-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Positionsbestimmung
eines Objekts, insbesondere mittels Radar.
-
Der
Begriff Radar bedeutet „Radio
Detection and Ranging" und
wird nachfolgend als ein Verfahren verstanden, bei dem mittels Radiowellen
(Radio) Objekte detektiert (Detection) und die Entfernungen (Ranging) zu
ihnen ermittelt werden können.
-
Bisherige
Radarsysteme sind nur bedingt in der Lage lateral aufzulösen. Sie
können
die Entfernung eines Objekts von einer Position bestimmen, nicht
aber die Position des Objekts entlang eines durch die Ausstrahlung
eines Signals charakterisierten Kreisbogens, dessen Radius durch
die gemessene Entfernung bestimmt ist. Nachfolgend bezieht sich
der Begriff „Kreisbogen„ stets
auf diese Bedeutung. Bildgebende Verfahren wie z.B. das der Mikrowellenholographie
[1] sind technisch nur aufwendig realisierbar.
-
Triangulations-,
Trilaterations-, oder Mehrstrahlverfahren bzw. scannende Systeme
sind technisch einfach zu realisieren und in der Lage lateral aufzulösen. Triangulations-
bzw. Trilaterationsverfahren bestimmen ein Ort in einer Ebene durch
die Berechnung der Schnittpunkte zweier Geraden und/oder Kreise.
Die Positionen der Kreiszentren werden als bekannt vorausgesetzt
und entsprechen in der Regel den Positionen der für die Ausstrahlung
von Signalen verantwortlichen Sendeeinheiten.
-
Beim
Triangulationsverfahren sind die Messgrößen die Winkel zwischen der
jeweiligen Verbindungslinie vom Kreiszentrum zu der zu bestimmenden
Position und der Geraden zwischen den Kreiszentren.
-
Zur
Bestimmung der Position eines Objekts O in einem Triangulationsverfahren
gemäß
1 werden die von Empfangseinheiten
wie z.B. Radarmodule m
n gemessenen Entfernungswerte
zum
Objekt als Kreisbögen
m
nk um die Radarmodule m
n mit
dem Radius
dargestellt.
Da ein einziger Kreisbogen m
nk keine eindeutige
laterale Position angeben kann (stattdessen nur die Entfernung
),
ist eine zweite Signalquelle bzw. ein zweites Radarmodul m
2 notwendig, welches einen zweiten Kreisbogen
m
nk erzeugt, sodass die zwei-dimensionale
Position des Objekts O vom Schnittpunkt dieser mindestens zwei Kreisbögen m
nk angegeben wird. Hier wird aus dem Radarmodul
m
2 ein Signal ausgesendet, das nach der
Entfernung
gemäß des dort
befindlichen Kreises m
21, vom Objekt reflektiert
wird. Ähnlich
wird aus Radarmodul m
1 ein Signal ausgestoßen, welches
nach der Entfernung
gemäß des dort
befindlichen Kreises m
11 vom Objekt reflektiert
wird. Somit kann mit den Entfernungen
und
sowie
mit der bekannten Entfernung D zwischen den Radarmodulen m
1 und m
2 der Winkel α zum Objekt
O berechnet und die Position des Objekts bestimmt werden.
-
Dabei
ergeben sich aber folgende Probleme:
- – Ein Schnittpunkt
ist umso schlechter auflösbar,
je weiter das Objekt von der Sendeeinheit bzw. Apertur der Sendeeinheit
entfernt ist. Für
die laterale Genauigkeit der Trilateration kann der maximale Fehler
für Entfernungen,
die größer sind
als der Abstand zwischen den Messpunkten, wie folgt angegeben werden: Der Fehler ist also proportional
zum Abstand.
- – eine
eindeutige Zuordnung des Schnittpunkts zum Objekt, sowie die Unterdrückung von
Phantomechos (siehe dazu auch 4)
kann nur mit großem
Aufwand oder überhaupt
nicht gewährleistet
werden.
- – Für die Berechnung
des Schnittpunktes von zwei Kreisen werden mindestens zwei Messungen
des Objekts von unterschiedlichen Radarmodulen benötigt.
-
Im
Trilaterationsverfahren werden die Längen von den drei Seiten eines
Dreiecks gemessen. Die Länge
der einen Seite ist durch das Wissen der Koordinaten ihrer Endpunkte
bekannt. Bei der Trilateration sind die Messgrößen die Entfernungen zu dem
zu bestimmenden Ort, ausgehend von dem jeweiligen Kreiszentrum.
-
Radarsysteme,
die auf der Basis von Trilaterationsverfahren arbeiten, weisen den
Nachteil auf, dass sie einen stark eingeschränkten Messbereich besitzen.
Sie werden deshalb vorwiegend in Anwendungen, die nur eine Nahbereichsmessung
erfordern, eingesetzt, wie z.B. als Einparkhilfe für Vehikel.
Die Festlegung des Messbereichs erfolgt in der Regel in Abhängigkeit
der spezifischen Anwendung, der Einbauposition von Radarmodulen,
der geforderten Messgenauigkeit und der Reflektivität des zu
vermessenden Objekts.
-
Im
Multilaterationsverfahren wird die Position eines Objekts unter
Verwendung der Laufzeitunterschiede von Empfangssignalen, die bei
mehreren Sensoren eingehen, bestimmt.
-
Eine
andere Möglichkeit
zur Bestimmung der lateralen Position eines Objekts ist die Verwendung
von Mehrstrahlsystemen mit diskreten, also in ihren Ausmaßen eindeutig
begrenzten, Strahlkeulen, wie sie z.B. für ACC „Automatic Cruise Control" Radare zur Überwachung
des Fernbereiches eingesetzt werden. Bei einem Mehrstrahlsystem
wird der Messbereich (eine Fläche
oder ein Raum) durch mehrere Radarmodule mit Antennenkeulen unterschiedlicher
Hauptstrahlrichtung (Sektoren) abgedeckt, die gleichzeitig oder
nahezu gleichzeitig messen. Die Winkelauflösung ergibt sich aus Breite
der Antennenkeule in Hauptstrahlrichtung. Dabei wird ein Objekt
nur von einer Antenne gesehen, in deren diskreten Strahlkeule es
sich befindet. Dadurch wird lediglich eine grobe Auflösung des
Winkels α (siehe 1) des Vektors, welcher
zum Objekt O aus einer vordefinierten Position zeigt, möglich. Einfache
Mehrstrahlsysteme können
ihren Messbereich maximal in die Anzahl Segmente unterteilen, die
der Anzahl der Strahlkeulen des Systems entsprechen. Durch spezielle
Verfahren wie z.B. Phasen-Monopuls
oder Sequential Lobing sind aber Winkelmessgenauigkeiten unterhalb
der maximalen Strahlkeulenbreite möglich.
-
Beim
sogenannten Phasen-Monopuls Verfahren wird eine Antennenanordnung
benutzt, bei der zwei Antennen um einen um einen Bruchteil der Wellenlänge des
Trägersignals
verschiedenen Signalweg aufweisen [2]. Dadurch kann die Winkelbestimmung
aus dem Summen- und Differenzsignal der beiden Antennen auf der
ZF-Ebene erfolgen.
-
Amplituden
Monopuls und Sequential Lobing Verfahren umfassen die Auswertung
unkorrelierter, mit verschiedenen Antennen oder mit geschwenktem
Strahl (Schwenken der Antennenhauptkeule durch Phased Array oder
mechanisch) empfangener Radarsignale unter Berücksichtigung von Antennenrichtcharakteristiken [3].
Beim Amplituden-Monopuls Verfahren werden dabei die Radarsignale
gleichzeitig aufgenommen. Beim Sequential Lobing Verfahren werden
sequentiell aufgenommene Radarsignale unter Berücksichtigung des zeitlichen
Versatzes entsprechend dem Amplituden Monopuls Verfahren ausgewertet.
-
Scannende
Systeme sind den Mehrstrahlsystemen ähnlich, weisen aber die Einschränkung auf,
dass die einzelnen Sektoren entweder durch Umschalten zwischen physikalisch
fest eingebauten Antennen oder durch mechanisches oder elektronisches
Schwenken der Antennenhauptstrahlrichtung abgetastet werden.
-
Die
dem Stand der Technik entsprechenden Mehrstrahlsysteme wie z.B.
ACC-Radare weisen aber folgende Nachteile auf:
- – sie haben
im Nahbereich ein sehr eingeschränktes
Sichtfeld, da die Ausbreitung der Strahlkeulen mit einem Punkt an
der Signalquelle beginnt und somit das Sichtfeld in der Nähe der Signalquelle
sehr schmal ist;
- – Verfahren
zur Erhöhung
der Winkelauflösung
wie Amplituden-Monopuls
und Sequential-Lobing haben einen auf den Bereich zwischen den Maxima
der beiden Strahlkeulen, also die Strahlkeulen, die mindestens notwendig
sind um Sequential Lobing oder Amplitudenmonopulseberechnungen durchzuführen, beschränkten Eindeutigkeitsbereich;
- – die
Verfahren Sequential-Lobing und Phasen-Monopuls erfordern technischen
Aufwand in der Form spezieller, digitaler Nachverarbeitung, sowie
im Falle des Phasen-Monopuls Verfahrens auch ein spezielles, technisch
aufwendiges Radarmodul;
- – für das Amplituden-Monopuls
Verfahren werden mindestens zwei Messungen eines Objekts von unterschiedlichen
Radarmodulen benötigt.
-
Somit
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
bei dem eine eindeutige Position eines oder mehrerer zu vermessenden
Objekten mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird, wobei die Position
des Objekts insbesondere in einem Entfernungsbereich liegt, welcher
für den
Fahrzeug-, Flugzeug-, oder Schiffsverkehr relevant ist, vorzugsweise
ein Bereich zwischen 1m bis 200m. Im Fahrzeugverkehr wird die Breite
einer Straße
als gegebener Faktor bei der Positionsbestimmung eines oder mehrerer
Objekte vorausgesetzt.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, das genannte Verfahren mit
möglichst
geringem technischem Aufwand zu realisieren.
-
Die
Lösung
ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die
Lösung
umfasst ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts, bei
dem
- – mittels
mehrerer Radarmodule Signale in die Richtung eines zu vermessenden
Objekts gesendet werden,
- – die
Radarmodule Strahlkeulen unterschiedlicher Breite ausstrahlen,
- – mittels
mindestens eines ersten Radarmoduls die Position des Objekts mit
einem Phasen- oder Amplituden Monopuls Verfahren geschätzt wird,
- – zusammen
mit der vom ersten Radarmodul ermittelten Schätzung weitere Radarmodule die
Position des Objekts auf der Basis eines Triangulations- oder Trilaterationsprinzips
ermitteln.
-
Das
Verfahren wird dadurch erweitert, dass im Falle, dass ein erstes
Radarmodul kein gültiges,
reflektiertes Signal erhalten hat,
- – die Richtung
der Hauptstrahlkeule des ersten Radarmoduls ermittelt wird,
- – der
Winkel des Objekts relativ zu den weiteren Radarmodulen, welche
gültige,
reflektierte Signale erhalten haben, geschätzt wird,
- – die
Schätzung
des Winkels des Objekts relativ zu den weiteren Radarmodulen derart
verbessert wird, dass der ermittelte Winkel der Hauptstrahlkeule
vom ersten Radarmodul derart von dem von den weiteren Radarmodulen
ermittelten
Winkel abgezogen wird, dass die Schätzung über die
Position des Objekts verfeinert wird.
-
Als
reflektiertes Signal wird natürlich
der reflektierte Anteil des ursprünglichen Sendesignals verstanden.
-
Bei
mehreren Radarmodulen ist es vorteilhaft, wenn die Winkel der Hauptstrahlkeulen
aller Radarmodule, welche kein gültiges,
reflektiertes Signal erhalten haben, zur Verfeinerung der Schätzung über die
Position des Objekts herangezogen werden.
-
Es
ist besonders günstig,
wenn die Strahlkeule des ersten Radarmoduls gegenüber den übrigen Strahlkeulen
länger
und schmäler
ist, da in diesem Falle die Position eines entfernten Objekts leichter
bestimmbar ist.
-
Zur
Auswertung der von den Radarmodulen gelieferten Information werden
vorzugsweise die geschätzten
Positionen des Objekts in die Zellen einer rechnergestützten Gitterkarte
gespeichert.
-
Es
ist günstig,
wenn ein Polygon aus der in den Zellen eingetragenen wahrscheinlichen
Positionen des Objekts aus der Sicht eines Radarmoduls gebildet
wird. Dabei wird vorzugsweise eine Schnittmenge des Polygons mit
der Gitterkarte gebildet wird. Die Zellen der Gitterkarte können einen
Zeiger auf eine Tabelle erhalten, welche über die Daten des Objekts verfügt. Die
Tabelle kann dabei über
die Daten der Amplitude des vom Objekt reflektierten Signalanteils,
der Entfernung zum Objekt, und Angaben über die für die Messungen verantwortlichen
Radarmodule verfügt.
-
Zur
Bestimmung der Position eines Objekts mittels Radar wird eine Anordnung
vorgeschlagen, die folgende Merkmale aufweist:
- – mindestens
ein erstes Radarmodul welches ein Mehrstrahlsystem umfasst, mit
dem die Position eines Objekts anhand ei nes Phasen- oder Amplituden
Monopulsverfahrens schätzungsweise
ermittelbar ist,
- – mindestens
ein weiteres Radarmodul das in der Lage ist, die Laufzeit eines
gesendeten und empfangenen Signals im Zuge eines Trilaterations-
oder Triangulationsverfahrens zu ermitteln,
- – eine
Auswerteeinheit, mit der die genauere Position des Objekts durch
eine Kombination der vom ersten Radarmodul ermittelten Position
und der anhand eines Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens
von dem mindestens einen weiteren Radarmodul ermittelten Position
ermittelbar ist.
-
Das
Mehrstrahlsystem sollte vorzugsweise mehrere Sende- und Empfangseinheiten
aufweisen, wobei eingehalten werden sollte, dass alle Radarmodule
mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.
-
Es
ist für
eine vereinfachte Konstruktion günstig,
wenn die Radarmodule Richtkoppler zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen
aufweisen.
-
Zur
Auswertung der von den Radarmodulen empfangenen Signale bzw. Signalanteile
wird bevorzugt, dass die Auswerteeinheit, je nach Bedarf einen Prozessor,
Filter und/oder Verstärker
aufweist.
-
Durch
das erfinderische Verfahren und durch die entsprechende Anordnung
ergibt sich der Vorteil, dass der für eine genaue Entfernungsmessung
nötige
technische Aufwand gegenüber
dem Stand der Technik erheblich reduziert wird. Außerdem ergibt
sich der Vorteil, dass die Nachteile der einzelnen aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren ausgeglichen werden.
-
Die
Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei
zeigt
-
2 eine
Anordnung von Strahlkeulen, welche aus einer Kombination von Trilaterations-
und Mehrstrahlsystemen ausgesendet werden,
-
3 eine
Darstellung eines Verfahrens (CPAE) zur Abschätzung der Position eines Objekts
bei fehlenden Messinformationen,
-
4 eine
Darstellung von mehrdeutigen Phantomechos,
-
5 eine
bevorzugte Anordnung von Strahlkeulen,
-
6 eine
weitere, bevorzugte Anordnung von Strahlkeulen,
-
7 eine
für eine
Datenfusion verwendete Datenmatrix.
-
2 zeigt
eine Anordnung von Strahlkeulen welche aus 3 Signalquellen, m1, m2 und m3, aus unterschiedlichen Positionen ausstrahlen,
und ein Verfahren, bei dem ein Trilaterationsverfahren mit einem
Amplituden Monopulsverfahren kombiniert wird. In dieser Anordnung
sind vorzugsweise zwei möglichst
weit voneinander entfernte Radarmodule m1 und
m2 mit bezüglich ihrer Richtcharakteristik
an den Messbereich angepassten Antennen angeordnet. Für eine Trilateration
müssen
wenigstens 2 Radarmodule mit unterschiedlicher Position vorhanden
sein, wobei die Laufzeit eines gesendeten und empfangenen Signals
im Zuge des Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens ermittelt
werden kann. Durch die verhältnismäßig große Entfernung
zwischen den Radarmodulen m1 und m2 ist eine genaue Winkelberechnung nach einem
Trilaterationsverfahren möglich,
wenn sich auch ein Monopuls Mehrstrahlsystem m3,
bzw. eine Signalquelle m3 welche ein solches System
verkörpert,
zwischen den beiden äußeren Antennen
befindet, die in Kombination mit den Radarmodulen m1 und
m2 zur Berechnung der Trilateration herangezogen
wird. Das Mehrstrahlsystem weist vorzugsweise mehrere Sende- und
Empfangseinheiten auf, z.B. mehrere Antennen jeweils mit Richtkopplern.
Für eine
Monopulsauswertung sind nämlich
mindestens 2 Antennen nötig,
die einen gemeinsamen Ursprung m3 besitzen. Die
Anordnung kann also insgesamt 5 oder mehr, vorzugsweise identische,
Radarmodule aufweisen und es können
Objekte in einer radialen Entfernung von 13 bis 40 Metern und in
einer Breite von 3 bis 8 Metern erkannt werden.
-
Die
spezielle Anordnung von unterschiedlichen Signalquellen gemäß 2 ermöglicht insbesondere die
Kombination dreier Auswerteverfahren zur Bestimmung einer zwei-dimensionalen
Position eines Objekts:
Das erste Auswerteverfahren ist die
bereits genannte Trilateration, bei dem mindestens 3 Radarmodule
zur Berechnung von Kreisschnittpunkten bzw. Radien der Kreise verwendet
werden müssen.
-
Das
zweite Auswerteverfahren umfasst die Amplituden Monopuls oder Sequential
Lobing Verfahren, bei denen ausschließlich die gemessenen Amplituden
von zurückreflektierten
Signalen zur Winkelberechnung verwendet werden. Hier liegen Amplitude
und Radius bzw. Entfernung als Messgrößen vor.
-
Das
dritte Auswerteverfahren ist eine erfindungsgemäße Wahrscheinlichkeitsberechnung
für die
Position des zu vermessenden Objekts bzw. für den Winkel zum Objekt, und
wird vorzugsweise eingesetzt, wenn durch mindestens ein Radarmodul
keine gültige
Messung erfolgen konnte. Das besondere dabei ist die Verwendung
fehlender Informationen dem Radarmodul welcher keinen Messwert aufnehmen
konnte. Für
die Wahrscheinlichkeitsberechnung über die Position des zu vermessenden
Objekts wird die Richtcharakteristik des Radarmoduls herangezogen,
das keine Information über
das Objekt liefern konnte. Dieses Auswerteverfahren kann erfindungsgemäß als CPAE
(Conditional Probability Angle Estimation) bezeichnet und kann folgendermaßen beschrieben
werden:
Aufgrund der Ausbreitung von Strahlkeulen über mehrere
Wege von den unterschiedlichen Radarmodulen und aufgrund der Abhängigkeit
des Radarrückstreuquerschnittes
RCS (Radar Cross Section) des Objekts von der Position der Antenne
eines Radarmoduls kommt es immer wieder vor, dass mindestens ein
Radarmodul die Entfernung zu einem Objekt nicht bestimmen kann.
-
Unter
solchen Umständen
ist eine Positionsbestimmung des Objekts weder mit dem Amplituden
Monopuls-, Sequential Lobingnoch mit dem Trilaterationsverfahren
möglich.
Eine von einem Radarmodul ausgeführte
Messung ohne Empfang eines reflektierten Signalanteils (fehlende
Information) kann dennoch für
die zwei-dimensionale Positionsbestimmung des Objekts herangezogen
werden, wenn für
den Winkel des Objekts relativ zu diesem Radarmodul die Richtung
der Hauptstrahlkeule diese Radarmoduls angenommen wird, also vorzugsweise
die Strahlkeule mit der höchsten
Intensität,
und diese Schätzung
mit dem Winkel einer Strahlkeule aus einem Radarmodul mit gültiger,
gemessenen Entfernung kombiniert wird, bzw. dass die Richtung der Hauptstrahlkeule
als Winkel von den von den weiteren Radarmodulen ermittelten Winkel
abgezogen wird. Aus der Halbwertsbreite, z.B. +/–5°, der Antenne des Radarmoduls
mit der fehlenden Information kann die laterale Position des vom
Objekt reflektierten Signals, bzw. des gemessenen Echos eingegrenzt
werden und für
mögliche
Winkelwerte verwendet werden. Die möglichen Werteintervalle, d.h.
die Radiale Position des Objekts +– Messfehler und die Laterale
Position des Objekts +– entfernungsabhängiger Messfehler
einer Messung werden üblicherweise
als Varianz angegeben, die sich aus den bekannten Systemdaten wie
z.B. Richtcharakteristik einer Antenne und Entfernungsmessgenauigkeit
abschätzen
lassen.
-
Für die Formgebung
der in den Messungen eingesetzten Signale kann ein FMCW Verfahren
oder eine Kombination von Puls- und FMCW Verfahren, je nach Anwendung,
mit deren dafür
geeigneten Radaren eingesetzt werden. Die Messung erfolgt vorzugsweise mittels
nicht-kohärenter
Signale, wobei diese Signale zeitkodiert von den Radarmodulen ausgesendet
werden.
-
Es
wird bevorzugt, dass die Radarmodule Taktquellen aufweisen, welche
untereinander synchronisiert sind, damit ein gegenseitiges Stören der
Radarmodule vermieden wird.
-
3 zeigt
wie die wahrscheinliche Position eines Objekts anhand des CPAE Verfahren
eingegrenzt werden kann. Die wahrscheinliche Position eines Objekts,
dessen Entfernung nur von einem Radarmodul m3 gemessen
wurde, kann aufgrund der Antennenrichtcharakteristik dieses Radarmoduls
auf die graue Ellipse E1 der linken Grafik eingeschränkt werden.
Das Verfahren geht davon aus, dass nur ein Modul ein Echo erkannt hat.
Es sind also weder Partner, d.h. die nötigen zusätzlichen Radarmodule, für eine Trilateration
noch Partner für
eine Monopulsauswertung vorhanden. Aus der gemessenen Entfernung
zu diesem einen gemessenen Echo ergeben sich Entfernungsintervalle
in den anderen Modulen m1 und m2,
wo das Echo hätte
erkannt werden müssen.
Dies wird mit den schraffierten Ringsegmenten in der Figur dargestellt.
Das Echo eines einzelnen Radarmoduls hat zu Anfang des CPAE Verfahrens
einen lateralen Fehler der Größe der Antennenkeule
(Halbwertsbreite bzw. 3dB Breite). Gibt es bei dieser Entfernung
benachbarte oder überlappende
Antennenkeulen anderer Radarmodule, die nichts gemessen haben, so
wird die Fehlerellipse verkleinert (E2-rechte Abbildung). Der Verkleinerungsprozess
wird so lange wiederholt, bis alle benachbarten und überlappenden
Antennenkeulen der anderen Radarmodule berücksichtigt wurden. Die Zahlen
1 bis 5 dieser Figuren stellen die aus den Radarmodulen stammenden
Strahlkeulen dar, wobei nochmals drauf hingewiesen wird, dass hier
das mittlere Radarmodul m3 ein Mehrstrahlsystem
mit einem verhältnismäßig kleinem Öffnungswinkel α umfasst.
-
4 zeigt
wie das erfindungsgemäße CPAE
Verfahren auch die Beseitigung von Mehrdeutigkeiten in der Form
von mehrdeu tigen Echos MES aufgrund der gewählten Richtcharakteristiken
der Antennen ausschließt.
Es werden zwei Objekte in unterschiedlichen Entfernungen (dunkle
Ellipsen) erkannt. Beide Radarmodule R1 und R2 messen jeweils zwei
Echos ES und MES, da sie jeweils 2 Radien messen, aus denen sich dann
durch Trilateration 4 mögliche
Objektpositionen ergeben. Zwei davon sind Phantomechos MES, bzw. falsch.
Wenn für
beide Radarmodule ein 180° Öffnungswinkel
angenommen wird, z.B. um einen möglichst
flächendeckenden
Bereich abzutasten, ergibt sich eine mehrdeutige Situation wie sie
in dieser Figur dargestellt ist. Durch die Verkleinerung des Öffnungswinkels
(und dessen Eingabe im Algorithmus als Randbedingung) können aber
Mehrdeutigkeiten reduziert werden. Eine Verkleinerung des Winkels
ist aber erst dann sinnvoll, wenn zur Kompensierung der Verkleinerung
des Messbereichs ein drittes Radarmodul m3 eingesetzt
wird, dass vorzugsweise wie zu den 2 und 3 beschrieben
ein Mehrstrahlsystem, auch mit kleinem Öffnungswinkel, umfasst. Durch
das zusätzliche
Radarmodul kann das CPAE Verfahren zur Bestimmung einer Position
eines Objekts durchgeführt
und gleichzeitig die mehrdeutigen Echos zu beseitigen werden.
-
5 zeigt
ein alternatives Muster von Strahlkeulen welche ebenfalls aus einer
Anordnung von unterschiedlichen Radarmodulen m1,
m2 und m3 aus unterschiedlichen
Positionen ausstrahlen. Diese Figur zeigt wie der Öffnungswinkel
des mittleren Radarmoduls gegenüber 2 reduziert
ist. Eine Skalierung der Messregion ist anhand dieses Beispiels
ersichtlich. Prinzipiell gilt der Grundsatz, dass je schmaler die
Antennenkeule, desto weiter sieht das Radar. Dazu gegenläufig ist
allerdings der Sichtbereich: je schmaler die Radarkeule, desto kleiner
ist der durch dieses Radar abgedeckte Sektor. Je nach Anwendung
könnte
also eine Anordnung nach dieser Figur oder eine Anordnung nach 2 bevorzugt
werden.
-
6 zeigt
ein weiteres Muster von Strahlkeulen welche aus einer Anordnung
von mehreren Radarmodulen m1, m2 und
m3 aus strahlen. Eine Vergrößerung der
Messregion ist durch die gewollte Ausbildung von Nebenkuhelen N1
und N2 aus äußeren Radarmodulen
möglich.
Dadurch wird die Erkennung von Objekten im Nahbereich ermöglicht.
Durch diese Maßnahme
kann das System insbesondere als Einparkhilfe für Vehikel genutzt werden. Jede
Antenne hat Nebenkeulen. Wenn die Nebenkeulen bekannt sind können sie
mit in die Auswertung einbezogen werden. Theoretisch sollte es also
möglich
sein auch mit den Nebenkeulen Objekte zu erkennen.
-
Vor
der Berechnung von Trilateration und Amplituden Monopuls (siehe
dazu die Beschreibung zu 2) müssen die Messwerte der einzelnen
Radarmodule hypothetischen Objekten zugeordnet werden. Die Zuordnung
der Entfernungsdaten ist ein wichtiger Schritt in der Signalverarbeitung.
-
7 zeigt
wie die Zuordnung dadurch erreicht wird, dass die Schnittmenge der
Bereiche, in denen sich das Objekt aus der Sicht der einzelnen Radarmodule
wahrscheinlich befindet, gebildet wird. Dafür ist eine rechnergestützte Gitterkarte
G bereitgestellt, deren Zellen Gnm mit der
wahrscheinlichen Position des Objekts aus der Sicht der Radarmodule
entsprechend belegt bzw. gespeichert werden. Hierbei erhalten die
Zellen Gnm Zeiger auf eine Tabelle D, in
der alle gemessenen Entfernungen spaltenweise aufsteigend eingetragen
sind. In jeder Zeile z dieser Tabelle D stehen, wie in 7 rechts
gezeigt, die für
das Messergebnis wichtigen Parameter. Diese sind die Entfernung
d, das Radarmodul m, mit dem die Messung der Entfernung d erfolgte,
die Amplitude A des vom Objekt reflektierten Signals bzw. Amplitude
des empfangenen Echos, die radiale Geschwindigkeit v des Objekts
und ein Flag fl. Der Flag zeigt mittels der binären Werte 1 und 0, ob der Messwert bereits
für eine
Datenfusion verwendet wurde. Ein Datenfusionsverfahren ist in [4]
eingehend beschrieben.
-
Die
Berechnung einer zwei-dimensionalen, endgültigen Echoliste mit der Position
eines Objekts wird wie folgt ausgeführt:
- 1.
Alle gemessenen Entfernungen d werden wie bereits beschrieben die
Gitterkarte G eingetragen.
- 2. Für
einen speziellen, typischerweise kleinsten und noch nicht in einer
vorherigen Datenfusion verwendeten Messwert, wie z.B. die Entfernung
zu einem Objekt, das für
die Reflektion eines Signal verantwortlich war, wird ein Polygon
für die
wahrscheinliche Position des Objekts aus der Sicht des Radarmoduls,
mit dem diese Messung erfolgte, berechnet.
- 3. Die Schnittmenge des Polygons mit der Gitterkarte G wird
gebildet. Die Schnittmenge wird anders ausgedrückt durch die Überlagerung
des Polygons auf die Gitterkarte und der dadurch erzeugten Kreuzungsfläche gebildet.
- 4. Die Schnittmenge wird durch Plausibilitätstests wie z.B. sinnvolles
Geschwindigkeitsverhältnis
von mehreren Echos gebildet Ob es sich dabei um Echos von einem
Objekt oder von unterschiedlichen Objekten handelt ist aus den Daten
nicht erkennbar. Die Einzelmessungen werden überprüft und gegebenenfalls verkleinert.
- 5. Existiert eine Schnittmenge, so wird abhängig von den beteiligten Radarmodulen
eine Trilateration oder eine Amplituden Monopulsauswertung durchgeführt und
anschließend
aus der Entfernungsmessgenauigkeit und der entfernungsabhängigen Winkelgenauigkeit
der Radarmodule die Varianz der ermittelten zwei-dimensionalen Position
des Objekts berechnet. Im Falle einer Schnittmenge mit mehr als
einem Messwert ist die Verwendung eines erweiterten Kalman Filters
zur Positionsberechnung vorteilhaft, da dieses in der Lage ist,
die einzelnen Messergebnisse entsprechend den Rechenvorschriften
für Trilateration
und Amplituden Monopuls zu mitteln. Die Rechenvorschrift ist zu
dieser Mittelung ist z.B. durch das Kalmanfilter gegeben. Bei der
Trilateration und bei Amplituden Monopuls können mehr als die zur Positionsberechnung notwendige
Echos vorhanden sein. Diese werden dann für eine genauere Positionsschätzung gemittelt
und die Varianz des gemittelten Ergebnisses, also die Positionsschätzung eines
Objekts und die geschätzte
Varianz des Messfehlers angegeben
- 6. Existiert keine Schnittmenge, so findet das CPAE Verfahren
Anwendung.
- 7. Die berechneten Objektpositionen werden in einer Objektliste
in Form einer weiteren Matrix E gespeichert, die neben der zweidimensionalen
Objektposition weitere Merkmale des Echos wie z.B. die geschätzte Varianz
der Position sowie die Geschwindigkeit des Objekts enthalten kann.
- 8. Die Schritte 2 bis 7 werden so lange wiederholt, bis alle
Messungen an einer Datenfusion beteiligt waren.
-
Die
für die
Datenfusion der Messdaten genutzte Datenmatrix, also die Gitterkarte
zusammen mit der Tabelle D, kann zusätzlich zur Datenfusion von
Positionsprädiktionen
aus einer dem erfindungsgemäßen System
angeschlossenen Echoverfolgung, auch Tracking genannt, eingesetzt
werden. Hierzu wird die von dem Tracking Filter, beispielsweise
ein Alpha Beta oder Kalman oder ähnliche
Filter, für
den Zeitpunkt der Messung berechnete Vorhersage der Position, in
die Datenmatrix eingetragen. Die von der Vorhersage belegte Fläche in der
Datenmatrix entspricht der geschätzten
Standardabweichung aus dem Tracking Filter. Weiterhin wird die Vorhersage
mit in die Datenmatrix aufgenommen und in dem erfindungsgemäßen Verfahren
als weiterer Messwert behandelt. Technische Vorteil der vorgeschlagenen
Lösung
sind die vom erfindungsgemäßen System
gelieferten Abschätzungen
der Fehler, die gemessenen Positionen, die von modellbasierten Tracking
Filtern als Eingangsgrößen benötigt werden
und sonst in einem ungenauen, auf Hypothesenbildung beruhenden weiteren
Schritt generiert werden müssten.
-
E. Literaturverzeichnis
-
Im
Rahmen dieses Dokuments werden folgende Quellen angegeben:
- [1] Luigi Giubbolini "Amulti-FMCW Modulation Technique for
3D Reconstruction of Reflectivity and Radial Velocity of Automotive
Scenario", CNR-IRITI
Politecnico di Torino, Turin, Italy
- [2] Jonathan D. Frederik "A
Novel Single Card FMCW Radar Transceiver With On Board Monopulse
Processing" PhD
Thesis University of California, Los Angeles, 2000
- [3] Adel Agah "Entwicklung
von Postprocessing-Algorithmen für
automotive Radarsysteme",
Dissertation der Technischen Universität Hamburg-Harburg, 2001
- [4] Robust Probabilistic Positioning based on High-Level Sensor-Fusion
and Map Knowledge Technical Report No. 421, April 18, 2003