WO2005071435A1 - Verfahren und detektionsvorrichtung zum bestimmen der position eines gegenstandes in einem raum - Google Patents

Verfahren und detektionsvorrichtung zum bestimmen der position eines gegenstandes in einem raum Download PDF

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WO2005071435A1
WO2005071435A1 PCT/EP2005/000276 EP2005000276W WO2005071435A1 WO 2005071435 A1 WO2005071435 A1 WO 2005071435A1 EP 2005000276 W EP2005000276 W EP 2005000276W WO 2005071435 A1 WO2005071435 A1 WO 2005071435A1
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receiving
detection device
coordinate
phase difference
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PCT/EP2005/000276
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Frank Künzler
Timo Brandt
Udo Haberland
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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    • G01S2013/0236—Special technical features
    • G01S2013/0245—Radar with phased array antenna

Definitions

  • the invention relates to a method and a computer program for determining a position of an object in a room defined by coordinates in a coordinate system.
  • the invention relates to a detection device for performing this method and a data carrier with the computer program.
  • Transmitting device which is part of the detection device, emitted in the direction of the object.
  • the portions of the transmitted signal reflected on the object are then received in the form of a first received signal by a receiving device, which is also part of the detection device.
  • the transit time of the reflected components and from their transit time the distance between the detection device and the object can be calculated taking into account the propagation speed of the transmission signal.
  • the distance of the detection device from the object determined in this way corresponds to a coordinate for describing the position of the object in a coordinate system, in the center of which the detection device is preferably intended.
  • This object is achieved by the method claimed in claim 1.
  • This method is characterized by the following steps: receiving at least one second reception signal which represents second portions of the transmission signal reflected on the object; Determining the phase difference between the first and the second received signal and calculating a coordinate of the position from the phase difference.
  • the phase difference represents an alternative physical measurement variable from which a coordinate of the position of the object in the coordinate system can be calculated.
  • phase difference is an angle
  • Such a conversion is advantageously possible with a simple three sentence.
  • phase difference it is necessary for two received signals to be received and evaluated. At least one of these received signals is advantageously further evaluated to determine the transit time of the reflected transmission signal components in order to calculate a different coordinate of the position of the object, in particular the distance of the object from the detection device, from their transit time. It is advantageous that the exact position of the object in the coordinate system can be calculated from the two previously calculated coordinates using the triangulation method.
  • the detection device comprises two receiving devices spaced apart from one another.
  • the distance between these two receiving devices is advantageously selected such that the differential distance, that is to say the difference between the distance object-first receiving device and the distance object-second receiving device, is less than or equal to the wavelength of the transmission signal.
  • the differential distance that is to say the difference between the distance object-first receiving device and the distance object-second receiving device.
  • Such a choice of the distance has the advantage that the phase difference then determined from the two received signals is not ambiguous, but is unique. Because of the uniqueness, errors in the calculation of the coordinate for the object from the phase difference are avoided.
  • the distance between the two receiving devices should on the one hand be as small as possible to avoid ambiguity of the measured phase difference.
  • a large distance between the two receiving devices advantageously leads to much more precise calculation results for a coordinate. It is therefore recommended that the differential limit distance represented by the wavelength of the transmission signal, or one represented thereby Use the maximum distance between the two receiving devices.
  • Detection device are more distant than, for example, a predetermined limit distance in the y direction, that is to say in a distant area of the detection device, to use a different arrangement of the receiving devices than when calculating coordinates of objects in the vicinity of the detection device.
  • a greater distance between the two receiving devices is recommended in favor of greater calculation accuracy than when calculating coordinates of objects in the far area.
  • unambiguity of the calculation results is then also guaranteed at least in a part of the far range.
  • FIG. 1 shows the structure of a detection device according to the invention
  • FIG. 2 shows an initial situation for describing the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a lateral error when calculating a coordinate of the position of the object as a function of the distance between the two receiving devices for different differential distances
  • FIG. 5 shows an error in the calculated x position of the object for different distances yo of the object from the detection device with an assumed measurement uncertainty of the phase difference of 10 °;
  • FIG. 6a shows a first exemplary embodiment for an arrangement of transmitting and receiving devices within the detection device
  • Figure ⁇ b shows a second embodiment for the arrangement of the transmitting and receiving devices within the detection device
  • FIG. 1 shows a detection device 100 according to the invention, which is in particular a radar device. It comprises a transmission device 110 for transmitting a transmission signal into the detection area of the detection device 100, preferably in the direction of an object 200 to be detected (see FIG. 2).
  • the detection device 100 has a first receiving device 120-1 for receiving a first received signal, which can represent first portions of the transmitted signal reflected on the object 200.
  • the detection device 100 comprises at least one further second receiving device 120-2 for receiving a second received signal, which can represent second portions of the transmitted signal reflected on the object 200.
  • the majority of the possible receiving devices are indicated by the reference numerals 120-1 ... n ... -n-1 ... -N.
  • Each of these receiving devices 120-1 ... -N comprises an antenna device 122-1 ... -N and a receiving part 124-1 ... -N downstream of the respective antenna device.
  • the receiving parts 124-1... -N each provide the received signals received by the antenna devices for a subsequent phase detection device 130.
  • the phase detection device 130 is used to determine the
  • the detection device 100 comprises a calculation device 140 for calculating a coordinate of the position of the object 200 in a coordinate system based on the phase difference
  • the calculation device 140 is also designed to receive the received signals provided by the receiving parts 124-1... -N directly evaluate. The evaluation is used in particular to calculate the transit time of the reflected portion of the transmission signal from the object to the respective antenna device 122-1 ... -N. From this runtime, the calculation device 140 calculates the direct distance between the respective receiving device 120-1... -N and the object 200, taking into account the speed of propagation of the transmission signal, that is to say for radar signals, taking into account the speed of light are referred to in Figure 2 with the reference numerals rl and r2.
  • Receiving devices 120-1, 120-2 are designated by the reference symbol Sep.
  • This distance influences the calculation of the radii rl, r2 as a coordinate of the position of the object and thus also the differential distance between the two radii rl and r2 in the detection of the object 200 in a negative manner.
  • the distance Sep also influences the phase difference ⁇ calculated according to the invention between the first and second received signals provided by the receiving devices 120-1 and 120-2.
  • the measured phase difference is basically repeated periodically when the object 200 moves past the two receiving devices 120-1, 120-2 at a distance yo in the x direction (see FIG. 2).
  • This periodicity requires an ambiguity in the phase difference ⁇ ; this Ambiguity is undesirable for the calculation according to the invention of a coordinate of the position of the object 200 in the coordinate system XY, because it would lead to an ambiguous calculation of the coordinate based on the phase difference.
  • This problem is illustrated in FIG.
  • the calculation of the x coordinate on the basis of an ambiguous phase difference would provide both the coordinate X 0 or ⁇ , and the coordinate Xo 'or ⁇ '.
  • This ambiguity can be avoided by selecting the distance Sep between the two receiving devices 120-1, 120-2 such that the differential distance, that is to say the difference between the two radii r1 and r2, is chosen to be less than or equal to the wavelength of the transmission signal see also Figure 4.
  • the distance Sep should be chosen to be as large as the wavelength ⁇ of the transmission signal allows to achieve maximum accuracy while ensuring the unambiguity of the calculation result.
  • a maximum permissible differential distance r1-r2 is not uniquely assigned to a specific wavelength of the transmission signal, but rather the relationship depends on the distance yo; it is illustrated below with reference to FIG. 4.
  • FIG. 5 teaches that a predetermined desired measurement accuracy and a desired maximum lateral error for determining the coordinate of the position of the object 200 in the x direction at a predetermined distance Sep can only be maintained if the object 200 is not in the y direction further from the detection device 200 is removed than a limit distance yo limit determined by the desired maximum error allows.
  • the measurement accuracy can be increased significantly, that is to say the lateral error can be significantly minimized by increasing the distance Sep between the two receiving devices.
  • the wavelength of the transmission signal thus defines a limit for both the differential distance dr and the distance Sep, which must be observed if the desired error accuracy is not undercut when calculating the x coordinate and the result is to remain clear at the same time.
  • the receiving devices 120 of which are in particular at the same distance Sep In order to achieve a sufficiently high accuracy in the calculation of their x-coordinate for objects in the long range, another one is therefore used for the long range Detection device used. It differs from the detection device for the close range in particular in that the distance Sep-F between the two receiving devices 120-1 and 120-2 is greater than in the detection device for the close range.
  • FIG. 6a shows a typical arrangement of transmitting and receiving devices 110, 120-1, 120-2 for objects in the vicinity of the detection device.
  • a limit distance in the y direction is defined by the distance Sep between the two receiving devices 120-1 and 120-2 for a predetermined desired measurement accuracy when calculating the x coordinate of the object 200. If the object 200, whose coordinates are to be calculated, is further away from the detection device in the y direction than the limit distance in the y direction, then the result of the calculation has a worse accuracy than the desired.
  • the embodiment of the detection device 100 shown in FIG. 6b offers a remedy for this problem.
  • the receiving devices 120-1 and 120-2 are basically identical to those shown in FIG. 6a
  • Receiving devices their distance Sep-N to each other defines the limit distance in the y direction, which at the same time defines the boundary between the near range and the far range in the vicinity of the detection device.
  • the detection device shown in FIG. 6 offers the possibility of switching from the second receiving device 120-2 to the third receiving device 120-3. This means that in order to calculate the coordinates for objects in the far range, the phase difference between the reception signal provided by the first reception device 120-1 and the reception signal provided by the third reception device 120-3 is calculated.
  • the determination as to whether an object is positioned in the far or near range around a detection device is advantageously roughly estimated by simply evaluating the transit time of reflected portions of the transmitted signal in one of the received signals before calculating the phase difference.
  • both the transmitting device 10 and all receiving devices 120-1 ... -N are integrated in the housing of the detection device or even on a chip.
  • the number of receiving devices is not limited to the number of three receiving devices shown in FIG. 6b. Rather, any number of receiving devices can be provided, each of which ensures a certain accuracy in the calculation of the coordinates of the position of the object 200 for certain distance areas in the vicinity of the detection device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer durch Koordinaten in einem Koordinatensystem definierten Position eines Gegenstandes in einem Raum. Bekannte Verfahren dieser Art sehen vor, dass zur Bestimmung der Position zunächst ein Sendesignal in Richtung auf den Gegenstand ausgesendet wird. Nachfolgend werden erste, an dem Gegenstand reflektierte Anteile des Sendesignals in Form eines ersten Empfangssignals empfangen und im Hinblick auf eine Koordinate der Position ausgewertet. Alternativ dazu schlägt die vorliegende Erfindung vor, neben dem ersten auch ein zweites Empfangssignal zu empfangen, welches zweite, an dem Gegenstand reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert, um dann die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Empfangssignalen zu ermitteln. Die ermittelte Phasendifferenz wird ihrerseits erfindungsgemäss zur Berechnung einer Koordinate der Position verwendet.

Description

Titel : Verfahren und Detektionsvorrichtung zum Bestimmen der Position eines Gegenstandes in einem Raum
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogram zum Bestimmen einer durch Koordinaten in einem Koordinatensystem definierten Position eines Gegenstandes in einem Raum. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Detektionsvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens sowie einen Datenträger mit dem Computerprogramm.
Im Stand der Technik sind derartige Verfahren und Vorrichtungen, zum Beispiel Radarvorrichtungen, grundsätzlich bekannt. Zur Lokalisierung des Gegenstandes wird bei den bekannten Systemen ein Sendesignal von einer
Sendeeinrichtung, die Teil der Detektionsvorrichtung ist, in Richtung auf den Gegenstand ausgesendet. Die an dem Gegenstand reflektierten Anteile des Sendesignals werden dann in Form eines ersten Empfangssignals von einer Empfangseinrichtung, die ebenfalls Teil der Detektionsvorrichtung ist, empfangen. Durch Auswerten des ersten Empfangssignals kann die Laufzeit der reflektierten Anteile und aus deren Laufzeit der Abstand zwischen der Detektionsvorrichtung und dem Gegenstand unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals berechnet werden. Der auf diese Weise ermittelte Abstand der Detektionsvorrichtung zu dem Gegenstand entspricht einer Koordinate zur Beschreibung der Position des Gegenstandes in einem Koordinatensystem, in dessen Zentrum vorzugsweise die Detektionsvorrichtung gedacht liegt. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren und Computerprogramm zum Bestimmen einer Koordinate einer Position eines Gegenstandes in einem Koordinatensystem sowie eine Detektionsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Empfangen von mindestens einem zweiten Empfangssignal, welches zweite an dem Gegenstand reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert; Ermitteln der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangssignal und Berechnen einer Koordinate der Position aus der Phasendifferenz.
Die Phasendifferenz repräsentiert im Vergleich zu der Laufzeit des reflektierten Anteils des Sendesignals eine alternative physikalische Messgröße, aus der sich eine Koordinate der Position des Gegenstandes in dem Koordinatensystem berechnen lässt.
Weil die Phasendifferenz eine Winkelgröße ist, ist es vorteilhaft, wenn sie zur Berechnung der Koordinate in Form einer Winkelangabe verwendet wird. Eine derartige Umrechnung ist vorteilhafterweise mit einem einfachen Dreisatz möglich.
Für die Berechnung der Phasendifferenz ist es erforderlich, dass zwei Empfangssignale empfangen und ausgewertet werden. Zumindest eines dieser Empfangssignale wird vorteilhafterweise weiterhin ausgewertet zur Ermittlung der Laufzeit der reflektierten Sendesignalanteile, um aus deren Laufzeit eine andere Koordinate der Position des Gegenstandes, insbesondere den Abstand des Gegenstandes von der Detektionsvorrichtung, zu berechnen. Es ist vorteilhaft, dass aus den beiden zuvor berechneten Koordinaten die genaue Position des Gegenstandes in dem Koordinatensystem mit Hilfe des Verfahrens der Triangulation berechnet werden kann.
Die oben genannte Aufgabe des Verfahrens wird weiterhin durch ein Computerprogramm und eine Detektionsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie einen Datenträger mit dem Computerprogramm gelöst. Die Vorteile dieser Lösungen entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
Zum Empfang der beiden Empfangssignale umfasst die Detektionsvorrichtung zwei zueinander beabstandete Empfangseinrichtungen. Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen diesen beiden Empfangseinrichtungen so gewählt, dass der differenzielle Abstand, das heißt die Differenz zwischen dem Abstand Gegenstand-erste Empfangseinrichtung und dem Abstand Gegenstand-zweite Empfangseinrichtung kleiner oder gleich der Wellenlänge des Sendesignals ist. Eine derartige Wahl des Abstandes hat den Vorteil, dass die dann aus den beiden Empfangssignalen ermittelte Phasendifferenz nicht mehrdeutig, sondern eindeutig ist. Aufgrund der Eindeutigkeit werden Fehler bei der Berechnung der Koordinate für den Gegenstand aus der Phasendifferenz vermieden.
Wie soeben beschrieben, sollte der Abstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen zur Vermeidung einer Mehrdeutigkeit der gemessenen Phasendifferenz einerseits möglichst klein sein. Andererseits führt ein großer Abstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen vorteilhafterweise zu wesentlich genaueren Berechnungsergebnissen für eine Koordinate. Es ist deshalb empfehlenswert, den durch die Wellenlänge des Sendesignals repräsentierten differenziellen Grenzabstand beziehungsweise einen dadurch repräsentierten Grenzabstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen voll auszuschöpfen.
Diese differenziellen Grenzabstände sind jedoch vom Abstand der Detektionsvorrichtung zu dem detektierenden Gegenstand abhängig. Es ist deshalb vorteilhaft bei der Berechnung der Koordinaten von Gegenständen, die von der
Detektionsvorrichtung weiter entfernt sind als zum Beispiel ein vorgegebener Grenzabstand in y-Richtung, die also in einem Fernbereich der Detektionsvorrichtung liegen, eine andere Anordnung der Empfangseinrichtungen zu verwenden, als bei der Berechnung von Koordinaten von Gegenständen im Nahbereich der Detektionsvorrichtung. Für die Berechnung von Koordinaten im Fernbereich empfiehlt sich zugunsten einer größeren Berechnungsgenauigkeit ein größerer Abstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen als bei der Berechnung von Koordinaten von Gegenständen im Fernbereich. Nach Maßgabe durch den gewählten größeren Abstand ist dann auch zumindest in einem Teil des Fernbereiches eine Eindeutigkeit der Berechnungsergebnisse gewährleistet .
Zur Vermeidung einer Mehrdeutigkeit in den Berechnungsergebnissen ist lediglich ein Grenzabstand zwischen den Empfangseinrichtungen der Detektionsvorrichtung, repräsentiert durch die Wellenlänge des Sendesignals, einzuhalten. Dieser Grenzabstand ist jedoch in der Regel nicht so groß, dass die beiden Empfangseinrichtungen nicht zusammen mit anderen Komponenten der Detektionsvorrichtung in einem Gehäuse oder sogar auf einem Chip zusammen integriert sein könnten.
Der Beschreibung sind insgesamt sechs Figuren beigefügt, wobei
Figur 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung; Figur 2 eine Ausgangssituation zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 3 einen lateralen Fehler bei der Berechnung einer Koordinate der Position des Gegenstandes in Abhängigkeit des Abstandes der beiden Empfangseinrichtungen zueinander für unterschiedliche differenzielle Abstände;
Figur 4 den differenziellen Abstand für den Gegenstand, wenn sich dieser in einem vorbestimmten Abstand yo an der Detektionsvorrichtung in der Position x = 0 vorbeibewegt;
Figur 5 einen Fehler in der berechneten x-Position des Gegenstandes für unterschiedliche Abstände yo des Gegenstandes zu der Detektionsvorrichtung bei einer angenommenen Messunsicherheit der Phasendifferenz von 10°;
Figur βa ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anordnung von Sende- und Empfangseinrichtungen innerhalb der Detektionsvorrichtung; und
Figur βb ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Sende- und Empfangseinrichtungen innerhalb der Detektionsvorrichtung;
veranschaulicht .
Die Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die genannten Figuren detailliert beschrieben. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung 100, bei der es sich insbesondere um eine Radarvorrichtung handelt. Sie umfasst eine Sendeeinrichtung 110 zum Aussenden eines Sendesignals in den Detektionsbereich der Detektionsvorrichtung 100, vorzugsweise in Richtung auf einen zu detektierenden Gegenstand 200 (siehe Figur 2) .
In Figur 1 ist weiterhin zu erkennen, dass die Detektionsvorrichtung 100 eine erste Empfangseinrichtung 120- 1 zum Empfangen eines ersten Empfangssignals aufweist, welches erste, an dem Gegenstand 200 reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentieren kann. Darüber hinaus umfasst die Detektionsvorrichtung 100 mindestens eine weitere zweite Empfangseinrichtung 120-2 zum Empfangen eines zweiten Empfangssignals, welches zweite, an dem Gegenstand 200 reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentieren kann. In Figur 1 ist die Mehrzahl der möglichen Empfangseinrichtungen durch die Bezugszeichen 120-1... n... -n-1... -N angedeutet. Jede dieser Empfangseinrichtungen 120-1... -N umfasst eine Antenneneinrichtung 122-1... -N sowie ein der jeweiligen Antenneneinrichtung nachgeschaltetes Empfangsteil 124-1... -N. Die Empfangsteile 124-1... -N stellen jeweils die von den Antenneneinrichtungen empfangenen Empfangssignale für eine nachgeschaltete Phasendetektionseinrichtung 130 bereit. Die Phasendetektionseinrichtung 130 dient zum Ermitteln der
Phasendifferenz Δφ zwischen jeweils zwei der bereitgestellten Empfangssignale, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangssignal. Schließlich umfasst die Detektionsvorrichtung 100 eine Berechnungseinrichtung 140 zum Berechnen einer Koordinate der Position des Gegenstandes 200 in einem Koordinatensystem auf Basis der Phasendifferenz
Δφ.
Darüber hinaus ist die Berechnungseinrichtung 140 auch ausgebildet, die von den Empfangsteilen 124-1... -N jeweils bereitgestellten Empfangssignale direkt zu empfangen und auszuwerten. Die Auswertung dient insbesondere zur Berechnung der Laufzeit des reflektierten Anteils des Sendesignals von dem Gegenstand zu der jeweiligen Antenneneinrichtung 122-1... -N. Aus dieser Laufzeit berechnet die Berechnungseinrichtung 140 unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals, das heißt bei Radarsignalen unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit, den direkten Abstand zwischen der jeweiligen Empfangseinrichtung 120-1... -N und dem Gegenstand 200. Diese direkten Abstände, nachfolgend auch Radien genannt, sind in Figur 2 mit den Bezugszeichen rl und r2 bezeichnet.
In Figur 2 ist der Abstand zwischen zwei
Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2 mit dem Bezugszeichen Sep bezeichnet. Dieser Abstand beeinflusst die Berechnung der Radien rl, r2 als einer Koordinate der Position des Gegenstandes und damit auch den differenziellen Abstand zwischen den beiden Radien rl und r2 bei der Detektion des Gegenstandes 200 in negativer Weise. Dies ist in Figur 3 veranschaulicht. Dort ist zu erkennen, welcher (laterale) Fehler eL sich bei der Berechnung der xo-Koordinate der Position des Gegenstandes 200 für unterschiedliche Abstände Sep ergibt, wenn sich der Gegenstand mit einem bekannten differenziellen Abstand der in einem Abstand yo = 10 m (vergleiche Figur 2) von der x-Achse des Koordinatensystems befindet. Gleichermaßen beeinflusst der Abstand Sep auch die erfindungsgemäß berechnete Phasendifferenz Δφ zwischen dem von den Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 bereitgestellten ersten und zweiten Empfangssignal.
Die gemessene Phasendifferenz wiederholt sich grundsätzlich periodisch, wenn sich der Gegenstand 200 im Abstand yo in x- Richtung an den beiden Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2 vorbeibewegt (vergleiche Figur 2) . Diese Periodizität bedingt eine Mehrdeutigkeit der Phasendifferenz Δψ; diese Mehrdeutigkeit ist für die erfindungsgemäße Berechnung einer Koordinate der Position des Gegenstandes 200 in dem Koordinatensystem XY unerwünscht, weil sie zu einer nicht eindeutigen Berechnung der Koordinate auf Basis der Phasendifferenz führen würde. In Figur 2 ist diese Problematik veranschaulicht. So würde die Berechnung der x- Koordinate auf Basis einer zweideutigen Phasendifferenz sowohl die Koordinate X0 beziehungsweise φ, wie auch die Koordinate Xo', beziehungsweise φ' liefern. Diese Mehrdeutigkeit kann dadurch vermieden werden, dass der Abstand Sep zwischen den beiden Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2 so gewählt wird, dass der differenzielle Abstand, das heißt die Differenz zwischen den beiden Radien rl und r2 kleiner oder gleich der Wellenlänge des Sendesignals gewählt wird, siehe auch Figur 4.
Der Wahl eines kleinen Abstandes Sep steht jedoch die Genauigkeit des Messergebnisses entgegen, die umso besser wird, je größer dieser Abstand ist. Es ist also in jedem Einzelfall ein Kompromiss zwischen den beiden Erfordernissen Eindeutigkeit und Genauigkeit zu wählen. Grundsätzlich sollte der Abstand Sep zur Erreichung einer maximalen Genauigkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung der Eindeutigkeit des Berechnungsergebnisses deshalb so groß gewählt werden, wie es die Wellenlänge λ des Sendesignals zulässt.
Einer bestimmten Wellenlänge des Sendesignals ist jedoch nicht eindeutig ein maximal zulässiger differenzieller Abstand rl-r2 zugeordnet, sondern vielmehr ist der Zusammenhang abhängig von dem Abstand yo; er wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 4 veranschaulicht.
In Figur 4 ist die Veränderung des differenziellen Abstandes aufgezeigt, die sich ergibt, wenn sich der Gegenstand 200 im Abstand yo in x-Richtung an der bei x = 0 gedachten Detektionsvorrichtung vorbeibewegt . Es ist zu erkennen, dass für Abstände yo von einem oder drei Metern der differenzielle Abstand - zumindest in dem dort gezeigten Fenster von -200 cm bis + 200 cm in x-Richtung - nicht größer als eine beispielhaft angenommene Wellenlänge von λ = 1,25 cm wird. Anders ist die Situation jedoch für größere Abstände yo, beispielsweise für einen Abstand yo von 10 m. Für diesen Abstand von yo = 10 m würde der differenzielle Abstand dr der beiden Radien rl, r2 für Positionen des Gegenstandes 200 mit xo-Koordinaten, die größer als cirka 75 cm sind, die Wellenlänge λ= 1,25cm überschreiten und damit mehrdeutig werden und zu mehrdeutigen Berechnungsergebnissen für die xo-Koordinate führen.
In Figur 5 sind die Auswirkungen einer fehlerhaften Phasendifferenz auf die berechnete x-Koordinate des Gegenstandes 200 nochmals veranschaulicht. Für das in Figur 5 gezeigte Beispiel wurde wiederum angenommen, dass sich der Gegenstand 200 in x-Richtung an der Position x = 0 befindlichen Detektionsvorrichtung 100 vorbeibewegt. Weiterhin wird für das in Figur 5 gezeigte Beispiel ein Abstand Sep von 2 cm zwischen den beiden Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2, eine Frequenz des Sendesignals von 24 GHZ und eine Messunsicherheit in der berechneten Phasendifferenz Δφ von 10° angenommen. Es ist in Figur 5 zu erkennen, dass der laterale Fehler bei der Berechnung der x-Koordinate um so größer wird, je größer der Abstand yo zwischen der x-Achse beziehungsweise der Detektionsvorrichtung und dem Gegenstand 200 ist.
Umgekehrt lehrt Figur 5, dass eine vorgegebene gewünschte Messgenauigkeit und ein gewünschter maximaler lateraler Fehler für die Bestimmung der Koordinate der Position des Gegenstandes 200 in x-Richtung bei einem vorgegebenen Abstand Sep nur dann eingehalten werden können, wenn der Gegenstand 200 in y-Richtung nicht weiter von der Detektionsvorrichtung 200 entfernt ist, als ein durch den gewünschten maximalen Fehler bedingter Grenzabstand yoGrenze dies zulässt. Die Messgenauigkeit kann jedoch wesentlich erhöht werden, das heißt der laterale Fehler kann wesentlich minimiert werden, indem der Abstand Sep der beiden Empfangseinrichtungen zueinander erhöht wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der differenzielle Abstand dr nicht mehrdeutig werden darf. Dies wäre dann der Fall, wenn der differenzielle Abstand dr = rl - r2 größer als die Wellenlänge des Sendesignals werden würde. Durch die Wellenlänge des Sendesignals wird also eine Grenze sowohl für den differenziellen Abstand dr, wie auch für den Abstand Sep definiert, die einzuhalten ist, wenn bei der Berechnung der x-Koordinate die gewünschte Fehlergenauigkeit nicht unterschritten und das Ergebnis gleichzeitig auch eindeutig bleiben soll. Als Zwischenergebnis ist festzustellen, dass für die Einhaltung einer gewünschten Genauigkeit bei der Berechnung der x- Koordinate des Gegenstandes 200 zum einen ein Grenzabstand in y-Richtung yoGrenze und zum anderen der indirekt durch die Wellenlänge repräsentierte Grenzabstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen einzuhalten ist.
Für Gegenstände 200, deren y-Koordinate kleiner als der Grenzabstand in y-Richtung ist, das heißt für Gegenstände im Nahbereich der Detektionsvorrichtung, ist gewährleistet, dass sich deren x-Koordinate mit mindestens der vorgegebenen gewünschten Genauigkeit berechnen lässt.
Für Gegenstände 200 im Fernbereich der Detektionsvorrichtung, das heißt deren Abstand in y-Richtung größer als der Grenzabstand in y-Richtung ist, gilt dies bei Verwendung derselben Detektionsvorrichtung deren Empfangseinrichtungen 120 insbesondere denselben Abstand Sep aufweisen, nicht. Um auch für Gegenstände im Fernbereich eine ausreichend große Genauigkeit bei der Berechnung von deren x-Koordinate zu erzielen, wird deshalb für den Fernbereich eine andere Detektionsvorrichtung verwendet. Sie unterscheidet sich von der Detektionsvorrichtung für den Nahbereich insbesondere dadurch, dass der Abstand Sep-F zwischen den beiden Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 größer ist als bei der Detektionsvorrichtung für den Nahbereich.
Figur 6a zeigt eine typische Anordnung von Sende- und Empfangseinrichtungen 110, 120-1, 120-2 für Gegenstände im Nahbereich der Detektionsvorrichtung. Durch den Abstand Sep zwischen den beiden Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 ist für eine vorgegebene gewünschte Messgenauigkeit bei der Berechnung der x-Koordinate des Gegenstandes 200 ein Grenzabstand in y-Richtung definiert. Wenn der Gegenstand 200, dessen Koordinaten zu berechnen sind, in y-Richtung weiter von der Detektionsvorrichtung entfernt ist als der Grenzabstand in y-Richtung, dann weist das Ergebnis der Berechnung eine schlechtere als die gewünschte Genauigkeit auf.
Abhilfe für dieses Problem bietet die in Figur 6b gezeigte Ausführung der Detektionsvorrichtung 100. Die Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 sind grundsätzlich identisch mit den in Figur 6a gezeigten
Empfangseinrichtungen; ihr Abstand Sep-N zueinander definiert den Grenzabstand in y-Richtung, der gleichzeitig die Grenze zwischen dem Nahbereich und dem Fernbereich in der Umgebung der Detektionsvorrichtung definiert. Um auch bei der Berechnung der Koordinaten für Gegenstände im Fernbereich eine gewünschte Fehlergenauigkeit sicherzustellen, bietet die in Figur 6 gezeigte Detektionsvorrichtung die Möglichkeit, von der zweiten Empfangseinrichtung 120-2 auf die dritte Empfangseinrichtung 120-3 umzuschalten. Dies bedeutet, dass zur Berechnung der Koordinaten für Gegenstände im Fernbereich die Phasendifferenz zwischen dem von der ersten Empfangseinrichtung 120-1 und dem von der dritten Empfangseinrichtung 120-3 bereitgestellten Empfangssignal berechnet wird. Die Feststellung, ob ein Gegenstand im Fernbereich oder im Nahbereich um eine Detektionsvorrichtung positioniert ist, wird vorteilhafterweise durch einfache Auswertung der Laufzeit von reflektierten Anteilen des Sendesignals in einem der Empfangssignale vor der Berechnung der Phasendifferenz grob abgeschätzt.
Vorteilhafterweise sind sowohl die Sendeeinrichtung 10 wie auch alle Empfangseinrichtungen 120-1... -N in dem Gehäuse der Detektionsvorrichtung oder sogar auf einem Chip integriert. Selbstverständlich ist die Anzahl der Empfangseinrichtungen nicht auf die in Figur 6b gezeigte Anzahl von drei Empfangseinrichtungen begrenzt. Vielmehr können beliebig viele Empfangseinrichtungen vorgesehen werden, die jeweils für bestimmte Entfernungsbereiche in der Umgebung der Detektionsvorrichtung eine gewisse Genauigkeit bei der Berechnung der Koordinaten der Position des Gegenstandes 200 gewährleisten.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Bestimmen einer durch Koordinaten in einem Koordinatensystem definierten Position eines Gegenstandes (200) in einem Raum, umfassend die Schritte: Aussenden eines Sendesignals in Richtung auf den Gegenstand (200); und Empfangen eines ersten Empfangssignals, welches erste an dem Gegenstand reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert; gekennzeichnet durch Empfangen von mindestens einem zweiten Empfangssignal, welches zweite an dem Gegenstand (200) reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert; Ermitteln der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangssignal; und Berechnen einer Koordinate der Position aus der Phasendifferenz .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinate in Form einer Winkelangabe aus der Phasendifferenz berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist: Ermitteln der Laufzeit der an dem Gegenstand reflektierten Anteile des Sendesignals in mindestens einem der Empfangssignale und Berechnen einer anderen Koordinate der Position des Gegenstandes (200) mit Hilfe der so ermittelten Laufzeit.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist: Berechnen der Position des Gegenstandes (200) auf Basis von mindestens den beiden zuvor ermittelten Koordinaten mit Hilfe des Verfahrens der Triangulation.
5. Computerprogramm mit Programmcode für eine Detektionsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Datenträger mit dem Computerprogramm nach Anspruch 5.
7. Detektionsvorrichtung (100), insbesondere eine Radarvorrichtung, zum Bestimmen einer durch Koordinaten in einem Koordinatensystem definierten Position eines Gegenstandes (200) in dem Detektionsbereich der Detektionsvorrichtung (100), umfassend: eine Sendeeinrichtung (110) zum Aussenden eines Sendesignals in Detektionsbereich; eine erste Empfangseinrichtung (120-1) zum Empfangen eines ersten Empfangssignals, welches erste an dem Gegenstand (200) reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert; gekennzeichnet durch mindestens eine zu der ersten Empfangseinrichtung beabstandete zweite Empfangseinrichtung (120-2... -n... - N) zum Empfangen eines zweiten Empfangssignals, welches zweite an dem Gegenstand (200) reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert; eine Phasendetektionseinrichtung (130) zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangssignal; und eine Berechnungseinrichtung (140) zum Berechnen einer Koordinate der Position des Gegenstandes (200) mit Hilfe der Phasendifferenz.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (Sep) zwischen der ersten und der zweiten Empfangseinrichtung (120-1, 120-2) so gewählt ist, dass die Differenz zwischen dem Abstand Gegenstand - erste Empfangseinrichtung (rl) und dem Abstand Gegenstand - zweite Empfangseinrichtung (r2) kleiner oder gleich der Wellenlänge des Sendesignals ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine weitere Empfangseinrichtung (120-3) , welche in einem größeren Abstand zu der ersten Empfangseinrichtung (120-1) angeordnet ist als die zweite Empfangseinrichtung (120-2) und welche anstelle der zweiten Empfangseinrichtung betrieben wird, wenn der Abstand (yo) zwischen der Detektionsvorrichtung und dem zu detektierenden Gegenstand voraussichtlich größer als ein vorgegebener Abstandsschwellenwert ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (110) zusammen mit der ersten und der zweiten, gegebenenfalls auch mit weiteren Empfangseinrichtungen (120) in einem Gehäuse oder auf einem Chip integriert sind.
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