WO2020157007A1 - Sensor system for detecting an object in an environment of a vehicle - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a sensor system (10) for detecting an object (12) in an environment (14) of a vehicle (16), having a first radar sensor node (S1) and a second radar sensor node (S2), which each comprise at least two transmitting elements (Tx) for emitting radar signals, at least two receiving elements (Rx) for receiving reflections of the emitted radar signals from the two radar sensor nodes and a processor unit (22) for detecting an object in the environment of the vehicle on the basis of the received reflections, and which are arranged at a distance from one another on the vehicle, wherein the transmitting elements and the receiving elements of the first radar sensor node form a node-internal array of aperture elements of a virtual receiving aperture, and the transmitting elements of the first radar sensor node and the receiving elements of the second radar sensor node form a cross-node array of aperture elements of a virtual receiving aperture; and a distance between the two radar sensor nodes and a distance between the transmitting elements and receiving elements inside the first radar sensor node are selected in such a manner that a position of a first aperture element of the node-internal array corresponds to a position of a second aperture element of the cross-node array. The present invention also relates to a vehicle and to a calibration method for calibrating radar sensor nodes of a sensor system.

Description

Sensorsvstem zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs Sensor system for detecting an object in the surroundings of a vehicle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs sowie ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren von Radarsensorknoten eines Sensorsystems. The present invention relates to a sensor system for detecting an object in the surroundings of a vehicle and a calibration method for calibrating radar sensor nodes of a sensor system.
Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) umfassen eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und ein zelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Eine wichtige Voraussetzung ist hierbei die Erfassung, Erkennung und Modellierung der Umge bung des eigenen Fahrzeugs. Mittels Umgebungssensoren, wie beispielsweise Ra dar-, Lidar-, Ultraschall- und Kamerasensoren, werden Sensordaten mit Informatio nen zu der Umgebung erfasst. Ausgehend von den erfassten Daten sowie gegebe nenfalls unter zusätzlicher Berücksichtigung im Fahrzeug verfügbarer Daten können dann Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs identifiziert und klassifiziert werden. Basierend auf den erkannten Objekten kann beispielsweise ein Verhalten eines au tonomen oder teilautonomen Fahrzeugs an eine aktuelle Situation angepasst werden oder können dem Fahrer Zusatzinformationen zur Verfügung gestellt werden. Modern vehicles (cars, vans, trucks, motorcycles, etc.) include a variety of sensors that provide the driver with information and control individual functions of the vehicle in a partially or fully automated manner. An important prerequisite here is the acquisition, detection and modeling of the surroundings of your own vehicle. Using environmental sensors, such as Ra dar, lidar, ultrasound and camera sensors, sensor data with information about the environment are recorded. Based on the recorded data and, if appropriate, with additional consideration of data available in the vehicle, objects in the surroundings of the vehicle can then be identified and classified. Based on the detected objects, for example, a behavior of an autonomous or semi-autonomous vehicle can be adapted to a current situation or additional information can be provided to the driver.
Ein weitverbreitetes Sensorprinzip ist dabei die Radartechnik. Aktuell verwendete Radarsensoren für Fahrzeuge umfassen typischerweise mehrere Sende- und Emp fangselemente und werden als Multiple-Input-Multiple-Output-Radare (MIMO- Radare) betrieben. Radar technology is a widespread sensor principle. Radar sensors currently used for vehicles typically comprise several transmitting and receiving elements and are operated as multiple-input-multiple-output radars (MIMO radars).
Teilweise werden Radarsensoren kooperativ betrieben, wobei ein solches Sensor netzwerk mehrere unabhängige Sensoren umfasst, die als Knoten bezeichnet wer den. Im kooperativen Betrieb mehrerer Radarsensorknoten können zusätzliche In formationen gewonnen werden, wenn die multistatischen Signale, also die Signale, die von einem Radarsensorknoten gesendet und von einem anderen Radar sensorknoten empfangen werden, ausgewertet werden. Es werden also einerseits Signale einzelner Radarsensorknoten zu sich selbst ausgewertet und andererseits Signale ausgewertet, die von einem Radarsensorknoten zu einem anderen (multista tisch) übertragen werden. Durch eine solche Auswertung multistatischer Signale ergibt sich aufgrund der erhöhten physikalischen Ausdehnung (des Abstands zwi schen Sende- und Empfangselementen) eine größere (virtuelle) Apertur als bei der Verwendung von Einzelsensoren. Die Apertur ist die limitierende Größe für die Auflö sung bei der Winkelschätzung in Azimut und Elevation. Die zusätzliche kohärent in tegrierte Leistung ermöglicht außerdem eine höhere Reichweite. In some cases, radar sensors are operated cooperatively, such a sensor network comprising several independent sensors, which are referred to as nodes. In the cooperative operation of several radar sensor nodes, additional information can be obtained if the multistatic signals, that is to say the signals sent by one radar sensor node and received by another radar sensor node, are evaluated. On the one hand, signals from individual radar sensor nodes to themselves are evaluated and, on the other hand, signals are evaluated that are transmitted from one radar sensor node to another (multistatic). Through such an evaluation of multistatic signals Due to the increased physical extent (the distance between the transmitting and receiving elements), a larger (virtual) aperture results than when using individual sensors. The aperture is the limiting variable for the resolution when estimating angles in azimuth and elevation. The additional coherently integrated performance also enables a longer range.
In diesem Zusammenhang wird in der DE 10 2016 004 305 A1 ein Kraftfahrzeug mit mehreren an unterschiedlichen Einbaupositionen angeordneten Radarsensoren so wie ein Verfahren zum Betreiben mehrerer an unterschiedlichen Einbaupositionen eines Kraftfahrzeugs angeordneter Radarsensoren beschrieben. Die Radarsensoren sind zum Erfassen des Umfelds des Kraftfahrzeugs ausgebildet und können als Sen der und/oder als Empfänger betrieben werden. Wenigstens ein erster Radarsensor ist zum Aussenden eines Sendesignals ausgebildet. Wenigstens ein von dem ersten Radarsensor verschiedener zweiter Radarsensor ist zum Empfangen eines Reflexi onssignals des Sendesignals ausgebildet. In this context, DE 10 2016 004 305 A1 describes a motor vehicle with a plurality of radar sensors arranged at different installation positions and a method for operating a plurality of radar sensors arranged at different installation positions of a motor vehicle. The radar sensors are designed to detect the surroundings of the motor vehicle and can be operated as a transmitter and / or as a receiver. At least one first radar sensor is designed to emit a transmission signal. At least one second radar sensor different from the first radar sensor is designed to receive a reflection signal of the transmission signal.
Eine Herausforderung bei der Verwendung von Radarsensoren in einem Sensor netzwerk liegt in der Kalibrierung. Oft kann eine Kalibrierung erst zu einem Zeitpunkt erfolgen, an dem der Umgebungssensor bereits im Fahrzeug verbaut ist. Das Fahr zeug wird für Kalibriervorgänge normalerweise in eine geeignete Testkammer (Ab sorberkammer) eingefahren, um die Kalibrierung durchzuführen. Zumeist werden Sensorziele an Roboterarmen an vordefinierte Messpositionen gefahren und mit den Radarsensoren erfasst. Je nach Ansatz kann es erforderlich sein, dass eine gemein same Abstimmung bzw. Kalibrierung der mehreren Radarsensorknoten in einem Sensornetzwerk erforderlich ist. Phasen- und Frequenzdrifts der Oszillatoren und Langzeit-Alterungseffekte, die sich unterschiedlich auf die Radarsensorknoten aus wirken, stellen dabei eine besondere Herausforderung dar. One challenge when using radar sensors in a sensor network is calibration. Calibration can often only be carried out at a point in time when the environmental sensor is already installed in the vehicle. The vehicle is normally run into a suitable test chamber (sorber chamber) for calibration processes in order to carry out the calibration. In most cases, sensor targets on robot arms are moved to predefined measuring positions and recorded with the radar sensors. Depending on the approach, it may be necessary to coordinate or calibrate the multiple radar sensor nodes in a sensor network. Phase and frequency drifts of the oscillators and long-term aging effects, which affect the radar sensor nodes differently, represent a particular challenge.
Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen koope rativen Betrieb mehrerer unabhängiger Radarsensorknoten zu ermöglichen. Insbe sondere soll eine Auswertung multistatischer Signale umgesetzt und der Aufwand für die Kalibrierung geringgehalten werden. Es soll eine Robustheit gegenüber Verände- rungen erreicht werden, die mit der Zeit auftreten, wie beispielsweise Alterungseffek te. Based on this, the object of the present invention is to enable cooperative operation of a plurality of independent radar sensor nodes. In particular, an evaluation of multistatic signals should be implemented and the effort for calibration should be kept low. It is said to be robust against changes achievements that occur over time, such as aging effects.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Sensor system zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs, mit: einem ersten Radarsensorknoten und einem zweiten Radarsensorknoten, die jeweils mindestens zwei Sendeelemente zum Aussenden von Radarsignalen, min destens zwei Empfangselemente zum Empfangen von Reflexionen der ausgesende ten Radarsignale der beiden Radarsensorknoten sowie eine Prozessoreinheit zum Detektieren eines Objekts in der Umgebung des Fahrzeugs basierend auf den emp fangenen Reflexionen umfassen und die voneinander beabstandet am Fahrzeug an geordnet sind, wobei To achieve this object, the invention relates in a first aspect to a sensor system for detecting an object in the surroundings of a vehicle, comprising: a first radar sensor node and a second radar sensor node, each having at least two transmitting elements for transmitting radar signals, at least two receiving elements for receiving of reflections of the emitted radar signals of the two radar sensor nodes as well as a processor unit for detecting an object in the surroundings of the vehicle based on the received reflections and which are arranged at a distance from one another on the vehicle, wherein
die Sendeelemente und die Empfangselemente des ersten Radarsensorkno tens ein knoteninternes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur bilden und die Sendelemente des ersten Radarsensorknotens und die Emp fangselemente des zweiten Radarsensorknotens ein knotenübergreifendes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur bilden; und the transmitting elements and the receiving elements of the first radar sensor node form an internal field of aperture elements of a virtual receiving aperture and the transmitting elements of the first radar sensor node and the receiving elements of the second radar sensor node form a cross-node field of aperture elements of a virtual receiving aperture; and
ein Abstand der beiden Radarsensorknoten voneinander sowie ein Abstand der Sendeelemente und Empfangselemente innerhalb des ersten Radarsensorkno tens so gewählt sind, dass eine Position eines ersten Aperturelements des knotenin ternen Feldes einer Position eines zweiten Aperturelements des knotenübergreifen- den Feldes entspricht. a distance between the two radar sensor nodes and a distance between the transmitting elements and receiving elements within the first radar sensor node are selected such that a position of a first aperture element of the field inside the node corresponds to a position of a second aperture element of the field spanning the nodes.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren von Radarsensorknoten eines Sensorsystems wie zuvor beschrie ben, mit den Schritten: In a further aspect, the present invention relates to a calibration method for calibrating radar sensor nodes of a sensor system as described above, with the steps:
Ermitteln von winkelunabhängigen Phasendifferenzen der Sendeelemente und der Empfangselemente des ersten Radarsensorknotens; Determining angle-independent phase differences of the transmission elements and the reception elements of the first radar sensor node;
Detektieren eines Objekts in der Umgebung des Fahrzeugs in einem Fernfeld der Radarsensorknoten; und Detecting an object in the vicinity of the vehicle in a far field of the radar sensor nodes; and
Berechnen von winkelunabhängigen Phasendifferenzen der Sendeelemente und der Empfangselemente des zweiten Radarsensorknotens. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Fahrzeug mit einem Sensorsystem wie zuvor beschrieben und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des zuvor beschriebenen Kalibrierverfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer aus geführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Kalibrierverfahrens bewirkt. Calculate angle-independent phase differences of the transmission elements and the reception elements of the second radar sensor node. Further aspects of the invention relate to a vehicle with a sensor system as described above and a computer program product with program code for performing the steps of the calibration method described above when the program code is executed on a computer, and a storage medium on which a computer program is stored, if it is executed on a computer, causes the calibration method described herein to be carried out.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorgenannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können das Sen sorsystem, das Kalibrierverfahren, das Fahrzeug und das Computerprogrammpro dukt entsprechend der für das Sensorsystem und das Kalibrierverfahren in den ab hängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein. Preferred embodiments of the invention are described in the dependent claims. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention. In particular, the sensor system, the calibration method, the vehicle and the computer program product can be designed in accordance with the configurations described for the sensor system and the calibration method in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Sensorsystem bzw. ein Sensornetzwerk mit mindestens zwei Radarsensorknoten bereitgestellt, wobei jeder einzelne Radarsensorknoten mehrere Sende- und Empfangselemente aufweist und insoweit als MIMO-Radar be treibbar ist bzw. betrieben wird. Die Prozessoreinheit der Radarsensorknoten ist dazu ausgebildet, neben den Reflexionen der Radarsignale des eigenen Radarsensorkno tens auch die Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale eines anderen Radar sensorknotens des Sensorsystems auszuwerten. Ausgehend von der Auswertung der Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale kann ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs detektiert werden. Wenn Signale unterschiedlicher Radarsensorkno ten phasenrichtig überlagert werden, kann eine höhere Winkelauflösung erreicht werden. According to the invention, a sensor system or a sensor network with at least two radar sensor nodes is provided, each individual radar sensor node having a plurality of transmitting and receiving elements and, in this respect, being operable as MIMO radar. The processor unit of the radar sensor node is designed to evaluate not only the reflections of the radar signals from its own radar sensor node, but also the reflections of the radar signals emitted by another radar sensor node of the sensor system. Based on the evaluation of the reflections of the radar signals emitted, an object can be detected in the surroundings of the vehicle. If signals of different radar sensor nodes are overlaid in phase, a higher angular resolution can be achieved.
Dazu bilden die Sende- und Empfangselemente des ersten Radarsensorknotens ein knoteninternes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur. Dieses knoteninterne Feld entspricht insoweit einem virtuellen Array eines MIMO-Radars. Zudem bilden die Sendeelemente des einen Radarsensorknotens zusammen mit den Empfangselementen des anderen Radarsensorknotens ein knotenübergreifen- des Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur. Dieses knoten- übergreifende Feld entspricht einem virtuellen Array, das von den Elementen ver schiedener Radarsensorknoten gebildet wird. For this purpose, the transmit and receive elements of the first radar sensor node form an internal field of aperture elements of a virtual receive aperture. To this extent, this node-internal field corresponds to a virtual array of a MIMO radar. In addition, the transmission elements of one radar sensor node together with the reception elements of the other radar sensor node form a node-overlapping the field of aperture elements of a virtual reception aperture. This cross-node field corresponds to a virtual array that is formed by the elements of various radar sensor nodes.
Um eine phasenrichtige Überlagerung sicherzustellen, wird erfindungsgemäß ein (physikalischer) Abstand zwischen den Radarsensorknoten bzw. der Sende- und Empfangselemente der Radarsensorknoten sowie ein Abstand der Sende- und Emp fangselemente innerhalb des ersten Radarsensorknotens eingestellt. Insbesondere erfolgt die Einstellung derart, dass innerhalb der beiden virtuellen Arrays der Radar sensorknoten eine überlagerte Position erzeugt wird. In anderen Worten wird durch geeignete Wahl der Positionen der Sende- und Empfangselemente eine virtuelle Apertur erzeugt, in der eine Elementposition doppelt vorkommt. Eine Position eines Aperturelements des knoteninternen Feldes ist gleich einer Position eines zweiten Aperturelements des knotenübergreifenden Feldes. In order to ensure a phase overlay, a (physical) distance between the radar sensor nodes or the transmitting and receiving elements of the radar sensor nodes and a distance of the transmitting and receiving elements within the first radar sensor node are set according to the invention. In particular, the setting is made in such a way that a superimposed position is generated within the two virtual arrays of the radar sensor nodes. In other words, through a suitable choice of the positions of the transmitting and receiving elements, a virtual aperture is generated in which an element position occurs twice. A position of an aperture element of the field within the node is equal to a position of a second aperture element of the field beyond the node.
Aufgrund dieser Wahl der Abstände kann eine automatische Kalibrierung des Sen sorsystems erfolgen. Ausgehend davon, dass einer der Radarsensorknoten (der ers te Radarsensorkoten) kalibriert wurde, kann diese Kalibrierung über das doppelt vor kommende virtuelle Element auf den zweiten Radarsensorknoten übertragen wer den. Um diese Übertragung durchzuführen, ist es lediglich erforderlich, dass ein Ob jekt in der Umgebung des Fahrzeugs in einem Fernfeld der Radarsensorknoten des Sensorsystems detektiert wird. Flierzu reichen üblicherweise Objekte in einer Entfer nung von über 20 m aus. Für beide Kanäle (Empfangselement im knoteninternen Feld und Empfangselement im knotenübergreifenden Feld) wird dann aufgrund des gewählten Abstands dasselbe Signal erwartet. Es ist nicht erforderlich, dass die Posi tion dieser Objekte bekannt ist. Bei Abweichungen kann ein Korrekturfaktor ange passt bzw. eingeführt werden. Based on this choice of distances, the sensor system can be automatically calibrated. Assuming that one of the radar sensor nodes (the first radar sensor node) has been calibrated, this calibration can be transmitted to the second radar sensor node via the virtual element that occurs twice. To carry out this transmission, it is only necessary that an object in the vicinity of the vehicle is detected in a far field of the radar sensor node of the sensor system. Objects at a distance of more than 20 m are usually sufficient. The same signal is then expected for both channels (receiving element in the node-internal field and receiving element in the node-crossing field) due to the selected distance. It is not necessary that the position of these objects is known. In the event of deviations, a correction factor can be adjusted or introduced.
Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen zum Betrieb von Radarsensornetzwerken und zur Auswertung von multistatischen Radarsignalen bietet das erfindungsgemäße Sensorsystem eine wesentlich vereinfachte Möglichkeit zur Kalibrierung. Insbesonde re ist (im Falle der Verwendung gleichartiger Radarsensorknoten) eine Kalibrierung eines einzelnen Radarsensorknotens ausreichend, die dann über das doppelt vor- kommende Element auf einen anderen Radarsensorknoten übertragen werden kann. Eine aufwändige Kalibrierung der mehreren Radarsensorknoten wird vermieden. Hierdurch können Kosten reduziert werden. Insbesondere ist es möglich, dass eine Abstimmung zweier Radarsensorknoten aufeinander (Kalibrierung) wiederkehrend als Selbstkalibrierung durchgeführt wird. Hierdurch kann Alterungseffekten sowie Phasen- und Frequenzdrifts entgegengewirkt werden, sodass eine präzise Detektion von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs auch nach längerem Betrieb sicher gestellt ist. Es wird ein hochauflösendes Radarsensorsystem bereitgestellt. In comparison to previous approaches to operating radar sensor networks and evaluating multistatic radar signals, the sensor system according to the invention offers a considerably simplified possibility for calibration. In particular (in the case of the use of similar radar sensor nodes) a calibration of a single radar sensor node is sufficient, which is then carried out via the double coming element can be transferred to another radar sensor node. Elaborate calibration of the multiple radar sensor nodes is avoided. This can reduce costs. In particular, it is possible for two radar sensor nodes to be matched to one another (calibration) repeatedly as self-calibration. In this way, aging effects as well as phase and frequency drifts can be counteracted, so that a precise detection of objects in the vicinity of the vehicle is ensured even after prolonged operation. A high resolution radar sensor system is provided.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das erste Aperturelement von einem ersten Sendeelement des ersten Radarsensorknotens und einem ersten Empfangselement des ersten Radarsensorknotens gebildet. Das zweite Aperturelement wird von einem zweiten Sendeelement des ersten Radarsensorknotens und einem ersten Empfangs element des zweiten Radarsensorknotens oder von einem zweiten Empfangselement des ersten Radarsensorknotens und einem ersten Sendeelement des zweiten Ra darsensorknotens gebildet. Das erste Aperturelement ist ein Aperturelement des vir tuellen Arrays des ersten Radarsensorknotens (knoteninternes Feld). Das zweite Aperturelement ist ein Element des virtuellen Arrays, das von beiden Radarsensor knoten gebildet wird (knotenübergreifendes Feld). Für das knotenübergreifende Feld kann ein Empfangselement eines der beiden Radarsensorknoten und ein Sendeele ment des anderen der beiden Radarsensorknoten verwendet werden, sodass sich zwei Möglichkeiten (Richtungen) ergeben. Die doppelte Position erlaubt eine Kalibrie rung des zweiten Radarsensorknotens basierend auf der Kalibrierung des ersten Radarsensorknotens. Eine effizientere Kalibrierung wird ermöglicht. Eine genaue Auswertung und Detektion von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs wird si chergestellt. In a preferred embodiment, the first aperture element is formed by a first transmitting element of the first radar sensor node and a first receiving element of the first radar sensor node. The second aperture element is formed by a second transmitting element of the first radar sensor node and a first receiving element of the second radar sensor node or by a second receiving element of the first radar sensor node and a first transmitting element of the second radar sensor node. The first aperture element is an aperture element of the virtual array of the first radar sensor node (node-internal field). The second aperture element is an element of the virtual array that is formed by both radar sensor nodes (cross-node field). A receiving element of one of the two radar sensor nodes and a transmitting element of the other of the two radar sensor nodes can be used for the cross-node field, so that two possibilities (directions) result. The double position allows calibration of the second radar sensor node based on the calibration of the first radar sensor node. A more efficient calibration is made possible. An exact evaluation and detection of objects in the vicinity of the vehicle is ensured.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Sensorsystem einen weiteren Ra darsensorknoten, der von dem ersten Radarsensorknoten und dem zweiten Radar sensorknoten beabstandet am Fahrzeug angeordnet ist. Die Sendeelemente und die Empfangselemente des weiteren Radarsensorknotens bilden ein weiteres knotenin ternes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur. Die Sendeele mente oder die Empfangselemente des weiteren Radarsensorknotens und die Sen- deelemente oder die Empfangselemente des ersten Radarsensorknotens und/oder des zweiten Radarsensorknotens bilden ein weiteres knotenübergreifendes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur. Ein Abstand des weiteren Ra darsensorknotens von dem ersten Radarsensorknoten und dem zweiten Radar sensorknoten sowie ein Abstand der Sendeelemente und Empfangselemente inner halb des weiteren Radarsensorknotens sind so gewählt, dass eine Position eines weiteren ersten Aperturelements des weiteren knoteninternen Felds einer Position eines weiteren zweiten Aperturelements des weiteren knotenübergreifenden Felds entspricht. Vorzugsweise sind mehr als zwei Radarsensorknoten vorhanden. Alle Radarsensorknoten des Sensorsystems weisen voneinander Abstände auf, die nicht notwendigerweise gleich sind. Alle Abstände sind jedoch so gewählt, dass jeder Ra darsensorknoten mit zumindest einem weiteren Radarsensorknoten ein doppeltes Element in der jeweiligen knotenübergreifenden virtuellen Empfangsapertur aufweist. Flierdurch ist es möglich, ausgehend von einer Kalibrierung eines Radarsensorkno tens die weiteren Radarsensorknoten im Sensorsystem zu kalibrieren. Es genügt, einen einzelnen Radarsensorknoten zu vermessen. Dadurch, dass lediglich eine Ka librierung eines einzelnen Radarsensorknotens durchgeführt werden muss, kann Aufwand vermieden werden. Die Kalibrierung wird vereinfacht und Kosten werden gespart. Zudem kann eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden. Weiterhin kann eine Kalibrierung im laufenden Betrieb durchgeführt werden, sodass Alterungseffekten sowie Phasen- und Frequenzdrifts entgegengewirkt werden kann. In a preferred embodiment, the sensor system comprises a further radar sensor node, which is arranged on the vehicle at a distance from the first radar sensor node and the second radar sensor node. The transmission elements and the reception elements of the further radar sensor node form a further internal field of the aperture elements of a virtual reception aperture. The transmit elements or the receive elements of the further radar sensor node and the transmitters Deelemente or the receiving elements of the first radar sensor node and / or the second radar sensor node form a further cross-node field of aperture elements of a virtual receiving aperture. A distance of the further radar sensor node from the first radar sensor node and the second radar sensor node and a distance of the transmitting elements and receiving elements within the further radar sensor node are selected such that a position of a further first aperture element of the further field within the node of a position of a further second aperture element of the further cross-node field. There are preferably more than two radar sensor nodes. All radar sensor nodes of the sensor system are spaced apart from one another, which are not necessarily the same. However, all distances are selected such that each radar sensor node with at least one further radar sensor node has a double element in the respective virtual reception aperture spanning the nodes. In this way it is possible, starting from a calibration of a radar sensor node, to calibrate the other radar sensor nodes in the sensor system. It is sufficient to measure a single radar sensor node. The fact that only a calibration of a single radar sensor node has to be carried out means that effort can be avoided. Calibration is simplified and costs are saved. In addition, increased accuracy can be achieved. Furthermore, calibration can be carried out during operation so that aging effects as well as phase and frequency drifts can be counteracted.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Radarsensorknoten am Fahr zeug in einem Abstand größer als 20 cm, vorzugsweise größer als 50 cm, voneinan der angeordnet. Der Abstand beträgt mindestens 20 cm. Flierdurch wird die virtuelle Apertur vergrößert, was zu einer erhöhten physikalischen Ausdehnung führt. Infolge dessen kann die Auflösung bei der Winkelschätzung weiter verbessert werden. Eine genaue Detektion von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs bzw. eine ent sprechende Zuordnung einer Position dieser Objekte wird erreicht. In a further advantageous embodiment, the radar sensor nodes on the vehicle are arranged at a distance greater than 20 cm, preferably greater than 50 cm, from one another. The distance is at least 20 cm. The virtual aperture is thereby enlarged, which leads to an increased physical expansion. As a result, the resolution in the angle estimation can be further improved. An exact detection of objects in the vicinity of a vehicle or a corresponding assignment of a position of these objects is achieved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Radarsensorknoten zum Aus senden und Empfangen von Radarsignalen in einem Frequenzbereich von 76 GHz bis 81 GHz, bevorzugt von 77 GHz, ausgebildet. Die Verwendung derartiger Radar- frequenzen ist zwischenzeitlich im Industrie- und Automotive-Bereich weit verbreitet. Es ist eine Messung mit hoher Auflösung möglich, wobei gleichzeitig eine ausrei chende Reichweite sichergestellt ist. In a further advantageous embodiment, the radar sensor nodes are designed to transmit and receive radar signals in a frequency range from 76 GHz to 81 GHz, preferably from 77 GHz. The use of such radar Frequencies has become widespread in the industrial and automotive sectors. A measurement with high resolution is possible, while at the same time ensuring a sufficient range.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Sensorsystem einen Fre quenzgenerator zum Erzeugen einer gemeinsamen Taktfrequenz, vorzugsweise ei ner Taktfrequenz im Bereich von 20 GHz, für die Radarsensorknoten, wobei der Fre quenzgenerator an die Radarsensorknoten angebunden ist. Durch die Verwendung eines einheitlichen Frequenzgenerators kann eine verbesserte Abstimmung erreicht werden. Insbesondere ist es möglich, dass eine abgestimmte Kalibrierung durchge führt wird. Die Genauigkeit bei der Detektion einer Position eines Objekts in der Um gebung des Fahrzeugs kann weiter verbessert werden. In a further advantageous embodiment, the sensor system comprises a frequency generator for generating a common clock frequency, preferably a clock frequency in the range of 20 GHz, for the radar sensor nodes, the frequency generator being connected to the radar sensor nodes. Improved tuning can be achieved by using a uniform frequency generator. In particular, it is possible for a coordinated calibration to be carried out. The accuracy in the detection of a position of an object in the environment of the vehicle can be further improved.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Radarsensorknoten jeweils dieselbe Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen und dieselbe Topologie auf. Unter einer Topologie ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung der Sende- und Empfangselemente zu verstehen. Insbesondere können identische Radarsensoren als Radarsensorknoten verwendet werden. Durch die Verwendung identischer Sen soren wird die Kalibrierung weiter vereinfacht, da ein abgestimmtes Verhalten der verschiedenen Radarsensorknoten vorausgesetzt werden kann. In a preferred embodiment, the radar sensor nodes each have the same number of transmitting elements and receiving elements and the same topology. In this context, a topology is to be understood as an arrangement of the transmitting and receiving elements. In particular, identical radar sensors can be used as radar sensor nodes. By using identical sensors, the calibration is further simplified, since a coordinated behavior of the different radar sensor nodes can be assumed.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Kalibrierverfahrens werden die Schritte des Detektierens und des Berechnens beim Betrieb des Fahrzeugs wiederkehrend, vor zugsweise in regelmäßigen Zeitabständen, ausgeführt. Durch ein wiederkehrendes Ausführen der Schritte des Detektierens und Berechnens kann eine regelmäßige Ka librierung im Sinne einer Selbstkalibrierung des Sensorsystems durchgeführt werden. Auch bei einem Betrieb des Sensorsystems über einen längeren Zeitraum kann eine genaue Detektion von Objekten in einer Umgebung des Fahrzeugs sichergestellt werden. In a preferred embodiment of the calibration method, the steps of detecting and calculating are carried out repeatedly during operation of the vehicle, preferably at regular time intervals. By repeating the steps of detecting and calculating, a regular calibration can be carried out in the sense of a self-calibration of the sensor system. Even when the sensor system is operated for a longer period of time, an accurate detection of objects in an environment of the vehicle can be ensured.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kalibrierverfahrens umfasst der Schritt des Berechnens ein Ermitteln von Entfernungs-Doppler-Matrizen für die Signalpfade des ersten Aperturelements und des zweiten Aperturelements und ein Korrelieren der ermittelten Entfernungs-Doppler-Matrizen. Durch die Verwendung von Entfernungs- Doppler-Matrizen kann eine einfache Verarbeitung erfolgen. Eine Kalibrierung kann basierend auf der doppelt vorhandenen Position des virtuellen Aperturelements er folgen. In an advantageous embodiment of the calibration method, the step of calculating comprises determining distance Doppler matrices for the signal paths of the first aperture element and the second aperture element and correlating the determined distance Doppler matrices. By using distance Doppler matrices, simple processing can be carried out. A calibration can be based on the duplicate position of the virtual aperture element.
Ein Radarsensor sendet ein Radarsignal aus und empfängt Reflexionen des Radar signals an Objekten innerhalb eines Sichtbereichs des Radarsensors. Der Sichtbe reich bezeichnet dabei ein Gebiet, innerhalb dessen Objekte erfasst werden können. Eine Umgebung eines Fahrzeugs umfasst insbesondere einen von einem am Fahr zeug angebrachten Radarsensor aus sichtbaren Bereich im Umfeld des Fahrzeugs. Das erfindungsgemäße Sensorsystem kann auch als Radarsensornetzwerk bezeich net werden. Insbesondere können mehrere Radarsensorknoten verwendet werden, die beispielsweise eine 360°-Rundumsicht ermöglichen und somit ein vollständiges Abbild der Umgebung des Fahrzeugs aufzeichnen können. Die Sensordaten eines Radarsensorknotens umfassen insbesondere einen Abstand, einen Flöhenwinkel und einen Azimutwinkel für verschiedene Detektionen des Radarsensorknotens. Unter einem Scan punkt wird in diesem Zusammenhang ein einzelner Punkt bzw. eine ein zelne Detektion eines Ziels bzw. eines Objekts verstanden. Üblicherweise wird wäh rend eines Messzyklus eines Radarsensorknotens eine Vielzahl an Scanpunkten ge neriert. Hierbei wird unter einem Messzyklus ein einmaliges Durchlaufen des sichtba ren Bereichs verstanden. Ein Feld von Aperturelementen kann als virtuelles Array bezeichnet werden. Ein Abstand ist insbesondere als euklidischer Abstand zu ver stehen. A radar sensor emits a radar signal and receives reflections of the radar signal on objects within a field of view of the radar sensor. The view area denotes an area within which objects can be detected. An environment of a vehicle comprises in particular a region in the surroundings of the vehicle that is visible from a radar sensor attached to the vehicle. The sensor system according to the invention can also be referred to as a radar sensor network. In particular, several radar sensor nodes can be used, which, for example, enable a 360 ° all-round view and thus can record a complete image of the surroundings of the vehicle. The sensor data of a radar sensor node include in particular a distance, a flea angle and an azimuth angle for various detections of the radar sensor node. In this context, a scan point is understood to mean a single point or an individual detection of a target or an object. A large number of scan points are usually generated during a measurement cycle of a radar sensor node. A measurement cycle is understood to mean a single pass through the visible area. An array of aperture elements can be referred to as a virtual array. A distance is in particular to be understood as a Euclidean distance.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläu tert. Es zeigen: The invention is described below with reference to a few selected embodiments in connection with the accompanying drawings and explains tert. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem System zum Detektieren eines Objekts in einer Umgebung des Fahrzeugs; 1 shows a schematic view of a vehicle according to the invention with a system for detecting an object in an environment of the vehicle;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Radarsensorknotens; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Feldes von Aperturelementen einer vir tuellen Empfangsapertur; 2 shows a schematic illustration of a radar sensor node; Fig. 3 is a schematic representation of an array of aperture elements of a virtual receiving aperture;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus zweier Radarsensorknoten und der gebildeten Felder von Aperturelementen; und 4 shows a schematic representation of the structure of two radar sensor nodes and the fields formed by aperture elements; and
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 5 is a schematic representation of a method according to the invention.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 16 mit einem Sensor system 10 zum Detektieren eines Objekts 12 in einer Umgebung 14 des Fahr zeugs 16. Das Sensorsystem 10 umfasst einen ersten Radarsensorknoten S1 sowie einen zweiten Radarsensorknoten S2. Die Radarsensorknoten S1 , S2 sind vonei nander beabstandet am Fahrzeug angeordnet. Beispielsweise können sich die bei den Radarsensorknoten S1 , S2 in den Bereichen des rechten und linken Front scheinwerfers eines PKWs befinden. Der Abstand zwischen den Radarsensorknoten beträgt zumeist mindestens 20 cm. Dadurch, dass die Radarsignale der beiden Ra darsensorknoten auch vom jeweils anderen Radarsensorknoten empfangen werden können (multistatisch), kann eine im Vergleich zu einem Einzelsensor vergrößerte virtuelle Apertur sowie eine erhöhte Empfangsleistung erreicht werden. Flierdurch kann eine Auflösung bei der Winkelschätzung in Azimut und Elevation verbessert werden. 1 schematically shows a vehicle 16 according to the invention with a sensor system 10 for detecting an object 12 in an environment 14 of the vehicle 16. The sensor system 10 comprises a first radar sensor node S1 and a second radar sensor node S2. The radar sensor nodes S1, S2 are arranged at a distance from one another on the vehicle. For example, the headlights of a car at the radar sensor nodes S1, S2 can be found in the areas of the right and left front lights. The distance between the radar sensor nodes is usually at least 20 cm. Because the radar signals of the two radar sensor nodes can also be received by the other radar sensor node (multistatic), a virtual aperture that is larger than an individual sensor and an increased reception power can be achieved. In this way, a resolution in the angle estimation in azimuth and elevation can be improved.
In der Fig. 2 ist schematisch ein einzelner Radarsensorknoten S dargestellt. Der Ra darsensorknoten S umfasst zwei Sendeelemente Tx1 , Tx2, die zum Senden von Ra darsignalen ausgebildet sind. Weiterhin umfasst der Radarsensorknoten S zwei Empfangselemente Rx1 , Rx2, die zum Empfangen von Reflexionen der ausgesende ten Radarsignale an Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs ausgebildet sind. Der Radarsensorknoten S entspricht insoweit einem MIMO-Radar mit mehreren Sende- und Empfangselementen. Es versteht, dass es auch möglich ist, dass der Radar sensorknoten S weitere Sende- und/oder Empfangselemente umfasst. Zudem um fasst der Radarsensorknoten S eine Prozessoreinheit 22, die zum Detektieren eines Objekts in der Umgebung des Fahrzeugs basierend auf den empfangenen Reflexio- nen ausgebildet ist. Die Funktionalität der Prozessoreinheit 22 kann teilweise oder vollständig in Soft- und/oder in Hardware umgesetzt sein. Die Prozessoreinheit 22 kann insoweit als Prozessor, Prozessormodul oder auch als Software für einen Pro zessor ausgebildet sein. A single radar sensor node S is shown schematically in FIG. 2. The Ra dar sensor node S comprises two transmission elements Tx1, Tx2, which are designed to transmit Ra dar signals. Furthermore, the radar sensor node S comprises two receiving elements Rx1, Rx2, which are designed to receive reflections of the transmitted radar signals on objects in the vicinity of the vehicle. To this extent, the radar sensor node S corresponds to a MIMO radar with a plurality of transmitting and receiving elements. It is understood that it is also possible for the radar sensor node S to comprise further transmission and / or reception elements. In addition, the radar sensor node S comprises a processor unit 22, which is used to detect an object in the surroundings of the vehicle based on the received reflection. NEN is trained. The functionality of the processor unit 22 can be implemented partially or completely in software and / or in hardware. The processor unit 22 can be designed as a processor, processor module or as software for a processor.
In der Fig. 3 ist ein grundsätzlicher Aufbau eines MIMO-Radarsensorknotens mit zehn Empfangselementen Rx (erste Zeile in Fig. 3) und zwei Sendeelementen Tx (zweite Zeile) dargestellt. Dadurch, dass jedes Empfangselement Rx Reflexionen der Signale von zwei Sendeelementen Tx empfängt, entsteht ein Feld von Apertur elementen einer virtuellen Empfangsapertur mit insgesamt 20 Aperturelementen (drit te Zeile, auch als Antennenpositionen bzw. als virtuelles Array bezeichnet). Wie dar gestellt hat die virtuelle Empfangsapertur dabei eine größere Ausdehnung als die Empfangsapertur der Empfangselemente Rx. Im dargestellten Beispiel ist das mittle re Element m der virtuellen Empfangsapertur doppelt vorhanden. FIG. 3 shows a basic structure of a MIMO radar sensor node with ten receiving elements Rx (first line in FIG. 3) and two transmission elements Tx (second line). The fact that each receiving element Rx receives reflections of the signals from two transmitting elements Tx creates a field of aperture elements of a virtual receiving aperture with a total of 20 aperture elements (third line, also referred to as antenna positions or as a virtual array). As shown, the virtual reception aperture has a greater extent than the reception aperture of the reception elements Rx. In the example shown, the middle element m of the virtual reception aperture is duplicated.
Zur Winkelschätzung eines Ziels wird der Phasenunterschied eines Radarsignals an den unterschiedlichen Aperturelementen der virtuellen Empfangsapertur betrachtet. Im dargestellten Beispiel wird vereinfachend der Fall betrachtet, dass sich alle Emp fangselemente Rx und Sendeelemente Tx entlang der x-Achse eines Koordinaten raumes befinden. Es bezeichnet ctc,ί die Position eines Sendeelements und XRXJ die Position eines Empfangselements in einem dreidimensionalen Koordinatensystem. Der Phasenunterschied eines Signals zwischen diesen Elementen zu einem Signal zwischen Elementen an Positionen XRX , XTX beträgt dann
Figure imgf000013_0001
To estimate the angle of a target, the phase difference of a radar signal at the different aperture elements of the virtual receiving aperture is considered. In the example shown, the case is considered in a simplified manner that all receiving elements Rx and transmitting elements Tx are located along the x-axis of a coordinate space. It denotes ctc, ί the position of a transmission element and XR X J the position of a reception element in a three-dimensional coordinate system. The phase difference between a signal between these elements and a signal between elements at positions XR X , XT X is then
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Dabei ist l die Wellenlänge und Ό der Einfallswinkel des Signals. Der Phasenunter schied entsteht direkt an den Antennenpositionen (Aperturelementen). Zu diesem Phasenunterschied wird noch ein zusätzlicher, winkelunabhängiger Phasenunter schied addiert, der auf Laufzeitunterschiede der Signale innerhalb des Radar sensorknotens zurückzuführen ist. Dieser winkelunabhängige Phasenunterschied muss über einen entsprechenden Kalibrierungsfaktor kompensiert werden. In der Fig. 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 10 mit zwei Ra darsensorknoten S1 , S2 dargestellt. Die beiden Radarsensorknoten S1 , S2 weisen jeweils zwei Sendeelemente Tx1 , Tx2 und drei Empfangselemente Rx1 , Rx2, Rx3 auf. Zudem weisen die beiden Radarsensorknoten S1 , S2 jeweils eine Prozessorein heit 22 auf. L is the wavelength and Ό the angle of incidence of the signal. The phase difference arises directly at the antenna positions (aperture elements). In addition to this phase difference, an additional, angle-independent phase difference is added, which is due to the difference in transit time of the signals within the radar sensor node. This angle-independent phase difference must be compensated for using a corresponding calibration factor. 4 schematically shows an inventive sensor system 10 with two Ra darsensorkoden S1, S2. The two radar sensor nodes S1, S2 each have two transmitting elements Tx1, Tx2 and three receiving elements Rx1, Rx2, Rx3. In addition, the two radar sensor nodes S1, S2 each have a processor unit 22.
Der zusätzliche, winkelunabhängige Phasenunterschied (additiver Phasenunter schied) ist in Fig. 4 für zwei Sende- und zwei Empfangselemente beispielhaft einge zeichnet. Üblicherweise werden diese Phasenunterschiede innerhalb von Ein zelsensoren im Rahmen eines Kalibriervorgangs ausgemessen und in der Signalver arbeitung kompensiert. Wird ein Sensornetzwerk mit mehreren Radarsensorknoten betrieben und eine multistatische Auswertung vorgenommen, entstehen solche Pha senunterschiede aber auch zwischen den Sende- und Empfangselementen unter schiedlicher Radarsensorknoten. Um die multistatischen Signale gemeinsam auszu werten, müssen die Phasenunterschiede bekannt sein. The additional, angle-independent phase difference (additive phase difference) is shown in Fig. 4 for two transmitting and two receiving elements as an example. These phase differences are usually measured within a single sensor as part of a calibration process and compensated for in signal processing. If a sensor network is operated with several radar sensor nodes and a multistatic evaluation is carried out, such phase differences also arise between the transmitting and receiving elements under different radar sensor nodes. In order to evaluate the multistatic signals together, the phase differences must be known.
Erfindungsgemäß ist es hierzu vorgesehen, durch eine geeignete Wahl der Positio nen der Sende- und Empfangselemente innerhalb der Radarsensorknoten und kno- tenübergreifend eine virtuelle Apertur zu erzeugen, in der mindestens eine virtuelle Elementposition doppelt vorkommt. Es wird ein doppelt vorkommendes Aperturele ment erzeugt. Dieses Element besteht aus einem Sende- und zwei Empfangsele menten des einen Radarsensorknotens und einem Sendeelement des anderen Ra darsensorknotens. Alternativ können auch zwei Sende- und ein Empfangselement des einen Radarsensorknotens und ein Empfangselement des anderen Radar sensorknotens verwendet werden. According to the invention it is provided for this purpose to generate a virtual aperture in which at least one virtual element position occurs twice by means of a suitable choice of the positions of the transmitting and receiving elements within the radar sensor nodes and across nodes. A duplicate aperture element is generated. This element consists of a transmitting and two receiving elements of one radar sensor node and a transmitting element of the other radar sensor node. Alternatively, two transmitting and one receiving element of one radar sensor node and one receiving element of the other radar sensor node can also be used.
Für die beiden Radarsensorknoten S1 , S2 sind in der Fig. 4 beispielhaft die Pha sendifferenzen f0 bis f3 eingezeichnet. Diese werden bei einer Übertragung von Sendeelement Tx2 des zweiten Radarsensorknoten S2 zu Empfangselement Rx3 des ersten Radarsensorknotens S1 und bei Übertragung von Sendeelement Tx1 des ersten Radarsensorknotens S1 zu Empfangselement Rx1 des ersten Radar sensorknotens S1 betrachtet. Um sicherzustellen, dass die Aperturelemente der vir- tuellen Apertur bzw. die Empfangselemente äquivalent sind, muss Folgendes erfüllt sein (die Aperturelemente sind zur Vereinfachung entlang der x-Achse angeordnet): For the two radar sensor nodes S1, S2, the phase differences f 0 to f3 are shown as an example in FIG. 4. These are considered when transmitting element Tx2 of second radar sensor node S2 to receiving element Rx3 of first radar sensor node S1 and when transmitting element Tx1 of first radar sensor node S1 to receiving element Rx1 of first radar sensor node S1. To ensure that the aperture elements of the vir- If the current aperture or the receiving elements are equivalent, the following must be met (the aperture elements are arranged along the x-axis for simplicity):
XTX2 (S2) + XRx3 (Sl ) = XTxl(Sl) + XRxl(Sl) X TX2 (S2) + X Rx3 (Sl) = X Txl (Sl) + X Rxl (Sl)
Die Radarsensorknoten S1 , S2 werden derart angeordnet bzw. voneinander beab- standet und die Sende- und Empfangselemente der Radarsensorknoten derart aus gelegt, dass diese Bedingung für jeden Radarsensorknoten zu mindestens einem anderen Radarsensorknoten erfüllt ist. The radar sensor nodes S1, S2 are arranged or spaced apart from one another and the transmitting and receiving elements of the radar sensor nodes are designed in such a way that this condition is fulfilled for each radar sensor node for at least one other radar sensor node.
In der Fig. 4 ist schematisch dargestellt, dass die Sende- und Empfangselemente des ersten Radarsensorknotens S1 ein knoteninternes Feld F1 von Aperturelemen ten einer virtuellen Empfangsapertur bilden. Die Sende- und Empfangselemente des zweiten Radarsensorknotens S2 bilden ein knoteninternes Feld F2 von Aperturele menten einer virtuellen Empfangsapertur. Die Sendelemente des ersten Radar sensorknotens und die Empfangselemente des zweiten Radarsensorknotens bilden ein knotenübergreifendes Feld Fx von Aperturelementen einer virtuellen Emp fangsapertur. Im dargestellten Beispiel ergibt sich ein doppeltes Element 26, das so wohl im knoteninternen Feld F2 des zweiten Radarsensorknotens S2 als auch im knotenübergreifenden Feld Fx vorkommt. In anderen Worten entspricht eine Position eines ersten Aperturelements des knoteninternen Feldes einer Position eines zweiten Aperturelements des knotenübergreifenden Feldes. An diesem doppelten Apertu relement 26 muss aufgrund des Abstands der Radarsensorknoten voneinander bzw. der Anordnung der Sende- und Empfangselemente der Radarsensorknoten die Pha se gleich sein. Bei einer Abweichung kann eine Kalibrierung vorgenommen werden. FIG. 4 schematically shows that the transmit and receive elements of the first radar sensor node S1 form an internal field F1 of aperture elements of a virtual receive aperture. The transmit and receive elements of the second radar sensor node S2 form an internal field F2 of aperture elements of a virtual receive aperture. The transmission elements of the first radar sensor node and the reception elements of the second radar sensor node form a cross-node field Fx of aperture elements of a virtual reception aperture. In the example shown, there is a double element 26, which occurs in the field F2 of the second radar sensor node S2 as well as in the field Fx spanning the nodes. In other words, a position of a first aperture element of the node-internal field corresponds to a position of a second aperture element of the node-spanning field. At this double aperture element 26, the phase must be the same due to the spacing of the radar sensor nodes from one another or the arrangement of the transmitting and receiving elements of the radar sensor nodes. If there is a deviation, a calibration can be carried out.
Wird beim Betrieb eines Radarsensorknotens dann eine Messung durchgeführt, kann das Sensorsystem vollständig automatisch kalibriert werden. Flierzu ist es erforder lich, dass Objekte gemessen werden, die sich im Fernfeld des Sensorsystems befin den. Diese Voraussetzung ist normalerweise gegeben, da dazu Objekte in einer Ent fernung von ca. mindestens 20 m ausreichen. Die Positionen der Objekte müssen nicht bekannt sein. Die Messdaten werden hinsichtlich der Entfernung und der Relativgeschwindigkeit (Doppler) ausgewertet. Dies führt normalerweise zu einer Entfernungs-Doppler- Matrix. Für die zur Kalibrierung betrachteten Signalpfade, also für das doppelt vor handene Aperturelement 26, müssen die Matrizen im kalibrierten System identisch sein, da diese exakt dieselbe Messung abbilden. Tatsächlich kann hier jedoch eine Phasendifferenz If a measurement is then carried out while operating a radar sensor node, the sensor system can be calibrated completely automatically. It is also necessary to measure objects that are in the far field of the sensor system. This prerequisite is normally given, since objects at a distance of approx. 20 m are sufficient. The positions of the objects do not have to be known. The measurement data are evaluated in terms of distance and relative speed (Doppler). This usually leads to a range Doppler matrix. For the signal paths considered for calibration, that is to say for the duplicate aperture element 26, the matrices in the calibrated system must be identical, since they represent exactly the same measurement. In fact, however, there may be a phase difference here
Af - f0 + f3 ~ ( ! + 02) bestehen. Diese Phasendifferenz wird bestimmt, indem die beiden Entfernungs- Doppler-Matrizen korreliert werden. Bei der Korrelation wird die Entfernung verscho ben (in gängigen Definitionen stattdessen eine Zeit t). Die Korrelation führt neben der Phasendifferenz Df auch zu gegebenenfalls auftretenden Laufzeitverschiebungen. Aufgrund einer bereits durchgeführten Kalibrierung des ersten Radarsensorknotens S1 ist bekannt, wie sich die Phasen fi bis f3 zueinander verhalten. Die fehlende Be ziehung zu f0 kann nun durch Lösen der letzten Gleichung bestimmt werden. Wur den alle Radarsensorknoten unabhängig kalibriert, kann durch die vorhandenen überlappenden Aperturelemente die knotenübergreifende Kalibrierung durchgeführt werden. Af - f 0 + f 3 ~ ( ! + 0 2 ) exist. This phase difference is determined by correlating the two distance Doppler matrices. In the correlation, the distance is shifted (instead a time t in common definitions). In addition to the phase difference Df, the correlation also leads to any runtime shifts that may occur. Based on a calibration of the first radar sensor node S1 that has already been carried out, it is known how the phases fi to f3 relate to one another. The missing relationship to f 0 can now be determined by solving the last equation. If all radar sensor nodes have been calibrated independently, the overlapping aperture elements can be used to perform the cross-node calibration.
Hierbei ist es auch möglich, dass das selbstkalibrierende Sensorsystem weitere Ra darsensorknoten umfasst. Wenn die Kalibrierung eines Radarsensorknotens bekannt ist und die weiteren Radarsensorknoten gleichartige Anordnungen der Sende- und Empfangselemente aufweisen, kann, wie zuvor beschrieben, f0 ermittelt werden. Für die Phasen F12 der Signale Tx2 (S2) zu Rx1 (S1 ) und F21 Tx2 (S1 ) zu Rx1 (S2) gilt: It is also possible here for the self-calibrating sensor system to comprise further radar sensor nodes. If the calibration of a radar sensor node is known and the further radar sensor nodes have similar arrangements of the transmitting and receiving elements, f 0 can be determined, as described above. The following applies to phases F12 of signals Tx2 (S2) to Rx1 (S1) and F21 Tx2 (S1) to Rx1 (S2):
012 - 021 = 00 + 02 - (0TX2(S1) + 0ß i(52)), da diese Signale ebenfalls gleich sein müssen. Die Phasendifferenz F12 - F21 wird erneut über eine Korrelation bestimmt. Da in diesem Falle dann alle Größen der Gleichung bekannt sind außer fpcΐ (S2), kann dieser Wert bestimmt werden. Dem selben Prinzip folgend werden dann alle weiteren Phasen bestimmt. Mit jedem weite- ren Radarsensorknoten im Sensorsystem muss ebenfalls ein doppeltes Aperturele ment vorhanden sein, um eine Kalibrierung durchführen zu können. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, alle Radarsensorknoten in einem Sensorsystem zu kalibrie ren. Es genügt, stattdessen einen einzigen Radarsensorknoten zu vermessen und die Kalibrierung der weiteren Radarsensorknoten automatisch vorzunehmen. 0 12 - 0 21 = 0 0 + 0 2 - (0 TX2 (S1) + 0 ß i (52)), since these signals must also be the same. The phase difference F12-F21 is again determined via a correlation. Since in this case all quantities of the equation are known except fp cΐ (S2), this value can be determined. Following the same principle, all further phases are then determined. With every further The radar sensor node in the sensor system must also have a double aperture element in order to be able to carry out a calibration. As a result, it is no longer necessary to calibrate all radar sensor nodes in one sensor system. Instead, it is sufficient to measure a single radar sensor node and to carry out the calibration of the other radar sensor nodes automatically.
In der Darstellung der Fig. 4 ist gezeigt, dass die Radarsensorknoten über einen (op tional) gemeinsamen Frequenzgenerator 24 verfügen. Dieser Frequenzgenerator 24 ist an die Radarsensorknoten S1 , S2 angebunden und erzeugt eine gemeinsame Taktfrequenz. Durch die gemeinsame Taktfrequenz wird eine Drift (zusätzlich) ver hindert. 4 it is shown that the radar sensor nodes have a (optional) common frequency generator 24. This frequency generator 24 is connected to the radar sensor nodes S1, S2 and generates a common clock frequency. A drift is (additionally) prevented by the common clock frequency.
In der Fig. 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren zum Kalibrie ren von Radarsensorknoten eines Sensorsystems dargestellt. Das Verfahren umfasst Schritte des Ermittelns S10 von winkelunabhängigen Phasendifferenzen, des Detek- tierens S12 eines Objekts und des Berechnens S14 von winkelunabhängigen Pha sendifferenzen des zweiten Radarsensorknotens. Das erfindungsgemäße Kalibrier verfahren kann beispielsweise als Software für ein Fahrzeugsteuergerät oder einen tragbaren Computer oder auch eine Prozessoreinheit eines Radarsensorknotens ausgeführt sein. 5 schematically shows a calibration method according to the invention for calibrating radar sensor nodes of a sensor system. The method comprises steps of determining S10 of angle-independent phase differences, detecting S12 of an object and calculating S14 of angle-independent phase differences of the second radar sensor node. The calibration method according to the invention can be implemented, for example, as software for a vehicle control unit or a portable computer or also a processor unit of a radar sensor node.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend be schrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungs formen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer ge nauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentan sprüche. The invention has been fully described and explained with reference to the drawings and the description. The description and explanation are to be understood as examples and not restrictive. The invention is not limited to the disclosed forms of execution. Other embodiments or variations will occur to those skilled in the art in using the present invention and in analyzing the drawings, the disclosure and the following claims.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter„umfassen“ und„mit“ nicht das Vor handensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel„ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprü- chen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet wer den kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger ge speichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hard ware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen. In the claims, the words "comprise" and "with" do not exclude the presence of further elements or steps. The undefined article "a" or "an" does not exclude the existence of a plurality. A single element or a single unit can perform the functions of several of the Chen named units. An element, a unit, an interface, a device and a system can be partially or completely implemented in hardware and / or in software. The mere mention of some measures in several different dependent claims is not to be understood as meaning that a combination of these measures cannot also be used advantageously. A computer program can be stored / distributed on a non-volatile data carrier, for example on an optical memory or on a semiconductor drive (SSD). A computer program can be distributed together with hardware and / or as part of hardware, for example by means of the Internet or by means of wired or wireless communication systems. Reference signs in the claims are not to be understood as restrictive.
Bezugszeichen Sensorsystem Reference number sensor system
Objekt object
Umgebung Surroundings
Fahrzeug vehicle
erster Radarsensorknoten first radar sensor node
zweiter Radarsensorknoten second radar sensor node
Prozessoreinheit Processor unit
Frequenzgenerator Frequency generator
doppeltes Aperturelement double aperture element

Claims

Patentansprüche Claims
1 . Sensorsystem (10) zum Detektieren eines Objekts (12) in einer Umgebung (14) eines Fahrzeugs (16), mit: 1 . Sensor system (10) for detecting an object (12) in an environment (14) of a vehicle (16), with:
einem ersten Radarsensorknoten (S1 ) und einem zweiten Radarsensorknoten (S2), die jeweils mindestens zwei Sendeelemente (Tx) zum Aussenden von Radar signalen, mindestens zwei Empfangselemente (Rx) zum Empfangen von Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale der beiden Radarsensorknoten sowie eine Prozes soreinheit (22) zum Detektieren eines Objekts in der Umgebung des Fahrzeugs ba sierend auf den empfangenen Reflexionen umfassen und die voneinander beab- standet am Fahrzeug angeordnet sind, wobei a first radar sensor node (S1) and a second radar sensor node (S2), each of which has at least two transmitting elements (Tx) for transmitting radar signals, at least two receiving elements (Rx) for receiving reflections of the transmitted radar signals of the two radar sensor nodes, and a processor unit (22 ) for detecting an object in the vicinity of the vehicle based on the received reflections and which are arranged at a distance from one another on the vehicle, wherein
die Sendeelemente und die Empfangselemente des ersten Radarsensorkno tens ein knoteninternes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur bilden und die Sendelemente des ersten Radarsensorknotens und die Emp fangselemente des zweiten Radarsensorknotens ein knotenübergreifendes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur bilden; und the transmitting elements and the receiving elements of the first radar sensor node form an internal field of aperture elements of a virtual receiving aperture and the transmitting elements of the first radar sensor node and the receiving elements of the second radar sensor node form a cross-node field of aperture elements of a virtual receiving aperture; and
ein Abstand der beiden Radarsensorknoten voneinander sowie ein Abstand der Sendeelemente und Empfangselemente innerhalb des ersten Radarsensorkno tens so gewählt sind, dass eine Position eines ersten Aperturelements des knotenin ternen Feldes einer Position eines zweiten Aperturelements des knotenübergreifen- den Feldes entspricht. a distance between the two radar sensor nodes and a distance between the transmitting elements and receiving elements within the first radar sensor node are selected such that a position of a first aperture element of the field inside the node corresponds to a position of a second aperture element of the field spanning the nodes.
2. Sensorsystem (10) nach Anspruch 1 , wobei 2. Sensor system (10) according to claim 1, wherein
das erste Aperturelement von einem ersten Sendeelement (Tx) des ersten Radarsensorknotens (S1 ) und einem ersten Empfangselement (Rx) des ersten Ra darsensorknotens (S1 ) gebildet wird; und the first aperture element is formed by a first transmitting element (Tx) of the first radar sensor node (S1) and a first receiving element (Rx) of the first radar sensor node (S1); and
das zweite Aperturelement von einem zweiten Sendeelement des ersten Ra darsensorknotens und einem ersten Empfangselement des zweiten Radarsensorkno tens oder von einem zweiten Empfangselement des ersten Radarsensorknotens und einem ersten Sendeelement des zweiten Radarsensorknotens gebildet wird. the second aperture element is formed by a second transmitting element of the first radar sensor node and a first receiving element of the second radar sensor node or by a second receiving element of the first radar sensor node and a first transmitting element of the second radar sensor node.
3. Sensorsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem weite ren Radarsensorknoten, der von dem ersten Radarsensorknoten (S1 ) und dem zwei ten Radarsensorknoten (S2) beabstandet am Fahrzeug (16) angeordnet ist, wobei die Sendeelemente (Tx) und die Empfangselemente (Rx) des weiteren Radar sensorknotens ein weiteres knoteninternes Feld von Aperturelementen einer virtuel len Empfangsapertur bilden und die Sendeelemente oder die Empfangselemente des weiteren Radarknotens und die Sendeelemente oder die Empfangselemente des ersten Radarsensorknotens und/oder des zweiten Radarsensorknotens ein weiteres knotenübergreifendes Feld von Aperturelementen einer virtuellen Empfangsapertur bilden; und 3. Sensor system (10) according to one of the preceding claims with a wide ren radar sensor node, which is arranged at a distance from the first radar sensor node (S1) and the second radar sensor node (S2) on the vehicle (16), the transmitting elements (Tx) and the Receiving elements (Rx) of the further radar sensor node form a further node-internal field of aperture elements of a virtual receiving aperture, and the transmitting elements or the receiving elements of the further radar node and the transmitting elements or the receiving elements of the first radar sensor node and / or the second radar sensor node of a further cross-node element form virtual reception aperture; and
ein Abstand des weiteren Radarsensorknotens von dem ersten Radar sensorknoten und dem zweiten Radarsensorknoten sowie ein Abstand der Sende elemente und Empfangselemente innerhalb des weiteren Radarsensorknotens so gewählt sind, dass eine Position eines weiteren ersten Aperturelements des weiteren knoteninternen Felds einer Position eines weiteren zweiten Aperturelements des wei teren knotenübergreifenden Felds entspricht. a distance of the further radar sensor node from the first radar sensor node and the second radar sensor node and a distance of the transmitting elements and receiving elements within the further radar sensor node are selected such that a position of a further first aperture element of the further field within the node of a position of a further second aperture element of the further one cross-node field.
4. Sensorsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ra darsensorknoten (S1 , S2) am Fahrzeug (16) in einem Abstand größer als 20 cm, vorzugsweise größer als 50 cm, voneinander angeordnet sind. 4. Sensor system (10) according to any one of the preceding claims, wherein the Ra darsensorkoden (S1, S2) on the vehicle (16) at a distance greater than 20 cm, preferably greater than 50 cm, are arranged from each other.
5. Sensorsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ra darsensorknoten (S1 , S2) zum Aussenden und Empfangen von Radarsignalen in einem Frequenzbereich von 76 GFIz bis 81 GFIz, bevorzugt von 77 GFIz, ausgebildet sind. 5. Sensor system (10) according to any one of the preceding claims, wherein the Ra darsensorkoden (S1, S2) for transmitting and receiving radar signals in a frequency range from 76 GFIz to 81 GFIz, preferably 77 GFIz, are formed.
6. Sensorsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Fre quenzgenerator (24) zum Erzeugen einer gemeinsamen Taktfrequenz, vorzugsweise eine Taktfrequenz im Bereich von 20 GFIz, für die Radarsensorknoten (S1 , S2), wo bei der Frequenzgenerator an die Radarsensorknoten angebunden ist. 6. Sensor system (10) according to one of the preceding claims, with a frequency generator (24) for generating a common clock frequency, preferably a clock frequency in the range of 20 GFIz, for the radar sensor nodes (S1, S2), where the frequency generator to the radar sensor nodes is connected.
7. Sensorsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ra darsensorknoten (S1 , S2) jeweils dieselbe Anzahl an Sendeelementen (Tx) und Empfangselementen (Rx) und dieselbe Topologie aufweisen. 7. Sensor system (10) according to one of the preceding claims, wherein the Ra darsensorkoten (S1, S2) each have the same number of transmission elements (Tx) and receiving elements (Rx) and the same topology.
8. Fahrzeug mit einem Sensorsystem (10) nach einem der vorstehenden An sprüche. 8. Vehicle with a sensor system (10) according to one of the preceding claims.
9. Kalibrierverfahren zum Kalibrieren von Radarsensorknoten (S1 , S2) eines Sensorsystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: 9. Calibration method for calibrating radar sensor nodes (S1, S2) of a sensor system (10) according to one of claims 1 to 7, with the steps:
Ermitteln (S10) von winkelunabhängigen Phasendifferenzen der Sendeele mente und der Empfangselemente des ersten Radarsensorknotens; Determining (S10) angle-independent phase differences of the transmission elements and of the reception elements of the first radar sensor node;
Detektieren (S12) eines Objekts (12) in der Umgebung (14) des Fahrzeugs (16) in einem Fernfeld der Radarsensorknoten; und Detecting (S12) an object (12) in the surroundings (14) of the vehicle (16) in a far field of the radar sensor nodes; and
Berechnen (S14) von winkelunabhängigen Phasendifferenzen der Sendeele mente und der Empfangselemente des zweiten Radarsensorknotens. Calculate (S14) angle-independent phase differences of the transmitting elements and the receiving elements of the second radar sensor node.
10. Kalibrierverfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte des Detektierens (S12) und des Berechnens (S14) beim Betrieb des Fahrzeugs (16) wiederkehrend, vor zugsweise in regelmäßigen Zeitabständen, ausgeführt werden. 10. Calibration method according to claim 9, wherein the steps of detecting (S12) and calculating (S14) during the operation of the vehicle (16) are carried out repeatedly, preferably at regular time intervals.
1 1. Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei der Schritt des Berechnens (S14) ein Ermitteln von Entfernungs-Doppler-Matrizen für die Signalpfa de des ersten Aperturelements und des zweiten Aperturelements und ein Korrelieren der ermittelten Entfernungs-Doppler-Matrizen umfasst. 1 1. Calibration method according to one of claims 9 to 10, wherein the step of calculating (S14) comprises determining distance Doppler matrices for the signal path de of the first aperture element and the second aperture element and correlating the determined distance Doppler matrices .
12. Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Kalibrierverfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wenn der Programm code auf einem Computer ausgeführt wird. 12. Computer program product with program code for performing the steps of the calibration method according to one of claims 9 to 1 1 when the program code is executed on a computer.
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