WO2020201337A1

WO2020201337A1 - Bestimmung einer eindeutigen relativgeschwindigkeit mittels modellanpassung

Info

Publication number: WO2020201337A1
Application number: PCT/EP2020/059226
Authority: WO
Inventors: Florian Engels
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: DE102019204914A1

Abstract

Bestimmung einer eindeutigen Relativgeschwindigkeit mittels Modellanpassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (16) zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts (12), mit: einer Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen von vorverarbeiteten Sensordaten eines frequenzmodulierten Multipuls-Radarsensors (14), wobei die Sensordaten ein Frequenzspektrum eines Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs (18) umfassen; einer Auswerteeinheit (24) zum Ermitteln einer Position eines Hochpunkts innerhalb des Frequenzspektrums basierend auf den Sensordaten; einer Beschreibungseinheit (26) zum Ermitteln eines Beschreibungsparameters, der eine Form des Frequenzspektrums in einer unmittelbaren Umgebung der Position des Hochpunkts beschreibt; einer Modellierungseinheit (28) zum Anpassen eines vordefinierten Modells basierend auf der ermittelten Position des Hochpunkts und zum Ermitteln mehrerer Modellwerte basierend auf dem angepassten Modell, wobei die Modellwerte jeweils eine Form eines Frequenzspektrums für eine Geschwindigkeitshypothese beschreiben; einer Vergleichseinheit (30) zum Vergleichen des Beschreibungsparameters mit den mehreren Modellwerten und zum Auswählen eines Modellwertes mit maximaler Übereinstimmung mit dem Beschreibungsparameter; und einer Ausgabeeinheit (32) zum Ausgeben der Geschwindigkeitshypothese des ausgewählten Modellwertes als Relativgeschwindigkeit des Objekts. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System (10) und ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts (12).

Description

Bestimmung einer eindeutigen Relativqeschwindiqkeit mittels Modellanpassunq

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Relativge schwindigkeit eines Objekts. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System sowie ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zum Bestimmen einer Rela tivgeschwindigkeit eines Objekts.

Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Ein wichtiges Sensorprinzip für die Erfassung der Umgebung im Bereich der autonom und teilauto nom fahrenden Fahrzeuge ist dabei die Radartechnik. Radarsensoren im Fahrzeug bereich umfassen typischerweise mehrere Sende- und Empfangselemente, die virtu elle Kanäle des Radarsensors (Rx/Tx-Antennenpaare) bilden. In jedem Empfangska nal erfolgt ein Heruntermischen in das Basisband, eine Filterung und anschließend eine Digitalisierung des so erhaltenen Basisbandsignals. Durch eine Vorverarbeitung der Basisbandsignale für jeden Empfangskanal kann eine Detektion und Lokalisie rung eines Ziels, also eines Objekts in einem Sichtfeld des Radarsensors erfolgen.

Die meisten heutzutage im Fahrzeugbereich eingesetzten Radarsensoren arbeiten als Multipuls-Radarsensoren (auch als Chirp Sequence Radarsensoren bezeichnet), bei denen in kurzen Abständen mehrere frequenzmodulierte Pulse ausgesendet werden. Die Vorverarbeitung kann dabei insbesondere eine Fouriertransformation oder Optimalfilterung der Basisbanddaten für einen einzelnen Radarpuls (sog.

schnelle Vorverarbeitung, fast-time processing), eine weitere Fouriertransformation für mehrere Pulse (sog. langsame Vorverarbeitung, slow-time processing), ein Beam- forming, eine Signalleistungsdetektion, beispielsweise basierend auf constant-force- alarm-rate Verfahren, sowie eine Hochpunktbestimmung umfassen.

Eine Herausforderung für Multipuls-Radarsensoren mit konstanter Pulswiederho lungszeit (pulse repetition time, PRT) besteht darin, dass diese auf Messungen einer Relativgeschwindigkeit (bzw. einer relativen Radialgeschwindigkeit innerhalb des sogenannten Hauptintervalls beschränkt sind. Lediglich innerhalb dieses Hauptinter valls zwischen - v_m/2 und + v_m/2 kann eine maximale eindeutige Geschwindigkeit

V 1

m^~ 2Kt;

gemessen werden, mit der Wellenzahl K und der Pulswiederholungszeit t_r. Dies be deutet, dass Geschwindigkeiten im Abstand v_m auf denselben Wert innerhalb des Hauptintervalls abgebildet werden. Aktuelle Radarsensoren im Radarbereich weisen dabei typischerweise Werte von v_m im Bereich von 20 bis 60 m/s auf, sodass es zu mehrdeutigen Geschwindigkeitsmessungen kommen kann. Dies bedeutet, dass ge messene Geschwindigkeiten um Vielfache von v_m von der tatsächlichen Geschwin digkeit abweichen können.

Ein Ansatz zum Lösen dieser Problematik liegt in der Verwendung unterschiedlicher Pulswiederholungszeiten, entweder zwischen Pulsen oder von einem kohärenten Verarbeitungsintervall (coherent processing interval, CPI) zum folgenden. Hierdurch kann die maximale eindeutige Geschwindigkeit erhöht werden. Ein Nachteil der Ver wendung unterschiedlicher Pulswiederholungszeiten zwischen aufeinanderfolgenden Intervallen besteht darin, dass eine Latenzzeit vergrößert wird und eine Verknüpfung zwischen Detektionen in mehreren Intervallen notwendig wird. Dies ist insbesondere im Fall mehrerer und/oder schnell bewegter Ziele, wie er regelmäßig im Fahrzeugbe reich auftritt, fehleranfällig. Ansätze, bei denen die Pulswiederholungszeit zwischen Pulsen innerhalb desselben Intervalls variiert wird, sind grundsätzlich nicht für eine Verarbeitung mit einer schnellen Fouriertransformation (FFT) geeignet und können Nebenkeulen im Geschwindigkeitsspektrum aufweisen. Gestaffelte Puls-zu-Puls- Verfahren, bei denen die Pulswiederholungszeit in aufeinanderfolgenden Intervallen variiert wird, haben den Nachteil, dass eine Zieldetektion lediglich basierend auf der Hälfte der Pulse durchgeführt werden kann. Hierdurch wird der Gewinn vermindert und eine Verwendung von sogenannten slow-time Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Verfahren erschwert.

Im Zusammenhang mit der eindeutigen Messung einer Relativgeschwindigkeit wird in der DE 10 2014 212 280 A1 ein Radarmessverfahren offenbart. Insbesondere wird ein FMCW-Radarsensor sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Relativge schwindigkeit eines Radarziels offenbart, bei dem eine FMCW-Radarmessung mit einem Sendesignal ausgeführt wird, dessen Modulationsmuster zeitlich ineinander verschachtelte Sequenzen von Rampen umfasst. Aus den Basisbandsignalen wird gesondert für jede der Sequenzen ein zweidimensionales Spektrum berechnet. Aus einer Position eines Hochpunkts (Peaks) in wenigstens einem zweidimensionalen Spektrum der Basisbandsignale werden Werte für die Relativgeschwindigkeit eines Radarziels bestimmt, die mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit periodisch sind. Eine Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten, die an jeweils der gleichen Position in den gesondert berechneten zweidimensionalen Spektren erhalten werden, wird überprüft auf Übereinstimmung mit für mehrere der bestimmten periodischen Werte der Relativgeschwindigkeit erwarteten Phasenbeziehungen. Aus den bestimmten, periodischen Werten der Relativgeschwindigkeit wird ein Schätzwert für die Relativ geschwindigkeit des Radarziels ausgewählt.

Nachteilig an bisher bekannten Verfahren ist die vergleichsweise aufwendige Verar beitung sowie der damit einhergehende Bedarf an Rechenleistung. Zudem bedingen die bisherigen Ansätze zumeist einen Verlust an Auflösung.

Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zum eindeutigen Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts bereitzustel len. Insbesondere soll es ermöglicht werden, eine eindeutige Geschwindigkeitsmes sung durchzuführen, ohne dass eine wesentlich höhere Rechenleistung benötigt wird und/oder die Sensitivität und/oder Reaktionszeit vermindert wird.

Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Vorrich tung zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts, mit:

einer Eingangsschnittstelle zum Empfangen von vorverarbeiteten Sensordaten eines frequenzmodulierten Multipuls-Radarsensors, wobei die Sensordaten ein Fre quenzspektrum eines Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs umfassen;

einer Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Position eines Hochpunkts inner halb des Frequenzspektrums basierend auf den Sensordaten;

einer Beschreibungseinheit zum Ermitteln eines Beschreibungsparameters, der eine Form des Frequenzspektrums in einer unmittelbaren Umgebung der Positi on des Hochpunkts beschreibt; einer Modellierungseinheit zum Anpassen eines vordefinierten Modells basie rend auf der ermittelten Position des Hochpunkts und zum Ermitteln mehrerer Mo dellwerte basierend auf dem angepassten Modell, wobei die Modellwerte jeweils eine Form eines Frequenzspektrums für eine Geschwindigkeitshypothese beschreiben; einer Vergleichseinheit zum Vergleichen des Beschreibungsparameters mit den mehreren Modellwerten und zum Auswahlen eines Modellwertes mit maximaler Übereinstimmung mit dem Beschreibungsparameter; und

einer Ausgabeeinheit zum Ausgeben der Geschwindigkeitshypothese des ausgewählten Modellwertes als Relativgeschwindigkeit des Objekts.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System, insbesondere ein Automotive-Radarsystem, zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts, mit:

einem frequenzmodulierten Multipuls-Radarsensor zum Erfassen eines Ob jekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs mit einer Vorverarbeitungseinheit zum Vorverarbeiten eines Signals eines Empfangskanals des Multipuls-Radarsensors; und

einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechendes Verfahren und ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Ver fahrens bewirkt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die Vorrichtung, das System, das Verfahren und das Computerprogrammprodukt ent- sprechend der für die Vorrichtung und das System in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.

Erfindungsgemäß wird in einem Multipuls-Radarsensorsystem eine Unterscheidung zwischen mehreren Geschwindigkeitshypothesen durch eine Anpassung eines Mo dells im Bereich eines Hochpunkts vorgeschlagen. Es werden Daten eines fre quenzmodulierten Multipuls-Radarsensors nach der Vorverarbeitung empfangen. In einem Frequenzspektrum wird ein Hochpunkt ermittelt. Dieser Hochpunkt wird mit mehreren aus einem Modell ermittelten Hochpunkten, die verschiedenen Geschwin digkeitshypothesen entsprechen, verglichen. Ausgehend von dem Vergleich wird die jenige Geschwindigkeitshypothese ausgewählt, bei der die geringste Abweichung zwischen Modell und Sensordaten besteht. Insoweit wird erfindungsgemäß ausge nutzt, dass sich die Form von Hochpunkten in einem Frequenzspektrum sowohl in der Geschwindigkeitsdimension als auch in der Entfernungsdimension für verschie dene Geschwindigkeiten unterscheiden. Durch einen Vergleich mit einer Modellie rung kann daher die Mehrdeutigkeit in der Geschwindigkeitsmessung aufgelöst wer den und eine eindeutige Relativgeschwindigkeit bestimmt werden.

Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen wird insoweit eine eindeutige Geschwindig keitsmessung ermöglicht. Es ist nicht erforderlich, die Pulswiederholungszeit anzu passen. Eine einfache Verarbeitung der Radarsensordaten bleibt erhalten. Es ergibt sich eine zuverlässige, eindeutige Messung der Relativgeschwindigkeit eines Ob jekts.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Modellierungseinheit zum Anpassen des vordefinierten Modells und zum Ermitteln der mehreren Modellwerte basierend auf einer Nachschlagetabelle mit vorberechneten Modellwerten für verschiedene Ge schwindigkeitshypothesen für unterschiedliche Positionen von Hochpunkten ausge bildet. Die Berechnung des vordefinierten Modells kann einmalig erfolgen. Die Resul tate können in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Dies hat den Vorteil, dass nicht für jede Messung eine aufwendige Berechnung durchgeführt werden muss. Eine effiziente Datenverarbeitung wird sichergestellt. Zudem wird eine schnel le Berechenbarkeit erreicht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die unmittelbare Umgebung der Position des Hochpunkts eine vordefinierte Anzahl an diskreten Werten. Es hat sich heraus gestellt, dass die Verwendung einer vergleichsweise geringen Anzahl an diskreten Werten eine ausreichende Genauigkeit hinsichtlich der Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Geschwindigkeitshypothesen (unterschiedlichen Formen von Hochpunkten) ermöglicht. Durch die Verwendung einer vordefinierten Anzahl wird eine einfache Vergleichbarkeit sichergestellt. Beispielsweise kann durch eine Ver wendung von 3 bis 13 bzw. 9 Werten eine effiziente Berechenbarkeit erreicht wer den.

In einer bevorzugten Ausgestaltung basiert das vordefinierte Modell auf einer Be rechnung von Zeitbereichswerten, bei der eine Laufzeit der Abtastwerte innerhalb eines Pulses berücksichtigt wird. Ein einzelner Puls weist eine gewisse Länge auf, sodass sich insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten die Gegebenheiten während der Dauer eines einzelnen Pulses ändern können. Die Laufzeit entspricht insoweit einer Verzögerung innerhalb eines Pulses. Diese Laufzeit bzw. diese Verzögerung werden von bisherigen Modellen üblicherweise vernachlässigt. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Laufzeitänderung pro Puls wird erreicht, dass sich die Form des Frequenzspektrums im unmittelbaren Umfeld des Hochpunkts entsprechend der realen Daten ändert und so zwischen Geschwindigkeitshypothesen unterschieden werden kann

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung basiert eine Berechnung der Modell werte auf einer Optimalfilterung über einen Puls und einer Fouriertransformation über mehrere Pulse, wenn die vorverarbeiteten Sensordaten basierend auf einer Optimal filterung einer beliebigen Pulsform vorverarbeitet wurden. Es ist möglich, eine Opti malfilterung (matched filter) in Verbindung mit einer Fouriertransformation über die mehreren Pulse eines Verarbeitungsintervalls (slow-time Fouriertransformation) zu verwenden. Abhängig von der Konfiguration des Multipuls-Radarsensors ergibt sich insoweit eine Modellierung, die der realen Datenverarbeitung innerhalb des Radar sensors entspricht. Es wird eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der eindeutigen Relativgeschwindigkeit sichergestellt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung basiert eine Berechnung der Modellwerte auf einer ersten Fouriertransformation über einen Puls und einer zweiten Fouriertrans formation über mehrere Pulse, wenn die vorverarbeiteten Sensordaten basierend auf einer Verarbeitung einer linear frequenzmodulierten Pulsfolge vorverarbeitet wurden. Wie zuvor kann die Modellierung ebenfalls entsprechend der realen Datenverarbei tung erfolgen, wenn eine erste Fouriertransformation für einen Puls (fast-time Fou riertransformation) gefolgt von einer Fouriertransformation über mehrere Pulse (slow- time Fouriertransformation) durchgeführt wird. Es ergibt sich eine genaue und zutref fende Modellierung mit hoher Aussagekraft bezüglich der Relativgeschwindigkeit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Multipuls-Radarsensor zum Aussenden von Radarpulsen mit einer hohen kohärenten Verarbeitungszeit ausgebildet. Vor zugsweise ist der Multipuls-Radarsensor zum Aussenden von Radarpulsen mit einer hohen Geschwindigkeitsauflösung ausgebildet. Vorzugsweise ist der Multipuls- Radarsensor zum Aussenden von 512 Radarpulsen innerhalb von 25 ms ausgebil det. Durch die Verwendung einer hohen kohärenten Verarbeitungszeit ergibt sich eine Verstärkung des Unterschieds in der Form des Frequenzspektrums im Bereich des Hochpunkts für verschiedene Geschwindigkeitshypothesen. Insoweit wird bei der Unterscheidung eine hohe Aussagekraft sichergestellt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Multipuls-Radarsensor zum Aus senden von Radarpulsen mit einer hohen Bandbreite ausgebildet. Vorzugsweise ist der Multipuls-Radarsensor zum Aussenden von Radarpulsen mit einer Bandbreite zwischen 800 MHz und 4.000 MHz, insbesondere einer Bandbreite von 1.000 MHz ausgebildet. Die Verwendung einer hohen Bandbreite, über die im Basisband die Frequenzänderung durchgeführt wird, insbesondere in Kombination mit einer hohen kohärenten Integrationszeit, bewirkt eine besser unterscheidbare Form des Fre quenzspektrums in der Umgebung des Hochpunkts für unterschiedliche Relativge schwindigkeiten. Durch die Verwendung einer hohen Bandbreite ergibt sich eine ho he Distanzauflösung. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Multipuls-Radarsensor zum Be trieb in einem Frequenzbereich zwischen 76 GHz und 81 GHz ausgebildet. Zusätz lich oder alternativ weist der Multipuls-Radarsensor eine konstante Pulswiederho lungszeit auf. Durch den Betrieb in einem freigegebenen Frequenzbereich wird eine standardkonforme Verwendung ermöglicht. Es ergibt sich eine gute Einsetzbarkeit im Fahrzeugbereich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorverarbeitungseinheit des Multipuls- Radarsensors zum gleichzeitigen Verarbeiten von 256 oder 512 Radarpulsen ausge bildet. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine vergleichsweise hohe An zahl von Radarpulsen gleichzeitig verarbeitet wird, um beispielsweise eine Fourier transformation über die mehreren Radarpulse durchzuführen.

Ein Radarsensor sendet ein Radarsignal aus und empfängt Reflexionen des Radar signals an Objekten (auch als Ziele bezeichnet) innerhalb eines Sichtfelds des Ra darsensors. Das Sichtfeld bezeichnet ein Gebiet, innerhalb dessen Objekte erfasst werden können. Ein Multipuls-Radarsensor sendet innerhalb eines kohärenten Ver arbeitungsintervalls mehrere Radarpulse aus und kann auch als Chirp-Sequence- Radarsensor bezeichnet werden. Ein Radarsensor kann mehrere Einzelsensoren umfassen, die beispielsweise eine 360°-Rundumsicht ermöglichen und somit ein vollständiges Abbild der Umgebung eines Fahrzeugs aufzeichnen können. Vorverar beitete Sensordaten bezeichnen abgetastete Basisbandsignale, die bereits vorverar beitet wurden. Vorverarbeitungsschritte können insbesondere eine Optimalfilterung oder eine Fouriertransformation der Abtastwerte pro Puls und eine Fouriertransfor mation über mehrere Pulse umfassen. Ein Beschreibungsparameter sowie ein Mo dellwert können ein- oder mehrdimensional sein. Insbesondere kann ein Beschrei bungsparameter bzw. ein Modellwert im Falle einer Beschreibung der unmittelbaren Umgebung der Position des Hochpunkts mittels einer vordefinierten Anzahl an dis kreten Werten für jeden dieser Werte bzw. für jede dieser Positionen eine Leistungs angabe umfassen. Es ist möglich, dass ein Beschreibungsparameter und ein Mo dellwert die vordefinierte Umgebung eines Hochpunkts jeweils mittels einer vordefi nierten Anzahl von Betrags- und Phasenwerten beschreiben. Ein Vergleich sowie eine Bewertung einer Übereinstimmung können beispielsweise basierend auf einer Bestimmung eines mittleren quadratischen Fehlers erfolgen. Ein Objekt kann insbe sondere ein anderes Fahrzeug, aber auch ein anderer Verkehrsteilnehmer (Fußgän ger, Radfahrer etc.) oder ein feststehendes Objekt (Baum, Haus, Verkehrszeichen etc.) sein. Eine Relativgeschwindigkeit ist hierin insbesondere als Radialgeschwin digkeit zu verstehen, wie sie von einem Radarsensor gemessen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einem Aspekt der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer mehrdeutigen Geschwindigkeitsmes sung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Berechnung des erfindungsgemäßen Mo dells;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abstands-

Geschwindigkeitsleistungsspektrums mit einer vergrößerten Darstellung einer Umge bung eines Hochpunkts;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der sich ergebenden Modellierungen für das Frequenzspektrum in der unmittelbaren Umgebung der Position des Hochpunkts im Vergleich mit den gemessenen Daten; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes System 10 zum Bestimmen ei ner Relativgeschwindigkeit eines Objekts 12 gezeigt. Bei dem System 10 handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein Automotive-Radarsystem, das in ein Fahrzeug 18 integriert ist. Bei dem Objekt 12 kann es sich beispielsweise um ein anderes Fahrzeug oder auch um einen Baum, einen Fußgänger oder ein statisches Objekt wie ein Haus oder ein Verkehrsschild handeln. Das System 10 umfasst einen Multi puls-Radarsensor 14, der frequenzmodulierte Radarpulse aussendet, um das Objekt 12 zu erfassen. Der Multipuls-Radarsensor 14 ist am Fahrzeug 18 angebracht und erfasst Objekte 12 innerhalb eines Sichtfelds 20. Weiterhin umfasst das System eine Vorrichtung 16 zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts 12. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 16 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls in das Fahrzeug 18 integriert und kommuniziert mit dem Multipuls-Radarsensor 14 über ein Fahrzeugbussystem. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 16 erlaubt es, eine eindeutige Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts 12 gegenüber dem Multipuls-Radarsensor 14 vorzunehmen.

In der Fig. 2 ist schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung 16 dargestellt. Die Vorrichtung 16 kann insbesondere in ein Fahrzeugsteuergerät des Fahrzeugs inte griert sein. Es ist aber auch möglich, dass die Vorrichtung als Zusatzmodul für den Radarsensor selbst implementiert ist. Ebenfalls ist es möglich, dass die Vorrichtung 16 in Software implementiert ist, die von einem Prozessor des Radarsensors oder in einem Prozessor des Fahrzeugsteuergeräts ausgeführt wird. Die Vorrichtung 16 um fasst eine Eingangsschnittstelle 22, eine Auswerteeinheit 24, eine Beschreibungs einheit 26, eine Modellierungseinheit 28, eine Vergleichseinheit 30 sowie eine Aus gabeeinheit 32. Die verschiedenen Einheiten und Schnittstellen können dabei insbe sondere einzeln oder kombiniert bzw. vollständig oder teilweise in Soft- und/oder in Hardware implementiert sein.

Die Eingangsschnittstelle 22 ist an einen frequenzmodulierten Multipuls-Radarsensor angebunden und empfängt dessen Daten nach einer Vorverarbeitung von Rohdaten innerhalb des Multipuls-Radarsensors. Die empfangenen Sensordaten umfassen ein Frequenzspektrum eines Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs. Unter einem Frequenzspektrum wird insbesondere der Betrag und die Phase der fouriertransfor mierten Basisbandsignale verstanden. Es kann ein Frequenzspektrum in der Ge schwindigkeitsdimension und/oder ein Frequenzspektrum in der Abstandsdimension empfangen werden. Wenn Betrag und Phase getrennt betrachtet werden, kann auch von einem Betrags- oder Phasenspektrum gesprochen werden. Hierin umfasst ein Frequenzspektrum auch ein Ausgangssignal eines Optimalfilters.

Die Auswerteeinheit 24 dient dazu, die empfangenen Sensordaten auszuwerten, um eine Position eines Hochpunkts innerhalb des Frequenzspektrums bzw. des Betrags spektrums zu ermitteln.

In der Beschreibungseinheit 26 wird ein Beschreibungsparameter ermittelt, der die Form des Frequenzspektrums in einer unmittelbaren Umgebung der Position des Hochpunkts beschreibt. Beispielsweise werden die Werte der Leistung für Frequen zen in einem Abstand von einigen (beispielsweise zwei oder drei) diskreten Werten um den Hochpunkt als Beschreibungsparameter mit mehreren Einzelwerten (Vektor) bestimmt. Die unmittelbare Umgebung umfasst also vorzugsweise den Frequenzwert des Hochpunkts selbst sowie einige benachbarte Frequenzwerte. Insbesondere kann der Beschreibungsparameter damit eine Aussage über die Form des Hochpunkts liefern. Der Beschreibungsparameter kann also insbesondere die Messwerte am Hochpunkt und in der Umgebung des Hochpunkts umfassen.

In der Modellierungseinheit 28 wird ausgehend von der ermittelten Position des Hochpunkts ein vordefiniertes Modell angepasst. Das vordefinierte Modell beschreibt dabei ebenfalls ein Frequenzspektrum bzw. eine Form eines Frequenzspektrums in der Nähe eines Hochpunkts, unter der Annahme von Modelldaten bzw. eines Mo dellwerts. Für eine gegebene Position eines Hochpunkts, bietet das Modell unter schiedliche Frequenzspektren bzw. Formen des Frequenzspektrums, die unter schiedliche Geschwindigkeitshypothesen repräsentieren. Insoweit entspricht ein Mo dellwert vorzugsweise in seinem Format dem Beschreibungsparameter. Ein Modell wert umfasst also ebenfalls beispielsweise mehrere Spektralwerte in der Nachbar schaft des Hochpunkts. Der Modellwert ist in anderen Worten ein Vektor mit mehre ren Werten. Für unterschiedliche Geschwindigkeitshypothesen werden unterschiedli che Modellwerte berechnet. Die Anpassung des vordefinierten Modells und die Ermittlung der mehreren Modell- werte in der Modellierungseinheit 28 kann dabei insbesondere basierend auf einer Nachschlagetabelle erfolgen. Es werden also für unterschiedliche Hochpunktpositio nen jeweils mehrere Modellparameter, die unterschiedlichen Geschwindigkeitshypo thesen zugeordnet sind, vorberechnet, sodass dann im Betrieb der erfindungsgemä ßen Vorrichtung lediglich ein Nachschlagen erforderlich ist, um die Modellwerte für eine ermittelte Position eines Hochpunkts zu bestimmen. Hierdurch ergibt sich eine effiziente Berechenbarkeit.

Diese berechneten Modellwerte werden dann in der Vergleichseinheit 30 mit dem Beschreibungsparameter verglichen, um festzustellen, welcher Modellwert die Reali tät am besten abbildet. Konkret werden also vorzugsweise die Messwerte in der Hochpunktumgebung (Beschreibungsparameter) mit den entsprechenden Elementen des Modellwerts verglichen. Es wird untersucht, welcher Modellwert die höchste Übereinstimmung mit dem Beschreibungsparameter bietet. Hierzu kann beispiels weise ein mittlerer quadratischer Fehler zwischen Abständen einzelner Elemente des Beschreibungsparameters und des Modellwerts verwendet werden.

Nach Abschluss des Vergleichs wird über die Ausgabeeinheit 32 diejenige Ge schwindigkeitshypothese (bzw. der Modellwert) ausgegeben, die zu der geringsten Modellabweichung gehört. Insoweit ist es möglich, eine Ermittlung einer eindeutigen Geschwindigkeit eines Objekts vorzunehmen.

In der Fig. 3 ist schematisch ein Beispiel für eine uneindeutige Geschwindigkeits messung mittels eines herkömmlichen Multipuls-Radarsensors, wie er im Automoti- ve-Bereich verwendet wird, dargestellt. Auf der X-Achse ist die reale Relativge schwindigkeit (Vreai) abgetragen. Auf der Y-Achse ist die mittels des Sensors gemes sene Relativgeschwindigkeit (v_meas) abgetragen. Eine Messung der Relativgeschwin digkeit kann ausgehend von einer konstanten Pulswiederholungszeit lediglich inner halb des sogenannten Hauptintervalls zwischen - v_m/2 und + v_m/2 erfolgen. Die ma ximale eindeutige Geschwindigkeit v_m ergibt sich zu 1 /(2Kt_r) basierend auf der Wel lenzahl K und der Pulswiederholungszeit t_r. Wie in der Fig. 3 dargestellt, kann also, wenn eine maximale eindeutige Geschwindigkeit von v_m = 30 m/s angenommen wird, lediglich eine Messung zwischen -15 und +15 m/s vorgenommen werden.

In der Fig. 3 ist beispielhaft dargestellt, dass ein sich bewegendes Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 26 m/s auf ein stationäres Ziel zufährt. Im Falle eines autono men Bremssystems oder eines autonomen Fahrsystems sollte in diesem Fall eine Notbremsung oder ein Ausweichmanöver eingeleitet werden. Wie in der Fig. 3 dar gestellt, wird die Relativgeschwindigkeit des stationären Ziels 34 jedoch auf eine ge messene Geschwindigkeit von v_meas = 4 m/s abgebildet. Diese gemessene Ge schwindigkeit entspricht einem Fahrzeug, das sich mit einer Relativgeschwindigkeit eines beweglichen Ziels 36 etwas schneller als das eigene Fahrzeug bewegt. Die erforderliche Reaktion des autonomen Systems, also das Einleiten eines Notbrems oder Ausweichmanövers, würde nicht erfolgen.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Pulswiederholungszeit konstant zu belassen und mehrere Geschwindigkeitshypothesen basierend auf einer Modellan passung in einer unmittelbaren Umgebung eines Hochpunkts zu unterscheiden. Die Modellanpassung erfolgt dabei nach einer Vorverarbeitung, also nach der Anwen dung einer Optimalfilterung oder einer Fouriertransformation über einen Puls (fast- time Fouriertransformation), einer Fouriertransformation über mehrere Pulse (slow- time Fouriertransformation), einem Beamforming, einer Leistungsdetektion und einer Hochpunktbestimmung. Es wird eine Modellierung pro Geschwindigkeitshypothese formuliert und eine Auswahl basierend auf der Abweichung zwischen den verschie denen Modellierungen und der Messung vorgenommen.

In der Fig. 4 sind schematisch zwei Varianten einer erfindungsgemäßen Modellbe rechnung abgebildet. Die auf der linken Seite abgebildete erste Variante wird für eine Optimalfilterung einer beliebigen Multipuls-Wellenform angewendet. Die zweite Vari ante auf der rechten Seite wird für eine Verarbeitung einer linear frequenzmodulier ten Pulsfolge verwendet. In der Fig. 4 sind die Berechnungen für beide Modellvarian ten für Abstand r und Relativgeschwindigkeit v dargestellt. Zunächst werden in einem ersten Schritt S1 Abtastwerte simuliert gemäß

in der ersten Variante (links) und gemäß

in der zweiten Variante (rechts). Dabei bezeichnet x_b das bekannte Basisbandsignal, t_s die Abtastzeit, c die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, t_r die Pulswiederholungs zeit, B die effektive Pulsbandbreite, L die Anzahl der Abtastwerte pro Puls, l=0, ... ,L-1 die Indices der Abtastwerte pro Puls, M die Anzahl an Pulsen und m=0, ... ,M-1 die Pulsindices.. Der folgende Schritt S2 umfasst in der ersten Variante auf der linken Seite eine Optimalfilterung (fast-time zero-velocity-matched filter) oder eine Fourier transformation über einen Puls (fast-time Fouriertransformation) in der zweiten Vari ante auf der rechten Seite. In beiden Fällen wird im dritten Schritt S3 eine Fourier transformation über mehrere Pulse vorgenommen (slow-time Fouriertransformation). Relevant ist, dass in beiden Fällen der zweite Schritt S2 und der dritte Schritt S3 le diglich für eine unmittelbare Umgebung der Position des Hochpunkts (peak neigh- borhood) durchgeführt werden.

Diese Modellierung erweitert dabei Modelle der herkömmlichen Verarbeitung von Radarsignalen

für die erste Variante und

e^J—¹ _ej4nKvt_rm

(4) für die zweite Variante. Jeweils der erste Term beschreibt die Fast-Time-Abtastwerte und der zweite Term die Slow-Time-Abtastwerte. Die Fast-Time-Abtastwerte bezie hen sich dabei auf die Basisbandabtastwerte eines Pulses, die Slow-Time- Abtastwerte auf die Basisbandabtastwerte mehrerer aufeinanderfolgender Pulse. Der optimale Verarbeitungsansatz für derartige Modellierungen ist entweder eine Opti- malfilterung oder eine Fouriertransformation über einen Puls, gefolgt von einer Fou riertransformation über mehrere Pulse.

Bei dieser Modellierung wird jedoch eine pulsabhängige Verzögerung der Fast-Time- Abtastwerte eines Pulses nicht abgebildet. Wenn diese Verzögerung in die Modellie rung aufgenommen wird, ergeben sich die zuvor genannten Modellierungen in Glei chung (1 ) und in Gleichung (2). Wird in diesem Fall die Vorverarbeitung, die für die Modelle in Gleichung (3) und Gleichung (4) optimal ist, also eine Optimalfilterung und Fouriertransformation pro Puls gefolgt von einer Fouriertransformation übermehrere Pulse, angewendet, ändert sich eine Form einer Nachbarschaft eines Hochpunkts in den vorverarbeiteten Daten basierend auf einer eindeutigen Geschwindigkeit.

In der Fig. 5 ist in diesem Zusammenhang ein Beispiel eines Abstands- Geschwindigkeitsleistungsspektrums abgebildet. Auf der x-Achse ist die Geschwin digkeitsfrequenz abgetragen, auf der y- Achse ist die Abstandsfrequenz abgetragen. Zur Illustration ist genau ein Ziel abgebildet, sodass das dargestellte Spektrum genau einen Hochpunkt 38 aufweist. Die Darstellung entspricht dabei einem Abstands- Geschwindigkeitsleistungsspektrum nach der Fouriertransformation über einen Puls und über mehrere Pulse. Der Hochpunkt 38 ist vergrößert dargestellt. Im Bereich der vergrößerten Darstellung ist zusätzlich zur zweidimensionalen vergrößerten Darstel lung ein entsprechender eindimensionaler Schnitt an der Position des Hochpunkts in der Geschwindigkeitsdimension und in der Abstandsdimension abgebildet.

In der Fig. 6 ist beispielhaft die Anpassung eines vordefinierten Modells in der unmit telbaren Umgebung des Hochpunkts dargestellt. Die beiden Darstellungen auf der linken Seite zeigen die Abstandsdimension. Die beiden Darstellungen auf der rech ten Seite zeigen die Geschwindigkeitsdimension. Die beiden oberen Darstellungen bilden dabei die Leistung (in Dezibel) auf der y- Achse über die Frequenz auf der x- Achse ab. Die unteren Darstellungen bilden die Phase (p) auf der y- Achse über die Frequenz auf der x-Achse ab. Die gemessenen Werte (der Beschreibungsparameter) sind mit Kreisen 40 gekennzeichnet. Der (mehrdimensionale) Modellwert für die zu treffende Relativgeschwindigkeit von -26 m/s ist mit Kreuzen 42 gekennzeichnet und der Modellwert für die Geschwindigkeitshypothese von 4 m/s ist mit Quadraten 44 gekennzeichnet. Wie dargestellt, trifft das zutreffende Modell, also die Geschwindig keitshypothese von -26 m/s, die Messwerte in der Nachbarschaft des Hochpunkts wesentlich besser. Basierend auf einem Vergleich kann also die zutreffende Ge schwindigkeitshypothese ausgewählt werden.

In der Fig. 7 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt. Das Ver fahren umfasst Schritte des Empfangens S10 von vorverarbeiteten Sensordaten, des Ermittelns S12 einer Position eines Hochpunkts, des Ermittelns S14 eines Beschrei bungsparameters, des Anpassens S16 eines vordefinierten Modells, des Verglei- chens S18 des Beschreibungsparameters mit den mehreren Modellwerten und des Auswählens eines Modellwerts und des Ausgebens S20 der Geschwindigkeitshypo these. Das Verfahren kann beispielsweise als Software implementiert sein, die auf einem Fahrzeugsteuergerät oder in einem Radarsensor ausgeführt wird. Vorzugs weise wird das Verfahren während des Betriebs eines Radarsensors angewendet.

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 Au sf ü h ru n g sf orm en 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.

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.

Bezuqszeichen System

Objekt

Multipuls-Radarsensor

Vorrichtung

Fahrzeug

Sichtfeld

Eingangsschnittstelle

Auswerteeinheit

Beschreibungseinheit

Modellierungseinheit

Vergleichseinheit

Ausgabeeinheit

Relativgeschwindigkeit des stationären Ziels Relativgeschwindigkeit des beweglichen Ziels Hochpunkt

Kreis

Kreuz

Quadrat

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (16) zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts

(12), mit:

einer Eingangsschnittstelle (22) zum Empfangen von vorverarbeiteten Sens ordaten eines frequenzmodulierten Multipuls-Radarsensors (14), wobei die Sensor daten ein Frequenzspektrum eines Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs (18) umfassen;

einer Auswerteeinheit (24) zum Ermitteln einer Position eines Hochpunkts in nerhalb des Frequenzspektrums basierend auf den Sensordaten;

einer Beschreibungseinheit (26) zum Ermitteln eines Beschreibungsparame ters, der eine Form des Frequenzspektrums in einer unmittelbaren Umgebung der Position des Hochpunkts beschreibt;

einer Modellierungseinheit (28) zum Anpassen eines vordefinierten Modells basierend auf der ermittelten Position des Hochpunkts und zum Ermitteln mehrerer Modellwerte basierend auf dem angepassten Modell, wobei die Modellwerte jeweils eine Form eines Frequenzspektrums für eine Geschwindigkeitshypothese beschrei ben;

einer Vergleichseinheit (30) zum Vergleichen des Beschreibungsparameters mit den mehreren Modellwerten und zum Auswahlen eines Modellwertes mit maxi maler Übereinstimmung mit dem Beschreibungsparameter; und

einer Ausgabeeinheit (32) zum Ausgeben der Geschwindigkeitshypothese des ausgewählten Modellwertes als Relativgeschwindigkeit des Objekts.

2. Vorrichtung (16) nach Anspruch 1 , wobei die Modellierungseinheit (28) zum Anpassen des vordefinierten Modells und zum Ermitteln der mehreren Modellwerte basierend auf einer Nachschlagetabelle mit vorberechneten Modellwerten für ver schiedene Geschwindigkeitshypothesen für unterschiedliche Positionen von Hoch punkten ausgebildet ist.

3. Vorrichtung (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die unmit telbare Umgebung der Position des Hochpunkts eine vordefinierte Anzahl an diskre ten Werten umfasst.

4. Vorrichtung (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das vordefi nierte Modell auf einer Berechnung von Zeitbereichswerten basiert, bei der eine Laufzeit der Abtastwerte innerhalb eines Pulses berücksichtigt wird.

5. Vorrichtung (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Be rechnung der Modellwerte auf einer Optimalfilterung über einen Puls und einer Fou riertransformation über mehrere Pulse basiert, wenn die vorverarbeiteten Sensorda ten basierend auf einer Optimalfilterung einer beliebigen Pulsform vorverarbeitet wurden.

6. Vorrichtung (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Be rechnung der Modellwerte auf einer ersten Fouriertransformation über einen Puls und einer zweiten Fouriertransformation über mehrere Pulse basiert, wenn die vorverar beiteten Sensordaten basierend auf einer Verarbeitung einer linear frequenzmodu lierten Pulsfolge vorverarbeitet wurden.

7. System (10), insbesondere Automotive-Radarsystem, zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts (12), mit:

einem frequenzmodulierten Multipuls-Radarsensor (14) zum Erfassen eines Objekts in einer Umgebung eines Fahrzeugs (18) mit einer Vorverarbeitungseinheit zum Vor verarbeiten eines Signals eines Empfangskanals des Multipuls-Radarsensors; und einer Vorrichtung (16) nach einem der vorstehenden Ansprüche.

8. System (10) nach Anspruch 7, wobei der Multipuls-Radarsensor (14) zum Aussenden von Radarpulsen mit einer hohen kohärenten Verarbeitungszeit ausge bildet ist, vorzugsweise zum Aussenden von 512 Radarpulsen innerhalb von 25 ms.

9. System (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei der Multipuls- Radarsensor (14) zum Aussenden von Radarpulsen mit einer hohen Bandbreite ausgebildet ist, vorzugsweise einer Bandbreite zwischen 800 MHz und 4000 MHz, insbesondere einer Bandbreite von 1000 MHz.

10. System (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Multipuls- Radarsensor (14)

zum Betrieb in einem Frequenzbereich zwischen 76 GHz und 81 GHz ausgebildet ist; und/oder

eine konstante Pulswiederholungszeit aufweist.

11. System (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Vorverarbeitungs einheit des Multipuls-Radarsensors (14) zum gleichzeitigen Verarbeiten von 256 oder 512 Radarpulsen ausgebildet ist.

12. Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts (12), mit den Schritten:

Empfangen (S10) von vorverarbeiteten Sensordaten eines frequenzmodulier ten Multipuls-Radarsensors (14), wobei die Sensordaten ein Frequenzspektrum ei nes Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs (18) umfassen;

Ermitteln (S12) einer Position eines Hochpunkts innerhalb des Frequenzspekt rums basierend auf den Sensordaten;

Ermitteln (S14) eines Beschreibungsparameters, der eine Form des Fre quenzspektrums in einer unmittelbaren Umgebung der Position des Hochpunkts be schreibt;

Anpassen (S16) eines vordefinierten Modells basierend auf der ermittelten Position des Hochpunkts und zum Ermitteln mehrerer Modellwerte basierend auf dem angepassten Modell, wobei die Modellwerte jeweils eine Form eines Frequenz spektrums für eine Geschwindigkeitshypothese beschreiben;

Vergleichen (S18) des Beschreibungsparameters mit den mehreren Modell werten und zum Auswahlen eines Modellwertes mit maximaler Übereinstimmung mit dem Beschreibungsparameter; und

Ausgeben (S20) der Geschwindigkeitshypothese des ausgewählten Modell wertes als Relativgeschwindigkeit des Objekts.

13. Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 12, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.