im Fall der beobachteten und gefilterten Ge- schwindigkeit kann diese anhand von differenzierten Abstands- messwerten mit zusätzlicher Filterung (z. B. Butterworth- Tiefpass 2. Ordnung) ermittelt werden.
Weiter vorteilhaft wird anhand der Filterstruktur eine beob- achtete Geschwindigkeit angepasst. Die angepasste beobachtete Geschwindigkeit wird auch gefilterte beobachtete Geschwindigkeit genannt .
Zweckmäßigerweise wird der Beobachter- und Filterstruktur eine variable Zeitkonstante bzw. Eckfrequenz zugeordnet. Dadurch wird die Adaption in Bezug auf die Qualität der Messwerte verbessert .
Bevorzugt wird zu Beginn einer Messung für die Beobachter- und Filterstruktur eine geringe Zeitkonstante verwendet und bei längerer Messung die Zeitkonstante erhöht. Auf diese Weise kann zu Beginn einer Messung mit einer kurzen Zeitkonstante eine grobe aber rasche Adaption erreicht werden. Bei längerer Messdauer wird dann auf eine längere Zeitkonstante für eine höhere Genauigkeit bei gleichzeitig besserer Rauschunterdrückung umgeschaltet . Der Vorteil der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen besteht darin, dass nur ein vergleichsweise geringer Speicherbedarf und eine ebenfalls vergleichsweise geringe Rechenzeit erforderlich ist. Des Weiteren ist eine Berücksichtigung von Geschwindigkeitsänderungen, insbesondere von Geschwindigkeitsänderungen des Objekts auch während der Messung möglich. Schließlich zeichnet sich das Verfahren durch eine günstige Robustheit der berechneten Ergebnisse bei gestörten und/oder ausgefallenen Messwerten aus.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit einem Abstands- und/oder Geschwindigkeitssensor, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren geeignet und vorgesehen ist. Dazu weist die Vorrichtung an sich bekannte Mittel, also z. B. eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Schaltung oder eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Software, die in einem Speicher zur Ausführung durch eine Verarbeitungseinrichtung, z. B. einen Prozessor oder einen ASIC, hinterlegt ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 ein sich in Richtung auf ein Objekt bewegendes Kraft- fahrzeug mit einer Einrichtung zur Detektion des Hin- dernisses, und
FIG 2 einen Signalflussplan zur Verarbeitung eines bei der Detektion des Objekts aufgenommenen Messwertes.
Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1, das sich auf ein Objekt 2 zubewegt. Das Fahrzeug verfügt über ein Kollisi- onserkennungs-, Kollisionswarnungs- oder Kollisionsvermeidungssystem, im Folgenden zusammenfassend als Kollisionser- kennungsSystem KS oder kurz als Kollisionserkennung bezeichnet. Das Kollisionserkennungssystem KS umfasst zumindest einen Sender 3 und einen Empfänger 4. Der Sender 3 und der Empfänger 4 bilden zusammen mit einer nicht näher darge- stellten Auswerteelektronik einen Abstands- und/oder Geschwindigkeitssensor 5, im folgenden zusammenfassend als Abstandssensor 5 bezeichnet.
Der Sender 3 sendet kontinuierlich oder pulsierend, also in vorgegebenen, vorzugsweise äquidistanten Zeitabschnitten, ein Signal 6, insbesondere eine elektromagnetische Welle aus. Wenn das Signal 6 auf ein Objekt 2 trifft, wird es von dem Objekt 2 reflektiert. Ein daraus resultierendes reflektiertes Signal 7 gelangt zum Empfänger 4, so dass in an sich bekann- ter Weise anhand des ausgesandten Signals 6 und des reflektierten und empfangenen Signal 7 ein Abstand XM, z. B. für den Abstand des Fahrzeugs 1 zum Objekt 2, bestimmt wird. Mit anderen Worten: Der Abstandssensor 5 dient der Erfassung und Ermittlung des Abstands XM. Der aktuell erfasste Abstand XM (= Messwert oder Istwert) wird anschließend mittels der Auswerteelektronik AE des Kollisionserkennungssystems KS weiterverarbeitet.
Anhand des erfassten Abstands XM und der eigenen über einen nicht näher dargestellten Sensor erfassten Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 ist es möglich, die Zeitdauer bis zu einer möglichen Kollision mit dem Objekt 2 zu ermitteln. In Abhängigkeit davon können geeignete Maßnahmen zur Vermeidung der Kollision oder zur Minimierung der Auswirkungen der Kolli- sion, also z. B. eine Warnung für den Fahrer, ein automatischer Eingriff in das Lenk- und/oder Bremssystem des Fahrzeugs, etc., ausgeführt werden. Durch weitere geeignete Maßnahmen kann die Position des Objekts 2 im Hinblick auf einen Versatz senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs er- kannt werden. Wenn das Objekt 2 selbst beweglich ist, etwa wenn es sich um ein weiteres Fahrzeug, z. B. um ein entgegenkommendes Fahrzeug handelt, kann nicht nur die Entfernung oder der Abstand XM zu dem Objekt 2, sondern aus der zeitlichen Änderung des Abstands XM und gleichzeitiger Berücksichtigung der Momentangeschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs 1 selbst die Geschwindigkeit des Objekts 2 ermittelt werden. Des Weiteren kann aus dem Abstand XM zum Objekt 2 und der Geschwindigkeit des Objekts 2 sowie eigener Geschwindigkeit wiederum eine evtl. Kollisionsgefahr sowie die Dauer bis zu einer evtl. Kollision ermittelt werden.
In FIG 2 ist der zugehörige Signalflussplan für die Verarbeitung des anhand des Abstandssensors 5 ermittelten Abstands XM (der Index "M" steht dabei für "Messung") gezeigt. Der ermittelte Abstand XM wird der Auswerteelektronik AE als Messoder Istwert und als Eingangssignal 10 zugeführt und zu Aus- gangssignalen 11 der Auswerteelektronik AE verarbeitet. Als Ausgangssignal 11 wird ein beobachteter Abstand XB für den erfassten Abstand X und eine beobachtete gefilterte Geschwindigkeit VF (die Indizes "B" und "F" stehen dabei für "beobachtet" bzw. "gefiltert"), bestimmt.
Der erfasste Abstand XM stellt ein Eingangssignal 10 für den Signalflussplan oder für eine entsprechend dem Signalflussplan realisierte Schaltung oder softwaremäßige Realisierung der Auswerteelektronik 5 dar. Der beobachtete Abstand XB und die beobachtete gefilterte Geschwindigkeit VF stellen entsprechend Ausgangssignale 11 des Signalflussplans bzw. der korrespondierenden Schaltung/Software der Auswerteelektronik 5 dar.
Im Signalflussplan gemäß der Darstellung in FIG 2 sind zwei separate Abschnitte erkennbar, welche zum einen eine Nachführung oder Adaption und dieser nachgeschaltet eine Filterstufe bilden. Ein erster Abschnitt (= eine Nachführung) , dem als Eingangssignal 10 der ermittelte Abstand XM zugeführt wird, realisiert die Funktionalität eines Beobachters 13, insbesondere eines zeitdiskreten Luenberger Beobachters. Die theoretischen Grundlagen des Beobachters 13 in Form einer adaptiven Regelung und/oder Steuerung sind allgemein bekannt. Sie sind in den Lehrbüchern zur Regelungstechnik/-theorie oder zur Systemtechnik/-theorie nachzulesen. Lediglich beispielhaft wird dazu das Fachbuch von Günter Ludyk: Theoretische Regel- ungstechnik 2, Springer Verlag 1995, genannt.
Der Beobachter 13 liefert als Ausgangssignale 11 beobachtete Zustände - den beobachteten Abstand XB und eine beobachtete Geschwindigkeit VB.
Die beobachtete Geschwindigkeit VB wird eine dem Beobachter 13 nachgeschalteten Filterstruktur 15 zugeführt. Das Ausgangssignal 11 der Filterstruktur 15 ist die beobachtete gefilterte Geschwindigkeit VF.
Die Nachführung oder Adaption mittels des Beobachters 13 erfolgt, indem der erwartete oder beobachtete Abstand XB über eine Summationsstelle 16 mit dem ermittelten Abstand XM verknüpft wird. Dabei wird die Differenz DB aus ermitteltem Ab- stand XM und beobachtetem Abstand XB (DB = XM - XB) gebildet. Anstelle der Summationsstelle 16 kann auch eine Differenzeinheit verwendet werden.
Der Beobachter 13 ist darüber hinaus zur Verarbeitung eines weiteren, insbesondere binären Eingangssignals 17 vorgesehen, das anzeigt, ob der aktuelle Abstand XM zulässig ist (Signal- Good = 1) oder nicht (SignalGood = 0) . Wenn der ermittelte Abstand XM über das weitere Eingangssignal 17 als fehlerhaft ausgewiesen ist, wird der ermittelte Abstand XM nicht berück- sichtigt und der Beobachter 13 nicht adaptiert. Dies lässt sich z. B. dadurch erreichen, dass das Verknüpfungsergebnis der Summationsstelle 16 im Falle eines fehlerbehafteten Eingangssignals 10 mit Null, also z. B. direkt mit dem Wert des weiteren Eingangssignals 17, multipliziert wird. Für den Fall, das mittels des Wertes des weiteren Eingangssignals 17 angezeigt wird, dass der ermittelte Abstand XM verwertbar ist, ist entsprechend eine Multiplikation des Verknüpfungser- gebnisses der Summationsstelle 16 mit Eins, also z. B. wiederum direkt mit dem Wert des weiteren Eingangssignals 17, erforderlich. Auch ist eine Gewichtung der Differenz DB mit einem Eingangssignal 17 und mit einem beliebigen Wert zwi- sehen 0 und 1 entsprechend der zuvor ermittelten Plausibili- tät der Messung möglich.
Die Parameter "C", "D" , "G", "H" und "F" sind die Parameter des Beobachters 13 und der Filterstruktur 15, z. B. Verstär- kungs- oder Verzögerungsglieder. Die Abtastzeit ist mit "T" bezeichnet. Es handelt sich also um den Sonderfall eines zeitdiskreten Beobachters 13.
Als zeitdiskrete Übertragungsfunktionen ergeben sich für den Beobachter 13 allein die folgenden Zusammenhänge:
X„ = TD +z fC -TD)
^« l +z l<TD -2)+z 2(l -TD +T2C)
VB \ -z T C [ i :
XΛ 1 +z'1( D -2)+z (1 TD +T2C)
Die Übertragungsfunktion der nachgeschalteten Filterstruktur 15 lautet:
Figure imgf000011_0001
Damit ergibt sich die gesamte Übertragungsfunktion der Kombination aus Beobachter 13 und nachgeschalteter Filterstruktur 15 für die gefilterte beobachtete Geschwindigkeit VF zu:
VF 1- z-1 (F + z~lG + z'2H) T2C
XM T l + z~1(TD - 2) + z~2(l-TD + T2C) Die vorstehend angegebene Übertragungsfunktion setzt sich aus einer Differentiation (erster Bruch) und einer Filterung zusammen. Durch geeignete Wahl der Koeffizienten, also der Parameter "C", "D", "G", "H" und "F", kann ein vorgebbares oder vorgegebenes Filterverhalten zweiter Ordnung, z. B. ein zeitdiskretes Butterworthfilter, erreicht werden.
Um eine Übertragungsfunktion der Form
Figure imgf000012_0001
mit dem beschriebenen Beobachter 13 und der Filterstruktur 15 ggf. nachzubilden, können deren Parameter folgendermaßen bestimmt werden:
Figure imgf000012_0002
bn ^. b, „ b τ2c τ2c τ2c [5]
Um eine rasche Adaption des Beobachters 13 sicherzustellen, ist die Wahl günstiger Startwerte, also z. B.
XB(0) = XM Vß(0) =V0 [6]
für den erwarteten oder beobachteten Abstand XB und die erwartete oder beobachtete Geschwindigkeit VB vorteilhaft.
Zusätzlich lässt sich der in FIG 2 dargestellte Signalflussplan auf minimale Rechenzeit optimieren, indem die Zu- stände von Beobachter 13 und Filterstruktur 15 geeignet skaliert und die Verstärkungsfaktoren entsprechend zusammengefasst werden.
Im dem Signalflussplan gemäß FIG 2 wird auf eine nachgeschal- tete Filterung der Entfernung, also des ermittelten Abstands XM, verzichtet, da störendes Rauschen im Entfernungssignal geringer ausfällt als bei der Geschwindigkeit. Eine nachgeschaltete Filterung des beobachteten Abstands XB ist gleichwohl möglich mit einer weiteren, nicht dargestellten Filter- Struktur entsprechend der Filterstruktur 15 für Filterung der beobachteten Geschwindigkeit VB jedoch mit einer zusätzlichen Rückkopplung des Filterzustands, so dass sich folgende Übertragungsfunktion mit dem zusätzlichen Parameter:
E = 1 - TC/D [7]
ergibt :
Figure imgf000013_0001
Beobachter mit mehr als zwei Zuständen sowie entsprechend zusätzlichen Zuständen des Filters oder der Filter sind ebenfalls möglich.
Zusammenfassend lässt sich die Erfindung kurz wie folgt darstellen:
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf einer Beobachterstruktur nach Luenberger. Als Beobachterzustände dienen die beobachtete Entfernung und Geschwindigkeit, welche ggf. ge- eignet skaliert werden kann. Die beobachtete Entfernung wird fortlaufend mit der Messung verglichen. Die Differenz, der Beobachterfehler, wird zur Nachführung (Adaption) des Beobachters 13 genutzt. Im adaptierten Zustand entsprechen die Beobachterzustände den gefilterten Entfernungs- und Geschwin- digkeitswerten.
Fällt ein Messwert für den aktuell ermittelten Abstand XM aus oder wird ein Messwert für den aktuell ermittelten Abstand XM als unzuverlässig erkannt, wird der Beobachter 13 nicht adap- tiert (Fehler := 0) und arbeitet mit den bisher ermittelten Abständen XM als Prädiktor für die beobachtete Geschwindigkeit VB bzw. den beobachteten Abstand XB weiter. Bei vorheriger ausreichender Adaption tritt dadurch beim nächsten verwertbaren Messwert für den Abstand XM kein übergroßer Beobachterfehler und keine entsprechende Schwankung des Aus- gangssignals 11 auf. Damit kann eine kleine Zeitkonstante für kurze Adaptionszeiten für den Beobachter 13 gewählt werden.
Bei Verwendung zeitdiskreter Integratoren ergibt sich auf- grund der Beobachterstruktur 13 eine hinsichtlich des Filterverhaltens ungünstige Übertragungsfunktion. Daher werden nachgeschaltete Filterstrukturen 15 erster Ordnung für die Beobachterzustände eingeführt, so dass durch Anpassung der zusätzlich gewonnenen Koeffizienten eine beliebige Filter- funktion zweiter Ordnung des Beobachters 13 zusammen mit der nachgeschalteten Filterstruktur 15 und ggf. mit zusätzlicher Differenzierung beim Geschwindigkeitsverlauf realisiert werden kann.
Im Vergleich zu bekannten Verfahren kombiniert der erfindungsgemäß vorgeschlagene Beobachteransatz folgende Vorteile:
- Zeitdiskrete Filterung der Messwerte zur Erfassung veränderlicher Geschwindigkeiten,
- Geringer Speicher- und Rechenzeitbedarf, - Robustheit gegenüber ausgefallenen Messwerten durch Prä- diktorfunktion.
Der Beobachteransatz erlaubt auch grobe Messungen bei kurzer Messzeit, wie sie bei optisch schlecht erfassbaren Objekten 2 auftreten können.
Um dennoch nur zuverlässige Ergebnisse auszugeben, ist zusätzlich eine Messwertqualifikation vorzusehen, die Ergebnisse nur dann ausgibt, wenn sie auf einer Mindestanzahl zu- verlässiger Messungen beruht. Damit wird die Ausgabe unsicherer Ergebnisse, z. B. während der anfänglichen Adaption des Beobachters 13, verhindert. Die Messwertqualifikation hat ebenso die Aufgabe, beim ersten Auftreten relevanter Messwerte die Initialisierung des Beobachters 13 anzustoßen sowie nach Ausbleiben zuverlässiger Messwerte (= Dequalifika- tion) ggf. für ein Rücksetzen zu sorgen.
Wird durch eine Messwertqualifikation sichergestellt, dass Ergebnisse erst nach einer Mindestanzahl gültiger Messungen ausgegeben werden, kann auf die Vorbelegung der nachgeschalteten Filterstruktur 15 für die Geschwindigkeit verzichtet werden.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug 2 Objekt 3 Sender 4 Empfänger 5 Abstandssensor 6 Signal 7 reflektiertes Signal 10 Eingangssignal
11 Ausgangssignal
13 Beobachter
15 Filterstruktur
16 Summationsstelle 17 weiteres Eingangssignal
AE Auswerteelektronik
KS Kollisionserkennungssystem
VB beobachtete Geschwindigkeit VF beobachtete gefilterte Geschwindigkeit
XB beobachtete Abstand
XM ermittelter Abstand v Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug im Zusam- menhang mit einem Kollisionserkennungs-, Kollisionswarnungs- oder Kollisionsvermeidungssystem, wobei ein von einem Sender (3) abgegebenes Signal (6), insbesondere eine elektromagnetische Welle, nach Reflexion an einem ortsfesten oder beweglichen Objekt (2) als reflektiertes Signal (7) von einem Em- pfänger (4) aufgenommen wird und zur Ermittlung von Abstand und/oder Geschwindigkeit des Objekts (2) eine Auswertung von ausgesandtem und reflektiertem Signal (6 bzw. 7) derart ausgeführt wird, dass ein Beobachter (13) adaptiert wird, wobei dem Beobachter (13) als Eingangssignal ein ermittelter Ab- stand (X) zugeführt wird, anhand dessen als Ausgangssignale (12) ein beobachteter Abstand (XB) sowie eine beobachtete Geschwindigkeit (VB) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei fortlaufend oder zu vor- gegebenen, insbesondere äquidistanten Zeitpunkten der beobachtete Abstand (XB) und der ermittelte Abstand (XM) verglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei anhand des beobachteten Abstands (XB) und des ermittelten Abstands (XM) eine Differenz (DB) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei anhand der Differenz (DB) zwischen beobachteten Abstand (XB) und ermittelten Ab- stand (XM) der Beobachter (13) nachgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenn ein ermittelter Abstand (XM) ausfällt oder als unzuverlässig identifiziert wird, dem Messwert für den ermittelten Abstand (XM) ein Kennzeichen zugeordnet wird, aufgrund dessen der Messwert durch den Beobachter (13) unberücksichtigt bleibt, nur teilweise berücksichtigt oder der Beobachter (13) deaktiviert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beobachter (13) im Falle eines ausgefallenen oder als unzuverlässig erkannten Messwertes für den ermittelten Abstand (XM) die vorangegangenen Messwerte für den ermittelten Abstand (XM) verwendet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beobachter (13) um eine Filterstruktur (15) ergänzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Filterstruktur (15) erster Ordnung und/oder zweiter Ordnung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei anhand der Filterstruktur (15) die beobachtete Geschwindigkeit (VF) angepasst wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei dem Beobachter (13) und/oder der Filterstruktur (15) eine variable Zeitkonstante bzw. Eckfrequenz zugeordnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zu Beginn einer Messung der Filterstruktur (15) eine geringe Zeitkonstante zugeordnet wird und bei längerer Messung die Zeitkonstante erhöht wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Sender (3) und einem Em- pfänger (4) , wobei der Sender (3) zum Abgeben eines Signals (6) und der Empfänger (4) zum Empfangen eines daraus resultierenden reflektierten Signals (7) an einem Objekt (2) vorgesehen ist, oder zum Zusammenwirken mit einem solchen Sender (3) und einem solchen Empfänger (4) , mit Mitteln zur Er itt- lung von Abstand und/oder Geschwindigkeit des Objekts (2) anhand einer Auswertung von ausgesandtem und reflektiertem Signal (6, 7) .
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